CN113507365A - 基于单根光纤的tf-qkd网络及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种TF‑QKD网络及方法，其中通过在Alice、Bob和Charlie端分别设置光开关和原子钟，使得允许在经典信道之外借助单一光纤信道实现TF‑QKD所需要的波长校准、时间同步及TF‑QKD等过程，从而减少对光纤资源的占用。同时，通过在Alice与Bob端采用超稳光源，还可以保证光源在短时间相对波长/频率差足够小，减少TF‑QKD网络的非工作时间窗口，提高光纤信道利用率。
Description
技术领域
本发明涉及量子通信领域，尤其涉及一种基于单根光纤的TF-QKD网络，以及基于该网络实现的TF-QKD方法。
背景技术
量子密钥分发(QKD)作为量子通信的核心技术之一，始终是量子通信领域的研究重点。然而实际的QKD系统受环境、现有技术状况等因素制约，存在着各种各样的安全漏洞；同时，由于量子通信是在单光子级别下进行，因此受环境噪声、传输损耗等影响，量子通信的距离和成码率也受到了很大的限制。2012年，由Lo等人提出能抵御测量端攻击的测量设备无关(MDI)-QKD协议，在MDI-QKD协议中通信双方Alice和Bob分别随机制备BB84弱相干态，然后发送给一个不可信的第三方Charlie进行贝尔态测量，根据Charlie公布的贝尔态测量结果Alice和Bob建立安全的密钥。
研究人员一直在致力于提高QKD的安全性、传输距离、成码率等，以能获得一个尽可能更优异的QKD系统。2017年，由Stefano Pirandola等人提出了无中继情况下，点对点量子通信成码率的极限值R，即PLOB界。到2018年，在相位调制MDI-QKD基础上，Lucamarini等人提出了基于单光子干涉的孪生双场(Twin-Field，TF)-QKD协议。
TF-QKD协议拥有与MDI-QKD协议相同的基本结构，但传统的QKD协议，包括MDI-QKD协议的成码率随信道衰减线性相关；而TF-QKD协议利用单光子干涉，成码率随信道衰减的平方根下降；因此在理论上，TF-QKD可能实现更远距离的密钥分发，并且在长距离传输情形下，可以实现更高的成码率，甚至可以在无量子中继的情形下轻松突破量子密钥分发的成码率线性极限。
TF-QKD协议的核心是利用单光子干涉，实现该协议需要利用距离非常遥远的用户独立产生的相干态进行干涉，因此实施起来十分困难。除了经典信息交互之外，要在Charlie实现稳定的单光子干涉，首先需要将Alice和Bob两个远程独立激光器的波长锁定为一致，以消除Alice和Bob激光器波长不同所引起的相位差，TF-QKD采用单光子干涉作为有效探测事件，需要Alice和Bob两边光源波长/频率差控制在kHz水平，因此需要一个额外的信道实现Alice和Bob激光器的波长/频率锁定。其次，为了保证Alice和Bob的光脉冲能够同时到达Charlie进行干涉，发送和探测设备需要精密的时间同步。同时，需要通过单光子探测结果实现长距离光纤链路相对相位快速漂移的精准估计。为此，现有技术的TF-QKD网络通常需要占用主干网三根光纤来实现时间同步、波长校准和信号传输等功能，例如图1所示，其中需要采用光纤1、光纤2和光纤3，光纤1用于实现量子信道以传输QKD编码信号，光纤2用于实现时间同步信道以发送时间同步信号，光纤3用于实现锁相光波长校准信道以传输波长参考信号。然而，目前的TF-QKD网络架构占用了三条光纤网络资源，系统复杂，且不利于后续产业化。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明提出了一种TF-QKD网络及方法，其中通过在Alice、Bob和Charlie端分别设置光开关和原子钟，使得允许在经典信道之外借助单一光纤信道实现TF-QKD所需要的波长校准、时间同步及TF-QKD等过程，从而减少对光纤资源的占用。同时，通过在Alice与Bob端采用超稳光源，还可以保证光源在短时间相对波长/频率差足够小，减少TF-QKD网络的非工作时间窗口，提高光纤信道利用率。
本发明的第一方面涉及一种基于单根光纤的TF-QKD网络，其包括Alice端、Bob端、Charlie端、经典信道和一个光纤信道；其中，
所述Alice端和Bob端包括光源、量子态编码模块、波长校准模块、时钟控制模块和第一光开关；
所述Charlie端包括量子态干涉测量模块、时钟控制模块和第二光开关；
所述光源用于生成并输出光信号；
所述量子态编码模块被设置用于对所述光信号进行量子态编码，生成并输出量子信号；
所述波长校准模块被设置用于利用所述光信号生成并输出波长参考信号，用于所述Alice端和Bob端之间的波长/频率校准；
所述量子态干涉测量模块被设置用于使所述量子信号发生干涉，并生成和输出干涉测量结果；
所述时钟控制模块包括原子钟，且被设置用于基于所述原子钟，以及所述Alice端和Bob端的量子态编码模块输出的信号到达所述Charlie端的时间延迟，实现所述Alice端、Bob端及Charlie端之间的时间同步；
所述第一光开关被设置用于在使所述光纤信道连接所述量子态编码模块以及使所述光纤信道连接所述波长校准模块之间进行切换；
所述第二光开关被设置用于在使所述光纤信道接入所述Charlie端以及使所述光纤信道连接所述Alice端和Bob端之间进行切换。
进一步地，所述光源为超稳光源；以及/或者，所述波长校准模块被设置成将本地的波长参考信号与对端的波长参考信号进行拍频干涉以获取波长差信息，并基于所述波长差信息控制所述光源的波长/频率。
优选地，所述光源为超稳激光器，并且/或者所述光源具有1E-15量级的频率稳定度。
优选地，所述Alice端、Bob端和Charlie端中的原子钟经GPS校准。
进一步地，本发明的TF-QKD网络还可以包括设置于所述光纤信道中的一个或多个中继节点；
所述中继节点包括第三光开关和放大器，其中，所述第三光开关被设置用于在将所述放大器接入所述光纤信道以及不将所述放大器接入所述光纤信道之间进行切换。
优选地，所述放大器为双向EDFA。
本发明的第二方面涉及一种基于单根光纤的TF-QKD方法，其包括波长/频率校准步骤、同步步骤及TF-QKD步骤，其中：
Alice、Bob和Charlie端中设置有原子钟，且借助同一光纤信道在所述Alice、Bob和Charlie端之间传输量子信号、波长参考信号和测试信号；
在所述波长/频率校准步骤中，通过控制光开关使所述波长参考信号通过所述光纤信道在所述Alice端和Bob端之间传输，以便基于所述波长参考信号对所述Alice和Bob端进行波长/频率校准；
在所述同步步骤中，通过控制光开关使所述测试信号和/或量子信号通过所述光纤信道在所述Alice端与所述Charlie端之间和所述Bob端与所述Charlie端之间传输，以便基于所述原子钟，以及所述量子信号和/或测试信号到达所述Charlie端的时间延迟，实现所述Alice、Bob和Charlie端之间的时间同步；
在所述TF-QKD步骤中，通过控制光开关使所述量子信号通过所述光纤信道在所述Alice端与所述Charlie端之间和所述Bob端与所述Charlie端之间传输，以便基于所述量子信号生成量子密钥。
进一步地，在所述光纤信道中设置一个或多个中继节点；并且，在所述波长/频率校准步骤中，还包括通过控制光开关，使所述波长参考信号在所述中继节点中得到放大的步骤。
进一步地，在所述同步步骤中，利用所述原子钟输出的秒信号，根据所述时间延迟分别对所述Alice、Bob和Charlie端中的电路板的时钟进行校准。
优选地，在所述同步步骤中：所述测试信号为多个，且具有不同的频率；以及/或者，利用所述测试信号获取所述时间延迟，并利用所述量子信号对所述时间延迟进行修正。
进一步地，可以定期或者根据所述量子信号的干涉测量结果或误码率，重复执行所述波长/频率校准步骤和/或同步步骤。
本发明的TF-QKD方法优选借助上述TF-QKD网络来实现。
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示出了现有技术的TF-QKD网络的架构示意图；
图2示出了根据本发明的基于单根光纤实现的TF-QKD网络的示意图；
图3示意性地示出了根据本发明的基于单根光纤实现的TF-QKD方法中的波长校准过程；
图4示意性地示出了根据本发明的基于单根光纤实现的TF-QKD方法中的同步及量子密钥分发过程。
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。
图2示出了根据本发明的基于单根光纤实现的TF-QKD网络的架构示意图。
如图2所示根据本发明的TF-QKD网络可以包括Alice端、Bob端和Charlie端，且Alice、Bob端与Charlie端之间仅设有单个光纤信道，而无需利用三根光纤以提供三个光纤信道，分别用于实现承载量子态编码信息的量子信号、时间同步信号和波长参考信号的传输。
具体而言，除经典信道之外，根据本发明的TF-QKD网络中设置有单个光纤信道，用于量子信号在Alice、Bob端与Charlie端之间的传输，以及波长参考信号在Alice与Bob端之间的传输，以便实现Alice与Bob端之间的波长/频率校准、Alice、Bob端与Charlie端之间的时间同步、以及TF-QKD编码。
为此，如图2所示，Alice端和Bob端可以包括光源、量子态编码模块、波长校准模块、时钟控制模块及第一光开关，Charlie端可以包括量子态干涉测量模块、时钟控制模块及第二光开关。
光源用于生成并输出光信号。在本发明中，光源可以采用超稳光源，例如基于具有非常高的短期稳定性的超稳激光器实现的超稳光源。
优选地，光源可以具有1E-15量级的频率稳定度，Alice和Bob端中光源的频率相对漂移低于0.5Hz/s。
在一种具体实施方式中，光源可以包括商用kHz激光器，PDH反馈单元，以及超稳光学FP腔或单模光纤，其中，商用kHz激光器作为种子激光器，借助PDH反馈单元将其波长/频率锁定在经精密温控及隔振的超稳光学FP腔或者单模光纤的波长上。
经实验表明，由此可以保证Alice和Bob端的波长/频率变化缓慢，相对频率漂移引起的波长/频率差在一定时间段内(通常1-2小时)不超过1kHz。
继续参见图2，光源输出的光信号可以分别用于量子态编码模块以进行量子态编码，以及用于波长校准模块以进行波长校准。
量子态编码模块用于对光信号进行量子态编码，以生成并输出量子信号。
波长校准模块用于接收本地的光信号，并将其作为波长参考信号发送给对端(即Bob端和Alice端中的一个)，以及接收对端(即Bob端和Alice端中的另一个)发送的波长参考信号，将本地的波长参考信号与对端的波长参考信号进行拍频干涉以获取波长差信息，并基于该波长差信息实现两端(Bob端和Alice端)光源之间的波长/频率校准，保证Alice和Bob端中光源的波长/频率一致性。
在一种具体实施方式中，波长校准模块可以根据波长差信息，控制光源中的激光器，或者控制用于激光器的波长控制单元(例如声光调制器)，以对光源进行快速波长反馈控制，实现两者之间的波长/频率校准。
时钟控制模块用于基于原子钟，实现Alice、Bob和Charlie端之间的时钟同步。其中，原子钟可以优选为经GPS进行校准的。
在一种具体实施方式中，时钟控制模块可以利用基于经GPS校准的原子钟获取的、Alice和Bob端的量子信号到达Charlie端的时间延迟，结合原子钟提供的标准时钟信号，实现Alice、Bob和Charlie端之间的时钟(时间)同步。
例如，可以利用三处原子钟的同一秒信号作为标准起始信号，获取Alice和Bob端的量子信号到达Charlie端的时间延迟，然后基于原子钟的秒信号和所获取的时间延迟，分别对Alice、Bob和Charlie端中的电路板的时钟进行校准，以实现三处的时钟同步。
第一光开关用于实现量子态编码模块连接光纤信道和波长校准模块连接光纤信道之间的切换。因此，可以通过控制第一光开关，使光纤信道连接量子态编码模块，从而允许量子信号进入光纤信道传输，以及控制第一光开关使光纤信道切换成连接波长校准模块，从而允许波长参考信号进入光纤信道传输。
第二光开关用于实现光纤信道接入Charlie端和光纤信道连接Alice和Bob端(即，光纤信道不接入Charlie端)之间的切换。因此，可以通过控制第二光开关，使光纤信道接入Charlie端的量子态干涉测量模块，从而允许Alice和Bob端的量子信号进入量子态干涉测量模块，以实现干涉测量，以及控制第二开关使光纤信道连接Alice和Bob端，从而允许Alice和Bob端的波长参考信号进入对端的波长校准模块，以实现波长校准。
如图2所示的具体实施方式中，Alice和Bob端可以分别设置有一个第一光开关，以切换光纤信道与量子态编码模块或波长校准模块连接。Charlie端可以设置有两个第二光开关，以分别实现在Alice端侧光纤信道关于Charlie端的接入控制，以及在Bob端侧光纤信道关于Charlie端的接入控制。
量子态干涉测量模块用于使Alice和Bob端的量子信号发生干涉，并生成和输出干涉测量结果。因此，Charlie端可以将干涉测量结果通过经典信道公布给Alice和Bob端，Alice和Bob端根据该干涉探测结果交互进行密钥产生工作，提取原始密钥并计算最终安全成码率，再通过纠错和隐私放大等数据后处理产生最终密钥。
在图2所示的具体实施方式中，量子态干涉测量模块可以包括干涉单元、信号采集单元和信号记录单元，其中，干涉单元用于使Alice和Bob端的量子信号发生干涉，信号采集单元用于采集干涉测量结果，信号记录单元用于记录该干涉测量结果。
进一步地，本发明的TF-QKD网络还可以包括设置在光纤信道中的一个或多个中继节点，其可以包括第三光开关和放大器。
第三光开关用于切换光路以控制是否将放大器接入光纤信道。
优选地，放大器可以为双向EDFA(掺铒光纤放大器)。
因此，在中继节点中，可以通过控制第三光开关，将放大器接入光纤信道，以对光纤信道中的波长参考信号进行放大，从而补偿激光器及光纤信道引起的波长变化，实现高精度的波长控制。以及，可以通过控制第三光开关，而不将放大器接入到光纤信道中，以允许量子信号继续以单光子水平在光纤信道中传输。
为更好地理解本发明的工作原理，下文将结合图3-4说明根据本发明的基于单根光纤实现的TF-QKD方法。
图3示意性地示出了根据本发明的基于单根光纤实现的TF-QKD方法中的波长校准过程；图4示意性地示出了根据本发明的基于单根光纤实现的TF-QKD方法中的同步和量子密钥分发过程。
根据本发明的TF-QKD方法可以包括波长/频率校准步骤、同步步骤及TF-QKD步骤，其中，在TF-QKD步骤之前通常需要执行波长/频率校准步骤和同步步骤，并且Alice、Bob和Charlie端中设置有原子钟。优选地，Alice、Bob和Charlie端的原子钟经GPS校准。
在波长/频率校准步骤中，可以先通过控制光开关(例如第一和第二光开关)使Alice和Bob端的波长校准模块通过光纤信道连接，如图3所示那样。由此，可以将Alice和Bob端的光源设为校准模式，以允许校准Alice和Bob端的波长。
在图3所示的光路设置下，Alice和Bob端的波长校准模块分别向对端发送波长参考信号，以及接收对端的波长参考信号，将本地的波长参考信号与对端的波长参考信号进行拍频干涉以获取波长差信息，根据该波长差信息对Alice和Bob端中的光源进行控制，以实现两者之间的波长/频率校准。
为提高校准精度，优选地还可以在光纤信道中设置中继节点，其中，该中继节点中设置有光开关和放大器，因此可以通过控制光开关(例如第三光开关)，使得光纤信道中的波长参考信号能够在中继节点得到信号放大。
在波长/频率校准步骤之后，可以执行时钟同步步骤，其用于实现Charlie、Alice和Bob端之间的时间同步/信号延时校准。
在该同步步骤中，可以先通过控制光开关(例如第一和第二光开关)，使Alice和Bob端的量子态编码模块借助同一光纤信道分别连接Charlie端的量子态干涉测量模块，例如图4所示那样。其中，可以将Alice和Bob端的光源设为工作模式，不再进行波长校准。
因此，可以利用原子钟输出的秒信号作为基准，由Alice和Bob端的量子态编码模块发送测试信号，Charlie端分别测试Alice和Bob端的测试信号，并获取Alice和Bob端的测试信号的时间延迟。
然后，可以利用原子钟的秒信号和所获取的时间延迟，分别对Alice、Bob和Charlie端中的电路板的时钟进行校准，以实现三处的时钟同步/信号延时校准。
优选地，Alice和Bob端可以发送多次不同频率的测试信号，以提高信号延时校准精度。
优选地，还可以后续监测Alice和Bob端的量子信号到达Charlie端的时间，以对时间延迟进行修正。
在TF-QKD步骤中，继续采用同步步骤中使用的光路设置，如图4所示。
在该步骤中，Alice和Bob端基于本地原子钟的同一秒信号，经补偿同步步骤所获取的时间延时后，借助光纤信道向Charlie端发送编码的量子信号。
Charlie端基于本地原子钟的同一秒信号，经补偿同步步骤所获取的时间延时后，记录Alice、Bob端量子信号干涉测量的结果，并通过经典信道将该干涉测量结果公布给Alice和Bob端。
Alice和Bob端根据该干涉探测结果交互进行密钥产生工作，提取原始密钥并计算最终安全成码率，再通过纠错和隐私放大等数据后处理产生最终密钥。
进一步地，还可以定期地、或者根据干涉测量结果或误码率，执行波长/频率校准步骤和/或同步步骤。
基于上文可知，在本发明所提出的TF-QKD网络及方法中，通过在Alice、Bob和Charlie端分别设置光开关和原子钟，使得允许借助单一光纤信道实现TF-QKD所需要的波长/频率校准、同步及TF-QKD等过程，借助简单的控制过程和光路结构节约67％的光纤资源，降低了建设和维护成本，有利于产业发展。同时，通过在Alice与Bob处采用超稳光源，还可以保证光源在短时间相对波长/频率差足够小，进一步缩短TF-QKD的非工作时间窗口，提高光纤信道的利用率。
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 (12)
1.一种基于单根光纤的TF-QKD网络，其包括Alice端、Bob端、Charlie端、经典信道和一个光纤信道；其中，
所述Alice端和Bob端包括光源、量子态编码模块、波长校准模块、时钟控制模块和第一光开关；
所述Charlie端包括量子态干涉测量模块、时钟控制模块和第二光开关；
所述光源用于生成并输出光信号；
所述量子态编码模块被设置用于对所述光信号进行量子态编码，生成并输出量子信号；
所述波长校准模块被设置用于利用所述光信号生成并输出波长参考信号，用于所述Alice端和Bob端之间的波长/频率校准；
所述量子态干涉测量模块被设置用于使所述量子信号发生干涉，并生成和输出干涉测量结果；
所述时钟控制模块包括原子钟，且被设置用于基于所述原子钟，以及所述Alice端和Bob端的量子态编码模块输出的信号到达所述Charlie端的时间延迟，实现所述Alice端、Bob端及Charlie端之间的时间同步；
所述第一光开关被设置用于在使所述光纤信道连接所述量子态编码模块以及使所述光纤信道连接所述波长校准模块之间进行切换；
所述第二光开关被设置用于在使所述光纤信道接入所述Charlie端以及使所述光纤信道连接所述Alice端和Bob端之间进行切换。
2.如权利要求1所述的TF-QKD网络，其中：
所述光源为超稳光源；以及/或者，
所述波长校准模块被设置成将本地的波长参考信号与对端的波长参考信号进行拍频干涉以获取波长差信息，并基于所述波长差信息控制所述光源的波长/频率。
3.如权利要求2所述的TF-QKD网络，其中，所述光源为超稳激光器，并且/或者所述光源具有1E-15量级的频率稳定度。
4.如权利要求1所述的TF-QKD网络，其中，所述Alice端、Bob端和Charlie端中的原子钟经GPS校准。
5.如权利要求1所述的TF-QKD网络，其还包括设置于所述光纤信道中的一个或多个中继节点；
所述中继节点包括第三光开关和放大器，其中，所述第三光开关被设置用于在将所述放大器接入所述光纤信道以及不将所述放大器接入所述光纤信道之间进行切换。
6.如权利要求5所述的TF-QKD网络，其中，所述放大器为双向EDFA。
7.一种基于单根光纤的TF-QKD方法，其包括波长/频率校准步骤、同步步骤及TF-QKD步骤，其中：
Alice、Bob和Charlie端中设置有原子钟，且借助同一光纤信道在所述Alice、Bob和Charlie端之间传输量子信号、波长参考信号和测试信号；
在所述波长/频率校准步骤中，通过控制光开关使所述波长参考信号通过所述光纤信道在所述Alice端和Bob端之间传输，以便基于所述波长参考信号对所述Alice和Bob端进行波长/频率校准；
在所述同步步骤中，通过控制光开关使所述测试信号和/或量子信号通过所述光纤信道在所述Alice端与所述Charlie端之间和所述Bob端与所述Charlie端之间传输，以便基于所述原子钟，以及所述量子信号和/或测试信号到达所述Charlie端的时间延迟，实现所述Alice、Bob和Charlie端之间的时间同步；
在所述TF-QKD步骤中，通过控制光开关使所述量子信号通过所述光纤信道在所述Alice端与所述Charlie端之间和所述Bob端与所述Charlie端之间传输，以便基于所述量子信号生成量子密钥。
8.如权利要求7所述的TF-QKD方法，其中，在所述光纤信道中设置一个或多个中继节点；并且，
在所述波长/频率校准步骤中，还包括通过控制光开关，使所述波长参考信号在所述中继节点中得到放大的步骤。
9.如权利要求7所述的TF-QKD方法，其中，在所述同步步骤中，利用所述原子钟输出的秒信号，根据所述时间延迟分别对所述Alice、Bob和Charlie端中的电路板的时钟进行校准。
10.如权利要求7-9中任一项所述的TF-QKD方法，其中，在所述同步步骤中：
所述测试信号为多个，且具有不同的频率；以及/或者，
利用所述测试信号获取所述时间延迟，并利用所述量子信号对所述时间延迟进行修正。
11.如权利要求7所述的TF-QKD方法，其中，定期或者根据所述量子信号的干涉测量结果或误码率，重复执行所述波长/频率校准步骤和/或同步步骤。
12.如权利要求7所述的TF-QKD方法，其借助如权利要求1-6中任一项所述的TF-QKD网络来实现。
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