[发明专利]一种连续变量量子密钥分发系统

说明书

本发明公开了连续变量量子密钥分发系统，其包括主激光器模块，用于分别向设置于Alice端的第一从激光器模块和设置于Bob端的第二从激光器模块提供种子光，使得从激光器模块以注入锁定的方式生成用于信号光的第一从激光器脉冲和用于本地本振光的第二从激光器脉冲，从而使得信号光和本地本振光之间的波长具有非常好的一致性，并能够建立起稳定的相位参考，解决现有的LLO方案中难以实现稳定相干探测的问题。

技术领域

本发明涉及量子密钥分发领域，具体涉及一种基于注入锁定技术的连续变量量子密钥分发系统。

背景技术

连续变量量子密钥分发(CVQKD)的探测方式不是单光子探测，而是相干探测如零差探测和外差探测，使得其采用传统的光通信技术就能实现。相干探测需要本振光与信号光干涉后再由平衡探测器探测。早期CVQKD实验中，本振光是由编码端(调制方)Alice产生的，编码端Alice的激光器产生一个脉冲后，将该脉冲通过一个保偏分束器BS后分成本振光和信号光。在这种传送本振光(TLO)方案中，需要强调的是本振光和信号光由于是由同一个激光器产生，所以它们的频率相同，初始相位也相同，经过相同的路径之后，它们的相位仍保持相同。即使经过的路径不同，它们的相位差也是一定的，可以将该相位差补偿回来。因此，TLO方案的相干探测只需要考虑激光器的线宽，而一般的分布反馈(DFB)激光器的线宽就能达到要求。不过这种方案也存在一些限制和不足。首先，该方案存在安全性漏洞，出现了针对本振光的各种攻击。虽然对于这些已知攻击有相应的措施，但也增加了系统装置的复杂度，而且还可能存在尚未发现的针对本振光的攻击，使得系统存在潜在的安全性漏洞。其次，由于信号光和本振光需要在同一信道中传输，为了减小强本振光和弱信号光之间的耦合，本振光和信号光需要在时间上有效间隔开，这一定程度上限制了系统重复频率的提升。同时强本振光产生的噪声会影响到信号光从而降低系统的成码率。

为了弥补TLO方案的不足，出现了本地本振光(LLO)方案，即本振光由解码端(探测方)Bob发送。由于量子密钥分发中一般假设Alice和Bob的实验装置是安全的，所以没有经历过量子信道的本振光不会受到Eve的攻击。然而，本地本振光也面临挑战。由于信号光和本振光分别由两个激光器发送，信号光和本振光首先需要建立稳定的相位参考，这样Bob探测得到的数据经过相位修正后才能与Alice的数据建立起关联，其次两个激光器的中心波长需要高度一致才能实现足够好的干涉。

建立起信号光和本振光之间的相位参考即需要知道本振光和信号光的相对相位，可以通过发送相位参考光来实现。而发送相位参考光方式会因Bob相干探测方式的不同而有些不同。对于外差探测，比较简单，对应一个信号光脉冲，只需要发送一个强的参考光脉冲。对于零差探测，因为相位参考光的X和P这两个正交分量都需要同时测量以计算出相位，所以发送方需要发送两个相同的脉冲作为相位参考光，这样接收方就可以对这两个脉冲分别进行X和P的测量。不过，这种由激光器发出的脉冲直接调制出参考光和信号光的方案对两个激光器的要求比较高。激光器的参考光和信号光之间的相位漂移会导致相位噪声，为了降低相位噪声，激光器的线宽必须得很窄，此时可以采用外腔激光器(ECL)，其频宽能达到几kHz。为了降低对激光器的要求，可以将激光器发出的每个脉冲分束后再在其中一路加延时线最后合束成处于前后的信号光和参考光脉冲，只要两路的路径差保持稳定，信号光和参考光的相位差就能保持稳定，最终即能建立信号光和本振光之间的相位参考。然而上述两种方案始终无法解决两路激光器中心波长不一致的问题。激光器中心波长不一致会影响系统的稳定性，导致较大的过噪声，影响最终的安全传输距离和成码率。

在经典相干通信中，为了实现本地本振光相干探测，是从信号光分一小部分光出来对本振光进行注入锁定，然而这种方法不适用于CVQKD，因为CVQKD中信号光太弱，无法进行锁定。除了LLO方案，也出现了plug-and-play方案可以解决TLO方案出现的问题。这种方案是探测方Bob将其产生的每个脉冲分成本振光和信号光，信号光再发送到调制方Alice端调制。调制方Alice对信号光调制后，信号光返回到Bob端与Bob端的本振光进行相干探测。这种方案的不足在于一是容易受到特洛伊木马攻击，二是背向散射噪声很大，限制了CVQKD的安全传输距离。