CN112953709B - 一种远距离高效光量子密钥传输方法及其系统 - Google Patents

一种远距离高效光量子密钥传输方法及其系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种远距离高效光量子密钥传输方法，包括选择需要传输密钥的线路，制备随机混合态偏振光子脉冲信号，控制发送脉冲光子总数小于或者等于光脉冲混合态数2倍，发送方比对计算值与接收端的实际测量值并与标准衰减率进行比对，发送方根据衰减率误差大小，采用取整方案并通过公共信道将取整方案告之接收端，双方对剩余序列结果进行取整，得到双方共有密钥。因此，本发明能确保窃听者无法破译，可以实现远距离高效传输。操作方便，实现方法较简单，效率高，且能确保光量子信息远距离传输绝对安全，安全可靠的量子通讯方法，具有使用价值。

Description

一种远距离高效光量子密钥传输方法及其系统
技术领域
本发明涉及光量子通讯技术领域，尤其涉及一种远距离高效光量子密钥传输方法及其系统。
背景技术
在光量子通讯中，只有利用单光子作为一个个独立的信息载体才满足量子不可克隆原理，才是绝对安全，可以防止窃听者窃听的。但由于单光子编码通讯抗干扰力差、操作实施难度高及效率低等一系列问题。比如用光纤传输，信号衰减大，只在短距离实验中取得成功；而通过大气直接传输信号，易受气候影响，在恶劣气候条件下甚至会造成通信中断。大气中的氧、氮、二氧化碳、水蒸汽等大气分子对光信号有吸收作用；大气分子密度的不均匀和悬浮在大气中的尘埃、烟、冰晶、盐粒子、微生物和微小水滴等对光信号有散射作用。云、雨、雾、雪等使激光受到严重衰减等。因此，其应用价值非常有限；故目前开展的远距离光量子通讯实验都是采用发送偏振光脉冲给接收者的方法进行实验。如潘建伟团队发送的墨子号量子卫星。该方法比在地面利用有线传输信息更难实施窃听，但并不是不能被窃听。由于使用的是含多个光子的光脉冲，窃听者可在光路传输途中利用非偏振分光棱镜分出少部分光子，并利用高效设备对窃取部分脉冲光子实施测量而不易被发现。并且从目前的技术上来看是有可能实现的，目前已有的量子通讯方法只有利用真正的单光子作信息载体，并辅助严格的操作程序才能保证通讯是绝对安全可靠的。而单光子编码通讯采用自由空间传输光信号存在环境因素的影响、操作实施难度高等问题；如果用光纤传输，信号衰减严重，只在短距离实验中取得成功，其应用价值非常有限；故目前开展的远距离光量子通讯都是采用发送单态多光子的偏振光脉冲给接收者的方法进行实验，但这样就存在被窃听的风险。
如中国科学院上海技术物理研究所申请的专利技术(CN201110167153：一种实时测量偏振光特性的方法)，利用该技术就可实时获得脉冲偏振光的偏振方向。因此，在远距离光通讯中，使用多光子脉冲进行序号传输仍然存在被窃听的风险。同时，该方法是利用偏振激光在“空对地”的空间中传输，既受天气(白天或黑夜、雷雨天气及其他极端天气)影响又受空气环境(如颗粒物含量、雾霾以及水蒸气等)的影响。因此，传输效果不稳定，有可能无法区分是否存在窃听者，甚至于不能实现正常的通讯。因此需要一种远距离安全稳定高效的光量子密钥传输方法。
发明内容
为解决上述系列问题，本发明提供了一种远距离安全稳定高效的光量子密钥传输方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
本发明包括如下步骤：
步骤1：选择需要传输密钥的线路，并对整个光路进行监控；发送方发送不同数量及偏振方向的光子，并在接收端采用与发送方预先约定的偏振方向测量光子数量用以计算所述线路的衰减率和衰减率的误差范围；
步骤2：制备随机混合态偏振光子脉冲信号；
步骤3：接收端随机选择任意测量偏振片角度θx，对脉冲序列进行测量，得到所述脉冲序列测量偏振角及与之对应的偏振脉冲通过偏振片的光子数；
步骤4：接收端将测量序列偏振角度θx通过公共信道发送给发送方；
步骤5：发送方根据序列偏振角度θx和发射相应序列的混合态中偏振角及光子数，并计算接收端理论上应收到的光子数；
步骤6：接收端随机选择测量序列中部分序列的测量结果，并通过公共信道传送给发送方；
步骤7：发送方比对计算值与接收端的实际测量值，看随机序列的衰减率是否一致，并与标准衰减率进行比对。若在误差范围内一致，则用该衰减率计算剩余序列中接收端应测量到的光子数；若衰减率超过误差范围，放弃本次测量，然后重复上述步骤重新进行的密钥传输直至误差范围一致；
步骤8：发送方根据衰减率误差大小，决定采用事先约定的取整方案，并通过公共信道将取整方案告之接收端，双方对剩余序列结果进行取整，得到双方共有密钥。
进一步地，在步骤2中所述偏振角度及光子数是任意随机。所述混合态偏振脉冲中包含偏振方向分别为θ1、θ2……θn和光子个数分别为N1、N2……Nn的偏振脉冲光，N1+N2+……+Nn≤2n，即混合态的光子总数小于等于组成混合态偏振方向数量的2倍。
进一步地，所述随机混合态偏振光子脉冲信号的制备方法包括：发送方准备多个激光发生器，使每一个激光分别通过可控开关，制备出含不同光子数的脉冲，脉冲之间的间隔时间保持一致，然后分别通过不同角度的起偏器，并同时耦合到通讯光纤中，制备出随机混合态偏振光子脉冲。
进一步地，所述接收端理论上应收到的光子数的计算公式为
Nx＝N1 cos2(θ1-θx)+N2 cos2(θ2-θx)+……Nn cos2(θn-θx)
一种远距离高效光量子密钥传输系统，包括
激光信号发生模块，用于制备出含不同光子数的脉冲，产生稳定的激光并用于制备混合态光子信号。
起偏模块，于将产生不同方向的偏振光。
计数探测模块，用于准确计数接收光信号中的光子数。
比对模块，用于与线路中的标准衰减率进行比对，若在误差范围内一致，则用该衰减率计算剩余序列中接收端应测量到的光子数；若衰减率超过误差范围，则有可能存在窃听者拦截了部分光子，放弃本次测量重复上述步骤重新进行的密钥传输。
相比现有技术，本发明的有益效果为：
本发明能确保窃听者无法破译，可以实现远距离高效传输。操作方便，实现方法较简单，效率高，且能确保光量子信息远距离传输绝对安全，安全可靠的量子通讯方法，具有使用价值。
附图说明
图1为本发明提出的一种远距离高效光量子密钥传输方法的状态流程示意图；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1，实施例1：
步骤1：选择好需要传输密钥的线路后，并对整个光路进行监控，确保沿途无窃听者干扰测量；发送方发送包含20个光子及偏振方向为水平方向的光子，并通过公共信道告之接收端，接收端测量水平方向偏振光子的数量。假定计算得出整个线路的衰减率为30％(衰减率＝[发送光子数-接收到的光子数]/发送光子数×100％)，多次重复操作后计算出衰减率的误差在±5％以内；
步骤2：制备随机混合态偏振光子脉冲信号。发送方准备多个激光发生器，使每一个激光分别通过可控开关，制备出含不同光子数的脉冲，脉冲间隔时间保持一致，然后分别通过不同角度的起偏器，之后将其一起耦合到通讯光纤中，制备出随机混合态偏振光子脉冲。这个混合态偏振脉冲中第一个序列包含偏振方向分别为0°、22.5°、30°、45°、60°、75°、90°和光子个数分别为1、2、2、1、3、4、1的偏振脉冲光；第二个序列包含偏振方向分别为0°、22.5°、37.5°、45°、52.5°、75°和光子个数分别为1、0、2、4、1、3的偏振脉冲光；第三个序列包含偏振方向分别为15°、22.5°、30°、45°、60°、75°、82.5°、90°和光子个数分别为1、2、0、4、1、4、1、3的偏振脉冲光；第四个序列包含偏振方向分别为0°、22.5°、15°、37.5°、45°、67.5°、52.5°、90°、82.5°和光子个数分别为1、3、2、1、1、4、2、1、3的偏振脉冲光；第五个序列包含偏振方向分别为30°、22.5°、15°、45°、52.5°、105°、82.5°、90°、75°和光子个数分别为1、2、1、4、1、3、2、1、2的偏振脉冲光；第六个序列包含偏振方向分别为75°、22.5°、30°、115°、52.5°、0°、90°、45°和光子个数分别为2、1、3、4、1、2、2、1的偏振脉冲光；第七个序列包含偏振方向分别为105°、30°、52.5°、82.5°、15°、60°、150°、135°和光子个数分别为1、1、2、4、1、3、2、2的偏振脉冲光；第八个序列包含偏振方向分别为0°、60°、22.5°、30°、120°、90°、150°和光子个数分别为4、2、1、1、3、1、2的偏振脉冲光；第九个序列包含偏振方向分别为7.5°、67.5°、37.5°、45°、30°、75°、135°、90°和光子个数分别为3、1、2、4、1、1、2、2的偏振脉冲光；
步骤3：接收端随机选择任意测量偏振片角度。测量序列偏振角度分别为30°、15°、7.5°、45°、60°、90°、67.5°、82.5°、72.5°，对脉冲序列进行测量，并记录脉冲序列测量偏振角及与之对应的偏振脉冲通过偏振片的光子数；结果如下：
测量序列 1 2 3 4 5 6 7 8 9
测量角度 30° 15° 7.5° 45° 60° 90° 67.5° 82.5° 72.5°
测量结果 7 5 5 10 9 6 7 4 7
步骤4：接收端将上表中的测量序列偏振角度通过公共信道发送给发送方；
步骤5：发送方根据序列偏振角度和发射相应序列的混合态中偏振角及光子数，利用Nx＝N1 cos2(θ1-θx)+N2 cos2(θ2-θx)+……Nn cos2(θn-θx)计算出接收端理论上(未计衰减)及衰减后应收到的光子数，结果如下：
Figure BDA0002916516930000071
步骤6：接收端随机选择测量序列中2、5、9序列的测量结果，并通过公共信道传送给发送方；
步骤7：发送方比较计算值与接收端的实际测量值，计算随机序列的衰减率。
Figure BDA0002916516930000072
Figure BDA0002916516930000081
与步骤1得出的衰减率30％进行比对，在误差±5％范围内一致。发送方用该衰减率计算剩余序列中接收端测量到的光子数；
步骤8：发送方根据本次测量衰减率误差小于5％，决定采用下述取整方案：
Figure BDA0002916516930000082
(续上表)
5.55-6.45 6.55-7.45 7.55-8.45 8.55-9.45 9.55-10.45 10.55-11.45
1 0 1 0 1 0
6 7 8 9 10 11
注：未包含在取值范围内的值，接收方通过公共信道告诉接收方舍弃。
并通过公共信道将上述取整方案告之接收端，双方对剩余序列结果按同一方案进行取整，得到双方共有密钥。
Figure BDA0002916516930000083
方案一的共有密钥：01101；方案二为：710674
参照图1，实施例2：
步骤1：选择好需要传输密钥的线路后，并对整个光路进行监控，确保沿途无窃听者干扰测量；发送方发送包含30个光子及偏振方向为水平方向的光子，并通过公共信道告之接收端，接收端测量水平方向偏振光子的数量。假定计算得出整个线路的衰减率为50％(衰减率＝[发送光子数-接收到的光子数]/发送光子数×100％)，多次重复操作后计算出衰减率的误差在±5％以内；
步骤2：制备随机混合态偏振光子脉冲信号。发送方准备多个激光发生器，使每一个激光分别通过可控开关，制备出含不同光子数的脉冲(脉冲间隔时间保持一致)，然后分别通过不同角度的起偏器，之后将其一起耦合到通讯光纤中，制备出随机混合态偏振光子脉冲。这个混合态偏振脉冲中第一个序列包含偏振方向分别为0°、7.5°、15°、22.5°、30°、37.5°、45°、52.5°、60°、67.5°、75°、82.5°、90°、97.5°、105°和光子个数分别为3、2、2、1、1、4、1、2、1、1、2、3、1、3、2的偏振脉冲光；第二个序列包含偏振方向分别为0°、15°、22.5°、30°、37.5°、52.5°、60°、67.5°、75°、82.5°、90°、97.5°、105°、112.5°、120°和光子个数分别为2、1、3、1、1、4、1、2、1、3、2、1、1、4、2的偏振脉冲光；第三个序列包含偏振方向分别为0°、15°、22.5°、37.5°、45°、52.5°、60°、67.5°、75°、82.5°、97.5°、105°、112.5°、120°、135°和光子个数分别为1、1、3、2、1、4、2、2、1、1、2、1、3、4、2的偏振脉冲光；第四个序列包含偏振方向分别为7.5°、15°、22.5°、30°、45°、52.5°、60°、67.5°、75°、82.5°、97.5°、105°、112.5°、127.5°、135°和光子个数分别为2、0、3、1、0、4、1、2、1、3、2、1、3、2、4的偏振脉冲光；第五个序列包含偏振方向分别为0°、7.5°、22.5°、37.5°、45°、52.5°、60°、67.5°、75°、90°、97.5°、105°、120°、127.5°、150°和光子个数分别为4、1、3、1、0、2、1、3、1、2、2、1、0、4、2的偏振脉冲光；第六个序列包含偏振方向分别为7.5°、15°、22.5°、30°、45°、52.5°、60°、67.5°、75°、82.5°、97.5°、105°、112.5°、127.5°、150°和光子个数分别为1、1、3、1、2、4、1、2、1、0、4、1、3、2、2的偏振脉冲光；第七个序列包含偏振方向分别为7.5°、15°、30°、37.5°、52.5°、60°、67.5°、75°、82.5°、90°、105°、112.5°、120°、135°、142.5°和光子个数分别为2、1、3、4、0、2、1、1、2、3、2、1、1、4、2的偏振脉冲光；第八个序列包含偏振方向分别为0°、15°、22.5°、37.5°、45°、52.5°、67.5°、75°、82.5°、97.5°、105°、112.5°、127.5°、135°、150°和光子个数分别为2、1、4、1、0、4、1、2、1、1、2、3、3、1、2的偏振脉冲光；第九个序列包含偏振方向分别为0°、15°、22.5°、30°、45°、52.5°、60°、67.5°、82.5°、97.5°、105°、112.5°、120°、135°、142.5°和光子个数分别为2、0、4、1、2、3、1、2、1、4、2、2、1、3、2的偏振脉冲光。
步骤3：接收端随机选择任意测量偏振片角度为45°、15°、7.5°、60°、90°、72.5°、67.5°、30°、82.5°，对脉冲序列进行测量，并记录脉冲序列测量偏振角及与之对应的偏振脉冲通过偏振片的光子数；结果如下：
测量序列 1 2 3 4 5 6 7 8 9
测量角度 45° 15° 7.5° 60° 90° 72.5° 67.5° 30° 82.5°
测量结果 10 6 6 9 7 9 8 7 9
步骤4：接收端将上表中的测量序列偏振角度通过公共信道发送给发送方；
步骤5：发送方根据序列偏振角度和发射相应序列的混合态中偏振角及光子数，利用Nx＝N1 cos2(θ1-θx)+N2 cos2(θ2-θx)+……Nn cos2(θn-θx)计算出接收端理论上(未计衰减)及衰减后应收到的光子数，结果如下：
Figure BDA0002916516930000111
步骤6：接收端随机选择测量序列中1、4、8序列的测量结果，并通过公共信道传送给发送方；
步骤7：发送方比较计算值与接收端的实际测量值，计算随机序列的衰减率。
Figure BDA0002916516930000112
Figure BDA0002916516930000121
与步骤1得出的衰减率50％进行比对，在误差±5％范围内一致。发送方用该衰减率计算剩余序列中接收端测量到的光子数；
步骤8：发送方根据本次测量衰减率误差小于5％，决定采用下述取整方案：
Figure BDA0002916516930000122
(续上表)
5.55-6.45 6.55-7.45 7.55-8.45 8.55-9.45 9.55-10.45 10.55-11.45
1 0 1 0 1 0
6 7 8 9 10 11
注：未包含在取值范围内的值，接收方通过公共信道告诉接收方舍弃。
并通过公共信道将上述取整方案告之接收端，双方对剩余序列结果按同一方案进行取整，得到双方共有密钥。
Figure BDA0002916516930000123
方案一的共有密钥：11000；方案二为：66799
参照图1，实施例3：
步骤1：选择好需要传输密钥的线路后，并对整个光路进行监控，确保沿途无窃听者干扰测量；发送方发送包含50个光子及偏振方向为水平方向的光子，并通过公共信道告之接收端，接收端测量水平方向偏振光子的数量。假定计算得出整个线路的衰减率为80％(衰减率＝[发送光子数-接收到的光子数]/发送光子数×100％)，多次重复操作后计算出衰减率的误差在±5％以内；
步骤2：制备随机混合态偏振光子脉冲信号。发送方准备多个激光发生器，使每一个激光分别通过可控开关，制备出含不同光子数的脉冲(脉冲间隔时间保持一致)，然后分别通过不同角度的起偏器，之后将其一起耦合到通讯光纤中，制备出随机混合态偏振光子脉冲。这个混合态偏振脉冲中第一个序列包含偏振方向分别为0°、2.5°、5°、7.5°、10°、12.5°、15°、17.5°、20°、22.5°、25°、27.5°、30°、32.5°、35°、37.5°、40°、42.5°、45°、47.5°、50°、52.5°、55°、57.5°、60°和光子个数分别为3、1、2、1、2、4、1、2、1、3、2、1、1、3、2、1、2、4、3、1、1、2、2、1、4的偏振脉冲光；第二个序列包含偏振方向分别为0°、2.5°、5°、7.5°、12.5°、15°、17.5°、20°、25°、27.5°、30°、32.5°、37.5°、40°、42.5°、45°、50°、52.5°、55°、57.5°、67.5°、72.5°、75°、77.5°、85°和光子个数分别为2、1、3、1、2、4、2、1、2、2、3、1、0、4、2、1、3、3、1、0、1、2、3、1、4的偏振脉冲光；第三个序列包含偏振方向分别为2.5°、5°、7.5°、12.5°、15°、17.5°、20°、22.5°、27.5°、30°、32.5°、37.5°、40°、42.5°、45°、50°、52.5°、55°、57.5°、62.5°、67.5°、70°、75°、82.5°、90°和光子个数分别为2、0、4、1、3、4、1、2、0、3、2、1、3、3、2、1、2、4、3、1、0、2、3、1、1的偏振脉冲光；第四个序列包含偏振方向分别为0°、5°、7.5°、10°、12.5°、17.5°、20°、22.5°、25°、30°、32.5°、35°、37.5°、40°、42.5°、47.5°、50°、52.5°、55°、62.5°、65°、70°、77.5°、85°、87.5°和光子个数分别为1、1、2、1、3、4、1、2、1、3、1、0、1、3、2、4、2、4、3、1、0、2、2、1、3的偏振脉冲光；第五个序列包含偏振方向分别为0°、2.5°、7.5°、10°、12.5°、15°、20°、22.5°、27.5°、30°、32.5°、35°、40°、45°、47.5°、50°、52.5°、57.5°、65°、67.5°、72.5°、77.5°、80°、82.5°、90°和光子个数分别为2、1、3、1、2、4、1、3、1、0、2、1、4、3、2、1、2、4、0、1、1、3、2、1、4的偏振脉冲光；第六个序列包含偏振方向分别为2.5°、5°、7.5°、12.5°、15°、20°、25°、27.5°、32.5°、35°、40°、42.5°、47.5°、50°、52.5°、57.5°、60°、65°、67.5°、72.5°、77.5°、80°、87.5°、90°、92.5°、和光子个数分别为3、1、3、4、2、1、2、3、1、0、2、1、2、3、2、1、3、0、3、1、2、2、4、1、3的偏振脉冲光；第七个序列包含偏振方向分别为0°、2.5°、5°、10°、12.5°、17.5°、20°、22.5°、27.5°、30°、35°、37.5°、42.5°、45°、47.5°、50°、55°、57.5°、62.5°、70°、72.5°、75°、80°、82.5°、90°和光子个数分别为4、1、2、1、3、0、1、2、1、3、2、2、1、3、2、4、2、0、3、1、3、2、2、1、4的偏振脉冲光；第八个序列包含偏振方向分别为0°、2.5°、5°、12.5°、15°、17.5°、20°、22.5°、25°、32.5°、35°、37.5°、40°、50°、52.5°、55°、57.5°、60°、67.5°、80°、87.5°、90°、92.5°、95°、97.5°和光子个数分别为3、0、2、1、2、4、1、2、2、3、2、1、4、0、2、1、2、4、3、2、1、2、2、1、3的偏振脉冲光；第九个序列包含偏振方向分别为0°、10°、12.5°、15°、20°、22.5°、25°、27.5°、30°、37.5°、40°、42.5°、52.5°、55°、72.5°、75°、87.5°、92.5°、97.5°、100°、102.5°、105°、107.5°、110°、120°和光子个数分别为1、3、2、4、2、0、1、2、3、1、2、0、1、3、2、1、3、4、2、1、0、2、3、1、2的偏振脉冲光。
步骤3：接收端随机选择任意测量偏振片角度为45°、7.5°、15°、90°、22.5°、72.5°、60°、30°、85°，对脉冲序列进行测量，并记录脉冲序列测量偏振角及与之对应的偏振脉冲通过偏振片的光子数；结果如下：
测量序列 1 2 3 4 5 6 7 8 9
测量角度 45° 7.5° 15° 90° 22.5° 72.5° 60° 30° 85°
测量结果 8 7 7 4 7 7 8 8 5
步骤4：接收端将上表中的测量序列偏振角度通过公共信道发送给发送方；
步骤5：发送方根据序列偏振角度和发射相应序列的混合态中偏振角及光子数，利用Nx＝N1 cos2(θ1-θx)+N2 cos2(θ2-θx)+……Nn cos2(θn-θx)计算出接收端理论上(未计衰减)及考虑衰减后应收到的光子数，结果如下：
Figure BDA0002916516930000161
步骤6：接收端随机选择测量序列中2、5、7序列的测量结果，并通过公共信道传送给发送方；
步骤7：发送方比较计算值与接收端的实际测量值，计算随机序列的衰减率。
序列 2 5 7
测量角度 7.5° 22.5° 60°
计算结果 32.48 36.22 37.67
测量结果 7 7 8
衰减率(％) 78.4％ 80.7％ 78.8％
与步骤1得出的衰减率80％进行比对，在误差±5％范围内一致。发送方用该衰减率计算剩余序列中接收端测量到的光子数；
步骤8：发送方根据本次测量衰减率误差小于5％，决定采用下述取整方案：
Figure BDA0002916516930000162
Figure BDA0002916516930000171
(续上表)
5.55-6.45 6.55-7.45 7.55-8.45 8.55-9.45 9.55-10.45 10.55-11.45
1 0 1 0 1 0
6 7 8 9 10 11
注：未包含在取值范围内的值，接收方通过公共信道告诉接收方舍弃。
并通过公共信道将上述取整方案告之接收端，双方对剩余序列结果按同一方案进行取整，得到双方共有密钥。
Figure BDA0002916516930000172
方案一的共有密钥：01110；方案二为：74785
以上所述，仅为本发明的部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种远距离高效光量子密钥传输方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：选择需要传输密钥的线路，并对整个光路进行监控；发送方发送不同数量及相同偏振方向的光子，并在接收端采用与发送方预先约定的偏振方向测量光子数量用以计算所述线路的衰减率和衰减率的误差范围；
步骤2：发送方准备多个激光发生器，使每一个激光分别通过可控开关，制备出含不同光子数的脉冲，脉冲间隔时间保持一致，然后分别通过不同角度的起偏器，之后将其一起耦合到通讯光纤中，制备随机混合态偏振光子脉冲信号；
步骤3：接收端随机选择任意测量偏振片角度θx，对脉冲序列进行测量，得到所述脉冲序列测量偏振角及与之对应的偏振脉冲通过偏振片的光子数；
步骤4：接收端将测量序列偏振角度θx通过公共信道发送给发送方；
步骤5：发送方根据序列偏振角度θx和发射相应序列的混合态中偏振角及光子数，计算接收端理论上应收到的光子数；
步骤6：接收端随机选择测量序列中部分序列的测量结果，并通过公共信道传送给发送方；
步骤7：发送方比对计算值与接收端的实际测量值，看随机序列的衰减率是否一致，并与标准衰减率进行比对，若在误差范围内一致，则用该衰减率计算剩余序列中接收端应测量到的光子数；若衰减率超过误差范围，放弃本次测量，然后重复上述步骤重新进行的密钥传输直至误差范围一致；
步骤8：发送方根据衰减率误差大小，决定采用事先约定的取整方案，并通过公共信道将取整方案告之接收端，双方对随机选择剩下的序列结果进行取整，得到双方共有密钥。
2.如权利要求1所述的一种远距离高效光量子密钥传输方法，其特征在于，在步骤2中所述偏振角度及光子数是任意随机，混合态偏振脉冲中包含偏振方向分别为θ1、θ2……θn和光子个数分别为N1、N2……Nn的偏振脉冲光，其中N1+N2+……+Nn≤2n，即混合态的光子总数小于等于组成混合态偏振方向数量的2倍。
3.如权利要求1所述的一种远距离高效光量子密钥传输方法，其特征在于，所述随机混合态偏振光子脉冲信号的制备方法包括：发送方准备多个激光发生器，使每一个激光分别通过可控开关，制备出含不同光子数的脉冲，脉冲之间的间隔时间保持一致，然后分别通过不同角度的起偏器，并同时耦合到通讯光纤中，制备出随机混合态偏振光子脉冲。
4.如权利要求1所述的一种远距离高效光量子密钥传输方法，其特征在于，不计衰减损耗，所述接收端理论上应收到的光子数的计算公式为：
Nx＝N1cos2(θ1-θx)+N2cos2(θ2-θx)+……Nncos2(θn-θx)。
5.一种用于权利要求1-4中任一项所述传输方法的远距离高效光量子密钥传输系统，其特征在于，包括：
发送端激光信号发生模块，用于制备出含不同光子数的脉冲，产生稳定的激光并用于制备混合态光子信号；
发送端起偏模块，用于产生不同方向的偏振光；
接收端计数探测模块，用于准确计数接收光信号中的光子数；
发送端比对模块，用于与线路中的标准衰减率进行比对，若在误差范围内一致，则用该衰减率计算剩余序列中接收端应测量到的光子数；若衰减率超过误差范围，则有可能存在窃听者拦截了部分光子，放弃本次测量重复上述步骤重新进行的密钥传输。
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113328798B (zh) * 2021-06-22 2023-04-28 四川轻化工大学 一种短距离光量子传输信道的信息安全性检测方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104702342A (zh) * 2015-02-10 2015-06-10 华南师范大学 一种多自由度混合纠缠w态光子的产生系统及方法
CN109995525A (zh) * 2019-03-26 2019-07-09 全球能源互联网研究院有限公司 用于量子密钥分配系统的信号传输方法、装置及系统
CN111130779A (zh) * 2019-12-31 2020-05-08 华南师范大学 一种实时跟踪补偿的oam纠缠调制密钥分发网络系统和方法

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100527665C (zh) * 2005-01-10 2009-08-12 中国科学院上海光学精密机械研究所 采用望远镜系统的空间量子密钥的多通道传输装置
CN101820343A (zh) * 2010-02-05 2010-09-01 北京邮电大学 一种量子通讯保密的方法及其系统
ITBO20120713A1 (it) * 2011-12-30 2013-07-01 Selex Sistemi Integrati Spa Metodo e sistema di stima del rumore di uno stato entangled a due fotoni
US10848303B2 (en) * 2015-03-09 2020-11-24 University Of Houston System Methods and apparatuses for authentication in quantum key distribution and/or quantum data communication
EP3329359B1 (en) * 2015-07-29 2020-09-09 Triad National Security, LLC Quantum random number generators
CN108199768B (zh) * 2017-12-29 2023-02-28 广东国腾量子科技有限公司 一种基于w态的测量设备无关量子密钥分发系统及方法
CN110601840A (zh) * 2019-10-30 2019-12-20 西安邮电大学 基于奇相干光源和量子存储的轨道角动量密钥分配方法
CN111970755A (zh) * 2020-08-20 2020-11-20 维沃移动通信有限公司 通信方法及装置

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104702342A (zh) * 2015-02-10 2015-06-10 华南师范大学 一种多自由度混合纠缠w态光子的产生系统及方法
CN109995525A (zh) * 2019-03-26 2019-07-09 全球能源互联网研究院有限公司 用于量子密钥分配系统的信号传输方法、装置及系统
CN111130779A (zh) * 2019-12-31 2020-05-08 华南师范大学 一种实时跟踪补偿的oam纠缠调制密钥分发网络系统和方法

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