CN113328806A - 一种防护探测器时移攻击的偏振系统解码装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及防护探测器时移攻击的偏振系统解码装置及方法。解码装置可以包括分束单元、第一和第二偏振控制单元、偏振分束单元、探测器单元及控制单元。其中，分束单元用于对信号光进行分束。第一和第二偏振控制单元分别连接分束单元的两个输出端，用于对信号光提供偏振控制。偏振分束单元用于对经偏振控制的信号光进行分束。探测器单元中的光探测器用于对信号光进行探测。控制单元随机地改变相同光探测器在系统周期内所能探测的偏振态，从而避免不同光探测器差异造成偏振态探测效率不一致的问题。

Description

一种防护探测器时移攻击的偏振系统解码装置及方法

技术领域

本发明涉及量子通信领域，更具体地，涉及一种防护探测器时移攻击的偏振系统解码装置及方法。

背景技术

现在大多数的量子密码系统中的同步操作系统都是利用封闭的雪崩二极管，分辨1510nm和1550nm的信息信号和同步信号。单光子探测器只在探测窗口内很短的时间内光子敏感，但在探测窗口外的探测效率几乎为零。在使用BB84协议的量子密钥分发(QKD)系统中，Bob端使用单独的探测器探测比特0和1。但是由于探测器的物理特性差异和电子设备中的缺陷，两个探测器的探测效率不可能精确相同。而两个探测器效率的不匹配会对信息传输的安全性造成影响，如伪态攻击、时移攻击等。

为消除探测器效率不匹配的问题，现有技术中也提出了一些解决方案，例如图1所示。图1的右侧示出了现有技术中的一种量子密钥分发系统的解码结构。如图所示，该解码结构包括Mach-Zehnder干涉仪和两个光电探测器。干涉仪的一个臂上设置有两个相位调制器PM，其中一个相位调制器PM用于提供测量基矢选择(0或π/2的测量基矢)，另一个相位调制器PM则随机地提供诸如0或者π的相位调制，其反映了两个光电探测器的位值分配。在该方案中，通过随机切换两个光电探测器的比特生成使得每一个量子信号能完全消除探测效率不匹配的影响，从而使得两个探测器可得到一个平均的探测效率。

发明内容

针对现有技术中的上述问题，本发明的第一方面公开了一种防护探测器时移攻击的偏振系统解码装置，其可以包括分束单元、第一偏振控制单元、第二偏振控制单元、偏振分束单元、探测器单元及控制单元。

在该解码装置中，所述分束单元被设置成对信号光进行分束。所述第一和第二偏振控制单元分别与所述分束单元的两个输出端形成光学连接，用于对所述信号光提供偏振控制。所述偏振分束单元被设置成对经所述偏振控制单元作用的所述信号光进行分束。所述探测器单元包括一个或多个光探测器，其被设置用于对由所述偏振分束单元输出的所述信号光进行探测。所述控制单元被设置用于随机地改变相同的所述光探测器在系统周期内所能探测的偏振态。

进一步地，本发明的偏振系统解码装置还可以包括随机数发生器，所述随机数发生器被设置用于为所述控制单元提供随机信号。

进一步地，所述分束单元包括分束器，其具有输入端和两个输出端；所述第一偏振控制单元包括第一偏振控制器，其连接所述分束器的一个输出端；所述第二偏振控制单元包括第二偏振控制器，其连接所述分束器的另一个输出端；所述偏振分束单元包括第一偏振分束器和第二偏振分束器，其分别具有输入端和两个输出端；所述探测器单元包括第一光探测器、第二光探测器、第三光探测器和第四光探测器；所述第一偏振分束器在输入端接收经所述第一偏振控制单元作用的所述信号光，且所述两个输出端分别连接所述第一和第二光探测器；所述第二偏振分束器在输入端接收经所述第二偏振控制单元作用的所述信号光，且所述两个输出端分别连接所述第三和第四光探测器。

进一步地，本发明的偏振系统解码装置还可以包括第一1*2的光开关和第二1*2的光开关，所述1*2的光开关包括第一端口、第二端口和第三端口；其中，在第一开关状态下，所述第一端口与所述第三端口连通，在第二开关状态下，所述第二端口与所述第三端口连通；其中，所述分束单元包括分束器，其具有输入端和两个输出端；所述第一偏振控制单元包括第一偏振控制器，其连接所述分束器的一个输出端；所述第二偏振控制单元包括第二偏振控制器，其连接所述分束器的另一个输出端；所述偏振分束单元包括第一偏振分束器和第二偏振分束器，其分别具有输入端和两个输出端；所述探测器单元包括第一光探测器和第二光探测器；所述第一1*2的光开关的第一和第二端口分别连接所述第一偏振分束器的两个输出端，所述第三端口连接所述第一探测器；所述第二1*2的光开关的第一和第二端口分别连接所述第二偏振分束器的两个输出端，所述第三端口连接所述第二探测器；所述控制单元随机地控制所述1*2的光开关工作在所述第一或第二开关状态下。

进一步地，本发明的偏振系统解码装置还可以包括第一1*2的光开关和第二1*2的光开关，所述光开关包括第一端口、第二端口和第三端口；其中，在第一开关状态下，所述第一端口与所述第三端口连通，在第二开关状态下，所述第二端口与所述第三端口连通；其中，所述分束单元包括分束器，其具有输入端和两个输出端；所述第一偏振控制单元包括第一偏振控制器，其连接所述分束器的一个输出端；所述第二偏振控制单元包括第二偏振控制器，其连接所述分束器的另一个输出端；所述偏振分束单元包括一个偏振分束器，其具有输入端和两个输出端；所述探测器单元包括一个光探测器；所述第一1*2的光开关的第一和第二端口分别连接所述第一偏振控制器和所述第二偏振控制器，所述第三端口连接所述偏振分束器的输入端；所述第二1*2的光开关的第一和第二端口分别连接所述偏振分束器的两个输出端，所述第三端口连接所述光探测器；所述控制单元随机地控制所述1*2的光开关工作在所述第一或第二开关状态下。

进一步地，本发明的偏振系统解码装置还可以包括2*2的光开关，所述光开关包括第一端口、第二端口、第三端口和第四端口；其中，在第一开关状态下，所述第一端口与所述第三端口连通且所述第二端口与所述第四端口连通；在第二开关状态下，所述第一端口与所述第四端口连通且所述第二端口与所述第三端口连通；所述光开关的第一端口和第二端口分别连接所述分束器的两个输出端，所述光开关的第三端口和第四端口分别连接所述第一偏振控制器和所述第二偏振控制器；所述控制单元被设置成随机地控制所述2*2的光开关工作在所述第一或第二开关状态下。

进一步地，所述控制单元可以随机地从第一电压和第二电压中选择所述第一偏振控制器的工作电压；并且/或者，随机地从第三电压和第四电压中选择所述第二偏振控制器的工作电压。其中，在所述第一电压下，所述第一偏振控制器为所述信号光提供对应于第一测量基矢的第一偏振控制量；在所述第二电压下，所述第一偏振控制器为所述信号光提供对应于所述第一测量基矢的第二偏振控制量，且相对于所述第一偏振控制量，在所述第二偏振控制量下，所述第一测量基矢下的两个偏振态发生互换；在所述第三电压下，所述第二偏振控制器为所述信号光提供对应于第二测量基矢的第三偏振控制量；在所述第四电压下，所述第二偏振控制器为所述信号光提供对应于所述第二测量基矢的第四偏振控制量，且相对于所述第三偏振控制量，在所述第四偏振控制量下，所述第二测量基矢下的两个偏振态发生互换。

更进一步地，所述控制单元还可以随机地从第五电压和第六电压中选择所述第一偏振控制器的工作电压；并且/或者，随机地从第七电压和第八电压中选择所述第二偏振控制器的工作电压。其中，在所述第五电压下，所述第一偏振控制器为所述信号光提供对应于所述第二测量基矢的第五偏振控制量；在所述第六电压下，所述第一偏振控制器为所述信号光提供对应于所述第二测量基矢的第六偏振控制量，且相对于所述第五偏振控制量，在所述第六偏振控制量下，所述第二测量基矢下的两个偏振态发生互换；在所述第七电压下，所述第二偏振控制器为所述信号光提供对应于所述第一测量基矢的第七偏振控制量；在所述第八电压下，所述第二偏振控制器为所述信号光提供对应于所述第一测量基矢的第八偏振控制量，且相对于所述第七偏振控制量，在所述第八偏振控制量下，所述第一测量基矢下的两个偏振态发生互换。

优选地，所述偏振控制单元包括电动偏振控制器；并且/或者，所述光探测器包括单光子探测器；并且/或者，所述第一测量基矢为线偏振基矢，所述第二测量基矢为圆偏振基矢。

本发明的另一方面涉及一种防护探测器时移攻击的偏振系统解码方法，其可以包括以下步骤，即：

步骤1：将信号光分成两路；

步骤2：分别对所述两路信号光进行偏振控制，以便为所述两路信号光提供第一测量基矢和第二测量基矢；

步骤3：对经偏振控制的所述信号光进行偏振分束；

步骤4：利用光探测器对经偏振分束的所述信号光进行探测，以实现偏振解码；

其中，通过随机改变对所述两路信号光的偏振控制量或者随机改变经偏振控制的所述信号光到达所述光探测器的路径，随机地改变相同的所述光探测器在系统周期内所能探测的偏振态。

优选地，通过随机控制1*2的光开关的开关状态来随机改变经偏振控制的所述信号光到达所述光探测器的路径。其中，所述1*2的光开关包括第一端口、第二端口和第三端口，且具有所述第一端口与所述第三端口连通的第一开关状态，以及所述第二端口与所述第三端口连通的第二开关状态。

优选地，所述随机改变经偏振控制的所述信号光到达所述光探测器的路径发生在所述步骤2与所述步骤3之间以及在所述步骤3与所述步骤4之间；或者，所述随机改变经偏振控制的所述信号光到达所述光探测器的路径发生在所述步骤3与所述步骤4之间。

优选地，通过随机改变偏振控制器的工作电压来随机改变对所述两路信号光的偏振控制量，以实现测量基矢的随机改变或者同一测量基矢下的偏振态的随机改变。

进一步地，本发明的偏振系统解码方法还可以包括在所述步骤1与所述步骤2之间通过控制2*2的光开关的开关状态改变所述两路信号光的路径的步骤。其中，2*2的光开关包括第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，具有所述第一端口与所述第三端口连通且所述第二端口与所述第四端口连通的第一开关状态，以及所述第一端口与所述第四端口连通且所述第二端口与所述第三端口连通的第二开关状态。

优选地，本发明的偏振系统解码方法可以基于上述偏振系统解码装置来实现。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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来获得其他的附图。

图1示出了现有技术中的用于防护探测器时移攻击的方案；

图2示出了本发明的防护探测器时移攻击的偏振系统解码装置的第一示例性实施例；

图3示出了本发明的防护探测器时移攻击的偏振系统解码装置的第二示例性实施例；

图4示出了本发明的防护探测器时移攻击的偏振系统解码装置的第三示例性实施例；

图5示出了本发明的防护探测器时移攻击的偏振系统解码装置的第四示例性实施例。

具体实施方式

在下文中，本发明的示例性实施例将参照附图来详细描述。下面的实施例以举例的方式提供，以便充分传达本发明的精神给本发明所属领域的技术人员。因此，本发明不限于本文公开的实施例。

本发明的防护探测器时移攻击的偏振系统解码装置可以包括分束单元、第一偏振控制单元、第二偏振控制单元、偏振分束单元、探测器单元及控制单元。

分束单元用于将偏振编码信号光(其例如来自于偏振系统编码装置)进行分束，其可以具有输入端和两个输出端。作为示例，分束单元可以为分束器(BS)的形式。

第一和第二偏振控制单元分别连接分束单元的两个输出端，用于对分束单元输出的信号光提供偏振控制。作为示例，偏振控制单元可以为偏振控制器(PC)的形式。优选地，偏振控制器可以为电动偏振控制器(EPC)。

偏振分束单元可以包括一个或多个偏振分束器(PBS)。在本发明中，偏振分束器具有输入端和两个输出端，其中，输入端接收经偏振控制单元作用的信号光，输出端与探测器单元形成光学连接。

探测器单元可以包括一个或多个光探测器，其用于对信号光进行探测，以获取信号光上承载的偏振态信息，从而实现偏振解码。作为示例，光探测器可以为单光子探测器。

控制单元用于随机地改变同一光探测器在系统周期内所能探测的偏振态。作为示例，由光探测器测量的偏振态可以包括(但不限于)P偏振态、N偏振态、R偏振态和L偏振态。

相应地，本发明的解码装置还可以包括随机数发生器，用于为控制单元提供随机信号。

借助本发明的控制单元，可以将探测器单元中的同一光探测器随机地用于探测对应不同测量基矢的偏振态和同一测量基矢下的不同偏振态；换言之，可以实现不同测量基矢测量探测器的随机互换和不同比特测量探测器的随机互换。由于这种随机切换的存在，在探测器单元具有多个光探测器的情况下，偏振编码中每个偏振态所经历的探测效率均为探测器单元中多个光探测器效率的平均値，从而避免了现有技术中由于不同光探测器之间效率差异引发的问题。甚至，借助该控制单元，可以减少用于偏振态测量的光探测器的数量，从而避免探测器效率差异问题。

下面将结合附图2-5描述本发明的示例性实施例，以期更好地理解本发明的工作原理。

图2示出了本发明的防护探测器时移攻击的偏振系统解码装置的第一示例性实施例。

在该示例中，偏振系统解码装置可以包括分束单元、第一偏振控制单元、第二偏振控制单元、偏振分束单元、探测器单元、控制单元及随机数发生器。

分束单元可以包括分束器，其具有输入端和两个输出端，用于对偏振编码信号光进行分束。

第一偏振控制单元可以包括第一偏振控制器EPCI，其连接分束器的一个输出端，以用于对信号光提供偏振控制。

第二偏振控制单元可以包括第二偏振控制器EPCII，其连接分束器的另一个输出端，以用于对信号光提供偏振控制。

偏振分束单元可以包括第一偏振分束器PBSI和第二偏振分束器PBSII，其分别具有输入端和两个输出端。

探测器单元可以包括第一光探测器D1、第二光探测器D2、第三光探测器D3和第四光探测器D4。

第一偏振分束器在输入端接收经第一偏振控制单元作用的信号光，且其两个输出端分别连接第一和第二光探测器；第二偏振分束器在输入端接收经第二偏振控制单元作用的信号光，且其两个输出端分别连接第三和第四光探测器。

在该示例中，控制单元根据随机数发生器提供的随机信号，随机地使第一偏振控制器工作在第一电压V1EPCI或第二电压V2EPCI上。

其中，第一电压V1EPCI和第二电压V2EPCI可以事先被标定，以使得：

在第一电压V1EPCI下，第一偏振控制器为信号光提供对应于第一测量基矢(例如线偏振基矢)的第一偏振控制量。例如，第一光探测器D1将探测第一测量基矢下的第一偏振态(例如P偏振态)，第二光探测器D2将探测第一测量基矢下的第二偏振态(例如N偏振态)。

在第二电压V2EPCI下，第一偏振控制器为信号光提供对应于第一测量基矢(例如线偏振基矢)的第二偏振控制量，且相对于第一偏振控制量，在第二偏振控制量下，第一测量基矢下的两个偏振态发生互换。例如，第一光探测器D1将探测第一测量基矢下的第二偏振态(例如N偏振态)，第二光探测器D2将探测第一测量基矢下的第一偏振态(例如P偏振态)。

控制单元还可以根据随机数发生器提供的随机信号，随机地使第二偏振控制器工作在第三电压V1EPCII或第四电压V2EPCII上。

其中，第三电压V1EPCII和第四电压V2EPCII可以事先被标定，以使得：

在第三电压V1EPCII下，第二偏振控制器为信号光提供对应于第二测量基矢(例如圆偏振基矢)的第三偏振控制量。例如，第三光探测器D3将探测第二测量基矢下的第一偏振态(例如R偏振态)，第四光探测器D4将探测第二测量基矢下的第二偏振态(例如L偏振态)；

在第四电压V2EPCII下，第二偏振控制器为信号光提供对应于第二测量基矢(例如圆偏振基矢)的第四偏振控制量，且相对于第三偏振控制量，在第四偏振控制量下，第二测量基矢下的两个偏振态发生互换。例如，第三光探测器D3将探测第二测量基矢下的第二偏振态(例如L偏振态)，第四光探测器D4将探测第二测量基矢下的第一偏振态(例如R偏振态)。

即，借助控制单元可以实现同一光探测器在不同系统周期内随机地被用于探测同一测量基矢的不同偏振态(例如第二测量基矢下的R和L偏振态，或者第一测量基矢下的P和N偏振态)，即，实现比特测量探测器的随机切换。

进一步地，控制单元还可以被设置用于提供测量基矢测量探测器的随机互换。

例如，控制单元可以根据随机数发生器提供的随机信号，随机地使第一偏振控制器工作在第五电压V3EPCI或第六电压V4EPCI上。

其中，第五电压V3EPCI和第六电压V4EPCI可以事先被标定，以使得：

在第五电压V3EPCI下，第一偏振控制器为信号光提供对应于第二测量基矢的第五偏振控制量。例如，第一光探测器D1将探测第二测量基矢下的第一偏振态(例如R偏振态)，第二光探测器D2将探测第二测量基矢下的第二偏振态(例如L偏振态)；

在第六电压V4EPCI下，第一偏振控制器为信号光提供对应于第二测量基矢的第六偏振控制量，且相对于第五偏振控制量，在第六偏振控制量下，第二测量基矢下的两个偏振态发生互换。例如，第一光探测器D1将探测第二测量基矢下的第二偏振态(例如L偏振态)，第二光探测器D2将探测第二测量基矢下的第一偏振态(例如R偏振态)。

控制单元还可以根据随机数发生器提供的随机信号，随机地使第二偏振控制器工作在第七电压V3EPCII或第八电压V4EPCII上。

其中，第七电压V3EPCII和第八电压V4EPCII可以事先被标定，以使得：

在第七电压V3EPCII下，第二偏振控制器为信号光提供对应于第一测量基矢的第七偏振控制量。例如，第三光探测器D3将探测第一测量基矢下的第一偏振态(例如P偏振态)，第四光探测器D4将探测第一测量基矢下的第二偏振态(例如N偏振态)；

在第八电压V4EPCII下，第二偏振控制器为信号光提供对应于第一测量基矢的第八偏振控制量，且相对于第七偏振控制量，在第八偏振控制量下，第一测量基矢下的两个偏振态发生互换。例如，第三光探测器D3将探测第一测量基矢下的第二偏振态(例如N偏振态)，第四光探测器D4将探测第一测量基矢下的第一偏振态(例如P偏振态)。

即，借助控制单元可以实现同一光探测器在不同系统周期内随机地被用于探测不同测量基矢下的偏振态(例如第二测量基矢下的R和L偏振态，或者第一测量基矢下的P和N偏振态)，即，实现比特测量探测器的随机切换。

由此可见，此时可以借助控制单元随机选择作用在偏振控制器上的工作电压(例如其选自第一、第二、第五和第六电压)，实现同一光探测器随机地被用于探测不同的偏振态，其中，同一光探测器所能测量的偏振态不但可以是对应同一测量基矢的，也可以是对应不同测量基矢的。

因此，在本发明中，可以借助控制单元随机选择偏振控制器上的工作电压，以使同一光探测器随机地用于探测不同测量基矢的偏振态和同一测量基矢的不同偏振态，即实现不同测量基矢测量探测器的随机互换和不同比特测量探测器的随机互换，从而避免多个光探测器之间效率差异在偏振解码过程中引发的问题。

图3示出了本发明的防护探测器时移攻击的偏振系统解码装置的第二示例性实施例，其与第一实施例的不同之处在于：偏振系统解码装置还可以包括2*2的光开关，其设置在分束单元与第一和第二偏振控制单元之间，以控制分束单元的两个输出端与两个偏振控制单元之间的光路连接。

出于简洁之目的，在此将省略与第一实施例相同的内容，仅详细说明两者的不同之处。

如图所示，2*2的光开关可以包括四个端口，即第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，以便提供两种开关状态，即：第一端口与第三端口连通且第二端口与第四端口连通的第一开关状态，以及第一端口与第四端口连通且第二端口与第三端口连通的第二开关状态。

控制单元可以根据随机数发生器提供的随机信号，随机地控制2*2的光开关工作在第一或第二开关状态下。

本领域技术人员容易理解，在该实施例中，可以在如第一实施例所述借助控制单元随机控制第一和第二偏振控制单元的工作电压(例如，在V1EPCI和V2EPCI中随机选择第一偏振控制器的工作电压，以及在V1EPCII和V2EPCII中随机选择第二偏振控制器的工作电压；或者，在V1EPCI、V2EPCI、V3EPCI和V4EPCI中随机选择第一偏振控制器的工作电压，以及在V1EPCII、V2EPCII、V3EPCII和V4EPCII中随机选择第二偏振控制器的工作电压)，以实现测量基矢测量探测器的随机切换和比特测量探测器的随机切换的基础上，进一步通过控制单元随机控制2*2光开关在第一和第二开关状态之间切换，随机地切换在一个系统周期内用于响应偏振态测量的探测器，即，可以实现响应探测器在探测器D1/D2与探测器D3/D4之间进行随机切换。

由此可见，相比图2的第一实施例，在图3的第二实施例中，通过设置2*2的光开关及对其开关状态的随机控制，可以进一步强化探测器在偏振态测量中的随机使用性，避免测量探测器之间差异造成的效率不一致的问题。

图4示出了本发明的防护探测器时移攻击的偏振系统解码装置的第三示例性实施例，其可以是对第一或第二实施例的进一步改进。因此，同样出于简洁之目的，在此将省略与第一和第二实施例相同的内容，仅详细说明它们的不同之处。

第三实施例与第一或第二实施例的不同之处在于：偏振系统解码装置还可以包括第一1*2的光开关OSW1和第二1*2的光开关OSW2，它们设置在偏振分束单元与探测器单元之间；并且，探测器单元可以仅包括两个光探测器，即，第一光探测器D1和第二光探测器D2。本领域技术人员容易理解，尽管图4所示结构是基于第二实施例的改进，但其不应以任何形式构成限制。

如图4所示，1*2的光开关可以包括三个端口，即第一端口、第二端口和第三端口，以便提供两种开关状态，即：第一端口与第三端口连通的第一开关状态；以及，第二端口与第三端口连通的第二开关状态。

第一光开关OSW1的第一和第二端口分别连接第一偏振分束器PBSI的两个输出端，第三端口连接第一探测器D1。

第二光开关OSW2的第一和第二端口分别连接第二偏振分束器PBSII的两个输出端，第三端口连接第二探测器D2。

控制单元可以根据随机数发生器提供的随机信号，随机地控制第一(第二)光开关工作在第一或第二开关状态下。

本领域技术人员容易理解，在该实施例中，可以在如第一实施例所述借助控制单元随机控制第一和第二偏振控制单元的工作电压(例如，在V1EPCI和V2EPCI中随机选择第一偏振控制器的工作电压，以及在V1EPCII和V2EPCII中随机选择第二偏振控制器的工作电压；或者，在V1EPCI、V2EPCI、V3EPCI和V4EPCI中随机选择第一偏振控制器的工作电压，以及在V1EPCII、V2EPCII、V3EPCII和V4EPCII中随机选择第二偏振控制器的工作电压)，以实现测量基矢测量探测器的随机切换和比特测量探测器的随机切换的基础上，进一步通过控制单元随机控制1*2的光开关在第一和第二开关状态之间切换，随机地切换探测器D1、D2在系统周期内响应的偏振态。

由此可见，相比第一或第二实施例，在图4的第三实施例中，通过设置两个1*2的光开关及对其开关状态的随机控制，可以进一步强化探测器在偏振态测量中的随机使用性，同时减少需要使用的探测器数量，从根本上减少探测器差异的影响，避免测量探测器之间差异造成的效率不一致的问题。

此外，由于借助1*2的光开关的开关状态的随机控制即已经可以实现同一探测器随机用于同一测量基矢下不同比特的测量，因此，在第三实施例中，控制单元对于第一和第二偏振控制器的工作电压的随机选择可以得到简化，即，仅需要通过随机选择工作电压实现第一和第二偏振控制器所提供的测量基矢的切换即可。作为示例，控制单元可以从两个工作电压(其包括V1EPCI和V2EPCI中的一个，以及V3EPCI和V4EPCI中的一个)中随机地选择用于第一偏振控制器；以及，从两个工作电压(其包括V1EPCII和V2EPCII中的一个，以及V3EPCII和V4EPCII中的一个)中随机地选择用于第二偏振控制器。

图5示出了本发明的防护探测器时移攻击的偏振系统解码装置的第四示例性实施例，其同样可以是对第一或第二实施例的进一步改进。因此，同样出于简洁之目的，在此将省略与第一和第二实施例相同的内容，仅详细说明它们的不同之处。

第四实施例与第一或第二实施例的不同之处在于：偏振系统解码装置还可以包括第一1*2的光开关OSW1和第二1*2的光开关OSW2，其中，第一1*2的光开关OSW1设置在偏振控制单元与偏振分束单元之间，第二1*2的光开关OSW2设置在偏振分束单元与探测器单元之间；并且，偏振分束单元可以包括一个偏振分束器，探测器单元可以包括一个光探测器D。

如图5所示，1*2的光开关可以包括三个端口，即第一端口、第二端口和第三端口，以便提供两种开关状态，即：第一端口与第三端口连通的第一开关状态；以及，第二端口与第三端口连通的第二开关状态。

第一光开关OSW1的第一和第二端口分别连接第一和第二偏振控制器，第三端口连接偏振分束器的输入端。

第二光开关OSW2的第一和第二端口分别连接偏振分束器的两个输出端，第三端口连接探测器D。

控制单元可以根据随机数发生器提供的随机信号，随机地控制第一(第二)光开关工作在第一或第二开关状态下。

本领域技术人员容易理解，在该实施例中，可以在如第一实施例所述借助控制单元随机控制第一和第二偏振控制单元的工作电压(例如，在V1EPCI和V2EPCI中随机选择第一偏振控制器的工作电压，以及在V1EPCII和V2EPCII中随机选择第二偏振控制器的工作电压；或者，在V1EPCI、V2EPCI、V3EPCI和V4EPCI中随机选择第一偏振控制器的工作电压，以及在V1EPCII、V2EPCII、V3EPCII和V4EPCII中随机选择第二偏振控制器的工作电压)，以实现测量基矢测量探测器的随机切换和比特测量探测器的随机切换的基础上，进一步通过控制单元随机控制1*2的光开关在第一和第二开关状态之间切换，随机地切换探测器D在系统周期内对应探测的偏振态。

由此可见，相比第一、第二和第三实施例，在图5的第四实施例中，通过设置两个1*2的光开关及对其开关状态的随机控制，可以进一步强化探测器在偏振态测量中的随机使用性，同时将需要使用的探测器数量减为一个，从根本上完全消除了探测器差异的影响。

此外，由于借助1*2的光开关的开关状态的随机控制即已经可以实现同一探测器随机用于不同测量基矢下不同比特的测量，因此，在第四实施例中，控制单元可以被设置成不对第一和第二偏振控制器的工作电压进行随机控制，从而简化控制过程。作为示例，控制单元可以控制使第一偏振控制器仅工作在某个电压(其可以为第一电压V1EPCI或第二电压V2EPCI)，第二偏振控制器仅工作在某个电压(其可以为第三电压V1EPCII或第四电压V2EPCII)上。

本发明还提供了一种防护探测器时移攻击的偏振系统解码方法，其可以包括以下步骤，即：

步骤1：将信号光分成两路。作为示例，可以借助分束器来实现对信号光的分束。

步骤2：分别对两路信号光进行偏振控制，以便为两路信号光提供第一测量基矢和第二测量基矢。作为示例，可以借助偏振控制器(例如电动偏振控制器)来对信号光进行偏振控制；第一测量基矢可以是线偏振基矢；第二测量基矢可以是圆偏振基矢。

步骤3：对经偏振控制的信号光进行偏振分束。作为示例，可以借助偏振分束器来对信号光进行偏振分束。

步骤4：利用光探测器对经偏振分束的信号光进行探测，以实现偏振解码。例如，根据与特定测量基矢下的偏振态对应光探测器是否产生响应确定信号光承载的偏振编码所对应的位值。

为了消除光探测器差异导致的缺陷，防护探测器时移攻击，在本发明的偏振系统解码方法中，通过随机改变对两路信号光的偏振控制量或者随机改变经偏振控制的信号光到达光探测器的路径，对相同光探测器在系统周期内所能探测的偏振态提供随机的变化。

基于前面针对本发明的解码装置的描述可知，作为示例，可以通过随机控制1*2的光开关的开关状态来随机改变经偏振控制的所述信号光到达所述光探测器的路径。

进一步地，可以同时在步骤2与步骤3之间以及在步骤3与步骤4之间进行信号光到达光探测器的路径的随机改变。或者，可以仅在步骤3与步骤4之间进行信号光到达光探测器的路径的随机改变。具体实现方式可以参见前面有关解码装置的描述。

进一步地，在本发明的解码方法中，还可以包括在步骤1与步骤2之间通过2*2的光开关改变两路信号光的路径的步骤，从而改善用于测量偏振态的光探测器的随机性。具体实现方式同样可以参见前面有关解码装置的描述。

在本发明的解码方法中，作为示例，两路信号光的偏振控制量的随机改变可以通过随机改变偏振控制器的工作电压的方式来实现。具体实现方式同样可以参见前面有关解码装置的描述，此处不再赘述。

本领域技术人员容易理解，本发明的解码方法可以在上述偏振系统解码装置中实现。

综上可见，在本发明提供的适用于偏振QKD系统的解决方案中，通过基于随机数发生器借助控制单元改变EPC电压或者光开关光路组合，可以有效避免探测效率不匹配的问题，防护探测器时移攻击(及利用探测效率不匹配现象的其他攻击)，同时还无需增加物理器件或者可以采用低成本的器件实现，有利于工业化推广。

尽管前面结合附图通过具体实施例对本发明进行了说明，但是，本领域技术人员容易认识到，上述实施例仅仅是示例性的，用于说明本发明的原理，其并不会对本发明的范围造成限制，本领域技术人员可以对上述实施例进行各种组合、修改和等同替换，而不脱离本发明的精神和范围。

Claims (15)

1.一种防护探测器时移攻击的偏振系统解码装置，其包括分束单元、第一偏振控制单元、第二偏振控制单元、偏振分束单元、探测器单元及控制单元；其中，

所述分束单元被设置成对信号光进行分束；

所述第一和第二偏振控制单元分别与所述分束单元的两个输出端形成光学连接，用于对所述信号光提供偏振控制；

所述偏振分束单元被设置成对经所述偏振控制单元作用的所述信号光进行分束；

所述探测器单元包括一个或多个光探测器，其被设置用于对由所述偏振分束单元输出的所述信号光进行探测；

所述控制单元被设置用于随机地改变相同的所述光探测器在系统周期内所能探测的偏振态。

2.如权利要求1所述的偏振系统解码装置，其还包括随机数发生器，所述随机数发生器被设置用于为所述控制单元提供随机信号。

3.如权利要求1所述的偏振系统解码装置，其中，

所述分束单元包括分束器，其具有输入端和两个输出端；

所述第一偏振控制单元包括第一偏振控制器，其连接所述分束器的一个输出端；

所述第二偏振控制单元包括第二偏振控制器，其连接所述分束器的另一个输出端；

所述偏振分束单元包括第一偏振分束器和第二偏振分束器，其分别具有输入端和两个输出端；

所述探测器单元包括第一光探测器、第二光探测器、第三光探测器和第四光探测器；

所述第一偏振分束器在输入端接收经所述第一偏振控制单元作用的所述信号光，且所述两个输出端分别连接所述第一和第二光探测器；

所述第二偏振分束器在输入端接收经所述第二偏振控制单元作用的所述信号光，且所述两个输出端分别连接所述第三和第四光探测器。

4.如权利要求1所述的偏振系统解码装置，其还包括第一1*2的光开关和第二1*2的光开关，所述1*2的光开关包括第一端口、第二端口和第三端口；其中，在第一开关状态下，所述第一端口与所述第三端口连通，在第二开关状态下，所述第二端口与所述第三端口连通；其中，

所述分束单元包括分束器，其具有输入端和两个输出端；

所述第一偏振控制单元包括第一偏振控制器，其连接所述分束器的一个输出端；

所述第二偏振控制单元包括第二偏振控制器，其连接所述分束器的另一个输出端；

所述偏振分束单元包括第一偏振分束器和第二偏振分束器，其分别具有输入端和两个输出端；

所述探测器单元包括第一光探测器和第二光探测器；

所述第一1*2的光开关的第一和第二端口分别连接所述第一偏振分束器的两个输出端，所述第三端口连接所述第一探测器；

所述第二1*2的光开关的第一和第二端口分别连接所述第二偏振分束器的两个输出端，所述第三端口连接所述第二探测器；

所述控制单元随机地控制所述1*2的光开关工作在所述第一或第二开关状态下。

5.如权利要求1所述的偏振系统解码装置，其还包括第一1*2的光开关和第二1*2的光开关，所述光开关包括第一端口、第二端口和第三端口；其中，在第一开关状态下，所述第一端口与所述第三端口连通，在第二开关状态下，所述第二端口与所述第三端口连通；其中，

所述分束单元包括分束器，其具有输入端和两个输出端；

所述第一偏振控制单元包括第一偏振控制器，其连接所述分束器的一个输出端；

所述第二偏振控制单元包括第二偏振控制器，其连接所述分束器的另一个输出端；

所述偏振分束单元包括一个偏振分束器，其具有输入端和两个输出端；

所述探测器单元包括一个光探测器；

所述第一1*2的光开关的第一和第二端口分别连接所述第一偏振控制器和所述第二偏振控制器，所述第三端口连接所述偏振分束器的输入端；

所述第二1*2的光开关的第一和第二端口分别连接所述偏振分束器的两个输出端，所述第三端口连接所述光探测器；

所述控制单元随机地控制所述1*2的光开关工作在所述第一或第二开关状态下。

6.如权利要求3-5中任一项所述的偏振系统解码装置，其还包括2*2的光开关，所述光开关包括第一端口、第二端口、第三端口和第四端口；其中，在第一开关状态下，所述第一端口与所述第三端口连通且所述第二端口与所述第四端口连通；在第二开关状态下，所述第一端口与所述第四端口连通且所述第二端口与所述第三端口连通；

所述光开关的第一端口和第二端口分别连接所述分束器的两个输出端，所述光开关的第三端口和第四端口分别连接所述第一偏振控制器和所述第二偏振控制器；

所述控制单元被设置成随机地控制所述2*2的光开关工作在所述第一或第二开关状态下。

7.如权利要求3-6中任一项所述的偏振系统解码装置，其中，所述控制单元随机地从第一电压和第二电压中选择所述第一偏振控制器的工作电压；并且/或者，随机地从第三电压和第四电压中选择所述第二偏振控制器的工作电压；

在所述第一电压下，所述第一偏振控制器为所述信号光提供对应于第一测量基矢的第一偏振控制量；

在所述第二电压下，所述第一偏振控制器为所述信号光提供对应于所述第一测量基矢的第二偏振控制量，且相对于所述第一偏振控制量，在所述第二偏振控制量下，所述第一测量基矢下的两个偏振态发生互换；

在所述第三电压下，所述第二偏振控制器为所述信号光提供对应于第二测量基矢的第三偏振控制量；

在所述第四电压下，所述第二偏振控制器为所述信号光提供对应于所述第二测量基矢的第四偏振控制量，且相对于所述第三偏振控制量，在所述第四偏振控制量下，所述第二测量基矢下的两个偏振态发生互换。

8.如权利要求7所述的偏振系统解码装置，其中，所述控制单元还随机地从第五电压和第六电压中选择所述第一偏振控制器的工作电压；并且/或者，随机地从第七电压和第八电压中选择所述第二偏振控制器的工作电压；

在所述第五电压下，所述第一偏振控制器为所述信号光提供对应于所述第二测量基矢的第五偏振控制量；

在所述第六电压下，所述第一偏振控制器为所述信号光提供对应于所述第二测量基矢的第六偏振控制量，且相对于所述第五偏振控制量，在所述第六偏振控制量下，所述第二测量基矢下的两个偏振态发生互换；

在所述第七电压下，所述第二偏振控制器为所述信号光提供对应于所述第一测量基矢的第七偏振控制量；

在所述第八电压下，所述第二偏振控制器为所述信号光提供对应于所述第一测量基矢的第八偏振控制量，且相对于所述第七偏振控制量，在所述第八偏振控制量下，所述第一测量基矢下的两个偏振态发生互换。

9.如权利要求8所述的偏振系统解码装置，所述偏振控制单元包括电动偏振控制器；并且/或者，所述光探测器包括单光子探测器；并且/或者，所述第一测量基矢为线偏振基矢，所述第二测量基矢为圆偏振基矢。

10.一种防护探测器时移攻击的偏振系统解码方法，其包括，

步骤1：将信号光分成两路；

步骤2：分别对所述两路信号光进行偏振控制，以便为所述两路信号光提供第一测量基矢和第二测量基矢；

步骤3：对经偏振控制的所述信号光进行偏振分束；

步骤4：利用光探测器对经偏振分束的所述信号光进行探测，以实现偏振解码；

其中，通过随机改变对所述两路信号光的偏振控制量或者随机改变经偏振控制的所述信号光到达所述光探测器的路径，随机地改变相同的所述光探测器在系统周期内所能探测的偏振态。

11.如权利要求10所述的偏振系统解码方法，其中，通过随机控制1*2的光开关的开关状态来随机改变经偏振控制的所述信号光到达所述光探测器的路径；

所述1*2的光开关包括第一端口、第二端口和第三端口，且具有所述第一端口与所述第三端口连通的第一开关状态，以及所述第二端口与所述第三端口连通的第二开关状态。

12.如权利要求11所述的偏振系统解码方法，其中，所述随机改变经偏振控制的所述信号光到达所述光探测器的路径发生在所述步骤2与所述步骤3之间以及在所述步骤3与所述步骤4之间；或者，所述随机改变经偏振控制的所述信号光到达所述光探测器的路径发生在所述步骤3与所述步骤4之间。

13.如权利要求10所述的偏振系统解码方法，其中，通过随机改变偏振控制器的工作电压来随机改变对所述两路信号光的偏振控制量，以实现测量基矢的随机改变或者同一测量基矢下的偏振态的随机改变。

14.如权利要求10-13中任一项所述的偏振系统解码方法，其还包括在所述步骤1与所述步骤2之间通过控制2*2的光开关的开关状态改变所述两路信号光的路径的步骤；

所述光开关包括第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，具有所述第一端口与所述第三端口连通且所述第二端口与所述第四端口连通的第一开关状态，以及所述第一端口与所述第四端口连通且所述第二端口与所述第三端口连通的第二开关状态。

15.如权利要求10-14中任一项所述的偏振系统解码方法，其基于权利要求1-9中任一项的偏振系统解码装置来实现。

Images