ob端本振光強(qiáng)對(duì)檢測(cè)器在長(zhǎng)距離傳輸中的限制作用，我們可以從以下 思路進(jìn)行考慮。首先考慮散粒噪聲對(duì)電噪聲的比值S(簡(jiǎn)稱噪聲比S)
[0065] S = IOlog(N0/uel) (2)其中，N。表示散粒噪聲方差，uel表示Homodyne檢測(cè) 器電噪聲；
[0066] 保證檢測(cè)器運(yùn)行的必要條件即是使得式（2)大于零，其中散粒噪聲方差等效到 Alice端可以計(jì)算為
[0068] 其中，L為光纖信道長(zhǎng)度，Huj為Bob端的本振光傳輸率，g為電放大因子，q^表 示Homodyne檢測(cè)器量子效率，為真空抖動(dòng)。根據(jù)式（2)及式（3)，可以看出平衡零 差檢測(cè)器達(dá)到散粒噪聲極限情況下需要相對(duì)很低的電噪聲和Bob端足夠大的LO光強(qiáng)，但LO光強(qiáng)由過噪聲所限定，其中，LO即本振光。為了達(dá)到這個(gè)要求，我們利用了具有極低電噪聲 的平衡零差檢測(cè)器（balancedhomodynedetector)，即低噪Homodyne檢測(cè)器，其檢測(cè)的量 子效率為0. 6,最大噪聲比S在30dB，19dB，8dB下對(duì)應(yīng)的本振光強(qiáng)分別為每脈沖107,IO6及 IO5個(gè)光子。因此，當(dāng)Alice端本振光強(qiáng)為每脈沖10 8個(gè)光子時(shí)，且光路的消光比為IOOdB 時(shí)，依然可以達(dá)到8dB的噪聲比，并可將過噪聲有效控制在0. 01以內(nèi)，達(dá)到了 100-150km連 續(xù)變量量子密鑰分配實(shí)驗(yàn)的噪聲容限。
[0069] 其次，為了控制由于相位漂移引入的過噪聲，我們引入一個(gè)基于數(shù)據(jù)后處理的相 位補(bǔ)償算法，該相位補(bǔ)償算法在合法通信方獲取初始密鑰數(shù)據(jù)以后，在進(jìn)行數(shù)據(jù)協(xié)商之前， 定義基于數(shù)據(jù)后處理的相位補(bǔ)償算法誤差為S0。實(shí)際上要實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的CVQKD，高精度 的相位補(bǔ)償算法是必須的。假設(shè)一幀數(shù)據(jù)中的相位漂移巾可表示為
[0070] (J) = (J)〇+A(i> (4)其中，傘。為相對(duì)相位偏差，可認(rèn)為在一幀數(shù)據(jù)的傳輸中為 常量值，可以通過相位補(bǔ)償算法進(jìn)行補(bǔ)償，而A巾=巾_-巾_表示這一幀數(shù)據(jù)在傳輸時(shí) 的偏差抖動(dòng)，其中，表示相位抖動(dòng)最大值，巾_表示相位抖動(dòng)的最小值。為實(shí)現(xiàn)有效地 相位補(bǔ)償，必須使得
[0071]A(i) ^ 8 0 (5)通過計(jì)算可以評(píng)估出由于相位補(bǔ)償不完善引入的過噪聲 8 phase為
[0072] ^phase= (1-k)(ec+Va)/k, (6)
[0073] 其中，K=(E[cos5 0])2,E[cos5 0]表示cos5 0的期望，ec為信道的過噪 聲。根據(jù)式（6)，當(dāng)信道的過噪聲為0.01，調(diào)制方差為4時(shí)，可計(jì)算得到為引入的過噪聲在 0. 01或0. 001所需要的最小相位補(bǔ)償精度分別為每幀2. 9度及0. 9度，因此要求每幀的相 位漂移小于2. 9或者0. 9度。而通過測(cè)試發(fā)現(xiàn)在引入該高精度相位補(bǔ)償算法后，其相位的 漂移最多在〇. 1度，說明該相位補(bǔ)償精度最大達(dá)到〇. 1度。通過以上分析可以看出基于數(shù) 據(jù)后處理的相位補(bǔ)償算法可以很好的滿足100_150km距離CVQKD的實(shí)現(xiàn)。
[0074] 在又一個(gè)優(yōu)選的【具體實(shí)施方式】中，所述基于高斯調(diào)制相干態(tài)的長(zhǎng)距離連續(xù)變量量 子密鑰分發(fā)方法，具體步驟如下：
[0075] (1)連續(xù)變量初始密鑰分發(fā)階段：首先發(fā)送方Alice通過高消光比調(diào)制器和連 續(xù)光源產(chǎn)生脈沖相干光源，并將光分為弱的信號(hào)光源和本振光。隨后Alice編碼一串高 斯隨機(jī)數(shù)在信號(hào)光上，將編碼后的相干態(tài)信號(hào)光作為信號(hào)態(tài)，并和本振光信號(hào)一起通過時(shí) 分復(fù)用和偏振復(fù)用發(fā)送至Bob端。Bob對(duì)收到的信號(hào)態(tài)首先進(jìn)行偏振補(bǔ)償，隨后利用低噪 Homodyne檢測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)，獲得初始信息。
[0076] (2)連續(xù)數(shù)據(jù)后處理：Bob首先對(duì)獲得的初始信息和Alice-起進(jìn)行測(cè)量基的篩 選，隨后對(duì)篩選數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，補(bǔ)償信道過程中的相位漂移。隨后利用高效率協(xié)商算法進(jìn) 行數(shù)據(jù)協(xié)商，最后通過保密增強(qiáng)輸出二進(jìn)制比特串。
[0077] 通過以上過程，可以將偏振、相位抖動(dòng)以及本振光泄露引入的過噪聲降到長(zhǎng)距離 通信的安全限以下，并可利用低噪檢測(cè)器檢測(cè)出弱光信號(hào)，最終實(shí)現(xiàn)在100_150km長(zhǎng)的標(biāo) 準(zhǔn)單模光纖信道下的連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)。
[0078] 以上對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)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(shí)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)做出各種變化或修改，這并不影 響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。在不沖突的情況下，本申請(qǐng)的實(shí)施例和實(shí)施例中的特征可以任意相 互組合。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于高斯調(diào)制相干態(tài)的長(zhǎng)距離連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)方法，其特征在于，包括 如下步驟： 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(jìn)行高斯調(diào)制并經(jīng)過光纖信道進(jìn)行傳輸后由接收方Bob進(jìn)行解調(diào)檢測(cè)，獲得初始 連續(xù)密鑰數(shù)據(jù)； 步驟B :連續(xù)數(shù)據(jù)后處理步驟，具體為：Bob對(duì)獲得的初始連續(xù)密鑰數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、糾 錯(cuò)及保密增強(qiáng)，獲取最終安全二進(jìn)制比特密鑰。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于高斯調(diào)制相干態(tài)的長(zhǎng)距離連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)方法， 其特征在于，所述步驟A包括如下步驟： 步驟Al :發(fā)送方Alice及接收方Bob對(duì)CVQKD系統(tǒng)進(jìn)行通信初始化，包括對(duì)CVQKD系 統(tǒng)中的信源、隨機(jī)數(shù)源、調(diào)制解調(diào)器、檢測(cè)器以及控制電路進(jìn)行初始化； 步驟A2 :Alice端光分束器將相干光源分為信號(hào)光和本振光，并對(duì)信號(hào)光進(jìn)行相位調(diào) 制及幅度調(diào)制，通過時(shí)分及偏振復(fù)用將調(diào)制的信號(hào)光及本振光一起發(fā)送給Bob ; 步驟A3 :Bob通過時(shí)間及偏振的解復(fù)用，并對(duì)收到信號(hào)進(jìn)行偏振補(bǔ)償，最后Bob利用低 噪Homodyne檢測(cè)器隨機(jī)測(cè)量接收到的信號(hào)光的正則位置X或正則動(dòng)量P的值。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于高斯調(diào)制相干態(tài)的長(zhǎng)距離連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)方法， 其特征在于，所述低噪Homodyne檢測(cè)器的檢測(cè)過程為：通過對(duì)信號(hào)光的相位進(jìn)行0度或90 度的調(diào)制，與本振光輸入50:50的分束器兩個(gè)接口后，隨后接入標(biāo)定的Homodyne檢測(cè)器進(jìn) 行檢測(cè)。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于高斯調(diào)制相干態(tài)的長(zhǎng)距離連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)方法， 其特征在于，所述步驟A2包括如下步驟： 步驟A2. I :Alice通過相位及幅度調(diào)制對(duì)相干態(tài)正則分量X和P進(jìn)行編碼調(diào)制，使信號(hào) 光服從一個(gè)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 ; 步驟A2. 2 : Al ice將信號(hào)光及本振光通過同一個(gè)光纖發(fā)送給Bob。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于高斯調(diào)制相干態(tài)的長(zhǎng)距離連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)方法， 其特征在于，所述步驟B包括如下步驟： 步驟BI :Bob和Al ice進(jìn)行初始連續(xù)密鑰數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)預(yù)處理，并進(jìn)行基于數(shù)據(jù)后處理的 相位補(bǔ)償； 步驟B2 :Alice和Bob公布部分初始密鑰數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)評(píng)估，得到信號(hào)過噪聲、調(diào)制方 差以及信道透過率參數(shù)； 步驟B3 :Bob通過基于LDPC編碼的高效率多維協(xié)商算法對(duì)相位補(bǔ)償后的初始連續(xù)密鑰 數(shù)據(jù)進(jìn)行糾錯(cuò)，輸出一致的二進(jìn)制共享密鑰串； 步驟M :Bob通過信道參數(shù)計(jì)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(qiáng)輸出最終密鑰。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于高斯調(diào)制相干態(tài)的長(zhǎng)距離連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)方法， 其特征在于，在Alice與Bob的光路中設(shè)置有隔離器及光檢測(cè)器以監(jiān)控本振光光強(qiáng)。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于高斯調(diào)制相干態(tài)的長(zhǎng)距離連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)方法，包括：步驟A：連續(xù)變量初始密鑰分發(fā)步驟，是指利用發(fā)送方Alice通過相干態(tài)進(jìn)行高斯調(diào)制并經(jīng)過光纖信道進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸后由接收方Bob進(jìn)行解調(diào)檢測(cè)，獲得初始連續(xù)密鑰數(shù)據(jù)；步驟B：是指利用數(shù)據(jù)后處理算法對(duì)獲得的初始連續(xù)密鑰數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、糾錯(cuò)及保密增強(qiáng)，獲取最終安全二進(jìn)制比特密鑰。本發(fā)明可以將基于高斯調(diào)制相干態(tài)的CVQKD系統(tǒng)的安全通信距離延長(zhǎng)到100-150km。
【IPC分類】H04L9/08
【公開號(hào)】CN105024809
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510435726
【發(fā)明人】黃鵬, 黃端, 林大凱, 彭進(jìn)業(yè), 曾貴華
【申請(qǐng)人】上海交通大學(xué)
【公開日】2015年11月4日
【申請(qǐng)日】2015年7月22日