发明内容

本发明提供一种基于空间分集技术的自由空间连续变量量子密钥分发系统及其实现方法，解决连续变量量子密钥分发系统在自由空间内传输时，由于光色散和折射使连续变量量子密钥分发系统传输透射率小，效率低，导致实际系统传输距离短的问题；本发明还提供了解决如何将分集技术(MIMO)应用在连续变量量子密钥分发系统中，以及过程中如何多发送端多接收端同时发送接收光信号的解决方案，解决了在自由空间中传输效率低，光散射严重造成的透射率降低的问题。

本发明所采用的技术方案是基于空间分集技术的自由空间连续变量量子密钥分发系统，包括发送端、传输信道和接收端；

所述发送端包括：

第一激光器、第二激光器、第三激光器，用于产生相干光，并将产生的相干光发送至第一电光强度调制器、第二电光强度调制器、第三电光强度调制器；

发送端三个FPGA数据生成卡，生成瑞利分布模拟信号和均匀分布模拟信号，然后将瑞利分布模拟信号分别发送至发送端的三个电光强度调制器，将均匀分布模拟信号发送至发送端的三个电光相位调制器；

第一电光强度调制器、第二电光强度调制器、第三电光强度调制器，用于接收第一激光器、第二激光器、第三激光器输出的光信号，并对光信号进行脉冲调制，输出一定频率脉冲相干光信号发送至相应第一电光相位调制器、第二电光相位调制器、第三电光相位调制器；

第一电光相位调制器、第二电光相位调制器、第三电光相位调制器，用于对第一电光强度调制器、第二电光强度调制器、第三电光强度调制器输出的光信号进行相位调制，然后将光信号传输至发送端对应的衰减器；

发送端衰减器，用于将电光相位调制器输出的光信号进一步衰减；

第一准直器、第三准直器、第五准直器，用于将光纤中的光信号切换为在自由空间中传输，并且调整光束对准接收端的第二准直器、第四准直器、第六准直器；

所述传输信道为自由空间形成的传输媒介，是基于空间分集在自由空间下的量子通信；

所述接收端包括：

第二准直器、第四准直器、第六准直器，用于接收光信号，将采集的光信号转成光纤传输并传送至相应的零差检测器；

零差检测器，用于对光信号进行零差检测，将检测到的不同频率的光信号输入电气合路器；

电气合路器，将零差检测器输出的不同频率的光信号进行组合，然后输入量化器；

量化器，将输入的光信号转换成0、1逻辑信号，并将逻辑信号传输至接收端FPGA数据采集卡；

接收端FPGA数据采集卡，用于接收检测端量化器生成的检测结果。

进一步的，所述激光器采用的是Thorlabs OPG1015皮秒光脉冲发生器，可产生≤3ps、频率为10GHz的激光脉冲；所述电光强度调制器采用的是型号为MX-LN-10的电光强度调制器；所述电光相位调制器采用的是型号MPZ-LN-10的电光相位调制器；所述衰减器采用的是VOA780PM-FC的保偏可调激光衰减器。

进一步的，所述发送端FPGA数据生成卡和接收端FPGA数据采集卡采用的是XilinxVC707，采样率最高可达5GSa/s；所述准直器采用的是PAF2-7A的带非球面透镜的光纤准直器。

进一步的，所述零差检测器采用的是型号为PDA435A的平衡放大光电检测器；所述电气合路器采用的是型号为JCDUP-8024，是一个三进一出的器件。

本发明所采用的另一技术方案是基于空间分集技术的自由空间连续变量量子密钥分发系统的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)：发送端的第一激光器、第二激光器、第三激光器生成调制信号的模拟电信号，第一电光强度调制器、第二电光强度调制器、第三电光强度调制器接收信号源输出的调制信号的模拟电信号，对接收到的相干激光进行振幅调制；光信号被第一电光强度调制器、第二电光强度调制器、第三电光强度调制器调制成脉冲光信号；

步骤2)：FPGA数据生成卡生成均匀随机数集合{0,1,2,3,…,N-1}，并将随机数集合发送至电光相位调制器；第一电光相位调制器、第二电光相位调制器、第三电光相位调制器对电光强度调制器输出的光信号进行相位调制，且满足0≤V≤2V_π，其中，其中，V为光信号的调制方差，V_π为光信号通过电光相位调制器的相位调制阈值，信号光相位在[0,2π]内可调，通过随机选择FPGA数据生成卡产生的不同随机数字k，电光相位调制器将得到不同类别的离散量子态集合S_N＝{|Ae^iπ/N>,…,|Ae^(2k+1)iπ/N>}，其中i为虚数，A为幅值，相位分量的取值满足(2k+1)π/N，e为离散量子态的调制相位，经过电光强度调制器和电光相位调制器调制后的光信号呈高斯相干态|X+jP>，即信号光光场正交分量X和正交分量P服从高斯分布，其中，j为调制后的量子态的虚数部分，X＝Acosθ，P＝Asinθ，X为信号的振幅，P为信号的相位，θ为正则分量的相位；

步骤3)：接着第一衰减器、第二衰减器、第三衰减器对光信号进一步衰减；衰减后的光信号分别对准第一准直器、第三准直器、第五准直器进入大气传输，由光纤传输进入大气传输；

步骤4)：在接收端用零差检测技术对信号光进行检测，具体为：

光信号在接收端通过第二准直器、第四准直器、第六准直器接收，然后用零差检测器对正交分量P进行零差检测，通过电气合路器进行信息的后处理，最后再输入到量化控制器，将电信号转换成数字信号，最后将输出信号发至接收端FPGA数据采集卡；经过后续的反向协商和私密放大过程，发送端和接收端可以获得一组相同的密钥，将正交分量X和正交分量P的测量值的一部分用于安全性估计，得到信道的透过率、过噪声和安全密钥率的估计值，根据信道的透过率和过噪声来确定是否存在窃听者，如果不存在，进行密钥协商，在发送端和接收端分别获得一组安全量子密钥；如果其安全密钥率在当前通信的距离已经低于零则判定系统不安全，存在窃听者，此时应该停止建立密钥，并将系统不安全的信息发送至密钥协商模块。

进一步的，所述电光强度调制器调制成脉冲光信号的频率为10MHz。

进一步的，所述衰减器对每个脉冲的光子衰减到10⁸个光子；所述第二准直器、第四准直器、第六准直器接收的各信号须大于20dB。

本发明的有益效果是：本发明提出一种基于空间分集技术的自由空间连续变量量子密钥分发系统，通过采用多输入多输出(MIMO)的方法，即多发送端多接收端，具体为三个发送端、三个接收端，接收端使用零差检测器进行检测，在充分利用各个频谱资源的情况下，可以同时发送多波段相同信息，保证信息传输，从而有效地改善大气湍流效应对系统所造成过噪声以及信号衰减的影响。

通过多个零差检测器实现对每一个光纤信道相干态的振幅或相位分量同时进行参数估计，保证了传统分集技术点阵具有极高频谱利用效率，在对现有频谱资源充分利用的基础上通过利用空间资源来获取可靠性与有效性两方面增益，将MIMO技术通过光纤信道对相干态的检测这样可以减少在自由空间内，由于大气各个因素对系统造成的影响，因此该方法提高了安全密钥率。

在此基础上提出选择组合的方法在连续变量量子密钥系统的应用，对接收到的信号进行采样，并选择具有信噪比最高的分支进行信号检测。然后，输出只等于其中一个分支上的信号，而不是像上述两种方法的单光流的相干叠加。