[发明专利]同时传输经典信息和进行量子密钥分发的系统及方法

说明书

一种同时传输经典信息和进行量子密钥分发的系统及方法，使用脉冲激光器发送相干光脉冲，调制模块分别将经典信息和量子信息编码调制到脉冲激光器产生的相干光脉冲的单个相干态上，可调光衰减器模块将调制后的相干态衰减到量子级别，信道传输模块将时分偏振复用后的信号通过自由空间链路中传输给接收方，偏振控制器，对接收到从自由空间路中传输后的信号调整偏振态，光学放大器对偏振态信号进行放大，探测器探测放大后的信号解调后，得到载体上的经典信息和量子信息。本发明在自由空间有限码长效应下经典通信和量子通信同步传输，具有更广阔的应用场景和更接近实际应用的优点。

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及量子信息技术领域中的一种同时传输经典信息和进行量子密钥分发的系统及方法。本发明可用于自由空间链路中同时传递由连续变量组成的量子信息和经典信息。

背景技术

量子信息技术领域中的一种同时传输经典信息和进行量子密钥分发的系统及方法，引入数学理论的经典密码学，使密码学成为了一门严谨且系统的学科。但是，经典密码学的安全性基于数学问题的计算复杂度，其只能保证一段时间的计算安全性。随着计算水平的提高，如果量子计算机得到实现，现有的基于计算复杂度的加密算法将不堪一击。不同于安全性依赖于数学计算复杂度的经典密码学，量子密码学的安全性依赖于物理手段，即用于加密的密钥在理论上具有真随机性以及能保证足够长量子密钥的安全分发。量子保密通信是建立在量子密码学基础上的，它的安全性是依靠量子力学的物理定律，而并非依赖于数学计算复杂度。量子密钥分发QKD(Quantum key distribution)是量子保密通信的核心，是当前最重要、最主流的量子通信技术。QKD是指通信双方以量子态作为信息的载体，通过量子信道传输，从而在通信双方之间协商出密钥的一种密钥分发方法。QKD过程中对量子态的传输，是依靠对光子进行编码、传输、测量实现的，因此QKD协议协商密钥的过程主要包括光源发出光脉冲、对光脉冲进行编码、测量端对光脉冲进行测量并公布测量结果、通信用户生成密钥等过程。目前，量子密钥分发技术可实现两认证用户间的安全密钥分发，受限于实际环境的各种因素。目前QKD主要分为两个分支，即离散变量DVQKD(Discrete VariableQuantum key distribution)和连续变量CVQKD(Continuous Variable Quantum keydistribution)。CVQKD因具有很高的探测效率且能够与现有的相干光通信系统进行很好的兼容而受到研究者的广泛关注。

Bing Qi在其发表的论文“Simultaneous classical communication andquantum key distribution using continuous variables”(PHYSICAL REVIEW A 94,042340(2016))中提出了一种允许使用相同的通信基础设施同时实现经典通信和QKD的方案。更特别地说，提出了一种相干通信方案，其中经典通信的位和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解码。基于实际系统参数的仿真结果表明，在数十公里的单模光纤上，可以实现比特误码率为10^-9的确定性经典通信和安全的密钥分配。但是，该方法仍然存在不足之处：其一，在实际传输过程中，除了在光纤信道中传输，在自由空间链路中传输也应用广泛，光纤信道传输受限，需要大量光纤覆盖，只能在光纤中传输，受山地河流等因素影响，某些条件下不能铺设光纤进行传播，具有很大的局限性。其二，在实际应用场景当中，数据长度是有限的，而该方法只在理论分析假设数据长度是无限的情况，不进行有限码长效应的分析，只考虑了理论情况，忽略了实际应用中造成偏差。