用于被动连续变量量子密钥分发系统的帧同步方法与流程

1.本发明涉及保密通信技术领域，特别涉及一种用于被动连续变量量子密钥分发系统的帧同步方法。


背景技术：

2.量子密钥分发可以为通信双方提供信息理论安全性，具有较大的实用化前景。相比于离散变量量子密钥分发技术，连续变量量子密钥分发（cvqkd）能更高效的进行通信，可利用传统光通信器件实现、并融合到传统光通信体系中。在连续变量量子密钥分发过程中，从量子态接收到密钥协商，保密放大等后处理过程，需要正确的帧同步，否则难以保证获取正确密钥，因此帧同步过程极其重要。量子态在信道中传输的过程中会存在相对缓慢的相位漂移，使得探测结果增加非线性噪声，导致帧同步难度的增加。对于传统基于主动调制量子态的cvqkd系统，一般采用插入预先设同步帧的方法，即在量子信号前添加一段经过调制的特殊结帧同步信号，如专利cn112491539a 和cn115643010a，可以克服缓慢相位漂移的影响。但是主动调制量子态的cvqkd系统需要对信号进行随机调制，而相应的帧同步模块则需要对光信号进行额外的调制，增加了系统的复杂度。
3.为了降低系统复杂度，研究者提出被动cvqkd方案，发送端采用热光源，无需进行调制，只需将热光源进行分成两路，一路进行本地的外差探测，另一路作为量子态发送给接收端进行探测即可。在这种方案中，由于发送端没有调制模块，传统的基于调制的帧同步方法已无法适用。因此，利用传输的量子态进行帧同步的方法，如专利cn110213034b和cn116112164b，无需进行额外调制，可以适用于被动cvqkd方案，并且可以克服缓慢相位漂移的影响。然而，这些帧同步方法只适用于收发端本振光同源的被动cvqkd方案，即发送端采用相干光源产生本振光并分束后，用其中一路对本地热光源进行外差探测，并将另一路通过信道发送给接收端，用于接收端对其接收到的热光源进行相干探测。但是本振光经过信道传输后，会存在强度衰减、光子泄露以及安全性漏洞等问题。通过在发送端和接收端分别采用独立的激光器产生本振光可以解决这些问题，然而由于两个激光器之间的相位完全随机，存在固有的频率偏置和快速的相位漂移，使得双方探测结果存在偏差，导致收发数据之间的相关性大幅度降低，因此这些方案均不适用。针对本地本振光方案，专利cn113660075a公开了一种基于恒包络零自相关序列的帧同步方案，可以有效克服两个独立激光器之间的快速相位漂移和频率偏置，然而该方案仍需额外调制特殊结构的同步帧并插入到量子态数据之前，无法用于被动cvqkd方案。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在以上缺陷，本发明提出一种用于被动连续变量量子密钥分发系统的帧同步方法。
5.本发明的技术方案是这样实现的：一种用于被动连续变量量子密钥分发系统的帧同步方法，包括如下步骤：
步骤s1：发送端将经过滤波后的热光源分束成本地模式脉冲和传输模式脉冲，并将第一本振光激光器产生的光分束成第一本振脉冲和相位参考脉冲；随后使用第一本振光脉冲对本地模式脉冲进行外差探测，生成发送端随机序列，并通过预定的复用方式将经衰减后的传输模式脉冲与相位参考脉冲复用到量子信道发送给接收端；步骤s2：接收端将接收到的信号解复用后得到相位参考脉冲和传输模式脉冲，并将第二本振光激光器产生的光分束成第二本振脉冲和第三本振脉冲；使用第二本振脉冲对相位参考脉冲进行外差探测，得到参考探测序列，并计算出参考相位序列；使用第三本振脉冲对传输模式脉冲进行外差探测，得到探测序列；步骤s3：发送端从发送端随机序列中随机选取预定长度l的子序列作为同步帧序列，并通过经典信道公布给接收端；步骤s4：接收端从其探测序列和参考相位序列的第i位开始各选取l个元素，分别构成序列和，随后用参考相位序列对同步序列进行相位旋转，得到修正同步序列；步骤s5：接收端将修正同步序列分别与探测序列两两进行相关运算得到4个相关运算结果；步骤s6：接收端将和向后逐位移动，重复步骤s4和步骤s5，得到4个相关结果序列，其中至少有一个相关结果序列包含峰值和噪底；步骤s7：接收端比较4个相关结果序列峰值的绝对值，取四者中的最大值与预定的阈值进行比较，当超过预定阈值时判定完成帧同步，使收发数据对齐；否则帧同步失败。
6.优选地，所述步骤s1中热光源经滤波后每脉冲平均光子数为不小于500个。
7.优选地，所述步骤s1中采用一个非对称分束器对热光源进行分束和对传输模式脉冲进行衰减。
8.优选地，所述步骤s1中采用一个对称分束器实现对热光源的分束，采用一个光衰减器对传输模式脉冲进行衰减。
9.优选地，所述步骤s1中的参考脉冲序列每脉冲平均光子为1000个。
10.优选地，所述步骤s1中预定的复用方式为偏振和时间双复用。
11.优选地，所述步骤s5中相关运算为修正同步序列与探测序列进行数学上的互相关运算。
12.优选地，所述步骤s6中的预定阈值为相关结果序列噪底的3倍标准差。
13.与现有技术相比，本发明有以下有益效果：本发明提出一种用于被动连续变量量子密钥分发系统的帧同步方法，发送端从本地测量得到的发送端随机序列中随机选取少量的随机比特序列公布给接收端作为同步帧序列，接收端利用测得的参考相位对其进行相位旋转，并与量子态探测序列进行互相关运
算，即可根据得到的相关峰来完成帧同步，在极低信噪比和任意相位漂移情况下均具有较高的同步成功率，能够克服收发端两个独立激光器之间的频率偏置和快速相位变化，无需额外增加调制器件，适用于被动量子态制备的连续变量量子密钥分发系统。
附图说明
14.图1为本发明用于被动连续变量量子密钥分发系统的原理框图；图2为本发明用于被动连续变量量子密钥分发系统的帧同步方法信号处理流程图。
具体实施方式
15.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明进行清楚、完整地描述。
16.如图1所示，一种用于被动连续变量量子密钥分发系统的帧同步方法，包括如下步骤：步骤s1：发送端将经过滤波后的热光源分束成本地模式脉冲和传输模式脉冲，并将第一本振光激光器产生的光分束成第一本振脉冲和相位参考脉冲；随后使用第一本振光脉冲对本地模式脉冲进行外差探测，生成发送端随机序列，并通过预定的复用方式将经衰减后的传输模式脉冲与相位参考脉冲复用到量子信道发送给接收端；步骤s2：接收端将接收到的信号解复用后得到相位参考脉冲和传输模式脉冲，并将第二本振光激光器产生的光分束成第二本振脉冲和第三本振脉冲；使用第二本振脉冲对相位参考脉冲进行外差探测，得到参考探测序列，并计算出参考相位序列；使用第三本振脉冲对传输模式脉冲进行外差探测，得到探测序列；步骤s3：发送端从发送端随机序列中随机选取预定长度l的子序列作为同步帧序列，并通过经典信道公布给接收端；步骤s4：接收端从其探测序列和参考相位序列的第i位开始各选取l个元素，分别构成序列和 ，随后用参考相位序列对同步序列进行相位旋转，得到修正同步序列；步骤s5：接收端将修正同步序列分别与探测序列两两进行相关运算得到4个相关运算结果；步骤s6：接收端将和 向后逐位移动，重复步骤s4和步骤s5，得到4个相关结果序列，其中至少有一个相关结果序列包含峰值和噪底；步骤s7：接收端比较4个相关结果序列峰值的绝对值，取四者中的最大值与预定的阈值进行比较，当超过预定阈值时判定完成帧同步，使收发数据对齐；否则帧同步失败。
17.具体工作原理如下：如图1所示，在发送端，热光源经过滤波后被分束成本地模式脉冲和传输模式脉冲，第一本振光激光器产生的光被分束成第一本振脉冲和相位参考脉冲；本地模式脉冲通过第一本振光脉冲对进行外差探测，生成发送端随机序列；传输模式脉冲经过衰减器衰减后与相位参考脉冲通过偏振和时间复用到量子信道发送给接收端。
18.接收端将接收到的信号解复用后得到相位参考脉冲和传输模式脉冲，并将第二本振光激光器产生的光分束成第二本振脉冲和第三本振脉冲；使用第二本振脉冲对相位参考脉冲进行外差探测，得到参考探测序列，并计算出参考相位序列；使用第三本振脉冲对传输模式脉冲进行外差探测，得到探测序列。
19.发送端从发送端随机序列中随机选取预定长度的子序列作为同步帧序列，并通过经典信道公布给接收端；接收端从其探测序列和参考相位序列中各选取l个元素，随后用参考相位序列对同步序列进行相位旋转，得到修正同步序列；接收端将修正同步序列分别与探测序列进行相关运算；最后进行峰值判决，将得到的互相关峰值与预定的阈值进行比较，当超过预定阈值时判定完成帧同步，使收发数据对齐；否则帧同步失败。
20.本发明信号流程如图2所示，假设热光源的x分量为，传输模式脉冲进入量子信道之前的x分量和本地模式脉冲经外差探测之后的x分量（p分量类似）可分别写为，其中，为衰减器的透过率，分别为发送端外差探测的效率和电噪声，均为真空噪声。本地模式脉冲经外差探测之后得到的x分量和p分量的探测结果即为发送端随机序列。
21.接收端将接收到的信号解复用后得到相位参考脉冲和传输模式脉冲，并将第二本振光激光器产生的光分束成第二本振脉冲和第三本振脉冲；使用第二本振脉冲对相位参考脉冲进行外差探测，得到参考探测序列，并计算出参考相位序列；使用第三本振脉冲对传输模式脉冲进行外差探测得到传输模式脉冲的x分量（p分量类似）为，其中，为量子信道的透过率，分别为接收端对传输模式脉冲进行外差探
测的效率和电噪声，均为真空噪声。接收端对传输模式脉冲探测得到的结果为探测序列。
22.发送端从发送端随机序列中随机选取长度为l的子序列分别作为同步序列，并通过经典信道公布给发送端。
23.接收端从参考相位序列的第i位开始选取l个元素，得到序列，根据该序列中的每个元素来对同步序列的每个元素进行相位旋转，得到修正后的同步序列：，随后从探测序列的第i位开始选取l个元素，得到序列，并将分别与序列两两进行相关运算，得到4个互相关运算结果。
24.然后接收端进行移位操作，即分别从序列、 的第i+1位开始选取l个元素，得到相应的序列、 、 ，并根据的每个元素来对同步序列的每个元素进行相位旋转，得到修正后的同步序列，分别与、 进行互相关运算。接收端重复此操作，得到4组互相关运算结果序列，其中至少有一组包含有明显的峰值，其余均为期望为0的噪底。
25.当收发数据未同步时，即移位过程中处于互相关运算结果序列的噪底，由于不同量子态是相互无关的，他们之间的互相关为0，可用协方差来表示互相关，当收发数据同步时，即移位得到互相关运算结果序列的峰值，互相关为，其中，为热光源的平均光子数；为两个第一本振光激光器和第二本振光激光器之间的相对相位漂移。可以看出，当同步成功时4个互相关运算结果总有一个不为0，取它们之中绝对值的最大值即可得到一个在任意相位漂移下都不为0的峰值。
26.接收端设置一个阈值，将得到的4个互相关运算结果序列的峰值的绝对值进行比较，取较大的那个记为，将其与设定的阈值进行比较，当大于阈值时判定同步成功，否则同步失败。
27.综合本发明各个实施例可知，本发明提出一种用于被动连续变量量子密钥分发系统的帧同步方法，发送端从本地测量得到的发送端随机序列中随机选取少量的随机比特序列公布给接收端作为同步帧序列，接收端利用测得的参考相位对其进行相位旋转，并与量子态探测序列进行互相关运算，即可根据得到的相关峰来完成帧同步，在极低信噪比和任意相位漂移情况下均具有较高的同步成功率，能够克服收发端两个独立激光器之间的频率偏置和快速相位变化，无需额外增加调制器件，适用于被动量子态制备的连续变量量子密钥分发系统。

技术特征：
1.一种用于被动连续变量量子密钥分发系统的帧同步方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤s1：发送端将经过滤波后的热光源分束成本地模式脉冲和传输模式脉冲，并将第一本振光激光器产生的光分束成第一本振脉冲和相位参考脉冲；随后使用第一本振光脉冲对本地模式脉冲进行外差探测，生成发送端随机序列，并通过预定的复用方式将经衰减后的传输模式脉冲与相位参考脉冲复用到量子信道发送给接收端；步骤s2：接收端将接收到的信号解复用后得到相位参考脉冲和传输模式脉冲，并将第二本振光激光器产生的光分束成第二本振脉冲和第三本振脉冲；使用第二本振脉冲对相位参考脉冲进行外差探测，得到参考探测序列，并计算出参考相位序列；使用第三本振脉冲对传输模式脉冲进行外差探测，得到探测序列；步骤s3：发送端从发送端随机序列中随机选取预定长度l的子序列作为同步帧序列，并通过经典信道公布给接收端；步骤s4：接收端从其探测序列和参考相位序列的第i位开始各选取l个元素，分别构成序列和，随后用参考相位序列对同步序列进行相位旋转，得到修正同步序列；步骤s5：接收端将修正同步序列分别与探测序列两两进行相关运算得到4个相关运算结果；步骤s6：接收端将和向后逐位移动，重复步骤s4和步骤s5，得到4个相关结果序列，其中至少有一个相关结果序列包含峰值和噪底；步骤s7：接收端比较4个相关结果序列峰值的绝对值，取四者中的最大值与预定的阈值进行比较，当超过预定阈值时判定完成帧同步，使收发数据对齐；否则帧同步失败。2.根据权利要求1所述的用于被动连续变量量子密钥分发系统的帧同步方法，其特征在于，所述步骤s1中热光源经滤波后每脉冲平均光子数为不小于500个。3.根据权利要求1或2所述的用于被动连续变量量子密钥分发系统的帧同步方法，其特征在于，所述步骤s1中采用一个非对称分束器对热光源进行分束和对传输模式脉冲进行衰减。4.根据权利要求1或2所述的用于被动连续变量量子密钥分发系统的帧同步方法，其特征在于，所述步骤s1中采用一个对称分束器实现对热光源的分束，采用一个光衰减器对传输模式脉冲进行衰减。5.根据权利要求4所述的用于被动连续变量量子密钥分发系统的帧同步方法，其特征在于，所述步骤s1中的参考脉冲序列每脉冲平均光子为1000个。6.根据权利要求5所述的用于被动连续变量量子密钥分发系统的帧同步方法，其特征在于，所述步骤s1中预定的复用方式为偏振和时间双复用。
7.根据权利要求6所述的用于被动连续变量量子密钥分发系统的帧同步方法，其特征在于，所述步骤s5中相关运算为修正同步序列与探测序列进行数学上的互相关运算。8.根据权利要求7所述的用于被动连续变量量子密钥分发系统的帧同步方法，其特征在于，所述步骤s6中的预定阈值为相关结果序列噪底的3倍标准差。

技术总结
本发明属于保密通信技术领域，公开了一种用于被动连续变量量子密钥分发系统的帧同步方法，发送端从本地测量得到的发送端随机序列中随机选取少量的随机比特序列公布给接收端作为同步帧序列，接收端利用测得的参考相位对其进行相位旋转，并与量子态探测序列进行互相关运算，根据得到的相关峰来完成帧同步。与现有技术相比，本发明在极低信噪比和任意相位漂移情况下均具有较高的同步成功率，能够克服收发端两个独立激光器之间的频率偏置和快速相位变化，无需额外增加调制器件，适用于被动量子态制备的连续变量量子密钥分发系统。子态制备的连续变量量子密钥分发系统。子态制备的连续变量量子密钥分发系统。


技术研发人员：赵义博 王东 屈秀秀 冯小青 赵志远
受保护的技术使用者：北京中科国光量子科技有限公司
技术研发日：2023.08.10
技术公布日：2023/9/9