CN105162584A - 一种量子密钥分发系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种量子密钥分发系统及方法，该系统包括第一通信系统和第二通信系统，第一通信系统和第二通信系统均包括发送端和接收端，第一通信系统的发送端和第二通信系统的接收端位于同一端，第一通信系统的接收端和第二通信系统的发送端位于同一端，所述第一通信系统和第二通信系统均可在量子通信模式和经典通信模式之间切换，并且，所述第一通信系统和第二通信系统中的任一个处于量子通信模式时用于实现量子密钥分发；所述第一通信系统和第二通信系统均处于经典通信模式时，对得到的原始密钥进行后处理，提取出最终的安全密钥。本发明在两个通信系统共同工作时实现量子密钥分发和数据后处理，无需配置经典通信设备。

Description

一种量子密钥分发系统及方法

技术领域

本发明涉及一种量子通信技术，尤其是涉及一种量子密钥分发系统及方法。

背景技术

一个典型的量子通信系统如图1所示，量子信源中的量子信息依次通过量子编码和量子调制后得到调制信息，调制信息经量子信道传输后依次通过量子解调和量子译码，得到译码信息，最终译码信息由量子信宿接收，此外为了提供量子信息处理所必须的额外信息，对量子信源中的量子信息进行后处理，同时对量子信宿接收到的译码信息进行后处理，量子信源与量子信宿通过经典信道交互后处理后得到的信息。其中，量子信源是指以量子态形式表示的消息载体，量子信宿是指以量子态形式表示的消息接收器。

量子密钥分发是量子通信系统中的一个比较成熟的应用。量子通信系统实现量子密钥分发的过程主要分为量子信道的量子分发和经典信道的数据后处理这两个步骤，数据后处理的任务是通过发送方与接收方双方之间通过经典信道的信息交互，从量子分发步骤获得的数据中提取最终安全密钥(双方获得)。目前，常见的量子密钥分发系统是一种应用BB84量子密钥分发协议的基于四种偏振态编码的量子密钥分发系统。BB84量子密钥分发协议中提出发送方(Alice)和接收方(Bob)之间利用单光子作为信息载体建立量子信道，采用光子的四种偏振态进行编码，即水平偏振态|H＞，垂直偏振态|V＞以及45°偏振态135°偏振态|H＞、|V＞、|D＞、|A＞用符号对应表示为|→＞、|↑＞、其中，|→＞和|↑＞是一组相互正交的线偏振态，称为直角基矢|+＞；和是一组相互正交的圆偏振态，称为斜角基矢|×＞。由于直角基矢|+＞与斜角基矢|×＞互不正交，因此无法彻底被分辨。对于偏振态的测量，只有选对了基矢，才能保证100％概率得到正确的信息。如当选用直角基矢|+＞对偏振态|→＞进行测量时，可以保证以100％概率得到测量结果|→＞，而当选用直角基矢|+＞对进行测量时，那么会有50％的概率得到测量结果→＞，而另外会有50％的概率得到测量结果|↑＞。从以上分析中可以看出，在不能确定是否选对了测量基矢的情况下，得到测量结果为→＞时，也无法确定测量前的原始偏振态是还是→＞，故只有选对了测量基矢才能保证得到完全正确的测量结果，这就是BB84量子密钥分发协议的基础。基于BB84量子密钥分发协议的量子密钥分发系统如图2所示，其分为发送方系统和接收方系统。发送方系统包括随机数发生器、四个激光器(理论上要用单光子源实现的替代方案，因为目前还没有实际可用的单光子源)、两个偏振合束器、一个合束器，其中，四个激光器分别产生偏振态|H＞、|V＞、|D＞、|A＞，对于一个给定的量子态，只有一个激光器被触发，其发射的激光被调制成相应的偏振态。接收方系统包括一个分束器、两个偏振分束器、四个单光子探测器，发送方系统发送的光束经光衰减器后形成弱相干光(近似为单光子)，弱相干光经量子信道后首先通过一个分束器，由于处于某个偏振态的光子将随机通过分束器的某一个路径，因此它实现了随机选择基矢的过程，即是接收方对接收到的偏振态随机选择一个基矢进行测量，如果选择了相同的基矢，那么测量结果是确定的，由此实现信息共享；如果选择了不相同的基矢，那么测量结果是随机的，结果无效，相当于选择了错误的基矢，则有两个对应的单光子探测器随机响应。例如，如果随机数发生器产生随机数“00”，则将激光调制成|H＞偏振态，经过偏振合束器和合束器调制、量子信道传输后到达接收端，经过分束器实现随机选择基矢，如果选择基1，则可以正确测量，此时探测量子态“0”的单光子探测器响应，如果选择基2，则不能正确测量，探测量子态“0”的单光子探测器和探测量子态“1”的单光子探测器都有可能响应。

现有的量子密钥分发系统需要量子信道完成量子密钥分发，还需要经典信道辅助完成数据后处理的过程，包括基矢校验、密钥纠错和隐私放大，因此现有的量子密钥分发系统不仅需要配置量子通信设备，还需要铺设经典通信设备，然而在经典通信资源紧缺的情况下，这种需配置经典通信设备的量子密钥分发系统并不适用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种无需配置经典通信设备的量子密钥分发系统，其适用范围广。

为解决上述技术问题，本发明提出一种量子密钥分发系统，包括第一通信系统和第二通信系统，第一通信系统和第二通信系统均包括发送端和接收端，第一通信系统的发送端和第二通信系统的接收端位于同一端，第一通信系统的接收端和第二通信系统的发送端位于同一端，所述第一通信系统和第二通信系统均可在量子通信模式和经典通信模式之间切换，并且，所述第一通信系统和第二通信系统中的任一个处于量子通信模式时用于进行量子密钥的原始分发，所述第一通信系统和第二通信系统均处于经典通信模式时，对所述原始分发的量子密钥进行处理，提取精确的安全量子密钥。

根据本发明的具体实施方式，所述第一通信系统和第二通信系统均包括一个单光子源、一个分束器、两个偏振分束器、四个单光子探测器和一个输出模块，其中，所述单光子源能够输出随机四偏振态的单光子激光，或者输出信号调制的四偏振态单光子激光；所述分束器用于将所述单光子源发出的激光分成两束；所述两个偏振分束器分别用于对所述分束器分成的两束激光进行分束以分别产生两个正交的偏振态激光；所述四个单光子探测器分别用于探测所述两个偏振分束器产生的四束激光；所述输出模块用于根据所述四个单光子探测器的响应情况做出判决。

根据本发明的具体实施方式，所述单光子源发出的单光子激光由四个固定偏振态的激光器经合束和衰减形成的弱相干光实现。

本发明还提出一种量子密钥分发方法，采用上述量子密钥分发系统。

根据本发明的具体实施方式，包括如下步骤：S1、使所述第一通信系统或第二通信系统处于量子通信模式，进行量子密钥的原始分发；S2、使所述第一通信系统和第二通信系统均处于经典通信模式，对所述原始分发的量子密钥进行处理，提取精确的安全量子密钥。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)通过对量子通信设备中量子光源强度大小的设置使得单光子探测器的响应输出判决发生改变，从而实现了对经典信息的传输，仅利用量子通信设备就可以完成量子通信和经典通信的双重功能，节约了设备的体积和功耗，为在沙漠、海洋等经典通信设备稀缺的地方实现量子密钥分发提供了可能，适用范围广。

2)在使用本发明的量子密钥分发系统时，可仅开启一个通信系统单独工作实现量子密钥分发，也可根据实际的情况要求使第一通信系统和第二通信系统同时工作实现量子密钥分发，能够提高量子密钥分发的速率至两倍。

附图说明

图1为典型的量子通信系统的原理图；

图2为基于BB84量子密钥分发协议的量子密钥分发系统的组成示意图；

图3为本发明的量子密钥分发系统的组成示意图；

图4为仿真时利用量子通信设备完成经典通信过程时发射端的平均光子数对信道容量的影响的曲线图。

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，对本发明作进一步的详细说明。

实施例一：

由于在一些经典通信资源紧缺的情况下，配置经典通信的设备需要额外的投入，鉴于此，考虑如果量子密钥分发系统的设备可以用来完成经典通信功能，那么在进行量子密钥分发的时候，就不需要其它经典通信设备，因此本实施例提出了一种兼量子通信和经典通信的量子密钥分发系统，其能够在不增加经典通信设备的前提下，实现经典通信功能，即用量子通信设备进行密钥分发以后，依然可以用这套设备实现经典通信，完成量子密钥分发的数据后处理工作，这样就可以减少设备铺设的繁琐度，又节省了资源。

本实施例提出的一种量子密钥分发系统，如图3所示，其包括第一通信系统T1和第二通信系统T2，第一通信系统T1和第二通信系统T2均包括发送端和接收端，第一通信系统T1的发送端和第二通信系统T2的接收端位于同一端，第一通信系统T1的接收端和第二通信系统T2的发送端位于同一端。第一通信系统和第二通信系统均可在量子通信模式和经典通信模式之间切换，并且，第一通信系统和第二通信系统中的任一个处于量子通信模式时用于实现量子密钥分发；第一通信系统和第二通信系统均处于经典通信模式时，对得到的原始密钥进行后处理，提取出最终的安全密钥

或者说，第一通信系统T1或第二通信系统T2单独工作时实现量子密钥分发，第一通信系统T1和第二通信系统T2共同工作时实现量子密钥分发和数据后处理。

在该实施例中，第一通信系统T1由第一随机数生成器11、第一数字信号调制器12、用于选择第一随机数生成器11工作或第一数字信号调制器12工作的第一模式选择模块C1、四个第一激光器13a、13b、13c、13d、两个第一偏振合束器14a、14b、一个第一合束器15、一个第一光衰减器S1、用于控制第一光衰减器S1的第一开关K1、一个第一分束器16、两个第一偏振分束器17a、17b、四个第一单光子探测器18a、18b、18c、18d和第一输出模块19组成，四个第一激光器13a、13b、13c、13d的输入端均与第一随机数生成器11的输出端或与第一数字信号调制器12的输出端连接，其中两个第一激光器13a、13b的输出端均与其中一个第一偏振合束器14a的输入端连接，另外两个第一激光器13c、13d的输出端均与另一个第一偏振合束器14b的输入端连接，两个第一偏振合束器14a、14b的输出端均与第一合束器15的输入端连接，第一合束器15的输出端与第一光衰减器S1的输入端连接，第一光衰减器S1的输出端与第一分束器16的输入端连接，第一分束器16的输出端分别与两个第一偏振分束器17a、17b的输入端连接，其中一个第一偏振分束器17a的输出端分别与其中两个第一单光子探测器18a、18b的输入端连接，另一个第一偏振分束器17b的输出端分别与另外两个第一单光子探测器18c、18d的输入端连接，四个第一单光子探测器18a、18b、18c、18d的输出端均与第一输出模块19连接。第二通信系统T2由第二随机数生成器21、第二数字信号调制器22、用于选择第二随机数生成器21工作或第二数字信号调制器22工作的第二模式选择模块C2、四个第二激光器23a、23b、23c、23d、两个第二偏振合束器24a、24b、一个第二合束器25、一个第二光衰减器S2、用于控制第二光衰减器S2的第二开关K2、一个第二分束器26、两个第二偏振分束器27a、27b、四个第二单光子探测器28a、28b、28c、28d和第二输出模块29组成，四个第二激光器23a、23b、23c、23d的输入端均与第二随机数生成器21的输出端或与第二数字信号调制器22的输出端连接，其中两个第二激光器23a、23b的输出端均与其中一个第二偏振合束器24a的输入端连接，另外两个第二激光器23c、23d的输出端均与另一个第二偏振合束器24b的输入端连接，两个第二偏振合束器24a、24b的输出端均与第二合束器25的输入端连接，第二合束器25的输出端与第二光衰减器S2的输入端连接，第二光衰减器S2的输出端与第二分束器26的输入端连接，第二分束器26的输出端分别与两个第二偏振分束器27a、27b的输入端连接，其中一个第二偏振分束器27a的输出端分别与其中两个第二单光子探测器28a、28b的输入端连接，另一个第二偏振分束器27b的输出端分别与另外两个第二单光子探测器28c、28d的输入端连接，四个第二单光子探测器28a、28b、28c、28d的输出端均与第二输出模块29连接。

实施例二：

本实施例给出了应用实施例一给出的量子密钥分发系统实现量子密钥分发和数据后处理的量子密钥分发方法，其包括量子分发阶段和数据后处理阶段，量子分发阶段包括以下步骤：

①-1、启动第一通信系统，通过第一模式选择模块选择第一随机数生成器，然后开启第一随机数生成器，再通过第一开关开启第一光衰减器；同时启动第二通信系统，通过第二模式选择模块选择第二随机数生成器，然后开启第二随机数生成器，再通过第二开关开启第二光衰减器。

①-2、在保证第一通信系统和第二通信系统同时工作的情况下，在第一通信系统的发送方，第一随机数生成器生成一批二进制数据，并以每两个比特的二进制数据触发一个第一激光器；四个第一激光器分别将自身接收到的两个比特的二进制数据调制成相应的偏振态；其中两个第一激光器输出的正交的偏振态经其中一个第一偏振合束器后形成一束偏振态光束，另外两个第一激光器输出的正交的偏振态经另一个第一偏振合束器后也形成一束偏振态光束；两个第一偏振合束器输出的正交的偏振态光束经第一合束器耦合后输出给第一光衰减器。

在第二通信系统的发送方，第二随机数生成器生成一批二进制数据，并以每两个比特的二进制数据触发一个第二激光器；四个第二激光器分别将自身接收到的两个比特的二进制数据调制成相应的偏振态；其中两个第二激光器输出的正交的偏振态经其中一个第二偏振合束器后形成一束偏振态光束，另外两个第二激光器输出的正交的偏振态经另一个第二偏振合束器后也形成一束偏振态光束；两个第二偏振合束器输出的正交的偏振态光束经第二合束器耦合后输出给第二光衰减器。

①-3、第一光衰减器衰减接收到的偏振态光束的功率后输出弱相干态的偏振态光束给第一通信系统的接收方的第一分束器；第二光衰减器衰减接收到的偏振态光束的功率后输出弱相干态的偏振态光束给第二通信系统的接收方的第二分束器。

①-4、在第一通信系统的接收方，第一分束器将接收到的弱相干态的偏振态光束分成两束弱相干态的偏振态光束，分别传输给两个第一偏振分束器；其中一个第一偏振分束器将自身接收到的弱相干态的偏振态光束分成两个正交的偏振态，并分别传输给其中两个第一单光子探测器，另一个第一偏振分束器将自身接收到的弱相干态的偏振态光束也分成两个正交的偏振态，并分别传输给另外两个第一单光子探测器。

在第二通信系统的接收方，第二分束器将接收到的弱相干态的偏振态光束分成两束弱相干态的偏振态光束，分别传输给两个第二偏振分束器；其中一个第二偏振分束器将自身接收到的弱相干态的偏振态光束分成两个正交的偏振态，并分别传输给其中两个第二单光子探测器，另一个第二偏振分束器将自身接收到的弱相干态的偏振态光束也分成两个正交的偏振态，并分别传输给另外两个第二单光子探测器。

①-5、在第一通信系统的接收方，第一输出模块根据四个第一单光子探测器的响应情况输出判决结果，如果仅有一个第一单光子探测器响应，则第一输出模块判决出第一通信系统的发送方发送的偏振态为响应的第一单光子探测器对应偏振态。

在第二通信系统的接收方，第二输出模块根据四个第二单光子探测器的响应情况输出判决结果，如果仅有一个第二单光子探测器响应，则第二输出模块判决出第二通信系统的发送方发送的偏振态为响应的第二单光子探测器对应偏振态。

数据后处理阶段包括以下步骤：

②-1、启动第一通信系统，通过第一模式选择模块选择第一数字信号调制器，然后开启第一数字信号调制器，再通过第一开关关闭第一光衰减器(由于进行经典通信时对单光子源没有要求，因此关闭第一光衰减器)，由于数据后处理过程需要双方进行数据的交互，因此需要同时启动第二通信系统，通过第二模式选择模块选择第二数字信号调制器，然后开启第二数字信号调制器，再通过第二开关关闭第二光衰减器。

②-2、在保证第一通信系统和第二通信系统同时工作的情况下，在第一通信系统的发送方，第一数字信号调制器输出需要传输的二进制数据，并以每两个比特的二进制数据触发一个第一激光器；四个第一激光器分别将自身接收到的两个比特的二进制数据调制成相应的偏振态，如：如果两个比特的二进制数据为00，则其中一个第一激光器将其接收到的00调制成|H＞偏振态；其中两个第一激光器输出的正交的偏振态经其中一个第一偏振合束器后形成一束偏振态光束，另外两个第一激光器输出的正交的偏振态经另一个第一偏振合束器后也形成一束偏振态光束；两个第一偏振合束器输出的正交的偏振态光束经第一合束器耦合后传输给第一通信系统的接收方的第一分束器。

在第二通信系统的发送方，第二数字信号调制器输出需要传输的二进制数据，并以每两个比特的二进制数据触发一个第二激光器；四个第二激光器分别将自身接收到的两个比特的二进制数据调制成相应的偏振态；其中两个第二激光器输出的正交的偏振态经其中一个第二偏振合束器后形成一束偏振态光束，另外两个第二激光器输出的正交的偏振态经另一个第二偏振合束器后也形成一束偏振态光束；两个第二偏振合束器输出的正交的偏振态光束经第二合束器耦合后传输给第二通信系统的接收方的第二分束器。

②-3、在第一通信系统的接收方，第一分束器将接收到的偏振态光束分成两束偏振态光束，分别传输给两个第一偏振分束器；其中一个第一偏振分束器将自身接收到的偏振态光束分成两个正交的偏振态，并分别传输给其中两个第一单光子探测器，另一个第一偏振分束器将自身接收到的偏振态光束也分成两个正交的偏振态，并分别传输给另外两个第一单光子探测器。

在第二通信系统的接收方，第二分束器将接收到的偏振态光束分成两束偏振态光束，分别传输给两个第二偏振分束器；其中一个第二偏振分束器将自身接收到的偏振态光束分成两个正交的偏振态，并分别传输给其中两个第二单光子探测器，另一个第二偏振分束器将自身接收到的偏振态光束也分成两个正交的偏振态，并分别传输给另外两个第二单光子探测器。

②-4、在第一通信系统的接收方，第一输出模块根据四个第一单光子探测器的响应情况判决出第一通信系统的发送方发送的偏振态为与未响应的第一单光子探测器所对应偏振态正交的偏振态。例如：四个第一单光子探测器的|H＞、|V＞、|D＞、这三路都响应，而|A＞路的第一单光子探测器没有响应，那么，此时解调出的两个比特信息为|D＞偏振态所对应的两个比特10。

在第二通信系统的接收方，第二输出模块根据四个第二单光子探测器的响应情况判决出第二通信系统的发送方发送的偏振态为与未响应的第二单光子探测器所对应偏振态正交的偏振态。

为进一步说明本发明的量子密钥分发系统及方法的可行性和有效性，对本发明的量子密钥分发系统及方法进行仿真试验。

仿真所采用的第一数字信号调制器和第二数字信号调制器的信号发射频率均为1KHZ，信道衰减η＝20db，第一激光器和第二激光器均选用单模保偏激光器，单模保偏激光器的光强大小可以调节，第一合束器和第二合束器的分光比均为0.5，第一偏振合束器和第二偏振合束器的分光比均为0.99，第一单光子探测器和第二单光子探测器均选用雪崩光电二极管单光子探测器。图4给出了仿真时利用量子通信设备完成经典通信过程时发射端的平均光子数对信道容量的影响，从图4中可以看出，当平均光子数μ＝1968时，信道容量达到最大值，本发明的量子密钥分发系统的性能达到最好的状态，最大值为C＝1.77比特/码元；信道容量C＞1比特/码元的光子数的动态范围在578～13862之间，这有效地证明了利用量子通信设备实现经典通信的可行性和有效性。

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，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 (5)

1.一种量子密钥分发系统，包括第一通信系统和第二通信系统，第一通信系统和第二通信系统均包括发送端和接收端，第一通信系统的发送端和第二通信系统的接收端位于同一端，第一通信系统的接收端和第二通信系统的发送端位于同一端，其特征在于，

所述第一通信系统和第二通信系统均可在量子通信模式和经典通信模式之间切换，并且，

所述第一通信系统和第二通信系统中的任一个处于量子通信模式时用于进行量子密钥的原始分发，

所述第一通信系统和第二通信系统均处于经典通信模式时，对所述原始分发的量子密钥进行处理，提取精确的安全量子密钥。

2.如权利要求1所述的量子密钥分发系统，其特征在于，所述第一通信系统和第二通信系统均包括一个单光子源、一个分束器、两个偏振分束器、四个单光子探测器和一个输出模块，其中，

所述单光子源能够输出随机四偏振态的单光子激光，或者输出信号调制的四偏振态单光子激光；

所述分束器用于将所述单光子源发出的激光分成两束；

所述两个偏振分束器分别用于对所述分束器分成的两束激光进行分束以分别产生两个正交的偏振态激光；

所述四个单光子探测器分别用于探测所述两个偏振分束器产生的四束激光；

所述输出模块用于根据所述四个单光子探测器的响应情况做出判决。

3.如权利要求2所述的量子密钥分发系统，其特征在于，所述单光子源发出的单光子激光由四个固定偏振态的激光器经合束和衰减形成的弱相干光实现。

4.一种量子密钥分发方法，其特征在于，采用如权利要求1至3中任一项所述的量子密钥分发系统。

5.如权利要求4所述的量子密钥分发方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、使所述第一通信系统或第二通信系统处于量子通信模式，进行量子密钥的原始分发；

S2、使所述第一通信系统和第二通信系统均处于经典通信模式，对所述原始分发的量子密钥进行处理，提取精确的安全量子密钥。