CN112039671A - 一种高效的量子密钥分发系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种高效的量子密钥分发系统，包括发送端与接收端，所述发送端包括依次连接的激光器、诱骗态调制模块、发射端干涉仪以及衰减器，所述接收端包括依次连接的纠偏模块、接收端干涉仪、第三偏振分束器以及第一单光子探测器、第二单光子探测器，所述衰减器的输出端与纠偏模块的输入端连接，本发明还提供了一种量子密钥分发系统方法。与现有技术相比，本发明高效的量子密钥分发方法通过干涉仪结构设计，可以将光能量利用率提升至100％，即将QKD系统成码率提高至原始方案的2倍；发射端干涉仪结构简单，仅由一个偏振分束器和一个相位调制器构成，易于制作，且接收端干涉仪结构与发射端干涉仪完全相同，便于批量制作。

Description

一种高效的量子密钥分发系统及方法

技术领域

本发明涉及量子偏振编码技术领域，特别涉及一种高效的量子密钥分发系统及方法。

背景技术

量子密钥分发可以为远距离的通信双方提供无条件安全的密钥分发，其信息理论安全性由量子力学的基本原理来保障。然而目前QKD系统的密钥产生速率较低，无法满足现有传统光纤通信的加密需求。常规的相位编码方案为不等臂马赫-增德尔干涉仪方案(美国专利U5307410)。在该方案中，发射端光脉冲经过不等臂干涉仪之后分成前后两个子脉冲，到达接收端后又经过一个相同的干涉仪进一步变成四个脉冲，不考虑器件损耗的情况下，每个脉冲的光功率为总光功率的1/4。其中两个脉冲经过的光程相同(走“长臂+短臂”和“短臂+长臂”的路径)，会在收端干涉仪第二个分束器进行干涉，另外两个脉冲分别走“长臂+长臂”和“短臂+短臂”的路径不参与干涉而被舍弃。因此干涉峰的光功率为总光功率的1/2，即该方案的光能量利用率为1/2，而最终的安全密钥率与其成正比。

发明内容

针对现有技术存在以上缺陷，本发明提供一种高效的量子密钥分发系统及方法如下：

本发明的技术方案是这样实现的：

一种高效的量子密钥分发系统，包括发送端与接收端，所述发送端包括依次连接的激光器、诱骗态调制模块、发射端干涉仪以及衰减器，所述接收端包括依次连接的纠偏模块、接收端干涉仪、第三偏振分束器以及第一单光子探测器、第二单光子探测器，所述衰减器的输出端与纠偏模块的输入端连接。

优选地，所述诱骗态调制模块包括保偏分束器以及第一相位调制器，所述保偏分束器的一端口连接第一相位调制器的输入端，二端口连接激光器的输出端，三端口连接第一相位调制器的输出端，所述发射端干涉仪包括第一偏振分束器以及第二相位调制器，所述第一偏振分束器的一端口连接第二相位调制器的输入端，二端口与保偏分束器的四端口进行45°旋转熔接，三端口连接第二相位调制器的输出端，四端口连接衰减器输入端，所述接收端干涉仪包括第二偏振分束器和第三相位调制器，所述第二偏振分束器的一端口连接第三相位调制器的输入端，二端口连接纠偏模块的输出端，三端口连接第三相位调制器的输出端，四端口与第三偏振分束器的输入端进行45°旋转熔接，所述第三偏振分束器三端口、四端口分别对应连接第一单光子探测器、第二单光子探测器。

优选地，所述衰减器的输出端与纠偏模块的输入端通过保偏光纤连接。

本发明还提供了一种高效的量子密钥分发方法，包括以下步骤：

1)激光器触发：脉冲激光器通过触发信号以一定重复频率产生一系列的脉冲光；

2)诱骗态调制：光脉冲通过诱骗态调制模块被其进行随机强度调制，成为信号态、诱骗态或者真空态；

3)发送端编码：经过强度调制的光脉冲进入发送端干涉仪产生前后两个光脉冲，由第二相位调制器进行随机相位调制，使得两个脉冲之间的相位差分别为0，π/2，π，3π/2；

4)衰减器：衰减器将光脉冲衰减至单光子量级；

5)接收端解码：光信号通过光纤信道传输之后进入接收端，先通过纠偏模块补偿偏振变化，然后进入接收端干涉仪，通过第三相位调制器随机调制相位0，π/2，进行解码得到不同的光子偏振态，并用第三偏振分束器对偏振态进行测量；

6)测量：用单光子探测器测量系统结果，用于后续处理产生安全密钥。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

1.本发明通过干涉仪结构设计，可以将光能量利用率提升至100％，即将QKD

系统成码率提高至原始方案的2倍；

2.发射端干涉仪结构简单，仅由一个偏振分束器和一个相位调制器构成，易于

制作，且接收端干涉仪结构与发射端干涉仪完全相同，便于批量制作。

附图说明

图1为本发明高效的量子密钥分发系统的原理框图。

图中：发送端100，激光器110，诱骗态调制模块120，保偏分束器121，第一相位调制器122，发射端干涉仪130，第一偏振分束器131，第二相位调制器132，衰减器140，接收端200，纠偏模块210，接收端干涉仪220，第二偏振分束器221，第三相位调制器222，第三偏振分束器230，第一单光子探测器240，第二单光子探测器250。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明进行清楚、完整地描述。

如图1所示，一种高效的量子密钥分发系统，包括发送端100与接收端200，所述发送端100包括依次连接的激光器110、诱骗态调制模块120、发射端干涉仪130以及衰减器140，所述接收端200包括依次连接的纠偏模块210、接收端干涉仪220、第三偏振分束器230以及第一单光子探测器240、第二单光子探测器250，所述衰减器140的输出端与纠偏模块210的输入端连接。

所述诱骗态调制模块120包括保偏分束器121以及第一相位调制器122，该述诱骗态调制模块120为Sagnac环结构，所述保偏分束器121的一端口连接第一相位调制器122的输入端，二端口连接激光器110的输出端，三端口连接第一相位调制器122的输出端，所述发射端干涉仪130包括第一偏振分束器131以及第二相位调制器132，所述第一偏振分束器131的一端口连接第二相位调制器132的输入端，二端口与保偏分束器121的四端口进行45°旋转熔接，三端口连接第二相位调制器132的输出端，四端口连接衰减器140输入端，所述接收端干涉仪220包括第二偏振分束器221和第三相位调制器222，所述第二偏振分束器221的一端口连接第三相位调制器222的输入端，二端口连接纠偏模块210的输出端，三端口连接第三相位调制器222的输出端，四端口与第三偏振分束器230的输入端进行45°旋转熔接，所述第三偏振分束器230三端口、四端口分别对应连接第一单光子探测器240、第二单光子探测器250。

所述衰减器140的输出端与纠偏模块210的输入端通过保偏光纤连接。

本系统的具体实施过程：在发送端，激光器产生的光脉冲P0进入诱骗态调制模块，被保偏分束器PMBS分成两个偏振相同的光脉冲P1和P2，其中P1在Sagnac环内沿顺时针方向传播，经过第一相位调制器PM0后再次进入保偏分束器PMBS；P2在Sagnac环内沿逆时针方向传播，与P1以相反的方向经第一相位调制器PM0后和P1同时再次进入保偏分束器PMBS。Sagnac环内两段光纤长度有一定的差异，使得P1和P2经过第一相位调制器PM0的时间不同，从而调制不同的相位产生相位差，最后在保偏分束器PMBS处进行干涉，得到合成光脉冲P3。通过调节P1和P2之间不同的相位差可在出射端口得到P3不同的光强，用来产生信号态和诱骗态，以防御光子数分离攻击。

从诱骗态调制模块出射的光脉冲经过45°熔接部位后偏振态变为45°，其水平分量H沿保偏光纤的慢轴传播，竖直分量V沿保偏光纤的快轴传播。进入发端干涉仪后，会被第一偏振分束器PBS1分成两个光脉冲P4和P5。其中P4为H分量被第一偏振分束器PBS1透射，直接从第一偏振分束器PBS1的输出端口输出。P5为V分量则在干涉仪内转一圈，经第二相位调制器PMA调制后再从第一偏振分束器PBS1的输出端口输出。因此，光脉冲P3经过发端干涉仪之后会产生时间间隔为T(由干涉仪内部光纤长度决定)、偏振方向相互垂直的两个光脉冲P4和P5，其中P4(偏振态为水平偏振H，光功率为P3总功率的1/2)先于P5(偏振态为竖直偏振V，光功率为P3总功率的1/2)。这两个脉冲之间存在相位差，由第二相位调制器PMA对P5调制得到。通过电路控制使得第二相位调制器PMA仅对光脉冲P5进行相位调制，可使P4和P5之间的相位差随机调制成0，π/2，π，3π/2。随后经过衰减器ATT衰减到单光子量级进入光纤信道中。

光脉冲经过信道到达接收端，首先经过纠偏模块补偿由于信道双折射改变的光脉冲偏振态，使得P4和P5的偏振态均旋转90°，即P4偏振态变为V，P5的偏振态变为H，偏振补偿模块之后的光纤均为保偏光纤。在进入接收端干涉仪时，P4会进入在干涉仪内转一圈被第三相位调制器PMB调制后，与直接从第二偏振分束器PBS2透射的P5同时从第一偏振分束器PBS2的输出端口输出。由于P4在发送端比P5少传播了时间T，而在接收端又比P5多传播了时间T，因此P4和P5最终在第一偏振分束器PBS2的输出端口处同时到达，二者进行叠加合成为一个光脉冲P6。通过电路控制使得第三相位调制器PMB对光脉冲P4进行相位调制，随机加载相位0，π/2，π，3π/2。合成后的光脉冲经过45°旋转之后进入第三偏振分束器PBS3进行偏振态分析，分成的两个分量最终分别进入第一单光子探测器SPD1和第二单光子探测器SPD2进行探测。探测结果通过后处理过程即可在收发双方之间产生安全密钥。

不考虑相位调制器的损耗，入射到发端干涉仪的光脉冲P1的45°偏振态可写为

在经过发端干涉仪之后的态可写为

其中

表示第二相位调制器PMA对光脉冲P3相对于P2调制的相位差，下标T表示V分量比H分量滞后时间T。经纠偏模块作用之后，态变为

在经过收端干涉仪之后的态变为

其中

可以看出，合成后的光脉冲P6的光功率与P1的光功率相等，即没有损耗。

当第二相位调制器PMA和第三相位调制器PMB分别调制不同的相位得到不同的相位差时，所得到的光脉冲P6的偏振态如表1所示：

表1：不同相位差得到的光脉冲P6的偏振态

在经过45°旋转结构之后，偏振态|+＞和|-＞变为H＞和|V＞，而R＞和|L＞不变，因此可以通过第一偏振分束器PBS实现两组基的区分。

发送端调制4个相位，接收端调制2个相位，相应的单光子探测器响应概率如表2所示

表2：探测器响应概率表

本发明还提供了一种高效的量子密钥分发方法，包括以下步骤：

1)激光器触发：脉冲激光器通过触发信号以一定重复频率产生一系列的脉冲光；

2)诱骗态调制：光脉冲通过诱骗态调制模块被其进行随机强度调制，成为信号态、诱骗态或者真空态；

3)发送端编码：经过强度调制的光脉冲进入发送端干涉仪产生前后两个光脉冲，由第二相位调制器进行随机相位调制，使得两个脉冲之间的相位差分别为0，π/2，π，3π/2；

4)衰减器：衰减器将光脉冲衰减至单光子量级；

5)接收端解码：光信号通过光纤信道传输之后进入接收端，先通过纠偏模块补偿偏振变化，然后进入接收端干涉仪，通过第三相位调制器随机调制相位0，π/2，进行解码得到不同的光子偏振态，并用第三偏振分束器对偏振态进行测量；

6)测量：用单光子探测器测量系统结果，用于后续处理产生安全密钥。

综合本发明的结构与原理可知，本发明高效的量子密钥分发方法通过干涉仪结构设计，可以将光能量利用率提升至100％，即将QKD系统成码率提高至原始方案的2倍；发射端干涉仪结构简单，仅由一个偏振分束器和一个相位调制器构成，易于制作，且接收端干涉仪结构与发射端干涉仪完全相同，便于批量制作。

Claims (4)

1.一种高效的量子密钥分发系统，包括发送端与接收端，其特征在于，所述发送端包括依次连接的激光器、诱骗态调制模块、发射端干涉仪以及衰减器，所述接收端包括依次连接的纠偏模块、接收端干涉仪、第三偏振分束器以及第一单光子探测器、第二单光子探测器，所述衰减器的输出端与纠偏模块的输入端连接。

2.如权利要求1所述高效的量子密钥分发系统，其特征在于，所述诱骗态调制模块包括保偏分束器以及第一相位调制器，所述保偏分束器的一端口连接第一相位调制器的输入端，二端口连接激光器的输出端，三端口连接第一相位调制器的输出端，所述发射端干涉仪包括第一偏振分束器以及第二相位调制器，所述第一偏振分束器的一端口连接第二相位调制器的输入端，二端口与保偏分束器的四端口进行45°旋转熔接，三端口连接第二相位调制器的输出端，四端口连接衰减器输入端，所述接收端干涉仪包括第二偏振分束器和第三相位调制器，所述第二偏振分束器的一端口连接第三相位调制器的输入端，二端口连接纠偏模块的输出端，三端口连接第三相位调制器的输出端，四端口与第三偏振分束器的输入端进行45°旋转熔接，所述第三偏振分束器三端口、四端口分别对应连接第一单光子探测器、第二单光子探测器。

3.如权利要求1或2所述高效的量子密钥分发系统，其特征在于，所述衰减器的输出端与纠偏模块的输入端通过保偏光纤连接。

4.一种高效的量子密钥分发方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)激光器触发：脉冲激光器通过触发信号以一定重复频率产生一系列的脉冲光；

2)诱骗态调制：光脉冲通过诱骗态调制模块被其进行随机强度调制，成为信号态、诱骗态或者真空态；

3)发送端编码：经过强度调制的光脉冲进入发送端干涉仪产生前后两个光脉冲，由第二相位调制器进行随机相位调制，使得两个脉冲之间的相位差分别为0，π/2，π，3π/2；

4)衰减器：衰减器将光脉冲衰减至单光子量级；

5)接收端解码：光信号通过光纤信道传输之后进入接收端，先通过纠偏模块补偿偏振变化，然后进入接收端干涉仪，通过第三相位调制器随机调制相位0，π/2，进行解码得到不同的光子偏振态，并用第三偏振分束器对偏振态进行测量；

6)测量：用单光子探测器测量系统结果，用于后续处理产生安全密钥。

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