CN113472522A - 接收设备、校验设备、qkd系统及量子通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明技术方案公开了一种接收设备、校验设备、QKD系统及量子通信方法，通过设置在QKD系统的接收设备中的控制器，可以配置所述QKD系统的接收设备中检测光路的开关时间，基于所述开关时间下所述检测光路对相位量子态的检测结果以及时间量子态的检测结果，判断是否存在所述QKD系统的发送设备之外的其他设备对所述接收设备发送光信号，基于判断结果执行防护措施。

Description

接收设备、校验设备、QKD系统及量子通信方法

技术领域

本发明涉及量子保密通信技术领域，更具体的说，涉及一种接收设备、校验设备、QKD(QuantumKey Distribution，量子密钥分发)系统及量子通信方法。

背景技术

QKD技术具有理论上无条件的安全性而广受关注。然而理论安全性与实际设备的现实安全性不能完全等价。设备中使用的真实物理器件往往并不完美，其物理特性通常会不同程度的偏离理论描述，为QKD设备带来潜在的安全隐患。

QKD系统一般具有发送设备和接收设备，发送设备向接收发送随机发送具有时间量子态或相位量子态的光信号，接收设备对入射光信号随机进行时间量子态和相位量子态检测，基于检测结果进行译码。

通过QKD系统外部的其他设备向其接收设备发送相应光信号，有可能操接收设备的工作状态，进而窃取与量子密钥相关信息。因此，如何检测量子通信过程中是否存其他设备向QKD系统的接收设备发送光信号是量子通信过程中一个亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本申请提供了一种接收设备、校验设备、QKD系统及量子通信方法，方案如下：

一种QKD系统的接收设备，包括：

检测光路，所述检测光路用于随机选择检测入射光信号的相位量子态或是时间量子态；

控制器，所述控制器用于配置所述检测光路的开关时间，基于所述开关时间下相位量子态的检测结果以及时间量子态的检测结果，判断是否存在所述QKD系统的发送设备之外的其他设备对所述接收设备发送光信号，基于判断结果执行防护措施。

优选的，在上述接收设备中，所述检测光路包括：

相位量子态检测支路，所述相位量子态检测支路具有用于检测相位量子态的探测器；

时间量子态检测支路，所述时间量子态检测支路具有用于检测时间量子态的探测器；

分束器，所述分束器用于将入射光信号分为两路，一路入射所述相位量子态检测支路，另一路入射所述时间量子态检测支路；

其中，各个探测器均与所述控制器连接。

优选的，在上述接收设备中，所述相位量子态检测支路具有不等臂干涉仪；

所述分束器出射的一路光信号入射所述不等臂干涉仪，所述不等臂干涉仪出射光信号入射用于检测相位量子态的探测器；

所述分束器出射的另一路光信号入射用于检测时间量子态的探测器。

优选的，在上述接收设备中，所述控制器配置所述开关时间的方法包括：

在第一时刻，设置用于检测相位量子态的探测器无门控信号，使得用于检测相位量子态的探测器在所述第一时刻关闭，在第二时刻，设置用于检测相位量子态的探测器具有门控信号，使得用于检测相位量子态的探测器在所述第二时刻开启；

其中，所述第一时刻在所述第二时刻之前，所述第二时刻与所述第一时刻的时间间隔等于所述发送设备发送相邻两个量子态的时间间隔。

优选的，在上述接收设备中，所述控制器判断是否存在其他设备对所述接收设备发送光信号的方法包括：

如果所有探测器在所述第二时刻同时响应，则确认存在其他设备对所述接收设备发送光信号。

优选的，在上述接收设备中，所述控制器执行所述防护措施的方法包括：

如果不存在其他设备对所述接收设备发送光信号，基于在所述第二时刻响应的探测器的检测结果进行译码；

如果存在其他设备对所述接收设备发送光信号，舍弃所有探测器在所述第二时刻的检测结果，进行报警提示，或，随机选择所有探测器中的一个在所述第二时刻的检测结果进行译码。

优选的，在上述接收设备中，所述控制器配置所述开关时间的方法包括：

在第一时刻和第二时刻，设置用于检测相位量子态的探测器均有门控信号，使得用于检测相位量子态的探测器在所述第一时刻和所述第二时刻均开启；

其中，所述第一时刻在所述第二时刻之前，所述第二时刻与所述第一时刻的时间间隔等于所述发送设备发送相邻两个量子态的时间间隔。

优选的，在上述接收设备中，所述控制器判断是否存在其他设备对所述接收设备发送光信号的方法包括：

用于检测时间量子态的探测器在所述第一时刻检测到时间量子态时，如果用于检测相位量子态的探测器在所述第一时刻均无响应，则确认不存在其他设备对所述接收设备发送光信号，如果用于检测相位量子态的探测器中至少一者在所述第一时刻有响应，则确认存在其他设备对所述接收设备发送光信号。

优选的，在上述接收设备中，所述控制器执行所述防护措施的方法包括：

如果不存在其他设备对所述接收设备发送光信号，基于用于检测时间量子态的探测器在所述第一时刻的检测结果进行译码；

如果存在其他设备对所述接收设备发送光信号，舍弃所有探测器在所述第一时刻的检测结果，进行报警提示，或，随机选择所有探测器中的一个在所述第一时刻的检测结果进行译码。

本发明还提供了一种校验设备，所述校验设备用于上述任一项所述的接收设备，包括：

接收端，所述接收端用于获取QKD系统的发送设备向所述QKD系统的接收设备发送的部分光信号，随机检测所获取的光信号的相位量子态或时间量子态；

发送端，所述发送端用于向所述接收设备发送光信号；

控制端，所述控制端用于获取所述接收端的检测结果，控制所述发送端向所述接收设备发送与所述接收端的检测结果相匹配的光信号。

本发明还提供了一种QKD系统，包括：

接收设备，所述接收设备为上述任一项所述的接收设备；

发送设备，所述发送设备用于随机向所述接收设备发送具有时间量子态或具有相位量子态的光信号。

优选的，在上述QKD系统中，还包括：

校验设备，所述校验设备用于获取所述发送设备向所述接收设备发送的部分光信号，随机检测所获取的光信号的相位量子态或时间量子态，向所述接收设备发送与检测结果相匹配的光信号。

本发明还提供了一种量子通信方法，用于QKD系统，包括：

为所述QKD系统的检测光路配置设定的开关时间；

基于所述开关时间，通过所述检测光路随机选择检测入射光信号的相位量子态或是时间量子态；

基于所述相位量子态的检测结果以及所述时间量子态的检测结果，判断是否存在所述QKD系统的发送设备之外的其他设备对所述接收设备发送光信号；

基于判断结果执行防护措施。

优选的，在上述量子通信方法中，所述检测光路包括：相位量子态检测支路，所述相位量子态检测支路具有用于检测相位量子态的探测器；时间量子态检测支路，所述时间量子态检测支路具有用于检测时间量子态的探测器；

配置所述开关时间的方法包括：

在第一时刻，设置用于检测相位量子态的探测器无门控信号，使得用于检测相位量子态的探测器在所述第一时刻关闭，在第二时刻，设置用于检测相位量子态的探测器具有门控信号，使得用于检测相位量子态的探测器在所述第二时刻开启；

其中，所述第一时刻在所述第二时刻之前，所述第二时刻与所述第一时刻的时间间隔等于所述发送设备发送相邻两个量子态的时间间隔。

优选的，在上述量子通信方法中，判断是否存在其他设备对所述接收设备发送光信号的方法包括：

如果各个探测器在所述第二时刻同时响应，则确认存在其他设备对所述接收设备发送光信号。

优选的，在上述量子通信方法中，执行所述防护措施的方法包括：

如果不存在其他设备对所述接收设备发送光信号，基于在所述第二时刻响应的探测器的检测结果进行译码；

如果存在其他设备对所述接收设备发送光信号，舍弃所有探测器在所述第二时刻的检测结果，进行报警提示，或，随机选择所有探测器中的一个在所述第二时刻的检测结果进行译码。

优选的，在上述量子通信方法中，所述检测光路包括：相位量子态检测支路，所述相位量子态检测支路具有用于检测相位量子态的探测器；时间量子态检测支路，所述时间量子态检测支路具有用于时间量子态的探测器；

配置所述开关时间的方法包括：

在第一时刻和第二时刻，设置用于检测相位量子态的探测器均有门控信号，使得用于检测相位量子态的探测器在所述第一时刻和所述第二时刻均开启；

其中，所述第一时刻在所述第二时刻之前，所述第二时刻与所述第一时刻的时间间隔等于所述发送设备发送相邻两个量子态的时间间隔。

优选的，在上述量子通信方法中，判断是否存在其他设备对所述接收设备发送光信号的方法包括：

用于检测时间量子态的探测器在所述第一时刻检测到时间量子态时，如果用于检测相位量子态的探测器在所述第一时刻均无响应，则确认不存在其他设备对所述接收设备发送光信号，如果用于检测相位量子态的探测器中至少一者在所述第一时刻有响应，则确认存在其他设备对所述接收设备发送光信号。

优选的，在上述量子通信方法中，执行所述防护措施的方法包括：

如果不存在其他设备对所述接收设备发送光信号，基于用于检测时间量子态的探测器在所述第一时刻的检测结果进行译码；

如果存在其他设备对所述接收设备发送光信号，舍弃所有探测器在所述第一时刻的检测结果，进行报警提示，或，随机选择所有探测器中的一个在所述第一时刻的检测结果进行译码。

通过上述描述可知，本发明技术方案提供的接收设备、校验设备、QKD系统及量子通信方法中，通过设置在QKD系统的接收设备中的控制器，可以配置所述QKD系统的接收设备中检测光路的开关时间，基于所述开关时间下所述检测光路对相位量子态的检测结果以及时间量子态的检测结果，判断是否存在所述QKD系统的发送设备之外的其他设备对所述接收设备发送光信号，基于判断结果执行防护措施。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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申请的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为一种常规QKD系统的结构示意图；

图2为一种时间相位编码的QKD系统进行量子通信的原理图；

图3为一种QKD系统的解码原理示意图；

图4为本发明实施例提供的一种QKD系统接收设备的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种检测光路的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种校验设备的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的一种QKD系统的结构示意；

图8为本发明实施例提供的另一种QKD系统的结构示意；

图9为本发发明实施例提供的一种量子通信方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。

利用光子的时间信息构建量子比特是QKD常用方案，在时间相位编码和高维QKD编码中应用广泛。时间相位编码的QKD系统可以如图1所示，图1为一种常规QKD系统的结构示意图。

图1所示QKD系统中，发送端A通过激光器Laser发射光脉冲，通过一滤波器入射不等臂干涉仪AMZ1。不等臂干涉仪AMZ1包括一个分束器和两个法拉第反射镜FM，还具有用于调节相位的压电陶瓷Piezo。不等臂干涉仪AMZ1将一个光脉冲分成两个关联的脉冲对

其中，|t₀>表示经过不等臂干涉仪AMZ1短臂的脉冲分量(传输时间短)，|t₁>表示经过不等臂干涉仪AMZ1长臂的脉冲分量(传输时间长)。通过强度调制器IM调制这两个脉冲分量的幅度以制备时间量子态后，光信号依次通过色散补偿光线DCF、衰减器VA出射。出射光信号通过超低损耗光线ULL Fiber入射接收设备。

接收设备B通过分束器BS进行基矢选择，对于Z基矢，直接使用单光D11探测器测量光子的到达时间，基于到达时间可以区分时间量子态。具体的，分束器BS将入射光信号分为两路，一路入射时间态检测支路，通过探测器D11检测时间量子态，另一路入射相位态检测支路，通过不等臂干涉仪AMZ2后，入射探测器D12检测相位量子态。不等臂干涉仪AMZ2包括两个法拉第反射镜FM。单光子入射，由于单光子不可分割，分束器BS使得单光子随机入射到时间态检测支路或相位态检测支路。

相位编码的QKD系统量子通信原理如图2所示。需要说明的是，高维QKD编码QKD系统量子通信原理可以如图2所示方式类似拓展，不再赘述。

参考图2，图2为一种时间相位编码的QKD系统进行量子通信的原理图，发送设备随机选择，发送具有时间信息的时间量子态|t₀>和|t₁>(|t₀>和|t₁>构成Z基矢)或者具有相位信息的量子态

(构成X基矢)。接收设备随机选择时间基矢或相位基矢进行测量。

如果选择时间基矢Z，根据测量光子的到达时间代表不同的比特，如图2所示，第一时刻τ₀测量到光子代表比特0(表示Z基矢为Z0)，第二时刻τ₁测量到光子代表比特1(表示Z基矢为Z1)。以相位量子态检测支路中用于不等臂干涉仪的两探测器为例，设定该两探测器分别为第一探测器和第二探测器，如果选择相位基矢X，根据特定时刻响应的探测器不同的比特，如图2所示，第二时刻τ₁第二探测器响应代表比特0(表示X基矢为X0)，第二时刻τ₁第一探测器响应代表比特1(表示X基矢为X1)。基于量子通信规则，当选择相位X基矢进行测量时，通常只保留第二时刻τ₁的探测结果，而第一时刻τ₀和第三时刻τ₂的探测结果作为无效结果舍弃。

在被动解码时间相位的QKD系统中，解码原理如图3所示，图3为一种QKD系统的解码原理示意图，首先，通过分束器BS将入射光信号分为两路，一路通过第三探测器Dt进行时间基矢Z测量，另一路进入不等臂干涉仪AMZ，通过第一探测器D1和第二探测器D0进行相位基矢X测量。

对于时间基矢Z，通过达到时间区分探测结果，第三探测器Dt在第一时刻τ₀响应代表比特0，在第二时刻τ₁响应代表比特1。对于相位基矢X，只保留第二时刻τ₁的探测结果，而第一时刻τ₀和第三时刻τ₂的探测结果作为无效结果舍弃。根据特定时刻响应的探测器来区分不同的比特，在第二时刻τ₁，如果第二探测器D0响应代表比特0，如果第一探测器D1响应代表比特1。

QKD系统中实际使用的探测器通常具有死时间特征，即探测器探测到一个脉冲后，在一段时间(死时间)内不能再探测其他脉冲，经过这段时间后才能探测下一个脉冲。

由于探测器存在死时间，接收设备的上述解码探测方案存在安全漏洞，容易受到发送设备之外的其他设备发送光信号的影响，从而导致密钥信息被窃取以及量子通信译码错误。

例如一其他设备首先截取发送设备发射的量子信号，并通过与接收设备完全相同的设备随机选择测量基矢进行测量。

如果该其他设备测量时间量子态Z0，向接收设备发送包含时间量子态Z0的光信号(如非单光子的强光信号)。如接收设备选择时间基矢Z测量，第三探测器Dt响应，测量结果为时间量子态Z0，与该其他设备的测量结果相同，如果接收设备选择相位基矢X进行测量，第二探测器D0和第一探测器D1在第一时刻τ₀响应，同时进入死时间，第二时刻τ₁不再输出探测信号。对于相位基矢X，接收设备舍弃第一时刻τ₀和第三时刻τ₂探测结果，该其他设备完全能够控制接收设备的测量结果与其相同，且不产生错误，故该其他设备能够窃取此时的密钥信息而不被发现。该过程中，使用分束器BS进行基矢选择，如果使用其他基矢选择方式，比如光开关，那么只有光开关连通的探测器能够响应，也就是说如果选择Z基矢，那么第三探测器Dt响应，结果为Z0态，如果选择X基矢，那么第二探测器D0和第一探测器D1均响应，结果根据设定运行程序确定，不限定固定方式，如可以随机选择第二探测器D0或第一探测器D1作为有效结果。

如果该其他设备的测量结果为时间量子态Z1、相位量子态X0或X1，同上向接收设备发送包括对应量子态的光信号，基于量子通信原理可知，会造成25％的错误率。

总体而言，该其他设备的窃听造成

的错误率，该错误率低于通常的截取重发攻击25％的错误率，不易被识别，将对QKD系统的安全性造成威胁。而且，该其他设备可以选择只是截取发送设备的光信号，从而降低错误率，减少窃听被发现的风险，如该其他设备只窃听50％的光信号，那么引入错误率低于10％，低于BB84协议11％的安全错误率极限，能够隐藏窃听行为，此时该其他设备通过窃听，掌握了原始码中1/8的密钥信息，严重破坏了QKD生成密钥的安全性。

为了解决上述问题，本发明实施例提供了一种QKD系统的接收设备，该接收设备如图4所示，图4为本发明实施例提供的一种QKD系统接收设备的结构示意图，所述接收设备包括：检测光路11，所述检测光路11用于随机选择检测入射光信号的相位量子态或是时间量子态；控制器12，所述控制器12用于配置所述检测光路11的开关时间，基于所述开关时间下相位量子态的检测结果以及时间量子态的检测结果，判断是否存在所述QKD系统的发送设备之外的其他设备对所述接收设备发送光信号，基于判断结果执行防护措施。

参考图5，图5为本发明实施例提供的一种检测光路的结构示意图，图5所示方式中，所述检测光路11包括：相位量子态检测支路，所述相位量子态检测支路具有用于检测相位量子态的探测器；时间量子态检测支路，所述时间量子态检测支路具有用于检测时间量子态的探测器；分束器BS，所述分束器BS用于将入射光信号分为两路，一路入射所述相位量子态检测支路，另一路入射所述时间量子态检测支路；其中，各个探测器均与所述控制器12连接。

所述相位量子态检测支路具有不等臂干涉仪AMZ；所述分束器BS出射的一路光信号入射所述不等臂干涉仪AMZ，所述不等臂干涉仪AMZ出射光信号入射用于检测相位量子态的探测器；所述分束器BS出射的另一路光信号入射用于检测时间量子态的探测器。

图5所示方式中，相位态量子检测支路采用两个探测器分别对不等臂干涉仪AMZ输出的两路光信号进行测量，该两个探测器分别为第一探测器D1和第二探测器D0，时间态量子检测支路具有第三探测器Dt。其他方式中，相位态量子检测支路也可以如图1所示，通过延时设备，进而采用一个探测器分时测量不等臂干涉仪输出的两路光信号。

第一种方式中，所述控制器12配置所述开关时间的方法包括：在第一时刻τ₀，设置用于检测相位量子态的探测器无门控信号，使得用于检测相位量子态的探测器在所述第一时刻τ₀关闭，在第二时刻τ₁，设置用于检测相位量子态的探测器具有门控信号，使得用于检测相位量子态的探测器在所述第二时刻τ₁开启；其中，所述第一时刻τ₀在所述第二时刻τ₁之前，所述第二时刻τ₁与所述第一时刻的时间间隔等于所述发送设备发送相邻两个量子态的时间间隔。

该方式中，所述控制器12判断是否存在其他设备对所述接收设备发送光信号的方法包括：如果所有探测器在所述第二时刻同时响应，则确认存在其他设备对所述接收设备发送光信号。

该方式中，所述控制器12执行所述防护措施的方法包括：如果不存在其他设备对所述接收设备发送光信号，基于在所述第二时刻τ₁响应的探测器的检测结果进行译码；如果存在其他设备对所述接收设备发送光信号，舍弃所有探测器在所述第二时刻τ₁的检测结果，进行报警提示，或，随机选择所有探测器中的一个在所述第二时刻τ₁的检测结果进行译码。

该方式中，如采用图3或图5所示被动解码方式，将第一探测器D1和第二探测器D0设置为在第一时刻τ₀无门控信号，在第二时刻τ₁有门控信号，如果其他设备向接收设备发送包括时间量子态Z0的强光信号，第三探测器Dt在第一时刻τ₀响应，输出探测结果Z0，第一时刻τ₀有强光脉冲(经过不等臂干涉仪AMZ短臂传输)到达第二探测器D0，由于无门控信号，第二探测器D0不响应测量结果且不进入死时间。在第二时刻τ₁也有强光脉冲(经过不等臂干涉仪AMZ长臂传输)到达第二探测器D0，由于有门控信号，第二探测器D0响应输出测量结果并进入死时间。第一探测器D1的探测过程相同，不再赘述。其中，第一探测器D1和第二探测器D0通过干涉仪内部分束器分别连接其长臂和短臂，经过长臂和短臂传输的光脉冲到达探测器的时间位置不同，经过短臂的先到达探测器，经过长臂的后达到探测器的时间位置可以判断是经过长臂的光脉冲还是经过短臂的光脉冲。

如果检测光路11中三个探测器同时响应，如上述有两种防护措施：一是，舍弃所有探测器的测量结果，并进行报警提示，此时，测量获得比特数据不参与成码，不造成信息泄露，同时用户基于报警信息可以发现存在其他设备的窃听行为，可以进一步采用必要措施；二是，随机保留一个探测器的探测结果进行译码，此时，比特错误率为1/3，其他设备造成的总错误率约为11/48＝23％＞18.75％，与截取重发攻击25％错误率非常相近，大大提高用户发现窃听存在的可能性。

第二种方式中，所述控制器12配置所述开关时间的方法包括：在第一时刻τ₀和第二时刻τ₁，设置用于检测相位量子态的探测器均有门控信号，使得用于检测相位量子态的探测器在所述第一时刻τ₀和所述第二时刻τ₁均开启。

该方式中，所述控制器12判断是否存在其他设备对所述接收设备发送光信号的方法包括：用于检测时间量子态的探测器在所述第一时刻τ₀检测到时间量子态Z0时，如果用于检测相位量子态的探测器在所述第一时刻τ₀均无响应，则确认不存在其他设备对所述接收设备发送光信号，如果用于检测相位量子态的探测器中至少一者在所述第一时刻τ₀有响应，则确认存在其他设备对所述接收设备发送光信号。

该方式中，所述控制器12执行所述防护措施的方法包括：如果不存在其他设备对所述接收设备发送光信号，基于用于检测时间量子态的探测器在所述第一时刻τ₀的检测结果进行译码；如果存在其他设备对所述接收设备发送光信号，舍弃所有探测器在所述第一时刻τ₀的检测结果，进行报警提示，或，随机选择所有探测器中的一个在所述第一时刻τ₀的检测结果进行译码。

该方式中，如采用图3或图5所示被动解码方式，第一探测器D1和第二探测器D0在第一时刻τ₀和第二时刻τ₁均施加门控信号，且当第三探测器Dt探测到时间量子态Z0时，保留第一探测器D1和第二探测器D0在第一时刻τ₀的探测结果。当第三探测器Dt探测到时间量子态Z0时，如果第一探测器D1和第二探测器D0在第一时刻τ₀均无响应，说明不存在其他设备向接收设备发送光信号，攻击不存在，测量比特信息安全，可以参与正常成码，如果第一探测器D1和或第二探测器D0在第一时刻τ₀至少一个响应，说明存在其他设备向接收设备发送光信号，攻击存在，测量比特信息不安全，如上述有两种防护措施：一是，舍弃所有探测器的测量结果，并进行报警提示，此时，测量获得比特数据不参与成码，不造成信息泄露，同时用户基于报警信息可以发现存在其他设备的窃听行为，可以进一步采用必要措施；二是，随机保留一个探测器的探测结果进行译码，此时，比特错误率为1/3，其他设备造成的总错误率约为11/48＝23％＞18.75％，与截取重发攻击25％错误率非常相近，大大提高用户发现窃听存在的可能性。

上述两种方式对应的方案以其他设备发送包括时间量子态Z0的光信号为例进行说明，具体分析了针对时间量子态Z0的攻击和防护方案，可以有效保护时间量子态Z0，提高QKD系统通信的安全性。针对其他设备发送其他量子态的光信号可以基于上述原理拓展，本发明实施例对此不再赘述。

需要说明的是，本发明实施例中针对时间量子态不局限于BB84协议，其他采用时间量子态编码的QKD方案(如COW协议、DPS协议或RRDPS协议等)也可以基于本发明实施例方案构思实施其他设备向发送设备发送光信号的方案展示以及接收设备的安全防护。

基于上述实施例，本发明另一实施例还提了一种校验设备，如图6所示，图6为本发明实施例提供的一种校验设备的结构示意图，所述校验设备用于上述实施例所述的接收设备，所述校验设备包括：接收端21，所述接收端21用于获取QKD系统的发送设备向所述QKD系统的接收设备发送的部分光信号，随机检测所获取的光信号的相位量子态或时间量子态；发送端23，所述发送端23用于向所述QKD系统的接收设备发送光信号；控制端22，所述控制端22用于获取所述接收端的检测结果，控制所述发送端向所述接收设备发送与所述接收端的检测结果相匹配的光信号。

所示校验设备适配于上述实施例所述接收设备，可以用于展示接收设备在校验设备工作与不工作时两种模式下的对比参照，以展示所述接收设备的防窃听性能。

基于上述实施例，本发明另一实施例还提了一种QKD系统，如图7所示，图7为本发明实施例提供的一种QKD系统的结构示意，该QKD系统包括：接收设备，所述接收设备为上述实施例所述的接收设备；发送设备，所述发送设备用于随机向所述接收设备发送具有时间量子态或具有相位量子态的光信号。

图7所示QKD系统具有上述实施例所述发送设备，可以及时准确的发现是否存在发送设备之外的其他设备发送光信号，进而进行相应防护措施，提高量子通信的安全性。

如图8所示，图8为本发明实施例提供的另一种QKD系统的结构示意，基于图7所示方式，所述QKD系统还包括：校验设备33，所述校验设备33用于获取所述发送设备31向所述接收设备32发送的部分光信号，随机检测所获取的光信号的相位量子态或时间量子态，向所述接收设备32发送与检测结果相匹配的光信号。具体的，校验设备33通过分束器BS1获取发送设备31向接收设备32发送的一部分光信号，随机选择基矢检测所获取光信号后，产生包括测量获得量子态的光信号，通过分束器BS2耦合到接收设备32。

图8所示QKD系统中，所述校验设备33结构可以为上述实施例所述，可以通过在校验设备33工作与不工作时两种模式下的对比参照，以展示所述接收设备32的防窃听性能。

基于上述实施例，本发明另一实施例还提了一种量子通信方法，用于QKD系统，所述量子通信方法如图9所示，图9为本发发明实施例提供的一种量子通信方法的流程示意图，所述量子通信方法包括：

步骤S11：为所述QKD系统的检测光路配置设定的开关时间。

步骤S12：基于所述开关时间，通过所述检测光路随机选择检测入射光信号的相位量子态或是时间量子态。

步骤S13：基于所述相位量子态的检测结果以及所述时间量子态的检测结果，判断是否存在所述QKD系统的发送设备之外的其他设备对所述接收设备发送光信号。

步骤S14：基于判断结果执行防护措施。

所述量子通信系统结构具有发送设备和接收设备，接收设备具有检测光路，所述检测光路包括：相位量子态检测支路，所述相位量子态检测支路具有用于检测相位量子态的探测器；时间量子态检测支路，所述时间量子态检测支路具有用于检测时间量子态的探测器；所述量子系统的结果可以参考上述实施例，在此不再赘述。

第一种方式中，配置所述开关时间的方法包括：

在第一时刻，设置用于检测相位量子态的探测器无门控信号，使得用于检测相位量子态的探测器在所述第一时刻关闭，在第二时刻，设置用于检测相位量子态的探测器具有门控信号，使得用于检测相位量子态的探测器在所述第二时刻开启；

其中，所述第一时刻在所述第二时刻之前，所述第二时刻与所述第一时刻的，所述第二时刻与所述第一时刻的时间间隔等于所述发送设备发送相邻两个量子态的时间间隔。

该方式中，判断是否存在其他设备对所述接收设备发送光信号的方法包括：

如果各个探测器在所述第二时刻同时响应，则确认存在其他设备对所述接收设备发送光信号。

该方式中，执行所述防护措施的方法包括：

如果不存在其他设备对所述接收设备发送光信号，基于在所述第二时刻响应的探测器的检测结果进行译码；

如果存在其他设备对所述接收设备发送光信号，舍弃所有探测器在所述第二时刻的检测结果，进行报警提示，或，随机选择所有探测器中的一个在所述第二时刻的检测结果进行译码。

第二种方式中，配置所述开关时间的方法包括：

在第一时刻和第二时刻，设置用于检测相位量子态的探测器均有门控信号，使得用于检测相位量子态的探测器在所述第一时刻和所述第二时刻均开启；

其中，所述第一时刻在所述第二时刻之前，所述第二时刻与所述第一时刻的，所述第二时刻与所述第一时刻的时间间隔等于所述发送设备发送相邻两个量子态的时间间隔。

该方式中判断是否存在其他设备对所述接收设备发送光信号的方法包括：

用于检测时间量子态的探测器在所述第一时刻检测到时间量子态时，如果用于检测相位量子态的探测器在所述第一时刻均无响应，则确认不存在其他设备对所述接收设备发送光信号，如果用于检测相位量子态的探测器中至少一者在所述第一时刻有响应，则确认存在其他设备对所述接收设备发送光信号。

该方式中执行所述防护措施的方法包括：

如果不存在其他设备对所述接收设备发送光信号，基于用于检测时间量子态的探测器在所述第一时刻的检测结果进行译码；

如果存在其他设备对所述接收设备发送光信号，舍弃所有探测器在所述第一时刻的检测结果，进行报警提示，或，随机选择所有探测器中的一个在所述第一时刻的检测结果进行译码。

所述量子通信方法可以及时发现是否存在发送设备之外的其他设备向接收设备发送光信号，能够及时发现窃听行为，并进行相应防护措施，提高了量子通信的安全性。

需要说明的是，本发明实施例中，对发送设备结构不作具体限定，可以为已有任一种时间相位编码的发送设备结构，不局限于图1所示方式；对于接收设备结构，包括但不限于图1、图3和图5所示结构。在选择相位基矢测量时，接收设备中不等臂干涉仪可以通过延时设备采用一个探测器分别测量该不等臂干涉仪输出的两个光脉冲分量，或通过两个探测器分别测量该不等臂干涉仪输出的两个光脉冲分量。

本说明书中各个实施例采用递进、或并列、或递进和并列结合的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的校验设备、QKD系统及量子通信方法而言，由于其与实施例公开的接收设备相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见接收设备对应部分说明即可。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (19)

1.一种QKD系统的接收设备，其特征在于，包括：

检测光路，所述检测光路用于随机选择检测入射光信号的相位量子态或是时间量子态；

控制器，所述控制器用于配置所述检测光路的开关时间，基于所述开关时间下相位量子态的检测结果以及时间量子态的检测结果，判断是否存在所述QKD系统的发送设备之外的其他设备对所述接收设备发送光信号，基于判断结果执行防护措施。

2.根据权利要求1所述的接收设备，其特征在于，所述检测光路包括：

相位量子态检测支路，所述相位量子态检测支路具有用于检测相位量子态的探测器；

时间量子态检测支路，所述时间量子态检测支路具有用于检测时间量子态的探测器；

分束器，所述分束器用于将入射光信号分为两路，一路入射所述相位量子态检测支路，另一路入射所述时间量子态检测支路；

其中，各个探测器均与所述控制器连接。

3.根据权利要求2所述的接收设备，其特征在于，所述相位量子态检测支路具有不等臂干涉仪；

所述分束器出射的一路光信号入射所述不等臂干涉仪，所述不等臂干涉仪出射光信号入射用于检测相位量子态的探测器；

所述分束器出射的另一路光信号入射用于检测时间量子态的探测器。

4.根据权利要求2所述的接收设备，其特征在于，所述控制器配置所述开关时间的方法包括：

在第一时刻，设置用于检测相位量子态的探测器无门控信号，使得用于检测相位量子态的探测器在所述第一时刻关闭，在第二时刻，设置用于检测相位量子态的探测器具有门控信号，使得用于检测相位量子态的探测器在所述第二时刻开启；

其中，所述第一时刻在所述第二时刻之前，所述第二时刻与所述第一时刻的时间间隔等于所述发送设备发送相邻两个量子态的时间间隔。

5.根据权利要求4所述的接收设备，其特征在于，所述控制器判断是否存在其他设备对所述接收设备发送光信号的方法包括：

如果所有探测器在所述第二时刻同时响应，则确认存在其他设备对所述接收设备发送光信号。

6.根据权利要求5所述的接收设备，其特征在于，所述控制器执行所述防护措施的方法包括：

如果不存在其他设备对所述接收设备发送光信号，基于在所述第二时刻响应的探测器的检测结果进行译码；

如果存在其他设备对所述接收设备发送光信号，舍弃所有探测器在所述第二时刻的检测结果，进行报警提示，或，随机选择所有探测器中的一个在所述第二时刻的检测结果进行译码。

7.根据权利要求2所述的接收设备，其特征在于，所述控制器配置所述开关时间的方法包括：

在第一时刻和第二时刻，设置用于检测相位量子态的探测器均有门控信号，使得用于检测相位量子态的探测器在所述第一时刻和所述第二时刻均开启；

其中，所述第一时刻在所述第二时刻之前，所述第二时刻与所述第一时刻的时间间隔等于所述发送设备发送相邻两个量子态的时间间隔。

8.根据权利要求7所述的接收设备，其特征在于，所述控制器判断是否存在其他设备对所述接收设备发送光信号的方法包括：

用于检测时间量子态的探测器在所述第一时刻检测到时间量子态时，如果用于检测相位量子态的探测器在所述第一时刻均无响应，则确认不存在其他设备对所述接收设备发送光信号，如果用于检测相位量子态的探测器中至少一者在所述第一时刻有响应，则确认存在其他设备对所述接收设备发送光信号。

9.根据权利要求8所述的接收设备，其特征在于，所述控制器执行所述防护措施的方法包括：

如果不存在其他设备对所述接收设备发送光信号，基于用于检测时间量子态的探测器在所述第一时刻的检测结果进行译码；

如果存在其他设备对所述接收设备发送光信号，舍弃所有探测器在所述第一时刻的检测结果，进行报警提示，或，随机选择所有探测器中的一个在所述第一时刻的检测结果进行译码。

10.一种校验设备，其特征在于，所述校验设备用于如权利要求1-9任一项所述的接收设备，包括：

接收端，所述接收端用于获取QKD系统的发送设备向所述QKD系统的接收设备发送的部分光信号，随机检测所获取的光信号的相位量子态或时间量子态；

发送端，所述发送端用于向所述接收设备发送光信号；

控制端，所述控制端用于获取所述接收端的检测结果，控制所述发送端向所述接收设备发送与所述接收端的检测结果相匹配的光信号。

11.一种QKD系统，其特征在于，包括：

接收设备，所述接收设备为如权利要求1-9任一项所述的接收设备；

发送设备，所述发送设备用于随机向所述接收设备发送具有时间量子态或具有相位量子态的光信号。

12.根据权利要求11所述的QKD系统，其特征在于，还包括：

校验设备，所述校验设备用于获取所述发送设备向所述接收设备发送的部分光信号，随机检测所获取的光信号的相位量子态或时间量子态，向所述接收设备发送与检测结果相匹配的光信号。

13.一种量子通信方法，用于QKD系统，其特征在于，包括：

为所述QKD系统的检测光路配置设定的开关时间；

基于所述开关时间，通过所述检测光路随机选择检测入射光信号的相位量子态或是时间量子态；

基于所述相位量子态的检测结果以及所述时间量子态的检测结果，判断是否存在所述QKD系统的发送设备之外的其他设备对所述接收设备发送光信号；

基于判断结果执行防护措施。

14.根据权利要求13所述的量子通信方法，其特征在于，所述检测光路包括：相位量子态检测支路，所述相位量子态检测支路具有用于检测相位量子态的探测器；时间量子态检测支路，所述时间量子态检测支路具有用于检测时间量子态的探测器；

配置所述开关时间的方法包括：

在第一时刻，设置用于检测相位量子态的探测器无门控信号，使得用于检测相位量子态的探测器在所述第一时刻关闭，在第二时刻，设置用于检测相位量子态的探测器具有门控信号，使得用于检测相位量子态的探测器在所述第二时刻开启；

其中，所述第一时刻在所述第二时刻之前，所述第二时刻与所述第一时刻的时间间隔等于所述发送设备发送相邻两个量子态的时间间隔。

15.根据权利要求14所述的量子通信方法，其特征在于，判断是否存在其他设备对所述接收设备发送光信号的方法包括：

如果各个探测器在所述第二时刻同时响应，则确认存在其他设备对所述接收设备发送光信号。

16.根据权利要求15所述的量子通信方法，其特征在于，执行所述防护措施的方法包括：

如果不存在其他设备对所述接收设备发送光信号，基于在所述第二时刻响应的探测器的检测结果进行译码；

如果存在其他设备对所述接收设备发送光信号，舍弃所有探测器在所述第二时刻的检测结果，进行报警提示，或，随机选择所有探测器中的一个在所述第二时刻的检测结果进行译码。

17.根据权利要求13所述的量子通信方法，其特征在于，所述检测光路包括：相位量子态检测支路，所述相位量子态检测支路具有用于检测相位量子态的探测器；时间量子态检测支路，所述时间量子态检测支路具有用于时间量子态的探测器；

配置所述开关时间的方法包括：

在第一时刻和第二时刻，设置用于检测相位量子态的探测器均有门控信号，使得用于检测相位量子态的探测器在所述第一时刻和所述第二时刻均开启；

其中，所述第一时刻在所述第二时刻之前，所述第二时刻与所述第一时刻的时间间隔等于所述发送设备发送相邻两个量子态的时间间隔。

18.根据权利要求17所述的量子通信方法，其特征在于，判断是否存在其他设备对所述接收设备发送光信号的方法包括：

用于检测时间量子态的探测器在所述第一时刻检测到时间量子态时，如果用于检测相位量子态的探测器在所述第一时刻均无响应，则确认不存在其他设备对所述接收设备发送光信号，如果用于检测相位量子态的探测器中至少一者在所述第一时刻有响应，则确认存在其他设备对所述接收设备发送光信号。

19.根据权利要求18所述的量子通信方法，其特征在于，执行所述防护措施的方法包括：

如果不存在其他设备对所述接收设备发送光信号，基于用于检测时间量子态的探测器在所述第一时刻的检测结果进行译码；

如果存在其他设备对所述接收设备发送光信号，舍弃所有探测器在所述第一时刻的检测结果，进行报警提示，或，随机选择所有探测器中的一个在所述第一时刻的检测结果进行译码。

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