一種量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)相位補償方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)相位補償方法，包括：步驟A：相位估計步驟，利用求互相關(guān)方式計算相位漂移的角度；步驟B：相位補償步驟，根據(jù)所估計的相位漂移值，對數(shù)據(jù)進行相位補償。本發(fā)明方法中，相位估計步驟只需要對接收數(shù)據(jù)進行簡單的數(shù)學統(tǒng)計，計算簡便；相位補償步驟在發(fā)送端進行，整個補償過程只需要接收端將相位漂移值發(fā)回發(fā)送端，對數(shù)據(jù)的安全性不會造成影響；基于數(shù)據(jù)層面的相位補償，而非傳統(tǒng)的基于信號的硬件補償，可通過在傳統(tǒng)量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的平臺上添加少量軟件功能和通信接口實現(xiàn)。
【專利說明】一種量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)相位補償方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及的是計算機信息技術(shù)，具體是一種量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中的相位補償方 法。

【背景技術(shù)】
[0002] 在計算機信息技術(shù)迅速發(fā)展的背景下，信息技術(shù)對信息安全性的要求日益增加。 近年來，連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)技術(shù)引起了廣泛關(guān)注，因為其既能在物理上保證通信的無 條件安全性，又相比與離散變量量子密鑰分發(fā)技術(shù)具有更高的通信速率和效率的前景。目 前連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)吸引了世界上許多研究機構(gòu)對其理論和應用技術(shù)進行了深入的 研究。連續(xù)變量量子密碼通信（CV-QKD，Continuous Variable Quantum Key Distribution) 因其具有物理的無條件安全性而成為通信技術(shù)的一個重要分支。然而，由于光纖和光器件 特性，光信號在長距離通信過程中光信號被大幅度衰減，而且接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)之間會 存在一個隨機的相位差，導致信噪比極低，而且相位差的存在將導致后續(xù)的密鑰協(xié)商無法 進行，因此需要在協(xié)商之前對數(shù)據(jù)進行相位補償。
[0003] 傳統(tǒng)的解決方法是使用"反饋式相位補償算法"，即通過在發(fā)送數(shù)據(jù)中添加一段訓 練幀，具體為：在相位調(diào)制器上調(diào)制一個掃頻信號，在接收端通過觀測該掃頻電壓的相位 來計算相位差。但是這種方法只適合于信噪比遠大于1的情況，在信噪比接近1時，由于 難以尋找正弦波峰值，對相位的估計也將十分不準確，而在信噪比小于1的情況下，這種 方法將基本無法工作。同時，反饋式相位補償方案需要將估計的相位實時補償至接收端相 位調(diào)制器中，這不僅增加了系統(tǒng)的硬件復雜度和成本，同時也更容易引入附加的噪聲。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)相位補 償方法，為了在更低的信噪比條件下得到數(shù)據(jù)的相位漂移角度，并且在最大程度上簡化系 統(tǒng)硬件設(shè)計、節(jié)約總體成本，本發(fā)明公開的基于接收數(shù)據(jù)統(tǒng)計特性的相位補償方法，通過在 發(fā)送數(shù)據(jù)中添加少量訓練幀，并分析接收數(shù)據(jù)相應數(shù)據(jù)段的統(tǒng)計特性，便可以在低信噪比 條件下精確估計相位漂移角度，從而保證了系統(tǒng)在長距離通信時能夠順利協(xié)商密鑰。
[0005] 為達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：
[0006] -種量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)相位補償方法，包括步驟如下：
[0007] 步驟A:相位估計步驟；
[0008] 步驟B:相位補償步驟；
[0009] 其中：
[0010] 所述相位估計步驟，是指利用求互相關(guān)方式計算相位漂移的角度；
[0011] 所述相位補償步驟，是指根據(jù)所估計的相位漂移值，對數(shù)據(jù)進行相位補償。
[0012] 優(yōu)選地，所述步驟A包括如下步驟：
[0013] 步驟A1 :將發(fā)送數(shù)據(jù)與經(jīng)過加性高斯信道的接收數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)對齊；
[0014] 步驟A2 :計算對齊后數(shù)據(jù)的互相關(guān)值；
[0015] 步驟A3 :根據(jù)兩組數(shù)據(jù)的互相關(guān)值以及發(fā)送數(shù)據(jù)的方差計算相位漂移值。
[0016] 所述數(shù)據(jù)對齊的過程為：通過對數(shù)據(jù)幀幀格式的識別，將發(fā)送數(shù)據(jù)與接收數(shù)據(jù)按 位對齊。
[0017] 所述步驟B包括如下步驟：
[0018] 步驟B1 :將估計得到的相位漂移值發(fā)送至信源端；
[0019] 步驟B2 :信源端根據(jù)原始數(shù)據(jù)的幅度信息和相位信息，重新構(gòu)造補償后的數(shù)據(jù)。 [0020] 所述步驟A僅通過對接收數(shù)據(jù)進行數(shù)學分析從而計算出相位漂移值。
[0021] 發(fā)送端發(fā)送一段隨機變量到接收端，發(fā)送的數(shù)據(jù)幀中除物理層通信所需的幀同 步、位同步段外，再添加一段事先由發(fā)送端和接收端共享的公開的相位補償數(shù)據(jù)，接收端接 收到連續(xù)變量后提取其中用于相位補償?shù)臄?shù)據(jù)幀，由于這段用于相位補償?shù)臄?shù)據(jù)的幅度信 息和相位信息是公開的，接收端利用公開的幅度信息和相位信息構(gòu)造一組和發(fā)送端的相位 補償數(shù)據(jù)完全相同的用于相位補償?shù)臄?shù)據(jù)，通過求這兩段數(shù)據(jù)的互相關(guān)值計算相位漂移 值。
[0022] 在系統(tǒng)后處理程序中，在進行數(shù)據(jù)協(xié)商前添加一個軟件接口，將接收端計算出的 相位漂移值通過信道發(fā)送至發(fā)送端，相應的，在發(fā)送端的程序中添加一個接收該相位漂移 值的接口，并利用發(fā)送端保存的數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)的幅值和相位信息重新構(gòu)造發(fā)送端的連續(xù)變 量，使用此時生成的連續(xù)變量繼續(xù)調(diào)用系統(tǒng)后處理程序中的量子協(xié)商程序進行數(shù)據(jù)協(xié)商、 提取密鑰。
[0023] 本發(fā)明方法在估計相位漂移值時只需要對數(shù)據(jù)進行分析，無需硬件配合。利用信 號的統(tǒng)計特性計算相位漂移值。補償相位在原始數(shù)據(jù)中進行，并非對接收數(shù)據(jù)進行相位補 償。
[0024] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：
[0025] 1、相位估計步驟只需要對接收數(shù)據(jù)進行簡單的數(shù)學統(tǒng)計，不僅計算簡便，而且相 比于傳統(tǒng)的相位補償技術(shù)具有更高的相位估計精度，能夠在更惡劣的信道條件中實現(xiàn)高精 度的相位估計。
[0026] 2、相位補償步驟在發(fā)送端進行，整個補償過程只需要接收端將相位漂移值發(fā)回發(fā) 送端，對于數(shù)據(jù)的安全性不會造成影響。
[0027] 3、本發(fā)明方法通過對接收數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析從而求出數(shù)據(jù)的相位漂移角度，并且 對計算得到的相位漂移角度在發(fā)送端進行補償。是一種通過對原始發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)進 行數(shù)據(jù)分析從而計算信道相位漂移值的方法，并通過后續(xù)的相位補償消除發(fā)送數(shù)據(jù)和接收 數(shù)據(jù)之間的相位差異。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0028] 通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其它特征、 目的和優(yōu)點將會變得更明顯：
[0029] 圖1是本發(fā)明為相位估計和相位補償?shù)牧鞒虉D。

【具體實施方式】
[0030] 下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù) 人員進一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應當指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù) 人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發(fā)明 的保護范圍。
[0031] 對發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)的統(tǒng)計模型進行分析，在連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中， Alice (發(fā)送方）發(fā)送的量子態(tài)是服從高斯調(diào)制的，即量子態(tài)的位置和動量均服從高斯分 布。發(fā)送端通過在幅度調(diào)制器AM上加載服從瑞利分布的信號并在相位調(diào)制器PM上加載均 勻分布的信號使發(fā)送的數(shù)據(jù)服從高斯分布。因此，假設(shè)發(fā)送的連續(xù)變量為X?N(0, 〇A2)， 則X可以用表達式X = R · cos( θ )來表示，其中R為服從瑞利分布的隨機變量，Θ為服從 均勻分布的隨機變量。
[0032] 經(jīng)過信道傳輸后，信道造成的相位漂移以及噪聲都會使X發(fā)生改變。假設(shè)信道引 起的相位漂移角度為Δρ，噪聲為ε?Ν(0, σ ε2)，則Alice發(fā)送的連續(xù)變量X和Bob (接收 方）收到的連續(xù)變量表達式分別為：
[0033] X = R · cos ( Θ ) (1)

【權(quán)利要求】
1. 一種量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)相位補償方法，其特征在于，包括步驟如下： 步驟A :相位估計步驟，是指利用求互相關(guān)方式計算相位漂移的角度； 步驟B :相位補償步驟，是指根據(jù)步驟A所估計的相位漂移值，對數(shù)據(jù)進行相位補償。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)相位補償方法，其特征在于，所述步驟A包 括如下步驟： 步驟A1 :將發(fā)送數(shù)據(jù)與經(jīng)過加性高斯信道的接收數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)對齊； 步驟A2 :計算對齊后數(shù)據(jù)的互相關(guān)值； 步驟A3 :根據(jù)兩組數(shù)據(jù)的互相關(guān)值以及發(fā)送數(shù)據(jù)的方差計算相位漂移值。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)相位補償方法，其特征在于，所述步驟B包 括如下步驟： 步驟B1 :將估計得到的相位漂移值發(fā)送至信源端； 步驟B2 :信源端根據(jù)原始數(shù)據(jù)的幅度信息和相位信息，重新構(gòu)造補償后的數(shù)據(jù)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)相位補償方法，其特征在于，所述數(shù)據(jù)對 齊的過程為：通過對數(shù)據(jù)幀幀格式的識別，將發(fā)送數(shù)據(jù)與接收數(shù)據(jù)按位對齊。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)相位補償方法，其特征在于，所述步驟A僅 通過對接收數(shù)據(jù)進行數(shù)學分析從而計算出相位漂移值。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)相位補償方法，其特征在于，發(fā)送端發(fā)送 一段隨機變量到接收端，發(fā)送的數(shù)據(jù)幀中除物理層通信所需的幀同步、位同步段外，再添加 一段事先由發(fā)送端和接收端共享的公開的相位補償數(shù)據(jù)，接收端接收到連續(xù)變量后提取其 中用于相位補償?shù)臄?shù)據(jù)幀，由于這段用于相位補償?shù)臄?shù)據(jù)的幅度信息和相位信息是公開 的，接收端利用公開的幅度信息和相位信息構(gòu)造一組和發(fā)送端的相位補償數(shù)據(jù)完全相同的 用于相位補償?shù)臄?shù)據(jù)，通過求這兩段數(shù)據(jù)的互相關(guān)值計算相位漂移值。
7. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)相位補償方法，其特征在于，在系統(tǒng)后處 理程序中，在進行數(shù)據(jù)協(xié)商前添加一個軟件接口，將接收端計算出的相位漂移值通過信道 發(fā)送至發(fā)送端，相應的，在發(fā)送端的程序中添加一個接收該相位漂移值的接口，并利用發(fā)送 端保存的數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)的幅值和相位信息重新構(gòu)造發(fā)送端的連續(xù)變量，使用此時生成的連續(xù) 變量繼續(xù)調(diào)用系統(tǒng)后處理程序中的量子協(xié)商程序進行數(shù)據(jù)協(xié)商、提取密鑰。
【文檔編號】H04L9/08GK104301101SQ201410567665
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年10月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月22日
【發(fā)明者】林大凱, 黃端, 劉友明, 黃鵬, 曾貴華 申請人:上海交通大學