以规则的帧为单位生成并处理量子信号以用于量子密钥分配的方法和设备

摘要

提供了一种用于以规则的帧为单位生成并处理量子信号以用于量子密钥分配的方法和设备。根据实施方式的一个方面，一种量子密钥分配系统的发送器包括：光子脉冲流生成单元，其用于以编号的帧为单位生成量子信息并通过量子信道周期性地发送量子信息；公用信道收发单元，其用于通过公用信道与量子密钥分配系统的接收装置进行通信；帧同步信息生成单元，其用于生成用于操作所述接收装置的帧同步的帧同步信息，并且每帧或每几帧地通过所述公用信道收发单元将所述帧同步信息发送到所述接收装置；以及信号处理单元，其用于通过公用信道收发单元来发送和接收每帧的公开信息并且将量子信息处理为帧单位，其中，所述量子信号被生成和处理为规则的帧单位。

说明书

技术领域

在一个或更多个实施方式中，本公开涉及以规则的帧为单位生成并处理量子信号 以用于量子密钥分配的方法和设备。更具体地，本公开涉及一种以规则的帧为单位生 成并处理量子信号以用于量子密钥分配的方法和设备，通过该方法和设备，发送器周 期性地生成并发送各个编号帧的量子信号，并且接收器处理适于帧编号信息的量子信 号，从而改进系统性能。

背景技术

本部分中的陈述仅提供与本公开有关的背景信息，并且未必构成现有技术。

随着更高速的量子密钥分配系统(QKD系统)被引入，生成和检测量子信号的 速度正在提高。为了提高最终密钥的生成速度，不仅需要快速的信号处理电路而且还 需要高效的信号处理方案。然而，存在与信号处理电路的性能无关的因素，诸如用于 等待直到通过公用信道完全发送并接收到信息为止的空闲时间以及使用共享信息进 行预处理和后处理的次序，但是这些因素可以使总的量子信息处理时间变得比量子信 息传输和检测时间长。

当发送量子信息时，因为接收器检测光子信号的次数与系统时钟相比非常少，所 以接收到的经受信号处理的信息可能不容易按照正确顺序布置。此外，考虑到为了基 (basis)比较和诱骗(decoy)信号处理，应存储由发送器和接收器这二者生成的信 息直到信号处理完成为止，以帧为单位发送量子信息并对量子信息执行信号处理是有 利的。帧是指被认为是调制比特/基信息的相位或偏振、调制诱骗信息的振幅并且将 调制信息存储以用于后续信号处理时的单位的一块信息。

当发送帧单位的量子信息时，信号处理应该在帧的周期内完成。然而，考虑到通 信和信号处理所花费的时间，实际上可能实现不了周期内的处理。因此，系统的密钥 生成速度减小，并且未高效地利用量子信道和公用信道的带宽。

例如，美国专利登记号No.7,539,314公开了一种QKD系统，在该QKD系统中， 发送器生成并发送帧信号，接收器完全处理帧信号，然后向发送器发送就绪信号，并 且发送器检查所述就绪信号并且然后发送后续的帧。

根据这种QKD系统，因为在从接收器接收到就绪信号之前发送器不发送帧单位 的量子信号，所以可以防止接收器的信号处理中的溢出。然而，在包括发送器和接收 器的整个系统的操作方面，与操作速度相比，实际信息交换的比率较低，进而密钥生 成速度减小。

发明内容

技术问题

因此，已经做出本公开以尝试有效地解决上述限制并且提供一种以规则的帧为单 位生成并处理量子信号的方法和设备，按照该方法和设备，发送器周期性地生成并发 送各个编号帧的量子信号并且接收器针对帧编号信息适当地处理量子信号，从而改进 系统性能。

技术方案

根据本公开的至少一个实施方式，一种在量子密钥分配系统中以规则的帧为单位 发送并处理量子信号的发送器，该发送器包括：光子脉冲流生成器，其被配置成以编 号的帧为单位生成量子信息并通过量子信道周期性地发送所述量子信息；公用信道收 发器，其被配置成通过公用信道与所述量子密钥分配系统的接收器进行通信；帧同步 信息生成器，其被配置成为生成用于所述接收器的帧同步的帧同步信息并且在每帧或 每几帧中通过所述公用信道收发器将所述帧同步信息发送到所述接收器；以及信号处 理器，其被配置成通过所述公用信道收发器发送和接收关于所述每帧或每几帧的公开 信息并且以帧为单位处理所述量子信息。

所述公开信息和所述帧同步信息可以包括帧编号信息。

在以帧为单位发送所述量子信息之前，所述光子脉冲流生成器可通过所述量子信 道来发送同步帧，并且所述公用信道收发器可通过所述公用信道来发送同步信息，其 中，所述同步信息是关于所述同步帧的公开信息。

所述公用信道收发器可通过在用于所述接收器的后处理的公开信息之前发送用 于所述接收器的预处理的公开信息来发送关于所述每帧或每几帧的所述公开信息。

根据本公开的另一实施方式，一种在量子密钥分配系统中以规则的帧为单位接收 并处理量子信号的接收器，该接收器包括：公用信道收发器，其被配置成通过公用信 道与所述量子密钥分配系统的发送器进行通信；帧同步信息处理器，其被配置成处理 通过所述公用信道收发器从所述发送器接收到的帧同步信息并执行帧同步；单光子检 测器，其被配置成检测通过量子信道从所述发送器发送的光子脉冲信号；以及信号处 理器，其被配置成基于在通过所述公用信道收发器向和从所述发送器收发的以帧为单 位的信号处理信息以及所述帧同步信息中包括的帧编号信息，以帧为单位对从所述单 光子检测器的输出中检测到的量子信息执行信号处理。

根据本公开的另一实施方式，一种由量子密钥分配系统的发送器以规则的帧为单 位生成并处理量子信号的方法，该方法包括以下步骤：(1)通过公用信道发送用于所 述量子密钥分配系统的接收器的帧同步的帧同步信息；(2)以编号的帧为单位生成量 子信息并通过量子信道将所述量子信息周期性地发送到所述接收器；以及(3)通过 所述公用信道发送关于所述量子信息中的各个帧的公开信息。

步骤(1)可以包括在每帧或每几帧中发送所述帧同步信息。

所述帧同步信息可以包括帧编号信息。

步骤(2)可以包括在以帧为单位发送所述量子信息前，通过所述量子信道发送 用于所述接收器同步的同步帧并且通过所述公用信道发送关于所述同步帧的同步信 息。

步骤(3)可以包括在用于所述接收器的后处理的公开信息之前发送用于所述接 收器的预处理的公开信息。

用于生成并处理量子信号的方法还可以包括以下步骤：(4)根据是否从所述接收 器接收到满足预定条件的帧处理完成信号，确定是否使用在各个帧中生成的密钥信息 作为量子密钥。

根据本公开的又一个实施方式，一种由量子密钥分配系统的接收器以规则的帧为 单位接收并处理量子信号的方法，该方法包括以下步骤：(1)通过公用信道从所述量 子密钥分配系统的发送器接收帧同步信息并执行帧同步过程；(2)从承载通过量子信 道发送的帧单位的量子信息的光子脉冲的流生成初始量子信息；(3)通过所述公用信 道从所述发送器接收帧单位的公开信息；以及(4)基于在所述帧同步信息中包括的 帧编号信息或信号处理信息以帧为单位对所述初始量子信息执行信号处理。

用于生成并处理量子信号的方法还可以包括以下步骤：通过所述公用信道从所述 发送器接收同步帧以及关于所述同步帧的同步信息并且执行与所述发送器的同步。

用于生成并处理量子信号的方法还可以包括以下步骤：对于经完全处理的帧，向 所述发送器发送帧处理完成信号并且从所述发送器接收帧处理完成信号。

有益效果

根据如以上所描述的本公开，因为帧被周期性地生成和发送而不用等待接收器的 帧接收和信号处理完成信息，所以可以提高量子密钥分配系统的操作效率和密钥生成 速度。

此外，可以基于同步的公用信道发送更精确的帧同步信号。

此外，因为帧被编号并且帧编号信息被用于信号处理，所以可以防止混淆，可以 同时发送针对多个帧的后处理信息，因而可以提高公用信道的利用效率。

此外，因为检查了信号处理完成信号，所以可以确保最终生成的密钥的完整性。

附图说明

图1、图2和图3是示出了根据本公开的至少一个实施方式的用于在量子密钥分 配系统中以帧为单位发送量子信号和信号处理信息的示例性方案的图。

图4是根据本公开的至少一个实施方式的用于以规则的帧为单位生成并处理量 子信号的量子密钥分配系统的框图。

具体实施方式

在下文中，将参照考附图详细描述本公开的至少一个实施方式。在以下描述中， 同样的附图标记标明同样的元件，即使这些元件被示出在不同的附图中。此外，在至 少一个实施方式的以下描述中，为了清楚和简洁将省略并入本文的已知功能和配置的 详细描述。

另外，诸如第一、第二、A、B、(a)、(b)等的术语可以用来描述本公开的元件。 这些术语仅用来区分对应的元件和其它元件，并且这些元件的性质、次序或顺序不应 该受术语限制。贯穿本说明书，除非另外指定，否则术语“包括”和/或“包括有” 或“包含”和/或“包含有”指明所陈述的元件的存在但是不排除一个或更多个其它 元件的存在或添加。此外，诸如“模块”或“单元”的后缀用来表示用于执行至少一 个功能或操作的元件，并且这种元件可以用硬件、软件或其组合加以实现。

在根据本公开的至少一个实施方式的量子密钥分配系统中，发送器周期性地发送 各个被编号的帧的量子信号并且在发送量子信号之前发送帧同步信息，并且接收器通 过分析帧同步信息来接收和存储量子信号并且通过对帧编号信息适当地执行信号处 理来生成量子密钥。

图1、图2和图3是示出根据本公开的至少一个实施方式的用于在量子密钥分配 系统中以帧为单位发送量子信号和信号处理信息的示例性方案的图。

根据本公开的至少一个实施方式，发送器如图1所示那样通过量子信道发送编号 从1到N的帧中的每一个的量子信号。另外，发送器通过公用信道将帧同步信息或 用于信号处理的信息连同帧编号信息一起发送。在接收到量子信号时，接收器将量子 信号与帧编号信息一起存储以将量子信号和帧编号信息用于信号处理，并且通过公用 信道将信号处理信息连同帧编号信息一起发送。因此，发送器和接收器二者可以正确 地执行与各个帧相对应的信号处理。

优选地，帧间隔被最小化以提高系统操作的效率。尽管在理想情况下单光子脉冲 不应该存在于帧之间，但是考虑到接收器在接收到帧同步信号之后对接收进行准备所 需的时间、公用信道的业务量、信号处理时间等，需要设定最小间隔以不在信号处理 中引起溢出。

尽管发送器可不在帧间隔发送单光子脉冲，但是优选地继续发送单光子脉冲。在 帧间隔发送的单光子脉冲可以是编码的或未编码的。即使当发送器在帧之间发送编码 的单光子脉冲时，接收器也忽略这些单光子脉冲或由此承载的信息。

当使用了公用信道时，帧同步信号对应于最高优先级信息，并且因此应该按照准 确周期发送。

优选地，在发送对应的帧之后立即发送与信号处理中的预处理相对应的基交换和 诱骗信息处理的信息，并且因此可以执行有效比特选择过程以减小收发器在使用存储 器时的负担。生成的比特以及基和诱骗信息被存储在与收发器的信号处理器相关联的 存储器中，并且在预处理之后仅选择和存储有效比特，并且消除其它信息。

帧同步信息可以如图1中所示那样在发送每帧之前周期性地发送，或者如图2 中所示那样每M个帧(M≤N)发送一次。因为帧生成和发送以及信号处理具有周期 性，所以如果适当地控制同步时间，则每当发送帧单位的量子信息时，不需要发送帧 同步信息。然而，当帧计数N(非M)被初始化为1时，需要再次发送帧同步信息。

帧长度、帧计数N和帧间隔在系统被安装时由系统操作员设定为任意值，并且 收发器已经知道了所设定的值，因此可以根据设定值周期性地生成、发送、接收和存 储信号。

图4是根据本公开的至少一个实施方式的用于以规则的帧为单位生成并处理量 子信号的量子密钥分配系统400的框图。

帧同步信号通过公用信道发送并用于信号获取、预处理等。经过预处理的信息被 发送到后处理器并与用于收发适于各个帧的后处理的信息的过程相关联地处理。

在根据本公开的至少一个实施方式的量子密钥分配系统400中，发送器410生成 光子脉冲信号并且使用由发送器410的基准时钟信号指示的定时通过公用信道发送 光子脉冲信号，并且接收器450从同步的公用信道或单独的时钟发送信道(图4中未 示出)中提取时钟信息，并且使用该时钟信息作为接收器450的基准时钟信号，从而 实现与发送器410的同步。

此外，发送器410周期性地发送各个被编号的帧的量子信号并且在发送量子信号 之前发送帧同步信息。接收器450通过分析帧同步信息来接收和存储量子信号，并且 通过对于帧编号信息适当地执行信号处理来生成量子密钥。

如图4所示，发送器410可以包括：基准时钟生成器411，其被配置成生成基准 时钟信号；光子脉冲流生成器412，其被配置成根据基准时钟信号生成通过量子信道 承载帧单位的量子信息的光子脉冲的流；帧同步信息生成器413，其被配置成根据基 准时钟信号来生成帧同步信号并且将该帧同步信号发送到公用信道收发器414；公用 信道收发器414，其被配置成通过公用信道与接收器450交换承载公开信息的数据； 预处理器415，其被配置成以帧为单位执行诸如基比较和诱骗信号处理的预处理；以 及后处理器416，其被配置成执行诸如比特纠错的后处理。

基准时钟生成器411生成基准时钟信号，发送器410和接收器450使用该基准时 钟信号来同步，并且将定时信号提供给发送器410的需要同步的其它元件。

光子脉冲流生成器412根据基准时钟信号来生成光子脉冲，对光子脉冲进行调 制，并且通过量子信道以帧为单位向接收器450发送量子信息和光子脉冲的流。光子 脉冲流生成器412可以在以帧为单位发送量子信息之前发送用于接收器450的同步的 同步帧。光子脉冲流生成器412可以包括需要同步的元件，例如，用于生成光子脉冲 的激光二极管以及用于对光子脉冲的相位或偏振进行调制的调制器。

公用信道收发器414与基准时钟信号同步地通过公用信道向和从接收器450收发 包括以帧为单位划分的公开信息。当公用信道收发器414被实现为同步收发器时，优 选地使用加扰方案以接收器450能够从公用信道中适当地提取时钟信息这样一种方 式以适当比率在分组中使0和1混合。另外，当光子脉冲流生成器412发送同步帧时， 公用信道收发器414可向接收器450发送包括同步信息的公开信息。

在以帧为单位执行诸如基比较和诱骗信号处理的预处理的同时，预处理器415 通过公用信道收发器414与接收器450交换帧单位的预处理信息。

后处理器416从预处理器415接收作为预处理的结果而生成的经过筛选的密钥， 并且在执行诸如比特纠错的后处理的同时通过公用信道收发器414与接收器450交换 帧单位的后处理信息。

如图4中所示，接收器450可以包括：同步时钟信号提取器451，其被配置成从 公用信道收发器456的输出数据或从通过单独的时钟信道发送的信号中提取时钟信 号；基准时钟生成器452，其被配置成生成与所提取的时钟信号同步的基准时钟信号； 光子检测器453，其被配置成从发送器410接收承载量子信息的光子脉冲的流；信号 鉴别器454，其被配置成基于光子检测器453的输出信号来鉴别有效检测信息；公用 信道收发器456，其被配置成通过公用信道与发送器410交换承载公开信息的数据； 帧同步信息处理器455，其被配置成向信号鉴别器454和预处理器457提供指示帧从 包括由公用信道收发器456接收到的帧同步信息的分组开始的触发信号；预处理器 457，其被配置成与所生成的基准时钟信号同步地以帧为单位对由信号鉴别器454获 取的量子信息执行诸如基比较和诱骗信号处理的预处理；以及后处理器458，其被配 置成与所生成的基准时钟信号同步地从预处理器457接收经过筛选的密钥并且以帧 为单位执行诸如比特纠错的后处理。

同步时钟信号提取器451从公用信道或单独的同步信道中提取由发送器410使用 的基准时钟信号。也就是说，同步时钟信号提取器451可以通过检测由公用信道收发 器456接收到的分组的上升沿和下降沿来生成指示数据变化的转变脉冲，并且基于转 变脉冲来提取在分组或通过单独的同步信道发送的时钟信号中包括的时钟信号。具体 地，当系统被引导或初始化时，同步时钟信号提取器451可以在使用帧同步信息之前 使用包括从发送器410发送的同步信息的分组。

基准时钟生成器452生成与由同步时钟信号提取器451所提取的时钟信号同步的 基准时钟信号。

光子检测器453基于基准时钟信号与从发送器410发送的光子脉冲的到达定时同 步地检测光子脉冲的流。

信号鉴别器454通过使用光子检测器453的输出信号来鉴别有效检测信息而生成 用于信号处理的信息，并且将该信息发送到预处理器457。预处理器457以帧为单位 存储并处理该信息。

公用信道收发器456通过公用信道与基准时钟信号同步地向和从接收器410收发 包括以帧为单位划分的公开信息的分组。

帧同步信息处理器455向信号鉴别器454和预处理器457提供指示帧从包括由公 用信道收发器456接收到的帧同步信息的分组开始的触发信号。

预处理器457在以帧为单位执行诸如基比较和诱骗信号处理的预处理的同时通 过公用信道收发器456与发送器410交换帧单位的预处理信息。

后处理器458从预处理器457接收作为预处理的结果而生成的筛选的密钥，并且 在执行诸如比特纠错的后处理的同时通过公用信道收发器456与发送器410交换帧单 位的后处理信息。

应该考虑量子密钥分配系统400的操作速度来控制当发送器410通过公用信道发 送帧同步分组并生成和调制光子脉冲的流时可能引起的时间抖动的量、以及当接收器 450接收帧同步分组和光子脉冲的流、获取量子信息并且通过对所获取的量子信息执 行信号处理来生成量子密钥时可能引起的时间抖动的量。例如，具有100MHz操作 速度的系统优选地将分组处理成具有10ns内的抖动。如果抖动超过10ns，则所生成 的量子密钥可能具有高误码率。在这方面，可以使用能够使能实现并行处理和实时信 号处理的器件，例如，现场可编程门阵列(FPGA)。

尽管已经出于例示性目的描述了本公开的示例性实施方式，但是本领域技术人员 应当了解，在不脱离本公开的必要特征的情况下，各种修改、添加和替换是可能的。 因此，为了简洁和清楚起见已经描述了本公开的示例性实施方式。因此，本领域普通 技术人员应当理解，本公开的范围不受以上明确地描述的实施方式限制，而是受权利 要求及其等同物限制。

附图标记

400：量子密钥分配系统  410：发送器

411：基准时钟生成器    412：光子脉冲流生成器

413：帧同步信息生成器  414：公用信道收发器

415：预处理器          416：后处理器

450：接收器            451：同步时钟信号提取器

452：基准时钟生成器    453：光子检测器

454：信号鉴别器        455：帧同步信息处理器

456：公用信道收发器    457：预处理器

458：后处理器

相关申请的交叉引用

如果适用，本申请根据美国法典第35条119(a)款要求2012年10月30日在韩国 提交的专利申请No.10-2012-0121540的优先权，通过引用将其整个内容并入本文。 另外，这个非临时申请基于该韩国专利申请以相同原因要求在除美国以外的国家要求 优先权，在此通过引用将其整个内容并入。