[发明专利]一种基于压缩态的混合调制连续变量QKD系统和方法

权利要求书

1.一种基于压缩态的混合调制连续变量QKD系统，其特征在于，包括发送方和接收方；所述发送方和接收方通过量子信道和经典信道连接；其中：所述量子信道用于传输信号光和同步光，所述经典信道用于传输经典光，进行基矢对比及后处理；

所述发送方进行密钥序列的生成、量子态的制备和发送，与接收方进行基矢对比和后处理过程；

所述接收方对发送过来的量子态进行测量并记录数据，与发送方进行基矢对比和后处理过程；

所述发送方包括第一激光器、第一分束器、衰减器、可变光衰减器、光功率计、调制模块、发送端FPGA、发送端PC和波分复用器；

所述接收方包括接收端PC、接收端FPGA、光电转换模块、波分解复用器、第二分束器、第三分束器、本地振荡产生模块、第一探测器、第二探测器和减法器；

在所述接收方中，波解分复用器对接收到的信号进行解调，解调出的信号光和同步光分别发送给第三分束器和第二分束器；

所述发送方的发送端PC与所述接收方的接收端PC通过经典信道相连；所述发送方的波分复用器与所述接收方的波分解复用器通过量子信道相连；

在所述发送方中，所述第一激光器具有同步输入端口和两个光输出端口；所述发送端FPGA包括一个输入端口和两个输出端口；所述调制模块包括控制端口、输入端口和输出端口；所述波分复用器包括两个输入端口和一个输出端口；所述第一分束器包括一个输入端口和两个输出端口；

所述第一激光器的一个光输出端口经过衰减器与第一分束器的输入端口连接，第一分束器的一个输出端口与光功率计相连，另一个输出端口通过可变光衰减器与调制模块的输入端口相连；所述发送端PC与发送端FPGA的输入端口相连，发送端FPGA的两个输出端口分别与第一激光器的同步输入端口、调制模块的控制端口相连；所述波分复用器的两个输入端口分别与调制模块的输出端口以及第一激光器的另一个光输出端口连接；波分复用器的输出端口通过量子信道与接收方连接；

在所述接收方中，所述第二分束器包括一个输入端口和两个输出端口，第三分束器包括两个输入端口和两个输出端口；所述波分解复用器包括一个输入端口和两个输出端口；所述光电转换模块包括一个输入端口和一个输出端口；所述接收端FPGA包括两个输入端口和一个输出端口；所述本地振荡产生模块包括两个输入端口和一个输出端口；

所述接收端PC一端与发送端PC通过经典信道相连，另一端与接收端FPGA的一个输入端口相连；所述接收端FPGA的另一个输入端口与所述光电转换模块的一个输出端口相连，接收端FPGA的输出端口与本地振荡产生模块的一个输入端口相连；所述波分解复用器的输入端口与发送方的波分复用器的输出端口连接，两个输出端口分别与第二分束器、第三分束器的输入端口连接；所述第二分束器的两个输出端口分别与所述光电转换模块的输入端口、本地振荡产生模块的另一个输入端口相连；所述第三分束器的另一个输入端口与本地振荡产生模块的光输出端口相连，两个输出端口分别与第一探测器和第二探测器相连；所述第一探测器、第二探测器均通过减法器与接收端PC相连；

所述第二分束器将一部分同步光分束后发送给光电转换模块，用于提供同步触发信号，将另一部分同步光分给本地震荡产生模块，用于检测偏振态；

所述接收端FPGA通过其输入端口接收来自接收端PC的调制序列，在光电转换模块的控制触发信号作用下，通过本地震荡产生模块实现对光脉冲的同步调制；

所述本地振荡产生模块通过检测同步光信号的偏振间接测量出信号光的偏振，根据此偏振结果调制出与信号光偏振和频率相同的本地振荡光，并调制本地振荡光与信号光之间的相位，选择所要测量的正交分量；

所述第三分束器接收来自本地振荡产生模块的本振光脉冲和波分解复用器的信号脉冲，使两束光脉冲进行干涉；

所述第一探测器和第二探测器分别对第二分束器的两个输出端口的信号进行探测；所述减法器对两个探测器的输出电流强度进行减法运算，获得所测量脉冲信号的某一正交分量信息，将其发送给接收端PC；

所述接收端PC记录下接收到的数据，与发送端PC通过经典通信的方式进行基矢对比、噪声分析及后处理操作；

压缩态为平移压缩真空态，其表达式为|ψ＝|α,ξ＝D(α)S(ξ)|0，其中，S(ξ)是压缩算符，D(α)为平移算符，均是对相空间中正交分量涨落区域的操作；ξ＝re^iθ,为压缩参量，其中，0≤r＜∞，称为压缩幅，用于描述压缩态的压缩程度；0≤θ＜2π，用于描述在相空间中的压缩方向；α＝X₁+iX₂，其为相平面中的一个复数，用于描述平移算符对涨落区域的平移量；X₁和X₂分别代表该平面中的横坐标和纵坐标；

混合调制，即对压缩态同时进行高斯调制和离散调制，以X₁进行离散调制，X₂进行高斯调制为例，得出X₁的统计分布为：

其中：

φ₁(X₁)和φ₂(X₁)分别为X₁编码比特为0和1时的概率分布；X₁的统计分布形式为两个方差相同，均值不同的高斯分布的叠加；则相应的，以X₁的概率分布F(X₁)为概率密度函数来对X₂的数值进行调制，使两个分量具有相同统计分布；与此同时，高斯调制的密钥信息也以高斯随机数的形式加载到X₂上；

所述混合调制连续变量QKD系统的实现包括以下步骤：

步骤一：生成序列；位于发送方的发送端PC生成长度为n的三组序列{a_n}、{b_n}和{c_n}；其中，序列{a_n}和{b_n}为二进制随机序列，分别用于决定编码的正交分量和所编码的比特值；序列{c_n}为一组长度为n的随机变量，其取值的概率密度为：

其中：

φ₁(X)和φ₂(X)分别为X编码比特为0和1时的概率分布；其目的是对被压缩分量进行高斯调制，同时使两个正交分量的统计分布相一致；此外，位于接收方的接收端PC生成一组长度为n的二进制随机序列{d_n}，用于决定接收端所选取的测量基；

步骤二：量子态调制；发送端PC通过发送端FPGA控制调制模块对衰减过后的光脉冲进行量子态调制；先通过压缩机制调制出压缩真空态，完成基矢的选择，再通过平移机制调制出平移压缩真空态，完成比特的加载；由步骤一中生成的{a_n}、{b_n}和{c_n}序列来调制压缩态中的θ、和三个参数，和分别为涨落区域在相空间中沿X₁和X₂坐标轴平移的数值；当θ值为π时，对X₁分量进行离散调制，则将涨落区域沿X₁方向平移以完成比特的加载，而对X₂分量进行高斯调制的量子态；当θ值为0时，对X₂分量进行离散调制，则将涨落区域沿X₂方向平移以完成比特的加载，而对X₁分量进行高斯调制的量子态；

发送方完成量子态调制后，将光脉冲发送给接收方；

步骤三：零差探测；接收方接收到量子信号后，根据生成的序列{d_n}来选择测量基进行零差探测；当d_n为0时，调制信号光与本振光的相对相位为0，此时本振光将对信号光的X₂分量进行放大，用于测量X₂分量；当d_n为1时，调制信号光与本振光的相对相位为π/2，此时本振光将对信号光的X₁分量进行放大，用于测量X₁分量；

步骤四：基矢对比；在完成一组信号的发送和测量后，发送方和接收方进行基矢对比，告知对方所采取的制备基和测量基；接收方根据发送方的基选择来确定每次测量结果所需要采取的成码方式；若测量的分量为压缩分量，则根据高斯调制方式进行解码；若测量的分量为拉伸分量，则根据离散调制方式进行二进制的解码；

步骤五：窃听检测；发送方随机地选取一半保留的结果用于窃听检测，并将这部分数据公开，接收方根据测量数据计算相应的“噪声”，若“噪声”高于阈值，则终止协议，重新从第一步开始；

步骤六：后处理；发送端和接收端进行数据后处理，最终得到安全密钥；其中，数据后处理包括数据协调和和保密增强步骤。