CN103248475A - 带有强光编码的量子密钥传输方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带有强光编码的量子密钥传输方法，包括以下步骤：A、量子密钥分发系统的发射端发出发射指令给编码策略配置模块，编码策略配置模块生成编码策略并发送给强光编码模块；编码策略用于对节点的地址编号进行编码；B、强光编码模块根据编码驱动信号对含有发射指令信息的同步光进行强光编码形成强光同步信号并发出强光同步信号和量子光信号给路径选择装置模块；C、路径选择装置模块对强光同步信号进行解码并将接收到的量子光和同步强光信号发到接收端。本发明还公开了一种带有强光编码的量子密钥传输装置。本发明提供了一种多用户在光网络中通信的方法，不仅提高了光网络线路的资源利用率，还降低了多用户间点对点互通所需成本。
Description
技术领域
本发明涉及量子通信领域的量子密钥传输方法，尤其涉及一种带有强光编码的量子密钥传输方法以及一种带有强光编码的量子密钥传输装置。
背景技术
量子密码体系采用量子态作为信息载体，经由量子通道在合法的用户之间传送密钥。量子密码的安全性由量子力学原理所保证。量子密钥分配系统是量子密码体系的核心。量子传输系统的一项关键技术是发送方和接收方信息的同步。发送方产生的同步光，与具有载波信息的量子光耦合到一根光纤传给接收方，接收方对同步光进行甄别，甄别出的同步脉冲作为门控信号提供给单光子探测器来对量子光进行探测，只有信息同步比对上了，才能进行密钥提取工作。根据经典网络信息技术的经验，量子网络信息也必将是量子通信的核心技术，量子网络的趋势必然朝着多用户、高速率、长距离的方向发展。尽管量子密码有着诱人的应用前景，但是受到技术条件限制，实际应用中仍然存在很多问题。目前的量子密码技术主要都是点对点连接，对于如何满足多用户的需求是亟待解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种带有强光编码的量子密钥传输方法，本带有强光编码的量子密钥传输方法通过对同步光即强光进行编码来实现量子网络的寻址，以将量子光传输到特定的线路中，以满足多用户之间的量子通信传输，不仅提高了光网络线路的资源利用率，还降低了多用户间点对点互通所需成本。本发明还提供了一种带有强光编码的量子密钥传输装置，本带有强光编码的量子密钥传输装置不仅提高了光网络线路的资源利用率，还降低了多用户间点对点互通所需成本。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：一种带有强光编码的量子密钥传输方法，其特征在于包括以下步骤：
A、量子密钥分发系统的发射端发出发射指令给量子密钥分发系统的发射端内的编码策略配置模块，编码策略配置模块根据光网络传输特征及节点的数量要求而生成编码策略，并将编码策略以编码驱动信号的形式发送给量子密钥分发系统的发射端内的强光编码模块；所述编码策略用于对节点的地址编号进行编码；所述编码策略用于对节点的地址编号进行编码；
B、强光编码模块根据编码驱动信号对同步光进行强光编码，形成含有发射指令信息的强光同步信号，并将强光同步信号和量子光信号发送给路径选择装置模块；
C、路径选择装置模块对接收到的强光同步信号进行解码并根据解码所得到的地址编号将接收到的量子光和同步强光信号通过相应的线路发到接收端。
作为本发明进一步改进的技术方案，编码策略中为节点设计的地址编号不与光子信号中原有的载波控制信号一致或部分相同。
作为本发明进一步改进的技术方案，强光编码模块通过电光调制器将驱动信号加载到同步光中。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述路径选择装置模块通过信号计数和时钟计时来提取强光同步信号中对端节点的地址标记信号。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述路径选择装置模块所连接的量子线路与光网络中的节点数一致，并且路径选择装置模块与各个光网络节点之间由光纤相连，组成星型网络。
作为本发明进一步改进的技术方案，量子密钥在各条光纤中的传播方向可逆，各个节点处于对等地位，由路径选择装置模块统一管理分配线路。
本发明采取的另一种技术方案为：一种带有强光编码的量子密钥传输装置，其特征在于：包括发射端，所述发射端包括编码策略配置模块、强光编码模块和路径选择装置模块；
编码策略配置模块接收到量子密钥分发系统的发射端发出发射指令后，根据光网络传输特征及节点的数量要求而生成编码策略，并将编码策略以编码驱动信号的形式发送给量子密钥分发系统的发射端内的强光编码模块；所述编码策略用于对节点的地址编号进行编码；所述编码策略用于对节点的地址编号进行编码；
所述强光编码模块根据编码驱动信号对同步光进行强光编码，形成含有发射指令信息的强光同步信号，并将强光同步信号和量子光信号发送给路径选择装置模块；
所述路径选择装置模块对接收到的强光同步信号进行解码并根据解码所得到的地址编号将接收到的量子光和同步强光信号通过相应的线路发到接收端。
作为本发明进一步改进的技术方案，编码策略中为节点设计的地址编号不与光子信号中原有的载波控制信号一致或部分相同；强光编码模块通过电平转换将驱动信号加载到同步光中。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述路径选择装置模块通过信号计数和时钟计时来提取强光同步信号中对端节点的地址标记信号；所述路径选择装置模块所连接的量子线路与光网络中的节点数一致，并且路径选择装置模块与各个光网络节点之间由光纤相连，组成星型网络。
作为本发明进一步改进的技术方案，量子密钥在各条光纤中的传播方向可逆，各个节点处于对等地位，由路径选择装置模块统一管理分配线路。
本带有强光编码的量子密钥传输方法以及带有强光编码的量子密钥传输装置的通信过程是在不改变量子传输系统的现有结构框架的基础上对强光同步信号进行编码，不影响量子光信号的传输过程及传输的安全性；路径选择装置的导向中心在光网络中作为多个节点集连的中心转换站，传播方向是指定的、同时也是可逆的，光网络节点既可为发送端设备系统也可为接收端设备系统，各个节点处于对等地位；量子传输系统的发送端具有主控光信号传输方向的权力，而不是由路径选择装置模块来主动下达控制指令再切换光纤线路，所有切换线路的指令都由发送端发出的强光同步信号进行指令下达。总之，本发明根据编码策略对强光同步信号进行编码，经由路径选择装置对量子密钥进行定向传输，提供了一种多用户在光网络中通信的方法，不仅提高了光网络线路的资源利用率，还降低了多用户间点对点互通所需成本。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。
具体实施方式
实施例1
参见图1，本带有强光编码的量子密钥传输方法，包括以下步骤：
A、量子密钥分发系统的发射端发出发射指令给量子密钥分发系统的发射端内的编码策略配置模块，编码策略配置模块根据光网络传输特征及节点的数量要求而生成编码策略，并将编码策略以编码驱动信号的形式发送给量子密钥分发系统的发射端内的强光编码模块；所述编码策略用于对节点的地址编号进行编码；所述编码策略用于对节点的地址编号进行编码；
B、强光编码模块根据编码驱动信号对同步光进行强光编码，形成含有发射指令信息的强光同步信号，并将强光同步信号和量子光信号发送给路径选择装置模块；
C、路径选择装置模块对接收到的强光同步信号进行解码并根据解码所得到的地址编号将接收到的量子光和同步强光信号通过相应的线路发到接收端。
作为优选方案，编码策略中为节点设计的地址编号不与光子信号中原有的载波控制信号一致或部分相同。强光编码模块通过电光调制器将驱动信号加载到同步光中。所述路径选择装置模块通过信号计数和时钟计时来提取强光同步信号中对端节点的地址标记信号。所述路径选择装置模块所连接的量子线路与光网络中的节点数一致，并且路径选择装置模块与各个光网络节点之间由光纤相连，组成星型网络。量子密钥在各条光纤中的传播方向可逆，各个节点处于对等地位，由路径选择装置模块统一管理分配线路。
本带有强光编码的量子密钥传输方法在具体实施时，首先根据网络的规模为光网络中每个节点设计一个具有唯一属性的地址编号，并根据编码策略配置模块的特征要求为光网络的传输设计符合要求的编码策略，并在此节点进行配置，为所述强光编码模块提供驱动信号。
量子密钥分发系统的发射端设备本身内部有很多模块，所述编码策略配置模块和强光编码模块是为了达到本带有强光编码的量子密钥传输方法的效果而提出的加载到量子密钥分发系统的发射端中的新功能模块。网络中的每个节点，既可是发送端节点也可是接收端节点，都赋予唯一可标识的地址编号，用来作为寻址标记，即发送方根据接收端特定的地址编号即目的地址将光子信息发送出去，同时接收端收到光子信息后可通过对发送端唯一的地址编号即源地址进行识别来判断发送端节点的信息；本带有强光编码的量子密钥传输方法的地址编号是由人员自行约定，如把Alice设定为100，把BobA设定为010，BobB设定为001，根据网络节点的数量规模来确定几位的地址编号；通常节点数越多，编码位数越多，网络越复杂，编码位数越多，约束越多，编码位数越多，一旦确定，不随意更改。编码策略中为节点设计的地址编号不应与光子信号中原有的载波控制信号一致或部分相同，用以区分地址信号和控制信号，以防同步光丢失或时序错乱而引起信号无法正确测量及判断识别，导致所述路径选择装置模块不可正确定向转发信息，接收端不可有效识别收到的信息。进行编码配置时，应考虑对端节点地址标记信号、本节点地址标记信号及门控信号的时序，比如策略可以是发1个同步光门控信号后再发1个源地址标记信号和1个目的地址标记信号，还可以是发100个同步光门控信号后再发1个源地址标记信号和1个目的地址标记信号，依照个数约定，还是依照时间约定，依照个数就要有计数器，依照时间就要有计时器。策略实际上就是指一种标准、一种约定，由许多约束条件组成；地址编号和控制信号只是其中某种约束条件中的某个参数，且又是此发明实现此模块功能的最重要的考虑因素；编码配置就是将编码策略中多个考虑因素综合起来，设计出来的编码规范。所述编码策略配置模块需根据设计好的策略进行编码配置，为所述强光编码模块提供驱动信号。
经过编码策略模块后出来的信号，作为所述强光编码模块的驱动信号。所述强光编码模块，是在收到上述编码策略配置模块所提供的驱动信号时，对同步光进行强光编码。
所述驱动信号是数字信号，在进入强光编码模块后，首先经过数模转换，再通过光电控制器将驱动信号加载到同步光中，对同步光进行强光编码，形成含有发射指令信息的强光同步信号。本带有强光编码的量子密钥传输方法实施时，量子密钥分发系统的发射端给出的指令，可表示相应的量子和同步信息需要发向谁，发多久等信息。同步光信号不仅具有门控信号的作用，通过整个设计，还具有定向传输光信号的作用。本实施例中，对强光同步信号进行编码可用电光调制器控制, 电光调制器是高速、长距离光通信的关键器件，也是最重要的集成光学器件之一，它是通过电压或电场的变化最终调控输出光的折射率、吸收率、振幅或相位的器件。为了降低误码率，单光子计数的准确无误，量子传输系统首先要保证每次同步光和量子光发射出去的时序及间隔相同，才可方便接收端同步光探测器获得的同步信号进行延时控制之后提供给量子光探测器作为门触发脉冲，由于本方法中强光编码模块仅对同步光进行编码操作，而改变量子信号和强光同步信号的时序，所以在同步光和量子光发送前，需要重新计算并调整同步光和量子光传输的时序和间隔。
作为节点的量子密钥分发系统的发射端的同步光和量子光通过光纤传输到所述路径选择装置模块中，作为量子密钥传输的导向中心，路径选择装置模块识别来自光网络中的强光同步信号，提取用来量子网络寻址的地址编号，进行路径选择比对、判断，确定正确的量子密钥传输方向且调控线路，将含有门控信号的同步光和量子光转送到通向指定的接收端线路中，如发送到图1中BobA或BobB的线路中。
所述路径选择装置模块是独立的一个模块装置，可以理解为另外一台设备装置。所述路径选择装置模块在光网络中作为多个节点集连的中心转换站，所起到的作用是导向中心，配合上述编码策略的规则，根据实际配置的情况，将光信号传输给指定的节点。相对于上述的编码策略配置模块和强光编码模块所做的寻址编码操作，所述路径选择装置模块所做的任务为解码操作，此为路径选择装置模块所需完成的识别、判断工作。所述路径选择装置模块应有强光探测功能，对强光同步信号进行识别操作。所述路径选择装置模块应具有信号计数和时钟功能，用来正确提取强光同步信号编码中对端节点地址标记信号，通过识别、匹对，对光信号进行判断操作，选择正确的量子密钥传输方向。所述路径选择装置模块另一个所需完成的工作为调控线路，根据选定的量子密钥传输的方向，将路径选择装置模块收到的量子光和同步光转发到指定节点的线路中。所述路径选择装置模块所连接的量子线路应与光网络中的节点数一致，且路径选择装置模块与各个光网络节点之间由光纤相连，组成星型网络。量子密钥在各条光纤中的传播方向也是可逆的，各个节点处于对等地位，由路径选择装置模块统一管理分配线路。量子密钥分配线路的切换操作可通过光开关实现。
实施例2
参见图1，本带有强光编码的量子密钥传输装置，包括发射端，所述发射端包括编码策略配置模块、强光编码模块和路径选择装置模块；编码策略配置模块接收到量子密钥分发系统的发射端发出发射指令后，根据光网络传输特征及节点的数量要求而生成编码策略，并将编码策略以编码驱动信号的形式发送给量子密钥分发系统的发射端内的强光编码模块；所述编码策略用于对节点的地址编号进行编码；所述编码策略用于对节点的地址编号进行编码；所述强光编码模块根据编码驱动信号对同步光进行强光编码，形成含有发射指令信息的强光同步信号，并将强光同步信号和量子光信号发送给路径选择装置模块；所述路径选择装置模块对接收到的强光同步信号进行解码并根据解码所得到的地址编号将收到的量子光和同步强光信号通过相应的线路发到接收端。
本带有强光编码的量子密钥传输装置在具体实工作时，首先根据网络的规模为光网络中每个节点设计一个具有唯一属性的地址编号，并根据编码策略配置模块的特征要求为光网络的传输设计符合要求的编码策略，并在此节点进行配置，为所述强光编码模块提供驱动信号。
量子密钥分发系统的发射端设备本身内部有很多模块，所述编码策略配置模块和强光编码模块是为了达到本带有强光编码的量子密钥传输方法的效果而提出的加载到量子密钥分发系统的发射端中的新功能模块。网络中的每个节点，既可是发送端节点也可是接收端节点，都赋予唯一可标识的地址编号，用来作为寻址标记，即发送方根据接收端特定的地址编号即目的地址将光子信息发送出去，同时接收端收到光子信息后可通过对发送端唯一的地址编号即源地址进行识别来判断发送端节点的信息；本带有强光编码的量子密钥传输方法的地址编号是由人员自行约定，如把Alice设定为100，把BobA设定为010，BobB设定为001，根据网络节点的数量规模来确定几位的地址编号；通常节点数越多，编码位数越多，网络越复杂，编码位数越多，约束越多，编码位数越多，一旦确定，不随意更改。编码策略中为节点设计的地址编号不应与光子信号中原有的载波控制信号一致或部分相同，用以区分地址信号和控制信号，以防同步光丢失或时序错乱而引起信号无法正确测量及判断识别，导致所述路径选择装置模块不可正确定向转发信息，接收端不可有效识别收到的信息。进行编码配置时，应考虑对端节点地址标记信号、本节点地址标记信号及门控信号的时序，比如策略可以是发1个同步光门控信号后再发1个源地址标记信号和1个目的地址标记信号，还可以是发100个同步光门控信号后再发1个源地址标记信号和1个目的地址标记信号，依照个数约定，还是依照时间约定，依照个数就要有计数器，依照时间就要有计时器。策略实际上就是指一种标准、一种约定，由许多约束条件组成；地址编号和控制信号只是其中某种约束条件中的某个参数，且又是此发明实现此模块功能的最重要的考虑因素；编码配置就是将编码策略中多个考虑因素综合起来，设计出来的编码规范。所述编码策略配置模块需根据设计好的策略进行编码配置，为所述强光编码模块提供驱动信号。
经过编码策略模块后出来的信号，作为所述强光编码模块的驱动信号。所述强光编码模块，是在收到上述编码策略配置模块所提供的驱动信号时，对同步光进行强光编码。
所述驱动信号是数字信号，在进入强光编码模块后，首先经过数模转换，再通过光电控制器将驱动信号加载到同步光中，对同步光进行强光编码，形成含有发射指令信息的强光同步信号。本带有强光编码的量子密钥传输方法实施时，量子密钥分发系统的发射端给出的指令，可表示相应的量子和同步信息需要发向谁，发多久等信息。同步光信号不仅具有门控信号的作用，通过整个设计，还具有定向传输光信号的作用。本实施例中，对强光同步信号进行编码可用电光调制器控制, 电光调制器是高速、长距离光通信的关键器件，也是最重要的集成光学器件之一，它是通过电压或电场的变化最终调控输出光的折射率、吸收率、振幅或相位的器件。为了降低误码率，单光子计数的准确无误，量子传输系统首先要保证每次同步光和量子光发射出去的时序及间隔相同，才可方便接收端同步光探测器获得的同步信号进行延时控制之后提供给量子光探测器作为门触发脉冲，由于本方法中强光编码模块仅对同步光进行编码操作，而改变量子信号和强光同步信号的时序，所以在同步光和量子光发送前，需要重新计算并调整同步光和量子光传输的时序和间隔。
作为节点的量子密钥分发系统的发射端的同步光和量子光通过光纤传输到所述路径选择装置模块中，作为量子密钥传输的导向中心，路径选择装置模块识别来自光网络中的强光同步信号，提取用来量子网络寻址的地址编号，进行路径选择比对、判断，确定正确的量子密钥传输方向且调控线路，将含有门控信号的同步光和量子光转送到通向指定的接收端线路中，如发送到图1中BobA或BobB的线路中。
所述路径选择装置模块是独立的一个模块装置，可以理解为另外一台设备装置。所述路径选择装置模块在光网络中作为多个节点集连的中心转换站，所起到的作用是导向中心，配合上述编码策略的规则，根据实际配置的情况，将光信号传输给指定的节点。相对于上述的编码策略配置模块和强光编码模块所做的寻址编码操作，所述路径选择装置模块所做的任务为解码操作，此为路径选择装置模块所需完成的识别、判断工作。所述路径选择装置模块应有强光探测功能，对强光同步信号进行识别操作。所述路径选择装置模块应具有信号计数和时钟功能，用来正确提取强光同步信号编码中对端节点地址标记信号，通过识别、匹对，对光信号进行判断操作，选择正确的量子密钥传输方向。所述路径选择装置模块另一个所需完成的工作为调控线路，根据选定的量子密钥传输的方向，将路径选择装置模块收到的量子光和同步光转发到指定节点的线路中。所述路径选择装置模块所连接的量子线路应与光网络中的节点数一致，且路径选择装置模块与各个光网络节点之间由光纤相连，组成星型网络。量子密钥在各条光纤中的传播方向也是可逆的，各个节点处于对等地位，由路径选择装置模块统一管理分配线路。量子密钥分配线路的切换操作可通过光开关实现。
Claims (10)
1.一种带有强光编码的量子密钥传输方法，其特征在于包括以下步骤：
A、量子密钥分发系统的发射端发出发射指令给量子密钥分发系统的发射端内的编码策略配置模块，编码策略配置模块根据光网络传输特征及节点的数量要求而生成编码策略，并将编码策略以编码驱动信号的形式发送给量子密钥分发系统的发射端内的强光编码模块；所述编码策略用于对节点的地址编号进行编码；所述编码策略用于对节点的地址编号进行编码；
B、强光编码模块根据编码驱动信号对同步光进行强光编码，形成含有发射指令信息的强光同步信号，并将强光同步信号和量子光信号发送给路径选择装置模块；
C、路径选择装置模块对接收到的强光同步信号进行解码并根据解码所得到的地址编号将接收到的量子光和同步强光信号通过相应的线路发到接收端。
2.根据权利要求1所述的带有强光编码的量子密钥传输方法，其特征在于：编码策略中为节点设计的地址编号不与光子信号中原有的载波控制信号一致或部分相同。
3.根据权利要求1所述的带有强光编码的量子密钥传输方法，其特征在于：强光编码模块通过电平转换将驱动信号加载到同步光中。
4.根据权利要求1所述的带有强光编码的量子密钥传输方法，其特征在于：所述路径选择装置模块通过信号计数和时钟计时来提取强光同步信号中对端节点的地址标记信号。
5.根据权利要求1所述的带有强光编码的量子密钥传输方法，其特征在于：所述路径选择装置模块所连接的量子线路与光网络中的节点数一致，并且路径选择装置模块与各个光网络节点之间由光纤相连，组成星型网络。
6.根据权利要求1所述的带有强光编码的量子密钥传输方法，其特征在于：量子密钥在各条光纤中的传播方向可逆，各个节点处于对等地位，由路径选择装置模块统一管理分配线路。
7.一种带有强光编码的量子密钥传输装置，其特征在于：包括发射端，所述发射端包括编码策略配置模块、强光编码模块和路径选择装置模块；
编码策略配置模块接收到量子密钥分发系统的发射端发出发射指令后，根据光网络传输特征及节点的数量要求而生成编码策略，并将编码策略以编码驱动信号的形式发送给量子密钥分发系统的发射端内的强光编码模块；所述编码策略用于对节点的地址编号进行编码；所述编码策略用于对节点的地址编号进行编码；
所述强光编码模块根据编码驱动信号对同步光进行强光编码，形成含有发射指令信息的强光同步信号，并将强光同步信号和量子光信号发送给路径选择装置模块；
所述路径选择装置模块对接收到的强光同步信号进行解码并根据解码所得到的地址编号将接收到的量子光和同步强光信号通过相应的线路发到接收端。
8.根据权利要求7所述的带有强光编码的量子密钥传输装置，其特征在于：编码策略中为节点设计的地址编号不与光子信号中原有的载波控制信号一致或部分相同；强光编码模块通过电平转换将驱动信号加载到同步光中。
9.根据权利要求7所述的带有强光编码的量子密钥传输装置，其特征在于：所述路径选择装置模块通过信号计数和时钟计时来提取强光同步信号中对端节点的地址标记信号；所述路径选择装置模块所连接的量子线路与光网络中的节点数一致，并且路径选择装置模块与各个光网络节点之间由光纤相连，组成星型网络。
10.1根据权利要求7或8或9所述的带有强光编码的量子密钥传输装置，其特征在于：量子密钥在各条光纤中的传播方向可逆，各个节点处于对等地位，由路径选择装置模块统一管理分配线路。
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