CN101040481A - Qkd系统模糊远程控制 - Google Patents

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Abstract

公开了经由QKD系统(10)的本地节点(Bob/Alice)控制(例如，初始化、稳定化和/或校准)QKD系统的远程节点(Alice/Bob)的系统、方法和架构。该系统包括：图形用户接口(GUI)、校准对象族和卡对象族。校准对象支持允许经由本地节点处的GUI来校准和/或初始化和/或稳定化QKD系统的软件。卡对象族允许校准软件与每个节点的物理组件进行接口，从而从本地节点进行远程节点的远程校准、初始化和/或稳定化。

Description

QKD系统模糊远程控制
要求优先权
本专利申请根据35 U.S.C.119(e)要求于2004年9月15日提交的第60/610,018号美国临时专利申请的优先权。
技术领域
本发明涉及量子加密并具有关于量子加密的工业实用性，具体地说，涉及下述量子密钥分配(QKD)系统、装置、方法和软件架构并具有关于其的工业实用性，所述量子密钥分配(QKD)系统、装置、方法和软件架构用于控制QKD系统节点以进行系统初始化、稳定化和校准。
背景技术
量子密钥分配涉及通过使用在“量子信道”上发送的弱(例如，平均0.1光子)的光信号而在发送者(“Alice”)和接收者(“Bob”)之间建立密钥。密钥分配的安全是基于量子力学原理的，即，对未知状态中的量子系统的任何测量将修改其状态。从而，试图截取或以其它方式测量量子信号的窃听者(“Eve”)方式将把错误引入到发送的信号中，从而暴露窃听者的存在。
由Bennett和Brassard在他们的文章“Quantum Cryptography：Public key distribution and coin tossing，“Proceedings of theInternational Conference on Computers，Systems and SignalProcessing，Bangalore，India，1984，pp.175-179(IEEE，New York，1984)中第一次提出了量子加密的一般原理。在C.H.Bennett等的题为“Experimental Quantum Cryptography”和C.H.Bennett的题为“Quantum Cryptography Using Any Two Non-Orthogonal States”，Phys.Rev.Lett.68 3121(1992)的出版物中，以及Bennett的美国专利5,307,410(′410专利)中描述了具体的QKD系统。
在Bouwmeester等的“The Physics of Quantum Information，”Springer-Verlag 2001，in Section 2.3，pages 27-33书中描述了用于执行QKD的一般处理。在所述QKD处理中，Alice使用真正随机数生成器(TRNG)来生成用于基础的随机比特(“基础比特”)和用于密钥的随机比特(“密钥比特”)，从而(例如使用极化或相位编码)创建量子比特(qubit)，并将该量子比特发送到Bob。
在典型的QKD系统中，Alice对单个光子的极化或相位进行随机编码，Bob随机测量光子的极化或相位。在Bennett的1992年的论文和′410专利中描述的QKD系统是基于共享干涉仪系统的，该论文和专利通过引用合并到此。Alice和Bob可以访问干涉仪系统的各个部分，从而每方都可以控制干涉仪的相位。从Alice发送到Bob的信号(脉冲)是时分复用的，并且采用不同路径。
可以期望有一天使得多个QKD链路交织成用于经由QKD中继或路由器(“节点”)  的网格来连接其QKD端点的总QKD网络。在C.Elliot，New Journal of Physics 4(2002)，46.1-46.12的出版物和在WO 02/05480的PCT专利申请公开中讨论了示例QKD网络。
参照图1，最简单的QKD系统由例如经由光纤链路F1光学地彼此耦合的单个Bob节点和单个Alice节点来定义。Alice和Bob典型地都包含一些公共内部组件和一些特定内部组件。它们的特定内部组件的差异是用于区分Bob节点和Alice节点的东西。
具体地说，Alice和Bob典型地都包含用于提供对分立的光组件和硬件组件以及功能的接口的计算机(控制器)。计算机接口提供这样的环境，通过所述环境，在软件控制下配置、管理和监控光组件和硬件组件以及功能。计算机还提供(例如基于TCP/IP的)通信功能，所述通信功能用于在物理通信介质(例如以太网)上连接Bob和Alice。Bob和Alice都包含定时控制功能和同步(sync)功能。
除了Alice和Bob之间公共组件和功能之外，Bob典型地包含量子层，所述量子层包括用于在节点之间发送量子(即，弱)信号的激光器(“Q激光器”)。Bob还包括单光子检测器(SPD)、鉴别器和相位调制器。除了公共组件和功能之外，Alice包含例如相位调制器，其能够被随机设置为四种相位设置中的一个。
当组合Bob节点和Alice节点以行成QKD系统网络时，必须对每个节点执行系统性的和复杂的校准、接通(turn-up)、维护过程(在此共同称为“稳定化过程“)，以确保正确的网络功能。大多数的过程需要以某种级别来同步节点间的的行动以及信息交换。在实验室设置中，两个节点彼此足够接近，以允许单个用户通过物理访问每个节点来发起和控制Bob和Alice两者的校准和接通过程。然而，在QKD系统网络的实际(例如商业)实现中，Bob和Alice之间的物理距离将很大，因此不允许单个用户物理访问这两个节点并同时控制必需的稳定化过程。图2和图3描述了在不同的QKD系统网络中Bob节点和Alice节点的其它两种可能的组合，其进一步使得执行节点间的稳定化过程的逻辑变得复杂。
因此，需要一种装置和方法，以允许从单个节点控制Bob节点和Alice节点，从而可以在网络上远程实现用于QKD系统网络的稳定化过程。
发明内容
本发明一方面是一种用于具有第一QKD站(节点)和第二QKD站(节点)的QKD系统的面向对象软件的架构，其使得用户能够从所述节点中的本地节点远程控制所述节点中的远程节点。该架构包括：本地节点处的图形用户接口(GUI)，其允许用户经由连接所述节点的安全链路来控制本地节点和远程节点的操作。该架构还包括：每个节点中的校准对象族，其包括软件和GUI，所述软件包括用于支持初始化、稳定化、校准的过程的算法、函数和数据。该架构还包括：每个节点中的卡对象族，其包括软件结构体，所述软件结构体包含用于将校准软件与每个节点中的物理组件进行接口的算法、函数和数据，从而从本地节点实现QKD系统的初始化、稳定化和/或校准。
本发明另一方面是一种用于在现场配置QKD系统之后控制QKD系统节点的方法。该方法包括：为每个节点提供上述架构；配置每个节点；以及标识本地节点和远程节点。该方法还包括：在本地节点上经由GUI控制本地节点和远程节点，以实现QKD系统节点的初始化、稳定化和校准中的至少一个。
本发明另一方面是一种在现场配置QKD系统的方法。该方法包括：向QKD系统中的每个节点提供下述软件，所述软件用于在对应的节点处执行初始化、稳定化和校准过程，并支持在本地节点处的图形用户接口(GUI)。该方法还包括经由在本地节点的GUI运行本地节点和远程节点的软件，从而初始化和/或稳定和/或校准QKD系统。
本发明另一方面是一种QKD系统，其包括第一和第二节点。每个节点具有控制软件，所述控制软件用于控制对应的节点的操作，以执行系统的初始化和/或稳定化和/或校准。所述第一节点和第二节点在操作上由安全通信链路来耦合。第一节点是本地节点，第二节点是远程节点。包括第一和第二图形用户接口(GUI)，其表示第一节点和第二节点的各自操作状态。该系统还包括：本地客户机，靠近且可操作地耦合到本地节点，并且用于显示所述两个GUI以及经由所述软件来实现对本地节点和远程节点的控制。
附图说明
图1是具有经由光纤链路彼此耦合的两个节点Bob和Alice的简单QKD系统网络的示意图，并示出Alice和Bob公有的组件以及Alice和Bob特有的组件的示例性实施例；
图2是由级联的Bob和Alice对形成的QKD系统网络的示意图；
图3是具有单个Bob节点和从其衍生的多个Alice节点的QKD系统网络的示意图；
图4是包括QKD模糊节点远程控制(ANRC)的QKD系统网络的示意图，其中，本地客户机管理器经由安全连接SC1连接到本地节点(例如Bob)，其中，Bob和Alice经由安全连接SC2相连，并且其中，本地客户机管理器包括用于显示关于本地节点和远程节点的操作状态的信息的图形用户接口(GUI)；
图5是校准对象继承关系的示意图；
图6是卡对象继承关系的示意图；
图7A是Bob的本地校准的示意图；
图7B是与图7A的校准流程关联的Bob的卡对象的示意图；
图8A是Alice的远程校准的示意图；
图8B是与图8A的校准流程关联的Alice的卡对象的示意图；
图9A是Alice的本地校准的示意图；以及
图9B是与图9A的校准流程关联的Alice的卡对象的示意图。
附图中描述的各种元件仅仅是表示性的，并且无需按比例来绘制。其特定部分可以夸大，而其它部分可以缩小。附图期望示出本领域的技术人员可以理解和适当地实施的本发明的各种实施例。
具体实施方式
包括例如单个点到点Bob节点和Alice节点对(图1)、级联的Bob节点和Alice节点对(图2)、或连到涉及长距离光纤的多点Alice节点的单个Bob节点(图3)的QKD系统网络的配置要求在系统中任意节点之间协调和控制系统稳定化过程的能力。本发明通过允许经由网络中的单个节点远程实现稳定化过程的装置和方法来允许单个用户在传统QKD系统网络中在Bob节点和Alice节点之间发起和控制稳定化过程。
示例QKD系统在′410专利以及在PCT/US2004/03394的PCT专利申请中示出，该PCT专利申请通过引用合并到此。
稳定化过程
在示例性实施例中，对Bob节点和Alice节点两者执行的共同的稳定化过程的列表包括内容：
1.设置同步激光器并确保同步锁定。
在示例性实施例中，Bob特有的稳定化过程包括：
1.设置Q激光器偏置。
2.设置Q激光器脉冲宽度和定时。
3.设置SPD温度。
4.设置每个SPD偏置和鉴别器灵敏度等级。
5.确定SPD定时。
6.确定调制器定时。
7.设置调制器电压。
在示例性实施例中，Alice特有的稳定化过程包括：
1.确定调制器定时。
2.设置调制器电压。
QKD ANRC
本发明(在此称为“QKD系统网络模糊节点远程控制”或“QKDANRC”)允许物理上位于Bob节点或Alice节点的单个用户执行(例如发起、控制和监控)QKD系统网络所需的复杂的稳定化过程以基于正在进行的过程而运行。
在示例性实施例中，QKD ANRC向用户提供图形用户接口(GUI)，用于在控制的节点处的Bob和Alice。根据用户物理上位于哪个节点(称为“本地节点”)，相对于本地节点的远端节点定义为“远程节点”，并因此由GUI来指示。
图4是作为QKD系统网络10一部分的QKD ANRC的示例性实施例的示意图。参照图4，为了支持QKD ANRC消息传送，在本地节点和任意远程节点之间建立安全连接SC2。
本地节点的定义应用于QKD系统网络的下述节点，其中，稳定化过程直接影响在所述节点处的光组件和硬件组件。
远程节点的定义应用于QKD系统网络的下述节点，其中，稳定化过程通过在安全连接上进行消息传送来影响所述节点的光组件和硬件组件。因为所有远程接收的行动导致一些本地的活动，所以，一定程度上，所有远程节点实际上是本地节点。
控制节点的定义应用于QKD系统网络中发起所有稳定化过程的单个节点。
QKD系统网络的每个节点负责管理和维护其所拥有的与稳定化过程有关的数据。由本地节点在安全连接SC2上使用消息传送从远程节点收集在经由安全连接SC1连接到本地节点的本地客户机的远程控制GUI上呈现给用户的所有数据。由本地节点在安全连接上使用消息传送将在本地节点上的远程节点远程控制GUI中修改的任何数据推送给远程节点。
图5是示出校准对象之间的继承关系的示意图。图6是示出卡对象的继承关系的示意图。
QKD网络系统的每个节点包括图5和图6中示出的软件对象。对象之间的关系由类分层来定义。由每个物理节点的本地节点类型和远程节点类型来定义创建哪些对象的确定。
校准对象族包括软件结构体，所述软件结构体包含用于支持初始化、稳定化和校准过程的所有算法、函数和数据以及用于QKD ANRC的GUI。校准对象分层包括以下对象：
●校准：基础对象，负责GUI、校准算法和函数以及GUI输入验证。
●本地校准：处理对底层硬件和来自远程校准的服务消息的访问。
●远程校准：发起在本地节点上用于远程校准的消息发送以及来自远程节点的服务消息回复。
●Bob本地校准：Bob特有的本地校准功能。
●Alice本地校准：Alice特有的本地校准功能。
●Bob远程校准：在本地节点上的Bob特有的远程校准功能。
● Alice远程校准：在本地节点上的Alice特有的远程校准功能。
卡对象族包括软件结构体，所述软件结构体包含用于支持校准对象族与QKD网络系统节点的不同物理光组件和硬件组件的接口的所有的算法、函数和数据。卡对象分层包括以下对象(见图6)。
●卡：支持用于访问、控制和管理QS系统节点的公共光组件和硬件组件的所有公共的和一般的算法、函数和数据。
●Bob卡：支持用于访问、控制和管理Bob特有的光组件和硬件组件的Bob节点特有的算法、函数和数据。
● Alice卡：支持用于访问、控制和管理Alice特有的光组件和硬件组件的Alice节点特有的算法、函数和数据。
校准对象和卡对象之间的关系由基础校准对象来确定，以允许校准对象访问和控制本地节点的光组件和硬件组件。
在本地节点上，为Bob本地校准创建和使用在图7A和7B中突出显示的校准对象和卡对象。
在本地节点上，为Alice远程校准创建和使用在图8A和8B中突出显示的校准对象和卡对象。
图9A和9B是示出在Alice处的本地校准路径(图9A)和卡对象(图9B)的示意图。
QKD ANRC优点
本发明的QKD ANRC系统有许多关键的优点，例如：
1.消除了在出货和递送前以配置规范校准QKD系统节点的要求。
2.在系统中指定的控制节点，将现场技术员的数量减少为一个(1)。
3.使得系统中的单个节点能够采用Bob或Alice的特征。因此，除了单点到点节点之外，还可实现QKD系统网络的更复杂的配置。

Claims (4)

1、一种用于具有第一QKD站(节点)和第二QKD站(节点)的QKD系统的面向对象的软件架构，其使得用户能够从所述节点中的本地节点远程控制所述节点中的远程节点，包括：
本地节点处的图形用户接口(GUI)，其允许用户经由连接所述节点的安全链路控制本地QKD站和远程QKD站的操作；
每个节点中的校准对象族，其包括下述软件和GUI，所述软件包含用于支持初始化、稳定化和/或校准过程的算法、函数和数据；以及
每个节点中的卡对象族，其包括软件结构体，所述软件结构体包含用于将校准软件与每个节点中的物理组件进行接口的算法、函数、和数据，从而从本地节点实现QKD系统初始化、稳定化和/或校准。
2、一种用于在配置QKD系统之后控制QKD系统节点的方法，包括：
将如权利要求1所述的架构提供给每个节点；
配置每个节点；
标识本地节点和远程节点；以及
在本地节点上经由GUI控制本地节点和远程节点，以实现QKD系统节点的初始化、稳定化和校准中的至少一个。
3、一种配置QKD系统的方法，包括：
向QKD系统中的每个节点提供下述软件，所述软件用于在对应的节点处执行初始化、稳定化和校准过程，并支持在本地节点处的图形用户接口(GUI)；
在本地节点处经由GUI来操作所述软件，从而初始化和/或稳定和/或校准所述QKD系统。
4、一种QKD系统，包括：
第一节点和第二节点，每个节点具有控制软件，所述控制软件用于控制对应的节点的操作，以执行系统的初始化和/或稳定化和/或校准，所述第一节点和第二节点由安全通信链路来可操作地耦合，其中，所述第一节点是本地节点，所述第二节点是远程节点；
图形用户接口(GUI)，其表示所述第一节点和第二节点的相应操作状态；以及
本地客户机，其靠近本地节点且可操作地耦合到本地节点，并且用于显示GUI以及经由所述软件来实现本地节点和远程节点的控制。
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