[发明专利]一种基于压缩态的离散调制连续变量QKD系统和方法

说明书

本发明提供了一种基于压缩态的离散调制连续变量QKD系统，包括发送方和接收方；发送方和接收方通过量子信道、经典信道连接；其中：所述量子信道用于传输信号光和同步光，经典信道用于传输经典光，进行基矢对比及后处理；发送方进行密钥序列的生成、量子态的制备和发送，与接收方进行基矢对比和后处理过程；接收方对接收到的量子态进行测量并记录数据，与发送方进行基矢对比和后处理过程。该系统采用压缩态为光源量子态，其正交分量符号对信道损耗具有一定免疫性，增加了其传输距离。在远距离传输下，能维持较低的误码率，提高了远距离情况下的密钥率。通过与离散调制连续变量QKD协议相结合，使得密钥解调过程大幅简化，对后处理算法要求大大降低。

技术领域

本发明涉及量子信息以及量子加密通信领域，具体涉及一种基于压缩态的离散调制连续变量QKD系统和方法。

背景技术

量子密钥分发(quantum key distribution,QKD)技术为远程的通信双方安全地分发密钥信息提供了一种切实可行的途径。现阶段的QKD技术主要分为两大类，一种是离散变量QKD(DV-QKD)，即发送方所制备发送的量子态在希尔伯特空间中是离散的，有限个数的；另一种是连续变量QKD(CV-QKD)，即发送方所制备发送的量子态在希尔伯特空间中是连续的，无限个数的。其中，DV-QKD主要以相位和偏振两种物理量加载密钥信息，而CV-QKD则以光场量子态的正交分量加载密钥信息。相比于DV-QKD，CV-QKD最大的优势就在于其探测效率远高于DV-QKD,且其抗干扰能力也远强于DV-QKD方案。

DV-QKD最初采用高斯调制，最大的特点就是采用正交分量的具体数值进行成码。这种调制方式的最大好处是一个正交分量的数值可以解码出多个彼特值，大大提高了密钥率。但缺点也是显而易见的，高斯调制的解码过程比传统的二进制调制的解码过程复杂地多。在信道损耗和额外噪声的影响下，高斯调制的解码愈发困难。高斯调制的CV-QKD虽在短距离传输中有着不错的密钥率，但随着传输距离的增加，密钥率也随之急剧下降，导致CV-QKD的传输距离难以超过100Km。

为了使CV-QKD能够适用于更长的距离，Leverrier和Grangier小组提出了一种基于离散调制的连续变量量子密钥分发协议：四态协议，并对其安全性进行了证明。四态协议使用相干态作为光源的量子态来加载密钥信息。与高斯调制不同，离散调制的四态协议以正交分量符号的正负来解调密钥信息，从而大大简化了密钥提取过程。使得CV-QKD在低信噪比情况下也能获得正的密钥率，传输距离提高到了100Km以上。但是，由于离散调制CV-QKD是以正交分量的符号来加载信息，致使其调制方差远远小于高斯调制下的调制方差，光脉冲强度要弱很多，从某一程度上降低了其信噪比。另一方面，由于信道损耗和额外噪声的存在，使得相干态在经过长距离传输后，正交分量的涨落区域向原点靠拢，正交分量符号的随机性增加，从而导致误码率大幅上升。依赖后处理算法虽然仍可以提取出密钥，但密钥率会大大降低，限制了其实际应用。

因此，针对现有技术中存在的问题，亟需提供一种高速率、远距离传输的基于压缩态的离散调制连续变量QKD技术显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提出了一种利用压缩态在信道损耗下的演化特性，以被拉伸正交分量的符号加载量子比特，且能以高速率、远距离传输的基于压缩态的离散调制连续变量QKD系统和方法。

具体的，压缩态为平移压缩真空态，其表达式为|ψ＝|α,ξ＝D(α)S(ξ)|0＞，其中，S(ξ)是压缩算符，D(α)为平移算符，均是对相空间中正交分量涨落区域的操作。ξ＝re^iθ,为压缩参量，其中，0≤r＜∞，称为压缩幅，用于描述压缩态的压缩程度；0≤θ＜2π，用于描述在相空间中的压缩方向；α＝X₁+iX₂，其为相平面中的一个复数，用于描述平移算符对涨落区域的平移量；X₁和X₂分别代表该平面中的横坐标和纵坐标。