CN107809312B - 一种基于偏振编码的量子通信终端 - Google Patents

一种基于偏振编码的量子通信终端 Download PDF

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Abstract

一种基于偏振编码的量子通信终端，接收端采用四路激光器发送信号光配合固定光路实现信号调制，接收端使用四路单光子探测器及固定光路实现实时信号的解调，解决了目前量子通信终端中信号调制速度慢和信道噪声扰动大的问题。该终端包含计算机、控制板、激光器、偏振分束器、偏振控制器、分束器和衰减器、偏振补偿器和单光子探测器；发射端通过计算机将信息发送至控制板，板卡将信息编码后驱动对应激光器发射光信号，光信号通过固定光路进行调制，调制完成的光信号通过量子信道发送至接收端，光信号在接收端经过通过固定光路实现信号的解调，最后将信号发送到控制板中进行解析最终获得完成通信。

Description

一种基于偏振编码的量子通信终端
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体地，涉及一种基于偏振编码的量子通信终端。
背景技术
“震网攻击”、“颜色革命”等网络空间安全事件接连登场，更是标志着网络空间主体威胁完成了从“坏小子作恶”到“大玩家作战”的升级，各国都在加快研发和建设新型国家网络空间安全建设，美国已将网络空间安全纳入到国家安全战略范畴，其国防部专门成立网络安全司令部，从支持研发基础平台，到研制和装备大量具有特定功能的网络空间武器系统，全面保障其网络空间安全。
近年来基于经典加密技术的信息安全遭受到越来越严重的挑战，围绕信息安全的攻防手段也在日新月异的变化，“斯诺登事件”集中地揭露了窃听在终端、线路和交换节点上都有发生。传统的经典加密防护手段——基于大数分解等复杂性的“第一代公钥”体系(包括RSA、ECC等数种方案)正面对着破解算法和计算性能发展带来的日益严峻的威胁：1999年，RSA-155(512位)被破解；2002年，RSA-158(523位)被破解；2009年，RSA-768(768位)被破解；目前通行的是1024位密钥，但2015年第22届ACM会议上，研究人员曝光美国国安局(NSA)已经破解了1024位公钥密码的一组大数，从而能够破解2/3的VPN连接，1/4的SSH服务器等；随着量子计算机的日益临近，2015年，美国NSA和国家标准与技术研究院(NIST)公布了逐步、分类停用现役公钥体制的时间表，转而寻求能够抵抗量子计算的新型密钥交换技术。各国信息安全机构、高技术企业参与和竞争的局面表明，新一代保密体系的时代已经到来。
量子通信是以量子态为信息载体的新兴通信技术，基于量子不可分割、不可复制等物理特性，是至今为止唯一得到严格证明的、原理上确保通信无条件安全——无论攻击方拥有多么强大的窃听和破解能力——的保密通信技术，这使得量子通信技术成为了新体系的有力竞争者。在国防、金融、政务、能源、公共安全、云服务等方面都具有重大的应用价值，被欧洲电信标准化协会(ETSI)认为是“保障信息社会通信机密性和隐私的关键技术”，是事关国家信息安全的战略性技术。
量子通信技术自1984年提出第一个量子密钥分发方案以来，到2000年基本处于理论研究阶段，实验研究从1997年前后的纠缠检验开始，2003年开始有比较系统化的量子密钥分发实验，并且直到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，量子密钥分发才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，并开始远距离干线的技术储备。未来，量子通信网络将由大容量地面网络和广覆盖空间卫星联合，构成覆盖全国乃至全球范围的量子通信网络体系，多种方案各取所长、量子计算机入网、新型应用极大丰富。
在目前的基于偏振编码的量子通信系统中，多采用光电偏振调制器来实现信号的编码及调制功能，而在现有的光信号调制方案中大多属于正交调制，调制速度较慢，同时调制精度不高，此外在长距离传输的过程中，由于传输信道(光纤)收到外界温度、压力等环境因素的影响产生噪声信号，误码率提高，导致目前基于偏振编码的量子通信系统难以实现高速、准确的传递信号。
综上，为了解决目前遇到的偏振调制速度过慢、精度低，同时信道受环境影响产生噪声信号而大量产生误码的问题，提供了一种切实可行的基于偏振编码的量子通信终端。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对现有技术的不足，提出一种基于偏振编码的量子通信终端，通过采用多路光源、固定光路调制、解调光信号及多路探测器，解决了目前偏振量子通信终端存在的调制速度慢和信道噪声扰动大的问题。
本发明的技术方案是：一种基于偏振编码的量子通信终端，包括发射端和接收端；所述发射端包括发射端计算机、发射端控制板、激光器组、调制光路；所述接收端包括解调光路、探测器组、接收端控制板和接收端计算机；发射端计算机将待发送的信息发送给发射端控制板，发射端控制板将信息编码后驱动激光器组发射信号光和同步光，调制光路将信号光调制到对应偏振态上并通过量子信道传输至接收端，同步信道将同步光传输至接收端；接收端使用探测器组进行信号探测，接收量子信道传输过来并经接收光路解调的信号光，将测量结果发送给接收端控制板，接收端控制板进行信息解码并上传接收端计算机中；发射端计算机与接收端计算机通过完成对基实现通信。
所述激光器组与发射端控制板相连接，激光器组包括第一激光器LD1、第二激光器LD2、第三激光器LD3、第四激光器LD4、同步激光器LD5；发射端控制板每次驱动第一激光器LD1、第二激光器LD2、第三激光器LD3、第四激光器LD4中的任意一路发射信号光，并将信号光发送至调制光路进行信号调制，同时每次触发同步激光器LD5发射同步光，并将信号光直接发送至解调光路。
所述的发射端控制板具备可编程高速脉冲发送功能。
所述调制光路包括第一偏振分束器PBS1、第二偏振分束器PBS2、第一偏振控制器PC1、第一分束器BS1和衰减器ATT；第一激光器LD1、第二激光器LD2分别与第一偏振分束器PBS1的两个输入端相连，第一偏振分束器PBS1的输出与第一偏振控制器PC1的输入相连，第一偏振控制器PC1的输出与第一分束器BS1两个输入中的一个相连，第三激光器LD3、第四激光器LD4分别与第二偏振分束器PBS2的两个输入相连，第二偏振分束器PBS2的输出与第一分束器BS1两个输入中的一个相连，第一分束器BS1的输出与衰减器ATT的输入相连，衰减器ATT的输出直接连接至量子信道将信号光输出，同步激光器LD5直接连接至同步信道将其产生的同步光输出能够实现将信号光通过该装置后完成调制，并将信号光发送至解调光路中。
所述的解调光路包括第二分束器BS2、第一偏振补偿器PSY1、第二偏振补偿器PSY2、第二偏振控制器PC2、第二偏振控制器PC3、第三偏振分束器PBS3、第四偏振分束器PBS4；通过量子信道将接收到第二分束器BS2的输入端中；第二分束器BS2有两路输出，其中一路输出连接第一偏振补偿器PSY1的输入，第一偏振补偿器PSY1的输出连接第二偏振控制器PC2的输入，第二偏振控制器PC2的输出连接第三偏振分束器PBS3的输入，第三偏振分束器PBS3的两路输出连接至探测器组第二分束器BS2另一路输出连接第二偏振补偿器PSY2的输入，第二偏振补偿器PSY2的输出连接第三偏振控制器PC3的输入，第三偏振控制器PC3的输出连接第四偏振分束器PBS4的输入，第四偏振分束器PBS4的两路输出连接至探测器组。
所述的探测器组包括第一单光子探测器SPD1、第二单光子探测器SPD2、第三单光子探测器SPD3、第四单光子探测器SPD4、同步探测器PD；同步探测器PD将同步光信号转换为触发信号触发四路单光子探测器进行信号采集，四路单光子探测器将采集得到的信号发送给控制板卡。
所述的接收端控制板具备高速脉冲信号采集功能。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)发射端的调制光路和接收端的解调光路采用固化的光学元器件组成，可以作为光信号的调制及解调器使用。特别针对目前高速光通信中偏振调制速度慢、调制精度低的问题，，极大的提高了量子通信系统的传输速度，同时也极大的提高了调制的精度。
(2)通过接收端第一偏振补偿器PSY1、第二偏振补偿器PSY2，可以实现实时采集光信号的偏振状态，并对其进行实时补偿。特别针对目前光信号在远距离传输时偏振信号发生扰动而噪声增大、误码率提高的情况，能够极大的改善信号质量，降低误码率。
附图说明
图1为本发明基于偏振编码的量子通信终端发射端示意图。
图2为本发明基于偏振编码的量子通信终端接收端示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对根据本发明的基于偏振编码的量子通信终端做进一步详细的说明。
如图所示，根据本发明的基于偏振编码的量子通信终端主要包括如下部分：发射端(图1)和接收端(图2)；这两部分通过量子信道(传输量子态的信道)、同步信道(传输同步光的信号)相连，其中量子信道是指传输光信号的路径，同步信道是指传输同步信号的路径。
如图1所示根据本发明的基于偏振编码的量子通信终端的发射端包括发射端计算机1、发射端控制板2、激光器组3、调制光路4。
发射端控制板2直接插入发射端计算机1的外部设备互连总线(PCI)接口，作为计算机的一部分，发射端计算机1通过该接口对发射端控制板2进行信息传输，将需要传输的信息发送给发射端控制板。
发射端控制板2通过同轴电缆与激光器组3相连，发射端控制板将计算机传送的信息进行二进制编码，并将编码信息转换为脉冲驱动信号发送激光器组中，每次脉冲驱动信号驱动第一激光器LD1、第二激光器LD2、第三激光器LD3、第四激光器LD4中的一路信号发射信号光，同时驱动同步激光器LD5发射同步光。
激光器组3通过五根光纤与调制光路4相连，第一激光器LD1、第二激光器LD2与第一偏振分束器PBS1的两个输入相连，第一偏振分束器PBS1的输出与第一偏振控制器PC1的输入相连，第一偏振控制器PC1的输出与第一分束器BS1两个输入中的一个相连，第三激光器LD3、第四激光器LD4与第二偏振分束器PBS2的两个输入相连，第二偏振分束器PBS2的输出与第一分束器BS1两个输入中的一个相连，第一分束器BS1的输出与衰减器ATT的输入相连，衰减器ATT的输出直接连接至量子信道将信号光输出，同步激光器LD5直接连接至同步信道将其产生的同步光输出。
调制光路4可以实现高速、高精度的偏振调制功能。作为接收端中最重要的调制光路，针对目前主流发射端偏振调制采用光电调制而导致速度慢，精度低的缺点，采用了固定光路的调制方式，极大提高了调制速度和精度。所述调制光路4包括第一偏振分束器PBS1、第二偏振分束器PBS2、第一偏振控制器PC1、第一分束器BS1和衰减器ATT，光路中包含四个输入端口和一个出端口，分别是第一偏振分束器PBS1的两个输入、第二偏振分束器PBS2的两个输入，实现第一激光器LD1、第二激光器LD2、第三激光器LD3、第四激光器LD4发出的信号光经过调制光路4后对应不同的偏振输出，调制光路4中不包含光电光学元件，极大的提高了调制速度和调制精度。
本发明中描述的量子信道是指传输量子信号即信号光的信道，同步信道是指传输同步信号的信道。
如图2所示根据本发明的基于偏振编码的量子通信终端的接收端包括解调光路5、探测器组6、接收端控制板7和接收端计算机8。
调制光路5能够实现将信号光解调的功能，具体的实现过程为：通过量子信道将接收到第二分束器BS2的输入端中，第二分束器BS2将信号光发送给两路输出的一路，第二分束器BS2有两路输出，其中一路输出连接第一偏振补偿器PSY1的输入，第一偏振补偿器PSY1的输出连接第二偏振控制器PC2的输入，第二偏振控制器PC2的输出连接第三偏振分束器PBS3的输入，第三偏振分束器PBS3的两路输出分别连接探测器组6中的第一单光子探测器SPD1、第二单光子探测器SPD2；第二分束器BS2另一路输出连接第二偏振补偿器PSY2的输入，第二偏振补偿器PSY2的输出连接第三偏振控制器PC3的输入，第三偏振控制器PC3的输出连接第四偏振分束器PBS4的输入，第四偏振分束器PBS4的两路输出分别连接探测器组6中的第三单光子探测器SPD3、第四单光子探测器SPD4。
探测器组6主要实现信号光和同步光的探测功能，主要包括同步探测器PD和第一单光子探测器SPD1、第二单光子探测器SPD2、第三单光子探测器SPD3、第四单光子探测器SPD4；同步探测器将同步光信号转换为触发信号触发四路单光子探测器进行信号采集，四路单光子探测器将采集得到的信号发送给接收端控制板卡7。
接收端控制板7直接插入接收端计算机8的外部设备互连总线(PCI)接口，作为计算机的一部分，接收端控制板7后进行信息解码并上传接收端计算机8中；最后发射端计算机与接收端计算机通过经典数据信道完成对基，最终完成通信过程。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种基于偏振编码的量子通信终端，其特征在于：包括发射端和接收端；所述发射端包括发射端计算机(1)、发射端控制板(2)、激光器组(3)、调制光路(4)；所述接收端包括解调光路(5)、探测器组(6)、接收端控制板(7)和接收端计算机(8)；发射端计算机(1)将待发送的信息发送给发射端控制板(2)，发射端控制板(2)将信息编码后驱动激光器组(3)发射信号光和同步光，调制光路(4)将信号光调制到对应偏振态上并通过量子信道传输至接收端，同步信道将同步光传输至接收端；接收端使用探测器组(6)进行信号探测，接收量子信道传输过来并经接收光路解调的信号光，将测量结果发送给接收端控制板(7)，接收端控制板(7)进行信息解码并上传接收端计算机(8)中；发射端计算机(1)与接收端计算机(8)通过完成对基实现通信；
所述激光器组(3)与发射端控制板(2)相连接，激光器组(3)包括第一激光器LD1、第二激光器LD2、第三激光器LD3、第四激光器LD4、同步激光器LD5；发射端控制板(2)每次驱动第一激光器LD1、第二激光器LD2、第三激光器LD3、第四激光器LD4中的任意一路发射信号光，并将信号光发送至调制光路(4)进行信号调制，同时每次触发同步激光器LD5发射同步光，并将信号光直接发送至解调光路(5)；
所述调制光路(4)包括第一偏振分束器PBS1、第二偏振分束器PBS2、第一偏振控制器PC1、第一分束器BS1和衰减器ATT；第一激光器LD1、第二激光器LD2分别与第一偏振分束器PBS1的两个输入端相连，第一偏振分束器PBS1的输出与第一偏振控制器PC1的输入相连，第一偏振控制器PC1的输出与第一分束器BS1两个输入中的一个相连，第三激光器LD3、第四激光器LD4分别与第二偏振分束器PBS2的两个输入相连，第二偏振分束器PBS2的输出与第一分束器BS1两个输入中的一个相连，第一分束器BS1的输出与衰减器ATT的输入相连，衰减器ATT的输出直接连接至量子信道将信号光输出，同步激光器LD5直接连接至同步信道将其产生的同步光输出，并将信号光发送至解调光路(5)中。
2.根据权利要求1所述的一种基于偏振编码的量子通信终端，其特征在于：所述的发射端控制板(2)具备可编程高速脉冲发送功能。
3.根据权利要求1所述的一种基于偏振编码的量子通信终端，其特征在于：所述的解调光路(5)包括第二分束器BS2、第一偏振补偿器PSY1、第二偏振补偿器PSY2、第二偏振控制器PC2、第二偏振控制器PC3、第三偏振分束器PBS3、第四偏振分束器PBS4；通过量子信道将接收到第二分束器BS2的输入端中；第二分束器BS2有两路输出，其中一路输出连接第一偏振补偿器PSY1的输入，第一偏振补偿器PSY1的输出连接第二偏振控制器PC2的输入，第二偏振控制器PC2的输出连接第三偏振分束器PBS3的输入，第三偏振分束器PBS3的两路输出连接至探测器组(6)；第二分束器BS2另一路输出连接第二偏振补偿器PSY2的输入，第二偏振补偿器PSY2的输出连接第三偏振控制器PC3的输入，第三偏振控制器PC3的输出连接第四偏振分束器PBS4的输入，第四偏振分束器PBS4的两路输出连接至探测器组(6)。
4.根据权利要求1-3任意之一所述的一种基于偏振编码的量子通信终端，其特征在于：所述的探测器组(6)包括第一单光子探测器SPD1、第二单光子探测器SPD2、第三单光子探测器SPD3、第四单光子探测器SPD4、同步探测器PD；同步探测器PD将同步光信号转换为触发信号触发四路单光子探测器进行信号采集，四路单光子探测器将采集得到的信号发送给控制板卡(7)。
5.根据权利要求1-3任意之一所述的一种基于偏振编码的量子通信终端，其特征在于：所述的接收端控制板(7)具备高速脉冲信号采集功能。
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