技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本
發(fā)明涉及光纖量子通信技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及一種高速連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)及其位幀同步方法。
背景技術(shù)
[0002] 量子密鑰分發(fā)能使合法通信雙方在不可信任的
量子信道中安全共享密鑰，與離散變量量子密鑰分發(fā)協(xié)議不同，連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)將信息編碼在連續(xù)量子變量(相干態(tài)的正則位移和正則動量)上且使用高效成本低的零差或外差平衡檢測技術(shù)，這種摒棄了單
光子技術(shù)且具有更高的密鑰分發(fā)速率的連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)受到了學(xué)術(shù)界的密切關(guān)注。目前，學(xué)術(shù)界已經(jīng)提出了很多連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)協(xié)議并且從理論上進(jìn)行了安全性分析，給出了個體攻擊和聯(lián)合攻擊的安全
門限，特別是基于高斯調(diào)制的相干態(tài)量子密鑰分發(fā)協(xié)議的無條件安全性得到了充分論證。不但在理論上獲得了重要進(jìn)展，基于高斯調(diào)制的相干態(tài)量子密鑰分發(fā)在實驗上也受到了人們的極大關(guān)注，通過使用先進(jìn)的檢測技術(shù)和糾錯
算法，近十年來連續(xù)變量系統(tǒng)在實驗實現(xiàn)方面取得了很大的進(jìn)步。到目前為止，連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)在實驗環(huán)境下已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)80km的安全距離傳輸。
[0003] 不過，現(xiàn)已有實驗系統(tǒng)都是針對低速連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)而開展的,其生成的最終安全碼率不高。在很多實際應(yīng)用諸如視頻文件加密、
大數(shù)據(jù)文件加密等需要大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)加密系統(tǒng)中，通常需要高速密鑰分發(fā)技術(shù)。因此，如何實現(xiàn)高速連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)成為亟待解決的問題。在高速連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中，許多技術(shù)與以往的低速連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)技術(shù)不同。例如，在低速系統(tǒng)中所應(yīng)用的同步技術(shù)就無法有效的移植到高速系統(tǒng)中。在連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中，同步技術(shù)是一項至關(guān)重要的核心技術(shù)，因為在連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中要想正確提取出最終密鑰，通信雙方必須首先共享一串相關(guān)數(shù)據(jù)，即接收方收到的數(shù)據(jù)與發(fā)送方發(fā)送的數(shù)據(jù)必須一一對應(yīng)。要達(dá)到上述目的，通信雙方必須進(jìn)行同步，從而使接收方能準(zhǔn)確的界定出數(shù)據(jù)傳輸過程中有效數(shù)據(jù)的起始
位置和終止位置。然而，與傳統(tǒng)光纖通信系統(tǒng)不同，連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中傳輸?shù)氖俏⑷醯牧孔?a href='/zhuanli/list-16436-1.html' target='_blank'>
信號，它極易受到外部環(huán)境的影響，如光纖抖動、外部機(jī)械振動、濕度和
溫度等，這些環(huán)境因素都會影響系統(tǒng)中傳輸信號的量子相干態(tài)的狀態(tài)。因此，連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)不能簡單地使用傳統(tǒng)光纖通信系統(tǒng)的同步方案，必須使用具有符合量子傳輸特性的同步方案。
發(fā)明內(nèi)容
[0004] 針對
現(xiàn)有技術(shù)中的
缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種高速連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)及其位幀同步方法，其能有效克服
同步信號在量子密鑰分發(fā)過程中受外界環(huán)境因素的干擾，實現(xiàn)通信雙方同步。
[0005] 根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種高速連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)，其特征在于，包括發(fā)送方和接收方，發(fā)送方包括第一控制部分和第一光路部分，接收方包括第二控制部分和第二光路部分，第一光路部分包括激
光源、第一分束器、第一電光
相位調(diào)制器、電光幅度調(diào)制器以及第一偏振
耦合器，激光源在控制
電路的作用下生成脈沖光，經(jīng)第一分束器得到量子信號光和
本振光，分光比為一的光路得到量子信號光，經(jīng)第一電光
相位調(diào)制器的調(diào)制和電光幅度調(diào)制器的調(diào)制進(jìn)隨機(jī)數(shù)，通過第一偏振耦合器與本振光合成一路進(jìn)入量子信道；第一控制部分包括第一真隨機(jī)數(shù)生成控制電路、第一模擬
電壓輸出控制電路以及時鐘
觸發(fā)電路，第一真隨機(jī)數(shù)生成控制電路主要生成真隨機(jī)數(shù)，通過第一模擬電壓輸出控制電路輸出到電光幅度調(diào)制器中制備高斯隨機(jī)數(shù)，時鐘觸發(fā)電路生成系統(tǒng)時鐘供系統(tǒng)使用；第二光路部分包括第二偏振耦合器、第二電光相位調(diào)制器、第二分束器以及平衡零差檢測器，來自于量子信道的
光信號通過第二偏振耦合器得到量子光信號和本振光信號，然后在第二分束器中發(fā)生干涉，通過平衡零差檢測器得到量子信息；第二控制部分包括模擬電壓輸入控制電路、第二模擬電壓輸出控制電路以及第二真隨機(jī)數(shù)生成控制電路，模擬電壓輸入控制電路與平衡零差檢測器相連，用于接收數(shù)據(jù)信息；第二模擬電壓輸出控制電路驅(qū)動第二電光相位調(diào)制器，完成隨機(jī)選擇測量基的功能，第二真隨機(jī)數(shù)生成控制電路用于生成隨機(jī)選擇測量機(jī)所需的真隨機(jī)數(shù)。
[0006] 本發(fā)明還提供一種高速連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的位幀同步方法，所述高速連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的位幀同步方法包括以下步驟：步驟一，發(fā)送方生成一組特殊數(shù)據(jù)作為同步幀；步驟二，發(fā)送方通過量子信道把相干態(tài)發(fā)送給接收方，同時，發(fā)送方通過經(jīng)典信道把特殊數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)信息告知接收方；步驟三，接收方使用平衡零差檢測器測量相干態(tài)的位移分量；步驟四，根據(jù)步驟一從經(jīng)典信道獲得的特殊數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)信息，接收方
選定合適的交替電壓判定
閾值和幀同步段判定閾值來判定同步幀；步驟五，若在規(guī)定的時間里，接收方都沒有搜尋到同步幀，則同步失敗，此時接收方需要調(diào)整交替電壓判定閾值的取值和幀同步段判定閾值的取值，然后重新通信。
[0007] 優(yōu)選地，所述同步幀包括K個位同步段和一個幀同步段，K為正整數(shù)。
[0008] 優(yōu)選地，所述位同步段由N個電壓值為Vπ與0的交替電壓緊跟N個電壓值從0到Vπ的階梯電壓、相鄰兩個點的電壓差為Vπ/(N-1)構(gòu)成，幀同步段由2N個電壓值為Vπ與0的交替電壓構(gòu)成，其中N為正整數(shù)。
[0009] 優(yōu)選地，所述接收方通過先判
定位同步段，然后再判定幀同步段，最后界定出有效通信數(shù)據(jù)實現(xiàn)同步。
[0010] 優(yōu)選地，所述接收方判定位同步段的條件為數(shù)據(jù)中出現(xiàn)N位電壓差值為ΔV的交替電壓緊跟N位階梯電壓，其中ΔV>α×2|x|，2|x|為平衡零差檢測器檢測相位相差Vπ的相干態(tài)的正則分量的最大差值，α為交替電壓判定閾值。
[0011] 優(yōu)選地，所述接收方判定幀同步段的條件為根據(jù)判定出位同步段后所生成的大小為2N的滑動窗口中出現(xiàn)交替電壓總次數(shù)n>β*2N1，β為幀同步段判定閾值。
[0012] 優(yōu)選地，所述高速連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的位幀同步方法根據(jù)位同步段重復(fù)次數(shù)K和位同步段中交替電壓的交替次數(shù)N，計算出在高速連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中通信雙方實現(xiàn)同步所需的實際時間t，實際時間的計算公式如下式：
[0013]
[0014] 其中，f為系統(tǒng)的重復(fù)
頻率。
[0015] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：本發(fā)明的發(fā)送方首先生成一組特殊的數(shù)據(jù)作為同步幀，然后通過量子信道把攜帶同步幀的量子信號發(fā)送給接收方，接著接收方使用平衡零差檢測器測量相干態(tài)的正則分量，通過選擇適合的參數(shù)來搜尋同步幀，繼而界定出有效數(shù)據(jù)的起始位置，最后實現(xiàn)通信雙方同步，這樣能有效克服同步信號在量子密鑰分發(fā)過程中受外界環(huán)境因素的干擾。
附圖說明
[0016] 通過閱讀參照以下附圖對非限制性
實施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯：
[0017] 圖1為本發(fā)明高速連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的原理
框圖。
[0018] 圖2為本發(fā)明使用的同步幀的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
[0019] 下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干
變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0020] 如圖1所示，本發(fā)明高速連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)包括發(fā)送方和接收方，發(fā)送方包括第一控制部分和第一光路部分，接收方包括第二控制部分和第二光路部分，第一光路部分包括激光源、第一分束器、第一電光相位調(diào)制器、電光幅度調(diào)制器以及第一偏振耦合器，激光源在控制電路的作用下生成脈沖光，經(jīng)分光比為1:99的第一分束器得到量子信號光和本振光，分光比為一的光路得到量子信號光，經(jīng)第一電光相位調(diào)制器的調(diào)制和電光幅度調(diào)制器的調(diào)制進(jìn)隨機(jī)數(shù)，通過第一偏振耦合器與本振光合成一路進(jìn)入量子信道；第一控制部分包括第一真隨機(jī)數(shù)生成控制電路、第一模擬電壓輸出控制電路以及時鐘觸發(fā)電路，第一真隨機(jī)數(shù)生成控制電路主要生成真隨機(jī)數(shù)，通過第一模擬電壓輸出控制電路輸出到電光幅度調(diào)制器中制備高斯隨機(jī)數(shù)，時鐘觸發(fā)電路生成系統(tǒng)時鐘供系統(tǒng)使用；第二光路部分包括第二偏振耦合器、第二電光相位調(diào)制器、第二分束器以及平衡零差檢測器，來自于量子信道的光信號通過第二偏振耦合器得到量子光信號和本振光信號，然后在分光比為50:50的第二分束器中發(fā)生干涉，通過平衡零差檢測器得到量子信息；第二控制部分包括模擬電壓輸入控制電路、第二模擬電壓輸出控制電路以及第二真隨機(jī)數(shù)生成控制電路，模擬電壓輸入控制電路與平衡零差檢測器相連，用于接收數(shù)據(jù)信息；第二模擬電壓輸出控制電路驅(qū)動第二電光相位調(diào)制器，完成隨機(jī)選擇測量基的功能，第二真隨機(jī)數(shù)生成控制電路用于生成隨機(jī)選擇測量機(jī)所需的真隨機(jī)數(shù)。
[0021] 本發(fā)明高速連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的位幀同步方法包括以下步驟：
[0022] 步驟一，發(fā)送方生成一組特殊數(shù)據(jù) 作為同步幀；
[0023] 步驟二，發(fā)送方通過量子信道把中心為 的相干態(tài)發(fā)送給接收方，同時，發(fā)送方通過經(jīng)典信道把特殊數(shù)據(jù) 的結(jié)構(gòu)信息告知接收方；
[0024] 步驟三，接收方使用平衡零差檢測器測量相干態(tài)的位移分量XB；
[0025] 步驟四，根據(jù)步驟一從經(jīng)典信道獲得的特殊數(shù)據(jù) 的結(jié)構(gòu)信息，接收方選定合適的交替電壓判定閾值α和幀同步段判定閾值β來判定同步幀；
[0026] 步驟五，若在規(guī)定的時間里，接收方都沒有搜尋到同步幀，則同步失敗，此時接收方需要調(diào)整交替電壓判定閾值α的取值和幀同步段判定閾值β的取值，然后重新通信。
[0027] 步驟一中，發(fā)送方先制備同步幀，如圖2所示，同步幀包括K個位同步段和一個幀同步段，位同步段由N個電壓值為Vπ與0(Vπ是相位調(diào)制器的半波電壓)的交替電壓緊跟N個電壓值從0到Vπ的階梯電壓、相鄰兩個點的電壓差為Vπ/(N-1)構(gòu)成，即位同步段為：(Vπ，0，Vπ，0，…,Vπ,0,0,Vπ/(N-1),…,Vπ-Vπ/(N-1),Vπ)。幀同步段由2N個電壓值為Vπ與0的交替電壓構(gòu)成，即幀同步段為：(Vπ,0,Vπ,0…,Vπ,0,Vπ,0)，其中K和N都為正整數(shù)。
[0028] 步驟二中，發(fā)送方通過相位調(diào)制器把同步幀調(diào)制進(jìn)量子光信號上經(jīng)過量子信道傳送給接收方。
[0029] 步驟三中，接收方使用平衡零差檢測器檢測接收到的相干態(tài)的正則分量，通過調(diào)整選擇適合的交替電壓判定閾值α和幀同步段判定閾值β先對位同步段進(jìn)行定位，然后再判定幀同步段，繼而界定出有效數(shù)據(jù)的起始位置和停止位置，最后實現(xiàn)了通信雙方的同步，最終得到系統(tǒng)初始密鑰，即接收方通過先判定位同步段，然后再判定幀同步段，最后界定出有效通信數(shù)據(jù)實現(xiàn)同步。
[0030] 接收方對同步幀搜尋判定的具體算法如下：由于發(fā)送方制備的同步幀是通過相位調(diào)制器調(diào)制進(jìn)信號光中，因此調(diào)制進(jìn)信號光的信息表現(xiàn)在信號光光場的相位變化上，同步幀中交替電壓0和Vπ相當(dāng)于對初始相干態(tài)a進(jìn)行了0°和180°的相位旋轉(zhuǎn)得到態(tài)a和態(tài)b,由于系統(tǒng)自身原因出現(xiàn)
相位漂移，所以到達(dá)接收方的相干態(tài)變?yōu)閼B(tài)a′和態(tài)b’，但是它們的
相位差仍然是180°，此時接收方用平衡零差檢測器檢測他們的正則位移分量時會得到x1和x2，滿足|x1-x2|≤2|x|，其中2|x|為平衡零差檢測器檢測相位相差Vπ的相干態(tài)的正則分量的最大差值。對此，接收方通過調(diào)整交替電壓判定閾值α來確定前后兩個測量值是否為一個交替電壓，判定條件為前后兩個測量值的差值ΔV>α×2|x|，若不滿足則代表非交替電壓，2|x|為平衡零差檢測器檢測相位相差Vπ的相干態(tài)的正則分量的最大差值，。有了這個判定依據(jù)，接收方對測量到的值進(jìn)行位同步段搜尋，只有滿足連續(xù)N位交替電壓緊跟N位非交替電壓才能認(rèn)為搜尋到位同步段。一旦搜尋到位同步段(接收方判定幀同步段的條件)，接收方立刻以大小為2N的窗口向后尋找?guī)蕉?，只要大小?N的窗口中出現(xiàn)交替電壓數(shù)量N≥β*2N1，則找到了幀同步段，此時大小為2N的窗口后緊接的則是有效數(shù)據(jù)的起始位置，至此通信雙方實現(xiàn)同步。
[0031] 為了克服量子信號在高速連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)過程中受相位漂移，控制電路引入的噪聲以及調(diào)制器的響應(yīng)延遲等因素影響，整個同步幀中應(yīng)包含了K個位同步段和1個幀同步段，這樣通過先確定位同步段，再判定出幀同步段，最后界定出有效數(shù)據(jù)的起始位置和停止位置，實現(xiàn)通信雙方同步。針對連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)所處的環(huán)境不同，可以通過設(shè)置合適的交替電壓判定閾值α、幀同步段判定閾值β、位同步段重復(fù)次數(shù)K和位同步段中交替電壓的交替次數(shù)N來實現(xiàn)通信雙方同步。根據(jù)不同的K值(位同步段重復(fù)次數(shù))和N值(位同步段中交替電壓的交替次數(shù))，可以計算出在高速連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中通信雙方實現(xiàn)同步所需的實際時間t，其計算公式如下式(1)：
[0032]
[0033] 其中，f為系統(tǒng)的重復(fù)頻率。
[0034] 量子信號特別容易受到如相位抖動、調(diào)制器響應(yīng)延時以及控制電路引入的噪聲的影響，這些影響使得誤碼率大大的增加。本發(fā)明能有效克服上面這些環(huán)境的影響，進(jìn)行有效的量子密鑰分發(fā)，實現(xiàn)通信雙方同步。本發(fā)明針對連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)所處環(huán)境，通過調(diào)整交替電壓判定閾值α、幀同步段判定閾值β、位同步段重復(fù)次數(shù)K和位同步段中交替電壓的交替次數(shù)N來克服量子信號受外界環(huán)境影響。
[0035] 以上對本發(fā)明的具體實施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在
權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或
修改，這并不影響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容。
