一种连续变量量子密钥分发系统中内生量子随机数的方法

摘要

本发明提供的一种连续变量量子密钥分发系统中内生量子随机数的方法，其中发送端内生量子随机数的方法中引入时钟精确延时模块和时域平衡零拍探测器，接收端内生量子随机数的方法中对用于校准散粒噪声基准的数据进行复用，实现了量子随机数的内生，使得连续变量量子密钥分发系统无需专用的量子随机数产生模块，有效降低成本；同时在一定程度上减小密钥分发系统的体积和重量，简化了连续变量量子密钥分发系统的结构，有效提升了系统的适用性。

权利要求

1.一种连续变量量子密钥分发系统中内生量子随机数的方法，其特征在于：包括有发送端内生量子随机数的方法和接收端内生量子随机数的方法，所述发送端内生量子随机数的方法，是在连续变量量子密钥分发系统发送端的脉冲激光光源(1)的出射端设置第一保偏耦合器(2)，将脉冲光分为第一脉冲光和第二脉冲光；

第一脉冲光用于正常的密钥分发系统使用，进入第二保偏耦合器(3)后分为信号光和本振光，信号光经过信号调理模块(4)后，再与本振光共同通过光场偏振合束模块(5)，信号光和本振光以时间复用和偏振复用的形式在量子信道(6)中传输；

第二脉冲光接入时域平衡零拍探测器(7)，再将输出的脉冲形散粒噪声输入到信号收发装置(8)中，信号收发装置(8)输出的时钟信号CLK1接入脉冲激光光源(1)和时钟精确延时模块(9)中，时钟精确延时模块(9)输出的时钟信号CLK2再接入到信号收发装置(8)的外接时钟端口，信号收发装置(8)的信号采集端口AI采用精确延时的时钟信号CLK2，可确保采集到时域平衡零拍探测器输出的脉冲形散粒噪声的峰值，信号收发装置(8)的信号输出端口AO采用时钟CLK1，可输出信号调理模块(4)所需的调制信号，信号收发装置(8)采集和输出的信号由信号处理装置(10)处理，信号处理装置(10)通过经典信道(11)完成连续变量量子密钥分发所需的数据处理任务，同时对收到的脉冲形散粒噪声数据进行量化，最小熵的计算，拓普利兹‑哈希提取算法处理后可输出量子密钥分发所需的量子随机数；

所述的接收端内生量子 随机数的方法，是对连续变量量子密钥分发系统接收端用于校准散粒噪声基准的数据复用为量子随机数的数据源，对数据源进行量化，最小熵的计算，拓普利兹‑哈希提取算法处理后可输出量子密钥分发所需的量子随机数；连续变量量子密钥分发的数据结构中，包括有功能性数据(12)和携带调制信息的数据(13)，功能性数据(12)包含用于计算相对相位、平衡度的数据(14)和校准散粒噪声的数据(15)。

2.根据权利要求1所述的一种连续变量量子密钥分发系统中内生量子随机数的方法，其特征在于：所述发送端内生量子随机数的方法中的第一保偏耦合器(2)、第二保偏耦合器(3)、信号调理模块(4)、光场偏振合束模块(5)及量子信道(6)为自由空间器件、光纤器件、基于硅基光电子芯片的波导器件中的一种。

3.根据权利要求1所述的一种连续变量量子密钥分发系统中内生量子随机数的方法，其特征在于：所述发送端内生量子随机数的方法中的信号收发装置(8)包括有多块多功能数据采集卡。

说明书

一种连续变量量子密钥分发系统中内生量子随机数的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及连续变量量子保密通信领域，尤其涉及一种连续变量量子密钥分发系统中内生量子随机数的方法。

背景技术

[0002] 随着科学技术的不断进步，万物互联正在成为现实，它极大的方便了人们的日常生活。而实现万物互联的关键因素之一即是通信技术。通信技术在给人们带来极大便利的
同时，也存在着很大的信息安全风险。随机数在信息安全和保密通信技术领域有着广泛的
应用。相比经典产生随机数的方法，量子随机数由于其不可预测的性质，在信息安全领域有
着巨大的优势。量子随机数产生的方法主要包括：测量光子路径、光子到达时间、光子数分
布、相位噪声、放大自发辐射和真空噪声起伏，其中基于真空散粒噪声起伏方案的量子随机
数发生器具有真空态易制备、稳定性好、易于实现高速化和集成化应用。

[0003] 量子随机数发生器目前的主要应用方向之一是为量子密钥分发方案提供量子随机数。量子密钥分发的显著特点是具有极高的安全性，可实现安全的通信。目前量子密钥分
发系统所需的随机数主要由专门的量子随机数发生器模块提供。专门的量子随机数模块的
使用会涉及到额外的光源，射频信号源，混频器、滤波器以及专门用于量子随机数发生器的
数据采集装置和数据处理装置。这种设计会提高系统的体积、重量和成本，特别是在一些特
殊的应用领域，会给系统的使用带来不便。如基于硅基光电子芯片实现连续变量量子密钥
分发的领域，为了将系统中量子随机数发生器的光路与密钥分发系统的光路一起集成在芯
片中，需额外单独设计量子随机数发生器，增加了研发难度的同时，还增大了系统的成本、
体积和重量。在基于自由空间传输的密钥分发领域，连续变量方案抗杂散光的干扰能力较
强，近年来很多研究组将其搭载在航空器，甚至小型无人机中进行测试。这些测试原则上要
求密钥分发系统的体积尽量小，重量尽量轻。

[0004] 因此，急需一种连续变量量子密钥分发系统中内生量子随机数的方法来简化密钥分发系统的硬件结构，降低系统的成本和体积。

发明内容

[0005] 为简化连续变量量子密钥分发系统的结构，降低成本，提供了一种连续变量量子密钥分发系统中内生量子随机数的方法，连续变量量子保密通信装置的发送端和接收端无
需使用专用的量子随机数发生器就可以产生通信所需的量子随机数，简化了密钥分发系统
的硬件结构，有效地降低了系统的成本和体积。

[0006] 为实现本发明目的而提供的一种连续变量量子密钥分发系统中内生量子随机数的方法，其特征在于：包括有发送端内生量子随机数的方法和接收端内生量子随机数的方
法，

[0007] 所述发送端内生量子随机数的方法，是在连续变量量子密钥分发系统发送端的脉冲激光光源的出射端设置第一保偏耦合器，将脉冲光分为第一脉冲光和第二脉冲光；

[0008] 第一脉冲光用于正常的密钥分发系统使用，进入第二保偏耦合器后分为信号光和本振光，信号光经过信号调理模块后，再与本振光共同通过光场偏振合束模块，信号光和本
振光以时间复用和偏振复用的形式在量子信道中传输；

[0009] 第二脉冲光接入时域平衡零拍探测器，再将输出的脉冲形散粒噪声输入到信号收发装置中，信号收发装置输出的时钟信号CLK1接入脉冲激光光源和时钟精确延时模块中，
时钟精确延时模块输出的时钟信号CLK2再接入到信号收发装置的外接时钟端口，信号收发
装置的信号采集端口AI采用精确延时的时钟信号CLK2，可确保采集到时域平衡零拍探测器
输出的脉冲形散粒噪声的峰值，信号收发装置的信号输出端口AO采用时钟CLK1，可输出信
号调理模块所需的调制信号，信号收发装置采集和输出的信号由信号处理装置处理，信号
处理装置通过经典信道完成连续变量量子密钥分发所需的数据处理任务，同时对收到的脉
冲形散粒噪声数据进行量化，最小熵的计算，拓普利兹‑哈希提取等算法处理后可输出量子
密钥分发所需的量子随机数。

[0010] 所述的接收端内生随机数的方法，是对连续变量量子密钥分发系统接收端用于校准散粒噪声基准的数据复用为量子随机数的数据源，对数据源进行量化，最小熵的计算，拓
普利兹‑哈希提取等算法处理后可输出量子密钥分发所需的量子随机数；连续变量量子密
钥分发的数据结构中，通常有功能性数据和携带调制信息的数据，功能性数据常包含用于
计算相对相位、平衡度的数据和校准散粒噪声的数据。

[0011] 作为上述方案的进一步改进，所述发送端内生量子随机数的方法中的第一保偏耦合器、第二保偏耦合器、信号调理模块、光场偏振合束模块及量子信道为自由空间器件、光
纤器件、基于硅基光电子芯片的波导器件中的一种。

[0012] 作为上述方案的进一步改进，所述发送端内生量子随机数的方法中的信号收发装置包括有多块多功能数据采集卡。

[0013] 本发明的有益效果是：

[0014] 与现有技术相比，本发明提供的一种连续变量量子密钥分发系统中内生量子随机数的方法，其中发送端内生量子随机数的方法中引入时钟精确延时模块和时域平衡零拍探
测器，接收端内生量子随机数的方法中对用于校准散粒噪声基准的数据进行复用，实现了
量子随机数的内生，使得连续变量量子密钥分发系统无需专用的量子随机数产生模块，有
效降低成本；同时在一定程度上减小密钥分发系统的体积和重量，简化了连续变量量子密
钥分发系统的结构，有效提升了系统的适用范围。

附图说明

[0015] 图1本发明中连续变量量子密钥分发系统发送端内生量子随机数的方法示意图；

[0016] 图2本发明中连续变量量子密钥分发的数据结构示意图；

[0017] 图3本发明中连续变量量子密钥分发系统发送端内生量子随机数的方法的原理图；

[0018] 图4本发明中连续变量量子密钥分发系统接收端内生量子随机数的方法的原理图；

[0019] 图5本发明中脉冲形真空散粒噪声和时钟信号；

[0020] 图6本发明中噪声时序分布图；

[0021] 图7本发明中噪声统计分布图；

[0022] 图8本发明中Nist检测结果。

[0023] 其中：1‑脉冲激光光源，2‑第一保偏耦合器，3‑第二保偏耦合器，4‑信号调理模块，5‑光场偏振合束模块，6‑量子信道，7‑时域平衡零拍探测器，8‑信号收发装置，9‑时钟精确
延时模块，10‑信号处理装置，11‑经典信道，12‑功能性数据，13‑携带调制信息的数据，14‑
计算相对相位、平衡度的数据，15‑校准散粒噪声的数据。

具体实施方式

[0024] 以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明，

[0025] 如图1‑图2所示，本发明提供的一种连续变量量子密钥分发系统中内生量子随机数的方法，包括有发送端内生量子随机数的方法和接收端内生量子随机数的方法，

[0026] 如图3所示为连续变量量子密钥分发系统发送端内生量子随机数方法的原理图。双通道脉冲发生器驱动两个级联的强度调制器将1550nm‑DFB激光器输出的连续光调制成
50ns的脉冲光，脉冲光的消光比80dB，重复速率为1MHz。该脉冲激光光源1经第一光纤保偏
耦合器后分为第一脉冲光和第二脉冲光；

[0027] 第一脉冲光输入到第二光纤保偏耦合器，用于连续变量量子密钥分发系统产生信号光和本振光，信号光经信号调理模块4后与本振光在保偏合束器5合成为偏振相互垂直的
一路光进入量子信道6，其中：信号调理模块4包括强度调制器、相位调制器、80m保偏光纤、
光纤可变衰减器等，主要功能是将信号光在相空间中调制成高斯分布或离散分布，并延时
一段时间；

[0028] 如图5所示为脉冲形真空散粒噪声和时钟信号。第二脉冲光输入到时域平衡零拍探测器7，作为量子随机数发生器的数据源；信号收发装置8由两块数据采集卡USB6259和
PCI6115组成，整个系统的时钟由USB6259生成，经时钟精确延时模块9后，作为PCI6115的外
接时钟，脉冲形真空散粒噪声输入到PCI6115的数据输入端；精确调整时钟的延时，可确保
PCI6115能够精确地采集到脉冲的峰值；数据采集卡PCI6115将采集到的数据传输到计算机
中，计算机对数据进行最小熵的计算，量化和托普利茨‑哈希提取算法从而输出量子随机
数。

[0029] 在脉冲光功率为5.33μw时(每个脉冲光约为4.16×107个光子数)，将信号收发装置8中数据采集卡的采样范围设置在±0.2V，采样速率与系统脉冲重复速率一致，为1MS/s。
如图6和图7所示为散粒噪声和电子学噪声时序和相应的统计分布图。

[0030] 经统计分析散粒噪声总方差

[0031]

[0032] 电子学噪声方差

[0033]

[0034] 从而，量子噪声方差为

[0035]

[0036] 量子噪声和经典电子学噪声的比为：

[0037]

[0038] 计算出最小熵为

[0039] 6.43bits/8bits＝0.803bit/bit

[0040] 意味着从原始数据最多可提取出80.3％的量子随机数。

[0041] 对采样的数据进行量化和托普利茨‑哈希提取后，进行Nist检测。如图8所示为Nist检测结果，显示通过测试。

[0042] 如图4所示是连续变量量子密钥分发系统接收端内生量子随机数方法的原理图。经量子信道传输的光场由单模光纤耦合器分成第一脉冲光和第二脉冲光；

[0043] 第一脉冲光接入到时钟恢复模块，恢复与发送端同步的时钟电路。该同步时钟经时钟精确延时模块9后，接入信号收发装置8中数据采集卡的时钟接口；

[0044] 第二脉冲光接入动态偏振控制器完成偏振的锁定，再接入偏振分束器完成信号光、本振光的分离；信号光接入时域平衡零拍探测器7，本振光经光纤耦合器分为两部分，一
部分经相位调制器输入时域平衡零拍探测器7，另一部分经光电探测器输入信号收发装置8
的数据采集卡，最后计算机、经典信道对信号收发装置8的数据采集卡的采集及输出数据进
行处理；

[0045] 在连续变量量子密钥分发系统运行时，有部分数据用于相位的锁定和散粒噪声的校准，这些数据无法进行信息的传输，使用之后就被丢掉。现将这部分数据的最小熵算出，
经过量化和托普利茨‑哈希提取算法后可转化为量子随机数，足够用于接收端测量基的转
换，其测试结果与发送端相同。

[0046] 以上实施例不局限于该实施例自身的技术方案，实施例之间可以相互结合成新的实施例。以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而并非对其进行限制，凡未脱离本发明
精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明技术方案的范围内。