CN112332974B - 量子密钥分发系统及方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种量子密钥分发系统及方法。所述系统包括：第一相位调制器，用于基于第一随机数序列对单光子信号进行相位调制；90度移相器，用于对第一相位调制器的输出信号进行90度移相，得到第一路单光子调制信号；第二相位调制器，用于基于第二随机数序列对单光子信号进行相位调制，得到第二路单光子调制信号；180度混频器，用于将第一路单光子调制信号和第二路单光子调制信号进行180度混频，得到两路混频相干信号；2个单光子探测器，用于分别对两路混频相干信号进行探测，得到探测结果；处理器，用于基于探测结果、第一相位调制器在不同时间所选的基、以及第二相位调制器在不同时间所选的基，确定通信密钥。

Description

量子密钥分发系统及方法

技术领域

本公开涉及通信技术领域，特别涉及一种量子密钥分发系统及方法。

背景技术

量子密钥分发(quantum key distribution，QKD)利用微观粒子作为载体进行密钥分发，密钥的安全性由基本物理原理保证，理论上说，通信双方利用量子密钥分发结合“一次一密”加密方式，可以确保分隔两地的用户安全交换密钥，实现安全通信。

量子BB84协议作为国际上首个量子密钥分发协议，在量子密钥分发领域得到广泛应用和研究。但BB84协议需要两组正交基传送两比特量子信号以保证信号的量子随机性，通过两组正交基传送信号，每个粒子只能表示比特0或1，从而导致信号的频谱利用率较低，降低了量子密钥分发系统的成码率。

发明内容

本公开实施例提供了一种量子密钥分发系统及方法，该量子密钥分发系统及方法能够提高频谱利用率，提高量子密钥分发系统的成码率。所述技术方案如下：

一方面，提供一种量子密钥分发系统，所述量子密钥分发系统包括：

单光子源，用于产生单光子信号；

第一相位调制器，与所述单光子源连接，用于基于第一随机数序列对所述单光子信号进行相位调制，所述第一相位调制器采用两个不同的第一基对所述单光子信号进行相位调制，每个所述第一基中包括两个元素，每个所述元素对应2位二进制数；

90度移相器，与所述第一相位调制器连接，用于对所述第一相位调制器的输出信号进行90度移相，得到第一路单光子调制信号；

第二相位调制器，与所述单光子源连接，用于基于第二随机数序列对所述单光子信号进行相位调制，得到第二路单光子调制信号，所述第二相位调制器采用两个第二基对所述单光子信号进行相位调制，每个所述第二基中包括一个或两个元素；

180度混频器，分别与所述第一相位调制器和所述第二相位调制器连接，用于将所述第一路单光子调制信号和所述第二路单光子调制信号进行180度混频，得到混频相干信号；

2个单光子探测器，分别与所述180度混频器的2个输出端连接，用于对所述180度混频器输出的混频相干信号进行探测，得到探测结果；

处理器，分别与所述2个单光子探测器连接，用于基于所述探测结果、所述第一相位调制器在不同时间所选的基、以及所述第二相位调制器在不同时间所选的基，确定通信密钥，所述通信密钥为所述第一随机数序列中的第一部分，所述第一部分为所述第一相位调制器进行相位调制时选择的基和所述第二相位调制器进行相位调制时选择的基相反的比特组成的序列。

在本公开实施例的一种实现方式中，所述处理器，用于基于所述探测结果、所述第一相位调制器在不同时间所选的基、以及所述第二相位调制器在不同时间所选的基，确定所述第一相位调制器进行相位调制时选择的基和所述第二相位调制器进行相位调制时选择的基相反的比特；确定所述第一相位调制器进行相位调制时选择的基和所述第二相位调制器进行相位调制时选择的基相反的比特组成的序列。

在本公开实施例的一种实现方式中，所述处理器，用于基于所述探测结果估算误码率；确定所述误码率为0％或100％时，所述第一相位调制器所选的基和所述第二相位调制器所选的基；基于所述误码率为0％或100％时所述第一相位调制器所选的基以及所述探测结果中所述2个单光子探测器的响应情况，确定所述第一随机数序列中在所述第一相位调制器进行相位调制时选择的基和所述第二相位调制器进行相位调制时选择的基相反时的比特。

在本公开实施例的一种实现方式中，所述量子密钥分发系统，包括：

第一设备，包括所述单光子源和所述第一相位调制器；

第二设备，包括所述90度移相器、所述第二相位调制器、所述180度混频器、所述2个单光子探测器和所述处理器；

所述处理器，还用于将所述探测结果发送给所述第一设备。

在本公开实施例的一种实现方式中，所述量子密钥分发系统，包括：

第一设备，包括所述单光子源、所述第一相位调制器和所述90度移相器；

第二设备，包括所述第二相位调制器；

第三设备，所述180度混频器、所述2个单光子探测器和所述处理器；

所述处理器，还用于将所述探测结果发送给所述第一设备和所述第二设备。

另一方面，提供一种量子密钥分发方法，所述量子密钥分发法包括：

基于第一随机数序列通过第一相位调制器对单光子信号进行相位调制，所述第一相位调制器采用两个不同的第一基对所述单光子信号进行相位调制，每个所述第一基中包括两个元素，每个所述元素对应2位二进制数；

对所述第一相位调制器的输出信号进行90度移相，得到第一路单光子调制信号；

基于第二随机数序列通过第二相位调制器对所述单光子信号进行相位调制，得到第二路单光子调制信号，所述第二相位调制器采用两个第二基对所述单光子信号进行相位调制，每个所述第二基中包括一个或两个元素；

将所述第一路单光子调制信号和所述第二路单光子调制信号进行180度混频，得到两路混频相干信号；

分别对所述两路混频相干信号进行探测，得到探测结果；

基于所述探测结果、所述第一相位调制器在不同时间所选的基、以及所述第二相位调制器在不同时间所选的基，确定通信密钥，所述通信密钥为所述第一随机数序列中的第一部分，所述第一部分为所述第一相位调制器进行相位调制时选择的基和所述第二相位调制器进行相位调制时选择的基相反的比特组成的序列。

在本公开实施例的一种实现方式中，所述基于所述探测结果、所述第一相位调制器在不同时间所选的基、以及所述第二相位调制器在不同时间所选的基，确定通信密钥，包括：

基于所述探测结果、所述第一相位调制器在不同时间所选的基、以及所述第二相位调制器在不同时间所选的基，确定所述第一相位调制器进行相位调制时选择的基和所述第二相位调制器进行相位调制时选择的基相反的比特；确定所述第一相位调制器进行相位调制时选择的基和所述第二相位调制器进行相位调制时选择的基相反的比特组成的序列。

在本公开实施例的一种实现方式中，所述基于所述探测结果、所述第一相位调制器在不同时间所选的基、以及所述第二相位调制器在不同时间所选的基，确定所述第一相位调制器进行相位调制时选择的基和所述第二相位调制器进行相位调制时选择的基相反的比特，包括：

基于所述探测结果估算误码率；确定所述误码率为0％或100％时，所述第一相位调制器所选的基和所述第二相位调制器所选的基；基于所述误码率为0％或100％时所述第一相位调制器所选的基以及所述探测结果中2个单光子探测器的响应情况，确定所述第一随机数序列中在所述第一相位调制器进行相位调制时选择的基和所述第二相位调制器进行相位调制时选择的基相反时的比特。

在本公开实施例的一种实现方式中，所述方法还包括：

将所述第二随机数序列发送给第一设备，所述第一设备包括所述第一相位调制器。

在本公开实施例的一种实现方式中，所述方法还包括：

将所述探测结果发送给第一设备和第二设备，所述第一设备包括所述第一相位调制器，所述第二设备包括所述第二相位调制器。

本公开实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

本公开实施例提供的量子密钥分发系统，通过90度相移器和180度混频器实现90度的混频相干，利用不同相位基相干输出的结果相反这一特点，在不公布两个相位调制器具体的选基信息(处理器只知道每个相位调制器在什么时间段所选的基，但不知道基包含的具体内容)的条件下，完成量子密钥分发的经典交互过程，从而保证量子密钥分发的安全性。同时，处理器最终确定出的通信密钥是第一相位调制器调制时使用的第一随机数序列的一部分，而第一相位调制器调制时每个基对应2位二进制数，也即在传输通信密钥过程中，每个粒子只能表示2位二进制数，相比于相关技术频谱利用率较高，提高了量子密钥分发系统的成码率。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本公开实施例提供的一种量子密钥分发系统的结构示意图；

图2是本公开实施例提供的一种量子密钥分发系统的结构示意图；

图3是本公开实施例提供的一种量子密钥分发系统的结构示意图；

图4是本公开实施例提供的一种量子密钥分发方法的流程图。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本公开实施方式作进一步地详细描述。

图1是本公开实施例提供的一种量子密钥分发系统的结构示意图。参见图1，所述量子密钥分发系统包括：单光子源101、第一相位调制器102、90度移相器103、第二相位调制器104、180度混频器105、2个单光子探测器106和处理器107。

其中，单光子源101，用于产生单光子信号；

第一相位调制器102，与所述单光子源101连接，用于基于第一随机数序列对所述单光子信号进行相位调制，所述第一相位调制器采用两个不同的第一基对所述单光子信号进行相位调制，每个所述第一基中包括两个元素，每个所述元素对应2位二进制数；

90度移相器103，与所述第一相位调制器102连接，用于对所述第一相位调制器102的输出信号进行90度移相，得到第一路单光子调制信号；

第二相位调制器104，与所述单光子源101连接，用于基于第二随机数序列对所述单光子信号进行相位调制，得到第二路单光子调制信号，所述第二相位调制器采用两个第二基对所述单光子信号进行相位调制，每个所述第二基中包括一个或两个元素；

180度混频器105，分别与所述第一相位调制器102和所述第二相位调制器104连接，用于将所述第一路单光子调制信号和所述第二路单光子调制信号进行180度混频，得到混频相干信号；

2个单光子探测器106，分别与所述180度混频器105的2个输出端连接，用于对所述180度混频器输出的混频相干信号进行探测，得到探测结果；

处理器107，分别与所述2个单光子探测器106连接，用于基于所述探测结果、所述第一相位调制器在不同时间所选的基、以及所述第二相位调制器在不同时间所选的基，确定通信密钥，所述通信密钥为所述第一随机数序列中的第一部分，所述第一部分为所述第一相位调制器进行相位调制时选择的基和所述第二相位调制器进行相位调制时选择的基相反的比特组成的序列。

这里所说的基也就是相位调制器进行相位调制时的调制相位的取值集合。

本公开实施例提供的量子密钥分发系统，通过90度相移器和180度混频器实现90度的混频相干，利用不同相位基相干输出的结果相反这一特点，在不公布两个相位调制器具体的选基信息(处理器只知道每个相位调制器在什么时间段所选的基，但不知道基包含的具体内容)的条件下，完成量子密钥分发的经典交互过程，从而保证量子密钥分发的安全性。同时，处理器最终确定出的通信密钥是第一相位调制器调制时使用的第一随机数序列的一部分，而第一相位调制器调制时每个基对应2位二进制数，也即在传输通信密钥过程中，每个粒子只能表示2位二进制数，相比于相关技术频谱利用率较高，提高了量子密钥分发系统的成码率。

该方案应用于测量设备无关的量子密钥分发协议(measurement deviceindependent quantum key distribution，MDI-QKD)等其他量子密钥分发协议当中，实现四进制(也即每个粒子表示00、01、10、11等，相当于四进制数)量子密钥成码。

在本公开实施例的一种实现方式中，所述处理器107，用于基于所述探测结果、所述第一相位调制器在不同时间所选的基、以及所述第二相位调制器在不同时间所选的基，确定所述第一相位调制器进行相位调制时选择的基和所述第二相位调制器进行相位调制时选择的基相反的比特；确定所述第一相位调制器进行相位调制时选择的基和所述第二相位调制器进行相位调制时选择的基相反的比特组成的序列。

在该实现方式中，处理器可以基于探测器的响应情况，输出比特序列，也即探测到的比特序列；然后获取第一随机数序列中的一段，计算误码率，根据误码率的情况，可以得到两个相位调制器的基组合，此时也即确定了2位二进制数的高位，然后根据探测器的响应确定2位二进制数的低位，从而得到2位二进制数。

在本公开实施例的一种实现方式中，所述处理器107，用于基于所述探测结果估算误码率；确定所述误码率为0％或100％时，所述第一相位调制器所选的基和所述第二相位调制器所选的基；基于所述误码率为0％或100％时所述第一相位调制器所选的基以及所述探测结果中所述2个单光子探测器的响应情况，确定所述第一随机数序列中在所述第一相位调制器进行相位调制时选择的基和所述第二相位调制器进行相位调制时选择的基相反时的比特。

在该实现方式中，误码率为0％或100％时第一相位调制器所选的基和所述第二相位调制器所选的基相反。这里，第一相位调制器所选的基和所述第二相位调制器所选的基相反是指二者完全不同，例如{0，π}和{π/2，3π/2}为相反的基，或者{0，π}和{π/2}为相反的基等。

本公开实施例提供的量子密钥分发系统可以由多个设备组成，下面结合图2和图3对此进行举例说明：

图2是本公开实施例提供的一种量子密钥分发系统的结构示意图。参见图2，所述量子密钥分发系统，包括：

第一设备10，包括所述单光子源101和所述第一相位调制器102；

第二设备20，包括所述90度移相器103、所述第二相位调制器104、所述180度混频器105、所述2个单光子探测器106和所述处理器107；

所述处理器107，还用于将所述探测结果通过信道发送给所述第一设备10。

下面将第一设备10称为Alice、第二设备20称为Bob来进行说明。

在该实现方式中，在Alice和Bob端分别通过两个相位调制器对其发射光子的相位进行二阶调制；两个相位调制器的调制信号来源于两个随机数源提供的随机信号；Alice向Bob公布在不同时刻选的基，但不公布基的具体信息，例如，Alice公布在各个时刻所选的基是A组还是B组，但不公布具体的A组和B组的信息；Bob根据探测结果确定各自选基，完成对基过程。

示例性地，Alice定义的两个基：A基{0，π}、B基{π/2，3π/2}；Alice在进行调制时，各个基与比特的对应关系如下：0，π/2，π，3π/2依次对应00，01，10，11。Bob定义的两个基：C基{0}、D基{π/2}，各个基与比特的对应关系如下：0，π/2依次对应0，1。在通信时，Bob知道Alice有A、B两个基，且是按照{0，π}、{π/2，3π/2}划分的，也知道什么时刻是A什么时刻是B，但不知道A和B分别是哪一个。

由于Alice和Bob调制时使用的随机数序列不同，因此二者在同一时刻所选的基存在不同的组合，但在这些组合中，只有当Alice和Bob所选基不同才能达到有效探测。比如，Alice选择基为{0，π}，Bob选择π/2基时，单光子探测器才能有效探测，有效探测时两个单光子探测器中一个响应，例如两个单光子探测器分别为D0和D1，若D0响应表示“0”，D1响应表示“1”。Alice选择基{π/2，3π/2}，Bob选择0基时，单光子探测器才能有效探测，此时D0响应表示“1”，D1响应表示“0”。可以看出，在有效探测时，Alice所选基不同，两个单光子探测器响应结果是相反的。

那么，Bob如何知道什么情况下属于有效探测呢？首先，这里的有效探测不是说准确探测，而是能够根据探测结果推导出Alice选基的探测。

Bob可以按照如下方式确定有效探测：Bob基于两个单光子探测器的响应，记录比特序列；Bob接收Alice发送的第一随机数序列中的一段(标注具体是哪一段时间内的)；Bob基于记录的比特序列和接收的第一随机数序列中的一段，确定误码率，该误码率可以每2个比特计算一次，只比较2个比特中的低位，例如Bob基于记录的比特序列中的2个比特为“01”，则只比对“01”中第二位比特“1”和第一随机数序列中相同位置比特的误码率，误码率的结果存在0％、100％和50％三种情况，其中误码率为0％、100％时为有效探测。Bob基于各个时刻的误码率、自己的选基情况以及探测到的比特序列，确定Alice使用的基与比特的对应关系。

比如，若Bob选择0基，Alice选择B基，误码率为100％，则表明B基为{π/2，3π/2}。这种情况下，Alice的B基{π/2，3π/2}经过90度移相，变成{π，2π}，{π，2π}和Bob的0基相干混频，得到结果为{π，0}，与原本的{π/2，3π/2}完全不同，误码率100％。

这里，确定出AliceB基{π/2，3π/2}，则对应的2位二进制数的高位为1，如果D0响应表示“1”，对应的基为π/2，D1响应表示“0”，对应的基为3π/2。由于误码率是100％，基于单光子探测器的响应，可以确定出对应的2位二进制数的低位，得到2位二进制数和基的对应关系为π/2对应10，3π/2对应11。

若Bob选择π/2基，Alice选择B基，误码率为0％，则表明B基为{0，π}。这种情况下，Alice的B基{0，π}经过90度移相，变成{π/2，3π/2}，{π/2，3π/2}和Bob的π/2基相干混频，得到结果为{0，π}，与原本的{0，π}完全相同，误码率0％。其中，相干混频时，一路输出是相干加强，一路输出是相干减弱，以两个输入均为π/2为例，因为输入的大小相同(I1＝I2)，因此一路输出为(I1+I2＝π)，另一路输出为(I1-I2＝0)，实际没有输出，故只有1个探测器响应。

基于前一种情况相同的方式，最终得到Alice的具体编码信息，即{0，π/2，π，3π/2}分别对应{00，01，10，11}。

同时，Bob还确定出了有效探测时，第一随机数序列中的部分，此为通信密钥。

图3是本公开实施例提供的一种量子密钥分发系统的结构示意图。参见图3，所述量子密钥分发系统，包括：

第一设备10，包括所述单光子源101、所述第一相位调制器102和所述90度移相器103；

第二设备20，包括所述第二相位调制器104；

第三设备30，所述180度混频器105、所述2个单光子探测器106和所述处理器107；

所述处理器107，还用于将所述探测结果发送给所述第一设备10和所述第二设备20。

下面将第一设备10称为Alice、第二设备20称为Bob、第三设备30称为Charlie来进行说明。

在该实现方式中，在Alice和Bob端分别通过两个相位调制器对其发射光子的相位进行二阶调制；两个相位调制器的调制信号来源于两个随机数源提供的随机信号；Alice和Bob向Charlie公布在不同时刻选的基，但不公布基的具体信息，例如，Alice公布在各个时刻所选的基是A组还是B组，但不公布具体的A组和B组的信息；Charlie根据探测结果确定各自选基，完成对基过程。

示例性地，Alice定义的两个基：A基{0，π}、B基{π/2，3π/2}；Bob定义的两个基：C基{0，π}、D基{π/2，3π/2}。在进行调制时，各个基与比特的对应关系如下：0，π/2，π，3π/2依次对应00，01，10，11。在通信时，Charlie知道Alice和Bob有各有两个基，且是按照{0，π}、{π/2，3π/2}划分的，也知道Alice什么时刻是A什么时刻是B、Bob什么时刻是C什么时刻是D，但不知道A和B、C和D分别是哪一个。

由于Alice和Bob调制时使用的随机数序列不同，因此二者在同一时刻所选的基存在不同的组合，但在这些组合中，只有当Alice和Bob所选基不同才能达到有效探测。比如，Alice选择基为{0，π}，Bob选择{π/2，3π/2}；Alice选择基{π/2，3π/2}，Bob选择{0，π}。

那么，Charlie如何知道什么情况下属于有效探测呢？首先，这里的有效探测不是说准确探测，而是能够根据探测结果推导出Alice选基的探测。

Charlie可以按照如下方式确定有效探测：Charlie基于两个单光子探测器的响应，记录比特序列；Charlie接收Alice和Bob发送的各自随机数序列中的同一时间段内的一段(标注具体是哪一段时间内的)；Charlie基于记录的比特序列和接收的Alice和Bob随机数序列段，比对两者的对应基下随机数序列确定误码率，例如比对Alice选择A基、Bob选择C基时，Alice随机数序列段中比特和Bob翻转后比特序列中比特的误码率，或者比对Alice选择A基、Bob选择D基时，Alice随机数序列段中比特和Bob翻转后的比特序列中比特的误码率，该误码率可以每2个比特计算一次(只计算2个比特中的低位)，误码率存在0％、100％和50％三种情况，其中误码率为0％、100％时为有效探测。Bob基于各个时刻的误码率、自己的选基情况以及探测到的比特序列，确定Alice使用的基与比特的对应关系。这里，Bob翻转后的比特序列是指，基于单光子探测器的响应情况，对Bob的随机数序列段中每2个比特中的低位进行部分翻转，翻转规则如下：单光子探测器D0响应，则对应的2个比特中的低位不翻转，单光子探测器D1响应，则对应的2个比特中的低位翻转。

比如，若误码率为100％，则表明Alice选基为{π/2，3π/2}，Bob选基为{0，π}。这种情况下，Alice的选基{π/2，3π/2}经过90度移相，变成{π，2π}，{π，2π}和Bob的{0，π}相干混频，得到结果为{π，0}，与原本的{π/2，3π/2}完全不同，误码率100％。

这里，确定出Alice选基为{π/2，3π/2}，则对应的2位二进制数的高位为1，如果D0响应表示“1”，对应的基为π/2，D1响应表示“0”，对应的基为3π/2。由于误码率是100％，基于单光子探测器的响应，可以确定出对应的2位二进制数的低位，得到2位二进制数和基的对应关系为π/2对应10，3π/2对应11。

若误码率为0％，则表明Alice选基为{0，π}，Bob选基为{π/2，3π/2}。这种情况下，Alice的选基{0，π}经过90度移相，变成{π/2，3π/2}，{π/2，3π/2}和Bob的{π/2，3π/2}基相干混频，得到结果为{0，π}，与原本的{0，π}完全相同，误码率0％。

基于前一种情况相同的方式，最终得到Alice的具体编码信息，即{0，π/2，π，3π/2}分别对应{00，01，10，11}。

若数据误码为50％左右，则表明Alice和Bob发送的选基合为“Alice选基为{0，π}，Bob选基为{0，π}”或“Alice选基为{π/2，3π/2}，Bob选基为{π/2，3π/2}”，不能确定出唯一结果，丢弃这种情况下的数据。

同时，Charlie还确定出了有效探测时，第一随机数序列中的部分，此为通信密钥。

Charlie可以直接将探测结果告知Alice，也可以只将哪些是有效探测时刻告知Alice，由Alice自己确定出通信密钥。

Charlie可以直接将探测结果告知Bob，也可以将哪些是有效探测时刻以及有效探测时刻两个单光子探测器的响应情况告知Bob，由Bob自己确定出通信密钥。Bob确定通信密钥的方式可以按照下表1：

表1

Bob知道探测器响应，基于自己的原始比特，对其中有效探测部分的比特进行比特反转，得到通信密钥。

本发明提供的四进制相位编码的量子密钥分发系统，通过90°相移器和180°混频器实现90°的混频相干，利用不同相位基相干输出的结果相反这一特点，在不公布具体的选基信息的条件下完成量子密钥分发的经典交互过程，从而保证量子密钥分发的安全性，打破了传统BB84的成码限定，实现四进制信息编码的解码。

图4是本公开实施例提供的一种量子密钥分发方法的流程图。参见图4，所述量子密钥分发法包括：

步骤401、基于第一随机数序列通过第一相位调制器对所述单光子信号进行相位调制，所述第一相位调制器采用两个不同的第一基对所述单光子信号进行相位调制，每个所述第一基中包括两个元素，每个所述元素对应2位二进制数；

步骤402、对所述第一相位调制器的输出信号进行90度移相，得到第一路单光子调制信号；

步骤403、基于第二随机数序列通过第二相位调制器对所述单光子信号进行相位调制，得到第二路单光子调制信号，所述第二相位调制器采用两个第二基对所述单光子信号进行相位调制，每个所述第二基中包括一个或两个元素；

步骤404、将所述第一路单光子调制信号和所述第二路单光子调制信号进行180度混频，得到两路混频相干信号；

步骤405、分别对所述两路混频相干信号进行探测，得到探测结果；

步骤406、基于所述探测结果、所述第一相位调制器在不同时间所选的基、以及所述第二相位调制器在不同时间所选的基，确定通信密钥，所述通信密钥为所述第一随机数序列中的第一部分，所述第一部分为所述第一相位调制器进行相位调制时选择的基和所述第二相位调制器进行相位调制时选择的基相反的比特组成的序列。

在本公开实施例的一种实现方式中，步骤406可以包括：

基于所述探测结果、所述第一相位调制器在不同时间所选的基、以及所述第二相位调制器在不同时间所选的基，确定所述第一相位调制器进行相位调制时选择的基和所述第二相位调制器进行相位调制时选择的基相反的比特；确定所述第一相位调制器进行相位调制时选择的基和所述第二相位调制器进行相位调制时选择的基相反的比特组成的序列。

在本公开实施例的一种实现方式中，所述基于所述探测结果、所述第一相位调制器在不同时间所选的基、以及所述第二相位调制器在不同时间所选的基，确定所述第一相位调制器进行相位调制时选择的基和所述第二相位调制器进行相位调制时选择的基相反的比特，包括：

基于所述探测结果估算误码率；确定所述误码率为0％或100％时，所述第一相位调制器所选的基和所述第二相位调制器所选的基；基于所述误码率为0％或100％时所述第一相位调制器所选的基以及所述探测结果中所述2个单光子探测器的响应情况，确定所述第一随机数序列中在所述第一相位调制器进行相位调制时选择的基和所述第二相位调制器进行相位调制时选择的基相反时的比特。

可选地，该方法还包括：

将所述第二随机数序列发送给第一设备，所述第一设备包括所述第一相位调制器。

可选地，该方法还包括：

将所述探测结果发送给所述第一设备和所述第二设备，所述第一设备包括所述第一相位调制器，所述第二设备包括所述第二相位调制器。

需要说明的是：上述实施例提供的量子密钥分发系统在进行量子密钥分发时，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将设备的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。另外，上述实施例提供的量子密钥分发系统与量子密钥分发方法实施例属于同一构思，其具体实现过程详见方法实施例，这里不再赘述。

以上所述仅为本公开的可选实施例，并不用以限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、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，所述量子密钥分发系统包括：

单光子源，用于产生单光子信号；

第一相位调制器，与所述单光子源连接，用于基于第一随机数序列对所述单光子信号进行相位调制，所述第一相位调制器采用两个不同的第一基对所述单光子信号进行相位调制，每个所述第一基中包括两个元素，每个所述元素对应2位二进制数；

90度移相器，与所述第一相位调制器连接，用于对所述第一相位调制器的输出信号进行90度移相，得到第一路单光子调制信号；

第二相位调制器，与所述单光子源连接，用于基于第二随机数序列对所述单光子信号进行相位调制，得到第二路单光子调制信号，所述第二相位调制器采用两个第二基对所述单光子信号进行相位调制，每个所述第二基中包括一个或两个元素；

180度混频器，分别与所述第一相位调制器和所述第二相位调制器连接，用于将所述第一路单光子调制信号和所述第二路单光子调制信号进行180度混频，得到混频相干信号；

2个单光子探测器，分别与所述180度混频器的2个输出端连接，用于对所述180度混频器输出的混频相干信号进行探测，得到探测结果；

处理器，分别与所述2个单光子探测器连接，用于基于所述探测结果、所述第一相位调制器在不同时间所选的基、以及所述第二相位调制器在不同时间所选的基，确定通信密钥，所述通信密钥为所述第一随机数序列中的第一部分，所述第一部分为所述第一相位调制器进行相位调制时选择的基和所述第二相位调制器进行相位调制时选择的基相反的比特组成的序列。

2.根据权利要求1所述的量子密钥分发系统，其特征在于，所述处理器，用于基于所述探测结果、所述第一相位调制器在不同时间所选的基、以及所述第二相位调制器在不同时间所选的基，确定所述第一相位调制器进行相位调制时选择的基和所述第二相位调制器进行相位调制时选择的基相反的比特；确定所述第一相位调制器进行相位调制时选择的基和所述第二相位调制器进行相位调制时选择的基相反的比特组成的序列。

3.根据权利要求2所述的量子密钥分发系统，其特征在于，所述处理器，用于基于所述探测结果估算误码率；确定所述误码率为0％或100％时，所述第一相位调制器所选的基和所述第二相位调制器所选的基；基于所述误码率为0％或100％时所述第一相位调制器所选的基以及所述探测结果中所述2个单光子探测器的响应情况，确定所述第一随机数序列中在所述第一相位调制器进行相位调制时选择的基和所述第二相位调制器进行相位调制时选择的基相反时的比特。

4.根据权利要求1至3任一项所述的量子密钥分发系统，其特征在于，所述量子密钥分发系统，包括：

第一设备，包括所述单光子源和所述第一相位调制器；

第二设备，包括所述90度移相器、所述第二相位调制器、所述180度混频器、所述2个单光子探测器和所述处理器；

所述处理器，还用于将所述探测结果发送给所述第一设备。

5.根据权利要求1至3任一项所述的量子密钥分发系统，其特征在于，所述量子密钥分发系统，包括：

第一设备，包括所述单光子源、所述第一相位调制器和所述90度移相器；

第二设备，包括所述第二相位调制器；

第三设备，所述180度混频器、所述2个单光子探测器和所述处理器；

所述处理器，还用于将所述探测结果发送给所述第一设备和所述第二设备。

6.一种量子密钥分发方法，其特征在于，所述量子密钥分发方法包括：

基于第一随机数序列通过第一相位调制器对单光子信号进行相位调制，所述第一相位调制器采用两个不同的第一基对所述单光子信号进行相位调制，每个所述第一基中包括两个元素，每个所述元素对应2位二进制数；

对所述第一相位调制器的输出信号进行90度移相，得到第一路单光子调制信号；

基于第二随机数序列通过第二相位调制器对所述单光子信号进行相位调制，得到第二路单光子调制信号，所述第二相位调制器采用两个第二基对所述单光子信号进行相位调制，每个所述第二基中包括一个或两个元素；

将所述第一路单光子调制信号和所述第二路单光子调制信号进行180度混频，得到两路混频相干信号；

分别对所述两路混频相干信号进行探测，得到探测结果；

基于所述探测结果、所述第一相位调制器在不同时间所选的基、以及所述第二相位调制器在不同时间所选的基，确定通信密钥，所述通信密钥为所述第一随机数序列中的第一部分，所述第一部分为所述第一相位调制器进行相位调制时选择的基和所述第二相位调制器进行相位调制时选择的基相反的比特组成的序列。

7.根据权利要求6所述的量子密钥分发方法，其特征在于，所述基于所述探测结果、所述第一相位调制器在不同时间所选的基、以及所述第二相位调制器在不同时间所选的基，确定通信密钥，包括：

基于所述探测结果、所述第一相位调制器在不同时间所选的基、以及所述第二相位调制器在不同时间所选的基，确定所述第一相位调制器进行相位调制时选择的基和所述第二相位调制器进行相位调制时选择的基相反的比特；确定所述第一相位调制器进行相位调制时选择的基和所述第二相位调制器进行相位调制时选择的基相反的比特组成的序列。

8.根据权利要求7所述的量子密钥分发方法，其特征在于，所述基于所述探测结果、所述第一相位调制器在不同时间所选的基、以及所述第二相位调制器在不同时间所选的基，确定所述第一相位调制器进行相位调制时选择的基和所述第二相位调制器进行相位调制时选择的基相反的比特，包括：

基于所述探测结果估算误码率；确定所述误码率为0％或100％时，所述第一相位调制器所选的基和所述第二相位调制器所选的基；基于所述误码率为0％或100％时所述第一相位调制器所选的基以及所述探测结果中2个单光子探测器的响应情况，确定所述第一随机数序列中在所述第一相位调制器进行相位调制时选择的基和所述第二相位调制器进行相位调制时选择的基相反时的比特。

9.根据权利要求6至8任一项所述的量子密钥分发方法，其特征在于，所述方法还包括：

将所述第二随机数序列发送给第一设备，所述第一设备包括所述第一相位调制器。

10.根据权利要求6至8任一项所述的量子密钥分发方法，其特征在于，所述方法还包括：

将所述探测结果发送给第一设备和第二设备，所述第一设备包括所述第一相位调制器，所述第二设备包括所述第二相位调制器。

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