專利名稱：連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)及其同步實(shí)現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光纖通信技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)，具體地說，涉及的是一種連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)及其同步實(shí)現(xiàn)方法。
背景技術(shù)：
1999年Ralph首先從實(shí)驗(yàn)角度提出了利用連續(xù)變量進(jìn)行量子密鑰分發(fā)的概念并分析其安全性，連續(xù)變量量子密鑰分配迅速得到發(fā)展，各種方案相繼被提出。M. Hillery在2000年從理論的角度上提出了基于壓縮態(tài)的量子密鑰分配方案。2001年，D. Gottesman和加州理工大學(xué)的J. Preskill采用連續(xù)變量糾錯(cuò)碼的概念證明了他們提出的基于壓縮·態(tài)的量子密鑰分配方案的安全性，這是第一次證明了連續(xù)變量量子密鑰分配的安全性。法國科學(xué)家N. J. Cerf提出了一種改進(jìn)的方案，實(shí)現(xiàn)了全連續(xù)態(tài)的量子密鑰分配，這也是第一個(gè)真正意義上的連續(xù)變量量子密鑰分配方案。N. J. Cerf的方案極大提高的密鑰傳輸?shù)乃俾?，但是其?shí)驗(yàn)方案實(shí)現(xiàn)難度卻非常大。2003年，F(xiàn). Grosshans提出了基于相干態(tài)高斯調(diào)制的連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)方案，這種不涉及光場的任何非經(jīng)典性質(zhì)的QKD方案具有極大的意義，由于它的實(shí)現(xiàn)非常容易，該方案引起了學(xué)術(shù)界的極大關(guān)注。在該方案中，量子態(tài)的檢測采用的是零差檢測，不需要單光子探測器。實(shí)驗(yàn)表明，在無損耗的量子信道上，密鑰傳輸速率為I. 7M/s ;當(dāng)信道損耗為3. IdB時(shí)，密鑰傳輸速率為75k/s。該實(shí)驗(yàn)采用的量子信號(hào)為平均光子數(shù)為250個(gè)的相干光脈沖。由于相干光制備比較容易，所以該實(shí)驗(yàn)方案的可重復(fù)性較高，也是目前各個(gè)研究機(jī)構(gòu)重視和采用最多的一種方案?；谙喔蓱B(tài)高斯調(diào)制的連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)方案的安全性證明相繼被提出。經(jīng)過各國科學(xué)家的不斷努力，研究人員逐漸掌握了連續(xù)量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)方案所需要的核心技術(shù)，主要包括以下幾個(gè)方面I、連續(xù)變量量子信號(hào)發(fā)生器目前連續(xù)變量量子信號(hào)發(fā)生器主要分三類相干激光脈沖源、壓縮態(tài)光量子、糾纏光量子?，F(xiàn)在國際上主流都采用衰減后的微弱相干激光脈沖作為連續(xù)變量量子信號(hào)，這是因?yàn)橄喔杉す饷}沖源技術(shù)已經(jīng)成熟、相干光制備比較容易實(shí)現(xiàn)。2、連續(xù)變量量子信號(hào)的檢測技術(shù)連續(xù)變量量子信號(hào)檢測采用相干檢測，檢測裝置為一對(duì)光電二極管，通過差分電路降低檢測器噪聲與本振光抖動(dòng)，得到較高的靈敏度。這種檢測方式的最大優(yōu)點(diǎn)是可以在常溫下工作，并且量子效率比單光子檢測器的效率要高得多，在1550nm電信光纖通信窗口波長上可以達(dá)到50%以上。3、連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)連續(xù)變量量子信號(hào)的產(chǎn)生是相干激光脈沖經(jīng)過衰減后得到連續(xù)變量量子信號(hào)，基本上在I個(gè)相干光脈沖內(nèi)，光子數(shù)小于250個(gè)。由于相干光脈沖衰減到了量子級(jí)別，在光通信過程中，特別容易受到環(huán)境的影響，比如溫度、濕度、聲音等。這些環(huán)境因素造成的影響主要體現(xiàn)在對(duì)光脈沖相位擾動(dòng)上，從通信的角度看，這些影響使得誤碼率大大的增加。然而，傳統(tǒng)的強(qiáng)光通信中，這些問題對(duì)光通信系統(tǒng)的影響基本上可以忽略不計(jì)。這也使得傳統(tǒng)的光通信方面的一系列協(xié)議、流程設(shè)計(jì)在連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中并不實(shí)用。從通信層面上來看，一個(gè)系統(tǒng)需要通信，必須先實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)之間的載波同步、位同步(碼元同步)、幀同步(群同步)，在連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中，同步問題也是必須先實(shí)現(xiàn)的問題。量子變量量子密鑰分發(fā)研究是一個(gè)結(jié)合密碼學(xué)、光纖通信、量子光學(xué)、和網(wǎng)絡(luò)通信等多個(gè)學(xué)科的前沿課題。目前這個(gè)方面的技術(shù)正受到國際學(xué)術(shù)界的關(guān)注，并且開始應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)生活中。經(jīng)檢索發(fā)現(xiàn)，中國發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)?01010108798. 3，公開號(hào)為101800636A，該發(fā)
明專利提供一種用于量子密鑰分發(fā)的同步裝置及同步方法，其中“一種用于量子密鑰分發(fā)的同步裝置，其特征在于用于同步信號(hào)產(chǎn)生和編碼的同步信號(hào)編碼模塊信號(hào)輸出端與用以產(chǎn)生同步激光的同步激光發(fā)射模塊信號(hào)輸入端連接；所述同步激光發(fā)射模塊的信號(hào)輸出端通過光纖與用于光電轉(zhuǎn)換的光探測器和用于甄別的比較器電路模塊信號(hào)輸入端連接；光探測器和比較器電路模塊的信號(hào)輸出端分別與用于產(chǎn)生門控信號(hào)并且可調(diào)延時(shí)的可調(diào)延時(shí)電路模塊和使用一個(gè)幀計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，對(duì)同步信息進(jìn)行編碼的同步檢出和編碼模塊的信號(hào)輸入端連接。”“用于量子密鑰分發(fā)同步裝置的同步方法，其特征在于包括以下步驟(I)使用同步信號(hào)編碼模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行編碼，產(chǎn)生同步光激光器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)；(2)所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)入同步光激光發(fā)射模塊，進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，對(duì)信號(hào)整形，并將同步激光發(fā)射；(3)發(fā)射的同步光和信號(hào)光耦合到同一根光纖中，從發(fā)送方傳送到接收方；(4)在接收方，使用同步光探測和甄別模塊中的光電二極管完成同步光的接收和光電轉(zhuǎn)換，并使用高性能比較器完成信號(hào)的甄別；(5)使用獨(dú)立可調(diào)延時(shí)電路，對(duì)步驟(4)采集到的信號(hào)進(jìn)行延時(shí)，作為門控信號(hào)輸給單光子探測器；(6)對(duì)步驟(4)采集到的信號(hào)進(jìn)行同步檢出，并結(jié)合單光子探測器得到的信號(hào)計(jì)數(shù)進(jìn)行編碼?！钡巧鲜龅耐窖b置及同步方法不能適用于連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)同步方案的空白，提出了一種連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)及其同步實(shí)現(xiàn)方法，推進(jìn)了連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的實(shí)用化，同時(shí)有效的克服了在光通信過程中連續(xù)變量量子受到環(huán)境的影響對(duì)同步實(shí)現(xiàn)的干擾。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下本發(fā)明所述的連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)，由光路部分和電路控制部分構(gòu)成，其中所述光路部分主要由激光器、衰減器、分束器、偏振控制器、幅度控制器、相位控制器和耦合器組成，激光器產(chǎn)生激光，激光出來后經(jīng)過衰減器，衰減后的激光被分束器分成2束，I束經(jīng)過偏振控制器、幅度控制器、相位控制器，然后與另外I束在耦合器相遇并耦合成I束激光；所述電路控制部分主要由真隨機(jī)密鑰產(chǎn)生器、模擬電壓輸出控制電路和觸發(fā)時(shí)鐘電路組成，真隨機(jī)密鑰產(chǎn)生器產(chǎn)生密鑰，然后由模擬電壓輸出控制電路傳遞給光路器件，觸發(fā)時(shí)鐘電路是単獨(dú)用來觸發(fā)激光器的；發(fā)送端，觸發(fā)時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生觸發(fā)電平來觸發(fā)激光器發(fā)出激光脈沖，激光脈沖經(jīng)過衰減器后大幅度衰減成準(zhǔn)單光子信號(hào)；準(zhǔn)單光子信號(hào)經(jīng)過1:99的分束器分成2束信號(hào)，I束信號(hào)作為信息信號(hào)經(jīng)過偏振控制器來調(diào)整光子的偏振，然后通過幅度控制器、相位控制器。幅度控制器和相位控制器把真隨機(jī)密鑰調(diào)制到光子載體上，然后與另外I束光在耦合器里面耦合成I束光傳送至光纖里面。接收端，光纖中的信號(hào)通過動(dòng)態(tài)偏振控制器調(diào)整偏振，然后通過偏振分束器分成2束，I束經(jīng)過相位調(diào)制器和偏振調(diào)制器進(jìn)行失真補(bǔ)償；最后這I束激光與另I束一起進(jìn)入分束器進(jìn)行相干檢測。本發(fā)明所述的連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)同步實(shí)現(xiàn)方法，包括位同步和幀同步兩個(gè)階段，所述位同步階段是為了能從弱光光脈沖中準(zhǔn)確的提取出調(diào)制信息；所述幀同步階段在位同步基礎(chǔ)上，準(zhǔn)確的找出信號(hào)中一個(gè)字符、一個(gè)幀的開始時(shí)刻。
I、位同步階段位同步階段連續(xù)變量量子信號(hào)檢測采用相干檢測，檢測裝置輸出的是ー個(gè)ー個(gè)的弱光脈沖，然后通過A/D采樣，在采樣序列中提取出調(diào)制信息，也就是弱光脈沖上調(diào)制的密鑰信息。位同步方案要得到連續(xù)變量密鑰，需從相干檢測器輸出信號(hào)中采樣，并且提取出調(diào)制的那I個(gè)信息，光脈沖中調(diào)制信息最準(zhǔn)確的體現(xiàn)是在光脈沖的峰值上，所以需要提取每ー個(gè)脈沖的峰值。2、幀同步階段幀同步階段幀同步第一個(gè)階段是找到第一個(gè)字符的開始時(shí)刻，第二個(gè)階段是在第一個(gè)階段上，準(zhǔn)備找到每ー個(gè)幀頭的開始時(shí)刻。找字符開始時(shí)刻，由于相干光脈沖衰減到了量子級(jí)別，特別容易受到環(huán)境的影響，造成強(qiáng)烈的相位擾動(dòng)，這些影響使得誤碼率大大的増加。為了消去相位擾動(dòng)需要相位補(bǔ)償模塊，而相位補(bǔ)償模塊又需要先同步，然后才能從相位補(bǔ)償幀中提取出需要補(bǔ)償?shù)碾妷褐?。所以，在幀同步階段，必須考慮這些環(huán)境因素帶來的極高誤碼率對(duì)通信的影響。第一階段找字符開始時(shí)刻發(fā)送端中分發(fā)密鑰端調(diào)制器件調(diào)制范圍(-V1 +V1),設(shè)計(jì)ー種特殊巾貞——字符同步幀來進(jìn)行尋找到字符準(zhǔn)確的開始時(shí)刻。字符同步幀結(jié)構(gòu)取N1個(gè)點(diǎn)作為第一節(jié)，前N2個(gè)點(diǎn)設(shè)計(jì)為-V+V1的交替數(shù)據(jù)，后(N1-N2)個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)取為0，這里必須N1大于N2，第二節(jié)至第十節(jié)，每ー節(jié)取N1個(gè)點(diǎn)，并且每個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)都為O。這十節(jié)數(shù)據(jù)組成一個(gè)字符同步幀，即字符同步幀(-V1,+V1,-V1,+V1,……-V1^VijOjOjOjO,……,0,), (0,0,……，0，)(0,0,……，0，)......(0，0，......，0，)。發(fā)送端一直重復(fù)發(fā)送字符同步幀，直到接收端準(zhǔn)確確認(rèn)了字符同步幀后，并且檢測到字符同步幀的開始時(shí)刻才停止。接收端在位同步基礎(chǔ)上，開始檢測字符同步幀，檢測的時(shí)候也是ー幀ー幀的檢測，發(fā)送端字符同步幀的數(shù)據(jù)長度為ION1，所以在接收端選取的幀長度也是K。所述檢測字符同步幀，檢測步驟如下(I).選取檢測到交替數(shù)據(jù)(-V1,+V1, ......-V1,+V1)的判決門限。接收端接收的數(shù)據(jù)來源于相干檢測器后的數(shù)據(jù)，若調(diào)制的范圍(-' +')，則檢測輸出的范圍(-v3 +v4)。本發(fā)明選取的判決門限為Thr :Thr=a*|-V3-(+V4) I，其中α為系統(tǒng)噪聲漲落水平，根據(jù)實(shí)際情況選取，a e (O. 5^1) 0(2).計(jì)算ー幀里面連續(xù)的交替數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)Tnum。從收到的幀的第一個(gè)數(shù)據(jù)開始，每ー個(gè)數(shù)據(jù)都和后一個(gè)數(shù)據(jù)做差值并取絕對(duì)值，如果差值的絕對(duì)值大于判決門下Thr，那么Temp加1，若其中有ー個(gè)差值絕對(duì)值小于Thr,如果Temp大于Tnum，那么把Temp賦值給Tnum,并使Temp為O ;如果Temp小于Tnum,那么使Temp為O。一巾貞掃描計(jì)算結(jié)束后，得到Tnum 值為 N3。(3).判斷字符同步是否成功。如果Tnum的值N3等于N2，那么就找到了字符的開始時(shí)刻，字符同步成功，結(jié)束操作；如果Tnum的值N3不等于N2，那么幀的選取移ー節(jié)，然后重復(fù)上面操作，直到字符同步成功為止，若在時(shí)間T1時(shí)刻之前一直都沒找到，則通信失敗。 第二個(gè)階段找?guī)^開始時(shí)刻在找字符同步成功的基礎(chǔ)上，開始尋找?guī)^開始時(shí)刻。當(dāng)發(fā)送端接到接收端發(fā)送過來的找字符時(shí)刻成功的信號(hào)后，發(fā)送ー個(gè)用來尋找?guī)^時(shí)刻的特殊巾貞ー標(biāo)志幀。接收端當(dāng)檢測出這個(gè)標(biāo)志幀后，就能得到每ー幀的確切開始時(shí)刻。標(biāo)志幀的設(shè)計(jì)和檢測必須能適應(yīng)連續(xù)量子在相位校正之前出現(xiàn)的高誤碼率情況，標(biāo)志幀的設(shè)計(jì)標(biāo)志幀的數(shù)據(jù)長度為ー幀，數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)為ION1，分為10節(jié)，每ー節(jié)的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)是N1，第一節(jié)和第二節(jié)選用-V1' +V1的交替數(shù)據(jù)，即交替數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)為2ル，后面8節(jié)數(shù)
據(jù)為 O。標(biāo)志巾貞為(-V1,+V1,-V1,+V1, ......-V1, +V1), (-V1, +V1, -V1, +V1, ......-V1, +V1),
(0,0, ......，0，)......(0，0，......，0，)。接收端檢測時(shí)，交替數(shù)組的判決門限是第一階段的判決門限Thr，檢測方式與第一階段略有不同，第一階段里面是檢測字符同步幀里面連續(xù)交替數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)，而在這里，是檢測標(biāo)志幀里面出現(xiàn)的交替數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。所述檢測標(biāo)志幀，檢測步驟如下(I).選取檢測到交替數(shù)據(jù)(-V1,+V1,……-V1,+V1)的判決門限。選用第一階段的判決門限Thr作為本階段的判決門限。(2).統(tǒng)計(jì)ー幀里面交替數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)Tagnum。從收到的幀的第一個(gè)數(shù)據(jù)開始，每ー個(gè)數(shù)據(jù)都和后一個(gè)數(shù)據(jù)做差值并取絕對(duì)值，如果差值的絕對(duì)值大于判決門下Thr，那么Tagnum加I, 一巾貞掃描計(jì)算結(jié)束后,得到Tagnum值為N4。(3).判斷這幀是否為標(biāo)志幀。首先需要設(shè)置ー個(gè)判斷標(biāo)志幀的判決門限值化，判決門限值N5的選取與通信系統(tǒng)環(huán)境造成的噪聲β有夫，β e (O. 75 1)。這選取的判決門限值N5 =N5= β * (IO^N1)。若Tagnum值N4大于N5,則確定此幀為標(biāo)志幀，那么這幀結(jié)束后的第一個(gè)字符為幀頭開始時(shí)刻。若Tagnum值N4小于N5，那么此幀不是標(biāo)志幀，通信失敗。相干光脈沖衰減到了量子級(jí)特別容易受到環(huán)境的影響，造成強(qiáng)烈的相位擾動(dòng)，這些影響使得誤碼率大大的増加。采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明有效的克服了在光通信過程中連續(xù)變量量子受到環(huán)境的影響對(duì)同步實(shí)現(xiàn)的干擾，誤碼率大大的降低。


圖I為連續(xù)量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的框圖。
圖2為字符同步幀和標(biāo)志幀的幀結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例以本發(fā)明技術(shù)方案為前提進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。實(shí)施例I如圖I所示，本實(shí)施例提供ー種連續(xù)變量量子分發(fā)系統(tǒng)，發(fā)送端包括光路部分和電路控制部分，光路部分主要由激光器、衰減器、分束器、偏振控制器、幅度控制器、相位控制器、耦合器等組成。電路控制部分是發(fā)送端控制器模塊，由真隨機(jī)密鑰產(chǎn)生器、2路模擬電壓輸出、I路時(shí)鐘觸發(fā)構(gòu)成。真隨機(jī)密鑰產(chǎn)生器是為了產(chǎn)生真隨機(jī)密鑰，2路模擬電壓輸出是通過控制振幅調(diào)制器和相位調(diào)制器把密鑰調(diào)制到光脈沖上，I路時(shí)鐘信號(hào)是用來觸發(fā)激光源。本實(shí)施例系統(tǒng)將從半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光脈沖大幅度衰減產(chǎn)生的準(zhǔn)單光子作 為信息載體——激光光源屬相干光源，其光子數(shù)分布滿足泊松分布，將脈沖激光衰減到平均每個(gè)脈沖O. I個(gè)光子時(shí)，每個(gè)脈沖含I個(gè)以上光子的概率僅為O. 5%，此時(shí)的光脈沖表現(xiàn)出不可克隆等量子屬性，本發(fā)明把這種由激光器和衰減器構(gòu)成的準(zhǔn)單光子源作為量子信號(hào)發(fā)生器。激光器的輸出頻率由觸發(fā)時(shí)鐘頻率決定，若連續(xù)變量密鑰發(fā)送端分發(fā)速率為R1 (bit/s)，那么為了使得I個(gè)光脈沖調(diào)制I個(gè)信息，觸發(fā)時(shí)鐘頻率則為R1 (Hz)0光脈沖通過1/99分束器，I的那路是信號(hào)光，通過偏振控制器使得與99本振光偏振相差90度，然后密鑰通過幅度調(diào)制器或者是相位調(diào)制器調(diào)制到信號(hào)光脈沖上，為了把密鑰信息調(diào)制準(zhǔn)確調(diào)制到光脈沖上，那么2路模擬電壓輸出頻率也為R1 (Hz)。調(diào)制好后通過耦合器耦合本振光輸出到信道上。經(jīng)過信道后，動(dòng)態(tài)偏振控制器的作用是消除信道噪聲對(duì)光脈沖的偏振影響，通過偏振分束器后，把信號(hào)光與本振光分開，信號(hào)光通過相位控制器來選擇測量的分量，在經(jīng)過偏振控制器的微調(diào)，使得相干檢測器的輸出為調(diào)制輸入信號(hào)。檢測輸出的弱光脈沖的頻率為R1 (Hz)，為了能更準(zhǔn)備得到調(diào)制信息，接收端控制器的A/D采樣速率選取100 R1(bit/s)。實(shí)施例2本實(shí)施例提供ー種連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)同步實(shí)現(xiàn)方法，具體步驟如下(I)、連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)端依據(jù)偏振控制器、幅度控制器的調(diào)節(jié)范圍，發(fā)送字符同步序列幀。(2)、連續(xù)變量量子密鑰接收端從相干檢測器輸出信號(hào)中采樣，并且提取提取每ー個(gè)脈沖的峰值。進(jìn)行位同歩。(3)、在位同步成功的基礎(chǔ)上，連續(xù)變量量子密鑰接收端根據(jù)噪聲漲落水平，選擇交替數(shù)據(jù)判決門限，開始找字符開始時(shí)刻。對(duì)發(fā)送端發(fā)來的同步序列幀進(jìn)行判斷。如果位同步?jīng)]有成功，繼續(xù)執(zhí)行步驟(2 )。(4)、若找到字符開始時(shí)刻，接收端向發(fā)送端發(fā)送字符同步幀成功信號(hào)，并且開始檢測標(biāo)志幀。接收端接收到信號(hào)后，停止發(fā)送字符同步幀，轉(zhuǎn)而發(fā)送標(biāo)志幀，然后進(jìn)去步驟
(5)。若沒有找到字符開始時(shí)刻，繼續(xù)執(zhí)行步驟(3)。(5)、若檢測到標(biāo)志幀，則連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)同步成功，通信開始。若沒有檢測到標(biāo)志幀，則通信失敗，重步驟(I)重新開始。如圖2所示，發(fā)送端中分發(fā)密鑰端調(diào)制器件調(diào)制范圍(-V1 +V1),設(shè)計(jì)字符同步幀來進(jìn)行尋找到字符準(zhǔn)確的開始時(shí)刻。字符同步幀結(jié)構(gòu)取N1個(gè)點(diǎn)作為第一節(jié)，前N2個(gè)點(diǎn)設(shè)計(jì)為-V+V1的交替數(shù)據(jù)，后(N1-N2)個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)取為0，這里必須N1大于N2，第二節(jié)至第十節(jié)，每ー節(jié)取N1個(gè)點(diǎn)，并且每個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)都為O。這十節(jié)數(shù)據(jù)組成一個(gè)字符同步幀，即字符同步幀(-V1,+V1,-V1,+V1, ......-V1, +V1；0, O, O, O, ......,0,), (0,0, ......,0,) (0,0, ......，
0，)......(0，0，......，0，)。標(biāo)志幀的設(shè)計(jì)和檢測必須能適應(yīng)連續(xù)量子在相位校正之前出現(xiàn)的高誤碼率情況，標(biāo)志幀的設(shè)計(jì)標(biāo)志幀的數(shù)據(jù)長度為ー幀，數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)為ION1，分為10節(jié)，每ー節(jié)的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)是N1，第一節(jié)和第二節(jié)選用-V1' +V1的交替數(shù)據(jù)，即交替數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)為2ル，后面8節(jié)數(shù)
據(jù)為 O。標(biāo)志巾貞為(-V1,+V1,-V1,+V1, ......-V1, +V1), (-V1, +V1, -V1, +V1, ......-V1, +V1),
(0,0, ......，0，)......(0，0，......，0，)?！?br> ·
連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)開始前，必須進(jìn)行端與端的同步，本實(shí)施例把同步分為2個(gè)階段，第一個(gè)階段是位同步階段，第二個(gè)階段為幀同步階段，幀同步階段又細(xì)分為2個(gè)步驟，第一個(gè)步驟是找字符開始時(shí)刻，第二個(gè)步驟是找?guī)^開始時(shí)刻。位同步階段的具體步驟如下連續(xù)變量密鑰發(fā)送端分發(fā)速率為R1 (bit/s)，接收端控制器的A/D采樣速率為100 R1 (bit/s)，則需要從100個(gè)數(shù)值中提取出信號(hào)值。光脈沖的信號(hào)調(diào)制值為脈沖的峰值，因此位同步過程就是提取峰值過程。提取峰值的操作可以視為提取數(shù)組的最大值操作，即從100個(gè)值組成的數(shù)組中提取最大值，取出的最大值即是信號(hào)調(diào)制的值。經(jīng)過提取調(diào)制信息這個(gè)階段，最終成碼率為R1 (bit/s)。幀同步階段的具體步驟如下在位同步基礎(chǔ)上，發(fā)送端發(fā)送字符同步幀，在沒有接收到接收端發(fā)來的已完成字符同步信號(hào)，一直發(fā)送字符同步幀。接收端方面先根據(jù)實(shí)際噪聲環(huán)境情況，先選取交替數(shù)組的判決門限，然后開始檢測字符同步幀并且進(jìn)行判決。先計(jì)算ー幀里面連續(xù)的交替數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)Tnum，若Tnum的值N3等于N2，那么就找到了字符的開始時(shí)刻，字符同步成功，結(jié)束操作；若Tnum的值N3不等于N2，那么幀的選取移ー節(jié)，然后重復(fù)上面操作，直到字符同步成功為止，若在時(shí)間T1時(shí)刻之前一直都沒找到，則通信失敗。在字符同步成功的基礎(chǔ)上，進(jìn)行第二階段找?guī)^開始時(shí)刻。接收端字符同步成功后給發(fā)送端發(fā)送字符同成功信號(hào)，接收端在接收到字符同步成功的信號(hào)，停止發(fā)送字符同步幀，發(fā)送標(biāo)志幀，然后開始發(fā)送密鑰數(shù)據(jù)，進(jìn)入密鑰分發(fā)階段。接收端發(fā)送完字符同步成功信號(hào)后，進(jìn)入檢測標(biāo)志幀階段，標(biāo)志幀檢測時(shí)，選用位同步中交替數(shù)組判決門限為本次門限，根據(jù)實(shí)際噪聲環(huán)境情況確定標(biāo)志幀的判決門限N5。開始統(tǒng)計(jì)每ー幀里面交替數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)Tagnum，當(dāng)Tagnum值N4大于N5,則確定此幀為標(biāo)志幀，那么這幀結(jié)束后的第一個(gè)字符為數(shù)據(jù)幀頭開始時(shí)刻，進(jìn)入密鑰分發(fā)數(shù)據(jù)階段。若Tagnum值N4小于N5,那么此幀不是標(biāo)志幀，接著判斷下ー幀，若經(jīng)過一段時(shí)間一直都沒找到標(biāo)志幀，則通信失敗，從位同步階段開始重試。相干光脈沖衰減到了量子級(jí)特別容易受到環(huán)境的影響，造成強(qiáng)烈的相位擾動(dòng)，這些影響使得誤碼率大大的増加。本發(fā)明上述的同步實(shí)現(xiàn)方案，是完全能克服上面這些環(huán)境的影響。盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過上述優(yōu)選實(shí)施例作了詳細(xì)介紹，但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到上述的描述不應(yīng)被認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對(duì)于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來限定。權(quán)利要求
1.一種連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)，由光路部分和電路控制部分構(gòu)成，其特征在于 所述光路部分主要由激光器、衰減器、分束器、偏振控制器、幅度控制器、相位控制器和耦合器組成，激光器產(chǎn)生激光，激光出來后經(jīng)過衰減器，衰減后的激光被分束器分成2束，I束經(jīng)過偏振控制器、幅度控制器、相位控制器，然后與另外I束在耦合器相遇并耦合成I束激光； 所述電路控制部分主要由真隨機(jī)密鑰產(chǎn)生器、模擬電壓輸出控制電路和觸發(fā)時(shí)鐘電路組成，真隨機(jī)密鑰產(chǎn)生器產(chǎn)生密鑰，然后由模擬電壓輸出控制電路傳遞給光路器件，觸發(fā)時(shí)鐘電路是單獨(dú)用來觸發(fā)激光器的； 發(fā)送端觸發(fā)時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生觸發(fā)電平來觸發(fā)激光器發(fā)出激光脈沖，激光脈沖經(jīng)過衰減器后大幅度衰減成準(zhǔn)單光子信號(hào)，準(zhǔn)單光子信號(hào)經(jīng)過I 99的分束器分成2束信號(hào)，I束信號(hào)作為信息信號(hào)經(jīng)過偏振控制器來調(diào)整光子的偏振，然后通過幅度控制器、相位控制器；幅度 控制器和相位控制器把真隨機(jī)密鑰調(diào)制到光子載體上，然后與另外I束光在耦合器里面耦合成I束光傳送至光纖里面；其中真隨機(jī)密鑰是由真隨機(jī)密鑰產(chǎn)生器產(chǎn)生，真隨機(jī)密鑰通過模擬電壓輸出控制電路輸出到振幅調(diào)制器和相位調(diào)制器上； 接收端光纖中的信號(hào)通過動(dòng)態(tài)偏振控制器調(diào)整偏振，然后通過偏振分束器分成2束，I束經(jīng)過相位調(diào)制器和偏振調(diào)制器進(jìn)行失真補(bǔ)償，然后與另I束一起進(jìn)入分束器進(jìn)行相干檢測。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)，其特征在于所述幅度控制器、相位控制器調(diào)制范圍決定字符同步幀和標(biāo)志幀。
3.—種權(quán)利要求I所述的連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)同步實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于包括步驟如下 (1)、連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)端依據(jù)偏振控制器、幅度控制器的調(diào)節(jié)范圍，發(fā)送字符同步序列幀； (2)、連續(xù)變量量子密鑰接收端從相干檢測器輸出信號(hào)中采樣，并且提取每一個(gè)脈沖的峰值，進(jìn)行位同步； (3)、在位同步成功的基礎(chǔ)上，連續(xù)變量量子密鑰接收端根據(jù)噪聲漲落水平，選擇交替數(shù)據(jù)判決門限，開始找字符開始時(shí)刻；對(duì)發(fā)送端發(fā)來的同步序列幀進(jìn)行判斷，如果位同步?jīng)]有成功，繼續(xù)執(zhí)行步驟(2)； (4)、若找到字符開始時(shí)刻，接收端向發(fā)送端發(fā)送字符同步幀成功信號(hào)，并且開始檢測標(biāo)志幀，接收端接收到信號(hào)后，停止發(fā)送字符同步幀，轉(zhuǎn)而發(fā)送標(biāo)志幀，然后進(jìn)去步驟(5)；若沒有找到字符開始時(shí)刻，繼續(xù)執(zhí)行步驟(3)； (5)、若檢測到標(biāo)志幀，則連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)同步成功，通信開始；若沒有檢測到標(biāo)志幀，則通信失敗，重步驟(I)重新開始。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)同步實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于所述發(fā)送端中分發(fā)密鑰端調(diào)制器件調(diào)制范圍-V1 +V1，設(shè)計(jì)字符同步幀來進(jìn)行尋找到字符準(zhǔn)確的開始時(shí)刻，字符同步幀結(jié)構(gòu)取N1個(gè)點(diǎn)作為第一節(jié)，前N2個(gè)點(diǎn)設(shè)計(jì)為-V+V1的交替數(shù)據(jù)，后(N1-N2)個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)取為O，N1大于N2,第二節(jié)至第十節(jié)，每一節(jié)取N1個(gè)點(diǎn)，并且每個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)都為O，這十節(jié)數(shù)據(jù)組成一個(gè)字符同步幀，即字符同步幀(-V1, +V1, -V1, +V1,……-V” +V17O, O, O, O, ......，0，)，(0，0，......，0，)(0,0, ......，0，)......(0，0，......，0，)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)同步實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于所述標(biāo)志幀的設(shè)計(jì)標(biāo)志幀的數(shù)據(jù)長度為一幀，數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)為ION1，分為10節(jié)，每一節(jié)的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)是N1，第一節(jié)和第二節(jié)選用-V” +V1的交替數(shù)據(jù)，即交替數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)為，后面8節(jié)數(shù)據(jù)為 O ;標(biāo)志巾貞為:(-N1, +V1, -V1, +V1, ......-V1, +V1), (-V1, +V1, -V1, +V1, ......-V1, +V1),(0,0, ......，0，)......(0，0，......，0，)。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)同步實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于所述檢測字符同步幀，檢測步驟如下 (1).選取檢測到交替數(shù)據(jù)(-V1,+V1,......-V1,+V1)的判決門限，接收端接收的數(shù)據(jù)來源于相干檢測器后的數(shù)據(jù)，若調(diào)制的范圍(、 +%)，則檢測輸出的范圍(-V3 +V4)，選取的判決門限為Thr :Thr= CiH-V3-(+V4) I，其中α為系統(tǒng)噪聲漲落水平，a e (O. 5^1)； (2).計(jì)算一幀里面連續(xù)的交替數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)Tnum，從收到的幀的第一個(gè)數(shù)據(jù)開始，每一個(gè)數(shù)據(jù)都和后一個(gè)數(shù)據(jù)做差值并取絕對(duì)值，如果差值的絕對(duì)值大于判決門下Thr，那么Temp加1，若其中有一個(gè)差值絕對(duì)值小于Thr,如果Temp大于Tnum，那么把Temp賦值給Tnum，并使Temp為O ;如果Temp小于Tnum,那么使Temp為O ;—巾貞掃描計(jì)算結(jié)束后，得到Tnum值為N3; (3).判斷字符同步是否成功，如果Tnum的值N3等于N2，那么就找到了字符的開始時(shí)刻，字符同步成功，結(jié)束操作；如果Tnum的值N3不等于N2，那么幀的選取移一節(jié)，然后重復(fù)上面操作，直到字符同步成功為止，若在時(shí)間T1時(shí)刻之前一直都沒找到，則通信失敗。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)同步實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于所述檢測標(biāo)志幀，檢測步驟如下 (1).選取檢測到交替數(shù)據(jù)(-V1,+V1,……-V1,+V1)的判決門限，選用第一階段的判決門限Thr作為本階段的判決門限； (2).統(tǒng)計(jì)一幀里面交替數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)Tagnum，從收到的幀的第一個(gè)數(shù)據(jù)開始，每一個(gè)數(shù)據(jù)都和后一個(gè)數(shù)據(jù)做差值并取絕對(duì)值，如果差值的絕對(duì)值大于判決門下Thr，那么Tagnum加1，一幀掃描計(jì)算結(jié)束后，得到Tagnum值為N4 ； (3).判斷這幀是否為標(biāo)志幀，首先需要設(shè)置一個(gè)判斷標(biāo)志幀的判決門限值N5，判決門限值N5的選取與通信系統(tǒng)環(huán)境造成的噪聲β有關(guān)，β e (O. 75 I)，選取的判決門限值N5:N5= β * (IO^N1);若Tagnum值N4大于N5,則確定此幀為標(biāo)志幀，那么這幀結(jié)束后的第一個(gè)字符為幀頭開始時(shí)刻；若Tagnum值N4小于N5,那么此幀不是標(biāo)志幀，通信失敗。
全文摘要
本發(fā)明公開一種連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)及其同步實(shí)現(xiàn)方法，連續(xù)量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)由光路部分和電路控制部分組成，路部分主要由激光器、衰減器、分束器、偏振控制器、幅度控制器、相位控制器、耦合器等組成?？刂撇糠质前l(fā)送端控制器模塊，由真隨機(jī)密鑰產(chǎn)生器、模擬電壓輸出、觸發(fā)時(shí)鐘輸出組成。同步方法包括位同步和幀同步兩個(gè)階段。本發(fā)明提出了一種全新的基于連續(xù)變量量子在光纖中特性的同步實(shí)現(xiàn)方案，推進(jìn)了連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的實(shí)用化，同時(shí)有效的克服了在光通信過程中連續(xù)變量量子受到環(huán)境的影響對(duì)同步實(shí)現(xiàn)的干擾。
文檔編號(hào)H04L27/26GK102724036SQ201210181340
公開日2012年10月10日 申請(qǐng)日期2012年6月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月4日
發(fā)明者何廣強(qiáng), 曾貴華, 申澤源, 肖俊俊 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)