CN107453819A - 一种高速量子密钥分发方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高速量子密钥分发方法，其中发射端中纠缠源发射的纠缠光子对的第一个光子被触发后，记录每个信号的时间标签A，第二个光子与光源发射的激光合束后，得到反射光和透射光，从所述反射光中选取部分光进行探测，记录每个信号的时间标签B，反射光中剩余部分光输出至接收端；所述透射光进行延迟处理，得到延迟光；接收端从接收的光中选取部分光进行探测，记录每个信号的时间标签C，剩余部分光依次被调制、放大后输出至发射端；发射端从接收的光中选取部分光进行探测，记录每个信号的时间标签D，剩余部分光与所述延迟光进行零差探测；本发明显著提高了信道安全评估准确度和发射系统光学效率，使双程通信链路安全性大大提高。

Description

一种高速量子密钥分发方法
技术领域
本发明涉及一种高速量子密钥分发方法，属于量子通信技术领域。
背景技术
自1984年提出第一个量子密钥分发方案以来，到2000年之前，量子密钥分发技术基本处于理论研究阶段，实验研究工作从1997年前后的纠缠检验开始，到2003年开始有比较系统化的量子密钥分发实验研究，直到2005年诱骗态方案攻克了利用光源不理想(非理想单光子)特点的分离光子数攻击，量子密钥分发技术开始了它的实用化发展之路。随着技术、工艺的不断突破，设备性能、功能、可靠性、集成度逐渐提升到实用水平，到2013年左右开始建成较大规模的多节点城域网络，量子密钥分发技术真正成为实用化的密钥分发技术和量子通信的核心技术。
在量子密钥分发技术实验研究进展方面，2007年欧洲科学家完成144公里自由空间量子密钥分发，2010年中国完成200公里诱骗态BB84协议光纤量子密钥分发，2012年瑞士完成143公里自由空间隐形传态，2013年，日本NTT完成300公里光学纠缠分发，2014年，美国NIST和马里兰大学完成307公里COW协议光纤量子密钥分发，2015年，中国完成150公里连续变量光纤量子密钥分发，2016年，中国完成免疫探测器漏洞的400公里测量设备无关光纤量子密钥分发，2017年中国“墨子号”量子科学试验卫星实现星地500km量子密钥分发。
在量子密钥分发设备研发方面，国外NEC-NICT团队实现系统工作频率达到1.25GHz，在10dB信道衰减下密钥产生率达到80kbps，中国实现1.25GHz半导体型和超导型量子密钥分发设备原型样机能够实现17dB衰减下成码率大于10kbps。
国内外研究者已经将量子密钥分发系统工作频率提升到1.25GHz，并采用高灵敏低噪声的超导型单光子探测器，但是量子密钥分发系统的密钥产生率依然较低。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供一种高速量子密钥分发方法，该方法密钥产生率高，对信道往返结构的双程通信链路都进行了安全性检测，在发射端进行合束时简化了硬件结构设计，提高了发射系统光学效率。
本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：
一种高速量子密钥分发方法，包括：
发射端中纠缠源发射的纠缠光子对的第一个光子被触发后，记录每个信号的时间标签A，纠缠源发射的纠缠光子对的第二个光子与光源发射的激光合束后，得到反射光和透射光，从所述反射光中选取部分光进行探测，记录每个信号的时间标签B，反射光中剩余部分光输出至接收端；所述透射光进行延迟处理，得到延迟光；
接收端从接收的光中选取部分光进行探测，记录每个信号的时间标签C，剩余部分光依次被调制、放大后输出至发射端；
发射端从接收的光中选取部分光进行探测，记录每个信号的时间标签D，剩余部分光与所述延迟光进行零差探测。
在上述高速量子密钥分发方法中，通过所述时间标签A和时间标签B评估光源的光束量子特性；通过所述时间标签A、时间标签B和时间标签C评估发射端到接收端的信道特性，判断是否存在窃听者；通过所述时间标签A、时间标签B、时间标签C、时间标签D以及接收端的调制器信息和光学放大器信息评估接收端到发射端的信道特性，判断是否存在窃听者。
在上述高速量子密钥分发方法中，通过高速量子密钥分发装置实现，所述高速量子密钥分发装置包括发射端和接收端，其中发射端包括光源、纠缠源、第一单光子探测器、第二单光子探测器、第三单光子探测器、第一光学分束器、第二光学分束器、第三光学分束器、延迟器和零差探测器，接收端包括调制器、第四光学分束器、第四单光子探测器、随机数产生器和光学放大器；具体实现方法如下：
步骤(一)、纠缠源发射纠缠光子对，第一个光子被第一单光子探测器触发，并记录每个信号的时间标签A，第二个光子与来自光源的激光通过分束器进行合束，合束后的光进入第二光学分束器；
步骤(二)、经过第二光学分束器的反射光进入第二单光子探测器，由第二单光子探测器进行探测，并记录每个信号的时间标签B；经过第二光学分束器的透射光进入接收端的第四光学分束器；
步骤(三)、光源发出的激光经过第一光学分束器的反射后，被延迟器进行延迟处理，并被零差探测器进行探测；
步骤(四)、第四光学分束器接收第二光学分束器发出的透射光，经过第四光学分束器的反射光被第四单光子探测器探测，并记录每个信号的时间标签C；经过第四光学分束器的透射光输出至调制器；
步骤(五)、随机数产生器输出电信号通过调制器对来自第四光学分束器的透射光进行调制，并将调制后的光束输出至光学放大器；
步骤(六)、光学放大器对接收的光束进行放大后输出至发射端的第三光学分束器，经过第三光学分束器的反射光被第三单光子探测器进行探测，并记录每个信号的时间标签D，经过第三光学分束器的透射光输出至零差探测器。
在上述高速量子密钥分发方法中，所述步骤(2)中通过所述时间标签A和时间标签B评估光源的光束量子特性；所述步骤(4)中通过所述时间标签A、时间标签B和时间标签C评估发射端到接收端的信道特性，判断是否存在窃听者；所述步骤(6)中通过所述时间标签A、时间标签B、时间标签C、时间标签D、调制器信息和光学放大器信息评估接收端到发射端的信道特性，判断是否存在窃听者。
在上述高速量子密钥分发方法中，所述光源的光谱线宽远远大于调制器的调制带宽，即光源的光谱线宽为调制器的调制带宽的100倍以上。
在上述高速量子密钥分发方法中，所述第二光学分束器、第四光学分束器、第三光学分束器的反射率均低于1％。
在上述高速量子密钥分发方法中，所述第一光学分束器的反射率为99％以上。
在上述高速量子密钥分发方法中，所述调制器处的光强Y满足：Y/R小于1，在发射端的第二光学分束器出口处光强Z满足：Z/W远远小于1，其中W为光源的光谱线宽，R为调制器的调制带宽。
在上述高速量子密钥分发方法中，所述Y/R为0.1-0.999，所述Z/W为2％以下。
在上述高速量子密钥分发方法中，纠缠源发射纠缠光子对不传递任何信息，仅用于信道安全性检测，光源发出的光被接收端调制后回传至发射端时进行信息传递，实现量子密钥分发。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)、本发明通过对密钥分发装置与密钥分发方法的创新设计，评估往返式结构的双程通信链路的安全性，提高了评估准确度，并且使得双程通信链路评估安全性大大提高，明显优于采用往返式结构仅评估单程链路安全性的效果。
(2)、本发明发射端通过信号光源与纠缠光的合束传递信息，其中纠缠源发射纠缠光子对不传递任何信息，仅用于信道安全性检测，评估信道安全性，信号光源的光用于传递信息，信息由光源发出的光被接收端调制后回传至发射端时进行信息传递，实现量子密钥分发；由于纠缠光不用于传递信息，仅采用强光传递信息，使得密钥产生率远远高于现有的量子密钥分发技术。
(3)、本发明中仅要求接收端的调制器处的光强Y满足：Y/R稍微小于1，调制光可以经过光放大后返回发射端，在发射端的第二光学分束器出口处光强Z满足：Z/W远远小于1，因此，量子密钥的最终成码率接近R。
(4)、本发明在发射端进行合束时简化了硬件结构设计，显著提高了光学耦合效率，并降低了成本。
(5)、本发明中进行了三次信号光的量子光学特性评估，全面评估了光源去程信道和返程信道的特性。
(6)、本发明高速量子密钥分发方法，采用往返式方案，发射端采用宽带光源，带宽远大于接收端调制带宽，并采用量子纠缠光子进行量子信道监控，本发明的量子密钥产生效率较高，可以用于高速量子通信网络。
附图说明
图1为本发明高速量子密钥分发装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
如图1所示为本发明高速量子密钥分发装置结构示意图，由图可知本发明高速量子密钥分发装置包括发射端和接收端，其中发射端包括光源1、纠缠源3、第一单光子探测器4、第二单光子探测器7、第三单光子探测器16、第一光学分束器5、第二光学分束器6、第三光学分束器15、延迟器8和零差探测器17。接收端包括调制器2、第四光学分束器9、第四单光子探测器10、随机数产生器12和光学放大器13。
发射端到接收端的信道定义为信道11，即第二光学分束器6到第四光学分束器9的信道为信道11。接收端到发射端的信道定义为信道14，即光学放大器13到第三光学分束器15的信道为信道14。
本发明通过高速量子密钥分发装置实现密钥分发的具体步骤如下：
步骤(一)、纠缠源3发射纠缠光子对，第一个光子被第一单光子探测器4触发，并记录每个信号的时间标签A，第二个光子与来自光源1的激光通过分束器5进行合束，合束后的光进入第二光学分束器6。
步骤(二)、经过第二光学分束器6的反射光进入第二单光子探测器7，由第二单光子探测器7进行探测，并记录每个信号的时间标签B；经过第二光学分束器6的透射光进入接收端的第四光学分束器9；通过所述时间标签A和时间标签B评估光源的光束量子特性，即评估第二光学分束器6发射端出口处的光束量子特性。
步骤(三)、光源1发出的激光经过分束器5的反射后，被延迟器8进行延迟处理，并被零差探测器17进行探测。
步骤(四)、第四光学分束器9接收第二光学分束器6发出的透射光后，经过第四光学分束器9的反射光被第四单光子探测器10探测，并记录每个信号的时间标签C，通过所述时间标签A、时间标签B和时间标签C评估发射端到接收端的信道特性，即评估信道11的信道特性，判断是否存在窃听者；经过第四光学分束器9的透射光输出至调制器2。
步骤(五)、随机数产生器12输出的电信号通过调制器2对第四光学分束器9的透射光进行调制，并将调制后的光束输出至光学放大器13。调制的过程即电光调制过程，调制器2改变透射光的光强和相位，得到调制光。
步骤(六)、光学放大器13将放大后的光束输出至发射端的第三光学分束器15，经过光学分束器15的反射光被第三单光子探测器16进行探测，并记录每个信号的时间标签D，通过所述时间标签A、时间标签B、时间标签C、时间标签D、调制器信息和光学放大器信息评估接收端到发射端的信道特性，即评估信道14的信道特性，判断是否存在窃听者；经过光学分束器15的透射光输出至零差探测器17。
其中调制器信息指接收端引入的随机数产生器产生的调制信号以及调制器的噪声。光学放大器信息指光学放大器的放大倍数及光学放大器的噪声。
本发明中光源1的光谱线宽远远大于调制器2的调制带宽，例如本实施例中光源1的光谱线宽为调制器2的调制带宽的100倍以上。
本发明中第二光学分束器6、第四光学分束器9、第三光学分束器15的反射率均低于1％。第一光学分束器5的反射率为99％以上。
调制器2处的光强Y满足：Y/R小于1，优选0.1-0.999，本实施例中为0.99。发射端的第二光学分束器6出口处光强Z满足：Z/W远远小于1，优选2％以下，本实施例中为1％。其中W为光源1的光谱线宽，R为调制器2的调制带宽。
传统量子密钥分发技术中要求发射端的发射光强Z满足Z/R小于1，经过通信信道衰减后，到达接收端的光强极低，造成量子密钥产生效率很低；而本发明中仅要求接收端的调制器处的光强Y满足Y/R稍微小于1，调制光可以经过光放大后返回发射端，因此，量子密钥的最终成码率接近R。
纠缠源3发射纠缠光子对不传递任何信息，仅用于信道安全性检测，信息由光源1发出的光被接收端调制后回传至发射端时进行信息传递，实现量子密钥分发。
本实施例中信道长度为60公里，延迟器延迟为0.4毫秒，调制器调制带宽为1Ghz，光源线宽为1Thz，发射端发射光强Z为10G光子/秒，密钥产生率提高了约100倍，大大优于现有技术中密钥产生率。
以上所述，仅为本发明一个具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (10)

1.一种高速量子密钥分发方法，其特征在于：包括：
发射端中纠缠源发射的纠缠光子对的第一个光子被触发后，记录每个信号的时间标签A，纠缠源发射的纠缠光子对的第二个光子与光源发射的激光合束后，得到反射光和透射光，从所述反射光中选取部分光进行探测，记录每个信号的时间标签B，反射光中剩余部分光输出至接收端；所述透射光进行延迟处理，得到延迟光；
接收端从接收的光中选取部分光进行探测，记录每个信号的时间标签C，剩余部分光依次被调制、放大后输出至发射端；
发射端从接收的光中选取部分光进行探测，记录每个信号的时间标签D，剩余部分光与所述延迟光进行零差探测。
2.根据权利要求1所述的高速量子密钥分发方法，其特征在于：通过所述时间标签A和时间标签B评估光源的光束量子特性；通过所述时间标签A、时间标签B和时间标签C评估发射端到接收端的信道特性，判断是否存在窃听者；通过所述时间标签A、时间标签B、时间标签C、时间标签D以及接收端的调制器信息和光学放大器信息评估接收端到发射端的信道特性，判断是否存在窃听者。
3.根据权利要求1所述的高速量子密钥分发方法，其特征在于：通过高速量子密钥分发装置实现，所述高速量子密钥分发装置包括发射端和接收端，其中发射端包括光源(1)、纠缠源(3)、第一单光子探测器(4)、第二单光子探测器(7)、第三单光子探测器(16)、第一光学分束器(5)、第二光学分束器(6)、第三光学分束器(15)、延迟器(8)和零差探测器(17)，接收端包括调制器(2)、第四光学分束器(9)、第四单光子探测器(10)、随机数产生器(12)和光学放大器(13)；具体实现方法如下：
步骤(一)、纠缠源(3)发射纠缠光子对，第一个光子被第一单光子探测器(4)触发，并记录每个信号的时间标签A，第二个光子与来自光源(1)的激光通过分束器(5)进行合束，合束后的光进入第二光学分束器(6)；
步骤(二)、经过第二光学分束器(6)的反射光进入第二单光子探测器(7)，由第二单光子探测器(7)进行探测，并记录每个信号的时间标签B；经过第二光学分束器(6)的透射光进入接收端的第四光学分束器(9)；
步骤(三)、光源(1)发出的激光经过第一光学分束器(5)的反射后，被延迟器(8)进行延迟处理，并被零差探测器(17)进行探测；
步骤(四)、第四光学分束器(9)接收第二光学分束器(6)发出的透射光，经过第四光学分束器(9)的反射光被第四单光子探测器(10)探测，并记录每个信号的时间标签C；经过第四光学分束器(9)的透射光输出至调制器(2)；
步骤(五)、随机数产生器(12)输出电信号通过调制器(2)对来自第四光学分束器(9)的透射光进行调制，并将调制后的光束输出至光学放大器(13)；
步骤(六)、光学放大器(13)对接收的光束进行放大后输出至发射端的第三光学分束器(15)，经过第三光学分束器(15)的反射光被第三单光子探测器(16)进行探测，并记录每个信号的时间标签D，经过第三光学分束器(15)的透射光输出至零差探测器(17)。
4.根据权利要求3所述的高速量子密钥分发方法，其特征在于：所述步骤(2)中通过所述时间标签A和时间标签B评估光源的光束量子特性；所述步骤(4)中通过所述时间标签A、时间标签B和时间标签C评估发射端到接收端的信道特性，判断是否存在窃听者；所述步骤(6)中通过所述时间标签A、时间标签B、时间标签C、时间标签D、调制器信息和光学放大器信息评估接收端到发射端的信道特性，判断是否存在窃听者。
5.根据权利要求1～4之一所述的高速量子密钥分发方法，其特征在于：所述光源(1)的光谱线宽远远大于调制器(2)的调制带宽，即光源(1)的光谱线宽为调制器(2)的调制带宽的100倍以上。
6.根据权利要求3或4所述的高速量子密钥分发方法，其特征在于：所述第二光学分束器(6)、第四光学分束器(9)、第三光学分束器(15)的反射率均低于1％。
7.根据权利要求3或4所述的高速量子密钥分发方法，其特征在于：所述第一光学分束器(5)的反射率为99％以上。
8.根据权利要求3或4所述的高速量子密钥分发方法，其特征在于：所述调制器(2)处的光强Y满足：Y/R小于1，在发射端的第二光学分束器(6)出口处光强Z满足：Z/W远远小于1，其中W为光源的光谱线宽，R为调制器的调制带宽。
9.根据权利要求8所述的高速量子密钥分发方法，其特征在于：所述Y/R为0.1-0.999，所述Z/W为2％以下。
10.根据权利要求1～4之一所述的高速量子密钥分发方法，其特征在于：纠缠源(3)发射纠缠光子对不传递任何信息，仅用于信道安全性检测，光源(1)发出的光被接收端调制后回传至发射端时进行信息传递，实现量子密钥分发。
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