CN100527665C - 采用望远镜系统的空间量子密钥的多通道传输装置 - Google Patents

Abstract

一种采用望远镜系统的空间量子密钥的多通道传输装置，通信双方均采用望远镜系统进行光子的收发，发送端采用多个列阵排布的激光光源输出多束列阵水平光脉冲，经衰减、随机起偏，由发射望远镜发射，进行自由空间中量子密钥的多通道传输，接收端经滤波、接收望远镜接收呈像点列阵，该列阵中各像点经阵列微透镜聚焦在偏振分光计上，经检偏后到达相应的单光子计数探测器，结果通过计算机按BB84协议约定进行数据处理。本发明极大地提高系统中发送双方之间的光子传输效率，有效地解决了传统方案中单通道传输光子效率低下的问题。

Description

采用望远镜系统的空间量子密钥的多通道传输装置

技术领域

本发明涉及自由空间中量子密钥的远距离传输，特别是一种采用望远镜系统的空间量子密钥的多通道传输装置，它利用偏振编码，通信双方采用望远镜系统进行收发光子，从而进行多通道的量子密钥传输，能极大地提高量子密码通信的效率。

背景技术

现行的经典密码通信是基于经典信道的安全或对某种数学难题的求解，其安全性是相对的。随着计算机科学技术的不断发展，其安全性日益受到挑战。量子密码通信的出现为人们提供了一种全新且安全的密码通信系统。量子密码通信实际是一个量子态作为密钥载体进行分配的过程，它是用一个单光子携带一个比特信息来进行密码传输的，其安全性依赖于量子力学中的Heisenberg不确定性原理、量子不可克隆定理和量子不可分割性。目前，量子密钥分配通信方案广泛采用的是BB84协议和B92协议。在自由空间光量子密码通信中，一般采用BB84协议。

BB84协议采用四个非正交态作为量子信息态，且这四个态分属于两组共轭基，每组基内的两个态是相互正交的，一般取四种不同的偏振态：“→”、

“↑”和

其操作步骤如下：

(A)发送者Alice随机地选择以上四种偏振态中的任一种偏振态的光子并发送给接收者Bob；

(B)接收Bob随机地选择两种偏振基(“+”和“×”)来测量接收光子的偏振态；

(C)Bob公布他实际检测到态(只有Bob自己知道，其中一些态未被检测到)时所采用的测量基，但不公布测量到哪个偏振态，Alice告诉Bob哪些测量基是正确的并保留下来，其余的丢弃掉；

(D)Alice仅保留相同基时的态，并按约定的规则转化为二进制序列(“→”和

代表0，“↑”和

代表1)。

BB84协议中发送者Alice所选用的发射源是单光子源或经过强衰减的激光脉冲，后者近似为单光子源。从安全性方面考虑，光源脉冲中的光子数应该服从泊松分布，使每个弱的光脉冲中仅含有一个单光子，含有两个或两个以上光子的脉冲数越多，越容易受到潜在的第三者的分流攻击，其通信的安全性就越低。由于一个脉冲仅含有一个单光子这样的理想状态很难实现，实际的做法是让光束中每个脉冲含有两个及两个以上光子数几率很小，通常控制在5％左右，这样衰减后的激光就可以达到平均每个脉冲中只含0.1个左右的光子数。例如，美国Los Alamos实验室的量子密钥通信实验使用了类似的衰减装置，在通信距离为205m的室内实验中，衰减后的激光中平均每脉冲含光子数0.7个，这就意味着含1个光子的脉冲占总脉冲数的34.8％，含2个光子的脉冲占12.3％，含3个光子的脉冲占2.84％，空脉冲占50.06％；而在通信距离为1km的夜间实验中，平均每脉冲含光子数0.1个，含2个及2个以上光子的脉冲仅占<6％。

目前基于BB84协议的量子密钥通信方案，一般均采用光纤作为传输信道，这就决定了发收双方在某一工作时间内只能进行单一通道的密钥传输。此外，在已见报道的少数将自由空间作为传输信道的量子密钥通信方案中，也仅仅采用了单一光通道的方式，即发送端用单一的光源进行发送，接收端也对此进行单一的接收。由于光纤信道并不能应用于卫星通信等领域，所以自由空间已成为空间加密光通信的主要传输信道，但是从上面的分析数字来看，在已进行的自由空间方案的实验中被衰减后的平均脉冲所含光子数都控制在很小的范围，大部分脉冲都是不含光子的空脉冲，且现行一些方案中的自由空间传输过程还存在来自大气湍流所引起的损耗，这就严重降低了量子密钥分发系统的传输效率，加之在接收端的单光子探测器存在一定的量子效率以及协议自身算法的内禀效率(对于BB84协议该内禀效率为1/2)，因此在这种损耗本来就很大的情况下，再采用单一通道传输单光子就会使传输效率极其低下，从而直接影响整个系统的工作效率。

发明内容

本发明的目的是克服BB84协议算法的传统方案中用单一信道传输单光子的效率低下问题，提供一种采用望远镜系统的空间量子密钥的多通道传输装置。

本发明的技术方案如下：

一种采用望远镜系统的空间量子密钥的多通道传输装置，通信双方均采用望远镜系统进行光子的收发，发送端采用多个列阵排布的激光光源输出多束列阵水平光脉冲，经衰减、随机起偏，由发射望远镜发射，进行自由空间中量子密钥的多通道传输，接收端经滤波、接收望远镜接收呈像点列阵，该列阵中各像点经阵列微透镜聚焦在偏振分光计上，经检偏后到达相应的单光子计数探测器，结果通过计算机按BB84协议约定进行数据处理。本发明能极大地提高系统中发送双方之间的光子传输效率，有效地解决了传统方案中单通道传输光子效率低下的问题。以上为本发明的技术方案，本发明中多通道密钥通信协议的算法将在实施方式中采用具体的实施例进行阐述。

对于技术效果，若发射天线孔径为D₁，则其发射光束在自由空间中的衍射扩展角为：

$2\mathrm{\&theta;}=\frac{1.22\mathrm{\&lambda;}}{D_1}---\left(1\right)$

若传送距离为d，则到达接收天线的光束展宽为：

w≈D₁+d·2θ                          (2)

传送过程中大气传输效率为T，若接收透镜的直径为D₂，光束经过接收透镜时的几何损耗为L_g：

$L_g\&ap;\frac{D_2^2}{w^2}---\left(2\right)$

则传送过程中路程损耗(Range loss)为L_R，实验中常写为dB形式：

L_R＝-10log(T·L_g)                  (4)

预期光子传送率为：

K＝RMTL_gη/2                      (5)

其中R为激光光源的脉冲工作频率，M为平均每脉冲的光子数，η为探测系统总的工作效率，1/2为BB84协议的内禀效率。经过纠错和保密放大后的密钥约为初始密钥(raw key)的10％～15％。

取大气传送中衍射扩散程度较小的650nm为工作波长，发射天线孔径D1和接收天线孔径D₂均取值30cm，在传送距离d分别为1km、10km、100km和500km的情况下，取T为65％，光源的脉冲工作频率为1MHz，平均光子数为0.1，探测系统总的工作效率η为30％，则将上述参数代入以上各式，计算结果详见表1。

表1.量子密钥传送过程的传送效率及损耗

表1中所给出的单位时间内的K的传输光子bit数是在一个输出光源情况下实现的传输光子数，当发送光源扩展到m×n阵列，则在单位工作时间内所传输的光子数就是K的m×n倍。由此可以看出，本发明采用多通道并发传输，其光子传输率远远超出传统方案中单一信道传输光子的效率，并且大大减少了在公开信道讨论的数据量，同时也减少了Eve获取信息的机会。

附图说明

图1.具体实施例中发送端光路示意图。

图2.具体实施例中接收端接收检测示意图。

图中：1—激光光源；2—干涉滤波器；3—激光衰减器；

4—随机起偏器(4×1)；5—发射望远镜(L₁和L₂间距为二者焦距之和)；

6—自由空间；6—自由空间；7—干涉滤波器；

8—接收望远镜(L₃和L₄之间距离为二者焦距之和)；；

9—像点阵列(从上至下依次为A′、B′、C′、D′)；

10—微透镜阵列；11—偏振分光计；12—检偏器；

13—单光子记数探测器。

具体实施方式

下面就结合附图和具体的实施例说明本发明装置。先请参阅图1和图2，一种采用望远镜系统的空间量子密钥的多通道传输装置的结构是：发送端沿光束前进方向依次是(m×n＝4×1)列阵排布的激光光源1、干涉滤波器2、激光衰减器3、随机起偏器4和发射望远镜5；接收端沿光束方向依次是干涉滤波器7、接收望远镜8，经接收望远镜8输出(4×1)像点列阵9，在(4×1)像点列阵9处设置(4×1)微透镜阵列10，在微透镜阵列10每一微透镜相应的焦点上设一台偏振分光计11，在所述偏振分光计11后有相应的检偏器12和单光子计数探测器13，通信数据由计算机按BB84协议进行处理。

在图1中发送端选用4×1阵列，工作频率在1M～100M范围内的脉冲激光光源1，从上至下依次命名为A、B、C和D；出射的激光先通过干涉滤波器2，滤波窗口小于0.1nm，它对4个平行光源所发出的脉冲激光在波段上进行选择过滤，使波长在大气窗口内的工作波长通过，减少系统的损耗；然后通过激光衰减器3，其作用是对脉冲激光进行衰减，从而使脉冲中所含有的平均光子数满足泊松分布(n≈0.1)，减少潜在的窃听者Eve对光子流进行分流窃听的可能性，提高传送过程中的安全性；再通过随机起偏器4，偏振基的选择遵守事先约定共享的伪随机序列，对阵列激光进行偏振基“+”和“×”的伪随机选择，在选择基的同时随机地加载隶属于该基的2个正交的偏振方向，从而对4×1阵列的4通道单光子流进行随机地偏振调制；最后由发射望远镜5到自由空间6；

在图2中多通道的调制激光经过自由空间6信道后到达接收端，经滤波器7滤去杂项波长的光，减少背景噪声的影响；然后被接收望远镜8接收；输出像点阵列9，从上至下依次为A′、B′、C′、D′；在(4×1)像点列阵9处设置(4×1)微透镜阵列10，则各像点通过微透镜阵列10中的各个微透镜聚焦后面相应的焦点上，并被偏振分光计11接收，具有正交偏振态的光子束由偏振分光计11分出两束具有相互正交偏振方向的光分别通过各自光路上的检偏器12和单光子计数探测器13，其中检偏器12方向的选取也是按照事先约定的伪随机序列对各束接收光进行偏振基的选择。通过检偏器12的被单光子计数探测器13记录，通信数据由计算机按BB84协议进行处理。

针对该实施例中双方进行初始密钥传输以及后续的公开信道讨论等算法具体阐述如下。若发送端在某一工作时刻对四束光所选择的偏振序列从上到下依次为：“+”、“×”、“×”和“+”，则此时刻A、B、C、D出射光的偏振方向是随机分布的，在某一工作时间，4个通道的激光所被调制的偏振态会是(→

↑)、(↑

→).......等16种随机序列中的一种，括号内各个偏振方向是分别隶属于A、B、C、D出射光的。接收端在接收时也相应地选用“+”、“×”、“×”和“+”的偏振基进行接收。

具有和

方向的随机偏振态的光子，经偏振分束器分束后通过了

方向的检偏器并到达其后的单光子探测器记为“0”；若光子通过了

方向的检偏器并到达其后的单光子探测器记为“1”。同理，具有“→”和“↑”方向的随机偏振态的光子，经分束后通过“→”方向的检偏器并到达其后的单光子探测器记为“0”；若光子通过“↑”方向的检偏器并到达其后的单光子探测器记为“1”。

理想情况下，某一时刻发送端A、B、C、D各发送一个单光子，该组4×1光子序列经过一个理想的传送过程，顺利到达接收端A′、B′、C′、D′并通过其后的微透镜阵列被其后的探测器探测到。实际操作中，探测器在某一时刻会同时接收到2个或2个以上光子，多接收到的光子可能是来自相邻通道中的光子，这就给在一定程度上提高了接收端的错误率。对于这种“串扰”情况，可以通过通信双方量子密钥传输过程后期的纠错和保密放大过程进行处理。

如果信道中存在窃听者Eve，当Eve采用截取、重发或者分流的窃听方式，则某时刻发送的一组4×1光子序列将不能完全的传送到接收端，对于这种同样接收不完全的情况，通信双方在公开信道讨论时约定丢弃该组光子序列，从而最大限度地降低了Eve的窃听给通信安全带来的破坏。

双方进行公开信道讨论，按照本发明算法共同丢弃接收不完全的4×1通道光子序列，保留那些符合约定要求的光子序列组，转换为二进制序列，作为共享的初始密钥保存下来。至此，双方完成量子密钥传输的传送过程。然后双方通过纠错、保密放大等过程对初始密钥进行详审，进而得到最终安全的量子密钥。

显然，在单位工作时间(假定为1s)内，4通道方案中成功被Bob探测到并作为初始密钥(raw key)保存下来的光子数明显比单通道方案中所探测到的光子数多(约为4倍)。推广到m×n方案，可以实现自由空间中量子密钥的m×n通道传输。这样在工作时间一定的情况下成功传输的光子数就是在先方案中单通道成功传输光子数的m×n倍，从而使量子密钥的传输效率大为增加。

Claims (1)

1、一种采用望远镜系统的空间量子密钥的多通道传输装置，其特征在于：

发送端沿光束前进方向依次是：多个列阵排布的激光光源(1)、干涉滤波器(2)、激光衰减器(3)、随机起偏器(4)和发射望远镜(5)，其中多个列阵排布的激光光源(1)输出多束列阵水平光脉冲，该多束列阵水平光脉冲经干涉滤波器(2)滤波，激光衰减器(3)衰减，随机起偏器(4)随机起偏后由发射望远镜(5)发射到自由空间(6)中；

接收端沿光束方向依次是：干涉滤波器(7)、接收望远镜(8)、微透镜阵列(10)、设置在该微透镜阵列(10)的每一微透镜相应焦点上的偏振分光计(11)、偏振分光计后相应的检偏器(12)和单光子计数探测器(13)，经过自由空间(6)到达接收端的光脉冲经干涉滤波器(7)滤波，经接收望远镜(8)接收呈像点列阵(9)，该像点列阵(9)中各像点经微透镜阵列(10)聚焦在偏振分光计(11)上，然后经检偏器(12)检偏后到达相应的单光子计数探测器(13)，结果通过计算机按BB84协议约定进行数据处理。

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