一种高抗噪性四态调制零差测量量子密钥分发方法和系统

技术领域

本发明涉及量子密钥分发技术领域，尤其涉及一种高抗噪性四态调制零差测量量子密钥分发方法和系统。

背景技术

量子密钥分发区别于传统的通信技术，通过其量子力学特性保证了在不安全信道下通信的无条件安全，在理论和实验上都已获得了广泛的研究。

量子密钥分发技术可分为离散变量量子密钥分发和连续变量量子密钥分发两大类。相较于离散变量量子密钥分发的单光子探测，连续变量量子密钥分发采用相干探测，将信息编码在电磁场的一对正交算符上，其量子态的制备和测量通过现有光通信领域的常用器件即可实现，且对于近距离的密钥传输具有更高的成码率。

高斯调制相干态的连续变量量子密钥分发协议是目前广泛应用的方案，然而该协议中制备高斯随机数编码量子态所需的操作具有较高的复杂度，同时对于远距离传输的情况，信道衰减所导致的信噪比下降将为数据的反向协调矫正带来困难，使得密钥传输效率降低，远距离传输将受到限制。为克服高斯调制的相关缺陷，离散调制的连续变量量子密钥分发协议被提出，论文“Asymptotic Security Analysis of Discrete-ModulatedContinuous-Variable Quantum Key Distribution”（PhysRevX.9.041064）中提供了两种连续变量量子密钥分发协议。该协议给出的四态调制通过相位调制器将信号光脉冲较原始相位随机旋转0、

发明内容

发明目的：针对上述现有技术中所存在的不足，本发明提出一种高抗噪性四态调制零差测量量子密钥分发方法和系统，能够解决理想设备条件下，基于零差测量的协议抗噪性差的问题，使得其获得与外差测量协议相当的高抗噪性。本协议将所发送信号态脉冲相对原始相位随机旋转

技术方案：为实现上述目的，本发明提出的技术方案如下。

一种高抗噪性四态调制零差测量量子密钥分发方法，包括以下步骤：

制备并发送信号光脉冲：对于每一个信号光脉冲，发送端将信号光脉冲等概率制备成四种信号态之一，并发送给接收端，所述四种信号态仅相位信息不同，分别相对原始相位旋转

测量信号光脉冲：接收端等概率选择p基矢或者q基矢，并在对应基矢下对所接收的信号光脉冲进行零差测量；

码率估计：重复进行上述两个步骤多轮次直至完成数据积累；随后，接收端向发送端公布每次所选择的测量基矢，发送端和接收端根据测量基矢的选择将所有轮次分为两组；对于每一组，发送端和接收端分别随机公布部分轮次的相位数据和测量结果数据，所述数据用于安全码率的估计并在公布后被舍弃不用于生成密钥；所得估计结果显示成码率大于零或达到预设要求，则继续协议，否则放弃本次分发重新进行协议；

原始密钥生成：接收端根据信号态在对应基矢下的零差测量结果生成对应的比特值，所述比特值作为密钥；接收端向发送端公布不用于成码的轮次；发送端根据所发送的信号态、接收端公布的基矢选择信息和后选择信息生成密钥；

提取安全密钥：发送端和接收端进行纠错和隐私放大并生成最终的安全密钥。

需要说明的是，码率估计和原始密钥生成这两个步骤可以交换，在完成数据积累以后，先生成原始密钥，再进行安全码率的估计。

进一步的，对于测量信号光脉冲，接收端通过对本振光脉冲随机相位旋转0或

进一步的，对于安全码率的估计包括：以接收端的密钥为基准对发送端和接收端双方密钥比特错误率的估计，和对窃听者可获取的关于接收端密钥的信息量的估计。

进一步的，接收端生成对应比特值的方法如下：当测量所得结果大于

进一步的，发送端生成对应比特值的方法如下：

对于随机发送的四种态

一种高抗噪性四态调制零差测量量子密钥分发系统，用于实现上述任意一种方法，包括发送端、接收端和连接两端的信道；发送端和接收端均包括后处理模块，用于实现对本端各模块的控制以及执行数据后处理；其中，发送端还包括制备模块，用于产生信号光脉冲并将所述信号光脉冲等概率制备成四种信号态中的一种，发送给接收端；接收端还包括基矢选择模块和零差测量模块，基矢选择模块用于对本振光脉冲进行相位调制来选择测量基矢，零差测量模块用于在对应基矢下进行零差测量；发送端或接收端还包括本振光发送模块，本振光发送模块用于发送本振光脉冲。

进一步的，发送端包括第一脉冲激光器和正交相移键控单元，第一脉冲激光器用于产生原始信号光脉冲，正交相移键控单元将所接收的信号光脉冲相对原始相位以等概率旋转

接收端包括电子偏振控制器，第二脉冲激光器，相位调制器，分束器，第一探测器，第二探测器和差分放大器；电子偏振控制器用于对所接收信号光脉冲进行偏振漂移的补偿；第二脉冲激光器用于产生光强与相位稳定的强经典光脉冲作为本振光脉冲；相位调制器用于将所接收本振光脉冲的相位进行随机0或

进一步的，发送端包括脉冲激光器，第一分束器，正交相移键控单元和第一保偏偏振分束器；脉冲激光器用于产生脉冲激光；第一分束器用于将所接收的脉冲激光分为两束，其中较强的一束作为本振光脉冲，较弱的另一束作为信号光脉冲；正交相移键控单元用于将所接收的信号光脉冲相对原始相位以等概率旋转

接收端包括电子偏振控制器，第二保偏偏振分束器，相位调制器，第二分束器，第一探测器，第二探测器和差分放大器；电子偏振控制器用于对所接收信号光脉冲和本振光脉冲进行偏振漂移的补偿；第二保偏偏振分束器用于对所接收的信号光脉冲和本振光脉冲进行分束，将信号光脉冲传送至第二分束器，并将本振光脉冲传送至相位调制器；相位调制器用于将所接收本振光脉冲的相位进行随机0或

相比于现有方案，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明对所制备信号态进行优化，由现有方案中的

（2）本发明对信号态相位进行的优化和密钥提取规则的改进，使得对制备的

（3）传输信息量的增加与安全信息量的占比增加，使得本发明提出的协议具有很高的抗噪性，提高了密钥传输的距离，在远距离传输量子密钥的情况下仍可获得较高的成码率。

（4）由于本发明采用的信号态相位选择恰好与现有技术中的正交相移键控（Quadrature Phase Shift Keying）技术能够制备的相位相同，因此本发明在实现时可以直接利用成熟的正交相移键控技术，能够简化制备并提升制备效率；由于可以使用零差测量，我们的协议在拥有很高的抗噪性同时，测量设备简单稳定性好且探测效率高，更加实用而不会造成如同外差协议一样理论效果好但实验效果糟糕的情况。整体来看系统相较于现有的协议们都更加高效且简单。

附图说明

图1为本发明具体实施方式的流程图；

图2为本发明具体实施方式的结构示意图；

图3为本发明实施例一的结构示意图；

图4为本发明实施例二的结构示意图；

图5为本发明的仿真结果图。

具体实施方式

应当理解的是，本发明可以以各种形式实施，以下在附图中出示并且在下文中描述的一些示例性和非限制性实施例，并不意图将本发明限制于所说明的具体实施例。在技术上可行的情况下，以上针对不同实施例所列举的技术特征可以相互组合，从而形成本发明范围内的另外的实施例。此外，本发明所述的特定示例和实施例是非限制性的，并且可以对以上所阐述的结构、步骤、顺序做出相应修改而不脱离本发明的保护范围。

如图1所示，本发明提出了一种高抗噪性四态调制零差测量量子密钥分发方法。该方法包括以下步骤：

S100、制备与发送信号光脉冲：发送端将所发送的弱相干信号光脉冲等概率地制备为

S200、测量信号光脉冲：接收端等概率的选择p基矢或者q基矢，并在对应基矢下对所接收的信号光脉冲进行零差测量。

S300、码率估计：以上操作将重复进行多轮，直至完成数据积累。随后，接收端将向发送端公布它每次所选择的测量基矢。根据接收端对两种测量基矢q和p的选择，双方将所有轮次分为两组，对于每一组，发送端和接收端将随机公布其中的少部分轮次的所有信息，包括发送的信号态以及测量结果，进行安全码率的估计，并由所得估计结果显示成码率大于零（或达到预设的码率要求），则继续协议，所公布的数据将被舍弃不用于成码。否则放弃本次分发重新开始协议。

S400、原始密钥生成：对于没有被公布的轮次，接收端将根据对信号态在对应基矢下的零差测量结果生成对应的比特值作为密钥，具体规则为：当测量所得的值大于

发送端将根据所发送的信号态和接收端公布的基矢选择信息与后选择信息生成密钥，具体规则为：对于随机发送的四种态

S500、提取安全密钥：最后，发送端和接收端将进行经典纠错和隐私放大并生成最终的安全密钥。

具体来说，步骤S200中，对于测量基矢q或测量基矢p的选择，接收端将通过随机为本振光脉冲做一个相位旋转0或

具体来说，步骤S300中，对于安全码率的估计主要分为两部分：以接收端的密钥为基准对发送端和接收端双方密钥比特错误率的估计，和对窃听者可获取的关于接收端密钥的信息量的估计。

对于比特错误率的估计，可通过将发送端与接收端随机公布的轮次，按照S400所述的密钥生成方法获得两串比特，然后统计两串比特之间不同的比特数，从而得到比特错误率，根据统计学基本原理来估计具有相同比特错误概率分布的剩余未公布的轮次将生成的原始密钥串的比特错误率；或者交换步骤S400和步骤S300，在完成多轮S100和S200从而积累数据以后，先生成原始密钥，再根据所选基矢将所有轮次，包括生成密钥时不用于成码的轮次，分成两类，分别随机公布部分轮次的所有信息，包括发送相位信息、测量结果信息以及对应的密钥信息，用于安全码率的估计。公布的轮次若参与了原始密钥的生成，则将对应的密钥删除，即公布的轮次不能够参与原始密钥生成。通过所公布的少部分原始密钥进行上述相同的统计比对并利用统计学基本原理来估算得到。

对于窃听者获得信息量的估计，可以采用现有的估计方法，对于不同的基矢选择分别根据其公布的信息进行计算得到，相关计算和估计方法参见本专利背景技术中提到的对比文献“Asymptotic Security Analysis of Discrete-Modulated Continuous-Variable Quantum Key Distribution”（PhysRevX.9.041064）。不同基矢在估计窃取的信息量时，对于其构造的分发双方系统形成的密度矩阵保持一致，满足的约束保持一致，该约束与不同量子态与不同测量基矢组合的统计结果有关。这是因为本发明不是两个独立的不同基矢的协议。

本发明还提出一种高抗噪性四态调制零差测量量子密钥分发系统，以实现上述方法。该系统的整体功能架构如图2所示，包括发送端、接收端和连接两端的量子信道、经典信道，发送端从功能上来说包括制备模块和一个后处理模块；接收端从功能上来说主要分为基矢选择模块和零差测量模块和一个后处理模块。此外，一个本振光发送模块，该模块既可以由发送端拥有也可以由接收端拥有。在图2中，我们将其包含在接收端中。发送端和接收端通过量子信道和认证的经典信道连接。量子信道用于传输制备模块发送的光给接收端；经典信道用于测量后双方按照协议公布相关经典信息。不失一般性地，量子信道可以是光纤，且在下述实施例中，我们设定量子信道为光纤。

制备模块用于制备信号光并调制其相位，若本振光由发送端发送，则制备模块可能同时制备本振光，即本振光发送模块与制备模块可以合并。本振光发送模块用于发送本振光脉冲，根据其在发送端还是接收端，通过不同的方法来保证其相位与信号光原始相位相同。基矢选择模块用于接收端通过调制本振光相位的方法进行测量基矢选择。零差测量模块用于在对应基矢下进行零差测量。发送端和接收端内均设置有通用的后处理模块，并能够进行被完全窃听但不可篡改的经典通信，用于实现对本端各模块的控制以及执行数据后处理，包括公布信息、计算成码率、纠错、隐私放大以及提取密钥等。

下面结合2个实施例对上述系统进行进一步阐述。

实施例一：

本实施例提出的一种高抗噪性四态调制零差测量量子密钥分发系统，如图3所示，包括发送端和接收端。本振光发送模块位于接收端。

发送端的制备模块包括第一脉冲激光器和一个相位调制器，优选地，相位调制器可以是专门实施正交相移键控（Quadrature Phase Shift Keying）的设备，信号光由第一脉冲激光器发出后进入正交相移键控进行相位调制，之后经过单模光纤被发送至接收端。

其中，第一脉冲激光器用于产生光强与相位稳定的相干光脉冲；正交相移键控（Quadrature Phase Shift Keying）用于将每一个弱相干光脉冲相对原始相位以等概率旋转

接收端包括电子偏振控制器，第二脉冲激光器，相位调制器，分束器，第一探测器，第二探测器和差分放大器。优选地，在发送端发送的脉冲信号光进入零差测量模块的分束器之前，先通过接收端的电子偏振控制器。同时接收端的本振光发送模块里的第二脉冲激光器所发送的脉冲本振光经过基矢选择模块里的相位调制器的相位调制后也传入分束器。分束器以及其后接的第一探测器、第二探测器和差分放大器构成零差测量模块。

其中，电子偏振控制器用于对所接收信号光脉冲进行偏振漂移的补偿；第二脉冲激光器用于产生光强与相位稳定的强经典光脉冲作为本振光脉冲；相位调制器用于将所接收本振光脉冲的相位进行随机0或

由于本振光发送模块位于接收端，为了保证本振光和信号光的原始相位一致，需要发送参考光。上述量子密钥分发协议在本系统的实施步骤如下：

步骤一：发送端以等概率制备四种弱相干脉冲信号光

步骤二：信号光脉冲经过偏振补偿后与本振光脉冲一同在分束器处干涉，进行零差测量。接收端将记录每次所选择的测量基矢和相应基矢下的零差测量结果。

步骤三：接收端将向发送端公布每次测量所选择的基矢q或p，随后，接收端将向发送端公布它每次所选择的测量基矢。双方根据协议估计成码率。成码率大于零或达到预设的码率要求，则继续协议，所公布的数据将被舍弃不用于成码。否则放弃本次分发重新开始。

步骤四：接收端根据零差测量所得的测量值进行取值，无关所选择的基矢，当测量所得的值大于

步骤五：

对原始密钥进行经典纠错，错误验证和隐私放大，提取最终密钥。

实施例二：

如图4所示，实施例二相较于实施例一的变化在于本振光发送模块在发送端，且本振光发送模块与制备模块合并存在。对应的，接收端存在一些额外的设备用于分别处理来自发送端的本振光与信号光。实施例的发送端包含脉冲激光器，用于实现正交相移键控的相位调制器，第一分束器和第一保偏偏振分束器；接收端包括电子偏振控制器，第二保偏偏振分束器，相位调制器，第二分束器，第一探测器，第二探测器和差分放大器。

发送端的脉冲激光器发送脉冲激光。脉冲光经过第一分束器后分束成一大一小两束激光，其中较弱的一束脉冲光作为信号光，经过正交相移键控后进入第一保偏偏振分束器的一个输入端口；另一束较强的脉冲光作为本振光进入第一保偏偏振分束器的另一个输入端口。信号光脉冲与本振光脉冲通过保偏偏振分束器后被合束，经单模光纤传输至接收端。信号光脉冲和本振光脉冲被接收端接收后经过电子偏振控制器，经第二保偏偏振分束器分束后，信号光脉冲传入第二分束器的一个入口，本振光通过相位调制器后进入第二分束器的另一入口，并于第二分束器处干涉。

其中，脉冲激光器用于产生强度、相位稳定的脉冲激光；第一分束器将所接收的脉冲激光分为两束，其中光强较强的一束作为本振光脉冲，光强较弱的一束作为弱信号光脉冲，这种方法能够使得本振光与信号光的原始相位保持一致；能够实施正交相移键控的相位调制器用于将每一个弱相干光脉冲相对原始相位以等概率旋转

第二分束器、第一探测器、第二探测器和差分放大器构成一个零差测量装置，其操作与实施例一无异。

图5给出本发明所述方法的成码率与传输距离的关系。图中实线给出在额外噪声为0.02的情况下，本发明的传输距离与成码率关系的数值模拟结果，同时用虚线给出对比文献中零差测量协议在相同额外噪声条件下的数值模拟结果。对于本发明与对比文献，后选择参数均设置为

以上示意性地对本发明创造及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，在不背离本发明的精神或者基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。附图中所示的也只是本发明创造的实施方式之一，实际的结构并不局限于此，权利要求中的任何附图标记不应限制所涉及的权利要求。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本专利的保护范围。此外，“包括”一词不排除其他元件或步骤，在元件前的“一个”一词不排除包括“多个”该元件。产品权利要求中陈述的多个元件也可以由一个元件通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。