一种自适应压缩态光信号产生装置

1.本实用新型涉及量子信息与光通信技术领域，具体涉及一种自适应压缩态信号产生装置。


背景技术：

2.现有的基于计算复杂度的密钥体系受到了量子计算技术发展的挑战，能保证信息绝对安全性的量子密钥分发(quantum key distribution，qkd)技术成为了解决这一问题的最好办法。量子密钥分发主要分为两种：连续变量量子密钥分发(continuous variable quantum key distribution，cv-qkd)和离散变量量子密钥分发(discrete variable quantum key distribution，dv-qkd)。dv-qkd 主要将密钥信息加载在相位和偏振这两种物理量上，而cv-qkd将密钥信息加载在光场量子态的正交分量上。dv-qkd基于能量响应的探测方式效率较低，且系统实现比较复杂，降低其实际可行性。相较于dv-qkd，cv-qkd应用的探测方式为零差探测和外差探测，技术更成熟且能应用现有的经典光通信系统。
3.cv-qkd主要有相干态和压缩态两种。相干态在信道损耗影响下，正交分量的分布中心会落在在原点附近，导致符号随机性增加，误码率大幅上升。而压缩态的压缩效应随着压缩幅度的增加而迅速增加。被压缩的正交分量有着极低的量子涨落，使得整个系统能获得较高的信息量。
4.量子密钥分发单元的光源质量非常重要。因为不同于经典通信信道较为稳定，量子信道是时变的，量子态受扰动的概率较高，用光学系统实现光学自适应对抗信道畸变，提升光源质量极为有效。此外，由于信道可能会出现窃听者eve 进行光子数分离攻击，因此需要将光脉冲衰减到单光子级别。
5.所以，在压缩态制备技术日趋完善的今天，为了推动量子密钥分发系统的实用化，有必要提出一种自适应压缩态光信号产生装置，以提供一种高质量的信号光。


技术实现要素：

6.本实用新型的目的是为了在量子时变信道条件下对抗信道畸变，防止窃听者 eve的光子数分离攻击，因此提出一种自适应压缩态光信号产生装置，以提供高质量的压缩态的光学自适应的量子信号，保证量子密钥分发实时高效完成，实现量子密钥分发系统的实用化。
7.为实现上述实用新型目的，本实用新型采用的技术方案如下：一种自适应压缩态光信号产生装置，所述自适应压缩态光信号产生装置包括多波长激光器、波前校正器、光衰减器、分束器bs、可变光衰减器、相位调制器和波分复用器；
8.所述多波长激光器、波前校正器、光衰减器、分束器bs、可变光衰减器、相位调制器依次连接；所述波分复用器与所述相位调制器和多波长激光器连接；
9.所述多波长激光器用于生成信号光和同步光；
10.所述波前校正器用于补偿波前相位畸变，进行相位校正；
11.所述光衰减器用于对信号光进行第一次衰减；
12.所述分束器bs用于将第一次衰减后的信号光分为两束，一束强光，一束弱光；
13.所述可变光衰减器用于将分束后弱光衰减为单光子级别；
14.所述相位调制器用于对每一个光脉冲进行量子态调制，生成平移压缩真空态光脉冲；
15.所述波分复用器用于将同步光和调制后的信号光进行波分复用，生成自适应压缩态光信号。
16.优选地，所述自适应压缩态光信号产生装置还包括波前传感器、波前控制器；所述波前校正器、波前传感器与波前控制器首尾相连；
17.所述波前传感器用于实时测量经波前校正器反射平面反射后的光束波前相位，并将测量结果传输至波前控制器中；
18.所述波前控制器用于接收波前传感器的探测数据，根据探测波前和电极通道电压之间的转换关系，计算波前校正器电极通道需要施加的电压。
19.优选地，所述自适应压缩态光信号产生装置还包括光功率计，所述光功率计与分束器bs连接；所述光功率计用于监测光功率。
20.优选地，所述自适应压缩态光信号产生装置还包括随机数发生器、模数转换器dac和模拟开关；所述随机数发生器、模数转换器dac和模拟开关依次连接；所述模拟开关与相位调制器连接；
21.所述随机数发生器用于生成量子真随机数；
22.所述模数转换器dac用于将数字信号转换为模拟信号；
23.所述模拟开关用于完成信号链路中的信号切换功能，实现对信号链路断开与闭合。
24.优选地，所述自适应压缩态光信号产生装置还包括上位机和处理器，所述处理器与上位机、随机数发生器和模数转换器dac连接；所述上位机用于记录随机数序列和控制处理器；所述处理器用于控制随机数发生器和模数转换器。
25.与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：
26.本实用新型提供了一种自适应压缩态光信号产生装置，本实用新型采用多波长激光器，能同时生成信号光与同步光，使用波前校正技术，实现了对信道畸变的预补偿，达到了光学自适应，提高了量子信号质量；并选择压缩态，提高允许调制方差，减少信道损耗影响，降低误码率，增加传输距离，实现更高的信道容量，最终提高成码率；该信号产生装置提供高质量的量子信号，有助于实现实用化量子密钥分发装置。
附图说明
27.图1是本实用新型一种自适应压缩态光信号产生装置的结构框图；
28.图2是本实用新型的量子密钥分发单元的结构框图；
29.图3是本实用新型一种自适应压缩态光信号产生装置的流程图。
具体实施方式
30.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本
实用新型进行进一步详细说明，但本实用新型要求保护的范围并不局限于下述具体实施例。
31.为实现上述实用新型目的，本实用新型采用的技术方案如下：
32.如图1所示，一种自适应压缩态光信号产生装置，所述自适应压缩态光信号产生装置包括多波长激光器、波前校正器、光衰减器、分束器bs、可变光衰减器、相位调制器、波分复用器、波前传感器、波前控制器、上位机、处理器、随机数发生器、模数转换器dac和模拟开关；
33.所述多波长激光器、波前校正器、光衰减器、分束器bs、可变光衰减器、相位调制器依次连接；所述波分复用器与所述相位调制器和多波长激光器连接；所述波前校正器、波前传感器与波前控制器首尾相连；所述处理器与上位机、随机数发生器和dac连接；所述随机数发生器、dac和模拟开关依次连接；所述模拟开关与相位调制器连接；
34.所述多波长激光器用于同时生成波长为l1的信号光和波长为l2的同步光，便于对信号控制，使得同步光能加载信息，与信号光进行波分复用，在解复用之后通过同步光来确定收到的信号光的序列，以便于选择正确的信号光进行成码；
35.所述波前校正器选用分离促动器连续镜面变形镜，由基底、促动器和连续变形镜面薄片组成，根据波前控制器和波前传感器计算得到的数据，通过对促动器施加电压，使得促动器发生机械形变，使变形镜变化，用于补偿波前相位畸变，进行相位校正；
36.所述光衰减器使信号光通过镀膜材料，使其光功率被镀膜材料吸收一部分，用于对信号光进行第一次衰减；
37.所述分束器bs选用99：1的分束器，用于将第一次衰减后的信号光分为两束，一束强光，一束弱光；
38.所述可变光衰减器使用可变衰减片，用于将分束后弱光精确衰减为单光子级别，使得窃听者eve无法通过光子数分离攻击获取信息；
39.所述相位调制器用于对每一个光脉冲进行量子态调制，生成平移压缩真空态光脉冲；
40.所述波分复用器用于将同步光和调制后的信号光进行波分复用，并通过量子信道发送给接收方bob。
41.所述波前传感器选择夏克哈特曼波前传感器，由用来分割波前的微透镜阵列和用于测定光斑位置的光探测器相机组成，实时测量经校正器反射平面反射后的光束波前相位，然后通过数据通道将测量结果传输至波前控制器；
42.所述波前控制器选择pc机担任，先接收波前传感器的探测数据，然后根据探测波前和电极通道电压之间的转换关系，计算变形镜电极通道需要施加的电压，实现畸变波前的校正；
43.所述自适应压缩态光信号产生装置还包括光功率计，所述光功率计与分束器bs连接；
44.所述光功率计用于监测光功率，以方便控制可变光衰减器的衰减程度。
45.所述上位机选择pc机，用于记录随机数序列和控制处理器；
46.所述处理器选择fpga芯片，用于控制随机数发生器和模数转换器；fpga是一种在pal(可编程逻辑阵列)、gal(通用阵列逻辑)、cpld(复杂可编程逻辑器件) 等传统逻辑电路
和门阵列的基础上发展起来的一种半定制电路，主要应用于asic(专用集成电路)领域，既解决了半定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。
47.所述随机数发生器选择量子随机数发生器，用于生成真随机数，随机数的质量极大程度上影响到系统的安全性，若随机数是伪随机数会被窃听者找到规律并获取，而量子随机数发生器基于量子本身的特点，具有不可预测性，不可重复性，无法被窃听者获得；
48.所述模数转换器dac用于将数字信号转换为模拟信号，将二进制数转化为直流电压以驱动之后的设备；
49.所述模拟开关用于完成信号链路中的信号切换功能，实现对信号链路断开与闭合，用了mos管的开断性能，模拟开关回路可以实现较高的关断阻抗，一般是兆欧姆以上的关断阻抗；和很低的导通阻抗，一般为几个欧姆级别，因此可以很好的实现信号链路切换和断开隔离的作用；
50.如图2所示，每一个量子密钥分发单元由处理器、上位机、光学系统发送模块和光学系统接收模块组成；所述光学系统发送模块包括多波长激光器、波前校正器、光衰减器、分束器bs、可变光衰减器、相位调制器、波分复用器、波前传感器、波前控制器、上位机、处理器、随机数发生器、模数转换器dac和模拟开关；
51.相邻两个量子密钥分发单元之间通过量子信道和经典信道进行连接，前一个量子密钥分发单元的上位机、处理器和光学系统接收模块组成接收方bob；后一个量子密钥分发单元的上位机、处理器和光学系统发送模块组成发送方alice，即本实用新型所提出的自适应压缩态光信号产生装置作为发送方alice。
52.所述发送方alice的光学系统发送模块通过量子信道把量子信号发送给接收方bob的光学系统接收模块；接收方bob的光学系统接收模块对量子信号进行处理后发送到接收方的上位机。
53.所述发送方alice的处理器由发送方alice的上位机控制，对信号进行处理，以及对随机数发生器、模数转换器dac进行控制；接收方bob的处理器由接收方bob的上位机控制，对信号进行处理。
54.所述发送方alice的上位机与接收方bob的上位机通过经典信道连接，传送经典信号，以实现信息的交互；
55.下面详细描述本实用新型的工作流程：
56.如图3所示，所述发送方alice多波长激光器生成波长为l1的信号光和波长为l2的同步光，将同步光发送给波分复用器，将信号光发送给波前校正器；所述波前校正器的反射平面将信号光反射到波前传感器；所述波前传感器实时测量经波前校正器反射平面反射后的光束波前相位，然后通过数据通道将测量结果传输至波前控制器；所述波前控制器接收波前传感器的探测数据，根据探测波前和电极通道电压之间的转换关系，计算波前校正器电极通道需要施加的电压，实现畸变波前的校正；所述波前传感器、波前控制器使波前校正器完成波前校正，并将校正后信号发送给光衰减器；所述光衰减器将信号光进行第一次衰减，发送给分束器 bs；所述分束器bs将第一次衰减后的信号光分为两束，一束强光发送给光功率计，一束弱光发送给可变光衰减器；所述光功率计对强光进行光功率监测；所述可变光衰减器将弱光衰减为单光子级别，发送给相位调制器；所述随机数发生器在处理器的控制下生成量子真随机数发送给相位调制器，并由发送方上位机将随机数序列记录；所述模
数转换器dac在处理器的控制下将二进制随机数序列转化为直流电压,即将数字信号转化为模拟信号；通过模拟开关控制链路的闭合和打开,以控制是否将模拟信号发送给相位调制器；所述相位调制器在直流电压的作用下对每一个光脉冲进行量子态调制，生成平移压缩真空态光脉冲，并发送给波分复用器；所述波分复用器用于将同步光和调制后的信号光进行波分复用，生成所需的自适应压缩态光信号；
57.根据上述说明书的揭示和教导，本实用新型所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本实用新型并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对实用新型的一些修改和变更也应当落入本实用新型的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对实用新型构成任何限制。