CN106817174B

CN106817174B - 基于双路即插即用qkd系统的信道复用装置

Info

Publication number: CN106817174B
Application number: CN201611175770.5A
Authority: CN
Inventors: 郭弘; 彭翔; 王干; 徐兵杰; 冯雨龙
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2016-12-19
Filing date: 2016-12-19
Publication date: 2022-10-11
Anticipated expiration: 2036-12-19
Also published as: CN106817174A

Abstract

本发明提供一种基于双路即插即用QKD系统的信道复用装置，在现有双路即插即用QKD系统Alice端原来的光源监控模块前增加一分束片，用于将信号光分为两束，其中一束进入一光源监控模块，另一束用于探测经典信息，且该探测经典信息模块包括：一偏振保持分束片，用于将信号光分为信号光S1与信号光S2；一段延时光纤，用于将上述信号光S2延时到与上述信号光S1相同的位置；一偏振控制器，用于将上述信号光S1的偏振状态扭转，使其与信号光S2的偏振状态一致；一分束片，用于将上述经过延时的一束信号光S2与上述经过偏振控制器的另一束信号光S1进行干涉并分为两束信号光，以得到信号光加载的经典信息；两个光电探测器，用于在Alice端对经典信息进行测量。

Description

基于双路即插即用QKD系统的信道复用装置

技术领域

本发明涉及信息科学量子通信中量子密钥分发(Quantum Key Distribution，QKD)领域，尤其涉及一种基于双路即插即用QKD系统的信道复用装置。

背景技术

随着信息科学的发展，量子信息科学逐渐出现在人们的视野中，并且占据着越来越重要的地位。量子信息科学的出现，使得人们看到了突破现有通信技术瓶颈的希望。而量子密钥分发作为量子信息科学中的重要研究成果，它结合了一次一密的编码理论，利用了量子力学原理对密钥进行传输，理论上可以实现无条件安全性。量子密钥分发的基本原理图如图1所示，信息发送者Alice和信息接收者Bob之间存在两条信道，其中量子信道加载包含密钥信息的量子态，经典信道传递经典信息以便于实现误码纠错和私钥放大等。

在量子密钥分发中，BB84协议及其变种是目前QKD所采用的主流协议之一。其中诱骗态协议是BB84协议变种中的一种，诱骗态协议在原来BB84协议的基础上，提高了其安全码率，增强了原BB84协议的实用性。而双路即插即用QKD系统就采用了诱骗态协议，并且该系统还可以自动补偿光纤相位与偏振波动，具有高稳定性和低误码率，是搭建实用化QKD系统的方案之一。

该双路即插即用QKD系统原理图如图2所示，其信号流程如图3A、3B、3C、3D所示，具体原理步骤如下：

首先，Bob端的激光器会发出线偏振脉冲激光信号，该信号通过环形器，第一次入射环形器是从它的a口入射b口出射。

上述从b口出射的信号会进入一个分束片5一分为二，其中一束信号光命名为S1，它通过后续的相位调制器6(但是此时不开启)，另一束信号光命名为S2，它经过后续的延时光纤，最后两束信号光汇合到偏振分束片8(PBS)，由于延时光纤的作用，信号光S2被延时，即信号光S1和S2有了传输上的时间差。

上述的S1和S2两束信号光经过一个偏振分束片8合为一路，在一条光纤上传输，同时由于偏振分束片8的作用，两束信号光的偏振方向互相垂直。

上述合为一路的信号光通过长距离的光纤传输后，进入Alice一端。该信号光会首先经过一段色散补偿光纤来补偿信号在长距离传输光纤中的光纤相位与偏振波动，之后经过一个分束片12分为两束，其中一束信号光(一般选取为百分之九十)作为光源监控，查看是否存在窃听，另外一束信号光(一般选取为百分之十)继续传输，以便于在Alice端加载密钥信息。

上述继续传输的信号光经过一个强衰减器，以便于使得激光脉冲能量弱到单个光子量级。

上述通过强衰减器后的信号光通过一个存储光纤，以便于减小瑞利散射带来的影响。

上述通过存储光纤的信号光经过一个偏振分束片15，由于信号光S1与S2的偏振方向不同，保证了信号光S1和S2会被偏振分束片15分开，信号光S1通过Alice端的相位调制器16(开启状态)，相位调制器16会对信号光S1随机加载相位，以及对之后从Alice端传输到Bob端的信号光S2不加载任何相位(此时相位调制器16不开启)，这一步相当于Alice端在信号光S1上加载了密钥信息。而信号光S2会通过Alice端的强度调制器(开启状态)，以及之后从Alice端传输到Bob端的信号光S1也会通过该强度调制器(开启状态)，随机的产生3个光强度中的一个以便于产生诱骗态。

上述两束信号光均会通过法拉第旋转器，它们的偏振方向会各自扭转了90度，以便于之后可以通过PBS再次合为一束，但是偏振方向发生了改变。由于信号光通过一个法拉第旋转器，则信号光S1和S2的偏振方向与之前从Bob端传输到Alice端正好互换，这样信号光S1与S2合束之后，会从Alice端传回Bob端，并且由于两束光的偏振方向互换，所以传播过程中每当经过偏振分束片的时候，它们的分开的传播路径都会互换。

通过与上面过程类似的逆过程，最后信号光S1与S2会回到Bob端。

上述信号光S1与S2通过Bob端的偏振分束片8的时候，同样会被分开，不过这次信号光S1通过后续的延时光纤进行延时，与信号光S2在光路中的传输时间没有了延时。信号光S2通过后续的Bob端的相位调制器6(开启状态)，随机加载相位0或者π，作为Bob选择的测量基。

上述信号光S1和S2会同时到达Bob端口的分束片5，并且在Bob端口的分束片5处进行干涉。

上述两束信号光S1和S2的相位差如果是π，那么光子会流向环形器，从环形器的b口进入c口出来，引起如图2所示的单光子探测器3响应；两束信号光S1和S2的相位差如果是0，那么光子会从如图2所示的单光子探测器4出来；两束信号光S1和S2的相位差如果是

或者

说明Alice和Bob的基选择不相同，光会从两边都出来，那么舍弃。相位编码的对应比特值如图4所示。其中φ_A为Alice对信号S1加载的相位，φ_B为Bob对从Alice端传输到Bob端的信号S2加载的相位，φ_A-φ_B为两者的相位差。

上述偏振分束片可以利用光的不同偏振方向使光分为两束。而上述分束片可以直接将光分为两束。

但是上述双路即插即用QKD系统一般只利用其信道传递量子态的信息，这样会造成信道的浪费。因此需提供一种可以使得上述双路即插即用QKD系统在传递量子态信息的同时，可以利用原本的光信号进行经典信息传送的方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于双路即插即用QKD系统的信道复用装置，该装置采用相位编码方案，可以同时传输量子信息与经典信息，达到信道资源节省的目的。

一种基于双路即插即用QKD系统的信道复用装置，在现有双路即插即用QKD系统Alice端原来的光源监控模块前增加一分束片，用于将信号光分为两束，其中一束进入一光源监控模块进行光源监控，另一束用于探测经典信息，且该探测经典信息模块包括：

一偏振保持分束片，用于将信号光分为信号光S1与信号光S2；

一段延时光纤，用于将上述信号光S2延时到与上述信号光S1相同的位置；

一偏振控制器，用于将上述信号光S1的偏振状态扭转，使其与信号光S2的偏振状态一致；

一分束片，用于将上述经过延时的一束信号光S2与上述经过偏振控制器的另一束信号光S1进行干涉并分为两束信号光，以得到信号光加载的经典信息；

两个光电探测器，用于在Alice端对经典信息进行测量。

进一步地，所述偏振保持分束片分成的两束信号光具有一延时相位差。

进一步地，通过控制延时光纤与偏振控制器，能够使所述经过延时的一束信号光S2与所述经过偏振控制器的另一束信号光S1同时进入所述分束片。

进一步地，包括一段色散补偿光纤，用于补偿信号的光纤相位与偏振波动。

进一步地，包括一段存储光纤，用于减小瑞利散射。

更进一步地，包括一偏振分束片，用于将经过所述存储光纤的信号光分开。

更进一步地，包括一相位调制器，用于在Alice端对上述信号光之一加载不同的相位；以及对之后从Alice端传输到Bob端的上述另一信号光不加载任何相位。

更进一步地，包括一强度调制器，用于在Alice端对上述不加载相位的另一信号光进行强度调制，来实现诱骗态；以及对之后从Alice端传输到Bob端的加载相位的上述一信号光进行强度控制，来实现诱骗态。

更进一步地，包括一法拉第旋转器，用于使上述两束信号光从Alice端传回Bob端过程中每当经过偏振分束片时分开的传播路径互换。

本发明的有益效果在于：本发明提供一种基于双路即插即用QKD系统的信道复用装置，通过采用相位编码方案，在从Bob端传输到Alice一端的光信号上加载信息。Bob端对其传输到Alice端的强光信号进行相位调制，Alice端对Bob端传输来的强光信号的合束干涉进行探测，探测到的仍然是强度信息，从而实现了双路即插即用QKD系统的信道复用。使得在原来只能传输量子信息的双路即插即用QKD系统的基础上，进一步可以同时传输量子信息与经典信息，节省了信道资源，提高了信息传输效率。同时，该调制方式较为简单，便于信息发送者和接受者操作。

附图说明

图1为QKD系统原理图。

图2为双路即插即用QKD系统原理图。

图中：1-激光器、2-环形器、3-单光子探测器、4-单光子探测器、5-分束片、6-相位调制器、7-延时光纤、8-偏振分束片、9-传输光纤、10-色散补偿光纤、11-光源监控模块、12-分束片、13-强衰减器、14-存储光纤、15-偏振分束片、16-相位调制器、17-强度调制器、18-法拉第旋转器。

图3A、3B、3C、3D为双路即插即用QKD系统的信号流程图。

图4为双路即插即用QKD系统相位编码的对应比特值表。

图5为本发明基于双路即插即用QKD系统的相位编码方案的信道复用装置结构示意图。

图中：1-激光器、2-环形器、3-单光子探测器、4-单光子探测器、5-分束片、6-相位调制器、7-延时光纤、8-偏振分束片、9-传输光纤、10-色散补偿光纤、11-分束片、12-强衰减器、13-存储光纤、14-偏振分束片、15-相位调制器、16-强度调制器、17-法拉第旋转器、18-分束片、19-光源监控模块、20-偏振保持分束片、21-延时光纤、22-偏振控制器、23-分束片、24-光电探测器、25-光电探测器。

图6A、6B、6C、6D为图5采用相位编码方案的信道复用装置信号流程图。

具体实施方式

为使本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图作详细说明如下。

本发明通过采用相位编码方案提供一种基于双路即插即用QKD系统的信道复用装置，其结构示意图如图5所示，信号流程图如图6A、6B、6C、6D所示，沿着信号流向依次包括：

一激光器1，用于产生可以加载密钥信号的激光。

一环形器2，使传输出去的激光信号可以到达Alice端，并且由Alice端传输来的激光信号可以传输到单光子探测器进行探测。

一单光子探测器3和一光电探测器4，用于探测光子信号。

一分束片5，用于将经过上述环形器2的初始信号分为两束信号光S1与S2，以及对之后从Alice端传输到Bob端的信号光S1与S2进行合束干涉。

一相位调制器6，用于将从Bob端传输到Alice端的信号光S1进行相位调制(此时相位调制器6处于关闭状态)，以及对之后从Alice端传输到Bob端的信号光S2进行相位加载，实现Bob端的基选择(此时相位调制器6处于开启状态)。

一段延时光纤7，用于将从Bob端传输到Alice端的信号光S2延时，以及对之后从Alice端传输到Bob端的信号光S1延时。

一偏振分束片8，用于将信号光S1和信号光S2合束，并且使两束信号光的偏振方向相互垂直，以及对之后从Alice端传输到Bob端的信号光S1与S2进行分束操作。

一段长距离传输光纤9，用于将信号光从Bob端传输到Alice端，以及之后的将信号光从Alice端传输到Bob端。

一段色散补偿光纤10，用于补偿信号在长距离传输光纤中的光纤相位与偏振波动。

一分束片11，用于将信号光分为两束，一束进行光源监控并探测该信号光的经典信息；另一束用于Alice加载量子态的密钥信息。

一分束片18，用于将上述进行光源监控并探测该信号光的经典信息的一束信号光分为两束，其中一束进入光源监控模块19，另一束进入偏振保持分束片20。

一光源监控模块19，用于查看是否存在窃听。

一偏振保持分束片20，用于将由上述分束片18分束的进入该偏振保持分束片20的一束信号光分为两束信号光S1、S2。

一段延时光纤21，用于将上述信号光S2延时到与S1相同的位置。

一偏振控制器22，用于将上述信号光S1的偏振状态扭转，使其与信号光S2的偏振状态一致。

一分束片23，用于将上述经过延时光纤21的信号光S2与上述经过偏振控制器22的信号光S1进行干涉并分为两束信号光，以得到信号光加载的经典信号。

一光电探测器24和一光电探测器25，用于在Alice端分别对上述信号光S1与S2进行经典信息的测量。

一强衰减器12，用于将上述用于Alice加载量子态的密钥信息的信号光衰减到单光子量级。

一段存储光纤13，用于减小瑞利散射带来的影响。

一偏振分束片14，用于将经过上述存储光纤13的信号光S1与S2分开。

一相位调制器15，用于在Alice端对上述信号光S1加载不同的相位(此时相位调制器15处于开启状态)，以及对之后从Alice端传输到Bob端的信号光S2不加载任何相位(此时相位调制器15处于关闭状态)。

一强度调制器16，用于在Alice端对上述信号光S2进行强度调制，随机变成3个强度中的一个，以便于实现诱骗态，以及对之后从Alice端传输到Bob端的信号光S1进行强度控制，随机变成3个强度中的一个，以便于实现诱骗态。

一法拉第旋转器17，用于将信号光S1和S2的偏振方向扭转90度，并且使信号光S1和S2的偏振方向与之前从Bob端传输到Alice端正好互换，信号光S1与S2合束之后，会从Alice端传回Bob端，并且由于两束光的偏振方向互换，所以传播过程中每当经过偏振分束片的时候，它们的分开的传播路径都会互换。

在上述的双路即插即用QKD系统的原理上，在Alice端原来的光源监控模块处增加了一个分束片18，将信号光分为两束，其中一束进入一光源监控模块19用于光源监控，另外一束进入一个偏振保持分束片20，将在Bob端的通过相位调制器6的信号(信号S1)与通过延时光纤7的信号(信号S2)分开，其中原来在Bob端通过相位调制器6的信号，在这里通过延时光纤21进入分束片23，原来在Bob端通过延时光纤7的信号，在这里通过偏振控制器22进入上述的分束片23中，两路信号光同时到达分束片23，并且在分束片23中干涉后分别进入光电探测器24、光电探测器25，用于在Alice端对经典信息进行测量。

当Bob端向Alice端传输经典比特0时，Bob端的相位调制器6将Bob端传输出去的信号光S1加载相位0，而信号光S2经过延时光纤7，之后信号光S1和信号光S2合束，该合束信号传输到Alice端后，会进入如图5中的分束片11分为两束光信号，一束继续传播供Alice加载密钥信息。另外一束光传入图5中的分束片18分为两束，一束光传入光源监控模块19，另外一束光传入图5中的偏振保持分束片20，并分为之前在Bob端的加载过相位0的信号光S1以及通过延时光纤7的信号光S2。信号光S1在这里通过一段延时光纤21，信号光S2在这里通过一偏振控制器22，两束信号光同时传入图5中的分束片23进行干涉，由于两束信号光的相位差为0，所以图5中的光电探测器24响应，Alice得到经典比特0。

当Bob端向Alice端传输经典比特1时，Bob端的相位调制器6将Bob端传输出去的信号光S1加载相位，而信号光S2经过延时光纤7，之后信号光S1和信号光S2合束，该合束信号传输到Alice端后，会进入如图5中的分束片11分为两束光信号，一束继续传播供Alice加载密钥信息。另外一束光传入图5中的分束片18分为两束，一束光传入光源监控模块19，另外一束光传入图5中的偏振保持分束片20，分为之前在Bob端的加载过相位的信号光S1以及通过延时光纤7的信号光S2。信号光S1在这里通过一段延时光纤21，信号光S2在这里通过一偏振控制器22，两束信号光同时传入图5中的分束片23进行干涉，由于两束信号光的相位差为π，所以图5中的光电探测器25响应，Alice得到经典比特1。

需说明的是：由于在原本的双路即插即用QKD系统中，Alice端由Bob端传输而来的信号光并没有加载相位，所以在信道复用的相位编码方案中，Alice在调制完信号S1上的相位之后，需要给之后传输来的信号光S2调制一个相位，才能与之前的相位编码对应比特值表相对应。

以上实施仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims

1.一种基于双路即插即用QKD系统的信道复用装置，该双路即插即用QKD系统包括：位于Bob端的激光器、环形器、第一单光子探测器、第二单光子探测器、第一分束片、第一相位调制器、第一延时光纤、第一偏振分束片，位于Alice端的色散补偿光纤、光源监控模块、第二分束片、强衰减器、存储光纤、第二偏振分束片、第二相位调制器、第二强度调制器和法拉第旋转器，以及连接Bob端和Alice端的传输光纤；激光器发射激光信号，入射至环形器的a口，环形器的b口出射信号光进入第一分束片并分为两束信号光S1、S2，其中信号光S1通过第一相位调制器，信号光S2通过第一延时光纤，两束信号光S1、S2汇合到第一偏振分束片中合为一路信号光；第一单光子探测器用于探测环形器c口射出的光子，第二单光子探测器用于探测分束片射出的光子；所述一路信号光通过传输光纤和色散补偿光纤传输到第二分束片并分为两束信号光，其中一束信号光由光源监控模块检测，第二束信号光依次经过强衰减器、存储光纤进入第二偏振分束片并分为两束信号光S1、S2；其中信号光S1通过第二相位调制器，信号光S2通过第二强度调制器，然后两束信号光S1、S2汇合射入法拉第旋转器；其特征在于，

在所述双路即插即用QKD系统Alice端原来的光源监控模块前增加一第三分束片，用于将信号光分为两束，其中一束进入一光源监控模块进行光源监控，另一束用于探测经典信息，且探测经典信息的模块包括：

一偏振保持分束片，用于将信号光分为信号光S1与信号光S2；

一段第二延时光纤，用于将上述信号光S2延时到与上述信号光S1相同的位置；

一第四分束片，用于将上述经过延时的一束信号光S2与上述经过偏振控制器的另一束信号光S1进行干涉并分为两束信号光，以得到信号光加载的经典信息；

两个光电探测器，用于在Alice端对经典信息进行测量。

2.如权利要求1所述的基于双路即插即用QKD系统的信道复用装置，其特征在于，所述偏振保持分束片分成的两束信号光具有一延时相位差。

3.如权利要求1所述的基于双路即插即用QKD系统的信道复用装置，其特征在于，通过控制第二延时光纤与偏振控制器，能够使所述经过延时的一束信号光S2与所述经过偏振控制器的另一束信号光S1同时进入所述第四分束片。

4.如权利要求1所述的基于双路即插即用QKD系统的信道复用装置，其特征在于，所述色散补偿光纤用于补偿信号的光纤相位与偏振波动。

5.如权利要求1所述的基于双路即插即用QKD系统的信道复用装置，其特征在于，所述存储光纤用于减小瑞利散射。

6.如权利要求1所述的基于双路即插即用QKD系统的信道复用装置，其特征在于，所述第二相位调制器用于在Alice端对上述信号光S1加载不同的相位；以及对之后从Alice端传输到Bob端的上述信号光S2不加载任何相位。

7.如权利要求6所述的基于双路即插即用QKD系统的信道复用装置，其特征在于，所述第二强度调制器用于在Alice端对不加载相位的信号光S2进行强度调制，来实现诱骗态；以及对之后从Alice端传输到Bob端的加载相位的信号光S1进行强度控制，来实现诱骗态。

8.如权利要求7所述的基于双路即插即用QKD系统的信道复用装置，其特征在于，所述法拉第旋转器用于使两束信号光S1、S2从Alice端传回Bob端过程中每当经过第一或第二偏振分束片时分开的传播路径互换。