CN113556183B - 一种量子通信系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种量子通信系统，包括：一个QKD接收端、一个经典通信接收端、第一波分复用器、第一解波分复用器、配置有通信控制模块的光开关、光纤合束器、多个经典通信发送端，以及各个经典通信发送端分别对应的QKD发送端、第二波分复用器和第二解波分复用器；在任一经典通信发送端与经典通信接收端通信的情况下，光开关用于在接收到指示该经典通信发送端与经典通信接收端通信的指令的情况下，仅输出与该经典通信发送端对应的QKD发送端发出的QKD信号，实现通信。由于光开关对多个QKD发送端的光源模块是否相同不作限定，本申请中至少部分QKD发送端的光源模块相同，从而对于实际规模化商用来说，减少物料种类管理时间、维护时间及运营成本。

Description

一种量子通信系统

技术领域

本申请涉及量子通信领域，尤其涉及一种量子通信系统。

背景技术

量子密钥分发(QKD)作为实用化的量子通信技术，其基于量子力学原理能够实现无条件安全的密钥分发，在全球范围内引起了广泛的关注与重视。典型的量子通信系统包含QKD发送端、QKD接收端，以及连接QKD发送端和QKD接收端的光纤链路。目前，典型的光网络下的量子通信系统如图1所示，在每个光网络单元(ONU)处配置一台QKD发送端，在光线路终端(OLT)处配置一台QKD接收端与之对应，其中，光网络单元包括经典通信发送设备(为了描述方便，以下称为经典通信发送端)，光线路终端包括经典通信接收设备(为了描述方便，以下称为经典通信接收端)。QKD发送端发出的QKD信号与经典通信发送端发出的经典信号通过波分复用技术通过一根光纤传输至对端，通过解波分复用技术将QKD信号与经典信号分开，实现通信。该方案对于每个部署QKD发送端的ONU端，都需要在OLT端配备一台QKD接收端与之对应，不仅增加了系统的复杂性和成本，也耗费了OLT端有限的安装空间。

进一步地，目前可以在光网络下实现多个QKD发送端对同一个QKD接收端的时分复用量子通信。具体的，在OLT端部署一个QKD接收端，在ONU端部署多个QKD发送端。ONU端的每个QKD发送端的光源模块采用不同波长的激光器，通过波分复用技术，将各个QKD发送端发出的不同波长的QKD信号耦合进同一根光纤进行传输。并通过时分复用，在任一经典通信发送端与经典通信接收端通信的时隙，只有该经典通信发送端对应的QKD发送端与QKD接收端进行通信，实现安全的量子通信过程。但是，每个ONU端的QKD发送端的光源模块波长不同，因此，大大增加了物料种类及数量，进而增加了物料种类管理时间；并且，后期维护过程中，如果某个QKD发送端出现故障，需要进行特定维修或更换，从而导致维护时间长。因此，对于实际规模化商用来说，增加了物料种类管理时间、维护时间和运营成本。

发明内容

本申请提供了一种量子通信系统，目的在于解决光网络下的量子通信中增加物料种类管理时间、维护时间和运营成本的问题。

为了实现上述目的，本申请提供了以下技术方案：

本申请提供了一种量子通信系统，其特征在于，包括：一个QKD接收端、一个经典通信接收端、第一波分复用器、第一解波分复用器、配置有通信控制模块的光开关、光纤合束器、多个经典通信发送端，以及各个所述经典通信发送端分别对应的QKD发送端、第二波分复用器和第二解波分复用器；各个所述经典通信发送端分别对应的QKD发送端中，至少部分QKD发送端的光源模块相同；

在任一经典通信发送端与所述经典通信接收端通信的情况下，该经典通信发送端与对应的QKD发送端分别发出的信号，通过对应的第二波分复用器进行耦合；耦合得到的信号传输至对应的第二解波分复用器；所述第二解波分复用器分离出的QKD信号传输至所述光开关，并且，所述第二解波分复用器分离出的经典信号传输至所述光纤合束器；

所述光开关，用于在接收到指示该经典通信发送端与所述经典通信接收端通信的指令的情况下，仅输出与该经典通信发送端对应的QKD发送端发出的QKD信号；

所述光纤合束器输出的经典信号与所述光开关输出的QKD信号通过所述第一波分复用器耦合，耦合得到的信号传输至所述第一解波分复用器，所述第一解波分复用器分离得到的QKD信号传输至所述QKD接收端；所述第一解波分复用器分离得到的经典信号传输至所述经典通信接收端。

可选的，所述光开关为MEMS型光开关或电光型光开关。

可选的，在所述光开关为MEMS型光开关的情况下，所述光开关，用于在接收到指示该经典通信发送端与所述经典通信接收端通信的指令的情况下，仅输出与该经典通信发送端对应的QKD发送端发出的QKD信号，包括：

所述光开关，具体用于在接收到指示该经典通信发送端与所述经典通信接收端通信的指令的情况下，将所述指令下发给驱动控制板；所述驱动控制板产生驱动控制电压，所述驱动控制电压控制所述光开关仅连通用于输出目标QKD信号的通路；所述目标QKD信号是与该经典通信发送端对应的QKD发送端发出的QKD信号。

可选的，所述各个所述经典通信发送端分别对应的QKD发送端中，至少部分QKD发送端的光源模块相同，具体为：所述各个所述经典通信发送端分别对应的QKD发送端的光源模块都相同。

可选的，所述QKD发送端为小型QKD发送端。

可选的，配置在所述光开关的通信控制模块为无线通信控制模块。

可选的，还包括：无线控制终端；

所述无线控制终端，用于控制配置在所述光开关的无线通信控制模块。

可选的，所述量子通信系统为光网络下的量子通信系统。

可选的，所述量子通信系统中经典通信发送端的数量为8个，QKD发送端的数量为8个。

可选的，所述量子通信系统中的光开关为1×8的MEMS型光开关。

本申请所述的量子通信系统，包括一个QKD接收端、一个经典通信接收端、第一波分复用器、第一解波分复用器、配置有通信控制模块的光开关、光纤合束器、多个经典通信发送端，以及各个经典通信发送端分别对应的QKD发送端、第二波分复用器和第二解波分复用器；

在任一经典通信发送端与经典通信接收端通信的情况下，该经典通信发送端与对应的QKD发送端分别发出的信号，通过对应的第二波分复用器进行耦合；耦合得到的信号传输至对应的第二解波分复用器；第二解波分复用器分离出的QKD信号传输至光开关，并且，第二解波分复用器分离出的经典信号传输至光纤合束器，使得光纤合束器输出该经典通信发送端发出的经典信号。

在本申请中，由于光开关在接收到指示该经典通信发送端与经典通信接收端通信的指令的情况下，仅输出与该经典通信发送端对应的QKD发送端发出的QKD信号，即通过光开关向QKD接收端传输QKD信号(与该经典通信发送端对应的QKD发送端发出的QKD信号)。与现有技术中通过波分复用技术向QKD接收端输出一路QKD信号相比，本申请避免了现有技术由于实现波分复用技术的波分复用器的多个输入端要求接入的QKD信号的波长不同所导致的多个QKD发送端的光源模块必须采用不同波长的激光器的问题，即本申请对QKD发送端的光源模块是否相同不作限制。

并且，在本申请中，多个QKD发送端中至少部分QKD发送端的光源模块相同，从而，减少了物料种类及数量，进而，可以减少物料种类管理时间；并且，在后期维护过程中，减少进行特定维修或更换的次数，从而，减少维护时间。从而，对于实际规模化商用来说，本申请可以减少物料种类管理时间、维护时间及运营成本。

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获得其他的附图。

图1为量子通信系统的结构示意图；

图2为本申请实施例公开的一种量子通信系统的结构示意图；

图3为本申请实施例公开的又一种量子通信系统的结构示意图。

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。

图2为本申请实施例提供的一种量子通信系统，包括：一个QKD接收端、一个经典通信接收端、第一波分复用器、第一解波分复用器、配置有通信控制模块的光开关、光纤合束器、多个经典通信发送端，以及各个经典通信发送端分别对应的QKD发送端、第二波分复用器和第二解波分复用器。为了描述方便，将本申请实施例提供的量子通信系统中任一经典通信发送端发出的信号称为经典信号，将本申请实施例提供的量子通信系统中的任一QKD发送端发出的信号，称为QKD信号。

其中，以任一经典通信发送端为例，说明使得经典通信发送端发出的经典信号和对应的QKD发送端发出的QKD信号传输到对端，该量子通信系统中的各器件间的连接关系。

其中，该经典通信发送端的输出端与对应的QKD发送端的输出端分别与对应的第二波分复用器的输入端连接，其中，该经典通信发送端与对应的第二波分复用器的一个输入端连接，对应的QKD发送端与对应的第二波分复用器的另一个输入端连接。该对应的第二波分复用器的输出端通过光纤与对应的第二解波分复用器的输入端连接，该对应的第二解波分复用器对输入的信号进行分离，得到QKD信号和经典信号，其中，该对应的第二解波分复用器中用于输出QKD信号的输出端与光开关的一个输入端连接，该对应的第二解波分复用器中用于输出经典信号的输出端与光纤合束器的一个输入端连接。

光开关的输出端与第一波分复用器的一个输入端连接，光纤合束器的输出端和第一波分复用器的另一个输入端连接，第一波分复用器的输出端通过光纤与第一解波分复用器的输入端连接，第一解波分复用器对输入的信号进行分离，得到QKD信号和经典信号，其中，第一解波分复用器中用于输出QKD信号的输出端与QKD接收端连接，第一解波分复用器中用于输出经典信号的输出端与经典通信接收端连接。

在本实施例中，光开关用于在接收到指示任一经典通信发送端与经典通信接收端通信的指令的情况下，仅输出与该经典通信发送端对应的QKD发送端发出的QKD信号。

上述描述了本实施例提供的量子通信系统的组成器件，和各器件间的连接关系，接着，以量子通信系统中的任一经典通信发送端与经典通信接收端进行通信为例，介绍该通信过程中，对信号的处理过程。

具体的，在任一经典通信发送端与经典通信接收端进行通信的情况下，该经典通信发送端发出信号，与该经典通信发送端对应的QKD发送端也发出信号。则该经典通信发送端发出的经典信号和对应的QKD发送端发出的QKD信号输入对应第二波分复用器，该波分复用器对输入的经典信号和QKD信号进行耦合，耦合得到的信号通过一根光纤传输至对应的第二解波分复用器。

该第二解波分复用器对输入的耦合信号进行分离，分离得到QKD信号和经典信号。其中，经典信号即是该经典通信发送端发出的经典信号，QKD信号即是该经典通信发送端对应的QKD发送端发出的QKD信号。其中，该第二解波分复用器输出的QKD信号传输至光开关，该第二解波分复用器输出的经典信号传输至光纤合束器。

在本实施例中，在该经典通信发送端与经典通信接收端进行通信的情况下，光开关会接收到指示该经典通信发送端与经典通信接收端通信的指令，并且，光开关在接收到指令后，仅输出该经典通信发送端对应的QKD发送端发出的QKD信号。

在本实施例中，第一波分复用器将光开关输出的QKD信号和光纤合束器输出的经典信号进行耦合，耦合得到的信号传输至第一解波分复用器，第一解波分复用器用于对耦合得到的信号进行分离，分离得到QKD信号和经典信号，其中，分离得到的QKD信号传输至QKD接收端，分离得到的经典信号传输至经典通信接收端，从而，完成该经典通信发送端与经典通信接收端间的通信以及对应的QKD发送端与QKD接收端间的量子通信。

例如，对于经典通信发送端1需要进行通信，通过控制光开关实现QKD发送端1接通，实现与QKD接收端之间量子密钥分发。若对于经典通信发送端2需要进行通信，通过控制光开关实现QKD发送端2接通，实现与QKD接收端之间量子密钥分发。以此类推，与每个经典通信发送端对应的QKD发送端就通过时分复用的方式实现了量子通信。

可选的，在本实施例中，量子通信系统中的全部QKD发送端中的光源模块相同。

在本实施例中，光开关可以为MEMS型光开关或电光型光开关，当然，在实际中，光开关还可以为其他类型的光开关，本实施例不对光开关的具体类型作限定。

在本实施例中，以光开关为MEMS型光开关为例，在任一经典通信发送端与经典通信接收端进行通信的情况下，MEMS型光开关在接收到指示该经典通信发送端与经典通信接收端通信的指令的情况下，仅输出与该经典通信发送端对应的QKD发送端发出的QKD信号，包括：

该MEMS型光开关，具体用于在接收到指示该经典通信发送端与经典通信接收端通信的指令的情况下，将指令下发给驱动控制板；驱动控制板产生驱动控制电压，驱动控制电压控制光开关仅连通用于输出目标QKD信号的通路；其中，目标QKD信号是与该经典通信发送端对应的QKD发送端发出的QKD信号。

随着光电集成水平以及芯片化技术的不断发展，QKD发送端的体积可以做得越来越小，相比早期庞大的机箱外形，现在的QKD发送端可以做成类似交换机的大小。随着芯片化的进一步普及应用，QKD发送端可以做成手机一般大小甚至更小，而且成本也会相应地大幅降低。有利于QKD发送端在ONU端大范围推广应用。因此，为了进一步节省本实施例提供的量子通信系统的成本，本实施例提供的量子通信系统中的QKD发送端可以都为小型的QKD发送端。

本实施例具有以下有益效果：

有益效果一：

在本实施例中，由于光开关在接收到指示该经典通信发送端与经典通信接收端通信的指令的情况下，仅输出与该经典通信发送端对应的QKD发送端发出的QKD信号，即通过光开关向QKD接收端传输QKD信号(与该经典通信发送端对应的QKD发送端发出的QKD信号)，与通过波分复用技术向QKD接收端输出一路QKD信号相比，本实施例避免了现有技术中由于实现波分复用技术的波分复用器的多个输入端要求接入的QKD信号的波长不同(其中，一个QKD发送端对应一个输入端)所导致的多个QKD发送端的光源模块必须采用不同波长的激光器的问题。

并且，在本实施例中，多个QKD发送端中至少部分QKD发送端的光源模块相同，从而，减少了物料种类和数量，进而，可以减少物料种类管理时间；并且，在后期维护过程中，可以减少进行特定维修或更换的次数，从而，减少维护时间。因此，对于实际规模化商用来说，本实施例可以减少物料种类管理时间、维护时间及运营成本。

有益效果二：

在本实施例中，由于量子通信系统中的全部QKD发送端中的光源模块可以相同，因此，使得在后期维护中，如果某个QKD发送端光源模块出现故障，可以实现统一替换，无需确定出现故障的QKD发送端所属波长，无需进行特定维修或更换。从而，在有益效果一的基础上，对于实际规模化商用来说，可以进一步减少物料种类管理时间、维护时间及运营成本。

有益效果三：

在实际光网络中，ONU端的经典通信发送端(例如，光发射机)发出的经典信号通过一根光纤上行传输。本实施例通过对应的第二波分复用器将对应的QKD发送端的信号也耦合进入第二波分复用器连接的光纤里，实现与经典信号经过同一根光纤传输。因此，对于本申请实施例方案的实现，对现有光网络无需针对每一个QKD发送端均额外铺设一根光纤，从而，简化工程应用，避免实现本申请实施例的技术方案而大额增加成本。

有益效果四：

本实施例提供的量子通信系统包括多个QKD发送端和多个对应的经典通信发送端，但是，只有一个经典通信接收端和一个QKD接收端，因此，与目标量子通信系统相比，本实施例提供量子通信系统的系统复杂性降低，节约成本，也更多地节省了线路终端的安装空间。其中，目标量子通信系统，是以图1对应的量子通信系统为基础形成的一对一量子通信系统，其中，包含多个QKD发送端和多个QKD接收端，并且，QKD发送端和QKD接收端之间一对一通信。

有益效果五：

在本实施例中，光开关配置有通信控制模块，该通信控制模块可以是无线通信控制模块，从而可以通过无线通信终端远程控制光开关实现某一路量子通信，由于无线通信速度快，光开关响应时间亦很短，时间为ms级甚至ns级，远程发出控制指令到光开关实现开启或关断的整个过程耗时极短，满足现代通信对延时的高标准要求。

有益效果六：

由于光开关属于成熟的商用产品，其功耗低、损耗小、成本低、体积小、响应快，可适应在狭小的空间安装。并且光开关的通道数量可以很多，能够实现数量众多的QKD发送端的接入。无线通信控制模块体积小，功耗低。因此，本实施例在技术层面和工程化应用层面均具有很强的实用价值。

为了更清楚的介绍本申请实施例提供的量子通信系统，以光开关为MEMS型光开关，包括8个QKD发送端和8个经典通信发送端为例，进行介绍，具体的，量子通信系统的结构示意图如图3所示。

在图3中，8个经典通信发送端发出的经典信号分别与对应的QKD发送端发出的QKD信号通过波分复用器进行合波，再经过解波分复用器，8路QKD发送端发出的QKD信号接入1×8MEMS光开关，该1×8MEMS光开关可以实现对某一路QKD发送端发出的QKD信号的开启或关断。

需要说明的是，在本实施例中，在任一时刻只允许一个经典通信发送端与经典通信接收端进行通信，即在任一时刻只允许一个经典通信发送端发出经典信号，同时，与该经典通信发送端对应的QKD发送端发出QKD信号，但是，其余的7路QKD发送端在该时刻可以发出QKD信号，也可以不发出QKD信号，其余的7路经典通信发送端在该时刻不能发出经典信号。

8个经典通信发送端发出的8路经典信号接入1×8光纤合束器，可以实现8路经典信号耦合进入同一根光纤传输。需要说明的是，在一个时刻，只有一个经典通信发送端可以发出经典信号，与经典通信接收端实现通信，因此，光纤合束器输出一路经典信号。

1×8MEMS光开关输出端和1×8光纤合束器与波分复用器连接。随后经过一段传输光纤，通过解波分复用器，QKD信号和经典信号分开，分别被QKD接收端和经典通信接收端接收。

在本实施例中，1×8MEMS光开关上配置有通信控制模块，具体的，可以配置无线通信控制模块，以配置无线通信控制模块为例，该1×8MEMS光开关被无线通信控制模块控制的过程包括：远程控制终端向无线通信控制模块发送指令，该指令用于指示当前与经典通信接收端进行通信的经典通信发送端，该指令被无线通信控制模块接收。无线通信控制模块接收到该指令后，控制MEMS光开关仅将用于传输与该经典通信发送端对应的QKD发送端发出的QKD信号的通路开启，其余通路断开。

例如，MEMS光开关的1～8路分别对应的驱动控制电压为V1～V8。某时刻，需要经典通信发送端1实现通信，此时，远程控制终端发出指令01给无线通信控制模块，无线通信控制模块收到指令01后，将指令下发给MEMS光开关驱动控制板，驱动控制板产生幅值为V1的驱动控制电压，将光开关切换至1路，将1通道开启连通，其余通道均处于关闭状态。这样，QKD发送端1的信号通过MEMS光开关，并与其对应的经典通信发送端1发出的经典信号，经过波分复用及解波分复用，分别被QKD接收端和经典通信接收端接收，实现了QKD发送端1与QKD接收端的量子通信。其它QKD发送端实现量子通信的原理相同，这里不再赘述。

需要说明的是，在本实施例中，是以8个经典通信发送端的应用场景为例进行的介绍，当然，在实际的光网络中，量子通信系统中包括的经典通信发送端的数量，可以根据实际情况进行设定，本实施例不对量子通信系统中经典通信发送端的数量作限定。

本申请实施例方法所述的功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算设备可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请实施例对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算设备(可以是个人计算机，服务器，移动计算设备或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，各个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。

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 (10)

1.一种量子通信系统，其特征在于，包括：一个QKD接收端、一个经典通信接收端、第一波分复用器、第一解波分复用器、配置有通信控制模块的光开关、光纤合束器、多个经典通信发送端，以及各个所述经典通信发送端分别对应的QKD发送端、第二波分复用器和第二解波分复用器；各个所述经典通信发送端分别对应的QKD发送端中，至少部分QKD发送端的光源模块相同；

在任一经典通信发送端与所述经典通信接收端通信的情况下，该经典通信发送端与对应的QKD发送端分别发出的信号，通过对应的第二波分复用器进行耦合；耦合得到的信号传输至对应的第二解波分复用器；所述第二解波分复用器分离出的QKD信号传输至所述光开关，并且，所述第二解波分复用器分离出的经典信号传输至所述光纤合束器；

所述光开关，用于在接收到指示该经典通信发送端与所述经典通信接收端通信的指令的情况下，仅输出与该经典通信发送端对应的QKD发送端发出的QKD信号；

所述光纤合束器输出的经典信号与所述光开关输出的QKD信号通过所述第一波分复用器耦合，耦合得到的信号传输至所述第一解波分复用器，所述第一解波分复用器分离得到的QKD信号传输至所述QKD接收端；所述第一解波分复用器分离得到的经典信号传输至所述经典通信接收端。

2.根据权利要求1所述的量子通信系统，其特征在于，所述光开关为MEMS型光开关或电光型光开关。

3.根据权利要求2所述的量子通信系统，其特征在于，在所述光开关为MEMS型光开关的情况下，所述光开关，用于在接收到指示该经典通信发送端与所述经典通信接收端通信的指令的情况下，仅输出与该经典通信发送端对应的QKD发送端发出的QKD信号，包括：

所述光开关，具体用于在接收到指示该经典通信发送端与所述经典通信接收端通信的指令的情况下，将所述指令下发给驱动控制板；所述驱动控制板产生驱动控制电压，所述驱动控制电压控制所述光开关仅连通用于输出目标QKD信号的通路；所述目标QKD信号是与该经典通信发送端对应的QKD发送端发出的QKD信号。

4.根据权利要求1所述的量子通信系统，其特征在于，所述各个所述经典通信发送端分别对应的QKD发送端中，至少部分QKD发送端的光源模块相同，具体为：所述各个所述经典通信发送端分别对应的QKD发送端的光源模块都相同。

5.根据权利要求1所述的量子通信系统，其特征在于，所述QKD发送端为小型QKD发送端。

6.根据权利要求1至5任一项所述的量子通信系统，其特征在于，配置在所述光开关的通信控制模块为无线通信控制模块。

7.根据权利要求6所述的量子通信系统，其特征在于，还包括：无线控制终端；

所述无线控制终端，用于控制配置在所述光开关的无线通信控制模块。

8.根据权利要求1所述的量子通信系统，其特征在于，所述量子通信系统为光网络下的量子通信系统。

9.根据权利要求1所述的量子通信系统，其特征在于，所述量子通信系统中经典通信发送端的数量为8个，QKD发送端的数量为8个。

10.根据权利要求9所述的量子通信系统，其特征在于，所述量子通信系统中的光开关为1×8的MEMS型光开关。

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