CN106685658B - 一种基于连续变量测量设备无关的量子密钥分发***及其方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于连续变量测量设备无关的量子密钥分发***及其方法，包括发送方Alice、接收方Bob，其特征在于，接收方Bob通过波分复用器WDM连接平衡零差探测器BHD，发送方Alice连接平衡零差探测器BHD在Alice和Bob端，连续波激光器（LD）通过强度调制器（IM）后，衰减成光脉冲，经过PC机产生的随机数控制下的幅度调制器（AM）和相位调制器（PM）后，完成相干态的进行高斯调制编码，然后分别发送给第三方Charlie，产生的噪声对***的影响较小，信道前向传输和后向传输对***的安全密钥生成速率的影响可以忽略不计，基于CV‑MDIQKD的量子保密通信***的城域网优势十分明显，可为今后的商业化和网络化应用奠定基础。

Description

一种基于连续变量测量设备无关的量子密钥分发***及其 方法
技术领域
本发明属于量子通讯技术领域，具体涉及一种基于连续变量测量设备无关的量子密钥分发***及其方法。
背景技术
在基于连续变量的量子密钥分发中，使用常规探测器采用平衡零拍探测或者外差检测等方法进行探测，由此，在探测端也存在很多攻击，如：标准攻击，本地振荡光强度攻击、波长攻击、饱和攻击等，为***带来一些安全漏洞，为此，将测量设备无关量子密钥分发(Measurement Device Independent Quantum Key Distribution，MDIQKD)的概念引入到连续变量量子密钥分发中解决由于探测器的缺陷而引起的安全漏洞，提出了连续变量测量设备无关量子密钥分发的思想(Continuous Variable Measurement Device IndependentQuantum Key Distribution，CV-MDIQKD)。
2014年,英国约克大学的S.Pirandola提出一种基于相干态的CV-MDIQKD方案，进行理论分析和自由空间信道的原理性实验演示，该实验采用1064nm相干光源，安全密钥率比DV-MDIQKD安全密钥率高三个数量级以上。
同年，北京大学郭弘小组分别提出连续变量测量设备无关量子密钥分发方案[8]和基于压缩态的连续变量测量设备量子密钥分发方案[9],分析表明，CV-MDIQKD方案不仅能够抵御探测器的侧信道攻击，而且相比于CVQKD，能够获得更高的安全密钥率，但是通信距离较短，而且需要Charlie距离一个用户特别近，即要求信道为非对称信道。
同年，国防科技大学的马祥春也提出了一种基于相干态的CV-MDIQKD方案，并证明了在CV-MDIQKD协议中，正向协商和反向协商的数据后处理方法的等价性。
CV-MDIQKD自提出以来，在理论研究方面有所进展，但是一直未有更加优化的协议提出，在实验方面，除了上述基于自由空间信道的演示实验外，没有更新的实验的报道，而且由于演示实验距离真正的实验实现在信道和光源波长等方面有很大差别，其并不能代表CV-MQIQKD的实验实现。因此，在2015和2016两年的时间里，针对CV-MDIQKD仿真验证中参数选择等导致的密钥率的可实现性、CV-MDIQKD与DV-MDIQKD的优越性对比等方面有很多的争论和探讨，其待研究和明确的内容也有很多。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，通过量子密钥分发使得通信双方获得密钥，进而采用“一次一密”的加密方式，对经典通信***进行加密通信。但量子保密通信***实现多用户传输时，如果想要将目前通过经典方式进行加密的传统通信网络改造成量子通信网络，至少需要两倍的原始光纤数目，这将会导致铺设成本急剧增加，限制其商业应用，阻碍其发展，且基于CVQKD的量子保密通信***存在侧信道攻击的安全漏洞，对其安全性具有挑战，因此本发明的目的是提供一种基于连续变量测量设备无关的量子密钥分发***及其方法以解决上述问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于连续变量测量设备无关的量子密钥分发***，包括发送方Alice、接收方Bob，其特征在于，接收方Bob通过波分复用器WDM连接平衡零差探测器BHD，发送方Alice连接平衡零差探测器BHD；
所述的发送方Alice包括以下组成，信息探测解码连接信息解密后在连接信息加密，LD3通过信息编码连接信息加密，信息加密连接控制网关，PC1、控制网关、LD1、BS起偏器、IM、AM、PM、动态控制器依次连接；
所述的第三方Charlie包括以下组成，PC机3、BS1、PM1、BS2依次连接，BS1连接另一BS3，BS3连接动态偏振控制器， BS3、BS4、BDH依次连接，BS2、PM2、BS3依次连接；
所述的接收方Bob包括以下组成，信息探测解码连接信息解密后在连接信息加密，LD3通过信息编码连接信息加密，信息加密连接控制网关，PC2、控制网关、LD2、BS起偏器、IM、AM、PM、动态控制器依次连接。
进一步，一种基于连续变量测量设备无关的量子密钥分发方法，在Alice和Bob端，连续波激光器（LD）通过强度调制器（IM）后，衰减成光脉冲，经过PC机产生的随机数控制下的幅度调制器（AM）和相位调制器（PM）后，完成相干态的进行高斯调制编码，然后分别发送给第三方Charlie，在第三方Charlie端， Alice端的量子光和Bob端的量子光在动态偏振控制器的作用下，进行偏振补偿后，在50:50的分数器作用后分成两束，在PM的控制调节相对相位差，完成对两正交分量的测量，在控制计算机3处进行后处理，之后，将安全密钥存储在密钥池中，Alice和Bob端的控制网关从密钥池中提取密钥与经典数据，采用“一次一密”的思想进行加密传输。在复用器的作用下，该方案中经典信息与量子信息在一根光纤中传输，实现了量子密钥分发与现有光网络的有效融合，可以提高传输的效率，减少光纤的敷设。
更进一步，起偏器和动态偏振控制器的作用都是为了保证在Charlie端偏振模式的一致性，而且Charlie端相干探测的的本振光来自于连续波激光器LD1，为了保证相干检测的稳定性，需要激光器LD1和LD2具有良好的相干性，并且进行锁频锁相等操作，以能够在Charlie端实现稳定的干涉。
本发明的有益效果是：
在探测中继接近于某一发送端时，经典-量子信息共信道同传产生的噪声对***的影响较小，而且经典信道前向传输和后向传输对***的安全密钥生成速率的影响可以忽略不计。即使将经典信道的输入功率增加到9mW，即可以同时传输数十路待加密的经典信息，在15km处***的安全密钥率仍然比当前的DV-MDIQKD的安全密钥率高2-3个数量级，基于CV-MDIQKD的量子保密通信***的城域网优势十分明显，可为今后的商业化和网络化应用奠定基础。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的***结构示意图。
图3为本***的性能仿真结果，其中， a经典信道输入功率为1mW时密钥率，b经典信道输入功率为9mW时密钥率。
图4为不同的经典信道输入功率下，CV-MDIQKD共信道同传***的安全密钥率。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明进一步叙述。
如图1、2所示，一种基于连续变量测量设备无关的量子密钥分发***，包括发送方Alice、接收方Bob，其特征在于，接收方Bob通过波分复用器WDM连接平衡零差探测器BHD，发送方Alice连接平衡零差探测器BHD；
所述的发送方Alice包括以下组成，信息探测解码连接信息解密后在连接信息加密，LD3通过信息编码连接信息加密，信息加密连接控制网关，PC1、控制网关、LD1、BS起偏器、IM、AM、PM、动态控制器依次连接；
所述的第三方Charlie包括以下组成，PC机3、BS1、PM1、BS2依次连接，BS1连接另一BS3，BS3连接动态偏振控制器， BS3、BS4、BDH依次连接，BS2、PM2、BS3依次连接；
所述的接收方Bob包括以下组成，信息探测解码连接信息解密后在连接信息加密，LD3通过信息编码连接信息加密，信息加密连接控制网关，PC2、控制网关、LD2、BS起偏器、IM、AM、PM、动态控制器依次连接。
进一步，一种基于连续变量测量设备无关的量子密钥分发方法，在Alice和Bob端，连续波激光器（LD）通过强度调制器（IM）后，衰减成光脉冲，经过PC机产生的随机数控制下的幅度调制器（AM）和相位调制器（PM）后，完成相干态的进行高斯调制编码，然后分别发送给第三方Charlie，在第三方Charlie端， Alice端的量子光和Bob端的量子光在动态偏振控制器的作用下，进行偏振补偿后，在50:50的分数器作用后分成两束，在PM的控制调节相对相位差，完成对两正交分量的测量，在控制计算机3处进行后处理，之后，将安全密钥存储在密钥池中，Alice和Bob端的控制网关从密钥池中提取密钥与经典数据，采用“一次一密”的思想进行加密传输。在复用器的作用下，该方案中经典信息与量子信息在一根光纤中传输，实现了量子密钥分发与现有光网络的有效融合，可以提高传输的效率，减少光纤的敷设。
更进一步，起偏器和动态偏振控制器的作用都是为了保证在Charlie端偏振模式的一致性，而且Charlie端相干探测的的本振光来自于连续波激光器LD1，为了保证相干检测的稳定性，需要激光器LD1和LD2具有良好的相干性，并且进行锁频锁相等操作，以能够在Charlie端实现稳定的干涉。
对比图3中 (a)和 (b)可以看出，经典信道的输入功率增大时，CV-MDIQKD经典-量子信息共信道同传***的最大安全传输距离降低，在经典信道输入功率为9mW时，复用前向经典信道和复用后向经典信道的最大安全传输距离分别降低为18.4km和17.9km，此时的安全密钥率为
Figure DEST_PATH_IMAGE001
bits/pulse量级，这是由于，随着经典信道输入功率的增大，CV-MDIQKD***中的自发拉曼散射噪声增大，导致***的额外噪声增大，使得安全传输距离降低。
由图4可以看出，在采用CV-MDIQKD的量子保密通信***中，我们可以不考虑经典信道的传输方向进行加密信息的传输。此时，即使经典信道的输入功率增大到9mW，在15km处，安全密钥率可以达到
Figure 294842DEST_PATH_IMAGE002
bits/pulse，而
Figure 274299DEST_PATH_IMAGE002
bits/pulse的安全密钥率和9mW的经典信道功率足够数十个经典信道同时传输的需求，这就使得基于CV-MDIQKD的量子保密通信可以在不遥远的将来变成现实。
在探测中继接近于某一发送端时，经典-量子信息共信道同传产生的噪声对***的影响较小，而且经典信道前向传输和后向传输对***的安全密钥生成速率的影响可以忽略不计。即使将经典信道的输入功率增加到9mW，即可以同时传输数十路待加密的经典信息，在15km处***的安全密钥率仍然比当前的DV-MDIQKD的安全密钥率高2-3个数量级，基于CV-MDIQKD的量子保密通信***的城域网优势十分明显，可为今后的商业化和网络化应用奠定基础。

Claims (2)

1.一种基于连续变量测量设备无关的量子密钥分发***，包括发送方Alice、接收方Bob，其特征在于，接收方Bob通过波分复用器WDM连接平衡零差探测器BHD，发送方Alice连接平衡零差探测器BHD；
发送方Alice包括以下组成，信息探测解码连接信息解密后在连接信息加密，连续波激光器LD3通过信息编码连接信息加密，信息加密连接控制网关，PC1、控制网关、连续波激光器LD1、BS起偏器、强度调制器IM、幅度调制器AM、相位调制器PM、动态控制器依次连接；
第三方Charlie包括以下组成，PC机3、BS1、PM1、BS2依次连接，BS1连接另一BS3，BS3连接动态偏振控制器， BS3、BS4、BDH依次连接，BS2、PM2、BS3依次连接；
接收方Bob包括以下组成，信息探测解码连接信息解密后在连接信息加密，连续波激光器LD3通过信息编码连接信息加密，信息加密连接控制网关，PC2、控制网关、连续波激光器LD2、BS起偏器、强度调制器IM、幅度调制器AM、相位调制器PM、动态控制器依次连接。
2.一种基于连续变量测量设备无关的量子密钥分发方法，其特征在于，在Alice和Bob端，连续波激光器（LD）通过强度调制器（IM）后，衰减成光脉冲，经过PC机产生的随机数控制下的幅度调制器（AM）和相位调制器（PM）后，完成相干态的进行高斯调制编码，然后分别发送给第三方Charlie，在第三方Charlie端， Alice端的量子光和Bob端的量子光在动态偏振控制器的作用下，进行偏振补偿后，在50:50的分数器作用后分成两束，在PM的控制调节相对相位差，完成对两正交分量的测量，在控制计算机3处进行后处理，之后，将安全密钥存储在密钥池中，Alice和Bob端的控制网关从密钥池中提取密钥与经典数据。
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