CN101120535A - 增强qkd安全的恒定调制 - Google Patents

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Abstract

公开了一种改进QKD系统(10)安全性的方法。该方法包括：以控制信号(SA)在选通间隔(GI)内并以超时信号(SJ)在选通间隔之外随机地调制QKD站Alice中的调制器(MA)，同时记录在选通间隔期间所进行的那些调制。这样连续的调制防止窃听者假设这些调制直接与量子比特调制对应。因此，窃听者具有附加的威慑的任务：在她可以开始从已检测到的调制器的调制状态中提取信息之前，确定哪些调制与真正的量子比特调制对应。

Description

增强QKD安全的恒定调制
要求优先权
本申请要求于2004年10月21日提交的第10/970,043号美国专利申请的优先权。
技术领域
本发明涉及量子加密技术领域，并且具有量子加密技术领域的工业实用性，具体地说，本发明涉及以使得进行窃听更困难的方式在量子密钥交换(QKD)系统中操作调制器从而增强系统的安全性的方法，并且具有关于该方法的工业实用性。
背景技术
量子密钥发布包括：在发送者(“Alice”)和接收者(“Bob”)之间通过使用在“量子信道”上发送的弱光信号(即平均0.1光子)或“量子比特(qubit)”来建立密钥。密钥发布的安全性是基于量子力学原理的：在未知状态下量子系统的任何的测量将改变其状态。因而，尝试截取或测量量子比特的窃听者(“Eve”)将引入错误并且显示她的存在。
由Bennett和Brassard在他们的文章“Quantum Cryptography：Public key distribution and coin tossing”，Proceedings of theInternational Conference on Computers，System and SignalProcessing，Bangalore，India，1984，pp.175-179(IEEE，New York，1984)中首次阐述了量子加密的一般原理。Bennett的第5,307,410号美国专利，以及C.H.Bennett的题为“Quantum Cryptography UsingAny Two Non-Orthogonal States”，Phys.Rev.Lett.683121(1992)的文章中描述了具体的QKD系统。
在Bouwmeester等的书籍“The Physics of QuantumInformation”，Springer-Verlag 2001，in section 2.3，page 27-33中描述了执行QKD的一般过程。在QKD过程期间，Alice使用随机数生成器(RNG)来生成用于基准的随机比特(“基准比特”)以及用于密钥的随机比特(“密钥比特”)，以(例如使用偏振或相位编码)创建量子比特，并将该量子比特发送到Bob。
上述Bennett的参考文献都描述了一种所谓的“单向”QKD系统，其中，Alice在系统的一端对单光子的偏振或相位随机地编码，而Bob在系统的另外一端随机地测量光子的偏振或相位。在Bennett于1992年的论文中描述的单向系统是以两个光纤Mach-Zehnder干涉仪为基础的。Alice和Bob都可以接入干涉仪系统的各部分，从而均可以控制干涉仪的相位。在发送期间，为了补偿热漂移，需要将干涉仪活动地稳定在量子信号波长的一部分之内。
Gisin的第6,438,234号美国专利公开了一种所谓的“双向”QKD系统，其采用了自动补偿干涉仪，该自动补偿干涉仪是由德国JoachimMeier博士发明并通过1995(使用德文)“Stabile Interferometrie desnichtlinearen Brechzahl-Koefflzienten von Quarzglasfasern deroptischen Nachrichtentechnik，”Joachim Meier.-Als Ms.gedr..-Düsseldorf：VDI-Verl.，Nr.443，1995(ISBN 3-18-344308-2)发表的。因为Meier干涉仪自动补偿偏振和热变化，所以以其为基础的双向QKD系统通常比单向系统更加不易受环境影响。
在‘243专利的双向QKD系统中，Alice包括光相位调制器和Faraday镜。该相位调制器配备有从一组调制中随机选出的调制。所述调制被定时为与来自Bob的两个光脉冲中的一个的到达相一致。其后，所述脉冲被发送回到Bob，其中所述脉冲中的一个已经被调制。剩下的脉冲信号同样地在Bob处被调制。这些脉冲被干涉，并且得到的干涉脉冲被检测。重复该过程，并且采用通常的QKD协议和程序在Alice和Bob之间建立安全密钥。
必要的是，潜在的窃听者(Eve)不能够辨别Alice的相位调制器的活动。如果窃听者获知Alice的调制器的状态，她将能够推断出所交换的脉冲(量子比特)的值。
仅当活动地调制量子比特时，Alice的调制器的活动对于QKD系统才由意义。当在Alice的附近不存在量子比特时，调制器的值是无意义的，这是因为没有东西被调制。因此，当没有量子比特出现时，现在的QKD系统会让调制器休息。然而，因为窃听者Eve可以关注于调制器的状态中的变化，所以这使得她的窃听任务相当容易。如果Alice的调制器仅当它在调制量子比特的时候才是活动的，则如果窃听者Eve具有电磁干扰(EMI)测量能力或探测光束能力，则她仅需要检察相对少量的信息来确定如何调制量子比特。
发明内容
本发明的一方面是一种以使窃听者更难获得关于系统的调制器状态信息的方式操作具有调制器的QKD系统的方法。该方法包括：将与量子比特的预期到达时间关联的选通间隔对应的第一随机调制提供给调制器。该方法还包括：在选通间隔之外，将第二随机调制提供给调制器。结果基本上是恒定调制被应用于调制器(例如Alice的调制器)，从而尝试获得关于调制器状态的信息的窃听者需要计算什么调制器状态是与编码量子比特真正关联的。
通过将控制信号提供给调制器来实现在量子比特的预期到达时间期间(即在“选通间隔”期间)调制器的激活。通过将“超时信号(jabber signal)”提供给调制器来实现在选通间隔之外调制器的激活。可以由被提供有来自随机数生成器(RNG)的随机数的电压控制器(调制器驱动器)来生成所述控制信号和超时信号，其是从单个RNG或两个不同RNG得到的。所提供的随机数用于从与QKD协议关联的一组可用的调制器相位(例如ΦA＝+3π/4，-3π/4，π/4和-π/4)中随机选择调制器相位。
附图说明
图1是适用于执行本发明的方法的双向QKD系统的示意图；以及
图2是控制信号、超时信号和同步信号的时序示图，示出控制信号在各个同步信号附近的选通间隔期间如何激活调制器，以及超时信号在选通间隔之外的时间间隔期间如何激活调制器。
具体实施方式
图1是双向QKD系统10的示意图，该系统具有两个由光纤链路FL链接的QKD站Bob和Alice。Bob包括：光学系统20，适用于生成两个相干光脉冲P1和P2。光学系统20还包括：相位调制器MB、激光源LS和可变衰减器22B。相位调制器MB耦合到电压控制器VB，电压控制器VB耦合到随机数生成器单元RNG-B。RNG-B接着连接到控制器30B。控制器30B还耦合到光系统20。Bob还包括可操作地耦合到光系统20和控制器30的检测器单元40。检测器单元40包括两个单光子探测器(SPD)41和42。
Alice包括相位调制器MA，相位调制器MA在一端光耦合到光纤链路FL，而在相对一端光耦合到Faraday镜FM。Alice还可选地包括可变衰减器22A，位于调制器MA的上游。Alice还包括：电压控制器VA，耦合到相位调制器MA；以及随机数生成器RNG-A1，耦合到电压控制器。在示例实施例中，Alice还包括第二随机信号生成器RNG-A2，耦合到电压控制器VA。Alice还包括控制器30A，耦合到随机数生成器RNG-A1和RNG-A2。
Bob的控制器30B经由同步信道(SC)(光学地或电子地)连接到Alice的控制器30B，以经由同步信号SS来同步对Alice和Bob的操作。具体地说，相位调制器MA和MB的操作由控制器30A和30B通过交换与待调制的量子比特(脉冲)的预期到达时间对应的同步信号SS来协调。
操作方法
在操作QKD系统10的示例实施例中，Bob的控制器30B经由激活信号S0来激活光系统20，以生成具有正交偏振的相关光脉冲P1和P2。这些脉冲通过Bob的仍旧未激活的调制器MB，并且可选地通过衰减脉冲信号的可变衰减器22。其后，所述脉冲信号经由光纤链路FL传输Alice。
其后，脉冲P1和P2通过Alice的仍旧未激活的相位调制器MA。所述脉冲通过Faraday镜FM被反射，这使得脉冲的偏振旋转90°。随着所述脉冲传输回去通过调制器MA，Alice让第一脉冲P1未经调制地通过，但是对第二脉冲P2的相位进行调制，(即对第二脉冲P2施加相位偏移ΦA)。
在Alice处对脉冲P2的调制由控制器30A来实施，控制器30A向随机数生成器RNG-A1提供定时良好的信号S1，随机数生成器RNG-A1向电压控制器VA提供代表随机数的信号S2。响应于此，电压控制器VA将随机选择的电压控制信号SA(例如V[+3π/4]，V[-3π/4]，V[+π/4]或V[-π/4])发送到调制器MA，以将相位调制设置为对应的随机选择的相位偏移ΦA＝+3π/4，-3π/4，π/4或-π/4。
其后，两个脉冲P1和P2通过衰减器22A，衰减器22A确保脉冲是单光子级别(即统计上每个脉冲具有一个或更少的光子)。所述脉冲传输回到Bob，在Bob处，脉冲P2无改变地通过调制器MB，但是在Bob处，Bob将随机选择的相位偏移ΦB施加到脉冲P1。所述调制由控制器30B实施，控制器30B向随机数生成器RNG-B提供定时良好的信号S3，RNG-B向电压控制器VB提供代表随机数的信号S4。响应于此，电压控制器VB将随机选择的电压控制信号SB(即V[+π/4]或V[-π/4])发送到调制器MB，以将相位调制设置为对应的值+π/4或-π/4。
此外，脉冲P1和P2进入光系统20，在光系统20处，它们被重新组合以进行干涉。布置SPD 41和42，从而由SPD 41检测相长干涉(ΦA-ΦB＝0)，而由SPD 42检测相消干扰(ΦA-ΦB＝π)。
当Bob施加与Alice相同的基本相位时，SPD 41中的计数指示二进制的0，而SPD 42中的计数指示二进制的l。然而，当Bob的基本相位不同于Alice的基本相位时，不存在相关性，SPD 41或42中的计数以相同的概率结束(wind up)(也就是说，干涉的脉冲具有50∶50的机会在任一SPD中被检测)。经由检测器信号S40把检测单元40中的得到的所检测到的信号发送到控制器30B，其中所检测到的相位连同施加到调制器MB的调制状态一起被保存起来。
恒定调制
迄今QKD系统10操作的描述的基本上是现有技术的操作，其中，Alice的调制器将仍旧为禁用，除非它接收到被定时为与从Faraday镜FM反射的光脉冲P2的到达时间相一致的电压信号SA。然而，在现有技术方案中，能够获得关于相位调制器MA的调制状态信息的窃听者仅需要关心测量，而不必关心所述测量是否和真实的量子比特调制(即脉冲P1和P2的调制)有关。
因此，本发明通过即使当不存在当前待调制的量子比特时也激活调制器MA来对现有技术进行改进。在此情况下，窃听者Eve将需要筛选多得多的数据以找到真实地调制量子比特的短时间段。
图2是示出与如同步信号SS所指示的量子比特的预期到达有关的调制器MA的调制的时序图。在示例实施例中，预期到达时间与同步信号SS关联的量子比特的调制按照前面的描述执行。典型地，同步信号SS的占空比非常低，例如在0.5％的量级上。这样的低占空比表示窃听者可以“侦听”量子比特调制以获得量子比特数据的时间段非常短。
因此，在被称为“选通间隔”GI的预期到达时间附近的短时间段内，调制器MA被来自电压控制器VA的控制信号SA所激活。这在图2中示出为：在同步信号SS附近的选通间隔GI内，控制信号SA从0变为1(即从关闭变为打开)。在实践中需要注意，信号SA具有与待设置的相位对应的电压。
在选通间隔GI之外，控制器30A经由激活信号S5来激活随机数生成器RNG-A2，以通过信号S6将随机数发送到电压控制器VA，反过来，信号S6使得电压控制器VA将“超时信号”SJ发送到调制器MA。还应注意，和控制信号SA一样，实际中的超时信号SJ具有与随机选择的相位对应的电压。还应注意，优选的是，超时信号SJ具有和控制信号SJ相同的信号宽度，从而这两个信号对于窃听者是不可辨别的。
在图2中，值“0”和“1”与是否启动特定模式(即量子比特调制模式或者超时调制模式)对应。为了示出的原因，还示出了控制信号(即量子比特调制信号)SA和超时信号SJ(未按比例绘制)。
控制信号SA和超时信号SJ的组合基本上导致调制器MA的恒定随机调制，而不是仅在与量子比特的预期到达关联的短的选通间隔期间(随机地)激活调制器。
超时信号SJ在超时模式期间随机驱动调制器MA，这与控制信号SA在量子比特调制模式期间随机驱动调制器MA是一样的，但在超时模式下，不期望出现需要调制的量子比特。因此，倾向于辨别与对量子比特进行编码关联的调制器MA的调制状态的窃听者不再受益于假设每次调制都是为了量子比特的情况。现在，窃听者的额外负担在于：评估哪些调制事件真正与量子比特调制对应，哪些调制事件只是超时调制。
在示例实施例中，由控制器30A中的FPGA或者其他一些这样的定时设备TD来确定在与“超时模式”对应的选通间隔附近的时间窗。具体地说，定时设备TD为可以出现量子比特调制的所有可能的最差情况时间段附近的超时信号SJ建立时间窗。因此，如上所述，定时设备TD确定何时经由RNG-A2向调制器MA提供超时调制。注意，在可选实施例中，Alice仅使用一个随机数生成器(例如RNG-A1)以创建控制调制和超时调制。
控制器30A记录在选通间隔期间将哪个相位调制应用于调制器MA，从而可以使用已知的QKD协议和程序在Alice和Bob之间建立安全密钥。
虽然已经结合优选实施例描述了本发明，但应理解，本发明不仅限于此。反之，本发明倾向于覆盖可包括在所附权利要求中定义的精神和范围内的所有替换、修改和等同物。

Claims (8)

1.一种操作具有调制器的QKD系统的方法，该方法包括以下步骤：
在选通间隔期间向调制器提供第一随机调制，其中，每个选通间隔与量子比特的预期到达对应；以及
在所述选通间隔之外，向调制器提供第二随机调制。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一随机调制由来自第一随机数生成器的第一信号产生，而所述第二随机调制由来自第二随机数生成器的第二信号产生。
3.如权利要求1所述的方法，包括步骤：从单个随机数生成器提供所述第一和第二随机调制。
4.如权利要求1所述的方法，包括步骤：提供所述第一和第二调制从而对所述调制器进行恒定调制。
5.一种提高具有调制器的QKD站的安全性的方法，  该方法包括以下步骤：
在与量子比特的各个预期到达时间关联的选通间隔期间，随机地对调制器进行调制；以及
在选通间隔之外，随机地对调制器进行调制。
6.如权利要求5所述的方法，包括步骤：记录在选通间隔期间所进行的调制，以在QKD系统的两个QKD站之间建立安全密钥。
7.一种操作QKD系统中的调制器的方法，该方法包括以下步骤：
通过选择调制，恒定地、随机地对调制器进行调制，而不管量子比特是否预期会通过所述调制器；以及
记录实际对量子比特进行调制的所述调制。
8.如权利要求7所述的方法，包括步骤：在调制器处使用与量子比特的预期到达时间对应的同步信号以识别将要记录的所述调制。
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Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005086410A1 (en) * 2004-03-02 2005-09-15 Magiq Technologies, Inc. Modulator timing for quantum key distribution
US7853011B2 (en) * 2005-05-13 2010-12-14 Ciena Corporation Methods and apparatus for monitoring the integrity of a quantum channel supporting multi-quanta pulse transmission
JP4800674B2 (ja) * 2005-06-10 2011-10-26 株式会社日立製作所 通信方法および通信システム
US7747019B2 (en) * 2005-09-28 2010-06-29 Nortel Networks Limited Methods and systems for communicating over a quantum channel
US20070076878A1 (en) * 2005-09-30 2007-04-05 Nortel Networks Limited Any-point-to-any-point ("AP2AP") quantum key distribution protocol for optical ring network
US20070076887A1 (en) * 2005-09-30 2007-04-05 Nortel Networks Limited Double phase encoding quantum key distribution
US7974413B2 (en) * 2007-06-07 2011-07-05 Harris Corporation Spread spectrum communications system and method utilizing chaotic sequence
US8059964B2 (en) * 2007-07-20 2011-11-15 Magiq Technologies, Inc. QKD system with common-mode dithering
CN104303449B (zh) * 2010-10-08 2017-11-28 Id量子技术股份有限公司 一种通过随机改变它们的有效性用于检测控制量子密码装置中单光子探测器的攻击的设备及方法
JP5571832B1 (ja) * 2013-07-30 2014-08-13 日本電信電話株式会社 量子暗号通信における送受信装置
CN103825726B (zh) * 2014-03-03 2017-02-08 哈尔滨工业大学 基于fpga的筛选模块及筛选方法

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5307410A (en) * 1993-05-25 1994-04-26 International Business Machines Corporation Interferometric quantum cryptographic key distribution system
CN1204710C (zh) * 2001-08-31 2005-06-01 中国科学院研究生院 经典信号同步延时的复合量子密钥分发系统及其实现方法
US7403623B2 (en) * 2002-07-05 2008-07-22 Universite Libre De Bruxelles High-rate quantum key distribution scheme relying on continuously phase and amplitude-modulated coherent light pulses
GB2399220B (en) 2003-03-06 2005-07-13 Toshiba Res Europ Ltd Photonic quantum information system using unpolarised light
US20060029229A1 (en) * 2004-08-03 2006-02-09 Alexei Trifonov QKD station with EMI signature suppression

Also Published As

Publication number Publication date
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