基于单SPD的QKD系统公共相位差估算方法及系统

摘要

本发明公开了一种基于单SPD的QKD系统公共相位差估算方法及系统，其中，通过由发送端生成包含特定多个强参考光脉冲的周期性信号，并在多个参考光脉冲上加载特定多种调制相位，同时在Charlie端利用单个SPD探测得到对应于参考光脉冲之间干涉信号的探测结果之后，利用特定的算法准确估算得出QKD系统中的公共相位差，由此可以在不增加或者改变任何硬件组成的情况下辅助具有单个SPD的TF类QKD系统的成码，使得基于单个SPD实现的TF类QKD的实用化和产品化进程得到进一步推动。

说明书

技术领域

本发明涉及量子光学和量子信息领域，具体涉及一种基于单个单光子探测器(SPD)的双场(TF)类QKD系统中公共相位差的估算方法，以及基于此估算方法实现的具有单个SPD的TF类QKD系统。

背景技术

由于量子计算机的发展，经典加密技术的安全性正面临巨大的威胁，而随着科技的发展，在军事、政务、金融等领域人们对信息安全问题越来越重视。QKD具有经典密码学无法比拟的优势，其能够提供理论上的无条件安全的密钥传输。

在过去的几十年里QKD领域取得了重大进展，超过400公里的光纤及超过1000公里星地链路的QKD实验，充分表明长距离点对点QKD的可行性。但与此同时，无中继QKD的密钥传输能力却存在一些基本的限制，即由英国约克大学和英国伦敦大学学院于2017年提出的PLOB界。PLOB界是无中继QKD的成码率上界，由于通道透过率较小时，成码率和通道透过率的关系是线性的，因此该上界也被称为无中继QKD的线性成码率上界。传统的协议如BB84协议和MDI-QKD协议等其成码率均未超过PLOB界，而2018年以后相继提出的TF类QKD打破了PLOB界，TF类QKD在远距离实用化的QKD中具有非常大的潜力。到目前为止，TF类QKD协议大体上可以分为三种，分别为发送或不发送TF-QKD方案、相位匹配QKD方案、免相位后选择的QKD方案。

在执行TF类QKD协议的现有技术中，Charlie(测量端)通常使用两个SPD进行测量以用于完成QKD系统的成码，而相关研究表明，通过单个SPD的测量也可以完成QKD系统的成码。然而，TF类QKD方案中的关键技术之一是对Alice(发送端)和Bob(发送端)光脉冲之间公共相位差的估计。在现有技术中，均需要使用两个SPD来完成这种公共相位差估计，即，在公共相位差估计阶段，Alice和Bob发送强参考光脉冲至Charlie进行干涉，并通过两个SPD的探测结果来得到Alice和Bob的公共相位差，如图1所示。而在利用单个SPD实现TF类QKD协议的系统中，对于系统中公共相位差的估计目前尚无相关研究报道。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明公开了一种基于单个SPD的TF类QKD系统中公共相位差的估算方法，以及由此实现的TF类QKD系统。其中，通过由发送端生成包含特定多个强参考光脉冲的周期性信号，并在多个参考光脉冲上加载特定多种调制相位，同时在Charlie端利用单个SPD探测得到对应于参考光脉冲之间干涉信号的探测结果之后，利用特定的算法准确估算得出QKD系统中的公共相位差

具体而言，本发明的第一方面涉及一种基于单个SPD的TF类QKD系统中公共相位差的估算方法，其包括周期信号生成步骤、相位调制步骤、干涉步骤和估算步骤；

在所述周期信号生成步骤中，在Alice端内生成第一周期性信号，在Bob端内生成第二周期性信号，所述第一周期性信号包括L个第一参考光脉冲，第二周期性信号包括L个第二参考光脉冲，L≥3；

在所述相位调制步骤中，在Alice端内对第一参考光脉冲进行相位调制，其中，所述L个第一参考光脉冲上具有M

在所述干涉步骤中，使第一周期性信号和第二周期性信号进入Charlie端并发生干涉以生成干涉信号，利用单个SPD对干涉信号进行探测并输出干涉结果；

在所述估算步骤中，利用所述第一参考光脉冲和第二参考光脉冲的干涉结果，估算公共相位差

进一步地，在所述估算步骤中，利用一个周期内的干涉结果估算公共相位差

进一步地，在所述估算步骤中，利用N个周期内的干涉结果估算公共相位差

优选地，L取值为4，且在一个周期内，第一和第二参考光脉冲中的一个具有四种调制相位，其分别为0、π/2、π和3π/2，第一和第二参考光脉冲中的另一个具有一种调制相位，其为0、π/2、π和3π/2之一。

更优选地，

本发明的第二方面涉及一种基于单个SPD的TF类QKD系统，其包括Alice端、Bob端和Charlie端；

所述Alice端被设置用于生成第一周期性信号，其具有L个第一参考光脉冲，且L个第一参考光脉冲上被调制有M

所述Bob端被设置用于生成第二周期性信号，其具有L个第二参考光脉冲，且L个第二参考光脉冲上被调制有M

所述Charlie端被设置用于使第一和第二周期性信号发生干涉以生成干涉信号，利用单个SPD对干涉信号进行探测以得到干涉结果，并利用所述第一和第二参考光脉冲的干涉结果估算公共相位差

进一步地，所述周期性信号中还包括量子光信号。

进一步地，所述Charlie端被设置用于：

利用一个周期内的干涉结果估算公共相位差

利用N个周期内的干涉结果估算公共相位差

优选地，L取值为4，且在一个周期内，第一和第二参考光脉冲中的一个具有四种调制相位，其分别为0、π/2、π和3π/2，第一和第二参考光脉冲中的另一个具有一种调制相位，其为0、π/2、π和3π/2之一。

优选地，本发明的TF类QKD系统可以被设置成利用上述估算方法，估算公共相位差

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图来获得其他的附图。

图1示意性地示出了现有技术的TF类QKD系统，其Charlie端使用两个SPD实现干涉探测及公共相位差的估算；

图2示意性地示出了根据本发明的TF类QKD系统，其Charlie端仅使用单个SPD实现干涉探测及公共相位差的估算；

图3示出了根据本发明的发送端(Alice/Bob)输出的周期性信号的一种示例。

具体实施方式

在下文中，本发明的示例性实施例将参照附图来详细描述。下面的实施例以举例的方式提供，以便充分传达本发明的精神给本发明所属领域的技术人员。因此，本发明不限于本文公开的实施例。

图2示意性地示出了根据本发明的TF类QKD系统，其包括Alice端、Bob端和Charlie端，其中，Charlie端中设置有单个用于对干涉信号进行探测的单光子探测器(SPD)。

Alice端和Bob端作为发送端，被设置用于分别向Charlie端发送第一周期性信号和第二周期性信号。

第一周期性信号可以包括第一量子光脉冲、第一参考光脉冲及真空态部分，其中：第一量子光脉冲承载有编码信息，用于QKD成码；第一参考光脉冲用于估算公共相位差

第二周期性信号可以包括第二量子光脉冲、第二参考光脉冲及真空态部分，其中：第二量子光脉冲承载有编码信息，用于QKD成码；第二参考光脉冲用于估算公共相位差

在本发明中，第一周期性信号中可以包含有L个第一参考光脉冲，同时第二周期性信号中也包含有L个第二参考光脉冲。并且，同一周期内，第l个第一参考光脉冲手与第l个第二参考光脉冲在Charlie端处发生干涉以生成干涉信号，由此允许通过对干涉信号进行单光子探测得到的干涉结果，估算公共相位差

为能够借助单个SPD的干涉结果估算公共相位差

进一步地，在本发明的发送端(Alice和Bob)内，还借助相位调制器PM对参考光脉冲进行调制。

具体而言，在Alice端中，可以借助相位调制器PM分别对周期性信号中的L个第一参考光脉冲加载调制相位

同时，在Bob端中，可以借助相位调制器PM分别对周期性信号中的L个第二参考光脉冲加载调制相位

根据本发明，Alice端和Bob端借助相位调制器加载于参考光脉冲上的调制相位的种数M

继续参见图2，当Alice端和Bob端发送的第一和第二周期性信号进入Charlie端时，L个第一参考光脉冲中的第l个(l＝1，...，L)将会在例如分束器BS处与L个第二参考光脉冲中的第l个发生干涉作用，并借助单个SPD(例如图2中的SPD1)对干涉信号进行探测，得到干涉结果N

由于SPD的探测效率是已知的，因此，Charlie端中SPD对于第l个参考光脉冲的干涉信号的响应概率P

N

其中，γ

由于参考光脉冲数量L被设置成L≥3，且第一和第二参考光脉冲上加载的调制相位

由于QKD系统信道损耗波动等原因，SPD1探测到的光子数也可能发生波动，因此，在一个优选示例中，可以通过N个周期的累计和评估来降低/抵消此影响，准确估算得到公共相位差

在该优选示例中，可以根据

其中，kn为常数，表示第n个周期的总响应计数，n＝1、2、3......N；

在本发明中，可以根据发送端中激光器光源的相位波动速率、QKD系统信道相位波动速率、单光子探测器的性能等因素确定N的取值，其通常可以通过具体的QKD系统测得，且在N个时间周期内，公共相位差

为更好地理解本发明，下文将进一步结合图3，描述本发明的一个具体实施例。

图3示出了在根据此具体实施例的QKD系统中，用于某一发送端(例如Alice端)的周期性信号。

如图3所示，用于Alice端的第一周期性信号可以包括信号光脉冲(即量子光信号)、第一参考光脉冲和真空态部分，其中，第一参考光脉冲的数量L为4，且借助相位调制器PM分别在四个第一参考光脉冲上加载M1＝4种调制相位0、π/2、π和3π/2；同时，Bob端也在其第二周期性信号中产生L＝4个第二参考光脉冲，借助相位调制器PM在四个第二参考光脉冲上加载同一种(即M

因此，在第一周期性信号中，

相应地，在Charlie端内，将可以借助SPD1得到分别由4个第一和第二参考光脉冲产生的干涉结果N

因此，根据N

进一步根据N

类似地，当优选借助N个周期的累计和评估来估算

由此可见，在本发明的基于单个SPD的TF类QKD系统中，通过使发送端(Alice/Bob)产生特定多个强参考光脉冲，并在这些参考光脉冲上加载特定多种调制相位，可以允许在Charlie端，借助特定的算法，利用单个SPD对参考光脉冲之间的干涉信号探测得到的探测结果，准确地估算得出QKD系统中的公共相位差

本发明同时还公开了一种基于单个SPD的TF类QKD系统中公共相位差的估算方法，其尤其适合借助上述QKD系统来实现。

本发明的估算方法可以包括周期信号生成步骤、相位调制步骤、干涉步骤和估算步骤。

周期信号生成步骤用于在Alice端内生成第一周期性信号，在Bob端内生成第二周期性信号。其中，第一周期性信号包括L个第一参考光脉冲，第二周期性信号包括L个第二参考光脉冲，L≥3。

在一种具体实施例中，L可以取值为4。

相位调制步骤用于在Alice端内借助相位调制器PM对第一参考光脉冲进行相位调制，以及在Bob端内借助相位调制器PM对第二参考光脉冲进行相位调制。

其中，可以在一个周期内，在L个第一参考光脉冲上加载M

在一种具体实施例中，可以使第一和第二参考光脉冲中的一个(例如第一参考光脉冲)具有四种调制相位(例如M

干涉步骤用于使进入Charlie端的第一周期性信号和第二周期性信号发生干涉作用以生成干涉信号，并利用单个SPD对干涉信号进行探测，得到干涉结果N

估算步骤用于利用第一参考光脉冲和第二参考光脉冲的干涉结果N

在估算步骤的一种示例中，可以利用一个周期内的干涉结果估算公共相位差

在估算步骤的一种优选示例，可以利用多个(N个)周期内的干涉结果估算公共相位差

因此，在一种具体实施例中，可以根据

尽管前面结合附图通过具体实施例对本发明进行了说明，但是，本领域技术人员容易认识到，上述实施例仅仅是示例性的，用于说明本发明的原理，其并不会对本发明的范围造成限制，本领域技术人员可以对上述实施例进行各种组合、修改和等同替换，而不脱离本发明的精神和范围。