CN106375089B - 一种量子密钥分发系统的接收端以及量子密钥分发系统 - Google Patents

一种量子密钥分发系统的接收端以及量子密钥分发系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种量子密钥分发系统的接收端，包括对来自发送端的信号光依次处理的解码模块和探测器，所述信号光为至少两路，所述探测器为阵列探测器，每路信号光在解码模块分别经解码后进入阵列探测器中对应的探测单元。本发明还公开了采用上述接收端的量子密钥分发系统，本发明在传递多路信号光需要分别探测时，避免采用多套单光子探测器，利用阵列探测器的方式不仅降低成本，也使产品上更利于集成化和小型化。

Description

一种量子密钥分发系统的接收端以及量子密钥分发系统
技术领域
本发明涉及量子保密通信技术领域，尤其涉及一种量子密钥分发系统。
背景技术
量子密钥分发(QKD)是基于量子力学和密码学而产生的，它的安全性由量子力学基本原理—海森堡测不准原理和量子不可克隆定理保证，能够确保密钥分发和传输的安全性。使用QKD系统产生的安全密钥，结合“一次一密”的加密方法，可以实现无条件安全的保密通信。
密钥生成速率即成码率是衡量QKD系统性能优劣的重要指标，高的成码率可以加密更多的数据，形成更复杂的加密体系，但由于激光器、单光子探测器的工作频率有限，仅含有单套量子发射装置、量子接收装置的QKD系统成码率有限，采用波分复用技术(WDM)将多套QKD系统或含有多套量子发射装置、量子接收装置的QKD系统复用是提高成码率的常用技术。如申请号200680022303.7的中国专利申请公开了一种用于波分复用链路在发射机和接收机之间实现量子密钥分配的系统和方法，实现多个量子发射单元和多个量子接收单元的密钥分发，这个QKD系统结构能提高成码率，但其结构中每个量子接收单元需要两个单光子探测器，当有N个量子接收单元时，需要2N个单光子探测器，每个单光子探测器价格数十万，多个单光子探测器的使用极大的增加了QKD系统成本，限制了其推广应用。
现有技术采用WDM技术将多套量子发射装置、量子接收装置复用是解决目前QKD系统的成码率不高、多用户接入和网络化的常用技术。
参见图1，现有基于波分复用的QKD系统包括发送端(Alice)、第一波分复用器(WDM1)、传输光纤、第二波分复用器(WDM2)、接收端(Bob)。Alice内设置有多个光源和多个QKD编码模块，例如图中的QKD编码模块1～QKD编码模块n，光源1～光源n，λ1、λ2……λn为每个光源发出的激光波长，其中任意两个波长不相等；光源发出的光经过衰减器(ATT)衰减到单光子状态后进入各自的QKD编码模块，每一个波长均对应了一个QKD编码模块。WDM1将Alice中QKD编码模块输出的多路不同波长的光信号复用到传输光纤中，WDM2将传输光纤中的多路不同波长的光信号解波分复用后，将不同波长的光输入到Bob中的对应QKD解码模块，Bob内设置有多个QKD解码模块和多个单光子探测器，例如图中的QKD解码模块1～QKD解码模块n，其中QKD解码模块1对应单光子探测器D11和单光子探测器D12，QKD解码模块n对应单光子探测器Dn1和单光子探测器Dn2，以实现QKD解码功能。
Alice的QKD编码模块、Bob的QKD解码模块可以采用QKD系统中常用的偏振编码或相位编码的结构，以不等臂MZ干涉相位编码结构为例，Alice和Bob分别用一长一短的两臂各自组成一个不等臂的MZ干涉仪，且双方拥有的干涉仪是完全相同的。例如一个从Alice发出的光子有四种可能的路经到达单光子探测器D11和单光子探测器D12，分别是：
Alice短臂(LAS)+Bob短臂(LBS)；
Alice短臂(LAS)+Bob长臂(LBL)；
Alice长臂(LAL)+Bob短臂(LBS)；
Alice长臂(LAL)+Bob长臂(LBL)；
其中，经过Alice短臂(LAS)+Bob短臂(LBS)的光子最早到达探测器，而经过Alice长臂(LAL)+Bob长臂(LBL)的光子最后到达探测器，这两种情况都没有干涉现象。经过Alice短臂(LAS)+Bob长臂(LBL)和Alice长臂(LAL)+Bob短臂(LBS)两条不同路径的光子同时到达探测器，是不可分辨的，会发生干涉现象，这个光子是到达D11还是D12，取决于这两条路径的相位差，在Alice短臂(LAS)和Bob短臂(LBS)中插入相位调制器PM，Alice和Bob双方通过调整相位差实现对光子的编码和解码。
但现有技术中基于波分复用的QKD系统，一套偏振编码BB84协议的量子接收装置需要4个单光子探测器，一套相位编码BB84协议的量子接收装置需要2个单光子探测器，当采用N套发射装置、量子接收装置复用时，至少需要2N个单光子探测器，而每个单光子探测器的价格都已经十分昂贵，因此会使系统成本很高，不利于实际的推广应用。
发明内容
本发明提供一种QKD系统，在传递多路信号光需要分别探测时，避免采用多套单光子探测器，利用阵列探测器的方式不仅降低成本，也使产品上更利于集成化和小型化。
一种量子密钥分发系统的接收端，包括对来自发送端的信号光依次处理的解码模块和探测器，所述信号光为至少两路，所述探测器为阵列探测器，每路信号光在解码模块分别经解码后进入阵列探测器中对应的探测单元。
本发明中，发送端的信号光有多路，可以通过多根光纤、或多芯光纤或单根光纤等形式发送，在接收端接收后，针对各路信号光需要分别进行解码和探测，为了避免使用多套单光子探测器，采用了阵列探测器的方式，阵列探测器中具有多个探测单元，每个探测单元都可以视为一个单光子探测器，但整体而言，采用阵列探测器不仅降低成本，也利于产品小型化。
作为优选，各信号光以波分复用的形式通过单根光纤输入接收端，在接收端设有用于对各路信号光解复用的解复用器，该解复用器的输出端连接解码模块。
在发送端，通过波分复用器可以将多路信号光用一根光纤传递出去，相应的，接收端先对各路信号光解复用，而后至解码模块进行解码。
可选的，所述解码模块包括多个偏振解码模块，每个偏振解码模块接收所述解复用器的一路输出。
可选的，所述解码模块包括多个相位解码模块，每个相位解码模块接收所述解复用器的一路输出。
作为优选，所述相位解码模块为不等臂干涉模块，利用不等臂干涉模块可将每路信号光经分束以及延时处理后再次进行干涉，并输出两路不同干涉结果，再对两路不同干涉结果的分别探测。
可选的，所述阵列探测器为一个，解码模块的每路输出接入该阵列探测器对应的一个探测单元。
采用一个阵列探测器，各信号光经解码后得到的不同干涉结果均分别进入阵列探测器对应的一个探测单元。
可选的，所述阵列探测器有两个，所述相位解码模块为不等臂干涉模块，每个不等臂干涉模块的两路不同干涉结果分别输入其中一个阵列探测器。
采用两个阵列探测器时，可以分别处理其中一路干涉结果，这样的话可以根据需要对来自不同路的信号光的干涉结果进行二次复用传输，两个阵列探测器可以采用线阵列探测器，降低阵列探测器的成本。可选的，所述阵列探测器为多通道超导纳米线单光子探测器。
采用多通道超导纳米线单光子探测器时，每个不等臂干涉模块均输出两路不同干涉结果，所有不等臂干涉模块的各路干涉结果分别接入多通道超导纳米线单光子探测器中对应的一个通道。
可选的，所述阵列探测器为基于负反馈结构的阵列探测器，可以工作自由运行模式，简化系统控制方式。
采用两个阵列探测器时，可选的，所述阵列探测器为两个线阵列探测器，在接收端中还设有与每个线阵列探测器匹配的二次波分复用器和分光模块，所有不等臂干涉模块的其中一路干涉结果经二次波分复用器复用后再通过分光模块进入线阵列探测器中对应的一个探测单元。
所述二次波分复用器是相对于发送端对信号光的第一次波分复用处理而言，在此处相当于进行第二次波分复用处理。
可选的，所述分光模块包括沿光路依次设置的准直透镜、分光棱镜和聚焦透镜。
可选的，所述分光模块包括沿光路依次设置的准直透镜、衍射光栅和聚焦透镜。
可选的，所述阵列探测器为面阵列探测器，在接收端中还设有密排光纤阵列和微透镜阵列；解码模块的每路输出依次经密排光纤阵列和微透镜阵列进入面阵列探测器中对应一个探测单元。
本发明还提供一种基于阵列探测器的量子密钥分发系统，包括相匹配的发送端和接收端，所述接收端为本发明所述的接收端。
本发明在保持现有系统发送端不变的前提下，通过改进接收端的探测器，降低了WDM复用QKD系统的成本，提高了QKD的成码率。
附图说明
图1为现有技术的QKD系统示意图；
图2为本发明实施例1中探测器的示意图；
图3为本发明实施例2中采用两个阵列探测器时相应的结构示意图；
图4为实施例2中色散棱镜型分光模块和1*N线阵列探测器的示意图；
图5为实施例2中衍射光栅型分光模块和1*N线阵列探测器的示意图；
图6为实施例3中密排光纤阵列、微透镜阵列和阵列探测器的示意图。
具体实施方式
实施例1
参见图2，本实施例一种基于阵列单光子探测器的QKD系统，包括Alice、第一波分复用器(WDM1)、第二波分复用器(WDM2)和Bob。
Alice内设置QKD编码模块1～QKD编码模块n，光源1～光源n，各光源发出的光经过对应的衰减器(ATT)衰减到单光子状态后进入各自的QKD编码模块，每一个波长均对应了一个QKD编码模块。
WDM1将Alice中各QKD编码模块输出的多路不同波长的光信号复用到传输光纤中，WDM2将传输光纤中的多路不同波长的光信号解波分复用后，将不同波长的光输入到Bob中对应的QKD解码模块1～QKD解码模块n，各个解码模块为不等臂干涉模块，可将每路信号光经分束以及延时处理后再次进行干涉，并输出两路不同干涉结果进入探测器。
参见图3，本实施例中探测器采用多通道SNSPD，具有2n个输入通道，每个通道对应一个探测单元，例如QKD解码模块1的两路不同干涉结果分别进入探测单元D1和探测单元D2，QKD解码模块n的两路不同干涉结果分别进入探测单元D2n-1和探测单元D2n。单光子信号进入多通道SNSPD的各个探测单元中，实现QKD系统中多路单光子信号探测。本实施例利用一个多通道SNSPD代替QKD系统中多个单光子探测器，既发挥了SNSPD高效率、高速、低噪声的优点，又减少了单光子探测器的使用，降低了成本。
多通道SNSPD可采用俄罗斯Scontel公司的6通道SNSPD，可以接入三套QKD解码模块，成码率是单套QKD系统的三倍。
实施例2
参见图3，本实施例与实施例1不同之处在于在探测部分设有第一阵列探测器、第二阵列探测器，并相应的设有两个波分复用器(WDM3和WDM4)和两个分光模块。
Bob内每个波长对应的QKD解码模块都有直通臂和交叉臂两个输出分别对应两种不同的干涉结果，QKD解码模块1对应两个输出记为λ1直、λ1交，同理，QKD解码模块n对应两个输出记为λn直、λn交。将各个QKD解码模块的直通臂输出(λ1直、λ2直……λn直)与WDM3的输入相连，WDM3将直通臂的各个波长复用到一根光纤中，携带有直通臂的多波长信息的WDM3输出端与分光模块1相连，分光模块1将不同波长的光信号从空间上分开，入射到第一阵列探测器，第一阵列探测中的不同探测单元对应于不同波长。
各个QKD解码模块的交叉臂输出(λ1交、λ2交……λn交)与WDM4的输入相连，WDM4将交叉臂的各个波长复用到一根光纤中，携带有交叉臂的多波长信息的第四WDM模块输出端与分光模块2相连，分光模块2将不同波长的光信号从空间上分开，入射到第二阵列探测器，第二阵列探测中的不同探测单元对应于不同波长。
分光模块1和分光模块2相同，可以采用色散棱镜或衍射光栅的来实现。第一阵列探测器、第二阵列探测器可以采用1*N的线阵列探测器。
采用色散棱镜的分光模块和1*N线阵列探测器的实施方式可见图4，图中色散棱镜型的分光模块包括有入射光纤、准直透镜、色散棱镜、聚焦透镜。
入射光纤输入端与WDM3的输出端相连，用于接收WDM3的输出端的N个波长的直通臂光信号，入射光纤的输出端放置于准直透镜的焦点F，准直透镜将入射光纤输出的点光源准直成一组波长为λ1直、λ2直……λn直的平行光入射到色散棱镜，平行光经过色散棱镜后被分解成N组平行光，其中第一组平行光对应波长λ1直，第二组平行光对应波长λ2直，第N组平行光对应波长λn直；N组平行光入射到聚焦透镜，聚焦透镜将互相平行的光汇聚到一个像点，N组平行光共有N个像点，其中第一组波长为λ1直平行光聚焦在第一阵列探测器的第1单元，第二组波长为λ2直平行光聚焦在第一阵列探测器的第2单元，第N组波长为λn直平行光聚焦在第一阵列探测器的第n单元；第一阵列探测器为1*N的InGaAs盖革线阵APD，放置在聚焦透镜的焦平面，盖革线阵APD工作在异步模式，每个探测单元都有自己的激活、熄灭过程，即各个探测单元可以独立工作。
1*N阵列探测器可以是Voxtel公司提供的Voxtel-QFC 1*64线阵探测器；1*N阵列探测器还可以是1*4SNSPD阵列探测器，SNSPD的使用可以降低暗计数、提高成码率；具体可参见文献《Superconducting-nanowire single-photon-detector linear array》(Applied Physics Letters，2013，103(14):142602-142602-4)。
色散棱镜可以采用THORLABS公司的等边色散棱镜，该色散棱镜在1550nm波长附近的色散率为：
dNdλ＝0.16*10-5
当入射光按最小偏向角入射时，角度色散率为：
Figure BDA0001135028610000071
α为棱镜的顶角，当色散棱镜为等边三角形时，α＝60°，n为1550nm附近的折射率，取n＝1.6，
Figure BDA0001135028610000072
线色散率为：
Figure BDA0001135028610000073
ε为焦平面对光线的倾斜角，当正入射时，ε＝90°，D≈0.002f/nm，f是聚焦透镜的焦距。
线色散率D表示为单位波长的两条谱线在焦面上被分开的距离，线色散距离L＝D×Δλ，表示波长相差Δλ的两条谱线在焦平面上被分开的距离，当线色散距离L与阵列探测器的象元中心距ΔL相等时，可以刚好使两个相邻的波长落在阵列探测器的两个相邻单元中心，满足空间上分光探测要求。
参见图5，可以采用衍射光栅的分光模块和1*N线阵列探测器，衍射光栅型分光模块包括有入射光纤、准直透镜、衍射光栅、聚焦透镜、阵列探测器。
入射光纤输入端与WDM3的输出端相连，用于接收WDM3的输出端的N个波长的直通臂光信号，入射光纤的输出端放置于准直透镜的焦点F，准直透镜将入射光纤输出的点光源准直成一组波长为λ1直、λ2直……λn直的平行光入射到衍射光栅，衍射光栅选用反射型，入射的平行光经过反射式衍射光栅反射后被分解成N组平行光，其中第一组平行光对应波长λ1直，第二组平行光对应波长λ2直，第N组平行光对应波长λn直；N组平行光入射到聚焦透镜，聚焦透镜将互相平行的光汇聚到一个像点，N组平行光共有N个像点，其中其中第一组波长为λ1直平行光聚焦在第一阵列探测器的第1单元，第二组波长为λ2直平行光聚焦在第一阵列探测器的第2单元，第N组波长为λn直平行光聚焦在第一阵列探测器的第n单元；阵列探测器采用1*N的InGaAs盖革线阵APD。
衍射光栅可以采用THORLABS公司的反射式近红外衍射光栅，衍射光栅的色散率与刻线的数目和谱线的级数有关，如THORLABS公司600线/mm的光栅一级谱线的色散率为1.46nm/rad，即角度色散率为
Figure BDA0001135028610000081
线色散率为：
Figure BDA0001135028610000082
线色散率D表示为单位波长的两条谱线在焦面上被分开的距离，线色散距离L＝D×Δλ，表示波长相差Δλ的两条谱线在焦平面上被分开的距离，当线色散距离L与阵列探测器的象元中心距ΔL相等时，可以刚好使两个相邻的波长落在阵列探测器的两个相邻单元中心，满足空间上分光探测要求。
对比公式(1)与公式(2)，相比色散棱镜型，衍射光栅具有更大的线色散率，适合用于分辨更加精细的光谱和具有较大像元中心距的阵列探测器；色散棱镜适合用于较小象元中心距的阵列探测器。
实施例3
参见图6，与实施例2不同的是，Bob中在QKD解码模块后依次设置有密排光纤阵列、微透镜阵列和阵列探测器。
Bob内每个波长对应QKD解码模块都有直通臂和交叉臂两个输出，QKD解码模块的输出端口与密排光纤阵列的输入端口相连，密排光纤阵列是将多根光纤有规则的集合成束以实现各在空间上排列成一定规则的光学元件，密排光纤阵列具有2N个光纤输入端口和1个输出端口，输出端口具有2N个光纤象元，每根光纤的输出端即为在密排光纤阵列的输出端面上的一个像元，密排光纤阵列的输出端面上象元的大小、排列由阵列探测器的探测单元的大小、排列确定，输出端面上象元通过微透镜阵列与阵列探测器的探测单元一一对应，即阵列探测器中不同探测单元对应着不同QKD解码模块的输出信号。微透镜阵列用于提高密排光纤阵列到阵列探测器的耦合效率。
本实施例的阵列探测器采用8*8面阵列探测器，可参见文献《InGaAs/InP盖革模式雪崩焦平面阵列的研制》(半导体光电，2015,36(3):356-360)。
象元中心距为150μm，QKD解码模块输出的光纤是包层直径为125μm，芯径为9μm普通单模光纤，密排光纤阵列的光纤与QKD解码模块输出相同的光纤，可以实现低损耗连接；在密排光纤阵列的输出端，光纤象元直径与光纤直径相同，都为125μm，小于阵列探测器象元中心距(150μm)，因此密排光纤阵列输出端的相邻光纤象元之间间距为25μm。
一个8*8的面阵列探测器可以接收32路QKD系统解码模块的输出信号；微透镜阵列也采用了8*8的阵列设计，微透镜单元直径在125～150μm之间。
阵列探测器可以是8*8超导纳米线(SNSPD)面阵列探测器，SNSPD面阵列探测器的使用可以降低暗计数、提高成码率；可参见《A near-infrared64-pixel superconductingnanowire single photon detector array with integrated multiplexed readout》(Applied Physics Letter,2015,106(19):221)
还可以是8*8阵列探测器，该阵列探测器基于负反馈结构，可以工作自由运行模式，简化系统的结构，提高成码率，可参见《Shortwave infrared negative feedbackavalanche diodes and solid-state Photomultipliers》(Optical Engineering,2014,53(8):081908-081908)。

Claims (4)

1.一种量子密钥分发系统的接收端，包括对来自发送端的信号光依次处理的解码模块和探测器，所述信号光为至少两路，其特征在于，所述探测器为阵列探测器，每路信号光在解码模块分别经解码后进入阵列探测器中对应的探测单元；
各信号光以波分复用的形式通过单根光纤输入接收端，在接收端设有用于对各路信号光解复用的解复用器，该解复用器的输出端连接解码模块；
所述解码模块包括多个相位解码模块，每个相位解码模块接收所述解复用器的一路输出；
所述阵列探测器有两个，所述相位解码模块为不等臂干涉模块，每个不等臂干涉模块的两路不同干涉结果分别输入其中一个阵列探测器；
所述阵列探测器为两个线阵列探测器，在接收端中还设有与每个线阵列探测器匹配的二次波分复用器和分光模块，每个解码模块中的不等臂干涉模块输出两路不同的干涉结果，所述两路不同的干涉结果分别经过不同的二次波分复用器复用后、再通过对应的分光模块，进入不同的线阵列探测器中对应的一个探测单元。
2.如权利要求1所述的量子密钥分发系统的接收端，其特征在于，所述阵列探测器为多通道超导纳米线单光子探测器。
3.如权利要求1所述的量子密钥分发系统的接收端，其特征在于，所述分光模块包括沿光路依次设置的准直透镜、分光棱镜和聚焦透镜；或
所述分光模块包括沿光路依次设置的准直透镜、衍射光栅和聚焦透镜。
4.一种基于阵列探测器的量子密钥分发系统，包括相匹配的发送端和接收端，其特征在于，所述接收端为权利要求1～3任一项所述的接收端。
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