基于高斯調(diào)制相干態(tài)的長(zhǎng)距離連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及量子密鑰分發(fā),具體地,涉及基于高斯調(diào)制相干態(tài)的長(zhǎng)距離連續(xù)變量 量子密鑰分發(fā)方法,尤其是一種通過優(yōu)化CVQKD系統(tǒng)的過噪聲控制、零差檢測(cè)及數(shù)據(jù)后處 理來實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離CVQKD通信的技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 自從1999年學(xué)術(shù)界首次提出利用連續(xù)變量來進(jìn)行量子通信以來,國(guó)內(nèi)外眾多學(xué) 者提出了許多連續(xù)變量量子保密通信協(xié)議,尤其是CVQKD(連續(xù)變量量子密鑰分發(fā))引起 了人們的極大關(guān)注。CVQKD可以讓分隔兩地的通信雙方,Alice和Bob,通過量子信道和經(jīng) 過認(rèn)證的經(jīng)典信道獲得密鑰。和DVQKD(離散變量量子密鑰分發(fā))不一樣,在CVQKD協(xié)議 中,Alice利用高斯調(diào)制將信息調(diào)制在光場(chǎng)的正則分量上,Bob可利用高效率的Homodyne或 Heterodyne檢測(cè)器提取密鑰信息。在分發(fā)密鑰漸近極限下,CVQKD能抵抗任意集體攻擊和 相干攻擊,這是由于在漸近極限下,相干攻擊被證明和集體攻擊能力一致。而且在分發(fā)密鑰 有限情況下,高斯調(diào)制相干態(tài)CVQKD方案也被證明具有無條件安全性,能抵御集體及相干 攻擊。因?yàn)椴恍枰獑喂庾有旁春蛦喂庾訖z測(cè)器,且連續(xù)調(diào)制具有更大信道容量,其與傳統(tǒng)光 信號(hào)也具有較好的融合性,所以CVQKD在這些方面較DVQKD更具發(fā)展優(yōu)勢(shì)。
[0003] 然而CVQKD只是在短距離下(30km以下)密鑰速率表現(xiàn)良好,在長(zhǎng)距離通信上速 率很低,且安全通信距離比DVQKD短很多。從信息論角度看,一個(gè)原因是DVQKD在集體攻擊 下的安全碼率計(jì)算依賴于誤碼率的估算,而CVQKD中安全碼率的估算來自于對(duì)信號(hào)量子態(tài) 的協(xié)方差矩陣的評(píng)估,協(xié)方差矩陣不僅受信道傳輸率的影響,而且對(duì)信道過噪聲異常敏感。 還有一個(gè)原因是由于檢測(cè)器靈敏度的原因,調(diào)制方差不能選用太小,從而調(diào)制方差不能使 用最優(yōu)值從而影響安全傳輸距離。最后一個(gè)重要原因是因?yàn)镃VQKD解碼得到的是連續(xù)數(shù)據(jù) 而不是二進(jìn)制數(shù)值,目前不存在低信噪比下針對(duì)連續(xù)數(shù)據(jù)的高效密鑰協(xié)商算法,這從很大 程度上限制了安全傳輸距離。
[0004] 為了實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離CVQKD,有人提出離散調(diào)制方式并利用高效的離散協(xié)商提高傳輸 距離,但這個(gè)方法需要引入誘騙態(tài)才能保證其安全性,誘騙態(tài)的制備是一個(gè)極難的問題。另 外,研究者們還提出利用相位敏感放大器、相位非敏感光放大器或無噪放大器提高系統(tǒng)信 噪比,從而改善安全通信距離的方案。然而這些方法的提升效果有限或者實(shí)驗(yàn)難以實(shí)現(xiàn)。
[0005] 為了解決上述問題,我們提出了一種基于高斯調(diào)制相干態(tài)的長(zhǎng)距離CVQKD技術(shù), 通過引入高效率多維協(xié)商算法、適合長(zhǎng)距離通信的低噪Homodyne檢測(cè)器以及基于數(shù)據(jù)后 處理的相位補(bǔ)償。值得注意的是:這里引入的高效率多維協(xié)商算法、低噪Homodyne檢測(cè)器 以及基于數(shù)據(jù)后處理的相位補(bǔ)償并不是簡(jiǎn)單的疊加,而是基于CVQKD系統(tǒng)的綜合考慮和技 術(shù)瓶頸的突破。國(guó)際上至今都沒有報(bào)道超過IOOkm光纖傳輸距離的CVQKD實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),其基 本瓶頸在兩個(gè)方面,一個(gè)是初始密鑰分發(fā)階段中光路編解碼模塊對(duì)相干光信號(hào)的噪聲抑制 以及對(duì)極弱信號(hào)的檢測(cè);另一個(gè)是數(shù)據(jù)后處理階段對(duì)初始密鑰的高效協(xié)商。前者是因?yàn)殚L(zhǎng) 距離會(huì)引入更多的過噪聲,包括強(qiáng)本振光的泄露,偏振及相位漂移,而且經(jīng)過長(zhǎng)距離傳輸后 信號(hào)光會(huì)衰弱到難以檢測(cè);后者是在長(zhǎng)距離傳輸下信噪比將會(huì)極低,而極低信噪比下的高 效協(xié)商是一個(gè)難題。
[0006] 總之,為實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離CVQKD不是簡(jiǎn)單的模塊疊加,不僅需要考慮前端初始密鑰分 發(fā)階段對(duì)過噪聲進(jìn)行抑制及對(duì)弱信號(hào)進(jìn)行有效提取,還需要考慮后端在經(jīng)過長(zhǎng)距離傳輸后 選擇低信噪比下的高效數(shù)據(jù)協(xié)商算法。我們引入的低噪Homodyne檢測(cè)器及基于數(shù)據(jù)后處 理的相位補(bǔ)償一方面抑制CVQKD系統(tǒng)額外過噪聲,另一方面實(shí)現(xiàn)弱信號(hào)的檢測(cè);而引入高 效率多維協(xié)商算法是為了后處理過程中的提取更多最終密鑰信息,從而最終可實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)單 模光纖下安全傳輸距離為100-150km的連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007] 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基于高斯調(diào)制相干態(tài)的長(zhǎng)距離 CVQKD方法,是一種通過引入高效率數(shù)據(jù)協(xié)商算法、適合長(zhǎng)距離通信的低噪Homodyne檢測(cè) 器以及高精度相位補(bǔ)償算法,提高CVQKD系統(tǒng)對(duì)過噪聲抑制能力及后處理效率,實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn) 單模光纖下安全傳輸距離為100-150km的連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)的方法。
[0008] 根據(jù)本發(fā)明提供的一種基于高斯調(diào)制相干態(tài)的長(zhǎng)距離連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)方 法,包括如下步驟:
[0009] 步驟A:連續(xù)變量初始密鑰分發(fā)步驟,具體為:初始連續(xù)密鑰數(shù)據(jù)利用發(fā)送方 Alice通過相干態(tài)進(jìn)行高斯調(diào)制并經(jīng)過光纖信道進(jìn)行傳輸后由接收方Bob進(jìn)行解調(diào)檢測(cè), 獲得初始連續(xù)密鑰數(shù)據(jù);
[0010] 步驟B:連續(xù)數(shù)據(jù)后處理步驟,具體為:Bob對(duì)獲得的初始連續(xù)密鑰數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處 理、糾錯(cuò)及保密增強(qiáng),獲取最終安全二進(jìn)制比特密鑰。
[0011] 優(yōu)選地,所述步驟A包括如下步驟:
[0012] 步驟Al:發(fā)送方Alice及接收方Bob對(duì)CVQKD系統(tǒng)進(jìn)行通信初始化,包括對(duì)CVQKD 系統(tǒng)中的信源、隨機(jī)數(shù)源、調(diào)制解調(diào)器、檢測(cè)器以及控制電路進(jìn)行初始化;
[0013] 步驟A2 :Alice端光分束器將相干光源分為信號(hào)光和本振光,并對(duì)信號(hào)光進(jìn)行相 位調(diào)制及幅度調(diào)制,通過時(shí)分及偏振復(fù)用將調(diào)制的信號(hào)光及本振光一起發(fā)送給Bob ;
[0014] 步驟A3 :Bob通過時(shí)間及偏振的解復(fù)用,并對(duì)收到信號(hào)進(jìn)行偏振補(bǔ)償,最后Bob利 用低噪Homodyne檢測(cè)器隨機(jī)測(cè)量接收到的信號(hào)光的正則位置X或正則動(dòng)量P的值。
[0015] 優(yōu)選地,所述低噪Homodyne檢測(cè)器的檢測(cè)過程為:通過對(duì)信號(hào)光的相位進(jìn)行0度 或90度的調(diào)制,與本振光輸入50:50的分束器兩個(gè)接口后,隨后接入標(biāo)定的Homodyne檢測(cè) 器進(jìn)行檢測(cè)。
[0016] 優(yōu)選地,所述步驟A2包括如下步驟:
[0017] 步驟A2.I:A1ice通過相位及幅度調(diào)制對(duì)相干態(tài)正則分量X和P進(jìn)行編碼調(diào)制,使 信號(hào)光服從一個(gè)均值為零的,方差為VA的高斯分布;其中,VA的取值范圍為大于0且小于 100 ;
[0018] 步驟A2. 2 :Alice將信號(hào)光及本振光通過同一個(gè)光纖發(fā)送給Bob。
[0019] 優(yōu)選地,所述步驟B包括如下步驟:
[0020] 步驟BI:Bob和Alice進(jìn)行初始連續(xù)密鑰數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)預(yù)處理,并進(jìn)行基于數(shù)據(jù)后處 理的相位補(bǔ)償;
[0021] 步驟B2 :Alice和Bob公布部分初始密鑰數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)評(píng)估,得到信號(hào)過噪聲、調(diào) 制方差以及信道透過率參數(shù);
[0022] 步驟B3 :Bob通過基于LDPC編碼的高效率多維協(xié)商算法對(duì)相位補(bǔ)償后的初始連續(xù) 密鑰數(shù)據(jù)進(jìn)行糾錯(cuò),輸出一致的二進(jìn)制共享密鑰串;
[0023] 步驟M:Bob通過信道參數(shù)計(jì)算Holevo限及合法通信方的互信息量,得到信息壓 縮率,最后通過保密增強(qiáng)輸出最終密鑰。
[0024] 優(yōu)選地,在Alice與Bob的光路中設(shè)置有隔離器及光檢測(cè)器以監(jiān)控本振光光 強(qiáng)。
[0025] 與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明具有如下的有益效果:
[0026] 1、本發(fā)明提供的方法可以將基于高斯調(diào)制相干態(tài)的CVQKD的安全通信距離延長(zhǎng) 至Ij100-150km,這是國(guó)際上目前最長(zhǎng)的距離。
[0027] 2、所述步驟A通過高靈敏度檢測(cè)器可實(shí)現(xiàn)極低本振光下的信號(hào)檢測(cè),有效降低本 振光泄露引入的過噪聲。
[0028] 3、所述的步驟B基于數(shù)據(jù)后處理的高精度相位補(bǔ)償算法將相位抖動(dòng)引入的過噪 聲降到了極低點(diǎn)。
[0029] 4、所述的步驟B基于LDPC的多維數(shù)據(jù)協(xié)商算法具有很高的協(xié)商效率。
【附圖說明】
[0030] 通過閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述,本發(fā)明的其它特征、 目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯:
[0031] 圖1為基于高斯調(diào)制相干態(tài)的長(zhǎng)距離CVQKD系統(tǒng)流程圖及光路原理圖。
[0032] 圖2為基于高斯調(diào)制相干態(tài)的長(zhǎng)距離CVQKD技術(shù)光