CN108199768A - 一种基于w态的测量设备无关量子密钥分发系统及方法 - Google Patents
一种基于w态的测量设备无关量子密钥分发系统及方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN108199768A CN108199768A CN201711499673.6A CN201711499673A CN108199768A CN 108199768 A CN108199768 A CN 108199768A CN 201711499673 A CN201711499673 A CN 201711499673A CN 108199768 A CN108199768 A CN 108199768A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- quantum
- state
- photon detector
- states
- photon
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
- H04L9/00—Cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communications; Network security protocols
- H04L9/08—Key distribution or management, e.g. generation, sharing or updating, of cryptographic keys or passwords
- H04L9/0816—Key establishment, i.e. cryptographic processes or cryptographic protocols whereby a shared secret becomes available to two or more parties, for subsequent use
- H04L9/0852—Quantum cryptography
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04B—TRANSMISSION
- H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
- H04B10/07—Arrangements for monitoring or testing transmission systems; Arrangements for fault measurement of transmission systems
- H04B10/075—Arrangements for monitoring or testing transmission systems; Arrangements for fault measurement of transmission systems using an in-service signal
- H04B10/079—Arrangements for monitoring or testing transmission systems; Arrangements for fault measurement of transmission systems using an in-service signal using measurements of the data signal
- H04B10/0795—Performance monitoring; Measurement of transmission parameters
- H04B10/07953—Monitoring or measuring OSNR, BER or Q
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04B—TRANSMISSION
- H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
- H04B10/29—Repeaters
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04B—TRANSMISSION
- H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
- H04B10/50—Transmitters
- H04B10/501—Structural aspects
- H04B10/503—Laser transmitters
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04B—TRANSMISSION
- H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
- H04B10/50—Transmitters
- H04B10/516—Details of coding or modulation
- H04B10/54—Intensity modulation
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04B—TRANSMISSION
- H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
- H04B10/50—Transmitters
- H04B10/516—Details of coding or modulation
- H04B10/548—Phase or frequency modulation
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04B—TRANSMISSION
- H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
- H04B10/60—Receivers
- H04B10/61—Coherent receivers
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04B—TRANSMISSION
- H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
- H04B10/70—Photonic quantum communication
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Computer Security & Cryptography (AREA)
- Optical Communication System (AREA)
- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于W态的测量设备无关量子密钥分发系统及方法,包括四个量子终端单元和一个量子终端单元。四个量子终端单元的脉冲激光器发送指定波长激光,经过相位调制器随机调制[0,2π]之间的相位,经偏振控制器随机加载水平、垂直、+45°、‑45°偏振,再经过强度调制器标记诱骗态或信号态,最后由可调衰减器衰减为理论计算优化后的平均光子数值后发送到量子中继单元。量子中继单元对经由量子信道传输的信号进行W态投影测量,根据探测器的响应,量子中继单元公布测量结果,四个量子终端单元中随机选取两个公布量子态,如果两者量子态反相关,则放弃该数据;如果两者量子态相关,则剩余两者做比特翻转后得到共享的密码。本发明使用W态进行量子密钥分发,对环境的适应性更好,采用基本的线性光学元件,技术成熟,成本较低。
Description
技术领域
本发明涉及量子信息与光通信技术领域,具体来说是涉及一种基于W态的测量设备无关量子密钥分发系统及方法。
背景技术
自从1984年Bennett和Brassard提出第一个量子密钥分发协议(Quantum KeyDistribution,QKD)“BB84”以来,受益于光传输网络中信道(光纤)和器件(如分束器、雪崩光电二极管APD)的不断进步,QKD已经成为量子信息领域最为接近实用化的技术。QKD能够实现在窃听者存在的情况下,合法通信双方(通常称为Alice和Bob)共享理论上绝对安全的量子密钥。结合“一次一密(One Time Pad,OTP)”技术,Alice和Bob之间通过量子密钥就能实现绝对安全的通信。
但是实际器件和其理论模型之间的差异引入了一些安全隐患。例如,对于光子数分离(Photon Number Split,PNS)攻击,基于强衰减激光的弱相干光光源的多光子成分的信息将全部泄露。针对多个探测器量子效率不一致,人们提出了时移攻击和伪态攻击。甚至人们发现使用致盲攻击时,窃听者可以完全控制使用雪崩光电二极管(AvalanchePhotodiode)探测单光子态的商用系统,如id3110Clavis2和QPN 5505。
于是,必须想方设法弥补这些漏洞。针对光源部分,人们提出了诱骗态方案,利用诱骗态光子对信道进行监控,更好地评估量子信道的情况,大大增加了安全通信距离,使得PNS攻击效率下降。针对探测器部分,人们提出了测量设备无关协议,利用时间反转的EPR协议等价性,很好地证明了该协议的安全性,并且一次性关闭了所有的探测器漏洞。
最初的测量设备无关量子密钥分发是基于Bell态测量。Alice和Bob分别制备量子态(直线基:水平|H>或垂直|V>;对角基:+45°|+>或-45°|->)并发送到不可信的第三方Charlie(Eve)。Charlie通过Bell态测量得到结果,
如果测量结果是时,表示测量成功。Charlie公布测量结果,Alice和Bob根据测量结果对本地数据操作即可得到安全密钥。
W态是多粒子纠缠态的一种,在量子信息处理有着非常重要的作用。W态可以使用Type II类参量下转换和线性光学器件来实现。与同为多粒子纠缠GHZ态相比,W态的一个重要特征是当其中一个粒子丢失或者投影到制定量子态后,
剩余的粒子仍然是纠缠的。也就是说,W态的鲁棒性更好。以4粒子为例,存在16个W态,描述如下:
|W4,0>=1/2(|HHHV>+|HHVH>+|HVHH>+|VHHH>) (1)
|W4,1>=1/2(|HHHV>-|HHVH>-|HVHH>+|VHHH>) (2)
|W4,2>=1/2(|HHHV>-|HHVH>+|HVHH>-|VHHH>) (3)
|W4,3>=1/2(|HHHV>+|HHVH>-|HVHH>-|VHHH>) (4)
|W4,4>=1/2(|HHHH>+|VVHH>+|VHVH>+|VHHV>) (5)
|W4,4>=1/2(|HHHH>-|VVHH>-|VHVH>+|VHHV>) (6)
|W4,4>=1/2(|HHHH>-|VVHH>+|VHVH>-|VHHV>) (7)
|W4,4>=1/2(|HHHH>+|VVHH>-|VHVH>-|VHHV>) (8)
|W4,8>=1/2(|HHVV>+|HVHV>+|HVVH>+|VVVV>) (9)
|W4,8>=1/2(|HHVV>-|HVHV>-|HVVH>+|VVVV>) (10)
|W4,8>=1/2(|HHVV>-|HVHV>+|HVVH>-|VVVV>) (11)
|W4,8>=1/2(|HHVV>+|HVHV>-|HVVH>-|VVVV>) (12)
|W4,c>=1/2(|HVVV>+|VHVV>+|VVHV>+|VVVH>) (13)
|W4,c>=1/2(|HVVV>-|VHVV>-|VVHV>+|VVVH>) (14)
|W4,c>=1/2(|HVVV>-|VHVV>+|VVHV>-|VVVH>) (15)
|W4,c>=1/2(|HVVV〉+|VHVV>+|VVHV>+|VVVH>) (16)
其中H表示水平偏振态,V表示垂直偏振态。
目前提出使用偏振态编码的基于GHZ态的量子密码会议,主要进行三方之间的量子密钥分发,利用time-bin编码的W态分析器并以该装置为基础提出了多方量子密钥分发协议,但系统的编码效率以及系统器件利用效率都较低。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足,提供一种基于W态的测量设备无关量子密钥分发系统,该系统中,四个用户通过脉冲激光器、强度调制器、偏振调制器和可调衰减器产生的平均光子数小于1的,包含诱骗态和信号态的弱相干态光子,并发送到量子中继单元,量子中继单元对四方发送的量子态进行测量,并公布测量结果,四个用户根据测量结果结合本地数据实现密钥共享。
本发明提出一种基于W态测量设备无关的量子密钥分发系统和方法,采用不可信的量子中继单元,可以消除所有针对探测器端的攻击,进一步地结合诱骗态方法对信道监控以增加安全传输距离,抵御光子数分离攻击,能够使用弱相干态光源。本发明采用偏振态编码和线性光学元件,成熟稳定。
为达到上述目的,本发明是这样实现的:一种基于W态的测量设备无关量子密钥分发系统,包括四个量子终端单元,所述四个量子终端单元分别通过量子信道和量子中继单元连接,其中:
所述四个量子终端单元均包括脉冲激光器、相位调制器、偏振调制器、强度调制器和可调衰减器。其中所述脉冲激光器选择在通信波段的脉冲激光器;所述相位调制器可随机加载[0,2π]之间的相位;所述偏振调制器可随机的将脉冲光调制成水平,垂直,+45度或45度偏振态;所述强度调制器标记诱骗态或信号态光子;所述可调衰减器结合强度控制器,提供足够的衰减使得平均光子数小于1;
所述量子中继单元包括第一分束器、第二分束器、第三分束器、第四分束器、第五分束器、第一偏振分束器、第二偏振分束器、第三偏振分束器、第四偏振分束器、第一单光子探测器、第二单光子探测器、第三单光子探测器以及第四单光子探测器。
所述第一偏振分束器、第二偏振分束器、第三偏振分束器、第四偏振分束器采用四端口偏振分束器,可以透射水平偏振态,反射垂直偏振态。
所述量子终端单元的脉冲激光器分别发出脉冲激光,经相位调制器随机加载[0,2π]之间的相位以满足光子数态的要求,然后经偏振调制器随机调制为水平、垂直、+45度或-45度,再经过强度调制器标记诱骗态和信号态,最后经过可调衰减器衰减成为平均光子数小于1的脉冲激光,然后发送到量子中继单元进行测量;
四个量子终端单元输出的光子进入量子中继单元,经过分束器和偏振分束器等光学元件的量子态变换,最后达到单光子探测器,单光子探测器根据输入的量子态做出响应:
四个量子终端单元的量子信号经第一分束器、第二分束器、第三分束器的输入端分别入射到量子中继单元,随后被第一单光子探测器、第二单光子探测器、第三单光子探测器、第四单光子探测器分别探测,发送至符合计数器进行统计;
当第一单光子探测器、第二单光子探测器、第三单光子探测器、第四单光子探测器同时响应时,意味着联合量子态投影到|W4,0>=1/2(|HHHV>+|HHVH>+|HVHH>+|VHHH>)。量子中继单元宣布上述测量结果,即得到原始码。
四个量子终端单元随机选取两个公布其量子态。如果一个为|H>一个为|V〉,则丢弃该数据;如果两个都为|H〉,则意味着剩余两者量子态反相关,两者做比特翻转,由此得到筛选码;如果量子态为对角基,则只用于测试误码率,不用于产生密钥。
例如四个量子终端单元分别为Alice、Bob、Charlie、David,那么其结果如下:
所述偏振分束器为四端口偏振分束器。
所述量子信道采用光纤或者空气。
具体地,成码的光子偏振态包括水平偏振态和垂直偏振态,而编码的偏振态包含水平、垂直、+45度或-45度偏振态,+45度或-45度可用作检测误码率,其中,用户端发出随机生成的比特位的过程叫编码过程,最后保留的比特位的过程叫成码过程。
一种应用上述所述的基于W态的测量设备无关量子密钥分发系统的方法,包括以下步骤:
S1.系统初始化:检查四个量子终端单元和量子中继单元的软硬件,检测器件是否正常运转,设定初始条件;
S2.系统噪声水平测试:四个量子终端单元分别发送激光脉冲,经过普通光电探测器测试系统的信噪比:SNR=10lg(PS/PN),其中PS为信号功率,PN为噪声功率;如果未能通过信噪比测试,则重新初始化系统,设置参数;
S3.光纤长度测试与脉冲延时设置:为保证各个光子按时到达量子中继单元,使用OTDR测试光纤长度,根据飞行时间差设置脉冲延时时间;
S4.量子信息编码:四个量子终端单元的激光器发送指定波长激光,经过相位调制器随机调制[0,2π]之间的相位,经偏振控制器随机加载水平、垂直、+45°、-45°偏振,再经过强度调制器标记诱骗态或信号态,最后由可调衰减器衰减为理论计算优化后的平均光子数值后发送到量子中继单元;
S5.密钥筛选与成码:第一单光子探测器、第二单光子探测器、第三单光子探测器、第四单光子探测器同时响应时,量子中继单元记录该事件并公开宣布该测量结果;四个量子终端单元随机选取两个公布其量子态。如果一个为|H〉一个为|V〉,则丢弃该数据;如果两个都为|H>,则意味着剩余两者量子态反相关,两者做比特翻转,由此得到筛选码;如果量子态为对角基,则只用于测试误码率,不用于产生密钥;
S6.误码率的检测:共享密钥双方通过认证的经典信道,随机选择一部分筛选码,计算误码率:QBER=Nerr/Nsift。当误码率高于理论计算值时,放弃本次通信;如果低于理论计算值则继续S7;
S7.纠错和保密增强:得到筛选码的通信双方通过经典方法,所述经典方法可以是Cascade、Hamming、LDPC以及Hash方法;例如通过Hash方法对本地密码纠错,由此双方得到完全一致的密钥。纠错通过后,丢弃一部分数据使得窃听者得到的信息接近于零,即保密增强。
与现有技术相比,本发明的有益效果为:
1.本发明采用W态进行量子密钥分发,能够实现四方之间任意两方的密钥共享,并且理论证明W态的环境鲁棒性好于GHZ和Bell态。
2.本发明采用线性光学元件,技术成熟可靠。
3.本发明采用测量设备无关方法,能够彻底消除探测器的安全隐患。
4.本发明进一步地结合诱骗态方法对信道监控以增加安全传输距离,抵御光子数分离攻击,能够使用弱相干态光源。
附图说明
图1为本发明的量子终端单元的原理图;
图2为本发明的量子中继单元的原理图;
图3为本发明的系统原理图;
图4为本发明的工作流程图。
附图标记说明:
量子终端单元Alice-1’;第一脉冲激光器-101,第一相位调制器-102,第一偏振调制器-103,第一强度调制器-104,第一可调衰减器-105,第一光信道监控器-106;
量子终端单元Bob-2’;第二脉冲激光器-201,第二相位调制器-202,第二偏振调制器-203,第二强度调制器-204,第二可调衰减器-205,第二光信道监控器-206;
量子终端单元Charlie-3’;第三脉冲激光器-301,第三相位调制器-302,第三偏振调制器-303,第三强度调制器-304,第三可调衰减器-305,第三光信道监控器-306;
量子终端单元David-4’;第四脉冲激光器-401,第四相位调制器-402,第四偏振调制器-403,第四强度调制器-404,第四可调衰减器-405,第四光信道监控器-406;
量子中继单元Eason-5’,第一分束器-501,第二分束器-502,第三分束器-503,第四分束器-504,第五分束器-505;
第一偏振分束器-511,第二偏振分束器-512,第三偏振分束器-513,第四偏振分束器-514;
第一平面镜-521,第二平面镜-522,第三平面镜-523,第四平面镜-524;
第一单光子探测器-531,第二单光子探测器-532,第三单光子探测器-533,第四单光子探测器-534;
符合计数器-506。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。
参照附图1-图4所示,一种基于W态的测量设备无关量子密钥分发系统和方法,包括量子终端单元Alice-1’、量子终端单元Bob-2’、量子终端单元Charlie-3’、量子终端单元David-4’和量子中继单元Eason-5’;其中:
其中Alice、Bob、Charlie、David的结构完全相同,均为密钥分发的对象即系统客户端,用于产生并调制脉冲激光为不同量子态,最后实现密钥共享。
所述Alice、Bob、Charlie、David以及Eason是对各个单元的一个命名,没有实际含义。
本实施例中,如图1所示,所述量子终端单元Alice-1’包括第一脉冲激光器-101,第一相位调制器-102,第一偏振调制器-103,第一强度调制器-104,第一可调衰减器-105,第一光信道监控器-106;
如图1所示,所述量子终端单元Bob-2’包括第二脉冲激光器-201,第二相位调制器-202,第二偏振调制器-203,第二强度调制器-204,第二可调衰减器-205,第二光信道监控器-206;
如图1所示,所述量子终端单元Charlie-3’包括第三脉冲激光器-301,第三相位调制器-302,第三偏振调制器-303,第三强度调制器-304,第三可调衰减器-305,第三光信道监控器-306;
如图1所示,所述量子终端单元David-4’包括第四脉冲激光器-401,第四相位调制器-402,第四偏振调制器-403,第四强度调制器-404,第四可调衰减器-405,第四光信道监控器-406;
如图2所示,所述量子中继单元Eason-5’包括第一分束器-501,第二分束器-502,第三分束器-503,第四分束器-504,第五分束器-505,第一偏振分束器-511,第二偏振分束器-512,第三偏振分束器-513,第四偏振分束器-514,第一平面镜-521,第二平面镜-522,第三平面镜-523,第四平面镜-524,第一单光子探测器-531,第二单光子探测器-532、第三单光子探测器-533,第四单光子探测器-534、符合计数器-506。
如图3所示,本发明工作时,所述量子终端单元Alice、Bob、Charlie、David的第一、第二、第三、第四脉冲激光器101、201、301、401分别发出脉冲激光,利用第一、第二、第三、第四相位调制器102、202、302、402分别随机加载相位,利用第一、第二、第三、第四偏振调制器103、203、303、403分别把脉冲激光随机调制成水平,垂直,+45°或-45°偏振态,经过第一、第二、第三、第四强度调制器104、204、304、404分别标记诱骗态或信号态,再经过第一、第二、第三、第四可调衰减器105、205、305、405衰减指定平均光子数的脉冲,然后发送到量子中继单元Eason-5’,其中第一、第二、第三、第四光信道监控器106、206、306、406用于估计量子信道的光子数分布和监控木马攻击;
经调制的量子态通过量子信道传输到量子中继单元Eason-5’,经第一分束器501、第二分束器502、第三分束器503的输入端分别入射到量子中继单元。由第一、第二、第三、第四单光子探测器531、532、533、534分别探测,输入符合计数器506进行统计。
量子中继单元Eason-5’宣布测量结果。如果第一、第二、第三、第四单光子探测器531、532、533、534同时响应即符合计数器506计数,表明系统投影到了量子态|W4,0>=1/2(|HHHV>+|HHVH>+|HVHH>+|VHHH>)。
根据以上表达式可知,系统中有一个量子终端单元的量子态与其他几个不同。因此可根据以下步骤进行密钥分发:随机选择四个量子终端单元中的两个,如果其量子态均为|H>,则表明剩余两个量子终端单元的量子态一个为|H>,一个为|V>,两者做比特翻转即可得到相同的码。具体方式如下表所示。
如果第一、第二、第三、第四单光子探测器531、532、533、534的响应为其他情况,则表明测量失败,数据无效。
需要注意的是,如果采用的是对角基+45°和-45°,理论表明对角基的误码率要大于直线基,因此对角基可用于估计误码,但是不用于生成密钥。
如图4所示,一种基于W态的测量设备无关量子密钥分发方法,该方法包括以下步骤:
S1.系统初始化:检查量子终端单元Alice、Bob、Charlie、David和量子中继单元Eason的软硬件,检测器件是否正常运转,设定初始条件;
S2.系统噪声水平测试:在量子终端单元Alice、Bob、Charlie、David分别发送激光脉冲,经过普通光电探测器测试系统的信噪比:SNR=10lg(PS/PN),其中PS为信号功率,PN为噪声功率;如果未能通过信噪比测试,则重新初始化系统,设置参数。
S3.光纤长度测试与脉冲延时设置:为保证各个光子按时到达量子中继单元,使用OTDR测试光纤长度,根据飞行时间差设置脉冲延时时间;
S4.量子信息编码:量子终端单元Alice、Bob、Charlie、David的激光器发送指定波长激光,经过相位调制器随机调制[0,2π]之间的相位,经偏振控制器随机加载水平、垂直、+45°、-45°偏振,再经过强度调制器标记诱骗态或信号态,最后由可调衰减器衰减为理论计算优化后的平均光子数值后发送到量子中继单元Eason;
S5.密钥筛选与成码:第一单光子探测器、第二单光子探测器、第三单光子探测器、第四单光子探测器同时响应时,Eason记录该事件并公开宣布该测量结果;四个量子终端单元Alice、Bob、Charlie、David随机选取两个公布其量子态。如果一个为|H>一个为|V>,则丢弃该数据;如果两个都为|H>,则意味着剩余两者量子态反相关,两者做比特翻转,由此得到筛选码;如果量子态为对角基,则只用于测试误码率,不用于产生密钥。
S6.误码率的检测:共享密钥双方通过认证的经典信道,选择一部分筛选码,计算误码率:QBER=Nerr/Nsift。当误码率高于理论计算值时,放弃本次通信;如果低于理论计算值则继续S7;
S7.纠错和保密增强:得到筛选码的通信双方通过经典方法,如Hash对本地密码纠错,由此双方得到完全一致的密钥。纠错通过后,丢弃一部分数据使得窃听者Eve得到的信息接近于零,即保密增强。
1.本发明采用W态进行量子密钥分发,能够实现四方之间任意两方的密钥共享,并且理论证明W态的环境鲁棒性好于GHZ和Bell态。
2.本发明采用线性光学元件,技术成熟可靠。
3.本发明采用测量设备无关方法,能够彻底消除探测器的安全隐患。
4.本发明进一步地结合诱骗态方法对信道监控以增加安全传输距离,抵御光子数分离攻击,能够使用弱相干态光源。
根据上述说明书的揭示和教导,本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此,本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式,对发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外,尽管本说明书中使用了一些特定的术语,但这些术语只是为了方便说明,并不对本发明构成任何限制。
Claims (7)
1.一种基于W态的测量设备无关量子密钥分发系统,包括四个量子终端单元和一个量子中继单元,其特征在于:
所述四个量子终端单元分别通过量子信道和量子中继单元连接,其中:
所述四个量子终端单元均包括脉冲激光器、相位调制器、偏振控制器、强度调制器、可调衰减器和光信道监控器;
所述量子中继单元包括第一分束器、第二分束器、第三分束器、第四分束器以及第五分束器;
所述量子中继单元还包括第一偏振分束器、第二偏振分束器、第三偏振分束器以及第四偏振分束器;
所述量子中继单元还包括第一平面镜、第二平面镜、第三平面镜以及第四平面镜;
所述量子中继单元还包括第一单光子探测器、第二单光子探测器、第三单光子探测器、第四单光子探测器以及符合计数器;
所述四个量子终端单元的脉冲激光器分别发出脉冲激光进入到与其对应的相位调制器,经所述相位调制器随机加载相位再传输到偏振控制器,在所述偏振控制器中分别把脉冲激光随机调制成水平、垂直、+45°或-45°量子态,再经过强度调制器标记诱骗态或信号态,再经过可调衰减器衰减成为平均光子数小于1的脉冲激光,然后经量子信道发送到量子中继单元;
四个量子终端单元的量子信号经第一分束器、第二分束器、第三分束器的输入端分别入射到量子中继单元,随后被第一单光子探测器、第二单光子探测器、第三单光子探测器、第四单光子探测器分别探测,发送至符合计数器进行统计;
如果符合计数器得到第一单光子探测器、第二单光子探测器、第三单光子探测器、第四单光子探测器同时响应事件,量子中继单元记录该事件并公开宣布该测量结果:
四个量子终端单元随机选取两个公布其量子态;
若一个为|H>一个为|V>,则丢弃此数据,其中|H>表示光子的水平偏振态,|V>表示光子的垂直偏振态;
若两个都为|H>,则意味着剩余两者量子态反相关,两者做比特翻转,由此得到筛选码;
若量子态为对角基,则只用于测试误码率,不用于产生密钥。
2.如权利要求1所述的一种基于W态的测量设备无关量子密钥分发系统,其特征在于:所述比特位包括“0”和“1”,比特位的翻转表示“0”和“1”之间的相互转换。
3.如权利要求1所述的一种基于W态的测量设备无关量子密钥分发系统,其特征在于:所述量子终端单元还包括光信道监控器。
4.如权利要求1所述的一种基于W态的测量设备无关量子密钥分发系统,其特征在于:所述偏振分束器为四端口偏振分束器。
5.如权利要求1所述的一种基于W态的测量设备无关量子密钥分发系统,其特征在于:所述量子信道采用光纤或者空气。
6.一种应用权利要求3‐5任一项所述的基于W态的测量设备无关量子密钥分发系统的方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
S1.系统初始化:检查四个量子终端单元和量子中继单元的软硬件,检测器件是否正常运转,设定初始条件;
S2.系统噪声水平测试:四个量子终端单元分别发送激光脉冲,经过普通光电探测器测试系统的信噪比:SNR=10lg(PS/PN),其中PS为信号功率,PN为噪声功率;如果未能通过信噪比测试,则重新初始化系统,设置参数;
S3.光纤长度测试与脉冲延时设置:为保证各个光子按时到达量子中继单元,使用OTDR测试光纤长度,根据飞行时间差设置脉冲延时时间;
S4.量子信息编码:四个量子终端单元的激光器发送指定波长激光,经过相位调制器随机调制[0,2π]之间的相位,经偏振控制器随机加载水平、垂直、+45°、-45°偏振,再经过强度调制器标记诱骗态或信号态,最后由可调衰减器衰减为理论计算优化的平均光子数后发送到量子中继单元;
S5.密钥筛选与成码:第一单光子探测器、第二单光子探测器、第三单光子探测器、第四单光子探测器同时响应时,量子中继单元记录该事件并公开宣布该测量结果;四个量子终端单元随机选取两个公布其量子态;如果一个为|H>一个为|V>,则丢弃该数据;如果两个都为|H>,则意味着剩余两者量子态反相关,两者做比特翻转,由此得到筛选码;如果量子态为对角基,则只用于测试误码率,不用于产生密钥;
S6.误码率的检测:共享密钥双方通过认证的经典信道,随机选择一部分筛选码,计算误码率:QBER=Nerr/Nsift;当误码率高于理论计算值时,放弃本次通信;如果低于理论计算值则继续步骤S7;
S7.纠错和保密增强:得到筛选码的通信双方通过经典方法对本地密码纠错,使双方得到完全一致的密钥;纠错通过后,丢弃一部分数据使得非通信双方用户得到的信息接近于零,即保密增强。
7.如权利要求6所述的方法,其特征在于:步骤S7所述的经典方法至少包括Cascade、Hamming、LDPC以及Hash方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201711499673.6A CN108199768B (zh) | 2017-12-29 | 2017-12-29 | 一种基于w态的测量设备无关量子密钥分发系统及方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201711499673.6A CN108199768B (zh) | 2017-12-29 | 2017-12-29 | 一种基于w态的测量设备无关量子密钥分发系统及方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN108199768A true CN108199768A (zh) | 2018-06-22 |
CN108199768B CN108199768B (zh) | 2023-02-28 |
Family
ID=62587871
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201711499673.6A Active CN108199768B (zh) | 2017-12-29 | 2017-12-29 | 一种基于w态的测量设备无关量子密钥分发系统及方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN108199768B (zh) |
Cited By (16)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN108847939A (zh) * | 2018-10-09 | 2018-11-20 | 南京南瑞国盾量子技术有限公司 | 一种基于量子网络的mdi-qkd协议 |
CN108900254A (zh) * | 2018-07-20 | 2018-11-27 | 苏州大学 | 一种基于四比特Cluster态的远距离隐形传态方法 |
CN109495261A (zh) * | 2018-12-29 | 2019-03-19 | 华南师范大学 | 一种实时跟踪补偿的oam测量设备无关量子密钥分发系统及方法 |
CN110896328A (zh) * | 2018-09-12 | 2020-03-20 | 中国科学技术大学 | 基于单个参考光脉冲单零差探测的连续变量量子密钥分发系统 |
CN111092664A (zh) * | 2019-12-06 | 2020-05-01 | 南京邮电大学 | 一种测量设备无关的量子安全通信的信道增容方法 |
CN111510207A (zh) * | 2020-04-15 | 2020-08-07 | 中国人民解放军国防科技大学 | 量子密钥分发系统中源端光强波动测试方法 |
CN112039919A (zh) * | 2020-09-11 | 2020-12-04 | 长春理工大学 | 基于频数均衡的大气湍流光信道共享随机比特提取方法 |
CN112332987A (zh) * | 2021-01-06 | 2021-02-05 | 成都信息工程大学 | 一种基于用户代理的云量子隐私查询方法 |
CN112511298A (zh) * | 2020-12-02 | 2021-03-16 | 中南大学 | 基于玻色采样的随机数生成方法及量子密钥分发方法 |
CN112953709A (zh) * | 2021-01-26 | 2021-06-11 | 四川轻化工大学 | 一种远距离高效光量子密钥传输方法及其系统 |
CN113169863A (zh) * | 2018-09-14 | 2021-07-23 | Cup科学股份有限公司 | 光学加密终端、密码术密钥分配系统和在密码术密钥分配系统中生成密码术密钥的方法 |
CN113348637A (zh) * | 2018-11-27 | 2021-09-03 | 康宁股份有限公司 | 具有低损耗色散限制光纤的量子密钥分发系统 |
CN113364588A (zh) * | 2021-07-12 | 2021-09-07 | 中国科学技术大学 | 量子密钥分发方法以及量子密钥分发系统 |
CN113676319A (zh) * | 2021-07-27 | 2021-11-19 | 广东国腾量子科技有限公司 | 一种测量基可信的量子密钥分发系统及方法 |
CN114050868A (zh) * | 2021-11-08 | 2022-02-15 | 北京师范大学 | 基于发或不发方法的量子安全直接通信方法 |
CN114448621A (zh) * | 2022-01-21 | 2022-05-06 | 西安电子科技大学 | 一种多方双场量子密钥分发协议实现方法及系统 |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20080292102A1 (en) * | 2007-05-25 | 2008-11-27 | Shuoqin Wang | Quantum key distribution system and method |
CN105515767A (zh) * | 2015-12-31 | 2016-04-20 | 华南师范大学 | 基于dps的多用户qkd网络系统及其密钥分发方法 |
-
2017
- 2017-12-29 CN CN201711499673.6A patent/CN108199768B/zh active Active
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20080292102A1 (en) * | 2007-05-25 | 2008-11-27 | Shuoqin Wang | Quantum key distribution system and method |
CN105515767A (zh) * | 2015-12-31 | 2016-04-20 | 华南师范大学 | 基于dps的多用户qkd网络系统及其密钥分发方法 |
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
夏秀秀等: "光纤量子隐形传态技术最新进展", 《信息安全研究》 * |
林青: "普适单体偏振高维量子态幺正操作的光学实现", 《中国科学:物理学 力学 天文学》 * |
Cited By (24)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN108900254A (zh) * | 2018-07-20 | 2018-11-27 | 苏州大学 | 一种基于四比特Cluster态的远距离隐形传态方法 |
CN108900254B (zh) * | 2018-07-20 | 2021-01-26 | 苏州大学 | 一种基于四比特Cluster态的远距离隐形传态方法 |
CN110896328A (zh) * | 2018-09-12 | 2020-03-20 | 中国科学技术大学 | 基于单个参考光脉冲单零差探测的连续变量量子密钥分发系统 |
CN113169863A (zh) * | 2018-09-14 | 2021-07-23 | Cup科学股份有限公司 | 光学加密终端、密码术密钥分配系统和在密码术密钥分配系统中生成密码术密钥的方法 |
CN108847939A (zh) * | 2018-10-09 | 2018-11-20 | 南京南瑞国盾量子技术有限公司 | 一种基于量子网络的mdi-qkd协议 |
CN113348637A (zh) * | 2018-11-27 | 2021-09-03 | 康宁股份有限公司 | 具有低损耗色散限制光纤的量子密钥分发系统 |
CN109495261A (zh) * | 2018-12-29 | 2019-03-19 | 华南师范大学 | 一种实时跟踪补偿的oam测量设备无关量子密钥分发系统及方法 |
CN109495261B (zh) * | 2018-12-29 | 2024-01-23 | 广东尤科泊得科技发展有限公司 | 一种实时跟踪补偿的oam测量设备无关量子密钥分发系统及方法 |
CN111092664A (zh) * | 2019-12-06 | 2020-05-01 | 南京邮电大学 | 一种测量设备无关的量子安全通信的信道增容方法 |
CN111092664B (zh) * | 2019-12-06 | 2022-02-11 | 南京邮电大学 | 一种测量设备无关的量子安全通信的信道增容方法 |
CN111510207A (zh) * | 2020-04-15 | 2020-08-07 | 中国人民解放军国防科技大学 | 量子密钥分发系统中源端光强波动测试方法 |
CN112039919A (zh) * | 2020-09-11 | 2020-12-04 | 长春理工大学 | 基于频数均衡的大气湍流光信道共享随机比特提取方法 |
CN112039919B (zh) * | 2020-09-11 | 2022-08-23 | 长春理工大学 | 基于频数均衡的大气湍流光信道共享随机比特提取方法 |
CN112511298A (zh) * | 2020-12-02 | 2021-03-16 | 中南大学 | 基于玻色采样的随机数生成方法及量子密钥分发方法 |
CN112332987B (zh) * | 2021-01-06 | 2021-03-23 | 成都信息工程大学 | 一种基于用户代理的云量子隐私查询方法 |
CN112332987A (zh) * | 2021-01-06 | 2021-02-05 | 成都信息工程大学 | 一种基于用户代理的云量子隐私查询方法 |
CN112953709A (zh) * | 2021-01-26 | 2021-06-11 | 四川轻化工大学 | 一种远距离高效光量子密钥传输方法及其系统 |
CN113364588A (zh) * | 2021-07-12 | 2021-09-07 | 中国科学技术大学 | 量子密钥分发方法以及量子密钥分发系统 |
CN113676319A (zh) * | 2021-07-27 | 2021-11-19 | 广东国腾量子科技有限公司 | 一种测量基可信的量子密钥分发系统及方法 |
CN113676319B (zh) * | 2021-07-27 | 2024-04-16 | 广东国腾量子科技有限公司 | 一种测量基可信的量子密钥分发系统及方法 |
CN114050868A (zh) * | 2021-11-08 | 2022-02-15 | 北京师范大学 | 基于发或不发方法的量子安全直接通信方法 |
CN114050868B (zh) * | 2021-11-08 | 2023-01-31 | 北京师范大学 | 基于发或不发方法的量子安全直接通信方法 |
CN114448621A (zh) * | 2022-01-21 | 2022-05-06 | 西安电子科技大学 | 一种多方双场量子密钥分发协议实现方法及系统 |
CN114448621B (zh) * | 2022-01-21 | 2024-04-23 | 西安电子科技大学 | 一种多方双场量子密钥分发协议实现方法及系统 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN108199768B (zh) | 2023-02-28 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN108199768A (zh) | 一种基于w态的测量设备无关量子密钥分发系统及方法 | |
Vagniluca et al. | Efficient time-bin encoding for practical high-dimensional quantum key distribution | |
Gordon et al. | A short wavelength gigahertz clocked fiber-optic quantum key distribution system | |
US10855456B2 (en) | Quantum key distribution information leakage due to backflashes in single photon avalanche photodiodes | |
CN105515767B (zh) | 基于dps的多用户qkd网络系统及其密钥分发方法 | |
CN109450628B (zh) | 一种即插即用测量设备无关量子密钥分发网络系统及方法 | |
Buttler et al. | Free-space quantum-key distribution | |
CN103780378B (zh) | 一种连续变量量子密钥分配系统侦听方法 | |
US8295485B2 (en) | Quantum communication system | |
CN108111304B (zh) | 一种多方测量设备无关量子密钥分发网络系统及方法 | |
US20120063789A1 (en) | Photon detector | |
Cao et al. | Chip-based measurement-device-independent quantum key distribution using integrated silicon photonic systems | |
RU2507690C1 (ru) | Способ квантового кодирования и передачи криптографических ключей | |
CN102368705A (zh) | 对偏振编码量子密钥分配系统的攻击方法 | |
WO2005057843A1 (en) | Optical pulse calibration for qkd | |
GB2520208A (en) | A system and method for intensity monitoring | |
CN111600702A (zh) | 一种偏振编码量子密钥分发系统的解码装置 | |
Huang et al. | Experimental secure quantum key distribution in the presence of polarization-dependent loss | |
CN207947786U (zh) | 一种多方测量设备无关量子密钥分发网络系统 | |
CN108183793A (zh) | 一种多用户测量设备无关量子密钥分发系统及方法 | |
CN209930270U (zh) | 基于单光子通信技术的量子通信系统 | |
CN207947787U (zh) | 一种基于偏振的w态测量装置 | |
Jacak et al. | Quantum cryptography: Theoretical protocols for quantum key distribution and tests of selected commercial qkd systems in commercial fiber networks | |
CN116723054B (zh) | 抵御校准过程中引入探测效率失配漏洞的方法 | |
CN114745103B (zh) | 一种环状结构的多用户量子密钥分发系统及方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20210125 Address after: 526238 room 1319, Fumin Building, 18 Beijiang Avenue, high tech Zone, Zhaoqing City, Guangdong Province Applicant after: NATIONAL QUANTUM COMMUNICATION (GUANGDONG) Co.,Ltd. Address before: School of information and optoelectronics, South China Normal University, 378 Waihuan West Road, Guangzhou, Guangdong 510006 Applicant before: SOUTH CHINA NORMAL University Applicant before: NATIONAL QUANTUM COMMUNICATION (GUANGDONG) Co.,Ltd. |
|
TA01 | Transfer of patent application right | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |