一种用于本地本振连续变量密钥分发的相位噪声补偿方法

专利类型 发明授权 法律事件 公开; 实质审查; 授权;
专利有效性 有效专利 当前状态 授权
申请号 CN202110708484.5 申请日 2021-06-22
公开(公告)号 CN113660040B 公开(公告)日 2022-05-27
申请人 中国电子科技集团公司第三十研究所; 申请人类型 企业
发明人 皮峣迪; 徐兵杰; 王恒; 黄伟; 邵云; 李扬; 第一发明人 皮峣迪
权利人 中国电子科技集团公司第三十研究所 权利人类型 企业
当前权利人 中国电子科技集团公司第三十研究所 当前权利人类型 企业
省份 当前专利权人所在省份:四川省 城市 当前专利权人所在城市:四川省成都市
具体地址 当前专利权人所在详细地址:四川省成都市高新区创业路6号 邮编 当前专利权人邮编:610000
主IPC国际分类 H04B10/516 所有IPC国际分类 H04B10/516H04B10/556H04B10/58H04B10/61H04L9/08H04B10/70
专利引用数量 1 专利被引用数量 0
专利权利要求数量 2 专利文献类型 B
专利代理机构 成都九鼎天元知识产权代理有限公司 专利代理人 徐静;
摘要 本 发明 提供一种用于本地 本振 连续变量密钥分发的 相位 噪声补偿方法,包括:步骤1:发送端发送不同频带的量子 信号 光和经典导频光并经过光纤信道到达接收端,然后与接收端的本地光载波耦合并进行平衡探测得到 拍频 信号;步骤2:对拍频信号进行滤波处理得到量子密钥信号、经典 导频信号 1和经典导频信号2;步骤3:量子密钥信号、经典导频信号1和经典导频信号2进行 正交 下变频和低通滤波处理得到量子密钥信息、经典导频信息1和经典导频信息2;步骤4:利用经典导频信息1和经典导频信息2对量子密钥信息进行 相位噪声 补偿。本发明精确地补偿了本地本振连续变量量子密钥分发中发送端和接收端两个独立 激光器 和光纤信道引入的相位噪声。
权利要求

1.一种用于本地本振连续变量密钥分发的相位噪声补偿方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1:发送端发送不同频带的量子信号光和经典导频光,并使发送的所述量子信号光和经典导频光经过光纤信道到达接收端,然后与接收端的本地光载波耦合并进行平衡探测得到拍频信号;所述经典导频光包括经典导频光1和经典导频光2;
步骤2:对所述拍频信号进行相应频带的滤波处理,得到量子密钥信号、经典导频信号1和经典导频信号2;
步骤3:所述量子密钥信号、经典导频信号1和经典导频信号2进行正交下变频和低通滤波处理得到对应的正交分量,同时得到量子密钥信息、经典导频信息1和经典导频信息2;
步骤4:利用所述经典导频信息1和经典导频信息2对量子密钥信息进行相位噪声补偿,获得量子密钥信息的正交分量X和P;
所述量子信号光为离散调制量子光信号或高斯调制量子光信号;所述经典导频光1和经典导频光2为中心频率移频处理的单/双边带调制光信号;
所述量子信号光为重复频率为fq、频谱带宽为Δfq的量子信号光,即所述量子信号光的频率范围为fA‑Δfq/2到fA+Δfq/2;所述经典导频光为将单边带调制信号进行中心频率为Δf的移频处理,得到的频率分别为fA+Δf和fA+Δf+fRF的经典导频光1和经典导频光2;其中,fA为发送端激光器输出光载波的频率,fRF为单边带调制的频率;
步骤2中对所述拍频信号进行相应频带的滤波处理的方法为:所述拍频信号经过中心频率为ΔfAB、带宽为Δfq的带通处理得到量子密钥信号;所述拍频信号经过中心频率为Δf‑ΔfAB的窄带带通滤波处理得到经典导频信号1,所述拍频信号经过中心频率为Δf+fRF‑ΔfAB的窄带带通滤波处理得到经典导频信号2;其中,ΔfAB=fB‑fA,表示发送端和接收端两个独立激光器的光频差;fB为接收端的本地光载波的频率;
步骤3得到的所述量子密钥信息、经典导频信息1和经典导频信息2如下:
式中,Hs表示量子密钥信息,量子密钥信息的正交分量Xs和Ps;Hr1表示经典导频信息1,经典导频信息1的正交分量Xr1和Pr1;Hr2表示经典导频信息2,经典导频信息2的正交分量Xr2和Pr2;j为虚数单位;Asig和Aref为量子信号光和经典导频光的幅值,γ和 分别为量子密钥引入的幅值和相位信息;Alo为接收端的本地光载波的幅值,J0(·)和J1(·)分别为零阶和一阶的第一类贝塞尔函数,m为单边带调制系数; 为发送端和接收端的两个独立激光器和光纤信道引入的相位噪声; 和 为经典导频光1和经典导频光2分别相对于量子信号光的相位差;ns_noise、nr1_noise和nr2_noise分别对应于量子信号光、经典导频光1和经典导频光2的加性白噪声,且nr1_noise近似等于nr2_noise;
步骤4中利用所述经典导频信息1和经典导频信息2对量子密钥信息进行相位噪声补偿的方法包括:
基于式(1)、式(2)和式(3),利用相位噪声补偿法,获得如下关系式:
同时,基于式(4),利用量子密钥信息中携带的校验信息可得:
式中,γcal和 分别为已知校验信息引入的幅值和相位信息;结合式(4)、式(5)和式(6)可得:
将式(7)进行归一化且已知 因此分别取式(7)实部虚部则得到量子密钥信息的正交分量X和P,从而完成相位噪声补偿。
2.根据权利要求1所述的用于本地本振连续变量密钥分发的相位噪声补偿方法,其特征在于,Δf>ΔfAB>Δfq/2。

说明书全文

一种用于本地本振连续变量密钥分发的相位噪声补偿方法

技术领域

[0001] 本发明涉及量子保密通信技术领域,具体而言,涉及一种用于本地本振连续变量密钥分发的相位噪声补偿方法。

背景技术

[0002] 量子密钥分发(Quantum Key Distribution,QKD)技术可为合法通信双方提供无条件安全的密钥,以保障信息安全传输。连续变量量子密钥分发(Continuous Variable Quantum Key Distribution,CVQKD),以其较为高效的零/外差探测效率和经典相干光通信兼容良好等优点成为QKD领域的研究热点。当前CVQKD技术主要分为随路本振和本地本振两种技术方案。相对比随路本振方案,本地本振CVQKD方案克服了随路本振光的强度瓶颈和安全漏洞等限制,具有更高的安全码率和更好的实际安全性。但本地本振CVQKD方案采用了两个独立激光器,其快速的相位漂移将会引入快速变化的相位噪声,同时量子信号光在光纤信道传输过程中还会引入额外的相位噪声和宽频带范围的加性白噪声。因此,本地本振CVQKD方案需要依赖精确相位噪声补偿方法,且相位噪声补偿效果好坏决定了最终产生的安全码率。

发明内容

[0003] 本发明旨在提供一种用于本地本振连续变量密钥分发的相位噪声补偿方法,以解决本地本振连续变量量子密钥分发中高精度相位噪声补偿问题。
[0004] 本发明提供的一种用于本地本振连续变量密钥分发的相位噪声补偿方法,包括如下步骤:
[0005] 步骤1:发送端发送不同频带的量子信号光和经典导频光,并使发送的所述量子信号光和经典导频光经过光纤信道到达接收端,然后与接收端的本地光载波耦合并进行平衡探测得到拍频信号;所述经典导频光包括经典导频光1和经典导频光2;
[0006] 步骤2:对所述拍频信号进行相应频带的滤波处理,得到量子密钥信号、经典导频信号1和经典导频信号2;
[0007] 步骤3:所述量子密钥信号、经典导频信号1和经典导频信号2进行正交下变频和低通滤波处理得到对应的正交分量,同时得到量子密钥信息、经典导频信息1和经典导频信息2;
[0008] 步骤4:利用所述经典导频信息1和经典导频信息2对量子密钥信息进行相位噪声补偿,获得量子密钥信息的正交分量X和P。
[0009] 进一步的,所述量子信号光为离散调制量子光信号或高斯调制量子光信号;所述经典导频光1和经典导频光2为中心频率移频处理的单/双边带调制光信号。
[0010] 进一步的,所述量子信号光为重复频率为fq、频谱带宽为Δfq的量子信号光,即所述量子信号光的频率范围为fA‑Δfq/2到fA+Δfq/2;所述经典导频光为将单边带调制信号进行中心频率为Δf的移频处理,得到的频率分别为fA+Δf和fA+Δf+fRF的经典导频光1和经典导频光2;其中,fA为发送端激光器输出光载波的频率,fRF为单边带调制的频率。
[0011] 进一步的,步骤2中对所述拍频信号进行相应频带的滤波处理的方法为:所述拍频信号经过中心频率为ΔfAB、带宽为Δfq的带通处理得到量子密钥信号;所述拍频信号经过中心频率为Δf‑ΔfAB的窄带带通滤波处理得到经典导频信号1,所述拍频信号经过中心频率为Δf+fRF‑ΔfAB的窄带带通滤波处理得到经典导频信号2;其中,ΔfAB=fB‑fA,表示发送端和接收端两个独立激光器的光频差;fB为接收端的本地光载波的频率。
[0012] 进一步的,Δf>ΔfAB>Δfq/2。
[0013] 进一步的,步骤3得到的所述量子密钥信息、经典导频信息1和经典导频信息2如下:
[0014]
[0015]
[0016]
[0017] 式中,Hs表示量子密钥信息,量子密钥信息的正交分量Xs和Ps;Hr1表示经典导频信息1,经典导频信息1的正交分量Xr1和Pr1;Hr2表示经典导频信息2,经典导频信息2的正交分量Xr2和Pr2;j为虚数单位;Asig和Aref为量子信号光和经典导频光的幅值,γ和 分别为量子密钥引入的幅值和相位信息;Alo为接收端的本地光载波的幅值,J0(·)和J1(·)分别为零阶和一阶的第一类贝塞尔函数,m为单边带调制系数; 为发送端和接收端的两个独立激光器和光纤信道引入的相位噪声; 和 为经典导频光1和经典导频光2分别相对于量子信号光的相位差;ns_noise、nr1_noise和nr2_noise分别对应于量子信号光、经典导频光1和经典导频光2的加性白噪声,且nr1_noise近似等于nr2_noise。
[0018] 进一步的,步骤4中利用所述经典导频信息1和经典导频信息2对量子密钥信息进行相位噪声补偿的方法包括:
[0019] 基于式(1)、式(2)和式(3),利用相位噪声补偿法,获得如下关系式:
[0020]
[0021]
[0022] 同时,基于式(4),利用量子密钥信息中携带的校验信息可得:
[0023]
[0024] 式中,γcal和 分别为已知校验信息引入的幅值和相位信息;结合式(4)、式(5)和式(6)可得:
[0025]
[0026] 将式(7)进行归一化且已知 因此分别取式(7)实部虚部则得到量子密钥信息的正交分量X和P,从而完成相位噪声补偿。
[0027] 综上所述,由于采用了上述技术方案,本发明的有益效果是:
[0028] 1、本发明提供的相位噪声补偿方法,不仅精确地补偿了本地本振连续变量量子密钥分发中发送端和接收端两个独立激光器和光纤信道引入的相位噪声,而且消除了光纤链路中的加性白噪声。
[0029] 2、本发明只需借助频分复用技术即可避免量子信号光和经典导频光的制备、传输和探测时相互串扰,可简化CVQKD系统,节约系统成本。附图说明
[0030] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例中的附图作简单地介绍,应当理解,以下附图仅示出了本发明的某些实施例,因此不应被看作是对范围的限定,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0031] 图1为本发明实施例的用于本地本振连续变量密钥分发的相位噪声补偿方法的原理图。

具体实施方式

[0032] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
[0033] 因此,以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围,而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
[0034] 实施例
[0035] 如图1所示,本实施例提出一种用于本地本振连续变量密钥分发的相位噪声补偿方法,包括如下步骤:
[0036] 步骤1:发送端发送不同频带的量子信号光和经典导频光,并使发送的所述量子信号光和经典导频光经过光纤信道到达接收端,然后与接收端的本地光载波耦合并进行平衡探测得到拍频信号;所述经典导频光包括经典导频光1和经典导频光2;
[0037] 其中,所述量子信号光为离散调制量子光信号或高斯调制量子光信号。所述经典导频光为中心频率移频处理的单/双边带调制光信号。如本实施例中,发送端发送重复频率为fq、频谱带宽为Δfq的量子信号光,即所述量子信号光的频率范围为fA‑Δfq/2到fA+Δfq/2;发送端发送的经典导频光为将单边带调制信号进行中心频率为Δf的移频处理,得到的频率分别为fA+Δf和fA+Δf+fRF的经典导频光1和经典导频光2,其中,fA为发送端激光器输出光载波的频率,fRF为单边带调制的频率;所述发送的所述量子信号光、经典导频光1和经典导频光2经过光纤信道到达接收端,然后通过光耦合器与接收端频率为fB的本地光载波耦合并进行平衡探测得到拍频信号。
[0038] 步骤2:对所述拍频信号进行相应频带的滤波处理,得到量子密钥信号、经典导频信号1和经典导频信号2;具体地:所述拍频信号经过中心频率为ΔfAB、带宽为Δfq的带通处理得到量子密钥信号;所述拍频信号经过中心频率为Δf‑ΔfAB的窄带带通滤波处理得到经典导频信号1,所述拍频信号经过中心频率为Δf+fRF‑ΔfAB的窄带带通滤波处理得到经典导频信号2;其中,ΔfAB=fB‑fA,表示发送端和接收端两个独立激光器的光频差,并设置频率关系Δf>ΔfAB>Δfq/2。
[0039] 步骤3:所述量子密钥信号、经典导频信号1和经典导频信号2进行正交下变频和低通滤波处理得到对应的正交分量,同时得到量子密钥信息、经典导频信息1和经典导频信息2;得到的所述量子密钥信息、经典导频信息1和经典导频信息2如下:
[0040]
[0041]
[0042]
[0043] 式中,Hs表示量子密钥信息,量子密钥信息的正交分量Xs和Ps;Hr1表示经典导频信息1,经典导频信息1的正交分量Xr1和Pr1;Hr2表示经典导频信息2,经典导频信息2的正交分量Xr2和Pr2;j为虚数单位;Asig和Aref为量子信号光和经典导频光(经典导频光1和经典导频光2)的幅值,γ和 分别为量子密钥引入的幅值和相位信息;Alo为接收端的本地光载波的幅值,J0(·)和J1(·)分别为零阶和一阶的第一类贝塞尔函数,m为单边带调制系数; 为发送端和接收端的两个独立激光器和光纤信道引入的相位噪声; 和 为经典导频光1和经典导频光2分别相对于量子信号光的相位差;ns_noise、nr1_noise和nr2_noise分别对应于量子信号光、经典导频光1和经典导频光2的加性白噪声,且nr1_noise近似等于nr2_noise。
[0044] 步骤4:利用所述经典导频信息1和经典导频信息2对量子密钥信息进行相位噪声补偿,获得量子密钥信息的正交分量X和P。具体地:
[0045] 基于式(1)、式(2)和式(3),利用相位噪声补偿法,获得如下关系式:
[0046]
[0047]
[0048] 同时,基于式(4),利用量子密钥信息中携带的校验信息可得:
[0049]
[0050] 式中,γcal和 分别为已知校验信息引入的幅值和相位信息;结合式(4)、式(5)和式(6)可得:
[0051]
[0052] 将式(7)进行归一化且已知 因此分别取式(7)实部和虚部则得到量子密钥信息的正交分量X和P,从而完成相位噪声补偿。
[0053] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
QQ群二维码
意见反馈