CN105049195A - 基于Sagnac环的多用户QKD网络系统及其密钥分发方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于Sagnac环的多用户QKD网络系统及其密钥分发方法，包括Alice控制端、多用户Bob客户端和Sagnac环状脉冲传输链路，多用户Bob客户端包括多波长脉冲激光产生装置、光子干涉信号探测装置、多用户复用模块和耦合器；所述Sagnac环状脉冲传输链路包括CW链路和CCW链路；多波长脉冲产生装置产生的脉冲经过耦合器以50:50比例进入到所述CW链路和CCW链路后均从所述耦合器合并输出，然后传输到所述光子干涉信号探测装置进行探测。本发明多用户通过波分复用/解复用器，以波长寻址的方式复用到系统中，采用相位编码方式，光脉冲在Alice端和Bob端分别被调制加载信息，脉冲在耦合器处发生干涉，整体结构简单、光子利用率和成码率高、传输稳定性好实现了一对N的多用户传输。

Description

基于Sagnac环的多用户QKD网络系统及其密钥分发方法

技术领域

本发明涉及量子信息以及光纤通信技术领域，具体是基于Sagnac环的多用户QKD网络系统及其密钥分发方法。

背景技术

量子密码学是一门信息科学、量子力学和密码学结合的新兴交叉学科，是量子力学和信息科学在密码学中的应用，主要涉及量子物理学、信息科学和计算机科学等多种学科，具有潜在的应用价值和重大的科学意义。量子通信是指利用量子效应进行信息传递的一种新型通讯方式，量子测不准定理和不可克隆定理等从原理上保证了量子密码的绝对安全性。

在量子通信技术中，点对点的两方量子密钥分发技术已经趋于成熟，但是其光子利用率和传输稳定性还需要进一步地加强，同时，随着世界信息化的发展，越来越多的复杂光纤网络被建立并投入运行。QKD未来面临的一个重要的实际问题是需要基于一对一的通信方式发展成一对N，N对一，甚至N对N的量子密钥分发网络，同时可进行量子网络和经典通信网络的融合，以此来避免量子通讯必须建立专用网络重大投入，满足快捷的多用户通信。

量子密钥分发网络拓扑构建主要有两种方式：基于可信节点的中继方案和基于光开关的透明光链路方案。前者可以任意扩展密钥分发的距离，但必须保证所有节点的物理安全；后者可以在不必可信的网络中，实现多用户之间的密钥分发。采用光学节点的网络，QKD编解码的核心器件有相位调制器、偏振器、单光子探测器等，QKD光网络的光学节点有分束器、光开光、光纤光栅、波分复用/解复用器等。采用光开关的网络具有易于实现的优点，但是也存在不足。这种网络可将多个通信成员连接在一起，但实际上仍然是点对点的通信。早期采用光功率分配器进行多用户量子密钥分发，N个用户的平均密钥产生速率为单个用户时密钥速率的1\N。随着用户数量的增加，每个用户的码率都会下降，所以效率会降低，不利于增加用户数量进行网络扩展。随后发展的采用波分复用技术的量子密钥分发网络中，用户通过波长寻址来进行QKD。这种方案同一时刻只能产生一种波长的光脉冲，实质上还是一对一的方案。

如上所述两种方案都很大程度上限制了用户增加，用户扩展导致产生密钥生成率降低等问题。之后陆续提出的方案，虽然增加了用户数量，但是产生了诸如用户间串扰、增加误码率等问题，其可行性还需实际实验验证。本小组提出了利用波分复用/解复用器和法拉第镜进行多用户量子密钥分发的方案，利用法拉第镜的反射补偿线路的相位漂移，解决了即插即用、M-Z型等多用户QKD网络接入问题。

本方案基于Sagnac效应原理，采用的Sagnac环形干涉仪其特征是将同一光源发出的两束光分成两束，使其在干涉仪中相向传输一周以后会合束产生干涉。因此具有零光程差，自动消除干涉两臂不等引起的噪声，并且对相干光源要求较低，可使用宽带光源，也适合于扰动检测。Sagnac效应被提出之后，目前人们在其基础上主要利用了其干涉结构制作了光纤Sagnac环，并将其用在光纤传感领域，用来进行温度、应变、角速度等的传感。制作光纤陀螺、光纤Sagnac环滤波器、光纤水听器等。

本方案基于Sagnac环的QKD方案，利用其能够补偿双折射和相位漂移等特点。本方案通过波分复用/解复用器解决Sagnac环状QKD网络接入，提出基于Sagnac环的多用户量子经典融合网络系统与量子密码钥分发方法，实现多用户量子密钥分发。本发明系统结构合理，操作简便，成本低，采用Sagnac环的结构，使相位波动和偏振变化自动得到补偿，并能够补偿双折射，进而提高光子利用率和成码率。同时利用二级等差频率间隔的波长规划方案和精准的脉冲延时技术，消除不同用户间的串扰。通过波分复用\解复用器将量子信号复用到经典信道中，进一步节约成本。对于提高我国量子保密通信的实用性，加强网络规模集成与信息的安全性，具有重要的科学意义和应用价值。

基于上述现有技术的发展状况，现有亟待开发一种结构简单、使用方便、光子利用率和成码率高、传输稳定且可实现一对N的多用户QKD网络系统。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结构简单、使用方便、光子利用率和成码率高、传输稳定且可实现一对N的基于Sagnac环的多用户QKD网络系统。

本发明的另一目的是提供一种基于Sagnac环的多用户QKD网络系统密钥分发方法。

本发明的技术方案是这样实现的：基于Sagnac环的多用户QKD网络系统，包括Alice控制端、多用户Bob客户端、Sagnac环状脉冲传输链路，其中：

所述多用户Bob客户端包括多波长脉冲激光产生装置、耦合器、光子干涉信号探测装置和多用户复用模块；

所述Sagnac环状脉冲传输链路包括顺时针方向的CW链路和逆时针方向的CCW链路，所述CW链路的光脉冲传输路线为从耦合器输出的光脉冲依次经过偏振控制器、多用户复用模块、第一公共光纤、Alice控制端、第二公共光纤最后回到所述耦合器；所述CCW链路的光脉冲传输路线为从耦合器输出的光脉冲依次经过第二公共光纤、Alice控制端、第一公共光纤、多用户复用模块、偏振控制器最后回到所述耦合器；

所述多波长脉冲产生装置产生多波长脉冲经过所述耦合器后分成两束光脉冲并以50:50比例进入到所述Sagnac环状脉冲传输链路的CW链路和CCW链路最后从所述耦合器合并输出，从所述耦合器中合并输出的光脉冲又输送到所述光子干涉信号探测装置进行探测。

进一步地，所述多用户复用模块包括多个Bob用户，第一波分复用/解复用器和第二波分复用/解复用器，多个Bob用户并列地连接在所述第一波分复用/解复用器和第二波分复用/解复用器之间。

具体地，所述Bob用户包括顺序连接的延时线、Bob端偏振控制器和Bob端相位调制器，所述延时线与所述第一波分复用/解复用器连接，所述Bob端相位调制器与所述第二波分复用/解复用器连接。

进一步地，所述第一波分复用/解复用器通过第一公共光纤与所述Alice控制端连接，所述第二波分复用/解复用器通过偏振控制器与所述耦合器连接。

进一步地，所述Alice控制端包括Alice端可变光衰减器、Alice端偏振控制器和Alice端相位调制器；光脉冲经过CW链路时从所述Alice端相位调制器调制附加产生相位φ_A，然后再经过Alice端偏振控制器，再经过所述Alice端可变光衰减器被衰减到每脉冲光子数为μ＝0.1，最后经过第二公共光纤返回到所述耦合器中；光脉冲经过CCW链路时从所述Bob端相位调制器调制附加产生相位φ_B，然后再返回到所述耦合器中。

具体地，所述Alice控制端与所述耦合器之间顺序连接有第三波分复用/解复用器和第四波分复用/解复用器，所述第三波分复用/解复用器和第四波分复用/解复用器之间通过量子经典融合信道连接。。

具体地，所述多波长脉冲激光产生装置包括多波长激光器、波长选择器以及环形器，所述多波长激光器产生的光脉冲依次经过所述波长选择器和环形器后进入到所述耦合器中。

进一步地，所述光子干涉信号探测装置包括第一多波长单光子探测器和第二多波长单光子探测器，所述第一多波长单光子探测器通过环形器与所述耦合器连接，所述第二多波长单光子探测器直接与所述耦合器相连。

基于Sagnac环的多用户QKD网络系统密钥分发方法，包括上述基于Sagnac环的多用户QKD网络系统，其操作步骤如下：

S1.光纤传输链路长度测试以及每个Bob用户延迟线长度设置：由所述多波长激光器发射光脉冲，测量各个Bob用户脉冲到达时刻，确定光纤传输链路长度，根据多用户同时进行密钥分发的需要，设置每个Bob用户的延时线长度使第一公共光纤传输链路长度大于第二公共光纤传输链路长度，保证Alice控制端不同时拥有CW链路光脉冲和CCW链路光脉冲；

S2.密钥分发：由所述多波长激光器发送光脉冲，每次发送一定数目由脉冲串组成的帧，帧频率为帧之间的时间间隔；光脉冲经过环形器后发送到耦合器，耦合器输出的光束分为两束光脉冲进入到所述Sagnac环状脉冲传输链路的CW链路和CCW链路，所述CCW链路中的光脉冲从耦合器输出后依次经过第二公共光纤、Alice控制端、第一公共光纤、多用户复用模块，并且在Bob端相位调制器被调制产生相位φ_B、最后通过偏振控制器回到所述耦合器；所述CW链路中的光脉冲依次经过偏振控制器、用户复用模块、第一公共光纤、Alice控制端并且在Alice端相位调制器中被调制产生相位φ_A，然后再经过第二公共光纤最后回到所述耦合器中；

S3.密钥筛选与成码：多用户Bob客户端记录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探测响应事件，其分别与Alice控制端通过公共光纤进行测量基比对，筛选后得到筛选密钥；得到筛选密钥后，在其中随机选择数据，判断是否存在窃听，并丢弃所选的数据；对剩余筛选密钥进行数据协调和密性放大，最终得到安全密钥；

S4.Alice控制端和各Bob用户同时进行密钥分发：各Bob用户通过波分复用/解复用器和波分复用/解复用器，利用波长复用原理复用到同一脉冲传输线中，由于各Bob用户共用光子探测装置，故在进行多用户同时量子密钥分发时，需要控制多脉冲发送时间，设置延时线长度、使不同客户端的脉冲延迟，即不同时在耦合器处发生干涉。

具体地，所述S6中，当Alice控制端与N个Bob用户进行同时进行量子密钥分发时，为了控制干涉发生时间，控制每个脉冲输送间隔为2个脉冲周期2T，其中t_Ln-t_Ln-1＝2T；同时各Bob用户分别记录对应的光子干涉事件，在2kT时间后，即重新开始依次发送第二帧脉冲，所述每个Bob用户进行量子密钥分发的周期为2kT。

与现有技术相比，本发明的有益效果有：

1)、共用一个多波长激光器和波长选择器，节约了成本；2)、采用Sagnac环原理进行量子密钥分发，相位波动和偏振变化自动得到补偿，并能够自动调准并补偿双折射；采用偏振控制器分别控制Alice控制端、Bob用户端和耦合器，精确控制偏振变化；3)、为消除用户间脉冲串扰而采用的频率二级等差间隔波长管理和利用延时线，能够减少不同波长信号的串扰，降低系统误码率；4)、具有良好的网络扩展功能：为一对N量子密钥分发提供了可能，且每个用户的密钥率不会随着用户增加而减少；用户组使用波分复用\解复用器，为添加和删除用户提供了方便；5)、通过时间管理方式，多个用户共同一个光子干涉信号探测装置，简化了装置，节约成本；6)、整体方案所采用方法适用，所需器件较为成熟，有较高的可实施性。

附图说明

图1是本使用新型基于Sagnac环的多用户QKD网络系统的整体结构框图。

图2是本使用新型基于Sagnac环的多用户QKD网络系统中Alice控制端结构示意图。

图3是本使用新型基于Sagnac环的多用户QKD网络系统中多用户复用模块的整体结构框图。

图4是本使用新型基于Sagnac环的多用户QKD网络系统的具体结构示意图。

图5是本使用新型基于Sagnac环的多用户QKD网络系统密钥分发方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步地说明：

如图1-图4所示，基于Sagnac环的多用户QKD网络系统，包括Alice控制端、多用户Bob客户端、Sagnac环状脉冲传输链路。其中：

所述多用户Bob客户端包括多波长脉冲激光产生装置、耦合器、光子干涉信号探测装置和多用户复用模块；

所述Sagnac环状脉冲传输链路包括顺时针方向的CW链路和逆时针方向的CCW链路，所述CW链路的传输路线为从耦合器输出的光脉冲依次经过偏振控制器、用户复用模块、第一公共光纤、Alice控制端、第二公共光纤最后回到所述耦合器；所述CCW链路的传输路线为从耦合器输出的光脉冲依次经过第二公共光纤、Alice控制端、第一公共光纤、多用户复用模块、偏振控制器最后回到所述耦合器，所述第一公共光纤和第二公共光纤分别指所述第一波分复用/解复用器与所述Alice控制端之间的光纤以及所述Alice控制端与所述耦合器之间的光纤；

所述多波长脉冲产生装置产生多波长脉冲经过所述耦合器后分成两束光束并以50:50比例进入到所述Sagnac环状脉冲传输链路的CW链路和CCW链路后最后从所述耦合器合并输出，从所述耦合器中合并输出的光脉冲又输送到所述光子干涉信号探测装置进行探测。

所述多用户复用模块包括多个Bob用户，第一波分复用/解复用器和第二波分复用/解复用器，各Bob端根据波长寻址进行工作，互相不干扰。各Bob用户通过光纤并列地连接在所述第一波分复用/解复用器和第二波分复用/解复用器之间。而所述Bob用户包括顺序连接的延时线、Bob端偏振控制器和Bob端相位调制器，所述延时线长度保证了CW链路中耦合器到Alice控制端的链路长度大于CCW链路中耦合器到所述Alice控制端链路的长度，从而使Alice控制端不能同时拥有CW脉冲和CCW脉冲，所述延时线与所述第一波分复用/解复用器连接，所述Bob端相位调制器与所述第二波分复用/解复用器连接。所述第一波分复用/解复用器通过第一公共光纤与所述Alice控制端连接，所述第二波分复用/解复用器通过偏振控制器与所述耦合器连接。

所述Alice控制端包括Alice端可变光衰减器、Alice端偏振控制器和Alice端相位调制器，所述Alice端相位调制器同时为网络中所有用户加载相位信息，保证了相位调制一致性和稳定性的同时，也降低了成本。光脉冲经过CW链路时从所述Alice端相位调制器调制附加产生相位φ_A，然后再经过Alice端偏振控制器，再经过所述Alice端可变光衰减器被衰减到每脉冲光子数为μ＝0.1，最后经过公共光纤返回到所述耦合器中。而所述Alice控制端与所述耦合器之间顺序连接有第三波分复用/解复用器和第四波分复用/解复用器，所述第三波分复用/解复用器和第四波分复用/解复用器之间通过量子经典融合信道连接。

所述多波长脉冲激光产生装置包括多波长激光器、波长选择器以及环形器，所述多波长激光器用于产生能够满足多个用户同时通信所需的多波长激光脉冲。所述波长选择器根据波长分配规划挑选适合于各Bob用户使用的波长脉冲，且其波长选择的灵活性为多用户网络的用户波长变更和用户增减提供了可能，增加了网络的可拓展性。所述波长选择器选择波长时依据二级等差频率间隔的方法来选择所需多波长。所述多波长激光器产生的光脉冲依次经过所述波长选择器和环形器后进入到所述耦合器中。

所述光子干涉信号探测装置包括第一多波长单光子探测器和第二多波长单光子探测器，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分别用于记录干涉结果，其是否响应，在于与之对应的波长脉冲是否发生了相长干涉。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在每次探测事件之后会进入休眠时间，即通过加入死时间来消除后脉冲引起的干扰计数，降低系统误码率。所述第一多波长单光子探测器通过环形器与所述耦合器连接，所述第二多波长单光子探测器直接与所述耦合器相连。

下面结合附图描述本发明的具体信息传递过程。

如图4所示，图中各标号对应的部件是：101-Alice端相位调制器，102-Alice端偏振控制器，103-Alice端可变光衰减器；201-第一波分复用/解复用器，202-第二解波分复用/解复用器，203-耦合器，213、223、2(n-1)3、2n3-Bob端相位调制器，212、222、2(n-1)2、2n2-Bob端偏振控制器，211、221、2(n-1)1、2n1-延迟线；301-多波长激光器、302-波长选择器、303-环形器；401-第三多波长单光子探测器、402-第四多波长单光子探测器；501-偏振控制器；601-第三波分复用/解复用器，602-第四解波分复用/解复用器；、701-第一公共光纤、702-第二公共光纤；801-量子经典融合信道。

第一阶段：所述多波长激光器301产生所需的多波长激光脉冲，所述激光脉冲经过光纤传输到所述波长选择器302，所述波长选择器302按照波长规划和周期规划进行波长选择，选择后的激光脉冲经过所述环形器303进入到所述耦合器203中。所述环形器303的作用是保证多波长光脉冲单一方向流向耦合器203，而不会流向所述第一多波长单光子探测器401。

第二阶段：光脉冲进入所述耦合器203后，分成两束光线并且以50:50的比例分别进入所述Sagnac环状光纤传输链路的CW链路和逆时针方向播送的CCW链路中。CW链路中的光脉冲和CCW链路中的光脉冲沿相反方向传播，经过相同的路径后，在所述耦合器203处合并发生干涉。

CW链路：所述CW链路中的光脉冲依次经过所述偏振控制器501后进入第二波分复用/解复用器202，在所述第二波分复用/解复用器202处波长寻址方式复用到各个Bob用户的专用光纤中，然后传输到所述第一波分复用/解复用器201进行解复用，然后进入到第一公共光纤701又依次通过所述Alice控制端的Alice端相位调制器101，Alice端偏振控制器102，变光衰减器103，其中经过所述Alice端相位调制器301后被调制产生相位φ_A，经过调相的光脉冲在所述Alice端可变光衰减器103的作用下衰减到每脉冲光子数为μ＝0.1，然后再通过第二公共光纤703进入到第三波分复用/解复用器、量子经典融合信道801第四解波分复用/解复用器602中进行复用，最后进入到又回到所述耦合器中。

CCW链路：光脉冲通过第二公共光纤702在第四解波分复用/解复用器602、量子经典融合信道801和第三波分复用/解复用器601处按照波长寻址方式复用到第二公共光纤702中，然后光脉冲在所述Alice端可变光衰减器103处发生衰减，经过所述Alice端偏振控制器302和Alice端相位调制器301时，不发生信息加载，然后通过第一公共光纤701进入到所述第一波分复用/解复用器201，在所述第一波分复用/解复用器201通过波长寻址，分别进入到各Bob用户的专用光纤，然后依次经过各Bob用户的延时线211、221、2(n-1)1、2n1，Bob端偏振控制器212、222、2(n-1)2、2n2和Bob端相位调制器213、223、2(n-1)3、2n3后进入到所述第二波分复用/解复用器202进行复用，最后通过所述偏振控制器501进入到所述耦合器中并与所述CW链路中输出的光脉冲产生在所述耦合器203出产生干涉。其中，CCW链路中光脉冲在经过各Bob端相位调制器213、223、2(n-1)3、2n3时被调制产生相位φ_B。

需要指出的所述Alice端偏振控制器102、Bob端偏振控制器212、222、2(n-1)2、2n2和偏振控制器501的作用是各自独立调谐脉冲来分别适应所述Alice端相位调制器101、Bob端相位调制器213、223、2(n-1)3、2n3以及耦合器203。

所述第一多波长单光子探测器401和第二多波长单光子探测器402用于记录光子探测事件。根据Alice控制端和各Bob用户加载的信息的不同，会出现不同的干涉事件。令Δφ＝φ_A—φ_B，当两束光脉冲有π相位差即Δφ＝π时，所述第一多波长单光子探测器401会响应，并记录光子探测事件；当两束光相位差为零时，所述第二多波长单光子探测器402产生响应，并记录光子探测事件。

各Bob用户的延时线211、221、2(n-1)1、2n1分别用来控制使CW链路中光脉冲和CCW链路中光脉冲不同时存在于Alice控制端。本发明采用的Sagnac环状结构，可以补偿相位波动和偏振变化自动，并能够自动调准并补偿双折射。结构简单，实现方便，通过量子经典信道的融合，可以节省成本，避免量子信道专用光纤的浪费。

由于量子信号处于单光子水平，信号极弱。量子通信网络不仅要满足ITU-T波长标准，也必须要考虑四波混频效应对信号传输的影响。针对这个问题，采用波长规划的方法应对，通过波长规划，让产生的新频光远离信号波长。本发明采用波长规划和使用非线性效应较小的光纤两种方法来抑制四波混频效应。波长选择器采用二级等差频率间隔的方式选择波长，让四波混频产生的新频光尽可能远离这四个脉冲信号的波长；这种适当不等间距的波长信道规划设计，能使产生的新频率光大部分远离其他信号波长，而且四波混频的效率随着波长间隔加大而降低，对系统影响进一步降低。以下面几个波长为例，fk、fk+1、fk+2、fk+3……相邻频率间隔为Δf，fk+n-fk+n-1＝Δf，Δf满足ITU-T频率间隔标准。fk与fk+1、fk+3和fk+6产生的新频率光为fk+2、fk+6、fk+12，fk+1与fk+3和fk+6产生的新频率光分别为fk+5和fk+11，fk+3与fk+6产生的新频率光为fk+9，由于fk与fk+3的间隔较大，产生的新频光fk+6相对较弱，故本发明采用fk、fk+1、fk+3、fk+6、fk+10等的光脉冲作为信息传输的物理载体。

所图5所示，基于Sagnac环的多用户QKD网络系统密钥分发方法，包括上述基于Sagnac环的多用户QKD网络系统，其操作步骤如下：

S1.系统初始化：对所述Alice控制端和多用户Bob客户端用户软硬件设施进行检查，设定工作电压和工作温度；

S2.系统噪声测试：在所述多波长激光器不发射激光脉冲之前，测试系统噪声水平；

S3.光纤传输链路长度测试以及每个Bob用户延迟线长度设置：由所述多波长激光器发射光脉冲，测量各Bob用户脉冲到达时刻，确定光纤传输链路长度，根据多用户同时进行密钥分发的需要，设置每个Bob用户的延时线使第一光纤传输链路长度大于第二光纤传输链路长度，保证Alice控制端不同时拥有CW链路光脉冲和CCW链路光脉冲；

S4.密钥分发：由所述多波长激光器发送光脉冲，每次发送一定数目由脉冲串组成的帧，帧频率为帧之间的时间间隔；光脉冲经过环形器后发送到耦合器，耦合器出射的光束分为两束光脉冲进入到所述Sagnac环状脉冲传输链路的CW链路和CCW链路，所述CCW链路中的光脉冲从耦合器输出的依次经过第二公共光纤、Alice控制端、第一公共光纤、多用户复用模块并且在Bob用户的Bob端相位调制器被调制产生相位φ_B、然后又通过公共光纤最后又回到所述耦合器；所述CW链路中的光脉冲依次经过偏振控制器、多用户复用模块、第一公共光纤、Alice控制端并且在Alice控制端的Alice端相位调制器中被调制产生相位φ_A，然后再经过第二公共光纤最后又回到所述耦合器中；

S5.密钥筛选与成码：多用户Bob客户端记录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探测响应事件，其分别与Alice控制端通过公共光纤进行测量基对比，筛选后得到筛选密钥；得到筛选密钥后，在其中随机选择数据，判断是否存在窃听，并丢弃所选的数据；对剩余筛选密钥进行数据协调和密性放大，最终得到安全密钥；

S6.Alice控制端和各Bob用户同时进行密钥分发：各Bob用户通过波分复用/解复用器和波分复用/解复用器，利用波长复用原理复用到同一脉冲传输线中，由于各Bob用户共用光子探测装置，故在进行多用户同时量子密钥分发时，需要控制多脉冲发送时间，使不同客户端的脉冲延迟，即不同时在耦合器处发生干涉。

具体地，所述S6中，当Alice控制端与N个Bob用户进行同时进行量子密钥分发时，为了控制干涉发生时间，控制每个脉冲输送间隔为2个脉冲周期2T，其中tLn-tLn-1＝2T；同时各Bob用户分别记录对应的光子干涉事件，在2kT时间后，即重新开始依次发送第二帧脉冲，所述每个Bob用户进行量子密钥分发的周期为2kT。

1)、共用一个多波长激光器和波长选择器，节约了成本；2)、利用Sagnac环原理进行量子密钥分发，相位波动和偏振变化自动得到补偿，并能够自动调准并补偿双折射；采用偏振控制器分别控制Alice控制端、Bob用户端和耦合器，精确控制偏振变化；3)、为消除用户间脉冲串扰而采用的频率二级等差间隔波长管理和利用延时线，能够减少不同波长信号的串扰，降低系统误码率；4)、具有良好的网络扩展功能：为一对N量子密钥分发提供了可能，且每个用户的密钥率不会随着用户增加而减少；用户组使用波分复用\解复用器，为添加和删除用户提供了方便；5)、通过时间管理方式，多个用户共同一个光子干涉信号探测装置，简化了装置，节约成本；6)、整体方案所采用方法适用，所需器件较为成熟，有较高的可实施性。

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 (10)

1.基于Sagnac环的多用户QKD网络系统，其特征在于，包括Alice控制端、多用户Bob客户端、Sagnac环状脉冲传输链路，其中：

所述多用户Bob客户端包括多波长脉冲激光产生装置、耦合器、偏振控制器、多用户复用模块和光子干涉信号探测装置；

所述Sagnac环状脉冲传输链路包括顺时针方向的CW链路和逆时针方向的CCW链路，所述CW链路中的光脉冲传输路线为从耦合器输出后依次经过所述偏振控制器、多用户复用模块、第一公共光纤、Alice控制端、第二公共光纤最后回到所述耦合器；所述CCW链路中的光脉冲传输路线为从耦合器输出的光脉冲依次经过第二公共光纤、Alice控制端、第一公共光纤、多用户复用模块、偏振控制器最后回到所述耦合器；

所述多波长脉冲产生装置产生多波长脉冲，所述多波长脉冲经过所述耦合器以50:50的比例分成两束光，分别进入到所述Sagnac环状传输链路的CW链路和CCW链路最后均从所述耦合器合并输出，输出的光脉冲又传输到所述光子干涉信号探测装置进行探测。

2.如权利要求1所述的基于Sagnac环的多用户QKD网络系统，其特征在于，所述多用户复用模块还包括多个Bob用户、第一波分复用/解复用器和第二波分复用/解复用器，多个Bob用户并列地连接在所述第一波分复用/解复用器和第二波分复用/解复用器之间。

3.如权利要求2所述的基于Sagnac环的多用户QKD网络系统，其特征在于，所述Bob用户包括依次连接的延时线、Bob端偏振控制器和Bob端相位调制器，所述延时线与所述第一波分复用/解复用器连接，所述Bob端相位调制器与所述第二波分复用/解复用器连接。

4.如权利要求2所述的基于Sagnac环的多用户QKD网络系统，其特征在于，所述第一波分复用/解复用器通过第一公共光纤与所述Alice控制端连接，所述第二波分复用/解复用器通过偏振控制器与所述耦合器连接。

5.如权利要求1所述的基于Sagnac环的多用户QKD网络系统，其特征在于，所述Alice控制端包括可Alice端可变光衰减器、Alice端偏振控制器和Alice端相位调制器；光脉冲经过CW链路时从所述Alice端相位调制器调制附加产生相位φ_A，然后再经过Alice端偏振控制器，再经过所述Alice端可变光衰减器被衰减到每脉冲光子数为μ＝0.1，最后经过所述第二公共光纤返回到所述耦合器中；光脉冲经过CCW链路时从所述Bob端相位调制器调制附加产生相位φ_B，然后再返回到所述耦合器中。

6.如权利要求1所述的基于Sagnac环的多用户QKD网络系统，其特征在于，所述Alice控制端与所述耦合器之间顺序连接有第三波分复用/解复用器和第四波分复用/解复用器，第三波分复用/解复用器和第四波分复用/解复用器之间通过量子经典融合信道连接。

7.如权利要求1所述的基于Sagnac环的多用户QKD网络系统，其特征在于，所述多波长脉冲激光产生装置包括多波长激光器、波长选择器和环形器，所述多波长激光器产生的光脉冲依次经过波长选择器和环形器后进入到所述耦合器中。

8.如权利要求7所述的基于Sagnac环的多用户QKD网络系统，其特征在于，所述光子干涉信号探测装置包括第一多波长单光子探测器和第二多波长单光子探测器，所述第一多波长单光子探测器通过环形器与所述耦合器连接，所述第二多波长单光子探测器直接与所述耦合器相连。

9.基于Sagnac环的多用户QKD网络系统密钥分发方法，其特征在于，包括权利要求1-8所述的基于Sagnac环的多用户QKD网络系统，其操作步骤如下：

S1.光纤传输链路长度测试以及每个Bob用户延迟线长度设置：由所述多波长激光器发射光脉冲，测量各个Bob用户脉冲到达时刻，确定光纤传输链路长度，根据多用户同时进行密钥分发的需要，设置每个Bob用户的延时线长度使第一公共光纤传输链路长度大于第二公共光纤传输链路长度，保证Alice控制端不同时拥有CW链路光脉冲和CCW链路光脉冲；

S2.密钥分发：由所述多波长激光器发送光脉冲，每次发送一定数目由脉冲串组成的帧，帧频率为帧之间的时间间隔；光脉冲经过环形器后发送到耦合器，耦合器输出的光束分为两束光脉冲进入到所述Sagnac环状脉冲传输链路的CW链路和CCW链路，所述CCW链路中的光脉冲从耦合器输出后依次经过第二公共光纤、Alice控制端、第一公共光纤、多用户复用模块，并且在Bob端相位调制器被调制产生相位φ_B、最后通过偏振控制器回到所述耦合器；所述CW链路中的光脉冲依次经过偏振控制器、多用户复用模块、第一公共光纤、Alice控制端并且在Alice端相位调制器中被调制产生相位φ_A，然后再经过第二公共光纤最后回到所述耦合器中；

S3.密钥筛选与成码：多用户Bob客户端记录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探测响应事件，其分别与Alice控制端通过公共光纤进行测量基比对，筛选后得到筛选密钥；得到筛选密钥后，在其中随机选择数据，判断是否存在窃听，并丢弃所选的数据；对剩余筛选密钥进行数据协调和密性放大，最终得到安全密钥；

S4.Alice控制端和各Bob用户同时进行密钥分发：各Bob用户通过波分复用/解复用器和波分复用/解复用器，利用波长复用原理复用到同一脉冲传输线中，由于各Bob用户共用光子探测装置，故在进行多用户同时量子密钥分发时，需要控制多脉冲发送时间，使不同客户端的脉冲延迟，即不同时在耦合器处发生干涉。

10.如权利要求9所述的基于Sagnac环的多用户QKD网络系统密钥分发方法，其特征在于，所述S4中，当Alice控制端与N个Bob用户进行同时进行量子密钥分发时，为了控制干涉发生时间，控制每个脉冲输送间隔为2个脉冲周期2T，其中t_Ln-t_Ln-1＝2T；同时各Bob用户分别记录对应的光子干涉事件，在2kT时间后，即重新开始依次发送第二帧脉冲，所述每个Bob用户进行量子密钥分发的周期为2kT。