專利名稱：連續變量量子密鑰分發系統的偏振補償實現方法
技術領域：
本發明涉及一種量子密碼通信領域的技術，具體地說，是一種連續變量量子密鑰分發系統的偏振補償實現方法。
背景技術：
隨著經濟的發展和科學的進步，信息化、數字化進程不斷加快，信息傳遞和互換越來越頻繁，因此對信息傳達過程的安全性和可靠性有越來越高的要求。如何安全地傳遞信息已經成為現代通信領域的重要問題。應用密碼學由此應運而生，尤其在第二次世界大戰中的廣泛使用，更加體現出了密碼學的重要性。到目前為止，密碼學在政治、軍事、經濟、文化等社會生活的各個方面都起著重要的作用。經典密碼通信可以分為兩大類非對稱密碼系統和對稱密碼系統。非對稱密碼系 統又稱為公開密鑰系統，如現在廣為采用的RSA算法。接收方先選擇一組只有他知道的專用密鑰，依次計算出相應的公開密鑰，再將公開密鑰分給所以人用來加密信息。非對稱密碼系統的安全性依賴于計算的復雜度。一旦量子計算機研制出世，計算的速度將會極大提升，破解非對稱密碼系統的難度將會顯著降低；對稱密碼系統又稱為專用密鑰系統，如公認絕對安全的一次一密包(One-Time-Pad),發送方與接收方擁有相同的密鑰。密鑰只用一次,并且密鑰長度不小于信息長度。這樣安全性就得到了保證，代價是降低了密碼的使用效率。量子密碼通信與經典密碼通信不同，其安全性基于量子物理的基本特性而非計算的復雜性。它不是單純利用計算復雜性使竊聽者在有限時間內不能破譯密碼，而是利用量子力學的基本原理和特性來發現是否有竊聽者存在，以此確立合法通信者與竊聽者之間對比出的信息優勢，從而確保通信的安全。因此，在量子計算不斷發展的今天，研究并實現量子密碼技術是非常必要的。經過這二十幾年的發展，量子密碼通信已從理論研究逐步走向實際應用。根據實現方式的不同，主要分為離散變量量子密鑰分發系統和連續變量量子密鑰分發系統。其中離散變量量子密鑰分發通過單光子的方式來實現。由于現在還無法使用理想的單光子源，因此主要是通過將相干光進行衰減，使得每個脈沖的平均光子數小于I。激光源的光子數服從泊松分布，除了含有單光子脈沖之外還含有多光子脈沖。這些多光子脈沖被竊聽之后不會被察覺，從而影響密碼系統的安全性。使用誘騙態(Decoy State)可以很大程度上解決這個問題，但是增加了實際系統的復雜程度。連續變量量子密碼起步比離散變量要晚一些，直到1999年Ralph首先提出利用連續變量進行量子密鑰分發的概念。與離散變量不同，連續變量將信息編碼在連續的正則分量上(如正則位置X和正則動量P)，在每個比特上能夠比離散變量編碼更多的信息。采用的光源可以是相干態、壓縮態或者糾纏態。考慮到實驗上的方便，一般都采用相干激光作為光源。連續變量量子密鑰分發采用Homodyne檢測器作為量子檢測器，與離散變量相比，具有成本上的優勢。因此連續變量量子密鑰分發有著很好的實用化發展前景。目前，連續變量量子密鑰分發系統均采用的雙不等臂干涉結構。此種結構很容易受到各種因素的影響。這些因素包括但不限于I.溫度變化鈮酸鋰材質的電光調制器本身對于溫度的變化比較敏感，不穩定的環境溫度會在調制時產生較大的偏差。2.系統所受到的機械振動，機械振動會在光纖中產生應力，導致折射率發生改變，使得在光纖中傳輸的光偏振態產生漂移。3.空氣流動的影響。空氣流動會對未緊致固定的光纖產生擾動，導致偏振態發生漂移。4.電磁輻射場的影響電磁輻射(諸如手機信號、交流電產生的電磁波)會對系統的電路部分產生比較明顯的干擾，收到的干擾最明顯就是量子檢測器部分。為了解決這些問題，讓連續變量量子密鑰分發系統能夠具有較高的穩定性，我們需要對環境的影響進行監測，并通過反饋的方式來校準，使得系統對于環境干擾具有抵抗 能力，并能夠長時間連續工作。
發明內容
針對現有技術中的缺陷，本發明的目的在于針對連續變量量子密鑰分發系統偏振反饋控制方案的空白，提出了一種全新的偏振反饋控制方案，推進了連續變量量子密碼的實用化，同時有效地抑制了在量子通信過程中連續變量量子信號的偏振受到的環境干擾。根據本發明的一個方面，提供一種連續變量量子密鑰分發系統的偏振補償實現方法，具體為在發送端將激光器產生的脈沖激光經衰減器衰減后通過保偏分束器分為信號光和本振光兩束；令信號光經過幅度調制和相位調制后，通過衰減器衰減到量子水平，然后與本振光一起通過偏振耦合器進入光纖中傳輸至接收端；在接收端令光纖中傳輸來的信號經動態偏振控制器后，通過偏振分束器分為信號光與本振光兩束；令信號光直接進入保偏耦合器；令本振光先通過保偏分束器分為兩束，其中，偏振反饋控制單元接收并根據其中的一束向動態偏振控制器輸出偏振反饋控制信號，另一束通過相位調制器完成相位補償，與信號光一起通過偏振耦合器進入量子檢測器做相干檢測。優選地，在接收端偏振反饋控制單元包括依次連接的光電二極管、放大器、以及有效值轉換電路，其中，通過光電二極管將本振光通過保偏分束器分出的一束由光脈沖轉化為電脈沖，然后通過放大器放大電脈沖，再令放大后的電脈沖經有效值轉換電路轉化為直流反饋電壓輸出到動態偏振控制器。優選地，動態偏振控制器通過改變其內部的四個光纖擠壓器上的電壓對偏振態進行控制，使直流反饋電壓達到最大值，具體包括如下步驟步驟(I):動態偏振控制器采集直流反饋電壓；步驟(2):選擇第一個光纖擠壓器的控制電壓；步驟(3):適當地增加控制電壓，采集此時反饋回來的直流反饋電壓；步驟(4):如果直流反饋電壓增大，則返回步驟(3)，否則進入步驟(5)；步驟(5):適當地減小控制電壓，采集此時的直流反饋電壓；步驟(6):如果直流反饋電壓增大，則返回步驟(5)，否則進入步驟(7)；
步驟(7):選擇下一個光纖擠壓器的控制電壓，進入步驟(3)。優選地，有效值轉換電路采用有效值直流轉換器(RMS-DC)來計算脈沖信號的真有效值，有效值直流轉換器進行實時測量，完成脈沖電壓到直流電壓的實時轉換。優選地，在發送端，將信號光與本振光通過偏振復用的方式在同一根光纖中傳輸；在接收端，通過偏振分束器將偏振復用的本振光與信號光分成兩路后，對本振光進行分光。更為具體地，為實現上述目的，本發明的一個優選的實施例所采用的技術方案如下本發明所述的具有偏振反饋功能的連續變量量子密鑰分發系統，包含發送端和接收端兩部分，發送端和接收端均由各自的光路部分和電路部分組成。其中所述光路部分主要由激光器、衰減器、保偏分束器、保偏耦合器、法拉第鏡、可調延時線、偏振耦合器、偏振分束器、動態偏振控制器、幅度調制器和相位調制器組成；所述電路部分由真隨機密鑰產生器、發送端和接收端的控制電路、量子檢測器和偏振反饋控制單元組成。
發送端激光器產生脈沖激光，經衰減器衰減后被10 90保偏分束器分為兩束，10%的一束作為信號光，90%的一束作為本振光。信號光經過幅度調制和相位調制后，通過衰減器衰減到量子水平，然后與本振光一起通過偏振耦合器進入光纖中傳輸。接收端光纖中的信號通過動態偏振控制器后，被偏振分束器分為信號光與本振光兩束。信號光直接進入保偏耦合器，本振光先通過10 90的保偏分束器分為兩束，10%的一束用來做為偏振反饋控制信號，其余通過相位調制器完成相位補償，與信號光一起做相干檢測。通過調節可調延時線使得雙不等臂干涉結構達到平衡。本發明提出的偏振反饋控制實現方法分為兩個階段，分光檢測階段和偏振校正階段。方案如下分光檢測階段連續變量量子密鑰分發的接收端將收到的信號用偏振耦合器進行偏振解復用，之后將得到的本振光分出一部分，通過脈沖轉換電路將脈沖光信號轉換為直流電壓信號。脈沖轉換電路采用光電二極管將光脈沖轉化為電脈沖。由于用于分光檢測的光強很小，電脈沖信號很微弱，因此需要使用放大器進行放大。放大后的電脈沖用有效值轉換器(RMS-DC)進行處理，將其轉化為直流電壓。偏振校正階段將脈沖轉化電路輸出的直流電壓反饋給接收端的動態偏振控制器，動態偏振控制器對直流反饋電壓進行采樣，并通過下述的偏振反饋控制算法來持續調節動態偏振控制器，使得直流反饋電壓保持最大值。動態偏振控制器通過改變其內部的四個光纖擠壓器上的電壓對偏振態進行控制。偏振反饋算法的主要步驟如下步驟(I):動態偏振控制器采集直流反饋電壓；步驟(2):選擇第一個光纖擠壓器的控制電壓；步驟(3):適當地增加電壓，采集此時反饋回來的直流反饋電壓；步驟(4):如果直流反饋電壓增大，則返回步驟(3)，否則進入步驟(5)；步驟(5):適當地減小電壓，采集此時的直流反饋電壓；步驟(6):如果直流反饋電壓增大，則返回步驟(5)，否則進入步驟(7)；步驟(7):選擇下一個光纖擠壓器的控制電壓，進入步驟(3)。
通過以上過程，可以將直流反饋電壓一直保持在最大值狀態。此時對應的本振光的強度最強，即實現了偏振反饋控制的功能。與現有技術相比，本發明的主要優點如下I、安全性方面由于在本發明中，偏振反饋控制采用分出部分本振光的方法，沒有對于信號光進行分光和測量，根據量子密鑰分發的分析理論，本發明對密鑰的安全性不會造成任何影響。2、連續變量量子密鑰分發的量子信號由于達到了量子級別，因此在光纖信道的傳輸過程中特別容易受到環境干擾，造成偏振漂移，進而造成系統的誤碼率的增加。本發明中的接收端通過偏振分束器，將本振光和信號光分開；之后對一部分本振光進行檢測，以得知偏振漂移的程度；這部分本振光強度越小，說明漂移的程度越嚴重；這部分本振光強度達 到最大時，即為偏振得到補償的狀態。從而能夠有效抑制在量子密鑰分發過程中的環境干擾，使得偏振持續處于穩定狀態，降低了誤碼率，增強了系統的穩定性。
通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特征、目的和優點將會變得更明顯圖I為根據本發明提供的連續變量量子密鑰分發系統的偏振補償實現方法的框圖。圖中100為光纖信道，901為發送端的可調衰減器，902為發送端的法拉第鏡，801為接收端的可調衰減器，802為法拉第鏡，803為真有效值轉換電路，804為放大器，805為光
電二極管。
具體實施例方式下面結合具體實施例對本發明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領域的技術人員進一步理解本發明，但不以任何形式限制本發明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發明的保護范圍。在本實施例中，所述連續變量量子密鑰分發系統偏振補償實現方法，具體步驟如下(I)分光檢測階段連續變量量子密鑰分發系統的接收端將量子信號通過偏振分束器，根據光的偏振理論及偏振耦合器的性質，如果偏振無漂移，則本振光將會和信號光完全分開。在存在偏振漂移的情況下，本振光會泄露一部分到信號光端，使得本振光自身能量降低。通過對分出的一部分本振光進行檢測，可以得知偏振的漂移程度。在偏振匹配的情況下，本振光的強度達到最大。此時即為最佳的偏振狀態。用于連續變量量子密鑰分發系統所使用的本振光強度很小，每個脈沖約有IO8個光子，在時鐘觸發頻率為IMHz的情況下，功率只有_48.9dBm。分出的光占本振光能量的10%，即每個脈沖有約IO7光子，在IMHz的時鐘頻率下功率為-58. 9dBm。經過光電二極管轉換后，得到的電流非常微弱(約為luA)，因此需要放大器對其進行放大。放大器將微弱電流放大到峰值為500mV的脈沖電壓信號。
放大后的脈沖電壓信號通過脈沖轉換電路轉換為直流反饋電壓。本發明采用有效值直流轉換器(RMS-DC)來計算脈沖電壓的真有效值，輸出直流電壓。有效值直流轉換器在很寬的輸入頻率范圍內可以進行實時測量，完成脈沖信號到直流信號的轉換。(2)偏振校正階段脈沖轉化電路輸出的直流電壓反饋給接收方的動態偏振控制器，動態偏振控制器對反饋電壓進行采樣，并通過下述的偏振反饋控制算法來持續調節動態偏振控制器，使得直流反饋電壓保持最大值。動態偏振控制器通過改變其內部的四個光纖擠壓器上的電壓VI、V2、V3、V4對偏振態進行控制，電壓調節范圍為-12V到+12V之間。光的偏振態用邦加球上的點來描述，斯托克斯參量S1、S2、S3對應著邦加球的坐標軸。如果增加電壓Vl或V3，則偏振態會繞著SI軸順時針旋轉；相反，如果減少Vl或V3，則偏振態會繞著SI軸逆時針旋轉。另一方面，如果增加電壓V2或V4，則偏振態會繞著S2軸順時針旋轉，如果降低V2或V4，偏振態則會繞著S2軸逆時針旋轉。由此，只要輸入光的偏振態與SI和S2的方向都不垂直，那么輸入光的偏振態都可以通過操作最少2個電壓改變到任意一個偏振態。·
由此，一個優選的偏振反饋算法的具體流程如下步驟(I):動態偏振控制器的單片機對直流反饋電壓采樣并記錄數據；步驟(2):四個光纖擠壓器的控制電壓都置為0V，選擇第一個光纖擠壓器控制電壓；步驟(3):適當地增加控制電壓，此時偏振態會在邦加球上繞著對應的矢量軸做順時針轉動，采集此時的直流反饋電壓，如果電壓已經達到了 +12V，則跳至步驟(7)；步驟(4):如果直流反饋電壓增大，則返回步驟3，否則進入步驟(5)；步驟(5):適當地減小控制電壓，此時偏振態會在邦加球上繞著對應的矢量軸做逆時針轉動，采集此時的直流反饋電壓，如果電壓已經達到了 -12V，則跳至步驟(7)；步驟(6):如果直流反饋電壓增大，則返回步驟(5)，否則進入步驟(7)；步驟(7):選擇下一個光纖擠壓器的控制電壓，進入步驟(3)。通過以上過程，可以將直流反饋電壓一直保持在最大值狀態。根據上面的分析，這時對應的本振光強度最強，即本振光沒有發生泄漏，偏振達到最佳狀態。安全性方面由于在本發明中，偏振反饋控制采用分出部分本振光的方法，沒有對于信號光進行分光和測量，根據量子密鑰分發的分析理論，本發明對密鑰的安全性不會造成任何影響。連續變量量子密鑰分發的量子信號由于達到了量子級別，因此在光纖信道的傳輸過程中特別容易受到環境干擾，造成偏振漂移，進而造成系統的誤碼率的增加。本發明采用上述技術方案，有效抑制了在量子密鑰分發過程中的環境干擾，使得偏振持續處于穩定狀態，降低了誤碼率，增強了系統的穩定性。以上對本發明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發明并不局限于上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的范圍內做出各種變形或修改，這并不影響本發明的實質內容。
權利要求
1.一種連續變量量子密鑰分發系統的偏振補償實現方法，其特征在于，具體為 在發送端將激光器產生的脈沖激光經衰減器衰減后通過保偏分束器分為信號光和本振光兩束；令信號光經過幅度調制和相位調制后，通過衰減器衰減到量子水平，然后與本振光一起通過偏振耦合器進入光纖中傳輸至接收端； 在接收端令光纖中傳輸來的信號經動態偏振控制器后，通過偏振分束器分為信號光與本振光兩束；令信號光直接進入保偏耦合器；令本振光先通過保偏分束器分為兩束，其中，偏振反饋控制單元接收并根據其中的一束向動態偏振控制器輸出偏振反饋控制信號，另一束通過相位調制器完成相位補償，與信號光一起通過偏振耦合器進入量子檢測器做相干檢測。
2.根據權利要求I所述的連續變量量子密鑰分發系統的偏振補償實現方法，其特征在于，在接收端偏振反饋控制單元包括依次連接的光電二極管、放大器、以及有效值轉換電路，其中，通過光電二極管將本振光通過保偏分束器分出的一束由光脈沖轉化為電脈沖，然后通過放大器放大電脈沖，再令放大后的電脈沖經有效值轉換電路轉化為直流反饋電壓輸出到動態偏振控制器。
3.根據權利要求2所述的連續變量量子密鑰分發系統的偏振補償實現方法，其特征在于，動態偏振控制器通過改變其內部的四個光纖擠壓器上的電壓對偏振態進行控制，使直流反饋電壓達到最大值，具體包括如下步驟 步驟(1):動態偏振控制器采集直流反饋電壓； 步驟(2):選擇第一個光纖擠壓器的控制電壓； 步驟(3):適當地增加控制電壓，采集此時反饋回來的直流反饋電壓； 步驟(4):如果直流反饋電壓增大，則返回步驟(3)，否則進入步驟(5)； 步驟(5):適當地減小控制電壓，采集此時的直流反饋電壓； 步驟(6):如果直流反饋電壓增大，則返回步驟(5)，否則進入步驟(7)； 步驟(7 ):選擇下一個光纖擠壓器的控制電壓，進入步驟(3 )。
4.根據權利要求2所述的連續變量量子密鑰分發系統的偏振補償實現方法，其特征在于，有效值轉換電路采用有效值直流轉換器來計算脈沖信號的真有效值，有效值直流轉換器進行實時測量，完成脈沖電壓到直流電壓的實時轉換。
5.根據權利要求I所述的連續變量量子密鑰分發系統的偏振補償實現方法，其特征在于，在發送端，將信號光與本振光通過偏振復用的方式在同一根光纖中傳輸；在接收端，通過偏振分束器將偏振復用的本振光與信號光分成兩路后，對本振光進行分光。
全文摘要
本發明公開一種連續變量量子密鑰分發系統的偏振補償實現方法，具體為發送端采用偏振復用的方式將信號光與本振光通過一根光纖進行傳輸，接收端通過偏振分束器將信號光與本振光分離，其中的偏振反饋控制方法分為兩個階段在分光檢測階段，連續變量量子密鑰分發的接收端分出一部分本振光，并通過轉換電路將其轉換為直流反饋電壓信號；在偏振校正階段，接收端根據直流反饋電壓，用反饋算法控制動態偏振控制器，完成偏振校正。本發明提出了一種全新的連續變量量子密鑰分發系統的偏振反饋控制實現方法，有效地抑制了在光纖通信過程中連續變量量子信號的偏振狀態受到的環境干擾，提高了系統的穩定性，推進了連續變量量子密碼的實用化。
文檔編號H04B10/85GK102916807SQ201210389008
公開日2013年2月6日 申請日期2012年10月12日 優先權日2012年10月12日
發明者房堅, 黃端, 何廣強, 曾貴華 申請人:上海交通大學