? ? ? ? 截止目前，我們已經(jīng)分享了量子密鑰分發(fā)設(shè)備中基于離散型變量的設(shè)備原理基礎(chǔ)，包括基于偏振態(tài)編碼的BB84協(xié)議和基于相位編碼的BB84協(xié)議,。通過之前的文章我們知道量子密鑰分發(fā)分為連續(xù)變量和離散變量。那么今天我們就分享一下連續(xù)變量密鑰分發(fā)系統(tǒng)的基礎(chǔ)原理,。

? ? ? ? 開始正文之前，我快速總結(jié)下相關(guān)知識(shí),。量子密鑰分發(fā)的實(shí)現(xiàn)根據(jù)量子態(tài)載體及調(diào)制方式分為離散型和連續(xù)變量型。前者基于單光子技術(shù)，通過調(diào)制將信息編碼在單光子的某個(gè)物理量（偏振,、相位）上，然后再接收端基于單光子檢測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)，這種QKD稱為離散變量量子密鑰分發(fā)(DV-QKD),。后者將信息編碼在連續(xù)光的非對(duì)易的正則分量上，在接收端采用平衡檢測(cè)的方式對(duì)這個(gè)分量進(jìn)行測(cè)量，這種技術(shù)稱之為連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)（CV-QKD）。在本文章中，我們主要了解CV-QKD協(xié)議內(nèi)容,。

? ? ? ? 下圖為研制的連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)終端設(shè)備,。其密鑰成碼率可以達(dá)到1Mbps（@10dB），作為對(duì)比，基于偏振編碼的離散型連續(xù)變量QKD設(shè)備成碼率1kbps@15dB。因此從成碼率上來看，CV-QKD設(shè)備是很有優(yōu)勢(shì)的。

? ? ? ? 下圖是這個(gè)設(shè)備在5G系統(tǒng)中兩基站間的安全通信的場(chǎng)景示例應(yīng)用,。其中QWDM是量子波分復(fù)用設(shè)備，該產(chǎn)品用于實(shí)現(xiàn)量子信號(hào)和經(jīng)典信號(hào)的共纖傳輸；QSG是量子安全網(wǎng)關(guān)設(shè)備，該產(chǎn)品用于接收量子密鑰分發(fā)設(shè)備輸出的量子密鑰，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行加密，實(shí)現(xiàn)VPN功能

? ? ? ? 再貼一張文獻(xiàn)里面的供各位小伙伴圍觀,。

? ? ? ?這里的連續(xù)變量是相對(duì)光子能量這種離散變量而言的。對(duì)于一個(gè)光子來說，他在坐標(biāo)空間和動(dòng)量空間的不確定度就屬于連續(xù)變量，兩個(gè)不確定度的乘積符合海森堡（Heisenberg）不確定性原理，這個(gè)就是連續(xù)變量無條件安全性的保障,。例如，相干態(tài)的光子這兩個(gè)連續(xù)變量的不確定度一樣大，而且多個(gè)相干光子可以擁有完全一定的連續(xù)變量，這就使得單光子的連續(xù)變量特性可以放大到很多光子組成的系統(tǒng)中,。

? ? ? ? 這里我引用再進(jìn)一步解釋一下，對(duì)于連續(xù)變量的量子密鑰分發(fā)協(xié)議，在整個(gè)密鑰分配的過程中，用于編碼的量子態(tài)所在的希爾伯特（Hilbert）空間是無限維且連續(xù)的，這類協(xié)議中信息存在的形式不再是離散類協(xié)議的二進(jìn)制比特，而是滿足連續(xù)分布的高斯隨機(jī)數(shù)。信息的載體也不再是單光子的偏振或者相位，而是光場(chǎng)的正交分量（相空間中的“位置”和“動(dòng)量”）,。

???????連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)采用的量子信源可以是相干態(tài),、壓縮態(tài)、熱態(tài)或者連續(xù)變量糾纏態(tài),。由于相干態(tài)易于制備，因此其成為CV-QKD普遍被使用的量子態(tài)，實(shí)際系統(tǒng)中一般采用相干激光作為光源,。

???????連續(xù)變量QKD協(xié)議里面典型的就是GG02協(xié)議，2002 年，法國(guó)研究人員 F. Grosshans 和 P. Grangier 首次提出了高斯調(diào)制相干態(tài)協(xié)議，簡(jiǎn)稱為 GG02 協(xié)議。基于高斯調(diào)制和平衡零拍探測(cè)的 GG02 協(xié)議是目前最接近于實(shí)用化的 CV-QKD協(xié)議,。?OK，重點(diǎn)出現(xiàn)，我們基于這句話細(xì)細(xì)品味下這個(gè)協(xié)議過程,。

? ? ? ? 高斯調(diào)制相干態(tài)的密鑰分發(fā)示意框圖如下：

? ? ? GG02協(xié)議過程如下：

??????1.? ? Alice制備初始的相干態(tài)，將兩個(gè)相互獨(dú)立的高斯分布的隨機(jī)數(shù)分別編碼在相干態(tài)的正則位置和正則動(dòng)量上。這樣就給Bob發(fā)送了一個(gè)相干態(tài)；

? ? ? 2.Alice將他制備的攜帶調(diào)制信息的相干態(tài)通過量子信道（可以是光纖也可以是自由空間）發(fā)送給Bob；

? ? ? 3.Bob收到這些量子態(tài)之后，對(duì)每個(gè)脈沖隨機(jī)等概的選擇測(cè)量基，對(duì)應(yīng)正則位置或正則動(dòng)量；

? ? ? 4.Bob對(duì)所選擇的分量進(jìn)行零差檢測(cè)（Homodyne），并的到測(cè)量結(jié)果，根據(jù)所選擇的測(cè)量基，或者正則分量的測(cè)量值；

? ? ? 5.完成測(cè)量之后，Bob通過公開信道高速Alice他選擇了哪些測(cè)量基，Alice保留與Bob測(cè)量基相同的正則分量，并丟及測(cè)量基不同的正則分量信息；

? ? ? ?6.Alice和Bob在所測(cè)量的結(jié)果基礎(chǔ)上進(jìn)行協(xié)商，糾錯(cuò)和保密增強(qiáng)，最后雙方共享一串相同的二進(jìn)制比特,。

? ? ? ? 相對(duì)于DV-QKD，CV-QKD確實(shí)不太好理解，里面相關(guān)基礎(chǔ)概念我后期自己研究一波專門寫一篇文章和大家探討吧，貼一張Grosshans 等人進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)演示高斯調(diào)試相干態(tài)量子密鑰分發(fā)的實(shí)驗(yàn)方案的圖,。有興趣的同學(xué)可以先自行探索

? ? ? ? 1.連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)以技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)在于光場(chǎng)的正交分量（例如正交振幅和正交相位）作為信息的載體，量子態(tài)的制備與測(cè)量比較簡(jiǎn)單，與現(xiàn)有的無源光纖網(wǎng)絡(luò)相兼容，不用重新鋪設(shè)專用的光纖線路，而且短距離下潛在的密鑰率較高。

? ? ? ? 2.CV-QKD 技術(shù)的密鑰信息編碼于量子化電磁場(chǎng)的正則分量上，系統(tǒng)只需要普通的相干激光器,、平衡零差探測(cè)器，就能與經(jīng)典相干光通信系統(tǒng)具有較好的兼容性，且具備城域范圍內(nèi)高密鑰速率潛能,。以上特征使得 CVQKD 技術(shù)在成本、性能和可集成性方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)，非常適用于城域 / 接入量子保密通信網(wǎng)絡(luò),。相比于 DV-QKD 技術(shù)，雖然 CV-QKD 技術(shù)起步較晚，但近十幾年來，其在基礎(chǔ)理論和實(shí)驗(yàn)技術(shù)方面都取得了重要的進(jìn)展，目前正在經(jīng)歷新一輪蓬勃發(fā)展的時(shí)期,。當(dāng)前，該領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展主要集中于協(xié)議設(shè)計(jì)、安全性分析和系統(tǒng)集成驗(yàn)證,。

? ? ? ?截止目前這篇文章為止，我們已經(jīng)討論完成了量子密鑰分發(fā)協(xié)議中離散和連續(xù)兩種類型中最基本的BB84協(xié)議和GG02協(xié)議,。目前實(shí)際工程應(yīng)用上關(guān)于量子密鑰分發(fā)終端設(shè)備的研制和技術(shù)路線基本上都是基于這兩個(gè)協(xié)議展開的。在之前的文章中我也提到過，這兩個(gè)協(xié)議都是理論上無條件安全的，實(shí)際工程上考慮到安全性,、密鑰成碼率,、硬件成本等因素都是需要進(jìn)行協(xié)議的改進(jìn)的，這個(gè)后期我分享量子密鑰終端設(shè)備的時(shí)候我們可以進(jìn)一步探討。

? ? ? ?對(duì)于非物理相關(guān)專業(yè)的同學(xué)來說，本文已經(jīng)比較難理解了,。比如相干態(tài),、希爾伯特空間、高斯調(diào)制等,。說來慚愧，雖然筆者是相關(guān)專業(yè)畢業(yè)的，但是也忘的差不多了,。針對(duì)這個(gè)問題，下一篇文章我將對(duì)量子密鑰分發(fā)協(xié)議進(jìn)行綜合性的討論，針對(duì)這些協(xié)議的一些細(xì)節(jié)、理論背景,、各自特點(diǎn),、工程使用場(chǎng)景等進(jìn)行補(bǔ)充分享，歡迎大家關(guān)注~

? ? ? ? 對(duì)于文章中有描述不準(zhǔn)確或錯(cuò)誤的地方，還請(qǐng)各位同學(xué)不吝指正，筆者非常期望能與大家討論。

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