[發明專利]相位敏感放大技術增強的連續變量量子密鑰分發系統

有效

• 申請號: 202010318851.6
• 申請日: 2020-04-21
• 公開（公告）號: CN111541536B
• 公開（公告）日: 2021-09-28
• 發明（設計）人: 王大偉;陳彥鈞;李凡;李朝暉
• 申請（專利權）人: 中山大學
• 主分類號: H04L9/08
• 分類號: H04L9/08;H04B10/70;H04B10/50;H04B10/532;H04B10/556;H04B10/64
• 代理公司: 深圳市恒和大知識產權代理有限公司 44479
• 代理人: 蔡衛娟

本發明公開了一種相位敏感放大技術增強的連續變量量子密鑰分發方法，該方法為：光發射機將量子信號調制成的射頻信號進行調制并產生發射光信號，發射光信號輸入至相位敏感放大器并進行放大，光接收機在接收到放大后的發射光信號后進行解調以恢復再生出量子信號。本發明還公開了一種相位敏感放大技術增強的連續變量量子密鑰分發系統，由光發射機、相位敏感放大器和光接收機組成，光發射機與量子信號調制出發射光信號；相位敏感放大器對發射光信號進行同相放大、異相衰減；光接收機對放大后的發射光信號進行解調以恢復再生出量子信號。本發明給出了一個詳細的可實現的系統方案，本系統的硬件復雜度低，可以兼容目前的高斯、四態等CVQKD協議。

技術領域

本發明涉及量子保密通信技術領域，具體相位敏感放大技術增強的連續變量量子密鑰分發系統。

背景技術

隨著量子物理和量子信息論的興起，憑借量子信號的獨有屬性，人們提出了具有無條件安全性的量子密鑰分發(Quantum Key Distribution，QKD)技術。量子密鑰分發通過特定的量子態承載密鑰信息，在合法的通信雙方之間生成一組安全密鑰。量子力學中的不確定性原理和不可克隆原理保障了其在信道中存在竊聽者時的安全性。量子密鑰分發技術目前有兩種主流的實現方式，離散變量量子密鑰分發(Discrete-variable Quantum KeyDistribution，DVQKD)和連續變量量子密鑰分發(Continuous-variable Quantum KeyDistribution，CVQKD)。

然而現有CVQKD技術性能受限于接收機的轉換效率與熱噪聲水平。具體原因：為了方便討論，參考密碼學中的協定，下文將稱密鑰分發的發射機部分稱為Alice，接收機部分稱為Bob，第三方潛在竊聽者稱為Eve。CVQKD的安全性在于密鑰信息被編碼在了相干態的一對非正交的正則分量上。在反向協商的前提下，Alice和竊聽者Eve根據各自手中的數據同時去猜測Bob手中的密鑰數據。根據量子不確定性原理，二者對于Bob的兩個非正交分量的估計不確定度的乘積有一個下限。也就是說，Alice和Bob可以通過估計二者之間的數據的協方差判斷竊聽者可能獲得的信息的上限，進而通過保密增強等技術手段將最終的安全密鑰從原始數據中提取出來。值得注意的是，Alice和Eve之間的不確定度下限在CVQKD系統中完全由真空噪聲決定，除此之外理論上任何的額外噪聲，甚至包括傳輸信道的衰減，都理應看作來自竊聽者的竊聽行為。因而CVQKD系統在實際情況下面臨來自不同器件自身噪聲的限制。特別是CVQKD使用的平衡探測器自身的光電轉換效率和電子熱噪聲。受技術限制，如今的平衡探測器在高速率情況下很難取得高的轉換效率和低的熱噪聲，導致CVQKD的系統速率和傳輸距離嚴重受限。

現有PSA技術依賴于基于光學參量過程的光學克隆機，結構復雜而且會引入額外的噪聲。具體原因：現有PSA技術并非針對QKD而設計，忽視了很多QKD技術獨有的性質。例如，經典通信場景中(比如密集波分復用系統)，發送端的信號格式與帶寬已經固定，信號信道之間幾乎沒有空閑帶寬，這導致現有PSA必須借助一個基于參量過程的光學克隆機，克隆出一個有效信號的副本，才能通過第二階段的參量過程實現有效信號所有相位的低噪聲放大。而QKD系統的發送端信號不受這個限制，有足夠的空閑帶寬實現本發明提出的“數字化”克隆機。另一方面，現有的PSA方案并不會重點考慮泵浦對信號的功率泄露，泵浦自身功率可以很高，而在QKD系統中，量子信道對于任何噪聲都極其敏感，加上由于系統帶寬受限，泵浦信號在頻率上與量子信道距離遠小于經典通信，因此在應用PSA增強的QKD時，PSA的泵浦功率需要限制。

發明內容

為了解決上述問題，本發明提出了相位敏感放大技術增強的連續變量量子密鑰分發方法及系統，本發明緩解了目前光探測器的效率與噪聲對CVQKD系統性能的限制，提出了一種“數字化”克隆機，使得PSA技術不再依賴于基于光學參量過程的光學克隆機，也不會因克隆機結構復雜而引入過多的額外噪聲，并且產生的量子信號副本質量上也有很大提升。本發明使用相干外差接收機實現PSA放大之后的信號解調，相比于主流的相干零差接收機結構更加簡單，量子信號的解調主要在數字域實現，精確度比主流的相干零差接收機要高。