CN108075885A - 相位调制偏振编码的高速量子密钥分发系统 - Google Patents

相位调制偏振编码的高速量子密钥分发系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种相位调制偏振编码的高速量子密钥分发系统，其包括：用于产生随机数，并且记录这些产生的随机数，用于驱动强度调制器、相位调制器的发送方FPGA芯片；用于实现收发双方的时钟保持一致的时钟信号用于作为光源的激光器；用于接收FPGA发送的随机数信号，产生不同的调至强度，形成诱骗态的强度调制器；用于将激光脉冲进行分束的第一偏振分束器等。本发明改进了传统的量子通信发送端，采用单一的激光光源，减小了各激光器的差异性引入的噪声以及抖动，减少了发送端的器件个数，简化了光路的复杂程度，减小了时钟抖动带来的误码率，改善了以往冗余的光路结构，简化了系统，节约了成本。

Description

相位调制偏振编码的高速量子密钥分发系统
技术领域
本发明涉及量子保密通信领域，具体地，涉及一种相位调制偏振编码的高速量子密钥分发系统。
背景技术
人类通信系统的发展一直离不开“安全”这个字眼，无论是上世纪的摩尔斯电码、恩尼格玛密码，直到1977年提出的RSA公钥加密算法，都为信息安全应运而生。
而量子计算机系统被提出以来，RSA公认的安全性受到极大的威胁，传统的加密方式已经不足以确保信息在通信、处理过程中的安全。也因此，“一次一密”的量子密钥分发系统(QKD)也被提出。到现今为止，长距离、高速率的QKD系统不断被设计出来。量子密钥以其基于量子特性的“不确定性原理”以及“量子不可克隆原理”所引申的“绝对保密”性质，被军事、银行等各大保密行业持续关注。近年来，许多量子通信系统陆续被完成，其在通信的安全性上的保证毋庸置疑地得到证明，量子通信系统的研究也越来越火热，偏振编码和相位编码的QKD系统逐渐成为主要研究的方向。偏振编码的QKD系统工作过程如下：通过随机数的产生，来控制单光子源发出不同偏振状态的脉冲激光，再经过强度调制形成诱骗态。随即携带有量子信息的单光子脉冲，经过长距离光纤传输到达接收端，接收端通过随机的偏振基探测解调，还原出一定的随机数序列，并且通过经典信道告知发送方用于探测的随机的偏振基。发送方收到探测序列信息后，即通过经典信道告知接收方哪些位上的码是有效可靠的，之后，收发双方便筛选出相同的密码本。最后，双方公布部分的密码本以校验误码率以检测是否有监听和攻击存在，同时进行密钥的纠错成码。
随着量子通信系统的速率不断提升，量子通信的速率追赶传统光通信的脚步似乎越来越快。也正是因为通信速率的不断加快，在研究中，各种对于量子通信系统的速率以及成码率的限制也体现出来。包括偏振度的限制，传输光纤中的状态抖动，激光源的状态改变等等。其中，由于激光源不同而引入的激光状态的不同及其漂移，似乎成为固有不可消除的一种噪声，此外，由于应用不同激光器所引入的量子态的非正交性，对于绝对安全的破坏，也不容忽视。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种相位调制偏振编码的高速量子密钥分发系统，其改进了传统的由四个激光光源组成的量子通信发送端，采用单一的激光光源，随机信号不再用来触发激光器产生光脉冲，而是触发调制器调制不同的偏振态，减小了各激光器的差异性引入的噪声以及抖动，减少了发送端的器件个数，简化了光路的复杂程度，利用单光纤传输量子信号和时钟，减小了时钟抖动带来的误码率，改善了以往冗余的光路结构，简化了系统，节约了成本。
根据本发明的一个方面，提供一种相位调制偏振编码的高速量子密钥分发系统，其特征在于，其包括：
发送方FPGA芯片，同时与时钟信号、激光器、强度调制器，用于产生随机数，并且记录这些产生的随机数，用于驱动强度调制器、相位调制器；
时钟信号，与1570nm激光器连接，用于实现收发双方的时钟保持一致；
激光器，与强度调制器连接，用于作为光源；
强度调制器，与第一偏振分束器连接，用于接收FPGA发送的随机数信号，产生不同的调至强度，形成诱骗态；
第一偏振分束器，与环形器连接，用于将激光脉冲进行分束；
环行器，同时连接第一偏振分束器、Sagnac环单光子偏振调制器，用于将进入其任一端口的激光，按照由静偏磁场确定的方向顺序传入下一个端口；
Sagnac环单光子偏振调制器，与衰减器连接，用于对单光子序列进行偏振编码及诱骗态调制；
1570nm激光器，与波分复用器连接，用于提供稳定的光源，使得时钟信号和量子信号在同一根光纤之中传输；
波分复用器，与衰减器连接，用于实现多个单向信号或双向信号的传送而不用对原系统作大改动；
解波分复用器，同时与波分复用器与耦合器连接，用于将信号和时钟分开；
耦合器，同时与第一电偏振控制器、第二电偏振控制器连接，用于随机选择单光子的探测通道；
第一电偏振控制器，同时与接收方FPGA芯片与第三偏振分束器连接，用于作为起偏器，调节偏振状态；
第二电偏振控制器，同时与接收方FPGA芯片与第四偏振分束器连接，用于作为起偏器，调节偏振状态；
第三偏振分束器，同时与第一单光子探测器与第二单光子探测器连接，用于作为检偏器，探测传输到接收端的单光子信号的偏振状态；
第四偏振分束器，同时与第三单光子探测器与第四单光子探测器连接，用于作为检偏器，探测传输到接收端的单光子信号的偏振状态；
第一单光子探测器、第二单光子探测器、第三单光子探测器、第四单光子探测器，都与接收方FPGA芯片连接，都用于探测接收到的单光子，同时在收发双方以FPGA为核心，进行数据的分析采样，时钟的校验对齐，以及密钥的准确生成；
接收方FPGA芯片，用于探测接收脉冲信号，并精细计数储存；
其中Sagnac环单光子偏振调制器包括：
随机调制信号，用于使电路板上所输出的电压合路；
相位调制器，用于调至产生四种偏振态和包含三种诱骗态的单光子；
法拉第旋转器，用于通过改变周围磁场的方向改变旋转角度；
第二偏振分束器，用于将激光脉冲进行分束。
优选地，所述Sagnac环单光子偏振调制器在环中利用FPGA产生GHz高速的随机数序列，并且由随机数序列触发调制相位调制器和强度调制器。
优选地，所述相位调制偏振编码的高速量子密钥分发系统以光纤耦合器做随机选择。
优选地，所述相位调制偏振编码的高速量子密钥分发系统利用WDM将1550nm和1570nm的光复用以及解复用，之后再通过滤波器进一步消除1570nm光对于量子信道的干扰。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：本发明改进了传统的由四个激光光源组成的量子通信发送端，采用单一的激光光源，随机信号不再用来触发激光器产生光脉冲，而是触发调制器调制不同的偏振态，减小了各激光器的差异性引入的噪声以及抖动，减少了发送端的器件个数，简化了光路的复杂程度，利用单光纤传输量子信号和时钟，减小了时钟抖动带来的误码率，改善了以往冗余的光路结构，简化了系统，节约了成本。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为为本发明相位调制偏振编码的高速量子密钥分发系统的实施实例的简化图；
图2为本发明的Sagnac环单光子偏振调制器的原理示意图。
图3为本发明的Sagnac环单光子偏振调制器的工作过程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1至图3所示，本发明相位调制偏振编码的高速量子密钥分发系统包括：
发送方FPGA芯片，同时与时钟信号、激光器、强度调制器，用于产生随机数，并且记录这些产生的随机数，用于驱动强度调制器、相位调制器；
时钟信号，与1570nm激光器连接，用于实现收发双方的时钟保持一致；
激光器，与强度调制器连接，用于作为光源；
强度调制器，与第一偏振分束器连接，用于接收FPGA发送的随机数信号，产生不同的调至强度，形成诱骗态；
第一偏振分束器，与环形器连接，用于将激光脉冲进行分束；
环行器，同时连接第一偏振分束器、Sagnac环单光子偏振调制器，用于将进入其任一端口的激光，按照由静偏磁场确定的方向顺序传入下一个端口；
Sagnac环单光子偏振调制器，与衰减器连接，用于对单光子序列进行偏振编码及诱骗态调制；
1570nm激光器，与波分复用器连接，用于提供稳定的光源，使得时钟信号和量子信号在同一根光纤之中传输；
波分复用器，与衰减器连接，用于实现多个单向信号或双向信号的传送而不用对原系统作大改动；
解波分复用器，同时与波分复用器与耦合器连接，用于将信号和时钟分开；
耦合器，同时与第一电偏振控制器、第二电偏振控制器连接，用于随机选择单光子的探测通道；
第一电偏振控制器，同时与接收方FPGA芯片与第三偏振分束器连接，用于作为起偏器，调节偏振状态；
第二电偏振控制器，同时与接收方FPGA芯片与第四偏振分束器连接，用于作为起偏器，调节偏振状态；
第三偏振分束器，同时与第一单光子探测器与第二单光子探测器连接，用于作为检偏器，探测传输到接收端的单光子信号的偏振状态；
第四偏振分束器，同时与第三单光子探测器与第四单光子探测器连接，用于作为检偏器，探测传输到接收端的单光子信号的偏振状态；
第一单光子探测器、第二单光子探测器、第三单光子探测器、第四单光子探测器，都与接收方FPGA芯片连接，都用于探测接收到的单光子，同时在收发双方以FPGA为核心，进行数据的分析采样，时钟的校验对齐，以及密钥的准确生成；
接收方FPGA芯片，用于探测接收脉冲信号，并精细计数储存；
其中Sagnac环单光子偏振调制器包括：
随机调制信号，用于使电路板上所输出的电压合路；
相位调制器，用于调至产生四种偏振态和包含三种诱骗态的单光子；
法拉第旋转器，用于通过改变周围磁场的方向改变旋转角度；
第二偏振分束器，用于将激光脉冲进行分束。
相位调制偏振编码的高速量子密钥分发系统在发送方通过对弱相干单光子源进行偏振编码和诱骗态调制，实现了对单光子的信息加载和安全加密；在接收端，通过偏振调制器恢复出单光子的偏振态；最后利用自制的高速单光子探测器，探测接收到的单光子，同时在收发双方以FPGA为核心，进行数据的分析采样，时钟的校验对齐，以及密钥的准确生成。
所述Sagnac环单光子偏振调制器在环中利用FPGA产生GHz高速的随机数序列，并且由随机数序列触发调制相位调制器和强度调制器，这样能够产生四种偏振态以及三种不同的脉冲能量，以得到安全稳定传输的携带量子信息的单光子态。
所述相位调制偏振编码的高速量子密钥分发系统以光纤耦合器做随机选择，这样保证了量子通信中探测的随机性。
所述相位调制偏振编码的高速量子密钥分发系统利用WDM将1550nm(单光子信号光)和1570nm(时钟同步信号光)的光复用以及解复用，之后再通过滤波器进一步消除1570nm光对于量子信道的干扰，这样实现了一根光纤，两种信号的传输。
综上所述，本发明改进了传统的由四个激光光源组成的量子通信发送端，采用单一的激光光源，随机信号不再用来触发激光器产生光脉冲，而是触发调制器调制不同的偏振态，减小了各激光器的差异性引入的噪声以及抖动，减少了发送端的器件个数，简化了光路的复杂程度，利用单光纤传输量子信号和时钟，减小了时钟抖动带来的误码率，改善了以往冗余的光路结构，简化了系统，节约了成本。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (4)

1.一种相位调制偏振编码的高速量子密钥分发系统，其特征在于，其包括：
发送方FPGA芯片，同时与时钟信号、激光器、强度调制器，用于产生随机数，并且记录这些产生的随机数，用于驱动强度调制器、相位调制器；
时钟信号，与1570nm激光器连接，用于实现收发双方的时钟保持一致；
激光器，与强度调制器连接，用于作为光源；
强度调制器，与第一偏振分束器连接，用于接收FPGA发送的随机数信号，产生不同的调至强度，形成诱骗态；
第一偏振分束器，与环形器连接，用于将激光脉冲进行分束；
环行器，同时连接第一偏振分束器、Sagnac环单光子偏振调制器，用于将进入其任一端口的激光，按照由静偏磁场确定的方向顺序传入下一个端口；
Sagnac环单光子偏振调制器，与衰减器连接，用于对单光子序列进行偏振编码及诱骗态调制；
1570nm激光器，与波分复用器连接，用于提供稳定的光源，使得时钟信号和量子信号在同一根光纤之中传输；
波分复用器，与衰减器连接，用于实现多个单向信号或双向信号的传送而不用对原系统作大改动；
解波分复用器，同时与波分复用器与耦合器连接，用于将信号和时钟分开；
耦合器，同时与第一电偏振控制器、第二电偏振控制器连接，用于随机选择单光子的探测通道；
第一电偏振控制器，同时与接收方FPGA芯片与第三偏振分束器连接，用于作为起偏器，调节偏振状态；
第二电偏振控制器，同时与接收方FPGA芯片与第四偏振分束器连接，用于作为起偏器，调节偏振状态；
第三偏振分束器，同时与第一单光子探测器与第二单光子探测器连接，用于作为检偏器，探测传输到接收端的单光子信号的偏振状态；
第四偏振分束器，同时与第三单光子探测器与第四单光子探测器连接，用于作为检偏器，探测传输到接收端的单光子信号的偏振状态；
第一单光子探测器、第二单光子探测器、第三单光子探测器、第四单光子探测器，都与接收方FPGA芯片连接，都用于探测接收到的单光子，同时在收发双方以FPGA为核心，进行数据的分析采样，时钟的校验对齐，以及密钥的准确生成；
接收方FPGA芯片，用于探测接收脉冲信号，并精细计数储存；
其中Sagnac环单光子偏振调制器包括：
随机调制信号，用于使电路板上所输出的电压合路；
相位调制器，用于调至产生四种偏振态和包含三种诱骗态的单光子；
法拉第旋转器，用于通过改变周围磁场的方向改变旋转角度；
第二偏振分束器，用于将激光脉冲进行分束。
2.根据权利要求1所述的相位调制偏振编码的高速量子密钥分发系统，其特征在于，所述Sagnac环单光子偏振调制器在环中利用FPGA产生GHz高速的随机数序列，并且由随机数序列触发调制相位调制器和强度调制器。
3.根据权利要求1所述的相位调制偏振编码的高速量子密钥分发系统，其特征在于，所述相位调制偏振编码的高速量子密钥分发系统以光纤耦合器做随机选择。
4.根据权利要求1所述的相位调制偏振编码的高速量子密钥分发系统，其特征在于，所述相位调制偏振编码的高速量子密钥分发系统利用WDM将1550nm和1570nm的光复用以及解复用，之后再通过滤波器进一步消除1570nm光对于量子信道的干扰。
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