本发明涉及计算机信息技术领域，具体地，涉及一种连续变量量子密钥分发可变透过率及数据位帧同步方法。尤其地，涉及一种针对信道透过率不可视为常数的量子密钥分发系统(比如自由空间或者水下cvqkd系统等)位帧同步方法。
背景技术：
21世纪以来，信息科技快速发展，星罗棋布的信息技术与信息产业应运而生，光纤通信、无线通信等领域的技术发展迅猛，互联网、物联网、大数据、人工智能等领域百花齐放，与此同时，信息安全的重要性也与日俱增。量子密钥分发是基于量子物理的具有理论无条件安全性的密钥共享方案，是信息论与量子力学融合发展的成果。近年来，连续变量量子密钥分发引起了广泛关注，相比于离散变量量子密钥分发，具有更高的通信速率和效率，并且能够更好的融合于现有的光纤通信网络。为了搭建全天候量子密钥分发网络，还需研究在非光纤信道下的量子密钥分发技术，因此，自由空间cvqkd和水下cvqkd等逐渐成为研究热门。由于cvqkd系统工作在弱光条件下，接收端的接收信号具有极低的信噪比，这就给同步带来了很大的困难。并且与基于光纤的cvqkd不同的是，非光纤信道的cvqkd系统的信道透过率和相位漂移等参数不再是常数，我们提出的方案是在接收端分出一部分光通过光电二极管直接进行经典探测得到光强，发送端的本振光光强可以视为恒定，取上述两组数据的比值为信道透过率数据。为了能够正确的进行参数估计、秘密协商、保密加强等后处理步骤，需要把alice端数据、bob端数据、信道透过率数据三者成功同步。因为，只有在正确同步的前提下，双方的原始密钥才具有较强的相关性，从而经参数估计、秘密协商、保密加强后可以提取出密钥，因此同步对于cvqkd系统来说至关重要。
技术实现要素：
为了能够在例如自由空间cvqkd等信道参数不可视为恒定的条件下实现alice端数据、bob端数据和信道透过率数据的同步,同时能够抵抗信道中的相位漂移，使同步过程能够在任意相位漂移值下进行，本发明提供了一种连续变量量子密钥分发可变透过率及数据位帧同步方法,通过设计特殊的数据同步帧和信道透过率同步帧信号，并且在计算相关性时预置相位信息，实现了对信道中不同的相位漂移值的容忍，并最终实现同步功能。同时，同步过程可以在极低的信噪比条件下进行。
根据本发明提供的一种连续变量量子密钥分发可变透过率及数据位帧同步方法，包括步骤如下:
步骤a：构造同步帧:构造数据同步帧与信道透过率同步帧，调制在每一帧的帧头，随后调制高斯分布的数据；
步骤b：计算同步位:对接收数据进行相关运算，确定数据中的同步位；
所述连续变量为密钥分发系统通过量子信道传输的取值连续的信号；
所述相关运算为使用本地数据与接收数据进行数学上的互相关运算。
优选地，所述步骤a包括如下步骤：
步骤a1：调制一段数据同步帧，并且预置不同的相位信息；
步骤a2：调制一段信道透过率同步帧。
优选地，所述步骤b包括如下步骤：
步骤b1：接收方首先将接收数据与数据同步帧进行相关运算，当且仅当相关运算出现相关峰时，可以判定当前脉冲为信号的起始脉冲；
步骤b2：把信道透过率同步帧经量子信道后bob端测量的对应结果和信道透过率数据计算相关性，根据相关运算中出现的情况判定信号的起始脉冲，当且仅当相关运算的绝对值出现相关峰时，判定当前脉冲为信号的起始脉冲，由于分别使用x分量和p分量，当出现最恶劣的π/2信道漂移时，也能成功同步；设光场的振幅为a，相位为θ，则光场的x分量为acos(θ),p分量为asin(θ)。
优选地，所述数据同步帧：
通过调制量子信号的幅度为恒定，相位属于
所述信道透过率同步帧：
通过调制量子信号的幅度为恒定，相位为恒定，从而让接收端测量到的数据与信道透过率线性相关。
优选地，所述幅度和相位，是指量子信道中传输的量子态在希尔伯特空间中极坐标表示下的两个分量。
优选地，进行相位调制时，至少需要预置两种相位信息
优选地，所述相位的预置，是指发送端在调制同步帧时构造若干个和原始同步信号具有一定相位差的信号，并使用这些同步信号对接收信号进行同步。
根据本发明提供的一种连续变量量子密钥分发可变透过率及数据位帧同步系统，包括模块如下:
模块a：构造同步帧:构造数据同步帧与信道透过率同步帧，调制在每一帧的帧头，随后调制高斯分布的数据；
模块b：计算同步位:对接收数据进行相关运算，确定数据中的同步位；
所述连续变量为密钥分发系统通过量子信道传输的取值连续的信号；
所述相关运算为使用本地数据与接收数据进行数学上的互相关运算。
优选地，所述模块a包括如下模块：
模块a1：调制一段数据同步帧，并且预置不同的相位信息；
模块a2：调制一段信道透过率同步帧；
所述模块b包括如下模块：
模块b1：接收方首先将接收数据与数据同步帧进行相关运算，当且仅当相关运算出现相关峰时，可以判定当前脉冲为信号的起始脉冲；
模块b2：把信道透过率同步帧经量子信道后bob端测量的对应结果和信道透过率数据计算相关性，根据相关运算中出现的情况判定信号的起始脉冲，当且仅当相关运算的绝对值出现相关峰时，判定当前脉冲为信号的起始脉冲，由于分别使用x分量和p分量，当出现最恶劣的π/2信道漂移时，也能成功同步；设光场的振幅为a，相位为θ，则光场的x分量为acos(θ),p分量为asin(θ)；
所述数据同步帧：
通过调制量子信号的幅度为恒定，相位属于
所述信道透过率同步帧：
通过调制量子信号的幅度为恒定，相位为恒定，从而让接收端测量到的数据与信道透过率线性相关；
所述幅度和相位，是指量子信道中传输的量子态在希尔伯特空间中极坐标表示下的两个分量；
进行相位调制时，至少需要预置两种相位信息
所述相位的预置，是指发送端在调制同步帧时构造若干个和原始同步信号具有一定相位差的信号，并使用这些同步信号对接收信号进行同步。
根据本发明提供的一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现上述中任一项所述的连续变量量子密钥分发可变透过率及数据位帧同步方法的步骤。
本发明具有以下有益效果:
1)本发明所涉及的同步方法适用于例如自由空间或者水下cvqkd等信道透过率不可视为常数的系统环境，并且实现了发送端数据、接收端数据和信道透过率数据三者之间的同步，目前还没有针对透过率可变的cvqkd系统的信道透过率和数据的同步方法。
2)本发明所设计的同步帧结构能够很好地抵抗复杂透过率可变信道中的随机相位漂移，并在任意相位漂移值下进行可靠同步，具有很好的抗信道抖动干扰能力。
3)本发明所涉及的同步方法仅仅在调制时需要发送端调制特殊的数据同步帧和信道透过率同步帧，同步帧信号可以是双方预先通过经典信道商量好的，之后计算相关性进行同步的过程在接收端内部即可完成，相比于alice和bob通过比对公布的测量结果进行同步的方法，省去了双方交流的环节，提高了系统运行效率，并且便于集成。
附图说明
图1为本发明实施适用的cvqkd系统(如自由空间cvqkd系统)的光路示意图，用于区分光纤cvqkd系统。
图2位本发明所提及的同步帧结构。
图3数据同步帧和信道透过率同步帧每个脉冲具体的举例说明。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
下面通过实施例，对本发明进行更为具体地说明。
实施例1：
一种连续变量量子密钥分发系统(continuous-variablequantumkeydistribution,cvqkd)可变透过率及数据位帧同步的方法。本方法主要适用于自由空间cvqkd或者水下cvqkd等信道透过率是变量的cvqkd系统，与之相对的传统的光纤cvqkd系统信道通过率通常可以视为常数。在光纤cvqkd系统中仅需要同步alice端和bob端数据，然后通过参数估计步骤评估出信道透过率。而在例如自由空间或者水下等cvqkd系统中，我们需要分出一部分光实时监控得到每个脉冲的信道透过率，还需要把alice端数据、bob端数据和信道透过率数据三者同步，本方案提出一种把bob端数据和信道透过率数据同步的方法。方法主要步骤如下：步骤a：构造同步帧：构造特殊的数据同步帧与信道透过率同步帧，调制在每一帧的帧头，随后调制高斯分布的数据；步骤b：计算同步位：对接收数据进行相关运算，确定数据中的同步位；所述连续变量为密钥分发系统通过量子信道传输的取值连续的信号；所述相关运算为使用本地数据与接收数据进行数学上的互相关运算。本发明通过设计特殊的同步帧，并且通过对同步帧预置不同的相位值，实现了对信道中不同相位漂移的容忍，实现了在例如自由空间等信道透过率为变量的条件下接收端数据和系统透过率数据的同步。同时，同步过程可以在低信噪比条件下进行。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种连续变量量子密钥分发可变透过率及数据位帧同步方法，包括步骤如下:
步骤a：构造同步帧:构造特殊的数据同步帧与信道透过率同步帧，调制在每一帧的帧头，随后调制高斯分布的数据；
步骤b：计算同步位:对接收数据进行相关运算，确定数据中的同步位；
所述连续变量为密钥分发系统通过量子信道传输的取值连续的信号，是后续用来提取安全密钥的基础；
所述相关运算为使用本地数据与接收数据进行数学上的互相关运算。
优选的，所述步骤a包括如下步骤：
步骤a1：调制一段特殊的数据同步帧，并且预置不同的相位信息；
步骤a2：调制一段特殊的信道透过率同步帧。
优选的，所述步骤b包括如下步骤：
步骤b1：接收方首先将接收数据与数据同步帧进行相关运算，当且仅当相关运算出现相关峰时，可以判定当前脉冲为信号的起始脉冲；
步骤b2：把信道透过率同步帧经量子信道后bob端测量的对应结果和信道透过率数据计算相关性，根据相关运算中出现的情况判定信号的起始脉冲，当且仅当相关运算的绝对值出现相关峰时，可以判定当前脉冲为信号的起始脉冲，由于分别使用x分量和p分量，当出现最恶劣的π/2信道漂移时，也能成功同步。
优选的，数据同步帧，其特征在于，通过调制量子信号的幅度为恒定，相位属于
优选的，所述幅度分量和相位分量，是指量子信道中传输的量子态在希尔伯特空间中极坐标表示下的两个分量。
优选的，进行相位调制时，至少需要预置两种相位信息
优选的，所述相位预置，是指发送端在调制同步帧时构造若干个和原始同步信号具有一定相位差的信号，并使用这些同步信号对接收信号进行同步。通过相位预置可以保证在信道漂移较为极端的情况下，总存在一组接收信号与同步信号的相位具有较小的差异，从而达到具有抗相位漂移能力的同步，提高不同情况下同步成功率。
本发明的原理为:在发送数据之前，调制特殊的数据同步帧和信道透过率同步帧。并且预置几段不同的初始相位值，保证同步过程能够在不同的相位漂移下工作。在发送端，发送者只需要在发送数据之前添加特殊的同步帧数据。接收端在收到信号后，首先把接收数据与数据同步帧进行相关运算，在相关值达到最大值并超过同步判决门限时确定数据的起始脉冲，从而成功同步收发双方alice和bob的数据。在数据同步帧成功同步后，便也能找到数据同步帧后的信道透过率同步帧，用发送端同步帧数据经信道后到达接收端被测量到的对应的数据，与实时监控的信道透过率数据逐位进行相关运算，即可在相关值达到最大值并超过同步判决门限时确定数据的起始点，从而成功的同步接收端数据和对应的信道透过率数据。
实施例2：
在连续变量量子密钥分发系统中，alice(发送方)发送的量子态是服从高斯调制的，即量子态的位置和动量都服从高斯分布。发送端通过在幅度调制器am上加载服从瑞利分布的信号并在相位调制器pm上加载均匀分布的信号使发送数据服从高斯分布。为了方便讨论，以下分析以量子态的位置分量x为例，对于动量分量p有相同的结果。对于服从高斯分布的x分量和p分量，在发送端调制时，是通过调制光信号的幅度和相位达到把x分量和p分量编码在光场的目的，调制幅度为
对于数据同步帧的构造，我们可以把数据同步帧的幅度都调制为一个恒定的量，而数据同步帧的相位则在
对于信道透过率数据的同步，由于发送端数据xa＝acos(θ),接收端数据
实施低信噪比下连续变量量子密钥分发可变透过率及数据位帧同步具体步骤如下：
(1)发送端先调制一段特殊的数据同步帧，然后调制一段特殊的信道透过率同步帧。为了抵抗极端信道漂移对同步
(2)接收端用事先商量好的同步码型与测量数据进行相关性计算，取相关性达到峰值且超过阈值点为双方数据同步点；
(3)接收端提取出数据同步帧后面的信道透过率同步帧，接收方把发送端调制的信道透过率同步帧经信道后，接收端测量到的对应的数据，与实时监控的信道透过率数据做相关运算，取相关性达到峰值且超过阈值的点为同步点。由于在数据同步帧和信道透过率同步帧中，都分别预置了相位为0和
通过以上过程，即可在低信噪比条件，信道透过率不恒定，存在相位漂移且相位漂移存在抖动的信道中，实现连续变量量子密钥分发可变透过率及数据位帧同步。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
1.一种连续变量量子密钥分发可变透过率及数据位帧同步方法，其特征在于，包括步骤如下：
步骤a：构造同步帧:构造数据同步帧与信道透过率同步帧，调制在每一帧的帧头，随后调制高斯分布的数据；
步骤b：计算同步位:对接收数据进行相关运算，确定数据中的同步位；
所述连续变量为密钥分发系统通过量子信道传输的取值连续的信号；
所述相关运算为使用本地数据与接收数据进行数学上的互相关运算。
2.根据权利要求1所述的连续变量量子密钥分发可变透过率及数据位帧同步方法，其特征在于，所述步骤a包括如下步骤：
步骤a1：调制一段数据同步帧，并且预置不同的相位信息；
步骤a2：调制一段信道透过率同步帧。
3.根据权利要求1所述的连续变量量子密钥分发可变透过率及数据位帧同步方法，其特征在于，所述步骤b包括如下步骤：
步骤b1：接收方首先将接收数据与数据同步帧进行相关运算，当且仅当相关运算出现相关峰时，可以判定当前脉冲为信号的起始脉冲；
步骤b2：把信道透过率同步帧经量子信道后bob端测量的对应结果和信道透过率数据计算相关性，根据相关运算中出现的情况判定信号的起始脉冲，当且仅当相关运算的绝对值出现相关峰时，判定当前脉冲为信号的起始脉冲，由于分别使用x分量和p分量，当出现最恶劣的π/2信道漂移时，也能成功同步；设光场的振幅为a，相位为θ，则光场的x分量为acos(θ),p分量为asin(θ)。
4.根据权利要求2所述的连续变量量子密钥分发可变透过率及数据位帧同步方法，其特征在于，所述数据同步帧：
通过调制量子信号的幅度为恒定，相位属于
所述信道透过率同步帧：
通过调制量子信号的幅度为恒定，相位为恒定，从而让接收端测量到的数据与信道透过率线性相关。
5.根据权利要求4所述的连续变量量子密钥分发可变透过率及数据位帧同步方法，其特征在于，所述幅度和相位，是指量子信道中传输的量子态在希尔伯特空间中极坐标表示下的两个分量。
6.根据权利要求2所述的连续变量量子密钥分发可变透过率及数据位帧同步方法，其特征在于，进行相位调制时，至少需要预置两种相位信息
7.根据权利要求6所述的连续变量量子密钥分发可变透过率及数据位帧同步方法，其特征在于，所述相位的预置，是指发送端在调制同步帧时构造若干个和原始同步信号具有一定相位差的信号，并使用这些同步信号对接收信号进行同步。
8.一种连续变量量子密钥分发可变透过率及数据位帧同步系统，其特征在于，包括模块如下:
模块a：构造同步帧:构造数据同步帧与信道透过率同步帧，调制在每一帧的帧头，随后调制高斯分布的数据；
模块b：计算同步位:对接收数据进行相关运算，确定数据中的同步位；
所述连续变量为密钥分发系统通过量子信道传输的取值连续的信号；
所述相关运算为使用本地数据与接收数据进行数学上的互相关运算。
9.根据权利要求8所述的连续变量量子密钥分发可变透过率及数据位帧同步系统，其特征在于，所述模块a包括如下模块：
模块a1：调制一段数据同步帧，并且预置不同的相位信息；
模块a2：调制一段信道透过率同步帧；
所述模块b包括如下模块：
模块b1：接收方首先将接收数据与数据同步帧进行相关运算，当且仅当相关运算出现相关峰时，可以判定当前脉冲为信号的起始脉冲；
模块b2：把信道透过率同步帧经量子信道后bob端测量的对应结果和信道透过率数据计算相关性，根据相关运算中出现的情况判定信号的起始脉冲，当且仅当相关运算的绝对值出现相关峰时，判定当前脉冲为信号的起始脉冲，由于分别使用x分量和p分量，当出现最恶劣的π/2信道漂移时，也能成功同步；设光场的振幅为a，相位为θ，则光场的x分量为acos(θ),p分量为asin(θ)；
所述数据同步帧：
通过调制量子信号的幅度为恒定，相位属于
所述信道透过率同步帧：
通过调制量子信号的幅度为恒定，相位为恒定，从而让接收端测量到的数据与信道透过率线性相关；
所述幅度和相位，是指量子信道中传输的量子态在希尔伯特空间中极坐标表示下的两个分量；
进行相位调制时，至少需要预置两种相位信息
所述相位的预置，是指发送端在调制同步帧时构造若干个和原始同步信号具有一定相位差的信号，并使用这些同步信号对接收信号进行同步。
10.一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至7中任一项所述的连续变量量子密钥分发可变透过率及数据位帧同步方法的步骤。
技术总结