CN107070639B - 量子密钥分配设备的自动化配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种量子密钥分配设备的自动化配置方法，激光脉冲经第一光衰减器衰减至单光子水平后进入编码器被编码；同步光经第二光衰减器衰减后产生同步光脉冲，然后与单光子水平的量子光通过合光器合在一起，进入公共信道，通过公共信道后达到接收端；通过分光器将两路光信号分开；同步光脉冲被同步光探测器接收探测后，输出同步时钟信号，用来触发单光子探测器；单光子水平的量子光进入解码器被解码；最后被单光子探测器探测；还包括同步光光强扫描、单光子探测器延时扫描和调相器调相电压扫描。本发明还公开了量子密钥分配设备的自动化配置系统。本发明简化了在实际线路中设备的配置过程，降低了设备对人员的专业要求，同时大大降低了网络的维护成本。

Description

量子密钥分配设备的自动化配置方法

技术领域

本发明属于量子保密通信技术领域，涉及量子密钥分配(QKD)系统中用来实现量子密钥分配设备的自动化配置，尤其涉及一种量子密钥分配设备的自动化配置方法与系统。

背景技术

量子保密通信结合了量子物理原理和现代通信技术。量子保密通信通过量子物理原理保障异地密钥协商过程和结果的安全性，与“一次一密”加密技术结合，可以实现不依赖算法复杂度的保密通信。量子保密通信的基础是量子密钥分配(QKD)，量子密钥分配利用量子力学原理，可实现通信双方协商好无条件安全的密钥，而且不会被未经许可的第三方窃听。

量子保密通信技术已经从实验室走向了实际应用。世界各地已建成或正在建设量子保密通信网：2007年美国DARPA展示了构建覆盖全国的量子保密通信网络规划；欧洲12个国家于2008年10月在维也纳建成了5节点的量子保密通信网络，其后将节点数扩展到8个；日本于2010年建成东京量子密码网络；中国于2009年在安徽芜湖建成首个“量子政务网”；2016年即将建成超过1000公里的“京沪量子保密干线”；量子保密通信技术的应用已经展开。

这些量子保密通信网的网络层级结构一般分为三层，第一层是量子密钥分配层，由量子密钥分配设备和量子路由交换设备组成，用来在各用户之间分配量子密钥；第二层是量子密钥管理与服务层，用来实现密钥的管理并对用户提供密钥服务；第三层是量子密钥应用层，由各种密码应用设备组成，例如各种加密机、VPN等，这些密码应用设备接收第二层提供的密钥，并对要传输的信息进行加密，从而实现保密通信。

在量子保密通信网络中，量子密钥分配设备需要部署在各个通信节点上，以满足各节点之间的保密通信需求。而各节点之间的实际线路环境(节点间的距离和线路衰减等)比较复杂，为了能使量子密钥分配设备工作正常，需要根据线路的实际情况配置设备参数。如果线路发生变化，设备参数需要相应调整。这个问题使得设备必须要在安装现场进行配置和调试，而设备自身在出厂前也会进行参数配置，这样配置的参数可能会因为与实际环境不符合而更改。另外，在后续的使用过程中，如果网络的线路环境有变化，设备同样需要重新调整参数。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有量子密钥分配设备的不足，提供一种量子密钥分配设备的自动化配置方法与系统，本量子密钥分配设备的自动化配置方法与系统简单有效，可实时配置设备或系统中与线路环境相关的三个重要参数，实现设备或系统对线路环境的自适应和自动配置，简化了设备或系统的安装调试过程和使用过程中的维护，大大降低了后期的量子网络运营成本。

为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案为：量子密钥分配设备的自动化配置方法，包括发射端和接收端；发射端的量子光激光器发出的激光脉冲，经第一光衰减器衰减至单光子水平后，形成单光子水平的量子光，单光子水平的量子光进入编码器被编码；发射端的同步光激光器发出的同步光，经第二光衰减器衰减后，产生同步光脉冲，然后同步光脉冲与单光子水平的量子光通过合光器合在一起，然后进入公共信道，通过公共信道后达到接收端；通过接收端的分光器将两路光信号分开；同步光脉冲被同步光探测器接收探测后，输出同步时钟信号用来触发单光子探测器；单光子水平的量子光进入解码器被解码；被解码的单光子水平的量子光最后被单光子探测器探测；编码器和解码器均由调相器和干涉环组成；通过给调相器加载不同的电压，可以调制不同的相位；

其特征在于还包括同步光光强扫描：第一步，固定同步光激光器的触发频率，将同步光激光器的功率设为最大，将第二光衰减器的衰减量设为零，同步光脉冲与单光子水平的量子光经过公共信道后，同步光探测器输出的同步时钟信号的频率与量子光激光器的触发频率相同；第二步，逐渐增大第二光衰减器的衰减量，直到同步光探测器输出的同步时钟信号的频率开始降低，这时到达同步光探测器的光强即为同步光探测器可探测的最小光强，记下此时第二光衰减器的衰减量A；第三步，为了使同步光探测器不会丢失信号，将第二光衰减器的衰减量设置为比衰减量A小，从而使到达同步光探测器的光强比同步光探测器可探测的最小光强大，以使同步时钟信号不会丢失。

作为本发明进一步改进的技术方案，还包括单光子探测器延时扫描：同步光探测器输出的同步时钟信号，经延时器延时后，用来对单光子探测器进行门触发；对延时器的延时量从零到最大进行扫描，即对单光子探测器的门触发时间窗口从零到最大进行调节；扫描过程中，如果单光子探测器在某一扫描点上得到的探测计数最大，则在此扫描点上，单光子信号落在门触发时间窗口内的几率最大，记下此时的延时值，并设置此值为延时器的延时量，即确定了单光子探测器的门触发时间窗口；如果公共信道改变，导致光脉冲延时差改变，那么重新对延时器的延时量进行扫描，找到单光子探测器最大计数对应的新的扫描点，从而确定新的门触发时间窗口。

作为本发明进一步改进的技术方案，还包括调相器调相电压扫描：将所需要的编码器中的调相器的输出结果作为参考值，对加载在编码器中的调相器上的调相电压从零到最大进行扫描，找到在某个扫描点上，编码器中的调相器的输出与参考值一致，设置此扫描点对应的电压为编码器中的调相器的工作电压，即得到需要的编码器中的调相器的调相结果。

作为本发明进一步改进的技术方案，同步光光强扫描步骤中，为了使同步光探测器不会丢失信号，将第二光衰减器的衰减量设置为比衰减量A小0.5-10个dB，从而使到达同步光探测器的光强比同步光探测器可探测的最小光强大0.5-10个dB，以使同步时钟信号不会丢失。

作为本发明进一步改进的技术方案，公共信道是光纤或者自由空间。

为解决上述技术问题，本发明采取的另一种技术方案为：量子密钥分配设备的自动化配置系统，包括发射端和接收端；其特征在于：

发射端包括量子光激光器、第一光衰减器、编码器、合光器、第二光衰减器和同步光激光器；

量子光激光器用于发出激光脉冲；第一光衰减器用于将激光脉冲衰减至单光子水平，形成单光子水平的量子光；编码器用于对单光子水平的量子光进行编码；编码器一般由调相器和干涉环组成；同步光激光器用于发出同步光；第二光衰减器用于将同步光衰减，以产生同步光脉冲；合光器用于将同步光脉冲和单光子水平的量子光合在一起，进入公共信道，通过公共信道后达到接收端；

接收端包括分光器、解码器、同步光探测器、延时器和单光子探测器；

分光器用于将合在一起的两路光信号分开；同步光探测器用于接收探测分开后的同步光脉冲，并输出同步时钟信号；所述同步时钟信号经过延时器延时后用来触发单光子探测器；解码器用于将分开后的单光子水平的量子光解码；单光子探测器用于探测被解码的单光子水平的量子光。

作为本发明进一步改进的技术方案，编码器和解码器均由调相器和干涉环组成；通过给调相器加载不同的电压，可以调制不同的相位。

作为本发明进一步改进的技术方案，公共信道是光纤或者自由空间。

在量子保密通信网络中，量子密钥分配设备需要部署在各个通信节点上，以满足各节点之间的保密通信需求。而各节点之间的实际线路环境(节点间的距离和线路衰减等)比较复杂，为了能使量子密钥分配设备工作正常，需要根据线路的实际情况配置设备参数。如果线路发生变化，设备参数需要相应调整。这个问题使得设备必须要在安装现场进行配置和调试，而设备自身在出厂前也会进行参数配置，这样配置的参数可能会因为与实际环境不符合而更改。另外，在后续的使用过程中，如果网络的线路环境有变化，设备同样需要重新调整参数。

本发明针对于基于相位编码的BB84(或B92)协议的量子密钥分配设备的自动化配置方法与系统，可实现设备或系统对线路环境的自适应和自动配置，简化了设备或系统的实际安装过程，降低了设备或系统对专业人员的要求，同时大大降低了网络的维护成本。

具体实施方式

实施例1

本量子密钥分配设备的自动化配置方法，包括发射端和接收端；发射端的量子光激光器发出的激光脉冲，经第一光衰减器衰减至单光子水平后，形成单光子水平的量子光，单光子水平的量子光进入编码器被编码；发射端的同步光激光器发出的同步光，经第二光衰减器衰减后，产生同步光脉冲，然后同步光脉冲与单光子水平的量子光通过合光器合在一起，然后进入公共信道，通过公共信道后达到接收端；通过接收端的分光器将两路光信号分开；同步光脉冲被同步光探测器接收探测后，输出同步时钟信号用来触发单光子探测器；单光子水平的量子光进入解码器被解码；被解码的单光子水平的量子光最后被单光子探测器探测；编码器和解码器均由调相器和干涉环组成；通过给调相器加载不同的电压，可以调制不同的相位；公共信道是光纤或者自由空间，还包括同步光光强扫描：第一步，固定同步光激光器的触发频率，将同步光激光器的功率设为最大，将第二光衰减器的衰减量设为零；经过公共信道后，同步光探测器输出的同步时钟信号的频率与激光器的触发频率相同；第二步，逐渐增大第二光衰减器的衰减量，直到同步光探测器输出的同步时钟信号的频率开始降低，这时到达同步光探测器的光强即为同步光探测器可探测的最小光强，记下此时第二光衰减器的衰减量A；第三步，为了使同步光探测器不会丢失信号，将第二光衰减器的衰减量设置为比A小几个dB，从而到达同步光探测器的光强比同步光探测器可探测的最小光强大几个dB，保证了同步时钟信号不会丢失。这里说明一下，没有将第二光衰减器的衰减量设为零的原因是：量子光信号是单光子，如果第二光衰减器的衰减为零，则同步光太强，会干扰量子光信号；因此需要将同步光光强调节到比较小、又能让同步光探测器能探测到的一个合理的区间值。

作为优选方案，还包括单光子探测器延时扫描：在同步光探测器与单光子探测器之间加入延时器，同步光探测器输出的同步时钟信号，经延时器延时后，对单光子探测器进行门触发；对延时器的延时量从零到最大进行扫描，即是对单光子探测器的门触发时间窗口从零到最大进行调节；扫描过程中，如果单光子探测器在某一扫描点上得到的探测计数最大，则在此扫描点上，单光子信号落在门触发时间窗口内的几率最大，记下此时的延时值，并设置此值为延时器的延时量，即确定了单光子探测器的门触发时间窗口；如果公共信道改变，导致光脉冲延时差改变，那么重新对延时器的延时量进行扫描，找到单光子探测器最大计数对应的新的扫描点，从而确定新的门触发时间窗口；

作为优选方案，还包括调相器调相电压扫描：公共信道改变光的偏振态，从而改变调相器的调相结果。由于公共信道的复杂性，目前无法得到公共信道对光偏振态影响的一般规律。在这种情况下，利用比对法，将所需要的编解码器中的调相器的输出结果作为参考值，对加载在编解码器中的调相器上的调相电压从零到最大进行扫描，找到在某个扫描点上，编解码器中的调相器的输出与参考值一致，设置此扫描点对应的电压为编解码器中的调相器的工作电压，即可得到需要的编解码器中的调相结果。由于公共信道对调相结果的改变是一个慢变的过程，因此实时并快速的进行调相电压扫描，可以保障调相结果基本不受公共信道的影响。

作为优选方案，同步光光强扫描步骤中，为了使同步光探测器不会丢失信号，将第二光衰减器的衰减量设置为比衰减量A小0.5-10dB，从而使到达同步光探测器的光强比同步光探测器可探测的最小光强大0.5-10dB，以使同步时钟信号不会丢失。公共信道是光纤或者自由空间。

本发明基于相位编码的BB84(或B92)协议，发射端的量子光激光器发出的激光脉冲，经光第一光衰减器衰减至单光子水平后，进入编码器被编码。编码器一般由调相器和干涉环组成。给调相器加载不同的电压，可以调制不同的相位。同时发射端还有一个同步光激光器，经光第二光衰减器衰减后，产生同步光脉冲，然后与单光子水平的量子光通过合光器合在一起，进入公共信道。公共信道可以是光纤，也可以是自由空间。这里以光纤为例描述。通过公共信道后达到接收端，接收端用分光器将两路光信号分开。同步光脉冲被同步光探测器接收探测后，输出同步时钟信号，用来触发单光子探测器。单光子水平的量子光进入解码器被解码。解码器一般由调相器和干涉环组成。被解码的量子光最后被单光子探测器探测。在这个系统中，有三个参数需要根据公共信道的实际情况进行调整。第一是同步光的光强。同步光探测器输出的是同步时钟信号，同步时钟信号不能出现错误，因此必须要求同步光脉冲被公共信道衰减后，仍然能被同步光探测器探测到。当同步光探测器的最小探测光功率一定时，公共信道的衰减越大，则要求同步光的光强越大。第二是单光子探测器的门触发时间窗口。在公共信道为光纤时，所使用的单光子探测器一般采用门触发模式，即单光子探测器在门触发的时间内可以探测单光子信号，没有门触发时无法探测单光子信号。这时要求单光子信号到达单光子探测器的时间窗口必须落在门触发的时间窗口内，单光子探测器才能有效探测单光子信号。单光子信号从发射端激光器发出后，经过第一光衰减器和编码器的延时，公共信道的延时，到达接收端，再经过解码器的延时，最后到达单光子探测器。门触发信号是由同步光探测器输出的同步时钟信号产生。而同步光探测器的探测输出是由发射端同步光激光器发出的同步光脉冲，经过第二光衰减器的延时，公共信道的延时，到达接收端后被探测。公共信道对两路光的延时差，会随着公共信道的长度不同而不同。这样就需要调节单光子探测器的门触发时间窗口的延时，使门触发时间窗口的位置随着公共信道的长度不同而改变，保障单光子信号到达单光子探测器时间窗口落在门触发的时间窗口内。第三是编解码器中的调相器的调相电压。编解码时需要对调相器加载不同的调相电压，从而得到不同的调相结果。而这种调相器的调相结果一般与光的偏振态相关。而公共信道会改变光的偏振态，从而改变调相器的调相结果。因此需要采取一定的措施，保障调相结果不受公共信道的影响。

基于以上分析，1)同步光光强扫描；2)单光子探测器延时扫描；3)调相器调相电压扫描这三个过程分别对应上述的同步光光强、延时器延时、调相器调相电压三个参数的自动配置。以上三个扫描过程通过结合硬件实现来完成，得到的结果反馈给系统，系统再将结果配置给相关器件或模块，从而实现参数的自动配置。

实施例2

本量子密钥分配设备的自动化配置系统，包括发射端和接收端；发射端包括量子光激光器、第一光衰减器、编码器、第二光衰减器、合光器、第二光衰减器和同步光激光器；量子光激光器用于发出的激光脉冲；第一光衰减器用于将激光脉冲衰减至单光子水平，形成单光子水平的量子光；编码器用于对单光子水平的量子光进行编码；编码器一般由调相器和干涉环组成；同步光激光器用于发出同步光；第二光衰减器用于将同步光衰减，以产生同步光脉冲；合光器用于将同步光脉冲和单光子水平的量子光合在一起，进入公共信道，通过公共信道后达到接收端；接收端包括分光器、解码器、同步光探测器、延时器和单光子探测器；分光器用于将合在一起的两路光信号分开；同步光探测器用于接收探测分开后的同步光脉冲，并输出同步时钟信号；所述同步时钟信号用来触发单光子探测器；解码器用于将分开后的单光子水平的量子光解码；单光子探测器用于探测被解码的单光子水平的量子光。编码器和解码器均由调相器和干涉环组成；通过给调相器加载不同的电压，可以调制不同的相位。公共信道是光纤或者自由空间。其他部分与实施例1相同，不再详述。

Claims (4)

1.量子密钥分配设备的自动化配置方法，包括发射端和接收端；其特征在于：发射端的量子光激光器发出的激光脉冲，经第一光衰减器衰减至单光子水平后，形成单光子水平的量子光，单光子水平的量子光进入编码器被编码；发射端的同步光激光器发出的同步光，经第二光衰减器衰减后，产生同步光脉冲，然后同步光脉冲与经编码后的单光子水平的量子光通过合光器合在一起，然后进入公共信道，通过公共信道后达到接收端；通过接收端的分光器将两路光信号分开；同步光脉冲被同步光探测器接收探测后，输出同步时钟信号用来触发单光子探测器；单光子水平的量子光进入解码器被解码；被解码的单光子水平的量子光最后被单光子探测器探测；编码器和解码器均由调相器和干涉环组成；通过给调相器加载不同的电压，可以调制不同的相位；还包括同步光光强扫描：

第一步，固定同步光激光器的触发频率，将同步光激光器的功率设为最大，将第二光衰减器的衰减量设为零，同步光脉冲与单光子水平的量子光经过公共信道后，同步光探测器输出的同步时钟信号的频率与量子光激光器的触发频率相同；第二步，逐渐增大第二光衰减器的衰减量，直到同步光探测器输出的同步时钟信号的频率开始降低，这时到达同步光探测器的光强即为同步光探测器可探测的最小光强，记下此时第二光衰减器的衰减量A；第三步，为了使同步光探测器不会丢失信号，将第二光衰减器的衰减量设置为比衰减量A小，从而使到达同步光探测器的光强比同步光探测器可探测的最小光强大，以使同步时钟信号不会丢失；

其特征在于还包括单光子探测器延时扫描：同步光探测器输出的同步时钟信号，经延时器延时后，用来对单光子探测器进行门触发；对延时器的延时量从零到最大进行扫描，即对单光子探测器的门触发时间窗口从零到最大进行调节；扫描过程中，如果单光子探测器在某一扫描点上得到的探测计数最大，则在此扫描点上，单光子信号落在门触发时间窗口内的几率最大，记下此时的延时值，并设置此值为延时器的延时量，即确定了单光子探测器的门触发时间窗口；如果公共信道改变，导致光脉冲延时差改变，那么重新对延时器的延时量进行扫描，找到单光子探测器最大计数对应的新的扫描点，从而确定新的门触发时间窗口。

2.根据权利要求1所述的量子密钥分配设备的自动化配置方法，其特征在于还包括调相器调相电压扫描：将所需要的编码器中的调相器的输出结果作为参考值，对加载在编码器中的调相器上的调相电压从零到最大进行扫描，找到在某个扫描点上，编码器中的调相器的输出与参考值一致，设置此扫描点对应的电压为编码器中的调相器的工作电压，即得到需要的编码器中的调相器的调相结果。

3.根据权利要求1所述的量子密钥分配设备的自动化配置方法，其特征在于：同步光光强扫描步骤中，为了使同步光探测器不会丢失信号，将第二光衰减器的衰减量设置为比衰减量A小0.5-10dB，从而使到达同步光探测器的光强比同步光探测器可探测的最小光强大0.5-10dB，以使同步时钟信号不会丢失。

4.根据权利要求1或2或3所述的量子密钥分配设备的自动化配置方法，其特征在于：公共信道是光纤或者自由空间。