CN103824487A - 基于量子密钥通信的窃听演示装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于量子密钥通信的窃听演示装置，包括光开关OS、第一光分束器BS1、第二光分束器BS2、同步探测器；所述光开关OS包括光输入端、第一光输出端和第二光输出端；所述第一光分束器BS1包括第一进光端、第二进光端和光输出端；所述第二光分束器BS2包括进光口、第一出光口和第二出光口；所述第一光输出端与第一进光端连接，第二光输出端与进光口连接，第一出光口与第二进光端连接，第二出光口与同步探测器连接。本发明还公开了一种基于量子密钥通信的窃听演示方法。本发明还公开了一种基于量子密钥通信的窃听演示方法。本发明可以很直观地展示量子通信传输信息的安全性，方法简单直观，经济实用。

Description

基于量子密钥通信的窃听演示装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种用于量子密钥通信过程中的窃听演示设备及方法，尤其涉及一种基于量子密钥通信的窃听演示装置及其方法。

背景技术

量子密钥通信，基于量子学的三大定律：测量塌缩理论、量子不可克隆理论、以及不确定性原理。基于以上三大理论，量子密钥通信传输信息的安全性及可靠性比经典通信方式更好。但是现有技术中，一般不能直观的演示量子通信的安全性，也无法直观的演示窃听的过程。

发明内容

本发明所解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种基于量子密钥通信的窃听演示装置，本基于量子密钥通信的窃听演示装置可以直观地展示在量子密钥通信过程中的窃听者的窃听行为，把微观的理论知识宏观地展现在人们面前，便于更好地理解量子通信的安全性。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：基于量子密钥通信的窃听演示装置，其特征在于：包括用于切换工作模式的光开关OS、用于对光进行合路或者分路的第一光分束器BS1、用于对光进行合路或者分路的第二光分束器BS2、用于模拟窃听者窃听信息的同步探测器；所述光开关OS包括光输入端、第一光输出端和第二光输出端；所述第一光分束器BS1包括第一进光端、第二进光端和光输出端；所述第二光分束器BS2包括进光口、第一出光口和第二出光口；所述第一光输出端与第一进光端连接，第二光输出端与进光口连接，第一出光口与第二进光端连接，第二出光口与同步探测器连接；

光束进入光输入端后，从第一光输出端射出或者从第二光输出端射出；当光束从第一光输出端射出时，又经过第一分束器BS1后从光输出端射出并传输到接收端；当光束从第二输出端射出时，又经过第二分束器BS2分成两束光，其中一束光经过第一分束器BS1后从光输出端射出并传输到接收端，另一束光进入同步探测器。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述光开关OS为自锁机械式的光开关。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述第一光分束器BS1和第二光分束器BS2均为50:50的分束器。

作为本发明进一步改进的技术方案，还包括与同步探测器点连接的指示灯，当同步探测器窃听到信息时，指示灯亮。

本基于量子密钥通信的窃听演示装置的工作原理如下：

1.      正常模式：将光束从光输入端接入，同时将单刀双掷开关拨到正常模式档位，此时光经光开关OS沿正常模式链路经第一光分束器BS1传输，进而传到光输出端。在此期间，因为光开关OS的选择作用，窃听模式链路没有光束经过，同步探测器不会检测到任何有用信息，指示灯不会闪烁。

2.      窃听模式：将光束从光输入端接入备，同时将单刀双掷开关拨到正常模式档位，此时光束经光开关OS沿窃听模式链路经第二光分束器BS2传输分为两路信号，一路经第一光分束器BS1传到光输出端，另一路传到同步探测器。同步探测器检测到有用信息，即相当于窃听成功，此时指示灯闪烁，直观显示窃听过程正在进行。在此期间，因为光开关的选择作用，正常模式链路没有光经过。

本发明采取的另一种技术方案为：基于量子密钥通信的窃听演示方法，包括以下步骤：

步骤1，将光束从光输入端输入光开关，并将光开关设置为正常模式，使光束依次经过光开关和第一光分束器，然后从光输出端射出；

步骤2，将光开关设置成窃听模式，使光束经过光开关后传输到第二光分束器，第二光分束器将光束分成两路信号，其中一路经过第一光分束器后，从光输出端传输到接收端，另一路信号进入同步探测器；当同步探测器探测到光信号时，同步探测器上的指示灯亮。

本基于量子密钥通信的窃听演示方法工作原理如下：

量子学的三大基本定律为量子通信的安全性奠定了基础。当信息在传输的过程中，由于量子的不可克隆性决定了信息是无法被复制的，为了窃听，窃听者只能通过多次测量获取信息，由测量塌缩理论可以知道多次测量必然会导致最初的量子态改变，从而证实窃听者的存在。本发明的方法就是直观展示量子通信安全性的。

正常模式：光纤通信过程中，线路上的衰减大概为0.2dB/Km，在正常传输的情况下，携带信息的光经过光开关选择沿正常模式链路传输，然后再经相当于3dB衰减器的第一光分束器BS1传输，继而到达接收端，在QKD的接收端显示密钥量正常，误码率在安全范围以内，整个链路的衰减值大概为3.4dB,相当于17Km光纤。

窃听模式：当想要模拟窃听者的窃听行为时，只要手动将光开关切换到窃听模式，这时候信息将经窃听模式链路传输，经过第二光分束器BS2后分成两路信号，其中一路进入同步探测器，也就是用于模拟的窃听者窃听到的信息的装置，另一路再经第一光分束器BS1传输到接收端。当窃听者窃听到信息的时候，同步探测器一端设置了一个用于窃听信息提示的提示灯，其闪烁频率与链路的光脉冲有关。与此同时，因为整条链路的衰减大概为6.7dB，在QKD接收端会显示密钥量降低，误码率升高，从而QKD设备会报警，用于显示传输链路信息遭受窃听，进而提示信息发送者舍弃已经传送的信息，直观展示了量子通信设备的安全性。

本发明通过第一光分束器和第二光分束器的配合，通过同步探测器模拟窃听行为，可以很直观地展示量子通信传输信息的安全性，方法简单直观，经济实用。 

附图说明

图1为本发明的电路结构示意图。

图2为本发明的实物结构示意图。

具体实施方式

实施例1

参见图1，本基于量子密钥通信的窃听演示装置，包括用于切换工作模式的光开关OS、用于对光进行合路或者分路的第一光分束器BS1、用于对光进行合路或者分路的第二光分束器BS2、用于模拟窃听者窃听信息的同步探测器；所述光开关OS包括光输入端1、第一光输出端2和第二光输出端3；所述第一光分束器BS1包括第一进光端4、第二进光端5和光输出端6；所述第二光分束器BS2包括进光口7、第一出光口8和第二出光口9；所述第一光输出端2与第一进光端4连接，第二光输出端3与进光口7连接，第一出光口8与第二进光端5连接，第二出光口9与同步探测器连接；光束进入光输入端1后，从第一光输出端2射出或者从第二光输出端3射出；当光束从第一光输出端2射出时，又经过第一分束器BS1后从光输出端6射出并传输到接收端；当光束从第二输出端3射出时，又经过第二分束器BS2分成两束光，其中一束光经过第一分束器BS1后从光输出端6射出并传输到接收端，另一束光进入同步探测器。

本实施例中，所述光开关OS为自锁机械式光开关；所述第一光分束器BS1和第二光分束器BS2均为50:50的分束器；还包括与同步探测器点连接的指示灯，当同步探测器窃听到信息时，指示灯亮。

本实施例中，还包括用于给整个系统供电的电源按钮；所述光开关为自锁的机械式光开光，用于切换工作模式，即正常模式或者窃听模式，本实施例采用船型单刀双掷开关，用于控制光开光，手动选择工作模式。第一光分束器BS1和第二光分束器BS2用于对光进行合路或者分路，而且均为50:50的分束器，相当于3dB衰减器；同步探测器用于模拟窃听者窃听信息；指示灯用于指示同步探测器是否窃听到信息。本基于量子密钥通信的窃听演示装置能够模拟攻击者的窃听行为，针对通信的特点，直观展示量子密钥通信遭受窃听的过程，从而客观反映出量子通信的安全性。

本实施例在实际制作时，参见图2，面板上自左向右依次为：电源按钮、用于光信号输入和输出的法兰盘接口、窃听指示灯以及船型的单刀双掷开关。首先，取一个1U机箱，在其前面板开上五个大小合适的孔，分别用于固定电源按钮、光纤输入输出的法兰盘、指示灯和船型单刀双掷开关，在其后面开上一个大小合适的孔，用于固定电源接口。

第二，将直流稳压电源固定在1U机箱底座上，并且靠近背面电源接口，固定完成以后，将电源接口和电源模块用导线连接，便于给整个设备供电。

第三，将光开光OS、第一光分束器BS1和第二光分束器BS2固定在机箱底部，并盘好尾纤，将各光纤接口连接好。

第四，将同步探测器固定在机箱底部，并从电源模块上取电，在此我们采用同步探测器，用于探测1550nm波段的光。

第五，机械式光开光的工作电压为5±0.5V，故而从电源引出一根5V电源线到单刀双掷开关，通过单刀双掷开关的状态切换对光开光进行上电，从而达到选择不同链路的目的。

第六，当电源按钮按下以后，设备上电，通过拨动单刀双掷开关就可以操纵内部光开关，从而切换正常或者窃听模式状态。通过设备上的指示灯的闪烁与否，就可以显示窃听者的窃听行为，指示灯闪烁代表窃听正在进行，指示灯不亮代表信息沿正常模式链路安全传输。

实施例2

本基于量子密钥通信的窃听演示方法，包括以下步骤：

步骤1，将光束从光输入端输入光开关，并将光开关设置为正常模式，使光束依次经过光开关和第一光分束器，然后从光输出端射出；

步骤2，将光开关设置成窃听模式，使光束经过光开关后传输到第二光分束器，第二光分束器将光束分成两路信号，其中一路经过第一光分束器后，从光输出端传输到接收端，另一路信号进入同步探测器；当同步探测器探测到光信号时，同步探测器上的指示灯亮。 

Claims (5)

1.一种基于量子密钥通信的窃听演示装置，其特征在于：包括用于切换工作模式的光开关OS、用于对光进行合路或者分路的第一光分束器BS1、用于对光进行合路或者分路的第二光分束器BS2、用于模拟窃听者窃听信息的同步探测器；所述光开关OS包括光输入端（1）、第一光输出端（2）和第二光输出端（3）；所述第一光分束器BS1包括第一进光端（4）、第二进光端（5）和光输出端（6）；所述第二光分束器BS2包括进光口（7）、第一出光口（8）和第二出光口（9）；所述第一光输出端（2）与第一进光端（4）连接，第二光输出端（3）与进光口（7）连接，第一出光口（8）与第二进光端（5）连接，第二出光口（9）与同步探测器连接；

光束进入光输入端（1）后，从第一光输出端（2）射出或者从第二光输出端（3）射出；当光束从第一光输出端（2）射出时，又经过第一分束器BS1后从光输出端（6）射出并传输到接收端；当光束从第二输出端（3）射出时，又经过第二分束器BS2分成两束光，其中一束光经过第一分束器BS1后从光输出端（6）射出并传输到接收端，另一束光进入同步探测器。

2.根据权利要求1所述的基于量子密钥通信的窃听演示装置，其特征在于：所述光开关OS为自锁机械式的光开关。

3.根据权利要求2所述的基于量子密钥通信的窃听演示装置，其特征在于：所述第一光分束器BS1和第二光分束器BS2均为50:50的分束器。

4.根据权利要求1或2或3所述的基于量子密钥通信的窃听演示装置，其特征在于：还包括与同步探测器点连接的指示灯，当同步探测器窃听到信息时，指示灯亮。

5.一种基于量子密钥通信的窃听演示方法，包括以下步骤：

步骤1，将光束从光输入端输入光开关，并将光开关设置为正常模式，使光束依次经过光开关和第一光分束器，然后从光输出端射出；

步骤2，将光开关设置成窃听模式，使光束经过光开关后传输到第二光分束器，第二光分束器将光束分成两路信号，其中一路经过第一光分束器后，从光输出端传输到接收端，另一路信号进入同步探测器；当同步探测器探测到光信号时，同步探测器上的指示灯亮。

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