[发明专利]自稳相的测量设备无关的CV‑QKD系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及量子通信领域，尤其涉及一种MDI CV-QKD系统和方法。

背景技术

量子密钥分发(QKD)的相关研究一直是量子信息领域的重点，也是该领域内最接近于实际应用的成果。近些年来信息技术飞速发展，但同时信息安全也日益成为人们关注的热点问题，QKD的快速发展得益于其将会给信息安全领域带来的巨大变革。QKD基于最基本的量子力学原理，使通信双方(一般称为Alice和Bob)或多方可以在窃听者(一般称为Eve)存在的环境中协商生成安全的密钥。每次通信前先基于QKD机制生成密钥，随后采用该密钥对通信内容进行加密，这样一次一密的通信方式将能完全保证通信的安全性。因此QKD机制的相关研究和推广将能基本解决现有的各种信息安全问题。

现有的主流QKD方案分为两种：(1)基于离散变量的量子密钥分发机制(DV-QKD)；(2)基于连续变量的量子密钥分发机制(CV-QKD)。而CV-QKD由于采用现有通用的光学器件，和DV-QKD相比拥有技术成熟、成本较低且码率更高等一系列优点。

最早的QKD相关研究都集中于通信方直接通过光纤相连的系统，这样的系统一般称为点对点的QKD系统。但是这种方式有明显的缺陷，通信双方直接相连的方式无法用以构建更为实用的终端到终端的多端中继量子网络。在当前的通信技术中，通信方之间并非直接相连，而是通过中继站或服务器进行中转。相应的，在当前QKD研究中，一种测量设备无关(MDI)的QKD机制被提出。在MDI QKD系统中，Alice和Bob之间通过中继相连，且信号的测量在中继中经行。中继的测量设备可以被Eve操控(测量设备无关因此得名)，但Alice和Bob仍可以根据测量结果生成安全密钥。MDI QKD并不要求测量设备可信，因此解决了原有各种QKD机制中，测量设备容易受到各种攻击的问题。同时也为由终端到终端的量子密钥分发网络的构建指明了发展方向。

MDI CV-QKD方案比相应的MDI DV-QKD而言，在几十公里的光纤距离上有更高的码率且成本更经济。因此，基于MDI CV-QKD方案是构建未来量子通信网络的一种可行方案。

参见图1，现有的MDI CV-QKD系统(例如Nature Photonics 10,83(2015),PRA 89,052301(2014),PRA 89,042335(2014))进行密钥分发的过程如下：

1.脉冲激光器发出激光脉冲。

2.激光脉冲经平衡分束器(BS11)分束，透射脉冲和反射脉冲分别经光纤11和光纤12传输给Alice端和Bob端。

3.随后Alice和Bob端对激光脉冲(用相干态来描述)进行相同的高斯调制。

4.Alice和Bob将调制完成后的信号分别经由光纤13和光纤14发送到中继。

5.在中继中，接收自Alice和Bob的脉冲经由第二平衡分束器(BS12)干涉。

6.耦合后的两路出射脉冲分别由两个平衡零差测量装置BHD1和BHD2经行测量，分别测量信号的对应x分量和p分量(此即为连续变量的Bell态测量)。将两个探测器的测量结果相加和相减并最终得到数值q_-和p₊。

7.中继将这两个结果综合生成并将每次γ的具体结果通过经典通信通道(图中未画出)告知Alice和Bob。

8.根据γ的结果，Alice和Bob可以各自推算出对方相应调制脉冲的量子态。双方以一方为参照，得到一组关联的高斯随机变量。

9.双方通过经典通道进行协商、纠错和隐私放大最终生成安全的密钥。

零差测量时还需有本振脉冲作为辅助。Alice和Bob分别需要一个本振脉冲，本振脉冲可以通过独立光纤传送到BHD1和BHD2(未在图中画出)。也可以考虑旁带编码的方式，将激光的旁带作为编码的对象，而主带作为本振。此时上述方案中的平衡零差测量装置可以替换为简单的光电探测器，但整体原理上是一致的，故不再详述(参见Nature Photonics 10,83(2015))。