CN110932857A - 一种完全对称可收发密钥的量子密钥分发装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于设计一种高速高效率、易于集成、抗干扰能力强的完全对称的可收发密钥的量子密钥分发装置，在该装置中通信双方模块内的光器件完全相同且对称。通信双方可以分别发送与接收密钥，因此密钥生成率提高为原来的两倍，极大的提高了密钥传输的灵活性和实用性。本方案利用不等臂马赫曾德干涉仪编码方案共享密钥信息，采用相位调制器与法拉第镜组成的偏振不敏感的相位调制方案保证了远距离通信时干涉的稳定性。本装置采用单向的装置加载相位信息，不仅可以高速准确的加载相位，而且避免了光路往返通过时可能引起的木马攻击，提高了通信系统的安全性。

Description

一种完全对称可收发密钥的量子密钥分发装置
技术领域
本发明涉及光纤传输保密通信技术领域，特别涉及一种完全对称可收发密钥的量子密钥分发装置。
背景技术
量子力学自20世纪初正式确立以来，不断影响着科技社会的发展。尤其是量子计算机的提出，严重威胁到现有的基于计算机复杂度的经典密码体制。因此，以量子密钥分发(Quantum Key Distribution,QKD)为代表的量子保密通信(Quantum Communication,QC)，基于量子力学原理保证了信息传递过程的无条件安全性而受到了广泛的关注。自从1984年第一个量子密钥分发协议，BB84协议提出以来，许多量子密钥分发协议以及实验被相继提出，量子密钥分发已经成为量子信息领域最接近实用化的研究方向。
在实际的量子密钥分发装置中，通常选择光子的偏振或者相位作为编码为度。在远距离的光纤QKD装置中，由于相位编码的稳定性比偏振编码更高，因此通常采用相位编码来加载信息。相位编码QKD装置通常采用不等臂马赫曾德干涉仪或法拉第迈克尔逊干涉仪搭建。但是，无论采用哪一种编码方式，目前QKD装置都是采用一方用户制备量子态，另一方用户测量量子态或者一方用户制备和测量返回的量子态，另一方用户仅编码量子态的方式实现的。假设某一方的制备设备(激光器)或者探测设备(单光子探测器)不能正常工作，那么双方就不能共享密钥来通信，这无疑限制了QKD装置的实用性。
发明内容
本发明的目的在于设计一种高速高效率、易于集成、抗干扰能力强的完全对称的收发密钥的量子密钥分发方案，在该装置中通信双方模块内的光器件完全相同且对称。本方案由单光子源、衰减器、环形器、X型耦合器、Y型耦合器、相位调制器、法拉第镜以及单光子探测器依次连接而成。通信双方Alice和Bob可以分别同时发送与接收密钥，基于相位编码通过不等臂马赫曾德干涉仪的方案获得最终的密钥。
本发明采取如下技术方案：
每一方用户的装置由脉冲光子源(1、26)，衰减器(2、25)，光纤环形器(3、6、9、15、18、22)，X型光纤耦合器(5、21)，Y型光纤耦合器(12、14)，相位调制器(7、10、16、19)，法拉第镜(8、11、17、20)，单光子探测器(4、6’、23、24)依次连接构成。用户之间通过量子信道(13)传递密钥。Alice端：脉冲光子源(1)的输出端口连接衰减器(2)的输入端口，衰减器(2)输出端口连接环形器(3)的3-1端口，环形器(3)的同向输入端口(3-2)连接X型光纤耦合器(5)的5-a端口，环形器(3)的反向输出端口(3-3)连接单光子探测器(4)，X型光纤耦合器(5)的5-c端口连接环形器(6)的6-1端口，环形器(6)的6-2端口连接相位调制器(7)的输入端口，相位调制器(7)的输出端口连接法拉第镜(8)，环形器(6)的6-3端口连接Y型耦合器(12)的12-2端口。X型光纤耦合器(5)的5-d端口连接环形器(9)的9-1端口，环形器(9)的9-2端口连接相位调制器(10)的输入端口，相位调制器(10)的输出端口连接法拉第镜(11)，环形器(9)的9-1端口连接Y型耦合器(12)的12-3端口，Y型耦合器(12)的12-1端口连接量子信道(13)的输入端口。量子信道(13)的输出端口连接Bob端Y型耦合器(14)的14-1端口。Bob端：Y型耦合器(14)的14-2端口连接环形器(15)的15-1端口，环形器(15)的15-2端口连接相位调制器(16)的输入端口，相位调制器(16)的输出端口连接法拉第镜(17)，环形器(15)的15-3端口连接X型耦合器(21)的21-a端口。Y型耦合器(14)的14-3端口连接环形器(18)的18-3端口，环形器(18)的18-2端口连接相位调制器(19)的输入端口，相位调制器(19)的输出端口连接法拉第镜(20)，环形器(18)的18-1端口连接X型耦合器(21)的21-b端口。X型耦合器(21)的21-c端口连接环形器(22)的22-2端口，环形器(22)的22-3端口连接单光子探测器(23)，X型耦合器(21)的21-d端口连接单光子探测器(24)，环形器(22)的22-1端口连接衰减器(25)的输出端口，衰减器(25)的输入端口连接激光器(26)。
本发明提出的一种完全对称收发密钥的量子密钥分发方案，利用双不等臂马赫曾德干涉仪(Mach-Zehnder interferometer,MZI)的原理，制备的脉冲信号经过两个MZI后有四条可能的路径到达接收方的测量装置，在相同时间窗口到达测量装置的两个脉冲会产生干涉，通信双方加载的相位不同，干涉结果也不同。通过测量装置的探测器的响应结果可以得到最后的密钥。本方案提出的完全对称的QKD装置可由现有的光学器件组成并且易于集成。其中，环形器形成了一个闭合回路。
同时，为了高速的加载密钥信息，采用了偏振不敏感的相位调制方案，使得该方案可以单向加载密钥，在相位调制的过程中无需考虑时序等原因，为量子通信的实用化提供了强有力的保证。
假设入射线偏振光的量子态用
Figure BDA0002324410380000031
来表示，水平偏振|H>和垂直偏振|V>分别表示两个偏振基矢，
|ψ〉＝a|H>+b|V>,(a≥0,b≥0且a2+b2＝1) (1)
相位调制器(Phase Modulator,PM)是LiNbO3晶体的相位调制器，工作方向为垂直偏振方向，那么输入光第一次经过PM时，量子态表示为
Figure BDA0002324410380000032
90°法拉第镜在反射光脉冲时，会将其偏振态旋转90°，因此，反射后光脉冲的量子态为，
Figure BDA0002324410380000033
反射光脉冲经过PM调制相位之后输出回到入射端，
Figure BDA0002324410380000034
最终出射光|ψ′>与入射光|ψ〉相比，偏振方向旋转了90°，并且加载了全部的相位信息
Figure BDA0002324410380000035
实现了偏振不敏感的相位调制。
本方案的优势如下：
1.通信双方都可以发送和接收密钥，极大的提高了密钥传输的灵活性和实用性。
2.通信双方可以同时发送和接收密钥，可将密钥生成率提高为原来的两倍。
3.采用了由相位调制器与法拉第镜组成的偏振不敏感的相位调制方案，保证了远距离通信时光纤双折射现象引起的偏振抖动不会影响加载的相位。
4.本装置仅仅采用了光纤耦合器，并不需要偏振分束器，因此脉冲信号在通过量子信道传递给接收方时并不需要偏振补偿，提高了实际密钥分发的便捷性。
5.本装置采用单向的装置加载相位信息，不仅可以高速准确的加载相位，而且从根本上避免了光路往返通过时可以引起的木马攻击，提高了通信装置的安全性。
附图说明
图1一种完全对称收发密钥的量子密钥分发原理图
图面说明：
1、26——激光器
2、25——衰减器
3、6、9、15、18、22——环形器
4、6’、23、24——单光子探测器
5、21——X型光纤耦合器
7、10、16、19——相位调制器
8、11、17、20——法拉第镜
12、14——Y型光纤耦合器
13——量子信道
3-1、3-2、3-3——环形器(3)的端口
5-a、5-b、5-c、5-d——X型光纤耦合器(5)的端口
6-1、6-2、6-3——环形器(6)的端口
9-1、9-2、9-3——环形器(9)的端口
12-1、12-2、12-3——Y型光纤耦合器(12)的端口
14-1、14-2、14-3——Y型光纤耦合器(14)的端口
15-1、15-2、15-3——环形器(15)的端口
18-1、18-2、18-3——环形器(18)的端口
21-a、21-b、21-c、21-d——X型光纤耦合器(21)的端口
22-1、22-2、22-3——环形器(22)的端口
具体实施例：
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
如图1所示，以Alice发送信号态，Bob接收信号态为例。中心波长为1550nm的脉冲激光器(1)发射一个脉冲信号，经过衰减器(2)后衰减为单光子水平，然后经过环形器(3)，(从3-1端口入射，从3-2端口出射)进入X型光纤耦合器(5)，被分为上下两个路径纠缠的脉冲(L1、L2)，L1脉冲从5-c端口出射，L2脉冲从5-d端口出射。
L1脉冲：L1脉冲到达环形器(6)后，先从6-1端口入射，然后从6-2端口出射，之后经过由相位调制器(7)和法拉第镜(8)组成的偏振不敏感的相位调制器加载相位，Alice所加载的相位
Figure BDA0002324410380000051
从6-3端口进入Y型光纤耦合器(12)和量子信道(13)到达Bob端。L2脉冲：L2脉冲到达环形器(9)后，从9-3端口入射，直接从9-1端口出射，进入Y型光纤耦合器(12)和量子信道(13)到达Bob端。因此，Alice端出射光子的量子态可以表示为：
Figure BDA0002324410380000052
L1脉冲与L2脉冲到达Bob端后，在Y型光纤耦合器(14)处同样被分为上下两路路径纠缠的脉冲(L3、L4)，L3脉冲从14-2端口出射，L4脉冲从14-3端口出射。
L3脉冲：L3脉冲到达环形器(15)后，先从15-1端口入射，然后从15-2端口出射，之后经过由相位调制器(16)和法拉第镜(17)组成的偏振不敏感的相位调制器加载相位，Bob所加载的相位
Figure BDA0002324410380000053
从15-3端口进入X型光纤耦合器(21)。L4脉冲：L4脉冲到达环形器(18)后，从18-3端口入射，直接从18-1端口出射，进入X型光纤耦合器(21)。因此，Bob端出射光子的量子态可以表示为：
Figure BDA0002324410380000054
因此，激光器(1)出射的脉冲在达到X型光纤耦合器(21)基于路径纠缠的量子态可以表示为：
Figure BDA0002324410380000055
因为本方案是完全对称的量子密钥分发方案，那么每一方用户的长短路的路径差是相等的。基于不等臂马赫曾德干涉仪的原理，在同一时刻达到BS处的脉冲会发生干涉，因此，
Figure BDA0002324410380000061
类似地，若Bob发送信号态，Alice接收信号态。通信双方都在下路(L2和L4)加载相位，因此，
Figure BDA0002324410380000062
通信双方Alice和Bob使用基于相位编码的BB84协议来编码，Alice随机选择某一个相位来编码
Figure BDA0002324410380000063
并将光子发送给Bob。对于接收到的光子，Bob随机选择某一测量基(X基、Z基)进行测量。干涉结果由Alice和Bob所加载的相位差决定，若
Figure BDA0002324410380000064
探测器(23)响应；若
Figure BDA0002324410380000065
探测器(24)响应。若
Figure BDA0002324410380000066
Figure BDA0002324410380000067
则光子随机地打在其中一个探测器上，具体结果可见表一。因此，Alice和Bob可以通过对每个光子加载的不同相位实现对比特值的编码。
Figure BDA0002324410380000068
表一干涉结果图√表示可以用于生成密钥，×不能用于生密钥。
本实施例中的各器件采用市场所售的常规器件。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种完全对称收发密钥的量子密钥分发装置，其特征在于每一方用户的装置由脉冲光子源(1、26)，衰减器(2、25)，光纤环形器(3、6、9、15、18、22)，X型光纤耦合器(5、21)，Y型光纤耦合器(12、14)，相位调制器(7、10、16、19)，法拉第镜(8、11、17、20)，单光子探测器(4、6、23、24)依次连接构成。用户之间通过量子信道(13)传递密钥。Alice端：脉冲光子源(1)的输出端口连接衰减器(2)的输入端口，衰减器(2)输出端口连接环形器(3)的3-1端口，环形器(3)的同向输入端口(3-2)连接X型光纤耦合器(5)的5-a端口，环形器(3)的反向输出端口(3-3)连接单光子探测器(4)，X型光纤耦合器(5)的5-c端口连接环形器(6)的6-1端口，环形器(6)的6-2端口连接相位调制器(7)的输入端口，相位调制器(7)的输出端口连接法拉第镜(8)，环形器(6)的6-3端口连接Y型耦合器(12)的12-2端口。X型光纤耦合器(5)的5-d端口连接环形器(9)的9-1端口，环形器(9)的9-2端口连接相位调制器(10)的输入端口，相位调制器(10)的输出端口连接法拉第镜(11)，环形器(9)的9-1端口连接Y型耦合器(12)的12-3端口，Y型耦合器(12)的12-1端口连接量子信道(13)的输入端口。量子信道(13)的输出端口连接Bob端Y型耦合器(14)的14-1端口。Bob端：Y型耦合器(14)的14-2端口连接环形器(15)的15-1端口，环形器(15)的15-2端口连接相位调制器(16)的输入端口，相位调制器(16)的输出端口连接法拉第镜(17)，环形器(15)的15-3端口连接X型耦合器(21)的21-a端口。Y型耦合器(14)的14-3端口连接环形器(18)的18-3端口，环形器(18)的18-2端口连接相位调制器(19)的输入端口，相位调制器(19)的输出端口连接法拉第镜(20)，环形器(18)的18-1端口连接X型耦合器(21)的21-b端口。X型耦合器(21)的21-c端口连接环形器(22)的22-2端口，环形器(22)的22-3端口连接单光子探测器(23)，X型耦合器(21)的21-d端口连接单光子探测器(24)，环形器(22)的22-1端口连接衰减器(25)的输出端口，衰减器(25)的输入端口连接激光器(26)。
2.根据权利要求1所述的一种完全对称收发密钥的量子密钥分发装置，其特征在于：该装置两侧相对独立，都可以作为密钥的发送方与接收方，且上行与下行是通过环形器来实现的。
3.根据权利要求1所述的一种完全对称收发密钥的量子密钥分发装置，其特征在于：脉冲信号是单向加载密钥的，不会因时序等原因降低脉冲信号的触发频率，可以实现高速高效率的通信。
4.根据权利要求1所述的一种完全对称收发密钥的量子密钥分发装置，其特征在于：利用不等臂Mach-Zehnder interferometer(MZI)的方式使脉冲信号实现干涉，加载相位操作简单，干涉对比度高。
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