CN101208890B - 使用波长路由通过多用户wdm网络分配量子密钥的方法和系统 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于通过多用户波分复用(WDM)网络进行量子密钥分配的系统和方法。该系统包括：可调谐的或多波长的发射机；多个接收机，其中每一个都指定有接收波长；以及将所述接收机链接于所述接收机的多用户WDM网络。发射机可在所述接收机中选择待与之通信的接收机，并通过WDM网络向所选择的接收机发送量子信号。所述量子信号的波长等于所述接收机的接收波长。因此，WDM网络允许通过波长路由在发射机和接收机之间传送量子信号。

Description

使用波长路由通过多用户WDM网络分配量子密钥的方法和系统

技术领域

本发明涉及用于传送加密数据的系统。特别地，本发明涉及被称为使用波长路由通过多用户波分复用(WDM)网络分配量子密钥的技术。

背景技术

由于量子密码学可通过量子理论的规律提供根本的安全性，因此，量子密码学被认为是增强传统密码学的天然的候选物。本领域的大多数研究集中于两个用户之间的点对点传输。目前，量子密码学已在光纤和自由空间中的点对点链路中成功地实现。然而，到目前为止，在网络上的量子密钥分配方面仅具有有限的成果。网络上的量子密钥分配比点对点传输存在更多的问题。事实上，已经认为，在网络上分配量子密钥是一个难题。

图1示出了星形网络上量子密钥分配的传统配置，其中在发射机和接收机处采用基于BB84协议的弱脉冲串的四个相移。在这种配置中，发射机(Tx)与接收机(Rx1-Rx3)使用相位调制器对相移进行编码和解码，且发射机将具有从四个相位(例如0、π/2、π和3π/2)中随机选择的相移的3-光子脉冲发射到光纤中。该脉冲然后在3个接收机中等分。为了测量，每个接收机需要与发送的脉冲同步。此外，因为所述网络中的全部用户(即使他或她不是期望的接收机)可同时从发射机接收信号，所以该配置不能识别哪个用户应该接收信号。也就是说，该系统不能仅在两个具体的用户之间建立链路以实现量子密钥分配。

发明内容

一般地，本发明提供了一种用于量子密钥分配的通信系统，其中，通过利用向每个不同接收机以不同波长发送的不同秘密密钥，发射机可通过传统的光学通信网络与多个接收机通信。

本发明还提供了一种用于量子密钥分配的、具有相对简单的结构和高通信效率的通信系统。

本发明提供了一种利用波长路由通过多用户波分复用(WDM)网络在发射机和多个接收机之间分配量子密钥的方法，包括：1)分别为每个所述接收机指定不同的接收波长；2)在所述接收机中选择将与所述发射机通信的接收机；以及3)通过所述WDM网络从所述发射机向所选择的接收机发送量子密钥信号，其中所述量子密钥信号的波长与所述接收机的所述接收波长相同。步骤3)进一步包括：从所述发射机的源发射光；在相位调制周期对所述光随机地进行相位调制，使其具有非正交状态；通过光衰减器使得经过相位调制的光衰减，以使得单光子探测器在时隙内探测到的所述光的平均光子数小于1；以及通过使用波分多路分解器将所述衰减的光路由到所选择的接收机，从而使得所选择的接收机根据接收到的光建立量子密钥。

本发明进一步提供了用于量子密钥分配的通信系统，包括：发射机；多个接收机，其每一个具有不同的接收波长；以及将所述发射机链接于所述接收机的多用户WDM网络，其中所述发射机在所述接收机中选择将与之通信的接收机，并通过所述WDM网络将量子信号发送至所选择的接收机。发送的所述量子信号的波长等于所述接收机的所述接收波长。其中，所述发射机进一步包括：用于发射光的源；相位调制器，用于在相位调制周期内对所述光进行随机相位调制；以及可变的光学衰减器，用于将调制的光衰减，以使单光子探测器在时隙内探测到的平均光子数小于1，并通过使用WDM网络中的波分多路分解器将所述衰减的光路由到所选择的接收机，从而使得所选择的接收机根据接收到的光建立量子密钥。

根据本发明的一方面，使用波长路由技术实现用于多个接收机的量子密钥分配。所述波长路由可通过波分多路分解器实现，其可为阵列波导光栅的形式。此外，系统可使用适用于光纤网络的全光纤连接。

根据本发明的另一方面，在系统中使用可提高系统安全性的波长连续的光。此外，本发明中还使用差分相位检测以克服系统中温度偏移和相位偏移的影响，这样可进一步使系统简单、稳定。此外，本发明使用弱相干状态的随机调相光，例如相位偏移为0和π的两个非正交状态，这样可提高系统的通信效率。

附图说明

图1示出了现有技术中星形网络上的量子密钥分配的原理示意图；

图2示出了根据本发明的、在通过多用户WDM网络分配量子密钥的通信系统中使用的波长路由技术的原理示意图；

图3示出了根据本发明的通信系统的示意图，其中示出了发射机和接收机之间的信道的结构；以及

图4示出了根据本发明的、通过8-用户WDM网络在发射机和8个不同接收机之间通信时的密钥率和串扰的实验结果。

具体实施方式

下面将参照附图详细介绍本发明。

图2示出了根据本发明的、用于通过多用户WDM网络分配量子密钥的通信系统的实施方式。如图2所示，该通信系统包括：发射机100；多个接收机200(该实施方式中为8个接收机)，每一个都指定有不同的接收波长(例如λ1-λn，其中n＝8)；以及将发射机100链接于接收机200的8-用户WDM网络。

本发明中，波长路由技术用于在具体用户之间执行量子密钥分配。在该实施方式中，可通过例如阵列波导光栅(AWG)的波分多路分解器400实现波长路由。因此，发射机100可选择波长以与每个接收机建立信道(例如，从信道1到信道n)，以使发射机100不用向全部接收机发送信号。例如，如果选择具有接收波长λ1的接收机210与发射机100通信，则该发射机将发送波长等于λ1的量子信号。在通过光纤300之后，该信号到达阵列波导光栅400，阵列波导光栅400将该量子信号仅路由到接收机210。以这种方式，发射机100可仅与选择的接收机传送量子信号。通过对发射机波长进行调谐或为多波长发射机选择适当的波长，一个单一的发射机可通过使用WDM技术向每个接收机200发送量子信号。表1中列出了此实施方式中可指定给每个接收机的接收波长。

表1

下面参照图3，介绍根据本发明的、用于通过多用户WDM网络在发射机和期望(选择的)接收机之间发送量子信号的结构配置。

如图3所示，当选择接收机210与发射机100通信时，发射机100中的可调谐激光器101将连续波(CW)光发射到相位调制器102，所述CW光的波长与接收机210的接收波长相对应。将随机数据信号发生器104生成的0或π的随机相移添加到CW光。然后将具有随机相移的CW光在可变的光衰减器103的出口处衰减为单光子。其中，在测量的门周期内，所述单光子的平均光子数小于一，所述衰减器103耦合于8.5km标准单模光纤300。然后，将衰减的光信号发送到AWG400，以确定通过波长路由选择哪个用户。AWG 400提供多个输出端口401-40n，每个输出端口具有对应于每个接收机的接收波长的带宽和不同的中心波长。然后，衰减信号穿过AWG 400到达对应于接收波长的选择的接收机210。

接收机210具有非对称马赫曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪218，以重构发射机100引入的相移。优选地，非对称马赫曾德尔干涉仪218包括第一50/50分束器211、长臂212、短臂213以及第二50/50分束器214。分束器211用于将输入信号分为两部分，分别进入长臂212和短臂213。分束器214将两个分离的光信号重新组合，在分束器214中，将两个臂212和213之间的时差设置为等于相位调制周期的时间间隔。也就是说，发射机100的随机数据信号发生器104能够同步相位调制器102，以使得相位调制周期的时间间隔等于光穿过两臂时经历的时差。通过马赫曾德尔干涉仪218，两臂的光子之间发生干涉。接收机210可通过单光子探测器模块219探测由全息结构地干涉的信号产生的单光子，单光子探测器模块219包括分别连接到分束器214的两个输出的两个单光子探测器215和216。探测器模块工作在2.5ns、100KHz的门控模式。可通过数据捕获软件将数据存储在计算机中。此外，可在单光子探测器模块219中提供时隙测量装置217，用于测量在探测器中探测到光子的时隙。

原始密钥传输之后，接收机210向发射机100告知测得的时隙。根据此时间消息和光子的调制状态，接收机得知在接收机中哪个探测器检测到单个光子(click)。例如，约定将探测器215检测到单个光子记为“0”、且将探测器216检测到的单个光子为“1”之后，发射机100和接收机210将获得同样的量子密钥。

这样，发射机100可选择波长，以建立与接收机210之间的信道，信道1，而不用向其它接收机发送信号。

此外，由于除了接收机波长不同之外，全部其它接收机都具有与接收机210同样的配置，因此发射机100可以如上所述类似的方式与任何的单一接收机通信。

单光子探测器模块219的效率大于10％，因此计数率应小于10KHz，以保证测量时隙内的单光子。为达到更好的性能，本发明的激光器是窄带激光源，以使从激光器发射的光的带宽比阵列波导光栅的每个输出端口(从输出端口401到40n)输出的光的带宽更窄。根据本发明的实施方式，激光器101可在1,475nm到1,600nm之间调谐。表1中列出了该实施方式中使用的接收波长。最后，在每个信道中测量了单光子，并探测了由其它信道引起的串扰。实验的计数率小于1×10⁴计数/秒，以保证调制时隙中的单光子，所述计数率对应于发射机处的测量时隙内的小于0.1的计数。在经过大约12dB的传输损耗后，大约6％的单光子将到达接收机。表1中示出了接收机200中使用的门的百分比，并且从发射机100达到接收机200的单光子的计数率也在表1中示出。表2中列出了8-用户网络的每个信道中的错误率。

表2

信道	1	2	3	4	5	6	7	8
									错误率(％)	1.93	2.15	2.75	3.19	2.76	2.73	2.24	6.26

这一系统可使用适用于光纤网络的全光纤连接。由两个连续相位之间的相差携带系统的量子密钥信号。

采用差分相位探测的有益效果在于克服了系统中温度偏移和相位偏移的影响，并还可使系统简单。另一个有益效果在于高的通信效率。在之前的方案中，当在接收机处进行探测时，需要至少两个测量基(measurement base)。原则上，仅有50％的输出是正确的。因此，将具有3dB的损耗，即，使用了BB84协议。然而，可本系统中可使用测得的全部输出。

本发明的系统中使用了连续波光，其可提高系统的安全性。与脉冲光相比，窃听者Eve不能测量相位调制的周期。因此，Eve不能得知干涉仪的详细信息。事实上，单脉冲将导致向窃听者泄漏更多信息(对形成量子密钥非常重要的干涉仪结构参数)。如果采用连续光，窃听者则不能得知干涉仪的两臂之间的差异，这样就进一步提高的系统的安全性。

与自动补偿方案相比，由于在当前结构中不存在返回信号(其可引起干涉)，因此根据本发明的构造具有较低噪声。这也是另一个有益效果。

图4中用黑色菱形示出了用于8个信道的实验密钥率从2kb/s变化到超过5kb/s。图4中其它的点示出了相关信道引起的串扰。因为信道1具有最高的单光子率，所以由于信道1而引起的串扰最大。为了安全，系统中具有损耗上界，其包括光纤传输损耗、组件插入损耗、来自波长路由的损耗以及由不完全对准引起的损耗。对于每0.1比特的平均光子数来说，大约12dB的总损耗远远小于31dB的安全上界。主要由波长多路分解装置、AWG和激光源引起串扰。从图4中明显可以看出，由于串扰引起的计数率和暗计数(dark count)与单光子信号计数相比非常小，因此本架构中的量子密钥分配是可行的。

因此，利用波长路由在多用户网络上通过实验实现了量子密钥分配，克服了树形网络的广播问题。此外，对连续波光采用差分调相，可消除系统中由温度和偏振引起的变化。此外，本公开中，在简单配置中具有的更高的密钥生成效率，因此适用于实际应用。

尽管为了简单起见仅在实施方式中描述了8个接收机，但是对于本领域技术人员显而易见的是，在实际网络中可使用更多和更少的接收机。可根据使用领域改变数量选择。

可认识到，本发明的范围应该由权利要求限定，而不受到摘要中讨论的说明和/或优选实施方式的详细描述的限制。

Claims (15)

1.一种用于通过多用户WDM网络在发射机和多个接收机之间分配量子密钥的方法，包括：

为每个所述接收机分别指定不同的接收波长；

从所述多个接收机选择将与所述发射机通信的接收机；以及

通过所述WDM网络从所述发射机向所选择的接收机发送量子密钥信号，其中所发送的量子密钥信号的波长与所述接收机的接收波长相等，

其中，通过所述WDM网络从所述发射机向所选择的接收机发送量子密钥信号的步骤包括：

从所述发射机的窄带可调的激光源发射连续波的光，其中，所述连续波的光的带宽窄于所述WDM网络中的波分多路分解器的输出端口的带宽；

在相位调制周期对所述连续波的光随机地进行相位调制，使其具有非正交状态；

通过光衰减器使得经过相位调制的光衰减，以使得单光子探测器在时隙内探测到的所述光的平均光子数小于1；

通过使用波分多路分解器将所述衰减的光路由到所选择的接收机；

从所选择的接收机接收时隙消息，所述时隙消息用于向所述发射机报告所选择的接收机在其中接收到量子的时隙；

通过分析所述发射机处的时隙消息确定量子密钥。

2.如权利要求1所述的方法，在所选择的接收机还进一步执行以下步骤：

由包括长臂和短臂的两臂将所选的接收机接收到的所述光分为两部分，其中所述光在所述长臂和所述短臂之间传播的时差等于相位调制周期的时间间隔；

穿过所述两臂之后，组合所述光的所述两部分，以使得发生干涉；

当发生全息结构干涉时，由两个探测器探测光子；以及

通过确定哪个探测器探测到光子，在接收机处建立量子密钥。

3.如权利要求2所述的方法，包括：

从所述窄带激光源发射波长范围在1475nm到1600nm之间的光。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述波分多路分解器是阵列波导光栅。

5.一种用于量子密钥分配的通信系统，包括：

发射机；

多个接收机，其每一个具有不同的接收波长，并且其每一个包括时隙测量装置，所述时隙测量装置用于测量在其中检测到量子的时隙，并向所述发射机发送时隙消息；以及

将所述发射机链接于所述接收机的多用户WDM网络，

其中，所述发射机在所述多个接收机中选择将与之通信的接收机，并在所述WDM网络上将量子信号发送至所选择的接收机，以及

其中，所述量子信号的波长等于所选择的接收机的所述接收波长，

其中，所述发射机进一步包括：

可调的窄带激光源，用于发射连续波的光，其中，所述连续波的光的带宽窄于所述WDM网络中的波分多路分解器的输出端口的带宽；

相位调制器，用于在相位调制周期内对所述光进行随机相位调制；以及

可变的光学衰减器，用于将调制的光衰减，以使单光子探测器在时隙内探测到的平均光子数小于1，并通过使用WDM网络中的所述波分多路分解器将所述衰减的光路由到所选择的接收机，从而使得所选择的接收机根据接收到的光建立量子密钥。

6.如权利要求5所述的通信系统，其中所述窄带激光源发射波长范围为1,475nm到1,600nm的窄带激光源。

7.如权利要求5所述的通信系统，其中将所述光进行相位调制，使其具有两个非正交状态。

8.如权利要求5所述的通信系统，其中，所述波分多路分解器具有多个输出端口，每个所述输出端口具有对应于每个所述接收机的所述接收波长的带宽和不同的中心波长。

9.如权利要求8所述的通信系统，其中所述波分多路分解器是阵列波导光栅。

10.如权利要求8所述的通信系统，其中所述光纤是标准单模光纤。

11.如权利要求8所述的通信系统，其中每个所述接收机包括：

用于量子信号探测的非对称马赫曾德尔干涉仪，其具有不同时延的两臂，并在来自所述两臂的信号之间产生干涉；以及

单光子探测器模块，用于在发生全息结构干涉时探测光子。

12.如权利要求11所述的通信系统，其中所述非对称马赫曾德尔干涉仪包括：

第一分束器，用于通过所述两臂将所述光分为两部分，所述两臂之间的时差等于所述相位调制周期的时间间隔；以及

第二分束器，用于当所述两部分的光穿过所述两臂之后将其组合，以使所述两部分的光相互干涉。

13.如权利要求11所述的通信系统，其中所述单光子探测器模块包括两个用于探测所述光子的探测器，其中一个探测器的单个光子表示“0”，另一个探测器的单个光子表示“1”。

14.如权利要求11所述的通信系统，其中所述系统使用适用于所述WDM网络的全光纤连接。

15.如权利要求12所述的通信系统，其中所述发射机进一步包括随机数信号发生器，用于将随机相移添加到所述相位调制器中，以及用于同步所述相位调制器以对所述光进行调制，所述相位调制周期的时间间隔等于每个所述接收机中的所述马赫曾德尔干涉仪中的两臂之间的时差。

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