CN104104502A - 量子密钥分配系统中量子态光强锁定方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种量子密钥分配系统中量子态光强锁定方法，包括激光发送、激光分述和反馈重置。本发明还公开了一种量子密钥分配系统中量子态光强锁定装置，处理器MCU在对D/A转换器的输出电压进行扫描，同时处理器MCU将接收到的数字电压信号与设定的已知参数进行比较；当A/D转换器输出的数字电压信号与设定的两个已知参数相等时，处理器MCU分别记下相应的加在IM上的D/A转换器的输出电压值a和b；处理器MCU在扫描过程结束后，将输出电压值a和b发送给QKD控制中心。本发明工作稳定，保证了量子信号的光强稳定性和量子态的比例稳定性，从而大大提高QKD的稳定性、密钥生成率以及安全通信距离。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于量子密钥通信系统的量子态光强锁定的装置及方法，尤其涉及一种能够确保量子密钥通信过程中各个量子态（信号态和诱骗态）的光强稳定性和量子态光强比例的稳定性的量子密钥分配系统中量子态光强锁定方法及装置。
背景技术
标准的量子密钥协议需要使用单光子光源产生单个光子以携带量子信息，如果出现多光子同时存在于一个光脉冲的情况，则有可能被窃听者Eve截留多余的子，从而Eve可以在不被发现的情况下获取信息，我们称之为光子数分束攻击PNS(Pulse Number Splitting)。对于采用弱相干光源的实际量子密钥通信系统来说，无论将光源的平均光强衰减到多少，其中都会有一定几率含有多光子脉冲。Eve可以利用量子非破坏测量对每个从Alice发出的脉冲进行光子数测量。得到测量结果后，Eve将所有的单光子信号屏蔽，同时将多光子进行分束，保留其中的一个光子，将其余光子通过无损信道发送给Bob，由此可拥有与Bob一样的量子态。Eve在这一过程中并未改变Alice发送给Bob的量子态，不会对Bob引入误码，因而Alice和Bob无法通过量子误码率发现Eve的窃听行为。屏蔽的单光子信号将使Bob的计数率下降，但是Eve可使用低衰减或无损信道对其进行补偿，使得Alice与Bob在传输距离大于一定程度时，无法发现由于Eve造成的计数率下降。因此当传输损耗大于某一数值之后，光子数分束攻击将使得系统不再安全。
针对PNS攻击，量子密钥系统采用了诱骗态量子密钥分配协议（Decoy states QKD）。该协议的基本思想是：Alice制备两种态发送给Bob，即BB84信号态和诱骗态（Decoy态）。BB84信号态用来产生密钥信号，而Decoy不产生密钥信息，其作用仅仅在于探测Eve是否进行了攻击。两种态之间的唯一区别在于平均光子数不同。Bob通过对信号态和Decoy态进行计数，并统计比特误码率，可以精确估计Q（探测到的单光子信号占Alice发出的总的信号的百分比）的下限和e（由单光子信号所造成的QBER）的上限，从而大大提高QKD的生成率和安全通信距离。
可以看到Decoy states协议的主要特征在于Alice在量子信道中传输两种量子态（即信号态和Decoy态），这两种量子态的唯一区别就是平均光子数不同。目前QKD系统中，均在发送端的量子信道中加入了IM（intensity modulator），发送端通过IM来调制发送光脉冲的量子态，使得信号态光强 : Decoy态光强的比例为3：1。IM是一种电压驱动的高速光强调制器件，发送端只需切换两种不同的IM驱动电压就可以改变IM的衰减值，从而改变输出光脉冲的强度，使得输出光脉冲调制为信号态或Decoy态。实际的Decoy states QKD中对应信号态和Decoy态的两种IM衰减电压值是在设备出厂时通过测量设定的，在之后的通信过程中发送端切换这两个电压调制量子态，并不会再对这两个驱动电压值做调整。
实际上IM具有很大的偏振相关性，而激光器输出的光信号的偏振态是不稳定的，并且光在光纤中传输时偏振态也会随机地改变，因此在QKD系统中IM的输出特性，即电压-衰减特性曲线并不是理想的，而是在一定坐标轴区间内上下左右缓慢漂移的，这意味着相同的电压值对应的IM的衰减值是在缓慢漂移的，如图1和图2。如果系统始终采用两个固定电压值调制IM，则会导致系统原始密钥量的变化以及信号态和Decoy态的比例的变化，最终将导致QKD系统无法进行保密放大，无法生成最终的安全密钥。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种量子密钥分配系统中量子态光强锁定方法及装置。本量子密钥分配系统中量子态光强锁定方法及装置能够补偿IM衰减值随光信号偏振态变化而产生的漂移，以使信号态和Decoy态的光强以及光强比例为一个恒定值。
为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案为：量子密钥分配系统中量子态光强锁定方法，包括以下步骤：
激光发送：发送端触发量子激光器Qlaser，使量子激光器Qlaser输出激光；
激光分述：所述激光经过IM后进入光分束器，所述光分束器具有A输出端和B输出端，A输出端和B输出端的光强比是1：99；所述光分束器将激光分为两路，所述A输出端输出的激光进入量子通信信道，B输出端输出的激光进入光强锁定反馈控制装置；所述光强锁定反馈控制装置包括PIN光电转换器、A/D转换器、处理器MCU和D/A转换器；
反馈重置：进入光强锁定反馈控制装置的激光首先经过PIN光电二极管，通过PIN光电二极管将激光信号转换成模拟电压信号；
所述模拟电信号经过A/D转换器后转换成数字电压信号；
所述A/D转换器将数字电压信号输出给处理器MCU；
处理器MCU将接收到的数字电压信号与设定的已知参数进行比较，同时处理器MCU在全范围内扫描D/A转换器的输出电压；所述设定的参数为信号态为3u，Decoy态为1u；当A/D转换器输出的数字电压信号与设定的两个已知参数相等时，处理器MCU分别记下相应的加在IM上的D/A转换器的输出电压值a和b；
扫描过程结束后，处理器MCU立即将输出电压值a和b发送给QKD控制中心；
所述QKD控制中心将上一帧量子密钥传输时IM的两个调制电压的值更新为a和b，以使QKD控制中心在下一帧量子密钥传输时就用电压值a和电压值b来调制信号态和Decoy态的光强，进一步使IM输出的激光维持在设定的光强；所述设定的光强是指设定信号态光强为3r，Decoy态光强为1r。
本发明采取的另一种技术方案为：光强锁定反馈控制装置，包括PIN光电转换器、A/D转换器、处理器MCU和D/A转换器；所述A/D转换器和D/A转换器分别与处理器MCU电连接；所述A/D转换器和PIN光电转换器电连接；所属PIN光电转换器用于将光信号转换成模拟电压信号；所述A/D转换器用于将模拟电压信号转换成数字打压信号并且输出给处理器MCU；所述处理器MCU在全范围内对D/A转换器的输出电压进行扫描，同时处理器MCU将接收到的数字电压信号与设定的已知参数进行比较；所述设定的参数为信号态为3u，Decoy态为1u；当A/D转换器输出的数字电压信号与设定的两个已知参数相等时，处理器MCU分别记下相应的加在IM上的D/A转换器的输出电压值a和b；处理器MCU在扫描过程结束后，将输出电压值a和b发送给QKD控制中心。
工作时，所述QKD控制中心将上一帧量子密钥传输时IM的两个调制电压的值更新为a和b，以使QKD控制中心在下一帧量子密钥传输时就用电压值a和电压值b来调制信号态和Decoy态的光强，进一步使IM输出的激光维持在设定的光强；所述设定的光强是指设定信号态光强为3r，Decoy态光强为1r。
在量子密钥通信过程中，量子密钥信号是以帧格式发送的，每发送完一帧数据Alice和Bob都会进行一次经典网络通信来完成握手和对基等过程。通信双方每次进行经典网络通信的同时有充分的时间进行一次量子态光强锁定的过程，具体量子态光强锁定方案如图3。由于通信双方在进行经典通信时是不发送密钥信号的，因此发送端可以利用量子激光器QLaser发送测试光专门用于量子态光强锁定。
本发明的原理是发送端触发量子激光器Qlaser，量子激光器Qlaser输出激光，所述激光经过IM后进入1：99光分束器，光分束器具有A输出端和B输出端，或者说对应为1端口和99端口；1端口输出的激光送入量子通信信道，99端口输出的激光送入光强锁定反馈控制装置。所述光强锁定反馈控制装置中采用PIN光电二极管监测99端输出的光强并转换为迷模拟电压信号，所述模拟电压信号通过A/D转换器采样后转化为数字电压信号；所述数字电压信号送入处理器MCU，处理器MCU在全范围内扫描D/A转换器上的电压，同时处理器MCU将A/D转换器的输出值与一直参数进行3u和1u做比较；每次在全范围内扫描D/A转换器输出的时候IM输出光强会不断变化，对应A/D转换器的输出值也在不断变化，当A/D转换器的输出值和设定的两个已知参数相等时，处理器MCU分别记下相应的加在IM上的D/A转换器的输出电压值a和b；扫描过程结束后，处理器MCU立即将电压值a和b发送给QKD控制中心，QKD控制中心将上一帧量子密钥传输时IM的两个调制电压更新为电压值a和b，那么QKD控制中心在下一帧量子密钥传输时就用a、b值来调制信号态和Decoy态的光强，使IM输出设定的光强。这里设定的光强是指设定信号态光强为3r，Decoy态光强为1r，通过测量光电转换电路的输出就可以得到和这两个量子态光强成正比例关系的电压信号。该电压信号通过A/D转换器转换为数字电压信号后，信号态对应为3u，Decoy态对应为1u，处理器MCU利用3u和1u为扫描过程的已知参数。本发明可以使得信号态和Decoy态光强始终保持在设定的值，分别为3r和1r，很明显一旦这两个值被锁定，那么信号态和Decoy态的光强比例也被锁定，即始终保持在3r：1r=3：1。
总之，本发明通过处理器MCU进行扫描计算，使得本发明的硬件电路设计简单，工作稳定；通过在QKD系统中加入光强反馈控制装置，能够适时地调整加在IM上的电压，从而补偿IM衰减值随光信号偏振态变化而产生的漂移，使得信号态和Decoy态的光强以及光强比例为一个恒定值，因而弥补了QKD系统的一个安全漏洞，保证了量子信号的光强稳定性和量子态的比例稳定性，从而大大提高QKD的稳定性、密钥生成率以及安全通信距离。
附图说明
图1为现有技术中IM电压衰减特性曲线随时间的漂移特性示意图。
图2为现有技术中IM电压衰减特性曲线随温度变化的漂移特性示意图。
图3为本发明的IM输出光强反馈控制方案方框示意图。
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，本量子密钥分配系统中量子态光强锁定方法，包括以下步骤：
激光发送：发送端触发量子激光器Qlaser，使量子激光器Qlaser输出激光；
激光分述：所述激光经过IM后进入光分束器，所述光分束器具有A输出端和B输出端，A输出端和B输出端的光强比是1：99；所述光分束器将激光分为两路，所述A输出端输出的激光进入量子通信信道，B输出端输出的激光进入光强锁定反馈控制装置；所述光强锁定反馈控制装置包括PIN光电转换器、A/D转换器、处理器MCU和D/A转换器；
反馈重置：进入光强锁定反馈控制装置的激光首先经过PIN光电二极管，通过PIN光电二极管将激光信号转换成模拟电压信号；
所述模拟电信号经过A/D转换器后转换成数字电压信号；
所述A/D转换器将数字电压信号输出给处理器MCU；
处理器MCU将接收到的数字电压信号与设定的已知参数进行比较，同时处理器MCU在全范围内扫描D/A转换器的输出电压；所述设定的参数为信号态为3u，Decoy态为1u；当A/D转换器输出的数字电压信号与设定的两个已知参数相等时，处理器MCU分别记下相应的加在IM上的D/A转换器的输出电压值a和b；
扫描过程结束后，处理器MCU立即将输出电压值a和b发送给QKD控制中心；
所述QKD控制中心将上一帧量子密钥传输时IM的两个调制电压的值更新为a和b，以使QKD控制中心在下一帧量子密钥传输时就用电压值a和电压值b来调制信号态和Decoy态的光强，进一步使IM输出的激光维持在设定的光强；所述设定的光强是指设定信号态光强为3r，Decoy态光强为1r。
实施例2
参见图1、本光强锁定反馈控制装置，包括PIN光电转换器、A/D转换器、处理器MCU和D/A转换器；所述A/D转换器和D/A转换器分别与处理器MCU电连接；所述A/D转换器和PIN光电转换器电连接；所属PIN光电转换器用于将光信号转换成模拟电压信号；所述A/D转换器用于将模拟电压信号转换成数字打压信号并且输出给处理器MCU；所述处理器MCU在全范围内对D/A转换器的输出电压进行扫描，同时处理器MCU将接收到的数字电压信号与设定的已知参数进行比较；所述设定的参数为信号态为3u，Decoy态为1u；当A/D转换器输出的数字电压信号与设定的两个已知参数相等时，处理器MCU分别记下相应的加在IM上的D/A转换器的输出电压值a和b；处理器MCU在扫描过程结束后，将输出电压值a和b发送给QKD控制中心。工作时，所述QKD控制中心将上一帧量子密钥传输时IM的两个调制电压的值更新为a和b，以使QKD控制中心在下一帧量子密钥传输时就用电压值a和电压值b来调制信号态和Decoy态的光强，进一步使IM输出的激光维持在设定的光强；所述设定的光强是指设定信号态光强为3r，Decoy态光强为1r。
Claims (2)
1.一种量子密钥分配系统中量子态光强锁定方法，其特征在于包括以下步骤：
一、激光发送：发送端触发量子激光器Qlaser，使量子激光器Qlaser输出激光；
二、激光分述：所述激光经过IM后进入光分束器，所述光分束器具有A输出端和B输出端，A输出端和B输出端的光强比是1：99；所述光分束器将激光分为两路，所述A输出端输出的激光进入量子通信信道，B输出端输出的激光进入光强锁定反馈控制装置；所述光强锁定反馈控制装置包括PIN光电转换器、A/D转换器、处理器MCU和D/A转换器；
三、反馈重置：
31、进入光强锁定反馈控制装置的激光首先经过PIN光电二极管，通过PIN光电二极管将激光信号转换成模拟电压信号；
32、所述模拟电信号经过A/D转换器后转换成数字电压信号；
33、所述A/D转换器将数字电压信号输出给处理器MCU；
34、处理器MCU将接收到的数字电压信号与设定的已知参数进行比较，同时处理器MCU在全范围内扫描D/A转换器的输出电压；所述设定的参数为信号态为3u，Decoy态为1u；当A/D转换器输出的数字电压信号与设定的两个已知参数相等时，处理器MCU分别记下相应的加在IM上的D/A转换器的输出电压值a和b；
35、扫描过程结束后，处理器MCU立即将输出电压值a和b发送给QKD控制中心；
36、所述QKD控制中心将上一帧量子密钥传输时IM的两个调制电压的值更新为a和b，以使QKD控制中心在下一帧量子密钥传输时就用电压值a和电压值b来调制信号态和Decoy态的光强，进一步使IM输出的激光维持在设定的光强；所述设定的光强是指设定信号态光强为3r，Decoy态光强为1r。
2.一种光强锁定反馈控制装置，其特征在于：包括PIN光电转换器、A/D转换器、处理器MCU和D/A转换器；所述A/D转换器和D/A转换器分别与处理器MCU电连接；所述A/D转换器和PIN光电转换器电连接；所属PIN光电转换器用于将光信号转换成模拟电压信号；所述A/D转换器用于将模拟电压信号转换成数字打压信号并且输出给处理器MCU；所述处理器MCU在全范围内对D/A转换器的输出电压进行扫描，同时处理器MCU将接收到的数字电压信号与设定的已知参数进行比较；所述设定的参数为信号态为3u，Decoy态为1u；当A/D转换器输出的数字电压信号与设定的两个已知参数相等时，处理器MCU分别记下相应的加在IM上的D/A转换器的输出电压值a和b；处理器MCU在扫描过程结束后，将输出电压值a和b发送给QKD控制中心。
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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 | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 241003 No. 12, Zhanghe Road, hi tech Zone, Anhui, Wuhu Applicant after: Anhui Asky Quantum Technology Co., Ltd. Address before: 241002 Anhui science and technology innovation public service center, Wuhu national hi tech Zone, Yijiang Applicant before: Anhui Asky Quantum Technology Co., Ltd. |
|
| COR | Change of bibliographic data | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20141015 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |