CN112039672A - 一种稳定的量子密钥分发系统 - Google Patents

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Abstract

一种稳定的量子密钥分发系统，发送端包括激光器、强度调制器、环形器、发射端干涉仪、波分复用器、光电二极管、第三偏振分束器、第一单光子探测器以及第二单光子探测器，所述激光器依次连接强度调制器、环形器第一端口，所述接收端包括解波分复用器、同步激光器、衰减器以及接收端干涉仪，所述解波分复用器输入端连接波分复用器输出端。与现有技术相比，本发明系统非常稳定，可以自动补偿偏振变化，同时由于两个脉冲走了完全相同的路径，可自动补偿相位漂移，因此不需要相位补偿和偏振补偿，可以抵御设备和信道外部环境的影响，可实现连续稳定运行；本发明可以将光子能量利用率提升至1，即将系统成码率提高至原始方案的2倍，且易于制作。

Description

一种稳定的量子密钥分发系统
技术领域
本发明涉及量子偏振编码技术领域，特别涉及一种稳定的量子密钥分发系统。
背景技术
随着物联网、云计算、大数据及人工智能的技术发展，未来十年全球将从互联网+时代迈入万物互联网(IoE)时代，伴随着信息量的爆炸，信息加密安全技术已全面嵌入到政治、经济、人文领域中，保障政府、企业和个人的信息安全。近年来，随着量子计算机的提出和发展，对当前基于计算复杂度的经典密码体制产生巨大的威胁。而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。对于一个实用的量子密钥分发系统来说，能够持续稳定地输出量子安全密钥，以满足用户的加密需求，系统的光学以及电子学稳定性是最基本的要求。常用的编码方式有相位编码和偏振编码，偏振编码由于光纤信道双折射效应导致光子偏振态随机变化，需要进行偏振补偿。相位编码系统稳定性要高于前者，但是由于干涉仪存在相位漂移，系统仍需要进行相位补偿。偏振和相位补偿的实现需要增加额外的硬件或者软件，增加了系统的复杂度。
发明内容
针对现有技术存在以上缺陷，本发明提供一种稳定的量子密钥分发系统如下：
本发明的技术方案是这样实现的：
一种稳定的量子密钥分发系统，包括发送端与接收端，所述发送端包括激光器、强度调制器、环形器、发射端干涉仪、波分复用器、光电二极管、第三偏振分束器、第一单光子探测器以及第二单光子探测器，所述激光器依次连接强度调制器、环形器第一端口，所述环形器第二端口与发端干涉仪的输入端口相连并进行45°熔接，所述发端干涉仪的输出端口连接波分复用器第二输入口，所述波分复用器第一输入口连接光电二极管，所述环形器第三端口连接第三偏振分束器的第一端口，所述第三偏振分束器的第三端口、第四端口分别对应连接第一单光子探测器以及第二单光子探测器，所述接收端包括解波分复用器、同步激光器、衰减器以及接收端干涉仪，所述解波分复用器输入端连接波分复用器输出端，所述解波分复用器第一输出端口连接同步激光器，所述解波分复用器第二输出端口连接衰减器输入端口，衰减器输出端口连接接收端干涉仪。
优选地，所述发射端干涉仪包括第一偏振分束器以及第一相位调制器，所述第一偏振分束器的一端口连接第一相位调制器的输入端，二端口与环形器第二端口相连并进行45°熔接，三端口连接第一相位调制器的输出端，四端口连接波分复用器第二输入口，所述接收端干涉仪包括第二偏振分束器、90°法拉第选择器以及第二相位调制器，所述第二偏振分束器的一端口连接90°法拉第选择器一端，二端口连接衰减器的输出端口，三端口连接第二相位调制器的输出端，所述第二相位调制器的输入端连接90°法拉第选择器另一端。
优选地，所述波分复用器与解波分复用器通过保偏光纤连接。
与现有技术相比，本发明有以下有益效果：
本发明系统非常稳定，由于接收端干涉仪的Sagnac结构，可以自动补偿偏振变化，同时由于两个脉冲走了完全相同的路径，可自动补偿相位漂移，因此不需要相位补偿和偏振补偿，可以抵御设备和信道外部环境的影响，可实现连续稳定运行；本发明可以将光子能量利用率提升至1，即将系统成码率提高至原始方案的2倍；发射端干涉仪以及接收端干涉仪结构简单，发射端干涉仪仅由一个2x2偏振分束器和一个相位调制器构成，接收端干涉仪仅由一个1x2偏振分束器、90°法拉第旋转器和一个相位调制器构成，易于制作。
附图说明
图1为本发明稳定的量子密钥分发系统的原理框图。
图中：发送端100，激光器110，强度调制器120，环形器130，发射端干涉仪140，第一偏振分束器141，第一相位调制器142，波分复用器150，光电二极管160，第三偏振分束器170，第一单光子探测器180，第二单光子探测器190，接收端200，解波分复用器210，同步激光器220，衰减器230，接收端干涉仪240，第二偏振分束器241，90°法拉第选择器242，第二相位调制器243。
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，一种稳定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包括激光器110、强度调制器120、环形器130、发射端干涉仪140、波分复用器150、光电二极管160、第三偏振分束器170、第一单光子探测器180以及第二单光子探测器190，所述激光器110依次连接强度调制器120、环形器130第一端口，所述环形器130第二端口与发端干涉仪140的输入端口相连并进行45°熔接，所述发端干涉仪140的输出端口连接波分复用器150第二输入口，所述波分复用器150第一输入口连接光电二极管160，所述环形器130第三端口连接第三偏振分束器170的第一端口，所述第三偏振分束器170的第三端口、第四端口分别对应连接第一单光子探测器180以及第二单光子探测器190，所述接收端200包括解波分复用器210、同步激光器220、衰减器230以及接收端干涉仪240，所述解波分复用器210输入端连接波分复用器150输出端，所述解波分复用器210第一输出端口连接同步激光器220，所述解波分复用器210第二输出端口连接衰减器230输入端口，衰减器230输出端口连接接收端干涉仪240。
所述发射端干涉仪140包括第一偏振分束器141以及第一相位调制器142，所述第一偏振分束器141的一端口连接第一相位调制器142的输入端，二端口与环形器130第二端口相连并进行45°熔接，三端口连接第一相位调制器142的输出端，四端口连接波分复用器150第二输入口，所述接收端干涉仪240包括第二偏振分束器241、90°法拉第选择器242以及第二相位调制器243，所述第二偏振分束器241的一端口连接90°法拉第选择器242一端，二端口连接衰减器230的输出端口，三端口连接第二相位调制器243的输出端，所述第二相位调制器243的输入端连接90°法拉第选择器242另一端。
所述波分复用器150与解波分复用器210通过保偏光纤连接。
在发送端，激光器LD1产生的光脉冲P0进入强度调制器IM，通过加载不同的电压得到不同的输出光强，来产生信号态和诱骗态，以防御光子数分离攻击。随后，光脉冲从环形器CIR的第一端口(输入端口)进入，并从第二端口输出，再经过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P1和P2。其中P1为H分量被第一偏振分束器PBS1透射，直接从干涉仪的输出端口输出。P2为V分量则在干涉仪内转一圈，经第一相位调制器PMA调制后再从干涉仪的输出端口输出。因此，光脉冲P0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P1和P2，其中P1(偏振态为水平偏振H，光功率为P0总功率的1/2)先于P2(偏振态为竖直偏振V，光功率为P0总功率的1/2)。这两个脉冲之间存在相位差，由第一相位调制器PMA对P2调制得到。通过电路控制使得第一相位调制器PMA仅对光脉冲P2进行相位调制，可使P1和P2之间的相位差随机调制成0，π/2，π，3π/2。随后经过波分复用器WDM进入光纤信道中。
光脉冲P1和P2经过信道QC到达接收端，首先通过解波分复用器WDM进行解波分复用，经过衰减器ATT后进入收端干涉仪。此时，由于光纤信道的双折射效应，在其中传播的光子偏振态会随环境的变化而变化，因此P1和P2的偏振态在到达接收端后会变得无法预测。由于收端干涉仪为Sagnac结构，且有90°法拉第旋转镜，这个结构等效于法拉第反射镜FM，使得P1和P2的偏振态均旋转90°。并且P1和P2在干涉仪内部传播路径长度相同，方向相反，在从干涉仪中出射时P1仍然比P2领先时间T。通过电路控制使得第二相位调制器PMB对光脉冲P2进行相位调制，随机加载相位0，π/2，π，3π/2。P1和P2再次经过衰减器ATT和解波分复用器WDM之后返回光纤信道，进一步返回发送端。
由于Sagnac环结构相当于偏振调制器FM，光子偏振态在两次经过光纤信道并再次回到发送端干涉仪处时，P1和P2的偏振态相比从发送端干涉仪出射时旋转了90°，即P1的偏振态变为V，P2的偏振态变为H。在重新进入发端干涉仪时，P2会直接从第一偏振分束器PBS1透射，P1会进入在干涉仪内转一圈后，与P2同时从干涉仪的输入端口输出。由于P1在发送端比P2少传播了时间T，而再次回到发送端时又比P2多传播了时间T，因此P1和P2最终在干涉仪的输入端口处同时到达，二者进行叠加合成为一个光脉冲P3。合成后的光脉冲经过45°旋转之后，从环形器CIR的第三端口输出，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
Figure BDA0002702864770000061
在经过发端干涉仪之后的态可写为
Figure BDA0002702864770000062
其中
Figure BDA0002702864770000063
表示第一相位调制器PMA对光脉冲P2调制的相位，下标T表示V分量比H分量滞后时间T。在经过收端干涉仪之后，通过对第二相位调制器PMB加载电压对P1调制相位
Figure BDA0002702864770000064
再次回到发送端干涉仪并从其输入端口输出的光脉冲P3的偏振态变为
Figure BDA0002702864770000065
其中
Figure BDA0002702864770000066
可以看出，合成后的光脉冲P3的光功率与P1的光功率相等，即没有损耗。且P3的偏振态由收发双方调制的相位差所决定。
当第一相位调制器PMA和第二相位调制器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P3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
Figure BDA0002702864770000067
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PBS1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
Figure BDA0002702864770000071
综合本发明的结构与原理可知，本发明系统非常稳定，由于接收端干涉仪的Sagnac结构，可以自动补偿偏振变化，同时由于两个脉冲走了完全相同的路径，可自动补偿相位漂移，因此不需要相位补偿和偏振补偿，可以抵御设备和信道外部环境的影响，可实现连续稳定运行；本发明可以将光子能量利用率提升至1，即将系统成码率提高至原始方案的2倍；发射端干涉仪以及接收端干涉仪结构简单，发射端干涉仪仅由一个2x2偏振分束器和一个相位调制器构成，接收端干涉仪仅由一个1x2偏振分束器、90°法拉第旋转器和一个相位调制器构成，易于制作。

Claims (3)

1.一种稳定的量子密钥分发系统，包括发送端与接收端，其特征在于，所述发送端包括激光器、强度调制器、环形器、发射端干涉仪、波分复用器、光电二极管、第三偏振分束器、第一单光子探测器以及第二单光子探测器，所述激光器依次连接强度调制器、环形器第一端口，所述环形器第二端口与发端干涉仪的输入端口相连并进行45°熔接，所述发端干涉仪的输出端口连接波分复用器第二输入口，所述波分复用器第一输入口连接光电二极管，所述环形器第三端口连接第三偏振分束器的第一端口，所述第三偏振分束器的第三端口、第四端口分别对应连接第一单光子探测器以及第二单光子探测器，所述接收端包括解波分复用器、同步激光器、衰减器以及接收端干涉仪，所述解波分复用器输入端连接波分复用器输出端，所述解波分复用器第一输出端口连接同步激光器，所述解波分复用器第二输出端口连接衰减器输入端口，衰减器输出端口连接接收端干涉仪。
2.如权利要求1所述稳定的量子密钥分发系统，其特征在于，所述发射端干涉仪包括第一偏振分束器以及第一相位调制器，所述第一偏振分束器的一端口连接第一相位调制器的输入端，二端口与环形器第二端口相连并进行45°熔接，三端口连接第一相位调制器的输出端，四端口连接波分复用器第二输入口，所述接收端干涉仪包括第二偏振分束器、90°法拉第选择器以及第二相位调制器，所述第二偏振分束器的一端口连接90°法拉第选择器一端，二端口连接衰减器的输出端口，三端口连接第二相位调制器的输出端，所述第二相位调制器的输入端连接90°法拉第选择器另一端。
3.如权利要求1或2所述稳定的量子密钥分发系统，其特征在于，所述波分复用器与解波分复用器通过保偏光纤连接。
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CN112448815A (zh) * 2021-02-01 2021-03-05 南京邮电大学 一种可配置多种协议的量子密钥分发装置

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