阅读说明：本技术 基于超奈奎斯特技术的连续变量量子密钥分发方法 (Continuous variable quantum key distribution method based on super-Nyquist technology ) 是由 黄端 潘雅茜 于 2019-09-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于超奈奎斯特技术的连续变量量子密钥分发方法,包括发送方将信号光通过相干态进行高斯调制；发送方信号光进行上采样,转换为超奈奎斯特信号并进行传输；接收端将接收信号进行处理从而得到发送方发送的数据。本发明提供的这种基于超奈奎斯特技术的连续变量量子密钥分发方法,通过引入超奈奎斯特传输技术,打破传统奈奎斯特速率极限,针对奈奎斯特传输人为引入的码间串扰问题,我们采用添加循环前缀、均衡技术和迭代检测等数据后处理技术,有效消除码间串扰对系统安全性的影响,提高了系统的频带利用率和信道容量；而且本发明方法的可靠性高,安全性好。(the invention discloses a continuous variable quantum key distribution method based on a super-Nyquist technology, which comprises the steps that a sender performs Gaussian modulation on signal light through a coherent state; the signal light of a sender is up-sampled, converted into a super-Nyquist signal and transmitted; the receiving end processes the received signal to obtain the data sent by the sending end. According to the continuous variable quantum key distribution method based on the super-Nyquist technology, the super-Nyquist transmission technology is introduced, the traditional Nyquist rate limit is broken through, and aiming at the problem of intersymbol crosstalk artificially introduced by Nyquist transmission, data post-processing technologies such as cyclic prefix adding, equalization technology and iterative detection are adopted, so that the influence of intersymbol crosstalk on the system safety is effectively eliminated, and the frequency band utilization rate and the channel capacity of the system are improved; the method has high reliability and good safety.)

基于超奈奎斯特技术的连续变量量子密钥分发方法

技术领域

本发明具体涉及一种基于超奈奎斯特技术的连续变量量子密钥分发方法。

背景技术

量子密钥分发使两个相距很远的用户Alice和Bob能够在量子信道中共享一个公共的安全密钥。量子通信及其保密性受到社会各界的广泛关注。量子通信的关键是量子密钥分配(QKD)，它包括两个方面:连续可变量子密钥分配(CVQKD)和离散可变量子密钥分配(DVQKD)。虽然连续变量的量子密钥分布出现较晚，但近年来连续变量的量子密钥分布已取得重要成果。与DVQKD相比，CVQKD的信源制备简单。DVQKD系统需要制备严格的单光子量子态，CVQKD可以使用少量的光子相干态。连续可变量子密钥分配可以与现有的经典光通信频谱利用方案相结合。如采用正交调幅连续变量子密钥分配技术，无需使用单光子探测器，检测设备制造成本低，检测效率高，检测过程简单。然而，连续变量子密钥分发协议的理论安全性已经得到了严格的证明，但是系统实验能够达到的安全距离仍然很短(小于80km)。2016年，上海交通大学的研究人员进行实验，实现了安全距离超过100公里的CVQKD。但为了降低码间干扰以控制系统过噪声给系统性能造成的影响，现有国际上连续变量量子密钥分发高斯调制协议实验系统最高工作频率仍低于100MHz，密钥率低于1Mbps。因此，在原有奈奎斯特理论框架内，除了依赖物理硬件性能提升，进一步提升单路系统安全码率面临发展瓶颈。

1975年，Mazo提出了超奈奎斯特(FTN)的概念。在相同的带宽和误码率、功耗下，FTN信号可以实现比奈奎斯特速率更快的符号速率。FTN光传输技术对码元速率、频谱效率与探测方式进行了重新审视，突破了原有约束规则，更深入的挖掘了频谱资源。经过对超奈奎斯特系统信号的最小欧氏距离推导可以从理论上得出，在使用特定脉冲成型滤波器条件下，即使系统速率突破了奈奎斯特速率仍能够保证系统误码性能不变。贝尔实验室Mazo等人提出当信号脉冲采用Sinc脉冲时，只要信号速率不超过奈奎斯特速率25％，尽管系统引入了码间干扰，但此时信号间的欧式距离并不会变化，而不改变最小欧式距离的最小加速因子被称之为Mazo界。近年，研究学者对时频域同时加速传输的多载波超奈奎斯特技术、高码间干扰容忍度的时钟恢复技术和激光载波恢复技术、增强的探测接收机制等开展了研究，以解决由于人为引入的码间干扰对系统性能的影响。

但是，目前还没有超奈奎斯特技术在连续可变量子密钥分配(CVQKD)领域的应用研究，从而影响了连续可变量子密钥分配(CVQKD)过程中的频带利用率和信道容量，同时也制约了连续可变量子密钥分配(CVQKD)的技术应用和发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种频带利用率高、信道容量高且安全可靠的基于超奈奎斯特技术的连续变量量子密钥分发方法。

本发明提供的这种基于超奈奎斯特技术的连续变量量子密钥分发方法，包括如下步骤：

S1.发送方将信号光通过相干态进行高斯调制；

S2.发送方将步骤S1得到的信号光进行上采样，转换为超奈奎斯特信号并进行传输；

S3.接收端将接收信号进行处理，从而得到发送方发送的数据。

步骤S1所述的发送方将信号光通过相干态进行高斯调制，具体为发送端通过分束器将光源分成信号光和本振光，然后对信号光进行幅度调制和相位调制。

步骤S2所述的发送方将步骤S1得到的信号光进行上采样，转换为超奈奎斯特信号并进行传输，具体为发送方将调制后的信号光经过上采样器进行上采样，然后通过超奈奎斯特脉冲成型器得到超奈奎斯特传输信号，最后在超奈奎斯特传输信号中添加循环前缀后，通过时分偏振复用将处理后的信号光和步骤S1得到的本振光一同通过光纤信道传输给接收方。

所述的发送方将调制后的信号光经过上采样器进行上采样，具体为发送方对信号进行上采样，并通过改变上采样器的采样因子N引入码间串扰。

所述的通过超奈奎斯特脉冲成型器得到超奈奎斯特传输信号，具体为将通过上采样的信号通过超奈奎斯特脉冲成型器得到超奈奎斯特传输信号；超奈奎斯特脉冲成型器的过采样因子为M，且N<M；超奈奎斯特信号的加速因子为N/M。

步骤S3所述的接收端将接收信号进行处理，具体为采用如下步骤进行处理：

A.接收端将接收到的信号移去循环前缀后，进行超奈奎斯特匹配滤波；

B.将步骤A得到的信号进行对应抽样间隔的下采样；

C.将步骤B得到的下采样后的信号进行处理，从而得到处理信号；

D.接收方根据步骤C得到的处理信号，通过信道参数计算合法通信方的互信息量得到密钥率，最后通过保密增强输出最终密钥。

步骤C所述的将步骤B得到的下采样后的信号进行处理，具体为将步骤B得到的下采样后的信号进行均衡和迭代检测。

本发明提供的这种基于超奈奎斯特技术的连续变量量子密钥分发方法，通过引入超奈奎斯特传输技术，打破传统奈奎斯特速率极限，针对奈奎斯特传输人为引入的码间串扰问题，我们采用添加循环前缀、均衡技术和迭代检测等数据后处理技术，有效消除码间串扰对系统安全性的影响，提高了系统的频带利用率和信道容量；而且本发明方法的可靠性高，安全性好。

附图说明

图1为本发明方法的方法流程示意图。

图2为本发明方法的实施例的量子密钥发送端与量子密钥接收端的原理示意图。

具体实施方式

如图1所示为本发明方法的方法流程示意图，其对应的量子密钥发送端与量子密钥接收端的原理示意图如图2所示。图2中，CW laser为连续激光器，AM为幅度调制器，PM为相位调制器，PD为光检测器，CP为循环前缀，DAC为数/模转换器，LPF为低通滤波器，ADC为模/数转换器。

本发明提供的这种基于超奈奎斯特技术的连续变量量子密钥分发方法，包括如下步骤：

S1.发送方将信号光通过相干态进行高斯调制；具体为发送端通过分束器将光源分成信号光和本振光，然后对信号光进行幅度调制和相位调制；

S2.发送方将步骤S1得到的信号光进行上采样，转换为超奈奎斯特信号并进行传输；具体为发送方将调制后的信号光经过上采样器进行上采样，然后通过超奈奎斯特脉冲成型器得到超奈奎斯特传输信号，最后在超奈奎斯特传输信号中添加循环前缀后，通过时分偏振复用将处理后的信号光和步骤S1得到的本振光一同通过光纤信道传输给接收方；

在上采样时，发送方对信号进行上采样，并通过改变上采样器的采样因子N引入码间串扰，同时减小相邻脉冲之间的保护间隔，“增速”信号脉冲，使得工作系统能够在固定的时频间隔内发送更多的脉冲信号；同时，将通过上采样的信号通过超奈奎斯特脉冲成型器得到超奈奎斯特传输信号；超奈奎斯特脉冲成型器的过采样因子为M，且N<M；超奈奎斯特信号的加速因子为N/M；

其次，超奈奎斯特信号在“增速”信号脉冲的同时，也引入了码间串扰。但是当脉冲为非sinc脉冲的正交脉冲(本发明中运用的是根升余弦信号)，将其传输速率提高到高于奈奎斯特速率，或者脉冲h(t)是带宽为W的带限信号，那么当加速因子时，相比于奈奎斯特传输，我们可以得到更高的限制信道容量；

最后，循环前缀是将符号尾部的信号搬移到前方构成，这样可以保证各路子载波再一次快速傅里叶积分时间长度内各子载波之间相差总是整数个周期，避免了信号间的干扰，大大降低解调复杂度；

S3.接收端将接收信号进行处理，从而得到发送方发送的数据；具体为采用如下步骤进行处理：

A.接收端将接收到的信号移去循环前缀后，进行超奈奎斯特匹配滤波；

B.将步骤A得到的信号进行对应抽样间隔的下采样；

C.将步骤B得到的下采样后的信号进行处理(包括将步骤B得到的下采样后的信号进行均衡和迭代检测)，从而得到处理信号；

D.接收方根据步骤C得到的处理信号，通过信道参数计算合法通信方的互信息量得到密钥率，采用低噪零差检测器随即测量接收到的信号光，显著降低重叠造成的过噪声，最后通过保密增强输出最终密钥；

在具体实施时，对下采样后的信号进行均衡和迭代检测，通过增加迭代次数，减少超奈奎斯特信号的码间串扰。迭代检测算法如下：

首先计算子载波间相关矩阵，然后根据前一个信号和相关矩阵进行迭代操作，将迭代后的信号进行星座映射，减小码间串扰大小。通过增加迭代次数，重复上述步骤。

以下结合一个实施例对本发明方法进行进一步说明：

考虑了一种采用二进制相移键控调制的基于FTN信号的CV-QKD它由量子传输和经典数据处理组成。在量子部分，CV-QKD系统采用了高斯调制相干态(GMCS)。在Alice侧，1550nm连续波(CW)光通过调幅器(AM)在脉冲调制过程中转换成2MHz时钟方波串，消光比接近65dB。利用非对称马赫-曾德尔干涉仪(AMZI)将脉冲分解为本振(LO)路和信号路。传输信号由信号路径的二进制序列，通过BPSK基带调制产生。传输的符号首先通过信道进行编码，然后对编码的符号进行调制后***循环前缀进行主动监测。通过对FTN滤波器的建模，得到了在传输区间τT_s边界处由FTN传输的信号。最后，通过数字/模拟(D/A)转换和低通滤波器将信号转换成适合光纤传输的信号。在Bob端，接收到的信号首先经过低通滤波器和模拟/数字(A/D)转换。然后将接收到的信号通过FTN匹配滤波器，去除循环前缀后用符号间隔τT_s对滤波后的信号进行采样，最后通过均衡和解码器将采样后的符号恢复到原始信息。

本发明的有益效果是，通过引入超奈奎斯特传输技术，打破传统奈奎斯特速率极限，针对奈奎斯特传输人为引入的码间串扰问题，采用添加循环前缀、均衡技术和迭代检测等数据后处理技术，有效消除码间串扰对系统安全性的影响，提高了系统的频带利用率和信道容量，为高码率连续变量量子密钥分发提供了新的技术支撑。

以下具体分析超奈奎斯特传输所带来的信道容量的变化：

根据信道容量公式：

对于双边功率谱密度为N₀/2的高斯信道，超奈奎斯特传输技术限制信道容量为：其中，P为信号功率，奈奎斯特传输的限制信道容量为而加速因子显然存在C_FTN＞C_N。