本發(fā)明屬于量子通訊技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于連續(xù)變量測(cè)量設(shè)備無(wú)關(guān)的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)及其方法。

背景技術(shù)：

在基于連續(xù)變量的量子密鑰分發(fā)中，使用常規(guī)探測(cè)器采用平衡零拍探測(cè)或者外差檢測(cè)等方法進(jìn)行探測(cè)，由此，在探測(cè)端也存在很多攻擊，如：標(biāo)準(zhǔn)攻擊，本地振蕩光強(qiáng)度攻擊、波長(zhǎng)攻擊、飽和攻擊等，為系統(tǒng)帶來(lái)一些安全漏洞，為此，將測(cè)量設(shè)備無(wú)關(guān)量子密鑰分發(fā)(Measurement Device Independent Quantum Key Distribution，MDIQKD)的概念引入到連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)中解決由于探測(cè)器的缺陷而引起的安全漏洞，提出了連續(xù)變量測(cè)量設(shè)備無(wú)關(guān)量子密鑰分發(fā)的思想(Continuous Variable Measurement Device Independent Quantum Key Distribution，CV-MDIQKD)。

2014年,英國(guó)約克大學(xué)的S.Pirandola提出一種基于相干態(tài)的CV-MDIQKD方案，進(jìn)行理論分析和自由空間信道的原理性實(shí)驗(yàn)演示，該實(shí)驗(yàn)采用1064nm相干光源，安全密鑰率比DV-MDIQKD安全密鑰率高三個(gè)數(shù)量級(jí)以上。

同年，北京大學(xué)郭弘小組分別提出連續(xù)變量測(cè)量設(shè)備無(wú)關(guān)量子密鑰分發(fā)方案^[8]和基于壓縮態(tài)的連續(xù)變量測(cè)量設(shè)備量子密鑰分發(fā)方案^[9],分析表明，CV-MDIQKD方案不僅能夠抵御探測(cè)器的側(cè)信道攻擊，而且相比于CVQKD，能夠獲得更高的安全密鑰率，但是通信距離較短，而且需要Charlie距離一個(gè)用戶特別近，即要求信道為非對(duì)稱信道。

同年，國(guó)防科技大學(xué)的馬祥春也提出了一種基于相干態(tài)的CV-MDIQKD方案，并證明了在CV-MDIQKD協(xié)議中，正向協(xié)商和反向協(xié)商的數(shù)據(jù)后處理方法的等價(jià)性。

CV-MDIQKD自提出以來(lái)，在理論研究方面有所進(jìn)展，但是一直未有更加優(yōu)化的協(xié)議提出，在實(shí)驗(yàn)方面，除了上述基于自由空間信道的演示實(shí)驗(yàn)外，沒(méi)有更新的實(shí)驗(yàn)的報(bào)道，而且由于演示實(shí)驗(yàn)距離真正的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)在信道和光源波長(zhǎng)等方面有很大差別，其并不能代表CV-MQIQKD的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)。因此，在2015和2016兩年的時(shí)間里，針對(duì)CV-MDIQKD仿真驗(yàn)證中參數(shù)選擇等導(dǎo)致的密鑰率的可實(shí)現(xiàn)性、CV-MDIQKD與DV-MDIQKD的優(yōu)越性對(duì)比等方面有很多的爭(zhēng)論和探討，其待研究和明確的內(nèi)容也有很多。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，通過(guò)量子密鑰分發(fā)使得通信雙方獲得密鑰，進(jìn)而采用“一次一密”的加密方式，對(duì)經(jīng)典通信系統(tǒng)進(jìn)行加密通信。但量子保密通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多用戶傳輸時(shí)，如果想要將目前通過(guò)經(jīng)典方式進(jìn)行加密的傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)改造成量子通信網(wǎng)絡(luò)，至少需要兩倍的原始光纖數(shù)目，這將會(huì)導(dǎo)致鋪設(shè)成本急劇增加，限制其商業(yè)應(yīng)用，阻礙其發(fā)展，且基于CVQKD的量子保密通信系統(tǒng)存在側(cè)信道攻擊的安全漏洞，對(duì)其安全性具有挑戰(zhàn)，因此本發(fā)明的目的是提供一種基于連續(xù)變量測(cè)量設(shè)備無(wú)關(guān)的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)及其方法以解決上述問(wèn)題。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種基于連續(xù)變量測(cè)量設(shè)備無(wú)關(guān)的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)，包括發(fā)送方Alice、接收方Bob，其特征在于，接收方Bob通過(guò)波分復(fù)用器WDM連接平衡零差探測(cè)器BHD，發(fā)送方Alice連接平衡零差探測(cè)器BHD；

所述的發(fā)送方Alice包括以下組成，信息探測(cè)解碼連接信息解密后在連接信息加密，LD3通過(guò)信息編碼連接信息加密，信息加密連接控制網(wǎng)關(guān)，PC1、控制網(wǎng)關(guān)、LD1、BS起偏器、IM、AM、PM、動(dòng)態(tài)控制器依次連接；

所述的第三方Charlie包括以下組成，PC機(jī)3、BS1、PM1、BS2依次連接，BS1連接另一BS3，BS3連接動(dòng)態(tài)偏振控制器， BS3、BS4、BDH依次連接，BS2、PM2、BS3依次連接；

所述的接收方Bob包括以下組成，信息探測(cè)解碼連接信息解密后在連接信息加密，LD3通過(guò)信息編碼連接信息加密，信息加密連接控制網(wǎng)關(guān)，PC2、控制網(wǎng)關(guān)、LD2、BS起偏器、IM、AM、PM、動(dòng)態(tài)控制器依次連接。

進(jìn)一步，一種基于連續(xù)變量測(cè)量設(shè)備無(wú)關(guān)的量子密鑰分發(fā)方法，在Alice和Bob端，連續(xù)波激光器（LD）通過(guò)強(qiáng)度調(diào)制器（IM）后，衰減成光脈沖，經(jīng)過(guò)PC機(jī)產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)控制下的幅度調(diào)制器（AM）和相位調(diào)制器（PM）后，完成相干態(tài)的進(jìn)行高斯調(diào)制編碼，然后分別發(fā)送給第三方Charlie，在第三方Charlie端， Alice端的量子光和Bob端的量子光在動(dòng)態(tài)偏振控制器的作用下，進(jìn)行偏振補(bǔ)償后，在50:50的分?jǐn)?shù)器作用后分成兩束，在PM的控制調(diào)節(jié)相對(duì)相位差，完成對(duì)兩正交分量的測(cè)量，在控制計(jì)算機(jī)3處進(jìn)行后處理，之后，將安全密鑰存儲(chǔ)在密鑰池中，Alice和Bob端的控制網(wǎng)關(guān)從密鑰池中提取密鑰與經(jīng)典數(shù)據(jù)，采用“一次一密”的思想進(jìn)行加密傳輸。在復(fù)用器的作用下，該方案中經(jīng)典信息與量子信息在一根光纖中傳輸，實(shí)現(xiàn)了量子密鑰分發(fā)與現(xiàn)有光網(wǎng)絡(luò)的有效融合，可以提高傳輸?shù)男剩瑴p少光纖的敷設(shè)。

更進(jìn)一步，起偏器和動(dòng)態(tài)偏振控制器的作用都是為了保證在Charlie端偏振模式的一致性，而且Charlie端相干探測(cè)的的本振光來(lái)自于連續(xù)波激光器LD1，為了保證相干檢測(cè)的穩(wěn)定性，需要激光器LD1和LD2具有良好的相干性，并且進(jìn)行鎖頻鎖相等操作，以能夠在Charlie端實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的干涉。

本發(fā)明的有益效果是：

在探測(cè)中繼接近于某一發(fā)送端時(shí)，經(jīng)典-量子信息共信道同傳產(chǎn)生的噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響較小，而且經(jīng)典信道前向傳輸和后向傳輸對(duì)系統(tǒng)的安全密鑰生成速率的影響可以忽略不計(jì)。即使將經(jīng)典信道的輸入功率增加到9mW，即可以同時(shí)傳輸數(shù)十路待加密的經(jīng)典信息，在15km處系統(tǒng)的安全密鑰率仍然比當(dāng)前的DV-MDIQKD的安全密鑰率高2-3個(gè)數(shù)量級(jí)，基于CV-MDIQKD的量子保密通信系統(tǒng)的城域網(wǎng)優(yōu)勢(shì)十分明顯，可為今后的商業(yè)化和網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本系統(tǒng)的性能仿真結(jié)果，其中， a經(jīng)典信道輸入功率為1mW時(shí)密鑰率，b經(jīng)典信道輸入功率為9mW時(shí)密鑰率。

圖4為不同的經(jīng)典信道輸入功率下，CV-MDIQKD共信道同傳系統(tǒng)的安全密鑰率。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步敘述。

如圖1、2所示，一種基于連續(xù)變量測(cè)量設(shè)備無(wú)關(guān)的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)，包括發(fā)送方Alice、接收方Bob，其特征在于，接收方Bob通過(guò)波分復(fù)用器WDM連接平衡零差探測(cè)器BHD，發(fā)送方Alice連接平衡零差探測(cè)器BHD；

所述的發(fā)送方Alice包括以下組成，信息探測(cè)解碼連接信息解密后在連接信息加密，LD3通過(guò)信息編碼連接信息加密，信息加密連接控制網(wǎng)關(guān)，PC1、控制網(wǎng)關(guān)、LD1、BS起偏器、IM、AM、PM、動(dòng)態(tài)控制器依次連接；

所述的第三方Charlie包括以下組成，PC機(jī)3、BS1、PM1、BS2依次連接，BS1連接另一BS3，BS3連接動(dòng)態(tài)偏振控制器， BS3、BS4、BDH依次連接，BS2、PM2、BS3依次連接；

所述的接收方Bob包括以下組成，信息探測(cè)解碼連接信息解密后在連接信息加密，LD3通過(guò)信息編碼連接信息加密，信息加密連接控制網(wǎng)關(guān)，PC2、控制網(wǎng)關(guān)、LD2、BS起偏器、IM、AM、PM、動(dòng)態(tài)控制器依次連接。

進(jìn)一步，一種基于連續(xù)變量測(cè)量設(shè)備無(wú)關(guān)的量子密鑰分發(fā)方法，在Alice和Bob端，連續(xù)波激光器（LD）通過(guò)強(qiáng)度調(diào)制器（IM）后，衰減成光脈沖，經(jīng)過(guò)PC機(jī)產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)控制下的幅度調(diào)制器（AM）和相位調(diào)制器（PM）后，完成相干態(tài)的進(jìn)行高斯調(diào)制編碼，然后分別發(fā)送給第三方Charlie，在第三方Charlie端， Alice端的量子光和Bob端的量子光在動(dòng)態(tài)偏振控制器的作用下，進(jìn)行偏振補(bǔ)償后，在50:50的分?jǐn)?shù)器作用后分成兩束，在PM的控制調(diào)節(jié)相對(duì)相位差，完成對(duì)兩正交分量的測(cè)量，在控制計(jì)算機(jī)3處進(jìn)行后處理，之后，將安全密鑰存儲(chǔ)在密鑰池中，Alice和Bob端的控制網(wǎng)關(guān)從密鑰池中提取密鑰與經(jīng)典數(shù)據(jù)，采用“一次一密”的思想進(jìn)行加密傳輸。在復(fù)用器的作用下，該方案中經(jīng)典信息與量子信息在一根光纖中傳輸，實(shí)現(xiàn)了量子密鑰分發(fā)與現(xiàn)有光網(wǎng)絡(luò)的有效融合，可以提高傳輸?shù)男剩瑴p少光纖的敷設(shè)。

更進(jìn)一步，起偏器和動(dòng)態(tài)偏振控制器的作用都是為了保證在Charlie端偏振模式的一致性，而且Charlie端相干探測(cè)的的本振光來(lái)自于連續(xù)波激光器LD1，為了保證相干檢測(cè)的穩(wěn)定性，需要激光器LD1和LD2具有良好的相干性，并且進(jìn)行鎖頻鎖相等操作，以能夠在Charlie端實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的干涉。

對(duì)比圖3(a)和圖3(b)可以看出，經(jīng)典信道的輸入功率增大時(shí)，CV-MDIQKD經(jīng)典-量子信息共信道同傳系統(tǒng)的最大安全傳輸距離降低，在經(jīng)典信道輸入功率為9mW時(shí)，復(fù)用前向經(jīng)典信道和復(fù)用后向經(jīng)典信道的最大安全傳輸距離分別降低為18.4km和17.9km，此時(shí)的安全密鑰率為bits/pulse量級(jí)，這是由于，隨著經(jīng)典信道輸入功率的增大，CV-MDIQKD系統(tǒng)中的自發(fā)拉曼散射噪聲增大，導(dǎo)致系統(tǒng)的額外噪聲增大，使得安全傳輸距離降低。

由圖4可以看出，在采用CV-MDIQKD的量子保密通信系統(tǒng)中，我們可以不考慮經(jīng)典信道的傳輸方向進(jìn)行加密信息的傳輸。此時(shí)，即使經(jīng)典信道的輸入功率增大到9mW，在15km處，安全密鑰率可以達(dá)到bits/pulse，而bits/pulse的安全密鑰率和9mW的經(jīng)典信道功率足夠數(shù)十個(gè)經(jīng)典信道同時(shí)傳輸?shù)男枨?，這就使得基于CV-MDIQKD的量子保密通信可以在不遙遠(yuǎn)的將來(lái)變成現(xiàn)實(shí)。

在探測(cè)中繼接近于某一發(fā)送端時(shí)，經(jīng)典-量子信息共信道同傳產(chǎn)生的噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響較小，而且經(jīng)典信道前向傳輸和后向傳輸對(duì)系統(tǒng)的安全密鑰生成速率的影響可以忽略不計(jì)。即使將經(jīng)典信道的輸入功率增加到9mW，即可以同時(shí)傳輸數(shù)十路待加密的經(jīng)典信息，在15km處系統(tǒng)的安全密鑰率仍然比當(dāng)前的DV-MDIQKD的安全密鑰率高2-3個(gè)數(shù)量級(jí)，基于CV-MDIQKD的量子保密通信系統(tǒng)的城域網(wǎng)優(yōu)勢(shì)十分明顯，可為今后的商業(yè)化和網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。