CN111970110A - 量子密钥分发系统 - Google Patents

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杨孟
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Abstract

一种量子密钥分发系统，包括发送端及接收端；发送端包括：量子光发送模块，用于制备量子态信号；第一激光通信发送模块，用于将待传输的原始同步信息编码至第一激光信号中；第一波分复用器，用于将量子态信号与第一激光信号合束后发送至接收端；第一激光通信接收模块，用于接收接收端发送的第二激光信号，根据第二激光信号实现对接收端的跟踪瞄准；接收端包括：第二波分复用器，用于从合束后的信号中分离出量子态信号及第一激光信号；量子光接收模块，用于接收并探测量子态信号；第二激光通信接收模块，用于从第一激光信号中解码出原始同步信息，以及根据第一激光信号实现随发送端的跟踪瞄准；第二激光通信发送模块，用于发送第二激光信号。

Description

量子密钥分发系统
技术领域
本公开涉及量子通信领域，特别是涉及一种量子密钥分发系统。
背景技术
量子通信作为当今物理学的前沿领域之一，是量子信息学最先走向实用化的一个发展方向。量子通信的核心就是量子密钥分发，它基于量子力学的基本物理原理，解决了密钥的安全分发难题，再结合“一次一密”的理论，可以实现理论上无条件安全的保密通信。自从1984年首个量子密钥分发协议被提出以来，量子密钥分发在近几十年里取得了长足的发展，并逐渐迈入了实用化的进程。在这个过程中，基于卫星中继的星地量子密钥分发，是实现全球化广域量子通信网络的有效解决方案，并获得了广泛的关注。
在星地量子密钥分发时，需要在通信双方之间建立可靠的量子链路，具体可以通过双向的跟瞄系统来实现，基于双向对打的信标光来实现双方的跟瞄定位。在进行量子密钥分发时，通信双方需要基于经典信道进行密钥提取等过程，具体可以通过激光通信来实现，基于双向对打的激光来实现经典的数据通信。同时，为了实现通信双方的高精度时间同步，一般也需要发送下行的同步光信号。
如图1所示，现有技术中的星地量子密钥分发系统中，一般需要采用激光通信上行、激光通信下行、信标光上行、信标光下行、同步光和量子光共六个不同的光波长，系统频段资源非常紧张。并且，由于大气窗口的限制，空间系统中可用的光波长频段是有限的，共轴光学系统中各个分系统的工作波长不能相差太大，这极大地增加了系统的复杂度，光学设计的难度极大。此外，每个工作波长都需要单独的发送和接收光电模组，这也增加了系统的体积、重量，降低了系统的集成度和可靠性。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对于上述技术问题，本公开提出一种量子量子密钥分发系统，用于至少部分解决上述技术问题。
(二)技术方案
根据本公开第一方面，提供一种量子密钥分发系统，包括发送端及接收端；发送端包括：量子光发送模块，用于制备量子态信号；第一激光通信发送模块，用于将待传输的原始同步信息编码至第一激光信号中；第一波分复用器，用于将量子态信号与第一激光信号合束后发送至接收端；第一激光通信接收模块，用于接收接收端发送的第二激光信号，根据第二激光信号实现对接收端的跟踪瞄准；接收端包括：第二波分复用器，用于从合束后的信号中分离出量子态信号及第一激光信号；量子光接收模块，用于接收并探测量子态信号；第二激光通信接收模块，用于从第一激光信号中解码出原始同步信息，以及根据第一激光信号实现随发送端的跟踪瞄准；第二激光通信发送模块，用于发送第二激光信号。
可选地，第一激光通信发送模块包括激光通信发送单元及同步光编码单元；同步光编码单元用于将原始同步信息进行编码，得到第一同步信息；激光通信发送单元用于将第一同步信息编码至第一激光信号中。
可选地，第一激光通信接收模块包括第一激光通信接收单元及第一信标光接收单元，发送端还包括第一光分束器；第一光分束器用于将第二激光信号分束成两束激光；第一激光通信接收单元用于根据其中一束激光实现对第二激光信号的探测；第一信标光接收单元用于根据其中另一束激光实现对接收端的跟踪瞄准。
可选地，第二激光通信接收模块包括第二激光通信接收单元、第二信标光接收单元及同步光解码单元，接收端还包括第二光分束器；第二光分束器用于将第一激光信号分束成两束激光；第二激光通信接收单元用于根据其中一束激光实现对第一激光信号的探测，并解码出第一同步信息；同步光解码单元用于从第一同步信息中解码出原始同步信息；第二信标光接收单元用于根据其中另一束激光实现对发送端的跟踪瞄准。
可选地，发送端及接收端均包括光学望远镜，光学望远镜用于发送端与接收端之间的信号传输；第一波分复用器通过一根光纤与发送端的光学望远镜连接；第二波分复用器通过一根光纤与接收端的光学望远镜连接。
可选地，量子态信号的波长与第一激光信号的波长之间的差值小于一预设值。
可选地，量子光发送模块与第一波分复用器通过光纤连接；第一激光通信发送模块与与第一波分复用器通过光纤连接；第一光分束器通过光纤与发送端的光学望远镜连接；量子光接收模块与第二波分复用器通过光纤连接；第二光分束器与第二波分复用器通过光纤连接；第二激光通信发送模块通过光纤与接收端的光学望远镜连接。
可选地，光学望远镜用于将发送端与接收端之间传输的信号经过准直扩束后经自由空间信道传输。
可选地，量子态信号的波长为1570nm，第一激光信号的波长为1550nm，第二激光信号的波长为1605nm。
根据本公开第二方面，提供一种量子密钥分发系统，包括发送端及接收端；发送端包括：量子光发送模块，用于制备量子态信号；第一激光通信发送模块，用于将待传输的原始同步信息编码至第一激光信号中；第一波分复用器，用于将量子态信号与第一激光信号合束后发送至接收端；第一激光通信接收模块，用于接收接收端发送的第二激光信号；接收端包括：第二波分复用器，用于从合束后的信号中分离出量子态信号及第一激光信号；量子光接收模块，用于接收并探测量子态信号；第二激光通信接收模块，用于从第一激光信号中解码出原始同步信息；第二激光通信发送模块，用于发送第二激光信号；其中，发送端与接收端通过光纤信道连接。
(三)有益效果
本公开提出一种量子密钥分发系统，有益效果为：
1、该系统采用激光通信的复用，同时实现了同步光以及信标光的功能，减少了传统方案中信标光下行、信标光上行和同步光三个光工作频段的使用，解决了系统频段资源紧张的难题，简化了光学系统的设计。相应的，系统不需要同步光以及信标光光电模组，降低了系统的体积、重量和成本，提高了系统的集成度和可靠性。
2、该系统基于激光通信的复用，并将下行量子光和下行激光选择波长相近的波段，使用同一根光纤连接发射端的光学望远镜，避免了不同频段光信号在望远镜的共轴传输难题。
附图说明
为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。其中：
图1示意性示出了现有技术中量子密钥分发系统的结构框图；
图2示意性示出了本公开实施例的量子密钥分发系统的结构框图。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
实施例一
图2示意性示出了本公开第一实施例的量子密钥分发系统的结构框图。如图2所示，该系统例如可以包括发送端及接收端。
发送端包括量子光发送模块1、第一激光通信发送模块2、第一激光通信接收模块3及第一波分复用器7(WDM)。其中，量子光发送模块1用于完成量子态信号的制备以及发送功能。第一激光通信发送模块2用于将待传输的原始同步信息编码至第一激光信号中；第一波分复用器7用于将量子态信号与第一激光信号合束后发送至接收端；第一激光通信接收模块3用于接收接收端发送的第二激光信号，根据第二激光信号实现对接收端的跟踪瞄准。
在本公开的一些实施例中，第一激光通信发送模块2例如可以包括激光通信发送单元2-1及同步光编码单元2-2。其中，同步光编码单元2-2主要用于将待传输的原始同步信息进行编码，得到第一同步信息，并将该第一同步信息发送给激光通信发送单元2-1；激光通信发送单元2-1用于接收同步光编码单元2-2发送过来的第一同步信息并编码到第一激光信号中，同时完成第一激光信号的发送功能。
在本公开的一些实施例中，第一激光通信接收模块3包括第一激光通信接收单元3-1及第一信标光接收单元3-2，相应的，发送端还可以设置第一光分束器9(BS)，其输出端口与第一激光通信接收单元3-1及第一信标光接收单元3-2连接。其中，第一光分束器9用于将接收端发送过来的第二激光信号分束成两束激光，第一激光通信接收单元3-1用于根据其中一束激光实现对第二激光信号的探测，第一信标光接收单元3-2用于根据其中另一束激光实现对接收端的跟踪瞄准。
接收端包括量子光接收模块4、第二激光通信接收模块5、第二激光通信发送模块6及第二波分复用器8。其中，用于从合束后的信号中分离出量子态信号及第一激光信号；量子光接收模块4用于完成量子态信号的接收和探测功能。第二激光通信接收模块5用于从所述第一激光信号中解码出所述原始同步信息，以及根据第一激光信号实现随所述发送端的跟踪瞄准；第二激光通信发送模块6用于发送第二激光信号。
在本公开一些实施例中，第二激光通信接收模块5可以包括第二激光通信接收单元5-1、第二信标光接收单元5-3及同步光解码单元5-2，相应的，接收端还设有第二光分束器10，第二光分束器10的输出连接第二激光通信接收单元5-1及第二信标光接收单元5-3。其中，第二光分束器10用于将第一激光信号分束成两束激光；第二激光通信接收单元5-1用于根据其中一束激光实现对第一激光信号的探测，并解码出所述第一同步信息；同步光解码单元5-2用于从第一同步信息中解码出原始同步信息；第二信标光接收单元5-3用于根据其中另一束激光实现对发送端的跟踪瞄准。
基于上述结构的系统，即可实现激光通信的复用，也即在量子密钥分发过程中，发送端通过第一激光通信发送模块将原始的同步信号编码在其产生的第一激光信号中，并且发送对接收端的跟踪瞄准也可采用第一激光信号，使得系统省去了信标光下行及同步光两个光工作频段的使用。同时，接收端对发送端的跟踪瞄准电可采用接收端产生第二激光信号，使得系统省去了信标光上行的光工作频段的使用。相应的，系统也就不需要同步光以及信标光光电模组。
应当理解，上述各功能模块中具体功能单元的划分只是示例性的，并不表示只能依据该种功能单元的划分方式，功能单元的划分只需要满足各功能模块相互结合使得量子密钥分发系统满足激光通信复用即可。
进一步地，发送端及接收端均包括光学望远镜11，该光学望远镜11用于发送端与接收端之间的信号传输。本实施中光学望远镜11用于将发送端与接收端之间传输的信号经过准直扩束后经自由空间信道传输。
为了避免了不同频段光信号在光学望远镜的共轴传输难题，在本实施一可行的方式中，将第一波分复用器7通过一根光纤与发送端的光学望远镜11连接，将第二波分复用器8通过一根光纤与接收端的光学望远镜11连接。并且，量子发送模块1产生的量子态信号的波长与第一激光通信发送模块2-1产生的第一激光信号的波长之间的差值小于一预设值，也即，量子态信号与第一激光信号的波长选用相近的波段。其中，量子态信号的波长例如可以为1570nm，第一激光信号的波长例如可以为1550nm。
在本实施例一可行的方式中，量子光发送模块1与第一波分复用器7也可以通过光纤连接；第一激光通信发送模块2-1与第一波分复用器7也可以通过光纤连接；第一光分束器9与发送端的望远镜11也通过光纤连接；量子光接收模块4与第二波分复用器8通过光纤连接；第二光分束器10与第二波分复用器8通过光纤连接；第二激光通信发送模块6也可以通过光纤与接收端的光学望远镜11连接。其中，第二激光通信发送模块6产生的第二激光信号的波长例如可以为1605nm。
综上所述，本实施例提供的量子密钥分发系统采用激光通信的复用，同时实现了同步光以及信标光的功能，减少了传统方案中信标光下行、信标光上行和同步光三个光工作频段的使用，解决了系统频段资源紧张的难题，简化了光学系统的设计。相应的，系统不需要同步光以及信标光光电模组，降低了系统的体积、重量和成本，提高了系统的集成度和可靠性。同时，该系统基于激光通信的复用，并将下行量子光和下行激光选择波长相近的波段，使用同一根光纤连接发射端的光学望远镜，避免了不同频段光信号在望远镜的共轴传输难题。
实施例二
本公开第二实施例还提供一种量子密钥分发系统，与实施例一提供的量子密钥分发系统不同之处在于：实施例一提供的量子密钥分发系统适用于远距离的空间信道，而本实施例提供的量子密钥分发系统可应用于传统的光纤信道。该量子密钥分发系统可以包括：
发送端包括：量子光发送模块，用于制备量子态信号。第一激光通信发送模块，用于将待传输的原始同步信息编码至第一激光信号中。第一波分复用器，用于将量子态信号与第一激光信号合束后发送至接收端。第一激光通信接收模块，用于接收接收端发送的第二激光信号。
接收端包括：第二波分复用器，用于从合束后的信号中分离出量子态信号及第一激光信号；量子光接收模块，用于接收并探测量子态信号。第二激光通信接收模块，用于从第一激光信号中解码出原始同步信息。第二激光通信发送模块，用于发送第二激光信号。其中，端与接收端通过光纤信道连接。
由于本实施例的量子密钥分发系统用于光纤信道时，不需要发送端与接收端双方的跟瞄定位功能，因此，可以省略基于双向对打的信标光，即可以省去施例一提供的量子密钥分发系统第一信标光接收单元3-2和第二信标光接收单元5-3。
本实施例提供的量子密钥分发系统的其它结构及优势与实施例一相同，未尽细节之处请参见实施例一，此处不再赘述。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种量子密钥分发系统，其特征在于，包括发送端及接收端；
所述发送端包括：
量子光发送模块，用于制备量子态信号；
第一激光通信发送模块，用于将待传输的原始同步信息编码至第一激光信号中；
第一波分复用器，用于将所述量子态信号与所述第一激光信号合束后发送至所述接收端；
第一激光通信接收模块，用于接收所述接收端发送的第二激光信号，根据所述第二激光信号实现对所述接收端的跟踪瞄准；所述接收端包括：
第二波分复用器，用于从合束后的信号中分离出所述量子态信号及所述第一激光信号；
量子光接收模块，用于接收并探测所述量子态信号；
第二激光通信接收模块，用于从所述第一激光信号中解码出所述原始同步信息，以及根据所述第一激光信号实现随所述发送端的跟踪瞄准；
第二激光通信发送模块，用于发送所述第二激光信号。
2.根据权利要求1所述的量子密钥分发系统，其特征在于，所述第一激光通信发送模块包括激光通信发送单元及同步光编码单元；
所述同步光编码单元用于将所述原始同步信息进行编码，得到第一同步信息；
所述激光通信发送单元用于将所述第一同步信息编码至第一激光信号中。
3.根据权利要求1所述的量子密钥分发系统，其特征在于，所述第一激光通信接收模块包括第一激光通信接收单元及第一信标光接收单元，所述发送端还包括第一光分束器；
所述第一光分束器用于将所述第二激光信号分束成两束激光；
所述第一激光通信接收单元用于根据其中一束激光实现对所述第二激光信号的探测；
所述第一信标光接收单元用于根据其中另一束激光实现对所述接收端的跟踪瞄准。
4.根据权利要求2所述的量子密钥分发系统，其特征在于，第二激光通信接收模块包括第二激光通信接收单元、第二信标光接收单元及同步光解码单元，所述接收端还包括第二光分束器；
所述第二光分束器用于将所述第一激光信号分束成两束激光；
所述第二激光通信接收单元用于根据其中一束激光实现对所述第一激光信号的探测，并解码出所述第一同步信息；
所述同步光解码单元用于从所述第一同步信息中解码出所述原始同步信息；
所述第二信标光接收单元用于根据其中另一束激光实现对所述发送端的跟踪瞄准。
5.根据权利要求1-4任一项所述的量子密钥分发系统，其特征在于，所述发送端及所述接收端均包括光学望远镜，所述光学望远镜用于所述发送端与所述接收端之间的信号传输；
所述第一波分复用器通过一根光纤与所述发送端的光学望远镜连接；
所述第二波分复用器通过一根光纤与所述接收端的光学望远镜连接。
6.根据权利要求1-4任一项所述的量子密钥分发系统，其特征在于，所述量子态信号的波长与所述第一激光信号的波长之间的差值小于一预设值。
7.根据权利要求1-4任一项所述的量子密钥分发系统，其特征在于，所述量子光发送模块与所述第一波分复用器通过光纤连接；所述第一激光通信发送模块与与所述第一波分复用器通过光纤连接；所述第一光分束器通过光纤与发送端的光学望远镜连接；所述量子光接收模块与所述第二波分复用器通过光纤连接；所述第二光分束器与所述第二波分复用器通过光纤连接；所述第二激光通信发送模块通过光纤与所述接收端的光学望远镜连接。
8.根据权利要求5所述的量子密钥分发系统，其特征在于，所述光学望远镜用于将所述发送端与所述接收端之间传输的信号经过准直扩束后经自由空间信道传输。
9.根据权利要求6所述的量子密钥分发系统，其特征在于，所述量子态信号的波长为1570nm，所述第一激光信号的波长为1550nm，所述第二激光信号的波长为1605nm。
10.一种量子密钥分发系统，其特征在于，包括发送端及接收端；
所述发送端包括：
量子光发送模块，用于制备量子态信号；
第一激光通信发送模块，用于将待传输的原始同步信息编码至第一激光信号中；
第一波分复用器，用于将所述量子态信号与所述第一激光信号合束后发送至所述接收端；
第一激光通信接收模块，用于接收所述接收端发送的第二激光信号；
所述接收端包括：
第二波分复用器，用于从合束后的信号中分离出所述量子态信号及所述第一激光信号；
量子光接收模块，用于接收并探测所述量子态信号；
第二激光通信接收模块，用于从所述第一激光信号中解码出所述原始同步信息；
第二激光通信发送模块，用于发送所述第二激光信号；
其中，所述发送端与所述接收端通过光纤信道连接。
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