CN110620655B - 一种偏振复用双向量子密钥分发方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种偏振复用双向量子密钥分发方法，适用于非偏振编码的量子通信系统，定义正向通信的信息发送端称为Alice，信息接收端称为Bob，则Bob发送Alice接收称作反向通信，该方法中使用两种正交偏振分别代表正向通信和反向通信时载体。本发明还公开了一种偏振复用双向量子密钥分发系统，Alice量子发射装置和Alice量子测量装置分别连接到第一偏振分束器PBS1的1端口和4端口，Bob量子发射装置和Bob量子测量装置分别连接到第二偏振分束器PBS2的3端口和2端口，第一偏振分束器PBS1的2端口和第二偏振分束器PBS2的1端口通过光纤信道连接，该系统使用两种正交偏振分别代表正向通信和反向通信时载体。本发明与现有利用环形器和波分复用器方案相比，量子通信速率更高。

Description

一种偏振复用双向量子密钥分发方法与系统

技术领域

本发明涉及量子保密通信领域，特别是提供了一种偏振复用双向量子密钥分发方法与系统。

背景技术

量子密钥分发(Quantum Key Distribution，简称QKD)技术能够在通信双方之间产生无条件安全的密钥因而受到广泛关注。自从1984年BB84方案提出以来，各种理论方案日臻完善，技术实现逐渐成熟并走向实际应用。量子通信通常采用发送端发射量子信号而接收端测量这种单向通信模式。随着互联网技术的发展，人们对于通信速率的要求越来越高。如果采用双向通信可以有效提高量子通信速率，扩大量子通信的使用范围，满足通信速率要求更高用户场景。

目前量子通信系统的编码方式有偏振编码、相位编码、时间比特编码、时间相位编码等多种编码方案，而最常用的是偏振编码和相位编码。如公开号为CN108075885A的发明专利申请，公开了偏振编码的QKD系统工作过程如下：通过随机数的产生，来控制单光子源发出不同偏振状态的脉冲激光，再经过强度调制形成诱骗态，随即携带有量子信息的单光子脉冲，经过长距离光纤传输到达接收端，接收端通过随机的偏振基探测解调，还原出一定的随机数序列，并且通过经典信道告知发送方用于探测的随机的偏振基，发送方收到探测序列信息后，即通过经典信道告知接收方哪些位上的码是有效可靠的，之后，收发双方便筛选出相同的密码本，最后，双方公布部分的密码本以校验误码率以检测是否有监听和攻击存在，同时进行密钥的纠错成码。

而其中携带有量子信息的单光子脉冲经过长距离光纤传输到达接收端的过程是量子通信过程，目前常用的量子通信方案中有采用光环形器、波分复用器等。

现有技术也公开了多种双向通信的方案，如公开号为CN101814988A的发明专利申请中公布了一种双向量子通信方案，如图1所示，通信双方设备分别包含一个发送方和一个接收方，通过光路径选择器件，如光环形器、波分复用器、光栅等进行路径选择，实现双向量子通信。

若使用光环形器实现双向量子通信，光环形器将引入偏振误差和插入损耗，影响量子通信速率；若使用波分复用双向QKD方案，为了实现双向通信，将会牺牲单向通信的频谱效率和波长数量，目前通信中波长已经成为一个重要而稀缺的资源，量子通信中能够选择的波长有限，另一方面，使用不同的波长进行双向通信，将压缩单向通信时波长数量，影响量子通信速率；若使用光栅进行双向通信，一方面将大幅增加通信设备的成本，另一方面将降低系统稳定性，因为光栅是温度敏感器件，环境温度变化严重影响光栅工作状态，同时与波分复用类似，使用光栅也会降低频谱效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于如何提高量子通信速率。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：一种偏振复用双向量子密钥分发方法，适用于非偏振编码的量子通信系统，定义正向通信的信息发送端称为Alice，信息接收端称为Bob，则Bob发送Alice接收称作反向通信，该方法使用两种正交偏振分别代表正向通信和反向通信时载体。

所述偏振复用双向量子密钥分发方法可以支持仅正向通信模式、或者仅反向通信模式、或者双向同时通信模式。

所述偏振复用双向量子密钥分发方法的量子通信过程可以使用BB84协议、B92协议、BBM92协议、3态量子通信协议、连续变量协议、DPS协议、COW协议、RRDPS协议中的任一种。

所述偏振复用双向量子密钥分发方法的编码方式可以使用时间比特编码、相位编码、时间相位编码中的任一种。

所述偏振复用双向量子密钥分发方法正向通信时可以使用N个波长进行通信，反向通信时可以使用M个波长进行通信，N、M可以相等也可以不相等，N大于或等于1，M大于或等于1。

所述偏振复用双向量子密钥分发方法，正向通信时，Alice发射出量子光，将信号调制在量子态上，Alice出射量子光经过偏振分束之后，透射进入光纤信道，量子光传输到Bob端时，经过偏振分束透射，Bob再对量子光进行量子测量，Alice和Bob再根据量子密钥分发所需的相应数据处理过程生成量子密钥；

反向通信时，Bob发射量子光，将信号调制在量子态上，Bob出射的量子光经过偏振分束之后，反射进入光纤信道，量子光传输到Alice端时，经过偏振分束反射，Alice再对量子光进行量子测量，Alice和Bob再根据量子密钥分发所需的相应数据处理过程生成量子密钥。

作为第一个优选的技术方案，Alice或Bob发射量子光的过程为：先发射光脉冲，经过随机强度调制以实现诱骗态编码，再进行随机相位调制以实现QKD协议所要求若干不同的量子态，然后再将光脉冲衰减至单光子量级；

Alice或Bob测量量子光的过程为：先进行相位解码，再进行测量。

作为第二个优选的技术方案，Alice或Bob发射量子光的过程为：先发射单光子光源，再进行随机相位调制以实现QKD协议所要求若干不同的量子态；

Alice或Bob测量量子光的过程为：先进行相位解码，再进行测量。

作为第三个优选的技术方案，Alice或Bob发射量子光的过程为：先发射光脉冲，光脉冲被分成两个前后关联的脉冲对，再调制成所需的脉冲对，然后再将光脉冲衰减至单光子量级；

Alice或Bob测量量子光的过程为：先进行相位解码，再进行测量。

作为第四个优选的技术方案，Alice或Bob发射量子光的过程为：出射连续光信号，光信号通过强度调制调节成所需的脉冲序列，脉冲序列再衰减至单光子量级；

Alice或Bob测量量子光的过程为：首先将信道中传输的信号分离，将接收到的信号分成两路：一路进行到达时间测量以获取原始密钥，另一路经过相位解码后再进行测量。

作为进一步优选的技术方案，Alice或Bob发射量子光的过程中，光脉冲进行偏振分束前还进行光脉冲偏振态的调节。

作为进一步优选的技术方案，正向通信时，Alice发射出量子光在进行偏振分束前，先经过波分复用，量子光传输到Bob端时，经过偏振分束后，再经过波分复用后被测量；

反向通信时，Bob发射出量子光在进行偏振分束前，先经过波分复用，量子光传输到Alice端时，经过偏振分束后，再经过波分复用后被测量。

本发明还提供一种偏振复用双向量子密钥分发系统，为非偏振编码的量子通信系统，包括Alice端和Bob端，其中Alice端包括Alice量子发射装置、Alice量子测量装置和第一偏振分束器PBS1，Bob端包括Bob量子发射装置、Bob量子测量装置和第二偏振分束器PBS2；

其中所述Alice量子发射装置和Alice量子测量装置分别连接到第一偏振分束器PBS1的1端口和4端口，Bob量子发射装置和Bob量子测量装置分别连接到第二偏振分束器PBS2的3端口和2端口，第一偏振分束器PBS1的2端口和第二偏振分束器PBS2的1端口通过光纤信道连接；

定义正向通信的信息发送端称为Alice，信息接收端称为Bob，则Bob发送Alice接收称作反向通信，该系统使用两种正交偏振分别代表正向通信和反向通信时载体。

作为第一个优选的技术方案，Alice量子发射装置和Bob量子发射装置结构相同，包括依次连接的脉冲发射模块、强度调制模块、不等臂干涉仪、衰减模块；

Alice量子测量装置和Bob量子测量装置结构相同，均包括依次连接的不等臂干涉仪和单光子探测器。

作为第二个优选的技术方案，Alice量子发射装置和Bob量子发射装置结构相同，包括依次连接的单光子光源和不等臂干涉仪；

Alice量子测量装置和Bob量子测量装置结构相同，均包括依次连接的不等臂干涉仪和单光子探测器。

作为第三个优选的技术方案，Alice量子发射装置和Bob量子发射装置结构相同，包括依次连接的脉冲发射模块、不等臂干涉仪、强度调制模块、衰减模块；

Alice量子测量装置和Bob量子测量装置结构相同，均包括依次连接的解码光路和单光子探测器。

作为第四个优选的技术方案，Alice量子发射装置和Bob量子发射装置结构相同，包括依次连接的连续光激光器、强度调制模块、衰减模块；

Alice量子测量装置和Bob量子测量装置结构相同，均包括分束器、连接在分束器后端的第一单光子探测器，以及依次连接在分束器后端的不等臂干涉仪和第二单光子探测器。

作为进一步优选的技术方案，Alice量子发射装置和Bob量子发射装置还包括设置在第一偏振分束器PBS1或者第二偏振分束器PBS2之前的偏振控制器。

作为进一步优选的技术方案，所述偏振复用双向量子密钥分发系统的Alice端还可以包括N个Alice量子发射装置、M个Alice量子测量装置、第一波分复用器、第二波分复用器和第一偏振分束器PBS1，Bob端包括M个Bob量子发射装置、N个Bob量子测量装置、第三波分复用器、第四波分复用器和第二偏振分束器PBS2，其中N大于1，M大于1，N等于M，或不等于M；

其中所述N个Alice量子发射装置连接到第一波分复用器，M个Alice量子测量装置连接到第二波分复用器，第一波分复用器和第二波分复用器分别连接到第一偏振分束器PBS1的1端口和4端口，M个Bob量子发射装置连接到第三波分复用器，N个Bob量子测量装置连接到第四波分复用器，第三波分复用器和第四波分复用器分别连接到第二偏振分束器PBS2的3端口和2端口，第一偏振分束器PBS1的2端口和第二偏振分束器PBS2的1端口通过光纤信道连接。

本发明相比现有技术具有以下优点：

1、与现有利用环形器和波分复用器方案相比，本发明使用PBS方案，量子通信速率更高；

2、与使用波分复用器或者光栅相比，具有更高的频谱效率，波分复用技术只能是一部分波长用于正向通信，另一部分波长用于反向通信，本申请中所有可用波长均可以用于双向通信，大幅提升了作为稀缺资源的波长的利用率；

3、结合波分复用技术，本发明能够更进一步提高通信速率。

附图说明

图1是现有一种双向量子通信方案示意图；

图2是偏振分束器PBS原理图；

图3是本发明实施例一的偏振复用双向QKD原理图；

图4是实施例一中使用相位编码的双向QKD系统示意图；

图5是实施例二中使用相位编码的双向QKD系统示意图，其中发射装置采用单光子源；

图6为实施例三中采用时间相位编码的双向QKD系统示意图；

图7为实施例四中采用COW编码的双向QKD系统示意图；

图8是本发明多波长偏振复用双向量子密钥分发系统原理图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

在本申请的描述中，需要理解的是，指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

本发明中会使用偏振分束器(PBS)，对其功能简要介绍。偏振分束器的作用是将入射光分成两路，一路透射一路反射，透射路偏振为H(即0°偏振)，反射路偏振为V(即90°偏振)，分别从不同的端口出射。示意图如图2所示，偏振分束器共有4个端口：1、2、3、4。当光从1端口入射时，H偏振光透射从2端口输出，V偏振光反射从3端口输出；如果光从3端口入射时，H偏振光透射从4端口输出，V偏振光反射从1端口输出；当光从2端口入射时，H偏振光透射从1端口输出，V偏振光反射从4端口输出；如果光从4端口入射时，H偏振光透射从3端口输出，V偏振光反射从2端口输出。

在量子通信中，通常将正向通信的信息发送端称为Alice，信息接收端称为Bob，则Bob发送Alice接收称作反向通信，通信过程中信息窃听者称为Eve。以下叙述中可能会涉及相应简称。

为了叙述方便且不失一般性，可以假设Alice发射Bob接收为正向通信，Bob发射Alice接收为反向通信。

实施例一

如图3所示，为本发明实施例一的偏振复用双向量子密钥分发系统原理图，该偏振复用双向量子密钥分发系统包括Alice端和Bob端。其中Alice端包括Alice量子发射装置、Alice量子测量装置和第一偏振分束器PBS1，Bob端包括Bob量子发射装置、Bob量子测量装置和第二偏振分束器PBS2。

其中所述Alice量子发射装置和Alice量子测量装置分别连接到第一偏振分束器PBS1的1端口和4端口，Bob量子发射装置和Bob量子测量装置分别连接到第二偏振分束器PBS2的3端口和2端口，第一偏振分束器PBS1的2端口和第二偏振分束器PBS2的1端口通过光纤信道连接。第一偏振分束器PBS1和第二偏振分束器PBS2之间还可以设置有偏振控制器，偏振控制器的作用是补偿信道传输过程中造成的偏振态变化。偏振控制器可以设置在Alice端或Bob端，通常设置在Bob端。

使用偏振复用双向量子密钥分发系统进行量子密钥分发的方法包括：

正向通信时，Alice端的Alice量子发射装置发射出量子光，将信号调制在量子态上，Alice量子发射装置出射量子光偏振为H，从第一偏振分束器PBS1的1端口进入第一偏振分束器PBS1之后，经过第一偏振分束器PBS1的2端口透射出来进入光纤信道，量子光传输到Bob端时，先从第二偏振分束器PBS2的1端口进入，经过第二偏振分束器PBS2的2端口透射进入Bob量子测量装置，Bob量子测量装置再对量子光进行量子测量，Alice端和Bob端再根据量子密钥分发所需的相应数据处理过程生成量子密钥。

反向通信时，Bob端的Bob量子发射装置发射量子光，将信号调制在量子态上。Bob量子发射装置出射的量子光偏振为V，从第二偏振分束器PBS2的3端口进入第二偏振分束器PBS2之后，经过第二偏振分束器PBS2的1端口反射进入光纤信道，量子光传输到Alice端时，先从第一偏振分束器PBS1的2端口进入，然后从第一偏振分束器PBS1的4端口反射出来进入Alice量子测量装置，Alice量子测量装置再对量子光进行量子测量，Alice端和Bob端再根据量子密钥分发所需的相应数据处理过程生成量子密钥。

从以上描述可知，Alice量子发射装置、Alice量子测量装置、Bob量子发射装置、Bob量子测量装置与第一偏振分束器PBS1、第二偏振分束器PBS2的连接方式不局限于以上所述的端口连接方式，也不限于正向通信时，Alice端出射量子光偏振为H，反向通信时，Bob端出射量子光偏振为V，只要能够实现Alice端的Alice量子发射装置发射出量子光经过第一偏振分束器PBS1能够进入Bob端的Bob量子测量装置，以及能够实现Bob端的Bob量子发射装置发射出量子光经过第二偏振分束器PBS2能够进入Alice端的Alice量子测量装置即可。但是，可以明显的得知，同一端的量子发射装置和量子测量装置不能够连接到偏振分束器的同一个端口，同一端的量子测量装置不能够连接到量子发射装置发出的光透射或反射能够到达的端口。

该实施例中，量子通信过程可以使用现有的BB84协议或B92协议等，编码方式使用现有的相位编码以及时间比特编码等。

使用偏振复用的相位编码QKD方案如图4所示。Alice量子发射装置和Bob量子发射装置结构相同，包括依次连接的脉冲发射模块、强度调制模块、不等臂干涉仪、衰减模块以及偏振控制器，Alice量子发射装置或Bob量子发射装置工作时，使用弱相干光源发射光脉冲，经过强度调制模块进行随机强度调制以实现诱骗态编码，再经过不等臂干涉仪(内含相位调制器)进行随机相位调制以实现QKD协议所要求若干不同的量子态。当调制相位差为4种不同状态(如{0，π，π/2，3π/2})时可实现BB84编码，当调制相位差为2种(如{0，π/2})时可实现B92编码。使用衰减模块将光脉冲衰减至单光子量级。使用偏振控制器调节光脉冲偏振态，偏振控制器不是必须的，增加它能够使系统更便于调节，再通过第一偏振分束器PBS1或第二偏振分束器PBS2耦合入射信道传输，信道传输通常为光纤信道传输，自由空间信道或者其他传输媒介也可。Alice量子测量装置和Bob量子测量装置结构相同，均包括依次连接的不等臂干涉仪和单光子探测器，Alice量子测量装置或Bob量子测量装置工作时，首先利用第一偏振分束器PBS1或第二偏振分束器PBS2将信道中传输的量子信号分离，再通过不等臂干涉仪进行相位解码，最后使用单光子探测器进行测量。第一偏振分束器PBS1和第二偏振分束器PBS2之间还可以设置有偏振控制器，偏振控制器的作用是补偿信道传输过程中造成的偏振态变化。偏振控制器可以设置在Alice端或Bob端，通常设置在Bob端。

实施例二

该实施例与实施例一的区别在于，Alice量子发射装置和Bob量子发射装置的结构与实施例一略有不同，采用单光子光源，如图5所示，Alice量子发射装置或Bob量子发射装置的具体结构为：包括依次连接的单光子光源、不等臂干涉仪以及偏振控制器。

Alice量子发射装置或Bob量子发射装置工作时，单光子光源发射，经过不等臂干涉仪(内含相位调制器)进行随机相位调制以实现QKD协议所要求若干不同的量子态。当调制相位差为4种不同状态(如{0，π，π/2，3π/2})时可实现BB84编码，当调制相位差为2种(如{0，π/2})时可实现B92编码。再使用偏振控制器调节偏振态，偏振控制器不是必须的，增加它能够使系统更便于调节，再通过第一偏振分束器PBS1或第二偏振分束器PBS2耦合入射信道传输，信道传输通常为光纤信道传输，自由空间信道或者其他传输媒介也可。Alice量子测量装置和Bob量子测量装置结构相同，均包括依次连接的不等臂干涉仪和单光子探测器，Alice量子测量装置或Bob量子测量装置工作时，首先利用第一偏振分束器PBS1或第二偏振分束器PBS2将信道中传输的量子信号分离，再通过不等臂干涉仪进行相位解码，最后使用单光子探测器进行测量。

实施例三

该实施例与实施例一的区别在于，该实施例中，量子通信过程使用BB84协议，编码方式使用时间相位编码。

基于时间相位编码的偏振复用双向QKD系统原理图如图6所示。Alice量子发射装置和Bob量子发射装置结构相同，包括依次连接的脉冲发射模块、不等臂干涉仪、强度调制模块、衰减模块以及偏振控制器，Alice量子发射装置或Bob量子发射装置工作时，先通过脉冲发射模块发射光脉冲，经过不等臂干涉仪分成两个前后关联的脉冲对，再通过强度调制模块调制成所需的脉冲对，如图6中间脉冲图所示，为发射的脉冲示意图，前1个脉冲有光而后一个脉冲没有光表示时间基矢的比特0，前一个脉冲没有光而后一个脉冲有光表示时间基矢的比特1；前后两个脉冲都有光且相位差为0表示相位基矢的比特0，前后两个脉冲都有光且相位差为1表示相位基矢的比特1。使用衰减模块将光脉冲衰减至单光子量级。使用偏振控制器调节光脉冲偏振态，偏振控制器不是必须的，增加它能够使系统更便于调节，再通过第一偏振分束器PBS1或第二偏振分束器PBS2耦合入射信道传输，信道传输通常为光纤信道传输，自由空间信道或者其他传输媒介也可。Alice量子测量装置和Bob量子测量装置结构相同，均包括依次连接的解码光路和单光子探测器，Alice量子测量装置或Bob量子测量装置工作时，首先利用第一偏振分束器PBS1或第二偏振分束器PBS2将信道中传输的量子信号分离，再通过解码光路进行解码，最后使用单光子探测器进行测量。

实施例四

该实施例与实施例一的区别在于，该实施例中，量子通信过程使用BB84协议，编码方式采用COW编码。使用偏振复用的COW编码双向QKD系统如图7所示。Alice量子发射装置和Bob量子发射装置结构相同，包括依次连接的连续光激光器、强度调制模块、衰减模块以及偏振控制器，Alice量子发射装置或Bob量子发射装置工作时，使用连续光激光器出射光信号，通过强度调制模块调节成所需的脉冲序列。脉冲序列见图7中中间位置所示，白色表示没有光，黑色表示有光。当前1个脉冲有光而后1个脉冲没有光时为bit0，当前1个脉冲没有光而后1个脉冲有光时为bit1，当前后2个脉冲都有光时称为诱骗态。脉冲序列通过衰减模块将强度衰减至单光子量级，再经过偏振控制器调节至合适偏振后通过第一偏振分束器PBS1或第二偏振分束器PBS2耦合入射传输信道。Alice量子测量装置和Bob量子测量装置结构相同，均包括分束器、连接在分束器后端的第一单光子探测器，以及依次连接在分束器后端的不等臂干涉仪和第二单光子探测器，Alice量子测量装置或Bob量子测量装置工作时，首先利用第一偏振分束器PBS1或第二偏振分束器PBS2将信道中传输的信号分离，再通过分束器将接收到的信号分成两路：一路使用第一单光子探测器进行到达时间测量以获取原始密钥，另一路经过不等臂干涉仪之后再使用第二单光子探测器进行测量，用来进行参数估计和安全检测。

实施例五

本实施例与实施例一至四的区别在于，在实施例一至四的任一个实施例的基础上，结合波分复用技术，使得量子密钥分发的通信速率进一步提升。

请参阅图8所示，该偏振复用双向量子密钥分发系统的Alice端包括N个Alice量子发射装置、M个Alice量子测量装置、第一波分复用器、第二波分复用器和第一偏振分束器PBS1，Bob端包括M个Bob量子发射装置、N个Bob量子测量装置、第三波分复用器、第四波分复用器和第二偏振分束器PBS2。其中N大于1，M大于1，N可以等于M，也可以不等于M。

其中所述N个Alice量子发射装置连接到第一波分复用器，M个Alice量子测量装置连接到第二波分复用器，第一波分复用器和第二波分复用器分别连接到第一偏振分束器PBS1的1端口和4端口，M个Bob量子发射装置连接到第三波分复用器，N个Bob量子测量装置连接到第四波分复用器，第三波分复用器和第四波分复用器分别连接到第二偏振分束器PBS2的3端口和2端口，第一偏振分束器PBS1的2端口和第二偏振分束器PBS2的1端口通过光纤信道连接。

使用结合波分复用的偏振复用双向量子密钥分发系统进行量子密钥分发的方法包括：

正向通信时，Alice端的N个Alice量子发射装置发射出量子光，将信号调制在量子态上，Alice量子发射装置出射量子光偏振为H，经过第一波分复用器后从第一偏振分束器PBS1的1端口进入第一偏振分束器PBS1，再经过第一偏振分束器PBS1的2端口透射出来进入光纤信道，量子光传输到Bob端时，先从第二偏振分束器PBS2的1端口进入，经过第二偏振分束器PBS2的2端口透射，然后通过第四波分复用器后，分别进入N个Bob量子测量装置，Bob量子测量装置再对量子光进行量子测量，Alice端和Bob端再根据量子密钥分发所需的相应数据处理过程生成量子密钥。

反向通信时，Bob端的M个Bob量子发射装置发射量子光，将信号调制在量子态上，Bob量子发射装置出射的量子光偏振为V，经过第三波分复用器之后从第二偏振分束器PBS2的3端口进入第二偏振分束器PBS2，经过第二偏振分束器PBS2的1端口反射进入光纤信道，量子光传输到Alice端时，先从第一偏振分束器PBS1的2端口进入，从第一偏振分束器PBS1的4端口反射出来，再经过第二波分复用器后，分别进入M个Alice量子测量装置，Alice量子测量装置再对量子光进行量子测量，Alice端和Bob端再根据量子密钥分发所需的相应数据处理过程生成量子密钥。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (18)

1.一种偏振复用双向量子密钥分发方法，适用于非偏振编码的量子通信系统，定义正向通信的信息发送端称为Alice，信息接收端称为Bob，则Bob发送Alice接收称作反向通信，其特征在于，使用两种正交偏振分别代表正向通信和反向通信时载体；

正向通信时，Alice发射出量子光，将信号调制在量子态上，Alice出射量子光经过偏振分束之后，透射进入光纤信道，量子光传输到Bob端时，经过偏振分束透射，Bob再对量子光进行量子测量，Alice和Bob再根据量子密钥分发所需的相应数据处理过程生成量子密钥；

反向通信时，Bob发射量子光，将信号调制在量子态上，Bob出射的量子光经过偏振分束之后，反射进入光纤信道，量子光传输到Alice端时，经过偏振分束反射，Alice再对量子光进行量子测量，Alice和Bob再根据量子密钥分发所需的相应数据处理过程生成量子密钥。

2.根据权利要求1所述的一种偏振复用双向量子密钥分发方法，其特征在于，所述方法支持仅正向通信模式、仅反向通信模式、双向同时通信模式。

3.根据权利要求1所述的一种偏振复用双向量子密钥分发方法，其特征在于，所述方法的量子通信过程使用BB84协议、B92协议、BBM92协议、3态量子通信协议、连续变量协议、DPS协议、COW协议、RRDPS协议中的任一种。

4.根据权利要求1所述的一种偏振复用双向量子密钥分发方法，其特征在于，所述方法的编码方式使用时间比特编码、相位编码、时间相位编码中的任一种。

5.根据权利要求1所述的一种偏振复用双向量子密钥分发方法，其特征在于，正向通信时使用N个波长进行通信，反向通信时使用M个波长进行通信，N、M可以相等也可以不相等，N大于或等于1，M大于或等于1。

6.根据权利要求1所述的一种偏振复用双向量子密钥分发方法，其特征在于，Alice或Bob发射量子光的过程为：先发射光脉冲，经过随机强度调制以实现诱骗态编码，再进行随机相位调制以实现QKD协议所要求若干不同的量子态，然后再将光脉冲衰减至单光子量级；Alice或Bob测量量子光的过程为：先进行相位解码，再进行测量。

7.根据权利要求1所述的一种偏振复用双向量子密钥分发方法，其特征在于，Alice或Bob发射量子光的过程为：先发射单光子光源，再进行随机相位调制以实现QKD协议所要求若干不同的量子态；

Alice或Bob测量量子光的过程为：先进行相位解码，再进行测量。

8.根据权利要求1所述的一种偏振复用双向量子密钥分发方法，其特征在于，Alice或Bob发射量子光的过程为：先发射光脉冲，光脉冲被分成两个前后关联的脉冲对，再调制成所需的脉冲对，然后再将光脉冲衰减至单光子量级；

Alice或Bob测量量子光的过程为：先进行相位解码，再进行测量。

9.根据权利要求1所述的一种偏振复用双向量子密钥分发方法，其特征在于，Alice或Bob发射量子光的过程为：出射连续光信号，光信号通过强度调制调节成所需的脉冲序列，脉冲序列再衰减至单光子量级；

Alice或Bob测量量子光的过程为：首先将信道中传输的信号分离，将接收到的信号分成两路：一路进行到达时间测量以获取原始密钥，另一路经过相位解码后再进行测量。

10.根据权利要求1至9任一项所述的一种偏振复用双向量子密钥分发方法，其特征在于，Alice或Bob发射量子光的过程中，光脉冲进行偏振分束前还进行光脉冲偏振态的调节。

11.根据权利要求1至9任一项所述的一种偏振复用双向量子密钥分发方法，其特征在于，正向通信时，Alice发射出量子光在进行偏振分束前，先经过波分复用，量子光传输到Bob端时，经过偏振分束后，再经过波分复用后被测量；

反向通信时，Bob发射出量子光在进行偏振分束前，先经过波分复用，量子光传输到Alice端时，经过偏振分束后，再经过波分复用后被测量。

12.一种偏振复用双向量子密钥分发系统，为非偏振编码的量子通信系统，其特征在于，包括Alice端和Bob端，其中Alice端包括Alice量子发射装置、Alice量子测量装置和第一偏振分束器PBS1，Bob端包括Bob量子发射装置、Bob量子测量装置和第二偏振分束器PBS2；

其中所述Alice量子发射装置和Alice量子测量装置分别连接到第一偏振分束器PBS1的1端口和4端口，Bob量子发射装置和Bob量子测量装置分别连接到第二偏振分束器PBS2的3端口和2端口，第一偏振分束器PBS1的2端口和第二偏振分束器PBS2的1端口通过光纤信道连接；

定义正向通信的信息发送端称为Alice，信息接收端称为Bob，则Bob发送Alice接收称作反向通信，该系统使用两种正交偏振分别代表正向通信和反向通信时载体；

正向通信时，Alice发射出量子光，将信号调制在量子态上，Alice出射量子光经过第一偏振分束器PBS1偏振分束之后，透射进入光纤信道，量子光传输到Bob端时，经过第二偏振分束器PBS2偏振分束透射，Bob再对量子光进行量子测量，Alice和Bob再根据量子密钥分发所需的相应数据处理过程生成量子密钥；

反向通信时，Bob发射量子光，将信号调制在量子态上，Bob出射的量子光经过第二偏振分束器PBS2偏振分束之后，反射进入光纤信道，量子光传输到Alice端时，经过第一偏振分束器PBS1偏振分束反射，Alice再对量子光进行量子测量，Alice和Bob再根据量子密钥分发所需的相应数据处理过程生成量子密钥。

13.如权利要求12所述的偏振复用双向量子密钥分发系统，其特征在于，Alice量子发射装置和Bob量子发射装置结构相同，包括依次连接的脉冲发射模块、强度调制模块、不等臂干涉仪、衰减模块；

Alice量子测量装置和Bob量子测量装置结构相同，均包括依次连接的不等臂干涉仪和单光子探测器。

14.如权利要求12所述的偏振复用双向量子密钥分发系统，其特征在于，Alice量子发射装置和Bob量子发射装置结构相同，包括依次连接的单光子光源和不等臂干涉仪；

Alice量子测量装置和Bob量子测量装置结构相同，均包括依次连接的不等臂干涉仪和单光子探测器。

15.如权利要求12所述的偏振复用双向量子密钥分发系统，其特征在于，Alice量子发射装置和Bob量子发射装置结构相同，包括依次连接的脉冲发射模块、不等臂干涉仪、强度调制模块、衰减模块；

Alice量子测量装置和Bob量子测量装置结构相同，均包括依次连接的解码光路和单光子探测器。

16.如权利要求12所述的偏振复用双向量子密钥分发系统，其特征在于，Alice量子发射装置和Bob量子发射装置结构相同，包括依次连接的连续光激光器、强度调制模块、衰减模块；

Alice量子测量装置和Bob量子测量装置结构相同，均包括分束器、连接在分束器后端的第一单光子探测器，以及依次连接在分束器后端的不等臂干涉仪和第二单光子探测器。

17.如权利要求12至16任一项所述的偏振复用双向量子密钥分发系统，其特征在于，Alice量子发射装置和Bob量子发射装置还包括设置在第一偏振分束器PBS1或者第二偏振分束器PBS2之前的偏振控制器。

18.如权利要求12至16任一项所述的偏振复用双向量子密钥分发系统，其特征在于，所述偏振复用双向量子密钥分发系统的Alice端包括N个Alice量子发射装置、M个Alice量子测量装置、第一波分复用器、第二波分复用器和第一偏振分束器PBS1，Bob端包括M个Bob量子发射装置、N个Bob量子测量装置、第三波分复用器、第四波分复用器和第二偏振分束器PBS2，其中N大于1，M大于1，N等于M，或不等于M；

其中所述N个Alice量子发射装置连接到第一波分复用器，M个Alice量子测量装置连接到第二波分复用器，第一波分复用器和第二波分复用器分别连接到第一偏振分束器PBS1的1端口和4端口，M个Bob量子发射装置连接到第三波分复用器，N个Bob量子测量装置连接到第四波分复用器，第三波分复用器和第四波分复用器分别连接到第二偏振分束器PBS2的3端口和2端口，第一偏振分束器PBS1的2端口和第二偏振分束器PBS2的1端口通过光纤信道连接。

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