CN110661616B - 一种用于量子密钥分发系统的偏振反馈方法 - Google Patents

一种用于量子密钥分发系统的偏振反馈方法 Download PDF

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Abstract

一种用于量子密钥分发系统的偏振反馈方法，包括：在双工QKD系统配对的两台装置中各配置一个EPC；两台QKD装置的发送端分别发送量子信号光到另一台QKD装置的接收端；当密钥分发错误率大于预先设定数值时，进入偏振反馈工作阶段；调节两台QKD装置的接收端的单光子探测器工作在线性模式；使两台QKD装置的发送端同时发出特定偏振态的参考光，该参考光相对量子信号光为强光；接收端计算光对比度并调节到光对比度达到设定值；反馈控制结束后调节接收端的单光子探测器工作在雪崩模式，使两台QKD装置的发送端发出量子信号光。本发明具有以下优点：不需要占用额外的波长信道，降低了整体成本；同时对两组非正交基矢中的一组进行偏振反馈，节省了偏振反馈的时间。

Description

一种用于量子密钥分发系统的偏振反馈方法
技术领域
本发明涉及量子保密通信领域，特别是提供了一种用于量子密钥分发系统的偏振反馈方法。
背景技术
在偏振编码的量子密码分发方案中，由于发送方和接收方之间的光纤可能受到环境等因素的扰动，其中光信号的偏振会发生变化，这会导致接收方错误率增加。为了保持较低的错误率，偏振编码的量子密钥分发系统中需要进行偏振反馈。
在量子密码分发系统中，发送方发出的H、V光在HV基矢下探测应当分别得到H、V结果，而在发送方、接收方之间没有受到攻击时，如果H光探测结果出现V光，即说明接收方基矢方向与发送方基矢方向有部分偏差，其偏差的大小可以由这时V光占发出的H光的比例确定。相应地，发送方发出的+光、-光在+-基矢下探测应当分别得到+、-结果。因此需要在接收方基矢与发送方偏差的时候进行纠正，以减小或消除信道光纤受到干扰带来的问题。
如图1所示，为使用现有偏振反馈装置的量子密钥分发系统，包括通过量子信道连接的发射装置以及接收装置。所述发射装置包括QKD发送端Alice、发送方偏振参考光制备模块、发送方波分复用模块，QKD发送端Alice以及发送方偏振参考光制备模块均连接到发送方波分复用模块；所述接收装置包括电偏振控制器、接收方波分复用模块、接收方偏振检测模块、反馈控制装置，以及QKD接收端Bob，电偏振控制器的输出端连接到接收方波分复用模块，接收方波分复用模块的输出端同时连接到接收方偏振检测模块以及QKD接收端Bob，接收方偏振检测模块的输出端通过反馈控制装置连接到电偏振控制器；
发送方波分复用模块通过量子信道连接电偏振控制器；
QKD发送端Alice用于发射量子信号光，发送方偏振参考光制备模块用于制备固定延时、45°夹角的两个非正交线偏振参考光，发送方波分复用模块将QKD信号光和参考光耦合入同一光纤进行传输，利用时分复用技术保证量子信道信号光与线偏振参考光在不同时序中发送；
QKD接收端Bob用于接收量子信号光，接收方偏振检测模块用于接收和反馈补偿两个非正交线偏振参考光，接收端通过对参考光的偏振态进行计数探测并以此作为反馈依据实时调节接收端电偏振控制器，恢复信号光的偏振态。
现有的偏振反馈方式，如上所叙述，是在QKD系统中通过增加额外的偏振参考光制备模块的方式，将偏振参考光与量子信号光通过波分复用的方式共纤传输，在接收端再将偏振参考光与量子信号光解波分复用后，使用额外的偏振检测模块(包括PIN管探测器)对偏振参考光进行检测，并基于检测结果对偏振参考光进行反馈控制。由于需要额外的偏振参考光制备模块及偏振检测模块，系统成本较高，不利于QKD技术的推广应用。并且，偏振参考光为强光，与光强较弱的量子信号光共纤传输会对量子信号光产生干扰，导致QKD成码率显著降低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于现有偏振反馈需要额外的偏振参考光制备模块及偏振检测模块,从而使系统成本较高的问题。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：一种用于量子密钥分发系统的偏振反馈方法，包括下述步骤：
S1：在双工QKD系统配对的两台QKD装置中各配置一个电控偏振控制器，电控偏振控制器配置在光纤信道的两端；
S2：第一台QKD装置的发送端产生的量子信号光经过第一台QKD装置的电控偏振控制器、第二台QKD装置的电控偏振控制器后进入第二台QKD装置的接收端，当信号进入第二台QKD装置的接收端的单光子探测器时，探测器开始计数；同理，第二台QKD装置的发送端产生的量子信号光经过第二台QKD装置的电控偏振控制器、第一台QKD装置的电控偏振控制器后进入第一台QKD装置的接收端，当信号进入第一台QKD装置的接收端的单光子探测器时，探测器开始计数；
S3：当QKD系统的密钥分发错误率大于预先设定数值时，系统进入偏振反馈工作阶段；
S4：调节第一台QKD装置和第二台QKD装置的接收端相应的单光子探测器工作在线性模式；
S5：使第一台QKD装置和第二台QKD装置的发送端同时发出特定偏振态的参考光，该参考光相对量子信号光为强光；
S6：第一台QKD装置和第二台QKD装置的接收端根据相应的单光子探测器的计数，计算光对比度，并调节到光对比度达到设定的对比度为止；
S7：如果光对比度都满足要求，反馈控制结束，调节第一台QKD装置和第二台QKD装置的接收端相应的单光子探测器工作在雪崩模式，使第一台QKD装置和第二台QKD装置的发送端发出量子信号光，量子信号光是单光子量级的弱光，开始QKD工作。
作为进一步优化的技术方案，所述步骤S2中，量子信号光具体经过的路线为：
第一台QKD装置的发送端产生的量子信号光依次经过第一台QKD装置的光环形器、第一台QKD装置的电控偏振控制器、第二台QKD装置的电控偏振控制器、第二台QKD装置的光环形器、第二台QKD装置的接收端；同理，第二台QKD装置的发送端产生的量子信号光依次经过第二台QKD装置的光环形器、第二台QKD装置的电控偏振控制器、第一台QKD装置的电控偏振控制器、第一台QKD装置的光环形器、第一台QKD装置的接收端。
作为进一步优化的技术方案，所述步骤S5具体为，调节所述第一台QKD装置和第二台QKD装置的发送端的可调光衰减器，使得所述第一台QKD装置和第二台QKD装置的发送端的分布反馈式激光器同时发出所述特定偏振态的参考光。
作为进一步优化的技术方案，所述第一台QKD装置的发送端发出H光，同时，使得第二台QKD装置的发送端发出P光。
或者，所述第一台QKD装置的发送端发出P光，同时，使得第二台QKD装置的发送端发出H光。
作为进一步优化的技术方案，当所述第一台QKD装置的发送端发出H光，同时，使得第二台QKD装置的发送端发出P光时，所述步骤S6具体为，
第二台QKD装置的接收端接收到H光，计算H/V对比度，调节第二台QKD装置的EPC，直到H/V对比度达到设定的对比度为止；第一台QKD装置的接收端接收到P光，计算P/N对比度，调节第一台QKD装置的EPC，直到P/N对比度达到设定的对比度为止。
作为进一步优化的技术方案，当所述第一台QKD装置的发送端发出P光，同时，使得第二台QKD装置的发送端发出H光时，所述步骤S6具体为，
第一台QKD装置的接收端接收到H光，计算H/V对比度，调节第一台QKD装置的EPC，直到H/V对比度达到设定的对比度为止；第二台QKD装置的接收端接收到P光，计算P/N对比度，调节第二台QKD装置的EPC，直到P/N对比度达到设定的对比度为止。
作为进一步优化的技术方案，所述步骤S7具体为，
调节所述第一台QKD装置和第二台QKD装置的发送端的可调光衰减器，使得所述第一台QKD装置和第二台QKD装置的发送端的分布反馈式激光器同时发出量子信号光。
作为进一步优化的技术方案，配对的两台QKD装置的结构相同。
作为进一步优化的技术方案，所述接收端包括保偏分束器BS、第一保偏偏振分束器PBS1、第二保偏偏振分束器PBS2，以及第一探测器D1、第二探测器D2、第三探测器D3、第四探测器D4，配对的另一台QKD装置的发送端发送过来的偏振参考光经过保偏分束器BS、第一保偏偏振分束器PBS1、第二保偏偏振分束器PBS2的分束，最后由第一探测器D1、第二探测器D2、第三探测器D3、第四探测器D4探测。
本发明相比现有技术具有以下优点：
1.利用双工QKD系统的相对独立的两条工作链路，共纤传输，不需要占用额外的波长信道，实际应用中，降低了量子密钥分发系统的整体成本，有利于QKD技术的推广应用。
2.依托原有双工QKD系统中的配对的QKD装置中的发送端和接收端，两条链路同时分别对两组非正交基矢中的一组进行偏振反馈，无需分别对两组非正交基矢进行偏振反馈，节省了偏振反馈的时间。
附图说明
图1是使用现有偏振反馈装置的量子密钥分发系统示意图；
图2是双工QKD系统结构示意图；
图3是本发明实施例一的QKD装置的结构图；
图4是六轴电偏振控制器的结构图；
图5反映图3中的接收端的结构和EPC连接关系示意图；
图6是图3中的发送端结构图；
图7是单光子探测器工作模式图。
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。
下面对本发明中使用的双工系统进行说明。
双工量子密钥分发(Quantum Key Distribution，QKD)系统，包括配对的2台QKD装置，每台QKD装置中均包含一个发送端Alice和一个接收端Bob，每台QKD装置的设计是一致的，即配对工作的两台设备是完全相同的，一对设备可以同时运行两条QKD链路，示意如图2所示。
在本领域当中，有定义为“双向QKD系统”，这指的是QKD的实现方式上，信号光从第一QKD端被发送给第二QKD端，随后沿原光路返回第一QKD端。一般来说，从第一QKD端发给第二QKD端的信号光较强，平均每个脉冲几百或几千个光子，并在返回给第一QKD端之前，在第二QKD端被衰减到单光子量级(平均每个脉冲一个光子或者更少)。系统的光纤链路上只有一条QKD链路，是一个双向(two-way)、单工的过程。
本发明中的“双工QKD系统”与上述“双向QKD系统”不同。按照上述定义，“双向QKD系统”为“双向(two-way)、单工”，“双工QKD系统”则是“单向(one-way)、双工”，为可以“全双工”工作的系统，双工系统的每一端均包含了Alice和Bob，可以同时建立两条QKD链路。第一台QKD装置的发送端和第二台QKD装置的接收端配对成QKD链路1，第二台QKD装置的发送端和第一台QKD装置的接收端配对成QKD链路2。
实施例一
本发明提供一种用于量子密钥分发系统的偏振反馈装置，配对的每台QKD装置包含一个发送端Alice和一个接收端Bob。其中第一台QKD装置的发送端产生的信号光和偏振参考光输出给第二台QKD装置的接收端，第二台QKD装置的发送端产生的信号光和偏振参考光输出给第一台QKD装置的接收端。第一台QKD装置的发送端和第二台QKD装置的接收端配对成QKD链路1，第二台QKD装置的发送端和第一台QKD装置的接收端配对成QKD链路2。每台设备的QKD链路1和QKD链路2交会的位置设置有光环行器，第一台QKD装置的光环行器通过单模光纤连接第一EPC(电控偏振控制器)，第二台QKD装置的光环行器通过单模光纤连接第二EPC(电控偏振控制器)，第一EPC通过单模光纤连接光纤信道的一端，第二EPC通过单模光纤连接光纤信道的另一端。光环行器使得光信号由任一端口输入时，都能按照需要控制从另一端口以很小的损耗输出。
每台QKD装置的结构相同，以下以其中一台QKD装置进行结构说明，下述QKD装置结构适用于第一台QKD装置和第二台QKD装置。
如图3所示，为QKD装置的结构示意图，所述QKD装置包括EPC(电控偏振控制器)301、光环行器302、接收端303、发送端304、反馈控制回路309、单模光纤305、306、307、308。
所述EPC301的第一端通过单模光纤305连接光纤信道的一端，所述EPC301的第二端通过单模光纤306连接光环行器302的第一端口，所述光环行器302的第二端口通过单模光纤307连接接收端303，所述光环行器302的第三端口通过单模光纤308连接发送端304，所述接收端303通过反馈控制回路309连接EPC的第三端。
偏振反馈通过EPC301实现偏振控制，EPC301偏压改变时，入射偏振态绕EPC轴旋转；因此，调节EPC即可实现对偏振的控制。
该实施例中，所述EPC301采用的是六轴电偏振控制器，如图4所示，六轴电偏振控制器具有六个压电挤压模块，依次给光纤施加0度和45度方向压力。六轴电偏振控制器不仅邦加球上表现更全面更均匀的偏振调节能力，而且多个挤压轴减少了三轴偏振调节过程反复复位问题，加快了参考光的反馈效率。当然，使用三轴电偏振控制器或者四轴电偏振控制器同样能够实现本发明的目的，只是经过试验验证，使用六轴电偏振控制器达到的偏振调节能力更全面更均匀，反馈效率更高。
所述光环行器302保证QKD链路1和QKD链路2的同时运行。
如图5所示，所述接收端303用于接收偏振参考光和量子信号光，包括保偏分束器BS、保偏偏振分束器PBS1、PBS2，以及第一探测器D1、第二探测器D2、第三探测器D3、第四探测器D4。配对的另一台QKD装置的发送端发送过来的偏振参考光经过保偏分束器BS、保偏偏振分束器PBS1、PBS2的分束，最后由第一探测器D1、第二探测器D2、第三探测器D3、第四探测器D4探测。
同时参阅图6所示，所述发送端304包括分布反馈式激光器3042以及可调光衰减器3044。分布反馈式激光器3042的输出端连接到可调光衰减器3044的输入端，可调光衰减器3044的输出端通过单模光纤308连接到光环行器302的第三端口。所述发送端304用于发射偏振参考光和量子信号光，偏振参考光和量子信号光分时发送，偏振参考光和量子信号光通过单模光纤308进入光环行器302，然后通过单模光纤306、EPC301、单模光纤305、光纤信道进入配对的另一台QKD装置的EPC，然后经过配对的另一台QKD装置的光环行器到达配对的另一台QKD装置的接收端。由分布反馈式激光器3042产生的一定周期参考光，根据接收方功率检测值，利用可调光衰减器3044实时、自动调整参考光至合适水平后进行发送。
所述反馈控制回路309可以是DSP、高性能MCU、ARM等微型CPU。
实施例二
一种用于量子密钥分发系统的偏振反馈方法，包括下述步骤：
S1：在双工QKD系统配对的两台QKD装置中各配置一个电控偏振控制器，电控偏振控制器配置在光纤信道的两端；
S2：第一台QKD装置的发送端产生的量子信号光经过第一台QKD装置的电控偏振控制器、第二台QKD装置的电控偏振控制器后进入第二台QKD装置的接收端，当信号进入第二台QKD装置的接收端的单光子探测器时，探测器开始计数；同理，第二台QKD装置的发送端产生的量子信号光经过第二台QKD装置的电控偏振控制器、第一台QKD装置的电控偏振控制器后进入第一台QKD装置的接收端，当信号进入第一台QKD装置的接收端的单光子探测器时，探测器开始计数；
S3：当QKD系统的密钥分发错误率大于预先设定数值时，系统进入偏振反馈工作阶段；
S4：调节第一台QKD装置和第二台QKD装置的接收端相应的单光子探测器工作在线性模式；
S5：使第一台QKD装置和第二台QKD装置的发送端同时发出特定偏振态的参考光，该参考光相对量子信号光为强光；
S6：第一台QKD装置和第二台QKD装置的接收端根据相应的单光子探测器的计数，计算光对比度，并调节到光对比度达到设定的对比度为止；
S7：如果光对比度都满足要求，反馈控制结束，调节第一台QKD装置和第二台QKD装置的接收端相应的单光子探测器工作在雪崩模式，使第一台QKD装置和第二台QKD装置的发送端发出量子信号光，量子信号光是单光子量级的弱光，开始QKD工作。
作为进一步优化的技术方案，所述步骤S2中，量子信号光具体经过的路线为：
第一台QKD装置的发送端产生的量子信号光依次经过第一台QKD装置的光环形器、第一台QKD装置的电控偏振控制器、第二台QKD装置的电控偏振控制器、第二台QKD装置的光环形器、第二台QKD装置的接收端；同理，第二台QKD装置的发送端产生的量子信号光依次经过第二台QKD装置的光环形器、第二台QKD装置的电控偏振控制器、第一台QKD装置的电控偏振控制器、第一台QKD装置的光环形器、第一台QKD装置的接收端。
作为进一步优化的技术方案，所述步骤S5具体为，调节所述第一台QKD装置和第二台QKD装置的发送端的可调光衰减器，使得所述第一台QKD装置和第二台QKD装置的发送端的分布反馈式激光器同时发出所述特定偏振态的参考光。
作为进一步优化的技术方案，所述第一台QKD装置的发送端发出H光，同时，使得第二台QKD装置的发送端发出P光。
或者，所述第一台QKD装置的发送端发出P光，同时，使得第二台QKD装置的发送端发出H光。
作为进一步优化的技术方案，当所述第一台QKD装置的发送端发出H光，同时，使得第二台QKD装置的发送端发出P光时，所述步骤S6具体为，
第二台QKD装置的接收端接收到H光，计算H/V对比度，调节第二台QKD装置的EPC，直到H/V对比度达到设定的对比度为止；第一台QKD装置的接收端接收到P光，计算P/N对比度，调节第一台QKD装置的EPC，直到P/N对比度达到设定的对比度为止。
作为进一步优化的技术方案，当所述第一台QKD装置的发送端发出P光，同时，使得第二台QKD装置的发送端发出H光时，所述步骤S6具体为，
第一台QKD装置的接收端接收到H光，计算H/V对比度，调节第一台QKD装置的EPC，直到H/V对比度达到设定的对比度为止；第二台QKD装置的接收端接收到P光，计算P/N对比度，调节第二台QKD装置的EPC，直到P/N对比度达到设定的对比度为止。
作为进一步优化的技术方案，所述步骤S7具体为，
调节所述第一台QKD装置和第二台QKD装置的发送端的可调光衰减器，使得所述第一台QKD装置和第二台QKD装置的发送端的分布反馈式激光器同时发出量子信号光。
作为进一步优化的技术方案，配对的两台QKD装置的结构相同。
作为进一步优化的技术方案，所述接收端包括保偏分束器BS、第一保偏偏振分束器PBS1、第二保偏偏振分束器PBS2，以及第一探测器D1、第二探测器D2、第三探测器D3、第四探测器D4，配对的另一台QKD装置的发送端发送过来的偏振参考光经过保偏分束器BS、第一保偏偏振分束器PBS1、第二保偏偏振分束器PBS2的分束，最后由第一探测器D1、第二探测器D2、第三探测器D3、第四探测器D4探测。

Claims (8)

1.一种用于量子密钥分发系统的偏振反馈方法，其特征在于：包括下述步骤：
S1：在双工QKD系统配对的两台QKD装置中各配置一个EPC，EPC配置在光纤信道的两端；
S2：第一台QKD装置的发送端产生的量子信号光经过第一台QKD装置的EPC、第二台QKD装置的EPC后进入第二台QKD装置的接收端，当信号进入第二台QKD装置的接收端的单光子探测器时，探测器开始计数；同理，第二台QKD装置的发送端产生的量子信号光经过第二台QKD装置的EPC、第一台QKD装置的EPC后进入第一台QKD装置的接收端，当信号进入第一台QKD装置的接收端的单光子探测器时，探测器开始计数；
S3：当QKD系统的密钥分发错误率大于预先设定数值时，系统进入偏振反馈工作阶段；
S4：调节第一台QKD装置和第二台QKD装置的接收端相应的单光子探测器工作在线性模式；
S5：调节第一台QKD装置和第二台QKD装置的发送端的可调光衰减器，使第一台QKD装置和第二台QKD装置的发送端同时发出特定偏振态的参考光，该参考光相对量子信号光为强光，其中，所述第一台QKD装置的发送端发出H光，同时，使得第二台QKD装置的发送端发出P光，或者，所述第一台QKD装置的发送端发出P光，同时，使得第二台QKD装置的发送端发出H光；
S6：第一台QKD装置和第二台QKD装置的接收端根据相应的单光子探测器的计数，计算光H/V对比度或者P/N对比度，并调节相应端的EPC直到光对比度达到设定的对比度为止；
S7：如果光对比度都满足要求，反馈控制结束，调节第一台QKD装置和第二台QKD装置的接收端相应的单光子探测器工作在雪崩模式，调节第一台QKD装置和第二台QKD装置的可调光衰减器，使第一台QKD装置和第二台QKD装置的发送端发出量子信号光，量子信号光是单光子量级的弱光，开始QKD工作。
2.根据权利要求1所述的一种用于量子密钥分发系统的偏振反馈方法，其特征在于：所述步骤S2中，量子信号光具体经过的路线为：
第一台QKD装置的发送端产生的量子信号光依次经过第一台QKD装置的光环形器、第一台QKD装置的EPC、第二台QKD装置的EPC、第二台QKD装置的光环形器、第二台QKD装置的接收端；同理，第二台QKD装置的发送端产生的量子信号光依次经过第二台QKD装置的光环形器、第二台QKD装置的EPC、第一台QKD装置的EPC、第一台QKD装置的光环形器、第一台QKD装置的接收端。
3.根据权利要求1所述的一种用于量子密钥分发系统的偏振反馈方法，其特征在于：所述步骤S5具体为，调节所述第一台QKD装置和第二台QKD装置的发送端的可调光衰减器，使得所述第一台QKD装置和第二台QKD装置的发送端的分布反馈式激光器同时发出所述特定偏振态的参考光。
4.根据权利要求1所述的一种用于量子密钥分发系统的偏振反馈方法，其特征在于：当步骤S5中，所述第一台QKD装置的发送端发出H光，同时，使得第二台QKD装置的发送端发出P光时，所述步骤S6具体为，
第二台QKD装置的接收端接收到H光，计算H/V对比度，调节第二台QKD装置的EPC，直到H/V对比度达到设定的对比度为止；第一台QKD装置的接收端接收到P光，计算P/N对比度，调节第一台QKD装置的EPC，直到P/N对比度达到设定的对比度为止。
5.根据权利要求1所述的一种用于量子密钥分发系统的偏振反馈方法，其特征在于：当步骤S5中，所述第一台QKD装置的发送端发出P光，同时，使得第二台QKD装置的发送端发出H光时，所述步骤S6具体为，
第一台QKD装置的接收端接收到H光，计算H/V对比度，调节第一台QKD装置的EPC，直到H/V对比度达到设定的对比度为止；第二台QKD装置的接收端接收到P光，计算P/N对比度，调节第二台QKD装置的EPC，直到P/N对比度达到设定的对比度为止。
6.根据权利要求1所述的一种用于量子密钥分发系统的偏振反馈方法，其特征在于：所述步骤S7具体为，
调节所述第一台QKD装置和第二台QKD装置的发送端的可调光衰减器，使得所述第一台QKD装置和第二台QKD装置的发送端的分布反馈式激光器同时发出量子信号光。
7.根据权利要求1所述的一种用于量子密钥分发系统的偏振反馈方法，其特征在于，配对的两台QKD装置的结构相同。
8.根据权利要求1所述的一种用于量子密钥分发系统的偏振反馈方法，其特征在于，所述接收端包括保偏分束器BS、第一保偏偏振分束器PBS1、第二保偏偏振分束器PBS2，以及第一探测器D1、第二探测器D2、第三探测器D3、第四探测器D4，配对的另一台QKD装置的发送端发送过来的偏振参考光经过保偏分束器BS、第一保偏偏振分束器PBS1、第二保偏偏振分束器PBS2的分束，最后由第一探测器D1、第二探测器D2、第三探测器D3、第四探测器D4探测。
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