[发明专利]跨介质下设备无关及离散调制连续变量量子密钥分发系统

说明书

本发明公开了一种跨介质下设备无关及离散调制连续变量量子密钥分发系统，由受信任的中间方通过离散调制制备八态量子态，经光子减法运算后分别发送给爱丽丝和鲍勃，爱丽丝和鲍勃分别对接收到的量子态解调和零差探测，在有效距离内建立安全密钥。本发明将提升自由空间下连续变量量子密钥分发技术，由信任的中间方制备并发送量子态，使其系统具备设备无关性，确保通信安全性；光子减法操作可以提升量子间纠缠度从而提升传输距离；零差探测可以有效的过滤外界对光信号的干扰，实现即使对光信号有一定的影响也能很好的得到检测结果。本方案面向空气‑水信道下的设备无关性，利用离散调制连续变量量子密钥分发，为量子在自由空间通信带来更多实用性。

技术领域

本发明属于自由空间连续变量量子密钥分发技术领域，涉及一种跨介质下设备无关及离散调制连续变量量子密钥分发系统。

背景技术

量子力学定律决定接收端爱丽丝和接收端鲍勃可以使用量子密钥分发(QKD)在非安全量子信道下实现安全的信息传输。通常，QKD使用弱激光脉冲的相位信息作为信息载体，距离越远QKD的安全性越低。造成这种现象的主要原因之一是量子间纠缠度迅速衰减，通过增加量子纠缠度可以有效地改善QKD协议之间的传输距离。

量子信息在大气信道中传输要比光纤的信道中面临更加复杂的环境。研究大气信道中量子信息的传输，并利用新方法来改善连续变量量子密钥分发(CVQKD)已成为研究的热点。在长距离地对地之间存在的自由空间量子信道链接，从单个地面站到飞机，这些研究均基于离散变量量子密钥分配(DVQKD)，它要求在接收器上精确计算光子数。不幸的是，这些设备仅在理论上存在，而在实践中还没有出现。因此，设备缺陷可能会增加安全漏洞或旁量子通道，并最终破坏实用QKD。通过比较这两种协议，CVQKD在硬件设备上比DVQKD更容易实现，并且使用零差检测器，可以实现该协议的高速检测并增强了对杂散光的免疫力。

同样的水下通信在现代通信中至关重要，因为它涉及水下各种设备之间的信息交互。传统的水下通信方式是使用水下声学技术，其缺点很明显，例如高扩展性，低带宽和安全性问题。为了解决这些问题，研究发现海底光通信可以有效地提高通信带宽并减少延迟。因此，基于水下光通信的最新研究不仅改善了数据带宽，而且降低了误码率。尽管与水下声学技术相比，安全性有所提高，但仍然存在一些致命的安全漏洞。幸运的是，CVQKD协议在理论研究中被证明是无条件安全的，这取决于其独特的物理属性。引入CVQKD可以更好地解决水下通信安全问题。当前，光纤通道和自由空间均用于实现无条件安全的量子通信。

减光子操作在理论和实验中已有研究，并证明通过减光子操作具有提升量子纠缠度作用，这将有利于延长最大安全距离。在此之前光子操作主要运用于单向量子通信，即发送端爱丽丝做光子减法操作接收端鲍勃接收，在这种方案中爱丽丝与鲍勃之间的安全通讯，有很大一部分是要取决于爱丽丝的设备，这种设备的相关性将会降低通讯等级。

发明内容

为了达到上述目的，本发明提供一种跨介质下设备无关及离散调制连续变量量子密钥分发系统，解决了现有技术中存在的连续变量量子密钥分发的性能低、有效距离过短的问题。

本发明的另一目的是提供一种跨介质下设备无关及离散调制连续变量量子密钥分发系统的离散调制方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是，跨介质下设备无关及离散调制连续变量量子密钥分发系统，由发射端、接收端爱丽丝、接收端鲍勃和传输介质组成；所述发射端由信任的中间方负责制备和发送量子态，并做减光子操作；所述接收端爱丽丝用于接收和检测量子态，并将检测结果通过经典信道传输给接收端鲍勃；所述接收端鲍勃用于接收和检测量子态，并将检测结果通过经典信道传输给接收端爱丽丝；所述传输介质由大气、海水、海面和经典信道组成，发射端和接收端爱丽丝位于大气中，接收端鲍勃位于海面以下；