專利名稱：在多信道量子通信系統內的相位鎖定的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光通信設備，更具體地，涉及用于使用量子密碼術傳 輸加密數據的設備。
背景技術：
通常使用密碼術以增強的保密性或者甚至完美的保密性在兩個 或更多節(jié)點(用戶、站)之間交換消息。典型的加密方法使用公開宣 布的加密/解密算法，通過結合該算法使用的秘密密鑰提供所傳輸信息 的機密性。通常，秘密密鑰是隨機選擇的，僅發(fā)送和接收方已知的足 夠長的比特序列。例如，在對稱加密方案中，發(fā)送站使用秘密密鑰加 密信息和將加密數據在公共信道上發(fā)送給接收站。接收站隨后使用相 同密鑰解密該加密和恢復原始信息。
密鑰越長則系統越安全，這是眾所周知的。例如， 一種廣泛使用 的加密系統-數據加密標準(DES)具有56比特的密鑰長度。除了 嘗試2"種可能密鑰值以破解DES外，沒有更為有效的方法。然而， 如果竊聽者具有強大的計算能力，依然可以破解DES。因此，為了實 現更高的安全性，可以使用單次片(one-time pad )(即與發(fā)送消息 一樣長的密鑰)。盡管使用單次片的通信系統相對于基于絕對計算能
力的攻擊在理論上是安全的，但是這樣一種系統必需處理所謂的密鑰 分配問題，即安全地將密鑰提供給發(fā)送/接收站的問題。
使用常規(guī)的(典型的)密鑰傳輸方法，其可能被竊聽者被動監(jiān)視， 較難發(fā)送可確認的秘密密鑰，和通常需要麻煩的物理安全措施。然而， 使用量子技術可以實現秘密密鑰分配。更具體地，在量子加密術中， 通過特定量子信道發(fā)送秘密密鑰，所述量子信道的安全性基于量子力 學原理。更具體地，適當選擇的量子系統的任意測量不可避免地修改 系統的量子狀態(tài)，這是眾所周知的。因此，當竊聽者試圖通過執(zhí)行測 量從量子信道獲取信息時，合法用戶可以檢測到已經執(zhí)行測量的事 實，其因此將丟棄所有危及安全的密鑰。
實際上，可以使用下述方法建立量子信道，例如(i)通過光纖
傳播的單光子序列，用光子的極化或相位編碼的密鑰比特，或者(ii) 相干光脈沖序列，分別包含少量(例如低于幾百個)光子，用表征每 個脈沖的選定變量的正交值編碼密鑰比特。在2002年Reviews of Modern Physics內公開的第74巻第145-195頁N. Gisin、G. Ribordy、 W. Tittel和H. Zbinden的標題為"Quantum Cryptography"的評論文 章內可以發(fā)現建立和使用典型量子信道的更多細節(jié)，其教導在此引用 作為參考。
盡管在開發(fā)用于量子信道的設備中已經取得一些成果，但是該設 備依然未達到性能目標，例如在量子密鑰分配(QKD)速率和傳輸距 離上。例如，當前可商用的QKD系統提供在長度約25公里的單模光 纖上大約1.5 kb/s的QKD速率。為了比較，代表性的經典通信系統 在長度約1000公里的光纖上提供大約10 Gb/s的數據傳輸速率。假定 QKD和經典系統的這些參數，可以發(fā)現需要在QKD速率和/或傳輸 距離上的顯著改進。

發(fā)明內容
根據本發(fā)明的原理，通過包括經傳輸鏈路耦合到接收機和適合于 將波(頻)分復用用于量子密鑰分配(QKD)的發(fā)射機的通信系統，解決現有技術中的問題。在一種實施例中，該接收機包括光調制器
(OM)、零差檢測器和信號處理器。該OM適合于對在接收機上生 成的本地振蕩器(LO)信號進行相移。零差檢測器適合于(i)組合 LO信號與經傳輸鏈路從發(fā)射機接收的量子信息(QI)信號以生成兩 個干擾信號；和(ii)測量在這些干擾信號之間的強度差值。處理器 適合于處理測量結果以生成控制信號，其導致在OM內生成的一個或 多個相移以建立在LO和QI信號之間的相位鎖定。在一種配置中， QI信號具有(i)多個導頻頻率分量，分別承載訓練信號，和(ii)多 個QKD分量，分別承載量子密鑰數據；和LO信號具有相應的導頻 和QKD頻率分量。接收機適合于通過使用根據QI信號的相應訓練 信號為頻率分量確定的參考相移而對LO信號的每個導頻頻率分量相 移，相位鎖定QI和LO信號的導頻頻率分量。該接收機還適合于通 過使用根據導頻頻率分量的參考相移推導出的近似參考相移而對LO 信號的每個QKD頻率分量相移，相位鎖定QI和LO信號的QKD頻 率分量。有利地，本發(fā)明的系統可以維持對QI和LO信號的QKD頻 率分量的相位鎖定，而QI信號的QKD頻率分量連續(xù)地承栽量子密 鑰數據。
根據一種實施例，本發(fā)明是一種在通信系統的接收機上接收量子 信息的方法，該通信系統包括經傳輸鏈路耦合到接收機的發(fā)射機，該 方法包括(A)經傳輸鏈路接收由發(fā)射機使用第一光源生成的量子 信息(QI)信號；和(B)將使用第二光源生成的本振(LO)信號相 位鎖定到該QI信號。
根據另一種實施例，本發(fā)明是一種用于通信系統的接收機，該通 信系統適合于傳輸量子信息和包括經傳輸鏈路耦合到接收機的發(fā)射 機，其中該接收機適合于(i)經傳輸鏈路接收由發(fā)射機使用第一光 源生成的量子信息(QI)信號；和(ii)將使用第二光源生成的本振 (LO)信號相位鎖定到該QI信號。
根據又一種實施例，本發(fā)明是一種用于傳輸量子信息的通信系統，包括經傳輸鏈路耦合到接收機的發(fā)射機，其中該接收機適合于(i)經傳輸鏈路接收由發(fā)射機使用第一光源生成的量子信息(QI) 信號；和(ii)將使用第二光源生成的本振(LO)信號相位鎖定到該 QI信號。


根據下述詳細描述、權利要求書和附圖，本發(fā)明的其它方面、特
征和優(yōu)點將變得更加顯而易見，在附圖中
圖1示意地圖示根據本發(fā)明一種實施例的多信道量子通信系統； 圖2圖示根據本發(fā)明 一種實施例的可以在圖1的系統內使用的相
位調制格式；
圖3A-C圖示當本地振蕩器(LO)信號正確地相位鎖定到量子 信息(QI)信號時在圖1所示系統的接收機上用于圖2的調制格式的 代表性零差檢測統計；
圖4A-C圖示當在LO和QI信號之間存在相位鎖定誤差時在圖1 所示系統的接收機上用于圖2的調制格式的代表性零差檢查統計；
圖5圖示根據本發(fā)明一種實施例的在圖l所示系統的接收機上將 LO信號相位鎖定到QI信號的方法；和
圖6A-C和7A-C圖示圖5所示方法的代表性實施方式。
具體實施例方式
在此所稱的"一種實施例"或"實施例，，是指在本發(fā)明的至少一種 實施例中可以包括的結合該實施例描述的具體特征、結構或特征。在 本說明書中各個部分中出現的短語"在一種實施例中"并不必然全部 指相同實施例，分立或替代實施例也不相互排斥其它實施例。
圖1示意地圖示根據本發(fā)明一種實施例的多信道量子通信系統 100。更具體地，系統100適合于將波(頻)分復用用于量子密鑰分 配(QKD)。系統100包括經傳輸鏈路(例如光纖)120耦合的發(fā)射 機110 (艾麗絲)和接收機130 (鮑勃)。發(fā)射機110具有耦合到光 調制器(OM) 116的光頻梳源(OFCS) 112。 OFCS112生成具有多個均勻間隔頻率分量的光信號114。 OM 116是適合于獨立調制信號 114的每個頻率分量以生成頻率復用量子信息(QI)信號的多信道光 調制器。該QI信號由OM 116應用于傳輸鏈路120和在接收機130 上接收作為QI信號128。
接收機130包括通常分別類似于發(fā)射機110的OFCS 112和OM 116的OFCS 132和OM 136。 OFCS 132生成具有多個均勻間隔頻率 分量的光信號134， OM 136獨立地調制信號134的每個分量以生成 復用本振(LO )信號138。每個光頻梳源112和132獨立地參考頻率 標準(例如原子時鐘)，以便信號114和134具有基本上相同(公用) 的頻率組。例如，在一種實施例中，每個光頻梳源112和132提供頻 率梳，其中每個頻率模式具有(i)大約10 kHz或者更好的頻譜寬度 和(ii)位于相對于頻率標準距離所定義的指定頻率約100 Hz或更小 范圍內的中心頻率。近年來已經開發(fā)和能夠實施這種光源，例如使用 載波包絡偏移(CEO)鎖定激光器。因此，QI信號128和LO信號 138具有屬于基本上相同頻率組的頻率分量。然而，在信號128和138 之間的一個差別在于前者具有適合于QKD的較低強度，而后者具有 較高強度。例如，在一種配置中，QI信號128和LO信號138分別具 有每脈沖每分量大約l和106光子的強度。
將QI信號128和LO信號138提供給適合于組合這些信號和生 成兩個干擾信號142a-b的光耦合器140，每個干擾信號是具有與QI 和LO信號相同頻率組的多分量信號。將干擾信號142a-b分別發(fā)送給 光檢測器150a-b，每個光檢測器是適合于獨立地測量每個頻率分量強 度的多信道光檢測器。在一種實施例中，每個光檢測器150a-b包括耦 合到光電二極管陣列的解復用器(DMUX),在該陣列內的每個光電 二極管光耦合到DMUX的分立輸出端口。對于每個頻率分量，相應 的光電二極管測量該分量的強度，和將結果電信號提供給放大器陣列 160的放大器。在陣列160中的每個放大器是配置以接收來自光檢測 器150a-b的對應于相同頻率(信道)的兩個電信號的微分放大器。同 樣地，陣列160內的每個放大器提取在所接收信號之間的差值，予以放大，和將放大的差分信號提供給信號處理器170以進一步處理。光 耦合器140、光檢測器150a-b和放大器陣列160 —起在接收機130上 執(zhí)行多信道零差檢測方案。對于QI信號128的每個頻率分量，該零 差檢測方案提供正交測量，根據其可以確定由QI信號承載的量子比 特值。
圖2圖示根據本發(fā)明 一種實施例的可以在系統100內使用的相位 調制格式。更具體地，通過在OM 116內隨機地將0、 90、 180或270 度的相移應用于信號114的每個頻率分量，0和90度的相移與二進制 "l"相關和180和270度的相移與二進制"0"相關，發(fā)射機110 (艾麗 絲)將量子比特值編碼在提供給傳輸鏈路120的QI信號上。對于每 個量子比特，除了編碼比特值之外，相移還確定艾麗絲的該比特的基 本集選擇。例如，圖2的調制格式包括兩個正交基本集(basisset)， 一個基本集具有沿著實(Re)軸的相移狀態(tài)(即0和180度狀態(tài))和 另 一個基本集具有沿著虛(Im )軸的相移狀態(tài)(即90和270度狀態(tài))。 因而，如果艾麗絲選擇0和180度相移之一，則艾麗絲已經選擇與實 軸對應的基本集?？商娲?，如果艾麗絲選擇90和270度相移之一， 則艾麗絲已經選擇正交基本集(即對應于虛軸)。在接收機130上(鮑 勃)，通過在OM 136內隨才幾地將0或90度的相移應用于信號134 的每個頻率分量，隨后使用所獲得的LO振蕩器信號138執(zhí)行上述零 差檢測方案，確定由QI信號128承載的量子比特值。對于每個量子 比特，在OM136內應用的相移類似地確定鮑勃的該比特的基本集選 擇。
圖3A-C圖示當將LO信號138大約相位鎖定到QI信號128時 在接收機130上用于圖2所示調制格式的代表性零差檢測統計。更具 體地，圖3A圖示星座圖，四個圓圏302、 304。 306和308包圍與由 QI信號128承載的艾麗絲量子比特對應的相位矢量可能落入的最可 能區(qū)域。用這些圓圏表示的區(qū)域較大，因為(1) QI信號128受量子 波動影響和(2)因為系統100內的噪聲進一步分散相位矢量。如果 艾麗絲已經選擇特定量子比特的實(Re)基本集，則當量子比特是"l" 時，與該比特對應的相位矢量最可能落入圓圏302，或者當量子比特 是"0"時，落入圓圏306?？商娲?，如果艾麗絲已經選擇虛(Im) 基本集，則當量子比特是"l"時，與該比特對應的相位矢量最可能落 入圓圏304，或者當量子比特是"O，，時，落入圓圈308。鮑勃的在接收 機130內執(zhí)行的零差檢測方案基本上等同于測量所接收的相位矢量在 鮑勃的選定基本集(Re或Im)上的投影。如果在足夠多數量的量子 比特上平均，則用概率分布函數描述陣列160內每個放大器的標準化 輸出，例如類似于圖3B-C所示。
如果鮑勃的選定基本集與艾麗絲的基本集相同，則提取在該基本 集上的投影構成可能量子比特值的測量。圖3B所示的曲線320和360 代表描述當艾麗絲和鮑勃選擇相同基本集時的標準化放大器輸出的 概率分布函數。更具體地，曲線320代表與"l"比特對應的概率分布 函數，和曲線360代表與"O"比特對應的概率分布函數。曲線320和 360具有高斯類似形狀，并分別以1和-1為中心(即分別具有1和-1 的分布平均值)。應當指出鮑勃可以區(qū)分二進制"1"和"0"，因為曲線 320和360不同的，并且相互完全分離。因此，通常將這種情況稱作 鮑勃的"正確基本集選擇"。
如果鮑勃的選定基本集不同于艾麗絲的基本集，則釆取在鮑勃的 基本集上的投影并不構成可能量子比特值的測量。圖3C所示的曲線 348代表描述當艾麗絲和鮑勃選擇不同基本集時的標準化放大器輸出 的概率分布函數。應當指出，與圖3B不同，現在單個曲線(曲線348) 代表兩個概率分布函數，即與"1"比特對應的概率分布函數和與"0"比 特對應的概率分布函數重疊，該曲線是高斯類似的和以O為中心。由 于該概率分布函數退化，鮑勃不能區(qū)分二進制"1"和"0",通常將圖3C 的情況稱作鮑勃的"錯誤基本集選擇"。
如果艾麗絲和鮑勃隨機地選擇它們的用于每個比特的基本集，則 由鮑勃測量的結果概率分布函數是三駝峰曲線，類似于代表曲線320、 348和360 (圖3B和3C)之和的曲線。如下文更詳細地描述的，可 以在訓練模式中獲得用每個曲線320、 348和360代表的各個概率分
布函數。
在一種配置中，根據圖3B-C所示的檢測統計，接收機130(鮑 勃)如下解釋測量結果。信號處理器170為每個信道建立兩個閾值， X+和X.，其中X-和X+， X-和X+值對于不同信道是相同或不同的。如 果信道的標準化放大器輸出Xn大于X+，則鮑勃將相應量子比特判斷 為"l，，比特。如果Xn小于X.，則鮑勃將該量子比特判斷為"O"比特。 如果Xn介于X+和X-之間，則鮑勃獲得不確定的結果和放棄判決。在 一種配置中，對于每個信道，X+=X.=0。
在已經從艾麗絲向鮑勃發(fā)送適當數量的量子比特之后，鮑勃通過 例如在常規(guī)電話或計算機網絡上建立的驗證公共信道告訴艾麗絲他 的基本集選擇，艾麗絲告訴鮑勃哪個基本集選擇是正確的。鮑勃隨后 保存與該正確基本集選擇對應的判斷，而丟棄與錯誤基本集選擇對應 的判斷，從而編譯偏移量子密鑰(也稱作原始密鑰)。最后，艾麗絲 和鮑勃使用偏移量子密鑰執(zhí)行錯誤校正和秘密放大程序以提取安全 量子密鑰。例如在(1 )F. Grosshans和P. Grangier，Phys. Rev. Letters, 2002， Vol.88, N.5， p.057902; ( 2 ) F. Grosshans和P. Grangier, arXiv: quant-ph/0204127 vl， 22 Apr 2002;和(3) M.A. Nielsen和I. L. Chuang， "Quantum Computation and Quantum Information", 劍橋 大學出版社(2000) ， pp.582-603中可以發(fā)現與代表性錯誤校正和秘 密放大程序相關的附加信息，全部在此引用作為參考。
圖4A-C圖示當在LO信號138和QI信號128之間存在相位鎖 定誤差時在接收機130上用于圖2所示調制格式的代表性零差檢測統 計。圖4A-C基本上分別類似于圖3A-C，用具有相同后兩位數字的標 記表示類似的附圖單元。如圖4A所示，0度的相位鎖定錯誤致使艾 麗絲的相位矢量落入的最可能區(qū)域相對于鮑勃的坐標系統圍繞坐標 中心旋轉角度e。當鮑勃選擇與艾麗絲相同的基本集的情況下，曲線 420和460 (圖4B)與曲線320和360 (圖3B )相比相互更為靠近， 并且不再分別以l和-l為中心。當鮑勃選擇與艾麗絲選擇不同的基本 集時，旋轉導致比圖3C的概率分布函數退化更嚴重的退化。更具體地，當艾麗絲和鮑勃選擇不同基本集并相位鎖定錯誤存在時，與"l"和"0"比特對應的概率分布函數不再通過與圖3C的曲線348類似的重 疊曲線表示。相反地，這兩個概率分布函數用類似于圖4B的曲線420 和460表示，但是在它們之間具有較小間隔的兩個不同曲線(在圖4C 中未圖示)。圖4C圖示代表兩個量子比特值的累積概率分布函數的 曲線450。曲線450具有雙重(doublet)形狀，這是退化嚴重的標志。 比較圖4B與圖3B，發(fā)現曲線420和460具有比曲線320和360 更大的重疊。該增加的重疊可能增加鮑勃判斷錯誤的數量，因為存在 增加的概率(i)當艾麗絲發(fā)送"O"比特時，X>X+和(ii)當艾麗絲 發(fā)送"l"比特時，Xn<X_。為了保持判斷錯誤數量較低，因此希望在系 統100內在LO信號138和QI信號128之間維持正確的相位鎖定， 如圖3所示。
簡單地再次參見圖1，接收機130的處理器170適合于生成提供 給OM 136的控制信號180。根據控制信號180， OM 136建立用于 LO信號138的每個頻率分量的參考相移以正確地將該分量相位鎖定 到QI信號128的相應頻率分量。隨后，相對于為該分量建立的參考 相移，應用在OM 136內應用于QKD傳輸過程中每個頻率分量的0 和90度隨機相移。在下文將更詳細地描述根據本發(fā)明典型實施例的 生成控制信號180的方法。
圖5圖示根據本發(fā)明 一種實施例在系統100的接收機130上生成 控制信號180的方法500。在方法500的步驟502，系統100的發(fā)射 機110和接收機130被配置為分別發(fā)送和接收包含訓練比特序列的訓 練信號。通常，訓練序列可以包括發(fā)射機110和接收機130已知的并 使用已知基本集選擇發(fā)送的任意預先確定的比特組合。例如，在一種 配置中，訓練序列包括在圖2的調制格式中以O度相移編碼的二進制 "1"的串。通常，訓練序列對于處理器170而言足夠長(例如1000比 特)以具有足夠數據生成概率分布函數，例如類似于圖3和圖4所圖 示的?？梢栽谙到y100的每個頻率(信道)上或者在選定的若干導頻 頻率(信道)上發(fā)送訓練序列。當僅將導頻頻率用于訓練序列傳輸時，
與訓練序列傳輸并行地，可以將其它頻率(在下文中稱作QKD頻率) 繼續(xù)用于常規(guī)量子密鑰數據傳輸。在代表性的配置中，系統100包括 用于每九個QKD頻率的一個導頻頻率。
在方法500的步驟504，處理器170處理在訓練序列傳輸中使用 的每個頻率的正交測量結果以為這些頻率中的每個頻率生成相應的 概率分布函數。在一種配置中，處理器170可以使用滑動窗口處理以 隨著時間跟蹤每個頻率的概率分布函數。例如，假設在訓練序列內的 比特串長度是IOOO比特。則可以配置處理器170以生成(i)基于與 第1至第100比特對應的正交測量結果的第一概率分布函數；(ii) 基于與第11至第110比特對應的正交測量結果的第二概率分布函數； (iii)基于與第21至第120比特對應的正交測量結果的第三概率分布 函數；等等。因此，對于1000比特的整個訓練序列，處理器170生 成91個概率分布函數，當將其放去一起時反映鏈路和信道狀態(tài)的時 間變化和/或在OM 136內執(zhí)行的任何相移調整。
在方法500的步驟506，處理器170為每個頻率評估在步驟504 生成的一個或多個概率分布函數。此評估可以包括確定分布平均、中 值、在半最大值上的全部帶寬(FWHM)、等等。根據此評估，處理 器170生成控制信號180，其指示OM 136設置或調整每個頻率的參 考相移值以正確地相位鎖定LO信號138和QI信號128的相應分量。 在一種配置中，處理器170使用上述滑動窗口處理以(半)實時跟蹤 在LO信號138和QI信號128之間的相位鎖定。
在將所有頻率用于訓練序列傳輸的系統配置內，系統100定期地 在訓練和QKD操作模式之間切換。在訓練模式中，系統100例如如 上所述地建立用于每個頻率的相位鎖定。在QKD模式中，系統100 使用在訓練模式中建立的相位鎖定在所有頻率上發(fā)送量子密鑰數據。 在系統100內的模式切換周期通常受傳輸鏈路120的狀況控制。例如， 當沿著傳輸鏈路120的環(huán)境溫度較穩(wěn)定時，系統100內的模式切換可 以較不頻繁地出現。相反地，當沿著傳輸鏈路120的環(huán)境溫度受到較 大波動時，系統100內的模式切換可以較頻繁地出現。應當指出QKD
協議可以包括錯誤率監(jiān)視作為其糾錯和秘密放大程序的 一部分，當傳 輸鏈路質量隨著時間變化時，這支持模式切換周期的動態(tài)調整。
在將導頻頻率用于訓練序列傳輸的系統配置中，處理器170最好 實時地跟蹤用于每個導頻的在LO信號138和QI信號128之間的相 位鎖定。對于所有其它信號頻率，通過從用于該導頻的當前參考相移 值近似(例如內插和/或外插)，處理器170確定參考相移(最好也是 實時的)。例如，在一種配置中，處理器170將為該導頻確定的參考 相移值視為連續(xù)函數的一組離散抽樣，該連續(xù)函數描述對于所有信號 頻率的參考相移的頻率相關性。隨后，處理器170使用選定擬合技術 (例如樣條擬合)計算該連續(xù)函數，和在適當的頻率上抽樣所計算的 函數以確定用于除了導頻之外的信號頻率的參考相移。
如果合適或者必需，可以配置系統100以將作為導頻和QKD頻 率的當前信號頻率分配改變成不同的分配。例如，對于相對穩(wěn)定的鏈 路狀態(tài)，可以將較小數量的信號頻率指定為導頻，例如以提高系統100 的總QKD容量。相反地，對于相對不穩(wěn)定的鏈路狀態(tài)，可以將較大 數量的信號頻率指定為導頻，例如以改善QKD頻率的相位鎖定跟蹤 的準確性。在相鄰導頻之間的頻率間隔在系統100的帶寬上并不必需 全是相同的。根據具體情況，與其它頻譜區(qū)域和/或作為整體的系統 100相比，可以為某些頻鐠區(qū)域分配每單位帶寬更少或更多的導頻頻 率。
圖6A-C和圖7A-C圖示方法500的代表性實施方式。更具體地， 圖6A-C圖示當適當地將LO信號138相位鎖定到QI信號128時，對 于被配置為發(fā)送訓練序列的系統100的信道，在接收機130上的代表 性零差檢測統計。類似地，圖7A-C圖示當在LO信號138和QI信號 128之間存在相位鎖定誤差時，對于該信道的代表性零差檢測統計。 圖6A-C和圖7A-C基本上分別類似于圖3A-C和圖4A-C，用具有相 同后兩位數字的標記表示類似的附圖單元。與圖6A-C和圖7A-C對 應的訓練序列包括具有0度相移(Re軸)的在圖2調制格式內編碼 的二進制"l"的串。
參見圖6，因為訓練序列僅具有二進制"l"，艾麗絲的相位矢量 基本上落入圓圈602內。因為鮑勃知道艾麗絲將哪個基本集用于訓練 序列，所以鮑勃完全控制他是選擇與艾麗絲相同還是不同的基本集。 曲線620 (圖6B)表示如果鮑勃決定選擇與艾麗絲相同的基本集(即 Re軸)，在方法500的步驟504上生成的概率分布函數。類似地， 曲線640 (圖6C)表示如果鮑勃決定選擇與艾麗絲不同的基本集(例 如Im軸)，在步驟504生成的概率分布函數。曲線620和640具有 高斯類似形狀和分別是1和0的分布平均值。
參見圖7A， O度的相位鎖定誤差導致類似于圖4A所示的相位圖 旋轉?，F在曲線720 (圖7B)代表如果鮑勃決定選擇與艾麗絲相同的 基本集，在方法500的步驟504生成的概率分布函數，和曲線740(圖 7C )代表如果鮑勃決定選擇不同的基本集，在該步驟生成的概率分布 函數。由于相位圖旋轉(圖7A),曲線720 (圖7B)和740 (圖7C ) 分別具有分布平均值(1-S)和-A，其中8=l-cose和A=sin0。因而，對 于任一基本集選擇，鮑勃能夠通過測量分布平均值分別距離1和0的 偏離(或者等同地，相應概率分布函數分別相對于1和0的偏離)檢 測相位鎖定誤差。然而，鮑勃根據A值而非8值生成控制信號180是 更為有利的，因為(1)相對于0測量曲線740的偏離，因此可能的 標準化誤差對A值的影響較小；(2) A的符號可以區(qū)分e的正值和 負值，而S則不能；和(3)對于e的小值，A遠大于6。因此，當處 理器170根據A而非8生成控制信號180時，接收機(鮑勃)可能實 現更好的相位鎖定(即較小的相位鎖定誤差)。
根據此觀察，在一種配置中，系統100可以如下執(zhí)4亍方法500。 對于步驟502，配置接收機130 (鮑勃)以選擇與在發(fā)射機(艾麗絲) 110上選擇用于在訓練序列傳輸中使用的每個頻率的基本集正交的基 本集。對于步驟504，配置處理器170以生成概率分布函數，例如使 用上述"滑動窗口，，處理。對于步驟506，配置處理器170以生成控制 信號180以便用于訓練序列傳輸的每個頻率的分布平均值是零。隨后， 將與用于特定頻率的分布平均值為零對應的在OM 136內的相移指定為用于該頻率的參考相移。配置處理器170以根據步驟504的"滑動 窗口"處理適當地實時調整控制信號180以繼續(xù)跟蹤分布平均值零， 從而適當地調整參考相移。
應當指出方法500的實施產生參考相移，其生成LO信號138的 每個頻率分量相對于QI信號128的相應頻率分量的90度相移。因此， 從相對于參考相移-90和0度中選擇在常規(guī)QKD傳輸中由OM 136應 用于每個頻率分量的隨機相移，從而獲得相對于圖2所示調制格式的 0度相移分別0和90度的相移。
當首次啟動QI信號128 (圖1)的傳輸時，接收機130 (鮑勃) 一開始不知道輸入信號相位。為了獲得該初始知識，配置接收機130 以校準OM 136，即確定在OM內引入的相移和輸入QI信號的相位 之間的對應關系。在一種配置中，接收機130執(zhí)行校準程序，其涉及 對于每個頻率分量執(zhí)行在諸如2;r的相移間隔上由OM 136引入LO信 號138的相移值的掃描，使用足夠小的相對相移增量，同時接收訓練 信號和跟蹤相應的分布平均值。將分布平均值圖示為所引入的相移函 數的結果掃描曲線應當具有兩個零值，可以將其用作OM 136的校準 點。隨后，接收機130 (鮑勃)根據一次或多次掃描結果初始化LO 相位，和開始跟蹤相位鎖定錯誤，如上文已經描述的。
在一種配置中，系統IOO可以如下降低在訓練序列測量上花費的 時間量。系統IOO可以臨時增加在一個或多個訓練信號內的光子數量 (在此增加并不顯著地提高在不同頻率信道之間的線性和/或非線性 串擾的前提下)。此增加有助于接收機130在更少的時隙內測量一個 或多個概率分布函數，從而降低整體訓練時間。
此外，可以配置接收機130以組合在已經建立初始相位鎖定之后 多個導頻信道的訓練信號測量結果。更具體地，如果所有量子信道的 組合頻鐠擴展較小(例如大約lnm)和/或傳輸鏈路120的長度較短， 則可以假定由于傳輸鏈路內折射率變化導致的所有信道的臨時相位 變化是相關的，從而用單個概率分布函數整體描述所有的多個導頻信 道。因此，可以配置接收機130以使用配置為在所有量子信道上同時
引入相同的相位調整的單個全局相移器，從而簡化維持在QI和LO 信號之間相位鎖定的處理。另一方面，如果所有量子信道的組合頻鐠 擴展較大和/或傳輸鏈路120的長度較長，則不同信道的臨時相位變化 是不同和唯一的。因此，雖然依然是相關的，但是需要分別調整與不 同量子信道對應的相位。
雖然已經參考說明性實施例描述了本發(fā)明，但是此描述將不能解 釋為限制意義的。例如，可以配置系統100以使用各種QKD協議操 作，例如沒有限制的，BB84協議、B92協議或連續(xù)可變協議。盡管 已經參考相位調制描述了本發(fā)明的實施例，但是本領域的技術人員將 理解也可以修改本發(fā)明以用于極化調制或者光信號的任何其它適當 參數的調制。用于生成LO信號的光源位置不必限制于接收機(鮑勃)， 在一種實施例中，所述光源可以位于發(fā)射機(艾麗絲)或者其它適當 位置上。盡管已經參考QKD傳輸描述了本發(fā)明的實施例，本領域的 技術人員將認識到可以在使用量子信息傳輸的其它應用中使用本發(fā) 明，例如量子鑒權程序、安全金融交易(量子貨幣)、量子游戲(在 群協商中進行的最佳判決)、等等。對于本發(fā)明涉及領域內的技術人
例將被視為在如權利要求書所限定的本發(fā)明的原理和范圍之內。
盡管使用相應標志以特定順序描述下述方法權利要求中的步驟， 如果存在的話，但是除非權利要求的描述暗示執(zhí)行一些或全部步驟的 具體順序，則不必將這些步驟限制為以該特定順序執(zhí)行。
權利要求
1.一種用于在通信系統的接收機處接收量子信息的方法，所述通信系統具有經傳輸鏈路耦合到接收機的發(fā)射機，所述方法包括(A)經傳輸鏈路接收由發(fā)射機使用第一光源生成的量子信息(QI)信號；和(B)將使用第二光源生成的本地振蕩器(LO)信號相位鎖定到QI信號。
2. 權利要求l的發(fā)明，還包括組合LO信號和QI信號以生成第一和第二千擾信號； 測量在第一和第二干擾信號之間的強度差值；和 根據測量結果對LO信號進行相移，以實現相位鎖定。
3. 權利要求l的發(fā)明，其中 對于步驟(A) ， QI信號包括訓練信號；和 步驟(B)包括生成對應于訓練信號的概率分布函數； 根據所述概率分布函數確定LO信號的參考相移；和 使用所述參考相移對LO信號進行相移，以實現相位鎖定。
4. 權利要求3的發(fā)明，其中步驟(B)包括 確定概率分布函數的分布平均值； 根據所述分布平均值確定參考相移；和自適應地跟蹤所述分布平均值的零值。
5. 權利要求l的發(fā)明，其中QI和LO信號中的每個都具有多個 頻率分量，其中將LO信號的至少一個頻率分量相位鎖定到QI信號的相應頻率 分量；和所述QI信號的每個頻率分量在承載訓練信號和具有量子密鑰數 據的信號之間交替。
6. 權利要求1的發(fā)明，其中 對于步驟(A) ， QI信號具有一個或多個導頻頻率分量，每個 由相應的光頻率表征，其中每個導頻頻率分量承載訓練信號；對于步驟(B) , LO信號包括具有一個或多個光頻率的一個或 多個導頻頻率分量；對于LO信號的每個導頻頻率分量，步驟(B)包括 根據訓練信號確定參考相移；和使用所述參考相移對LO信號的導頻頻率分量進行相移。
7. 權利要求6的發(fā)明，其中對于具有不同于一個或多個導頻頻 率分量的光頻率之一的信號頻率的LO信號的至少一個頻率分量，步 驟(B)包括根據為LO信號的一個或多個導頻頻率分量確定的一個 或多個參考相移確定參考相移。
8. 權利要求6的發(fā)明，其中，除了一個或多個導頻頻率分量之 外，QI和LO信號中的每個具有一個或多個量子密鑰分布(QKD) 頻率分量，其中所述方法包括使用所述QKD頻率分量與一個或多個 訓練信號并行地接收量子密鑰數據。
9. 一種用于傳輸量子信息的通信系統，包括經傳輸鏈路耦合到 接收機的發(fā)射機，其中所述接收機適合于經傳輸鏈路接收由發(fā)射機使用第一光源生成的量子信息(QI) 信號；和將使用第二光源生成的本地振蕩器(LO)信號相位鎖定到QI信號。
10. —種通信系統的接收機，所述通信系統適合于傳輸量子信息 并具有經傳輸鏈路耦合到接收機的發(fā)射機，其中所述接收機適合于經傳輸鏈路接收由發(fā)射機使用第一光源生成的量子信息(QI) 信號；和將使用第二光源生成的本地振蕩器(LO)信號相位鎖定到QI信號。
全文摘要
一種通信系統，適合于將波(頻)分復用用于量子密鑰分布(QKD)和包括經傳輸鏈路耦合到接收機的發(fā)射機。在一種實施例中，接收機適合于(i)對在接收機上生成的本地振蕩器(LO)信號進行相移；(ii)組合LO信號與經傳輸鏈路從發(fā)射機接收的量子信息(QI)信號以生成兩個干擾信號；(iii)測量在這些干擾信號之間的強度差值；(iv)根據測量結果以將LO信號相位鎖定到QI信號。在一種配置中，QI信號具有多個導頻頻率分量，分別承載訓練信號，和多個QKD分量，各自承載量子密鑰數據。有利地，本發(fā)明的系統可以維持對QI和LO信號的QKD頻率分量的相位鎖定，而QI信號的QKD頻率分量連續(xù)地承載量子密鑰數據。
文檔編號H04L9/08GK101176298SQ200680017099
公開日2008年5月7日 申請日期2006年4月25日 優(yōu)先權日2005年5月17日
發(fā)明者丹·馬克·馬羅姆, 克里斯托弗·J·多雷爾, 蘭迪·克林頓·吉爾斯, 米哈拉·迪努, 英諾科·康 申請人:朗迅科技公司