CN119487765A 使用相位编码信号确定加密密钥的系统和方法 （塔莱斯公司）

FR22053162022.06.02025.01.02PCT/EP2023/0646712023.06.01WO2023/232937FR2023.12.07使用相位编码信号确定加密密钥的系统和提供发射器(Alice)，其被配置为通过传输配置为生成中间量子信号|Ψ1>和中间参考信号被配置为生成在中间量子信号|Ψ1>与中间参考干涉模块(200)，其被配置为确定包括跟踪基本上类似的光学路径的经编码干涉量子信号|ΨA>涉模块(200)包括编码设备，所述编码设备被配置为对中间量子信号|Ψ1>的仅一个分量应用相2号生成模块(100)还被配置为生成在所述中间量子信号|Ψ1>与所述中间参考信号Sc之间的来确定包括经编码干涉量子信号|ΨA>和干涉参考信号ScA的经编码干涉信号S2，所述编码干涉模块(200)包括被配置为将相位调制α应用于所述中间量子信号|Ψ1>的仅一个分量的涉仪的形式，所述非对称光学干涉仪包括第一干涉仪臂(240_1)和第二干涉仪臂(240_2)，所述第一干涉仪臂(240_1)比所述第二干涉仪臂(240_2)短，并且其中，所述编码设备分单元(244)被配置为在频域中将所述中间量子信号|Ψ1>和所述中间参考信号Sc量子信号|ΨA>和所述干涉参考信号ScA来生成经转码干涉量子信号|ΨB>和经相位调制的位调制设备(340D)被配置为将相位调制βeff应用于所述经编码干涉量子信号|ΨA>的仅一对所述经相位调制的干涉参考信号ScB的至少一个测量，所述处理模块(400)还被配置为基于所述相位调制pm和对所述经相位调制的干涉参考信号ScB的所述至少一个测量来确定所5.根据权利要求4所述的接收器，其中，所述转码干涉模块率拆分单元(244)被配置为在频域中将所述经编码干涉量子信号|ΨA>和所述干涉参考信为进行对源自所述两个光学路径(340_3和340_4)的所述经转码干涉量子信号|ΨB>的所述3经相位调制的干涉参考信号ScB的所述至少一干涉量子信号|ΨA>和干涉参考信号ScA的经编码干涉信生成(706)包括所述经编码干涉量子信号|ΨA>和所述干涉参考信号ScA的经编码干涉所述中间量子信号|Ψ1>与所述中间参考信号Sc之间应用(701)时间延迟的步骤。进行(804)对所述经相位调制的干涉参考信号ScB的至少一个测一基于所述相位调制pm和对所述经相位调制的干涉参考信号ScB的所述测量，来确定将所述相位调制βeff应用(810)于所述经编码干涉量子信号|ΨA>的所述分量，并生成经转码干涉量子信号|ΨB>，所述经编码干涉进行(812)对所述经转码干涉量子信号|ΨB>的至少一个测量。4[0002]QKD(量子密钥分发(quantumkeydistribution)的首字母缩写)是允许在高安全[0005]在由接收器Bob执行的第二个步骤中，估计由接收信号承载的量子比特。接收器[0009]其他可能的相位波动是在包括相对于彼此移动的发射器Alice和接收器Bob的系5参考信号的脉冲强度的衰减的影响可以被解释为由干涉仪中的相位波动引起的对比度降[0014]本发明通过提供被配置为通过传输信道发送经编码干涉信号S2的发射器(Alice)生成模块，所述信号生成模块还被配置为生成在所述中间量子信号|Ψ1>与所述中间参考所述中间量子信号|Ψ1>和所述中间参考信号Sc，来确定包括经编码干涉量子信号|ΨA>和干涉参考信号ScA的经编码干涉信号S2，所述编码干涉模块包括被配置为将相位调制α应用于所述中间量子信号|Ψ1>的仅一个分量的编码设备。频域中将所述中间量子信号|Ψ1>和所述中间参考信号Sc解耦。[0017]本发明还提供一种被配置为通过传输信道接收经编码干涉量子信号|ΨA>及干涉于跟踪基本上类似的光学路径的所述经编码干涉量子信号|ΨA>和所述干涉参考信号ScA来生成经转码干涉量子信号|ΨB>和经相位调制的干涉参考信号ScB，所述转码干涉模块包括转码及相位调制设备，所述转码及相位调制设备被配置为将相位调制βeff应用于所述经编码干涉量子信号|ΨA>的仅一个分量且将相位调制pm应用于所述干涉参考信号ScA的仅一信号|ΨB>的至少一个测量以及进行对所述经相位调制的干涉参考信号ScB的至少一个测6被配置为在频域中将所述经编码干涉量子信号|ΨA>和所述干涉参考信号ScA解耦。进行对源自所述两个光学路径的所述经转码干涉量子信号|ΨB>的所述至少一个测量当中的一个测量以及进行对源自所述两个光学路径的所述经相位调制的干涉参考信号ScB的所[0021]还提供了一种用于发送经编码干涉信号S2的方法，所述方法由所述发射器[0022]生成频率为ωq的中间量子信号|Ψ1>以及具有等于ωqωc的频率偏移的频率为[0023]对穿过干涉仪的所述中间量子信号|Ψ1>的仅一个分量应用相位调制α,所述中干涉量子信号|ΨA>和干涉参考信号ScA的经编码干涉信号S2，[0024]生成包括所述经编码干涉量子信号|ΨA>和所述干涉参考信号ScA的经编码干涉[0025]所述发送方法还包括在所述中间量子信号|Ψ1>与所述中间参考信号Sc之间应用pm[0026]还提供了一种用于接收经编码干涉量子信号|ΨA>和干涉参考信号ScA的方法，所pm[0027]将相位调制应用于所述干涉参考信号pm[0028]进行对所述经相位调制的干涉参考pm[0029]基于所述相位调制和对所述经相位调制的干涉参考信号ScB的所述测量来确[0030]将所述相位调制βeff应用于所述经编码干涉量子信号|ΨA>的所述分量，并生成经转码干涉量子信号|ΨB>，所述经编码干涉量子信号|ΨA>和所述干涉参考信号ScA跟踪基[0031]进行对所述经转码干涉量子信号|ΨB>进行至少一个测量。[0032]根据本发明的实施例的用于建立量子加密密钥的系统和方法使得可以校正由用7[0040][图7]图7是示出根据本发明的实施例的由发射器实现的用于建立量子加密密钥[0041][图8]图8是示出根据本发明的实施例的由接收器实现的用于建立量子加密密钥的系统1也可以用于本发明的如下应用中，在该应用中设备Alice和Bob中的一者或两者是8[0053]发射器Alice的编码干涉模块200和接收器Bob的转码干涉模块300可以具有基本干涉仪臂和转码干涉模块300的第一干涉仪臂可以不引起任何相位波动(诸如对穿过它们臂和转码干涉模块300的第二干涉仪臂各自包括一个或多个光学元件，并且可以被配置为[0055]接收器Bob被配置为经由传输信道50接收经编码信号(即由发射器Alice发送的信由系统1中包括的干涉模块引起的、在编码信号以及所估计的接收信号中的相移及[0060]具体地，发射器Alice的信号生成模块100被配置为生成在中间量子信号|Ψ1>与[0062]发射器Alice的编码干涉模块200被配置为根据中间信号S1生成表[0065]具体地，发射器Alice的编码干涉模块200可以包括位于编码干涉模块200的第二Δω将中间量子信号|Ψ1>的分量与中间参考信号Sc的分量进行拆子信号|Ψ1>的分量应用相位调制α,从而允许对量子[0066]接收器Bob的转码干涉模块300被配置为根据经编码干涉信号S2生成经转码干涉9[0071]生成表示为ScB的经相[0072]具体地，接收器Bob的转码干涉模块300可以包括位于转码干涉模块300的第二干涉仪臂上的频率拆分单元。经编码干涉量子信号|ΨA>的分量和干涉参考信号ScA的分量穿[0074]测量由转码干涉模块300传递的经相位调[0075]基于对经相位调制的参考信号ScB的测量和相位调制pms来确定在相移pa与之[0077]估计经转码干涉量子信号|ΨB>(即，估计经得处理模块400能够确定在发射器Alice和接收器Bob的干涉模块的相移pa与pe之个干涉仪臂中的一个干涉仪臂和转码干涉模块300的两个干涉仪臂中的一个干涉仪臂中被120可以包括使用Bragg光栅的DFB激光二极管(DFB是分布式反馈(distributedfeedback)的首字母缩写)，Bragg光栅允许选择发射波长λ0。激光二极管的选定发xs2(02)[0088]分束单元140被配置为将由激光单元120发射的激光束拆分成跟踪两个单独的光学路径140-1和140-2的初始信号的两个分0-1)传递到光学路径140-1，并且将初始信号的由高强度脉冲组成的分传递到初始信号的跟踪光学路径140-2的分量S0-2并且将10％的光功率传递到初始信号的so(04)[0092]信号生成模块100还包括单元142，其被配置为从初始信号的跟踪光学路径140-1qq态标注表示为|Ψ1>。号的单元142还可以包括相位修改单元(图中未示出)，该相位修改单元被配置为修改跟踪[0096]信号生成模块100还包括单元144，其被配置为从初始信号的跟踪光学路径140-2以及初始信号的跟踪光学路径140-2的分量S0-2的频率ω0被偏移。用于生成参考信号的单元144接着生成被称为中间参考信号的信号Sc(Ic,ωc)，其能够由以下等式(等[0099]用于生成参考信号的单元144例如可以是声光调制器(AOM)或声光频移器(AOFS)中间量子信号的|Ψ1>之间的光谱解耦，以便防止放置在传输信道50上并拦截由发射器射的量子比特。根据一个非限制性示例，对于等于1550nm的选定发射波长λ0，在1GHz至130GHz之间的偏移Δ⑴可以允许在中间参考信号Sc的波长与中间量子信号|Ψ1>的波长之学路径140-1的分量(即，量子信号|Ψ1>)可以相对于跟踪光学路径140-2的光束[0101]在两个单独的光学路径140-1和140-2的端部处的光束重组单元160允许两个信号[0103]根据所使用的实施例，用于重组量子信号与参考信号的频率重组单元160例如可[0105]编码干涉模块200包括分束器240，分束器240被配置为将所发送的中间信号S1拆且中间信号的分量S1-1和S1-2中的每一个包括中间参考信号Sc的一个分量(例如Sc-1或Sc-2)单元240可以是保偏对称光耦合器(例如50/50Y耦合器)，其被配置为传递中间信号的两个240-1或240-2中的一者的相应行进过程期间经历的某[0112]_跟踪长干涉仪臂的分量相对于跟踪短干涉仪臂的分量而被延迟一干涉延迟t=是短干涉仪臂。[0114]编码干涉模块200还包括编码设备240D，编码设备240D被配置为仅对中间量子信二干涉仪臂240_2上在频域中重组跟踪信号路径244_1和意，对参数α以及量子比特的相位编码的这种选择，是对被称为BB84(如在theoretical“Quantumcryptography:Publickeydistrib比特进行编码。对偏振进行编码的BB84协议的常规实现受到与量子信号的偏振中的误差校常规实现在量子信号的带宽方面受到限制。利用本发明的实施例获得的高吞吐量也大于利用基于时分复用的编码获得的吞吐量，这需要对波动引起的误差进行更多校正，并且因此需要降低用以编码和传送量子比特的吞吐量。在本发明在空间技术领域的应用中，被编码 于增加在时间受限的量子通信中交换的量子比特的数量，这使得可以在两个远程用户之间建立秘密密钥。[0124]发射器Alice的编码单元2442的控制单元2444可以有利地包括量子随机数生成子随机数生成器使得可以根据不可预测的量子统计概率随机地获得要在量子信号的相位[0125]此外，跟踪第二干涉仪臂240-2的中间量子信号的分量|Ψ1-2>和中间分量Sc-2可能经历相位波动。然而，这两个分量|Ψ1-2的分量|Ψ1-1>和Sc-1具有相同的相移这并非是在其中量子信号和参考信号遵循不同光学路径的现有技术设备中的情况，例如在参考信号采用短的第一干涉仪臂并且量子信号“采用”长的第二干涉仪臂的情况下。应当注意，在量子信号的情况下使用术语“采用 [0129]在离开编码干涉模块200的干涉仪[0131]应当注意，量子态|ΨA>可以由状态|Ψ1-1>和|Ψ1-2>的叠加来表示，使得状态|以是允许对由发射器Alice发射到接收器Bob的经编码干涉信号S2进行控制的控制光电二[0137]转码干涉模块300具有类似于发射器Alice的编码干涉模块200的非对称光学干涉器)，分束器340被配置为将由发射器Alice发射的干涉信号S2的光束拆分成表示为S2-1和量子信号，因此中间信号的S2-1和S2-2中的每一者ΨA-2>)。干涉模块300可以是Mach-Zehnder干涉仪。在编码干涉模块200是Michelson干涉仪的另一拉第镜342和348各自放置在两个干涉仪臂340-1和340-2中的一者的端部处以便补偿光束[0139]类似于发射器Alice的编码干涉模块200，第一干涉仪臂340-1不包括任何额外光参考信号ScA的一个分量。转码及相位调制设备340D可以放置(即，定位)在第二干涉仪臂[0141]转码及相位调制设备340D可以包括频率拆分单元344，其被配置为对跟踪第二干[0143]_与跟踪接收器Bob的量子信号路径244_2的中间量子信号的光子相对应的量子态[0144]转码及相位调制设备340D可以包括频率重组单元346，其被配置为在第二干涉仪臂340_2上在频域中重组跟踪信号路径344_1和344_2的分量ScA–2和|ΨA_2>。q[0145]接收器Bob的频率拆分单元344和频率重组单元346可以分别与发射器Alice的频q沿着接收器Bob的参考信号路径344_1传播的分量ScA_2的相子信号路径344_2的中间量子信号的光子(量子态|ΨA_2>)的相位进行调制。例如且非限制[0150]跟踪第二干涉仪臂340_2的干涉量子信号的分量|ΨA_2>和干涉参考信号的分量[0151]在离开转码干涉模块300的干涉仪时，表示为ScB的同相参考信号ScA中的预定义强度波动的测量，来确定在干涉模块200和300的相移和之间eff可以基于以与参数α类似的方式获得的相位调制参数β来定义，但包括在干涉模块200和300的相移pa和e之方面朝向发射器Alice传播且另一方面沿着光学路径340_3朝向处理模块400(其对应于模偏转单元320，信号偏转单元320被配置为沿着光学路径340_4(其对应于模块300的干涉仪[0163]处理模块400包括两个处理部分，每个处理部分与在接收器Bob的干涉模块300的输出处获得的两个光学路径340_3和340_4之它们跟踪与处理部分420(或440)相关联的两个测量臂422_1或422_2(或442_1或442_2)中[0165]每个处理部分420(或440)包括位于量子测量臂422_1(或442_1)上的单光子检测[0166]每个光子检测器4222和4422可以被配置为对经转码干涉量子信号|ΨB>进行被称[0167]本领域技术人员将理解，处理模块400被配置为在时域中选择经转码干涉量子信态|ΨB+>和|ΨB_>可以由状态|ΨA_1>和|ΨA_2>的叠加来表示，使得状态|ΨA_1>对应于已经采用第一干涉仪臂340_1的经编码干涉量子信号的光子，并且状态|ΨA_2>对应于已经采用第二干涉仪臂340_2的经编码干涉量子信号[0175]根据等式(15)，由转码干涉模块300产生的经转码干涉量子信号可以被分解成四[0176]_第一时间模式(对应于状态|ΨA_1Ψ1_1>)对应于已经采用发射器Alice的第一干[0177]_第二时间模式(对应于状态|ΨA_2Ψ1_2>)对应于已经采用发射器Alice的第二干涉仪臂240_2(包括相位调制α)然后采用接收器Bob的第二干涉仪臂340_2(包括相位调制[0178]_第三时间模式(对应于状态|ΨA_1Ψ1_2>)对应于已经采用发射器Alice的第二干[0179]_第四时间模式(对应于状态|ΨA_2Ψ1_1>)对应于已经采用发射器Alice的第一干果对应于单元4222(或4422)对以延迟Δt(即，第三和第四时间模式)接收的光子的检测概然后根据光子在两个光学路径340_3或340_4(然后是422_1或442_1)中的一个上的路径来[0184]用于建立量子加密密钥的系统1还可以包括显示设备(图中未示出)，其被配置为[0185]每个处理部分420(或440)还可以包括位于另一个测量臂上的辅助检测器4226(或4426)，即参考测量臂422_2(或442_2)。辅助检测据对经相位调制的干涉参考信号ScB的测量而传递光电流[0186]每个辅助检测器4226和4426可以被配置为对经相位调制的干涉参考信号ScB进行200和300的参考信号的各种可能干涉仪臂之间的[0187]处理模块400的每个测量臂422_1和422_2、442_1和442_2还可以包括电子滤波单引起与干涉模块200和300相关联的相移pa和pe且扰乱待测量的量子信号的相位波动的影基于对参考信号的测量将由反馈确定的相位调制βeff应用于量子信号，来校正引起相移pa参考信号的各种可能干涉仪臂之间的干涉结果，包括在时间上分开所述量Δt的各种强度的三个光脉冲的经相位调制的干涉参考信号ScB。仅中央时间分量Δt被滤波单元4228和路径340_3和340_4的参考信号的干涉测量中的每一个干涉测量期间所测量的两个光电流cos(qa-pe-pm)成比例的电子信号δ。[0196]校正单元480