[发明专利]基于连续变量量子密钥分发的对潜通信系统及其实现方法

说明书

本发明公开了一种基于连续变量量子密钥分发的对潜通信系统及其实现方法，属于水下通信技术领域。通过发送端的第一激光器、第一电光强度调制器、第二电光强度调制器、第一电光相位调制器、衰减器和第一准直器调制的系统配合，将光信号输出并进入接收端；第二激光器产生本振光，通过第三电光强度调制器和第二电光相位调制器的调制，与发送端输出的光信号进入零差探测器进行检测，最终在有效距离内建立安全密钥。本发明将连续变量变量量子密钥分发技术应用到自由空间对潜通信中，克服单纯的水下光通信距离短的弱点，保证了系统安全性；同时提供了自由空间设备与水下设备点对点的传输方式和以自由空间设备为中转站的多个水下设备之间的信息传输方式。

技术领域

本发明属于水下通信技术领域，特别是涉及一种基于连续变量量子密钥分发的对潜通信系统及其实现方法。

背景技术

水下通信技术在海洋探索、军事通信等领域应用广泛，传统的水下通信采用声波技术实现。声波技术存在许多固有的缺陷，例如带宽低、易展宽、延时高和安全性低等。现代水下通信逐渐开始采用光通信技术，光通信具有高频带、指向性好等优点，但也存在很难克服的缺点。由于光在水中传播的衰减相较于自由空间和光纤要高很多，因此水下光通信系统往往只能运行在很短的距离，大约在百米的范围内，因此在实际应用中收到了很大的局限。此外，传统光通信系统中，由于光在水中传播时也会发生展宽，因此第三者可以通过一定的技术手段窃取到部分信息，对通信系统的安全性产生威胁。

量子密钥分发是一种可以建立在不可信量子信道上的加密通信协议，通信双方共享的安全密钥是由量子力学的不可克隆和测不准原理得到保证的。在实际的量子密钥分发系统中，如果由第三方的窃听者加入，必定会增加系统的额外噪声，通信双方通过对信道的估计和监测可以及时发现窃听者的存在。目前，量子密钥分发主要由离散变量和连续变量两种实现方案。相较于离散变量量子密钥分发技术，连续变量方案有其独特的优势：无需制备单光子，对相干光进行衰减调制即可制备量子态；更贴近经典的光通信系统，适合在实际应用中使用；在接收端可使用零差平衡探测器进行量子信号的接收测量，检测效率更高。

量子通信在自由空间和水介质中的可行性已经得到实验证明，如何通过结合量子密钥分发技术实现自由空间对潜通信系统，实现长距离、安全的对潜通信系统对现代通信领域来说具有非常重大的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于连续变量量子密钥分发的对潜通信系统及其实现方法，结合连续变量量子密钥分发技术，自由空间光通信技术和水下光通信技术，解决现有技术中存在的水下光通信技术距离有限、通信系统不安全的问题，从而实现长距离、安全的对潜通信系统。

本发明所采用的技术方案是，提供一种基于连续变量量子密钥分发的对潜通信系统，由位于自由空间中的发送端和位于水中的接收端构成；所述发送端包括：

第一激光器，用于产生原始的连续相干激光；

第一电光强度调制器，用于将第一激光器生成的连续相干激光调制成脉冲光信号；

第二电光强度调制器，用于调制脉冲光信号的振幅，将振幅大小调制成服从瑞利分布；

第一电光相位调制器，用于将光信号在相位上进行调制，将相位大小调制成服从均匀分布；

经过第二电光强度调制器和第一电光相位调制器的调制后，信号光呈高斯相干态|X+jP，即信号光光场正交分量X和正交分量P服从高斯分布，其中，X＝Acosθ，P＝Asin(θ)，A和θ分别表示信号的振幅和相位；

衰减器，用于对光信号的能量进一步衰减；

第一准直器，用于将光纤中的光信号切换成在自由空间中传输，且用于将光束对准第二准直器；

所述接收端包括：

第二准直器，用于接收光信号，将采集到的光信号转成光纤传输并输入到零差探测器；