CN102171952B - Qkd发射器及传输方法 - Google Patents

Abstract

为了促进QKD发射器（12）与QKD接收器（22）的对齐，发射器（12）设有后向反射器（53），用于将始发于后者的光子束（51F）返回到接收器（22）。该发射器（22）被布置为对后向反射的束（51R）进行极化调制。发射器（12）设有强度检测器（57）和强度相关控制器（58）两者，所述强度检测器（57）用于生成后向反射的光子强度的指示，所述强度相关控制器（58）用于根据所检测到的光子强度控制QKD发射器（12）。在一个实施例中，该控制包含在检测到出乎意料地高的光子强度时中止QKD发射器（12）的操作；在另一实施例中，强度指示被用于控制后向反射束的衰减，以便稳定每单位时间的平均后向反射光子计数。

Description

QKD发射器及传输方法

技术领域

本发明涉及适于用在手持式装置中的QKD（量子密钥分布）发射器以及传输方法。

背景技术

已经开发了QKD方法和系统，该QKD方法和系统使得两方能够以具有非常高的概率来检测出任何窃听者的方式来共享随机数据。这意味着如果没有检测到窃听者，则各方能够高度确信所共享的随机数据是秘密的。QKD方法和系统例如在US 5515438、US 5999285以及GB2427317A中进行了描述。

无论使用什么特定的QKD系统，QKD方法典型地包括：QKD发射设备10（见附图中的图1）使用QKD发射器12将由随机源11提供的随机数据集经由量子信号信道5发送到QKD接收设备20的QKD接收器22。该QKD发射设备10和QKD接收设备20然后分别在相应的处理子系统13、23中处理经由量子信号信道所发射和所接收的数据，从而导出随机数据集的公共子集m。该处理是在经由不安全经典通信信道6在处理子系统13与23之间交换的消息的协助下完成的，在发射设备10和接收设备20分别的经典信道收发器14和24之间建立所述不安全经典通信信道6。因为量子信号信道5是噪声信道，经由该信道接收的数据的处理包括误差校正阶段，所述误差校正阶段依赖于经由经典信道6交换的消息。

在多数已知的QKD系统中，量子信号被体现为从发射设备通过光纤电缆或自由空间发送到接收设备的随机极化光子流；这种系统典型地根据公知的BB84量子编码方案来操作（参见C.H.Bennett和G.Brassard的 “Quantum Cryptograhy: Public Key Distribution and Coin Tossing”, Proceedings of IEEE International Conference on Computers Systems and Signal Processing, Bangalore India, 1984年12月, pp 175-179）。

在这种系统中，QKD发射器12提供用于选择性地极化光子的光学构件，以及QKD接收器22提供用于接收光子和检测它们的极化的光学构件。典型地，这些光学构件建立两对正交极化轴，该两对极化轴相对于彼此偏移45°。传统地，这两对极化轴分别被称为垂直/水平以及对角/反对角的。现在将分别参考附图中的图2和图3来描述示例QKD发射器12和QKD接收器22。

图2的QKD发射器12包括发光二极管（LED）15A-D的阵列，在每个发光二极管前面是相应的极化滤光器16A-16D。滤光器16A垂直地极化从LED 15A出射的光子，滤光器16B水平地极化从LED 15B出射的光子，滤光器16C对角地极化从LED 16C出射的光子，以及滤光器16D反对角地极化从LED 16D出射的光子。因此，在离开滤光器16A-D的光子流中的每个光子被在四个方向之一上进行极化，这些方向对应于彼此成45°的两对正交极化轴。光纤光导17经由窄带通频率滤光器18（用于将出射的光子限制到窄频率范围，典型地±1nm）以及空间滤光器19（用于限制信道之外的光泄漏）通过透镜将极化后的光子传递出去。还提供了没有具体图示的衰减装置，以减少出射的光子数量；该衰减装置可以简单是放置在其他滤光器附近的衰减滤光器，或可以采取单独的功率控制电路的形式，所述功率控制电路用于调节在被提供脉冲（pulse）时馈送到每个LED 15A-15D的功率。在不利用衰减装置的情况下，每次以正常水平给LED提供脉冲时出射的光子数量将例如在一百万的量级上；在衰减装置置于适当位置的情况下，平均出射率是每10个脉冲1个光子。重要地，这意味着每脉冲很少出射多于一个的光子。

图3中的QKD接收器22包括透镜25、象限检测器（quad-detector）装置30以及光纤光导26，所述光纤光导26用于将通过透镜25接收的光子传递到象限检测器装置30。所述象限检测器装置30包括：分束器31；半波板36，用于将光子的极化旋转45°；第一成对检测器单元32；以及第二成对检测器单元33。第一成对检测器单元32包括极化相关分束器34和检测器37A、37B；分束器34的存在导致检测器37A和37B检测到的极化是相互正交的。第二成对检测器单元33包括极化相关分束器35和检测器37C、37D；分束器35的存在导致检测器37C和37D检测到的极化是相互正交的。半波板36实现的极化旋转导致检测器37A、37B检测到的极化与检测器37C、37D检测到的极化成45°；更具体地，成对检测器单元33被布置为检测水平/垂直极化，而成对检测器单元33被布置为检测对角/反对角极化。

分束器31在图3中描绘为半面涂银镜，但是也能够采用其他形式，诸如衍射光栅。极化相关分束器34、35例如是双折射分束器。

根据BB84协议的图1-3的设备的操作大体如下所述，且QKD发射设备10和QKD接收设备传统地分别被称为“Alice”和“Bob”。假设Alice和Bob关于将在其中发射数据单元的时隙的长度具有预定的协定。

Alice随机地生成（使用源11）很多对比特，典型地为10⁸对的量级。每对比特由数据比特和基础比特组成，后者指示待用于发送数据比特的极化轴对，不管是垂直/水平的还是对角/反对角的。水平地或对角地极化的光子指示二进制1，而垂直地或反对角地极化的光子指示二进制0。每一对的数据比特因此由Alice经由量子信号信道5发送，所述量子信号信道5根据由相同对的基础比特指示的极化方向对进行编码。当从Alice接收到量子信号时，Bob依靠半面涂银镜31的动作，随机地选择它将使用哪个成对检测器单元32、33以及由此哪个基础（极化方向对）来在每个时隙期间检测量子信号并记录结果。随机生成的比特对的数据比特的发送是需要使用量子信道5进行的唯一通信。

接着，Bob经由经典信道6向Alice发送部分接收数据及其基础（也就是极化方向对），而不是确定为接收到的数据比特值，所述部分接收数据包括在其中接收信号的时隙。

Alice然后将其的发射数据的子集m确定为针对其中Bob接收到量子信号并使用正确的基础确定所接收的比特值的时隙所发射的数据比特值。Alice还经由经典信道6向Bob发送识别保持m的数据比特值的时隙的信息。然后，Bob确定构成所接收的数据的数据比特值。操作的下个阶段是通过误差校正过程来对所接收的数据进行误差校正，所述误差校正过程涉及经由经典信道6传递的消息；在误差校正之后，Bob的接收数据应该匹配由Alice保持的数据m，以及这能够通过经由经典信道6交换校验和来确认。

为了经由量子信号信道5成功地传输量子信号，要求该量子信号在两个方向上均与接收设备20的量子信号检测器装置正确对齐，以便发射设备10和接收设备20的极化方向具有相同的方位。在发射设备10与接收设备20两者均固定在适当位置的情况下，这不是主要问题，因为对齐仅仅需要实现一次，也就是在安装设备时实现一次。但是，在设备10和20中的一个或两者是可移动的情况下，对齐是较大的问题，因为对齐需要重复进行。

例如，QKD发射设备可以采用意图与固定的接收设备协作的手持式装置的形式；其中可能是这种情况的一个可能的场景在图4中描绘出。更具体地，在图4中，用户100被示出为持有手持式QKD发射装置10，以与合并到银行ATM（自动出纳机）101中的QKD接收设备20对接。QKD发射装置10和QKD接收装置20，使得用户和ATM能够建立共享秘密密钥，其能够用于加密例如经由QKD系统使用的经典通信信道在它们之间传递的交易消息。

在其中可手持式发射设备意图与固定的接收设备协作的如图4所描绘的情况下，能够使用主动（active）对齐系统来实现量子信号对齐，所述主动对齐系统采用在发射与接收设备之间的对齐信道以生成用于将发射设备2和接收设备4对齐的对齐调节信号；用于手持式QKD发射设备的示例主动对齐系统在美国公布申请20070025551（受让人：惠普发展公司以及英国Bristol大学）中公开。

如果至少对于发射和接收系统的纵轴的对齐来说可以避免对于主动对齐系统的需要，会更好。

已知的是使用位于远程对象处的后向反射器（retro-reflector）来将所发射的束返回其源。后向反射器是沿着矢量将波前反射回的装置或表面，所述矢量与入射角平行但在方向上与之相反。已知许多不同形式的后向反射器（例如，具有形成拐角的一组三个互相垂直的镜子的角形反射器）。后向反射器的一个公知使用是在正在进行的月球激光测距实验中，其使用激光测距测量在地球与月球之间的距离。地球上的激光器瞄准通过阿波罗太空行动11、14和15的工作人员安装在月球上的后向反射器，并确定反射的光返回的时间延迟。

US 6,154,299描述了一种用于远程光学通信的系统，其包括基站和远程站。所述远程站包括后向反射器、多量子阱调制器（MQW）以及驱动该MQW的驱动电路。基站发射器发送询问光束到MQW，MQW基于在来自驱动电路的电信号中的信息来调制光束。后向反射器将调制后的光束反射到基站以便由接收器检测。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了QKD发射器，包括：

后向反射器，用于对引入的光子束进行后向反射；

光学装置，所述光学装置设置在后向反射器前面，并且在功能上从所述后向反射器按序提供：

极化器，用于对光子束施加预定的极化，

极化调制器，其响应于控制信号以相对于所述预定的极化旋转后向反射的光子束的极化，从而对后向反射的束进行极化调制，以及

高速遮光器（shutter），用于将光子传输限制到一连串离散时隙，

所述光学装置还在功能上提供衰减器；

强度检测器，用于输出后向反射的光子强度的指示；以及

强度相关控制器，用于根据所述强度指示来控制QKD发射器。

假设光子束的源在QKD接收器处，使用后向反射器以及用于对后向反射的束进行调制的调制器，有效地确保了所发射的QKD信号（极化调制的后向反射光子束）与QKD接收器的自动方向对齐。

但是，使用后向反射器使得QKD发射器暴露于瞄准发射器的探测束带来的主动监视威胁，因为所反射的探测束将出卖由QKD信号携带的极化；提供强度检测器允许对抗（counter）任何此类探测束的使用。

优选地，QKD发射器是意图用于手持式操作的QKD发射装置的部分。

将理解，如本文中使用的，对QKD发射器或QKD发射设备的引用将被理解为指的是实现量子信号的QKD随机调制的发射器或设备，而非提供形成量子信号的光子的源的设备。

根据本发明的另一方面，提供了一种QKD传输方法，包括：

后向反射引入的光子束；

对所述光子束施加预定的极化；

通过相对于所述预定的极化旋转后向反射的光子束的极化来对后向反射的光子束进行极化调制；以及

将来自光子束的回射（reflection back）限制到一连串离散时隙，

所述方法还包括根据后向反射的光子强度来衰减所述光子束，从而稳定每个时隙的平均后向反射光子计数。

附图说明

现在将参考现有技术和本发明实施例的图解附图，通过非限制性的示例，来描述本发明的实施例，在附图中：

图1是已知的QKD系统的图示；

图2是图1系统的QKD发射器的图示；

图3是图1系统的QKD接收器的图示；

图4是示出使用手持式QKD发射装置以及固定的QKD接收设备的图示；

图5是包括体现本发明的QKD发射器的QKD系统的图示；以及

图6是图5 QKD发射器的调制器/衰减器的图示。

具体实施方式

现在将参考图5和图6描述体现实施例的示例QKD发射器。图5描绘了手持式QKD发射装置10（“Alice”）的QKD发射器12以及QKD接收设备20（“Bob”）的QKD接收器22。Alice和Bob的其他元件（对应于图1的元件11、13、14、23和24）因为其不与本发明直接相关而没有示出。

一般来说，QKD接收设备20（“Bob”）生成光子束（“系统束”51F），其在QKD发射设备10（“Alice”）的方向上发射该光子束。Alice对系统束51F进行后向反射、极化调制并衰减以将小数量的原始光子返回到Bob（“量子信号”51R），所述小数量的原始光子具有由Alice设置的随机极化。然后由Bob随机地检测量子信号光子的极化。

更详细地来说，QKD接收设备20包括：强光子束源50，其生成系统束51F；以及QKD接收器22，其包括部分镀银的镜子52和量子信号检测器，所述量子信号检测器例如被实现为采用上面关于图3描述的形式的象限检测器30。由源50生成的束51F通过镜子52向着QKD发射设备10传输出去，以及由镜子52将返回的量子信号51R反射到量子信号检测器30中。QKD接收设备的形式和操作在其他方面是标准的，且在此不做进一步说明。

Alice的QKD发射器12包括（任何形式的）后向反射器53，在所述后向反射器53的前面定位有光学构件的装置，包括：

窄带通滤光器54，其仅仅允许包含束51F的频率的窄频率带内的光子通过；

极化器56，用于向通过其的光子流施加预定的极化（例如相对于发射器12的水平极化轴为+22.5度）；以及

调制器/衰减器55，用于对通过其的光子流进行极化调制和衰减，以及用于将光子流划分为离散脉冲。

引入的系统束51F横穿光学构件装置54-56，以及由反射器53对此束的后向反射也横穿光学构件装置54-56－因此，为了不使极化器56覆盖（override）由调制器/衰减器55对后向反射的光子流实现的极化调制，极化器56必须设置在后向反射器53与调制器/衰减器55之间。

调制器/衰减器55的一种适当形式在图6中示出，并包括三个功能元件，即：

较低速可切换极化器55A（诸如Pockels单元），用于在调制控制器59的控制下旋转通过其的光子流的极化，对所述调制控制器59馈送随机比特对，所述随机比特对确定极化基础以及数据比特值，如上参考图1-3的QKD系统所述的；方便地，

高速遮光器55B（例如使用层液晶技术来实现），用于将通过其的光子流划分为脉冲（例如划分为2纳秒的脉冲，每200纳秒一个）；调制控制器59还用于控制遮光器55B（遮光可以被认为是一种形式的调制）；以及

可控衰减器55C，用于在衰减控制器58的控制下衰减通过其的光子流以便稳定光子流，从而平均来说返回的量子信号是0.1个光子/脉冲（由此使得在任何一个脉冲中发射两个或更多的光子非常不可能）。

定位遮光器55B以便可切换极化器55A位于遮光器55B与极化器56之间；由此，极化器56、可切换极化器55A以及遮光器55B以接近后向反射器53的此次序出现。衰减器55C相对于其他元件55A、55B的位置不关键。

可以由分离的物理装置提供功能元件55A-55C，或可以在单个物理装置中组合两个或所有三个元件。例如，遮光器55B和衰减器55C可以组合为单个衰减构件，该衰减构件在“闭合”状态中完全衰减，而在“打开”状态中衰减到由衰减控制器设定的水平，以获得上述的0.1个光子/脉冲的平均返回量子信号。

QKD发射器12还包括布置为输出后向反射的光子强度的指示的强度检测器57。这种指示能够通过观察在任何点处（除了后向反射流中衰减器55C的下游处）的引入或后向反射的光子流来生成，但是优选地通过使得后向反射器53的至少一部分为部分透射并将检测器放置在该后向反射器后面来完成。来自强度检测器57的输出被作为输入馈送到衰减控制器，后者被布置为随着检测到的强度的增加来增加由元件55C实现的衰减（以及相反地随着检测到的强度的减小来减小衰减），从而将每脉冲的平均光子计数稳定在预设阈值以下。因此，如果进入QKD发射器12的系统束的强度增加（例如，作为使得QKD接收器22更接近发射器12的结果），在返回的量子信号51R中的平均光子计数依然保持在一定水平（例如0.1），使得每脉冲不太可能返回多于一个光子（要理解，如果返回多于一个光子，窃听者能够观察所返回的量子信号而不被检测到的可能性提高）。

根据所检测的强度来实现衰减控制还具有以下主要优点：使得发射器12免受由第三方瞄准发射器的探测束70F进行的不期望询问的危险。若没有强度相关衰减控制，探测束70F会被后向反射器反射且返回的束70R会被可切换极化器55A以与量子信号相同的方式进行极化。但是，作为探测束70F添加到由检测器57所检测到的强度的结果，由衰减器55C实现的衰减被增加到一水平，由此非常不太可能的是相同的脉冲既提供用于返回到QKD接收器的量子信号51R的光子又提供用于返回到第三方的后向反射的探测束70R的光子。

另一种抵抗窃听者的保护源自在可切换极化器55的面向外部的侧面上提供遮光器55B。在此位置处，遮光器禁止对于可切换极化器55A的状态的外部探查－如果没有遮光器，某个背景水平的光（以及因此后向反射的光子）会不断存在，从而允许可切换极化器55A的极化状态被观察到。

要理解，对于本发明的上述实施例的很多变型是可能的。因此，虽然上面参考图5和6描述的QKD发射器的形式在意图用于手持式操作的QKD发射装置的背景中特别有益，但是将理解的是，QKD发射器也能够用于任何移动或实际固定的QKD发射装置中。

除了通过根据检测到的强度改变衰减来提供抵抗探测束70F的保护之外，由衰减器55C提供的衰减可以是固定的，且控制器58被改为布置为在强度检测器57检测到高于预期的光子强度时（这可以理解为指示存在探测束）中止发射设备10的操作。

要理解，每个脉冲（或更准确地说，其中允许光子通过遮光器55B的时隙）的持续时间能够与上述的不同；但是，该持续时间优选在1到5纳秒的范围内且具有100到500纳秒的范围内的周期。

此外，虽然返回的量子信号51R的每脉冲（时隙）的平均光子计数被陈述为保持在0.1，但是该计数能够被稳定到某个其他值，以及优选地被保持为小于0.5的阈值。

如果系统束51F具有一定程序的扩散，则上面参考图5和6描述的QKD发射器能够用于QKD系统中而无需对齐措施以将QKD发射器和接收器的纵向对齐（虽然如果期望的话能够提供适当的对齐措施）。关于发射器和接收器的极化轴的对齐，将需要采取适当的措施，诸如在美国公布申请20070025551或美国公布申请20060290941中描述的措施。

Claims (18)

1.一种QKD发射器（12），包括：

后向反射器（53），用于对引入的光子束（51F）进行后向反射；

光学装置（54-56），其设置在所述后向反射器（53）前面，并在功能上从所述后向反射器（53）按序提供：

极化器（56），用于对光子束（51F）施加预定的极化，

极化调制器（55A），其响应于控制信号以相对于所述预定的极化旋转后向反射的光子束（51R）的极化，从而对后向反射的束进行极化调制，以及

高速遮光器（55B），用于将光子传输限制到一连串离散时隙，

所述光学装置还在功能上提供衰减器（55C）；

强度检测器（57），用于输出后向反射的光子强度的指示；以及

强度相关控制器（58），用于根据所述强度指示来控制所述QKD发射器（12）；

其中极化器（56）设置在后向反射器（53）与极化调制器（55A）之间。

2.根据权利要求1所述的QKD发射器（12），其中由所述衰减器（55C）实现的衰减的程度是可控的，所述强度相关控制器（58）被布置为根据所述强度指示来控制所述衰减器（55C），从而将每时隙的平均后向反射光子计数稳定在预定阈值以下。

3.根据权利要求1所述的QKD发射器（12），其中所述强度相关控制器（58）被布置为在所述指示指示出乎意料地高的光子强度时中止所述QKD发射器的操作。

4.根据权利要求1所述的QKD发射器（12），其中所述后向反射器（53）的至少一部分是部分透射的，从而允许一定比例的引入光子（51F）从其通过，所述强度检测器（57）设置在所述后向反射器（53）后面，且被布置为提供所述指示作为通过所述后向反射器（53）的光子的强度的度量。

5.根据权利要求2所述的QKD发射器（12），其中所述预定阈值是0.5。

6.根据权利要求2所述的QKD发射器（12），其中每个时隙的持续时间在1到5纳秒的范围内，且具有100到500纳秒的范围内的周期。

7.一种QKD传输方法，包括：

后向反射引入的光子束（51F）；

对所述光子束（51F）施加预定的极化；

通过相对于所述预定的极化旋转后向反射的光子束的极化来对后向反射的光子束（51R）进行极化调制；以及

将来自光子束的回射限制到一连串离散时隙，

所述方法还包括根据后向反射的光子强度来衰减所述光子束，从而稳定每时隙的平均后向反射光子计数。

8.根据权利要求7所述的QKD传输方法，其中所述每时隙的平均后向反射光子计数在衰减后被稳定到小于0.5的值。

9.根据权利要求7所述的QKD传输方法，其中所述每时隙的平均后向反射光子计数在衰减后被稳定到近似0.1的值。

10.根据权利要求7所述的QKD传输方法，其中每个时隙的持续时间在1到5纳秒的范围内，且具有在100到500纳秒的范围内的周期。

11.一种QKD传输系统，包括：

光源，用于生成光子的系统束；以及

通过通信路径与所述光源分开的第一通信终端，所述第一通信终端包括：后向反射器；极化器；极化调制器；用于将光的传输限制到一连串离散时隙的遮光器；光学衰减器，用于衰减通过它的光子流；以及强度检测器，被设置在所述后向反射器后面且被布置为输出强度数据，所述强度数据表示来自系统束的通过所述后向反射器的光子的强度的度量，其中在所述第一通信终端处接收到的系统束使用所述极化器和所述极化调制器被极化调制，以形成量子信号用于后向反射到与所述光源位于同一位置的所述强度检测器；

其中所述极化器被设置在所述后向反射器与所述极化调制器之间。

12.根据权利要求11所述的QKD传输系统，其中所述系统束是未准备的束，其包括具有随机极化和波长的光子。

13.根据权利要求11所述的QKD传输系统，其中所述极化调制器被设置在所述后向反射器与所述遮光器之间。

14.根据权利要求11所述的QKD传输系统，其中所述光学衰减器被设置为用于调节所述系统束的强度。

15.根据权利要求11所述的QKD传输系统，其中所述后向反射器是部分透射的，从而使得来自入射到其上的系统束的一定比例的光子能够从其通过。

16.根据权利要求15所述的QKD传输系统，其中所述强度数据被用于控制由所述衰减器实现的衰减的程度。

17.根据权利要求15所述的QKD传输系统，其中所述强度数据被用于控制所述遮光器。

18.根据权利要求15所述的QKD传输系统，其中所述强度数据被用于控制所述遮光器和衰减器。