技术摘要：
发射器提供用于通过网络传输量子密钥的光信号。发射器包括第一生成器，用于生成量子信号，量子信号包括帧序列。发射器包括第二生成器，用于生成导频信号。导频信号包括与帧序列同步的签名序列。发射器包括光调制器，用于基于量子信号和导频信号对光载波进行调制来生成  全部
背景技术：
量子密钥分发(quantum  key  distribution，QKD)基于量子载波，也称为量子信 号，通常为单光子或强衰减光脉冲，用于共享秘密电子密钥。这种光脉冲序列，即量子信号 序列，通过量子信道从发射器传输到接收器，其中每个光脉冲对一个秘钥位进行编码。光的 量子特性，特别是海森堡不确定性原理，确保了读取这些秘钥位时会干扰光子的量子状态。 然后，利用附加经典信道上的公共通信来估计潜在窃听者可能已获取的最大信息量，并从 原始数据中提取秘密密钥。 以往已提出并实现了几种实用的量子密钥分发方案，包括离散变量和连续变量 (continuous-variable，CV)量子密钥分发(QKD)。CV  QKD系统利用连续量子变量，如电场幅 度，作为取代传统光子计数QKD技术的潜在有效方法。从实用的角度来看，CV方法具有潜在 的优势，因为它与标准光通信技术兼容。 目前的CV  QKD系统利用从发射器传输到接收器的参考脉冲来估计信道损伤，并依 靠离散脉冲对量子信号进行编码。例如，Sebastian  Kleis、Reinhold  Herschel和 Christian  G.Schaffer在OSA的CLEO  2015年刊上发表的文章《利用多进制相移键控的连续 变量量子密钥分发的简单而有效的检测方案》(“Simple  and  Efficient  Detection  Scheme  for  Continuous  Variable  Quantum  Key  Distribution  with  m-ary  Phase- Shift-Keying”)中，提出了通过传输特殊参考信号(例如其他频率上的强导频音)来补偿信 道损伤。Bing  Qi、Pavel  Lougovski、Raphael  Pooser、Warren  Grice和Miljko  Bobrek在 Phys.Rev.X的2015年刊(刊号5,041009)上发表的文章《基于相干检测在连续变量量子密钥 分发中生成本地振荡器》(“Generating  the  local  oscillator  locally  in  continuous- variable  quantum  key  distribution  based  on  coherent  detection”)，D.Huang , P.Huang,D.Lin,C.Wang,and  G.Zeng在Optics  Letters的2015年刊(刊号40,3695)上发表 的文章《无需发送本地振荡器的高速连续变量量子密钥分发》(“High-speed  continuous- variable  quantum  key  distribution  without  sending  a  local  oscillator”)，以及 Daniel  B .S .Soh、Constantin  Brif、Patrick  J .Coles、Norbert  Lutkenhaus、Ryan  M.Camacho、Junji  Urayama和Mohan  Sarovar在Phys.Rev.X的2015年刊(刊号5,041010)上 发表的文章《自参考连续变量量子密钥分发协议》(“Self-referenced  continuous- variable  quantum  key  distribution  protocol”)中，建议根据与量子信号在不同时间传 输的参考脉冲来补偿信道损伤。 在QKD以外的已知通信系统中，数据的同步信息通常插入到数据流中。同步信息可 以是前导或其他用于定义帧的确切起点的唯一数据签名。在QKD系统中，量子信号的信号电 平非常低，因此不可能通过量子信号中长度为一个符号或几个符号的前导来指示帧的起 点，而是需要一个非常长的前导，这将大大降低可用于密钥分发的数据速率。 4 CN 111602368 A 说　明　书 2/9 页 在已知的QKD系统中，提供了单独的帧或触发信道来代替这种前导。然而，利用这 种帧或触发通道的缺点在于帧或触发通道需要单独处理。
技术实现要素：
在认识到上述缺点和问题之后，本发明旨在改进现有技术状态。具体而言，本发明 的目的在于提供一种用于传输量子密钥的发射器、一种用于接收量子密钥的接收器以及一 种用于传输和接收量子密钥的方法。 此目的可以通过独立权利要求的特征来实现。根据从属权利要求、说明书和附图， 本发明的其他实施例是显而易见的。 根据第一方面，本发明涉及一种发射器，用于提供传输量子密钥的光信号。所述发 射器包括光电电路，用于生成包括帧序列的量子信号，以及生成包括签名序列的导频信号， 使得所述签名序列与所述帧序列同步。所述光电电路还用于基于所述量子信号和所述导频 信号对光载波进行调制来生成所述光信号。 由此，所述发射器提供所述用于量子密钥分发的光信号，所述光信号包括调制到 所述导频信号上的同步信息。利用所述导频信号进行同步的优势在于不需要额外的帧或触 发信道。这反过来又具有进一步的优势，即减少了恢复所述同步信息的处理需求。 根据所述第一方面的一种实现方式，所述光电电路用于生成第一周期信号和第二 周期信号。所述第一周期信号和所述第二周期信号相互具有恒定相移。所述光电电路还用 于基于所述第一周期信号生成所述量子信号，以及基于所述第二周期信号生成所述导频信 号。 由此，实现了所述导频信号和所述量子信号的同步。因此，接收器将能够正确解释 所述量子信号并确定所述量子密钥，所述量子密钥按所述帧序列组织。所述第一周期信号 和所述第二周期信号可以是相同的信号，例如，它们可以由同一个周期信号生成。 根据所述第一方面的一种实现方式，所述光电电路用于：利用所述量子信号调制 第一载波来生成调制后量子载波，以及利用所述签名序列调制第二载波来生成所述导频信 号。所述第二载波在频率和/或时间上与所述第一载波相分离。所述光电电路还用于：利用 所述调制后量子载波和所述调制后导频载波来调制所述光载波。 由此，所述导频信号和所述调制后量子载波使用不同的频率和/或出现在不同的 时间。因此，可以避免所述导频信号和所述调制后量子载波之间的干扰。 根据所述第一方面的一种实现方式，所述第二载波是单频音信号，所述签名序列 利用幅度调制、频率调制或相位调制中的至少一种调制到所述第二载波上。 这些调制类型中的每种类型在产生的带宽以及调制和解调所需的努力方面都具 有特定优势。 根据所述第一方面的一种实现方式，所述签名序列是周期性的。 由此，增加了信号结构中的周期性。这样做的优势在于简化了签名的生成和检测。 根据所述第一方面的一种实现方式，所述签名序列中的签名与所述帧序列中的帧 之间以1对N的关系相关，其中N是自然数。 N可以为1或大于1。在N为1的实现方式中，每个帧将有一个签名。这将使得接收器 能够特别可靠和准确地识别每个帧的起点。在N大于1的实现方式中，降低了签名信息与帧 5 CN 111602368 A 说　明　书 3/9 页 之间的比值。这样做的优势在于减少了签名引起的导频信号失真。 根据所述第一方面的一种实现方式，所述签名序列的每个元素是一个脉冲。 由此，更详细地定义了签名。脉冲的优势在于它易于生成和检测。 根据所述第一方面的一种实现方式，所述发射器包括衰减器，用于衰减调制后光 载波。 由此，减少了所述光信号的能量。这样做的优势在于可以利用所述量子信号的量 子特性。 根据第二方面，本发明涉及一种用于提供传输量子密钥的光信号的方法。所述方 法包括生成包括帧序列的量子信号。所述方法还包括生成导频信号。所述导频信号包括与 所述帧序列同步的签名序列。所述方法还包括基于所述导频信号和所述量子信号对光载波 进行调制以提供所述光信号。 因此，所述用于量子密钥分发的光信号将包括携带同步信息的导频信道。利用所 述导频信道进行同步的优势在于不需要额外的帧或触发信道。这反过来又具有进一步的优 势，即减少了处理需求。 根据所述第二方面的一种实现方式，生成第一周期信号和第二周期信号，所述第 一周期信号和所述第二周期信号相互具有恒定相移。所述量子信号基于所述第一周期信号 生成，所述导频信号基于所述第二周期信号生成。 由此，实现了所述导频信号和所述量子信号的同步。这样做的优势在于，接收器将 能够基于所述导频信号确定按所述帧序列组织的所述量子密钥。 根据所述第二方面的一种实现方式，利用所述量子信号调制第一载波来生成调制 后量子载波。利用所述签名序列调制第二载波来生成所述导频信号。所述第二载波在频率 和/或时间上与所述第一载波相分离。利用所述调制后量子载波和所述调制后导频载波来 调制所述光载波。 由此，所述导频信号和所述量子信号使用不同的频率和/或出现在不同的时间。这 样做的优势在于避免了所述导频信号和所述量子信号之间的干扰。 根据所述第二方面的一种实现方式，所述第二载波是单频音信号，所述签名序列 利用幅度调制、频率调制或相位调制中的至少一种调制到所述第二载波上。 这些调制类型中的每种类型在产生的带宽以及调制和解调所需的努力方面都具 有优势。 根据所述第二方面的一种实现方式，所述签名序列是周期性的。 这样做的优势在于简化了签名的生成和检测。 根据所述第二方面的一种实现方式，所述签名序列中的签名与所述帧序列中的帧 之间以1对N的关系相关，其中N是自然数。 N可以为1或大于1。在N为1的实现方式中，每个帧将有一个签名。这将使得接收器 能够特别可靠和准确地识别每个帧的起点。在N大于1的实现方式中，能够降低签名信息与 帧之间的比值。这样做的优势在于减少了签名引起的导频信号失真。 根据所述第二方面的一种实现方式，所述签名序列的每个元素是一个脉冲。 由此，更详细地定义了签名。脉冲的优势在于它易于生成和检测。 根据所述第二方面的一种实现方式，所述光信号进行了衰减。 6 CN 111602368 A 说　明　书 4/9 页 由此，减少了所述光信号的能量。这样做的优势在于可以利用所述量子信号的量 子特性。 根据第三方面，本发明涉及一种用于接收光信号携带的量子密钥的接收器。所述 光信号包括量子信号和导频信号。所述量子信号包括帧序列。所述导频信号包括与所述帧 序列同步的签名序列。所述接收器包括光电电路，用于：从所述光信号中提取所述量子信号 和所述导频信号；从所述导频信号中提取所述签名序列；基于所述签名序列识别所述量子 信号的帧；根据所述帧序列解释所述量子信号来从所述量子信号中提取所述量子密钥。 因此，所述接收器可以基于所述导频信号中的签名序列从所述接收到的光信号中 推导出所述量子密钥。利用所述导频信号的优势在于不需要额外的帧或触发信道。这反过 来又具有进一步的优势，即减少了处理需求。 根据所述第三方面的一种实现方式，所述光电电路包括相干光探测器，用于基于 本地光载波将所述光信号转换为电信号。 由此，所述光信号中包含的信息下变频为电信号以进行进一步处理。这样做的优 势在于电路可以用于进行进一步处理。 根据所述第三方面的一种实现方式，所述光电电路包括滤波器，用于从所述电信 号中提取所述导频信号。 由此，所述导频信号与所述电信号相分离，以进行进一步处理。这样做的优势在 于，在提取所述签名序列时，减少来自所述导频信号以外的信号的影响。 根据所述第三方面的一种实现方式，所述光电电路包括切片器，用于比较所述调 制后导频载波的幅度与阈值，以从所述导频信号中获取所述签名序列。 由此，生成了具有调幅签名的导频信号。这种实现方式的优势在于可以通过简单 的手段来实现。 根据所述第三方面的一种实现方式，所述光电电路包括第一单稳态多谐发生器和 第二单稳态多谐发生器，用于从所述导频信号中获取所述签名序列。 由此，生成了具有调频签名的导频信号。这种实现方式的优势在于可以通过简单 的手段来实现。 根据第四方面，本发明涉及一种用于接收量子密钥的方法。所述方法包括：接收光 信号，其中所述光信号包括量子信号和导频信号，所述量子信号包括帧序列，所述导频信号 包括与所述帧序列同步的签名序列。所述方法还包括：从所述光信号中提取所述量子信号； 从所述光信号中提取所述导频信号；从所述导频信号中提取所述签名序列；基于所述签名 序列识别所述量子信号的帧；根据所述帧序列解释所述量子信号来从所述量子信号中提取 所述量子密钥(S795)。 由此，可以基于所述导频信号中的签名序列从所述接收到的光信号中推导出所述 量子密钥。利用所述导频信号的优势在于不需要额外的帧或触发信道。这反过来又具有进 一步的优势，即减少了处理需求。 根据所述第四方面的一种实现方式，所述光信号基于本地光载波转换为电信号。 由此，所述光信号中包含的信息下变频为电信号以进行进一步处理。这样做的优 势在于可以将电路利用起来。 根据所述第四方面的一种实现方式，从所述电信号中提取所述导频信号。 7 CN 111602368 A 说　明　书 5/9 页 由此，所述导频信号与所述电信号相分离，以进行进一步处理。这样做的优势在 于，在提取所述签名序列时，减少来自所述导频信号以外的信号的影响。 根据所述第四方面的一种实现方式，提取所述签名序列包括：比较所述导频信号 的幅度与阈值，以从所述导频信号中获取所述签名序列。 这种实现方式的优势在于可以通过简单的手段来实现。 根据所述第四方面的一种实现方式，提取所述签名序列还包括：确定所述调制后 导频载波的过零点之间的时间。 由此，给出了具有调频签名的导频信号的示例性实现方式。这种实现方式的优势 在于可以通过简单的手段来实现。 根据第五方面，本发明涉及包含程序代码的计算机程序，当所述计算机程序在计 算设备上运行时，用于执行根据第二方面或第四方面所述的方法。 由此，所述方法可以通过自动和可重复的方式执行。有利地，所述计算机程序可以 分别在根据第二方面所述的发射机或根据第四方面所述的接收器处执行。 更具体地，应注意的是，上述装置，即所述发射器和所述接收器，可以分别实现为 或包括分立硬件电路(例如，具有分立硬件组件、集成芯片或芯片模块布置)，或者由存储在 存储器中的软件例程或程序控制的信号处理设备或芯片，所述软件例程或程序写在计算机 可读介质上或从网络(如因特网)下载。 还应理解，本发明的优选实施例也可以是从属权利要求或上述实施例与相应独立 权利要求的任意组合。 本发明的这些和其它方面结合下文描述的实施例是显而易见的，并且将结合下文 描述的实施例进行说明。 附图说明 结合所附附图，下面具体实施例的描述将阐述上述本发明的各方面及其实现形 式，其中： 图1示出了根据本发明实施例的发射器的框图。 图2示出了根据本发明实施例的签名序列和帧序列。 图3示出了根据本发明另一实施例的签名序列和帧序列。 图4示出了根据本发明实施例的用于生成导频信号的生成器的框图。 图5示出了根据本发明另一实施例的用于生成导频信号的生成器的框图。 图6示出了由图5的生成器生成的示例性导频信号波形。 图7示出了根据本发明实施例的接收器的框图。 图8示出了根据本发明实施例的解码器的框图。 图9示出了根据本发明实施例的解码器波形。 图10示出了根据本发明实施例的用于解调量子信号的流程图。