CN109995525A - 用于量子密钥分配系统的信号传输方法、装置及系统 - Google Patents

用于量子密钥分配系统的信号传输方法、装置及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了用于量子密钥分配系统的信号传输方法、装置及系统，该方法包括：产生第一啁啾脉冲序列作为载波脉冲序列；第一啁啾脉冲序列包括正啁啾脉冲序列或负啁啾脉冲序列；将待传输信息调制到第一啁啾脉冲序列上；将调制后的第一啁啾脉冲序列衰减至单光子量级；将单光子脉冲序列发送至光纤传输线路，其中，光纤传输线路将输入其的无啁啾脉冲序列转换为第二啁啾脉冲序列，第二啁啾脉冲序列与第一啁啾脉冲序列的性质相反。本发明以正啁啾脉冲序列或负啁啾脉冲序列代替无啁啾脉冲序列作为载波脉冲序列，使载波脉冲在光纤传输线路中能够由于色散特性自行压缩为脉宽较窄、峰值功率较大的脉冲，容易达到探测器门限值，从而延长量子信号传输距离。

Description

用于量子密钥分配系统的信号传输方法、装置及系统
技术领域
本发明涉及量子通信技术领域，具体涉及用于量子密钥分配系统的信号传输方法、装置及系统。
背景技术
量子通信中有三项核心技术，分别是单光子源技术、量子编码和传输技术、单光子检测技术。大量研究已经证明使用单光子脉冲进行的量子通信是绝对安全的，并且具有很高的效率。基于安全性方面考虑，为了保证在通信过程中不会被光子数分束攻击，理想的单光子脉冲应该严格满足每个脉冲中仅含有一个光子。量子密钥分配系统(英文全称：Quantum Key Distribution，英文缩写：QKD)可以通过单光子量级的脉冲(本申请中简称单光子脉冲)实现密钥传输，以保证密钥传输的安全性。
基于光纤的量子密钥分配系统，由于其与经典光纤通信系统具有天然联系而备受关注。为了能以较低成本实现量子保密通信系统全球组网，地面上的量子密钥分配系统应能与现有的经典光纤通信系统充分融合，而融合的主要困难在于当前量子系统单跨度传输距离不足。很多研究者认为实用化的量子保密通信系统，其单跨度传输距离最终应能够达到400km(即海底光缆的中继距离)，而当前最新一代的量子设备其传输距离仅100km左右。为了继续提升传输距离，提高光源重复频率、降低脉冲宽度是必然趋势，而光纤色散将会在这一过程中扮演越来越重要的角色。在经典光纤通信系统中，窄脉冲在百公里级的G652光纤中传输时需要考虑色散补偿(甚至是色散管理)问题，在量子密钥分配系统中亦是如此。不同之处在于，由于有三大物理学定理的限制，单光子脉冲信号无法被放大，且功率一旦被衰减便无法恢复，因此量子密钥分配系统对线路衰减非常敏感。然而，色散补偿器件都会伴随有额外的插入损耗，通常补偿的色散越大则损耗越大。这决定了量子密钥分配系统中的色散补偿无法像经典光纤通信中那样自由，在对单光子脉冲信号进行色散补偿时需要仔细考虑补偿方式。当前对单光子脉冲信号进行色散补偿的主要方式是直接在传输线路中插入色散补偿模块，这样虽然能够非常简单地对光纤色散进行补偿，使单光子脉冲信号达到接收端时维持较窄的脉宽和较高的峰值功率，但无疑增加了线路衰减。采用这种补偿方式都会使人们对色散补偿器件的补偿量和损耗量进行权衡，通常为达到足够的补偿量而不得不忍受较高的损耗，这将会缩短量子密钥分配系统实际的传输距离。对未来以追求极限传输距离为目标的实用化量子密钥分配系统来说，任何在传输线路中存在的额外损耗都是需要避免的，因此我们有必要找到一种更好的方法来提升量子密钥分配系统的传输距离。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种量子密钥分配系统的信号传输方法、装置及系统，以解决现有技术中量子密钥分配系统的信号传输距离较短的问题。
根据第一方面，本发明实施例提供了一种用于量子密钥分配系统的信号传输方法，包括：产生第一啁啾脉冲序列作为载波脉冲序列；所述第一啁啾脉冲序列包括正啁啾脉冲序列或负啁啾脉冲序列；将待传输信息调制到所述第一啁啾脉冲序列上；将调制后的第一啁啾脉冲序列衰减至单光子量级；将单光子脉冲序列发送至光纤传输线路，其中，所述光纤传输线路将输入其的无啁啾脉冲序列转换为第二啁啾脉冲序列，所述第二啁啾脉冲序列与所述第一啁啾脉冲序列的性质相反。
可选地，所述光纤传输线路为G652光纤，所述第一啁啾脉冲序列为正啁啾脉冲序列。
根据第二方面，本发明实施例提供了一种用于量子密钥分配系统的信号传输装置，包括：光源，用于产生第一啁啾脉冲序列作为载波脉冲序列；所述第一啁啾脉冲序列包括正啁啾脉冲序列或负啁啾脉冲序列；光学调制模块，用于将待传输信息调制到所述第一啁啾脉冲序列上；光衰减器，用于将调制后的第一啁啾脉冲序列衰减至单光子量级；发送模块，用于将单光子脉冲序列发送至光纤传输线路，其中，所述光纤传输线路将输入其的无啁啾脉冲序列转换为第二啁啾脉冲序列，所述第二啁啾脉冲序列与所述第一啁啾脉冲序列的性质相反。
可选地，所述装置还包括：随机数发生模块，用于产生待传输的随机数序列；所述光学调制模块还用于将所述随机数序列调制到所述第一啁啾脉冲序列上。
可选地，所述光源包括：第一激光器，用于产生无啁啾的激光脉冲序列；色散介质，所述第一激光器输出的无啁啾激光脉冲序列入射所述色散介质并出射，从而将无啁啾的激光脉冲序列转换为第一啁啾脉冲序列。
可选地，所述光源包括：移频器、放大器、滤波器，通过光纤依次连接并形成闭环结构，用于对闭环结构中的光信号依次执行移频、放大、滤波操作；第二激光器，用于产生连续的激光；第一耦合器，一侧与所述第二激光器的输出端连接，另一侧与所述闭环结构中所述移频器和所述滤波器之间的光纤耦合；第二耦合器，一侧与所述第一耦合器和所述滤波器之间的光纤耦合，另一侧作为所述光源的输出端。
可选地，所述光纤传输线路为G652光纤，激光器所发射的激光波长范围为1450-1650nm。
根据第三方面，本发明实施例提供了一种用于量子密钥分配系统的信号传输系统，包括：第二方面或者其任意可选实施方式所述的装置；光纤传输线路；光学解调模块，对接收到的光信号进行干涉解调；单光子探测器，用于从解调后的光信号中探测单光子信息。
本发明实施例所提供的用于量子密钥分配系统的信号传输方法、装置及系统，以正啁啾脉冲序列或负啁啾脉冲序列代替无啁啾脉冲序列作为载波脉冲序列，使载波脉冲序列在光纤传输线路中能够由于色散特性自行压缩为脉宽较窄、峰值功率较大的脉冲序列，容易达到接收端探测器的门限值，从而该方法无需在光纤传输线路中添加色散补偿器便能够简化线路结构、延长量子信号传输距离。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了根据本发明实施例的一种用于量子密钥分配系统的信号传输方法的流程图；
图2示出了正啁啾脉冲经G652光纤传输后转换为无啁啾脉冲的示意图；
图3示出了根据本发明实施例的用于量子密钥分配系统的信号传输系统的结构示意图；
图4示出了量子通信系统的总体结构示意图；
图5示出了根据本发明实施例的一种光源结构示意图；
图6示出了根据本发明实施例的另一种光源结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
发明人发现，对于G652光纤而言，G652光纤在1550nm附近具有反常色散特性，即对于波长在1550nm附近光的低频分量传播速度慢，高频分量传播速度快，从而将输入其的窄脉冲展宽，使之变为含有“啁啾”的宽脉冲。如图3中部对照组所示，脉冲宽度展宽后，脉冲峰值功率大幅下降，最终在接收端接收到的脉冲会因峰值功率无法达到接收端探测器的门限值致使系统密钥生成率急速降低，甚至无法成码。
所谓“啁啾”是指信号频率随时间发生变化的现象，而“啁啾脉冲”是指脉冲在传输时中心波长发生了偏移，导致脉冲前后沿的频率不一致(类似调频脉冲)。如果频率偏移量随时间是线性变化的，便称这种啁啾为“线性啁啾”，由光纤色散特性所引起的啁啾便是这种啁啾。
基于上述发现，发明人提供了本发明实施例所提供的用于量子密钥分配系统的信号传输方法、装置及系统。
图1示出了根据本发明实施例的一种用于量子密钥分配系统的信号传输方法的流程图，该方法可以用于长距离光纤传输的量子密钥分配系统，尤其适用于相位调制型的量子密钥分配系统。如图1所示，该方法包括如下步骤：
S10：产生第一啁啾脉冲序列作为载波脉冲序列；第一啁啾脉冲序列包括正啁啾脉冲序列或负啁啾脉冲序列。
正啁啾脉冲是指，脉冲的低频分量在脉冲前沿，高频分量在脉冲后沿，即如图2中上方左侧的“正啁啾展宽脉冲”所示；负啁啾脉冲是指，脉冲的高频分量在脉冲前沿，低频分量在脉冲后沿。正啁啾脉冲序列是指随时间依次出现的多个正啁啾脉冲，负啁啾脉冲序列是指随时间依次出现的多个负啁啾脉冲。
S20：将待传输信息调制到第一啁啾脉冲序列上。
第一啁啾脉冲序列为载波脉冲序列，用于承载待传输信息。将待传输信息调制到载波脉冲上的具体方法为现有技术，在此不再赘述。
S30：将调制后的第一啁啾脉冲序列衰减至单光子量级。
基于安全性方面考虑，量子密钥分配系统的信号是以单光子量级的脉冲在光纤传输线路中传输的，因此需要将调制后携带有待传输信息的第一啁啾脉冲序列衰减至单光子量级再发送至光纤传输线路。也正是因为如此，量子密钥分配系统才对线路衰减非常敏感，导致现有技术中采用色散补偿器的方法无法使量子密钥分配系统的传输距离达到极限。具体请参见本申请背景技术部分。
S40：将单光子脉冲序列发送至光纤传输线路，其中，光纤传输线路将输入其的无啁啾脉冲序列转换为第二啁啾脉冲序列，第二啁啾脉冲序列与第一啁啾脉冲序列的性质相反。
以G652光纤为例，根据发明人的发现，由于反常色散特性，光脉冲的低频分量传播速度慢、高频分量传播速度快，则无啁啾脉冲序列输入G652光纤之后便会转换为负啁啾脉冲(即脉冲的高频分量在脉冲前沿，低频分量在脉冲后沿)序列。若输入G652的光脉冲为正啁啾脉冲，也即输入光脉冲的高频分量在脉冲前沿、低频分量在脉冲后延(如图2所示)，则在G652光纤中，高频分量会由于传播速度变快而逐渐向中心波长集中，低频分量会由于传播速度变慢而逐渐向中心波长集中，从而最终将正啁啾脉冲压缩，使其脉宽变窄、脉冲峰值功率大幅上升(如图2所示)，因此在接收端接收到的脉冲较容易达到接收端探测器的门限值，容易成码。可以合理调整输入G652的正啁啾脉冲的啁啾量，使得接收端接收到的脉冲序列为无啁啾脉冲序列，以便于接收端进行处理。
需要补充说明的是，上述示例仅以G652光纤为例说明了上述用于量子密钥分配系统的信号传输方法的技术原理，但是本领域技术人员容易理解，该方法并不限于应用在G652光纤；并且，虽然上述示例中第一啁啾脉冲序列为正啁啾脉冲序列，光纤传输线路(即G652光纤)具备“将输入其的无啁啾脉冲序列转换为负啁啾脉冲序列”的性质，但是该方法还可以应用于第一啁啾脉冲序列为负啁啾脉冲序列、且光纤传输线路具备“将输入其的无啁啾脉冲序列转换为正啁啾脉冲序列”这一性质的情形，具体原理与上述示例类似，在此不再赘述。
上述用于量子密钥分配系统的信号传输方法，以正啁啾脉冲序列或负啁啾脉冲序列代替无啁啾脉冲序列作为载波脉冲序列，使载波脉冲序列在光纤传输线路中能够由于色散特性自行压缩为脉宽较窄、峰值功率较大的脉冲序列，容易达到接收端探测器的门限值，从而该方法无需在光纤传输线路中添加色散补偿器便能够简化线路结构、延长量子信号传输距离。
上述方法在具体实施时，可以在确定光纤传输线路之后，先确定光纤传输线路的性质，即判断当无啁啾脉冲信号输入光纤传输线路之后，输出的信号是正啁啾脉冲信号还是负啁啾脉冲信号；若输出的信号是正啁啾脉冲，则步骤S10产生负啁啾脉冲序列；若输出的信号是负啁啾脉冲，则步骤S10产生正啁啾脉冲序列。
本发明实施例还提供了一种用于量子密钥分配系统的信号传输装置，该装置可以用于实施上述用于量子密钥分配系统的信号传输方法，且该装置可作为量子密钥分配系统的发送端装置。如图3所示，该装置包括光源10、光学调制模块20、光衰减器30和发送模块40。
光源10用于产生第一啁啾脉冲序列；第一啁啾脉冲序列包括正啁啾脉冲序列或负啁啾脉冲序列。
光学调制模块20用于将待传输信息调制到第一啁啾脉冲序列上。
光衰减器30用于将调制后的第一啁啾脉冲序列衰减至单光子量级。
发送模块40用于将单光子脉冲序列发送至光纤传输线路，其中，光纤传输线路将输入其的无啁啾脉冲序列转换为第二啁啾脉冲序列，第二啁啾脉冲序列与第一啁啾脉冲序列的性质相反。
上述用于量子密钥分配系统的信号传输装置，以正啁啾脉冲序列或负啁啾脉冲序列代替无啁啾脉冲序列作为载波脉冲序列，使载波脉冲序列在光纤传输线路中能够由于色散特性自行压缩为脉宽较窄、峰值功率较大的脉冲序列，容易达到接收端探测器的门限值，从而该方法无需在光纤传输线路中添加色散补偿器便能够简化线路结构、延长量子信号传输距离。具体请参见上述方法实施例。
作为本实施例的一种可选实施方式，如图5所示，光源10包括第一激光器11和色散介质12。第一激光器11用于产生无啁啾的激光脉冲序列。色散介质12第一激光器输出的无啁啾激光脉冲序列入射色散介质并出射，从而将无啁啾的激光脉冲序列转换为第一啁啾脉冲序列。
作为上述可选实施方式的一种替换实施方式，如图6所示，光源10包括移频器13、放大器14、滤波器15、第二激光器16、第一耦合器17和第二耦合器18。
移频器13、放大器14、滤波器15，通过光纤依次连接并形成闭环结构，用于对闭环结构中的光信号依次执行移频、放大、滤波操作。第二激光器16用于产生连续的激光(请注意，不是激光脉冲)。第一耦合器17的一侧与第二激光器16的输出端连接，另一侧与闭环结构中移频器13和滤波器15之间的光纤耦合。第二耦合器18的一侧与第一耦合器17和滤波器15之间的光纤耦合，另一侧作为光源10的输出端。
如图6所示，第二激光器16产生的连续激光通过第一耦合器17注入闭环结构之后，移频器13对其进行频率搬移，放大器14补偿闭合结构带来的损耗，滤波器15滤除带外的自发辐射噪声。假设移频器13的驱动频率为fs＝ωs/2π，闭环结构的时延为τc，其自由光谱范围为光子在闭合结构内每转一圈就会引入固定的频移和相移，所以闭合结构内的光场是由一系列等间隔的频率分量组成，且每个频率分量都被附加了二次变化的相位，时域上表现为啁啾脉冲。改变驱动频率和时延可改变输出脉冲的重复频率，而啁啾性质(即正啁啾或负啁啾)可由移频器的移频方向决定。
可选地，所述光纤传输线路为G652光纤，上述第一激光器或第二激光器所发射的激光波长范围为1450-1650nm，例如1450nm、1500nm、1550nm、1600nm、1650nm。
可选地，该装置还包括随机数发生模块50，用于产生待传输的随机数序列。光学调制模块20还用于将随机数序列调制到第一啁啾脉冲序列上。量子通信系统通常包括经典信道和量子信道，其中量子信道即是图3所示的通信信道，如图5所示，发送方光学系统即是包括图3中的光源10、光学调制模块20、光衰减器30、发送模块40和随机数发生模块50，接收方量子光学系统则包括图3中的光学解调模块和单光子探测器。发送方通过随机数发生模块50产生随机数序列，并通过量子信道发送至接收端，发送端和接收端的密钥协商模块通过经典信道基于该随机数序列进行密钥协商以确定密钥信息。
本发明实施例还提供了一种用于量子密钥分配系统的信号传输系统，如图3所示，包括上述任意一种用于量子密钥分配系统的信号传输装置，还包括光纤传输线路、光学解调模块和单光子探测器。
其中，光学解调模块、单光子探测器位于接收端。光学解调模块对接收到的光信号进行干涉解调。单光子探测器用于从解调后的光信号中探测单光子信息。当然接收端还可以包括其他处理模块，用于对接收的信号执行其他处理操作。
虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (8)

1.一种用于量子密钥分配系统的信号传输方法，其特征在于，包括：
产生第一啁啾脉冲序列作为载波脉冲序列；所述第一啁啾脉冲序列包括正啁啾脉冲序列或负啁啾脉冲序列；
将待传输信息调制到所述第一啁啾脉冲序列上；
将调制后的第一啁啾脉冲序列衰减至单光子量级；
将单光子脉冲序列发送至光纤传输线路，其中，所述光纤传输线路将输入其的无啁啾脉冲序列转换为第二啁啾脉冲序列，所述第二啁啾脉冲序列与所述第一啁啾脉冲序列的性质相反。
2.根据权利要求1所述的用于量子密钥分配系统的信号传输方法，其特征在于，所述光纤传输线路为G652光纤，所述第一啁啾脉冲序列为正啁啾脉冲序列。
3.一种用于量子密钥分配系统的信号传输装置，其特征在于，包括：
光源，用于产生第一啁啾脉冲序列作为载波脉冲序列；所述第一啁啾脉冲序列包括正啁啾脉冲序列或负啁啾脉冲序列；
光学调制模块，用于将待传输信息调制到所述第一啁啾脉冲序列上；
光衰减器，用于将调制后的第一啁啾脉冲序列衰减至单光子量级；
发送模块，用于将单光子脉冲序列发送至光纤传输线路，其中，所述光纤传输线路将输入其的无啁啾脉冲序列转换为第二啁啾脉冲序列，所述第二啁啾脉冲序列与所述第一啁啾脉冲序列的性质相反。
4.根据权利要求3所述的用于量子密钥分配系统的信号传输装置，其特征在于，还包括：
随机数发生模块，用于产生待传输的随机数序列；
所述光学调制模块还用于将所述随机数序列调制到所述第一啁啾脉冲序列上。
5.根据权利要求3所述的用于量子密钥分配系统的信号传输装置，其特征在于，所述光源包括：
第一激光器，用于产生无啁啾的激光脉冲序列；
色散介质，所述第一激光器输出的无啁啾激光脉冲序列入射所述色散介质并出射，从而将无啁啾的激光脉冲序列转换为第一啁啾脉冲序列。
6.根据权利要求3所述的用于量子密钥分配系统的信号传输装置，其特征在于，所述光源包括：
移频器、放大器、滤波器，通过光纤依次连接并形成闭环结构，用于对闭环结构中的光信号依次执行移频、放大、滤波操作；
第二激光器，用于产生连续的激光；
第一耦合器，一侧与所述第二激光器的输出端连接，另一侧与所述闭环结构中所述移频器和所述滤波器之间的光纤耦合；
第二耦合器，一侧与所述第一耦合器和所述滤波器之间的光纤耦合，另一侧作为所述光源的输出端。
7.根据权利要求5或6所述的用于量子密钥分配系统的信号传输装置，其特征在于，所述光纤传输线路为G652光纤，激光器所发射的激光波长范围为1450-1650nm。
8.一种用于量子密钥分配系统的信号传输系统，其特征在于，包括：
权利要求3或7任一项所述的装置；
光纤传输线路；
光学解调模块，对接收到的光信号进行干涉解调；
单光子探测器，用于从解调后的光信号中探测单光子信息。
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