CN107124227B - 基于光注入的cv-qkd***以及发送端、接收端和cv-qkd方法 - Google Patents

基于光注入的cv-qkd***以及发送端、接收端和cv-qkd方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于光注入的CV‑QKD***以及发送端、接收端和CV‑QKD方法，本发明基于光注入的CV‑QKD方法，包括生成信号脉冲和本振脉冲，在接收端对信号脉冲进行相位调制和振幅调制，在接收端对本振脉冲以及调制后的信号脉冲进行测量以及后处理完成量子密钥的分发，所述信号脉冲的相位调制在发送端利用相位调制光源以内调制的方式进行。本发明和原有的基于连续态的CV‑QKD相比，利用了光注入技术，不需要传统CV‑QKD所需要的时间分离复用和偏振分离复用装置，因此本发明的方案更为简洁，提高了方案的可靠性，仪器的精简也降低了方案的附加噪声，提高了码率。

Description

基于光注入的CV-QKD***以及发送端、接收端和CV-QKD方法
技术领域
本发明涉及量子通信领域，尤其涉及一种基于光注入的CV-QKD***以及发送端、接收端和CV-QKD方法。
背景技术
量子信息作为一个蓬勃发展的学科，第一次成功将基础量子力学理论直接应用于解决重大现实问题，并引领相关产业的快速发展。在量子信息领域，量子密钥分发(QKD)是一个被广泛研究的重要子课题。QKD的研究和推广将从根本意义上解决信息安全问题，基于量子力学基本理论的QKD机制能让双方在窃听存在的环境下依然可以协商生成安全的密钥。因此QKD的相关研究在信息安全领域具有革命性的意义，其拥有极为广阔的实际应用前景。
现有的主流QKD机制有以下两种：离散变量QKD(DV-QKD)和连续变量QKD(CV-QKD)。在QKD的研究中，DV-QKD首先被提出并广泛研究，例如广为熟知的第一种QKD机制BB84机制便是属于DV-QKD。理想的DV-QKD要求将信息编码到单个光子上(这也是“离散”的由来)，且编码的主要手段为偏振编码。因此DV-QKD需要单光子光源(或者平均光子数少于1的弱光子脉冲作为替代)，同时需要单光子探测器。但无论是单光子光源还是单光子探测器皆非经典光通信领域的常用器件，因此成本高昂同时器件效率较低。故而DV-QKD的市场推广受到诸多制约，同时在几十公里的传输距离上其码率较低难以达到实际应用的需求。与DV-QKD相比，CV-QKD采用的所有器件皆为现有的常用光通信器件。例如其测量模块采用非常成熟的零差或外差测量模块，在测量效率、测量频率和成本上和单光子探测器相比有较大优势；其采用的高斯态可以通过普通激光器较为简单的生成。同时，CV-QKD在同样的传输距离上有较高的码率，因此是一种具有巨大市场潜力的QKD机制。
在CV-QKD中，相位调制和振幅调制是其编码中的核心步骤。在现有主流方案中，主要通过外置相位调制器和振幅调制器来实现相应的调制。
最早被提出的一种CV-QKD机制是基于压缩光的QKD，但压缩光在实验上制备非常困难，这阻碍了该机制的后续研究和发展。随后一种基于相干光的CV-QKD机制被提出来，相干光由普通激光器直接产生，这相比于压缩光的制备而言几乎没有任何难度。同时新的机制在操作上也更为简单，例如编码过程中无需较为繁琐的平移操作。因此，基于相干光的CV-QKD方案很快就在实验上成功实现了。此后，该机制便一直是CV-QKD研究的重点，
参见图1，CV-QKD的现有技术方案包括：
1.脉冲激光器生成一系列激光脉冲。
2.激光脉冲经过分束比为1：99的分束器(BS)后形成两部分强弱对比明显的脉冲。弱的激光脉冲称为信号脉冲，强的激光脉冲称为本振脉冲。
3.信号脉冲先经过可变衰减器(VATT)对强度进一步衰减，使其落入后面振幅调制器(AM2)的调制范围。随后进入高斯编码阶段，具体如下：振幅调制器(AM2)和相位调制器(PM1)分别由两个量子随机数发生器控制(未在图中画出)；两个随机数发生器生成均满足方差为VAN0(N0为散粒噪声)且均值为0的高斯分布的一系列随机数组(xA,pA)；每一个信号脉冲和一个随机数组对应，通过AM2和PM1将信号脉冲调制成|xA+ipA>的相干态，至此编码完成。
4.编码后的信号脉冲经由偏振分束器(PBS1)、光纤延时线1和法拉第旋转镜(FM1)构成的延时装置延时，使其和对应的本振脉冲之间形成时间差，达到时序分离的目的。
5.信号脉冲和本振脉冲通过偏振分束器(PBS2)合成，将合成的光脉冲通过光纤发送给Bob端。
6.在Bob端，接收到的脉冲经过动态偏振控制器(DPC)，对脉冲在光纤传输中受到的偏振偏移进行补偿修正。
7.光脉冲经过偏振分束器(PBS3)，重新将信号脉冲和本振脉冲分离并从偏振分束器的两个出射端出射。
8.本振脉冲由偏振分束器(PBS4)、光纤延时线2和法拉第旋转镜(FM2)构成的延时装置延时，其中光纤延时线2的长度和光纤延时线1相同，通过延时使得本振脉冲和对应的信号脉冲在时序上重新同步。
9.本振脉冲经过相位调制器(PM2)进行相位调制。PM2根据二进制量子随机数发生器(图中未画出)的输出结果进行相位调制：输出0，则不对本振脉冲进行相位调制；输出1，则对本振脉冲进行π/2的相位调制。
10.信号脉冲和本振脉冲同步进入平衡零差测量模块(BHD)进行测量。如果本振脉冲未经PM2相位调制，则BHD测量信号脉冲量子态中的x值；若本振脉冲经过π/2的相位调制，则BHD测量信号脉冲量子态中的p值。不断测量信号脉冲，就得到一系列x或p值构成的数列。
如果采用外差测量模块，则无需PM2，此外，外差测量模块可以同时测量信号脉冲量子态中的x和p值。
11.测量完成以后，便进入后处理过程。若采用BHD装置，Bob首先通过经典通道(图中未画出)告知Alice自己每次测量的是x或p，Alice只保留相应存储数据的x或p。如果采用是外差测量模块，则无须此步骤。和DV-QKD明显不同的是，此时Alice和Bob共享的是两组关联的高斯变量，而非DV-QKD中两组关联的二进制密钥。
12.随后进行密钥的协商过程，将关联的高斯变量转换为关联的二进制密钥，此处有多种协商机制可供选择，例如切片协商(Sliced Reconciliation)。
13.通过纠错和隐私放大，最终形成安全的密钥。此步骤和DV-QKD完全相同。
在现有CV-QKD方案中，测量装置采用零差或外差测量装置。两种测量装置在测量时都需要有本振脉冲的辅助，因此本振脉冲在任何现有的CV-QKD方案中都是必不可少的。为了保证测量的准确可靠，首先必须要求本振脉冲和被测量的信号脉冲之间的相位差在传输过程中尽可能的稳定，同时本振脉冲和信号脉冲之间的强度对比越大越好。
现有技术中通过非平衡分束器分束的方法，将单个脉冲分成强弱分明的信号脉冲和本振脉冲。此时两者之间相位相同，相对相位差为0。随后的编码中，对信号脉冲的相位调制实质上是对信号脉冲和本振脉冲相对相位的调制。
为了使这种相位差保持恒定，需要让两种脉冲通过同一根光纤传输到Bob端，但同时又要让两种脉冲尽量不互相干扰。因此在现有技术方案中Alice端需要引入以下两个技术：
时间分离复用(即上述通过光纤延时线使信号和本振脉冲在时序上分离)；
偏振分离复用(即上述通过偏振分束器将两种脉冲偏振正交部分耦合在一起)。
同时相应的Bob端也需要有相应的装置最终使两路脉冲重新分离并同步进入测量模块测量。本振脉冲的必要性也使得CV-QKD的技术方案相对于DV-QKD而言要复杂。
发明内容
本发明提供一种基于光注入技术的CV-QKD***发送端、接收端以及CV-QKD***和方法，并采用高斯编码方式，使用相位调制光源进行光源内部光脉冲产生、相位调制的量子态制备过程，以及强度调制的量子态制备过程。
一种基于光注入的CV-QKD***的发送端，包括用于产生信号脉冲的光源，且在发送端内对信号脉冲进行相位调制和振幅调制，所述光源为相位调制光源，所述相位调制在相位调制光源中以内调制的方式进行。
本发明中基于光注入技术，针对信号脉冲的相位调制在相位调制光源内部进行，与现有技术中采用外部相位调制器相比，准确率更高也更加稳定。
作为优选，所述相位调制以及振幅调制均在相位调制光源中以内调制的方式进行。
所述相位调制光源包括：
相位制备激光器，用于产生带有相位差信息的长脉冲；
脉冲产生激光器，用于接收所述长脉冲的注入，基于光注入技术而产生带有相应相位差的多个短脉冲，且其中至少一个短脉冲用作信号脉冲。
作为优选，所述相位调制为在相位制备激光器中对所述长脉冲的每个周期内施加的N次驱动电压的扰动，长脉冲在驱动电压的两侧形成相应的相位差，因此长脉冲存在N+1个相对相位不同的时序区间，每个时序区间对应脉冲产生激光器产生一个短脉冲，即脉冲产生激光器在每个周期内产生N+1个短脉冲；N为大于等于2的整数。
基于光注入技术，两个相邻时序区间之间的相位差转化为对应两个相邻短脉冲之间的相位差。
作为优选，每个周期内的N+1个短脉冲中，交替的作为本振脉冲和信号脉冲。
相位制备激光器中驱动电压的扰动可以实现长脉冲上不同时序部位上相位的变化，并将长脉冲注入脉冲产生激光器中，实现相位调制，而针对振幅调制，若在相位调制光源内进行，则需调制脉冲产生激光器的驱动电压。
作为优选，在脉冲产生激光器中，针对每个信号脉冲通过对相应驱动电压的控制实现振幅调制。
振幅调制只需针对信号脉冲，本振脉冲其驱动电压恒定且远高于信号脉冲的驱动电压，从而达成如现有技术中本振脉冲强度远高于信号脉冲强度的要求。
作为进一步优选，每个周期内有奇数个短脉冲，且首个以及末个短脉冲均为信号脉冲。在后期的干涉和测量过程中测量效率和能量利用率更高。
上述相位调制和振幅调制均满足高斯编码调制，具体为通过两个独立且输出随机数均满足相同高斯分布(均值为0，方差为VAN0)的量子随机数发生器生成一系列(xA,pA)随机数对。每个随机数对对应一个信号脉冲，相应调节信号脉冲的振幅为相位为
若无特殊说明本发明提及的随机数应理解为真随机数，例如本领域常用的量子随机数。
所述相位调制光源的输出端依次设有可变光衰减器和偏振分束器，其中所述偏振分束器输出的水平偏振光或垂直偏振光作为所述发送端的输出。
若振幅调制在光源外部进行，则可选的，所述发送端中还设有振幅调制器，该振幅调制器接收相位调制光源的输出并对完成相位调制的信号脉冲进行振幅调制。
所述相位调制光源和振幅调制器之间设有可变光衰减器，振幅调制器的输出端设有和偏振分束器，其中所述偏振分束器输出的水平偏振光或垂直偏振光作为所述发送端的输出。
与内调制类似的是，相位调制和振幅调制均满足高斯编码调制；其中，相位调制以光源内调制方式实现，而振幅调制通过外置振幅调制器来实现。
与本发明发送端相应的，本发明还提供了一种基于光注入的CV-QKD***的接收端，包括测量装置，还设有：
分束器，用于接收本发明所述的发送端的光信号并分为透射和反射两路；
延时装置，接收分束器输出的其中一路并进行延时；
所述测量装置接收来自延时装置的输出以及来自分束器的另一路输出，进行相应的测量。
所述测量装置为外差测量装置或平衡零差测量装置，且平衡零差测量装置的其中一路输入上设有相位调制器。
所述延时装置包括：
偏振分束器，用于接收分束器输出的其中一路；
光纤延时线，一端接偏振分束器的透射端；
法拉第旋转镜，接光纤延时线的另一端，光信号经反射后经由光纤延时线从偏振分束器的反射端输出；
半波片，接偏振分束器的反射端输出并连接至测量装置。
作为优选，在分束器输入端还设有动态偏振控制器(DPC)。以补偿脉冲在光纤中传输产生的偏振偏转。
以上调制方式都是在发送端生成本振脉冲并使其随信号脉冲一起发送，本发明还提供了一种调制方式，即本振脉冲在接收端产生，针对信号脉冲的相位调制和振幅调制同理。
可选的，所述相位调制为在相位制备激光器中对所述长脉冲的每个周期内施加的M次驱动电压的扰动，长脉冲在驱动电压的两侧形成相应的相位差，因此长脉冲存在M+1个相对相位不同的时序区间，每个时序区间对应激发脉冲产生激光器产生一个短脉冲，即脉冲产生激光器在每个周期内产生M+1个短脉冲，其中至少一个短脉冲作为参考脉冲，其余短脉冲作为信号脉冲；M为大于等于2的整数。
作为优选，在脉冲产生激光器中，针对每个信号脉冲通过对相应驱动电压的控制实现振幅调制。
作为对信号脉冲的振幅调制，也同样可以在光源外部进行，则可选的，所述发送端中还设有振幅调制器，该振幅调制器接收相位调制光源的输出并对完成相位调制的信号脉冲进行振幅调制。
所述相位调制光源和振幅调制器之间设有可变光衰减器。
相位调制和振幅调制中有关随机数的利用方式可参照前文。
与本发明发送端相应的，本发明还提供了一种基于光注入的CV-QKD***的接收端，包括测量装置，还设有脉冲激光器，用于生成本振脉冲；所述测量装置接收来至本发明所述的发送端的光信号以及所述本振脉冲经相应的测量。
所述测量装置为外差测量装置或平衡零差测量装置，且平衡零差测量装置的其中一路输入上设有相位调制器。
发送端与测量装置之间，或脉冲激光与测量装置之间设有延时装置。例如光纤延时线。
本发明中，高斯编码时，通过两个独立且输出随机数均满足相同高斯分布(均值为0，方差为VAN0)的量子随机数发生器生成一系列(xA,pA)随机数对。通过振幅和相位调制将信号脉冲的量子态调制为|xA+ipA>。即调节信号的振幅为相位为
通过对相位制备激光器的驱动电压引入一个小的变化值ΔU，使其生成的长脉冲在电压变化时间段的两侧形成Δθ的相位差。随后将该长脉冲通过光注入的方式注入脉冲生成激光，最终生成一对相位差为Δθ的脉冲对。同理在驱动电压上引入多个变化值可以最终生成多个相对相位确定的脉冲。
测量装置中的相位调制器由二进制量子随机数发生器控制。相应的平衡零差测量装置则测量得到信号脉冲的x或p值。
测量装置若为外差测量装置，此时无须任何附加器件。相应的可同时测量得到信号脉冲的x和p值。
本发明还提供一种基于光注入的CV-QKD***，包括相互匹配的发送端和接收端，所述发送端为本发明所述的发送端。
本发明还提供一种基于光注入的CV-QKD***，包括相互匹配的发送端和接收端，所述接收端为本发明所述的接收端。
本发明还提供一种基于光注入的CV-QKD方法，基于本发明的基于光注入的CV-QKD***实施。
本发明一种基于光注入的CV-QKD方法，包括生成信号脉冲和本振脉冲，在发送端对信号脉冲进行相位调制和振幅调制，在接收端对本振脉冲以及调制后的信号脉冲进行测量以及后处理完成量子密钥的分发，所述信号脉冲的相位调制在发送端利用相位调制光源以内调制的方式进行。
有关内调制的方式，以及振幅调制方法、本振脉冲的生成方式可依照本发明有关CV-QKD***的描述实施。
关于在接收端进行测量后，进行后处理的过程也可依照现有技术，例如包括：
通过经典通道发送端(Alice)和接收端(Bob)公开部分数据，估算安全码率的上限；
利用经典通道协商将Alice和Bob之间关联的高斯变量准确转换成二进制密钥；
通过纠错和隐私放大消除可能存在的窃听者的影响，最终形成安全密钥。
本发明和原有的基于连续态的CV-QKD相比，利用了光注入技术，不需要传统CV-QKD所需要的时间分离复用和偏振分离复用装置，因此本发明的方案更为简洁，提高了方案的可靠性，仪器的精简也降低了方案的附加噪声，提高了成码率。
本发明提出一种高效的脉冲组构成形式，使本振的能量得到完全的应用无损耗，使测量更高效。本发明还提出一种本振脉冲不外发的CV-QKD***，因不向外发送本振脉冲，使量子密钥分发时安全性更高。
附图说明
图1为现有技术中CV-QKD***的示意图；
图2为本发明CV-QKD***的示意图；
图3为本发明CV-QKD***中进行调制时的电压扰动的示意图；
图4为本发明CV-QKD***中调制后的光脉冲示意图；
图5为光脉冲其中一路延时后的示意图，
(a)部分为延时前的示意图；
(b)部分为延时后的示意图；
图6为本发明CV-QKD***另一实施方式的示意图；
图7为一个周期内有多个短脉冲的分布示意图；
图8为一个周期内有两个短脉冲的分布示意图；
(a)部分为信号脉冲在前的示意图；
(a)部分为信号脉冲在后的示意图；
图9为本发明CV-QKD***中，本振脉冲在接收端生成的***示意图；
图10为本发明CV-QKD***中，本振脉冲在接收端生成的另一实施方式的***示意图；
图11为平衡零差测量装置的示意图；
图12为外差测量装置的示意图。
具体实施方式
实施例1
参见图2，本实施例CV-QKD***包括发送端(Alice端)和接收端(Bob端)，发送端中设有相位调制光源，该相位调制光源中包括：
相位制备激光器，用于产生带有相位差信息的长脉冲；
脉冲产生激光器，用于接收并受所述长脉冲激发，而产生带有相应相位差的多个短脉冲，且其中至少一个短脉冲用作信号脉冲。
相位制备激光器与脉冲产生激光器之间通过光纤环形器以控制光信号走向。
相位调制光源的输出端依次设有可变光衰减器和偏振分束器，其中偏振分束器中水平偏振光的一路作为发送端的输出。
发送端和接收端之间通过光纤通信，在接收端设有动态偏振控制器(DPC)，以补偿脉冲在光纤中传输产生的偏振偏转，还设有平衡分束器(BS)，动态偏振控制器的输出经由该分束器分为透射和反射两路；
本实施例中，透射一路直接进入测量装置，反射一路经延时装置后进入测量装置，其中延时装置包括偏振分束器(PBS2)，用于接收分束器输出的反射一路；偏振分束器(PBS2)的透射一路经由光纤延时线进入法拉第旋转镜(FM)，光信号经法拉第旋转镜反射后再经由光纤延时线从偏振分束器(PBS2)的反射端输出进入一半波片(HWP)。
本实施例中，测量装置采用平衡零差测量装置(BHD)，半波片输出一侧经过相位调制器(PM)连接至平衡零差测量装置。
利用本实施例CV-QKD***实施量子密钥分发时，包括：
1.利用两个独立的且均满足相同高斯分布(均值为0，方差为VAN0)的量子随机数发生器生成一系列(xA,pA)量子随机数对；每一个随机数对和一个信号脉冲对应，高斯编码调制要求将信号脉冲的量子态调制为|xA+ipA>，即调节信号的振幅为相位为此相位为信号脉冲和本振脉冲的相对相位。
2.一个长脉冲需要最终生成三个短脉冲构成的脉冲组，预先指定中间的脉冲为本振脉冲，前后两个为信号脉冲；根据随机数对的值，对脉冲准备激光器的驱动电压做两次微调ΔU1和ΔU2(参见图3)，使最终生成的前后信号脉冲和本振脉冲的相位差均为相应随机数对确定的θA。
3.将长脉冲注入脉冲产生激光器，同时根据每组随机数对的数值调节脉冲产生激光器中信号脉冲的驱动电压为V1和V2，使其相应的使其输出振幅为aA；本振脉冲的驱动电压为V0不变且V0＞＞V1,V2，使得最终生成的本振脉冲的强度远强于信号脉冲(参见图3)；生成脉冲组脉冲之间的间隔时间均为τ(参见图4)，生成的脉冲组内信号脉冲已经完成高斯编码。
4.脉冲组经过可变光衰减器(VATT)，进一步衰减信号光脉冲的强度。
5.脉冲组经过偏振分束器(PBS1)，使信号脉冲和本振脉冲的本振一致，均为水平偏振(H)。
6.Alice端完成信号的制备和调制工作以后，将脉冲通过光纤传输给Bob端。
7.Bob端接收到的脉冲先经过动态偏振控制器(DPC)，以补偿脉冲在光纤中传输产生的偏振偏转。
8.通过一个平衡分束器(BS)将脉冲信号分成透射和反射两路。此时两路信号在时序上是同步的，参见图5。
9.经平衡分束器后反射的脉冲(本振脉冲)随后经由光纤延时线、偏振分束器(PBS2)和法拉第旋转镜(FM)构成的延时装置延时，光纤延时线的长度满足使脉冲延时的时间为τ。延时后两路脉冲在时序上的排列见图5，此时透射脉冲组内的本振脉冲和反射脉冲组内的靠前的信号脉冲同步；透射脉冲组内靠后的信号脉冲与反射脉冲组内的本振脉冲同步。通过这种特殊的脉冲组制备方式，充分利用本振脉冲的能量以完成信号脉冲的测量，只损失一部分信号光的能量。
10.延时后的脉冲经过一个半波片的偏振旋转，消除由FM带来的90°偏振旋转。
11.若采用平衡零差测量模块(BHD)，则反射脉冲还需要经过相位调制器(PM)调制。此相位调制器由一个二进制量子随机数发生器控制，根据随机数发生器的输出结果(0或1)来控制相位调制器的调制结果(0或π/2)。
若采用外差测量模块，则无需相位调制器和量子随机数发生器。
12.经平衡分束器反射和透射的脉冲进入测量装置进行测量。测量装置可选择平衡零差或外差测量模块。
13.若采用平衡零差测量模块，则根据相位调制的结果(0或π/2)，Bob将相应随机测得一系列信号脉冲量子态中的x或p的值。随后通过经典信道Bob告知Alice其每次测量的对像(x或p)，Alice保留相应的数据而丢弃另一部分数据。
若采用外差测量模块，Bob可以同时测量得到每个信号脉冲的(xB,pB)，因此无需告知Alice测量的对象。
14.Alice和Bob通过经典通道核对部分数据结果来估算传输中的损耗以及附加噪声，并根据这上述参数来计算安全码率的上限(Eve窃听能获得的码率上限)。
15.随后进行密钥的协商过程，将关联的高斯变量转换为关联的二进制密钥，此处有多种协商机制可供选择，例如切片协商(Sliced Reconciliation)。
16.通过纠错和隐私放大，最终消除可能存在的窃听者(Eve)的影响形成完全安全的密钥。
实施例2
参见图6，在实施例1中，通过调节脉冲产生激光器的驱动电压，完成对信号脉冲的振幅调制。而在本实施例中，振幅调制由外置的可变光衰减器(VATT)和振幅调制器(AM)来共同完成。
此时，脉冲产生激光器中的三个脉冲驱动电压均为V0，不再对驱动电压进行调制。随后生成的脉冲经VATT调制，对信号脉冲的强度进行大幅衰减(此处信号脉冲和本振脉冲的定义和实施例1相同)。随后脉冲进入AM，AM根据相应随机数对的值对信号脉冲的振幅进行高斯调制。
此实施例的其余步骤和实施例1相同，故不再详述。
实施例3
在此实施例1和2中一次生成三个短脉冲的基础上，可以进一步推广使一个长脉冲生成更多的短脉冲，一个脉冲组内脉冲在时序上的位置为：弱强弱…….强弱(“弱”指信号脉冲，“强”指本振脉冲)，参见图7。此时脉冲组内信号脉冲的相位通过光注入技术(和实施例1相同)进行调制。而振幅调制可以通过实施1中对脉冲产生激光器的驱动电压进行调制，或采用实施例2中用外接VATT和AM的方式进行调制。
本实施例的其余步骤和实施例1和2相同，不再详述。
实施例4
在前面的实施例中，我们提供了一种高效的脉冲编组方式。在具体实施过程中，也可以采用传统的一个脉冲组仅包含信号脉冲和本振脉冲这种脉冲编组方式(参见图8)。以及其推广的形式，一个脉冲组内包含更多的由信号脉冲和本振脉冲构成的脉冲对。此时脉冲组内信号脉冲的相位通过光注入技术(和实施例1相同)进行调制。而振幅调制可以通过实施1中对脉冲产生激光器的驱动电压进行调制，或采用实施例2中用外接VATT和AM的方式进行调制。
本实施例的其余步骤和实施例1和2相同，不再详述。
实施例5
参见图9，本实施例CV-QKD***包括发送端和接收端，发送端中设有相位调制光源，通过内调制完成相位调制和振幅调制。
接收端还设有脉冲激光器，用于生成本振脉冲；脉冲激光器可视为由激光器和声光调制器(AOM)组成，激光器发出的连续脉冲经声光调制器(AOM)调制后形成一系列强脉冲作为本振脉冲。
本振脉冲经过光纤延时线，并与来自发送端的光信号进入测量装置，本实施例中测量装置为外差测量装置。
利用本实施例CV-QKD***实施量子密钥分发时，包括：
1.利用两个独立的且均满足相同高斯分布(均值为0，方差为VAN0)的量子随机数发生器生成一系列(xA,pA)量子随机数对。高斯编码调制即要求将信号脉冲的量子态调制为|xA+ipA>，即调节信号的振幅为相位为此相位为信号脉冲相对于本振脉冲的相位。
2.根据每组随机数对的数值，在相位制备激光器的驱动电压上引入相应的一个小的变化值ΔU，使其生成的长脉冲在电压值变化前后的相位差为θA。
3.将长脉冲注入脉冲产生激光器，同时根据每组随机数对的数值调节脉冲产生激光器中信号脉冲(此处预先指定脉冲对中时序上靠前脉冲为参考脉冲，靠后的脉冲为信号脉冲；反过来指定亦可)的触发电压使其输出振幅为αA。最终生成的脉冲对中，信号脉冲的振幅为αA且相对于参考脉冲的相位差为θA。不对参考脉冲的振幅做调节，且参考脉冲的振幅大于信号脉冲的振幅(其触发电压不变且大于信号脉冲的触发电压)。
(步骤2、3中：也可以通过一个长脉冲的注入生成包含多个短脉冲的脉冲组。此时可以指定一个或多个脉冲为参考脉冲且其余脉冲为信号脉冲。要完成相位调制，需要在相位制备激光器的驱动电压中引入多个不同的ΔU来调制信号脉冲和参考脉冲之间的相位，同时调制脉冲产生激光器中信号脉冲的触发电压来完成相应的高斯编码。)
脉冲组经过偏振分束器(PBS1)，使信号脉冲和本振脉冲的本振一致，
均为水平偏振(H)。
4.Alice端完成脉冲的准备和编码工作，将上述脉冲通过光纤传给Bob端。
5.Bob端接收到的脉冲先经过动态偏振控制器(DPC)，以补偿脉冲在光纤中传输产生的偏振偏转。
6.Bob端有一个独立的激光器，激光器发出的连续脉冲经声光调制器(AOM)调制后形成一系列强脉冲作为本振脉冲。本振脉冲的强度要远高于Alice端的信号脉冲和参考脉冲。
7.本振脉冲由光纤延时线、偏振分束器(PBS2)和法拉第旋转镜(FM)构成的延时装置延时，从而和接收到的Alice发送的脉冲同步进入外差测量装置。
8.对于每个信号脉冲，Bob测得(xB,pB)。对于每个参考脉冲，Bob测得根据参考光的测量结果，可以确定参考脉冲和本振脉冲的相位差为：如果每一组脉冲序列内有多个参考脉冲，则对多个结果取平均值来得到最终的相位差。
9.根据相位差的结果来修正信号脉冲的测量结果，每组脉冲序列内信号脉冲结果的修订由同组内参考脉冲确定的相位差Φ来确定，具体如下：
x′B＝xB cosΦ+pB sinΦ，
p′B＝xB sinΦ+pB cosΦ.
修正后Bob的测量结果为(x′B,p′B)。
10.Alice和Bob通过经典通道核对部分数据结果来估算传输中的损耗以及附加噪声，并根据这上述参数来计算安全码率的上限。
11.随后进行密钥的协商过程，将关联的高斯变量转换为关联的二进制密钥，此处有多种协商机制可供选择，例如切片协商(Sliced Reconciliation)。
12.通过纠错和隐私放大，最终消除可能存在的窃听者(Eve)的影响形成完全安全的密钥。
实施例6
参见图10，本实施例中相对于实施例5通过内调制完成相位调制，而振幅调制通过外调制完成，即相位调制光源输出的信号脉冲先经可变光衰减器(VATT)衰减，随后振幅调制器(AM)进一步调制信号脉冲的振幅为aA。不对参考脉冲的振幅做调制。
利用本实施例CV-QKD***实施量子密钥分发时，包括：
1.利用两个独立的且均满足相同高斯分布(均值为0，方差为VAN0)的量子随机数发生器生成一系列(xA,pA)量子随机数对。高斯编码调制即要求将信号脉冲的量子态调制为|xA+ipA>，即调节信号的振幅为相位为此相位为信号脉冲相对于本振脉冲的相位。
2.根据每组随机数对的数值，在相位制备激光器的驱动电压上引入相应的一个小的变化值ΔU，使其生成的长脉冲在电压值变化前后的相位差为θA。
3.将长脉冲注入脉冲产生激光器，生成相对相位差为θA的脉冲对。同时用外置振幅调制器调制信号脉冲(此处预先指定脉冲对中时序上靠前脉冲为参考脉冲，靠后的脉冲为本振脉冲；反过来指定亦可)。首先，信号脉冲先经可变光衰减器(VATT)衰减以使得其振幅落入后续振幅衰减器的调制范围内。随后振幅调制器(AM)进一步调制信号脉冲的振幅为aA。不对参考脉冲的振幅做调制。
(步骤2、3中：也可以通过一个长脉冲的注入生成包含多个短脉冲的脉冲组。此时可以指定一个或多个脉冲为参考脉冲且其余脉冲为信号脉冲。要完成相位调制，需要在相位制备激光器的驱动电压中引入多个不同的ΔU来调制信号脉冲和参考脉冲之间的相位。随后用外置振幅调制器完成信号脉冲的振幅调制。)
本实施例的其余步骤和实施例5相同，将不再详述。
测量装置
本发明采用的平衡零差测量装置BHD结构见图11。
主要由一个平衡光分束器(BS，分束比50：50)和两个相同的高性能光电探测器(D1和D2构成)。而输出的则是两路探测得到的光电流之间的差值。通过对本振光的相位调制，可以通过差值电流来确定信号光量子态中的x或p值。
本发明采用的外差测量装置具体结构见图12。
主要由四个平衡光分束器(BS1，BS2，BS3，BS4)和四个相同的高性能光电探测器(D1，D2，D3，D4)构成。外差测量装置可以简单的理解为两个BHD的组合，且两个BHD的输入光皆是通过对入射的信号光(信号脉冲)和本振光(本振脉冲)进行平衡分束得到。在其中一个BHD中，通过相位调制器(PM)对入射的本振光进行π/2的相位调值，这样可以同时在该装置中测量得到信号光量子态的p值。而另一个BHD装置没有相位调制，将测量得到信号光量子态中x值。因此外差测量装置可以同时测得信号光的x和p值。
以上公开的仅为本发明的实施例，但是本发明并非局限于此，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。显然这些改动和变型均应属于本发明要求的保护范围保护内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何特殊限制。

Claims (19)

1.一种基于光注入的CV-QKD***的发送端，包括用于产生信号脉冲的光源，且在发送端内对信号脉冲进行相位调制和振幅调制，其特征在于，所述光源为相位调制光源，所述相位调制在相位调制光源中以内调制的方式进行，所述相位调制光源包括：
相位制备激光器，用于产生带有相位差信息的长脉冲；
脉冲产生激光器，用于接收所述长脉冲的注入，基于光注入技术而产生带有相应相位差的多个短脉冲，且其中至少一个短脉冲用作信号脉冲；
所述相位调制为在相位制备激光器中对所述长脉冲的每个周期内施加的N次驱动电压的扰动，长脉冲在驱动电压的两侧形成相应的相位差，因此长脉冲存在N+1个相对相位不同的时序区间，每个时序区间对应脉冲产生激光器产生一个短脉冲，即脉冲产生激光器在每个周期内产生N+1个短脉冲；N为大于等于2的整数。
2.如权利要求1所述的基于光注入的CV-QKD***的发送端，其特征在于，所述相位调制以及振幅调制均在相位调制光源中以内调制的方式进行。
3.如权利要求1所述的基于光注入的CV-QKD***的发送端，其特征在于，每个周期内的N+1个短脉冲中，交替的作为本振脉冲和信号脉冲。
4.如权利要求3所述的基于光注入的CV-QKD***的发送端，其特征在于，在脉冲产生激光器中，针对每个信号脉冲通过对相应驱动电压的控制实现振幅调制。
5.如权利要求4所述的基于光注入的CV-QKD***的发送端，其特征在于，每个周期内有奇数个短脉冲，且首个以及末个短脉冲均为信号脉冲。
6.如权利要求1～5任一项所述的基于光注入的CV-QKD***的发送端，其特征在于，所述相位调制光源的输出端依次设有可变光衰减器和偏振分束器，其中所述偏振分束器输出的水平偏振光或垂直偏振光作为所述发送端的输出。
7.如权利要求1所述的基于光注入的CV-QKD***的发送端，其特征在于，所述发送端中还设有振幅调制器，该振幅调制器接收相位调制光源的输出并对完成相位调制的信号脉冲进行振幅调制。
8.如权利要求7所述的基于光注入的CV-QKD***的发送端，其特征在于，所述相位调制光源和振幅调制器之间设有可变光衰减器，振幅调制器的输出端设有偏振分束器，其中所述偏振分束器输出的水平偏振光或垂直偏振光作为所述发送端的输出。
9.一种基于光注入的CV-QKD***的发送端，包括用于产生信号脉冲的光源，且在发送端内对信号脉冲进行相位调制和振幅调制，其特征在于，所述光源为相位调制光源，所述相位调制在相位调制光源中以内调制的方式进行，所述相位调制光源包括：
相位制备激光器，用于产生带有相位差信息的长脉冲；
脉冲产生激光器，用于接收所述长脉冲的注入，基于光注入技术而产生带有相应相位差的多个短脉冲，且其中至少一个短脉冲用作信号脉冲；
所述相位调制为在相位制备激光器中对所述长脉冲的每个周期内施加的M次驱动电压的扰动，长脉冲在驱动电压的两侧形成相应的相位差，因此长脉冲存在M+1个相对相位不同的时序区间，每个时序区间对应于脉冲产生激光器产生的一个短脉冲，即脉冲产生激光器在每个周期内产生M+1个短脉冲，其中至少一个短脉冲作为参考脉冲，其余短脉冲作为信号脉冲；M为大于等于2的整数。
10.如权利要求9所述的基于光注入的CV-QKD***的发送端，其特征在于，在脉冲产生激光器中，针对每个信号脉冲通过对相应驱动电压的控制实现振幅调制。
11.如权利要求10所述的基于光注入的CV-QKD***的发送端，其特征在于，所述发送端中还设有振幅调制器，该振幅调制器接收相位调制光源的输出并对完成相位调制的信号脉冲进行振幅调制。
12.如权利要求11所述的基于光注入的CV-QKD***的发送端，其特征在于，所述相位调制光源和振幅调制器之间设有可变光衰减器，振幅调制器的输出端设有偏振分束器，其中所述偏振分束器输出的水平偏振光或垂直偏振光作为所述发送端的输出。
13.一种基于光注入的CV-QKD***的接收端，包括测量装置，其特征在于，还设有：
分束器，用于接收权利要求3～8任一项所述的发送端的光信号并分为透射和反射两路；
延时装置，接收分束器输出的其中一路并进行延时；
所述测量装置接收来自延时装置的输出以及来自分束器的另一路输出，进行相应的测量。
14.一种基于光注入的CV-QKD***的接收端，包括测量装置，其特征在于，还设有脉冲激光器，用于生成本振脉冲；所述测量装置接收来至权利要求9～12任一项所述的发送端的信号以及所述本振脉冲经相应的测量。
15.如权利要求14所述的基于光注入的CV-QKD***的接收端，其特征在于，脉冲激光器与测量装置之间设有延时装置。
16.一种基于光注入的CV-QKD***，包括相互匹配的发送端和接收端，其特征在于，所述发送端为权利要求1～12任一项所述的发送端。
17.一种基于光注入的CV-QKD***，包括相互匹配的发送端和接收端，其特征在于，所述接收端为权利要求13～15任一项所述的接收端。
18.一种基于光注入的CV-QKD方法，包括生成信号脉冲和本振脉冲，在发送端对信号脉冲进行相位调制和振幅调制，在接收端对本振脉冲以及调制后的信号脉冲进行测量以及后处理完成量子密钥的分发，其特征在于，所述信号脉冲的相位调制在发送端利用相位调制光源以内调制的方式进行；
所述相位调制光源包括：
相位制备激光器，用于产生带有相位差信息的长脉冲；
脉冲产生激光器，用于接收所述长脉冲的注入，基于光注入技术而产生带有相应相位差的多个短脉冲，且其中至少一个短脉冲用作信号脉冲；
所述相位调制为在相位制备激光器中对所述长脉冲的每个周期内施加的N次驱动电压的扰动，长脉冲在驱动电压的两侧形成相应的相位差，因此长脉冲存在N+1个相对相位不同的时序区间，每个时序区间对应脉冲产生激光器产生一个短脉冲，即脉冲产生激光器在每个周期内产生N+1个短脉冲；N为大于等于2的整数。
19.一种基于光注入的CV-QKD方法，包括生成信号脉冲和本振脉冲，在发送端对信号脉冲进行相位调制和振幅调制，在接收端对本振脉冲以及调制后的信号脉冲进行测量以及后处理完成量子密钥的分发，其特征在于，所述信号脉冲的相位调制在发送端利用相位调制光源以内调制的方式进行；
所述相位调制光源包括：
相位制备激光器，用于产生带有相位差信息的长脉冲；
脉冲产生激光器，用于接收所述长脉冲的注入，基于光注入技术而产生带有相应相位差的多个短脉冲，且其中至少一个短脉冲用作信号脉冲；
所述相位调制为在相位制备激光器中对所述长脉冲的每个周期内施加的M次驱动电压的扰动，长脉冲在驱动电压的两侧形成相应的相位差，因此长脉冲存在M+1个相对相位不同的时序区间，每个时序区间对应于脉冲产生激光器产生的一个短脉冲，即脉冲产生激光器在每个周期内产生M+1个短脉冲，其中至少一个短脉冲作为参考脉冲，其余短脉冲作为信号脉冲；M为大于等于2的整数。
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