[發明專利]一種基于壓縮態的離散調制連續變量QKD系統和方法

在審

• 申請號: 201911425922.6
• 申請日: 2019-12-31
• 公開（公告）號: CN111245606A
• 公開（公告）日: 2020-06-05
• 發明（設計）人: 郭邦紅;劉剛;胡敏
• 申請（專利權）人: 華南師范大學
• 主分類號: H04L9/08
• 分類號: H04L9/08
• 代理公司: 廣州圣理華知識產權代理有限公司 44302
• 代理人: 頓海舟;李唐明

本發明提供了一種基于壓縮態的離散調制連續變量QKD系統，包括發送方和接收方；發送方和接收方通過量子信道、經典信道連接；其中：所述量子信道用于傳輸信號光和同步光，經典信道用于傳輸經典光，進行基矢對比及后處理；發送方進行密鑰序列的生成、量子態的制備和發送，與接收方進行基矢對比和后處理過程；接收方對接收到的量子態進行測量并記錄數據，與發送方進行基矢對比和后處理過程。該系統采用壓縮態為光源量子態，其正交分量符號對信道損耗具有一定免疫性，增加了其傳輸距離。在遠距離傳輸下，能維持較低的誤碼率，提高了遠距離情況下的密鑰率。通過與離散調制連續變量QKD協議相結合，使得密鑰解調過程大幅簡化，對后處理算法要求大大降低。

技術領域

本發明涉及量子信息以及量子加密通信領域，具體涉及一種基于壓縮態的離散調制連續變量QKD系統和方法。

背景技術

量子密鑰分發(quantum key distribution,QKD)技術為遠程的通信雙方安全地分發密鑰信息提供了一種切實可行的途徑。現階段的QKD技術主要分為兩大類，一種是離散變量QKD(DV-QKD)，即發送方所制備發送的量子態在希爾伯特空間中是離散的，有限個數的；另一種是連續變量QKD(CV-QKD)，即發送方所制備發送的量子態在希爾伯特空間中是連續的，無限個數的。其中，DV-QKD主要以相位和偏振兩種物理量加載密鑰信息，而CV-QKD則以光場量子態的正交分量加載密鑰信息。相比于DV-QKD，CV-QKD最大的優勢就在于其探測效率遠高于DV-QKD,且其抗干擾能力也遠強于DV-QKD方案。

DV-QKD最初采用高斯調制，最大的特點就是采用正交分量的具體數值進行成碼。這種調制方式的最大好處是一個正交分量的數值可以解碼出多個彼特值，大大提高了密鑰率。但缺點也是顯而易見的，高斯調制的解碼過程比傳統的二進制調制的解碼過程復雜地多。在信道損耗和額外噪聲的影響下，高斯調制的解碼愈發困難。高斯調制的CV-QKD雖在短距離傳輸中有著不錯的密鑰率，但隨著傳輸距離的增加，密鑰率也隨之急劇下降，導致CV-QKD的傳輸距離難以超過100Km。

為了使CV-QKD能夠適用于更長的距離，Leverrier和Grangier小組提出了一種基于離散調制的連續變量量子密鑰分發協議：四態協議，并對其安全性進行了證明。四態協議使用相干態作為光源的量子態來加載密鑰信息。與高斯調制不同，離散調制的四態協議以正交分量符號的正負來解調密鑰信息，從而大大簡化了密鑰提取過程。使得CV-QKD在低信噪比情況下也能獲得正的密鑰率，傳輸距離提高到了100Km以上。但是，由于離散調制CV-QKD是以正交分量的符號來加載信息，致使其調制方差遠遠小于高斯調制下的調制方差，光脈沖強度要弱很多，從某一程度上降低了其信噪比。另一方面，由于信道損耗和額外噪聲的存在，使得相干態在經過長距離傳輸后，正交分量的漲落區域向原點靠攏，正交分量符號的隨機性增加，從而導致誤碼率大幅上升。依賴后處理算法雖然仍可以提取出密鑰，但密鑰率會大大降低，限制了其實際應用。

因此，針對現有技術中存在的問題，亟需提供一種高速率、遠距離傳輸的基于壓縮態的離散調制連續變量QKD技術顯得尤為重要。

發明內容

本發明的目的是克服現有技術的不足，提出了一種利用壓縮態在信道損耗下的演化特性，以被拉伸正交分量的符號加載量子比特，且能以高速率、遠距離傳輸的基于壓縮態的離散調制連續變量QKD系統和方法。

具體的，壓縮態為平移壓縮真空態，其表達式為|ψ＝|α,ξ＝D(α)S(ξ)|0＞，其中，S(ξ)是壓縮算符，D(α)為平移算符，均是對相空間中正交分量漲落區域的操作。ξ＝re^iθ,為壓縮參量，其中，0≤r＜∞，稱為壓縮幅，用于描述壓縮態的壓縮程度；0≤θ＜2π，用于描述在相空間中的壓縮方向；α＝X₁+iX₂，其為相平面中的一個復數，用于描述平移算符對漲落區域的平移量；X₁和X₂分別代表該平面中的橫坐標和縱坐標。