CN103414553A - 基于时隙交织主动偏振补偿的量子密钥分发系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于时隙交织主动偏振补偿的量子密钥分发系统及方法，包括发送端、光信号发生模块、偏振调制器、同步信号发生器、波分复用模块、解波分复用模块、同步信号接收器、偏振解调器、信号检测模块和接收端。本发明采用的参考光脉冲信号与量子脉冲信号为同一波长，且所述参考光脉冲信号的单个脉冲能量的量级远大于量子脉冲信号的单个脉冲能量的量级，能用光电探测器进行检测，检测时无需多次对参考光脉冲进行累加求和，可极大提升偏振补偿速率；在主动偏振补偿后，不同的偏振编码基用统一偏振检测装置检测，可以减少SPAD的数量；采用光开关对检测光路进行切换，避免强的参考光脉冲信号直接轰击SPAD，从而保证量子信号通信质量。
Description
技术领域
本发明涉及一种偏振编码量子密钥分发系统及方法，具体涉及一种能够实现实时通信的基于时隙交织主动偏振补偿的量子密钥分发系统及方法，属于量子保密通信、信息安全等技术领域。
背景技术
量子密钥分配技术（QKD）能够为合法的用户提供无条件安全交换密钥，在通信信息安全等领域有着广泛的应用。量子通信信号在传统的单模光纤上传输时，由于光纤上存在双折射效应，会显著改变量子信号的偏振态，对通信效果造成干扰。因此必须采用主动偏振补偿技术（APC）使量子通信信号能够保持一个稳定的偏振态。传统上，有三种适用于QKD系统的主动偏振补偿方法。
第一种被称为“中断法”，是通过中断通信来对通信信号的偏振态进行补偿。Cheng. Z. P, Jun. Z, Dong. Y等的《Experimental long-distance decoy-state quantum key distribution based on polarization》文中和Chen. J, Wu. G, Li. Y, Wu. E的《Active polarization stabilization in optical fibers suitable for quantum key distribution》文章中均对这种方法做了研究。但是，由于通信不断被中断，这种方法通信的效率很低。
第二种方法是Xavier. G.B, Walenta. N, De Faria. G. V等在《Experimental polarization encoded quantum key distribution over optical fibres with real-time continuous birefringence compensation》一文中提出的基于波分复用的主动偏振补偿方法。它能够在不中断通信的前提下，通过临近波长的参考光测算双折射延迟，锁定光子的偏振态。但是，这种方法非常占用通信带宽，并且受限于波长的相干特性，偏振态的补偿并不是很精确。
第三种方法采用时分复用技术，以Chen. J, Wu. G, Xu. L, Gu. X等在《Stable quantum key distribution with active polarization control based on time-division》文中所述的方法最为典型。这种方法采用的参考光信号和量子信号都是同一波长，相干性好。因此，偏振态补偿的精度高。但是，这种方法要求参考信号的强度在单光子量级，以避免参考信号直接轰击SPAD，导致暗计数率剧增；并且，在偏振补偿过程中需要对参考光信号进行大量的累加求和，会降低通信速度，难以实现高速实时通信。
因此，需要一种能够实现高效率、高精度、实时通信的量子密钥分配系统。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种能够实现高效率、高精度、实时通信的基于时隙交织主动偏振补偿技术的偏振编码量子密钥分发系统及方法。本发明同时具有高通信效率、低暗计数率和量子误码率等优点，是实现量子密钥分配（QKD）的有效方法。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
基于时隙交织主动偏振补偿的量子密钥分发系统，包括发送方和接收方，所述发送方将密钥信息发送至接收方，所述发送方包括：发送端，用于产生控制信号；光信号发生模块，接收发送端的控制信号后产生通信脉冲信号，所述通信脉冲信号包括参考光脉冲信号和量子脉冲信号；偏振调制器，接收所述通信脉冲信号后进行偏振编码；同步信号发生器，接收发送端的控制信号后产生同步信号；波分复用模块，将所述通信脉冲信号和同步信号波分复用；所述接收方包括：解波分复用模块，根据接收的波分复用后的信号分离出通信脉冲信号和同步信号；同步信号接收器，对接收的同步信号进行处理，获取每个通信脉冲信号到达的时间信息和类型信息；偏振解调器，对接收到的通信脉冲信号的偏振态进行主动补偿和选择解调基进行偏振解码；信号检测模块，检测所述解码后的通信脉冲信号区分参考光脉冲信号和量子脉冲信号，将所述参考光脉冲信号和量子脉冲信号作为检测结果发送；接收端，用于接收所述检测结果获取密钥信息。
作为本发明的一种优选技术方案：所述光信号发生模块包括依次连接的激光器、电光调制器、可变光衰减器、耦合器。
作为本发明的一种优选技术方案：所述同步信号接收器包括驱动缓冲器、锁相环、倍频器、除法器，其中所述驱动缓冲器用于存储接收的同步信号后将所述同步信号分别发送至锁相环和除法器；所述锁相环用于恢复出与所述同步信号对应的同步信号时钟信号；所述倍频器用于获取所述同步信号时钟信号的倍频信号；所述除法器根据所述同步信号和倍频信号获取起始信号。
作为本发明的一种优选技术方案：所述偏振解调器包括偏振控制器和偏振分束器，所述偏振控制器用于对接收到的通信脉冲信号的偏振态进行主动补偿，并随机选择解调基进行解码；所述偏振分束器用于对解码后的通信脉冲信号根据偏振态分离后输出。
作为本发明的一种优选技术方案：所述信号检测模块包括光开关、光电探测器、SPAD，其中所述光开关分别接收所述不同偏振态的通信脉冲信号和接收方的反馈信号，并将每种通信脉冲信号中的参考光脉冲信号和量子脉冲信号分开；所述光电探测器用于检测参考光脉冲信号；所述SPAD用于检测量子脉冲信号。
一种基于上述基于时隙交织主动偏振补偿的量子密钥分发系统的方法，包括以下步骤：
步骤（1）利用发送方产生通信脉冲信号，所述通信脉冲信号包括同一波长的参考光脉冲信号和量子脉冲信号，且所述参考光脉冲信号的单个脉冲能量的量级远大于量子脉冲信号的单个脉冲能量的量级；同时发送方产生与所述通信脉冲信号相对应的同步信号；
步骤（2）所述发送方选择正交的偏振态作为编码基对所述通信脉冲信号进行偏振编码；
步骤（3）所述发送方将所述编码后的通信脉冲信号和同步信号波分复用；
步骤（4）利用接收方根据所述波分复用后的信号分离出通信脉冲信号和同步信号；
步骤（5）然后对传输过程中的通信脉冲信号的偏正态进行主动补偿，并对补偿后的通信脉冲信号进行偏振解码，所述接收方根据偏振态将解码后的通信脉冲信号分开输出；
步骤（6）所述接收方检测偏振解码后的通信脉冲信号分离出参考光脉冲信号和量子脉冲信号，根据所述量子脉冲信号获取密钥信息。
作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤（1）中参考光脉冲信号的单个脉冲能量在10-12J至10-9J范围内，所述量子脉冲信号的单个脉冲能量为在10-19J至10-20J范围内。
作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤（5）中接收方对接收的同步信号的处理具体为：
步骤（51）利用同步信号接收器接收同步信号，其中所述每个同步信号的脉冲对应一个通信脉冲信号的脉冲；
步骤（52）所述同步信号接收器根据接收的同步信号恢复出与所述同步信号对应的同步信号时钟信号；
步骤（53）所述接收端将接收的同步信号时钟信号作为判断通信脉冲信号脉冲到达的依据；同时，所述同步信号接收器获取同步信号时钟的倍频信号；
步骤（54）所述同步信号接收器对所述倍频信号和同步信号处理，获取用于做通信单元到达的判决依据的起始信号；
步骤（55）所述同步信号接收器获取每个通信脉冲信号到达的时间信息和类型信息发送给接收端。
作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤（5）中接收方随机选择通信脉冲信号的一对正交的偏振态作为解调基，对所述通信脉冲信号的偏振态补偿偏振角度，然后采用解调基进行解码。
作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤（6）中接收方利用光开关将每个偏振态的通信脉冲信号分离出参考光脉冲信号和量子脉冲信号。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
(1) 在主动偏振补偿中，不需要中断通信过程，通信效率高，并且能实现实时通信。
(2) 采用的参考光脉冲信号与量子脉冲信号为同一波长，偏振补偿精度高，占用的通信带宽少。
(3) 参考光脉冲信号的功率比量子脉冲信号高数个量级，并且在接收的时候，采用普通光电探测器接收参考光脉冲信号无需对参考光脉冲进行累加求和，可以极大提升偏振补偿速率，实现高速实时通信。
（4）信号检测时，不同的编码基采用同一偏振检测装置检测，减少SPAD的使用数量，降低系统成本。
(5) 采用光开关对参考光脉冲信号和量子脉冲信号的检测光路进行切换，避免过强的参考光脉冲信号直接轰击SPAD，导致暗计数率剧增，从而保证量子信号的通信质量。
附图说明
图1是本发明的基于时隙交织主动偏振补偿的量子密钥分发系统的模块示意图。
图2是本发明的中光信号发生模块的工作原理图。
图3是本发明的偏振控制器的工作原理图。
图4是本发明的同步信号接收器的工作原理图。
图5是本发明的偏振解调器的工作原理图。
图6是本发明的信号检测模块的工作原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做详细说明：
如图1所示，本发明提供了一种基于时隙交织主动偏振补偿的量子密钥分发系统，包括发送方和接收方，所述发送方将密钥信息发送至接收方，所述发送方包括：发送端，用于产生控制信号；光信号发生模块，接收发送端的控制信号后产生通信脉冲信号，所述通信脉冲信号包括参考光脉冲信号和量子脉冲信号；偏振调制器，接收所述通信脉冲信号后进行偏振编码；同步信号发生器，接收发送端的控制信号后产生同步信号；波分复用模块，将所述通信脉冲信号和同步信号波分复用；所述接收方包括：解波分复用模块，根据接收的波分复用后的信号分离出通信脉冲信号和同步信号；同步信号接收器，对接收的同步信号进行处理，获取每个通信脉冲信号到达的时间信息和类型信息；偏振解调器，对接收到的通信脉冲信号的偏振态进行主动补偿和选择解调基进行偏振解码；信号检测模块，检测所述解码后的通信脉冲信号区分参考光脉冲信号和量子脉冲信号，将所述参考光脉冲信号和量子脉冲信号作为检测结果发送；接收端，用于接收所述检测结果获取密钥信息。
发送端是通信过程中信息的发送者。具体来说，发送端是能够产生控制信号控制在发送端的各个模块，发送通信信号的硬件设备和软件。可以由嵌入式可编程逻辑器件实现，也可以由电脑等上位机实现。
接收端是通信过程中信息的接收者。具体来说，接收端是实现能够控制在接收端的各个模块，实现通信信号接收的硬件设备和软件。可以由嵌入式可编程逻辑器件实现，也可以由电脑等上位机实现。
光信号发生模块包括依次连接的激光器、电光调制器和可变光衰减器、耦合器。光信号发生模块的工作原理如图2所示，其为本发明的光信号发送模块的一种具体实施方式，它由激光器LD、电光调制器EOM和可变光衰减器VOA构成光脉冲信号的发生装置。在本实施方案中，由发送方的发送端控制两路光脉冲信号发生装置，分别发出波长均为λ2的参考光脉冲信号和量子脉冲信号，参考光脉冲信号和量子脉冲信号均是线偏振光。其中，参考光脉冲信号和量子脉冲信号在时间上交错开来，并且参考光脉冲信号的能量比量子脉冲信号要高数个量级，达到能够用普通光电探测器检测的程度。参考光脉冲信号和量子脉冲信号经过耦合后形成通信脉冲信号。
同步信号发生器是能够实现由发送方的发送端控制，在某个光波频带调制和发送同步信号的设备。具体可以采用激光器和电光调制器实现，也可以采用小型可插入式设备（SFP）实现，也可以采用其它的方法实现。
偏振调制器包括偏振控制器，由发送端控制偏振控制器。如图3所示的是偏振调制器的工作原理图，如下为其一种实现方案，由发送端控制偏振控制器，随机选择一种偏振编码方式，对通信信号进行偏振编码。比如，可能采用+45°和-45°的偏正态作为脉冲信号的编码方法；也可能采用0°和90°的偏振态作为信号的编码方法。在选用+45°和-45°的编码基时，可以用+45°的偏振态表示“1”，-45°的偏振态表示“0”；选用0°和90°的编码基时，可以用90°的偏振态表示“1”，0°的偏振态表示“0”。经过偏振调制器后，通信脉冲信号包含多种偏振态，并承载了通信密钥信息。
偏振解调器包括偏振控制器和偏振分束器，偏振控制器用于对接收到的通信脉冲信号的偏振态进行主动补偿和随机选择偏振信号的解调基进行解码；偏振分束器根据偏振控制器处理后的通信脉冲信号分出不同偏振态的通信脉冲信号后输出。如附图4所示是偏振解调器的工作原理图，如下为其一种实现方案，接收端控制偏振控制器对接收到的通信脉冲信号的偏振进行主动补偿。同时，对上述+45°和-45°的偏振编码方法额外补偿+45°，使其与0°和90°的偏振方法统一，再进入偏振分束器。偏振分束器将通信信号分为偏振态正交的两路光信号，送入信号检测模块。图4中所示，分离后的两路光信号偏振态实线、虚线分别为0°和90°。
信号检测模块包括光开关、光电探测器、SPAD，所述光开关分别与光电探测器、SPAD连接；所述光电探测器、SPAD分别与接收端连接。其中光开关分别接收所述不同偏振态的通信脉冲信号和接收端的反馈信号，并将每种通信脉冲信号中的参考光脉冲信号和量子脉冲信号分开；所述光电探测器用于检测参考光脉冲信号；所述SPAD用于检测量子脉冲信号。如图5所示的是信号检测模块的工作原理图，虚线表示偏振态为90°的通信脉冲信号，实线表示偏振态为0°的通信脉冲信号，接收方参考同步信号控制两个光开关分别将每个通信脉冲信号的参考光脉冲信号和量子脉冲信号分开。图5中的较高信号表示参考光脉冲信号，采用普通光电探测器PD1和PD2进行检测，图5中的较低的量子脉冲信号采用SPAD1和SPD2检测。参考光脉冲信号的检测结果送入接收端，用于计算传输过程中的偏振态变化量，从而进行主动偏振补偿；量子脉冲信号的检测结果承载了发送方发送的密钥信息。
同步信号发生器包括驱动缓冲器、除法器、锁相环、倍频器，所述驱动缓冲器分别与除法器、锁相环连接；所述锁相环分别与倍频器、接收端、偏振解调器、信号检测模块连接；所述倍频器与除法器连接；所述除法器分别与接收端、偏振解调器、信号检测模块连接。其中驱动缓冲器用于存储接收的同步信号后分别送入锁相环和除法器；锁相环用于恢复出与所述同步信号对应的同步信号时钟信号；倍频器用于获取所述同步信号时钟信号的倍频信号；所述除法器根据所述同步信号和倍频信号获取起始信号。如图6所示是同步信号接收器的工作原理图，如下为其一种实现方案。同步信号接收器接收到的同步信号与通信信号的脉冲相对应。在图6的同步信号接收器中，同步信号先被存入驱动缓冲器中，之后被分为两路，分别送入锁相环和除法器中。锁相环通过同步信号，恢复出与同步信号对应的同步信号时钟信号。其中一路送入接收端，作为判断通信信号脉冲到达的依据；另一路送入倍频器，获取同步信号时钟的倍频信号。倍频信号和同步信号在除法器处理后，获取低频的起始信号，用于做通信单元到达的判决依据。如图6所示，起始信号的上升沿表示有新的通信单元到达。本模块在具体实现时可以采用SFP实现，也可以采用其它的器件实现。
本发明基于上述系统的基于时隙交织主动偏振补偿的量子密钥分发系统的方法如下：
步骤（1）利用发送方产生通信脉冲信号，所述通信脉冲信号包括同一波长的参考光脉冲信号和量子脉冲信号，且所述参考光脉冲信号的单个脉冲能量的量级远大于量子脉冲信号的单个脉冲能量的量级；同时发送方产生与所述通信脉冲信号相对应的同步信号；
步骤（2）所述发送方选择正交的偏振态作为编码基对所述通信脉冲信号进行偏振编码；
步骤（3）所述发送方将所述编码后的通信脉冲信号和同步信号波分复用；
步骤（4）利用接收方根据所述波分复用后的信号分离出通信脉冲信号和同步信号；
步骤（5）所述接收方对所述分离的同步信号进行处理，获取每个通信脉冲信号到达的时间信息和类型信息；然后对传输过程中的通信脉冲信号的偏正态进行主动补偿，并对补偿后的通信脉冲信号进行偏振解码，所述接收方根据偏振态将解码后的通信脉冲信号分开输出；
步骤（6）所述接收方检测偏振解码后的通信脉冲信号分离出参考光脉冲信号和量子脉冲信号，根据所述量子脉冲信号获取密钥信息。
其过程具体为：所述的发送方的发送端是通信过程中信息的发送者。发送端根据需要发送密钥的内容和通信协议，控制光信号发生模块、偏振调制器向接收端发送出按照一定通信协议进行调制的通信脉冲信号λ2。其中，通信脉冲信号λ2可以细分为一个个的信号单元。每个信号单元由时分复用的参考光脉冲信号与量子脉冲信号按照一定的格式组成。例如，可以采用两个参考光脉冲信号和48个量子脉冲信号作为一个通信脉冲信号单元，也可以采用两个参考光脉冲信号和98个量子脉冲信号作为一个通信信号单元，也可以采用其它的发送方式。参考光脉冲信号用于做主动偏振补偿的参考量，量子脉冲信号为发送方发送信息内容的载体，二者均为线偏振光。通信脉冲信号的每个脉冲发送时，会随机采用一种偏振编码方法，作为此脉冲信号的编码基。比如，可能采用+45°和-45°的偏正态作为脉冲信号的编码方法；也可能采用0°和90°的偏振态作为信号的编码方法。在选用+45°和-45°的编码基时，可以用+45°的偏振态表示“1”，-45°的偏振态表示“0”；选用0°和90°的编码基时，可以用90°的偏振态表示“1”，0°的偏振态表示“0”。另外在通信脉冲信号中，参考光脉冲信号的能量要比量子脉冲信号的能量高数个量级。参考光脉冲信号的单个脉冲的平均能量约在10-12J至10-9J范围内，达到能用普通光电探测器检测的程度，使得参考光脉冲信号能与量子脉冲信号分开检测，避免强的参考光脉冲信号直接轰击SPAD；量子脉冲信号的单个脉冲的平均能量在10-19J至10-20J范围内。并且每个通信脉冲单元的参考光脉冲信号必须有多个偏振态，以便能对不同偏振编码类型的量子脉冲信号进行主动偏振补偿。同时，发送端还需控制同步信号发生器用另一波长向接收方发送与通信脉冲信号相对应的同步信号λ1。最后，通信脉冲信号λ2和同步信号λ1在波分复用后，经过传输光纤最终到达接收方。
所述的接收方的接收端是通信过程中信息的接收者。当接收到从传输光纤传输过来的通信脉冲信号λ2和同步信号λ1之后，通过解波分复用将同步信号λ1与通信脉冲信号λ2分离开来。同步信号λ2经过同步信号接收器处理后，将通信脉冲信号的类型信息和到达的时间信息传递给接收端；而通信脉冲信号λ2则经过偏振解调器和信号检测模块后，最后将通信信息传送给接收端。
所述的同步信号接收器其功能是接收和处理同步信号λ1，从中获取每个通信脉冲信号脉冲到达的时间信息，并区分到达的脉冲为参考光脉冲信号还是量子脉冲信号，将结果传输给接收方。具体来说，同步信号接收器接收到的同步信号是一系列与通信信号脉冲相对应的脉冲信号。每个同步信号的脉冲对应一个通信信号的脉冲。这样，同步信号接收器接收到同步信号时，也获取了通信脉冲信号脉冲的达到的时间信息。另外，每段通信信号单元的信号格式已知。处理同步信号能够准确获取一段通信信号单元的开始和截止信息，结合已知的脉冲到达时间的信息和通信脉冲格式，可以区分出达到的通信脉冲信号是参考光脉冲信号还是量子脉冲信号。具体实施为：每个通信脉冲信号单元由两个参考光脉冲信号和四个量子脉冲信号组成。通信脉冲信号发送时，两个通信脉冲信号单元间有一小段间隔时间。每个同步信号的上升沿对应一个通信脉冲信号。同步信号经过锁相环后获取同步信号时钟，同步信号时钟送至倍频器、接收端、偏振解调器和信号检测模块。经过倍频器出来的倍频信号与同步信号一起进入除法器中，获得起始信号，并将起始信号分别送入接收端、偏振解调器和信号检测模块。起始信号的上升沿表示有新的通信单元到达，同步信号时钟的上升沿表示有通信信号脉冲到达。由于每个通信信号单元是先到两个参考光脉冲信号，随后到四个量子脉冲信号。因此，当起始信号出现上升沿时，同步信号时钟的前两个上升沿表示到达两个参考光脉冲信号，后四个上升沿表示到达四个量子脉冲信号。这样，通过处理同步信号，就能够获取通信信号脉冲到达的时间信号和类型信息。
所述的偏振解调器实现两个功能：1、对通信脉冲信号传输过程中的偏正态变化进行主动补偿；2、对偏振信号的解调基进行随机选择，使不同的偏振编码方式能够用同一方法解码。具体来说，接收端通过同步信号接收器获取通信脉冲信号脉冲到达的时间信息和类型信息。对于参考光脉冲信号，它经过偏振解调器进入信号检测模块后，被采用普通的光电探测器进行检测。每一组参考脉冲包括两个非正交的偏振态脉冲光，例如0°和45°。从单组参考脉冲即可获取双折射效应的影响，并对其进行补偿。即对通信脉冲信号中的参考光脉冲信号可以进行主动偏振补偿也可以不补偿，它的检测结果传递给接收端，作为控制主动偏振补偿量的大小的依据；量子脉冲信号必须进行主动偏振补偿，且从偏振解调器出来后，直接进入信号检测模块，检测的结果就包含了通信信息。
另一方面，在完成主动偏振补偿后，传统的偏振解调方法是随机将接收到的通信信号脉冲分为两路，分别采用不同方式进行偏振解码。在本方案的偏振解调器中，通信脉冲信号完成主动偏振补偿后，接收端会依据随机选择的编码基，再给通信脉冲补偿一定偏振角度，使得不同的偏振编码方式能够采用统一方法解码。例如，发送方随机采用0°和90°，+45°和-45°的编码基作为通信信号脉冲的编码方式；接收方则只采用0°和90°的编码基的解调方式。在接收时，接收端会对接收到的通信脉冲的编码方式做一次随机判断，若判断通信脉冲采用的是0°和90°的解调方式，则对该脉冲不进行额外补偿；对-45°和+45°的偏振编码方法，偏振解调器会补偿+45°的角度，使-45°和+45°的偏振编码转变为相应的0°和90°的偏振编码，从而可以采用0°和90°编码的解调方式解调出来。
所述的信号检测模块中，接收端根据通信信号脉冲的类型信息和时间信息，控制光开关分离出参考光脉冲信号和量子脉冲信号，再对参考光脉冲信号和量子脉冲信号采用不同的检测方式。参考光脉信号采用普通光电探测器进行检测，用于做主动偏振补偿；量子脉冲信号采用SPAD进行检测，获取通信密钥信息。
因此，本发明采用的参考光脉冲信号与量子脉冲信号为同一波长，参考光脉冲信号的能量比量子脉冲信号高数个量级，能用普通的光电探测器进行检测，检测时无需多次对参考光脉冲进行累加求和，可以极大提升通信速率，实现高速实时通信；在主动偏振补偿后，还对不同的偏振编码基补偿不同的偏振角度，使不同的偏振编码基能够用同一偏振检测装置检测，可以减少SPAD的数量，降低系统成本；信号检测时，采用光开关对参考光脉冲信号和量子脉冲信号的检测光路进行切换，设计简单，避免强的参考光脉冲信号直接轰击SPAD，导致按计数率剧增，提升通信质量。能够实现远距离、安全时时通信，即使在受到第三方完全监听的情况下也能提供安全的通信服务，是实现远距离时时安全通信的有效方案。
Claims (10)
1.基于时隙交织主动偏振补偿的量子密钥分发系统，包括发送方和接收方，所述发送方将密钥信息发送至接收方，其特征在于，
所述发送方包括：
发送端，用于产生控制信号；
光信号发生模块，接收发送端的控制信号后产生通信脉冲信号，所述通信脉冲信号包括参考光脉冲信号和量子脉冲信号；
偏振调制器，接收所述通信脉冲信号后进行偏振编码；
同步信号发生器，接收发送端的控制信号后产生同步信号；
波分复用模块，将所述通信脉冲信号和同步信号波分复用；
所述接收方包括：
解波分复用模块，根据接收的波分复用后的信号分离出通信脉冲信号和同步信号；
同步信号接收器，对接收的同步信号进行处理，获取每个通信脉冲信号到达的时间信息和类型信息；
偏振解调器，对接收到的通信脉冲信号的偏振态进行主动补偿和选择解调基进行偏振解码；
信号检测模块，检测所述解码后的通信脉冲信号区分参考光脉冲信号和量子脉冲信号，将所述参考光脉冲信号和量子脉冲信号作为检测结果发送；
接收端，用于接收所述检测结果获取密钥信息。
2.根据权利要求1所述的基于时隙交织主动偏振补偿的量子密钥分发系统，其特征在于：所述光信号发生模块包括依次连接的激光器、电光调制器、可变光衰减器、耦合器。
3.根据权利要求1所述的基于时隙交织主动偏振补偿的量子密钥分发系统，其特征在于：所述同步信号接收器包括驱动缓冲器、锁相环、倍频器、除法器，其中所述驱动缓冲器用于存储接收的同步信号后将所述同步信号分别发送至锁相环和除法器；所述锁相环用于恢复出与所述同步信号对应的同步信号时钟信号；所述倍频器用于获取所述同步信号时钟信号的倍频信号；所述除法器根据所述同步信号和倍频信号获取起始信号。
4.根据权利要求1所述的基于时隙交织主动偏振补偿的量子密钥分发系统，其特征在于：所述偏振解调器包括偏振控制器和偏振分束器，所述偏振控制器用于对接收到的通信脉冲信号的偏振态进行主动补偿，并随机选择解调基进行解码；所述偏振分束器用于对解码后的通信脉冲信号根据偏振态分离后输出。
5.根据权利要求4所述的基于时隙交织主动偏振补偿的量子密钥分发系统，其特征在于：所述信号检测模块包括光开关、光电探测器、SPAD，其中所述光开关分别接收所述不同偏振态的通信脉冲信号和接收方的反馈信号，并将每种通信脉冲信号中的参考光脉冲信号和量子脉冲信号分开；所述光电探测器用于检测参考光脉冲信号；所述SPAD用于检测量子脉冲信号。
6.一种基于上述任一项权利要求所述的基于时隙交织主动偏振补偿的量子密钥分发系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤（1）利用发送方产生通信脉冲信号，所述通信脉冲信号包括同一波长的参考光脉冲信号和量子脉冲信号，且所述参考光脉冲信号的单个脉冲能量的量级远大于量子脉冲信号的单个脉冲能量的量级；同时发送方产生与所述通信脉冲信号相对应的同步信号；
步骤（2）所述发送方选择正交的偏振态作为编码基对所述通信脉冲信号进行偏振编码；
步骤（3）所述发送方将所述编码后的通信脉冲信号和同步信号波分复用；
步骤（4）利用接收方根据所述波分复用后的信号分离出通信脉冲信号和同步信号；
步骤（5）所述接收方对所述分离的同步信号进行处理，获取每个通信脉冲信号到达的时间信息和类型信息；然后对传输过程中的通信脉冲信号的偏正态进行主动补偿，并对补偿后的通信脉冲信号进行偏振解码，所述接收方根据偏振态将解码后的通信脉冲信号分开输出；
步骤（6）所述接收方检测偏振解码后的通信脉冲信号分离出参考光脉冲信号和量子脉冲信号，根据所述量子脉冲信号获取密钥信息。
7.根据权利要求6所述的基于时隙交织主动偏振补偿的量子密钥分发方法，其特征在于：所述步骤（1）中参考光脉冲信号的单个脉冲能量在10-12J至10-9J范围内，所述量子脉冲信号的单个脉冲能量在10-19J至10-20J范围内。
8.根据权利要求6所述的基于时隙交织主动偏振补偿的量子密钥分发方法，其特征在于：所述步骤（5）中接收方对接收的同步信号的处理具体为：
步骤（51）利用同步信号接收器接收同步信号，其中所述每个同步信号的脉冲对应一个通信脉冲信号的脉冲；
步骤（52）所述同步信号接收器根据接收的同步信号恢复出与所述同步信号对应的同步信号时钟信号；
步骤（53）所述接收端将接收的同步信号时钟信号作为判断通信脉冲信号脉冲到达的依据；同时，所述同步信号接收器获取同步信号时钟的倍频信号；
步骤（54）所述同步信号接收器对所述倍频信号和同步信号处理，获取用于做通信单元到达的判决依据的起始信号；
步骤（55）所述同步信号接收器获取每个通信脉冲信号到达的时间信息和类型信息发送给接收端。
9. 根据权利要求6所述的基于时隙交织主动偏振补偿的量子密钥分发方法，其特征在于：所述步骤（5）中接收方随机选择通信脉冲信号的一对正交的偏振态作为解调基，对所述通信脉冲信号的偏振态补偿偏振角度，然后采用解调基进行解码。
10.根据权利要求6所述的基于时隙交织主动偏振补偿的量子密钥分发方法，其特征在于：所述步骤（6）中接收方利用光开关将每个偏振态的通信脉冲信号分离出参考光脉冲信号和量子脉冲信号。
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Cited By (17)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104202157A (zh) * | 2014-09-16 | 2014-12-10 | 安徽量子通信技术有限公司 | 一种量子密钥分发系统的同步方法及装置 |
| CN104780039A (zh) * | 2015-03-19 | 2015-07-15 | 宁波大学 | 一种量子密钥分发中的偏振补偿实现方法 |
| CN106656494A (zh) * | 2017-03-08 | 2017-05-10 | 浙江九州量子信息技术股份有限公司 | 一种基于连续光斩波的量子密钥分配系统与方法 |
| CN106850213A (zh) * | 2017-03-08 | 2017-06-13 | 浙江九州量子信息技术股份有限公司 | 一种量子密钥分配系统与方法 |
| CN106856429A (zh) * | 2017-03-08 | 2017-06-16 | 浙江九州量子信息技术股份有限公司 | 一种基于接收端偏振分束的量子密钥分配系统与方法 |
| CN107135065A (zh) * | 2016-02-29 | 2017-09-05 | 华为技术有限公司 | 一种量子密钥分配方法及发送装置、接收装置 |
| CN107135071A (zh) * | 2017-06-01 | 2017-09-05 | 浙江九州量子信息技术股份有限公司 | 一种基于时分复用的量子秘钥分发系统及方法 |
| CN107241189A (zh) * | 2017-07-28 | 2017-10-10 | 浙江九州量子信息技术股份有限公司 | 一种基于真空态不触发的量子密钥分配系统与方法 |
| CN107276758A (zh) * | 2017-07-28 | 2017-10-20 | 浙江九州量子信息技术股份有限公司 | 一种基于波导干涉环的量子密钥分配系统与方法 |
| CN107276757A (zh) * | 2017-07-28 | 2017-10-20 | 浙江九州量子信息技术股份有限公司 | 一种基于光开关控制的量子密钥分配系统与方法 |
| CN108173647A (zh) * | 2017-12-28 | 2018-06-15 | 中国人民解放军陆军工程大学 | 演化重构不完全时的偏振态二义性消除方法 |
| CN108418685A (zh) * | 2018-05-04 | 2018-08-17 | 北京邮电大学 | 一种适用于连续变量量子密钥分发系统的数据同步方法 |
| WO2018196585A1 (zh) * | 2017-04-24 | 2018-11-01 | 华为技术有限公司 | 信号的接收装置和接收方法 |
| CN109039594A (zh) * | 2017-06-12 | 2018-12-18 | 科大国盾量子技术股份有限公司 | 一种快速偏振反馈补偿装置及复杂信道量子密钥分发系统 |
| CN110086611A (zh) * | 2019-04-25 | 2019-08-02 | 华南师范大学 | 一种波分复用偏振补偿方法及其装置 |
| CN110896329A (zh) * | 2018-09-12 | 2020-03-20 | 中国科学技术大学 | 基于本地本振光方案的连续变量量子密钥分发相干探测系统 |
| CN117459153A (zh) * | 2023-12-26 | 2024-01-26 | 万事通科技(杭州)有限公司 | 一种光纤信道窃听检测装置 |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106533676B (zh) * | 2016-12-22 | 2019-08-27 | 浙江神州量子网络科技有限公司 | 一种基于参考系无关协议的量子密钥分发系统 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20090268901A1 (en) * | 2004-12-15 | 2009-10-29 | Thales | Continuous variable quantum encryption key distribution system |
| CN102724036A (zh) * | 2012-06-04 | 2012-10-10 | 上海交通大学 | 连续变量量子密钥分发系统及其同步实现方法 |
-
2013
- 2013-07-29 CN CN201310320542.2A patent/CN103414553B/zh active Active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20090268901A1 (en) * | 2004-12-15 | 2009-10-29 | Thales | Continuous variable quantum encryption key distribution system |
| CN102724036A (zh) * | 2012-06-04 | 2012-10-10 | 上海交通大学 | 连续变量量子密钥分发系统及其同步实现方法 |
Cited By (32)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104202157A (zh) * | 2014-09-16 | 2014-12-10 | 安徽量子通信技术有限公司 | 一种量子密钥分发系统的同步方法及装置 |
| CN107947926B (zh) * | 2014-09-16 | 2021-07-30 | 科大国盾量子技术股份有限公司 | 一种量子密钥分发系统的同步方法及装置 |
| CN107947926A (zh) * | 2014-09-16 | 2018-04-20 | 科大国盾量子技术股份有限公司 | 一种量子密钥分发系统的同步方法及装置 |
| CN104202157B (zh) * | 2014-09-16 | 2018-01-02 | 科大国盾量子技术股份有限公司 | 一种量子密钥分发系统的同步方法及装置 |
| CN104780039A (zh) * | 2015-03-19 | 2015-07-15 | 宁波大学 | 一种量子密钥分发中的偏振补偿实现方法 |
| CN104780039B (zh) * | 2015-03-19 | 2017-10-31 | 宁波大学 | 一种量子密钥分发中的偏振补偿实现方法 |
| CN107135065B (zh) * | 2016-02-29 | 2020-01-10 | 华为技术有限公司 | 一种量子密钥分配方法及发送装置、接收装置 |
| CN107135065A (zh) * | 2016-02-29 | 2017-09-05 | 华为技术有限公司 | 一种量子密钥分配方法及发送装置、接收装置 |
| WO2017148141A1 (zh) * | 2016-02-29 | 2017-09-08 | 华为技术有限公司 | 一种量子密钥分配方法及发送装置、接收装置 |
| CN106856429A (zh) * | 2017-03-08 | 2017-06-16 | 浙江九州量子信息技术股份有限公司 | 一种基于接收端偏振分束的量子密钥分配系统与方法 |
| CN106656494B (zh) * | 2017-03-08 | 2023-08-18 | 浙江九州量子信息技术股份有限公司 | 一种基于连续光斩波的量子密钥分配系统与方法 |
| CN106856429B (zh) * | 2017-03-08 | 2023-08-25 | 浙江九州量子信息技术股份有限公司 | 一种基于接收端偏振分束的量子密钥分配系统与方法 |
| CN106850213B (zh) * | 2017-03-08 | 2023-08-25 | 浙江九州量子信息技术股份有限公司 | 一种量子密钥分配系统与方法 |
| CN106850213A (zh) * | 2017-03-08 | 2017-06-13 | 浙江九州量子信息技术股份有限公司 | 一种量子密钥分配系统与方法 |
| CN106656494A (zh) * | 2017-03-08 | 2017-05-10 | 浙江九州量子信息技术股份有限公司 | 一种基于连续光斩波的量子密钥分配系统与方法 |
| US10749608B2 (en) | 2017-04-24 | 2020-08-18 | Huawei Technologies Co., Ltd. | Signal receiving apparatus and method |
| WO2018196585A1 (zh) * | 2017-04-24 | 2018-11-01 | 华为技术有限公司 | 信号的接收装置和接收方法 |
| CN108737082A (zh) * | 2017-04-24 | 2018-11-02 | 华为技术有限公司 | 信号的接收装置和接收方法 |
| CN107135071B (zh) * | 2017-06-01 | 2023-08-18 | 浙江九州量子信息技术股份有限公司 | 一种基于时分复用的量子秘钥分发系统及方法 |
| CN107135071A (zh) * | 2017-06-01 | 2017-09-05 | 浙江九州量子信息技术股份有限公司 | 一种基于时分复用的量子秘钥分发系统及方法 |
| CN109039594A (zh) * | 2017-06-12 | 2018-12-18 | 科大国盾量子技术股份有限公司 | 一种快速偏振反馈补偿装置及复杂信道量子密钥分发系统 |
| CN109039594B (zh) * | 2017-06-12 | 2024-04-26 | 科大国盾量子技术股份有限公司 | 一种快速偏振反馈补偿装置及复杂信道量子密钥分发系统 |
| CN107241189B (zh) * | 2017-07-28 | 2023-08-25 | 浙江九州量子信息技术股份有限公司 | 一种基于真空态不触发的量子密钥分配系统与方法 |
| CN107276757A (zh) * | 2017-07-28 | 2017-10-20 | 浙江九州量子信息技术股份有限公司 | 一种基于光开关控制的量子密钥分配系统与方法 |
| CN107276758A (zh) * | 2017-07-28 | 2017-10-20 | 浙江九州量子信息技术股份有限公司 | 一种基于波导干涉环的量子密钥分配系统与方法 |
| CN107241189A (zh) * | 2017-07-28 | 2017-10-10 | 浙江九州量子信息技术股份有限公司 | 一种基于真空态不触发的量子密钥分配系统与方法 |
| CN108173647A (zh) * | 2017-12-28 | 2018-06-15 | 中国人民解放军陆军工程大学 | 演化重构不完全时的偏振态二义性消除方法 |
| CN108418685A (zh) * | 2018-05-04 | 2018-08-17 | 北京邮电大学 | 一种适用于连续变量量子密钥分发系统的数据同步方法 |
| CN110896329A (zh) * | 2018-09-12 | 2020-03-20 | 中国科学技术大学 | 基于本地本振光方案的连续变量量子密钥分发相干探测系统 |
| CN110086611A (zh) * | 2019-04-25 | 2019-08-02 | 华南师范大学 | 一种波分复用偏振补偿方法及其装置 |
| CN117459153A (zh) * | 2023-12-26 | 2024-01-26 | 万事通科技(杭州)有限公司 | 一种光纤信道窃听检测装置 |
| CN117459153B (zh) * | 2023-12-26 | 2024-04-02 | 万事通科技(杭州)有限公司 | 一种光纤信道窃听检测装置 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
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