CN104935428B - 基于m‑z干涉仪的多用户qkd网络系统及其密钥分发方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于M‑Z干涉仪的多用户QKD网络系统及其密钥分发方法，包括网状型网络结构单元与N个M‑Z型量子密钥分发单元，所述网状型网络结构单包括公用光纤、波长路由装置和专用光纤，任一波长路由装置的一个端口连接一条公用光纤，并通过专用光纤分别与其他波长路由装置对应连接；所述N个M‑Z型量子密钥分发单元通过公用光纤与网状型网络结构单元连接，任一M‑Z型量子密钥分发单元均可以通过网状型网络结构单元与其他的M‑Z型量子密钥分发单元进行相互通信，实现了多用户的同时通信。本发明整体结构简单，可实现任意两用户间、N用户间的互通，单路性能受用户数量的增加影响小，具有很好的全网络扩展性和安全性。

Description

基于M-Z干涉仪的多用户QKD网络系统及其密钥分发方法

技术领域

本发明型涉及量子通信与光纤通信网络领域，具体涉及一种基于M-Z干涉仪的多用户QKD网络系统及其密钥分发方法。

背景技术

传统密码技术主要通过数学上的计算复杂程度来保证其安全性，但随着目前计算能力的进步和提高，传统密码技术的安全性受到巨大威胁。而量子密码技术的安全性不依赖于计算的复杂度，而是基于量子力学的基本原理，即受海森堡测不准原理和未知量子态不可克隆原理。量子密钥分发(Quantum Key Distribution，QKD)能以绝对安全的方式让处于不同地理位置的合法参与者分享密钥，双方的密钥发送信道可以是自由空间或者光纤，其中采用光纤作为传输信道的QKD使用更为广泛。

目前，一种用分振幅法产生双光束以实现干涉的M-Z干涉仪，清楚地体现了量子力学中的路径选择问题，在QKD中有着重要应用。M-Z干涉仪主要由两块半反半透镜BS和两块反光镜组成。其主要原理是：来自光源的光经过分束后分别走不同路径，当到达探测器的光路光程相同时，能产生干涉效应。因此，在两路径中加入相位调制器，通过这两个相位调制器的脉冲组就能在汇合时产生不同的干涉，从而实现在量子密钥分配中的路径选择。

所述M-Z干涉仪用于量子网络技术的发展状况如下：1992年C.Bennett提出的B92协议在M-Z干涉仪上用相位编码的方式实现，利用一个等臂干涉环，该等臂干涉环包含两个半反半透分束器(BS)或者光纤耦合器，激光源LD以及衰减器A，两个相位调制器PM，以及Bob端的检测器APD。其中LD产生的激脉冲组经过衰减器A，使每个脉冲含有的平均光子数远小于一个光子。由分束器将脉均分到上下两臂，上臂的相位调制器由Bob控制，下臂则是Alice控制，接收双方控制相位调制器,随机地选{0,π/2,π,3π/2}分别对脉冲组调相。在接收端的分束器发生单光子干涉，干涉结果由上下臂调相的相位差决定，当相 位差等于(2n+1)π时全部光子进入APD1，当相位差为2nπ时，全部光子进入APD0。

这种单M-Z干涉仪的方案不适合于长距离QKD，它需要占用两条公共信道，而且两条信道的工作环境和基本属性(比如衰减,传输时间)难以保持一致，双方的实际臂长差很难控制。

为了克服单个干涉环传输距离短的缺陷，Bennett提出了不等臂M-Z方案，即使用两个M-Z干涉仪实现点对点长距离相位编码的QKD。

2004年英国剑桥小组利用此方案实现了传输距离达122km的QKD实验。系统主要由半导体激光器(LD)，可调光衰减器(A)，相位调制器(PMa PMb)，单光子探测器(APD0、APD1)和四个在长短臂光纤两端的分束器或耦合器组成。其中最核心的部件是相位调制器，它对正交的两个单光子态进行相位编码调制，数据的编解码使用的是相位差信息。经过衰减的激脉冲组耦合进Alice端的干涉仪两臂，光子可能走长光路1也可能走短光路1，随后脉冲组离开Alice进入长距离的光纤中，到达Bob端后随机进入长光路2或者短光路2。因此，脉冲组从LD出发到抵达单光子探测器有四种可能的路径：长1长2、长1短2、短1长2、短1短2。通过调整PM使得经过长1短2和短1长2路径的光程相同，这两条路径的脉冲组就能发生干涉。相位差是两个PM调相的差，此相位差将会决定单光子进入APD0还是APD1中。通过筛选和比对，生成原始量子密钥，再经过后续处理，完成一次点对点的量子密钥分发过程。由于双M-Z干涉仪的光信号传输通过公用光纤完成，在公共部分的光路是完全相同的，公用光纤受到的外界干扰对两条信道的影响也是相同的，相位漂移相互抵消。非常适合长达几十甚至超过百公里的长距离的量子密钥分发。

对比目前较常见的几类QKD方案，如采用极弱脉冲信号光源的差分DPS的QKD方案虽然运用诱惑态隐匿性较好，但经典强信号等引入的调制噪声的安全性没有得到严格证明，且极易受扰动影响，不适宜长距离传输；Plug&Play的QKD方案往返光路有天然的偏振等影响自动补偿功能，但传输距离和后向散射 的技术处理是一项挑战；Sagnac环QKD方案需要组成环形，极大的限制传输距离且易受光子分束木马攻击；利用相位调制器的M-Z型的单光子QKD方案，既不会受到双折射效应的影响，同时偏振模色散也不敏感。

而干涉仪外的光路公用，传输稳定性比较好，而且误码率低、抗干扰能力强，能很好的实现远距离传输，其结构简单，成本较低，在QKD中广泛应用。实际中，双MZ干涉仪的QKD系统随着传输距离的增加，对外部环境的敏感度也增加了，比如温度变化和环境振动都可能导致相位漂移的产生，影响系统稳定性。

另一方面，扩展多用户量子网络成为量子通信发展的必然趋势。但现有的QKD技术都是基于点对点链接的。目前,由网络的组网拓扑结构决定了实现量子密钥分配主要有三种情况:网络中任意两个通信者之间的密钥分配，一点对多点之间的密钥分配，以及多点对多点的密钥分配。常见的几类典型QKD网络组网方案有网状型、树形、环形、总线型和网状型等网络拓扑结构，可以发现，网状型、树形的QKD网络拓扑方案有着较为简单的结构，在用户量较少的情况下网络性能有优势，但很难在多用户的环境中发挥优势；环形网络有着低成本的优势，但链路中断故障、噪声引发的安全性等不具优势；总线型在其安全性和便捷性上有一定的优势，但随着用户的增多会发生信号劣化；

因此如何合理地分配点对点链接的资源，同时从用户一对多发展到用户多对多的密钥分配，将量子密钥分发从一个区域扩展到另外一个区域，增强通信安全性以及可靠性，降低多用户链接时的成本是现有技术亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种稳定性好，安全性高，成本低可以实现任意多对多通信的基于M-Z干涉仪的多用户QKD网络系统。

本发明的另一目的是利用上述基于M-Z干涉仪的多用户QKD网络系统来实现的多用户QKD的分发方法。

本发明的技术方案是这样实现的：基于M-Z干涉仪的多用户QKD网络系统， 包括网状型网络结构单元与N个M-Z型量子密钥分发单元，所述网状型网络结构单包括公用光纤、波长路由装置和专用光纤，任一波长路由装置的一个端口连接一条公用光纤，且其通过所述专用光纤分别与其他波长路由装置一一对应连接；

所述多个M-Z型量子密钥分发单元通过所述公用光纤分别与网状型网络结构单元连接，所述M-Z型量子密钥分发单元用于实现量子信号编码与解码，既可作为发送端也可作为接收端；

所述任意一个作为发射端的M-Z型量子密钥分发单元输出的脉冲组经过与其相连的公用光纤输入到对应的波长路由装置中，然后通过所述专用光纤传输到其他的波长路由装置及其对应公用光纤，最后输出到其他作为接收端的M-Z型量子密钥分发单元中。

具体地，所述M-Z型量子密钥分发单元包括依次连接的多波长脉冲产生装置、可变光衰减器、环形器和非等臂M-Z干涉仪，还包括与所述环形器连接的第一多波长单光子探测器和与所述非等臂M-Z干涉仪连接的第二多波长单光子探测器。

进一步地，所述非等臂M-Z干涉仪包括依次连接的第一耦合器、第二耦合器、长臂光纤和短臂光纤，所述长臂光纤上设有相位调制器，所述相位调制器具有自置的实时相位检测与跟踪补偿功能；所述长臂光纤连接于所述第一耦合器与第二耦合器之间，所述短臂光纤连接于所述第一耦合器与第二耦合器之间；

所述第一耦合器与所述环形器连接，所述第一耦合器与所述第二多波长单光子探测器连接；

所述第二耦合器与所述公用光纤连接。

具体地，所述多波长脉冲产生装置包括单光源多波长脉冲激光器和波长选择器，所述单光源多波长脉冲激光器输出的脉冲组经过所述波长选择器选择后，输入到所述可变光衰减器中。

进一步地，所述第一多波长单光子探测器和第二多波长单光子探测器采用可探测多个波长的集成单光子探测技术。

具体地，所述波长路由装置为波分复用器、阵列波导光栅、布拉格光栅、或者波长选择开关等。

基于M-Z干涉仪的多用户QKD的密钥分发方法，包括使用所述的基于M-Z干涉仪的多用户QKD网络系统，其操作步骤如下：

S1.系统初始化：检查所述基于M-Z型的量子密钥分发网络系统是否运行正常，设定初始条件；

S2.系统噪声测试：在所述多波长脉冲产生装置不发射脉冲之前，测试所述基于M-Z型的量子密钥分发网络系统噪声水平；

S3.相位补偿测试：由所述多波长脉冲产生装置发射脉冲组，系统完成光子统计计数实时监测与反馈,对由复杂环境中震动等引起的相位漂移检测并自动跟踪补偿；

S4.非等臂M-Z干涉仪光纤长度测试及传输链路长度测设：由所述多波长脉冲产生装置发射脉冲组，测量脉冲经过所述非等臂M-Z干涉仪的长臂光纤和短臂光纤进行分束到合并出射时的时间差，由此确定所述非等臂M-Z干涉仪中长臂光纤和短臂光纤的光纤长度；然后根据M-Z型量子密钥分发单元到达网状型网络结构单元的距离，确定所述公用光纤的长度；再根据所述网状型网络结构单元内各波长路由装置之间的距离关系确定所述专用光纤的长度；

S5.密钥发送：所述多波长脉冲产生装置产生脉冲组，每次发送一定数目由脉冲组串组成的帧，并由所述M-Z型量子密钥分发单元调制并衰减到单光子水平后再发送到所述非等臂M-Z干涉仪进行同一相位信息的加载；其中调制脉冲所需的电压与多波长脉冲产生装置产生的帧随机码相对应，作为各自基的选择，各M-Z型量子密钥分发单元的用户依据各自编码需要，选择不同的相位调制脉冲相位；

S6.密钥筛选与成码：作为接收端的M-Z型量子密钥分发单元记录多波长 探测装置的探测响应事件，与作为发送端的M-Z型量子密钥分发单元公开比对基，形成筛选密钥；然后在筛选密钥中随机挑选一些数据，判断是否存在窃听，判断之后，剔除筛选数据，再次对剩余的数据进行数据协调与密性放大，得到最终的安全密钥；对安全密钥进行优先权设定。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.利用M-Z型的QKD方案，既不会受到双折射效应的影响，同时偏振模色散也不敏感，干涉仪外的光路公用，相位漂移相互抵消，传输稳定性比较好，而且误码率低、抗干扰能力强，能很好的实现远距离传输。

2.该网络结构中，双M-Z型的QKD满足M-Z型量子密钥分发单元(即User控制端)既可作为发送端也可作为接收端，不仅极大的提高的设备的利用率，降低了通信设备成本，也增加了网络的互通性，满足任意两用户间的互通。

3.采用网状型网络结构，所有用户使用点对点进行连接，运用波分复用技术只需N(N-1)/2个波长，这一结构大大节省了构建全连通网络所需的波长数，减少了信号发射装置与传输信道的成本，可便捷低廉实现多用户的扩展和互通。

4.在网络中加入新的QKD终端节点时，只需要建立该节点与波长路由装置一个端口之间的量子信道连接即可，而不需要建立和所以用户之间的连接，具有很好的扩展性；

5.无论网络如何扩展，任意两用户之间只经过两个波长路由装置，因此路径损耗基本不随用户数的增加而发生明显变化，且理论上各个用户的密钥生成性能基本相近(假设各用户距离路由器距离相等)，为实现任意用户间的同时通信提供了可能。

附图说明

图1为本发明基于M-Z干涉仪的多用户QKD网络系统的整体框架示意图。

图2为本发明基于M-Z干涉仪的多用户QKD网络系统整体框架示意图(4个客户端)。

图3为本发明基于M-Z干涉仪的多用户QKD网络系统整体框架示意图(多 个客户端)。

图4为本发明基于M-Z干涉仪的N用户QKD网络系统中网状型网络结构单元的整体框架示意图(N＝1,2,3……n)。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

以下结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明：

如图1所示，基于M-Z干涉仪的多用户QKD(Quantum Key Distribution，量子密钥分发)网络系统，包括网状型网络结构单元与N个M-Z型量子密钥分发单元，所述网状型网络结构单包括公用光纤、波长路由装置和专用光纤，任一波长路由装置的一个端口连接一条公用光纤，且其通过所述专用光纤分别与其他波长路由装置一一对应连接；

所述N个M-Z型量子密钥分发单元通过所述公用光纤分别与网状型网络结构单元连接，所述M-Z型量子密钥分发单元用于实现量子信号编码与解码，既可作为发送端也可作为接收端；

所述任意一个作为发射端的M-Z型量子密钥分发单元输出的脉冲组经过与其相连的公用光纤输入到对应的波长路由装置中，然后通过所述专用光纤传输到其他的波长路由装置及其对应公用光纤，最后输出到其他作为接收端的M-Z型量子密钥分发单元中。

具体地，所述M-Z型量子密钥分发单元包括依次连接的多波长脉冲产生装置、可变光衰减器、环形器和非等臂M-Z干涉仪，还包括与所述环形器连接的第一多波长单光子探测器和与所述非等臂M-Z干涉仪连接的第二多波长单光子探测器。

进一步地，所述非等臂M-Z干涉仪包括依次连接的第一耦合器、第二耦合器、长臂光纤和短臂光纤，所述长臂光纤上设有相位调制器，所述相位调制器具有自置的实时相位检测与跟踪补偿功能；所述长臂光纤连接于所述第一耦合器与第二耦合器之间，所述短臂光纤连接于所述第一耦合器与第二耦合器之间；

所述第一耦合器与所述环形器连接，所述第一耦合器与所述第二多波长单光子探测器连接；所述第二耦合器与所述公用光纤连接。

具体地，所述多波长脉冲产生装置包括单光源多波长脉冲激光器和波长选择器，所述单光源多波长脉冲激光器输出的脉冲组经过所述波长选择器选择后进入到所述可变光衰减器中。所述第一多波长单光子探测器和第二多波长单光子探测器采用可探测多个波长的集成单光子探测技术。

具体地，所述波长路由装置为波分复用器或阵列波导光栅、布拉格光栅、波长选择开关等。

本发明工作时，任意一个所述M-Z型量子密钥分发单元中的多波长脉冲产生装置输出的脉冲组经过所述可变光衰减器衰减后进入环形器，然后再通过第一耦合器以50:50平分到非等臂M-Z干涉仪的长臂光纤和短臂光纤中，经过所述长臂光纤和短臂光纤中后又通过第二耦合器耦合并到所述公用光纤上并输入到网状型网络结构单元中与该公用光纤相连的波长路由装置中，然后经过任意一条专用光纤传输到其余波长路由装置中的波长路由装置中及其对应的公用光纤，最后输出到对应的M-Z型量子密钥分发单元中。这样任意一个M-Z型量子密钥分发单元既可以做为发送端，又可以做为接收端。实现了任意点对多点的组网，特别地可以进一步延伸到多点对多点的互通方式，且不限制控制端为发送端或接收端，任意两用户间可互通。同时任意两个用户之间只经过两个波长路由装置，因此路径损耗基本不随用户数的增加而发生明显变化，保证了系统的稳定性，密钥的安全性，同时绛低了成本。

实施例1

如图2所示，本实施例中采用一个网状型网络结构单元与四个M-Z型量子密钥分发单元100，为方便说明，此处将以四个M-Z型量子密钥分发单元分别标识为101、102、103、104。所述M-Z型量子密钥分发单元101、102、103、104的传输端口分别通过公用光纤202、204、206、208与网状型网络结构单元100连接。

所述M-Z型量子密钥分发单元101、102、103、104包括多波长脉冲产生装置221、241、261、281，可变光衰减器222、242、262、282，环形器223、243、263、283，多波长单光子探测器224、225、244、245、264、265、284、285和非等臂M-Z干涉仪。

其中非等臂M-Z干涉仪包含第一耦合器226、246、266、286，第二耦合器230、250、270、290，相位调制器227、247、267、287，短臂光纤228、248、 268、288和长臂光纤229、249、269、289。

所述网状型网络结构单元100包含公用光纤202、204、206、208，波长路由装置201、203、205、207和专用光纤211、212、213、214、215、216。

下述将以User1(101)作为发送端分析整个系统的工作过程。User1(101)发送端产生包含三种波长的脉冲组，分别发送到三个独立的用户User2(102)、User3(103)及User4(104)。各用户接收到User1控制端发送来的脉冲后，根据需要，对脉冲进行相位调制，根据探测结果获取信息。同理，以User2作为发送端时，用户User1、User3及User4则为接收端，该通信过程与User1作为发送端可同时并行且互不干扰，系统中任意两用户可实现互通。下面具体地描述脉冲传递过程。

User1(101)发送端利用波长脉冲产生装置221中的多波长激光器产生具有多个波长的脉冲串，并由波长筛选器将三个波长脉冲串按规划要求挑选出来供其他三个用户使用。筛选后的三个波长脉冲串将经过可变光衰减器222衰减到单光子水平的弱脉冲。脉冲经过环形器223后，通过所述第一耦合器226以50:50的比例注入到所述非等臂M-Z干涉仪。这样每组脉冲组都被分成相等的两部分，一部分将穿过包含相位调制器227的长臂光纤229，User1通过相位调制器227对经过长臂光纤229的脉冲串进行相位调制和编码加载信息；另一部分将穿过下方的短臂光纤228，这样两部分脉冲从耦合器230输出时会有一个时间差。

下一阶段，从第二耦合器230出来的脉冲组将先经过第一级量子信道即公用光纤202进入到波长路由装置201，然后所述波长路由装置201以波长寻址的方式分开，每一波长的脉冲串各自经过第二级量子信道即专用光纤211、215、214，分别到达下一个波长路由装置203、205、207，出射后的特定波长脉冲串进入第三级量子信道即公用光纤204、206、208到达各自的用户接收端User2(102)、User3(102)和User4(104)。

下一阶段，以User2(102)为例，从204传输过来的特定波长脉冲串进入接收端User2(102)的50:50第二耦合器250，再次将脉冲组分成两部分，一部分将穿过包含相位调制器247的长臂光纤249，User2通过相位调制器247对经过长臂光纤249的脉冲串进行相位调制，根据随机选定的测量基进行调相；另一部分将穿过下方的短臂光纤248。由此可知这时进入所述第一耦合器230 的脉冲串有三个部分：第一部分：两次经过短臂光纤228、248的脉冲串；第二部分：经过一次长臂光纤229和一次短臂光纤248或经过一次短臂光纤228和一次长臂光纤249的脉冲串；第三部分：两次经过长臂光纤229、249的脉冲串。

需要指出的是，每个M-Z型量子密钥分发单元中非等臂M-Z型干涉仪的长臂光纤和短臂光纤的长度需保证高精度相等，以确保干涉的稳定性，所述长臂光纤中的相位调制器，具有自置的实时相位检测与跟踪补偿功能。在本实施例中，完成一次信号传输需经过两个非等臂M-Z型干涉仪，在最终的输出端所获得的三部分脉冲串中只有第二那部分：即经过一次长臂光纤229和一次短臂光纤248或经过一次短臂光纤228和一次长臂光纤249的脉冲串才能出现干涉事件。该部分脉冲由第一耦合器246输出后再次分为两部分，一部分通过环形器243进入第一多波长单光子探测器244，另一部分直接进入第二多波长单光子探测器245，最后根据探测器的响应记录探测事件。

当User2为发送端时，以同样的传输方式也能实现与User3和User4的通信，即该网络系统中，每个用户即可作为发送端也可作为接收端，且各用户的任意通信将不受限制。

实施例2

本实施例中所述M-Z型量子密钥分发单元的内部结构以及脉冲组经过的路线均与实施例1相同，不同之处在于，所述M-Z型量子密钥分发单元即用户控制端的数目不同，其中，所述网状型网络结构单元100可随用户数增加而扩展。

如图3所示，当M-Z型量子密钥分发单元即用户控制端增加为多个时，所述网状型网络结构单元也对应不断扩展，其数量将不受附图3所限制。

如图4所示，所述网状型网络结构单元扩展为N(N＝1,2,3……n)个用户时。在网状型网络结构单元中加入新的M-Z型量子密钥分发单元即用户控制端时，只需要建立该用户控制端与波长路由装置一个端口之间的量子信道连接即可，而不需要直接建立该用户控制端与其他所有用户之间的量子信道连接，并且无论网络如何扩展，任意两用户之间只经过两个波长路由装置，因此路径损耗基本不随用户数的增加而发生明显变化。

一种基于M-Z干涉仪的多用户QKD的密钥分发方法，包括使用上述基于M-Z 干涉仪的多用户QKD网络系统，其操作步骤如下：

S1.系统初始化：检查所述基于M-Z型的量子密钥分发网络系统是否运行正常，设定初始条件；

S2.系统噪声测试：在所述多波长脉冲产生装置不发射脉冲之前，测试所述基于M-Z型的量子密钥分发网络系统噪声水平；

S3.相位补偿测试：由所述多波长脉冲产生装置发射脉冲组，系统完成光子统计计数实时监测与反馈,对由复杂环境中震动等引起的相位漂移检测并自动跟踪补偿；

S4.非等臂M-Z干涉仪光纤长度测试及传输链路长度测设：由所述多波长脉冲产生装置发射脉冲组，测量脉冲经过所述非等臂M-Z干涉仪的长臂光纤和短臂光纤进行分束到合并出射时的时间差，由此确定所述非等臂M-Z干涉仪中长臂光纤和短臂光纤的光纤长度；然后根据M-Z型量子密钥分发单元到达网状型网络结构单元的距离，确定所述公用光纤的长度；再根据所述网状型网络结构单元内各波长路由装置之间的距离关系确定所述专用光纤的长度；

S5.密钥发送：所述多波长脉冲产生装置产生脉冲组，每次发送一定数目由脉冲组串组成的帧，并由所述M-Z型量子密钥分发单元调制并衰减到单光子水平后再发送到所述非等臂M-Z干涉仪进行同一相位信息的加载；其中调制脉冲所需的电压与多波长脉冲产生装置产生的帧随机码相对应，作为各自基的选择，各M-Z型量子密钥分发单元的用户依据各自编码需要，选择不同的相位调制脉冲相位；

S6.密钥筛选与成码：作为接收端的M-Z型量子密钥分发单元记录多波长探测装置的探测响应事件，与作为发送端的M-Z型量子密钥分发单元公开比对基，形成筛选密钥；然后在筛选密钥中随机挑选一些数据，判断是否存在窃听，判断之后，剔除筛选数据，再次对剩余的数据进行数据协调与密性放大，得到最终的安全密钥；对安全密钥进行优先权设定。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (7)

1.基于M-Z干涉仪的多用户QKD网络系统，其特征在于，包括网状型网络结构单元与N个M-Z型量子密钥分发单元，所述网状型网络结构单元包括公用光纤、波长路由装置和专用光纤，任一波长路由装置的一个端口连接一条公用光纤，且其通过所述专用光纤分别与其他波长路由装置一一对应连接；

所述N个M-Z型量子密钥分发单元通过所述公用光纤分别与网状型网络结构单元连接，所述M-Z型量子密钥分发单元用于实现量子信号编码与解码，既可作为发送端也可作为接收端；

任意一个作为发送端的M-Z型量子密钥分发单元输出的脉冲组经过与其相连的公用光纤输入到对应的波长路由装置中，然后通过所述专用光纤传输到其他的波长路由装置及其对应公用光纤，最后输出到其他作为接收端的M-Z型量子密钥分发单元中。

2.如权利要求1所述的基于M-Z干涉仪的多用户QKD网络系统，其特征在于，所述M-Z型量子密钥分发单元包括依次连接的多波长脉冲产生装置、可变光衰减器、环形器和非等臂M-Z干涉仪，还包括与所述环形器连接的第一多波长单光子探测器和与所述非等臂M-Z干涉仪连接的第二多波长单光子探测器。

3.如权利要求2所述的基于M-Z干涉仪的多用户QKD网络系统，其特征在于，所述非等臂M-Z干涉仪包括依次连接的第一耦合器、第二耦合器、长臂光纤和短臂光纤，所述长臂光纤上设有相位调制器；所述长臂光纤连接于所述第一耦合器与第二耦合器之间，所述短臂光纤连接于所述第一耦合器与第二耦合器之间；

所述第一耦合器与所述环形器连接，所述第一耦合器与所述第二多波长单光子探测器连接；

所述第二耦合器与所述公用光纤连接。

4.如权利要求2所述的基于M-Z干涉仪的多用户QKD网络系统，其特征在于，所述多波长脉冲产生装置包括单光源多波长脉冲激光器和波长选择器，所述单光源多波长脉冲激光器输出的脉冲组经过所述波长选择器选择后，输入到所述可变光衰减器中。

5.根据权利要求2所述的基于M-Z干涉仪的多用户QKD网络系统，其特征在于，所述第一多波长单光子探测器和第二多波长单光子探测器采用可探测多个波长的集成单光子探测技术。

6.根据权利要求2所述的基于M-Z干涉仪的多用户QKD网络系统，其特征在于，所述波长路由装置为波分复用器、阵列波导光栅、布拉格光栅或者波长选择开关。

7.基于M-Z干涉仪的多用户QKD的密钥分发方法，其特征在于，包括使用如权利要求2-6任一一项所述的基于M-Z干涉仪的多用户QKD网络系统，其操作步骤如下：

S1.系统初始化：检查所述基于M-Z型的量子密钥分发网络系统是否运行正常，设定初始条件；

S2.系统噪声测试：在所述多波长脉冲产生装置不发射脉冲之前，测试所述基于M-Z型的量子密钥分发网络系统的噪声水平；

S3.相位补偿测试：由所述多波长脉冲产生装置发射脉冲组，系统完成光子统计计数实时监测与反馈,对由复杂环境中震动引起的相位漂移检测并自动跟踪补偿；

S4.非等臂M-Z干涉仪光纤长度测试及传输链路长度测设：由所述多波长脉冲产生装置发射脉冲组，脉冲组经过所述非等臂M-Z干涉仪的长臂光纤和短臂光纤进行分束到合并出射时的时间差，由此确定所述非等臂M-Z干涉仪中长臂光纤和短臂光纤的光纤长度；然后根据M-Z型量子密钥分发单元到达网状型网络结构单元的距离，确定所述公用光纤的长度；再根据所述网状型网络结构单元内各波长路由装置之间的距离关系确定所述专用光纤的长度；

S5.密钥发送：所述多波长脉冲产生装置产生脉冲组，每次发送一定数目由脉冲组串组成的帧，并由所述M-Z型量子密钥分发单元调制并衰减到单光子水平后再发送到所述非等臂M-Z干涉仪进行同一相位信息的加载；其中调制脉冲所需的电压与多波长脉冲产生装置产生的帧随机码相对应，作为各用户基矢的选择，各M-Z型量子密钥分发单元的用户依据各自编码需要，选择不同的相位调制脉冲相位；

S6.密钥筛选与成码：作为接收端的M-Z型量子密钥分发单元记录多波长探测装置的探测响应事件，与作为发送端的M-Z型量子密钥分发单元公开比对基，形成筛选密钥；然后在筛选密钥中随机挑选一些数据，判断是否存在窃听，判断之后，剔除筛选数据，再次对剩余的数据进行数据协调与密性放大，得到最终的安全密钥；对安全密钥进行优先权设定。