[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

说明书

本发明提供了一种基于压缩态的混合调制连续变量QKD系统，包括发送方和接收方；发送方和接收方通过量子信道、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，经典信道用于传输经典光，进行基矢对比及后处理；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；接收方对接收到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。该系统采用压缩态为光源量子态，对其被压缩分量进行高斯调制，对其被拉伸分量进行离散调制；其充分结合了压缩态的特性与优势，与之前的采用相干光的单一调制方案相比，本方案噪声更小，误码率更低，协议效率更高，传输距离更远，实现了更高的信道容量。

技术领域

本发明涉及量子信息以及量子加密通信领域，具体涉及一种基于压缩态的混合调制连续变量QKD系统和方法。

背景技术

量子密钥分发(quantum key distribution，QKD)技术为远程的通信双方安全地分发密钥信息提供了一种切实可行的途径。其中，连续变量QKD因为其较高的探测效率和较强的抗干扰能力等优点而受到了广泛关注，成为近年来量子加密通信领域的研究热点。

目前的连续变量QKD有两种调制方式，一种是高斯调制，另一种是离散调制。其中，高斯调制的优点是光场正交分量的分布为高斯分布，能够实现较高的信道容量。但在长距离传输时，信道损耗和过量噪声会导致协调效率急剧下降，从而难以获得安全密钥。针对高斯调制所存在的问题，Leverrier和Grangier等人提出了离散调制方案。在离散调制方案中，通信双方以正交分量符号的正负来解调密钥信息，大大简化了密钥提取过程。使得连续变量QKD在远距离条件下也能获得正的密钥率，传输距离提高到了100Km以上。

在目前的连续变量QKD中，不论是高斯调制方案，还是离散调制方案，所使用的量子态都是相干态。相干态是一种极易制备的光量子态，且两个正交分量涨落相同，满足最小不确定度关系，利于信号的调制。但在连续变量QKD中，相干态并非是性能最佳的量子态。在高斯调制方案中，相干态虽然为最小不确定度态，但其任一正交分量的涨落均为真空量子涨落，无法进一步降低，限制了其密钥率的提升。相比之下，压缩态的某一正交分量的涨落由于压缩效应而被大幅降低，应用于高斯调制中可以大大提升信噪比，使信道容量接近香农极限。同样的，在离散调制方案中，相干态在信道损耗的影响下，其正交分量分布区域会向原点靠拢。由于离散调制以正交分量的符号进行编码，这会导致方案的固有误码率大幅上升。依赖后处理算法虽然仍可以提取出密钥，但密钥率会大大降低，限制了其实际性能。相比之下，压缩态的某一正交分量的涨落由于拉伸效应而被大幅增加。以被拉伸的分量作为离散调制中的编码量可以很好地免疫信道损耗对固有误码率的影响，从而提升密钥率。压缩态独有的特性使其无论在高斯调制中还是在离散调制中都能获得非常好的表现。因此，一种使用压缩态的、能同时进行高斯调制和离散调制的连续变量QKD技术非常有意义。

实际上，在最早的连续变量QKD方案中，所使用的量子态就是压缩态。但由于早期技术水平有限，压缩态的制备极为困难，导致使用压缩态的连续变量QKD方案被舍弃。如今，压缩态的制备技术已经获得了很大的提升，基于片上全光压缩和基于PPKTP压缩腔的高压缩度的压缩光均已被实现。因此使用压缩态的方案已不存在技术上的问题，具备较高的实际可行性。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，结合压缩态的特性与优势，提出了一种基于压缩态且使用高斯调制和离散调制的混合调制连续变量QKD系统和方法。

具体的，所述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。