本发明涉及量子密钥分发技术领域，尤其涉及一种连续变量四态量子密钥分发方法及系统。
背景技术：
量子密钥分发技术(quantumkeydistribution，下称qkd)根据实现方式的不同，主要分为离散变量量子密钥分发(discretevariableqkd，下称dv-qkd)和连续变量量子密钥分发(continuousvariableqkd，下称cv-qkd)。dv-qkd将信息编码在单个光子的某个自由度上，探测时使用单光子探测器进行检测；cv-qkd将信息编码在光场的正则分量上，利用零差测量装置对发送的光信号进行检测。
cv-qkd在具体实施时可以采用高斯调制的方式，这种调制方式调制相干态的正则分量使其呈高斯分布；除此之外，还有离散调制的方式，这种调制方式通常使相干态在相空间呈对称分布。
对于连续变量离散调制的量子密钥分发而言，接收端在接收到信号之后需要对信号光光场的正则分量进行测量。测量的方式可以分为零差测量和外差测量两种，零差测量每一次可以通过给本振光施加相位测量正则动量分量p或者正则坐标分量q，一个信号光脉冲一次可以产生1比特信息；外差测量则通过分光的方法同时测量信号光光场的正则动量分量p和正则坐标分量q，一个信号光脉冲一次可以产生2比特信息。
当前已经有采取高斯调制的方式实现cv-qkd的系统(cn105024809a)，该专利引入协商算法、低噪探测器以及补偿算法的手段实现了高斯调制的连续变量量子密钥分发，但是该专利存在下述缺陷：1.高斯调制要求在制备信号光时对光的正则分量进行连续的调制，实施起来难度很大；2.专利当中为了对光进行信号调制，采用了连续激光器和强度调制器，这样增加了系统的复杂度和实施难度。另外，在过噪声高的情况下，通常的离散调制量子密钥分发协议在接收端使用零差测量时只能得到很低的码率，这限制了它的传输距离，使得它的实用性大大下降。
技术实现要素：
发明目的：本发明旨在针对现有技术的不足，提出一种实现连续变量四态调制cv-qkd的方法和系统。本发明在通信的接收端采用零差测量获得信号光的正则分量，结合适当的数据后处理，将公布的测量结果进行适当的组合配对，相对传统的接收端采用零差测量的方法，在过噪声大的情况下可以获得更高的码率并且提高通信距离；本发明所述系统采用脉冲激光模块作为光源，降低了仪器的复杂度；该系统所需要调制的四种相干态之间只有相位上的差异，在进行信号加载时无需额外对幅度进行调制，降低了实施难度。
技术方案：为实现上述目的，本发明提出的技术方案为：
一种连续变量四态量子密钥分发方法，包括步骤：
(1)发送端制备本振光，并按照概率分布[q1,q2,q3,q4]产生对应四个相干态{|s>,|-s>,|is>,|-is>}的信号光，然后将信号光与本振光发送到接收端；其中，q1＝q2，q3＝q4，q1 q2 q3 q4＝1，s为实数；
(2)接收端通过相位调制随机且等概率地在本振光中引入0或π/2的相位增量，分别用以测量信号光的正则坐标分量或正则动量分量，然后，接收端进行零差测量，得到信号光的正则坐标或正则动量；
(3)重复步骤(1)至(2)n次后，得到一轮成码所需的数据；
(4)发送端和接收端通过认证的经典信道进行通信，接收端告知发送端自己在测量时对正则分量的选择，然后发送端根据接收端的选择将发送同一种信号态而接收端分别测量正则坐标和正则动量的情况看作同一组，通过经典信道仅告诉接收端哪两次测量可以看作同一组，但并不公布制备的相干态本身；
(5)发送端对所发送的信号态进行密钥映射，得到发送端的初始密钥；接收端根据测量结果进行密钥映射，得到接收端的初始密钥；
(6)发送端和接收端基于各自的初始密钥进行反向协商以及相关的纠错和隐私放大过程，得到最终的安全密钥。
进一步的，在执行步骤(5)之前，还根据步骤(4)的测量结果采用数值模拟凸优化算法估计成码率，若成码率满足预设的安全性条件，则继续执行步骤(5)，否则，结束所述密钥分发。
进一步的，所述采用数值模拟凸优化算法估计成码率的具体步骤包括：
构建成码率计算公式为：
其中，r表示密钥率，σ表示联合密度矩阵，s表示联合密度矩阵应该满足的条件，h(ρ||σ)是相互熵，表明遭到攻击后仍然不被攻击者知道的信息量，k作为映射建立起密度矩阵与经典比特之间的关联，p表示收缩量子信道的作用效果，δ代表经典数据的比特纠错导致的比特损失，q表示保留一个脉冲作为最终生成密钥的几率；
根据成码率的计算公式，利用凸优化算法寻找相互熵的下界：首先，从初始联合密度矩阵σ0开始，经过迭代寻找到一个接近最强攻击时的联合密度矩阵σ′，此时将迭代出的σ′代入下式，计算出成码率的下界：
ε≥ξ(σ′)
其中，ε表示当联合密度矩阵满足约束s时相互熵的最小值，
另外，本发明还提出一种连续变量四态量子密钥分发系统，用于实现所述方法，包括发送端和接收端，所述发送端包括制备模块，用于制备偏振方向上可区分的本振光和信号光；所述接收端包括：偏振控制模块、分束模块、相位调制模块和零差测量模块；其中，
偏振控制模块用于调整量子信道中信号光与本振光的偏振状态，使得它们的偏振状态得到重新校准；
分束模块用于将不同偏振方向的信号光与本振光分开；
相位调制模块在本振光中随机且等概率地引入角度为0或π/2的相位增量；
零差测量模块对信号光和经过相位调制后的本振光进行零差测量，得到正则坐标或正则动量。
对于上述系统，以下还提供了若干可选方式，但并不作为对上述总体方案的额外限定，仅仅是进一步的增补或优选，在没有技术或逻辑矛盾的前提下，各可选方式可单独针对上述总体方案进行组合，还可以是多个可选方式之间进行组合
可选的，所述发送端和接收端分别设置控制模块，发送端和接收端的控制模块分别控制本端内部各模块实现相应功能，以及与通信的另一方进行反向协商以及相关的纠错和隐私放大步骤，以协商出最终的安全密钥。
可选的，所述发送端包括：脉冲激光模块、分束模块、相位调制模块和合束模块；其中，
脉冲激光模块用于产生激光脉冲；
分束模块用于将激光脉冲分束为强度不同的第一激光脉冲和第二激光脉冲，第二激光脉冲作为本振光；
相位调制模块对第一激光脉冲进行相位调制，以生成所述信号光；
合束模块将信号光和本振光合束后通过量子信道传输到接收端。
可选的，所述发送端包括：主激光器模块、第一从激光器模块、第二从激光器模块、第一光学传输模块、第二光学传输模块、分束模块、相位调制模块和合束模块；其中，
主激光器模块用于产生种子光，并通过分束模块将种子光分束为第一种子光和第二种子光；
第一种子光通过第一光学传输模块注入第一从激光器模块，第一从激光器模块采用相位注入锁定的方式产生原始信号光脉冲并送入相位调制模块调制生成所述信号光；
第二种子光通过第二光学传输模块注入第二从激光器模块，第二从激光器模块采用相位注入锁定的方式产生本振光；
合束模块将信号光和本振光合束后通过量子信道传输到接收端。
可选的，所述发送端包括：主激光器模块、第一从激光器模块、第二从激光器模块、第一光学传输模块、第二光学传输模块、分束模块和合束模块；其中，
主激光器模块用于通过内调制的方式直接完成对信号光相位的加载，生成对应四种信号态的相位稳定的种子光，主激光器模块产生的种子光通过分束模块分束为第一种子光和第二种子光；
第一种子光通过第一光学传输模块注入第一从激光器模块，第一从激光器模块采用相位注入锁定的方式产生所述信号光；
第二种子光通过第二光学传输模块注入第二从激光器模块，第二从激光器模块采用相位注入锁定的方式产生所述本振光；
合束模块将信号光和本振光合束后通过量子信道传输到接收端。
有益效果：本发明给出了一种连续变量四态量子密钥分发方法及系统，可以实现采用零差测量装置而获得采用外差测量装置的效果，从设计上降低了仪器的复杂度和对仪器的要求，并在整体效果上对连续变量四态调制的cv-qkd协议的成码率做出了提升，具体体现在以下几个方面：
1、本发明在完成测量之后的数据后处理过程中采用了正则分量前后匹配的处理方法，可以采用零差测量装置获得使用外差测量装置的效果，同时保证了实施时装置的简洁性，在过噪声大的情况下获得了更高地成码率和传输距离，大大提高了装置的实用性。
2、本发明在发送端通过分光的方式同时产生信号光和本振光，前后两组信号光和本振光之间没有存在相位关联的必要，因此本发明的系统采用了脉冲激光模块作为系统光源，而非采用连续激光模块作为系统光源，这种设计减小了对仪器的要求。
3、本发明四种相干态之间只有相位上的差异，因此在对激光脉冲进行调制时，直接通过信号加载模块对信号光脉冲加载要编码的相位信息，无需额外对信号光脉冲进行幅度调制，这种设计减小了复杂度，降低了实施难度。
附图说明
图1是本发明实施例一的结构示意图。
图2是本发明实施例二的结构示意图。
图3是本发明实施例三的结构示意图。
图4是本发明实施例三中一种施加电脉冲方式的示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。此外，除非有明确的规定和限制，在描述中出现的术语“连接”、“相连”、“安装”应该做广义的理解。对于本领域内的技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明的描述中需要理解的是出现术语“前”、“后”、“左”、“右”等指示方位或反映位置关系的词，仅仅基于附图当中出现的方位或位置关系，是为了便于对本发明进行描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明不限于本文公开的实施例。
根据密码学中的惯例，本发明中将参与通信的双方分别称为alice和bob(在附图中也已经标记出来)，其中alice专门指信息的发送端，bob专门指信息的接收端。
本发明提供一种连续变量四态调制量子密钥分发方法，其具体步骤如下：
s1：态的制备和发送。alice端按照概率分布[q1,q2,q3,q4]，通过加载相位信息等方法进行调制，随机地制备本振光和四个仅在相位上有所区别的相干态信号光脉冲；所述四个相干态为{|s>,|-s>,|is>,|-is>}，q1＝q2，q3＝q4，q1 q2 q3 q4＝1，s为实数；制备完成之后，alice通过量子信道将本振光和信号光合束后发送给bob。
s2：态的测量。bob端接收到alice端通过发送过来的信号光和本振光，将它们送入本地的零差测量装置以对信号光的某一正则分量进行测量。
s3：结果公布。将s1和s2中的步骤重复多轮，然后，alice和bob通过认证的经典信道进行通信，bob公布测量所选择的正则分量，根据bob公布的正则分量的选择，alice将制备同一种相干态而bob分别测量正则动量分量p和正则坐标分量q的情况看作同一组，通过经典信道仅告诉bob哪两次测量可以看作同一组而并不公布制备的相干态本身。
s4：成码率估计。估计经过上述步骤得到的安全成码率，安全成码率大于0表示可以有密钥产生，继续协议，进行后续密钥映射；反之表示没有安全的密钥产生，终止协议。安全成码率估计方法可以采用现有的任意方法。
s5：数据后处理。完成密钥映射后对初始密钥进行纠错和隐私放大。
本发明还提供了一种连续变量四态调制量子密钥分发系统，用于实现上述方法，下面结合三个具体实施例对本发明中的系统做详细的解释。
实施例一
图1给出了实现本发明所描述的连续变量四态调制量子密钥分发系统的一种示意性实施例。alice和bob之间通过量子信道模块9实现信息的传递和交互。不失一般性地，可以选择单模光纤作为量子信道的选择。
如图1所示，发送端alice可以包括四个模块，包括脉冲激光模块1，分束模块2，相位调制模块3，以及合束模块4。根据本发明所要实现的协议，alice端进行信号光和本振光的制备和发送。在进行制备时，首先由脉冲激光模块1发出激光脉冲，激光脉冲通过分束模块2的左端口进入分束模块2，接着脉冲被分为强度不同的第一激光脉冲和第二激光脉冲并分别从上端口和右端口输出。由上端口输出的第一激光脉冲进入相位调制模块3，被调制为所述四种相干态信号光中的一种，然后进入合束模块4的上端口；由右端口输出的第二激光脉冲作为本振光，直接进入合束模块4的左端口，此时本振光和信号光在时域上并不重合。两束激光脉冲从合束模块4的右端口输出，进入量子信道模块9。
根据本发明所实现的连续变量四态调制的量子密钥分发协议的原理，所述脉冲激光模块1用于产生具有高消光比的光脉冲。优选地，可以但不限于选择内调制激光器或电吸收调制激光器作为脉冲激光光源，同时为了更进一步地去除由脉冲激光器所发射出的光脉冲中所携带的杂散光，保证其产生的光脉冲的幅度稳定，可以在脉冲激光光源之后添加一强度调制器。
所述分束模块2，用于将由脉冲激光模块1所发出的脉冲激光按照较大比例进行分束。可以但不限于选择分束器(下称bs)或相位延迟片加偏振分束器(下称pbs)的组合，分束比定为999：1。不失一般性地，可以在信号光脉冲经过的路径添加一固定衰减器，该固定衰减器用于将信号光脉冲的强度衰减至符合要求的量级。
所述相位调制模块3，用于对信号光脉冲进行相位调制，不需要进行调幅就可以完成四个相干态的制备。
所述合束模块4，用于将经过调制的信号光以及本振光进行合束，送入量子信道当中进行传输。优选地，可以但不限于选择保偏偏振分束器，保偏偏振分束器可以使处于水平偏振的本振光直接透射进入量子信道，而会使得水平偏振的信号光偏振旋转九十度变为竖直偏振，进而被反射进入量子信道。这个过程使得本振光与信号光在偏振自由度上具有可分辨性。
接收端bob可以包括四个模块，包括偏振控制模块5，分束模块6，相位调制模块7，零差测量模块8。发送端制备的信号光脉冲以及本振光脉冲经过量子信道模块9的传输之后到达bob接收端，首先经过偏振控制模块5，之后到达分束模块6的左端口，根据信号光脉冲与本振光的偏振状态不同，信号光从分束模块6的右端口输出，本振光从模块6的上端口输出，进入相位调制模块7，最后信号光和本振光在时域上重新重合，同时到达零差测量模块8。
所述偏振控制模块5，用于调整量子信道中信号光与本振光的偏振状态，使得它们的偏振状态得到重新校准。可以但不限于采用电控偏振控制器进行反馈控制偏振状态。
所述分束模块6，用于将不同偏振的信号光和本振光分至两路。优选地，可以但不限于选择保偏偏振分束器，保偏偏振分束器可以将偏振不同的信号光和本振光分至两路，同时将本振光的偏振旋转九十度，这使得本振光与信号光的偏振一致。
所述相位调制模块7，用于给本振光脉冲随机添加相位0或π/2，对应后续在零差测量模块测量不同的正则分量。
所述零差测量模块8，用于对来自发送端alice的信号光脉冲与本振光脉冲进行零差测量操作。
现在结合具体装置对本实施例实现连续变量四态量子密钥分发的原理进行说明。在该示例中，模块1包括脉冲激光器(优选地，可以增加一台强度调制器)，模块2包括一个分束比为999：1的bs(优选地，可以添加一台衰减器)，模块3包括一台相位调制器，模块4包括一个保偏pbs，模块5包括一台电控偏振控制器，模块6包括一个保偏pbs，模块7包括一台相位调制器，模块8包括一套零差测量装置，模块9包括单模光纤。实现步骤如下：
1.alice对四个相干态进行随机制备。制备过程如下：
(1)alice端首先由脉冲激光器产生激光脉冲，经过一台强度调制器，去除产生的激光脉冲当中的杂散光；
(2)出射的光脉冲经过999：1的bs被分为lo和信号光两路，信号光经过衰减器强度得到进一步衰减；
(3)信号光经过相位调制器，随机数发生器按照概率分布[q1,q2,q3,q4]产生随机数，q1＝q2,q3＝q4,q1 q2 q3 q4＝1，产生的随机数分别对应四个相干态{|s>,|-s>,|is>,|-is>}(s为实数，优选地，可以取0.4)，根据随机数发生器的结果确定需要制备的相干态，对信号光进行调制制备出相应的相干态，四个相干态的强度相同，无需对信号光的幅度进行额外的调制；
(4)信号光和本振光通过保偏偏振分束器合束，此时二者的偏振处于相互垂直的状态，进入单模光纤当中进行传输。
2.bob端接收到alice端发送并经过单模光纤传输过来的本振光和信号光，需要对alice制备的相干态进行测量。测量过程如下:
(1)由于本振光和信号光在单模光纤中会发生偏振漂移，故通过电控偏振控制器进行反馈控制，使得本振光与信号光的偏振与后续装置对准；
(2)本振光进入保偏偏振分束器之后被反射，同时偏振旋转九十度，根据随机数发生器的结果决定相位调制器所加的相位是0还是π/2，进而确定对信号光的哪一个正则分量进行测量，若所加相位是0，则表示测量的是正则坐标，若所加相位为π/2，则表示测量的是正则动量；
(3)本振光和信号光同时进入零差测量装置进行测量。
3.将上面的步骤重复n轮(n是一个正整数)之后，alice和bob通过认证的经典信道进行通信，alice得到bob发送的正则分量的选择情况，将自己发送同一种相干态而bob分别测量正则坐标和正则动量时的数据归为同一组，通过经典信道仅告诉bob哪两组数据可以看作同一组。
4.他们通过公布的信息利用数值模拟凸优化算法估计成码率，如果成码率显示可以产生密钥，则继续执行协议，反之则中断协议的执行，直接放弃。若可以继续协议，则alice和bob分别完成密钥映射，形成原始密钥。
采用数值模拟凸优化算法估计成码率的具体步骤如下：
构建成码率计算公式为：
其中，r表示密钥率，σ表示联合密度矩阵，s表示联合密度矩阵应该满足的条件，h(ρ||σ)是相互熵，表明遭到攻击后仍然不被攻击者知道的信息量，k作为映射建立起密度矩阵与经典比特之间的关联，p表示收缩量子信道的作用效果，δ代表经典数据的比特纠错导致的比特损失，q表示保留一个脉冲作为最终生成密钥的几率；
根据成码率的计算公式，利用凸优化算法寻找相互熵的下界：首先，从初始联合密度矩阵σ0开始，经过迭代寻找到一个接近最强攻击时的联合密度矩阵σ′，此时将迭代出的σ′代入下式，计算出成码率的下界：
ε≥ξ(σ′)
其中，ε表示当联合密度矩阵满足约束s时相互熵的最小值，
所述数值模拟凸优化算法估计成码率的具体步骤为：
5.alice和bob之间进一步进行数据后处理操作，包括反向协商，以及相关的纠错和隐私放大过程，最终得到用于通信的安全密钥。
实施例二
图2给出了实现本发明所描述的连续变量四态调制量子密钥分发系统的第二示意性实施例。
如图2所示，发送端alice由第一从激光器模块1，主激光器模块2，第二从激光器模块3，第一光学传输模块4，分束模块5，第二光学传输模块6，信号调制模块7和合束模块8构成。根据本发明所要实现的协议，alice端进行信号光和本振光的制备及发送。在进行制备时，首先由主激光器模块2发出激光脉冲，激光脉冲通过左端口进入分束模块5，按照一定强度比例分别从上端口和右端口输出，进入第一光学传输模块4和第二光学传输模块6。经过第一光学传输模块4的激光脉冲进入第一从激光器模块1，之后第一从激光器模块1发射出相位稳定的激光脉冲进入信号调制模块7进行连续变量四态调制成为信号光；经过第二光学传输模块6的激光脉冲进入第二从激光器模块3，从第二从激光器模块3发射出相位稳定的激光脉冲作为本振光。上述两路脉冲分别通过上端口和左端口进入合束模块8合束至同一量子信道当中向接收端bob发送。
所述第一从激光器模块1，用于接受由主激光器模块2产生的种子光的注入，进而产生相位稳定的信号光脉冲。
所述主激光器模块2，用于产生种子光，将种子光注入从激光器模块2和3当中，通过注入锁定的方式产生相位稳定的信号光脉冲和本振光脉冲。
所述第二从激光器模块3与第一从激光器模块1作用原理一致，均为注入锁定，最终获得相位稳定的本振光脉冲。
所述第一光学传输模块4，用于改变脉冲光在量子信道当中的传输路径，并且这种路径的改变是单向不可逆的。可以但不限于选择环形器。
所述分束模块5，用于将主激光器模块2产生的种子光按照一定的强度比例分束。
所述第二光学传输模块6，与第一光学传输模块4具有相同的作用。
所述信号调制模块7，用于实现对光脉冲加载相位信息，完成连续变量四态调制。可以但不限于选择相位调制器。
所述合束模块8，用于将经过调制的信号光和本振光进行合束，输出至量子信道当中发送至接收端。可以但不限于选择保偏pbs。
实现量子信道模块以及接收端bob各种功能的模块以及相应模块的功能除了模块编号之外与实施例一当中均相同，这里不再赘述。
现在结合示例对本实施例实现连续变量四态量子密钥分发的原理进行说明。在该示例中，模块1、2、3均包括一台脉冲激光器，模块4、6均包括一台环形器，模块5包括一个bs(优选地，可添加一台固定衰减器)，模块7包括一台相位调制器，模块8包括一个保偏pbs，其余模块的示例与实施例一中所述的相应模块的示例相同。实现步骤如下：
首先，alice对四个相干态进行随机制备。制备过程如下：
(1)主激光器模块2处的脉冲激光器产生激光脉冲，经过bs分束，分别进入两台环形器；
(2)两束脉冲分别通过环形器注入两台从激光器中，从激光器受激发产生相位稳定的激光脉冲；
(3)从激光器模块1产生的激光脉冲进入固定衰减器，其强度进一步衰减，接着光脉冲经过相位调制器，随机数发生器按照概率分布[q1,q2,q3,q4](q1,q2,q3,q4≥0。q1＝q2,q3＝q4,q1 q2 q3 q4＝1)产生随机数，产生的随机数分别对应相位调制器调制出四种相干态{|s>,|-s>,|is>,|-is>}(s为实数，优选地，可以取0.4)，这一步无需进行额外的强度调制；
(5)完成信息加载的信号光与本振光通过保偏pbs合束进入量子信道。
后续步骤与实施例一相同，不再赘述。
实施例三
图3给出了实现本发明所描述的连续变量四态调制量子密钥分发系统的第三示意性实施例。
如图3所示，发送端alice由第一从激光器模块1，主激光器模块2，第二从激光器模块3，第一光学传输模块4，分束模块5，第二光学传输模块6，合束模块7构成。根据本发明所要实现的协议，alice端进行信号光和本振光的制备及发送。在进行制备时，首先由主激光器模块2发出激光脉冲，激光脉冲通过左端口进入分束模块5，按照一定强度比例分别从上端口和右端口输出，进入第一光学传输模块4和第二光学传输模块6。经过第一光学传输模块4的激光脉冲进入第一从激光器模块1，从模块1输出的光脉冲作为信号光；经过第二光学传输模块6的激光脉冲进入第二从激光器模块3，从模块3发射出相位稳定的激光脉冲作为本振光。上述两路脉冲分别通过上端口和左端口进入合束模块7合束至同一量子信道当中，并进一步向接收端bob发送。
所述第一从激光器模块1，用于接受由主激光器模块2产生的种子光的注入，进而产生相位稳定并且已经完成相位调制的信号光。
所述主激光器模块2，用于通过内调制的方式向从激光器中注入宽脉冲的种子光，不需要借助额外的相位调制模块直接完成对信号光相位的加载，并且可以产生相位稳定的脉冲光。
所述第二从激光器模块3，用于接受由主激光器模块2产生的种子光的注入，进而产生相位稳定的本振光。
所述第一光学传输模块4，用于改变脉冲光在量子信道当中的传输路径，并且这种路径的改变是单向不可逆的。不失一般性地，可以但不限于选择环形器。
所述分束模块5，用于将主激光器模块2产生的种子光按照一定的强度比例分束。可以但不限于使用bs。
所述第二光学传输模块6，其作用与第一光学传输模块4相同。
所述合束模块7，用于将经过调制的信号光和本振光进行合束，输出至量子信道当中发送至接收端。可以但不限于选择保偏pbs。
实现量子信道模块以及接收端bob各种功能的模块以及相应模块的功能除了模块编号之外与实施例一当中均相同，这里不再赘述。
现在结合示例对本实施例实现连续变量四态量子密钥分发的原理进行说明。在该示例中，模块1、2、3均包括一台脉冲激光器，模块4和6包括一台环形器，模块5包括一个bs，模块7包括一个保偏pbs，其余模块的示例与实施例一中所述的相应模块的示例相同。
首先，alice对四个相干态进行随机制备，随机数的概率分布与相应的相干态与前述实施例一致。这里在制备四个相干态时使用的是内调制的方法，该方法直接通过给主激光器的加载电压施加微扰来完成相位调制，无需额外的相位调制仪器。内调制制备相干态的过程如下：
(1)主激光器模块2处的脉冲激光器产生宽激光脉冲，图4示例性地给出了一种内调制情况下给主激光器和两台从激光器所加的电脉冲信号在一个周期内时域上的关系，图中只定性地给出其原理，不代表真正的数量关系。在通过给主激光器加电压产生光脉冲时，需要给一个宽脉冲电压，同时给所加脉冲电压的中间施加一个小的微扰(如图4主激光器部分所示)，该电压微扰将导致主激光器产生的激光脉冲中心频率产生偏移，进而导致其相位随时间的演化发生变化，可以通过改变微扰的大小来控制该偏移量，使其产生的相位差异分别对应连续变量调制四态的相位，即0，π/2，π，3π/2；
(2)主激光器发出的光脉冲经过bs分束为本振光和信号光，分别进入两台环形器；
(3)在给模块1处的从激光器加载脉冲电压时，应选择短脉宽的脉冲电压，并且在时域上这个脉冲电压应该位于主激光器所发出的宽脉冲的微扰之后(或之前，若在微扰之前，则调制的相位对应的相干态需要作出相应的调整，因为此时信号光和本振光之间相位差发生改变)，如图4从激光器模块1部分，但脉冲电压在时域上仍然应该落在宽脉冲之中；
(4)在给模块3处的从激光器加载脉冲电压时要求与第(3)步当中类似，不过时域上这个电脉冲应位于宽脉冲之前(或之后)，如图4从激光器模块3部分，与(3)中的脉冲形成恰好一前一后的形式；
(5)完成信息调制的信号光和本振光通过保偏pbs进入量子信道一起发送至接收端bob。
后续步骤与实施例一相同，不再赘述。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
1.一种连续变量四态量子密钥分发方法，其特征在于，包括步骤：
(1)发送端制备本振光，并按照概率分布[q1,q2,q3,q4]产生对应四个相干态{|s>,|-s>,|is>,|-is>}的信号光，然后将信号光与本振光发送到接收端；其中，q1＝q2，q3＝q4，q1 q2 q3 q4＝1，s为实数；
(2)接收端通过相位调制随机且等概率地在本振光中引入0或π/2的相位增量，分别用以测量信号光的正则坐标分量或正则动量分量，然后，接收端进行零差测量，得到信号光的正则坐标或正则动量；
(3)重复步骤(1)至(2)n次后，得到一轮成码所需的数据；
(4)发送端和接收端通过认证的经典信道进行通信，接收端告知发送端自己在测量时对正则分量的选择，然后发送端根据接收端的选择将发送同一种信号态而接收端分别测量正则坐标和正则动量的情况看作同一组，通过经典信道仅告诉接收端哪两次测量可以看作同一组，但并不公布制备的相干态本身；
(5)发送端对所发送的信号态进行密钥映射，得到发送端的初始密钥；接收端根据测量结果进行密钥映射，得到接收端的初始密钥；
(6)发送端和接收端基于各自的初始密钥进行反向协商以及相关的纠错和隐私放大过程，得到最终的安全密钥。
2.根据权利要求1所述的一种连续变量四态量子密钥分发方法，其特征在于，在执行步骤(5)之前，还根据步骤(4)的测量结果采用数值模拟凸优化算法估计成码率，若成码率满足预设的安全性条件，则继续执行步骤(5)，否则，结束所述密钥分发。
3.根据权利要求2所述的一种连续变量四态量子密钥分发方法，其特征在于，所述采用数值模拟凸优化算法估计成码率的具体步骤包括：
构建成码率计算公式为：
其中，r表示密钥率，σ表示联合密度矩阵，s表示联合密度矩阵应该满足的条件，h(ρ||σ)是相互熵，表明遭到攻击后仍然不被攻击者知道的信息量，k作为映射建立起密度矩阵与经典比特之间的关联，p表示收缩量子信道的作用效果，δ代表经典数据的比特纠错导致的比特损失，q表示保留一个脉冲作为最终生成密钥的几率；
根据成码率的计算公式，利用凸优化算法寻找相互熵的下界：首先，从初始联合密度矩阵σ0开始，经过迭代寻找到一个接近最强攻击时的联合密度矩阵σ′，此时将迭代出的σ′代入下式，计算出成码率的下界：
ε≥ξ(σ′)
其中，ε表示当联合密度矩阵满足约束s时相互熵的最小值，
4.一种连续变量四态量子密钥分发系统，用于实现权利要求1至3任意一项所述方法，包括发送端和接收端，其特征在于，所述发送端包括制备模块，用于制备所述本振光和所述信号光；所述接收端包括：偏振控制模块、分束模块、相位调制模块和零差测量模块；其中，
偏振控制模块用于调整量子信道中信号光与本振光的偏振状态，使得它们的偏振状态得到重新校准；
分束模块用于将不同偏振方向的信号光与本振光分开；
相位调制模块在本振光中随机且等概率地引入0或π/2的相位增量；
零差测量模块对信号光和经过相位调制后的本振光进行零差测量，得到正则坐标或正则动量。
5.根据权利要求4所述的一种连续变量四态量子密钥分发系统，其特征在于，所述发送端和接收端分别设置控制模块，发送端和接收端的控制模块分别控制本端内部各模块实现相应功能，以及与通信的另一方进行反向协商以及相关的纠错和隐私放大步骤，以协商出最终的安全密钥。
6.根据权利要求5所述的一种连续变量四态量子密钥分发系统，其特征在于，所述发送端包括：脉冲激光模块、分束模块、相位调制模块和合束模块；其中，
脉冲激光模块用于产生激光脉冲；
分束模块用于将激光脉冲分束为强度不同的第一激光脉冲和第二激光脉冲，第二激光脉冲作为本振光；
相位调制模块对第一激光脉冲进行相位调制，以生成所述信号光；
合束模块将信号光和本振光合束后通过量子信道传输到接收端。
7.根据权利要求5所述的一种连续变量四态量子密钥分发系统，其特征在于，所述发送端包括：主激光器模块、第一从激光器模块、第二从激光器模块、第一光学传输模块、第二光学传输模块、分束模块、相位调制模块和合束模块；其中，
主激光器模块用于产生种子光，并通过分束模块将种子光分束为第一种子光和第二种子光；
第一种子光通过第一光学传输模块注入第一从激光器模块，第一从激光器模块采用相位注入锁定的方式产生原始信号光脉冲并送入相位调制模块调制生成所述信号光；
第二种子光通过第二光学传输模块注入第二从激光器模块，第二从激光器模块采用相位注入锁定的方式产生本振光；
合束模块将信号光和本振光合束后通过量子信道传输到接收端。
8.根据权利要求5所述的一种连续变量四态量子密钥分发系统，其特征在于，所述发送端包括：主激光器模块、第一从激光器模块、第二从激光器模块、第一光学传输模块、第二光学传输模块、分束模块和合束模块；其中，
主激光器模块用于通过内调制的方式直接完成对信号光相位的加载，生成对应四种信号态的相位稳定的种子光，主激光器模块产生的种子光通过分束模块分束为第一种子光和第二种子光；
第一种子光通过第一光学传输模块注入第一从激光器模块，第一从激光器模块采用相位注入锁定的方式产生所述信号光；
第二种子光通过第二光学传输模块注入第二从激光器模块，第二从激光器模块采用相位注入锁定的方式产生所述本振光；
合束模块将信号光和本振光合束后通过量子信道传输到接收端。
技术总结