[发明专利]一种本地本振的四态连续变量量子密钥分发方法及系统

说明书

本发明提供一种本地本振的四态连续变量量子密钥分发方法及系统。本发明采用四态调制，但不要求信号光和本振光之间的相位严格满足0、π、的角度，而是允许在成码的一段时间内存在一个额外的固定相位差并通过拟牛顿算法给出无条件安全的成码率估计。此外，本系统经由接收端来发送本振光可使本振光避免经历量子信道从而避免遭受额外的攻击，以获得更高的安全性。

技术领域

本发明涉及量子密钥分发技术领域，尤其涉及一种本地本振的四态连续变量量子密钥分发方法及系统。

背景技术

量子密钥分发是量子信息领域中最成熟的一个方向，相较于传统密码学依赖于算法计算复杂度的编码方式，量子密钥分发技术所具备的无条件安全优势由其量子力学特性所保证，因此具有广泛的应用前景。进一步来说，量子密钥分发主要可划分为离散变量量子密钥分发和连续变量量子密钥分发，前者以BB84协议为典型案例，将信息编码在单光子的自由度上，故一次只可携带一比特量子信息，且单光子信号与信道噪声难以分辨将导致成码率的降低，同时单光子脉冲的制备也较为复杂；连续变量量子密钥分发则是利用电磁场(也即光场)的一对正交算符进行编码，一次可以携带超过一比特的信息，并且通过现有的经典光通信设备就可以完成制备并进行检测。

目前，连续变量量子密钥分发协议中应用较广泛的是采用高斯调制相干态的连续变量量子密钥分发协议，但该协议的信号调制过程和密钥提取过程的复杂度较高，且在较远距离的通信中信息传输效率将下降，限制了密钥的传输距离。

在文献“Asymptotic Security Analysis of Discrete-Modulated Continuous-Variable”中，提供了一种四态调制的连续变量量子密钥分发方法。然而，该方法所描述的四态调制要求信号光和本振光之间的相位严格满足0、π、的角度，这将增加实际制备过程中操作的复杂度；同时，该方法的成码率估计采用凸优化算法数值模拟的方法，该方法计算过程将耗费较长的时间，在实用的过程中将导致效率的降低，仍有待优化的空间。除此之外，在量子密钥分发的技术领域中，信号光及本振光多采用都由发送端发送和制备的方案，本振光在不安全的量子信道中传输时难以避免地会受到窃听以及攻击，降低了系统的安全性。

发明内容

发明目的：针对现有技术的缺陷，本发明提供一套本地本振的四态连续变量量子密钥分发方法及系统。本发明采用四态调制，但不要求信号光和本振光之间的相位严格满足0、π、的角度，而是允许在成码的一段时间内存在一个额外的固定相位差并通过拟牛顿算法给出无条件安全的成码率估计。此外，本系统经由接收端来发送本振光可使本振光避免经历量子信道从而避免遭受额外的攻击，以获得更高的安全性。

技术方案：为实现上述目的，本发明提出的技术方案如下：

一种本地本振的四态连续变量量子密钥分发方法，该方法采用四态协议并采用相位编码，所述方法包括以下步骤：

(1)发送端等概率且随机地制备并发送只在相位上有所区别的四种信号光以对应四种信号态，并采用相位编码方式将所发送的信号光编码为发送端原始密钥，所述四种信号光满足以下条件：以任意一种信号光为基准信号光，其余三种信号光与基准信号光之间的相位差分别为90°、180°、270°；

(2)接收端接收信号光后进行偏振补偿，然后将补偿后的信号光分束为第一信号光和第二信号光；接收端制备本振光，本振光在一轮成码时间内与相应基准信号光保持固定相位差接收端将本振光分束为第一本振光和第二本振光，并在第一本振光中引入的相位增量，然后使第一本振光与第一信号光发生干涉，使第二本振光与第二信号光发生干涉，最后通过分别对两组干涉后的叠加光进行外差测量，得到一对光场正交分量，即正则动量p和正则坐标q；

(3)接收端将测得的q和p分别作为实部和虚部形成一个复数，然后按照与发送端相同的编码方式将所述复数编码为接收端原始密钥；