CN106850213B - 一种量子密钥分配系统与方法 - Google Patents

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Abstract

一种量子密钥分配系统，包括发射端与接收端，所述发射端包括发射端驱动板、信号激光器、同步激光器、强度调制器、保偏分束器、第一可调衰减器、第二可调衰减器以及发射端波分复用器，所述接收端包括接收端驱动板、接收端波分复用器、同步探测器、偏振分束器、保偏分束器以及单光子探测器，所述接收端波分复用器通过量子信道连接发射端波分复用器，本发明还提供一种量子密钥分配方法。与现有技术相比，本发明通过在接收端增加一个偏振分束器，将信号光分解为两个垂直的偏振态，利用保偏光纤干涉环完成各自偏振态下的干涉，得到较好的干涉结果，同时摒弃了纠偏系统，简化了系统冗杂度，也降低了生产成本。

Description

一种量子密钥分配系统与方法
技术领域
本发明涉及光传输安全通信技术领域，特别涉及一种量子密钥分配系统与方法。
背景技术
随着互联网的大范围普及，人类之间的信息传递达到了前所未有的数量和频率，各种隐私信息越来越多地暴露在互联网上，因此，人类对保密通信的需求也到了前所未有的高度。现在的互联网信息安全的加密方式称为“公开密钥”密码体系，其原理是通过加密算法，生成网络上传播的公开密钥，以及留在计算机内部的私人密钥，两个密钥必须配合使用才能实现完整的加密和解密过程。
现代互联网使用的加密标准是20世纪70年代诞生的RSA算法，即利用大数的质因子分解难以计算来保证密钥的安全性。
量子密钥分配是1984年物理学家Bennett和密码学家Brassard提出了基于量子力学测量原理的BB84协议，量子密钥分配可以从根本上保证了密钥的安全性。
现有技术中量子密钥在发射端产生信号光，经过传统的量子信道传输过程中，由于经过光纤信道双折射等作用，其偏振态会有较大变化，影响光信号后期的干涉效果，会造成整体密钥的丢失，目前，为了解决上述问题会在接收端增加纠偏系统，通过纠偏系统来还原光信号的偏振态，但是纠偏系统需要复杂的硬件以及软件部分组成，给整个密钥分配系统带来了整体系统的复杂度以及提高了生产成本。
发明内容
本发明目的在于提供一种量子密钥分配系统与方法，以解决现有技术中为了解决信号光在量子信道中传输偏振态变化的问题会在接收端增加纠偏系统，通过纠偏系统来还原光信号的偏振态，但是纠偏系统需要复杂的硬件以及软件部分组成，给整个密钥分配系统带来了整体系统的复杂度以及提高了生产成本的技术性缺陷。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种量子密钥分配系统，包括发射端与接收端，所述发射端与接收端通过量子信道连接，所述发射端包括发射端驱动板、信号激光器、同步激光器、强度调制器、第一保偏分束器、第二保偏分束器、第一可调衰减器、第二可调衰减器以及发射端波分复用器，所述信号激光器依次连接强度调制器、第一保偏分束器、第二保偏分束器、第一可调衰减器以及发射端波分复用器，所述同步激光器依次连接第二可调衰减器以及发射端波分复用器，所述第一可调衰减器与第二可调衰减器连接发射端波分复用器的同一端，所述第一保偏分束器分别通过长臂保偏光纤以及短臂保偏光纤与第二保偏分束器连接，所述长臂保偏光纤中连接有相位调节器，发射端驱动板分别连接信号激光器、强度调制器、相位调节器、同步激光器、第一可调衰减器以及第二可调衰减器；
所述接收端包括接收端驱动板、接收端波分复用器、同步探测器、偏振分束器、第三保偏分束器、第四保偏分束器以及单光子探测器，所述接收端波分复用器通过量子信道连接发射端波分复用器，所述接收端波分复用器的另一端分别连接同步探测器与偏振分束器，所述偏振分束器依次连接第三保偏分束器与第四保偏分束器，所述第三保偏分束器分别通过长臂保偏光纤以及短臂保偏光纤与第四保偏分束器连接，所述长臂保偏光纤中连接有相位调节器，所述第四保偏分束器的另一端连接单光子探测器，所述接收端驱动板分别连接同步探测器、相位调节器以及单光子探测器。
优选地，所述量子信道为单模光纤。
优选地，所述接收端还包括第五保偏分束器以及第六保偏分束器，所述偏振分束器依次连接第五保偏分束器以及第六保偏分束器，所述第五保偏分束器分别通过长臂保偏光纤以及短臂保偏光纤与第六保偏分束器连接，所述长臂保偏光纤中连接有相位调节器，所述第六保偏分束器的另一端连接有单光子探测器。
优选地，所述发射端还包括有消偏器，所述消偏器设置在第二保偏分束器以及第一可调衰减器之间。
本发明还提供了一种量子密钥分配方法，包括以下步骤：
1)激光器触发：发射端利用同一个时钟信号分别触发信号激光器和同步激光器发射出信号光与同步光，所述信号光作为调制光，所述同步光作为同步信号传输到接收端由同步探测器响应为接收端所用；
2)诱骗态调制：信号激光器发射的信号光通过强度调制器进行随机强度调制，成为信号态、诱骗态或者真空态；
3)发射端干涉：利用保偏分束器制作的不等臂MZ干涉，信号光通过保偏分束器分成两个脉冲，其中一路经过长臂，长臂中加有相位调制器，对信号光进行随机相位调制，短臂不做相位调制；
4)电控可调衰减器对信号光进行衰减：信号光经过第一可调衰减器将光脉冲衰减至单光子量级，同步光经过第二可调衰减器将同步光调节至接收端可响应的强度范围；
5)信号光与同步光通过量子信道传输：将波长不同的信号光和同步光在发射端经过发射端波分复用器合入一根信道传输，并在接收端通过接收端波分复用器重新分解；
6)偏振分束器分束：将不同步偏振的光经过偏振分束器分解为水平偏振方向和垂直偏振方向；
7)接收端干涉：利用第三保偏分束器制作与发射端臂长差相等的不等臂MZ干涉环，信号光通过保偏分束器分成两个脉冲，其中一路经过长臂，长臂中加有相位调制器，对信号光进行随机相位调制，短臂不做调制；
8)单光子探测器探测：单光子探测器探测出光信号，用于后续处理产生安全密钥。
优选地，所述步骤3)中，对信号光进行随机4相位调制，分别为0，π/2，π，3π/2；步骤7)中对信号光进行随机2相位调制，分别为0，π/2。
优选地，所述步骤7)中还包括另外一路干涉，利用第五保偏分束器制作与发射端臂长差相等的不等臂MZ干涉环，信号光通过保偏分束器分成两个脉冲，其中一路经过长臂，长臂中加有相位调制器，对信号光进行随机相位调制，短臂不做调制。
与现有技术相比，本发明有以下有益效果：
本发明的量子密钥分配系统，通过在接收端增加一个偏振分束器，将信号光分解为两个垂直的偏振态，利用保偏光纤干涉环完成各自偏振态下的干涉，得到较好的干涉结果，避免了光纤传输过程中双折射效应影响光偏振态对干涉结果的影响，同时摒弃了纠偏系统，简化了系统冗杂度，也降低了生产成本。
附图说明
图1为本发明量子密钥分配系统的原理框图；
图2为本发明量子密钥分配方法的流程图。
图中：发射端1，发射端驱动板101，信号激光器102，同步激光器103，强度调制器104，第一保偏分束器105，第二保偏分束器106，第一可调衰减器107，第二可调衰减器108，发射端波分复用器109，消偏器110，接收端2，接收端驱动板201、接收端波分复用器202、同步探测器203、偏振分束器204、第三保偏分束器205、第四保偏分束器206以及单光子探测器207，第五保偏分束器208，第六保偏分束器209，量子信道3，相位调节器4。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明进行清楚、完整地描述。
如图1至图2所示，一种量子密钥分配系统，包括发射端1与接收端2，所述发射端1与接收端2通过量子信道3连接，所述发射端1包括发射端驱动板101、信号激光器102、同步激光器103、强度调制器104、第一保偏分束器105、第二保偏分束器106、第一可调衰减器107、第二可调衰减器108以及发射端波分复用器109，所述信号激光器102依次连接强度调制器104、第一保偏分束器105、第二保偏分束器106、第一可调衰减器107以及发射端波分复用器109，所述同步激光器103依次连接第二可调衰减器108以及发射端波分复用器109，所述第一可调衰减器107与第二可调衰减器108连接发射端波分复用器109的同一端，所述第一保偏分束器105分别通过长臂保偏光纤以及短臂保偏光纤与第二保偏分束器106连接，所述长臂保偏光纤中连接有相位调节器4，发射端驱动板101分别连接信号激光器102、强度调制器104、相位调节器4、同步激光器103、第一可调衰减器107以及第二可调衰减器108，所述发射端1部分的相位调节器4以及强度调制器104、第一可调衰减器107、第二可调衰减器108分别通过模拟控制信号线连接发射端驱动板101，所述信号激光器102、同步激光器103分别通过数字控制信号线连接发射端驱动板101；所述接收端2包括接收端驱动板201、接收端波分复用器202、同步探测器203、偏振分束器204、第三保偏分束器205、第四保偏分束器206以及单光子探测器207，所述接收端波分复用器202通过量子信道3连接发射端波分复用器109，所述接收端波分复用器109的另一端分别连接同步探测器203与偏振分束器204，所述偏振分束器204依次连接第三保偏分束器205与第四保偏分束器206，所述第三保偏分束器205分别通过长臂保偏光纤以及短臂保偏光纤与第四保偏分束器206连接，所述长臂保偏光纤中连接有相位调节器4，所述第四保偏分束器206的另一端连接单光子探测器207，所述接收端驱动板201分别连接同步探测器203、相位调节器4以及单光子探测器207，所述接收端2部分的相位调节器4通过模拟控制信号线连接接收端驱动板201。本实施例中，所述量子信道为单模光纤，若是量子信道距离不需要过长，也可采用保偏光纤传输，以增加信号光偏振态的稳定性。所述接收端还包括第五保偏分束器208以及第六保偏分束器209，所述偏振分束器204依次连接第五保偏分束器208以及第六保偏分束器209，所述第五保偏分束器208分别通过长臂保偏光纤以及短臂保偏光纤与第六保偏分束器209连接，所述长臂保偏光纤中连接有相位调节器4，所述第六保偏分束器209的另一端连接有单光子探测器207，其中，所述第三保偏分束器205与第四保偏分束器206与相位调节器4通过长臂保偏光纤以及短臂保偏光纤形成一条干涉环，所述第五保偏分束器208与第六保偏分束器209与相位调节器4通过长臂保偏光纤以及短臂保偏光纤形成另外一条干涉环，所述发射端1还包括有消偏器110，所述消偏器110设置在第二保偏分束器106以及第一可调衰减器107之间，所述消偏器110可将信号光的偏振度降为0，使得信号光的偏振态为自然光状态，有效的保证了系统传输密钥的安全性。
本发明还提供了一种量子密钥分配方法，该分配方法可基于上述量子密钥分配系统进行实现，包括以下步骤：
1)激光器触发：发射端利用同一个时钟信号分别触发信号激光器和同步激光器发射出信号光与同步光，所述信号光作为调制光，所述同步光作为同步信号传输到接收端由同步探测器响应为接收端所用；
2)诱骗态调制：信号激光器发射的信号光通过强度调制器进行随机强度调制，成为信号态、诱骗态或者真空态；
3)发射端干涉：利用保偏分束器制作的不等臂MZ干涉，信号光通过保偏分束器分成两个脉冲，其中一路经过长臂，长臂中加有相位调制器，对信号光进行随机相位调制，短臂不做相位调制；
4)电控可调衰减器对信号光进行衰减：信号光经过第一可调衰减器将光脉冲衰减至单光子量级，同步光经过第二可调衰减器将同步光调节至接收端可响应的强度范围；
5)信号光与同步光通过量子信道传输：将波长不同的信号光和同步光在发射端经过发射端波分复用器合入一根信道传输，并在接收端通过接收端波分复用器重新分解；
6)偏振分束器分束：将不同步偏振的光经过偏振分束器分解为水平偏振方向和垂直偏振方向；
7)接收端干涉：利用第三保偏分束器制作与发射端臂长差相等的不等臂MZ干涉环，信号光通过保偏分束器分成两个脉冲，其中一路经过长臂，长臂中加有相位调制器，对信号光进行随机相位调制，短臂不做调制；
8)单光子探测器探测：单光子探测器探测出光信号，用于后续处理产生安全密钥。
所述步骤3)中，对信号光进行随机4相位调制，分别为0，π/2，π，3π/2；步骤7)中对信号光进行随机2相位调制，分别为0，π/2，步骤3)中也可以根据需要对信号光进行多种相位调制。所述步骤7)中还包括另外一路干涉，利用第五保偏分束器制作与发射端臂长差相等的不等臂MZ干涉环，信号光通过保偏分束器分成两个脉冲，其中一路经过长臂，长臂中加有相位调制器，对信号光进行随机相位调制，短臂不做调制。
本发明的量子密钥分配系统，通过在接收端增加一个偏振分束器，将信号光分解为两个垂直的偏振态，利用保偏光纤干涉环完成各自偏振态下的干涉，得到较好的干涉结果，避免了光纤传输过程中双折射效应影响光偏振态对干涉结果的影响，同时摒弃了纠偏系统，简化了系统冗杂度，也降低了生产成本。

Claims (7)

1.一种量子密钥分配系统，其特征在于：包括发射端与接收端，所述发射端与接收端通过量子信道连接，所述发射端包括发射端驱动板、信号激光器、同步激光器、强度调制器、第一保偏分束器、第二保偏分束器、第一可调衰减器、第二可调衰减器以及发射端波分复用器，所述信号激光器依次连接强度调制器、第一保偏分束器、第二保偏分束器、第一可调衰减器以及发射端波分复用器，所述同步激光器依次连接第二可调衰减器以及发射端波分复用器，所述第一可调衰减器与第二可调衰减器连接发射端波分复用器的同一端，所述第一保偏分束器分别通过长臂保偏光纤以及短臂保偏光纤与第二保偏分束器连接，所述长臂保偏光纤中连接有相位调节器，发射端驱动板分别连接信号激光器、强度调制器、相位调节器、同步激光器、第一可调衰减器以及第二可调衰减器；
所述接收端包括接收端驱动板、接收端波分复用器、同步探测器、偏振分束器、第三保偏分束器、第四保偏分束器以及单光子探测器，所述接收端波分复用器通过量子信道连接发射端波分复用器，所述接收端波分复用器的另一端分别连接同步探测器与偏振分束器，所述偏振分束器依次连接第三保偏分束器与第四保偏分束器，所述第三保偏分束器分别通过长臂保偏光纤以及短臂保偏光纤与第四保偏分束器连接，所述长臂保偏光纤中连接有相位调节器，所述第四保偏分束器的另一端连接单光子探测器，所述接收端驱动板分别连接同步探测器、相位调节器以及单光子探测器。
2.如权利要求1所述的量子密钥分配系统，其特征在于，所述量子信道为单模光纤。
3.如权利要求2所述的量子密钥分配系统，其特征在于，所述接收端还包括第五保偏分束器以及第六保偏分束器，所述偏振分束器依次连接第五保偏分束器以及第六保偏分束器，所述第五保偏分束器分别通过长臂保偏光纤以及短臂保偏光纤与第六保偏分束器连接，所述长臂保偏光纤中连接有相位调节器，所述第六保偏分束器的另一端连接有单光子探测器。
4.如权利要求1所述的量子密钥分配系统，其特征在于，所述发射端还包括有消偏器，所述消偏器设置在第二保偏分束器106以及第一可调衰减器107之间。
5.一种基于权利要求1的量子密钥分配方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)激光器触发：发射端利用同一个时钟信号分别触发信号激光器和同步激光器发射出信号光与同步光，所述信号光作为调制光，所述同步光作为同步信号传输到接收端由同步探测器响应为接收端所用；
2)诱骗态调制：信号激光器发射的信号光通过强度调制器进行随机强度调制，成为信号态、诱骗态或者真空态；
3)发射端干涉：利用保偏分束器制作的不等臂MZ干涉，信号光通过保偏分束器分成两个脉冲，其中一路经过长臂，长臂中加有相位调制器，对信号光进行随机相位调制，短臂不做相位调制；
4)电控可调衰减器对信号光进行衰减：信号光经过第一可调衰减器将光脉冲衰减至单光子量级，同步光经过第二可调衰减器将同步光调节至接收端可响应的强度范围；
5)信号光与同步光通过量子信道传输：将波长不同的信号光和同步光在发射端经过发射端波分复用器合入一根信道传输，并在接收端通过接收端波分复用器重新分解；
6)偏振分束器分束：将不同步偏振的光经过偏振分束器分解为水平偏振方向和垂直偏振方向；
7)接收端干涉：利用第三保偏分束器制作与发射端臂长差相等的不等臂MZ干涉环，信号光通过保偏分束器分成两个脉冲，其中一路经过长臂，长臂中加有相位调制器，对信号光进行随机相位调制，短臂不做调制；
8)单光子探测器探测：单光子探测器探测出光信号，用于后续处理产生安全密钥。
6.如权利要求5所述的量子密钥分配方法，其特征在于，所述步骤3)中，对信号光进行随机4相位调制，分别为0，π/2，π，3π/2；步骤7)中对信号光进行随机2相位调制，分别为0，π/2。
7.如权利要求5所述的量子密钥分配方法，其特征在于，所述步骤7)中还包括另外一路干涉，利用第五保偏分束器制作与发射端臂长差相等的不等臂MZ干涉环，信号光通过保偏分束器分成两个脉冲，其中一路经过长臂，长臂中加有相位调制器，对信号光进行随机相位调制，短臂不做调制。
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