CN113544983A - 对qkd网络架构的改进 - Google Patents

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Abstract

本文公开了一种用于进行量子密钥分发的系统，该系统包括用于发送多个光脉冲的发送器、第一接收器、第二接收器、光开关，该光开关具有与发送器光通信的输入端，该开关可在第一切换位置和第二切换位置之间切换，在第一切换位置，输入端与第一接收器光连接，在第二切换位置，输入端与第二接收器光连接，该系统还包括引导器，引导器用于将多个光脉冲的一部分经由绕过光开关的光路引导到第一接收器。

Description

对QKD网络架构的改进
QKD(量子密钥分发)是一种已知的高安全通信方法，其使得双方能够产生共享密钥。在最广泛的意义上，QKD网络包括发送单元(称为Alice)，该发送单元生成单光子脉冲，用随机选择的0或1值对其编码，并对其应用调制。在已知的示例性系统中，这是通过使用随机选择的偏振基使脉冲偏振来完成的。然后脉冲被发送到尝试测量编码值的接收单元(称为Bob)。在示例系统中，这是通过使脉冲通过具有随机选择的偏振基的偏振器来完成的。对于多个脉冲重复该过程。Alice和Bob然后交换关于脉冲的信息，并且在这样做时，得到共享密钥。
QKD装置是昂贵的，并且降低成本的一种方式是单个Alice向多个Bob发送脉冲。这种装置具有分支光路，使得各个Bob接收一部分脉冲。光划分器已经用于提供分支光路。划分信号的问题是一些Bob可能没有接收到足够高的脉冲率来满足它们的密钥生成需求。如果例如一个Bob与其它Bob相比需要产生较多数量的密钥，则尤其如此。如果一个Bob比其它Bob距离划分器更远(因为去往它的脉冲将遭受更多的衰减)，或者如果存在大量Bob，则也可能是这样。
希望克服或减轻现有技术的上述和/或其它缺点中的一些和/或全部。
根据本发明的第一个方面，提供了一种用于进行量子密钥分发的系统，所述系统包括：
发送器，所述发送器用于发送多个光脉冲；
第一接收器；
第二接收器；
光开关，所述光开关具有与所述发送器光通信的输入端，所述光开关能够在第一切换位置与第二切换位置之间切换，在所述第一切换位置，所述输入端与所述第一接收器光连接，在所述第二切换位置，所述输入端与所述第二接收器光连接，
引导器，所述引导器用于将所述多个光脉冲的一部分经由绕过所述光开关的光路引导到所述第一接收器。
本发明的实施方式使得能够构造这样的系统，其中当接收器的密钥生成需求高时，可以经由开关向接收器提供高功率的脉冲流，同时还连续地向其它接收器提供足够高功率的脉冲流以避免断开和所导致的耗时的重新启动过程。
根据本发明的第二个方面，提供了一种在发送器与第一接收器和第二接收器之间进行量子密钥分发的方法，所述方法包括以下步骤：
在所述发送器处发送多个光脉冲；
将所述多个光脉冲引导到光开关的输入端，所述光开关能够在第一切换位置和第二切换位置之间切换，在所述第一切换位置，所述输入端与所述第一接收器光连接，在所述第二切换位置，所述输入端与所述第二接收器光连接；
经由绕过所述光开关的光通信路径将所述多个脉冲的一部分从所述发送器引导到所述第一接收器。
可以在发送之前对脉冲应用调制。对脉冲应用调制的步骤可以包括使用随机选择的偏振基使脉冲偏振。另选地，对脉冲应用调制的步骤包括调制脉冲的相位或位置。在被编码和调制之后，可以根据QKD原理来发送脉冲。
可以记录编码到脉冲上的值和/或应用到脉冲的调制基和/或脉冲的传输时间。调制基可以是偏振基。此外，可以通过相应的非量子通道连接发送器以与各个接收器通信。非量子通道可以是金属线，或光纤或自由空间。发送器可以使用相应的非量子通道将所记录的信息中的一些或全部发送到一个或更多个接收器。
已被编码到脉冲上的值(即1或0)可以在各个接收器处使用随机选择的调制基来测量，调制基可以是随机选择的偏振基。对于所接收到的各个脉冲，可以记录测量值和/或用于该测量的偏振基和/或脉冲的到达时间。各个接收器可以使用其相应的非量子通道向发送器发送脉冲的测量值和/或到达时间。
光脉冲可以是单光子脉冲。单光子脉冲可以由单光子生成器来产生。
在第一切换位置，输入端仅可以与第一接收器光连接。在第二切换位置，输入端仅可以与第二接收器光连接。该系统可以包括一个或更多个另外的接收器。光开关的输入端可以通过管道或通过大气与发送器进行光通信。管道可以是光纤。开关可以具有第一输出端和第二输出端。当开关处于第一切换位置时，输入端可以与第一输出端光连接。第一输出端可以与第一接收器光连接。当开关处于第二切换位置时，输入端可以与第二输出端进行光通信。第二输出端可以与第二接收器光连接。
开关可以具有一个或更多个另外的切换位置，并且可以具有一个或更多个相应的另外的输出端。该开关可以用于使得在该一个或更多个另外的切换位置的各个切换位置，该开关输入端被光学地连接到对应的另外的输出端。一个或更多个对应的另外的输出端中的各个输出端可以与一个或更多个另外的接收器中的对应的接收器光连接。
该系统可以包括用于控制光开关的控制器。控制器可以用于控制开关的切换位置。控制器可以用于向开关发送控制信号以控制开关的切换位置。控制器可以命令开关移动到对应于具有最高光脉冲率要求的接收器的切换位置。第一接收器和/或第二接收器和/或另外的接收器可以用于向控制器发送该一个或更多个接收器所需的光脉冲比率的指示。
引导器可以包括划分器。该系统可以被设置成使得划分器接收来自发送器的输入。在使用中，划分器可以通过输入端接收所发送的多个光脉冲，并且对多个光脉冲进行划分，使得多个光脉冲的一部分与多个光脉冲的其余部分被引导到不同路径上。多个光脉冲的被引导到该不同的路径上的部分可以构成脉冲流的少于50％，优选地构成脉冲流的少于25％，并且最优选地构成脉冲流的10％。划分器可以具有用于输出多个光脉冲的一部分的第一输出端，并且可以具有用于输出多个光脉冲的其余部分的第二输出端。第二输出端可以与开关的输入端光连接。
虽然在优选实施方式中引导器包括划分器，但是本领域技术人员将理解，可以提供不包括划分器但提供基本相同功能的引导器。这种情况的可能的示例是以下装置，该装置在短时间内向第一输出端提供多个脉冲，然后在短时间内向第二输出端提供多个脉冲，并在较长时间内重复该循环。随着时间的推移，这种装置将把脉冲流的一部分引导到相应输出。
该引导器可以将光脉冲引导到第二接收器。可以提供第二划分器，第二划分器具有与第一划分器的第一输出端光连接的输入端。第二划分器可以具有第一输出端，该第一输出端与第一接收器光连接。第二划分器还可以包括与第二接收器光连接的第二输出端。在使用中，多个光脉冲的从第一划分器的第一输出端输出的一部分可以在第二划分器的输入端输入，并且可以由第二划分器划分成向第一接收器输出的第一分量和向第二接收器输出的第二分量。
在存在一个或更多个另外的接收器的实施方式中，引导器可以将光脉冲引导到一个或更多个另外的接收器。在这些实施方式中，第二划分器可以具有一个或更多个另外的输出端，各个输出端与一个或更多个另外的接收器中的一个接收器光连接。在这些实施方式中，多个光脉冲的输入到第二划分器的一部分在第二划分器的第一输出端、第二和一个或更多个另外的输出端间被划分。多个光脉冲的一部分被第二划分器划分成的分量的功率可以是相等的。
由开关输出的脉冲流在到达相应的接收器之前可以与由第二划分器输出的脉冲流组合。该系统还可以包括脉冲流组合器。脉冲流组合器可用于使用50：50的组合比来组合两个输入脉冲流。脉冲流组合器可以将在开关的第一输出处输出的脉冲与在第二划分器的第一输出处输出的脉冲进行组合。组合器可以将组合后的脉冲流输出到第一接收器。可以有第二脉冲流组合器。脉冲流组合器可以将在开关的第二输出端处输出的脉冲与在第二划分器的第二输出端处输出的脉冲进行组合。组合器可以将组合后的脉冲流输出到第二接收器。可以存在一个或更多个另外的脉冲流组合器。一个或更多个另外的脉冲流组合器可以将在开关的一个或更多个另外的输出端的相应一个输出端处输出的脉冲与在第二划分器的一个或更多个另外的输出端的相应一个输出端处输出的脉冲进行组合。组合器可以将组合后的脉冲流输出到一个或更多个另外的接收器中的相应的一个接收器。
现在将仅为了说明并且参照附图描述本发明的具体实施方式，在附图中：
图1是包括单个Alice和单个Bob的基本QKD架构的示意图；
图2是包括单个Alice和多个Bob的已知QKD架构的示意图；
图3是本发明的实施方式的示意图。
本发明涉及量子密钥分发(QKD)的改进。QKD是涉及将加密密钥从第一量子节点(称为Alice)分发到第二量子节点(称为Bob)的加密方法。图1示出了简化的QKD装置的示意图，其中Alice示出为100，Bob示出为200。虽然使用多个QKD协议，但是本说明涉及通常使用的BB84协议。特别地，本说明涉及以下类型的BB84：其中使用偏振对脉冲应用调制。根据该协议，Alice 100随机生成比特(0或1)并且还随机选择直线基和对角基这两个偏振基中的一个。Alice 100然后经由诸如光纤的量子通道300向Bob 200发送已经用所选择的比特和所选择的偏振基编码的光子。Bob200随机选择两个偏振基中的一个，并使用其选择的基来测量光子。如果Bob 200使用与Alice 100相同的基，则由Bob 200测量到的比特值将匹配由Alice 100应用到光子的比特值。在用大量光子重复该过程之后，Alice 100和Bob 200执行密钥协商阶段。具体地，Alice 100通过非量子通信通道400(例如铜缆)通知Bob 200，Alice100中将两个基的哪个基应用于相应光子，以及Alice 100发送相应光子的时间。然后Bob200通知Alice 100Bob 200在测量各个光子时使用的两个基中的哪个基以及Bob 200接收到各个光子时的时间。然后Alice 100和Bob 200丢弃Alice 100和Bob 200使用了不同基的比特值，并保留其余的比特值。其余的比特值构成Alice 100和Bob 200都具有的秘密密钥，并且可以被Alice 100和Bob 200用来对两者之间通过非量子通道400传送的消息进行加密。
图2示出了已知的QKD架构。具体地，Alice 2连接到四个不同的Bob 3、4、5、6。在从Alice 2到四个Bob 3、4、5、6的光路中设置有划分器7。Alice 2通过光纤10连接到划分器7。四个Bob 3、4、5、6均通过相应的光纤50连接到划分器7。Bob3、4、5、6均还通过其自己的传统(即非量子)通道(未示出)连接到Alice 2。
在使用中，Alice 2向划分器7发送一系列光子，各个光子已经用如上所述的随机比特和随机偏振基进行了编码。各个光子通过划分器7并且到达Bob 3、4、5、6之一。划分器7随机地将各个光子传递到Bob 3、4、5、6中的一个Bob。因此，平均起来，25％指向四个Bob中的各个Bob。各个Bob使用随机选择的偏振基来测量光子，并且在其已经接收到足够的光子以使得能够与Alice 2建立秘密共享密钥，则其使用上述密钥协商阶段来这样做。密钥协商阶段涉及Alice 2与Bob 3、4、5、6中的各个Bob交换其各自的偏振基列表，并且在传统通道上进行。Alice 2和各个Bob使用列表来建立共享秘密密钥，该共享秘密密钥可用于加密它们之间的通信。
如在图2中可见，Bob 6比其它Bob 3、4、5离划分器7远。在发送到Bob 6的光子比发送到其它Bob 3、4、5的光子行进得远的情况下，发送到Bob 6的光子遭受较大的衰减。因此，Alice与Bob 6之间的密钥交换率会低于Alice与其它Bob 3、4、5之间的密钥交换率。这是不希望的，因为其减慢了Bob 6与Alice 2之间的安全通信链路的建立。此外，如果Bob 6处的光子接收率下降到阈值率以下，则必须重新启动连接，重新启动连接是耗时的。
图2的装置的另一缺点是，其中一个Bob，例如Bob 4，与其它Bob相比，需要在给定时间段上连通Alice建立较多的密钥。由于划分器近似相等地划分光子，因此会花费长时间在Bob 4处建立所有密钥，而其它Bob在已经完成建立其密钥之后还被不必要地发送光子。
图3示出了根据本发明的装置。在该装置中，Alice 2与划分器12光连接。划分器12以10/90的划分比划分其从Alice 2接收的光子流，使得向划分器13引导传入光子的10％，而向光开关14引导传入光子的其余90％。
划分器13通过各自的光纤与四个光组合器23-26光连接。划分器13被配置成将其从划分器12接收的输入光子流均等地分成四个流，并将四个流中的各个流输出到相应的组合器23-26。当划分器13从划分器12接收光子的1/10并且划分器13向各个组合器23-26提供从划分器12接收的光子的1/4时，划分器13向各个组合器23-26输出由划分器12从Alice 2接收的光子流的1/10×1/4＝1/40。
开关14也通过各自的光纤与四个光组合器23-26光连接。在任一时刻，开关14将发送器连接到组合器23-26中的仅一个组合器。可以调整开关14的切换位置，以切换到组合器23-26中不同的一个。当开关14从划分器12接收9/10的光子并且开关14向各个组合器23-26提供从划分器12接收的所有光子时，开关14向其所连接的组合器23-26输出由划分器12从Alice 2接收的光子流的9/10。
各个组合器23-26使用50/50组合比来组合其接收的光子流。如果开关14的位置是假设开关14连接到组合器23，则组合器23组合其从划分器13和开关14接收的输入流，并向Bob 3输出组合后的流。到达各个组合器23-26的各个光子流的一半功率在组合过程中损失。通过组合器23的组合光子流输出因此包括：
(i)来自划分器13，由划分器12接收的光子流的功率的1/80；以及
(ii)来自开关14，由划分器12接收的光子流的功率的9/20。
这得到由划分器12接收的流的总功率的0.4625。该功率由组合器23输出到Bob3。Bob 4、5和6中的各个Bob类似地分别连接到组合器24、25和26的输出。当开关14切换到组合器23时，这意味着组合器24、25和26从开关14接收零功率。类似于组合器23，组合器24-26中的各个组合器从划分器13接收由划分器12接收的流的功率的1/40。因此，各个组合器24-26向其各自的Bob 4、5和6输出由划分器12接收的流的功率的1/80(即0.0125)。
由于类似的原因，当开关14被切换以连接到其它组合器24-26中的各个组合器时，其相应的Bob 4-6也接收由划分器12接收的流的功率的0.4625，并且其余的组合器分别接收由划分器12接收的流的功率的0.0125。
这种装置为各个Bob 3-6提供了连续的光子流。这意味着Alice 2和Bob 3-6中的每一者之间的会话将保持持续活动，避免了对耗时的重新启动过程的需要。此外，如果多个Bob中的一个Bob位于远离Alice 2的位置或者与其他Bob相比需要较大的光子流(例如，因为其需要生成较多的密钥)，则可以调整开关以在额外的需求持续的同时连接到该特定的Bob。
开关14的位置由控制器60电子控制。控制器60连接到各个Bob 3-6以及开关14。各个Bob 3-6向控制器60发送其当前接收的光子功率是否足够的指示。如果多个Bob中的一个Bob向控制器60发送关于功率不足的指示，则控制器60电子地调节开关14，以将其连接到与该Bob相关联的组合器。控制器60连续地监测对Bob 3-6中的Bob的光子功率源的适合性，并对开关14的位置进行相应的调整。

Claims (15)

1.一种用于进行量子密钥分发的系统，所述系统包括：
发送器，所述发送器用于发送多个光脉冲；
第一接收器；
第二接收器；
光开关，所述光开关具有与所述发送器光通信的输入端，所述光开关能够在第一切换位置与第二切换位置之间切换，在所述第一切换位置，所述输入端与所述第一接收器光连接，在所述第二切换位置，所述输入端与所述第二接收器光连接，
以及引导器，所述引导器用于将所述多个光脉冲的一部分经由绕过所述光开关的光路引导到所述第一接收器。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统包括一个或更多个另外的接收器。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述开关具有一个或更多个另外的输出端，各个输出端与所述一个或更多个另外的接收器中相应的一个接收器光连接。
4.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述系统包括用于控制所述开关的控制器。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述控制器用于控制所述开关的所述切换位置。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述控制器用于向所述开关发送控制信号以控制所述开关的所述切换位置。
7.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述引导器包括光划分器。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，在使用中，所述划分器通过所述输入端接收所发送的多个光脉冲，并且对所述多个光脉冲进行划分，使得所述多个光脉冲的一部分与所述多个光脉冲的其余部分被引导到不同路径上。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述多个光脉冲的被引导到不同路径上的该部分构成所述脉冲流的少于25％。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述多个光脉冲的被引导到不同路径上的该部分构成所述脉冲流的10％。
11.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述引导器将光脉冲引导到所述第二接收器。
12.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述引导器包括第二划分器，所述第二划分器具有与所述第一划分器的所述第一输出端光连接的输入端。
13.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，由所述开关输出的所述脉冲流在到达相应的接收器之前与由所述第二划分器输出的所述脉冲流组合。
14.一种在发送器与第一接收器和第二接收器之间进行量子密钥分发的方法，所述方法包括以下步骤：
在所述发送器处发送多个光脉冲；
将所述多个光脉冲引导到光开关的输入端，所述光开关能够在第一切换位置与第二切换位置之间切换，在所述第一切换位置，所述输入端与所述第一接收器光连接，在所述第二切换位置，所述输入端与所述第二接收器光连接；
以及经由绕过所述光开关的光通信路径将所述多个脉冲的一部分从所述发送器引导到所述第一接收器。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，将所述多个脉冲的一部分从所述发送器引导到所述第一接收器的步骤包括对所述多个光脉冲进行划分。
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