一种波长攻击方法、主动防御方法及用其的连续变量量子通信系统与流程

技术特征：
1.一种波长攻击方法，其特征在于，包括以下过程：窃听端在邻近接收端的信道处拦截发送端发送的耦合光束，使用偏振分束器1分离其中的本振光和信号光，并将本振光输入分束器1，将信号光送入微控制器1；分束器1将本振光分为10％的本振光和90％的本振光，使用50：50分束器将10％的本振光均分为两部分，一部分输入高分辨率光谱仪检测发送端发送的本振光的波长λ
lo
，另一部分输入光电二极管1检测本振光的强度，高分辨率光谱仪和光电二极管1均将检测结果输入微处理器；分束器1还将90％的本振光输入外差探测器；微控制器1对信号光的延迟进行补偿，使其与90％的本振光对齐后将其输入外差探测器，外差探测器以90％的本振光为参考光，检测信号光的正交振幅x
e
和正交相位p
e
，并将结果输入微处理器；微处理器对信号光的正交振幅x
e
和正交相位p
e
进行放大得到x
′
e
、p
′
e
，对本振光强度进行放缩得到α，并将x
′
e
、p
′
e
、α分别输入幅度调制器3、相位调制器1、幅度调制器2，微处理器还根据波长λ
lo
确定待发射连接激光的波长，并将其发送至连续波可调谐激光器；连续波可调谐激光器根据输入产生特定波长的连续激光，使用幅度调制器1调节其频率和宽度形成脉冲相干光，使用1：99分束器将脉冲相干光分为1％的信号光和99％的本振光，1％的信号光作为窃听端发送的信号光f
s
及虚假信号光p
s
的光源，99％的本振光作为窃听端发送的本振光f
lo
及虚假本振光p
lo
的光源；依次使用幅度调制器3和相位调制器1将信号光f
s
的正交振幅调制为x
′
e
、正交相位调制为p
′
e
，使用幅度调制器3将虚假信号光p
s
的光强调制为再将处理后的信号光f
s
和虚假信号光p
s
按顺序输入偏振合束器；使用起偏镜将本振光和虚假本振光转换为偏振光，使用幅度调制器2将本振光f
lo
的光强调制为α，将虚假本振光p
lo
的光强调制为使用微控制器2调节本振光f
lo
和虚假本振光p
lo
的延时，使其与信号光f
s
、虚假信号光p
s
对齐，再将处理后的本振光f
lo
和虚假本振光p
lo
按顺序输入偏振合束器；偏振合束器将信号光f
s
、本振光f
lo
、虚假信号光p
s
和虚假本振光p
lo
耦合成一路信号发送至接收端。2.根据权利要求1所述的一种波长攻击方法，其特征在于，所述连续激光中信号光的波长和本振光的波长计算如下：由于发送端发送的本振光的波长λ
lo
和信号光的波长λ
s
相同，且分束器的透射率与信号光的波长之间存在如下关系：t
s
(λ
s
)＝sin2(cω/f
×
λ
s2.5
)，则耦合系数ω为热源宽度，f＝1，f2为耦合功率与入射光功率的比值；窃听端重制的信号光的波长本振光的波长与分束器的透射率存在如公式(1)所示关系：
分别表示第i组信号光和本振光通过分束器的透射率，窃听端在区间(0.47,0.53)内任意获取的值，取值满足以下条件：将代入公式(1)得到重制信号光的波长本振光的波长其中i为参数序号，i＝1,2。3.根据权利要求1所述的一种波长攻击方法，其特征在于，所述虚假信号光的光强虚假本振光的光强的计算公式如下：的计算公式如下：其中分别为第i组虚假信号光、虚假本振光的光电流值，分别为重制信号光、本振光的波长，分别为第i组信号光、本振光通过分束器的透射率，分别为零差探测器对第i组虚假信号光、虚假本振光的探测效率。4.针对如权利要求1～3任一项所述波长攻击方法的主动防御方法，其特征在于，包括以下过程：s1，使用偏振分束器2分离耦合光中的信号光和本振光，将本振光发送至分束器2分为10％的强度基准光和90％的本振光，使信号光入射幅度调制器4对其光强进行随机衰减；s2，使用光电二极管2检测强度基准光的振幅，并将测量结果发送至计算机，若该振幅增量超过30％，则删除此处数据，记录此处数据序号，并通过经典信道将数据序号发送至发送端，发送端删除相应位置的数据，否则不做处理；s3，使用相位调制器2对90％的本振光进行相位调制产生随机数，用以实现测量基的随机选择，使用计算机将测量基发送至发送端，发送端据此保留信号光的正交振幅x
a
和正交相位p
a
；使用微控制器3对衰减后信号光的延迟进行补偿，使信号光与90％的本振光对齐；s4，分别使用滤光片1、滤光片2对信号光、本振光进行滤波，并将滤波结果输入零差探测器进行测量，得到接收端接收的信号光的正交振幅x
b
或正交相位p
b
，此时接收端和发送端共享长度为n的密钥串。5.根据权利要求4所述的主动防御方法，其特征在于，还包括：s5，发送端和接收端均将共享密钥分为m组长度为n的密钥，发送端将每组密钥的一部分数据发送至接收端，接收端找出对应位置的部分数据计算散粒噪声估计值；s6，接收端删除散粒噪声估计值变化量超过30％的密钥组，并通过经典信道将这些密钥组的位置告知发送端，发送端删除对应位置的密钥组；s7，计算剩余各密钥组的密钥率，删除密钥率小于零的密钥组，通信双方共享一串安全
密钥。6.根据权利要求5所述的主动防御方法，其特征在于，所述散粒噪声估计值的计算公式如下：其中r1、r2分别表示接收端测量信号光的衰减系数、测量散粒噪声的衰减系数，r1＝0.001，r2＝1，v
s1
、v
s2
分别表示利用衰减系数r1、r2进行信号光衰减后零差探测器测量值的方差，v
el
表示使用散粒噪声归一化后零差探测器的电子学噪声的方差。7.根据权利要求5所述的主动防御方法，其特征在于，所述密钥率的计算过程如下：使用下式计算每组密钥的互信息量：其中i
m
表示第m组密钥的互信息量，v表示无噪信道下接收端的测量方差，v＝v
a
1，v
a
表示发送端的调制方差，χ
tot
表示总噪声方差，χ
line
表示信道额外噪声方差，差，表示每组密钥对应的接收端与发送端的信道透射率，k表示用于参数估计的密钥总数，j为表示密钥数目的变量，x
j
、y
j
分别表示发送端、接收端选取的部分密钥数据，表示每组密钥对应信道的额外噪声估计值，r1、r2分别表示接收端测量信号光的衰减系数、测量散粒噪声的衰减系数，v
s1
、v
s2
分别表示利用衰减系数r1、r2进行信号光衰减后零差探测器测量值的方差，η表示零差检测器的效率，表示每组密钥对应信道的散粒噪声估计值，χ
hom
表示零差检测噪声方差，χ
hom
＝(1-η v
el
)/η，v
el
表示使用散粒噪声归一化后零差探测器的电子学噪声的方差；使用下式计算窃听端能从接收端获取的最大信息量：其中χ
m
表示第m组密钥中窃听端能窃听到信息的holevo界，λ
b
为γ
m
的辛特征值，b代表辛特征值的序号，γ
m
为协方差矩阵，g(x)＝(x 1)log2(x 1)-xlog2x为冯诺依曼熵公式，
计算每组密钥的密钥率，其中k
m
表示第m组密钥的密钥率，β为协商效率。8.使用如权利要求1～3任一项所述波长攻击方法的连续变量量子通信系统，其特征在于，包括窃听端和接收端；所述窃听端包括：偏振分束器1，用于窃听发送端发送的耦合光束，将其中的信号光和本振光分离，将信号光输入微控制器1，本振光输入分束器1；分束器1，用于将本振光按10：90分为10％的本振光和90％的本振光，将10％的本振光输入50：50分束器，将90％的本振光输入外差探测器；50：50分束器，用于将10％的本振光均分为两部分，一部分输入光电二极管1，另一部分输入高分辨率光谱仪测量耦合光束的波长，并将测量结果输入微处理器；光电二极管1，用于测量本振光的强度，并将测量结果存储在存储器内；微控制器1，用于控制信号光的延时，使其与90％的本振光对齐，然后将信号光输入外差探测器；外差探测器，用于以90％的本振光为参考光，测量信号光的正交振幅和正交相位，并将测量结果输入微处理器；微处理器，用于计算本振光的光强值、重制信号光的正交振幅和正交相位，将其分别输送至幅度调制器2、幅度调制器3、相位调制器1，并根据耦合光束的波长确定待发射连续激光的波长，将其输入连续波可调谐激光器；连续波可调谐激光器，用于产生连续激光；幅度调制器1，用于调节连续激光的频率和宽度生成脉冲激光；1：99分束器，用于将脉冲激光分为1％的信号光和99％的本振光，将本振光输入起偏镜发生偏振后，再将其输入幅度调制器2，将信号光输入幅度调制器3；幅度调制器2，用于调制本振光的强度，并将调制结果输入微控制器2，调整其延时，并将调整后的本振光输入偏振合束器；幅度调制器3，用于调制信号光的强度，并将调制结果输入相位调制器1调整其相位，并将调整后的信号光输入偏振合束器；偏振合束器，用于将信号光和本振光耦合成一路耦合光束发送至接收端。9.根据权利要求8所述的连续变量量子通信系统，其特征在于，所述接收端包括：偏振分束器2，用于分离接收的耦合光束中的本振光和信号光，并将信号光输入幅度调制器4，将本振光输入分束器2；幅度调制器4，用于对信号光进行随机衰减，再将处理结果输入微控制器3；分束器2，用于将本振光分为10％的强度基准光和90％的本振光，将10％的强度基准光输入光电二极管2，将90％的本振光输入相位调制器2；光电二极管2，用于测量10％的强度基准光的强度，并将测量结果输入计算机；相位调制器2，用于调节90％的本振光的相位，并将其输入滤光片2进行滤光，将滤光结果输入零差探测器；微控制器3，用于对衰减信号光进行延迟补偿，使其与90％的本振光对齐，并使用滤光
片1对信号光进行滤光，将滤光后的信号光输入零差探测器；零差探测器，用于检测信号光的正交振幅和正交相位，并将测量结果输入计算机；计算机，用于与发送端的计算机进行协商和隐私放大。

技术总结
本发明公开了一种波长攻击方法、主动防御方法及用其的连续变量量子通信系统，使用所述波长攻击方法会导致通信双方高估通信系统的额外噪声，使窃听端产生的额外噪声可以隐藏在其中，减少了窃听端被发现的几率；使用所述防御方法进行攻击防御，能全面去除可能存在的虚假数据，保证量子通信的安全性。保证量子通信的安全性。保证量子通信的安全性。


技术研发人员：郭迎 黄一轩 彭清泉 莫伟 史文昊 黎胤
受保护的技术使用者：中南大学
技术研发日：2021.11.03
技术公布日：2022/2/8