CN107896146B - 有源信道衰减和放大设备及包括其的qkd系统有源合束器、分束器、qkd装置以及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及适于安装在QKD装置中的QKD系统有源合束器(200)，所述QKD装置包括发射机(100)、接收机(110)和QKD系统(102/112)，其中发射机(100)适于通过QKD系统有源合束器(200)向接收机(110)发送通信信号，其特征在于QKD系统有源合束器(200)包括有源衰减系统，所述有源衰减系统包括：处理单元(230)，适于通过控制信道(290)自动控制至少一个可变光衰减器(150)，以便控制要发送给接收机的信号的衰减；以及检测器/监测器(240)，适于监测衰减下游的信号的强度，其中所述处理单元适于基于QBER信息或接收机接收的由QKD系统(112)通过经典信道(250)发送的信号的强度来控制所述可变光衰减器(150)。

Description

有源信道衰减和放大设备及包括其的QKD系统有源合束器、分 束器、QKD装置以及方法
技术领域
本发明涉及基于量子密钥分配(QKD)和波分复用(WDM)网络基础设施的量子密码术以提供安全的数据传输。
背景技术
QKD(量子密钥分配)涉及通过使用在“量子信道”上传输的称为“量子比特”或“量子信号”的单光子或弱(例如，平均0.1个光子)光信号(脉冲)在发送器(“Alice”)和接收机(“Bob”)之间建立密钥。与安全性取决于计算复杂度的经典密码术不同，量子密码术的安全性基于很多量子力学原理，其中包括对未知状态下的量子系统的任何测量将改变其状态的量子力学原理。因此，试图拦截或以其他方式测量所交换的量子比特的窃听者(“Eve”)引入了对她的存在加以揭示的错误。
Bennett和Brassard首先在其文章“Quantum Cryptography：Public keydistribution and coin tossing”(Proceedings of the International Conference onComputers，Systems and Signal Processing，Bangalore，India，1984，pp.175-179(IEEE，New York，1984))中阐述了量子密码术的一般原理。在Bennett的美国专利No.5,307,410和C.H.Bennett的文章“Quantum Cryptography Using Any Two Non-Orthogonal States”(Phys.Rev.Lett.68 3121(1992))中描述了具体的QKD系统。在Bouwmeester等人的书“ThePhysics of Quantum Information”(Springer-Verlag 2001的第Section 2.3节第27-33页)描述了用于执行量子密钥分配的一般过程。量子密码术已经在量子物理学、量子光学、信息理论、密码学和信息学等科学领域间跨学科发展。在N.Gisin、G.Ribordy、W.Tttel和H.Zbinden的文章“Quantum Cryptography”(Reviews of Modern Physics.74，145(2002))中对量子密码术的基础和方法以及历史发展进行了调查。量子密码术或量子密钥分配(QKD)是一种允许在两个远程方(发射机和接收机)之间以信息理论上可证明的安全性来分配密钥的方法，因为它依赖于量子物理原理。
如上面已经提到的，该方法的安全性来自众所周知的事实，即对未知量子系统的量子状态的测量将修改系统本身，因此在量子通信信道上窃听的间谍不能获得与密钥有关的信息，因而不会在发射机与接收机之间交换的密钥中引入使得能够检测到窃听尝试的错误。
在下面的部分中，术语“信道”应该在一般意义上进行理解：可以传输某种物理特性的调制的物理介质，所述物理特性如具有特定强度的光信号。必须注意，术语“信道”具有第二含义，其是多路复用介质上的逻辑连接。例如，无线电信道不是物理介质，而是具有特定波长或处于特定波长范围内的信号。在下面的说明书中，术语信道可以用于这两种含义，但上下文应清楚表明其涉及哪种含义。
基于QKD的加密应用的典型实现包括在两个远程位置之间运行的加密应用。该实现涉及至少一对量子密钥分配设备和使用通过QKD交换的密钥的一对加密应用设备。每对设备中的一个设备安装在一个位置，而另一个设备安装在另一个位置。QKD装置通过由光纤实现的量子通信和由第二分离的光纤实现的双向经典通信信道进行连接。在下面的段落中QKD系统使用的经典通信信道将被称为服务信道。加密应用设备配对通过第二双向经典通信信道连接。在下面的段落中加密应用程序使用的这种经典通信信道将被称为数据信道。窃听检测是在量子信道(因为其包括量子粒子)上进行的，而不是在与量子信道并行运行的服务信道或数据信道上进行的。
量子密钥分配系统中的量子信道和服务信道存在若干可能的实现选项。最常见的是使用分离的物理介质来承载这些通信信道。注意：用于承载光通信信道的物理介质通常由光纤构成。但是其他介质也是可能的，如自由空间传播。在由分离的光纤承载通信信道的情况下，专用于量子信道的光纤被称为暗光纤。双向服务信道也由两根分离的光纤承载。每根光纤承载通信信道的一个方向。在此选项中，不同信道之间没有交互，因为它们由物理上分离的介质承载。
为了使通信信道正常工作，重要的是接收的逻辑信号的信噪比足够大。光纤对量子信号和经典光逻辑信号二者的影响之一是这些信号随着它们的传播而衰减。这意味着当信号在光纤中传播时，信号电平降低。另一方面，量子信道和经典信道中的噪声都主要是由于检测系统的噪声。因此，噪声电平独立于光纤内的传播距离。因此，如果信号的传播距离增加，则两种通信信道类型的信噪比都会降低。这种影响导致信道能够工作的最大传播距离(或最大损耗值)。在经典通信信道的情况下，用于确定信道是否具有足够好的信噪比的参数是到达接收机的信号的光强度。如果该参数的值在制造商指定的预定范围内，则信道将正常工作。在量子通信信道的情况下，用于确定信道是否具有足够好的信噪比的参数被称为量子比特误码率(QBER)。该参数某种方式下是信噪比的倒数。QBER值是由QKD系统测量的。当QBER值高于预定义的阈值时，QKD系统不能从量子比特交换中生成任何密钥。QBER值越高，相对于信号速率而言的误码率越大。误码率的增加可能是由于量子信号的减小，或者是由于某些QKD系统参数的修改(例如，修改光学系统的对准的温度系统波动，或QKD接收机中的单光子检测器的固有噪声的改变)，或者是由于窃听尝试。
近几年来，已经研究了波分复用(WDM)技术来减少基于QKD运行加密应用所需的光纤数量。几十年来WDM技术用于在若干经典通信信道之间共享同一光纤。这些技术基于特定波长对每个经典信道的影响。通常，每个信道的每个通信方向均有自己的波长。通过使用称为WDM合束器的组件，有可能组合所有波长，使得所有信道由同一光纤承载。在该光纤的末端，使用WDM分束器来分离具有不同波长的信道并将它们从定义的输出端口发送出去。相同的技术可以扩展到量子信道和经典通信信道在同一光纤内的组合。在这种情况下，量子光信号(即单光子)和经典信号(即由大量(如，10′000个)光子组成的强光脉冲)在同一光纤中传播。
从90年代末以来，已经探讨了混合量子密钥分配和经典通信的WDM配置，其中Townsend(Townsend等人，97)做出了开创性工作。在图1中示出了使用波分复用技术与经典数据传输系统共享同一光纤的量子密钥分配系统的示例性实施例。从该图中可以看出，它通常包括通过光纤130连接的发射机100和接收机110。发射机100和接收机110二者都内嵌有多个数据传输终端101、111以及若干个QKD系统102、112。发射机100侧的每个数据传输终端101通过经典通信信道连接到接收机110侧的相关联的数据传输终端111。类似地，发射机100侧的每个QKD系统102通过量子通信信道和经典通信信道连接到相关联的QKD系统112。那些量子或经典信道中每一个与专用波长值(或者，如果信道是双向的，则与专用波长对)相关联。实现量子或经典信道的量子或经典光信号通过光纤从发射机100发送到波长合束器121(或波长多路复用器)。该光纤对于数据信道索引为103，对于量子信道索引为104，对于服务信道索引为105。波长合束器121将来自不同光纤的具有不同波长的所有光信号组合在同一光纤130中。在这一阶段，所有的通信信道由相同的光纤130承载并在光谱上分离。位于光纤130末端的波长分束器122(或波长解复用器)允许所有通信信道的物理分离。每个波长被引导到专用光纤。对应于特定波长值的光纤是连接到适当的数据传输终端111或QKD系统112。该光纤针对数据信道索引为113，对于量子信道索引为114，对于服务信道索引为115。
应用于量子和经典信号的WDM技术的主要问题之一是：由于经典信道信号强度远高于量子信号的单光子水平的事实，经典信道信号可能在量子通信信道中产生噪声。量子信道中的噪声增大导致QBER值的增大，其可能高于允许秘密密钥生成的阈值。
由于光纤中经典信道的存在引起的量子信道中的这种噪声增大存在两个原因。
1-第一个被定义为信道串扰。信道串扰的特征在于波长分束器对波长的不完美的物理分离。串扰质量通过波长L1上的光信号在从对应于波长L2的光纤(113或114或115)中出来时经历的插入损耗(或一个信道与另一个信道的隔离)来量化。为了避免串扰妨碍秘密密钥交换，波长分束器122必须保证大的隔离值(例如＞80dB)。串扰是线性光学效应。这意味着在光纤130入口处的波长L1上的所有光强度在波长分束器112的入口处仍然处于相同的波长L1上。
由于经典信道的存在引起的量子信道中的噪声增大的第二个原因是该光纤中的非线性效应。在这种情况下，在光纤130入口处的波长L1上的光强度在波长分束器112的入口处具有不同于L1的另一波长(例如L2)。因此，该光强度将被引导到对应于L2而不是L1的输出光纤(113或114或115)。不存在从光谱上区分量子信号和来自经典信道的噪声的方式。光纤中最常见的影响量子信道的非线性效应称为拉曼散射。
限制经典信道对共享同一光纤的量子信道的拉曼散射影响的标准方法是降低这些经典信道的光强度。如图1所示，这就是为什么经典光信号可能会通过可变光衰减器(VOA)150衰减到允许量子信道正常工作的光功率值。如果经典通信信道的光功率在接收机110侧太低，则经典信号可以通过光放大器160放大，直到接收机上的光功率在允许经典信道正常工作的光功率范围内。这两个具体问题是通过具体实现如下的现有技术来解决的：
US 7248695公开了一种设置，其中在将经典信号与量子信号复用之前对经典信号应用深槽光滤波，以防止由经典信号在量子信号波长处生成的噪声不利地影响量子信号在传输光纤中的传输。
US 20080273703描述了一种通过以显着降低来自散射光子的噪声的方式光学地和电子地门控系统中的单光子检测器来克服与前向/后向拉曼散射和瑞利散射有关的问题的装置。
Eraerds等人2010共享了单根光纤上的1Gbps数据加密的实验以及与多路复用量子、服务和数据信道有关的挑战。在该情况下，VOA 150被用于控制WDM合束器121的入口处的数据信道的光功率，以便限制当经典和量子信号都在光纤130中传播时拉曼散射对量子信号的影响。
然而，上面解决的主要技术问题涉及预定义的一组量子和经典通信信道，在实现中没有动态演进。在这些实现的一些应用中，用户特别感兴趣的是能够向波分复用基础设施添加数据传输终端和/或QKD系统或者从波分复用基础设施中移除数据传输终端和/或QKD系统。例如，当用户想要增加在发射机和接收机之间交换的数据量和/或数据类型(例如：视频、音频、数据库)时，添加数据信道可能是合理的，另一方面，如果不再需要数据信道，则可以移除信道。例如，添加经典信道增大了光纤130中拉曼散射的强度水平，由此可能导致QBER增大到高于允许秘密密钥交换的阈值。因此，每次添加信道时，VOA 150和光放大器160的设置需要进行调整，以确保量子和经典信道的正常工作。然而，实现调整是一个挑战性的步骤，因为它可能导致已经在使用中的数据信道的中断，从而影响整个网络运行。
为此，通常需要手动调整实际的信道数量，以确保在向波分复用电信基础设施中添加或从其删除数据或量子信道时，QKD系统和数据传输终端都能正常工作。这种手动调整是耗时的且昂贵的，因为其需要运营商干预。因此，具有使得在添加或移除信道时能够使得QKD和经典通信都正常工作的设备将是特别有意义的。这是本发明的主要目的。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种使QKD和数据传输终端通信在WDM通信网络架构改变时(例如在添加或移除信道时)能够正常工作的动态适应装置。
本发明的上述目的通过前序和说明书中描述的装置和方法来实现，所述装置和方法的特征还在于：其能够克服在添加或移除数据或量子链路时的系统整体关机的风险。
本发明的主要优点是在利用WDM设置的经典电信基础设施中自动实现QKD基础设施。因此，该设置能够一方面动态地调整发射机处的数据和经典通信的衰减以及在接收机处的数据和经典通信的放大。通过这样做，在添加或移除信道时，系统执行衰减和/或放大信号周期，以便限定能够实现数据传输和通过QKD系统的量子密钥分配二者的衰减和放大信号值。
本发明的一般特征之一是将发射机连接到QKD系统有源合束器以及将接收机连接到QKD系统有源分束器，从而使得能够根据发射机100和接收机110用于通信的信道数量来调整信号衰减和增益。通过这样做，系统能够确保在设置被修改时系统正常运行，也就是说当添加或移除通信信道时，QKD系统仍然能够同步和交换密钥，并且数据传输终端能够持续工作而会不中断。此外，当添加或移除量子信道时，QKD系统仍然能够以所定义的密钥速率来同步和交换密钥，并且数据传输终端能够持续工作而不会中断。
本发明的另一个目的是提供一种用于QKD-WDM系统的窃听检测方法，其能够区分窃听尝试和由于不正确的衰减/放大引起的故障。
为此，本发明的第一方面涉及要在QKD系统中实现的有源信道衰减/放大设备，包括：至少一个处理单元，适于通过第一专用通信链路接收计算的QBER值，以及通过第二专用通信链路接收计算的经典信道的工作状态，所述处理单元适于判断所述QBER值和/或所述经典信道的工作状态是否已改变，并且控制至少一个可变光衰减器和/或至少一个放大器来自动地调节可变光衰减器的衰减和/或放大器的增益，使得量子信道中的噪声低于允许密钥交换的预定上限，并且使得接收机侧的光功率值处于预定范围内。因此，自动调整衰减/放大处理。
根据本发明的优选实施例，有源信道衰减/放大设备还包括：量子信道监测设备，适于计算QBER值并通过所述第一专用通信链路将所述QBER值发送给处理单元。
优选地，有源信道衰减/放大设备还包括：经典信道监测设备，适于计算经典信道的工作状态，并通过第二专用通信链路将所述经典信道的工作状态发送给处理单元。
根据本发明的优选实施例，所述量子信道监测设备是QKD发射机或QKD接收机。
优选地，有源信道衰减/放大设备还包括至少一个可变光衰减器和/或所述放大器。
有利地，有源信道衰减/放大设备还包括：位于经典信道监测设备上游的多个可变光衰减器和/或位于经典信道监测设备下游的多个放大器。
优选地，所述光功率在-28dBm与-3dBm之间。在该范围内，QKD系统正常工作。
本发明的第二方面涉及一种QKD系统有源合束器，其适于安装在QKD装置中的发射机的输出处，并且包括根据本发明第一方面所述的有源信道衰减/放大设备，其中所述有源信道衰减/放大设备作为衰减设备工作。
优选地，QKD系统有源合束器包括量子信道监测设备。
本发明的第三方面涉及一种QKD系统有源分束器，其适于安装在QKD装置中的接收机的输入处，并且包括根据本发明第一方面所述的有源信道衰减/放大设备，其中所述有源信道衰减/放大设备工放大设备工作。
优选地，QKD系统有源分束器包括量子信道监测设备。
本发明的第四方面涉及一种QKD装置，在发射侧包括发射机和根据本发明第二方面所述的QKD系统有源合束器以及在接收侧包括接收机和根据第三方面所述QKD系统有源分束器，其中发射侧和接收侧通过经典通信光纤连接。
本发明的第五方面涉及一种在本发明第四方面所述的QKD装置中执行的衰减/增益方法，包括步骤：在处理单元中的监视来自检测器/监测器的数据以估计信道中的信号强度的处理；将信道中的信号强度与强度范围进行比较，并且计算所述信道上的测量强度与期望强度范围值之间的差；修改光放大器的增益和/或可变光衰减器的衰减，以获得期望强度范围内的输出强度。
本发明的第六方面涉及一种在本发明第四方面所述的QKD装置中执行的QKD方法，包括步骤：检查QKD系统的状态；测量QKD单光子检测器上的噪声；确定测量到的噪声是否妨碍了QKD系统的正常工作；如果是，则计算需要应用于光纤中的经典信道功率的降低，以使QBER值低于预定阈值，以及修改可变光衰减器的衰减和/或放大器的增益以使光纤中的经典信道功率低到足以使QKD系统正常工作。
本发明的第七方面涉及一种在本发明第四方面所述的QKD装置中执行的有源信道衰减/放大方法，包括步骤：识别QKD系统有源合束器处的处理单元或QKD有源分束器处的处理单元是否接收到新数据；如果是，则检查接收到的数据是与量子信道的监控有关(即新数据来自QKD系统)还是与经典信道的监测有关(即新数据来自检测器/监测器)；如果所述新数据来自检测器/监测器，则执行本发明第五方面所述的衰减/增益方法，如果所述新数据来自QKD系统，则执行本发明第六方面所述的QKD方法。
现在将在下文对出于说明性和非限制性的目的通过附图示例说明的优选实施例的描述中更详细地描述本发明。
附图说明
图1表示现有技术的基于WDM的量子密钥分配装置的示意图；
图2表示根据本发明第一实施例的基于WDM的量子密钥分配装置的示意图；
图3a和3b表示根据本发明的第二和第三实施例的基于WDM的量子密钥分配装置的示意图；
图4是表示根据本发明优选实施例的方法的框图；
图5是表示根据本发明优选实施例的监测处理方法的框图；
图6是表示根据本发明优选实施例的QKD处理的框图。
具体实施方式
图2中示出了本发明的实施例。本实施例限于只有一个QKD系统和一个数据传输终端对共享同一光纤的情况。这种简单情况允许更清楚地描述本发明。如图2所示，整个考虑的场景与现有技术(图1)一样包括发射机100和接收机110。除了这些以外，还包括放置在发射机100的输出处的称为QKD系统有源合束器200的设备以及放置在接收机110的输入处的称为QKD系统有源分束器300的设备。QKD系统有源合束器200和QKD系统有源分束器300通过光纤130连接。
整个系统，即包括发射机、接收机、合束器和分束器的QKD装置是本发明的一个方面。然而重要的是，要注意合束器和分束器二者本身也是本发明的方面。
一般而言，本发明的目的是保证共享同一光纤的经典信道和量子信道在任何时间以自主的方式工作。当然，一旦衰减器150和光放大器160的设置已经被正确调谐，则在无任何通信信道修改的情况下，所有信道都应该正常工作。因此，本发明的主要活动是：在通信信道改变发生时或者刚发生之后。为此，QKD系统有源合束器200和QKD系统有源分束器300的角色是：
1)从经典和量子信道收集数据，以便验证是否发生任何改变，或者那些信道之一上是否有任何问题，
2)如果检测到任何改变或问题，则QKD系统有源合束器200和分束器300必须协作以便改变设置，使得所有信道处于正常工作状态。
为了能够实现其目标，QKD有源合束器200和分束器300必须协作需要能够收集数据、处理数据并向其他装置发送指令的处理单元(230和330)。这些处理单元(230和330)可以例如用CPU实现。
为了能够实现第一角色，处理单元(230和330)需要连接到信道监测设备。因为QKD的定义，量子信道上的任何外部监测设备将在量子数据流中引入错误。因此，用于量子信道的监测设备是QKD发射机102和QKD接收机112，它们共同协作以便计算量子信道上的QBER值。在本发明中，该QBER值可以通过专用通信链路(250和350)发送到处理单元(230和330)。这些通信链路(250和350)可以例如由铜线制成。可以存在若干方式来监测经典信道以检查它是否正常工作。一种方式例如可以测量其光功率或测量其瞬时比特误码率。任何类型的经典信道监测都需要检测系统，其收集被监测信道的光信号的一部分；以及预处理阶段，其基于检测系统的测量结果提取预期的监测值。这两个功能的组合是由监测系统240或340实现的。检测系统可以利用光耦合器和至少一个光传感器来实现，其中光耦合器抽取经典信道光的一部分。预处理阶段可以利用模拟或数字电子装置来实现。监测系统240和340分别通过通信链路280和380连接到处理单元230和330。监测系统240和340的结果通过这些链路280和380发送到处理单元230和330。从监测设备(用于量子信道的监测设备102和112，或用于经典信道的监测设备240和340)接收的数据然后由处理单元230和330处理，以验证是否有任何监测信号已经改变或者是否在信道之一上出现任何问题。
为了能够实现第二角色，处理单元(230和330)需要连接到VOA 150和光放大器160。这些连接290和390例如可以由铜线制成，并用于允许实现处理单元230和330分别与VOA 150和光放大器160之间的通信。经由这些通信，处理单元230能够调节VOA 150的衰减值，使得由于经典信道而导致的量子信道中的噪声低到足以允许秘密密钥交换(即，QBER值低于预定阈值)。以类似的方式，经由通信链路390的通信允许处理单元330调节光放大器160的增益值，使得经典信道正常工作(即接收机侧的光功率值在预定范围内)。因此，如果处理单元230或330检测到任何改变或问题，它们可以调节经典信道的光功率级别，使得所有信道正常工作。如果两个处理单元230和330想要一起通信，则它们可以通过QKD系统102和112的服务信道来实现通信。从图2中可以看出，本发明位于WDM复用121和解复用122阶段。存在若干选项可以在这些阶段中集成我们的发明。在图2中，示出了一种选项，其中所有经典信道在被VOA 150衰减和被监测装置240监测之前首先利用第一WDM复用级215来多路复用在一起，其中监测设备240抽取光纤203中传播的光的一部分。该光纤203将第一WDM复用级215与最终的WDM复用级链接在一起。在该选项中，所有经典信道一起完成衰减和监测。最终的WDM复用级121用于将量子信道和经典信道组合在同一光纤130中。集成本发明的对称方式示出在QKD有源分束器300中。第一复用级由WDM分束器122实现。该WDM分束器在同一光纤213内发出所有经典信道，而在专用光纤114中发出量子信道。利用单个监测系统340对所有经典信道进行监测，所述监测系统340抽取光纤213中的光的一部分，然后由位于光纤213上的单个光学放大器160进行放大。然后由最后的WDM分束器级315将所有经典信道分离。该分束器315的输出端口通过光纤113和115连接到接收机。
备选地，图3a和3b描述了替代实施例。
如上所述，与WDM级相比，本发明的集成存在若干选项。特别地，可以考虑一起监测所有经典信道(如图2所示)，或者分别监测它们。此外，所有经典信道的衰减可以一起执行(如图2所示)，或者可以使用若干VOA 150来分别执行。同样的考虑适用于光放大器160，光放大器160之一可以同时在所有信道上操作，或者可以使用若干放大器160来放大经典信道。图3a示出了图2的选项的一种替代方案。在这种情况下，所有经典通信信道一起由发射机侧的监测设备240和接收机侧的监测设备340监测。这种配置与图2所示的选项类似。图3a和图2之间的区别是经典信道被衰减和放大的方式。在图3a中，存在与经典信道数目一样多的VOA 150。所有的VOA 150位于经典信道发射机与WDM复用器215之间的光纤上。处理单元230可以对它们分别作用或者一起作用。此外，图3a中存在与经典信道数量一样多的光放大器160。所有放大器160位于WDM解复用器315与经典信道接收机之间的光纤上。处理单元330可以对它们分别作用或一起作用。
通过这样做，该系统能够对特定信道实现可调谐的且专用的衰减/增益改变。
图3b示出了图3a的实施例的替代实施例，其中每个QKD系统102都位于QKD系统有源合束器200内部，并且类似地每个QKD系统112都在QKD系统有源分束器300内部。在这种情况下，QKD系统有源合束器200充当在信道210上的数据和通信信号衰减的动态适配器。类似地，QKD系统有源分束器300充当在信道310上的数据和通信信号放大的动态适配器。
图4示出了与QKD和通信系统工作时的装置行为相关的总体方法。该方法的主要方面是描述QKD系统有源合束器200和QKD系统有源分束器300将如何与发射机100、接收机110和主信道130进行交互，以确保在发射机100或接收机110处可能添加或移除信道时的数据传输和QKD处理。
第一步骤400包括识别QKD系统有源合束器200处的处理单元230或QKD有源分束器300处的处理单元330是否接收到新数据。如果没有，则步骤410将处理单元230或330重定向到步骤400，换言之，处理单元等待新数据。如果处理单元中的至少一个接收到数据，则步骤410使处理单元移动到步骤420。一方面，所述新数据可以由监测系统240或由QKD系统102生成，另一方面，所述新数据可以由监测系统340或由QKD系统112生成。步骤420包括检查接收到的数据是否与对量子信道或经典信道的监测有关。
如果所述新数据来自监测系统240或340，则步骤430使处理单元230和330启动定义为“衰减/增益过程”的步骤440。该步骤440是本身在图5中呈现的整个过程。
如果所述新数据来自QKD系统102或112，则步骤430使处理单元230和330启动定义为“QKD过程”的步骤450。本步骤450是本身在图6中呈现的整个过程。
图5表示与图4的步骤440处呈现的衰减/增益过程相关联的详细方法。
该过程首先开始于监测数据的处理(步骤500)，以便估计经典信道的光功率。该过程由处理单元230和330利用来自监测系统240或监测系统340的数据来完成。该步骤500的结果是对信道213中的信号强度的测量。第二步骤510包括将光纤213中的信号强度与接收机侧的用于经典信道正常工作的强度范围进行比较。如果信号强度在该范围之外，则处理单元330计算步骤500的测量到的输出功率与信道213上的输出功率的典型范围值之间的差。信号强度(或光功率)的典型范围值在-28dBm和-3dBm之间。如果测量到的输出功率在指定范围之外，则最后一步520包括修改光放大器160的增益和VOA 150的衰减以获得指定范围内的输出功率。
图6表示与图4的步骤450处呈现的QKD过程相关联的详细方法。
该过程首先开始于使用QKD系统102和112状态检查(步骤600)。该步骤600包括基本验证，所述基本验证包括例如以下问题的答案：系统是否接通？电源是否正常工作？服务信道的连接是否正常工作？该步骤600之后跟着第二步骤610，步骤610专用于量子信道上可能由经典信道引入的噪声。步骤610包括QKD单光子检测器的噪声测量(这可以通过激活检测器来执行，而不发送任何量子比特)。在步骤610结束时，由QKD系统执行的状态检查和噪声测量的结果被发送给处理单元230和330。这两个处理单元处理这些结果，并确定QKD系统是否处于允许其正常运行的状态。这意味着由经典信道引入的附加噪声可能导致高于预定阈值的QBER值。如果由经典信道引入的噪声低得足以允许QKD系统正常工作，步骤620使得处理单元230和330直接移回到步骤400。如果由经典信道引入的噪声太大使得QKD系统不能正常工作，则步骤620使处理单元230和330移动到步骤630。
步骤630包括由处理单元230和330计算需要应用到光纤130中的经典信道功率的降低，使得具有低于预定阈值的QBER值。计算出的值例如是Y dB。最后一步640包括修改VOA150的衰减和放大器160的增益，以便获得下述两者：
1-光纤130中的经典信道功率低到足以使QKD系统正常工作(即至少衰减YdB的值)，以及
2-接收机侧的经典信道的光功率在用于经典信道正常工作的指定范围内(即，放大与衰减的增益值(～YdB)近似的增益值)，然后处理单元230和330移动到步骤400，等待新数据。

Claims (15)

1.一种利用QKD装置实现的有源信道衰减和放大设备，包括：
至少一个处理单元(230，330)，适于通过第一专用通信链路(250，350)接收计算的QBER值，以及通过第二专用通信链路(280，380)接收计算的经典信道(203，213)的工作状态，
所述处理单元(230，330)适于：
判断所述QBER值和/或所述经典信道的工作状态是否已经发生改变，以及
控制至少一个可变光衰减器(150)和/或至少一个放大器(160)以自动地调节所述可变光衰减器(150)的衰减和/或所述放大器(160)的增益，使得量子信道(104，114)中的噪声低于预定的上限以允许秘密密钥交换，并且使得接收机侧的光功率值在预定范围内。
2.根据权利要求1所述的有源信道衰减和放大设备，还包括：量子信道监测设备(102，112)，适于计算QBER值，并通过所述第一专用通信链路(250，350)将所述QBER值发送给所述处理单元(230，330)。
3.根据权利要求1或2所述的有源信道衰减和放大设备，还包括：经典信道监测设备(240，340)，适于计算经典信道(203，213)的工作状态，并通过所述第二专用通信链路(280，380)将所述经典信道的工作状态发送给所述处理单元(230，330)。
4.根据权利要求2所述的有源信道衰减和放大设备，其中所述量子信道监测设备是QKD发射机(102)或QKD接收机(112)。
5.根据权利要求1所述的有源信道衰减和放大设备，还包括：所述至少一个可变光衰减器(150)和/或所述放大器(160)。
6.根据权利要求3所述的有源信道衰减和放大设备，还包括：位于经典信道监测设备(240)上游的多个可变光衰减器(150)和/或位于经典信道监测设备(340)下游的多个放大器(160)。
7.根据权利要求1所述的有源信道衰减和放大设备，其中所述光功率在-28dBm与-3dBm之间。
8.一种QKD系统有源合束器(200)，适于安装在QKD装置中的发射机(100)的输出处，并且包括根据权利要求1-7中任一项所述的有源信道衰减和放大设备，其中所述有源信道衰减和放大设备作为衰减设备工作。
9.根据权利要求8所述的QKD系统有源合束器(200)，包括所述量子信道监测设备(102)。
10.一种QKD系统有源分束器(300)，适于安装在QKD装置中的接收机(110)的输入处，并且包括根据权利要求1-7中任一项所述的有源信道衰减和放大设备，其中所述有源信道衰减和放大设备作为放大设备工作。
11.根据权利要求10所述的QKD系统有源分束器(300)，包括所述量子信道监测设备(112)。
12.一种QKD装置，在发射侧包括发射机(100)和根据权利要求8所述的QKD系统有源合束器(200)，以及在接收侧包括接收机(110)和根据权利要求10所述的QKD系统有源分束器(300)，其中所述发射侧和所述接收侧通过经典通信光纤(130)连接。
13.一种在根据权利要求12所述的QKD装置中执行的衰减和增益方法，包括步骤：
处理(500)，在处理单元(230，330)中监测来自检测器(240，340)的数据，以估计信道(213)中的信号强度，
将信道(213)中的信号强度与强度范围进行比较(510)，并且计算所述信道(213)上的测量强度与期望强度范围值之间的差，
修改(520)所述放大器(160)的增益和/或所述可变光衰减器(150)的衰减，以获得期望强度范围内的输出强度。
14.一种在根据权利要求12所述的QKD装置中执行的QKD方法，包括步骤：
检查(600)所述QKD系统(102，112)的状态；
测量(610)QKD单光子探测器上的噪声；
确定(620)测量到的噪声是否妨碍了QKD系统(102，112)的正常工作；如果是，则
计算(630)需要应用于光纤(130)中的经典信道功率的降低，以具有低于预定阈值的QBER值；
修改(640)所述可变光衰减器(150)的衰减和/或所述放大器(160)的增益，以使光纤(130)中的经典信道功率低到足以使QKD系统正常工作。
15.一种在根据权利要求12所述的QKD装置中执行的有源信道衰减和放大方法，包括步骤：
识别(400)QKD系统有源合束器(200)处的处理单元(230)或QKD有源分束器(300)处的处理单元(330)是否接收到新数据；如果是，则
检查(420)接收到的数据是与量子信道的监测有关还是与经典信道的监测有关，与量子信道的监测有关即新数据来自QKD系统(102，112)，与经典信道的监测有关即新数据来自检测器(240，340)；
如果所述新数据来自检测器(240，340)，则执行(430)权利要求13所述的衰减和增益方法(440)，如果所述新数据来自QKD系统(102，112)，则执行(430)权利要求14所述的QKD方法(450)。
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