[发明专利]连续变量测量设备无关量子密钥分发系统及相位补偿方法

说明书

本发明属于量子通信技术领域，具体涉及连续变量测量设备无关量子密钥分发系统及相位补偿方法。为消除针对实际连续变量量子密钥分发系统中测量端的所有侧信道攻击，该系统包括两个发送端Alice和Bob，以及一个接收端Charlie。发送端主要包括激光模块、光学相位锁定模块、斩脉冲模块、信号光调制模块、时分复用和偏振复用模块。接收端主要包括偏振解复用模块、时钟恢复模块、光延时模块、90度光混频器模块和连续变量贝尔态测量模块。所提出的相位补偿方法包括光学相位锁定、慢漂相位估计、实时相位反馈和正交分量重映射四个部分，能够实现远距离独立量子态的连续变量贝尔态测量。

技术领域

本发明属于量子通信技术领域，具体涉及连续变量测量设备无关量子密钥分发系统及相位补偿方法。

背景技术

信息安全是现代社会健康发展的基石，随着经济和技术的发展，人们对通信安全的要求也越来越高。量子密钥分发可以通过不安全的量子通道实现远距离合法通信双方之间安全密钥的共享，其安全性由量子力学基本原理保证。量子密钥分发结合一次一密密码体制，可以实现无条件安全的保密通信。

量子密钥分发主要包括离散变量量子密钥分发和连续变量量子密钥分发两大技术途径，各具优势。连续变量量子密钥分发协议将密钥信息编码在量子化光场的正交分量上，使用低成本、高探测效率的平衡零拍探测器进行量子态的测量，与现有光纤通信网络技术更易于兼容。将信息编码在无限维希尔伯特空间中的编码方式，使得连续变量量子密钥分发在城域范围内可以提供更高的密钥率。此外，由于本振光(LO)的空间和时间滤波特性，连续变量量子密钥分发对量子通道中的各种噪声光子具有鲁棒性。

现实环境中，量子密钥分发的实际物理器件与理想模型之间的差异会导致各种安全漏洞，从而引起各种针对性的攻击。例如，目前已经提出多种针对实际探测器的攻击：波长攻击、校准攻击、LO起伏攻击、饱和攻击等。受纠缠交换思想的启发，测量设备无关量子密钥分发协议被提了出来，通过引入不可信的第三方Charlie对Alice和Bob发送的量子信号进行干涉从而实现贝尔态测量。测量设备无关量子密钥分发可以自然地消除所有针对探测装置的侧信道攻击，这是量子密钥分发实施过程中主要的安全漏洞之一。

相对于离散变量测量设备无关量子密钥分发的突破性进展，连续变量测量设备无关量子密钥分发在理论研究上也取得了显著的进展。此外，2015年，连续变量测量设备无关量子密钥分发得到了原理性实验验证，但在该实验演示中Alice和Bob两个发送方使用了同一个激光源，这并不适用于真实的测量设备无关量子密钥分发场景。另一方面，该实验利用了两个短距离无损耗的自由空间量子信道，并通过减小信号的调制方差模拟链路损耗。目前，基于长距离通信单模光纤的连续变量测量设备无关量子密钥分发的完整实验验证尚未发现公开报道。

基于长距离光纤的连续变量测量设备无关量子密钥分发的实验实现主要面临两个关键挑战。首先是如何在两个空间分离的独立激光器之间准确地建立可靠的相位参考并实现连续变量贝尔态测量。值得注意的是，连续变量贝尔态测量的相位控制要比离散变量贝尔态测量的相位控制更复杂，这是因为连续变量贝尔态测量不仅需要两个远距离独立激光器间以单光子水平干涉，而且还要求双零拍探测来同时测量一对共轭的正交分量。这就要求对双零拍探测的信号光和LO光之间的相对相位进行精确控制。

另一个问题来自于Charlie端不可信且不完美的平衡零拍探测器。平衡零拍探测器不完美的量子效率等效为光路的损耗，会不可避免地引入真空起伏噪声，它会与探测器的电子学噪声一起等效为总的探测噪声，窃听者可以完全控制和利用这些噪声来掩盖她的攻击。因此，连续变量测量设备无关量子密钥分发的性能在很大程度上取决于平衡零拍探测器的探测效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种连续变量测量设备无关量子密钥分发系统，以避免现实环境下系统测量端的缺陷所导致的所有侧信道攻击，并提供一种连续变量测量设备无关量子密钥分发系统的相位补偿方法，以解决系统中存在的相位漂移问题，并实现可靠的连续变量贝尔态测量。

为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：