一种基于内调制脉冲光源的连续变量量子密钥分发方法与流程

1.本发明涉及量子密钥分发技术领域，特别是一种基于内调制脉冲光源的连续变量量子密钥分发方法。


背景技术：

2.随着量子信息技术的快速发展，密钥分发(quantum key distribution,qkd)作为其中一个重要分支在近三十年取得了非常显著且重要的成果。依据信源端编码空间的维度的不同，qkd可以分为离散变量类(discrete variable,dv)协议和连续变量类(continuous variable,cv)协议。不同于dv-qkd，cv-qkd系统中用于编码的量子态所在的hilbert空间是无限维且连续的，信息的载体不再是单光子的偏振或相位，而是光场的正则分量(相空间中的“位置”和“动量”)。由于信息的载体是连续变量，这使得每个脉冲可携带的密钥比特数有所增加，尽管并非每一个比特都会成为最终的安全密钥，但这依旧可以为最终安全码率的提升提供很大潜力。实验研究表明，连续变量量子密钥分发系统在中短距离具有安全码率高、可与经典光通信系统兼容等优势，在近十年得到了快速发展。
3.cv-qkd系统根据信源端调制相干态个数的不同可以分为高斯调制方案和离散调制方案；根据系统参考本振光源所处收发端的不同位置分为两大类，随路本振cv-qkd系统和本地本振cv-qkd系统。
4.其中基于高斯调制相干态协议的随路本振cv-qkd系统发展最早，成熟度最高。该类方案多采用时分+偏振复用，为避免本振光到达接收端时的泄漏光噪声对量子信号光产生影响，需要在发送端制备具有极高消光比的本振光脉冲。而这种高消光比光脉冲目前多采用级联振幅调制器对连续光进行外调制获得。外调制方案存在两个问题，一是需要针对振幅调制器的偏置点漂移设计复杂的反馈控制软硬件，系统复杂且成本高；二是两个级联调制器的插损约为6～10db，从而导致最终产生的脉冲光强度偏弱，影响本振光到达接收端的强度(传输距离)，进而影响系统探测器的探测能力。
5.目前主流的系统方案均需要在发送端对其信号光进行振幅和相位的调制，以构建相空间中的二维高斯随机变量，即x分量和p分量。而且由于系统中多采用相干探测，调制后的信号光经光纤信道传输后到达接收端与本振光干涉时，不可避免地存在相位漂移。因此需要进行相位漂移补偿以使收发端获得具有一定相关性的随机数据。特别地，在本地本振系统中，由于接收端和发送端分别采用两个不同的激光器，为获得稳定干涉结果，不仅需要进行相位补偿，还需要对两个激光器的频率进行锁定，系统复杂度和实现难度较高。


技术实现要素：

6.鉴于此，本发明提供一种基于内调制脉冲光源的连续变量量子密钥分发方法，以解决上述技术问题。
7.本发明公开了一种基于内调制脉冲光源的连续变量量子密钥分发方法，其包括以下步骤：
8.发送端向接收端提供信号光和本振光，或者是发送端向接收端提供信号光，接收端提供本振光；
9.接收端对信号光和本振光进行干涉，并从干涉结果中提取带有信道噪声的分量及其初始数据；
10.接收端对所述带有信道噪声的分量及其初始数据进行处理，获得与信道噪声相关的振幅调制信息，即初始密钥。
11.进一步地，所述发送端向接收端提供信号光和本振光，包括：
12.发送端内调制脉冲光源输出脉冲光，经第一耦合器分束成信号光和本振光，信号光经振幅调制器和衰减器后与经过第一延时线的本振光进入第二耦合器完成合束。
13.进一步地，所述接收端对信号光和本振光进行干涉，包括：
14.合束后的信号进入接收端后经第三耦合器完成分束，分束后得到的本振光经第二延时线和第四耦合器后分成两束，其中一束直接进入第六耦合器，另一束经过90度相移器后进入第七耦合器；
15.分束后信号光经第五耦合器后分成两束，其中，一束直接进入第六耦合器，另一束经过90度相移器后进入第七耦合器；
16.本振光和信号光分别在第六耦合器和第七耦合器两两干涉，其中，在第六耦合器中干涉后的信号分别通过第一探测器、第二探测器进入第一差分放大器；在第七耦合器中干涉后的信号分别通过第三探测器、第四探测器进入第二差分放大器。
17.进一步地，所述第二延时线为保偏光纤，可使经第三耦合器分束后的本振光和信号光到达第六耦合器、第七耦合器时存在延时差，以保证结合发送端第一延时线实现的本振光和信号光的延时差为系统重复频率的倒数的倍数，即本振光和信号光延时差等于周期的整倍数。
18.进一步地，发送端不仅不进行相位调制，而且本振光不与来自同一光源同时刻的信号光干涉，而是与其下一个周期的信号光干涉。
19.进一步地，所述发送端向接收端提供信号光和接收端提供本振光，包括：
20.发送端的第一内调制脉冲激光器输出脉冲光，经振幅调制器和衰减器后输出光信号；
21.在光信号到达接收端时，先经过第二延时线，再经第四耦合器分成强度相等的两束，且其中一束直接进入第六耦合器，另一束经90度相移器后到达第七耦合器；此时在接收端内部的第二内调制脉冲激光器输出脉冲光，成为本振光，其重复频率与第一内调制脉冲激光器相同，且通过第五耦合器后分成强度相等的两束后，分别进入第六耦合器和第七耦合器。
22.进一步地，所述第二延时线为保偏光纤，可使信号光和本振光同时到达第四耦合器和第五耦合器。
23.进一步地，所述接收端对信号光和本振光进行干涉，包括：
24.在第六耦合器和第七耦合器处，信号光和本振光两两干涉后，第六耦合器输出的信号分别通过第一探测器、第二探测器进入第一差分放大器，第七耦合器输出的信号分别通过第三探测器、第四探测器进入第二差分放大器。
25.进一步地，所述从干涉结果中提取带有信道噪声的分量及其初始数据，包括：
26.第一差分放大器输出的信号经过模数转换器后，从中提取x分量，其表达式为其中，e
l
为本振光振幅、es为信号光振幅、其中，为信号光振幅、其中，为第i时刻本振光相位，其与第i时刻信号光相位相同，即刻本振光相位，其与第i时刻信号光相位相同，即为第i+1时刻信号光相位，服从随机均匀分布；
27.第二差分放大器出的信号经过模数转换器后，从中提取p分量，其表达式为
28.进一步地，所述接收端对所述带有信道噪声的分量及其初始数据进行处理，获得与信道噪声相关的振幅调制信息，即初始密钥，包括：
29.分别将x分量和p分量的数据命名为d1和d2，其中数值上计算d1和d2的平方和，即并将结果开根号即可获得与发送端调制信息相关的es，即收发端共享无需进行相位补偿的含有信道噪声的初始密钥。
30.进一步地，发送端向接收端提供的信号光和接收端提供的本振光，同为内调制产生的脉冲光，或者是，一个是内调制产生的脉冲光，另一个是连续光。
31.由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：
32.1.相比于现有连续变量量子密钥分发系统中常用的窄线宽激光器，内调制脉冲激光器更容易做芯片化集成，系统集成度更高；
33.2.连续变量量子密钥分发系统发送端不需要额外添加相位调制器即可实现随机相位调制，无需两个振幅调制器级联即可实现高消光比光脉冲输出，因此对量子随机数发生器性能要求低，系统结构更简单、成本更低；
34.3.该方案可应用范围广，在连续变量类协议中可推广至准连续调制，也可以应用于离散调制协议；可应用于随路本振系统，也可应用于本地本振系统；
35.4.将该方案应用于本地本振系统中，无需进行本振光和信号光的频率锁定，有效降低系统实现难度和复杂度；
36.5.对相位漂移免疫，无需进行复杂的主动相位补偿。
附图说明
37.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明实施例中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
38.图1为本发明实施例的随路本振cv-qkd系统示意图；
39.图2为本发明实施例的本地本振cv-qkd系统示意图。
具体实施方式
40.结合附图和实施例对本发明作进一步说明，显然，所描述的实施例仅是本发明实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明实施例保护的范围。
41.内调制光源的工作原理是通过外部调制电压来控制激光二极管的驱动电流实现
对激光器出光强度的控制，即驱动电流在阈值以下及以上切换时，获得无光和有光交替状态的输出从而产生脉冲光。由于激光二极管的阈值工作特性，内调制脉冲光源具有天然的高消光比。同时由于无需外接调制器，其输出光脉冲的总强度更高。最重要的是，内调制脉冲光源输出的相邻两个脉冲光之间的相位差服从[0,2π]的均匀分布。本发明将利用这种相位差的随机特性，设计一种新型高效的连续变量量子密钥分发方案。
[0042]
实施例1
[0043]
如图1所示，发送端内调制脉冲光源输出脉冲光，经第一耦合器分束成上下两支路，分别命名为信号光和本振光。上支路经过振幅调制器和衰减器后与经过第一延时线的下支路进入第二耦合器完成合束后进入光纤信道；合束后的光信号到达接收端后经第三耦合器完成分束，本振光经第二延时线和第四耦合器后分成两束，信号光经第五耦合器后分成两束。分束后的本振光和信号光于第六耦合器和第七耦合器处两两干涉，其中未经过90度相移器的干涉信号通过第一探测器、第二探测器进入第一差分放大器，经过90度相移器的干涉通过第三探测器、第四探测器进入第二差分放大器，并各自通过模数转换器adc完成信号的采集。
[0044]
其中内调制脉冲激光器输出脉冲光重复频率为100mhz，脉冲宽度为5ns；
[0045]
其中第一耦合器分束比为90:10，10％强度通过上支路传输，90％强度通过下支路传输，并将两支路分别命名为信号光和本振光；
[0046]
其中振幅调制器为电光强度调制器，带宽不低于100mhz；为其加载的调制信号频率为100mhz，宽度不低于5ns，调制幅度值随机，实现的振幅调制结果服从瑞利分布；
[0047]
其中衰减器为旋钮式可调机械衰减器，衰减范围大于30db；
[0048]
其中第一延时线为保偏光纤，可使信号光和本振光到达第二耦合器时延时差为5ns，其中信号光在后，本振光在前；
[0049]
其中第二耦合器为偏振耦合器，可使信号光和本振光完成偏振复用；
[0050]
其中第三耦合器为偏振耦合器，可实现信号光和本振光的偏振解复用；
[0051]
其中第二延时线为保偏光纤，可使经第三耦合器分束后的本振光和信号光到达第六耦合器、第七耦合器时的延时差为5ns，以保证结合发送端第一延时线实现的本振光和信号光的延时差为系统重复频率的倒数，即本振光和信号光延时差等于周期。
[0052]
其中第四耦合器、第五耦合器分束比为50:50；
[0053]
其中90度相移器可实现对输入进行加载90度相位调制；
[0054]
其中第六耦合器、第七耦合器为2x2耦合器，其分束比为50:50；
[0055]
其中第一差分探测器、第二差分探测器可实现对输入信号的差分放大；
[0056]
在常规的高斯调制相干态协议的随路本振cv-qkd系统中，发送端需要对振幅调制器进行瑞利分布调制，对相位调制器进行均匀分布调制，并在接收端内部的零差探测结果表达式如下：
[0057][0058]
当本振光和信号光相位差θ＝π/2时，探测结果为p分量，当θ＝0时，探测结果为x分量。在相空间上，x分量对应为本振光振幅e
l
、量子信号光振幅es以及其相对本振光的相位差
余弦的乘积，即其中es服从[0,1]的瑞利分布，服从[0,2π]的均匀分布。
[0059]
在本发明提出的方案中，发送端不仅不进行相位调制，而且本振光不与同时刻的信号光干涉，而是与其下一个周期的信号光干涉。
[0060]
在本振光不经过90度相移器的干涉结构中，差分放大器后模数转换器提取的x分量表达式仍为但由于本振光和信号光为间隔周期干涉，因此本振光和信号光之间的相位差含时间的表达式为又因为本振光和信号光来自同一光源的分束，因此
[0061]
因此，在本方案中，探测器提取到的x分量为令则服从[0,2π]的均匀分布。结合外差探测，在本振光经过90度相移器的干涉结果中，差分放大器后模数转换器提取到的p分量表达式为分别将x分量和p分量的数据命名为d1和d2，其中数值上计算d1和d2的平方和，即并将结果开根号即可获得与发送端调制信息相关的es，此时由于数据结果与无关，即收发端此时共享无需进行相位补偿的含有信道噪声的初始密钥。最后经过数据后处理完成参数估计、数据纠错和私钥放大等步骤，收发端实现完全一致的随机比特的共享。
[0062]
实施例2
[0063]
如图2所示，发送端的第一内调制脉冲激光器输出脉冲光，经振幅调制器和衰减器后进入光纤信道，此时称该信号为量子光信号；量子光信号到达接收端时，先经过延时光纤，在经第四耦合器分成强度相等的两束，且其中一束经90度相移器后到达第七耦合器；此时在接收端内部的第二内调制脉冲激光器输出脉冲光，成为本振光，其重复频率与第一内调制脉冲激光器相同，且通过第五耦合器后分称强度相等的两束。在第六耦合器和第七耦合器处，量子信号光和本振光两两干涉，其中未经过90度相移器的干涉信号通过第一探测器、第二探测器进入第一差分放大器，经过90度相移器的干涉通过第三探测器、第四探测器进入第二差分放大器，并各自通过模数转换器adc完成信号的采集。
[0064]
其中第一内调制脉冲激光器和第二内调制脉冲激光器输出脉冲光重复频率为100mhz，脉冲宽度为5ns；
[0065]
其中振幅调制器为电光强度调制器，带宽不低于100mhz；为其加载的调制信号频率为100mhz，宽度不低于5ns，调制幅度值随机，实现的振幅调制结果服从瑞利分布；
[0066]
其中衰减器为旋钮式可调机械衰减器，衰减范围大于30db；
[0067]
其中第二延时线为保偏光纤，可使信号光和本振光同时到达第四耦合器和第五耦合器；
[0068]
其中第四耦合器、第五耦合器分束比为50:50；
[0069]
其中90度相移器可实现对输入进行加载90度相位调制；
[0070]
其中第六耦合器、第七耦合器为2x2耦合器，其分束比为50:50；
[0071]
其中第一差分探测器、第二差分探测器可实现对输入信号的差分放大；
[0072]
在常规的高斯调制相干态协议的本地本振cv-qkd系统中，发送端需要对振幅调制器进行瑞利分布调制，对相位调制器进行均匀分布调制，并在零差探测结果下其表达式为：
[0073][0074]
当本振光相位θ＝π/2时，探测结果为p分量，当θ＝0时，探测结果为x分量。在相空间上，x分量对应为本振光振幅e
l
、量子信号光振幅es以及其相对本振光的相位差余弦的乘积，即其中es服从[0,1]的瑞利分布，服从[0,2π]的均匀分布。
[0075]
在本振光不经过90度相移器的干涉结构中，差分放大器后模数转换器提取的x分量表达式仍为但由于本振光和信号光来自两个不同的激光器，两者相位差完全随机，令则服从[0,2π]的均匀分布。
[0076]
结合外差探测，在本振光经过90度相移器的干涉结果中，差分放大器后模数转换器提取到的p分量表达式为分别将x分量和p分量的数据命名为d1和d2，计算d1和d2的平方和，并将结果开根号即可获得与发送端调制信息相关的es，即收发端此时共享带有信道噪声的初始密钥。最后经过数据后处理完成参数估计、数据纠错和私钥放大等步骤，收发端实现完全一致的随机比特的共享。
[0077]
在实施例1和实施例2中：振幅调制可由内调制模式同时实现，也可以由电光强度调制器、声光强度调制器、磁光调制器等调制速率不同、调制原理不同的可完成振幅调制的各类光电元器件及组合元件实现；振幅调制的调制数据分布可以是连续调制的瑞利分布、高斯分布，也可以是离散调制的四态、八态、256态等；所述量子信号光与本振光干涉时，干涉延时差δt控制遵循以下原则：
[0078]
当量子信号光与本振光同源且为内调制脉冲光时，两者干涉延时差为脉冲光周期的整倍数(δt＝nt，n≥1且为正整数，其中t为脉冲光的周期)；
[0079]
当量子信号光与本振光脉冲不同源时：a.量子信号光为脉冲宽度、重复频率与本振光相同的脉冲光时，则本振光脉冲和量子信号光脉冲时序对准，即有光与有光部分对准，无光部分与无光部分对准；b.量子信号光为连续光时(虽然为连续光，但调制频率与本振光相同)，则本振光脉冲有光位置和被调制后的信号光时序位置对准；
[0080]
内调制脉冲光，包括量子信号光和本振光，其产生原理是利用电信号控制激光二极管内部驱动电流，以实现高于/低于阈值时的电流强度切换，以实现有光和无光的交替输出。为激光二极管提供的驱动信号可以是集成化的芯片，由软件控制实现；也可以通过外部函数发生器、任意波形发生器等设备产生。
[0081]
外差探测是指，在接收端内，本振光分束为第一本振光和第二本振光，量子信号光分束为第一信号光和第二信号光，第一本振光和第一信号光通过2
×
2耦合器干涉，干涉结果分别接入两个光电二极管，将光信号转换成电流后，经差分放大器输出获得其中一个正则分量，称之为x分量；第二本振光经过一个90度相移器或相位调制器后与第二信号光通过2
×
2耦合器干涉，干涉结果分别接入两个光电二极管，将光信号转换成电流后，经差分放大器输出获得其中一个正则分量，称之为p分量。
[0082]
本方法采用内调制脉冲光源，利用其前后脉冲之间的相位差服从随机均匀分布的特性，通过控制参考光和信号光之间的延时差使其间隔周期干涉。既充分利用了前后脉冲之间相位差分布随机的特性，又使探测结果不依赖于该相位差，无需任何相位反馈及补偿，
调制模式更简单。在随路本振系统中采用该方案可获得更高光脉冲消光比和光脉冲强度，从而使传输距离更远、探测效率更高；在本地本振系统中采用该方案可避免复杂度较高的双光源锁频技术，降低系统复杂度。
[0083]
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于内调制脉冲光源的连续变量量子密钥分发方法，其特征在于，包括以下步骤：发送端向接收端提供信号光和本振光，或者是发送端向接收端提供信号光，接收端提供本振光；接收端对信号光和本振光进行干涉，并从干涉结果中提取带有信道噪声的分量及其初始数据；接收端对所述带有信道噪声的分量及其初始数据进行处理，获得与信道噪声相关的振幅调制信息，即初始密钥。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发送端向接收端提供信号光和本振光，包括：发送端内调制脉冲光源输出脉冲光，经第一耦合器分束成信号光和本振光，信号光经振幅调制器和衰减器后与经过第一延时线的本振光进入第二耦合器完成合束。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述接收端对信号光和本振光进行干涉，包括：合束后的信号进入接收端后经第三耦合器完成分束，分束后得到的本振光经第二延时线和第四耦合器后分成两束，其中一束直接进入第六耦合器，另一束经过90度相移器后进入第七耦合器；分束后信号光经第五耦合器后分成两束，其中，一束直接进入第六耦合器，另一束经过90度相移器后进入第七耦合器；本振光和信号光分别在第六耦合器和第七耦合器两两干涉，其中，在第六耦合器中干涉后的信号分别通过第一探测器、第二探测器进入第一差分放大器；在第七耦合器中干涉后的信号分别通过第三探测器、第四探测器进入第二差分放大器。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第二延时线为保偏光纤，可使经第三耦合器分束后的本振光和信号光到达第六耦合器、第七耦合器时存在延时差，以保证结合发送端第一延时线实现的本振光和信号光的延时差为系统重复频率的倒数的倍数，即本振光和信号光延时差等于周期的整倍数。5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，发送端不仅不进行相位调制，而且本振光不与来自同一光源同时刻的信号光干涉，而是与其下一个周期的信号光干涉。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发送端向接收端提供信号光和接收端提供本振光，包括：发送端的第一内调制脉冲激光器输出脉冲光，经振幅调制器和衰减器后输出光信号；在光信号到达接收端时，先经过第二延时线，再经第四耦合器分成强度相等的两束，且其中一束直接进入第六耦合器，另一束经90度相移器后到达第七耦合器；此时在接收端内部的第二内调制脉冲激光器输出脉冲光，成为本振光，其重复频率与第一内调制脉冲激光器相同，且通过第五耦合器后分成强度相等的两束后，分别进入第六耦合器和第七耦合器。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第二延时线为保偏光纤，可使信号光和本振光同时到达第四耦合器和第五耦合器。8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述接收端对信号光和本振光进行干涉，包括：
在第六耦合器和第七耦合器处，信号光和本振光两两干涉后，第六耦合器输出的信号分别通过第一探测器、第二探测器进入第一差分放大器，第七耦合器输出的信号分别通过第三探测器、第四探测器进入第二差分放大器。9.根据权利要求3或8所述的方法，其特征在于，所述从干涉结果中提取带有信道噪声的分量及其初始数据，包括：第一差分放大器输出的信号经过模数转换器后，从中提取x分量，其表达式为其中，e
l
为本振光振幅、e
s
为信号光振幅、其中，为第i时刻本振光相位，其与第i时刻信号光相位相同，即刻本振光相位，其与第i时刻信号光相位相同，即为第i+1时刻信号光相位，服从随机均匀分布；第二差分放大器出的信号经过模数转换器后，从中提取p分量，其表达式为10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述接收端对所述带有信道噪声的分量及其初始数据进行处理，获得与信道噪声相关的振幅调制信息，即初始密钥，包括：分别将x分量和p分量的数据命名为d1和d2，其中数值上计算d1和d2的平方和，即d
12
+d
22
＝e
l2
e
s2
，并将结果开根号即可获得与发送端调制信息相关的e
s
，即收发端共享无需进行相位补偿的含有信道噪声的初始密钥。11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，发送端向接收端提供的信号光和接收端提供的本振光，同为内调制产生的脉冲光，或者是，一个是内调制产生的脉冲光，另一个是连续光。

技术总结
本发明公开了一种基于内调制脉冲光源的连续变量量子密钥分发方法，其包括：发送端向接收端提供信号光和本振光，或者是发送端向接收端提供信号光，接收端提供本振光；接收端对信号光和本振光进行干涉，并从干涉结果中提取带有信道噪声的分量及其初始数据；接收端对所述带有信道噪声的分量及其初始数据进行处理，获得与信道噪声相关的振幅调制信息，即初始密钥。本发明既充分利用了内调制脉冲光源产生的前后脉冲之间相位差随机的特性，又使探测结果不依赖于该相位差，无需任何相位反馈及补偿，调制模式更简单；可获得更高光脉冲消光比和光脉冲强度，从而使传输距离更远、探测效率更高；可避免复杂度较高的双光源锁频技术，降低系统复杂度。复杂度。复杂度。


技术研发人员：刘金璐 徐兵杰 邵云 张涛 付俐锋 樊矾 王恒 黄伟
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第三十研究所
技术研发日：2023.03.28
技术公布日：2023/7/7