[发明专利]一种基于LLO的单波长量子与经典通信同传方法

说明书

本发明公开了一种基于LLO的单波长量子与经典通信同传方法，包括：多用户Alice端，复用模块，多用户Bob端，多用户Alice端、复用模块、多用户Bob端通过光纤依次连接。采用单波长复用的方法实现量子信号和经典信号编码在同一弱相干脉冲上，减少了QKD对硬件设备的额外需求，提高QKD技术的实用性。采用LLO方案关闭窃听者通过操纵公共信道上的LO带来的安全漏洞，采用不平衡延迟线干涉仪实现LLO，使系统可以容忍更强的相位噪声。在单波长复用的基础上结合波分复用，进一步提升系统的系统容量，为开发与下一代网络兼容的相干量子与经典融合系统开辟了现实之路。

技术领域

本发明涉及量子信息领域，尤其涉及一种基于LLO的单波长量子与经典通信同传系统及同传方法。

背景技术

量子信息科学最实际的应用之一是所谓的QKD(Quantum Key Distribution，量子密钥分发)技术，它允许两个远程方(传统上称为Alice和Bob)通过完全由窃听者(Eve)控制的不安全量子信道生成安全密钥。该安全密钥可进一步应用于其它密码协议中，以增强通信安全性。但QKD广泛应用的主要障碍之一是成本高，因为在QKD系统中需要使用专用通信基础结构(如暗光纤)和昂贵的设备(如单光子探测器)。因此，有必要提出具有成本效益的QKD解决方案。为了降低成本并提高光纤传输效率，可在现有的光纤基础设施中集成QKD和经典通信系统，以此降低敷设和运营费用，并提高QKD网络的可扩展性。

1997年，Townsend首次提出针对QKD和经典信号同时传输的方案。使用CWDM(Coarse Wavelength Division Multiplexing，粗波分复用技术)，将1300nm QKD信道与传统的1550nm经典信道进行多路复用，在光纤中实现超过25km的传输。但是量子信号和经典信号分别通过不同的激光器产生，且经过不同的调制光路，造成器件成本过高的弊端。2005年，I.Devetak鉴于基于相干检测的CV-QKD(Continuous Variable-Quantum KeyDistribution，连续变量-量子密钥分发)与经典相干通信的相似性，首次提出在给定的量子通道上同时传输经典信息和量子信息。2016年，Bing Qi提出一种相干通信方案，其中经典通信的比特和QKD的高斯分布随机数都编码在同一弱相干脉冲上，并由同一相干接收机进行解码，实现QKD在经典通信中以最小的成本运行。但是其QKD采用的GMCS(GaussianModulated Coherent State，高斯调制相干态)协议，此协议调制效率较低，严重限制了密钥的传输距离。2018年，Can Yang提出一种分层调制相干通信协议，包括用于传统通信的正交相移键控调制和用于连续可变量子密钥分配的离散调制。离散调制协议能够在低信噪比条件下获得高的调制效率，使其成为高斯调制协议的替代方案，实现远距离传输，且调制过程的复杂性较低。但其采用TLO(Transmitted Local Oscillator，发送本地振荡)的相干通信方式，它在公共信道上传播时会导致与LO操作相关联的安全漏洞。

现有技术专利：(CN108337088A)提出了一种单纤融合量子密钥分发系统、方法和相关系统，实现量子密钥分发中量子信号与经典信号接近零串扰的共纤融合传输，大幅度降低经典信号对量子信号产生的串扰噪声。但其量子信号和经典信号分别使用不同的硬件设备，造成融合传输成本过高，本发明更优的提出在单个波长脉冲下传输CV-QKD信号和经典信号，量子信号和经典信号共用发送器和探测器，在实用性和低成本实现方面提供了一种可行方案。

现有技术专利：(CN109586911A)通过在相干光通信信号上叠加量子信号实现相干光通信信号与量子信号的同步传输，但其量子信号采用的高斯调制相干态CV-QKD协议，其密钥协商需要消耗大量的计算资源，导致应用成本增加。本发明更优的提出采用离散调制实现CV-QKD，其密钥纠错问题易于解决，且在信噪比很低的时候也能获得很高的调制效率。

发明内容