CN106656344A - 一种mdi‑qkd系统及mdi‑qkd方法 - Google Patents

一种mdi‑qkd系统及mdi‑qkd方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种MDI‑QKD系统以及MDI‑QKD方法，MDI‑QKD系统包括两用户端以及公共测量端，所述公共测量端设有主激光器，两用户端分别设有与所述主激光器相应的从激光器，在公共测量端还设有用于接收来自各从激光器光信号的探测模块。本发明的量子态制备过程为基于光注入锁定思想使用主从两个激光器共同实现的内调制过程，对于特洛伊木马攻击具有本质的抵御能力。特洛伊木马攻击实现的首要条件为QKD系统结构中量子态制备的各调制器件独立于光源，为外部调制器件，而本发明的量子态制备过程没有外部调制器件，在光源内部实现，破坏了特洛伊木马攻击的实现条件。

Description

一种MDI-QKD系统及MDI-QKD方法
技术领域
本发明涉及量子通信领域，尤其涉及一种MDI-QKD系统和方法。
背景技术
量子密钥分发(QKD)原则上提供了基于量子物理定律而不是计算复杂度的无条件安全性，然而由于安全证明的理论假设和现实条件之间的差距，实际QKD系统易受各种攻击。测量子系统是QKD系统最脆弱的部分，其中解码模块、单光子探测器等复杂测量器件上，与编码维度关联的其他若干维度可作为边信道将信息泄露出去。2012年，加拿大的Hoi-Kwong Lo小组于提出了测量设备无关的量子密钥分发(MDI-QKD)协议，很好地关闭了测量子系统的所有漏洞，并使安全通信的距离提高了一倍。
MDI-QKD系统利用时间反演的基于纠缠分发的协议，把测量装置放在不受信任的第三方Charlie，通信双方Alice和Bob各自随机选择基矢编码比特信息和制备光子态，光子态被发送给Charlie进行Bell态测量，并选择正确的测量结果。
为了实现Charlie内两光子态良好的干涉效果，系统需要对影响干涉的各种参数进行严格的校准和反馈，包括时间模式、偏振模式以及光谱模式等等。在一般的MDI-QKD系统中，Alice和Bob两者采用独立的激光器，系统需要波长校准模块以保证两者的波长高度一致。在文献Phys.Rev.Lett.111,130501(2013)中，用户端使用移频器每间隔30分钟对两路激光频率差进行校准，保证其低于10MHz水平；文献PHYSICAL REVIEW A 92,012333(2015)在Alice和Bob边缘放置窄带滤波器，使来自Charlie的光脉冲只有单个光谱模式进入二者的编码模块；文献PHYSICAL REVIEW A 93,042308(2016)里，作者采用半导体激光器稳频技术，借助分别集成到Alice和Bob光源内部的乙炔气池，将两路光波长锁定在1542.38nm处，确保了10MHz以内的频率差，保证了两路光谱的不可分辨性。但是移频器时分复用的方式降低了系统的成码速率；目前的滤波技术还不能达到1pm量级精度的理想滤波；半导体激光器稳频技术在建立外部参考基准时，不仅需要吸收物质，还需要复杂的反馈控制系统(包括分束模块、光电探测模块、频率伺服系统等)。
MDI-QKD协议虽然解决了测量系统的黑客漏洞，但是仍有源端攻击需要考虑，主要包括特洛伊木马攻击、光子数分离攻击等。诱骗态方案弥补了光子数分离攻击的漏洞，而针对特洛伊木马攻击的抵御方案主要依赖于光学器件的性能和对光学器件的复杂控制，因此抵御性能有限。
在特洛伊木马攻击中，窃听者在开放的量子信道上向系统发送端或接收端输入木马光束，木马光束经过量子态制备或解调的外部调制器件后，携带上编码或解码信息，在发送端的光源或接收端的探测器端面被反射回来，窃听者分析返回光束的携带信息从而得到密钥信息。
现有MDI-QKD系统对Alice和Bob两路光波长校准技术实现复杂或受限于器件性能水平；在量子态制备过程和诱骗态方案的实施通过外部调制器件实现，系统结构复杂，高速编码应用受外部调制器件限制；现有MDI-QKD系统还存在特洛伊木马攻击漏洞。
发明内容
本发明提供一种MDI-QKD系统，借助光注入锁定的思想使Alice和Bob的激光器产生关联，两者的光源在产生光脉冲的同时即实现了光波长的内部校准，相比于移频器等外部波长校准模块，在不影响系统正常成码的情况下，实现更为简单。
本发明一种MDI-QKD系统，包括两用户端以及公共测量端，所述公共测量端设有主激光器，两用户端分别设有与所述主激光器相应的从激光器，在公共测量端还设有用于接收来自各从激光器光信号的探测模块。
本发明的量子态制备过程为基于光注入锁定思想使用主从两个激光器共同实现的内调制过程，不仅减少了外部调制器件的使用，而且对于特洛伊木马攻击具有本质的抵御能力。特洛伊木马攻击实现的首要条件为QKD系统量子态制备的各调制器件独立于光源为外部调制器件，而本发明的量子态制备过程不需外部调制器件，在光源内部即可实现，这破坏了特洛伊木马攻击的实现条件。
所述探测模块包括：
分束器，两用户端的从激光器所发送的光信号经由该分束器发生干涉；
两个单光子探测器，分别接收和探测来自所述分束器的两路干涉结果。
两从激光器所发送的光信号经干涉后，进入所述两个单光子探测器，根据各单光子探测器的信号响应，再进行后续的数据处理，完成量子密钥的分发。
作为优选，主激光器发送的光信号经由所述分束器分为两路，分别进入对应的从激光器。主激光器发送的光信号以及从激光器返回的光信号均通过该分束器，可实现光路的简化。
作为优选，用户端中，所述从激光器的输出端连接有可调光衰减器。从激光器输出的光信号通过可调光衰减器调控到适宜的强度。
作为优选，公共测量端中设有两个偏振控制器，两从激光器光信号分别经对应的偏振控制器后进入所述分束器。这样可以保证来自两从激光器光信号在发生干涉前偏振方向一致。
作为优选，公共测量端中设有光纤环形器，两个单光子探测器中的一者与所述主激光器通过该光纤环形器接入所述分束器的同一端口。
主激光器发送光信号时，通过光纤环形器进入分束器进而分为两路，而两从激光器返回的光信号，在分束器处干涉后，一路进入其中一单光子探测器，另一路经由光纤环形器进入另一单光子探测器。
作为优选，MDI-QKD系统中还设有同步环路，相对于公共测量端与任一用户端之间，该同步环路通过两个光路节点分成第一光路和第二光路，主激光器发送的光信号经由第一光路进入从激光器，从激光器发送的光信号经由第二光路返回主激光器侧。
光信号在往返于公共测量端与任一用户端之间，其路程可近似为第一光路与第二光路之和，即为完整的同步环路，这样可以保证两用户端从激光器发送的光信号可同时到达公共测量端的分束器以发生干涉。
为了简化光路，作为优选，所述光路节点包括：
位于公共测量端中的所述分束器；
位于各用户端中的路径选择模块；
两用户端的路径选择模块之间通过同步支路相连。
作为优选，同一用户端中，路径选择模块设置在可调光衰减器的输出端一侧。
通过以上设置可见，在所述分束器以及两个路径选择模块之间构成同步环路，就某一用户端而言：
当前用户端的路径选择模块与分束器之间作为第一光路；
当前用户端的其路径选择模块、同步支路、另一用户端的路径选择模块与分束器之间作为第二光路。
由于公共测量端与任一用户端之间，往返的光信号都要历经完整的同步环路，因此第一光路和第二光路之间的长短关系并没有严格限制。
同理，就某一用户端而言：
当前用户端的路径选择模块与分束器之间作为第二光路；
当前用户端的其路径选择模块、同步支路、另一用户端的路径选择模块与分束器之间作为第一光路。
就光信号的单程而言，第二光路和第一光路是可以互换的，因为并不影响整个同步环路的行程。
作为优选，所述路径选择模块包括三个外接端口，分别与所述第二光路、第一光路以及所在用户端的从激光器相连。
在没有特殊说明下，本发明中的连接包括直接相连和间接相连；直接相连可理解为中间不设置其他部件，间接连接可理解为经由至少一个其他部件相连，例如从激光机输出端经由可调光衰减器在与路径选择模块的其中一个外接端口相连，这里就可以理解为间接相连。
作为优选，所述路径选择模块包括依次连接的三个光纤环形器，每个光纤环形器均具有三个端口，其中：
第一光纤环形器的三个端口分别接从激光器、第二光纤环形器和第三光纤环形器；
第二光纤环形器的三个端口分别接第一光纤环形器、同步支路和第三光纤环形器；
第三光纤环形器的三个端口分别接第一光纤环形器、第二光纤环形器和公共测量端。
当然为了实现两用户端在同步光路上的切换，还可以有其他光路布置形式，但总的来说，都是为了实现光信号行程的一致性。
在编码方式上，可选的，通过从激光器的内调制进行时间编码，或在从激光器的输出端一侧设置相位调制器并结合相位编码。
作为优选，从激光器与可调光衰减器之间设有相位调制器。
本发明还提供一种MDI-QKD方法，实施在包括两用户端以及公共测量端的MDI-QKD系统中，包括：
公共测量端利用主激光器激发两用户端内各自的从激光器，并在各用户端生成编码后的光信号发送至公共测量端；
公共测量端接收来自各用户端的光信号并进行探测，用以生成量子密钥。
本发明中，在公共测量端接收光信号并进行探测，以及量子密钥的生成运算可采用现有技术。优选实施在本发明所述的MDI-QKD系统。
本发明在相同的注入锁定条件下可保证Alice和Bob两路短脉冲光波长模式相同，这种波长模式的内部校准避免了对外部波长模式校准模块的使用；在从激光器中实现的脉冲强度内调制避免了对外部强度调制模块的使用，从这两方面对MDI-QKD系统的结构进行了简化。
本发明的量子态制备过程为基于光注入锁定思想使用主从两个激光器共同实现的内调制过程，破坏了特洛伊木马攻击的实现条件，对于特洛伊木马攻击具有本质的抵御能力。
本发明利用路径选择模块构造环形光路，两用户光信号的产生、量子态的制备、Bell态测量都在同一环路内进行，自动补偿了路径差异对同步的影响，不再需要复杂的同步系统实现两路光信号的同步。
附图说明
图1为现有主从式注入锁定系统结构示意图；
图2为本发明实施例1中MDI-QKD系统结构示意图；
图3为本发明实施例1中主从激光器编码示意图；
图4为本发明实施例1中诱骗态方案下的主从激光器编码示意图；
图5为本发明实施例2中MDI-QKD系统结构示意图；
图6为本发明实施例2中四种量子态制备过程示意图；
图7为本发明实施例3中MDI-QKD系统结构示意图；
图8为本发明实施例3中路径选择模块的结构示意图；
图9为本发明实施例4中MDI-QKD系统结构示意图。
具体实施方式
实施例1：
本发明是借助注入锁定的半导体激光器理论，注入锁定的概念是R.Adler在1946年首次提出，之后K.Kurokawa对注入锁定的物理模型和数学理论进行了解释。一个振荡器被一个基准信号注入时，当注入的基准信号的功率和频率与振荡器的本征频率之间满足一定的条件时，注入的基准信号使振荡器发生受激辐射，受激辐射消耗振荡器谐振腔内载流子使谐振腔内光增益达到饱和，振荡器的本征激射受到抑制，出射光的频率变为受激辐射光的频率，即振荡器的频率因基准信号的注入而重新稳定在注入信号的频率上，而且振荡信号和基准参考信号之间的相位之差保持不变，这就是注入锁定现象。
以半导体为注入对象的系统分为外腔式注入锁定和主从式注入锁定。在主从式注入锁定方式中，主激光器发射基准信号，从激光器作为被注入的振荡器。图1为主从式注入锁定系统结构示意图，光从主激光器输出，通过隔离器、偏振控制器PC、可调光衰减器VOA和光纤环形器到达从激光器。当主从激光器的频率失谐在锁定带宽内时，从激光器处于锁定态，即从激光器输出频率与从激光器一致。锁定带宽的表达式为
其中Δω＝ωm-ωs为主从激光器的角频率之差(ωm和ωs分别为主激光器和自由运转时从激光器的角频率)，fd为从激光器的模式间隔，Ii为从激光器的光注入功率，I为锁定后从激光器的输出功率，α为谱线增宽因子。在给定从激光器的偏置电流和温度固定时，fd、α值是不变的，调节主从激光器的光功率比值即可调整注入锁定范围。即以简单的方式、在很大的频率失谐范围内可实现从激光器的注入锁定。
在本发明的MDI-QKD系统中，将Alice和Bob两路的激光器设置为两个相同的从激光器，当使用放置在Charlie端的一个主激光器同时对这两个从激光器进行同样的注入锁定时，二者将输出相同频率的光，此相同频率等于主激光器的输出频率。这种波长模式校准的实现方式非常简单，避免对外部波长校准模块的使用，简化了系统结构和控制。
QKD系统中实现光脉冲强度调制的一般方式为在光源外部使用强度调制器，常用强度调制器为基于LiNbO3晶体的Mach-Zehnder电光调制器。强度调制器只能接收脉冲电压的调制，且需要较高的半波电压，因此需要复杂的驱动控制电路。且Mach-Zehnder电光调制器具有周期性的传输函数，为避免信号失真，必须使调制器工作在最佳偏置点，即在QKD系统的应用中需时刻控制强度调制器的偏置点。但由于受时间漂移、环境温度、系统激光器功率即光纤插入和耦合损耗等诸多因素影响，实际很难控制偏置点稳定，导致强度调制器输出信号劣化。
在本发明的MDI-QKD系统中，在主从式注入锁定的理论基础上调整主从激光器的触发周期，使主从激光器发射均匀脉冲序列，并且主激光器发出的每个长脉冲在周期上都包含从激光器输出的一对短脉冲，主从激光器相互独立工作时，两种脉冲序列中的任意相邻脉冲都具有随机相位关系，而当长脉冲注入后激发的为一对相位差为0的不可分辨的短脉冲。此理论依据可参考文献PHYSICAL REVIEW X 6,031044(2016)。这提高了Bell态测量时Alice和Bob两路量子态在编解码基矢外其他自由度上的不可分辨性，有利于实施独特的编码方案。并且，直接调节从激光器的触发电信号可以调制短脉冲的强度，设置不同强度的触发电信号以对应不同强度的短脉冲输出，通过这种方式还实现了诱骗态信号的产生。这种光强的内调制方式结构和操作方法都比较简单，同样是对整个系统结构和控制的简化。
图2为本实施例利用主从式注入锁定光源的MDI-QKD系统示意图。包括用户端Alice、用户端Bob和公共测量端Charlie，Alice和Bob到Charlie的两路具有相同的光路结构，分束器3和单光子探测器5、单光子探测器6组成了Bell态测量设备。设置Alice和Bob内激光器LD1和LD2为从激光器，Charlie内激光器LD3为主激光器。系统通过同步模块(图2中未画出)控制两个从激光器LD1和LD2激发的短脉冲对可同时到达分束器3进行干涉，这两者激发的短脉冲对来自主激光器LD3同一个长脉冲的光注入。
选取时间编码的QKD方案，从激光器不仅作为系统传输信息的光源，也作为系统的时间编码模块，调制从激光器的触发电信号，使用短脉冲对中两短脉冲的三种强度分布态来编码信息，分别为Z基矢下两种强度分布态|01>、|10>，对应比特值0、1；X基矢下的一种强度分布态对应比特值0，三种强度分布态的制备比率为P0Z:P1Z:P0X,其中P0Z+P1Z+P0X＝1。编码时基矢选择与比特值的对应关系如表1所示，即对于随机比特值0，系统以P0Z:P0X的概率比选择Z基矢或X基矢编码；对于随机比特值1，系统使用Z基矢编码。
表1编码时基矢选择与比特值的对应关系
主从激光器进行时间编码的量子态制备过程参照图3所示。图3的(a)-(b)部分分别为主激光器触发电信号、从激光器触发电信号、从激光器发射的时间编码光脉冲。
时间编码的量子态制备的具体过程描述如下:在上述各量子态制备的过程中，周期电信号持续触发主激光器使其发射均匀的长脉冲，长脉冲注入从激光器，从激光器则选择不同的触发电信号状态，以生成不同的短脉冲对强度分布态。
在Z基矢下，比特值0代表主激光器长脉冲在从激光器内激发的一对短脉冲中，时序位置靠前的如a”位置短脉冲光强为0，靠后的如b”位置短脉冲光强为调制值，调节从激光器的触发电信号，使对应时序位置a'、b'上的触发电信号分别为0和预设值，即可以实现此Z基矢对比特值0的编码；
在Z基矢下，比特值1代表主激光器长脉冲在从激光器内激发的一对短脉冲中，时序位置靠前的如c”位置短脉冲光强为调制值，靠后的如d”位置短脉冲光强为0，调节从激光器的触发电信号，使对应时序位置c'、d'上的触发电信号分别为预设值和0，即可以实现此Z基矢对比特值1的编码；
在X基矢下，比特值0代表主激光器长脉冲在从激光器内激发的一对短脉冲中，时序位置靠前的如e”位置短脉冲光强为调制值，靠后的如f”位置短脉冲光强也为调制值，调节从激光器的触发电信号，使对应时序位置e'、f'上的触发电信号都为预设值,即可以实现此X基矢对比特值0的编码。
图3的(c)部分三个短脉冲对分别为用户端三种量子态|01>、|10>、的制备结果。从激光器发射的时间编码光脉冲相位关系如图3的(c)部分所示，两种基矢编码的短脉冲对与相邻短脉冲具有随机的相位关系，X基矢编码的短脉冲对中两短脉冲相位相同。
系统实现量子密钥分发具体过程如下：首先在Charlie端，主激光器发射一个长脉冲，经过光纤环形器4到达分束比为50:50的分束器3，被分束器3分为相同的两份，这两个长脉冲分别从分束器3两个端口输出，经偏振控制单元PC后离开Charlie进入量子信道1和量子信道2，设计偏振控制单元PC仅控制从Alice和Bob到Charlie传输方向的光偏振态，因此此过程偏振控制单元PC不工作。
长脉冲经量子信道1和量子信道2进入Alice和Bob，在其内部经可调光衰减器VOA后注入从激光器LD1和LD2，设计可调光衰减器VOA仅调节从Alice和Bob到Charlie传输方向的光强度，因此此过程可调光衰减器VOA不工作。
Alice和Bob两个用户端内随机数发生器(图2中未画出)各生成一串随机比特值，在长脉冲注入从激光器LD1和LD2时，Alice和Bob分别调制从激光器LD1和LD2的触发电信号，根据表1的概率分布制备与比特值对应的短脉冲对强度分布态。光注入激发并强度调制的一对前后短脉冲由从激光器LD1出射进入可调光衰减器VOA，而光注入激发并强度调制的另一对前后短脉冲由从激光器LD2出射进入可调光衰减器VOA，两路短脉冲被可调光衰减器VOA衰减为单光子水平，之后离开Alice和Bob分别由量子信道1和量子信道2传输至Charlie。
在Charlie内，两路短脉冲信号被偏振控制单元PC统一偏振态后发送至分束器3的两个端口并发生干涉。
时间模式、偏振模式和光谱模式相同的两路短脉冲在分束器3内进行干涉。上下两路的两对短脉冲中，时序上靠前的短脉冲同时到达分束器3，时序上靠后的短脉冲同时到达分束器3，相遇后的结果进入单光子探测器5和/或经过光纤环形器4进入单光子探测器6，引起单光子探测器的不同响应。
在本发明中，时间编码的MDIQKD方案的Bell态后选择可以是：Bell态测量设备中的2个单光子探测器分别对探测的时间位置进行判断，如果2个单光子探测器都有响应，且在同一个时间周期如短脉冲对的周期，且一个探测是在时间位置0，一个探测是在时间位置1(位置0和位置1的时间差对应短脉冲对内两短脉冲的时间间隔如b”-a”)，则认为此时为一个合法的贝尔态。
表2诱骗态方案参数表
上述时间编码的量子态制备过程没有结合诱骗态思想，为了使系统能够同时抵御窃听者对不完美光源的漏洞攻击，往往将MDI-QKD和诱骗态思想结合使用。此时从激光器LD1和LD2在对短脉冲对进行时间编码的同时，还需要进一步调制触发电信号，使发射的短脉冲对具有不同的强度：信号态、诱骗态和真空态，并设置三种态的时间占空比。
以如下诱骗态方案为例说明使用本发明从激光器调制产生各态的过程：
对Z基矢编码和X基矢编码下的两种短脉冲设置相同的信号态和诱骗态，此外制备真空态脉冲，不使用任何基矢编码，如表2所示令经可调光衰减器VOA衰减后信号态、诱骗态和真空态的短脉冲对平均光子数分别为μ、ν和0，三种强度的短脉冲对时间占空比为Pμ:Pv:P0，其中Pμ+Pv+P0＝1，此诱骗态方案选择Z基矢下编解码的量子态用于生成量子密钥。
按照前述制备短脉冲对强度分布态各量子态的方式实施诱骗态方案，周期电信号持续触发主激光器使其发射均匀的长脉冲，设置Z基矢编码下信号态短脉冲对、诱骗态短脉冲对的从激光器触发电信号对应的两种预设值UμZ、UvZ，使在预设值电信号UμZ的触发下，从激光器发射的信号态短脉冲对经可调光衰减器VOA可衰减至μ水平，在预设值电信号UvZ的触发下，从激光器发射的诱骗态短脉冲对经可调光衰减器VOA可衰减至v水平；同时设置X基矢编码下信号态、诱骗态的从激光器触发电信号对应的两预设值UμX、UvX，使在预设值电信号UμX的触发下，从激光器发射的信号态短脉冲对经可调光衰减器VOA同样可衰减至μ水平，在预设值电信号UvX的触发下，从激光器发射的诱骗态短脉冲对经可调光衰减器VOA同样可衰减至v水平；真空态时，主激光器正常工作而从激光器不工作，短脉冲对强度为0。
在图3主从激光器的编码的基础上，添加编码示例并对从激光器的触发电信号添加上述各预设值的调制来说明诱骗态的实施过程，得到的诱骗态方案下主从激光器进行时间编码的量子态制备过程如图4所示。图4的(a)-(b)部分分别为诱骗态方案下主激光器触发电信号、诱骗态方案下从激光器触发电信号、诱骗态方案下从激光器发射的时间编码光脉冲。
诱骗态方案下时间编码的量子态制备的具体过程描述如下：
在诱骗态方案下各量子态制备的过程中，周期电信号持续触发主激光器使其发射均匀的长脉冲，长脉冲注入从激光器，从激光器则选择不同的触发电信号状态，以生成不同的短脉冲对强度分布态，在诱骗态方案下Z基矢量子态制备中，当进行信号态调制时，从激光器在发光的时序位置例如图4的(b)部分中时序位置b'上具有UμZ的触发电信号，在不发光的时序位置例如图4的(b)部分中时序位置a'上触发电信号仍为0；
当进行诱骗态的调制时，从激光器在发光的时序位置例如图4的(b)部分中时序位置c'上具有UvZ的触发电信号，在不发光的时序位置例如图4的(b)部分中时序位置d'上触发电信号仍为0。
诱骗态方案下Z基矢编码的量子态制备中，短脉冲对强度分布态|01>的信号态、短脉冲对强度分布态|10>的诱骗态制备结果如图4的(c)部分中a”、b”和c”、d”时序位置上两短脉冲对所示，两种量子态其他诱骗态方案各态的制备思想如本段所述，此处不再赘述。
在诱骗态方案下X基矢量子态制备中，当进行信号态调制时，从激光器在短脉冲对两时序位置例如图4的(b)部分中时序位置e'、f'上具有相同的UμX的触发电信号；当进行诱骗态的调制时，从激光器在短脉冲对两时序位置例如图4的(b)部分中时序位置g'、h'上具有相同的UvX的触发电信号。诱骗态方案下X基矢编码的量子态制备中，短脉冲对强度分布态的信号态、诱骗态制备结果如图4的(c)部分中e”、f”和g”、h”时序位置上的两短脉冲对所示。
在诱骗态方案的真空态制备中，主激光器正常工作，从激光器在短脉冲对两时序位置例如图4的(b)部分中时序位置i'、j'上触发电信号都为0，真空态的制备结果如图4的(c)部分中i”、j”时序位置上的强度为0的短脉冲对所示。
在系统实现量子密钥分发具体过程中，来自Charlie的两路长脉冲经前述同样路径后分别注入Alice和Bob内的从激光器LD1和LD2，两个从激光器进行时间编码和诱骗态方案的叠加调制，Alice和Bob时间编码过程与前述相同，以P0Z:P1Z:P0X的概率制备|01>、|10>、三种短脉冲对强度分布态，同时采用诱骗态方案，调制从激光器的触发电信号，根据表2的参数设置以Pμ:Pv:P0的概率对各短脉冲对强度分布态中的发光短脉冲进行强度调制，诱骗态方案下时间编码的短脉冲对制备结果如图4的(c)部分所示例。从激光器LD1和LD2激发的短脉冲对进入可调光衰减器VOA，时间编码的信号态、诱骗态、真空态短脉冲对分别被衰减至μ、ν和0的单光子水平，之后离开Alice和Bob分别由量子信道1和2传输至Charlie。在Charlie内短脉冲对的经历与前述相同，此处不再复述。
本实施例的诱骗态方案不局限于此，此实施例仅为说明诱骗态方案中脉冲强度的调制方式，利用此方式可实施其他种类成码率更高、安全性更高的诱骗态方案。
实施例2：
实施例1采用三态的MDI-QKD协议，本实施例中将四态的相位-时间编码应用到MDI-QKD协议中，具体如下：
本实施例的MDI-QKD系统结构(如图5所示)与实施例1基本相同，不同之处在于用户端从激光器LD1/LD2和可调光衰减器VOA之间添加了相位调制器PM，用于相位编码量子态的制备。其他器件实现的功能与实施例1相同。
本实施例的MDI-QKD系统制备的四种量子态包含实施例1中的|01>、|10>两种短脉冲对强度分布态，其与比特值0、1的对应关系与实施例1相同，制备过程也与实施例1相同；另还包含|0>、|π>两种短脉冲对内部相位差的量子态，|0>代表短脉冲对中两短脉冲相位差为0，|π>代表短脉冲对中两短脉冲相位差为π，分别与比特值0、1对应，这两种量子态是相位调制器PM对实施例1中从激光器生成的Δφ＝0的短脉冲对进行外部相位调制的结果。
本实施例设置上述两种短脉冲对强度分布态为Z基矢编码(时间编码)下的量子态，设置上述两种短脉冲对内部相位差的态为X基矢编码(相位编码)下的量子态。由上面描述可知，Z基矢编码发生在从激光器LD1/LD2内，X基矢编码发生相位调制器PM处。可使用平衡基矢方案或非平衡基矢方案对编码时两种基矢的选择概率PZ和PX进行设置(PZ+PX＝1)，编码时基矢选择与量子态的对应关系如表3所示。
表3编码时基矢选择与所制备量子态的对应关系
本实施例中四种量子态制备过程参照图6所示。图6的(a)-(d)部分分别为主激光器触发电信号、从激光器触发电信号、从激光器发射的部分Z基矢编码后的光脉冲、相位调制器PM进行部分X基矢编码后的光脉冲，图6的(d)部分同样展示了用户端四种量子态的制备结果。
本实施例的量子态制备的具体过程描述如下：
周期电信号持续触发主激光器使其发射均匀的长脉冲，长脉冲注入从激光器，从激光器则选择不同的触发电信号状态，以进行Z基矢编码生成不同短脉冲对强度分布态，Z基矢编码过程、结果与实施例1相同，结果如图6的(c)部分中两短脉冲对a”、b”和c”、d”所示；或不进行任何基矢编码只生成实施例1所述Δφ＝0的短脉冲对，此过程、结果与实施1相同，结果如6的(c)部分中两短脉冲对e”、f”和g”、h”所示。
在X基矢编码过程，相位调制器PM受系统控制，不调制Z基矢编码后的短脉冲对，如图6的(d)部分中两短脉冲对a1、b1和c1、d1所示；对经过的Δφ＝0的短脉冲对进行相位调制，制备与随机比特值对应的|0>或|π>短脉冲对内部相位差的量子态，如图6的(d)部分中两短脉冲对e1、f1和g1、h1所示。图6的(d)部分四个短脉冲对分别为用户端四种量子态|01>、|10>、|0>、|π>的制备结果。Z、X两种基矢编码的短脉冲对与相邻短脉冲具有随机的相位关系。
在系统实现量子密钥分发的具体过程中，主激光器LD3发射的长脉冲经过与实施例1相同的过程注入Alice和Bob的从激光器LD1和LD2。Alice和Bob两个用户端内随机数发生器(图5中未画出)各生成一串随机比特值，在长脉冲注入从激光器LD1和LD2时，Alice和Bob根据表3的概率分布选择Z基矢编码，否则根据表3中X基矢的选择概率，先制备好实施例1所述Δφ＝0的短脉冲对。光注入激发并Z基矢编码或不经编码的一对前后短脉冲由从激光器LD1和LD2出射进入相位调制器PM，相位调制器PM受系统控制进行X基矢编码，经过Z基矢编码和X基矢编码的短脉冲对进入可调光衰减器VOA，被衰减为单光子水平，之后离开Alice和Bob并分别由量子信道1和量子信道2传输至Charlie。
在Charlie内，Alice和Bob两路短脉冲对经历了与实施1相同的过程。Bell态后选择也与实施例1相同。此处不再复述。
本实施例的MDI-QKD系统诱骗态方案调制方法与实施例1基本相同，其中|01>、|10>短脉冲对强度分布态，即Z基矢编码的短脉冲对，其诱骗态方案的调制方法与实施例1中Z基矢编码的短脉冲对相同；|0>、|π>短脉冲对内部相位差的量子态，即X基矢编码的短脉冲对，其诱骗态方案的调制方法与实施例1中X基矢编码的短脉冲对相同。本实施例仍优选Z基矢下编解码的量子态用于生成量子密钥，并根据成码率公式优化表2中的各参数取值。
实施例3：
实施例1中系统通过同步模块(图2中未画出)控制两个从激光器LD1和LD2激发的短脉冲对可同时到达分束器3进行干涉，本实施例给出了此同步模块的示例，如图7所示。因为Alice和Bob两路光信号的同步主要受制于两长距离的分离量子信道1和量子信道2的差异影响，而构造环形路径即同步环路，使用户端Alice的光信号经过量子信道1和2、用户端Bob的光信号同样经过量子信道1和量子信道2，则可以摆脱此路径差异对同步造成的影响。
如图7所示，在用户端Alice和Bob内分别添加路径选择模块A和路径选择模块B，用于将注入光与光注入后的短脉冲两者的行走路径相连构造环形路径。在Charlie内主激光器LD3发射长脉冲，经过环形器4到达分束器3，被分束器3均分为两份：
Alice光信号的环形路径：一路经偏振控制单元PC2(此时不工作)、量子信道2后进入用户端Bob，此注入光依次经用户端Bob路径选择模块B的B1端口、B2端口和用户端Alice路径选择模块A的A2端口、A3端口及可调光衰减器VOA(此时不工作)后注入用户端Alice的从激光器LD1。Alice内从激光器LD1制备量子态并发射，量子态中短脉冲被可调光衰减器VOA衰减为单光子水平，经路径选择模块A的A3端口和A1端口的进入量子信道1，并进入Charlie，在偏振控制单元PC1处被调整偏振态，然后传输至分束器3。
Bob光信号的环形路径：LD3发射的长脉冲被分束器3均分后的另一路，经偏振控制单元PC1(此时不工作)、量子信道1后进入用户端Alice，此注入光依次经用户端Alice路径选择模块A的A1端口、A2端口和用户端Bob路径选择模块B的B2端口、B3端口及可调光衰减器VOA(此时不工作)后注入用户端Bob的从激光器LD2。Bob内从激光器LD2制备量子态并发射，量子态中短脉冲被可调光衰减器VOA衰减为单光子水平，经路径选择模块B的B3端口和B1端口的进入量子信道2，并进入Charlie，在偏振控制单元PC2处被调整偏振态，然后传输至分束器3。
两路光信号走过相同的环形路径两路量子态在分束器3相遇，然后进行Bell态的测量。与两长距量子信道1和量子信道2间的差异相比，此处可忽略光信号在Alice和Bob内部行走路径差异造成时间差影响。
图8为本实施例的优选方案，即采用光纤环形器构造路径选择模块。在本优选方案中，路径选择模块A中的三个光纤环形器(光纤环形器9、光纤环形器10和光纤环形器11)和路径选择模块B中的三个光纤环形器(光纤环形器12、光纤环形器13和光纤环形器14)都具有三个端口P1、P2和P3，对于此六个光纤环形器，光在其中的行走方向都为：P1→P2、P2→P3两种。
它们的连接方式为：在路径选择模块A中，光纤环形器9的P1端口、光纤环形器11的P3端口分别与光纤环形器10的P3端口、P1端口连接，光纤环形器9的P3端口与光纤环形器11的P1端口相连，光纤环形器9的P2端口、光纤环形器11的P2端口分别作为在路径选择模块A的A3端口、A1端口，光纤环形器10的P2端口作为路径选择模块A的A2端口；路径选择模块B中，光纤环形器12的P1端口、光纤环形器14的P3端口分别与光纤环形器13的P3端口、P1端口连接，光纤环形器12的P3端口与光纤环形器14的P1端口相连，光纤环形器12的P2端口、光纤环形器14的P2端口分别作为在路径选择模块B的B3端口、B1端口，光纤环形器13的P2端口作为路径选择模块B的B2端口；光纤环形器13的P2端口与光纤环形器10的P2端口相连。根据光纤环形器9-14的P1→P2、P2→P3的行走方向，即可以实现本实施所述的Alice光信号的环形路径和Bob光信号的环形路径。
为了减小光纤环形器插入损耗等对单光子水平光信号的影响，并简化可调光衰减器VOA的调制过程，可将Alice和Bob两路的可调光衰减器VOA分别放置在光纤环形器9的P3端口和光纤环形器11的P1端口间的连接线上、光纤环形器12的P3端口和光纤环形器14的P1端口间的连接线上，使仅有用户端向公共测量端Charlie传输的光信号经过可调光衰减器VOA，且光信号经可调光衰减器VOA衰减为单光子水平后经过更少的光纤环形器。
实施例4：
实施例3的同步方案思想同样适用于本发明的实施例2，实施例2的同步方案，如图9所示，实施例3的同步方案的优选方案同样适用于本实施例。图9中路径选择模块A和路径选择模块B的结构、连接方式和工作过程与实施例3种所述相同，此处不再复述。
为了减小光纤环形器插入损耗等对单光子水平光信号的影响，并简化相位调制器PM、可调光衰减器VOA的调制过程，可将Alice和Bob两路的相位调制器PM和可调光衰减器VOA一起分别放置在光纤环形器9的P3端口和光纤环形器11的P1端口间的连接线上、光纤环形器12的P3端口和光纤环形器14的P1端口间的连接线上，使仅有用户端向公共测量端Charlie传输的光信号经过相位调制器PM、可调光衰减器VOA，且光信号经可调光衰减器VOA衰减为单光子水平后经过更少的光纤环形器。
以上公开的仅为本发明的具体实施例，但是本发明并非局限于此，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。显然这些改动和变型均应属于本发明要求的保护范围保护内。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特殊限制。

Claims (14)

1.一种MDI-QKD系统，包括两用户端以及公共测量端，其特征在于，所述公共测量端设有主激光器，两用户端分别设有与所述主激光器相应的从激光器，在公共测量端还设有用于接收来自各从激光器光信号的探测模块。
2.如权利要求1所述的MDI-QKD系统，其特征在于，所述探测模块包括：
分束器，两用户端的从激光器所发送的光信号经由该分束器发生干涉；
两个单光子探测器，分别接收和探测来自所述分束器的两路干涉结果。
3.如权利要求2所述的MDI-QKD系统，其特征在于，主激光器发送的光信号经由所述分束器分为两路，分别进入对应的从激光器。
4.如权利要求1所述的MDI-QKD系统，其特征在于，用户端中，所述从激光器的输出端连接有可调光衰减器。
5.如权利要求2所述的MDI-QKD系统，其特征在于，公共测量端中设有两个偏振控制器，两从激光器光信号分别经对应的偏振控制器后进入所述分束器。
6.如权利要求5所述的MDI-QKD系统，其特征在于，公共测量端中设有光纤环形器，两个单光子探测器中的一者与所述主激光器通过该光纤环形器接入所述分束器的同一端口。
7.如权利要求2～6任一项所述的MDI-QKD系统，其特征在于，还设有同步环路，相对于公共测量端与任一用户端之间，该同步环路通过两个光路节点分成第一光路和第二光路，主激光器发送的光信号经由第一光路进入从激光器，从激光器发送的光信号经由第二光路返回主激光器侧。
8.如权利要求7所述的MDI-QKD系统，其特征在于，所述光路节点包括：
位于公共测量端中的所述分束器；
位于各用户端中的路径选择模块；
两用户端的路径选择模块之间通过同步支路相连。
9.如权利要求8所述的MDI-QKD系统，其特征在于，就某一用户端而言：
当前用户端的路径选择模块与分束器之间作为第一光路；
当前用户端的其路径选择模块、同步支路、另一用户端的路径选择模块与分束器之间作为第二光路；
或
当前用户端的路径选择模块与分束器之间作为第二光路；
当前用户端的其路径选择模块、同步支路、另一用户端的路径选择模块与分束器之间作为第一光路。
10.如权利要求9所述的MDI-QKD系统，其特征在于，所述路径选择模块包括三个外接端口，分别与所述第二光路、第一光路以及所在用户端的从激光器相连。
11.如权利要求9所述的MDI-QKD系统，其特征在于，所述路径选择模块包括依次连接的三个光纤环形器，每个光纤环形器均具有三个端口，其中：
第一光纤环形器的三个端口分别接从激光器、第二光纤环形器和第三光纤环形器；
第二光纤环形器的三个端口分别接第一光纤环形器、同步支路和第三光纤环形器；
第三光纤环形器的三个端口分别接第一光纤环形器、第二光纤环形器和公共测量端。
12.如权利要求4所述的MDI-QKD系统，其特征在于，从激光器与可调光衰减器之间设有相位调制器。
13.一种MDI-QKD方法，实施在包括两用户端以及公共测量端的MDI-QKD系统中，其特征在于，包括：
公共测量端利用主激光器激发两用户端内各自的从激光器，并在各用户端生成编码后的光信号发送至公共测量端；
公共测量端接收来自各用户端的光信号并进行探测，用以生成量子密钥。
14.如权利要求13所述的MDI-QKD方法，其特征在于，实施在权利要求1～12任一项所述的MDI-QKD系统。
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