CN106533676A - 一种基于参考系无关协议的量子密钥分发系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于参考系无关协议的量子密钥分发系统，采用光注入半导体激光器产生具有编码信息的量子态，代替了传统的光源和量子态编码模块的方案。光子的时间及相位差信息由量子密钥编码端内的光注入半导体激光器产生，量子密钥编码端内的第一激光器驱动器、第二激光器驱动器、脉冲产生激光器，相位制备激光器、第一三端口环形器组成光注入半导体激光器，第二激光器驱动器控制相位制备激光器将预调Δφ相位的相位调制光脉冲注入脉冲产生激光器，可使第一激光器驱动器控制的脉冲产生激光器产生一对相位差为Δφ的双脉冲信号光，从而产生具有时间、相位编码信息的脉冲序列。本技术方案提高了系统抗干扰性和成码率，有利于产品集成化、小型化。

Description

一种基于参考系无关协议的量子密钥分发系统
技术领域
本发明涉及量子通信领域，尤其涉及一种基于参考系无关协议的量子密钥分发系统。
背景技术
保密通信是在发送端对所传输信息源的码流进行加密，在接收方进行解密认证，以防止信息被干扰或窃听的通信系统，可以保证通信双方所传输信息的安全性和完整性。目前保密通信普遍采用了RSA公钥体制，这种公钥体制的安全性是由算法的复杂性和计算机计算能力的有限性来保证的，但是现代不断提高的数学计算能力以及快速发展量子计算机一直威胁着现有的RSA公钥体制的安全性。量子密钥分发(QKD)作为一种可靠的密钥分发体制，其安全性是由量子力学中的海森堡测不准原理及不可克隆定理等量子特性来保证，结合一次一密的加密方法，就能够保证通信的绝对安全。
量子密钥分发(QKD)系统是基于一定的光学结构，并按照一定的协议工作的通信系统，其中协议是QKD系统的基础，其它的光学结构、电子学设计都是为实现协议而服务。自1984年提出第一个协议以来，寻找一种简单、高效的密钥分发协议一直是QKD重点研究内容，经过三十多年的发展，已提出了BB84协议、B92协议、E91协议、差分相位协议等多种QKD协议。但这些协议都需要在发送方Alice和接收方Bob之间共享参考系，例如在偏振编码QKD系统中，Alice发送一偏振态光子后，Bob需要接收到相同偏振态的光子，在相位编码QKD系统中，Alice发送一含有相位信息光子后，Bob需要接收到相同相位信息的光子。但是由于发射、接收装置以及量子通道的不稳定性，光子在传输过程中，偏振、相位的改变不可避免，因此这些协议需要有反馈装置来跟随这种量子态的变化，使到达Bob光子的偏振、相位与Alice发送的一致，即Alice和Bob参考系一致。量子态的反馈装置需要相位调制器、偏振控制器等器件来实现，需要比较庞大的一套系统，控制系统复杂且难以小型化。
文献《Reference-frame-independent quantum key distribution》(PhysicalReview A,82，012304,2010)提出了一种参考系无关的QKD协议，即使到达Bob光子的偏振态、相位与Alice发送的不一致，QKD系统仍然可以正常工作，并提供了该协议的理论证明，但该文献并没有进行深入实验研究。该文献为解决QKD参考系不一致的问题提供了一种解决方法，特别适合应用于星-地量子密钥分发或QKD收发装置的集成化、小型化应用。
文献《Reference-Frame-Independent Quantum-Key-Distribution Server witha elecom Tether for an On-Chip Client》(Physics Review Letters，PRL 112,130501，2014)实验研究了参考系无关协议的QKD系统，该实验采用偏振编码的形式，以保偏光纤为量子通道保证偏振态的稳定，从而保证参考系的稳定，但是，这种方式不适合用于长距离量子密钥分发。
文献《Proof-of-principle experiment of reference-frame-independentquantum key distribution with phase coding》(Scientific Reports，4:3617，DOL：10.1038/srep03617,2014)实验研究了相位编码形式的参考系无关QKD系统，在量子态制备端(Alice)、量子态接收端(Bob)设置了不等臂干涉仪，并用相位调制器、可调衰减器制备或测量X/Y/Z三个基矢的六种量子态，Alice量子态制备速率、Bob量子态测量速率是决定QKD系统的成码率的关键(成码率是QKD系统最重要指标)。该方案中，Alice采用了相位调制器产生4个不同的相位，用于制备X/Y两个相位基矢的4种量子态；用可调光衰减器VOA产生时间基矢Z的2种量子态。相位调制器正常工作时要求驱动电信号幅度要达到它的半波电压，量子态制备速度越高，要求驱动电信号的速度越快，在高速电子学领域，速度越高、幅度越大，电脉冲产生越困难，因此产生标准高速、高电压的驱动电脉冲信号对电子学提出了很高的要求。相位调制器还有一个问题是受环境温度变化非常敏感，环境温度的改变会造成系统的不稳定性，因此需要额外的反馈控制系统来补偿自身的温漂，增加QKD系统的复杂程度；同样，Alice和Bob需要采用可调光衰减器VOA来制备、测量Z基矢，VOA调制速率通常在毫秒级，因此难以做到高速量子态的制备。并且由于该文献中Alice和Bob都采用了不等臂干涉仪，为实现良好的干涉，Alice的不等臂干涉仪的臂长差与Bob的不等臂干涉仪的臂长差要求完全一致，但在实际制作过程中，臂长差完全一致的不等臂干涉仪很难实现，系统中存在的臂长差不一致会造成QKD成码率、测量距离等性能下降。
由上可知，目前基于参考系无关协议的QKD系统的光源部分由激光器和量子态编码器等器件组成，难以做到集成化、小型化，限制了其应用；特别是量子态编码器，为实现量子态编码，通常设置有相位调制器、强度调制器等器件，相位调制器、强度调制器正常工作时需要有高速电信号驱动，对电子学有很高的要求，而且需要臂长差完全一致的不等臂干涉仪和额外的反馈控制系统，增加系统的复杂程度，实现困难。此外，现有的基于参考系无关协议需要三个单光子探测器，单光子探测器价格昂贵，成本较高。
文献《Directly Phase-Modulated Light Source》(PHYSICAL REVIEW X6,031044，2016)提出了基于光注入激光器的相位直接调制技术，并将技术应用于基于BB84/DPS协议的量子密钥分发(QKD)系统中。在该文献中，光注入激光器在一个周期内制备了两个光脉冲或三个脉冲，两两脉冲之间的相位差是4个值中的一个，分别对应两组基矢的4种量子态，其中0、π对应X基矢，对应Y基矢，该文献的实验研究，可用于实现BB84协议或DPS协议，但无法直接用于实现参考系无关协议。
发明内容
为了解决上述的技术问题，本发明的目的是提供一种基于参考系无关协议的量子密钥分发系统，采用光注入半导体激光器产生具有编码信息的量子态，代替了传统的光源和量子态编码模块的方案。
为了达到上述的目的，本发明采用了以下的技术方案：
一种基于参考系无关协议的量子密钥分发系统，包括量子密钥编码端、量子密钥解码端，以及连接两者的量子密钥分发通道，其特征在于，量子密钥编码端设置有第一激光器驱动器、脉冲产生激光器、第二激光器驱动器、相位制备激光器、第一三端口环形器、可调光衰减器；第一激光器驱动器控制脉冲产生激光器，第二激光器驱动器控制相位制备激光器，相位制备激光器、脉冲产生激光器和可调光衰减器依次分别接在第一三端口环形器的第一至第三端口上，可调光衰减器连接量子密钥分发通道；
量子密钥解码端设置有第一分束器、非平衡干涉仪和若干个单光子探测器；第一分束器连接量子密钥分发通道，第一分束器的一个输出端连接单光子探测器，第一分束器的另一个输出端连接非平衡干涉仪，非平衡干涉仪的输出端连接单光子探测器；
该系统采用X、Y、Z三个基矢六种量子态来实现密钥安全分发，Z基矢表示时间编码信息；X、Y基矢分别表示不同的相位差编码信息；量子密钥编码端选择X、Y、Z的测量基矢分别定义为XA、YA、ZA，量子密钥解码端选择X、Y、Z的测量基矢分别定义为XB、YB、ZB；具体步骤如下：
1)量子密钥编码端制备量子态：随机选择XA、YA、ZA三组基矢中的一组作为发送数据的量子态基矢，选择XA、YA、ZA基矢的概率分别为PX、PY、PZ,PX+PY+PZ＝1，并根据所选中的数据与基矢控制相应激光器驱动器，用于驱动激光器产生具有编码信息的双脉冲信号光；
2)具有编码信息的双脉冲信号光从第一三端口环形器的第二端口输入，从第一三端口环形器的第三端口输出，输入到可调光衰减器中，可调光衰减器将光信号衰减到单光子级别输入到量子密钥分发通道中；
3)量子密钥解码端测量量子态：以PX、PY、PZ的概率选择XB、YB、ZB三组基矢中的一组作为量子态测量基矢；具有编码信息的双脉冲信号光首先输入到第一分束器，第一分束器的输出分束比为PZ:(PX+PY)；第一分束器分束比为PX+PY的输出端连接非平衡干涉仪的输入端，非平衡干涉仪与单光子探测器一起组成XB、YB基矢下解码测量装置，得到选择X和Y基矢下的测量数据；第一分束器分束比为PZ的输出端连接单光子探测器组成ZB基矢下解码测量装置，得到选择Z基矢下的测量数据；其中，Z基矢时间编码的双脉冲信号光作为数据信号光输出至一单光子探测器进行检测以得到原始量子密钥，相位编码的双脉冲信号光作为监测信号光输入至非平衡干涉仪，所述非平衡干涉仪的测量结果用于验证信道的安全性；
4)量子密钥编码端和量子密钥解码端通过数据筛选、基矢比对得到原始的密钥信息，通过原始的密钥信息统计量子密钥编码端和量子密钥解码端都是选择Z基矢情况下的误码率EZZ，并通过X、Y基矢下测量得到数据统计窃听者的信息，计算安全码率的下限Rmin，当实际成码率高于安全码率的下限Rmin时，认为是安全的，保留这些密钥；
5)量子密钥编码端和量子密钥解码端经过误码协商和隐私放大获得安全密钥。
作为优选，所述步骤1)中，当量子密钥编码端选择了XA或YA基矢时，第一激光器驱动器控制脉冲产生激光器产生非空双脉冲信号光，非空双脉冲信号光的两个脉冲光分别位于相位调制光脉冲的微扰时刻的前后，此时非空双脉冲信号光前后脉冲光的相位差与相位调制光脉冲在微扰时刻的前后相位差相同，都是Δφ；当Δφ为0或π时，表示选择了X基矢，当Δφ为时，表示选择了Y基矢；通过第二激光器驱动器改变微扰电脉冲信号的幅度ΔU和时间tm，以产生相应Δφ；当量子密钥编码端选择了Z基矢时，第一激光器驱动器控制脉冲产生激光器产生具有时间编码信息的双脉冲序列，第二激光器驱动器产生的相位调制驱动电脉冲不需要加载微扰电信号。
进一步优选，所述步骤1)中，通过时间tm固定不变，改变幅度ΔU来产生不同的Δφ。或者优选，所述步骤1)中，通过幅度ΔU固定不变，改变时间tm来产生不同的Δφ。
作为优选，所述非平衡干涉仪为带偏振自动补偿功能的迈克尔逊干涉仪。
所述非平衡干涉仪内设置有第二三端口环形器、第二分束器、第一法拉第旋转镜、第二法拉第旋转镜和相位调制器；在非平衡干涉仪内，双脉冲信号光经过第二三端口环形器后到达第二分束器的端口a，分别从第二分束器的端口c、端口d分成两路输出，第二分束器的端口c连接干涉仪的短臂，经过第一法拉第旋转镜反射后又到达第二分束器，第二分束器的端口d连接干涉仪的长臂，经过第二法拉第旋转镜反射后又到达第二分束器；其中，在干涉仪的长臂上设有相位调制器，第二分束器的输出端口b连接单光子探测器。
进一步优选，第一分束器的一个输出端连接一个单光子探测器，第二三端口环形器的第三端口连接另一个单光子探测器，第二分束器的输出端口b连接再一个单光子探测器。
作为优选，量子密钥解码端还设有第三分束器，第一分束器的一个输出端连接一个单光子探测器，第二分束器的输出端口b与第三分束器的一个输入端口相连，第二三端口环形器的第三端口通过光纤延时线与第三分束器的另一个输入端口相连，第三分束器的输出端口与另一个单光子探测器相连。从光脉冲到达单光子探测器的时刻来区分探测结果，将相位解码测量的两个单光子探测器用一个单光子探测器代替，降低成本。
作为优选，量子密钥解码端还设有第三分束器和第四分束器，第一分束器的一个输出端口通过第二光纤延时线与第四分束器的一个输入端口相连，第二分束器的输出端口b与第三分束器的一个输入端口相连，第二三端口环形器的第三端口通过第一光纤延时线与第三分束器的另一个输入端口相连，第三分束器的输出端口与第四分束器的另一个输入端口相连，第四分束器的输出端口与一个单光子探测器相连。所有单光子探测器用同一个单光子探测器代替，这样将进一步降低成本。
作为优选，所述非平衡干涉仪为不等臂MZ干涉仪。不等臂MZ干涉仪内设置有第二分束器、第三分束器，以及连接第二分束器与第三分束器的短臂、长臂，干涉仪的长臂上设置有相位调制器；在非平衡干涉仪内，双脉冲信号光到达第二分束器的端口a，分别从第二分束器的端口b、端口c分成两路输出，第二分束器的端口b连接干涉仪的短臂，到达第三分束器的输入端口e；第二分束器的端口c连接干涉仪的长臂，经过相位调制器到达第三分束器的输入端口f，第三分束器的输出端口g连接一个单光子探测器，第三分束器的输出端口h连接另一个单光子探测器。
本发明由于采用了以上的技术方案，光子的时间及相位差信息由量子密钥编码端内的光注入半导体激光器产生，量子密钥编码端内的第一激光器驱动器、第二激光器驱动器、脉冲产生激光器和相位制备激光器、第一三端口环形器组成光注入半导体激光器，第二激光器驱动器控制相位制备激光器将预调Δφ相位调制光脉冲注入脉冲产生激光器，可使第一激光器驱动器控制的脉冲产生激光器产生一对相位差为Δφ的双脉冲信号光，从而产生具有时间、相位编码信息的脉冲序列。本发明采用光注入半导体激光器产生具有编码信息的量子态，代替了传统的光源和量子态编码模块的方案。
并且，本发明在前述文献的光注入激光器的相位直接调制技术基础上，光注入激光器制备了除了X/Y基矢之外，还制备了具有时间编码信息Z基矢，Z基矢是在光注入激光器在一个周期内仅制备一个光脉冲，从制备光脉冲时间的前后作为编码信息。此外，本发明的光注入激光器还可以制备X/Y/Z每个基矢下三种含不同光子数的光脉冲信号，实现了基于参考系无关诱骗态协议，提高了安全性和成码率。
与普通参考系无关的QKD系统不同，本发明在Alice端制备量子态时采用了光注入激光器原理，无需相位调制器、强度调制器、可调光衰减器这些器件，克服这些器件带来的不利因素；而且整个系统只有Bob有不等臂干涉仪，Alice端没有不等臂干涉仪，无需制备和Bob臂长差相同的不等臂干涉仪，降低了不等臂干涉仪制作难度。
现有技术中的六态协议，同参考系无关协议一样，该协议也需在Alice、Bob制备或解调X/Y/Z三个基矢的六种量子态，与参考系无关协议不同的是，该协议在X/Y/Z三个基矢下都可以成码，以相位编码方式为例，当需要在X/Y两个基矢下成码时，Alice制备的相位编码量子态和Bob收到的相位编码量子态要求一致，而在实际的传输过程中，Bob收到的相位编码量子态不可避免的会发生变化，因此在Bob端需要有相位反馈装置，用来将Bob收到的相位编码量子态校准到和Alice制备的相位编码量子态一致，即参考系校准到一致，在这之后才能进行后续的解调、成码过程。参考系反馈校准装置使QKD系统更加复杂，而且体积庞大，而且在有些场合更是无法适用，如星地QKD、芯片级QKD等。与现有的六态协议相比，本发明无需参考相位反馈装置，使QKD的适用性更广泛。同时，本发明同样制备、测量X/Y/Z三种基矢的六个量子态，因此在增加相位反馈装置以及改变QKD后处理过程后，本发明也可以实现基于光注入激光器的六态协议。
因此，本发明具有下述有益效果：
1、提高成码率。有利于实现高成码率的参考系无关QKD。采用了光注入激光器制备X/Y/Z三个基矢的六种量子态，在制备X/Y相位编码基矢时，相位编码由光注入激光器的微扰电脉冲信号产生，微扰电脉冲信号所用的半波电压降低到1V以内，半波电压的降低可以降低电子学上高速电脉冲信号的产生的难度，有利于产生更高速度的电脉冲信号，提高了成码率。同时在制备Z时间编码基矢时，采用电脉冲信号直接控制激光器的发光，无需可调光衰减器、强度调制器等器件，消除了环境温度变化对QKD的影响，进一步提高成码率。
2、增加稳定性。相位调制器、强度调制器通常由LiNbO3晶体制作而成，这些器件的性能受环境温度影响，因此当不采用这些器件后，系统的环境适应性和稳定性会得到提高。
3、易于小型化。光注入半导体激光器由两个半导体激光器和一个环形器组成，有利于产品集成化、小型化。为了让相位调制器、强度调制器在不同温度下可以正常工作，通常需要反馈装置，在不采用这些器件后，系统的体积得到极大的缩小，加上参考系无关协议的QKD本身不需要的参考系反馈装置，可以使系统的体积更小，为未来在芯片上的实现QKD提供了技术方法。
4、易于大规模生产。不需要制备完全一样的不等臂干涉仪，克服了规模化生产的难点，有利于大规模生产。
5、多功能性。本发明光注入激光器可以直接产生X/Y/Z三个基矢的6种量子态，并且可以制备X/Y/Z每个基矢下三种含不同光子数(μ、ν、0)的光脉冲信号，还可以实现六态协议和诱骗态协议。
6、可以降低单光子探测器的使用数量。通信波段的单光子探测器价格非常贵，本发明通过单光子探测器时间上的复用降低单光子探测器的用量，降低成本。
附图说明
图1是本发明实施例1的结构示意图；
图2是光注入激光器直接调制光源的相位调制原理图；
图3是实施例2量子密钥解码端的结构示意图；
图4是实施例3量子密钥解码端的结构示意图；
图5是实施例4量子密钥解码端的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
一种基于参考系无关协议的量子密钥分发系统，包括量子密钥编码端、量子密钥解码端，以及连接两者的量子密钥分发通道，量子密钥编码端设置有第一激光器驱动器、脉冲产生激光器、第二激光器驱动器、相位制备激光器、第一三端口环形器、可调光衰减器；第一激光器驱动器控制脉冲产生激光器，第二激光器驱动器控制相位制备激光器，相位制备激光器、脉冲产生激光器和可调光衰减器依次分别接在第一三端口环形器的第一至第三端口上，可调光衰减器连接量子密钥分发通道；量子密钥解码端设置有第一分束器、非平衡干涉仪和若干个单光子探测器；第一分束器连接量子密钥分发通道，第一分束器的一个输出端连接单光子探测器，第一分束器的另一个输出端连接非平衡干涉仪，非平衡干涉仪的输出端连接单光子探测器；该系统采用X、Y、Z三个基矢六种量子态来实现密钥安全分发，Z基矢具有两种量子态，表示时间编码信息；X、Y基矢各自具有两种量子态，分别表示不同的相位差编码信息；量子密钥编码端选择X、Y、Z的测量基矢分别定义为XA、YA、ZA，量子密钥解码端选择X、Y、Z的测量基矢分别定义为XB、YB、ZB；具体步骤如下：
1)量子密钥编码端制备量子态：随机选择XA、YA、ZA三组基矢中的一组作为发送数据的量子态基矢，选择XA、YA、ZA基矢的概率分别为PX、PY、PZ,PX+PY+PZ＝1，并根据所选中的数据与基矢控制相应激光器驱动器，用于驱动激光器产生具有编码信息的双脉冲信号光；
2)具有编码信息的双脉冲信号光从第一三端口环形器的第二端口输入，从第一三端口环形器的第三端口输出，输入到可调光衰减器中，可调光衰减器将光信号衰减到单光子级别输入到量子密钥分发通道中；
3)量子密钥解码端测量量子态：以PX、PY、PZ的概率选择XB、YB、ZB三组基矢中的一组作为量子态测量基矢；具有编码信息的双脉冲信号光首先输入到第一分束器，第一分束器的输出分束比为PZ:(PX+PY)；第一分束器分束比为PX+PY的输出端连接非平衡干涉仪的输入端，非平衡干涉仪与单光子探测器一起组成XB、YB基矢下解码测量装置，得到选择X和Y基矢下的测量数据；第一分束器分束比为PZ的输出端连接单光子探测器组成ZB基矢下解码测量装置，得到选择Z基矢下的测量数据；
4)量子密钥编码端和量子密钥解码端通过数据筛选、基矢比对得到原始的密钥信息，通过原始的密钥信息统计量子密钥编码端和量子密钥解码端都是选择Z基矢情况下的误码率EZZ，并通过X、Y基矢下测量得到数据统计窃听者的信息，计算安全码率的下限Rmin，当实际成码率高于安全码率的下限Rmin时，认为是安全的，保留这些密钥；
5)量子密钥编码端和量子密钥解码端经过误码协商和隐私放大获得安全密钥。
对本发明的各实施例具体描述如下：
实施例1：
如图1所示的一种基于参考系无关协议的QKD系统，包括量子密钥编码端Alice、量子密钥解码端Bob，以及连接Alice和Bob的量子密钥分发通道。Alice内设置有第一激光器驱动器Drive1、脉冲产生激光器LD1，第二激光器驱动器Drive2、相位制备激光器LD2、第一三端口环形器CIR1、可调光衰减器VOA；Bob内置有第一分束器BS1、非平衡干涉仪、第一单光子探测器D1、第二单光子探测器D2、第三单光子探测器D3。非平衡干涉仪为带偏振自动补偿功能的迈克尔逊干涉仪干涉仪，非平衡干涉仪内设置有第二三端口环形器CIR2、第一分束器BS2、第一法拉第旋转镜FM1、第二法拉第旋转镜FM2、相位调制器PM。
基于参考系无关协议QKD系统采用X、Y、Z三个基矢六种量子态来实现密钥安全分发，Z基矢定义为|0>、|1>两种量子态，表示时间编码信息；X基矢定义为两种量子态，分别表示相位差是0、π；Y基矢定义为两种量子态，分别表示相位差是Alice(Bob)选择X、Y、Z的测量基矢分别定义为XA(B)、YA(B)、ZA(B)。光子的时间及相位差信息由Alice内的光注入半导体激光器产生，Alice内的第一激光器驱动器Drive1、第二激光器驱动器Drive2、脉冲产生激光器LD1、相位制备激光器LD2、第一三端口环形器CIR1组成光注入半导体激光器，产生具有时间、相位编码信息的脉冲序列。参考系无关协议基矢表如下：
表中，t0和t1分别表示双脉冲的前一个时刻和后一个时刻，tm表示微扰信号的持续时间，ΔUπ/2、ΔUπ、ΔU3π/2表示微扰信号的幅度，分别对应相位差Δφ是π、当ΔU＝0时，对应的相位差Δφ为0。表示“非空态”，表示“真空态”脉冲(即不发光)，表示双脉冲的前后两个脉冲都是“非空态”，表示双脉冲的前脉冲为“真空态”、后脉冲为“非空态”，表示双脉冲的前脉冲为“非空态”、后脉冲为“真空态”，Δφ表示前后脉冲的相位差。
具体方法如下：
1)Alice制备量子态。Alice随机选择XA、YA、ZA三组基矢中的一组作为发送数据的量子态基矢，并根据所选中的数据与基矢控制相应激光器驱动器，用于驱动激光器产生编码信息，具体如下：
激光器驱动器Drive2产生相位调制驱动电脉冲信号，该电脉冲信号的中间时刻存在有一定幅度ΔU和时间tm的微扰电脉冲，该带有微扰电脉冲的驱动电脉冲信号加载于相位制备激光器LD2上，LD2产生带微扰的相位调制光脉冲，该相位调制光脉冲在微扰时刻的前后相位差Δφ由微扰电脉冲的幅度ΔU和时间tm决定；
相位制备激光器LD2发出的带微扰的相位调制光脉冲经过第一三端口环形器端口1输入，端口2输出，注入到脉冲产生激光器LD1中；
在激光器驱动器Drive1的控制下，脉冲产生激光器LD1在相位调制光脉冲光注入的每个周期内都产生一个双脉冲信号光，双脉冲信号光为三种情况下的一种，由Alice选择的基矢决定是哪种双脉冲信号光。Alice选择XA、YA、ZA基矢的概率分别为PX、PY、PZ,其中PX+PY+PZ＝1。
当Alice选择了XA或YA基矢时，激光器驱动器Drive1控制脉冲产生激光器LD1产生非空双脉冲光非空双脉冲信号光的两个脉冲光分别位于相位调制光脉冲的微扰时刻的前后，此时非空双脉冲信号光前后脉冲光的相位差与相位调制光脉冲在微扰时刻的前后相位差相同，都是Δφ，当Δφ为0或π时，表示选择了X基矢，当Δφ为时，表示选择了Y基矢。可以通过激光器驱动器Drive2改变微扰电脉冲信号的幅度ΔU和时间tm，以产生相应Δφ，本发明优选固定时间时间tm，改变幅度ΔU来产生不同的Δφ；
当Alice选择了Z基矢时，Drive1控制脉冲产生激光器LD1产生具有时间编码信息到双脉冲或时间编码双脉冲序列与相位差Δφ无关，因此当Alice选择了Z基矢时，可以设置ΔU＝0，即Δφ＝0，即Drive2产生的相位调制驱动电脉冲不需要加载微扰电信号；
2)具有编码信息的双脉冲信号光从第一三端口环形器CIR1端口2输入，经过端口3输出，输入到可调光衰减器VOA中，可调光衰减器VOA将光信号衰减到单光子级别输入到量子通道中；
3)Bob测量量子态。在接收端Bob，Bob以PX、PY、PZ的概率选择XB、YB、ZB三组基矢中的一组作为量子态测量基矢，具体过程如下：
双脉冲序列信号光首先输入到第一分束器BS1，第一分束器BS1的输出分束比设定与Bob基矢概率选择有关，根据基矢选择概率，设定BS1的分束比为PZ:(PX+PY)；
分束比为PX+PY的输出端连接非平衡干涉仪的输入端，非平衡干涉仪与第一单光子探测器D1、第二单光子探测器D2一起组成XB、YB基矢下解码测量装置，得到选择X和Y基矢下的测量数据；
分束比为PZ的输出端连接第三单光子探测器D3一起组成ZB基矢下解码测量装置，得到选择Z基矢下的测量数据；
4)Alice和Bob通过数据筛选、基矢比对得到原始的密钥信息，通过原始的密钥信息统计Alice和Bob都是选择Z基矢情况下的误码率EZZ，并通过X、Y基矢下测量得到数据统计窃听者Eve的信息C，计算安全码率的下限Rmin，当实际成码率高于安全码率的下限Rmin时，可以认为是安全的，Alice分析Bob保留这些密钥；
5)Alice和Bob经过误码协商和隐私放大获得安全密钥。
在非平衡干涉仪内，双脉冲信号光经过第二三端口环形器CIR2后到达第二分束器BS2的端口a，分别从第二分束器BS2的端口c、端口d分成两路输出。端口c连接干涉仪的短臂LS，经过法拉第旋转镜反射FM1反射后又到达第二分束器BS2；端口d连接干涉仪的长臂LL，经过法拉第旋转镜FM2反射后又到达BS2，由于臂长差的不同，此时经过短臂LS的光脉冲率先返回到BS2，经过长臂LL的光脉冲后返回到BS2，因此双脉冲信号光有四种可能的路径返回到BS2的端口c和d，分别是：前脉冲A前经过短臂LS，前脉冲A前经过长臂LL；后脉冲A后经过短臂LS，后脉冲A后经过长臂LL；其中，经过前脉冲A前经过短臂LS最早返回到达BS2的端口c，后脉冲A后经过长臂LL的光子最后到达探测器，这两种情况都没有干涉现象。非平衡干涉仪的臂长差延时与前、后脉冲间隔时间相等，因此前脉冲A前经过长臂LL，后脉冲A后经过短臂LS同时到达BS2，是不可分辨的，会发生干涉现象。这个光子是到达D1还是D2，取决于这两条路径的相位差。在Alice内通过对相位制备激光器加载微扰电脉冲信号，在Bob长臂LL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相位的编码和解码。
本发明采用光注入激光器，将相位制备激光器预调Δφ相位的相位调制脉冲光注入脉冲产生激光器，可使脉冲产生激光器产生的一对相位差为Δφ的双脉冲信号光。采用光注入激光器直接调制光源的相位调制原理如图2所示，在Drive2产生的电脉冲信号的中间位置一持续时间tm内引入ΔU的微扰电脉冲信号，微扰电脉冲信号使光频率改变了Δυ，光频率的改变引起了相位变化，变化关系如下式：
Δφ＝2πΔυtm＝2πkΔUtm
k为驱动电压与光频率的转换系数，tm为微扰电脉冲信号的持续时间，此持续时间tm内引入的光频差对长脉冲此位置光相位演变的线性影响如图2(b)所示，光频差导致长脉冲前后未被调制的部分的光相位相差为Δφ。为避免微扰电脉冲调相时长脉冲频率、相位、幅值波动等寄生效应对信号脉冲光的影响，将此微扰电脉冲的持续时间对准脉冲产生激光器的触发电脉冲信号间隔，即有微扰电脉冲时，脉冲激光器不发光，使最终只有相位调制脉冲光在微扰前后的光注入时，脉冲产生激光器产生两个信号光脉冲，这两个信号光脉冲受到注入光的调制作用，并将注入光的相位差Δφ传递到两个信号光脉冲中，经相位调制的两个信号光脉冲如图2(c)所示。
根据公式，当tm恒定时，Δφ与ΔU间呈线性关系，通过设置ΔU可将Δφ调制为任意值。本实施例中可以将ΔU设置为表格中的0、ΔUπ/2、ΔUπ、ΔU3π/2，用于得到相位差Δφ是0、π、双脉冲。本实施例中光注入激光器直接相位调制的半波电压ΔUπ＝0.35V，远远小于常规LiNbO3晶体相位调制器的半波电压水平(Uπ≈4V)，较低的半波电压可以极大的降低高速电子学的设计实现难度，有利于实现高速、高效的量子密钥分发，并且有利于Alice端的集成化、小型化。
当内含编码信息的光量子态从Alice发送到Bob时，由于发射、接收装置以及量子通道的不稳定性，Bob接收到的光量子态的相位不可避免的发生了变化，假设这种变化是缓慢的，变化量为β，则Bob接收到的光量子态表示为：
ZB＝ZA
XB＝cosβXA+sinβXA
YB＝cosβYA-sinβYA
Z基矢是时间编码基矢，从脉冲产生的时间可以解码数据是0还是1，相位的变化β并不影响Z基矢下测量数据，因此可以采用Alice和Bob都是Z基矢下的测量得到数据作为原始密钥，计算成码率和误码率，同时，相位编码(X/Y基矢)测量得到的数据可以用来估计窃听者Eve的信息，从而得到安全成码率R，实现参考系无关协议。
Alice和Bob都选择是Z基矢下的误码率Ezz计算公式如下：
当相位变化是缓慢的时候，可以认为在误码率统计期内的变化量β是一个常量，可以得到窃听者Eve的估算信息C如下:
C＝<XAXB>2+<XAYB>2+<YAXB>2+<YAYB>2
当没有窃听者Eve存在，并且参考相位变化也固定时，ZAZB≈1，<XAXB>、<XAYB>、<YAXB>、<YAYB>是一个-1～1之间的常量，该常量的大小由β决定。
一般情况下，Ezz＜15.9％，安全码率公式如下：
R＝1-h(EZZ)-IE
式中，h(x)表示香农熵函数，公式如下：
h(x)＝-xlog2x-(1-x)log2(1-x)
窃听者Eve信息计算公式如下：
式中，
上述基于参考系无关协议的QKD系统及方法，还可以增加诱骗态协议，在增加诱骗态协议后，安全码率计算公式如下：
μ、ν、0分别为Alice产生信号态、诱骗态、真空态三种不同强度的光脉冲的平均光子数，其中μ>ν。Yμ、Yυ、Y0为不同强度脉冲下的成码率，EμZZ为选择信号态下Alice和Bob都选择Z基矢测量下的误码率。
上述基于参考系无关协议的QKD系统及方法中，Alice制备了X、Y、Z三个基矢六种量子态，Bob接收到Alice发送过来的信号后，用X、Y、Z三个基矢中的一个进行测量，量子的制备与测量与六态协议相同，在采用不同的后处理过程后，在本实施例中可以实现六态协议。优化X、Y、Z基矢选择的概率，实现非平衡选基六态协议，实现系统性能优化。
实施例2：相位解码测量的两个单光子探测器用一个单光子探测器代替
一种基于参考系无关协议的QKD系统，其量子密钥解码端Bob如图3所示，本实施例与实施例1的不同之处仅在于对于Bob端的相位解码测量的探测模块进行改进，额外设置有第三分束器BS3，光纤延时线DL，取消了第二单光子探测器D2。第二分束器BS2的端口b与第三分束器的一个输入端口相连，第二三端口环形器CIR2的端口3通过光纤延时线DL与第三分束器的另一个输入端口相连，第三分束器的输出端口与第二单光子探测器D1相连。
双脉冲信号光在第二分束器BS2发生干涉时，根据双脉冲信号光相位差决定干涉后的脉冲从第二分束器BS2的哪个端口输出。当干涉信号从第二分束器BS2的端口b输出时，经过第三分束器BS3到达第二单光子探测器D1；当干涉信号从第二分束器BS2的端口a输出时，经过第二三端口环形器CIR2和光纤延迟线DL到达第三分束器BS3的另一个输出端口，因此从BS2不同端口输出的干涉信号到达第三分束器BS3会有个时间差，可以对第一单光子探测器D1设置两个时间窗口来探测这两个光脉冲，前一个时间探测信号相当于实施例1中第一单光子探测器D1响应，后一个时间探测信号相当于实施例1中第二单光子探测器D2响应。
本实施例与实施例1的不同之处在于对于Bob端的进行改进，从光脉冲到达单光子探测器的时刻来区分探测结果，将相位解码测量的两个单光子探测器用一个单光子探测器代替，降低成本。其他与实施例1相同。
实施例3：将所有单光子探测器用同一个单光子探测器代替
一种基于参考系无关协议的QKD系统，其量子密钥解码端Bob如图4所示，本实施例与实施例1的不同之处仅在于对Bob端的探测模块进行改进，额外设置有第三分束器BS3、第四分束器BS4、第一光纤延时线DL1和第二光纤延迟线DL2，取消了第二单光子探测器D2和第三单光子探测器D3。第一分束器BS1的一个输出端口通过第二光纤延时线DL2与第四分束器的一个输入端口相连，第二分束器BS2端口b与第三分束器的一个输入端口相连，第二三端口环形器的端口3通过第一光纤延时线DL1与第三分束器的另一个输入端口相连，第三分束器的输出端口与第四分束器BS4的另一个输入端口相连。
与实施例1、实施例2的不同之处在于，本实施例中的第一单光子探测器D1设置三个探测时间窗口来区分相位编码，第一个时间窗口探测到的数据信息，相当于实施一种的第一单光子探测器D1探测到的数据信息，第二个时间窗口探测信号概率相当于实施例1中第二单光子探测器D2探测到的数据信息，第三个时间窗口探测信号概率相当于实施例1中第三单光子探测器D3响应。
本实施例将所有单光子探测器用同一个单光子探测器代替，这样将进一步降低成本。
实施例4：
一种基于参考系无关协议的QKD系统，其量子密钥解码端Bob如图5所示，本实施例与实施例1的不同之处仅在于：非平衡干涉仪采用不等臂MZ干涉仪来实现，不等臂MZ干涉仪内设置有第二分束器BS2、第三分束器BS3，以及连接第二分束器BS2与第三分束器BS3的短臂LS、长臂LL，长臂LL上设置有相位调制器PM。第二分束器BS2为1*2分束器，具有一个输入端口a、两个输出输出端口b、c；第三分束器BS3为2*2分束器，具有两个输入端口e、f，两个输出输出端口g、h；双脉冲信号光到达第二分束器BS2的端口a，分别从第二分束器BS2的端口b、端口c分成两路输出，端口b连接干涉仪的短臂LS，到达第三分束器BS3的输入端口e；端口c连接干涉仪的长臂LL，经过相位调制器PM到达第三分束器BS3的输入端口f，由于臂长差的不同，此时经过短臂LS的光脉冲率先到达第三分束器BS3，经过长臂LL的光脉冲后到达第三分束器BS3，因此，双脉冲信号光有四种可能的路径到达BS3，分别是：前脉冲A前经过短臂LS，前脉冲A前经过长臂LL；后脉冲A后经过短臂LS，后脉冲A后经过长臂LL；其中，经过前脉冲A前经过短臂LS最早到达BS3，后脉冲A后经过长臂LL的光子最后到达BS3，这两种情况都没有干涉现象。非平衡干涉仪的臂长差延时与前、后脉冲间隔时间相等，因此前脉冲A前经过长臂LL，后脉冲A后经过短臂LS同时到达BS3，是不可分辨的，形成脉冲干涉。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于参考系无关协议的量子密钥分发系统，包括量子密钥编码端、量子密钥解码端，以及连接两者的量子密钥分发通道，其特征在于，
量子密钥编码端设置有第一激光器驱动器、脉冲产生激光器、第二激光器驱动器、相位制备激光器、第一三端口环形器、可调光衰减器；第一激光器驱动器控制脉冲产生激光器，第二激光器驱动器控制相位制备激光器，相位制备激光器、脉冲产生激光器和可调光衰减器依次分别接在第一三端口环形器的第一至第三端口上，可调光衰减器连接量子密钥分发通道；
量子密钥解码端设置有第一分束器、非平衡干涉仪和若干个单光子探测器；第一分束器连接量子密钥分发通道，第一分束器的一个输出端连接单光子探测器，第一分束器的另一个输出端连接非平衡干涉仪，非平衡干涉仪的输出端连接单光子探测器；
该系统采用X、Y、Z三个基矢六种量子态来实现密钥安全分发，Z基矢表示时间编码信息；X、Y基矢分别表示不同的相位差编码信息；量子密钥编码端选择X、Y、Z的测量基矢分别定义为XA、YA、ZA，量子密钥解码端选择X、Y、Z的测量基矢分别定义为XB、YB、ZB；具体步骤如下：
1)量子密钥编码端制备量子态：随机选择XA、YA、ZA三组基矢中的一组作为发送数据的量子态基矢，选择XA、YA、ZA基矢的概率分别为PX、PY、PZ,PX+PY+PZ＝1，并根据所选中的数据与基矢控制相应激光器驱动器，用于驱动激光器产生具有编码信息的双脉冲信号光；
2)具有编码信息的双脉冲信号光从第一三端口环形器的第二端口输入，从第一三端口环形器的第三端口输出，输入到可调光衰减器中，可调光衰减器将光信号衰减到单光子级别输入到量子密钥分发通道中；
3)量子密钥解码端测量量子态：以PX、PY、PZ的概率选择XB、YB、ZB三组基矢中的一组作为量子态测量基矢；具有编码信息的双脉冲信号光首先输入到第一分束器，第一分束器的输出分束比为PZ:(PX+PY)；第一分束器分束比为PX+PY的输出端连接非平衡干涉仪的输入端，非平衡干涉仪与单光子探测器一起组成XB、YB基矢下解码测量装置，得到选择X和Y基矢下的测量数据；第一分束器分束比为PZ的输出端连接单光子探测器组成ZB基矢下解码测量装置，得到选择Z基矢下的测量数据；
4)量子密钥编码端和量子密钥解码端通过数据筛选、基矢比对得到原始的密钥信息，通过原始的密钥信息统计量子密钥编码端和量子密钥解码端都是选择Z基矢情况下的误码率EZZ，并通过X、Y基矢下测量得到数据统计窃听者的信息，计算安全码率的下限Rmin，当实际成码率高于安全码率的下限Rmin时，认为是安全的，保留这些密钥；
5)量子密钥编码端和量子密钥解码端经过误码协商和隐私放大获得安全密钥。
2.根据权利要求1所述的一种基于参考系无关协议的量子密钥分发系统，其特征在于，所述步骤1)中，当量子密钥编码端选择了XA或YA基矢时，第一激光器驱动器控制脉冲产生激光器产生非空双脉冲信号光，非空双脉冲信号光的两个脉冲光分别位于相位调制光脉冲的微扰时刻的前后，此时非空双脉冲信号光前后脉冲光的相位差与相位调制光脉冲在微扰时刻的前后相位差相同，都是Δφ，当Δφ为0或π时，表示选择了X基矢，当Δφ为 时，表示选择了Y基矢；通过第二激光器驱动器改变微扰电脉冲信号的幅度ΔU和时间tm，以产生相应Δφ；当量子密钥编码端选择了Z基矢时，第一激光器驱动器控制脉冲产生激光器产生具有时间编码信息的双脉冲序列，第二激光器驱动器产生的相位调制驱动电脉冲不需要加载微扰电信号。
3.根据权利要求2所述的一种基于参考系无关协议的量子密钥分发系统，其特征在于，所述步骤1)中，通过时间tm固定不变，改变幅度ΔU来产生不同的Δφ。
4.根据权利要求2所述的一种基于参考系无关协议的量子密钥分发系统，其特征在于，所述步骤1)中，通过幅度ΔU固定不变，改变时间tm来产生不同的Δφ。
5.根据权利要求1所述的一种基于参考系无关协议的量子密钥分发系统，其特征在于，所述非平衡干涉仪为带偏振自动补偿功能的迈克尔逊干涉仪，非平衡干涉仪内设置有第二三端口环形器、第二分束器、第一法拉第旋转镜、第二法拉第旋转镜和相位调制器；在非平衡干涉仪内，双脉冲信号光经过第二三端口环形器后到达第二分束器的端口a，分别从第二分束器的端口c、端口d分成两路输出，第二分束器的端口c连接干涉仪的短臂，经过第一法拉第旋转镜反射后又到达第二分束器，第二分束器的端口d连接干涉仪的长臂，经过第二法拉第旋转镜反射后又到达第二分束器；其中，在干涉仪的长臂上设有相位调制器，第二分束器的输出端口b连接单光子探测器。
6.根据权利要求5所述的一种基于参考系无关协议的量子密钥分发系统，其特征在于，第一分束器的一个输出端连接一个单光子探测器，第二三端口环形器的第三端口连接另一个单光子探测器，第二分束器的输出端口b连接再一个单光子探测器。
7.根据权利要求5所述的一种基于参考系无关协议的量子密钥分发系统，其特征在于，量子密钥解码端还设有第三分束器，第一分束器的一个输出端连接一个单光子探测器，第二分束器的输出端口b与第三分束器的一个输入端口相连，第二三端口环形器的第三端口通过光纤延时线与第三分束器的另一个输入端口相连，第三分束器的输出端口与另一个单光子探测器相连。
8.根据权利要求5所述的一种基于参考系无关协议的量子密钥分发系统，其特征在于，量子密钥解码端还设有第三分束器和第四分束器，第一分束器的一个输出端口通过第二光纤延时线与第四分束器的一个输入端口相连，第二分束器的输出端口b与第三分束器的一个输入端口相连，第二三端口环形器的第三端口通过第一光纤延时线与第三分束器的另一个输入端口相连，第三分束器的输出端口与第四分束器的另一个输入端口相连，第四分束器的输出端口与一个单光子探测器相连。
9.根据权利要求1所述的一种基于参考系无关协议的量子密钥分发系统，其特征在于，所述非平衡干涉仪为不等臂MZ干涉仪。
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