CN102075324A - 一种量子密码教学系统及其通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种量子密码教学系统，包括用于发射量子信号的量子信号发射机、实验光路以及用于接收量子信号的量子信号接收机，量子信号发射机和量子信号接收机通过实验光路相连。本发明还公开了一种量子密码教学系统的通信方法。本发明可以让学生亲自动手通过对实验光路的调试，完成量子密钥分发的过程，并通过加密传输一副图片直观的理解密钥分发与实际有错误出现的分发过程，从而掌握量子密钥分发的基本原理。学生可以选择对原始数据进行分析，自己完成原始数据到成码的后处理过程，加深对量子密钥分发过程的理解。

Description

一种量子密码教学系统及其通信方法

 

技术领域

本发明涉及一种量子保密通信装置，尤其是一种量子密码教学系统及其通信方法。

 

背景技术

现代密码学体系主要基于计算的单向性，其安全性仅有经验保证；量子计算机将使快速分解质因子算法成为可能，从而现有密码体系的基础不复存在。量子保密通信是不同于经典通信的保密通信方式，其具有理论上可被证明的绝对安全性。量子密钥分发（Quantum  Key Distribution）通过操纵和传送量子比特（Qubit）的方法，可在两地之间分发任意长度的一串相同的随机数，即密钥；可以使用该随机数对需要传输的信息进行加密。如果采用 “一次一密”（One-Time Pad）的方式加解密经典信息，则可以保证传输信息的无条件安全。

作为绝对安全的通信方式，量子信息的研究得到了业界广泛的关注，并将在未来得到广泛应用。为了使高校在校学生能熟悉量子通信的主流协议及掌握量子密钥分发的基本原理，有必要研发一套实验教学用的量子密码教学系统。

                                   

发明内容

本发明的首要目的在于提供一种能够让学生动手调试、便于学生理解和掌握密钥分发原理的量子密码教学系统。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种量子密码教学系统，包括用于发射量子信号的量子信号发射机、实验光路以及用于接收量子信号的量子信号接收机，量子信号发射机和量子信号接收机通过实验光路相连。

本发明还公开了一种量子密码教学系统的通信方法，该方法包括下列顺序的步骤：

（1）量子信号发射机选择H方向和+45°方向，调整实验光路，使量子信号发射机出口处一个脉冲的平均光子数小于1；

（2）量子信号发射机准备的偏振态通过光纤信道传送至量子信号接收机，量子信号接收机选择V方向和-45°方向进行投影测量，将探测到的脉冲位置发送至量子信号发射机，量子信号发射机抛弃量子信号接收机没有探测到的位置，生成原始密钥；

    （3）随机选择部分原始密钥进行比对，计算量子信号发射机和量子信号接收机的错误率，若错误率低于设定值，则形成安全密钥，在量子信号发射机和量子信号接收机之间分发安全密钥。

由上述技术方案可知，本发明可以让学生亲自动手通过对实验光路的调试，完成量子密钥分发的过程，并通过加密传输一副图片直观的理解密钥分发与实际有错误出现的分发过程，从而掌握量子密钥分发的基本原理。学生可以选择对原始数据进行分析，自己完成原始数据到成码的后处理过程，加深对量子密钥分发过程的理解。

 

附图说明

图1是本发明的电路框图；

图2、3分别是本发明中第一、二主控板的电路框图；

图4是本发明的工作流程图。

 

具体实施方式

一种量子密码教学系统，包括用于发射量子信号的量子信号发射机、实验光路1以及用于接收量子信号的量子信号接收机，量子信号发射机和量子信号接收机通过实验光路1相连，如图1所示。

如图1、2所示，所述的量子信号发射机包括第一FPGA控制器2和第一、二激光器4、5，所述的第一FPGA控制器2的信号输出端分别与第一、二激光器4、5相连，第一FPGA控制器2通过接口配置芯片设置第一PC机接口6，所述的第一、二激光器4、5均与实验光路1相连。所述的第一FPGA控制器2焊接封装在第一主控板9上，所述的第一、二激光器4、5焊接封装在激光板11上。

如图1、3所示，所述的量子信号接收机包括第二FPGA控制器3和单光子探测器7，所述的第二FPGA控制器3的信号输入端与单光子探测器7相连，单光子探测器7与实验光路1相连，第二FPGA控制器3通过接口配置芯片设置第二PC机接口8。 所述的第二FPGA控制器3焊接封装在第二主控板10上。接口配置芯片采用CY68013A芯片，其控制管脚的配置需要在第一、二FPGA控制器2、3内实现。

如图1、2、3所示，所述的第一FPGA控制器2与第二FPGA控制器3相连，所述的第一FPGA控制器2通过第一PC机接口6与主机通讯，所述的第二FPGA控制器3通过第二PC机接口8与主机通讯。第一FPGA控制器2的同步信号输出端与第二FPGA控制器3的同步信号端相连,量子信号发射机的第一主控板9和量子信号接收机的第二主控板10的基本原理都是一样的，只是第一、二FPGA控制器2、3的内部逻辑有所不同，所以用途也不同：第一FPGA控制器2主要是接收主机通过第一PC机接口6发过来的命令，去控制激光板11，而第二FPGA控制器3是将单光子探测器7探测到的信号通过第二PC机接口8传给主机。所述的第一、二PC机接口6、8均为USB接口。

第一FPGA控制器2与第二FPGA控制器3都主要是完成这些功能：信号的同步、所用数据的帧编码及控制、外部缓冲单元的缓冲和接口配置芯片控制引脚的配置。第一FPGA控制器2先要用输入时钟产生同步时钟信号送给量子信号接收机，用真随机数芯片产生的随机数去调制光脉冲，从而控制激光板11的两路激光器——第一、二激光器4、5发出所需的光子偏振态。接收方第二FPGA控制器3需要接收发射方送过来的同步信号，从而实现双方收发的同步。接收方帧的编码结构与发射方的是不一样的,但帧格式的定义是相同的,每帧之间都有标志位。

在工作时，量子信号发射机的第一主控板9在配套软件的控制下控制激光板11的两路激光器——第一、二激光器4、5发出激光，再连到实验光路1进行调节。实验光路1先使量子信号发射机的出光衰减到单光子量级，再通过机械偏振控制器调节光的偏振态，即设置量子信号发射机和量子信号接收机所使用的基矢，最后两路光经由BS(光纤合束器)合束成一路，送给量子信号接收机的单光子探测器7。量子信号接收机接收到的信号再通过第二主控板10与主机交互，可以通过主机界面观察实验结果。

如图4所示，在工作时，首先，量子信号发射机选择H方向和+45°方向，调整实验光路1，使量子信号发射机出口处一个脉冲的平均光子数小于1；其次，量子信号发射机准备的偏振态通过光纤信道传送至量子信号接收机，量子信号接收机选择V方向和-45°方向进行投影测量，将探测到的脉冲位置发送至量子信号发射机，量子信号发射机抛弃量子信号接收机没有探测到的位置，生成原始密钥；最后，随机选择部分原始密钥进行比对，计算量子信号发射机和量子信号接收机的错误率，若错误率低于设定值，则形成安全密钥，在量子信号发射机和量子信号接收机之间分发安全密钥。

如图4所示，所述的第一FPGA控制器2选取H水平偏振方向和+45°偏振方向作为量子态和，分别标记为0和1；第二FPGA控制器3选择-45°偏振方向和V竖直偏振方向进行投影测量，并分别将测量结果标记为0和1；调整实验光路1，使第一、二激光器4、5出口处一个脉冲的平均光子数约为0.1个光子/每个脉冲。随机选择一部分原始密钥进行比对，计算量子信号发射机和量子信号接收机的错误率，若双方错误率低于11%，则量子信号发射机和量子信号接收机可以获得一串相同的随机数，即获得安全密钥。

在本发明中，定义量子信号发射机为Alice，定义量子信号接收机为Bob。Alice 随机准备H偏振和+45°偏振态，考虑实际使用的激光器发出的光子数分布为泊松分布，即每个脉冲中可能出现多个光子。 并且Alice对每个脉冲的调制是相同的，也就是说，如果Alice的光源某个脉冲中包含多个光子，那么这几个光子就会具有相同的偏振态，窃听者Eve可以截取多光子脉冲中的一个或几个，将剩余的光子发送给Bob，实现窃听的过程（即为PNS攻击）。为了减少这种攻击的可能性，Alice需要保证发出的脉冲大多数都是单个光子，因此需要将Alice传输出口的平均光子数衰减到远小于1（如0.1个光子/每个脉冲）。

Alice准备的偏振态经过光纤（或自由空间）信道传送至Bob时，由于路径上有部分衰减、接收方光路的衰减，以及单光子探测器7探测效率不能达到100%，最终会有部分脉冲无法被Bob探测到。如果我们选择H为bit0，+45°为bit1，Bob选择投影测量的-45°为bit0，V为bit1，那么最终Bob 将探测到的脉冲位置告诉Alice，Alice抛弃其余位置的bit之后，即可生成一串原始密钥。 

如果路径的光学系统是完美的，并且没有Eve进行窃听， 那么Alice和Bob的原始密钥应当是完全相同的。实际过程中，由于光路中准备、测量光路的不完美，单光子探测器7有暗计数的存在等原因，Alice和Bob生成的原始密钥会有一部分不同，我们可以随机选择一部分密钥进行比对，估计双方的错误率并且在比对后抛弃这部分密钥。 如果双方错误率低于11%，则可以安全的成码。再经过一系列后续工作处理密钥，即可在Alice和Bob之间分发一串安全的随机密钥。

本发明可以让学生亲自动手通过对实验光路1的调试，完成量子密钥分发的过程，并通过加密传输一副图片直观的理解密钥分发过程,和密钥分发中错误对加解密图片的直观影响,从而掌握量子密钥分发的基本原理。学生可以选择对原始数据进行分析，自己完成原始数据到成码的后处理过程，加深对量子密钥分发过程的理解。

Claims (10)

1.一种量子密码教学系统，其特征在于：包括用于发射量子信号的量子信号发射机、实验光路以及用于接收量子信号的量子信号接收机，量子信号发射机和量子信号接收机通过实验光路相连。

2.根据权利要求1所述的量子密码教学系统，其特征在于：所述的量子信号发射机包括第一FPGA控制器和第一、二激光器，所述的第一FPGA控制器的信号输出端分别与第一、二激光器相连，第一FPGA控制器通过接口配置芯片设置第一PC机接口，所述的第一、二激光器均与实验光路相连。

3.根据权利要求1所述的量子密码教学系统，其特征在于：所述的量子信号接收机包括第二FPGA控制器和单光子探测器，所述的第二FPGA控制器的信号输入端与单光子探测器相连，单光子探测器与实验光路相连，第二FPGA控制器通过接口配置芯片设置第二PC机接口。

4.根据权利要求2所述的量子密码教学系统，其特征在于：所述的第一FPGA控制器焊接封装在第一主控板上，所述的第一、二激光器焊接封装在激光板上。

5.根据权利要求3所述的量子密码教学系统，其特征在于：所述的第二FPGA控制器焊接封装在第二主控板上。

6.根据权利要求2或3所述的量子密码教学系统，其特征在于：所述的第一FPGA控制器与第二FPGA控制器相连，所述的第一FPGA控制器通过第一PC机接口与主机通讯，所述的第二FPGA控制器通过第二PC机接口与主机通讯，第一FPGA控制器的同步信号输出端与第二FPGA控制器的同步信号端相连。

7.根据权利要求1所述的量子密码教学系统的通信方法，该方法包括下列顺序的步骤：

（1）量子信号发射机选择H方向和+45°方向，调整实验光路，使量子信号发射机出口处一个脉冲的平均光子数小于1；

（2）量子信号发射机准备的偏振态通过光纤信道传送至量子信号接收机，量子信号接收机选择V方向和-45°方向进行投影测量，将探测到的脉冲位置发送至量子信号发射机，量子信号发射机抛弃量子信号接收机没有探测到的位置，生成原始密钥；

    （3）随机选择部分原始密钥进行比对，计算量子信号发射机和量子信号接收机的错误率，若错误率低于设定值，则形成安全密钥，在量子信号发射机和量子信号接收机之间分发安全密钥。

8.根据权利要求7所述的量子密码教学系统的通信方法，其特征在于：所述的量子信号发射机包括第一FPGA控制器和第一、二激光器，所述的第一FPGA控制器的信号输出端分别与第一、二激光器相连，第一FPGA控制器通过接口配置芯片设置第一PC机接口，所述的第一、二激光器均与实验光路相连，所述的量子信号接收机包括第二FPGA控制器和单光子探测器，所述的第二FPGA控制器的信号输入端与单光子探测器相连，单光子探测器与实验光路相连，第二FPGA控制器通过接口配置芯片设置第二PC机接口。

9.根据权利要求8所述的量子密码教学系统的通信方法，其特征在于：所述的第一FPGA控制器选取H水平偏振方向和+45°偏振方向作为量子态和，分别标记为0和1；第二FPGA控制器选择-45°偏振方向和V竖直偏振方向进行投影测量，并分别将测量结果标记为0和1；调整实验光路，使第一、二激光器出口处一个脉冲的平均光子数为0.1个光子/每个脉冲。

10.根据权利要求7所述的量子密码教学系统的通信方法，其特征在于：随机选择一部分原始密钥进行比对，计算量子信号发射机和量子信号接收机的错误率，若双方错误率低于11%，则量子信号发射机和量子信号接收机可以获得一串相同的随机数，即获得安全密钥。

Images