高速連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)及其位幀同步方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種高速連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)及其位幀同步方法，所述位幀同步方法包括以下步驟：步驟一，發(fā)送方生成一組特殊數(shù)據(jù)作為同步幀；步驟二，發(fā)送方通過(guò)量子信道把相干態(tài)發(fā)送給接收方；步驟三，接收方使用平衡零差檢測(cè)器測(cè)量相干態(tài)的位移分量；步驟四，根據(jù)步驟一從經(jīng)典信道獲得的特殊數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)信息，接收方選定合適的交替電壓判定閾值和幀同步段判定閾值來(lái)判定同步幀；步驟五，若在規(guī)定的時(shí)間里，接收方都沒(méi)有搜尋到同步幀，則同步失敗，此時(shí)接收方需要調(diào)整交替電壓判定閾值的取值和幀同步段判定閾值的取值，然后重新通信。本發(fā)明能有效克服同步信號(hào)在量子密鑰分發(fā)過(guò)程中受外界環(huán)境因素的干擾，實(shí)現(xiàn)通信雙方同步。
【專利說(shuō)明】高速連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)及其位幀同步方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光纖量子通信【技術(shù)領(lǐng)域】，具體地，涉及一種高速連續(xù)變量量子密鑰分 發(fā)系統(tǒng)及其位幀同步方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 量子密鑰分發(fā)能使合法通信雙方在不可信任的量子信道中安全共享密鑰，與離散 變量量子密鑰分發(fā)協(xié)議不同，連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)將信息編碼在連續(xù)量子變量（相干態(tài) 的正則位移和正則動(dòng)量）上且使用高效成本低的零差或外差平衡檢測(cè)技術(shù)，這種摒棄了單 光子技術(shù)且具有更高的密鑰分發(fā)速率的連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)受到了學(xué)術(shù)界的密切關(guān)注。 目前，學(xué)術(shù)界已經(jīng)提出了很多連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)協(xié)議并且從理論上進(jìn)行了安全性分 析，給出了個(gè)體攻擊和聯(lián)合攻擊的安全門限，特別是基于高斯調(diào)制的相干態(tài)量子密鑰分發(fā) 協(xié)議的無(wú)條件安全性得到了充分論證。不但在理論上獲得了重要進(jìn)展，基于高斯調(diào)制的相 干態(tài)量子密鑰分發(fā)在實(shí)驗(yàn)上也受到了人們的極大關(guān)注，通過(guò)使用先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)和糾錯(cuò)算 法，近十年來(lái)連續(xù)變量系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)方面取得了很大的進(jìn)步。到目前為止，連續(xù)變量量子 密鑰分發(fā)在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)80km的安全距離傳輸。
[0003] 不過(guò)，現(xiàn)已有實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)都是針對(duì)低速連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)而開展的，其生成的 最終安全碼率不高。在很多實(shí)際應(yīng)用諸如視頻文件加密、大數(shù)據(jù)文件加密等需要大量數(shù)據(jù) 傳輸?shù)臄?shù)據(jù)加密系統(tǒng)中，通常需要高速密鑰分發(fā)技術(shù)。因此，如何實(shí)現(xiàn)高速連續(xù)變量量子密 鑰分發(fā)系統(tǒng)成為亟待解決的問(wèn)題。在高速連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中，許多技術(shù)與以往 的低速連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)技術(shù)不同。例如，在低速系統(tǒng)中所應(yīng)用的同步技術(shù)就無(wú)法有 效的移植到高速系統(tǒng)中。在連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中，同步技術(shù)是一項(xiàng)至關(guān)重要的核 心技術(shù)，因?yàn)樵谶B續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中要想正確提取出最終密鑰，通信雙方必須首 先共享一串相關(guān)數(shù)據(jù)，即接收方收到的數(shù)據(jù)與發(fā)送方發(fā)送的數(shù)據(jù)必須一一對(duì)應(yīng)。要達(dá)到上 述目的，通信雙方必須進(jìn)行同步，從而使接收方能準(zhǔn)確的界定出數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中有效數(shù)據(jù) 的起始位置和終止位置。然而，與傳統(tǒng)光纖通信系統(tǒng)不同，連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中傳 輸?shù)氖俏⑷醯牧孔有盘?hào)，它極易受到外部環(huán)境的影響，如光纖抖動(dòng)、外部機(jī)械振動(dòng)、濕度和 溫度等，這些環(huán)境因素都會(huì)影響系統(tǒng)中傳輸信號(hào)的量子相干態(tài)的狀態(tài)。因此，連續(xù)變量量子 密鑰分發(fā)系統(tǒng)不能簡(jiǎn)單地使用傳統(tǒng)光纖通信系統(tǒng)的同步方案，必須使用具有符合量子傳輸 特性的同步方案。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種高速連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系 統(tǒng)及其位幀同步方法，其能有效克服同步信號(hào)在量子密鑰分發(fā)過(guò)程中受外界環(huán)境因素的干 擾，實(shí)現(xiàn)通信雙方同步。
[0005] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種高速連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)，其特征在于， 包括發(fā)送方和接收方，發(fā)送方包括第一控制部分和第一光路部分，接收方包括第二控制部 分和第二光路部分，第一光路部分包括激光源、第一分束器、第一電光相位調(diào)制器、電光幅 度調(diào)制器以及第一偏振耦合器，激光源在控制電路的作用下生成脈沖光，經(jīng)第一分束器得 到量子信號(hào)光和本振光，分光比為一的光路得到量子信號(hào)光，經(jīng)第一電光相位調(diào)制器的調(diào) 制和電光幅度調(diào)制器的調(diào)制進(jìn)隨機(jī)數(shù)，通過(guò)第一偏振耦合器與本振光合成一路進(jìn)入量子信 道；第一控制部分包括第一真隨機(jī)數(shù)生成控制電路、第一模擬電壓輸出控制電路以及時(shí)鐘 觸發(fā)電路，第一真隨機(jī)數(shù)生成控制電路主要生成真隨機(jī)數(shù)，通過(guò)第一模擬電壓輸出控制電 路輸出到電光幅度調(diào)制器中制備高斯隨機(jī)數(shù)，時(shí)鐘觸發(fā)電路生成系統(tǒng)時(shí)鐘供系統(tǒng)使用；第 二光路部分包括第二偏振耦合器、第二電光相位調(diào)制器、第二分束器以及平衡零差檢測(cè)器， 來(lái)自于量子信道的光信號(hào)通過(guò)第二偏振耦合器得到量子光信號(hào)和本振光信號(hào)，然后在第二 分束器中發(fā)生干涉，通過(guò)平衡零差檢測(cè)器得到量子信息；第二控制部分包括模擬電壓輸入 控制電路、第二模擬電壓輸出控制電路以及第二真隨機(jī)數(shù)生成控制電路，模擬電壓輸入控 制電路與平衡零差檢測(cè)器相連，用于接收數(shù)據(jù)信息；第二模擬電壓輸出控制電路驅(qū)動(dòng)第二 電光相位調(diào)制器，完成隨機(jī)選擇測(cè)量基的功能，第二真隨機(jī)數(shù)生成控制電路用于生成隨機(jī) 選擇測(cè)量機(jī)所需的真隨機(jī)數(shù)。
[0006] 本發(fā)明還提供一種高速連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的位幀同步方法，所述高速連 續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的位幀同步方法包括以下步驟：步驟一，發(fā)送方生成一組特殊數(shù) 據(jù)作為同步幀；步驟二，發(fā)送方通過(guò)量子信道把相干態(tài)發(fā)送給接收方，同時(shí)，發(fā)送方通過(guò)經(jīng) 典信道把特殊數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)信息告知接收方；步驟三，接收方使用平衡零差檢測(cè)器測(cè)量相干 態(tài)的位移分量；步驟四，根據(jù)步驟一從經(jīng)典信道獲得的特殊數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)信息，接收方選定合 適的交替電壓判定閾值和幀同步段判定閾值來(lái)判定同步幀；步驟五，若在規(guī)定的時(shí)間里，接 收方都沒(méi)有搜尋到同步幀，則同步失敗，此時(shí)接收方需要調(diào)整交替電壓判定閾值的取值和 幀同步段判定閾值的取值，然后重新通信。
[0007] 優(yōu)選地，所述同步幀包括K個(gè)位同步段和一個(gè)幀同步段，K為正整數(shù)。
[0008] 優(yōu)選地，所述位同步段由N個(gè)電壓值為νπ與0的交替電壓緊跟N個(gè)電壓值從0到 L的階梯電壓、相鄰兩個(gè)點(diǎn)的電壓差為V"(N-1)構(gòu)成，幀同步段由2Ν個(gè)電壓值為νπ與0 的交替電壓構(gòu)成，其中Ν為正整數(shù)。
[0009] 優(yōu)選地，所述接收方通過(guò)先判定位同步段，然后再判定幀同步段，最后界定出有效 通信數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)同步。
[0010] 優(yōu)選地，所述接收方判定位同步段的條件為數(shù)據(jù)中出現(xiàn)Ν位電壓差值為AV的交 替電壓緊跟Ν位階梯電壓，其中Χ2|χ|，2|χ|為平衡零差檢測(cè)器檢測(cè)相位相差νπ的 相干態(tài)的正則分量的最大差值，α為交替電壓判定閾值。
[0011] 優(yōu)選地，所述接收方判定幀同步段的條件為根據(jù)判定出位同步段后所生成的大小 為2Ν的滑動(dòng)窗口中出現(xiàn)交替電壓總次數(shù)11>3*2隊(duì)，β為幀同步段判定閾值。
[0012] 優(yōu)選地，所述高速連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的位幀同步方法根據(jù)位同步段重復(fù) 次數(shù)Κ和位同步段中交替電壓的交替次數(shù)Ν，計(jì)算出在高速連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中 通信雙方實(shí)現(xiàn)同步所需的實(shí)際時(shí)間t，實(shí)際時(shí)間的計(jì)算公式如下式 ：

【權(quán)利要求】
1. 一種高速連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)，其特征在于，包括發(fā)送方和接收方，發(fā)送方包 括第一控制部分和第一光路部分，接收方包括第二控制部分和第二光路部分，第一光路部 分包括激光源、第一分束器、第一電光相位調(diào)制器、電光幅度調(diào)制器以及第一偏振耦合器， 激光源在控制電路的作用下生成脈沖光，經(jīng)第一分束器得到量子信號(hào)光和本振光，分光比 為一的光路得到量子信號(hào)光，經(jīng)第一電光相位調(diào)制器的調(diào)制和電光幅度調(diào)制器的調(diào)制進(jìn)隨 機(jī)數(shù)，通過(guò)第一偏振稱合器與本振光合成一路進(jìn)入量子信道；第一控制部分包括第一真隨 機(jī)數(shù)生成控制電路、第一模擬電壓輸出控制電路以及時(shí)鐘觸發(fā)電路，第一真隨機(jī)數(shù)生成控 制電路主要生成真隨機(jī)數(shù)，通過(guò)第一模擬電壓輸出控制電路輸出到電光幅度調(diào)制器中制備 高斯隨機(jī)數(shù)，時(shí)鐘觸發(fā)電路生成系統(tǒng)時(shí)鐘供系統(tǒng)使用；第二光路部分包括第二偏振耦合器、 第二電光相位調(diào)制器、第二分束器以及平衡零差檢測(cè)器，來(lái)自于量子信道的光信號(hào)通過(guò)第 二偏振耦合器得到量子光信號(hào)和本振光信號(hào)，然后在第二分束器中發(fā)生干涉，通過(guò)平衡零 差檢測(cè)器得到量子信息；第二控制部分包括模擬電壓輸入控制電路、第二模擬電壓輸出控 制電路以及第二真隨機(jī)數(shù)生成控制電路，模擬電壓輸入控制電路與平衡零差檢測(cè)器相連， 用于接收數(shù)據(jù)信息；第二模擬電壓輸出控制電路驅(qū)動(dòng)第二電光相位調(diào)制器，完成隨機(jī)選擇 測(cè)量基的功能，第二真隨機(jī)數(shù)生成控制電路用于生成隨機(jī)選擇測(cè)量機(jī)所需的真隨機(jī)數(shù)。
2. -種高速連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的位幀同步方法，其特征在于，所述高速連續(xù) 變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的位幀同步方法包括以下步驟： 步驟一，發(fā)送方生成一組特殊數(shù)據(jù)作為同步幀； 步驟二，發(fā)送方通過(guò)量子信道把相干態(tài)發(fā)送給接收方，同時(shí)，發(fā)送方通過(guò)經(jīng)典信道把特 殊數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)信息告知接收方； 步驟三，接收方使用平衡零差檢測(cè)器測(cè)量相干態(tài)的位移分量； 步驟四，根據(jù)步驟一從經(jīng)典信道獲得的特殊數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)信息，接收方選定合適的交替 電壓判定閾值和巾貞同步段判定閾值來(lái)判定同步巾貞； 步驟五，若在規(guī)定的時(shí)間里，接收方都沒(méi)有搜尋到同步幀，則同步失敗，此時(shí)接收方需 要調(diào)整交替電壓判定閾值的取值和幀同步段判定閾值的取值，然后重新通信。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的位幀同步方法，其特征在 于，所述同步幀包括K個(gè)位同步段和一個(gè)幀同步段，K為正整數(shù)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的高速連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的位幀同步方法，其特征在 于，所述位同步段由N個(gè)電壓值為νπ與0的交替電壓緊跟N個(gè)電壓值從0到ν π的階梯電 壓、相鄰兩個(gè)點(diǎn)的電壓差為V"(N-1)構(gòu)成，幀同步段由2Ν個(gè)電壓值為νπ與0的交替電壓 構(gòu)成，其中Ν為正整數(shù)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的高速連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的位幀同步方法，其特征在 于，所述接收方通過(guò)先判定位同步段，然后再判定幀同步段，最后界定出有效通信數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn) 同步。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的高速連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的位幀同步方法，其特征在 于，所述接收方判定位同步段的條件為數(shù)據(jù)中出現(xiàn)Ν位電壓差值為AV的交替電壓緊跟Ν 位階梯電壓，其中Λν>α Χ2|χ|，2|χ|為平衡零差檢測(cè)器檢測(cè)相位相差νπ的相干態(tài)的正則 分量的最大差值，α為交替電壓判定閾值。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的高速連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的位幀同步方法，其特征在 于，所述接收方判定幀同步段的條件為根據(jù)判定出位同步段后所生成的大小為2N的滑動(dòng) 窗口中出現(xiàn)交替電壓總次數(shù)11>3*2即β為幀同步段判定閾值。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的高速連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的位幀同步方法，其特征在 于，所述高速連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的位幀同步方法根據(jù)位同步段重復(fù)次數(shù)Κ和位同 步段中交替電壓的交替次數(shù)Ν，計(jì)算出在高速連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中通信雙方實(shí)現(xiàn) 同步所需的實(shí)際時(shí)間t，實(shí)際時(shí)間的計(jì)算公式如下式 ： 丄 2N(K + 1) t = ^7^ 其中，f為系統(tǒng)的重復(fù)頻率。
【文檔編號(hào)】H04L9/08GK104065475SQ201410301263
【公開日】2014年9月24日 申請(qǐng)日期:2014年6月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月27日
【發(fā)明者】劉友明, 汪超, 黃瑞, 黃鵬, 馮曉毅, 曾貴華 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)