基于高斯調制相干態(tài)的長距離連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及量子密鑰分發(fā)，具體地，涉及基于高斯調制相干態(tài)的長距離連續(xù)變量 量子密鑰分發(fā)方法，尤其是一種通過優(yōu)化CVQKD系統(tǒng)的過噪聲控制、零差檢測及數(shù)據(jù)后處 理來實現(xiàn)長距離CVQKD通信的技術。
【背景技術】
[0002] 自從1999年學術界首次提出利用連續(xù)變量來進行量子通信以來，國內外眾多學 者提出了許多連續(xù)變量量子保密通信協(xié)議，尤其是CVQKD(連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)）引起 了人們的極大關注。CVQKD可以讓分隔兩地的通信雙方，Alice和Bob，通過量子信道和經(jīng) 過認證的經(jīng)典信道獲得密鑰。和DVQKD(離散變量量子密鑰分發(fā)）不一樣，在CVQKD協(xié)議 中，Alice利用高斯調制將信息調制在光場的正則分量上，Bob可利用高效率的Homodyne或 Heterodyne檢測器提取密鑰信息。在分發(fā)密鑰漸近極限下，CVQKD能抵抗任意集體攻擊和 相干攻擊，這是由于在漸近極限下，相干攻擊被證明和集體攻擊能力一致。而且在分發(fā)密鑰 有限情況下，高斯調制相干態(tài)CVQKD方案也被證明具有無條件安全性，能抵御集體及相干 攻擊。因為不需要單光子信源和單光子檢測器，且連續(xù)調制具有更大信道容量，其與傳統(tǒng)光 信號也具有較好的融合性，所以CVQKD在這些方面較DVQKD更具發(fā)展優(yōu)勢。
[0003] 然而CVQKD只是在短距離下（30km以下）密鑰速率表現(xiàn)良好，在長距離通信上速 率很低，且安全通信距離比DVQKD短很多。從信息論角度看，一個原因是DVQKD在集體攻擊 下的安全碼率計算依賴于誤碼率的估算，而CVQKD中安全碼率的估算來自于對信號量子態(tài) 的協(xié)方差矩陣的評估，協(xié)方差矩陣不僅受信道傳輸率的影響，而且對信道過噪聲異常敏感。 還有一個原因是由于檢測器靈敏度的原因，調制方差不能選用太小，從而調制方差不能使 用最優(yōu)值從而影響安全傳輸距離。最后一個重要原因是因為CVQKD解碼得到的是連續(xù)數(shù)據(jù) 而不是二進制數(shù)值，目前不存在低信噪比下針對連續(xù)數(shù)據(jù)的高效密鑰協(xié)商算法，這從很大 程度上限制了安全傳輸距離。
[0004] 為了實現(xiàn)長距離CVQKD，有人提出離散調制方式并利用高效的離散協(xié)商提高傳輸 距離，但這個方法需要引入誘騙態(tài)才能保證其安全性，誘騙態(tài)的制備是一個極難的問題。另 外，研究者們還提出利用相位敏感放大器、相位非敏感光放大器或無噪放大器提高系統(tǒng)信 噪比，從而改善安全通信距離的方案。然而這些方法的提升效果有限或者實驗難以實現(xiàn)。
[0005] 為了解決上述問題，我們提出了一種基于高斯調制相干態(tài)的長距離CVQKD技術， 通過引入高效率多維協(xié)商算法、適合長距離通信的低噪Homodyne檢測器以及基于數(shù)據(jù)后 處理的相位補償。值得注意的是：這里引入的高效率多維協(xié)商算法、低噪Homodyne檢測器 以及基于數(shù)據(jù)后處理的相位補償并不是簡單的疊加，而是基于CVQKD系統(tǒng)的綜合考慮和技 術瓶頸的突破。國際上至今都沒有報道超過IOOkm光纖傳輸距離的CVQKD實驗系統(tǒng)，其基 本瓶頸在兩個方面，一個是初始密鑰分發(fā)階段中光路編解碼模塊對相干光信號的噪聲抑制 以及對極弱信號的檢測；另一個是數(shù)據(jù)后處理階段對初始密鑰的高效協(xié)商。前者是因為長 距離會引入更多的過噪聲，包括強本振光的泄露，偏振及相位漂移，而且經(jīng)過長距離傳輸后 信號光會衰弱到難以檢測；后者是在長距離傳輸下信噪比將會極低，而極低信噪比下的高 效協(xié)商是一個難題。
[0006] 總之，為實現(xiàn)長距離CVQKD不是簡單的模塊疊加，不僅需要考慮前端初始密鑰分 發(fā)階段對過噪聲進行抑制及對弱信號進行有效提取，還需要考慮后端在經(jīng)過長距離傳輸后 選擇低信噪比下的高效數(shù)據(jù)協(xié)商算法。我們引入的低噪Homodyne檢測器及基于數(shù)據(jù)后處 理的相位補償一方面抑制CVQKD系統(tǒng)額外過噪聲，另一方面實現(xiàn)弱信號的檢測；而引入高 效率多維協(xié)商算法是為了后處理過程中的提取更多最終密鑰信息，從而最終可實現(xiàn)標準單 模光纖下安全傳輸距離為100-150km的連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)。

【發(fā)明內容】

[0007] 針對現(xiàn)有技術中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種基于高斯調制相干態(tài)的長距離 CVQKD方法，是一種通過引入高效率數(shù)據(jù)協(xié)商算法、適合長距離通信的低噪Homodyne檢測 器以及高精度相位補償算法，提高CVQKD系統(tǒng)對過噪聲抑制能力及后處理效率，實現(xiàn)標準 單模光纖下安全傳輸距離為100-150km的連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)的方法。
[0008] 根據(jù)本發(fā)明提供的一種基于高斯調制相干態(tài)的長距離連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)方 法，包括如下步驟：
[0009] 步驟A:連續(xù)變量初始密鑰分發(fā)步驟，具體為：初始連續(xù)密鑰數(shù)據(jù)利用發(fā)送方 Alice通過相干態(tài)進行高斯調制并經(jīng)過光纖信道進行傳輸后由接收方Bob進行解調檢測， 獲得初始連續(xù)密鑰數(shù)據(jù)；
[0010] 步驟B:連續(xù)數(shù)據(jù)后處理步驟，具體為：Bob對獲得的初始連續(xù)密鑰數(shù)據(jù)進行預處 理、糾錯及保密增強，獲取最終安全二進制比特密鑰。
[0011] 優(yōu)選地，所述步驟A包括如下步驟：
[0012] 步驟Al:發(fā)送方Alice及接收方Bob對CVQKD系統(tǒng)進行通信初始化，包括對CVQKD 系統(tǒng)中的信源、隨機數(shù)源、調制解調器、檢測器以及控制電路進行初始化；
[0013] 步驟A2 :Alice端光分束器將相干光源分為信號光和本振光，并對信號光進行相 位調制及幅度調制，通過時分及偏振復用將調制的信號光及本振光一起發(fā)送給Bob ;
[0014] 步驟A3 :Bob通過時間及偏振的解復用，并對收到信號進行偏振補償，最后Bob利 用低噪Homodyne檢測器隨機測量接收到的信號光的正則位置X或正則動量P的值。
[0015] 優(yōu)選地，所述低噪Homodyne檢測器的檢測過程為：通過對信號光的相位進行0度 或90度的調制，與本振光輸入50:50的分束器兩個接口后，隨后接入標定的Homodyne檢測 器進行檢測。
[0016] 優(yōu)選地，所述步驟A2包括如下步驟：
[0017] 步驟A2.I:A1ice通過相位及幅度調制對相干態(tài)正則分量X和P進行編碼調制，使 信號光服從一個均值為零的，方差為VA的高斯分布；其中，VA的取值范圍為大于0且小于 100 ；
[0018] 步驟A2. 2 :Alice將信號光及本振光通過同一個光纖發(fā)送給Bob。
[0019] 優(yōu)選地，所述步驟B包括如下步驟：
[0020] 步驟BI:Bob和Alice進行初始連續(xù)密鑰數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)預處理，并進行基于數(shù)據(jù)后處 理的相位補償；
[0021] 步驟B2 :Alice和Bob公布部分初始密鑰數(shù)據(jù)進行參數(shù)評估，得到信號過噪聲、調 制方差以及信道透過率參數(shù)；
[0022] 步驟B3 :Bob通過基于LDPC編碼的高效率多維協(xié)商算法對相位補償后的初始連續(xù) 密鑰數(shù)據(jù)進行糾錯，輸出一致的二進制共享密鑰串；
[0023] 步驟M:Bob通過信道參數(shù)計算Holevo限及合法通信方的互信息量，得到信息壓 縮率，最后通過保密增強輸出最終密鑰。
[0024] 優(yōu)選地，在Alice與Bob的光路中設置有隔離器及光檢測器以監(jiān)控本振光光 強。
[0025] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：
[0026] 1、本發(fā)明提供的方法可以將基于高斯調制相干態(tài)的CVQKD的安全通信距離延長 至Ij100-150km，這是國際上目前最長的距離。
[0027] 2、所述步驟A通過高靈敏度檢測器可實現(xiàn)極低本振光下的信號檢測，有效降低本 振光泄露引入的過噪聲。
[0028] 3、所述的步驟B基于數(shù)據(jù)后處理的高精度相位補償算法將相位抖動引入的過噪 聲降到了極低點。
[0029] 4、所述的步驟B基于LDPC的多維數(shù)據(jù)協(xié)商算法具有很高的協(xié)商效率。
【附圖說明】
[0030] 通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其它特征、 目的和優(yōu)點將會變得更明顯：
[0031] 圖1為基于高斯調制相干態(tài)的長距離CVQKD系統(tǒng)流程圖及光路原理圖。
[0032] 圖2為基于高斯調制相干態(tài)的長距離CVQKD技術光