CN114337847B - 连续变量测量设备无关量子密钥分发***及相位补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于量子通信技术领域，具体涉及连续变量测量设备无关量子密钥分发***及相位补偿方法。为消除针对实际连续变量量子密钥分发***中测量端的所有侧信道攻击，该***包括两个发送端Alice和Bob，以及一个接收端Charlie。发送端主要包括激光模块、光学相位锁定模块、斩脉冲模块、信号光调制模块、时分复用和偏振复用模块。接收端主要包括偏振解复用模块、时钟恢复模块、光延时模块、90度光混频器模块和连续变量贝尔态测量模块。所提出的相位补偿方法包括光学相位锁定、慢漂相位估计、实时相位反馈和正交分量重映射四个部分，能够实现远距离独立量子态的连续变量贝尔态测量。

Description

连续变量测量设备无关量子密钥分发***及相位补偿方法

技术领域

本发明属于量子通信技术领域，具体涉及连续变量测量设备无关量子密钥分发***及相位补偿方法。

背景技术

信息安全是现代社会健康发展的基石，随着经济和技术的发展，人们对通信安全的要求也越来越高。量子密钥分发可以通过不安全的量子通道实现远距离合法通信双方之间安全密钥的共享，其安全性由量子力学基本原理保证。量子密钥分发结合一次一密密码体制，可以实现无条件安全的保密通信。

量子密钥分发主要包括离散变量量子密钥分发和连续变量量子密钥分发两大技术途径，各具优势。连续变量量子密钥分发协议将密钥信息编码在量子化光场的正交分量上，使用低成本、高探测效率的平衡零拍探测器进行量子态的测量，与现有光纤通信网络技术更易于兼容。将信息编码在无限维希尔伯特空间中的编码方式，使得连续变量量子密钥分发在城域范围内可以提供更高的密钥率。此外，由于本振光(LO)的空间和时间滤波特性，连续变量量子密钥分发对量子通道中的各种噪声光子具有鲁棒性。

现实环境中，量子密钥分发的实际物理器件与理想模型之间的差异会导致各种安全漏洞，从而引起各种针对性的攻击。例如，目前已经提出多种针对实际探测器的攻击：波长攻击、校准攻击、LO起伏攻击、饱和攻击等。受纠缠交换思想的启发，测量设备无关量子密钥分发协议被提了出来，通过引入不可信的第三方Charlie对Alice和Bob发送的量子信号进行干涉从而实现贝尔态测量。测量设备无关量子密钥分发可以自然地消除所有针对探测装置的侧信道攻击，这是量子密钥分发实施过程中主要的安全漏洞之一。

相对于离散变量测量设备无关量子密钥分发的突破性进展，连续变量测量设备无关量子密钥分发在理论研究上也取得了显著的进展。此外，2015年，连续变量测量设备无关量子密钥分发得到了原理性实验验证，但在该实验演示中Alice和Bob两个发送方使用了同一个激光源，这并不适用于真实的测量设备无关量子密钥分发场景。另一方面，该实验利用了两个短距离无损耗的自由空间量子信道，并通过减小信号的调制方差模拟链路损耗。目前，基于长距离通信单模光纤的连续变量测量设备无关量子密钥分发的完整实验验证尚未发现公开报道。

基于长距离光纤的连续变量测量设备无关量子密钥分发的实验实现主要面临两个关键挑战。首先是如何在两个空间分离的独立激光器之间准确地建立可靠的相位参考并实现连续变量贝尔态测量。值得注意的是，连续变量贝尔态测量的相位控制要比离散变量贝尔态测量的相位控制更复杂，这是因为连续变量贝尔态测量不仅需要两个远距离独立激光器间以单光子水平干涉，而且还要求双零拍探测来同时测量一对共轭的正交分量。这就要求对双零拍探测的信号光和LO光之间的相对相位进行精确控制。

另一个问题来自于Charlie端不可信且不完美的平衡零拍探测器。平衡零拍探测器不完美的量子效率等效为光路的损耗，会不可避免地引入真空起伏噪声，它会与探测器的电子学噪声一起等效为总的探测噪声，窃听者可以完全控制和利用这些噪声来掩盖她的攻击。因此，连续变量测量设备无关量子密钥分发的性能在很大程度上取决于平衡零拍探测器的探测效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种连续变量测量设备无关量子密钥分发***，以避免现实环境下***测量端的缺陷所导致的所有侧信道攻击，并提供一种连续变量测量设备无关量子密钥分发***的相位补偿方法，以解决***中存在的相位漂移问题，并实现可靠的连续变量贝尔态测量。

为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：

一种连续变量测量设备无关量子密钥分发***，包括发送端Alice、发送端Bob和接收端Charlie；

所述发送端Alice包括第一激光器、第一分束器、声光调制器、斩脉冲模块、第二分束器、第一信号光调制模块、第一延时线、第一衰减器、第二衰减器、第一偏振合束器，所述斩脉冲模块包括两个级联的第一振幅调制器和第二振幅调制器，所述第一信号光调制模块包括依次设置的第三振幅调制器和第一相位调制器；

所述第一激光器提供连续单频光，所述连续单频光经第一分束器分为两部分，一部分连续单频光经声光调制器上移频率，另一部分连续单频光经斩脉冲模块斩成高消光比脉冲光，所述高消光比脉冲光经第二分束器分为信号脉冲光和相位参考脉冲光，所述信号脉冲光依次经过第一信号光调制模块、第一延时线、第一衰减器进入第一偏振合束器，所述相位参考脉冲光经第二衰减器进入第一偏振合束器；

所述发送端Bob包括第二激光器、第三分束器、第四分束器、光电探测器、锁频模块、第二斩脉冲模块、第五分束器、第二信号光调制模块、第二延时线、第三衰减器、第二偏振合束器，所述第二斩脉冲模块包括两个级联的第四振幅调制器和第五振幅调制器，所述第二信号光调制模块包括依次设置的第六振幅调制器和第二相位调制器；

所述第三分束器接收来自声光调制器的连续单频光，所述第二激光器提供连续单频光，所述连续单频光经第四分束器分为两部分，一部分连续单频光传输至第三分束器与来自声光调制器的连续单频光进行干涉，所述光电探测器探测光拍频信号，所述锁频模块从光拍频信号转换的电信号中提取出误差信号反馈到第二激光器进行频率锁定；另一部分连续单频光经第二斩脉冲模块斩成高消光比脉冲光，所述高消光比脉冲光经第五分束器分为信号脉冲光和LO脉冲光，所述信号脉冲光依次经过第二信号光调制模块、第二延时线、第三衰减器进入第二偏振合束器，所述LO脉冲光进入第二偏振合束器；

所述接收端Charlie包括第一偏振解复用模块、第二偏振解复用模块、第六分束器、时钟恢复模块、第三延时线、第四延时线、第七分束器、光混频器模块、连续变量贝尔态测量模块，所述第一偏振复用模块包括第一偏振控制器、第一光纤准直器、第一偏振分束器、第二光纤准直器，所述第二偏振解复用模块包括第二偏振控制器、第三光纤准直器、第二偏振分束器、第四光纤准直器，所述光混频器模块包括90度光混频器、第一平衡零拍探测器、第二平衡零拍探测器，所述连续变量贝尔态测量模块包括第八分束器、第三相位调制器、第五光纤准直器、第六光纤准直器、第一分束片、第二分束片、第三分束片、第三平衡零拍探测器、第四平衡零拍探测器；

所述第一偏振控制器用于调整发送端Alice的信号脉冲光与相位参考脉冲光的偏振方向，所述第一光纤准直器将发送端Alice的信号脉冲光与相位参考脉冲光耦合到自由空间，所述第一偏振分束器将信号脉冲光和相位参考脉冲光进行偏振解复用，所述信号脉冲光进入连续变量贝尔态测量模块，所述相位参考脉冲光经第二光纤准直器再次耦合到光纤并经第四延时线进入光混频器模块；

所述第二偏振控制器用于调整发送端Bob的信号脉冲光与LO脉冲光的偏振方向，所述第三光纤准直器将Bob的信号脉冲光与LO脉冲光耦合到自由空间，所述第二偏振分束器将信号脉冲光和LO脉冲光进行偏振解复用，所述信号脉冲光进入连续变量贝尔态测量模块，所述LO脉冲光经第四光纤准直器再次耦合到光纤并进入第六分束器，所述第六分束器将LO脉冲光分为两部分，一部分进入时钟恢复模块，另一部分经第三延时线进入第七分束器，经所述第七分束器再分为两部分，一部分进入光混频器模块，另一部分进入连续变量贝尔态测量模块；

在所述光混频器模块中，来自第四延时线的相位参考脉冲光进入90度光混频器，来自第七分束器的LO脉冲光进入90度光混频器，所述第一平衡零拍探测器、第二平衡零拍探测器分别与90度光混频器连接，分别测出相位参考脉冲的正交振幅分量X_R和正交位相分量P_R；

在所述连续变量贝尔态测量模块中，来自第七分束器的LO脉冲光经第八分束器分为两部分，一部分经第五光纤准直器、第二分束片进入第三平衡零拍探测器，另一部分经第三相位调制器、第六光纤准直器、第三分束片进入第四平衡零拍探测器；来自第二偏振分束器的信号脉冲光经第一分束片分为两部分，一部分经第二分束片进入第三平衡零拍探测器，另一部分经第三分束片进入第四平衡零拍探测器；来自第一偏振分束器的信号脉冲光第一分束片分为两部分，一部分经第二分束片进入第三平衡零拍探测器，另一部分经第三分束片进入第四平衡零拍探测器；所述第三平衡零拍探测器、第四平衡零拍探测器分别测量信号光场的正交振幅分量X_C和正交位相分量P_C。

进一步，所述第一分束器将连续单频光分为90％和10％两部分，10％的连续单频光经声光调制器上移频率80MHz，90％的连续单频光经斩脉冲模块斩成重复速率500kHz、脉宽50ns、消光比80dB的高消光比脉冲光；

所述第二分束器将发送端Alice的高消光比脉冲光分为1％信号脉冲光和99％相位参考脉冲光；

所述第三分束器为50/50分束器；

所述第四分束器将第二激光器提供的连续单频光分为10％和90％两部分，10％连续单频光传输至第三分束器与来自声光调制器的连续单频光进行干涉，90％连续单频光经第二斩脉冲模块斩成高消光比脉冲光；

所述第五分束器将发送端Bob的高消光比脉冲光分为1％信号脉冲光和99％LO脉冲光；

所述第六分束器将来自第四光纤准直器的LO脉冲光分为90％和10％两部分，10％的LO脉冲光进入时钟恢复模块，90％的LO脉冲光经第三延时线进入第七分束器；

所述第七分束器将LO脉冲光分为10％和90％两部分，10％LO脉冲光进入光混频器模块，90％LO脉冲光进入连续变量贝尔态测量模块；

所述第八分束器将进入连续变量贝尔态测量模块的LO脉冲光分为50％和50％两部分。

进一步，所述第一分束片、第二分束片、第三分束片均为自由空间50：50分束片。

进一步，所述连续变量贝尔态测量模块还包括多个高反镜，用于调整光路，使光完全入射第三平衡零拍探测器、第四平衡零拍探测器。

一种连续变量测量设备无关量子密钥分发***相位补偿方法，包括以下步骤：

(1)根据***所处环境，发送端Alice和发送端Bob首先确定单个数据块的长度，再将每个数据块分为多个数据包，每个数据包内***1个相位校准帧；

(2)发送端Alice和发送端Bob确定发送最佳的相位校准帧长度。

(3)通过锁频模块将第二激光器与第一激光器频率进行锁定，确保单个光脉冲持续时间内，相位参考脉冲与LO脉冲相对相位保持不变；

(4)接收端Charlie对第一平衡零拍探测器、第二平衡零拍探测器输出的电脉冲峰值采样电压分别记为X_R、P_R，并实时计算出每一个相位参考脉冲和LO脉冲之间的快变相位差

(5)接收端Charlie对第三平衡零拍探测器、第四平衡零拍探测器的输出信号采样，并且提取出当前数据块中所有相位校准帧对应的测量电压值，依据测量电压值和步骤(4)得到的与相位校准帧对应的快变相位差Δθ，计算***当前数据块对应的慢漂相位

(6)接收端Charlie通过慢漂相位计算对应的补偿电压值，加载到控制第三相位调制器把补偿电压值补偿到后一个数据块上，使第三平衡零拍探测器、第四平衡零拍探测器同时测到相互垂直的正交分量X′_C、P_C′；

(7)重复步骤(4)至(6)，使得除第一个数据块外，其后的每个数据块都能实时补偿当前慢漂相位对应的补偿电压值，第三平衡零拍探测器、第四平衡零拍探测器始终测到相互垂直的正交分量X′_C、P_C′；

(8)当数据传输完毕后，接收端Charlie通过经典通道将快变相位Δθ和慢漂相位发送给发送端Alice，慢漂相位/>发送给发送端Bob；

(9)发送端Alice和发送端Bob分别对各自的原始数据(X_A,P_A)、(X_B,P_B)进行正交分量重映射，得到相位旋转后的数据(X′_A,P′_A)、(X′_B,P′_B)；

(10)在完成上述相位纠正后，发送端Alice和发送端Bob对它们各自的数据首先进行数据位移操作产生关联得到裸码，再进行参数估计，数据协调和私密放大以产生最终密钥。

进一步，所述步骤(1)中确定单个数据块的长度的具体步骤为：单个数据块的持续时间要比***的相位漂移速率至少小1个量级，至少确保在前后两个数据块持续时间内慢漂相位值保持不变。

进一步，所述步骤(2)中最佳的相位校准帧长度要结合所取数据块长度，在相位估算精度与***开销之间取平衡；

所述发送端Bob的相位校准帧由三类相位分别调制为0、的光脉冲组成，每类光脉冲的数目根据实际情况确定的最佳相位校准帧长度决定，发送端Alice数据包中与之对应的光脉冲的振幅被调制为0；所述发送端Alice的相位校准帧由两类相位分别调制为0、/>的光脉冲组成，每类光脉冲的数目根据实际情况确定的最佳相位校准帧长度决定，发送端Bob数据包中与之对应的光脉冲的振幅被调制为0。

进一步，所述步骤(5)中计算***当前数据块对应的慢漂相位 具体步骤为：

分别表示第三平衡零拍探测器、第四平衡零拍探测器处由于***光路长度起伏引入的发送端Alice信号脉冲与LO脉冲光相对相位漂移，在第三平衡零拍探测器、第四平衡零拍探测器处Alice相位分别调制为0和/>的两类相位校准脉冲对应的采样电压值分别记为/>获得一个当前慢漂相位/>的估计值：

其中，Δθ₁、Δθ₂是由90度光混频器测得的快变相位，在每个数据块中得到多个慢漂相位估计值，随后对所有估计值进行概率统计和高斯拟合，提取最大概率分布对应的相位值，作为慢漂相位的最终估计值；

分别表示第三平衡零拍探测器、第四平衡零拍探测器处由于***光路长度起伏引入的发送端Bob信号光与LO脉冲光相对相位漂移，在第三平衡零拍探测器、第四平衡零拍探测器相位分别调制为0、/>的三类相位校准脉冲对应的电压平均值分别记为/>利用这三组电压值，得到当前慢漂相位/>的估计值：

进一步，所述步骤(6)中接收端Charlie通过慢漂相位计算对应的补偿电压值，公式如下：

其中V_π为第三相位调制器的半波电压，/>表示补偿的相位。

进一步，所述步骤(9)中正交分量重映射的公式为：

此时，发送端Alice和发送端Bob旋转后的正交分量与接收端Charlie连续变量贝尔态测量的结果完全匹配，即：

与现有技术相比本发明具有以下优点：

本发明提出的一种连续变量测量设备无关量子密钥分发***及其相位补偿方法可以消除针对实际连续变量量子密钥分发***中测量端的所有侧信道攻击。所提出的相位补偿方法通过结合光学相位锁定、慢漂相位估计、实时相位反馈和正交分量重映射能够可靠实现远距离独立量子态的连续变量贝尔态测量。该方法通过多种相位补偿技术的巧妙结合，具有易于实施、补偿精度高、便于推广等特点，是测量设备无关连续变量量子密钥分发的关键技术。

附图说明

图1为本发明连续变量测量设备无关量子密钥分发***的结构示意图；

图2为本发明连续变量测量设备无关量子密钥分发***的相位补偿方法中发送端Alice和发送端Bob各自数据包的结构；

图3为本发明连续变量测量设备无关量子密钥分发***的相位补偿方法中单个数据块内慢漂相位估计值概率统计和高斯拟合结果；

图4为本发明连续变量测量设备无关量子密钥分发***的相位补偿方法中连续变量贝尔态测量时相位锁定结果；

图5为发送端Alice和发送端Bob正交振幅分量的关联图；

图6为发送端Alice和发送端Bob正交位相分量的关联图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步更详细的描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种连续变量测量设备无关量子密钥分发***，包括发送端Alice、发送端Bob和接收端Charlie；

所述发送端Alice包括第一激光器、第一分束器、声光调制器、斩脉冲模块、第二分束器、第一信号光调制模块、第一延时线、第一衰减器、第二衰减器、第一偏振合束器，所述斩脉冲模块包括两个级联的第一振幅调制器和第二振幅调制器，所述第一信号光调制模块包括依次设置的第三振幅调制器和第一相位调制器；

所述第一激光器提供连续单频光，所述连续单频光经第一分束器分为90％和10％两部分，10％的连续单频光经声光调制器上移频率80MHz，90％的分连续单频光经斩脉冲模块斩成重复速率500kHz、脉宽50ns、消光比80dB的高消光比脉冲光，所述高消光比脉冲光经第二分束器分为1％信号脉冲光和99％相位参考脉冲光，所述1％信号脉冲光依次经过第一信号光调制模块、第一延时线、第一衰减器进入第一偏振合束器，所述相位参考脉冲光经第二衰减器进入第一偏振合束器；

1％信号脉冲通过第一信号光调制模块实现高斯调制相干态协议。利用第一延时线将信号脉冲延迟300ns，实现和相位参考脉冲的时分复用，第一衰减器进一步将信号脉冲的强度衰减到单光子水平；

99％相位参考脉冲光的强度通过第二衰减器衰减到每脉冲10⁵个光子数水平。

所述发送端Bob包括第二激光器、第三分束器、第四分束器、光电探测器、锁频模块、第二斩脉冲模块、第五分束器、第二信号光调制模块、第二延时线、第三衰减器、第二偏振合束器，所述第二斩脉冲模块包括两个级联的第四振幅调制器和第五振幅调制器，所述第二信号光调制模块包括依次设置的第六振幅调制器和第二相位调制器；

所述第三分束器接收来自声光调制器的连续单频光，第三分束器为50/50分束器，所述第二激光器提供连续单频光，所述连续单频光经第四分束器分为10％和90％两部分，10％连续单频光传输至第三分束器与来自声光调制器的连续单频光进行干涉，所述光电探测器探测光拍频信号，所述锁频模块从光拍频信号转换的电信号中提取出误差信号反馈到第二激光器进行频率锁定，使发送端Alice和发送端Bob用于频率锁定的两束光之间的频率差稳定在80MHz，此时，发送端Alice和发送端Bob用于量子密钥分发的两束光将会具有完全相同的频率。随后，发送端Bob对其用于连续变量量子密钥分发的光源进行与Alice相同的操作，所不同的是，发送端Bob产生的是信号和LO脉冲，而发送端Alice产生的是信号和相位参考脉冲。LO脉冲的强度远高于相位参考脉冲，因此其强度不需要被衰减。90％连续单频光经第二斩脉冲模块斩成高消光比脉冲光，所述高消光比脉冲光经第五分束器分为1％信号脉冲光和99％LO脉冲光，所述1％信号脉冲光依次经过第二信号光调制模块、第二延时线、第三衰减器进入第二偏振合束器，所述99％LO脉冲光进入第二偏振合束器。

所述接收端Charlie包括第一偏振解复用模块、第二偏振解复用模块、第六分束器、时钟恢复模块、第三延时线、第四延时线、第七分束器、光混频器模块、连续变量贝尔态测量模块，所述第一偏振解复用模块包括第一偏振控制器、第一光纤准直器、第一偏振分束器、第二光纤准直器，所述第二偏振解复用模块包括第二偏振控制器、第三光纤准直器、第二偏振分束器、第四光纤准直器，所述光混频器模块包括90度光混频器、第一平衡零拍探测器、第二平衡零拍探测器，所述连续变量贝尔态测量模块包括第八分束器、第三相位调制器、第五光纤准直器、第六光纤准直器、第一分束片、第二分束片、第三分束片、第三平衡零拍探测器、第四平衡零拍探测器；

所述第一偏振控制器用于调整发送端Alice的信号脉冲光与相位参考脉冲光的偏振方向，所述第一光纤准直器将发送端Alice的信号脉冲光与相位参考脉冲光耦合到自由空间，所述第一偏振分束器将信号脉冲光和相位参考脉冲光进行偏振解复用，所述信号脉冲光进入连续变量贝尔态测量模块，所述相位参考脉冲光经第二光纤准直器再次耦合到光纤并经第四延时线进入光混频器模块；

所述第二偏振控制器用于调整发送端Bob的信号脉冲光与LO脉冲光的偏振方向，所述第三光纤准直器将Bob的信号脉冲光与LO脉冲光耦合到自由空间，所述第二偏振分束器将信号脉冲光和LO脉冲光进行偏振解复用，所述信号脉冲光进入连续变量贝尔态测量模块，所述LO脉冲光经第四光纤准直器再次耦合到光纤并进入第六分束器，所述第六分束器将LO脉冲光分为90％和10％两部分，10％的一部分进入时钟恢复模块，90％的另一部分经第三延时线进入第七分束器，经所述第七分束器再分为两部分，10％的一部分进入光混频器模块，90％的另一部分进入连续变量贝尔态测量模块；通过使用延时线，解复用后的LO脉冲、相位参考脉冲以及信号脉冲将会在时域上精确的对齐。

在所述光混频器模块中，来自第四延时线的相位参考脉冲光进入90度光混频器，来自第七分束器的LO脉冲光进入90度光混频器，所述第一平衡零拍探测器、第二平衡零拍探测器分别与90度光混频器连接，分别测出相位参考脉冲的正交振幅分量X_R和正交位相分量P_R；

在所述连续变量贝尔态测量模块中，来自第七分束器的LO脉冲光经第八分束器分为50％和50％两部分，50％的一部分经第五光纤准直器、第二分束片进入第三平衡零拍探测器，50％的另一部分经第三相位调制器、第六光纤准直器、第三分束片进入第四平衡零拍探测器；来自第二偏振分束器的信号脉冲光经第一分束片分为两部分，一部分经第二分束片进入第三平衡零拍探测器，另一部分经第三分束片进入第四平衡零拍探测器；来自第一偏振分束器的信号脉冲光第一分束片分为两部分，一部分经第二分束片进入第三平衡零拍探测器，另一部分经第三分束片进入第四平衡零拍探测器；所述第三平衡零拍探测器、第四平衡零拍探测器分别测量信号光场的正交振幅分量X_C和正交位相分量P_C。

所述第一分束片、第二分束片、第三分束片均为自由空间50：50分束片。

所述连续变量贝尔态测量模块还包括4个高反镜，用于调整光路，使光完全入射第三平衡零拍探测器、第四平衡零拍探测器。

一种连续变量测量设备无关量子密钥分发***相位补偿方法，包括以下步骤：

(1)根据***所处环境，发送端Alice和发送端Bob首先确定单个数据块的长度：单个数据块的持续时间要比***的相位漂移速率至少小1个量级，至少确保在前后两个数据块持续时间内慢漂相位值保持不变，再将每个数据块分为多个数据包，每个数据包内***1个相位校准帧；

外界环境变化造成的相位缓慢漂移速度为Hz量级。在本实施例中，***重复速率为500kHz，Alice和Bob将10ms内连续的5000个脉冲作为一个数据块。单个数据块中每100个脉冲再作为一个数据包，每个数据包的数据结构完全相同，依次包括相位校准帧、散粒噪声校准帧、密钥帧；

(2)发送端Alice和发送端Bob确定发送最佳的相位校准帧长度。

最佳的相位校准帧长度要结合所取数据块长度，在相位估算精度与***开销之间取平衡；

图2为Alice和Bob各自数据包的结构，Bob将每个数据包中的前24个光脉冲作为自己的相位校准帧，它们由三类不同相位的光脉冲组成，每类光脉冲的数目定为8个。所述发送端Bob的相位校准帧由三类相位分别调制为0、 的光脉冲组成，每类光脉冲的数目根据实际情况确定的最佳相位校准帧长度决定，发送端Alice数据包中与之对应的24个光脉冲的振幅被调制为0；发送端Alice将接下来的40个光脉冲作为自己的相位校准帧，所述发送端Alice的相位校准帧由两类相位分别调制为0、/>的光脉冲组成，每类光脉冲的数目根据实际情况确定的最佳相位校准帧长度决定，发送端Bob数据包中与之对应的光脉冲的振幅被调制为0(消光)。

(3)通过锁频模块将第二激光器与第一激光器频率进行锁定，确保单个光脉冲持续时间内，相位参考脉冲与LO脉冲相对相位保持不变；

(4)接收端Charlie对第一平衡零拍探测器、第二平衡零拍探测器输出的电脉冲峰值采样电压分别记为X_R、P_R，并实时计算出每一个相位参考脉冲和LO脉冲之间的快变相位差

(5)接收端Charlie对第三平衡零拍探测器、第四平衡零拍探测器的输出信号采样，并且提取出当前数据块中所有相位校准帧对应的测量电压值，依据测量电压值和步骤(4)得到的与相位校准帧对应的快变相位差Δθ，计算***当前数据块对应的慢漂相位

计算***当前数据块对应的慢漂相位具体步骤为：

分别表示第三平衡零拍探测器、第四平衡零拍探测器处由于***光路长度起伏引入的发送端Alice信号脉冲与LO脉冲光相对相位漂移，在第三平衡零拍探测器、第四平衡零拍探测器处Alice相位分别调制为0和/>的两类相位校准脉冲对应的采样电压值分别记为/>获得一个当前慢漂相位/>的估计值：

其中，Δθ₁、Δθ₂是由90度光混频器测得的快变相位，在每个数据块中得到多个慢漂相位估计值，随后对所有估计值进行概率统计和高斯拟合，提取最大概率分布对应的相位值，作为慢漂相位的最终估计值。图3为单个数据块内慢漂相位估计值概率统计和高斯拟合结果，其中黑色的点为实验中获取的单个数据块内慢漂相位估计值的概率统计分布，黑色曲线是对这些实验数据点进行高斯拟合的结果。

分别表示第三平衡零拍探测器、第四平衡零拍探测器处由于***光路长度起伏引入的发送端Bob信号光与LO脉冲光相对相位漂移，在第三平衡零拍探测器、第四平衡零拍探测器处相位分别调制为0、/>的三类相位校准脉冲，可以分别获得400个采样电压，对应的电压平均值分别记为/>利用这三组电压值，得到当前慢漂相位/>的估计值：

(6)接收端Charlie通过慢漂相位计算对应的补偿电压值，公式如下：

其中V_π为第三相位调制器的半波电压，/>表示补偿的相位。

控制第三相位调制器把补偿电压值补偿到后一个数据块上，使第三平衡零拍探测器、第四平衡零拍探测器同时测到相互垂直的正交分量X′_C、P′_C；

(7)重复步骤(4)至(6)，使得除第一个数据块外，其后的每个数据块都能实时补偿当前慢漂相位对应的补偿电压值，第三平衡零拍探测器、第四平衡零拍探测器始终测到相互垂直的正交分量X′_C、P′_C，图4为100s内连续变量贝尔态测量时相位锁定结果。图4中(a)的平均值和方差分别为89.99°和0.41°，图4中(b)的平均值和方差分别为89.88°和0.59°；

(8)当数据传输完毕后，接收端Charlie通过经典通道将快变相位Δθ和慢漂相位发送给发送端Alice，慢漂相位/>发送给发送端Bob；

(9)发送端Alice和发送端Bob分别对各自的原始数据(X_A,P_A)、(X_B,P_B)进行正交分量重映射，得到相位旋转后的数据(X′_A,P′_A)、(X′_B,P′_B)；

其公式为：

此时，发送端Alice和发送端Bob旋转后的正交分量与接收端Charlie连续变量贝尔态测量的结果完全匹配，即：

(10)在完成上述相位纠正后，发送端Alice和发送端Bob对它们各自的数据首先进行数据位移操作产生关联得到裸码，图5为发送端Alice和发送端Bob正交振幅分量的关联图，图6为发送端Alice和发送端Bob正交位相分量的关联图，之后发送端Alice和发送端Bob再进行参数估计，数据协调和私密放大以产生最终密钥。

以上仅为本发明的一种实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种连续变量测量设备无关量子密钥分发***，其特征在于，包括发送端Alice、发送端Bob和接收端Charlie；

所述发送端Alice包括第一激光器、第一分束器、声光调制器、斩脉冲模块、第二分束器、第一信号光调制模块、第一延时线、第一衰减器、第二衰减器、第一偏振合束器，所述斩脉冲模块包括两个级联的第一振幅调制器和第二振幅调制器，所述第一信号光调制模块包括依次设置的第三振幅调制器和第一相位调制器；

所述第一激光器提供连续单频光，所述连续单频光经第一分束器分为两部分，一部分连续单频光经声光调制器上移频率，另一部分连续单频光经斩脉冲模块斩成高消光比脉冲光，所述高消光比脉冲光经第二分束器分为信号脉冲光和相位参考脉冲光，所述信号脉冲光依次经过第一信号光调制模块、第一延时线、第一衰减器进入第一偏振合束器，所述相位参考脉冲光经第二衰减器进入第一偏振合束器；

所述发送端Bob包括第二激光器、第三分束器、第四分束器、光电探测器、锁频模块、第二斩脉冲模块、第五分束器、第二信号光调制模块、第二延时线、第三衰减器、第二偏振合束器，所述第二斩脉冲模块包括两个级联的第四振幅调制器和第五振幅调制器，所述第二信号光调制模块包括依次设置的第六振幅调制器和第二相位调制器；

所述第三分束器接收来自声光调制器的连续单频光，所述第二激光器提供连续单频光，所述连续单频光经第四分束器分为两部分，一部分连续单频光传输至第三分束器与来自声光调制器的连续单频光进行干涉，所述光电探测器探测光拍频信号，所述锁频模块从光拍频信号转换的电信号中提取出误差信号反馈到第二激光器进行频率锁定；另一部分连续单频光经第二斩脉冲模块斩成高消光比脉冲光，所述高消光比脉冲光经第五分束器分为信号脉冲光和LO脉冲光，所述信号脉冲光依次经过第二信号光调制模块、第二延时线、第三衰减器进入第二偏振合束器，所述LO脉冲光进入第二偏振合束器；

所述接收端Charlie包括第一偏振解复用模块、第二偏振解复用模块、第六分束器、时钟恢复模块、第三延时线、第四延时线、第七分束器、光混频器模块、连续变量贝尔态测量模块，所述第一偏振解复用模块包括第一偏振控制器、第一光纤准直器、第一偏振分束器、第二光纤准直器，所述第二偏振解复用模块包括第二偏振控制器、第三光纤准直器、第二偏振分束器、第四光纤准直器，所述光混频器模块包括90度光混频器、第一平衡零拍探测器、第二平衡零拍探测器，所述连续变量贝尔态测量模块包括第八分束器、第三相位调制器、第五光纤准直器、第六光纤准直器、第一分束片、第二分束片、第三分束片、第三平衡零拍探测器、第四平衡零拍探测器；

所述第一偏振控制器用于调整发送端Alice的信号脉冲光与相位参考脉冲光的偏振方向，所述第一光纤准直器将发送端Alice的信号脉冲光与相位参考脉冲光耦合到自由空间，所述第一偏振分束器将信号脉冲光和相位参考脉冲光进行偏振解复用，所述信号脉冲光进入连续变量贝尔态测量模块，所述相位参考脉冲光经第二光纤准直器再次耦合到光纤并经第四延时线进入光混频器模块；

所述第二偏振控制器用于调整发送端Bob的信号脉冲光与LO脉冲光的偏振方向，所述第三光纤准直器将Bob的信号脉冲光与LO脉冲光耦合到自由空间，所述第二偏振分束器将信号脉冲光和LO脉冲光进行偏振解复用，所述信号脉冲光进入连续变量贝尔态测量模块，所述LO脉冲光经第四光纤准直器再次耦合到光纤并进入第六分束器，所述第六分束器将LO脉冲光分为两部分，一部分进入时钟恢复模块，另一部分经第三延时线进入第七分束器，经所述第七分束器再分为两部分，一部分进入光混频器模块，另一部分进入连续变量贝尔态测量模块；

在所述光混频器模块中，来自第四延时线的相位参考脉冲光进入90度光混频器，来自第七分束器的LO脉冲光进入90度光混频器，所述第一平衡零拍探测器、第二平衡零拍探测器分别与90度光混频器连接，分别测出相位参考脉冲的正交振幅分量X_R和正交位相分量P_R；

在所述连续变量贝尔态测量模块中，来自第七分束器的LO脉冲光经第八分束器分为两部分，一部分经第五光纤准直器、第二分束片进入第三平衡零拍探测器，另一部分经第三相位调制器、第六光纤准直器、第三分束片进入第四平衡零拍探测器；来自第二偏振分束器的信号脉冲光经第一分束片分为两部分，一部分经第二分束片进入第三平衡零拍探测器，另一部分经第三分束片进入第四平衡零拍探测器；来自第一偏振分束器的信号脉冲光第一分束片分为两部分，一部分经第二分束片进入第三平衡零拍探测器，另一部分经第三分束片进入第四平衡零拍探测器；所述第三平衡零拍探测器、第四平衡零拍探测器分别测量信号光场的正交振幅分量X_C和正交位相分量P_C。

2.根据权利要求1所述的一种连续变量测量设备无关量子密钥分发***，其特征在于，所述第一分束器将连续单频光分为90％和10％两部分，10％的连续单频光经声光调制器上移频率80MHz，90％的连续单频光经斩脉冲模块斩成重复速率500kHz、脉宽50ns、消光比80dB的高消光比脉冲光；

所述第二分束器将发送端Alice的高消光比脉冲光分为1％信号脉冲光和99％相位参考脉冲光；

所述第三分束器为50/50分束器；

所述第四分束器将第二激光器提供的连续单频光分为10％和90％两部分，10％连续单频光传输至第三分束器与来自声光调制器的连续单频光进行干涉，90％连续单频光经第二斩脉冲模块斩成高消光比脉冲光；

所述第五分束器将发送端Bob的高消光比脉冲光分为1％信号脉冲光和99％LO脉冲光；

所述第六分束器将来自第四光纤准直器的LO脉冲光分为90％和10％两部分，10％的LO脉冲光进入时钟恢复模块，90％的LO脉冲光经第三延时线进入第七分束器；

所述第七分束器将LO脉冲光分为10％和90％两部分，10％LO脉冲光进入光混频器模块，90％LO脉冲光进入连续变量贝尔态测量模块；

所述第八分束器将进入连续变量贝尔态测量模块的LO脉冲光分为50％和50％两部分。

3.根据权利要求2所述的一种连续变量测量设备无关量子密钥分发***，其特征在于，所述第一分束片、第二分束片、第三分束片均为自由空间50：50分束片。

4.根据权利要求3所述的一种连续变量测量设备无关量子密钥分发***，其特征在于，所述连续变量贝尔态测量模块还包括多个高反镜，用于调整光路，使光完全入射第三平衡零拍探测器、第四平衡零拍探测器。

5.一种根据权利要求4所述的连续变量测量设备无关量子密钥分发***相位补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)根据***所处环境，发送端Alice和发送端Bob首先确定单个数据块的长度，再将每个数据块分为多个数据包，每个数据包内***1个相位校准帧；

(2)发送端Alice和发送端Bob确定发送最佳的相位校准帧长度;

(3)通过锁频模块将第二激光器与第一激光器频率进行锁定，确保单个光脉冲持续时间内，相位参考脉冲与LO脉冲相对相位保持不变；

(4)接收端Charlie对第一平衡零拍探测器、第二平衡零拍探测器输出的电脉冲峰值采样电压分别记为X_R、P_R，并实时计算出每一个相位参考脉冲和LO脉冲之间的快变相位差

(5)接收端Charlie对第三平衡零拍探测器、第四平衡零拍探测器的输出信号采样，并且提取出当前数据块中所有相位校准帧对应的测量电压值，依据测量电压值和步骤(4)得到的与相位校准帧对应的快变相位差Δθ，计算***当前数据块对应的慢漂相位

(6)接收端Charlie通过慢漂相位计算对应的补偿电压值，加载到控制第三相位调制器把补偿电压值补偿到后一个数据块上，使第三平衡零拍探测器、第四平衡零拍探测器同时测到相互垂直的正交分量X′_C、P′_C；

(7)重复步骤(4)至(6)，使得除第一个数据块外，其后的每个数据块都能实时补偿当前慢漂相位对应的补偿电压值，第三平衡零拍探测器、第四平衡零拍探测器始终测到相互垂直的正交分量X′_C、P′_C；

(8)当数据传输完毕后，接收端Charlie通过经典通道将快变相位Δθ和慢漂相位发送给发送端Alice，慢漂相位/>发送给发送端Bob；

(9)发送端Alice和发送端Bob分别对各自的原始数据(X_A,P_A)、(X_B,P_B)进行正交分量重映射，得到相位旋转后的数据(X′_A,P′_A)、(X′_B,P′_B)；

(10)在完成上述相位纠正后，发送端Alice和发送端Bob对它们各自的数据首先进行数据位移操作产生关联得到裸码，再进行参数估计，数据协调和私密放大以产生最终密钥。

6.根据权利要求5所述的一种连续变量测量设备无关量子密钥分发***相位补偿方法，其特征在于，所述步骤(1)中确定单个数据块的长度的具体步骤为：单个数据块的持续时间要比***的相位漂移速率至少小1个量级，至少确保在前后两个数据块持续时间内慢漂相位值保持不变。

7.根据权利要求5所述的一种连续变量测量设备无关量子密钥分发***相位补偿方法，其特征在于，所述步骤(2)中最佳的相位校准帧长度要结合所取数据块长度，在相位估算精度与***开销之间取平衡；

所述发送端Bob的相位校准帧由三类相位分别调制为0、的光脉冲组成，每类光脉冲的数目根据实际情况确定的最佳相位校准帧长度决定，发送端Alice数据包中与之对应的光脉冲的振幅被调制为0；所述发送端Alice的相位校准帧由两类相位分别调制为0、的光脉冲组成，每类光脉冲的数目根据实际情况确定的最佳相位校准帧长度决定，发送端Bob数据包中与之对应的光脉冲的振幅被调制为0。

8.根据权利要求5所述的一种连续变量测量设备无关量子密钥分发***相位补偿方法，其特征在于，所述步骤(5)中计算***当前数据块对应的慢漂相位具体步骤为：

分别表示第三平衡零拍探测器、第四平衡零拍探测器处由于***光路长度起伏引入的发送端Alice信号脉冲与LO脉冲光相对相位漂移，在第三平衡零拍探测器、第四平衡零拍探测器处Alice相位分别调制为0和/>的两类相位校准脉冲对应的采样电压值分别记为/>获得一个当前慢漂相位/>的估计值：

其中，Δθ₁、Δθ₂是由90度光混频器测得的快变相位，在每个数据块中得到多个慢漂相位估计值，随后对所有估计值进行概率统计和高斯拟合，提取最大概率分布对应的相位值，作为慢漂相位的最终估计值；

分别表示第三平衡零拍探测器、第四平衡零拍探测器处由于***光路长度起伏引入的发送端Bob信号光与LO脉冲光相对相位漂移，在第三平衡零拍探测器、第四平衡零拍探测器相位分别调制为0、/>的三类相位校准脉冲对应的电压平均值分别记为利用这三组电压值，得到当前慢漂相位/>的估计值：

9.根据权利要求5所述的一种连续变量测量设备无关量子密钥分发***相位补偿方法，其特征在于，所述步骤(6)中接收端Charlie通过慢漂相位 计算对应的补偿电压值，公式如下：

其中V_π为第三相位调制器的半波电压，/>表示补偿的相位。

10.根据权利要求5所述的一种连续变量测量设备无关量子密钥分发***相位补偿方法，其特征在于，所述步骤(9)中正交分量重映射的公式为：

此时，发送端Alice和发送端Bob旋转后的正交分量与接收端Charlie连续变量贝尔态测量的结果完全匹配，即：