自由空间本地本振连续变量量子密钥分发方法及系统与流程

1.本发明涉及量子通信技术领域，具体地，涉及一种自由空间本地本振连续变量量子密钥分发方法及系统，更为具体地，涉及一种基于导频偏振复用的自由空间本地本振连续变量量子密钥分发方案。


背景技术：

2.信息安全在当前计算机和通信技术飞速发展的情况下，愈发重要。其中由于测不准原理等量子力学基本原理的支撑下，具有无条件安全性的量子密钥分发技术孕育而生。量子密钥分发技术总的来说为两大类：离散变量量子密钥分发和连续变量量子密钥分发。其中连续变量量子密钥分发因为具有高码率低成本等特性吸引了国内外众多学者对其理论和应用进行深入研究。对于连续变量量子密钥分发而言，从信道上可以分为光纤信道和自由空间信道；从实现方案上存在随路本振方案和本地本振方案。那么自由空间本地本振连续变量量子密钥分发方案也是本领域的一个重要方案。
3.自由空间本地本振连续变量量子密钥分发方案很有意义，但是也存在着相应问题。首先在本地本振连续变量量子密钥分发方案中本振光由接收端产生，这会导致存在量子信号很大的相位噪声，因此需要发送携带参考相位信息的导频来补偿量子信号的相位偏移。其次若导频和量子信号采用偏振复用的方式，则需要在接收端进行解偏振复用的操作。解偏振复用通常都是通过偏振控制器将光偏振态调节至与偏振分束器匹配的情况，但是在自由空间信道中，信道的透过率是非恒定的，这导致我们无法直接获得到一个有效的反馈值来调节偏振控制器，因此不适用偏振控制器而是在数据端进行解偏振复用是很有意义的。
4.专利文献cn107566120b(申请号：cn201710899926.2)公开了一种本地本振连续变量量子密钥分发方法及系统，包括如下过程：相干脉冲光源产生、本振光和信号光分离、脉冲信号光传输、双相位调制脉冲信号光、脉冲信号光回传、无噪线性放大器处理以及测量和检测。但该发明的相位噪声控制有限。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种自由空间本地本振连续变量量子密钥分发方法及系统。
6.根据本发明提供的一种自由空间本地本振连续变量量子密钥分发方法，包括：
7.步骤s1：产生脉冲光，使用分束器将脉冲信号分为导频信号与量子信号并调制量子信号；
8.步骤s2：导频信号与量子信号偏振复用；
9.步骤s3：监控信号并分离导频信号与量子信号；
10.步骤s4：在接收端使用一个同频率的激光器产生本振光，并与导频信号和量子信号分别进行相干检测；
11.步骤s5：将导频和量子信号的偏振纠正，并对量子信号相位进行补偿。
12.优选地，在所述步骤s1中：
13.通过激光器产生连续光后再通过一个强度调制器将连续光切割为脉冲光；
14.通过分束器将脉冲光分为较大功率的导频信号和较小功率的量子信号；信号光通过相位调制器进行qpsk调制；
15.所述导频信号是和量子信号同时产生的。
16.优选地，在所述步骤s2中：
17.信号光和导频信号通过偏振合束器进行偏振复用。
18.优选地，在所述步骤s3中：
19.通过分束器分出预设范围的光作为信号功率监控，再将其余的光通过偏振分束器分离导频信号与量子信号。
20.优选地，在所述步骤s5中：
21.使用基于半径定向的卡尔曼滤波方法将导频和量子信号的偏振纠正，并用导频信号相位对量子信号相位进行补偿。
22.根据本发明提供的一种自由空间本地本振连续变量量子密钥分发系统，包括：
23.模块m1：产生脉冲光，使用分束器将脉冲信号分为导频信号与量子信号并调制量子信号；
24.模块m2：导频信号与量子信号偏振复用；
25.模块m3：监控信号并分离导频信号与量子信号；
26.模块m4：在接收端使用一个同频率的激光器产生本振光，并与导频信号和量子信号分别进行相干检测；
27.模块m5：将导频和量子信号的偏振纠正，并对量子信号相位进行补偿。
28.优选地，在所述模块m1中：
29.通过激光器产生连续光后再通过一个强度调制器将连续光切割为脉冲光；
30.通过分束器将脉冲光分为较大功率的导频信号和较小功率的量子信号；信号光通过相位调制器进行qpsk调制；
31.所述导频信号是和量子信号同时产生的。
32.优选地，在所述模块m2中：
33.信号光和导频信号通过偏振合束器进行偏振复用。
34.优选地，在所述模块m3中：
35.通过分束器分出预设范围的光作为信号功率监控，再将其余的光通过偏振分束器分离导频信号与量子信号。
36.优选地，在所述模块m5中：
37.使用基于半径定向的卡尔曼滤波方法将导频和量子信号的偏振纠正，并用导频信号相位对量子信号相位进行补偿。
38.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
39.1、在实际自由空间量子密钥分发系统中，由于自由空间信道特性，很难获取一个稳定的反馈来调节偏振控制器，本发明可以在数据端进行偏振恢复而不需要调节偏振控制器；
40.2、信号光和本振光非同源光，存在很大的相位差，本发明在产生量子信号的同时产生导频信号，这样导频信号就会跟踪量子信号的相位漂移情况，最后在进行偏振恢复后，可以使用导频信号进行相位补偿；
41.3、本发明提出了一种适用于自由空间本地本振偏振补偿和相位补偿方案，能够从数据端精确的恢复偏振以及相位，其优点在于不需要使用偏振控制器，并且减少了相位噪声。
附图说明
42.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
43.图1为基于导频偏振复用的自由空间本地本振连续变量量子密钥分发方案。
具体实施方式
44.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
45.实施例1：
46.本发明涉及一种偏振补偿和相位补偿方法，本发明提供了一种基于导频偏振复用的自由空间本地本振连续变量量子密钥分发偏振补偿方法，其包括以下步骤：步骤一，脉冲信号的产生；步骤二，使用分束器将脉冲信号分为导频信号与量子信号；步骤三，调制量子信号并对导频信号和量子信号进行偏振复用；步骤四，分离导频信号与量子信号分离；步骤五，双路干涉检测；步骤六，偏振补偿以及相位补偿。
47.根据本发明提供的一种自由空间本地本振连续变量量子密钥分发方法，如图1所示，包括：
48.步骤s1：产生脉冲光，使用分束器将脉冲信号分为导频信号与量子信号并调制量子信号；
49.具体地，在所述步骤s1中：
50.通过激光器产生连续光后再通过一个强度调制器将连续光切割为脉冲光；
51.通过分束器将脉冲光分为较大功率的导频信号和较小功率的量子信号；信号光通过相位调制器进行qpsk调制；
52.步骤s2：导频信号与量子信号偏振复用；
53.具体地，在所述步骤s2中：
54.信号光和导频信号通过偏振合束器进行偏振复用。
55.步骤s3：监控信号并分离导频信号与量子信号；
56.具体地，在所述步骤s3中：
57.通过分束器分出预设范围的光作为信号功率监控，再将其余的光通过偏振分束器分离导频信号与量子信号。
58.步骤s4：在接收端使用一个同频率的激光器产生本振光，并与导频信号和量子信
号分别进行相干检测；
59.步骤s5：将导频和量子信号的偏振纠正，并对量子信号相位进行补偿。
60.所述导频信号是和量子信号同时产生的。
61.具体地，在所述步骤s5中：
62.使用基于半径定向的卡尔曼滤波方法将导频和量子信号的偏振纠正，并用导频信号相位对量子信号相位进行补偿。
63.实施例2：
64.实施例2为实施例1的优选例，以更为具体地对本发明进行说明。
65.本领域技术人员可以将本发明提供的一种自由空间本地本振连续变量量子密钥分发方法，理解为自由空间本地本振连续变量量子密钥分发系统的具体实施方式，即所述自由空间本地本振连续变量量子密钥分发系统可以通过执行所述自由空间本地本振连续变量量子密钥分发方法的步骤流程予以实现。
66.根据本发明提供的一种自由空间本地本振连续变量量子密钥分发系统，包括：
67.模块m1：产生脉冲光，使用分束器将脉冲信号分为导频信号与量子信号并调制量子信号；
68.具体地，在所述模块m1中：
69.通过激光器产生连续光后再通过一个强度调制器将连续光切割为脉冲光；
70.通过分束器将脉冲光分为较大功率的导频信号和较小功率的量子信号；信号光通过相位调制器进行qpsk调制；
71.所述导频信号是和量子信号同时产生的。
72.模块m2：导频信号与量子信号偏振复用；
73.具体地，在所述模块m2中：
74.信号光和导频信号通过偏振合束器进行偏振复用。
75.模块m3：监控信号并分离导频信号与量子信号；
76.具体地，在所述模块m3中：
77.通过分束器分出预设范围的光作为信号功率监控，再将其余的光通过偏振分束器分离导频信号与量子信号。
78.模块m4：在接收端使用一个同频率的激光器产生本振光，并与导频信号和量子信号分别进行相干检测；
79.模块m5：将导频和量子信号的偏振纠正，并对量子信号相位进行补偿。
80.具体地，在所述模块m5中：
81.使用基于半径定向的卡尔曼滤波方法将导频和量子信号的偏振纠正，并用导频信号相位对量子信号相位进行补偿。
82.实施例3：
83.实施例3为实施例1的优选例，以更为具体地对本发明进行说明。
84.首先由于自由空间信道特性，在自由空间连续变量量子密钥分发中，很难获取一个稳定的反馈来调节偏振控制器，因此本发明的目的是提供一种基于导频偏振复用的自由空间本地本振连续变量量子密钥分发方案，可以避免使用偏振控制器从数据端进行偏振恢复。其次，在本地本振方案中，量子信号和本振非同源光，导致存在很大相位偏差的情况因
此本发明的目的是提供一种基于导频偏振复用的自由空间本地本振连续变量量子密钥分发方案可以精确的进行相位补偿。
85.根据本发明的一个方面，提供一种基于导频偏振复用的自由空间本地本振连续变量量子密钥分发方案，如图1所示，所述基于导频偏振复用的自由空间本地本振连续变量量子密钥分发方案：
86.步骤一，产生脉冲光；通过激光器产生连续光后再通过一个强度调制器将连续光切割为脉冲光；
87.步骤二，使用分束器将脉冲信号分为导频信号与量子信号并调制量子信号；通过一个99：1的分束器将脉冲光分为较大功率的导频信号和较小功率的量子信号；信号光通过相位调制器进行qpsk调制；
88.步骤三，导频信号与量子信号偏振复用；信号光和导频信号通过偏振合束器进行偏振复用；
89.步骤四，监控信号并分离导频信号与量子信号；首先通过一个99：1的分束器分出一小部分光作为信号功率监控，再将其余的光通过偏振分束器分离导频信号与量子信号；
90.步骤五，双路干涉检测；在接收端使用一个同频率的激光器产生本振光，并与导频信号和量子信号分别进行相干检测；
91.步骤六，偏振补偿和相位补偿；使用基于半径定向的卡尔曼滤波方法将导频和量子信号的偏振纠正，并用导频信号相位对量子信号相位进行补偿。
92.其中所述量子信号调制为qpsk。
93.其中在接收端分出一小部分光作为信号和导频功率监控。
94.其中所述导频信号是和量子信号同时产生的，因此其相位变化将和量子信号一致，起到补偿量子信号相位的作用。
95.以下基于上述的系统和方法，提供具体应用实例：
96.首先在发送端采用一个锁频激光器作为相干光源，其输出光经过消光比达60db的脉冲调制器生成一个100mhz的脉冲序列，生成的脉宽为1ns。
97.然后通过99:1分束器将其分成两束，其中一束功率小的作为量子信号，功率大的另一束作为导频信号，并对量子信号进行qpsk调制。
98.通过偏振合束器将量子信号和导频信号进行偏振复用，并经过自由空间信道传输。
99.在接收端本地通过另一个锁频激光器产生本振光，并与上述分离的导频参考信号和量子信号分别进行干涉；
100.对两路干涉信号进行采样，并进行数据处理。首先进行偏振恢复，由于偏振态在传输过程发生变化，即接收端的信号相比发射端的信号乘以一个琼斯矩阵，因此在数据端进行数据补偿时需要对信号乘以一个琼斯矩阵的逆，其形式如[a+jb c+jd
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c+jd a-jb]。因此可以半径定向的卡尔曼滤波方法计算出实数a，b，c，d的值，其中约束半径可从监控的功率中获取。其次进行相位补偿，首先计算导频信号的相位信息，继而把量子信号的相位减去导频信号的相位即可消除相位偏移。其原理在于导频信号与量子信号为同源光，且两路信号一同传输，故除去量子信号上调制的相位信息，其余的相位一致。
[0101]
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系
统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
[0102]
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。