CN101040482B - 用于wdm网络的双选通qkd系统 - Google Patents

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Abstract

公开了将QKD系统(Q)合并到WDM网络(2)中的系统和方法。该方法包括：电选通单光子检测器(SPD)(30，30′)，并以光闸(28，28′)光选通SPD。选择电选通宽度(TSPD)和光选通宽度(TOG)以明显减少来自散射光子的噪声。SPD的组合的光选通和电选通提供量子信号(SQ)的受限于傅立叶变换的检测，另外，这在仅采用电SPD选通的WDM-QKD系统中是不可能实现的。

Description

用于WDM网络的双选通QKD系统
要求优先权
本申请根据35 U.S.C§119(e)要求于2004年9月15日提交的60/610,049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与量子加密关联的工业实用性，具体地说，涉及用于允许量子密钥分配(QKD)与波分复用(WDM)网络相组合来为安全数据传输提供高数据传输速率的系统和方法。
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”)将把错误引入到发送的信号中并暴露窃听者的存在。
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)中首先提出了量子加密的一般原理。在Bennett的第5,307,410号美国专利(该专利通过引用合并到此)以及C.H.Bennett的题为“Quantum Cryptography Using Any Tow Non-Orthogonal State”，Phys.Rev.Lett.68 3121(1992)的文章中描述了具体的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的一般过程。在所述QKD过程中，Alice使用随机数生成器(RNG)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，并将该量子比特发送到Bob。
QKD系统的性能由于通过下述三种不同机制生成的光子的形式的噪声而恶化：1)前向拉曼散射，其中，生成频率改变的光子，并且频率改变的光子与量子信号光子同向传输；2)拉曼后向散射，其中，生成频率改变的光子，并且频率改变的光子与量子信号光予的传输方向相反；以及3)瑞利散射，其中，来自量子信号的光子在与量子信号光子相反的方向上反向弹性散射。
即使可以完全消除上述光子噪声源，但因为单光子检测器(SPD)中的固有噪声和响应时间，所以单波长(即单个信道)QKD系统的数据传输速率也是受限的。
已经关于上述限制提出了用于增加QKD数据传输速率的许多方法。一种方法是将QKD与波分复用(WDM)组合，如在Brassard等的文章“Multi-user quantum key distribution using wavelengthdivision multiplexing，”G.Brassard，F.Bussieres，N.Godbout and S.Lacroix，Proc.SPIE，v.5260，pp.149-153，2003(以下称为“Brassard参考”)中所建议的那样。这样的系统可以具有在相同光纤但在不同波长处运行的多个量子信道。
然而，Brassard参考没有解决使用具有WDM的QKD的实际限制，所述限制需要被解决以实现商用WDM-QKD系统。具体地说，以远大于光信号的脉冲宽度的选通窗口来电子地时间选通QKD系统中的SPD。虽然这种布置对于单波长QKD系统运行良好，但由多波长QKD系统通过SPD来检测散射光(具体地说，拉曼散射光)成为问题。
尝试减少SPD选通窗口大小以允许检测到较少的散射光乍看似乎是一种用于减轻散射光问题的明显方法。然而，产生这样的问题：当SPD选通窗口被窄化到较接近于正检测的弱光脉冲的宽度时，SPD的量子效率(QE)实际上被恶化。这是由于SPD(例如雪崩光电二极管检测器(APD))中的固有抖动而造成的。为了减少SPD中的电噪声，SPD选通窗口必须足够大，以解决抖动，所述抖动通常是～500ps。这样排除了在QKD系统中通过使用受限于傅立叶变换的检测来减轻对出现在WDM网络中的散射光的检测的选择。
发明内容
本发明包括将QKD系统合并到WDM网络的系统和方法。所述方法包括：以明显减少来自散射光子的噪声的方式在系统中以光和电的方式选通单光子检测器(SPD)。具体地说，所述方法包括：提供邻近于每一SPD的光闸；以及以SPD窗口来电选通SPD，所述SPD窗口充分地宽，以容纳固有SPD抖动并最小化固有检测器噪声的量。该方法还包括：以具有窄于SPD窗口并且在大小上接近于量子信号的宽度的选通窗口的光闸来光选通检测器。在示例性实施例中，该方法提供量子信号的受限于傅立叶变换的检测，另外，这在仅采用电SPD选通的系统中是不可能的。结果，大大减少了由于散射光子导致的噪声，另外，散射光子可以阻止商业上可行的QKD系统在标准WDM网络上运行。
因此，本发明的第一方面在于一种在QKD系统中减少检测的噪声量的方法，所述QKD系统具有适于检测具有量子信号宽度的量子信号的一个或多个单光子检测器(SPD)。该方法包括：以电选通信号来电选通每一SPD，所述电选通信号向每一SPD提供中心在所述量子信号的期望到达时间上的、具有第一宽度的选通窗口。该方法还包括：以适于接收电选通信号的光闸来光选通每一SPD，所述电选通信号向光闸提供中心在所述量子信号的期望到达时间的、具有第二宽度的选通窗口，其中，所述第一宽度大于所述第二宽度。
本发明的第二方面在于一种具有第一QKD站的QKD系统，所述第一QKD站适于生成具有第一波长的选择性随机调制的量子信号，并在适于发送不同波长的非量子光信号的WDM网络上将其发送到第二QKD站。所述第二QKD站适于接收调制的量子信号并对调制的量子信号进行选择性随机调制以形成编码的量子信号。所述第二QKD站包括一个或多个SPD，所述SPD适于检测编码的量子信号并且当检测到编码的量子信号时被电选通以限制电噪声。该系统在所述第二QKD站处还包括：一个或多个光闸，光耦合到各个光检测器，其中，将每一光闸选通以与编码的量子信号的期望到达时间对应，并且所述光闸具有大小被确定为用于限制一定量的散射光到达一个或多个SPD的选通窗口。在所述第二方面的示例性实施例中，该系统适于通过使光闸的选通在大小上对应于量子信号来实现受限于傅立叶变换的检测。
附图说明
图1是包括QKD系统的WDM网络的示意图；
图2是作为图1的WDM网络中的一部分并采用本发明的检测器选通系统的QKD系统和方法的示例性实施例的示意图；
图3是图2的QKD系统的示例性实施例的特写示意图，其中，单个光闸光耦合到两个SPD；以及
图4是示出与将要检测的量子信号有关的光闸选通窗口和SPD选通窗口的位置和大小(宽度)的时序图。
附图中描述的各种元件仅是示意性的，并且无需按比例来绘制。其特定部分可以被放大，而其它部分可以被最小化。附图意欲示出可以由本领域技术人员理解并适当地执行的本发明的各种实施例。
具体实施方式
以下描述首先阐述包括在网络上运行的QKD系统的WDM网络。这种布置在此被称为WDM-QKD系统。其后阐述根据本发明并且适合于WDM网络的QKD系统的示例性实施例。
具有QKD的WDM网络
图1是WDM网络2的示意图。网络2包括多个(N个)光源系统(L1，L2，......LN)，其运行在各个波长(信道)λ1，λ2，......λN，并发射各个光信号S1，S2，......SN。在示例性实施例中，光信号S1，S2，......SN是相对较强的(即，非量子)光信号。
网络2还包括QKD系统Q，其运行在波长(量子信道)λQ处并发射量子信号SQ。量子信号SQ在此理解为包括单个光子，或可选地具有平均小于每个脉冲一个光子的弱光脉冲。
QKD系统Q包括两个QKD站QA和QB。在双向QKD系统中，术语“量子信号”还包括初始相对强的光脉冲，其稍后衰减以充当为所述QKD站之间的密钥的理想安全交换而提供的弱光脉冲。
光源系统经由各个光纤部分FL1，FL2，......FLN光耦合到WDM复用器6M。同样地，QKD系统Q的QKD站QA经由光纤部分FA光耦合到WDM复用器6M。WDM复用器6M由能够支持多个波长λ1、λ2、......λN和λQ的光纤链路FL光耦合到WDM解复用器6D。
网络2还包括多个(N个)接收机系统R(例如R1，R2，......RN)，其运行在各个波长(信道)λ1、λ2、......λN处，并且适于接收各个信号S1，S2，......SN。接收机系统R经由各个光纤部分FR1，FR2，......FRN光耦合到WDM解复用器6D。同样地，QKD站QB经由光纤部分FB光耦合到WDM解复用器6D，并且适于接收和处理在波长λQ处的量子信号SQ。
在优选示例性实施例中，WDM复用器6M和WDM解复用器6D适于例如通过使用高隔离滤波器(例如高隔离薄膜滤波器)在邻近波长(信道)之间提供高度隔离。具体地说，WDM复用器和WDM解复用器具有用于在QKD波长λQ处拒绝边模和放大的自发发射(ASE)的隔离。
与WDM网络一同使用的QKD系统
本发明应用于单向QKD系统和双向QKD系统。为了示出，以单向QKD系统的上下文来描述本发明。本发明对于双向系统的应用直接适用于在此的描述。
图2是适于根据本发明在此使用的、作为图1的WDM网络的一部分的QKD系统Q的示例性实施例的示意图。QKD站QA包括：激光源LS1；以及第一干涉仪环路12，带有具有不同长度的臂14和16。激光器LS1和干涉仪环路12构成适于从单个光脉冲创建两个相干光脉冲的光系统的示例。
干涉仪臂之一(比如14)包括调制器M1(极化或相位)。干涉仪环路12经由光纤部分FA耦合到WDM复用器6M，如上所述，WDM复用器6M经由光纤链路FL耦合到WDM解复用器6D。
QKD站QA还包括控制器18，其耦合到光源LS1和调制器M1。控制器18适于结合(下面讨论的)QKD站QB的控制器40来控制和协调这些设备的操作。
继续参照图2，光纤链路FB将WDM解复用器6D光耦合到在Bob处的第二干涉仪环路22。环路22包括不同长度的臂24和26，并且在所述臂之一(比如臂24)中包括调制器M2(极化或相位)。为了示出，将环路22示出为耦合到光耦合器23，所述光耦合器23具有两个输出光纤部分F4和F4′。如下所述，为了示出在耦合器处组合的各个光脉冲，未按比例来绘制光耦合器23。光纤部分F4和F4′包括各个光选通元件(“光闸”)28和28′，所述光闸接着光耦合到各个SPD 30和30′。光闸28和28′均包括高速开关，例如高速调制器，例如能够以10皮秒(ps)的量级的速度进行快速开关的铌酸锂调制器。在图4的特写示图中所示的示例性实施例中，使用光耦合到SPD 30和30′的单个光闸28，而不采用用于每个SPD的两个不同光闸。
QKD站QB还包括控制器40，其操作性地耦合到光闸28和28′、SPD 30和30′以及调制器M2。如下所述，控制器40适于结合QKD站QA的控制器18控制和协调这些设备的操作。
WDM网络中的QKD系统的操作
在WDM网络2中的QKD系统Q(图1)中，在各个QKD站QA和QKD站QB处的控制器18和40(例如经由在光纤链路FL上发送的同步信号(未示出))处于操作的通信中，以协调各个设备(例如激光源L1、调制器M1和M2、光闸28和28′以及SPD 30和30′)的操作。
因此，在WDM-QKD系统的操作中，控制器18发送定时控制信号S0，其在给定的时间命令激光源LS1生成光脉冲P0。其后，由第一干涉仪环路12将光脉冲P0划分为两个脉冲P1和P2。经由定时调制器信号SM1通过控制器18的命令由调制器M1来调制所述脉冲之一(比如P1)。所述调制是从多个预定调制波长中(例如经由随机数生成器)随机选择的。这种类型的调制以下被称为“选择性随机调制”。
由于干涉仪臂的不同光路径长度而导致现在被分离的两个脉冲P1和P2(例如经由可变光衰减器(未示出))被衰减到量子信号的所需弱度。其后，脉冲P1和P2(其在本发明中构成量子信号SQ)在光纤部分FA上传播到WDM复用器6M。其后，WDM复用器6M将脉冲P1和P2(即在波长λQ的信号SQ)连同来自光源系统L1，L2，......LN(图1)的其它信号S1，S2，......SN复用到光纤链路FL上。WDM解复用器6D解复用信号S1，S2，......SN和信号SQ，并将所述SQ传递给光纤部分FB，光纤部分FB将信号SQ带到第二干涉仪环路22。
在干涉仪22处，每一脉冲P1和P2被划分为两个脉冲(P1划分为P1a和P1b，P2划分为P2a和P2b)。所述脉冲中的两个(比如P1a和P2a)在臂24上传输，而另外两个脉冲(比如P1b和P2b)在臂26上传输。经由来自控制器40的定时调制器信号SM2由调制器M2对在臂24上传输的这些脉冲之一(比如P2a)进行选择性随机调制。
其后，第二干涉仪环路在光耦合器23处组合所述脉冲。如果两个干涉仪环路12和22具有相同路径长度(比如，臂14和24的长度相同，臂16和26的长度相同)，则重新组合(干涉)传输了相同光路径长度的两个脉冲(例如脉冲P1b和P2a)，以创建单干涉脉冲。
为了讨论，干涉脉冲也被称为量子信号SQ。因为在此意义上的量子信号SQ包括关于由调制器M1和M2施加的两个调制的信息，所以可以将其看作“被编码的”。因为其它脉冲采用不同长度的光路径，所以它们进入彼此分离的光纤部分F3。
其后，取决于由(相位或极化)调制器M1和M2给予量子信号的整个选择性随机调制(例如相位或极化)，光纤部分F3上的(编码的)量子信号SQ通过光纤部分F4和F4′之一。其后，量子信号SQ通过光闸28和28′之一，光闸28和28′由来自控制器40的各个定时电选通信号S28和S28′来激活。其后，由SPD 30和30′中的对应的一个来检测量子信号SQ，SPD 30和30′由来自控制器40的各个定时选通信号S30和S30′来电选通。
对于根据用于在量子信号a和量子信号b之间建立安全密钥的已知QKD技术处理的大量量子信号重复所述过程。
SPD的双选通
本发明的关键方面涉及由电装置和光学装置两者来双选通SPD以减少检测噪声。在本发明中，控制器40适于经由电选通信号S28和S28′来控制光闸28和28′的操作，并经由电SPD选通信号S30和S30′来控制SPD 30和30′的操作。
图4是示出光闸28和28′的电选通以及对应的SPD 30和30′的电选通的时序的时序图。光闸28和28′均具有关联的窗口WOG。窗口WOG具有由选通信号S28和S28′定义的宽度TOG。此外，量子信号SQ具有宽度TSQ。
同样地，SPD 30和30′均具有关联的窗口WSPD，窗口WSPD具有由SPD选通信号S30和S30′定义的宽度TSPD。在本发明中，TSPD＞TOG。此外，在实际中，窗口WSPD的宽度TSPD对于每一SPD相同，窗口WOG的宽度TOG对于每一光闸相同。虽然严格地说并不需要这种类型的选通，但在以下讨论中假设这种类型的选通。
在示例性实施例中，量子信号SQ具有大约20ps的宽度，其明显窄于QKD中使用的典型量子信号的50ps宽度。此外，在示例性实施例中，SPD窗口宽度TSPD大约为1纳秒(ns)，光闸窗口宽度TOG为大于50ps。使用高速光开关(例如铌酸锂调制器)来确保锐化(即高消光比)光闸窗口WOG。
窗口WSPD和WOG被定时以使其中心大约在量子信号SQ处，如图4所示。虽然SPD窗口WSPD的精确宽度TSPD由于抖动而改变多达500ps，但光闸窗口WOG的宽度TOG没有明显抖动。因此，可以使得具有TOG的光闸窗口的大小更接近于量子信号宽度TSQ。
经由光闸28和28′(或单光闸28)来使用光选通，这允许SPD30和30′以限制(例如最小化或基本上减少)固有电噪声的方式而被电选通。这涉及使用与量子信号的宽度相比相对宽的SPD选通窗口WSPD(例如TSPD～1ns而TSQ～10ps)，而不考虑可能检测的散射光子的量。另一方面，向光闸28和28′提供在大小上相对接近于正检测的(编码的)量子信号SQ的宽度TSQ的光选通窗口WOG。在示例性实施例中，选择光选通窗口WOG的宽度TOG以限制(例如最小化或基本上减少)可能另外由SPD检测的散射光子的量。
因为光闸具有不明显的抖动，所以量子信号SQ的接近的光选通大大减少来自散射光子的SPD中的光噪声量。这允许当QKD系统的QKD站连接到WDM网络时识别量子信号SQ。换句话来说，SPD的电选通和光选通的组合允许量子信号的受限于傅立叶变换的检测，这接着允许在WDM网络中出现基于相对强的光子的噪声时检测相对弱的量子信号。
通过使用本发明的装置和方法的由SPD检测的散射光的减少量由光选通窗口和电选通窗口的宽度的比来近似。因此，在上述示例性实施例中，散射光的减少是TOG/TSPD＝20ps/1ns～17dB。该级别的噪声减少允许增加双向QKD系统中的量子信号的初始强度。因此，例如，在先前仅可能有～1GB/s的QKD系统中，现在可以获得～50GB/s。
在示例性实施例中，色散补偿器DC被包括在QKD站QA和QKD站QB之间的光路径中(图2)，以将量子信号的宽度保持为充分地窄。
在示例性实施例中，QKD系统Q在控制器18和40中包括锁相环(PLL)技术，例如在题为“QKD system with robust timing”的PCT专利申请PCT/2004/003394中描述的那样，该专利申请通过引用合并到此。这样的定时技术允许以可忽略的(例如～1ps)时序抖动来协调QKD系统的操作。
此外，在另一示例性实施例中，使用单脉冲来完成定时选通。单脉冲同步方案使用一个同步(“sync”)脉冲用于对应的一个光子计数或一个时隙。这与PLL设计相反，在PLL设计中，两个站在量子信道中比可用时隙更频繁地彼此通信。
双向QKD系统改进
此外，本发明改进了在Ribordy，J.-D.Gautier，N.Gisin，O.Guinnard，H.Zbinden的文章“Automated‘plug & play’quantumkey distribution”，Electronics Letters v.34，n.22，pp.2116-2117，1998(以下称为“Ribordy参考”)中公开的QKD系统的性能和设计。其中描述的QKD系统将一个强激光信号用于量子信号和sync信号两者。然而，为了对抗瑞利散射，需要光纤线圈，其中，该线圈的长度匹配于Alice和Bob之间的传输线的长度。该方法明显减少了实际密钥交换速率。然而，因为本选通方法和设备实际上消除了对瑞利散射光子的检测，所以使用根据本发明的SPD的电选通和光选通允许消除了光纤线圈。
双向QKD系统的安全性改进
本发明当应用于双向QKD系统(例如在以上引用的Ribordy参考中公开的双向QKD系统)时提供了额外的安全性。在折叠的系统中，本发明将瑞利散射减少了前述的17dB。因此，可以减少从Bob发出的脉冲的功率，并在Alice处使用较高的衰减。由于窃听者将需要以高于17dB的光子来探测Alice，因此这样帮助了在Alice处使用光电二极管来检测窃听者。

Claims (11)

1.一种在量子密钥分配系统中减少检测的噪声量的方法，所述量子密钥分配系统具有适于检测具有量子信号宽度的量子信号的一个或多个单光子检测器，该方法包括：
以第一选通信号来电选通每一单光子检测器，所述第一选通信号向每一单光子检测器提供具有中心在所述量子信号的期望到达时间的第一宽度的选通窗口；
以适于接收第二选通信号的光闸来光选通每一单光子检测器，所述第二选通信号向光闸提供具有中心在所述量子信号的期望到达时间的第二宽度的选通窗口；以及
其中，所述第一宽度大于所述第二宽度。
2.如权利1要求所述的方法，包括：选择所述第一宽度来限制单光子检测器中的固有电噪声。
3.如权利2要求所述的方法，包括：在增加由每一单光子检测器检测的量子信号的量的同时，选择所述第二宽度来限制一定量的散射光子，不让其被每一单光子检测器检测到。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述第二宽度与所述量子信号宽度大约相同。
5.如权利要求1所述的方法，包括：将每一单光子检测器光耦合到单独的光闸。
6.一种在具有一个或多个单光子检测器的量子密钥分配系统中检测编码的量子信号的方法，该方法包括：
以第一选通宽度来电选通每一单光子检测器；以及
以小于第一选通宽度的第二选通宽度来光选通每一单光子检测器。
7.一种量子密钥分配系统，包括：
第一量子密钥分配站，适于生成具有第一波长的选择性随机调制的量子信号，并在适于发送包括所述第一波长的不同波长的光信号的波分复用网络上将其发送到第二量子密钥分配站；
第二量子密钥分配站，适于接收所述调制的量子信号，并对调制的量子信号进行选择性随机调制，以形成编码的量子信号；
第二量子密钥分配站中的一个或多个单光子检测器，其适于检测编码的量子信号，并且当检测到所述编码的量子信号时，以第一选通窗口将其电选通以限制电噪声；以及
一个或多个光闸，分别光耦合到所述一个或多个单光子检测器，其中，每一光闸被选通，以与编码的量子信号的期望到达时间对应，并且所述光闸具有第二选通窗口，其大小用于限制一定量的散射光，不让其到达所述一个或多个单光子检测器，
其中，与每一光闸关联的第二选通窗口比与每一单光子检测器关联的第一选通窗口窄。
8.如权利要求7所述的系统，其中，与每一光闸关联的第二选通窗口具有基本上与编码的量子信号的宽度相同的宽度。
9.一种量子密钥分配系统，包括：
第一量子密钥分配站，适于生成具有第一波长的选择性随机调制的量子信号，并在适于发送包括所述第一波长的不同波长的光信号的波分复用网络上将其发送到第二量子密钥分配站；
第二量子密钥分配站，适于接收所述调制的量子信号，并对调制的量子信号进行选择性随机调制，以形成编码的量子信号；
第二量子密钥分配站中的一个或多个单光子检测器，其适于检测编码的量子信号，并且当检测到所述编码的量子信号时，以第一选通窗口将其电选通以限制电噪声；以及
单光闸，其在操作上耦合到所述一个或多个单光子检测器中的每一个，其中，该单光闸被选通，以与编码的量子信号的期望到达时间对应，并且所述单光闸具有第二选通窗口，其大小用于限制一定量的散射光，不让其到达所述一个或多个单光子检测器，
其中，与所述单光闸关联的第二选通窗口比与每一单光子检测器关联的第一选通窗口窄。
10.一种适于检测编码的量子信号的量子密钥分配站，包括：
一个或多个单光子检测器；
一个或多个光闸，分别光耦合到所述一个或多个单光子检测器；以及
控制器，在操作上耦合到每一单光子检测器和每一光闸，所述控制器适于将第一宽度的第一选通信号提供给每一单光子检测器，并将第二宽度的第二选通信号提供给每一光闸；以及
其中，所述第二宽度小于所述第一宽度。
11.一种适于检测编码的量子信号的量子密钥分配站，包括：
一个或多个单光子检测器；
单光闸，其光耦合到所述一个或多个单光子检测器中的每一个，以及
控制器，在操作上耦合到每一单光子检测器和所述单光闸，所述控制器适于将第一宽度的第一选通信号提供给每一单光子检测器，并将第二宽度的第二选通信号提供给所述单光闸；以及
其中，所述第二宽度小于所述第一宽度。
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说明书第3栏第8-15行、第5栏第15-18行、第5栏第56行-第6栏第57行、第7栏第57行-第8栏第6行，以及图3、图5、图6.
说明书第9栏第35-41行、第9栏第60行-第10栏第12行，第8栏第27-36行.

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