CN109274491A - 多用户量子密钥分配网络装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多用户量子密钥分配网络装置，其特征是，包括逻辑控制模块、机械式光开关、量子密钥发送端Alice端、m个多功能量子节点Carol端和n个量子密钥接收端Bob端；所述逻辑控制模块分别连接Alice端、Carol端以及Bob端，所述Alice端通过机械式光开关分别连接Carol端以及Bob端。优点：在网络中加入了多功能量子节点，作为超级用户节点、中心节点或可信任中继节点，提高了多用户量子密钥分配网络的灵活性与稳定性。利用基于光开关的交换节点可以实现用户的灵活接入。如果用户数量超过了交换节点所能负载最大用户数量，只要变换量子交换节点内部的光开关数目和搭配结构就可以使新的用户加入。

Description

多用户量子密钥分配网络装置及方法

技术领域

本发明涉及一种基于光开关和波分复用的多用户量子密钥分配网络，属于量子密钥分配技术以及量子通信技术领域。

背景技术

量子密钥分配基于量子力学原理，在根本上保证了理论上可以提供绝对安全的密钥分配，这种绝对安全的密钥技术首先应用于国家机密安全，军事领域，所以量子密钥分配在安全通信等方面可以发挥重要的作用，目前点对点的量子密钥分配技术已经逐步走向成熟，量子密钥分配的网络化是必然的趋势。

量子密钥分配从BB84协议的诞生开始发展，之后又提出B92协议，EPR协议等，点对点的量子密钥分配系统已经受到了广泛的研究，量子密钥分配系统产生的密码的成码率不断的提高，误码率不断的降低，有些点对点量子密钥分配系统已经用于实践，但是点对点的量子密钥分配系统的作用是有限的，只能满足两个用户之间的量子密钥分配，为了实现多点的密钥分配，就要搭建量子密钥分配网络，使用大量的线路直接搭建全连网络来完成多个用户之间的通信是不符合实际的。所以量子密钥分配网络的建设的研究具有重要意义。

目前，根据量子密钥分配网络中间节点的不同可以将量子密钥分配网络划分为三个种类：基于光学节点的量子密钥分配网络、基于可信任中继的量子密钥分配网络和基于量子中继的量子密钥分配网络。基于经典光器件的量子密钥分配网络中使用各类光器件对量子网络进行控制，所谓的经典光器件指的是波分复用器和解复用器、电控机械式光开关、分束器、环形器等。经典光器件不能增加量子密钥分配的最大安全传输距离，但能够通过合理的网络拓扑，改善点对点量子密钥分配的性能。目前主流的量子中继实现方案均是基于纠缠原理，难以实现，所以量子中继方案的技术还不成熟，仅停留在实验阶段。通过可信任中继的方式可以提高点对点量子密钥分配的最大传输距离，但可信任中继不具有物理安全性，一定程度上降低了量子密钥分配网络的安全级别，如果中继节点被占领，则整个量子通信链路的安全性将受到严重威胁。目前基于光学节点的量子密钥分配网络存在分配效率和安全性问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种多用户量子密钥分配网络装置及方法，利用量子交换节点，实现量子链路切换，具有发送功能的节点就可以与具有接收功能的节点进行通信，通过波分复用单元将各个波长脉冲发送到不同的用户，在网络中加入了具有发送和接收功能的多功能节点，更加灵活、节能、高效。

为解决上述技术问题，本发明提供一种多用户量子密钥分配网络装置，其特征是，包括逻辑控制模块、机械式光开关、量子密钥发送端Alice端、m个多功能量子节点Carol端和n个量子密钥接收端Bob端；

所述逻辑控制模块分别连接Alice端、Carol端以及Bob端，所述Alice端通过机械式光开关分别连接Carol端以及Bob端；

所述逻辑控制模块保证量子保密通信收发复用控制功能，通过上层控制单元增加对应节点的管理，提高量子保密通信节点的工作效率；

所述Alice端包括Alice同步信号处理模块、Alice量子信号处理模块和Alice波分复用器；所述Carol端包括Carol同步信号处理模块、Carol量子信号处理模块和Carol波分复用器；所述Bob端包括Bob同步信号处理模块、Bob量子信号处理模块和Bob波分复用器；

所述Alice同步信号处理模块用于发射同步光信号给Carol同步信号处理模块、Carol同步信号处理模块用于接收同步光信号或发射同步光信号给Bob同步信号处理模块，Bob同步信号处理模块均用于接收同步光脉冲，其中在接收同步光脉冲时，均用于探测同步时钟信号；

所述Alice量子信号处理模块用于发射量子光信号给Carol量子信号处理模块、Carol量子信号处理模块用于接收量子光信号或发射量子光信号给Bob量子信号处理模块，Bob量子信号处理模块用于接收量子光信号，其中Alice量子信号处理模块产生m个随机进行编码的用户密钥分配的相干的多波长周期性量子光信号，并将m个量子光信号一一对应的分配至m个处在接收量子光信号状态的Carol量子信号处理模块，在Carol量子信号处理模块处在发射状态时，Carol量子信号处理模块产生n个随机进行编码的用户密钥分配的相干的多波长周期性量子光信号，并将n个量子光信号一一对应的分配至n个Bob量子信号处理模块，在Carol量子信号处理模块或Bob量子信号处理模块处在接收状态时均得到密钥；

所述Alice波分复用器用于对发出的光信号进行复用、Carol波分复用器用于对发出的光信号进行复用或解复用处理，Bob波分复用器用于对接收的光信号进行解复用处理；

所述机械式光开关用于组成量子交换节点。

进一步的，所述Alice同步信号处理模块采用同步光信号激光源发射同步光信号；所述Alice量子信号处理模块包括多波长脉冲激光源、衰减器、两个法拉第旋转镜和相位调制器，所述多波长脉冲激光源发出多波长连续脉冲激光，经过相位调制器调制相位，再经过衰减器衰减成为平均光子数小于1的脉冲激光然后进入到波分复用单元，法拉第旋转镜能使入射光偏振方向旋转90度沿原路径反射回去，因此光器件中的偏振效应被消除。

进一步的，所述Carol同步信号处理模块包括同步光信号激光源、同步光探测器和光环形器CIR1；处在接收状态时，解复用得到的同步光信号通过光环形器CIR1的3端口进入，2端口输出后同步光信号进入同步光探测器，探测得到同步时钟信号；处在发射状态时，同步光信号激光源发射同步光信号，同步光信号进通过光环形器CIR1的1端口进入，3端口输出到Carol波分复用器；

所述Carol量子信号处理模块包括多波长脉冲激光源、衰减器、两个法拉第旋转镜、相位调制器、单光子探测器和光环形器CIR2；处在接收状态时，解复用得到的量子光信号，经过法拉第旋转镜干涉环，于光环形器CIR2的3端口进入，2端口输出后利用解调基解调量子光信号，进入单光子探测器，对结果进行测量，利用经典信道与Alice通信，得出密钥；处在发射状态时，多波长脉冲激光器产生用于满足多个用户密钥分配的相干的多波长激光，于光环形器CIR2的1端口进入，3端口输出，同步光信号激光源发射同步光脉冲，于光环形器CIR1的1端口进入，3端口输出到Carol的波分复用器；

所述光环形器CIR1和光环形器CIR2采用三端口光环形器。

进一步的，所述Bob同步信号处理模块采用同步光探测器接收解复用的同步光信号；Bob量子信号处理模块包括两个法拉第旋转镜、相位调制器和单光子探测器，解复用的量子光信号经相位调制器调解后，进入单光子探测器，得到测量结果，通过经典信道与Carol通信，得到密钥。

一种多用户量子密钥分配网络方法，其特征是，包括如下步骤：

1)量子交换节点通过机械式光开光连接量子密钥发送端Alice端和m个多功能量子节点Carol端；

2)Alice端的量子信号处理模块产生m个用户密钥分配的相干的多波长周期性量子光信号，并对每个量子光信号随机进行编码，Alice端的同步信号模块发射同步光信号，同步光信号和编码后的量子光信号经Alice端的波分复用器处理发送到m个Carol端；

3)控制逻辑使m个Carol端处于接收状态，通过Carol端的波分复用器解复用得到同步光信号和量子光信号，并分别传输给Carol端的同步信号模块和Carol端的量子信号处理模块，Carol端的同步信号模块探测到同步时钟信号，Carol端的量子信号处理模块得出密钥；

4)量子交换节点利用机械式光开关连接任意一个多功能量子节点Carol端与n个量子密钥接收端Bob端；

5)控制逻辑使所述Carol端处于发送状态下，Carol端的量子信号处理模块产生n个用户密钥分配的相干的多波长脉冲周期性量子光信号，并对每个量子光信号随机进行编码，Carol端的同步信号模块发射同步光信号，同步光信号和编码后的激光经Carol端的波分复用器处理发送到n个Bob端；

6)控制逻辑使n个Bob端处于接送状态下，通过Bob端的波分复用器解复用得到同步光信号和量子光信号，并分别传输给Bob端的同步信号模块和Bob端的量子信号处理模块，Bob端的同步信号模块探测到同步时钟信号，Bob端的量子信号处理模块得出密钥。

进一步的，所述步骤2)，Alice端的控制相位选择{0，π}，{1/2π，3/2π}调制基对量子光信号随机进行编码，同步光信号与量子光信号经由阵列波导光栅型复用器复用发送到信道中，通过信道传输到m个Carol端。

进一步的，所述步骤3)，解复用得到同步光信号通过光环形器CIR1的3端口进入，2端口输出后同步光信号进入同步光探测器，探测得到同步时钟信号；解复用得到的量子光信号，经过法拉第旋转镜FM干涉环，通过光环形器CIR2的3端口进入，2端口输出后利用解调基解调量子光信号，进入单光子探测器，对接收到的量子的序列进行测量，利用经典信道与Alice通信，得出密钥。

进一步的，所述步骤5)，Carol端的控制相位选择{0，π}，{1/2π，3/2π}调制基对量子光信号随机进行编码，量子光信号通过光环形器CIR2的1端口进入，3端口输出到Carol端的阵列波导光栅型复用器，同步光信号经通过光环形器CIR1的1端口进入，3端口输出到Carol端的阵列波导光栅型复用器，量子光信号和同步光信号通过Carol1端的阵列波导光栅型复用器复用传输到n个Bob端。

进一步的，所述Bob端的控制相位选择{0，π}，{1/2π，3/2π}解调基测量量子光信号。

本发明所达到的有益效果：

本发明采用的方案简单，元器件技术成熟，可靠性高，易于操作。本发明采用阵列波导光栅型复用器克服随着用户数量的增加，插入损耗增大的情况。本发明在网络中加入了多功能量子节点，作为超级用户节点、中心节点或可信任中继节点，提高了多用户量子密钥分配网络的灵活性与稳定性。本网络利用基于光开关的交换节点可以实现用户的灵活接入。在新的用户加入时，如果用户数量超过了交换节点所能负载最大用户数量，只要变换量子交换节点内部的光开关数目和搭配结构就可以使新的用户加入。

附图说明

图1为本发明的网络结构框图；

图2为本发明的Alice端结构框图；

图3为本发明的Bob端结构框图；

图4为本发明的Carol端结构框图。

图中各部件对应的名称：CLK表示同步光信号激光源，PD表示同步光探测器，SPD表示单光子探测器，CIR1和CIR2表示光环形器(采用的是三端口光环形器)，PM表示相位调制器，FM表示法拉第旋转镜FM，ATT表示衰减器，Laser表示多波长脉冲激光源。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1～4所示，多用户量子密钥分配网络实施的步骤具体如下：

步骤A：量子交换节点利用机械式光开光连接量子密钥发送端Alice端和m个Carol端。

步骤B：量子密钥发送端Alice的多波长脉冲激光器产生满足m个用户密钥分配的相干的多波长周期性量子光信号，同步光信号激光源发射同步光脉冲，通过端口输出。

步骤C：Alice端的控制相位选择{0，π}，{1/2π，3/2π}调制基对每一个脉冲随机进行编码，波长λ1,λ2，…，λm分配至Carol1,Carol2，…，Carolm，量子光信号和同步光信号通过波分复用单元传输到m个Carol端。

步骤D：控制逻辑使Carol1，Carol2，…，Carolm处于接收状态，同步信号部分和量子信号部分处于接收状态，通过从波分复用器中解复用得到同步光信号，于光环形器CIR1的3端口进入，2端口输出后进入同步光探测器，探测得到同步时钟信号，通过从波分复用器中解复用得到的量子光信号，经过共用的F-M干涉环，于CIR2的3端口进入，2端口输出后利用解调基解调量子光信号，进入单光子探测器。对结果进行测量，利用经典信道与Alice通信，得出密钥。

步骤E：量子交换节点利用机械式光开光连接Carol1与Bob1，Bob2…，Bobn。

步骤F：控制逻辑使Carol1处于发送状态下，多波长脉冲激光器产生用于满足多个用户密钥分配的相干的多波长激光，于光环形器CIR2的1端口进入，3端口输出，同步光信号激光源发射同步光脉冲，于光环形器CIR1的1端口进入，3端口输出。

步骤G：Carol1端的控制相位选择{0，π}，{1/2π，3/2π}调制基对每一个脉冲随机进行编码，波长λm+1，λm+2，…，λm+n分配至Bob1，Bob2，…，Bobn，量子光信号和同步光信号通过波分复用单元传输到Bob端；。

步骤H：n个量子密钥接收端Bob同步信号部分置于接收状态下，通过从波分复用器中解复用得到的同步光信号，进入到端口，在端口输出后进入同步光探测器，探测得到同步时钟信号。波分复用器中解复用得到的量子光信号，Bob端的控制相位选择{0，π}，{1/2π，3/2π}解调基测量量子光信号，进入单光子探测器，得到测量结果。Bob根据测量结果，通过经典信道与Carol1通信，得到密钥。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种多用户量子密钥分配网络装置，其特征是，包括逻辑控制模块、机械式光开关、量子密钥发送端Alice端、m个多功能量子节点Carol端和n个量子密钥接收端Bob端；

所述逻辑控制模块分别连接Alice端、Carol端以及Bob端，所述Alice端通过机械式光开关分别连接Carol端以及Bob端；

所述逻辑控制模块保证量子保密通信收发复用控制功能，通过上层控制单元增加对应节点的管理，提高量子保密通信节点的工作效率；

所述Alice端包括Alice同步信号处理模块、Alice量子信号处理模块和Alice波分复用器；所述Carol端包括Carol同步信号处理模块、Carol量子信号处理模块和Carol波分复用器；所述Bob端包括Bob同步信号处理模块、Bob量子信号处理模块和Bob波分复用器；

所述Alice同步信号处理模块用于发射同步光信号给Carol同步信号处理模块、Carol同步信号处理模块用于接收同步光信号或发射同步光信号给Bob同步信号处理模块，Bob同步信号处理模块均用于接收同步光脉冲，其中在接收同步光脉冲时，均用于探测同步时钟信号；

所述Alice量子信号处理模块用于发射量子光信号给Carol量子信号处理模块、Carol量子信号处理模块用于接收量子光信号或发射量子光信号给Bob量子信号处理模块，Bob量子信号处理模块用于接收量子光信号，其中Alice量子信号处理模块产生m个随机进行编码的用户密钥分配的相干的多波长周期性量子光信号，并将m个量子光信号一一对应的分配至m个处在接收量子光信号状态的Carol量子信号处理模块，在Carol量子信号处理模块处在发射状态时，Carol量子信号处理模块产生n个随机进行编码的用户密钥分配的相干的多波长周期性量子光信号，并将n个量子光信号一一对应的分配至n个Bob量子信号处理模块，在Carol量子信号处理模块或Bob量子信号处理模块处在接收状态时均得到密钥；

所述Alice波分复用器用于对发出的光信号进行复用、Carol波分复用器用于对发出的光信号进行复用或解复用处理，Bob波分复用器用于对接收的光信号进行解复用处理；

所述机械式光开关用于组成量子交换节点。

2.根据权利要求1所述的多用户量子密钥分配网络装置，其特征是，所述Alice同步信号处理模块采用同步光信号激光源发射同步光信号；所述Alice量子信号处理模块包括多波长脉冲激光源、衰减器、两个法拉第旋转镜和相位调制器，所述多波长脉冲激光源发出多波长连续脉冲激光，经过相位调制器调制相位，再经过衰减器衰减成为平均光子数小于1的脉冲激光然后进入到波分复用单元，法拉第旋转镜能使入射光偏振方向旋转90度沿原路径反射回去，因此光器件中的偏振效应被消除。

3.根据权利要求1所述的多用户量子密钥分配网络装置，其特征是，所述Carol同步信号处理模块包括同步光信号激光源、同步光探测器和光环形器CIR1；处在接收状态时，解复用得到的同步光信号通过光环形器CIR1的3端口进入，2端口输出后同步光信号进入同步光探测器，探测得到同步时钟信号；处在发射状态时，同步光信号激光源发射同步光信号，同步光信号进通过光环形器CIR1的1端口进入，3端口输出到Carol波分复用器；

所述Carol量子信号处理模块包括多波长脉冲激光源、衰减器、两个法拉第旋转镜、相位调制器、单光子探测器和光环形器CIR2；处在接收状态时，解复用得到的量子光信号，经过法拉第旋转镜干涉环，于光环形器CIR2的3端口进入，2端口输出后利用解调基解调量子光信号，进入单光子探测器，对结果进行测量，利用经典信道与Alice通信，得出密钥；处在发射状态时，多波长脉冲激光器产生用于满足多个用户密钥分配的相干的多波长激光，于光环形器CIR2的1端口进入，3端口输出，同步光信号激光源发射同步光脉冲，于光环形器CIR1的1端口进入，3端口输出到Carol的波分复用器；

所述光环形器CIR1和光环形器CIR2采用三端口光环形器。

4.根据权利要求1所述的多用户量子密钥分配网络装置，其特征是，所述Bob同步信号处理模块采用同步光探测器接收解复用的同步光信号；Bob量子信号处理模块包括两个法拉第旋转镜、相位调制器和单光子探测器，解复用的量子光信号经相位调制器调解后，进入单光子探测器，得到测量结果，通过经典信道与Carol通信，得到密钥。

5.一种多用户量子密钥分配网络方法，其特征是，包括如下步骤：

1)量子交换节点通过机械式光开光连接量子密钥发送端Alice端和m个多功能量子节点Carol端；

2)Alice端的量子信号处理模块产生m个用户密钥分配的相干的多波长周期性量子光信号，并对每个量子光信号随机进行编码，Alice端的同步信号模块发射同步光信号，同步光信号和编码后的量子光信号经Alice端的波分复用器处理发送到m个Carol端；

3)控制逻辑使m个Carol端处于接收状态，通过Carol端的波分复用器解复用得到同步光信号和量子光信号，并分别传输给Carol端的同步信号模块和Carol端的量子信号处理模块，Carol端的同步信号模块探测到同步时钟信号，Carol端的量子信号处理模块得出密钥；

4)量子交换节点利用机械式光开关连接任意一个多功能量子节点Carol端与n个量子密钥接收端Bob端；

5)控制逻辑使所述Carol端处于发送状态下，Carol端的量子信号处理模块产生n个用户密钥分配的相干的多波长脉冲周期性量子光信号，并对每个量子光信号随机进行编码，Carol端的同步信号模块发射同步光信号，同步光信号和编码后的激光经Carol端的波分复用器处理发送到n个Bob端；

6)控制逻辑使n个Bob端处于接送状态下，通过Bob端的波分复用器解复用得到同步光信号和量子光信号，并分别传输给Bob端的同步信号模块和Bob端的量子信号处理模块，Bob端的同步信号模块探测到同步时钟信号，Bob端的量子信号处理模块得出密钥。

6.根据权利要求5所述的多用户量子密钥分配网络方法，其特征是，所述步骤2)，Alice端的控制相位选择{0，π}，{1/2π，3/2π}调制基对量子光信号随机进行编码，同步光信号与量子光信号经由阵列波导光栅型复用器复用发送到信道中，通过信道传输到m个Carol端。

7.根据权利要求5所述的多用户量子密钥分配网络方法，其特征是，所述步骤3)，解复用得到同步光信号通过光环形器CIR1的3端口进入，2端口输出后同步光信号进入同步光探测器，探测得到同步时钟信号；解复用得到的量子光信号，经过法拉第旋转镜FM干涉环，通过光环形器CIR2的3端口进入，2端口输出后利用解调基解调量子光信号，进入单光子探测器，对接收到的量子的序列进行测量，利用经典信道与Alice通信，得出密钥。

8.根据权利要求5所述的多用户量子密钥分配网络方法，其特征是，所述步骤5)，Carol端的控制相位选择{0，π}，{1/2π，3/2π}调制基对量子光信号随机进行编码，量子光信号通过光环形器CIR2的1端口进入，3端口输出到Carol端的阵列波导光栅型复用器，同步光信号经通过光环形器CIR1的1端口进入，3端口输出到Carol端的阵列波导光栅型复用器，量子光信号和同步光信号通过Carol1端的阵列波导光栅型复用器复用传输到n个Bob端。

9.根据权利要求5所述的多用户量子密钥分配网络方法，其特征是，所述Bob端的控制相位选择{0，π}，{1/2π，3/2π}解调基测量量子光信号。