CN108206716A - 应用于量子密钥分发系统的同步方法及装置及分发系统 - Google Patents

应用于量子密钥分发系统的同步方法及装置及分发系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种应用于量子密钥分发系统的同步方法，该量子密钥分发方法使用的系统包括设置在系统发射端的激光器、光纤、设置在系统接收端的探测器，其中激光器除发射量子信号外，还发射一种波长与量子信号光相同，但强度较强的光(强光)；量子信号光和强光通过光纤中的一个信道传送到系统接收端的探测器进行探测，系统两端根据该强光信号完成同步，所述强光需要满足经过传输链路的衰减后，强光仍然能被探测器探测到。本发明还提供了使用上述方法的同步装置以及具有该同步装置的密钥分发系统。本发明的优点在于：降低了系统成本，并且解决了现有方案需要多占用一个信道(波长)的问题和实现效率低的问题。

Description

应用于量子密钥分发系统的同步方法及装置及分发系统
技术领域
本发明涉及量子保密通信领域，特别是提供了一种适用于量子密钥分发系统的同步方法及装置及量子密钥分发系统。
背景技术
量子密钥分发(Quantum Key Distribution，QKD)与经典密钥体系的根本不同在于其采用单个光子或纠缠光子对作为密钥的载体，由量子力学的基本原理保证了该过程的不可窃听、不可破译性，从而提供了一种更为安全的密钥体系。目前，利用纠缠光子对实现量子密钥分发的技术距离产品化、实用化还有一定的距离，所以现有商用QKD系统多采用基于单光子实现的量子密钥分发技术。
基于单光子实现的量子密钥分发基本过程是：
1)发射端Alice随机发送一串具有不同偏振态的光子；
2)接收端Bob随机选用测量基矢进行接收，由于探测器的效率和路径衰减问题，Bob不能探测到所有的光子信号，只能随机的在一些位置上探测到光子；
3)Bob通知Alice他在探测到光子位置上使用的是哪一种基矢；
4)Alice比对自己发送使用的基矢和Bob测量使用的基矢，若两者一致，则保留该位置上的信息，并且通知Bob哪些位置使用的基矢是正确的；
5)Bob同样保留测量基矢正确位置上的信息；
6)这样，Alice和Bob就共享了一串随机的数据(基矢比对后的密钥)，然后经过纠错和保密增强等处理过程，最终完成在两端分发一串安全密钥。
由上述过程可以看出，在量子密钥分发过程中，Alice和Bob需要进行基矢比对的过程，即比对Alice在某一个位置上发送光子所使用的基矢和Bob在探测这一位置的光子所使用的基矢是否一致。为了保证Alice和Bob在同一个位置上进行基矢比对，系统两端的同步就显得尤其重要。
现有QKD系统的同步方法一般采用单独发射同步光的方案。同步光的波长不同于系统的量子信号光，然后通过波分复用(WDM)，和量子信号光耦合在一根光纤中传输到系统接收端Bob。在Bob端，首先使用波分复用器件将不同波长的光分开，再分别使用PIN管探测器和单光子探测器对同步光和量子信号光进行探测。例如现有申请号为201010108798.3的专利《一种用于量子密钥分发的同步装置及同步方法》即采用这种同步方法。如图1所示。
现有使用不同于量子信号光波长的同步光进行同步的方案，同步光的频率一般比量子信号光的频率低很多，例如量子信号光发射频率为40MHz，同步光频率为100KHz。发射端以同步光作为参考，两个同步光之间的量子信号光组成一帧并编号。接收端Bob可以连续接收到同步光脉冲，根据对同步光的编号即可确定探测到的量子信号属于第几帧。并且在发射端，量子信号光的光脉冲以固定的频率连续发送，相邻两个光脉冲之间具有固定的时隙。所以Bob以接收到的同步光作为参考，测量某一探测到的量子信号光与其之间的距离，即可确定出该量子信号是帧中的第几个，从而完成Alice与Bob之间的同步。如图2所示。
使用独立同步光的方案，需要使用额外的同步光激光器，首先增加了系统成本。另外同步光波长与量子信号光波长不同，传输过程中需要增加一个信道。因此若不使用同步光，仅使用量子信号光完成同步相对于现有使用同步光的方案会有明显的进步与优势。
现有专利号为US8391491B2的专利《Communication system andsynchronizationcontrol method》(通信系统以及同步控制方法)给出了另外一种同步方法。该同步方法没有使用同步光，同步的方法为设置Alice和Bob之间比特偏移值GD，和Bob内部比特偏移值GI，根据比对后的量子比特错误率QBER来不断移动两边的对应关系，直到错误率降到可接受范围内，即完成同步。该方案的不足之处：首先Bob内部存在偏差的情况(Bob端记录的测量基矢与测量结果之间错位)完全可以避免，其次该专利使用一次次尝试并判断QBER的方案来进行同步，实现效率很低，尤其是在高频率光源的QKD系统中，实现效率极低。
综上，现有技术采用独立同步光进行同步的方法，首先需要配备同步光激光器，增加了研制成本。另外，同步光的波长不同于量子信号光波长，然后通过波分复用，耦合在一根光纤中进行传输，所以系统两端之间的光纤中除了传输量子信号光之外，还需要传输另外一个波长的同步光，即需要占用两个信道。
现有技术中不采用同步光即可完成同步的方案，实现效率很低，对于高速QKD系统不具实用性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供了一种降低了系统成本，并且解决了现有方案需要多占用一个信道(波长)的问题和实现效率低的问题的应用于量子密钥分发系统的同步方法。
因为Bob内部存在偏差的情况(Bob端记录的测量基矢与测量结果之间错位)完全可以避免，所以该申请的技术方案中不考虑Bob内部存在偏差的情况，即我们所说的同步与专利号为US8391491B2的专利中“Alice和Bob之间比特偏移值GD”对应。
目前实用化的量子密钥分发系统大多采用APD型单光子探测器。APD型单光子探测器有两种工作模式，分别为线性模式和雪崩模式。现有的QKD系统中，单光子探测器工作在雪崩模式，不使用线性模式。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：一种应用于量子密钥分发系统的同步方法，该量子密钥分发方法使用的系统包括设置在系统发射端的激光器、光纤、设置在系统接收端的探测器，其中激光器除发射量子信号外，还发射一种波长与量子信号光相同，但强度较强的光，以下简称强光；量子信号光和强光通过光纤中的一个信道传送到系统接收端的探测器进行探测，系统两端根据该强光信号完成同步，所述强光需要满足经过传输链路的衰减后，强光仍然能被探测器探测到。
作为一种优选的方案，系统接收端的探测器为单光子探测器，将单光子探测器设置为雪崩模式对量子信号光进行探测，将单光子探测器设置为线性模式对强光进行探测。
使用上述优选方案的同步方法具体包括以下步骤：
第一步：帧同步
系统开始工作，发射端首先以频率f1发送一个强光，并且对发送的强光按照一定规则进行编号，每两个强光之间的间隔为1/f1，每个强光后面固定的时间间隔Δt后，开始以频率为f2发送一组量子信号光，该组量子信号光组成一个量子信息帧，并对量子信息帧进行编号，每两个量子信号光之间的间隔Ta，Ta＝1/f2，量子信号光的发射时间与Δt之和等于1/f1时，再次发送一个强光信号，循环上述模式；
接收端根据发射端的发光类型，首先将单光子探测器设置为线性模式，对强光进行探测，并对其接收到的强光编号，发射端发射量子信号的时间范围内，将单光子探测器设置为雪崩模式，探测该强光信号之后和下一个强光信号之前的量子信号，并把探测到的量子信号组成一个量子信息帧，并进行编号；
系统两端相应编号的量子信息帧为一组对应，根据该帧编号即完成帧同步；
第二步：帧内位置同步
接收端探测到强光信号后，以该强光信号为基准，测量每一个探测到的量子信号相对该强光的间隔，并记为Tb，并按下述公式计算k：
k＝(Tb—Δt)/Ta
接收端探测到的该量子信号即与发射端编号与k相应的量子信号光对应，即完成帧内位置同步，也就完成了发射端与接收端的同步。
作为另一种优选的方案，所述探测器包括两个：PIN管探测器和单光子探测器，使用PIN管探测器对强光进行探测，使用单光子探测器对量子信号光进行探测。
使用该两个探测器的优选方案的应用于量子密钥分发系统的同步方法，具体包括以下步骤：
第一步：帧同步
系统开始工作，发射端首先以频率f1发送一个强光，并且对发送的强光按照一定规则进行编号，每两个强光之间的间隔为1/f1，每个强光后面固定的时间间隔Δt后，开始以频率为f2发送一组量子信号光，该组量子信号光组成一个量子信息帧，并对量子信息帧进行编号，每两个量子信号光之间的间隔Ta，Ta＝1/f2，量子信号光的发射时间与Δt之和等于1/f1时，再次发送一个强光信号，循环上述模式；
接收端首先使用PIN管探测器对强光进行探测，并对其接收到的强光编号，发射端发射量子信号的时间范围内，使用单光子探测器探测该强光信号之后和下一个强光信号之前的量子信号，并把探测到的量子信号组成一个量子信息帧，并进行编号；
系统两端相应编号的量子信息帧为一组对应，所以根据该帧编号即完成帧同步；
第二步：帧内位置同步
接收端探测到强光信号后，以该强光信号为基准，测量每一个探测到的量子信号相对该强光的间隔，并记为Tb，并按下述公式计算k：
k＝(Tb—Δt)/Ta
接收端探测到的该量子信号即与发射端编号与k相应的量子信号光对应，即完成帧内位置同步，也就完成了发射端与接收端的同步。
上述同步方法中，作为优选的编号规则，发射端的帧编号同前面一个强光信号的编号，接收端对于强光和量子信号光的编号规则同发射端。
本发明还提供一种使用上述任一方案所述的应用于量子密钥分发系统的同步方法的同步装置，包括设置在系统发射端的激光器、光纤、设置在系统接收端的探测器，其中激光器除发射量子信号外，还发射一种波长与量子信号光相同，但强度较强的光，以下简称强光；量子信号光和强光通过光纤中的一个信道传送到系统接收端的探测器进行探测，系统两端根据该强光信号完成同步。
作为一种优选的技术方案，系统接收端的探测器为单光子探测器，将单光子探测器设置为雪崩模式对量子信号光进行探测，将单光子探测器设置为线性模式对强光进行探测。
作为另一种优选的技术方案，所述探测器包括两个：PIN管探测器和单光子探测器，使用PIN管探测器对强光进行探测，使用单光子探测器对量子信号光进行探测。
本发明还提供一种具有所述的同步装置的量子密钥分发系统，该量子密钥分发系统除了同步装置外的其他的硬件结构与现有的系统均相同。
本发明相比现有技术具有以下优点：
1、本申请通过利用一种波长与量子信号光相同的强光完成同步，连接系统两端的光纤中只传输一个波长的光信号，即只占用一个信道。现有技术中利用一路波长不同于量子信号的同步光来完成同步，光纤中需要传输两个波长的光信号，即需要占用两个信道。所以该申请提案可以节省一个信道，在组建大规模量子通信网络时，具有可观的经济效益。
2、现有使用独立波长同步光的方案，在接收端需要采用波分复用器件将同步光分出后用专门的探测器件(如PIN管)进行探测。本提案系统接收端不需要使用波分复用器件，可以通过设置单光子探测器的工作模式，直接采用单光子探测器进行探测，节省了器件。
3、本申请通过“帧同步”和“帧内位置同步”两个步骤完成系统两端同步的方案，实现效率高，适用于各种速率的QKD系统。
4、探测器设置为线性模式对强光进行探测可以保证每一个强光被探测到。
附图说明
图1是现有使用波分复用的同步方案系统的装置图；
图2是现有使用独立同步光进行同步的方法示意图；
图3是本发明实施例中量子密钥分发方法使用的系统的原理框图；
图4是本发明实施例中量子密钥分发方法使用的系统的发射端的发光方案原理图；
图5是本发明实施例中量子密钥分发方法使用的系统的接收端的探测方案原理图；
图6是本发明实施例中同步流程图；
图7是本发明实施例中量子信号光的同步示意图；
图8是本发明实施例中密钥分发系统的同步方法的同步示意图；
图9是本发明实施例中帧内位置同步示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例一
如图3所示，本实施例中，该量子密钥分发方法使用的系统包括激光器、光纤、单光子探测器，激光器通过光纤连接到单光子探测器。相对于现有使用不同于量子信号光波长同步光的同步方案，该方案不需要使用同步光激光器、PIN管探测器和WDM器件，简化了系统装置。
请参阅图4所示，上述系统的发射端的发光方案如下：激光器按照固定的频率f1发射强光①和②，两个强光①和②之间的时间间隔内，按照固定的频率f2发射量子信号光。其中f2＞＞f1。系统开始工作，首先发送一个强光，并且对发送的强光进行编号。每个强光后面的一组量子信号光组成一帧，帧编号可以同其前面强光的编号。如强光①后的量子信号光可以编号为第1帧量子信号光，强光②后的量子信号光可以编号为第2帧量子信号光。
所述强光的强度可根据实际传输路径衰减和探测器的响应范围设置。需要满足经过传输链路的衰减后，该强光仍然能被探测到。例如路径衰减为30dB，探测器响应范围为-20dBm～-40dBm，则发射强光应在-10dBm～10dBm之间，本实施例中选择5dBm。
请参阅图5所示，上述系统的接收端的探测方案如下：系统接收端的单光子探测器工作有两种模式，分别为线性模式和雪崩模式。两个模式交替工作，其中线性模式只能对强光信号进行探测，而无法探测单光子水平的信号，雪崩模式会存在暗计数和后脉冲，线性模式没有这两种噪声信号，雪崩模式对量子信号光进行探测。
单光子探测器的工作模式与发射端的发光类型相对应，发射端发射强光信号时为线性模式；发射端发送量子信号光时为雪崩模式，即，使用线性模式对强光进行探测，使用雪崩模式对量子信号光进行探测。
强光信号每次只发送一个，为了利用该信号完成帧同步，必须保证每次发射的强光信号均被正确探测到。探测器设置为线性模式可以保证每一个强光信号被探测到。
请参阅图6使用上述系统后，量子密钥分发系统两端的同步，可以分为两个步骤，第一步完成帧同步，第二步完成帧内位置同步(位同步)。具体包括以下步骤：
第一步：帧同步
请参阅图7和图8，系统开始工作，发射端首先以频率f1发送一个强光，并且对发送的强光按照一定规则进行编号，起始编号可以为0，则每两个强光之间的间隔为1/f1，每个强光后面固定的时间间隔Δt后，开始以频率为f2发送一组量子信号光，该组量子信号光组成一个量子信息帧，并对量子信息帧进行编号，帧编号可以同前面一个强光信号的编号，每两个量子信号光之间的间隔Ta，Ta＝1/f2，量子信号光的发射时间与Δt之和等于1/f1时，再次发送一个强光信号，循环上述模式；
接收端Bob根据发射端的发光类型，首先将单光子探测器设置为线性模式，对强光进行探测，并对其接收到的强光编号，编号规则同发射端，发射端发射量子信号的时间范围内，将单光子探测器设置为雪崩模式，探测该强光信号之后和下一个强光信号之前的量子信号，并把探测到的量子信号组成一个量子信息帧，帧编号规则同发射端；
系统两端相同编号的量子信息帧为一组对应，所以根据该帧编号即可完成帧同步。
第二步：帧内位置同步(位同步)
请同时参阅图9，发射端首先发送一个强光，并且在每个强光后面固定的时间间隔Δt后，开始发送量子信号光，并对其按照一定规则进行编号，
接收端探测到强光信号后，以该强光信号为基准，测量每一个探测到的量子信号相对该强光的间隔，并记为Tb，并按下述公式计算k：
k＝(Tb—Δt)/Ta
接收端探测到的该量子信号即与发射端编号与k相应的量子信号光对应，即完成帧内位置同步，也就完成了发射端与接收端的同步。
实施例二
本实施例提供了一种同步装置，包括设置在量子密钥分发系统的发射端的激光器、光纤和设置在量子密钥分发系统的接收端的探测器，与实施例一不同的是，该探测器包括两个：PIN管探测器和单光子探测器。
该同步装置的发射端的发光方案如实施例一，系统的接收端的探测方案与实施例一不同，即，使用PIN管探测器对强光进行探测，使用单光子探测器对量子信号光进行探测，即接收端的硬件结构及连接方式可以与现有量子密钥分发系统的同步装置相同。
上述两个实施例中，要求量子密钥分发系统的发射端至少有一个发射器可以同时发射强光和量子信号光，如果量子密钥分发系统的发射端有多个发射器，其他的发射器可以不要求具备该同时发射强光和量子信号光的功能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种应用于量子密钥分发系统的同步方法，该量子密钥分发方法使用的系统包括设置在系统发射端的激光器、光纤、设置在系统接收端的探测器，其特征在于，其中激光器除发射量子信号外，还发射一种波长与量子信号光相同，但强度较强的光，以下简称强光；量子信号光和强光通过光纤中的一个信道传送到系统接收端的探测器进行探测，系统两端根据该强光信号完成同步，所述强光需要满足经过传输链路的衰减后，强光仍然能被探测器探测到。
2.根据权利要求1所述的应用于量子密钥分发系统的同步方法，其特征在于，系统接收端的探测器为单光子探测器，将单光子探测器设置为雪崩模式对量子信号光进行探测，将单光子探测器设置为线性模式对强光进行探测。
3.根据权利要求2所述的应用于量子密钥分发系统的同步方法，其特征在于，该同步方法具体包括以下步骤：
第一步：帧同步
系统开始工作，发射端首先以频率f1发送一个强光，并且对发送的强光按照一定规则进行编号，每两个强光之间的间隔为1/f1，每个强光后面固定的时间间隔Δt后，开始以频率为f2发送一组量子信号光，该组量子信号光组成一个量子信息帧，并对量子信息帧进行编号，每两个量子信号光之间的间隔Ta，Ta＝1/f2，量子信号光的发射时间与Δt之和等于1/f1时，再次发送一个强光信号，循环上述模式；
接收端根据发射端的发光类型，首先将单光子探测器设置为线性模式，对强光进行探测，并对其接收到的强光编号，发射端发射量子信号的时间范围内，将单光子探测器设置为雪崩模式，探测该强光信号之后和下一个强光信号之前的量子信号，并把探测到的量子信号组成一个量子信息帧，并进行编号；
系统两端相应编号的量子信息帧为一组对应，根据该帧编号即完成帧同步；
第二步：帧内位置同步
接收端探测到强光信号后，以该强光信号为基准，测量每一个探测到的量子信号相对该强光的间隔，并记为Tb，并按下述公式计算k：
k＝(Tb—Δt)/Ta
接收端探测到的该量子信号即与发射端编号与k相应的量子信号光对应，即完成帧内位置同步，也就完成了发射端与接收端的同步。
4.根据权利要求1所述的应用于量子密钥分发系统的同步方法，其特征在于，所述探测器包括两个：PIN管探测器和单光子探测器，使用PIN管探测器对强光进行探测，使用单光子探测器对量子信号光进行探测。
5.根据权利要求4所述的应用于量子密钥分发系统的同步方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
第一步：帧同步
系统开始工作，发射端首先以频率f1发送一个强光，并且对发送的强光按照一定规则进行编号，每两个强光之间的间隔为1/f1，每个强光后面固定的时间间隔Δt后，开始以频率为f2发送一组量子信号光，该组量子信号光组成一个量子信息帧，并对量子信息帧进行编号，每两个量子信号光之间的间隔Ta，Ta＝1/f2，量子信号光的发射时间与Δt之和等于1/f1时，再次发送一个强光信号，循环上述模式；
接收端首先使用PIN管探测器对强光进行探测，并对其接收到的强光编号，发射端发射量子信号的时间范围内，使用单光子探测器探测该强光信号之后和下一个强光信号之前的量子信号，并把探测到的量子信号组成一个量子信息帧，并进行编号；
系统两端相应编号的量子信息帧为一组对应，所以根据该帧编号即完成帧同步；
第二步：帧内位置同步
接收端探测到强光信号后，以该强光信号为基准，测量每一个探测到的量子信号相对该强光的间隔，并记为Tb，并按下述公式计算k：
k＝(Tb—Δt)/Ta
接收端探测到的该量子信号即与发射端编号与k相应的量子信号光对应，即完成帧内位置同步，也就完成了发射端与接收端的同步。
6.根据权利要求3或5所述的应用于量子密钥分发系统的同步方法，其特征在于，发射端的帧编号同前面一个强光信号的编号，接收端对于强光和量子信号光的编号规则同发射端。
7.一种使用权利要求1至6任一项所述的应用于量子密钥分发系统的同步方法的同步装置，其特征在于，包括设置在系统发射端的激光器、光纤、设置在系统接收端的探测器，其中激光器除发射量子信号外，还发射一种波长与量子信号光相同，但强度较强的光，以下简称强光；量子信号光和强光通过光纤中的一个信道传送到系统接收端的探测器进行探测，系统两端根据该强光信号完成同步。
8.根据权利要求7所述的同步装置，其特征在于，系统接收端的探测器为单光子探测器，将单光子探测器设置为雪崩模式对量子信号光进行探测，将单光子探测器设置为线性模式对强光进行探测。
9.根据权利要求7所述的同步装置，其特征在于，所述探测器包括两个：PIN管探测器和单光子探测器，使用PIN管探测器对强光进行探测，使用单光子探测器对量子信号光进行探测。
10.一种具有权利要求7至9任一项所述的同步装置的量子密钥分发系统。
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