[发明专利]用于传输和接收量子密钥的发射器和接收器

说明书

发射器提供用于通过网络传输量子密钥的光信号。发射器包括第一生成器，用于生成量子信号，量子信号包括帧序列。发射器包括第二生成器，用于生成导频信号。导频信号包括与帧序列同步的签名序列。发射器包括光调制器，用于基于量子信号和导频信号对光载波进行调制来生成光信号。提出了一种相应的接收器，用于接收光信号和提取量子密钥。

技术领域

本发明大体上涉及通信网络技术领域。特别地，本发明涉及量子密钥分发。

背景技术

量子密钥分发(quantum key distribution，QKD)基于量子载波，也称为量子信号，通常为单光子或强衰减光脉冲，用于共享秘密电子密钥。这种光脉冲序列，即量子信号序列，通过量子信道从发射器传输到接收器，其中每个光脉冲对一个秘钥位进行编码。光的量子特性，特别是海森堡不确定性原理，确保了读取这些秘钥位时会干扰光子的量子状态。然后，利用附加经典信道上的公共通信来估计潜在窃听者可能已获取的最大信息量，并从原始数据中提取秘密密钥。

以往已提出并实现了几种实用的量子密钥分发方案，包括离散变量和连续变量(continuous-variable，CV)量子密钥分发(QKD)。CV QKD系统利用连续量子变量，如电场幅度，作为取代传统光子计数QKD技术的潜在有效方法。从实用的角度来看，CV方法具有潜在的优势，因为它与标准光通信技术兼容。

目前的CV QKD系统利用从发射器传输到接收器的参考脉冲来估计信道损伤，并依靠离散脉冲对量子信号进行编码。例如，Sebastian Kleis、Reinhold Herschel和Christian G.Schaffer在OSA的CLEO 2015年刊上发表的文章《利用多进制相移键控的连续变量量子密钥分发的简单而有效的检测方案》(“Simple and Efficient DetectionScheme for Continuous Variable Quantum Key Distribution with m-ary Phase-Shift-Keying”)中，提出了通过传输特殊参考信号(例如其他频率上的强导频音)来补偿信道损伤。Bing Qi、Pavel Lougovski、Raphael Pooser、Warren Grice和Miljko Bobrek在Phys.Rev.X的2015年刊(刊号5,041009)上发表的文章《基于相干检测在连续变量量子密钥分发中生成本地振荡器》(“Generating the local oscillator locally in continuous-variable quantum key distribution based on coherent detection”)，D.Huang,P.Huang,D.Lin,C.Wang,and G.Zeng在Optics Letters的2015年刊(刊号40,3695)上发表的文章《无需发送本地振荡器的高速连续变量量子密钥分发》(“High-speed continuous-variable quantum key distribution without sending a local oscillator”)，以及Daniel B.S.Soh、Constantin Brif、Patrick J.Coles、Norbert Lutkenhaus、RyanM.Camacho、Junji Urayama和Mohan Sarovar在Phys.Rev.X的2015年刊(刊号5,041010)上发表的文章《自参考连续变量量子密钥分发协议》(“Self-referenced continuous-variable quantum key distribution protocol”)中，建议根据与量子信号在不同时间传输的参考脉冲来补偿信道损伤。

在QKD以外的已知通信系统中，数据的同步信息通常插入到数据流中。同步信息可以是前导或其他用于定义帧的确切起点的唯一数据签名。在QKD系统中，量子信号的信号电平非常低，因此不可能通过量子信号中长度为一个符号或几个符号的前导来指示帧的起点，而是需要一个非常长的前导，这将大大降低可用于密钥分发的数据速率。