CN109586907A - 一种量子通信与量子时频传输的融合网络系统与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种量子通信与量子时频传输的融合网络系统与方法，量子中继单元发射纠缠光子对，经传输单元分别发送至两个量子终端单元，量子终端单元反射输入光子并经由传输单元返回量子中继单元。量子中继单元对纠缠光子对进行HOM干涉测量，并调节光路时延，经多次测量得到HOM凹陷最大值，实现光路平衡。随后信号激光器发送激光脉冲经传输单元发送到量子终端单元，量子终端单元对输入光脉冲编码并经由传输信道传送回量子中继单元，量子中继单元得出结果并通过经典信道公布获得密钥后，通过经典信道并利用光信道监控器进行时钟同步，时频信息通过QKD分发的密钥加密，解决时频信息的信息安全问题并实现了量子通信与量子时频传输的融合。

Description

一种量子通信与量子时频传输的融合网络系统与方法
技术领域
本发明涉及量子信息以及光通信技术领域，特别涉及一种量子通信与量子时频传输的融合网络系统与方法。
背景技术
时间频率是一个很重要的参数；时间频率标准传递在高精密授时系统中也至关重要，在定位、导航、通信等诸多领域都有广泛的应用。时频同步技术是指通过某种手段，将处于异地的时钟产生的时频信号进行比对，并形成统一时频基准的过程。精密导航离不开准确的授时服务，而授时服务的基本要求是时钟同步。
随着原子钟技术的不断发展，光频原子钟的频率不确定度达到10-18。现有的时频同步技术已经无法满足高精度时钟比对的需求，函需发展具有更高传输稳定度的时频同步方法。依托飞速发展的光纤通信技术，基于光纤的时频同步技术应运而生。光纤作为一种大带宽、高速率的传输介质，已经成为了目前世界上最庞大的通信基础设施。2017年我国新建光缆线路长度705万公里，全国光缆线路总长度达3747万公里。利用光纤传输损耗低、隔绝电噪声、分布广泛等优势，建设基于光纤的时频网络具有现实且重要的意义。
量子通信被认为是未来通信的发展方向，其中量子密钥分发(Quantum KeyDistribution,QKD允许合法用户Alice端和Bob端之间共享理论上绝对安全的密码，结合一次一密的加密体系，实现目前可证明的唯一的安全通信。经过三十余年的发展，QKD目前已进入到测量设备无关协议(MDI，Measurement Device Independent)阶段，结合诱骗态技术，MDI-QKD一次性关闭了探测器的缺陷并解决了弱相干态单光子源的多光子成分问题，成为了目前最具有实用前景的方案，量子通信与量子时频传输的网络融合是当前亟需解决的精准授时，授时安全关键技术问题的重要探索。
但是测量设备无关协议中Alice端和Bob端发出的量子态在第三方Charlie测量成功，要求到达光子的时间、频谱、偏振等模式必须完全匹配。首先，Alice端和Bob端与Charlie之间的距离不是完全一致的，需要准确地延时使得光子到达时间完全对准。其次，Alice端和Bob端使用不同的激光器，频谱不是完全相同。第三，因为光纤的双折射效应，很难保证光子偏振态的稳定传输。虽然可以使用相位编码，但是相位漂移、时间抖动限制了QKD系统性能的提高，密钥速率较低。
同时，现有技术中，如专利201510008068.9试图解决相位调制偏振编码的测量设备无关协议稳定性问题，但是却人为地将通信距离缩短了一半。
现有技术中，如最早提出即插即用方案的瑞士日内瓦大学Gisin小组(文献:Muller A,Herzog T,Huttner B,etal."plug and play"systems for quantumcryptography[J].Applied physics Letters,1997,70:793-795)采用了相位编码的方式，专利201610700278.9进一步改进，采用了时间相位编码方式，主要目的是解决光纤中偏振抖动补偿的问题，但是未涉及测量设备无关方案。
即插即用方案可以利用同一激光器实现光子频谱等参数的一致性，但是由于通信双方与中继的距离不是完全对称，导致HOM干涉对比对下降。目前实验中一般采用不同波长的独立光脉冲利用波分复用来实现通信双方的同步，消耗了波长资源。然而随着网络用户的增加，尤其在经典和量子通信融合网络中，每一个波长都是宝贵的资源，上述方法显然不经济也不可行。
MDI-QKD对于时钟同步要求较高，而时频传输的安全性目前尚无法完全保障，结合QKD信息安全的优势与时频传输同步精度高的有点，融合量子通信与量子时频传输的网络暂未见有相关方案提出。
发明内容
本发明是鉴于上述问题作出的，目的是克服现有技术的不足，提供一种量子通信与量子时频传输的融合网络系统与方法，解决实际应用中MDI-QKD的时钟同步问题与时频网络的信息安全问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种量子通信与量子时频传输的融合网络系统，包括量子中继单元、传输单元、量子终端单元Alice和量子终端单元Bob；
量子中继单元发射信号光子和闲频光子纠缠光子对脉冲，其中信号光子经传输单元到达量子终端单元Alice，闲频光子经传输单元到达量子终端单元Bob。Alice与Bob分别反射信号光子与闲频光子，经原链路返回量子中继单元，量子中继单元对反射回的信号光子与闲频光子做HOM(Hong-Ou-Mandel)干涉，得到干涉图样。传输单元多次调解两条光路之间的时延，逐步逼近得到HOM凹陷的最大值，此时认为两条光路的光程完全一致，Alice与Bob到达量子中继单元Charlie的时间完全相等。Alice和Bob利用光监控信道进行时钟同步。
接下里进行量子密钥分发：
量子中继单元发射两路通信激光脉冲，两路所述通信激光脉冲经传输单元发送至量子终端单元的Alice和Bob，并在所述量子终端单元进行编码并反射，反射后又经传输单元返回所述量子中继单元。
所述量子中继单元Charlie对由量子终端单元编码后的通信激光脉冲进行分析，得出测量结果，并通过经典信道公布测量结果，这里的经典信道为公共信道，例如广播。
其中，纠缠光子对脉冲用于校正光路平衡实现时钟同步，通信激光脉冲用于量子密钥分发。
所述多个量子终端单元对比测量结果和本地制备量子态的信息，得到筛选码，并对所述筛选码进行误码率检测，如果认为安全，则通信成功，如果认为不安全，放弃本次通信，重新开始。
所述量子中继单元与传输单元通过光纤信道连接；
所述量子终端单元与传输单元通过光纤信道连接；
所述量子终端单元与量子中继单元通过传输单元连接。
优选的，所述量子纠缠光源包括泵浦激光器、非线性晶体、第一窄带滤波器、第二窄带滤波器。所述泵浦激光器发射790nm的泵浦脉冲激光，入射非线性晶体产生频率相近的纠缠光子对，分别经第一窄带滤波器、第二窄带滤波器进入传输单元。
优选的，所述传输单元接收量子中继单元产生纠缠光子对，其中信号光子经第一合束器进入第一环形器后，经第一波分复用器、电控光延时线进入光纤链路传送至所述量子终端单元Alice，闲频光子通过第二合束器进入第二环形器，经第二波分复用器、手动可调光延迟线进入光纤链路传送至所述量子终端单元Bob，两个所述量子终端单元将所述脉冲反射，反射的脉冲经过量子信道传输后，分别经第一环形器、第二环形器，传送所述量子中继单元中；
优选的，所述量子通信光源包括激光器和偏振分束器，激光器发射1550nm波段的脉冲激光，经偏振分束器后，水平偏振光进入传输单元。
优选的，所述传输单元接收量子中继单元的通信光脉冲，由第一分束器分为两路，其中一路脉冲通过第一合束器进入第一环形器后，经第一波分复用器、电控光延时线进入光纤链路传送至所述量子终端单元Alice，另一路脉冲通过第二合束器进入第二环形器，经第二波分复用器、手动可调光延迟线进入光纤链路传送至所述量子终端单元Bob，所述量子终端单元Alice和Bob将所述脉冲反射，反射的所述脉冲经过量子信道传输后，分别经所述第一环形器、第二环形器，传送所述量子中继单元中；
所述量子中继单元包括测量仪，所述测量仪对传输单元传入的脉冲进行投影测量，得出测量确定的量子态，所述量子终端单元将测量确定的量子态和本地制备量子态的信息比对，得到筛选码，通过认证的经典信道通信，选择筛选码中一部分估计误码率，并根据诱骗态的模式计算理论值，如果误码率低于理论值，则认为安全，继续后续处理，如果误码率高于理论值，则认为存在安全隐患，放弃本次通信。
优选的，所述测量仪用于对传输单元传入的信号光子和闲频光子进行HOM干涉测量，得到延迟时间与干涉对比对的关系。
具体的，第一环形器和第二环形器用于隔离出射光和反射光。
优选的，所述量子终端单元包括四端口环形器、第四偏振分束器、法拉第镜片、第二分束器、光信道监控器、光隔离器、相位随机器、强度调制器、偏振调制器和可变光衰减器；
所述脉冲进入量子终端单元后，先进入四端口环形器，然后传送至第四偏振分束器、之后由法拉第镜片反射，返回四端口环形器进入第二分束器，分为两路，一路进入光信道监控器，一路依次进入光隔离器、相位随机器、偏振调制器、强度调制器和可变光衰减器。
具体的，所述四端口环形器用于调节光子的行走路径。
法拉第镜片用于自动补偿传输过程中的偏振抖动。
所述第二分束器为10:90的分束器，透射光用于量子密钥分发，光信道监控器。
光信道监控器用于监控信道中的光功率水平，用于调节可变光衰减器以保证平均光子数为指定值；在光路调节完成后，光信道监控器用于时间同步。
所述光隔离器用于保证光的单向传输，隔离反射光。
所述相位随机器随机调制光脉冲的相位位于[0,2π]之间，以满足光子数态的要求。
所述偏振调制器可随机的将光脉冲调制成水平，垂直，+45度和-45度偏振态。
所述强度调制器用于调控光脉冲为信号态或诱骗态。可变光衰减器保证反射到量子信道的脉冲平均光子数小于1。
优选的，所述测量仪包括第三分束器、第一偏振分束器、第二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、第四单光子探测器和符合计数器；
经所述法拉第镜片反射的脉冲，依次经过第二分束器、光隔离器、相位随机器、偏振调制器、强度调制器，进入可调衰减器，经过衰减的脉冲被传送至测量仪。
所述第三分束器接收来自传输单元的纠缠光子对，形成在第三分束器上的量子干涉，通过第一偏振分束器、第二偏振分束器的演化，进入第一单光子探测器、第二单光子探测器、第三单光子探测器和第四单光子探测器产生响应；符合计数器对光子计数并进行符合测量，得到HOM干涉图样。
具体的，所述第三分束器为50:50的分束器。
第一偏振分束器、第二偏振分束器透射水平偏振光，反射垂直偏振光。
第一单光子探测器、第二单光子探测器、第三单光子探测器、第四单光子探测器为阈值探测器，用于探测是否有光子到达。
所述符合计数器根据单光子探测器的响应判断测量结果。
根据上述的量子通信与量子时频传输的融合网络系统和方法包括：
量子中继单元所包含的激光器发送波长可调的激光脉冲，经第一分束器分为两路强度相同的光脉冲。
两个光脉冲分别通过第一环形器和第二环形器后连接到量子信道。
量子信道将光脉冲发送给量子终端单元。
不考虑归一化因子，此时，光子的量子态为：
|ψ〉＝|H>+|V>。
其中，H表示水平偏振态，V表示垂直偏振态。
第四偏振分束器透射输入脉冲中的水平偏振分量作为待调制光子，量子态变为：
|ψ>＝|H>。
经过法拉第镜片反射转换为垂直偏振光，然后经过光隔离器隔离反射光后，由相位调制器随机调制光子相位[0,2π]，使其满足光子数态(Fock态)的条件。
偏振调制器随机调制为水平、垂直、+45度，-45度四个偏振态之一，量子态变为：
|ψ>＝{|H>，|V>，|+>，|->}。
强度调制器随机设置脉冲为信号态或诱骗态，可调衰减器根据线路衰减和输入光功率将平均光子数设置为指定值，如信号光子为0.4个/脉冲，诱骗态光子为0.05个/脉冲。
假设输入的两个量子态均为：
|ψ>＝|H>。
则从可调光衰减器输出的联合量子态为：
光子通过量子信道返回量子中继单元，到达测量仪(所述测量仪采用Bell测量仪)时，联合量子态演化为：
其中：
φi,i＝a,b是相位调制器随机调制的相位；
μ，ν分别为两个量子终端单元输出的平均光子数；
ηi,i＝a,b为光路中光器件和光纤信道导致的总损耗。
测量仪对输入量子态进行测量。
当：
第一单光子探测器、第四单光子探测器；
第二单光子探测器、第三单光子探测器；的任一组同时响应表示量子态为：
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；的任一组同时响应表示量子态为：
以上两种情况认为测量成功。量子中继单元Charlie通过公共信道公布测量结果。
通信双方Alice端和Bob端根据量子中继单元Charlie公布的结果，对比本地信息后，对本地量子态表示的比特信息不做操作或做比特翻转操作，MDI-QKD(MeasurementDevice Independent测量设备无关协议-Quantum Key Distribution量子密钥分发)完成密钥分发，具体方式如下表所示。
需要注意的是，如果采用的是对角基+45°和-45°偏振态，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。
同理，可分析偏振调制器调制两个量子终端单元为其他量子态时的情况。
根据上述原则，两个量子终端单元得到初密钥，进行误码率估计，如果校验通过，两个量子终端单元通过保密纠错和增强，得到最终的密钥。
进一步的，提供了一种量子通信与量子时频传输的融合网络系统和方法，其特征在于：包括以下步骤，
S1、系统初始化：检查待通信的量子终端单元、量子中继单元和传输单元的硬件/软件，查看设备是否正常运转，设定初始条件；
S2、光路校准：量子中继单元经传输单元发送纠缠光子对到量子终端单元，量子终端单元直接反射纠缠光子经传输单元返回量子中继单元，量子中继单元测量纠缠光子对之间的HOM凹陷，根据传输单元调节的时延找到HOM凹陷最大值，此时认为两条光路平衡；
S3、量子信息编码：量子中继单元发送信号脉冲，通过量子信道分别发送给多个量子终端单元，量子终端单元通过偏振调制器随机加载水平，垂直，+45度和-45度偏振光脉冲，经强度调制器后加入诱骗态成分，然后经过可调衰减器调制成为平均光子数小于1的若干相干激光脉冲，经原链路返回量子中继单元；
S4、Bell态分析：量子中继单元将量子终端单元传回的脉冲通过测量仪进行Bell态分析，根据多个单光子探测器的同时响应结果判定投影到的Bell态，并公开宣布测量结果；
S5、密钥筛选：所述量子终端单元比对测量结果和本地信息，得到筛选码；
S6、误码率的检测：所述量子终端单元随机选取信号态的一部分检测误码率，QBER＝Nerr/Nsift，如果测量得到的QBER值大于诱骗态的理论计算，则认为通信不安全，放弃本次通信，重新开始；
S7、纠错和保密增强：所述量子终端单元之间通过认证的经典通信，使用Hash算法对剩余的筛选码纠错，得到纠错码，如果纠错成功进行保密增强。
S8、时钟同步：量子终端单元通过光信道监控器进行时钟同步，实现时频传输；采用生成的密钥对时频同步信息加密并传输。
本发明的有益效果是：
1.本发明采用同一物理网络同时进行量子通信和量子时频传输，节约了物理光纤资源本发明采用法拉第镜片自动补偿，设计返往光路消除因光纤链路导致的双折射问题，器件简易，成本低廉。
2.本发明的激光光源采用了单一激光器，具有很好的稳定性和一致性并降低了成本；本发明采用测量设备无关的方法，能够消除探测器侧信道带来的QKD安全性问题。
3.本发明采用量子时钟同步实现测量设备无关协议要求的光路平衡，提高了同步精度，本发明采用QKD生成的密钥对量子时频传输信息加密，保证了时频信息的安全性。
附图说明
图1是本发明的MDI-QKD量子终端单元的结构框图；
图2是本发明的测量仪的结构框图；
图3是本发明的量子纠缠光源的结构框图；
图4是本发明的量子通信光源的结构框图；
图5是本发明的传输单元结构框图；
图6是本发明系统的工作原理整体结构框图；
图7是本发明系统的细化工作原理框图整体结构框图；
图8是表示实施例的网络系统的工作流程图。
附图中各标号对应的部件名称如下：
量子终端单元1，四端口环形器101，第四偏振分束器102，法拉第镜片103，第二分束器104，光信道监控器105，光隔离器106，相位调制器107，偏振调制器108，强度调制器109，可调衰减器110，时钟111；
测量仪2，第三分束器201，第一偏振分束器202，第二偏振分束器203，第一单光子探测器211，第二单光子探测器212，第三单光子探测器213，第四单光子探测器214，符合计数器221；
量子纠缠光源3，泵浦激光器301，非线性晶体302，第一窄带滤波器303，第二窄带滤波器304；
量子通信光源4，通信激光器401，第三偏振分束器402；
传输单元5，第一分束器501，第一合束器511，第二合束器512，第一波分解复用器513，第二波分解复用器514，第一环形器521，第二环形器522，电控光延时线(531,533)，，手动可调光延时线(532,534)，光纤链路(541-544)。
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：
如图1至7所示，本实施例提供了一种量子通信与量子时频传输的融合网络系统，工作步骤如下：
泵浦激光器(钛宝石锁模脉冲激光器，Femto Lasers)301发出790nm的激光脉冲，入射到非线性晶体302(TypeII相位匹配PPKTP)，产生纠缠光子对，其中信号光子和闲频光子分别进入第一窄带滤波器303和第二窄带滤波器304过滤泵浦光和杂散光，然后进入传输单元5。传输单元5通过第一合束器511和第二合束器512将信号光子和闲频光子分别发送到第一环形器521和第二环形器522，然后分别经波分解复用器513到电控光延迟线531和光纤链路541、波分解复用器514到手动可调光延迟线532和光纤链路542发送到量子终端单元Alice和Bob。
优选地，通过采用不同的泵浦波长，产生纠缠光子对可通过波长路由到不同的量子终端单元。如信号光子通过波分解复用器513，经电控光延迟线533和光纤链路543到达Alicen，闲频光子通过波分解复用器514，经电控光延迟线534和光纤链路544到达Bobn。
信号光子和闲频光子分别经由环形器101，第四偏振分束器102，被法拉第镜片103反射后沿原光路返回量子中继单元6。
量子中继单元6的测量仪2接收并测量纠缠光子对的HOM效应，具体为信号光子和闲频光子分别由第三分束器201的输入口进入测量仪，在第三分束器201上产生干涉，分别由第一偏振分束器202、第二偏振分束器203演化后进入第一单光子探测器211、第二单光子探测器212、第三单光子探测213、第四单光子探测器214探测并识别，最后由符合计数器221进行符合测量。
传输单元5调节电控光延时线，设置量子中继单元与两个量子终端单元之间的时延，测量仪2再次进行测量。反复多次，逐步毕竟HOM凹陷的最大值。
当符合计数器得到HOM凹陷最大值时，可认为两条光路平衡，光子同时到达两个量子终端单元。下一步进行量子密钥分发。
信号激光器(PDL808Sepia,Picoquant)401发出1550nm的激光脉冲，所述脉冲通过第三偏振分束器402后，透射水平偏振光进入传输单元5。传输单元5接收所述脉冲，由第二分束器501分为两路，一路经第一合束器511进入第一环形器521，然后经第一波分复用器513、电控光延迟线531和光纤链路541送到量子终端单元Alice，另一路经第二合束器512进入第二环形器522，然后经第二波分复用器514、手动可调光延迟线532和光纤链路542发送到量子终端单元Bob。
所述量子终端单元Alice端和量子终端单元Bob端，用于接收量子中继单元6的信号脉冲。四端口环形器101用于形成光子行走路径，第四偏振分束器102用于形成水平偏振光，法拉第镜片103用于补偿光纤链路中的偏振抖动，第二分束器104用于分离部分光子用于监控，光信道监控器用于监控信道中的光功率水平，相位调制器(Photline MPZ)107随机加载脉冲相位[0,2π]用于满足光子数态的要求，偏振调制器(General Photonics MPC)108用于随机将输入光子调制为：
|ψ>＝{|H>，|V>，|+>，|->}，
强度调制器(Photline MXAN)109将脉冲标记为诱骗态或信号态，可调衰减器110保证光子平均数为指定值，光信道监控器105根据光功率分析脉冲的光子数分布，法拉第镜片103将输入光的偏振态旋转90°，补偿光纤中的双折射效应。最后量子终端单元将输出平均光子数小于1的，随机调制为水平、垂直、+45度、-45度量子态的光子，其中部分为标记为诱骗态，部分标记为信号态。上述光子通过量子信道4返回量子中继单元3，同步进入测量仪2。
所述量子中继单元3接收到两个量子终端单元经过调制的光子，输入测量仪2。
所述测量仪2对输入的光子进行分析，下面为两个量子终端单元输出的量子态分别为：
即偏振调制器108将光子都调制为水平偏振，相位调制器107随机调制两个量子终端单元1的相位分别为φa、φb，强度调制器109和可调衰减器110共同作用，使得两个量子终端单元1的平均光子数分别为μ、ν。联合量子态为：
经过光纤信道衰减，联合量子态演化为：
ηa、ηb分别为两个量子终端单元1与测试仪2之间光纤信道和器件导致的总损耗。
两路所述脉冲同步进入所述测试仪2后，第三分束器接收来自传输单元的纠缠光子对，形成在第三分束器上的量子干涉，通过第一偏振分束器、第二偏振分束器的演化，进入第一单光子探测器、第二单光子探测器、第三单光子探测器和第四单光子探测器产生响应；符合计数器对光子计数并进行符合测量。
测量仪2对上述联合量子态测量，当：
第一单光子探测器211、第四单光子探测器214；
第二单光子探测器212、第三单光子探测器213；的任一组同时响应表示量子态为：
当：
第一单光子探测器211、第二单光子探测器212；
第三单光子探测器213、第四单光子探测器214；的任一组同时响应表示量子态为：
以上两种情况认为测量成功。量子中继单元6公布测量结果。
两个所述量子终端单元1分别比对测量结果和本地制备量子态的信息，即可得到原始码，再丢弃那些测量不成功的数据，得到筛选码。
两个量子终端单元1分别通过认证的经典信道通信，选择筛选码中的一部分估计误码率，并根据诱骗态的模式(弱诱骗态+真空态、双诱骗态、单诱骗态)，计算理论值。如果误码率低于理论值，则认为安全，继续后处理。如果误码率高于理论值，则认为存在安全隐患，放弃本次通信。
误码率测试通过后，两个所述量子终端单元1分别通过认证的经典信道通信，采用经典的算法，优选为Hash算法进行纠错。
纠错通过后，两个量子终端单元1分别通过认证的经典信道通信，对保留的数据进行保密增强，即丢弃一部分数据，使得窃听者获取的信息近似为0，得到安全的量子密钥。
最终，两个量子终端单元1之间实现了量子密钥的分发。
如图8所示，一种即插即用测量设备无关量子密钥分发网络系统的密钥分发与共享方法，该方法包括以下步骤：
S1、系统初始化：检查待通信的量子终端单元、量子中继单元和传输单元的硬件/软件，查看设备是否正常运转，设定初始条件；
S2、光路校准：量子中继单元经传输单元发送纠缠光子对到量子终端单元，量子终端单元直接反射纠缠光子经传输单元返回量子中继单元，量子中继单元测量纠缠光子对之间的HOM凹陷，根据传输单元调节的时延找到HOM凹陷最大值，此时认为两条光路平衡；
S3、量子信息编码：量子中继单元发送信号脉冲，通过量子信道分别发送给多个量子终端单元，量子终端单元通过偏振调制器随机加载水平，垂直，+45度和-45度偏振光脉冲，经强度调制器后加入诱骗态成分，然后经过可调衰减器调制成为平均光子数小于1的若干相干激光脉冲，经原链路返回量子中继单元；
S4、Bell态分析：量子中继单元将量子终端单元传回的脉冲通过测量仪进行Bell态分析，根据多个单光子探测器的同时响应结果判定投影到的Bell态，并公开宣布测量结果；
S5、密钥筛选：所述量子终端单元比对测量结果和本地信息，得到筛选码；
S6、误码率的检测：所述量子终端单元随机选取信号态的一部分检测误码率，QBER＝Nerr/Nsift，如果测量得到的QBER值大于诱骗态的理论计算，则认为通信不安全，放弃本次通信，重新开始；
S7、纠错和保密增强：所述量子终端单元之间通过认证的经典通信，使用Hash算法对剩余的筛选码纠错，得到纠错码，如果纠错成功进行保密增强。
S8、时钟同步：量子终端单元通过光信道监控器进行时钟同步，实现时频传输；采用生成的密钥对时频同步信息加密并传输。
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，并不对发明构成任何限制。

Claims (10)

1.一种量子通信与量子时频传输的融合网络系统，其特征在于：包括量子终端单元、量子中继单元和传输单元，所述量子终端单元包括N个Alice端和N个Bob端；
所述量子中继单元产生信号光子和闲频光子纠缠光子对脉冲，其中信号光子经传输单元到达量子终端单元Alice端，闲频光子经传输单元到达量子终端单元Bob端；Alice端与Bob端分别反射信号光子与闲频光子，经原链路返回量子中继单元；量子中继单元对反射回的信号光子与闲频光子做HOM干涉，得到干涉图样；所述传输单元多次调解两条光路之间的时延，逐步逼近得到HOM凹陷的最大值，此时Alice与Bob到达量子中继单元的时间完全相等，信号光子和闲频光子同时到达量子终端单元的Alice端与Bob端；
量子密钥分发过程如下：
所述量子中继单元产生两路通信激光脉冲，两路所述通信激光脉冲经传输单元发送至量子终端单元的N个Alice端和N个Bob端，Alice端和Bob端通过偏振调制器随机加载水平，垂直，+45度和-45度偏振光脉冲，经强度调制器后加入诱骗态成分，然后经过可调衰减器调制成为平均光子数小于1的若干相干激光脉冲，经原链路返回量子中继单元；
所述量子中继单元将传回的相干激光脉冲通过测量仪进行Bell态分析，根据多个单光子探测器的同时响应结果判定投影得到的Bell态，并公开宣布测量结果；
所述量子终端单元Alice端和量子终端单元Bob端分别将所述测量结果和本地制备量子态的信息进行对比，得到筛选码，并对所述筛选码进行误码率检测，如果认为安全，则通信成功，如果认为不安全，放弃本次通信，重新开始。
2.根据权利要求1所述的量子通信与量子时频传输的融合网络系统，其特征在于：所述量子中继单元包括测量仪、量子纠缠光源和量子通信光源；
所述量子纠缠光源用于产生信号光子和闲频光子纠缠光子对，其中信号光子经由传输单元传送至量子终端单元Alice，闲频光子经由传输单元传送至量子终端单元Bob；所述量子终端单元Alice和Bob分别反射信号光子和闲频光子，由传输单元沿原光路返回测量仪；测量仪对信号光子和闲频光子进行测量；
量子通信光源发送通信脉冲激光，所述通信脉冲激光进入传输单元后分为两路，一路发送到量子终端单元Alice，一路发送到量子终端单元Bob；所述量子终端单元Alice和Bob分别对通信激光脉冲编码，由传输单元沿原光路返回测量仪；测量仪对输入的通信激光脉冲进行Bell态分析，得到测量结果并公布。
3.根据权利要求2所述的量子通信与量子时频传输的融合网络系统，其特征在于：所述测量仪包括第三分束器、第一偏振分束器、第二偏振分束器、第一单光子探测器、第二单光子探测器、第三单光子探测器、第四单光子探测器和符合计数器；
所述第三分束器接收来自传输单元的纠缠光子对，形成在第三分束器上的量子干涉，通过第一偏振分束器、第二偏振分束器的演化，进入第一单光子探测器、第二单光子探测器、第三单光子探测器和第四单光子探测器产生响应；符合计数器对光子计数并进行符合测量，得到HOM干涉图样。
4.根据权利要求2所述的量子通信与量子时频传输的融合网络系统，其特征在于：所述量子纠缠光源包括泵浦激光器、非线性晶体、第一窄带滤波器和第二窄带滤波器；
泵浦激光器发射脉冲泵浦光，脉冲泵浦光入射到非线性晶体，产生频率相近的信号光子和闲频光子纠缠光子对，信号光子经第一窄带滤波器进入传输单元，闲频光子经第二窄带滤波器进入传输单元；
其中窄带滤波器用于过滤泵浦光和杂散光。
5.根据权利要求2所述的量子通信与量子时频传输的融合网络系统，其特征在于：所述量子通信光源包括脉冲激光器和第三偏振分束器；
所述脉冲激光器发送1550nm波长的通信脉冲激光，经第三偏振分束器得到透射水平偏振光，透射水平偏振光又发送到传输单元；
其中第三偏振分束器用于透射水平偏振光，反射垂直偏振光。
6.根据权利要求1所述的量子通信与量子时频传输的融合网络系统，其特征在于：所述传输单元包括第一分束器、第一合束器、第二合束器、第一波分复用器、第二波分复用器、第一环形器、第二环形器、电控光延时线、手动可调光延时线和光纤链路；
所述第一合束器接收来自量子中继单元的信号光子，经第一环形器进入第一波分复用器，然后经电控光延时线、光纤链路传送到量子终端单元Alice端；
所述第二合束器接收来自量子中继单元的闲频光子，经第二环形器进入第二波分复用器，然后经手动可调光延时线、光纤链路传送到量子终端单元Bob端；
第一分束器接收来自量子中继单元的1550nm通信波段的激光脉冲，分为两路，一路由第一合束器、第一环形器、第一波分复用器经电控光延时线、光纤链路传送到量子终端单元Alice端，另一路由第二合束器、第二环形器、第二波分复用器经手动可调光延时线、光纤链路传送到量子终端单元Bob端；
所述量子终端单元Alice端对激光脉冲进行信息编码后，又通过所述光纤链路、电控光延时线、第一波分复用器、第一环形器传回至所述量子中继单元；
所述量子终端单元Bob端对激光脉冲进行信息编码后，又通过所述光纤链路、手动可调光延时线、第二波分复用器、第二环形器传回至所述量子中继单元。
7.根据权利要求1所述的量子通信与量子时频传输的融合网络系统，其特征在于：所述量子终端单元Alice端和Bob端均包括四端口环形器、第四偏振分束器、法拉第镜片、第二分束器、光信道监控器、光隔离器、相位随机器、偏振调制器、强度调制器和可变光衰减器；
所述量子终端单元Alice端或Bob端通过传输接收来自于量子中继单元的激光脉冲，经过四端口环形器进入第四偏振分束器、然后由法拉第镜片补偿环境导致的偏振漂移，反射进入四端口环形器到达第二分束器，被第二分束器分为两路：其中一路进入光信道监控器用于监控输入的光功率；另一路进入光隔离器隔离反射光，接着进入相位随机器，随机调制光脉冲的相位为[0,2π]以满足光子数态的要求，然后经过偏振调制器随机调制光子为水平、垂直、+45度、-45度偏正态之一，再经过强度调制器加载为诱骗态或信号态，最后经过可变光衰减器形成平均光子数小于1的弱相干激光脉冲信号。
8.根据权利要求7所述的量子通信与量子时频传输的融合网络系统，其特征在于：所述四端口环形器用于调节光子的行走路径；所述法拉第镜片用于自动补偿传输过程中的偏振抖动。
9.根据权利要求7所述的量子通信与量子时频传输的融合网络系统，其特征在于：所述第二分束器为10:90的分束器，分束形成透射光和反射光，所述透射光用于量子密钥分发，反射光用于信道监控；
所述光信道监控器用于监控信道中的光功率水平，用于调节可变光衰减器以保证平均光子数为指定值或者所述光信道监控器用于时钟同步；
所述光隔离器用于保证光的单向传输，隔离反射光。
10.一种量子通信与量子时频传输的融合网络方法，该方法应用于所述权利要求1-8任一所述的一种量子通信与量子时频传输的融合网络系统上，其特征在于：该方法包括以下步骤：
S1、系统初始化：检查待通信的量子终端单元、量子中继单元和传输单元的硬件/软件，查看设备是否正常运转，设定初始条件；
S2、光路校准：量子中继单元经传输单元发送纠缠光子对到量子终端单元，量子终端单元直接反射纠缠光子经传输单元返回量子中继单元，量子中继单元测量纠缠光子对之间的HOM凹陷，根据传输单元调节的时延找到HOM凹陷最大值；
S3、量子信息编码：量子中继单元发送信号脉冲，通过量子信道分别发送给量子终端单元的多个Alice端和Bob端，Alice端和Bob端通过偏振调制器随机加载水平，垂直，+45度和-45度偏振光脉冲，经强度调制器后加入诱骗态成分，然后经过可调衰减器调制成为平均光子数小于1的若干相干激光脉冲，经原链路返回量子中继单元；
S4、Bell态分析：量子中继单元将量子终端单元传回的脉冲通过测量仪进行Bell态分析，根据多个单光子探测器的同时响应结果判定投影到的Bell态，并公开宣布测量结果；
S5、密钥筛选：所述量子终端单元比对测量结果和本地信息，得到筛选码；
S6、误码率的检测：所述量子终端单元随机选取信号态的一部分检测误码率，QBER＝Nerr/Nsift，如果测量得到的QBER值大于诱骗态的理论计算，则认为通信不安全，放弃本次通信，重新开始；
S7、纠错和保密增强：所述量子终端单元之间通过认证的经典通信，使用Hash算法对剩余的筛选码纠错，得到纠错码，如果纠错成功进行保密增强。
S8、时钟同步：量子终端单元通过光信道监控器进行时钟同步，实现时频传输；采用生成的密钥对时频同步信息加密并传输；
初始条件设定包括通信双方协商采用的波长、时隙以及并构成光路的设定。
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