CN103490879B - 一种自校正的量子密钥分配方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自校正量子密钥分配系统和方法，该系统包括：量子密钥发送装置、量子密钥接收装置和分别与量子密钥发送装置和量子密钥接收装置连接的光学路径切换装置。本发明还提出一种自校正量子密钥分配方法，该方法包括：通过光学路径切换装置将在同一安全区的一个量子密钥发送装置和一个量子密钥接收装置连接起来；对量子密钥发送装置和量子密钥接收装置的参数进行校正；通过所述光学路径切换装置将本地的量子密钥发送/接收装置与远端的量子密钥接收/发送装置连接起来，以进行密钥分配。本发明不仅有利于增强量子密钥分配系统的实际安全性，同时提高了系统的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及光传输保密通信技术领域，具体涉及一种自校正的量子密钥分配方法和系统。
背景技术
量子密钥分配技术自1984年提出以来，经过近三十年的发展，已经逐渐从实验室研究阶段走向实用化。量子密钥分配系统的传输距离已经从最初的32cm发展到260km，系统的工作频率从200Hz发展到10GHz。国内外相关研究机构均已研制出各自较为成熟的量子密钥分配系统，有些商业公司甚至推出了商用量子密钥分配产品。
安全性是量子密钥分配技术的核心，正是由于其能实时分发信息论无条件安全的密钥而受到广泛关注。随着研究的不断发展，安全性研究的重点已经从量子密钥分配协议层面的理论安全性转移至实际系统的安全性。
在实际量子密钥分配系统中，执行校正过程是非常重要的一个环节，这涉及到系统许多重要参数的确定。而现有的量子密钥分配系统均缺乏自校正的考虑：一方面，许多重要的参数会随着环境的变化而改变，影响量子密钥分配系统的稳定性；另一方面，量子密钥分配系统的发送端和接收端远程校正参数会导致实际安全性漏洞。例如，2011年德国和挪威的研究人员就针对量子密钥分配系统远程校正延时参数的实际安全性漏洞，攻破瑞士ID Quantique公司的一套商用量子密钥分配系统（Physical ReviewLetters,107,110501(2011)）。
发明内容
本发明针对现有量子密钥分配系统缺乏自校正的不足，提出一种拥有自校正能力的量子密钥分配方法和系统。本发明使用光学路径切换的方法，将在同一安全区的量子密钥发送装置和量子密钥接收装置连接起来，以进行量子密钥发送装置和量子密钥接收装置的参数校正。本发明通过自校正的实现，有利于增强量子密钥分配系统的实际安全性，同时提高系统的稳定性。
根据本发明的一方面，提出一种自校正量子密钥分配系统，该系统包括：量子密钥发送装置、光学路径切换装置和量子密钥接收装置，其中：
所述量子密钥发送装置与所述光学路径切换装置连接，用于向所述光学路径切换装置输出复用量子信号；
所述光学路径切换装置分别与所述量子密钥发送装置和量子密钥接收装置连接，用于切换量子密钥发送装置和量子密钥接收装置的通信对象；
所述量子密钥接收装置与所述光学路径切换装置连接，用于从所述光学路径切换装置接收所述复用量子信号并进行处理；
所述光学路径切换装置至少具有两类切换状态：一类状态使得本地的量子密钥发送装置与远端的量子密钥接收装置、本地的量子密钥接收装置与远端的量子密钥发送装置进行通信，共享安全的密钥比特，以远程地分配量子密钥；另一类状态使得本地的量子密钥发送装置和本地的量子密钥接收装置进行通信，以校正参数。
根据本发明的另一方面，还提出一种自校正量子密钥分配方法，该方法包括以下步骤：
步骤S1，通过光学路径切换装置将在同一安全区的一个量子密钥发送装置和一个量子密钥接收装置连接起来，所述量子密钥发送装置与所述量子密钥接收装置之间的量子信道和同步信道连通；
步骤S2，对所述量子密钥发送装置和量子密钥接收装置的参数进行校正；
步骤S3，通过所述光学路径切换装置将本地的量子密钥发送装置与远端的量子密钥接收装置连接起来进行通信，以进行密钥分配；
步骤S4，通过所述光学路径切换装置将本地的量子密钥接收装置与远端的量子密钥发送装置连接起来进行通信，以进行密钥分配。
本发明中采用光学路径切换装置将在同一安全区的量子密钥发送装置和量子密钥接收装置连接起来，通过控制光学路径切换装置的状态，分时地实现本地的量子密钥发送装置和本地的量子密钥接收装置的连通，以校正参数，以及实现本地的量子密钥发送装置与远端的量子密钥接收装置、本地的量子密钥接收装置与远端的量子密钥发送装置之间进行正常的量子密钥分配。本发明在不影响正常量子密钥分配的同时，通过实现延时和光源强度参数的自校正，增强了量子密钥分配系统的实际安全性；通过实现编解码参数的自校正，提高了量子密钥分配系统的稳定性。
附图说明
图1是根据本发明一实施例的自校正量子密钥分配系统的结构示意图；
图2是根据本发明一实施例的一种四端口光学路径切换装置的状态示意图；
图3是根据本发明一实施例的自校正量子密钥分配方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
图1是根据本发明一实施例的自校正量子密钥分配系统的结构示意图，本发明将光学路径切换装置、一个或者多个量子密钥发送装置和一个或者多个量子密钥接收装置集成在一起组成自校正量子密钥分配系统，该量子密钥分配系统不仅拥有自校正能力，同时也是天然的量子密钥中继系统。图1中以一个量子密钥发送装置和一个量子密钥接收装置为例对本发明进行解释和说明。图1中虚线框的上部分是光学路径切换装置，左下部分是一个量子密钥发送装置，右下部分是一个量子密钥接收装置。
如图1所示，所述自校正量子密钥分配系统包括量子密钥发送装置、光学路径切换装置和量子密钥接收装置，其中：
所述量子密钥发送装置与所述光学路径切换装置连接，用于向所述光学路径切换装置输出复用量子信号；
所述量子密钥发送装置包括量子光源2-12、同步光源2-10、量子编码器2-8和波分复用器2-6，其中：
所述量子光源2-12用于产生量子信号并将产生的量子信号发送至所述量子编码器2-8；
所述量子编码器2-8用于对所述量子信号进行量子编码处理，并将处理后的信号输入所述波分复用器2-6；
所述同步光源2-10用于产生同步信号并输入至所述波分复用器2-6；
所述波分复用器2-6用于将经过量子编码后的量子信号和所述同步信号复合在一起形成复用量子信号，所述复用量子信号经所述光学路径切换装置2-3的外部接口2-4进入所述光学路径切换装置2-3。
所述光学路径切换装置分别与所述量子密钥发送装置和量子密钥接收装置连接，用于切换量子密钥发送装置和量子密钥接收装置的通信对象；
所述光学路径切换装置至少具有两类切换状态：一类状态使得本地的量子密钥发送装置与远端的量子密钥接收装置、本地的量子密钥接收装置与远端的量子密钥发送装置进行通信，共享安全的密钥比特，以远程地分配量子密钥；另一类状态使得本地的量子密钥发送装置和本地的量子密钥接收装置进行通信，以校正参数。
图2所示是根据本发明一实施例的一种四端口光学路径切换装置状态示意图，如图2所示，所述光学路径切换装置2-3共具有四个外部光学接口，分别是2-1、2-2、2-4和2-5；对应的内部切换接口也有四个，分别是A1、B1、A2和B2，其中两个外部光学接口分别作为所述自校正量子密钥分配系统的信号输入接口2-1和信号输出接口2-2，另外两个外部光学接口2-4和2-5分别与所述量子密钥发送装置的波分复用器2-6和所述量子密钥接收装置的波分解复用器2-7连接，以将通过外部接口2-4从量子密钥发送装置的波分复用器2-6接收到的复用量子信号由外部接口2-5输入至量子密钥接收装置的波分解复用器2-7。所述光学路径切换装置有两种切换状态：状态I，内部接口A1与内部接口B2连接，内部接口A2与内部接口B1连接，则外部光学接口2-1与外部光学接口2-5连通、外部光学接口2-2与外部光学接口2-4连通，从而形成两条交叉的光学路径；状态II，内部接口A1与内部接口B1连接，内部接口A2与内部接口B2连接，则外部光学接口2-1与外部光学接口2-2连通、外部光学接口2-4与外部光学接口2-5连通，从而形成两条平行的光学路径。
所述量子密钥接收装置与所述光学路径切换装置连接，用于从所述光学路径切换装置接收所述复用量子信号并进行处理；
所述量子密钥接收装置包括波分解复用器2-7、同步探测器2-11、量子解码器2-9和量子探测器2-13，其中：
所述波分解复用器2-7用于对接收到的复用量子信号进行解复用，并将解复用后得到的信号分成量子信号和同步信号；
所述同步探测器2-11用于探测所述同步信号；
所述量子解码器2-9用于对所述量子信号进行量子解码处理；
所述量子探测器2-13用于探测经过量子解码处理后的量子信号。
所述系统工作时，当所述光学路径切换装置2-3切换至状态I时，本地的量子密钥发送装置与远端的量子密钥接收装置进行密钥分配，本地的量子密钥接收装置与远端的量子密钥发送装置进行密钥分配；具体如下：
（1）光学路径切换装置2-3的内部接口B1与内部接口A2连接，自校正量子密钥分配系统的信号输出接口2-2与光学路径切换装置2-3的外部接口2-4连通，由量子光源2-12产生的并且被量子编码器2-8编码处理的量子信号与由同步光源2-10产生的同步信号先被波分复用器2-6复用到光学路径切换装置的外部接口2-4中，经过光学路径切换装置2-3由自校正量子密钥分配系统的信号输出接口2-2输出至信道中，最终进入远端的量子密钥接收装置中，在远端的量子密钥接收装置中，复用信号先被波分解复用器解复用成量子信号和同步信号，同步信号被同步探测器探测，实现远程时钟同步，量子信号被量子解码器处理后被量子探测器探测，经过后处理等过程后，本地的量子密钥发送装置与远端的量子密钥接收装置之间能共享安全的密钥比特，从而实现了量子密钥分配；
（2）光学路径切换装置2-3的内部接口B2与内部接口A1相连，自校正量子密钥分配系统的信号输入接口2-1与光学路径切换装置2-3的外部接口2-5连通，远端量子密钥发送装置发出的复用信号经信道传输后，由自校正量子密钥分配系统的信号输入接口2-1进入系统，先经过光学路径切换装置2-3从其外部接口2-5传输至波分解复用器2-7中，经波分解复用器2-7解复用后的信号被分为同步信号和量子信号，同步信号直接被同步探测器2-11探测，用于该系统与远端量子密钥发送装置之间的时钟同步，量子信号被量子解码器2-9进行量子解码处理后，被量子探测器2-13探测，经过后处理等过程后，本地的量子密钥接收装置与远端的量子密钥发送装置之间能共享安全的密钥比特，从而实现了量子密钥分配。
当所述光学路径切换装置2-3切换至状态II时，本地的量子密钥发送装置与量子密钥接收装置接通，进行量子密钥分配系统的自校正。具体地：所述光学路径切换装置2-3的内部接口A2与内部接口B2连接，外部接口2-4与外部接口2-5连通。由量子光源2-12产生的并且被量子编码器2-8编码处理的量子信号与由同步光源2-10产生的同步信号先被波分复用器2-6复用到光学路径切换装置的外部接口2-4中，经光学路径切换装置2-3从其外部接口2-5中传输至波分解复用器2-7中，经波分解复用器2-7解复用后的信号被分为同步信号和量子信号，同步信号直接被同步探测器2-11探测，用于系统内量子密钥发送装置和量子密钥接收装置之间的时钟同步，量子信号被量子解码器2-9进行量子解码处理后，被量子探测器2-13探测。
所述系统校正的参数包括量子密钥发送装置和量子密钥发送装置中各组成部分的延时参数、量子光源的强度参数和量子编解码器的编解码参数，当所述光学路径切换装置将在同一安全区的一个量子密钥发送装置和一个量子密钥接收装置连接起来后，该量子密钥发送装置与该量子密钥接收装置之间的量子信道和同步信道连通进行通信，以实现本地参数的自校正，包括先通过遍历过程校正延时参数，特别是多个量子探测器的延时参数，再通过统计量子探测器计数校正量子光源强度参数，最后校正编解码参数。具体地：固定量子光源2-12的强度，通过遍历不同延时下量子探测器2-13的计数情况，可获得量子探测器最佳延时参数以及量子光源2-12与同步光源2-10间的最佳延时参数，从而实现系统延时的自校正；校正系统延时后，通过统计量子探测器2-13的计数，可获得量子光源的不同强度参数，从而实现系统光强的自校正；通过固定量子密钥发送装置中量子编码器2-8的编码参数，统计系统的量子比特误码率，可获得量子密钥接收装置中量子解码器2-9的最佳解码参数，从而实现解码参数的自校正；通过固定量子密钥接收装置中量子解码器2-9的解码参数，统计系统的量子比特误码率，可获得量子密钥发送装置中量子编码器2-8的最佳编码参数，从而实现编码参数的自校正。
图3是根据本发明一实施例的自校正量子密钥分配方法的流程图，如图3所示，所述方法包括以下步骤：
步骤S1，通过光学路径切换装置将在同一安全区的一个量子密钥发送装置和一个量子密钥接收装置连接起来，所述量子密钥发送装置与所述量子密钥接收装置之间的量子信道和同步信道连通；
步骤S2，对所述量子密钥发送装置和量子密钥接收装置的参数进行校正；
所述步骤S2进一步包括以下步骤：
步骤S21，固定所述量子密钥发送装置中量子光源的强度，通过遍历不同延时下量子探测器的计数情况，获得量子探测器最佳延时参数以及量子光源与同步光源间的最佳延时参数，从而实现延时的自校正；
步骤S22，统计所述量子密钥发送装置中量子探测器的计数，获得量子光源的不同强度参数，从而实现光强的自校正；
步骤S23，固定所述量子密钥发送装置中量子编码器的编码参数，统计量子比特误码率，获得所述量子密钥接收装置中量子解码器的最佳解码参数，从而实现解码参数的自校正；
步骤S24，固定所述量子密钥接收装置中量子解码器的解码参数，统计量子比特误码率，获得所述量子密钥发送装置中量子编码器的最佳编码参数，从而实现编码参数的自校正；
步骤S3，通过所述光学路径切换装置将本地的量子密钥发送装置与远端的量子密钥接收装置连接起来进行通信，以进行密钥分配；
该步骤中，光学路径切换装置2-3的内部接口B1与内部接口A2连接，自校正量子密钥分配系统的信号输出接口2-2与光学路径切换装置2-3的外部接口2-4连通，由量子光源2-12产生的并且被量子编码器2-8编码处理的量子信号与由同步光源2-10产生的同步信号先被波分复用器2-6复用到光学路径切换装置的外部接口2-4中，经过光学路径切换装置2-3由自校正量子密钥分配系统的信号输出接口2-2输出至信道中，最终进入远端的量子密钥接收装置中，在远端的量子密钥接收装置中，复用信号先被波分解复用器解复用成量子信号和同步信号，同步信号被同步探测器探测，实现远程时钟同步，量子信号被量子解码器处理后被量子探测器探测，经过后处理等过程后，本地的量子密钥发送装置与远端的量子密钥接收装置之间能共享安全的密钥比特，从而实现了量子密钥分配；
步骤S4，通过所述光学路径切换装置将本地的量子密钥接收装置与远端的量子密钥发送装置连接起来进行通信，以进行密钥分配。
该步骤中，密钥分配的过程与上一步骤类似：光学路径切换装置2-3的内部接口B2与内部接口A1相连，自校正量子密钥分配系统的信号输入接口2-1与光学路径切换装置2-3的外部接口2-5连通，远端量子密钥发送装置发出的复用信号经信道传输后，由自校正量子密钥分配系统的信号输入接口2-1进入系统，先经过光学路径切换装置2-3从其外部接口2-5传输至波分解复用器2-7中，经波分解复用器2-7解复用后的信号被分为同步信号和量子信号，同步信号直接被同步探测器2-11探测，用于该系统与远端量子密钥发送装置之间的时钟同步，量子信号被量子解码器2-9进行量子解码处理后，被量子探测器2-13探测，经过后处理等过程后，本地的量子密钥接收装置与远端的量子密钥发送装置之间能共享安全的密钥比特，从而实现了量子密钥分配。
也就是说，所述步骤S3或步骤S4中，量子密钥发送装置中产生的复用量子信号进入量子密钥接收装置中，由所述量子密钥接收装置依次进行解复用、同步信号探测和量子信号探测，使得量子密钥发送装置与量子密钥接收装置之间能共享安全的密钥比特，从而实现了量子密钥分配。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种自校正量子密钥分配系统，其特征在于，该系统包括：量子密钥发送装置、光学路径切换装置和量子密钥接收装置，其中：
所述量子密钥发送装置与所述光学路径切换装置连接，用于向所述光学路径切换装置输出复用量子信号；
所述光学路径切换装置分别与所述量子密钥发送装置和量子密钥接收装置连接，用于切换量子密钥发送装置和量子密钥接收装置的通信对象；
所述量子密钥接收装置与所述光学路径切换装置连接，用于从所述光学路径切换装置接收所述复用量子信号并进行处理；
所述光学路径切换装置至少具有两类切换状态：一类状态使得本地的量子密钥发送装置与远端的量子密钥接收装置、本地的量子密钥接收装置与远端的量子密钥发送装置进行通信，共享安全的密钥比特，以远程地分配量子密钥；另一类状态使得本地的量子密钥发送装置和本地的量子密钥接收装置进行通信，以校正参数；
其中，所述量子密钥发送装置包括量子光源(2-12)、同步光源(2-10)、量子编码器(2-8)和波分复用器(2-6)；所述量子密钥接收装置包括波分解复用器(2-7)、同步探测器(2-11)、量子解码器(2-9)和量子探测器(2-13)；
当所述光学路径切换装置将本地的量子密钥发送装置和本地的量子密钥接收装置连接起来后，固定量子光源(2-12)的强度，通过遍历不同延时下量子探测器(2-13)的计数情况，获得量子探测器最佳延时参数以及量子光源(2-12)与同步光源(2-10)间的最佳延时参数，实现系统延时的自校正；通过统计量子探测器(2-13)的计数，获得量子光源的不同强度参数，实现系统光强的自校正；通过固定量子密钥发送装置中量子编码器(2-8)的编码参数，统计系统的量子比特误码率，获得量子密钥接收装置中量子解码器(2-9)的最佳解码参数，实现解码参数的自校正；通过固定量子密钥接收装置中量子解码器(2-9)的解码参数，统计系统的量子比特误码率，获得量子密钥发送装置中量子编码器(2-8)的最佳编码参数，实现编码参数的自校正。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，
所述量子光源(2-12)用于产生量子信号并将产生的量子信号发送至所述量子编码器(2-8)；
所述量子编码器(2-8)用于对所述量子信号进行量子编码处理，并将处理后的信号输入所述波分复用器(2-6)；
所述同步光源(2-10)用于产生同步信号并输入至所述波分复用器(2-6)；
所述波分复用器(2-6)用于将经过量子编码后的量子信号和所述同步信号复合在一起形成复用信号。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光学路径切换装置具有四个外部光学接口2-1、2-2、2-3、2-4和四个对应的内部切换接口A1、B1、A2、B2，其中两个外部光学接口分别作为所述自校正量子密钥分配系统的信号输入接口和信号输出接口，另外两个外部光学接口分别与所述量子密钥发送装置和所述量子密钥接收装置连接，以将从量子密钥发送装置接收到的复用量子信号输入至量子密钥接收装置。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述光学路径切换装置的两种切换状态中：
对于状态I：内部接口A1与内部接口B2连接，内部接口A2与内部接口B1连接，则外部光学接口2-1与外部光学接口2-5连通、外部光学接口2-2与外部光学接口2-4连通，从而形成两条交叉的光学路径；
对于状态II，内部接口A1与内部接口B1连接，内部接口A2与内部接口B2连接，则外部光学接口2-1与外部光学接口2-2连通、外部光学接口2-4与外部光学接口2-5连通，从而形成两条平行的光学路径。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，
所述波分解复用器(2-7)用于对接收到的复用量子信号进行解复用，并将解复用后得到的信号分成量子信号和同步信号；
所述同步探测器(2-11)用于探测所述同步信号；
所述量子解码器(2-9)用于对所述量子信号进行量子解码处理；
所述量子探测器(2-13)用于探测经过量子解码处理后的量子信号。
6.根据权利要求3或5所述的系统，其特征在于，所述参数包括量子密钥发送装置和量子密钥发送装置中各组成部分的延时参数、量子光源的强度参数和量子编解码器的编解码参数。
7.一种自校正量子密钥分配方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤S1，通过光学路径切换装置将在同一安全区的一个量子密钥发送装置和一个量子密钥接收装置连接起来，所述量子密钥发送装置与所述量子密钥接收装置之间的量子信道和同步信道连通；
步骤S2，对所述量子密钥发送装置和量子密钥接收装置的参数进行校正；
步骤S3，通过所述光学路径切换装置将本地的量子密钥发送装置与远端的量子密钥接收装置连接起来进行通信，以进行密钥分配；
步骤S4，通过所述光学路径切换装置将本地的量子密钥接收装置与远端的量子密钥发送装置连接起来进行通信，以进行密钥分配；
其中，所述步骤S2进一步包括以下步骤：
步骤S21，固定所述量子密钥发送装置中量子光源的强度，通过遍历不同延时下量子探测器的计数情况，获得量子探测器最佳延时参数以及量子光源与同步光源间的最佳延时参数，实现延时的自校正；
步骤S22，统计所述量子密钥发送装置中量子探测器的计数，获得量子光源的不同强度参数，实现光强的自校正；
步骤S23，固定所述量子密钥发送装置中量子编码器的编码参数，统计量子比特误码率，获得所述量子密钥接收装置中量子解码器的最佳解码参数，实现解码参数的自校正；
步骤S24，固定所述量子密钥接收装置中量子解码器的解码参数，统计量子比特误码率，获得所述量子密钥发送装置中量子编码器的最佳编码参数，实现编码参数的自校正。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤S3或步骤S4中，量子密钥发送装置中产生的复用量子信号进入量子密钥接收装置中，由所述量子密钥接收装置依次进行解复用、同步信号探测和量子信号探测，使得量子密钥发送装置与量子密钥接收装置之间能共享安全的密钥比特，实现了量子密钥分配。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |