测量装置无关的连续变量量子密钥分发方法及系统

技术领域

本发明属于量子通信领域，具体涉及一种测量装置无关的连续变量量子密钥分发方法及系统。

背景技术

随着经济技术的发展和人们生活水平的提高，人们对于通信安全的关注也越来越多。量子密钥分发技术，能使合法通信的双方在不可信任的量子信道中安全共享密钥，而且量子密钥分发的安全特性是基于量子力学的测不准原理和量子不可克隆定理。因此，量子密钥分发技术，被人们认为是未来最具前景的通信技术之一。

量子密钥分发技术包括离散变量量子密钥分发和连续变量量子密钥分发。作为离散变量量子密钥分发的替代方案，连续变量量子密钥分发技术的组成部分与现有的成熟的光通信技术兼容，且可以使用高效、低成本的零差检测或者外差检测技术。因此，连续变量量子密钥分发技术得到了更为广泛的应用和关注。

目前，在连续变量量子密钥分发系统中，已经有研究人员提出了针对系统中实际检测器的几种攻击策略，这已经严重影响了连续变量量子密钥分发系统在实际应用中的安全性。为了消除和抵御这些攻击，连续变量量子密钥分发系统必须确定系统中实际检测器的特定漏洞的特征，并找到相应的对策。但是，目前的连续变量量子密钥分发系统，很难找到与特征完全匹配并解释所有漏洞的检测器。

同时，与基本真空散粒噪声相比，在传统的高带宽单模高斯调制的测量装置无关的连续变量量子密钥分配系统中，使用经典的相干检测器将导致更高的电子噪声，从而限制了检测器的散粒噪声灵敏度。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种能够有效的避免实际检测器的缺陷，而且可靠性高、灵敏度好的测量装置无关的连续变量量子密钥分发方法。

本发明的目的之二在于提供一种实现所述测量装置无关的连续变量量子密钥分发方法的系统。

本发明提供的这种测量装置无关的连续变量量子密钥分发方法，包括如下步骤：

S1.发送方准备独立且同分布的若干个高斯调制相干态，并发送到任意的检测方；

S2.接收方准备独立且同分布的若干个高斯调制相干态，同样发送到步骤S1所述的检测方；

S3.检测方对接收的信号进行处理和检测，得到检测结果；

S4.检测方将检测结果同时发送给发送方和接收方；

S5.接收方根据接收的检测结果，计算得到第一测量结果；

S6.发送方将自身的若干个正交值发送给接收方；

S7.接收方根据步骤S5得到的第一测量结果和步骤S6接收到的正交相干态，计算得到发送方发送的最终的量子密钥。

步骤S1所述的发送方准备独立且同分布的若干个高斯调制相干态，并发送到任意的检测方，具体为发送方准备独立且同分布的若干个高斯调制相干态

步骤S2所述的接收方准备独立且同分布的若干个高斯调制相干态，同样发送到步骤S1所述的检测方，具体为接收方准备独立且同分布的若干个高斯调制相干态

步骤S3所述的检测方对接收的信号进行处理和检测，得到检测结果，具体为检测方将接收的信号通过共轭同质的平衡分束器分为两束光信号，并对两束光信号进行CVBell检测，从而得到检测结果。

所述的CV Bell检测，具体为采用如下算式测量正交算子：

式中

步骤S5所述的接收方根据接收的检测结果，计算得到第一测量结果，具体为接收方根据接收的检测结果，采用如下算式进行计算：

式中β

步骤S6所述的发送方将自身的若干个正交值发送给接收方，具体为发送方将自身的正交值

步骤S7所述的接收方根据步骤S5得到的第一测量结果和步骤S6接收到的正交相干态，计算得到发送方发送的最终的量子密钥，具体为采用如下步骤得到最终的量子密钥：

A.接收方根据接收到的正交值，采用如下算式代替测量结果进行计算：

式中

B.发送方和接收方收集到了相关的数据：

C.发送方和接收方对数据进行后处理操作，从而得到最终的量子密钥。

所述的后处理操作，具体包括参数估计、反向调解和隐私放大。

本发明还提供了一种实现上述测量装置无关的连续变量量子密钥分发方法的系统，包括发送方、接收方和检测方；发送方包括发送方脉冲激光器，发送方第一调幅器，发送方第一分束器，发送方第一偏振器，发送方第二偏振器，发送方第二调幅器，发送方第一调相器和发送方第二分束器；接收方包括接收方脉冲激光器，接收方第一调幅器，接收方第一分束器，接收方第一偏振器，接收方第二偏振器，接收方第二调幅器，接收方第一调相器和接收方第二分束器；检测方包括检测方第一偏振分束器，检测方第一调幅器，检测方第二偏振分束器，检测方第一调相器，检测方第一分束器，检测方第二分束器，检测方零差探测器和检测方数据处理器；发送方脉冲激光器、发送方第一调幅器和发送方第一分束器依次串联；发送方第一分束器的第一输出端连接发送方第一偏振器，发送方第一分束器的第二输出端连接发送方第二偏振器；发送方第一偏振器、发送方第二调幅器和发送方第一调相器依次串联；发送方第一调相器的输出端连接发送方第二分束器的第一输入端；发送方第二偏振器和发送方第二分束器依次串联，发送方第二偏振器的输出端连接发送方第二分束器的第二输入端；发送方第二分束器的输出端为发送方的输出端，并通过量子信道连接检测方；接收方脉冲激光器、接收方第一调幅器和接收方第一分束器依次串联；接收方第一分束器的第一输出端连接接收方第一偏振器，接收方第一分束器的第二输出端连接接收方第二偏振器；接收方第一偏振器、接收方第二调幅器和接收方第一调相器依次串联；接收方第一调相器的输出端连接接收方第二分束器的第一输入端；接收方第二偏振器和接收方第二分束器依次串联，接收方第二偏振器的输出端连接接收方第二分束器的第二输入端；接收方第二分束器的输出端为接收方的输出端，并通过量子信道连接检测方；检测方第一偏振分束器的输入端为检测方的输入端，检测方第一偏振分束器的第一输出端连接检测方第一调幅器，检测方第一偏振分束器的第二输出端连接检测方第二偏振分束器；检测方第一调幅器的输出端连接检测方第一分束器的第一输入端；检测方第二偏振分束器的第一输出端连接检测方第二分束器的输入端，检测方第二偏振分束器的第二输出端连接检测方第一调相器的输入端；检测方第一调相器的输出端连接检测方第一分束器的第二输入端；接检测方第一分束器的输出端连接检测方零差探测器的第一输入端；检测方第二分束器的输出端连接检测方零差探测器的第二输入端；检测方零差探测器的输出端连接检测方数据处理器；发送方通过发送方脉冲激光器产生脉冲相干光，通过发送方第一调幅器进行幅度调制后传输到发送方第一分束器；发送方第一分束器将接收到的信号分为两束光信号：一路光信号通过发送方第二偏振器进行偏振后送入发送方第二分束器；另一路光信号则通过发送方第一偏振器进行偏振，然后再一次通过发送方第二调幅器进行幅度调制，以及发送方第一调相器进行相位调制后，送入发送方第二分束器；发送方第二分束器则将接收到的两路光信号合并后通过量子信道发送到检测方；接收方通过接收方脉冲激光器产生脉冲相干光，通过接收方第一调幅器进行幅度调制后传输到接收方第一分束器；接收方第一分束器将接收到的信号分为两束光信号：一路光信号通过接收方第二偏振器进行偏振后送入接收方第二分束器；另一路光信号则通过接收方第一偏振器进行偏振，然后再一次通过接收方第二调幅器进行幅度调制，以及接收方第一调相器进行相位调制后，送入接收方第二分束器；接收方第二分束器则将接收到的两路光信号合并后通过量子信道发送到检测方；检测方接收到发送方和接收方上传的信号后，通过检测方第一偏振分束器将接收到的信号分成两束光信号：第一束光信号通过检测方第一调幅器进行幅度调制后上传到检测方第一分束器；另一束光信号则通过检测方第二偏振分束器再次分为两束光：第一束子光信号通过检测方第一调相器进行调相后送入检测方第一分束器；另一束子光信号则通过检测方第二分束器后送入检测方零差探测器；检测方第一分束器将接收到的两路信号合并后再上传到检测方零差探测器；检测方零差探测器将接收到的信号进行零差探测后，将探测结果上传检测方数据处理器进行后续处理。

本发明提供的这种测量装置无关的连续变量量子密钥分发方法及系统，发送方和接收方分别在多独立模式下准备了独立的同分布高斯调制相干态并发送给检测方，检测方使用传统的噪声零差检测器来检测；由于本发明将检测的过程交给任意的第三方来测量和检测，因此本发明能够有效的消除实际检测器的缺陷；同时，本发明还可以提高散粒噪声的灵敏度，减小电子噪声的方差，进一步提高了连续变量量子密钥分发系统的实际安全性，而且可靠性高、灵敏度好。

附图说明

图1为本发明方法的方法流程示意图。

图2为本发明系统的系统功能模块图。

具体实施方式

如图1所示为本发明方法的方法流程示意图：本发明提供的这种测量装置无关的连续变量量子密钥分发方法，包括如下步骤：

S1.发送方准备独立且同分布的若干个高斯调制相干态，并发送到任意的检测方；具体为发送方准备独立且同分布的若干个高斯调制相干态

S2.接收方准备独立且同分布的若干个高斯调制相干态，同样发送到步骤S1所述的检测方；具体为接收方准备独立且同分布的若干个高斯调制相干态

S3.检测方对接收的信号进行处理和检测，得到检测结果；具体为检测方将接收的信号通过共轭同质的平衡分束器分为两束光信号，并对两束光信号进行CV Bell检测，从而得到检测结果；

具体实施时，采用如下算式测量正交算子：

式中

S4.检测方将检测结果同时发送给发送方和接收方；

S5.接收方根据接收的检测结果，计算得到第一测量结果；具体为接收方根据接收的检测结果，采用如下算式进行计算：

式中β

S6.发送方将自身的若干个正交值发送给接收方；具体为发送方将自身的正交值

S7.接收方根据步骤S5得到的第一测量结果和步骤S6接收到的正交相干态，计算得到发送方发送的最终的量子密钥；具体为采用如下步骤得到最终的量子密钥：

A.接收方根据接收到的正交值，采用如下算式代替测量结果进行计算：

式中

B.发送方和接收方收集到了相关的数据：

在具体实施时，步骤A和步骤B的具体方案，均与步骤S6对应：若步骤S6中，发送方发送的是

C.发送方和接收方对数据进行后处理操作，从而得到最终的量子密钥；后处理操作，具体包括参数估计、反向调解和隐私放大。

如图2所示为本发明系统的系统功能模块图：本发明还提供了一种实现上述测量装置无关的连续变量量子密钥分发方法的系统，包括发送方、接收方和检测方；

发送方包括发送方脉冲激光器，发送方第一调幅器，发送方第一分束器，发送方第一偏振器，发送方第二偏振器，发送方第二调幅器，发送方第一调相器和发送方第二分束器；

接收方包括接收方脉冲激光器，接收方第一调幅器，接收方第一分束器，接收方第一偏振器，接收方第二偏振器，接收方第二调幅器，接收方第一调相器和接收方第二分束器；

检测方包括检测方第一偏振分束器，检测方第一调幅器，检测方第二偏振分束器，检测方第一调相器，检测方第一分束器，检测方第二分束器，检测方零差探测器和检测方数据处理器；

发送方脉冲激光器、发送方第一调幅器和发送方第一分束器依次串联；发送方第一分束器的第一输出端连接发送方第一偏振器，发送方第一分束器的第二输出端连接发送方第二偏振器；发送方第一偏振器、发送方第二调幅器和发送方第一调相器依次串联；发送方第一调相器的输出端连接发送方第二分束器的第一输入端；发送方第二偏振器和发送方第二分束器依次串联，发送方第二偏振器的输出端连接发送方第二分束器的第二输入端；发送方第二分束器的输出端为发送方的输出端，并通过量子信道连接检测方；

接收方脉冲激光器、接收方第一调幅器和接收方第一分束器依次串联；接收方第一分束器的第一输出端连接接收方第一偏振器，接收方第一分束器的第二输出端连接接收方第二偏振器；接收方第一偏振器、接收方第二调幅器和接收方第一调相器依次串联；接收方第一调相器的输出端连接接收方第二分束器的第一输入端；接收方第二偏振器和接收方第二分束器依次串联，接收方第二偏振器的输出端连接接收方第二分束器的第二输入端；接收方第二分束器的输出端为接收方的输出端，并通过量子信道连接检测方；

检测方第一偏振分束器的输入端为检测方的输入端，检测方第一偏振分束器的第一输出端连接检测方第一调幅器，检测方第一偏振分束器的第二输出端连接检测方第二偏振分束器；检测方第一调幅器的输出端连接检测方第一分束器的第一输入端；检测方第二偏振分束器的第一输出端连接检测方第二分束器的输入端，检测方第二偏振分束器的第二输出端连接检测方第一调相器的输入端；检测方第一调相器的输出端连接检测方第一分束器的第二输入端；接检测方第一分束器的输出端连接检测方零差探测器的第一输入端；检测方第二分束器的输出端连接检测方零差探测器的第二输入端；检测方零差探测器的输出端连接检测方数据处理器；

发送方通过发送方脉冲激光器产生脉冲相干光，通过发送方第一调幅器进行幅度调制后传输到发送方第一分束器；发送方第一分束器将接收到的信号分为两束光信号：一路光信号通过发送方第二偏振器进行偏振后送入发送方第二分束器；另一路光信号则通过发送方第一偏振器进行偏振，然后再一次通过发送方第二调幅器进行幅度调制，以及发送方第一调相器进行相位调制后，送入发送方第二分束器；发送方第二分束器则将接收到的两路光信号合并后通过量子信道发送到检测方；

接收方通过接收方脉冲激光器产生脉冲相干光，通过接收方第一调幅器进行幅度调制后传输到接收方第一分束器；接收方第一分束器将接收到的信号分为两束光信号：一路光信号通过接收方第二偏振器进行偏振后送入接收方第二分束器；另一路光信号则通过接收方第一偏振器进行偏振，然后再一次通过接收方第二调幅器进行幅度调制，以及接收方第一调相器进行相位调制后，送入接收方第二分束器；接收方第二分束器则将接收到的两路光信号合并后通过量子信道发送到检测方；

检测方接收到发送方和接收方上传的信号后，通过检测方第一偏振分束器将接收到的信号分成两束光信号：第一束光信号通过检测方第一调幅器进行幅度调制后上传到检测方第一分束器；另一束光信号则通过检测方第二偏振分束器再次分为两束光：第一束子光信号通过检测方第一调相器进行调相后送入检测方第一分束器；另一束子光信号则通过检测方第二分束器后送入检测方零差探测器；检测方第一分束器将接收到的两路信号合并后再上传到检测方零差探测器；检测方零差探测器将接收到的信号进行零差探测后，将探测结果上传检测方数据处理器进行后续处理。

本发明提供的这种系统，其成本将主要取决于激光器：在发送端和接收端，这些模式可以由一组由单脉冲发生器驱动的激光器产生，激光输出可以延时，然后通过WDM模块耦合到一根光纤上；每种模式上的高斯调制可以用具有适当延迟的单个幅度和相位调制器来执行。在检测端，可以对每个模式应用相等的光纤延迟，以消除发送端的延迟偏移。

为了验证本发明系统的可行性，采用4MHz带宽的零差探测器，来获得线性的散粒噪声，每个LO产生其对散粒噪声方差的贡献，脉冲激光器首先被复用成保偏光纤，然后用调幅器输出100ns的脉冲。探测器的电子噪声是1.56×10