CN114024622B - 路由装置和量子通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种路由装置和量子通信方法，路由装置包括：激光器、单光子探测器、三个偏振控制器、环形器、波分复用器、平衡分束器、第一偏振分束器以及第二偏振分束器。路由装置通过激光器、单光子探测器、三个偏振控制器、环形器、波分复用器、平衡分束器、第一偏振分束器以及第二偏振分束器之间的连接方式，使得路由装置设置四个接口用于用户端之间的量子通信，也即路由装置中的一个激光器和两个单光子探测器支持四个用户的量子通信，相比于现有技术的中一个激光器和两个单光子探测器支持两个用户的量子通信，本发明提供的路由装置成倍的降低了量子通信的成本。

Description

路由装置和量子通信方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种路由装置和量子通信方法。

背景技术

量子密钥分发(quantum key distribution，简称QKD)的量子通信是利用量子力学特性来保证通信安全性的技术。QKD可以保证远距离用户之间的通信无条件安全。基于QKD的量子通信组网是将QKD的连接方式由点对点拓展到多用户之间的一点对多点或多点对多点。然而，QKD本质上是产生对称密钥的点对点的通信技术。因此，量子通信组网需要量子路由器来保证网状的组网架构。

目前，量子通信网络大多为以点对点式的两点连接来组成链式结构、星型结构或环星结构，因而每两点用户之间均需要一对收发装置，也即两个用户之间的量子通信至少需要一个发射单光子源的激光器和接收用户端反馈的量子光信号的两个单光子探测器。

激光器和单光子探测器是量子通信系统中主要的成本消耗。故，在多个用户需要进行量子通信时，需要成倍的增加激光器和单光子探测器，例如，N个用户至少需要通过N/2个激光器和N个单光子探测器实现量子通信，现有的量子通信成本较高。

发明内容

本发明提供一种路由装置和量子通信方法，用以解决量子通信成本较高的问题。

一方面，本发明提供一种路由装置，包括：

环形器，所述环形器的第一端连接第一波分复用器，所述第一波分复用器至少连接一个第一偏振控制器，每个所述第一偏振控制器连接不同的衰减器，且每个所述衰减器连接不同的激光器；

第二波分复用器，与所述环形器的第三端连接，且所述第二波分复用器至少连接一个第一单光子探测器，所述第一单光子探测器的数量与所述激光器的数量相同；

平衡分束器，所述平衡分束器的第一端与所述环形器的第二端连接，所述平衡分束器的第二端连接第三波分复用器，所述第三波分复用器至少连接一个第二单光子探测器，所述第二单光子探测器的数量与所述激光器的数量相同；

第一偏振分束器，所述第一偏振分束器的第一端通过第二偏振控制器与所述平衡分束器的第三端连接，所述第一偏振分束器的第二端以及第三端分别连接第四波分复用器以及第五波分复用器，所述第四波分复用器设置至少一个第一接口，所述第五波分复用器设置至少一个第二接口，所述第一接口的数量、所述第二接口的数量与所述激光器的数量相同；

第二偏振分束器，所述第二偏振分束器的第一端连接所述平衡分束器的第四端，所述第二偏振分束器的第二端通过第三偏振控制器连接所述第一偏振分束器的第四端，所述第二偏振分束器的第三端通过光学延时器连接第六波分复用器，所述第二偏振分束器的第四端连接第七波分复用器，所述第六波分复用器设置至少一个第三接口，所述第七波分复用器设置至少一个第四接口，所述第三接口的数量、所述第四接口的数量与所述激光器的数量相同；

其中，所述第一接口、所述第二接口、所述第三接口以及所述第四接口用于各个用户端进行量子通信。

可选地，所述路由装置设有控制器，所述控制器用于根据连接用户端的接口的数量在各个所述激光器中确定目标激光器，并根据连接用户端的接口的数量确定所述第一偏振控制器对所述目标激光器发射的光脉冲信号的偏振方向，连接用户端的接口包括第一接口、所述第二接口、所述第三接口以及所述第四接口中的任一接口。

可选地，所述控制器还用于根据连接用户端的接口设置所述第二偏振控制器以及所述第三偏振控制器控制的偏振控制方式，使所述第二偏振控制器以及所述第三偏振控制器按照所述偏振控制方式运行后将偏振后的所述光脉冲信号传输至所述用户端，连接用户端的接口包括第一接口、所述第二接口、所述第三接口以及所述第四接口中的任一接口。

可选地，所述控制器还用于向所述用户端反馈测试结果并协助所述用户端协商量子秘钥，所述测试结果是所述第一单光子探测器以及所述第二单光子探测器对所述用户端反馈的量子光信号进行测试得到的，所述量子光信号是所述用户端将所述光脉冲信号转换成得到的。

可选地，还用于根据所述用户端设置的量子密钥分发协议设置所述第一单光子探测器以及所述第二单光子探测器的测试策略，所述第一单光子探测器以及所述第二单光子探测器根据所述测试策略对所述用户端反馈的量子光信号进行测试得到测试结果。

可选地，所述第一接口连接的用户端与所述第三接口或所述第四接口连接的用户端进行量子通信；所述第二接口连接的用户端与所述第三接口或所述第四接口连接的用户端进行量子通信。

可选地，所述激光器的数量与所述路由装置处理的波段的数量相关。

可选地，所述路由装置设置于可信中继端或者不可信中继端。

另一方面，本发明还提供一种量子通信方法，应用如上所述的路由装置，包括：

在所述路由装置的各个接口中，确定连接用户端的接口的数量，所述接口包括第一接口、第二接口、第三接口以及第四接口；

根据连接用户端的接口的数量在各个所述激光器中确定目标激光器，并根据连接用户端的接口的数量确定第一偏振控制器的偏振方向；

在所述目标激光器发射光脉冲信号后，控制所述第一偏振控制控制器按照确定的偏振方向对所述光脉冲信号进行偏转，以通过连接所述用户端的接口将偏转的所述光脉冲信号发送至所述用户端。

可选地，所述控制所述第一偏振控制控制器按照确定的偏振方向对所述光脉冲信号进行偏转的步骤之后，还包括：

根据连接用户端的接口确定所述第二偏振控制器以及所述第三偏振控制器控制对所述光脉冲信号的偏振控制方式；

控制所述第二偏振控制器以及所述第三偏振控制器，按照各自对应的所述偏振控制方式运行，以使偏振控制后的所述光脉冲信号传输至所述用户端。

可选地，所述控制所述第一偏振控制控制器按照确定的偏振方向对所述光脉冲信号进行偏转的步骤之后，还包括：

接收所述用户端反馈的量子光信号，所述量子光信号是所述用户端将所述光脉冲信号转换成得到的；

获取第一单光子探测器以及第二单光子探测器对所述量子光信号进行测试得到的测试结果；

向所述用户端公布所述测试结果，以协助所述用户端的量子秘钥协商过程。

可选地，所述获取第一单光子探测器以及第二单光子探测器对所述量子光信号进行测试得到的测试结果的步骤包括：

获取所述用户端将所述光脉冲信号转化为量子光信号的量子密钥分发协议；

根据量子密钥分发协议设置所述第一单光子探测器以及所述第二单光子探测器的测试策略；

所述获取第一单光子探测器以及第二单光子探测器对所述量子光信号进行测试得到的测试结果的步骤包括：

控制所述第一单光子探测器以及第二单光子探测器，按照所述测试策略对所述量子光信号进行测试，以获得所述测试结果。

本发明提供的路由装置和量子通信方法，一个激光器和两个单光子探测器通过三个偏振控制器、环形器、波分复用器、平衡分束器以及两个偏振分束器的连接方式使得路由装置设置四个接口用于用户端之间的量子通信，也即路由装置中的一个激光器和两个单光子探测器支持四个用户的量子通信，相比于现有技术的中一个激光器和两个单光子探测器支持两个用户的量子通信，本发明提供的路由装置成倍的降低了量子通信的成本。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。

图1为本发明实施例涉及的路由装置的结构示意图；

图2为本发明实施例涉及的用户端的结构示意图；

图3为本发明实施例涉及的用户端中编码模块的结构示意图；

图4为本发明量子通信方法的流程示意图。

通过上述附图，已示出本公开明确的实施例，后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本公开构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本公开的概念。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

本发明提供一种路由装置。

参照图1，路由装置1包括环形器10。环形器10的第一端11连接第一波分复用器20。第一波分复用器20可以是解复用器。第一波分复用器20至少连接一个第一偏振控制器，如图1所示，第一波分复用器20分别连接第一偏振控制30a以及第一偏振控制器30b。每个第一偏振控制器均连接有一个衰减器，如图1所示，第一偏振控制30a连接衰减器40a，第一偏振控制器30b连接衰减器40b。每个衰减器均连接一个激光器，如图1所示，衰减器40a连接激光器50a，衰减器40b连接激光器50b。可以理解的是，激光器的数量、衰减器的数量以及第一偏振控制器的数量均相同。

路由装置1还设有第二波分复用器60。第二波分复用器60可以是解复用器。第二波分复用器60与环形器10的第三端12连接，且第二波分复用器60至少连接一个第一单光子探测器。如图1所示，第二波分复用器60连接第一单光子探测器70a以及第一单光子探测器70b。第二波分复用器60连接的第一单光子探测器的数量与激光器的数量相同。

路由装置1还设有平衡分束器80。平衡分束器80的第一端81与环形器10的第二端13连接。平衡分束器80的第二端82连接第三波分复用器90，第三波分复用器90至少连接一个第二单光子探测器。示例性的，如图1所示，第三波分复用器90连接第二单光子探测器100a以及第二单光子探测器100b。第二单光子探测器的数量与激光器的数量相同。

路由装置1还设有第一偏振分束器110。第一偏振分束器110的第一端111通过第二偏振控制器120与平衡分束器80的第三端83连接，第一偏振分束器110的第二端112以及第三端113分别连接第四波分复用器130以及第五波分复用器140，第四波分复用器130设置至少一个第一接口，第五波分复用器140设置至少一个第二接口。示例性的，如图1所示，第四波分复用器130设置第一接口131a以及第一接口131b，第五波分复用器140设置第二接口141a以及第二接口141b。第一接口的数量、第二接口的数量与激光器的数量相同。

路由装置1还设有第二偏振分束器150。第二偏振分束器150的第一端151连接平衡分束器80的第四端84，第二偏振分束器150的第二端152通过第三偏振控制器160连接第一偏振分束器110的第四端114，第二偏振分束器150的第三端153通过光学延时器170连接第六波分复用器180，第二偏振分束器150的第四端154连接第七波分复用器190。第六波分复用器180设置至少一个第三接口，第七波分复用器190设置至少一个第四接口。示例性的，如图1所示，第六波分复用器180设置第三接口181a以及第三接口181b，第七波分复用器190设置第四接口191a以及第二接口191b。第三接口的数量、第四接口的数量与激光器的数量相同。需要说明的是，第一接口、第二接口、第三接口以及第三接口用于各个用户端进行量子通信，也即路由装置1通过第一接口、第二接口、第三接口以及第四接口支持四个用户端进行量子通信。

在本实施例中，一个激光器和两个单光子探测器通过环形器、三个偏振控制器、波分复用器、平衡分束器以及两个偏振分束器的连接方式使得路由装置设置四个接口用于用户端之间的量子通信，也即路由装置中的一个激光器和两个单光子探测器支持四个用户的量子通信，相比于现有技术的中一个激光器和两个单光子探测器支持两个用户的量子通信，本发明提供的路由装置成倍的降低了量子通信的成本。

以下对路由装置将光脉冲信号发送至用户端的步骤进行详细说明。

1、激光器50a先产生光脉冲信号；

2、衰减器40a将激光器50a发出的光脉冲信号进行信号衰减，使光脉冲信号中含有合适的光子数量得到衰减后光脉冲信号；

3、第一偏振控制30a对衰减后光脉冲信号进行偏振调制，得到偏振方向为0°(H)、45°(+)、90°(V)、135°(-)的偏振调制后光脉冲信号a；同理，通过激光器50b、衰减器40b、第一偏振控制器20b产生并调制光脉冲信号得到偏振调制后光脉冲信号b；

4、第一波分复用器20将偏振调制后光脉冲信号a和偏振调制后光脉冲信号b进行合束，得到合束后光脉冲信号；合束后光脉冲信号从环形器10的第一端口11进入；

5、环形器10对光信号传输方向进行顺时针控制，合束后光脉冲信号从环形器10的第二端口13射出并通过平衡分束器80的第一端口81进入平衡分束器80；

6、平衡分束器80对合束后光脉冲信号进行分束，分别得到的顺时针光脉冲信号从第二端口83射出和逆时针光脉冲信号从第四端口84口射出；

7、第二偏振控制器120对顺时针光脉冲信号的偏振方向进行0°或90°旋转的偏振控制，对于偏振方向为0°(H)、45°(+)、90°(V)、135°(-)的顺时针光脉冲得到偏振方向变为0°(H)、45°(+)、90°(V)、135°(-)或90°(V)、135°(-)、0°(H)、45°(+)的偏振控制后光脉冲；第一偏振分束器110对偏振控制后光脉冲进行偏振分束操作，即透射信号光在偏振方向为0°(H)的分量，反射信号光在偏振方向为90°(V)的分量，使偏振方向为0°(H)的偏振控制后光脉冲从第一偏振分束器110的第三端口113射出、使偏振方向为45°(+)的偏振控制后光脉冲分成具有相同光子数含量的两束光脉冲，分别从第一偏振分束器110的第三端口113、第一偏振分束器110的第二端口112射出、使偏振方向为90°(V)的偏振控制后光脉冲从第一偏振分束器110的第二端口112射出、使偏振方向为135°(-)的偏振控制后光脉冲分成具有相同光子数含量的两束光脉冲，分别从第一偏振分束器110的第三端口113、第一偏振分束器110的第二端口112射出，得到从第二端口112射出的光脉冲信号2，或/和，从第三端口113射出的光脉冲信号4；

8、第三波分复用器130对光脉冲信号2进行分束，分别得到参考光脉冲2a从第一接口131a发射至对应用户端、参考光脉冲2b从第一接口131b发射至对应用户端；第四波分复用器140对光脉冲信号4进行分束，分别得到参考光脉冲4a从第二接口141a发射至对应用户端、参考光脉冲4b从第二接口141b发射至对应用户端；

9、第二偏振分束器150对逆时针光脉冲信号进行偏振分束操作，使偏振方向为0°(H)的逆时针光脉冲信号从第四端口154射出、使偏振方向为45°(+)的逆时针光脉冲信号分成具有相同光子数含量的两束光脉冲，分别从第四端口154、第三端口153射出，使偏振方向为90°(V)的逆时针光脉冲信号从第三端口153射出、使偏振方向为135°(-)的逆时针光脉冲信号分成具有相同光子数含量的两束光脉冲，分别从第四端口154、第三端口153射出，得到从第三端口153射出的光脉冲信号1，或/和，从第四端口154射出的光脉冲信号3；

10、光学延时器170对光脉冲信号1进行延时操作，保证路由装置1支持的各对用户端的通信过程互不干扰；第六波分复用180用于对光脉冲信号1进行分束，分别得到参考光脉冲1a从第三接口181a发射至对应用户端、参考光脉冲1b从第三接口181b发射至对应用户端；第七波分复用器190对光脉冲信号3进行分束，分别得到参考光脉冲3a从第四接口191a发射至对应用户端、参考光脉冲3b从第四接口191b发射至对应用户端。

需要说明的是，各用户端对参考光脉冲不进行任何操作，只将参考光脉冲的偏振方向旋转90°后反射回路由装置，实现通信用户的光脉冲之间的相位补偿。由于参考光脉冲的偏振方向均旋转了90°，第六波分复用器180和第四波分复用器130接收到的参考光脉冲1和参考光脉冲2的偏振方向变为0°(H)、第四波分复用器190和第五波分复用器140接收到的参考光脉冲3和参考光脉冲4的偏振方向变90°(V)；参考光脉冲1经过第二偏振分束器150从第二偏振分束器150的第二端口152射出并进入第三偏振控制器160；参考光脉冲2经过第二偏振分束器110从第二偏振分束器110的第四端口114射出并进入第三偏振控制器160；参考光脉冲3经过第二偏振分束器150从第二偏振分束器150的第二端口152射出并进入第三偏振控制器160；参考光脉冲4经过第一偏振分束器110从第一偏振分束器110的端口114射出并进入第三偏振控制器160；偏振控制器160用于对参考光脉冲的偏振方向进行0°或90°旋转的偏振控制，对于偏振方向为0°(H)、90°(V)的参考光脉冲得到偏振方向变为0°(H)、90°(V)或90°(V)、0°(H)的偏振控制后光脉冲；

需要注意的是，第三偏振控制器160与第二偏振控制器120的偏振控制效果保持相同，当第二偏振控制器120对光脉冲信号的偏振方向进行0°旋转时，第三偏振控制器160也对光脉冲信号进行0°旋转，同理当第二偏振控制器120对光脉冲信号的偏振方向进行90°旋转时，第三偏振控制器160也对光脉冲信号进行90°旋转。

第一偏振分束器110对从端口114进入的参考光脉冲进行偏振分束操作，使偏振方向为90°(V)的参考光脉冲从端口112射出并通过第四波分复用器130对参考光脉冲进行分束操作，得到量子光源2、使偏振方向为0°(H)的参考光脉冲从端口113射出并通过第五波分复用器140对参考光脉冲进行分束操作，得到量子光源4；第二偏振分束器150对从端口152进入的参考光脉冲进行偏振分束操作，使偏振方向为90°(V)的参考光脉冲从端口153射出并通过第六波分复用器180对参考光脉冲进行分束操作，得到量子光源1、使偏振方向为0°(H)的参考光脉冲从端口154射出并通过第七波分复用器190对参考光脉冲进行分束操作，得到量子光源3。

在一实施例中，路由装置1可实现同一波段下任意左侧用户与任意右侧用户进行通信，用户占线除外。该路由装置可实现分区路由功能，左侧区域可与右侧区域之间进行通信，但左侧区域内各用户不能进行通信，右侧区域内各用户也不能进行通信。适用于分级通信的应用场景，即省会各部门之间保密交流少，各地方城市之间保密交流少，但省会各部门与各地方城市均可交流的情形。可以理解的是，第一接口连接的用户端与第三接口或第四接口连接的用户端进行量子通信；第二接口连接的用户端与第三接口或第四接口连接的用户端进行量子通信。

在一实施例中，激光器的数量与路由装置所处通信环境中波段的数量相关。例如，路由装置所处的通信环境包括N个波段，则路由装置需要设置N个激光器。进一步的，路由装置设置于可信中继端或者不可信中继端。

在一实施例中，路由装置1设有控制器(未标示)，控制器用于根据连接用户端的接口的数量在各个激光器中确定目标激光器，并根据连接用户端的接口的数量确定第一偏振控制器对目标激光器发射的光脉冲信号的偏振方向，连接用户端的接口包括第一接口、第二接口、第三接口以及第四接口中的任一接口。例如，在当连接用户端的接口的数量是2个时，则目标激光器是一个，目标激光器为50a或者50b，而第一偏振控制器对目标激光器发射的光脉冲的信号的偏转方向是V(水平方向)或者H(竖直方向)。若是在当连接用户端的接口的数量是4个时，则目标激光器是一个，目标激光器为50a或者50b，而第一偏振控制器对目标激光器发射的光脉冲的信号的偏转方向是+(例如上述的45°(+))或者-(例如上述的135(-))，或，目标激光器是2个，目标激光器为50a以及50b，而两个第一偏振控制器对目标激光器发射的光脉冲的信号的偏转方向是V(水平方向)或者H(竖直方向)。

在一实施例中，控制器还用于根据连接用户端的接口设置第二偏振控制器以及第三偏振控制器控制的偏振控制方式，使第二偏振控制器以及第三偏振控制器按照偏振控制方式运行后将偏振后的光脉冲信号传输至用户端，连接用户端的接口包括第一接口、第二接口、第三接口以及第四接口中的任一接口。

控制器基于连接用户端的接口设置第二偏振控制器以及第三偏振控制器的偏振控制方式，也即设置特定的路径，使得光脉冲信号通过该路径传输至用户端。偏振控制方式即为对光脉冲的偏振方向的偏转效果。具体参照表-1，表-1中列举了连接用户端的接口下的第一偏振控制器、第二偏振控制器、第三偏振控制器的偏振控制方式。

表-1

其中，PC1指的是第一偏振控制器，PC2指的是第二偏振控制器，PC3指的是第三偏振控制器，用户指的是连接接口的用户端，1a是第三接口181a，2a是第一接口131a，3a是第四接口191a，4a是第二接口141a，1b是第三接口181b，2b是第一接口131b，3b是第四接口191b，4b是第二接口141b，x则指的是第四波分复用器、第五波分复用器、第六波分复用器以及第七波分复用器的第x接口。

参照图1，进行举例说明。

1、接口1a与接口2a分别连接用户端1a与2a进行通信

激光器50a产生光脉冲信号并经过衰减器40a将信号衰减至合适的光子数量；第一偏振控制器30a将该脉冲的偏振方向调制为90°(V)，该脉冲通过波分复用/解复用器、环形器后被平衡分数器分为顺时针光脉冲和逆时针光脉冲；此时第二偏振控制器120和第三偏振控制器160均选择对经过的光脉冲进行0°旋转的偏振控制，因此顺时针光脉冲和逆时针光脉冲的偏振方向均为90°(V)并分别进入第一偏振分束器110、第二偏振分束器150；顺时针光脉冲和逆时针光脉冲在第一偏振分束器110、第二偏振分束器150中经历反射分别从端口112、153射出并通过第四波分复用器130、第六波分复用器180连接用户端2a与1a。其中逆时针光脉冲从端口153射出到达第六波分复用器180之前经历光学延时器延170。用户端2a与1a此时对光脉冲不进行任何操作，只将参考光脉冲的偏振方向旋转90°后反射回路由装置，此时顺时针光脉冲和逆时针光脉冲的偏振方向均为0°(H)。顺时针光脉冲和逆时针光脉冲到达路由装置后分别通过第四波分复用器130、第六波分复用器180到达第一偏振控制器110、第二偏振分束器150。顺时针光脉冲和逆时针光脉冲在第一偏振控制器110、第二偏振分束器150中经历透射分别从端口114、152射出并经历第三偏振控制器160后保持偏振方向继续在第二偏振分束器150、第一偏振分束器110中经历透射到达端口153、112。随后顺时针光脉冲和逆时针光脉冲通过第六波分复用器180、第四波分复用器130作为量子光源发射至用户端1a与2a。用户端1a与2a分别使用各自的衰减器对量子光源进行衰减使达到合适的光子数量，随后用户端1a与2a分别使用编码模块对量子光源进行编码得到量子光信号1、2，并利用法拉第反射镜将量子光信号的偏振方向旋转90°后反射回路由装置。量子光信号1、2到达路由装置后被第六波分复用器180、第四波分复用器130接收，此时量子光信号1和量子光信号2的偏振方向均为90°(V)，分别在第二偏振分束器150、第一偏振分束器110中经历反射到达端口151、111。由于第二偏振控制器120选择对经过的光脉冲进行0°旋转的偏振控制，因此量子光信号1和量子光信号2到达平衡分束器时拥有相同的偏振方向。由于量子光信号2的量子光源在制备过程中往返共经历两次光学延时器，量子光信号1的量子光源在制备过程中经历一次光学延时器的同时量子光信号1本身又经历一次光学延时器，因此量子光信号1和量子光信号2在相同时间达到平衡分束器。由于量子光信号1和量子光信号2的量子光源来自于同一个激光器，因此具有相同的波长。综上量子光信号1和量子光信号2在平衡分束器发生干涉，第一单光子探测器70a、第二单光子探测器100a对其干涉结果进行探测。

2、接口1b与接口4b分别连接用户端1b与4b进行通信

类似的激光器50b、衰减器40b、第一偏振控制器20b产生偏振方向为90°(V)的光脉冲，经平衡分数器分为顺时针光脉和逆时针光脉冲后，第二偏振控制器120和第三偏振控制器160均选择对经过的光脉冲进行90°旋转的偏振控制。因此顺时针光脉冲的偏振方向为0°(H)、逆时针光脉冲的偏振方向为90°(V)。顺时针光脉冲和逆时针光脉冲在第一偏振控制器110、第二偏振分束器150中分别经历透射和反射并从端口113、153射出，随后通过第五波分复用器140、第六波分复用器180连接用户端4b与1b。逆时针光脉冲在到达第六波分复用器180之前经历光学延时器延170。用户端4b与1b对光脉冲的偏振方向旋转90°后反射回路由装置，此时顺时针光脉冲的偏振方向为90°(V)、逆时针光脉冲的偏振方向均为0°(H)。两列光脉冲被第五波分复用器140、第六波分复用器180接收后在第一偏振分束器110、第二偏振分束器150中经历反射和透射并分别从端口114、152射出。顺时针光脉冲和逆时针光脉冲经历第三偏振控制器160后偏振方向分别变为0°(H)、90°(V)，接着在第二偏振分束器150、第一偏振分束器110、中经历透射、反射到达端口153、113，通过第六波分复用器180、第五波分复用器140作为量子光源发射至用户端1b与4b。用户端1b与4b分别的使用各自的衰减器、编码模块对量子光源进行衰减、编码，得到符合编码信息量子光信号1、4，并利用法拉第反射镜将量子光信号的偏振方向旋转90°后反射回路由装置。量子光信号1、4到达路由装置后被第六波分复用器180、第五波分复用器140接收，此时量子光信号1和量子光信号4的偏振方向分别为90°(V)、0°(H)，分别在第二偏振分束器150、第一偏振分束器110中经历反射、透射到达端口151、111。由于第二偏振控制器120选择对经过的光脉冲进行90°旋转的偏振控制，因此量子光信号4的偏振方向变为90°(V)，和量子光信号1到达平衡分束器时拥有相同的偏振方向。此外，由于量子光信号1和量子光信号4同时到达平衡分束器且具有相同波长，因此发生干涉并由第一单光子探测器70b、第二单光子探测器100b对其干涉结果进行探测。

3、接口1a与接口2a分别连接用户端1a与2a进行通信，同时接口3a与接口4a分别连接用户端3a与4a进行通信

激光器50a产生光脉冲信号并经过衰减器40a将信号衰减至合适的光子数量；第一偏振控制器20a将该脉冲的偏振方向调制为45°(+)，该脉冲通过波第一波分复用器、环形器后被平衡分数分束器器分为顺时针光脉冲和逆时针光脉冲；此时第二偏振控制器120和第三偏振控制器160均选择对经过的光脉冲进行0°旋转的偏振控制，因此顺时针光脉冲和逆时针光脉冲的偏振方向均为45°(+)并分别进入第一偏振控制器110、第二偏振分束器150；顺时针光脉冲和逆时针光脉冲在第一偏振控制器110、第二偏振分束器150中经历偏振分束，反射后顺时针光脉冲和反射后逆时针光脉冲分别从端口112、153射出并通过第四波分复用器130、第六波分复用器180连接用户端2a与1a；透射后顺时针光脉冲和透射后逆时针光脉冲分别从端口113、154射出并通过第五波分复用器140、第七波分复用器190连接用户端4a与3a。其中反射后逆时针光脉冲从端口153射出到达第六波分复用器180之前经历光学延时器延170。用户端2a、1a、4a、3a此时对光脉冲不进行任何操作，只将参考光脉冲的偏振方向旋转90°后反射回路由装置，此时光脉冲的偏振方向分别为0°(H)、0°(H)、90°(V)、90°(V)。各用户反射回来的光脉冲到达路由装置后分别通过第四波分复用器130、第六波分复用器180、第五波分复用器140、第七波分复用器190到达第一偏振分束器110、第二偏振分束器150、第一偏振分束器110、第二偏振分束器150的端口112、153、113、154，分别在第一偏振分束器110、第二偏振分束器150、第一偏振分束器110、第二偏振分束器150中经历透射、透射、反射、反射后到达第三偏振控制器160。由于第三偏振控制器160选择0°旋转的偏振控制，光脉冲保持偏振方向继续在第二偏振分束器150、第一偏振分束器110、第二偏振控制器150、第一偏振分束器110中经历透射、透射、反射、反射到达端口153、112、154、113并分别通过第六波分复用器180、第四波分复用器130、第七波分复用器190、第五波分复用器140作为量子光源发射至用户端1a、2a、3a、4a。用户端1a、2a、3a、3a分别使用各自的衰减器、编码模块对量子光源进行衰减、编码，得到符合编码信息量子光信号1、2、3、4，并利用法拉第反射镜将量子光信号的偏振方向旋转90°后反射回路由装置。量子光信号1、2、3、4到达路由装置后被第六波分复用器180、第四波分复用器130、第七波分复用器190、第五波分复用器140接收，此时量子光信号1、2、3、4的偏振方向均为90°(V)、90°(V)、0°(H)、0°(H)，分别在第二偏振分束器150、第一偏振分束器110、第二偏振分束器150、第一偏振控制器110中经历反射、反射、透射、透射到达端口151、111、151、111。由于第二偏振控制器120选择对经过的光脉冲进行0°旋转的偏振控制，因此量子光信号2和量子光信号1到达平衡分束器时拥有相同的偏振方向90°(V)；量子光信号4和量子光信号3到达平衡分束器时拥有相同的偏振方向0°(H)。由于量子光信号1和2、3和4的量子光源来自于同一个激光器，因此具有相同的波长。由于量子光信号1和量子光信号2从制备到测量历经相同的路径，同时量子光信号3和量子光信号4也彼此经历相同路径，因此量子光信号1、2在相同时间达到平衡分束器；量子光信号4、3在相同时间达到平衡分束器。综上量子光信号1和量子光信号2在平衡分束器发生干涉，第一单光子探测器70a、第二单光子探测器100a对其干涉结果进行探测；量子光信号3和量子光信号4在平衡分束器发生干涉，第一单光子探测器70a、第二单光子探测器100a对其干涉结果进行探测。量子光信号1和2与量子光信号3和4在平衡分束器发生干涉的时间相差t，因此第一单光子探测器70a、第二单光子探测器100a对两组干涉结果的探测时间也相差t，t与光学延时器的延时有关，为延时的二倍。

在一实施例中，用户端在接收到光脉冲信号后，用户端的编码模块会将光脉冲信号转换为量子光信号。具体的，参照图2，信道25用于将量子光源(光脉冲信号)传输至用户端；光衰减器26用于将量子光源衰减至合适的光子数含量，得到衰减后量子光源；编码模块用于将衰减后量子光源进行信息编码，得到编码光脉冲；法拉第反射镜28用于将编码光脉冲的偏振方向旋转90°后反射回路由装置，得到量子光信号。

对于编码模块27，参照图3，本实施例提供三种内部结构，可应用于多种量子密钥分发协议。编码模块(a)可应用于双场量子密钥分发类协议，其中强度调制器27-1用于对量子光源进行强度调制，得到合适强度的诱骗态或信号态量子光脉冲；相位调制器27-2用于对量子光脉冲进行符合编码信息的相位调制，得到编码调制后量子光脉冲；相位调制器27-3用于对编码调制后量子光脉冲进行0°到360°随机化的相位调制，得到随机相位调制后量子光脉冲。编码模块(b)可应用于相位编码类及相位分布式参考类量子密钥分发协议，其中强度调制器27-4用于对量子光源进行强度调制，得到合适强度的诱骗态或信号态量子光脉冲；强度调制器27-5用于对量子光脉冲进行符合编码信息的强度调制，得到强度调制后量子光脉冲；相位调制器27-6用于对编码调制后量子光脉冲进行符合编码信息的相位调制，得到相位调制后量子光脉冲。编码模块(c)可应用于时间相位编码类量子密钥分发协议，其中强度调制器27-7用于对量子光源进行强度调制，得到合适强度的诱骗态或信号态量子光脉冲；平衡分束器27-8用于对量子光脉冲进行分束，得到等概率的量子光脉冲分别冲接口a和接口b射出；相位调制器27-9用于对接口a射出的量子光脉冲进行符合编码信息的相位调制；光学延时器27-10用于对接口b射出的量子光脉冲进行延时操作，使接口a射出的光脉冲与接口b射出的光脉冲在经过法拉第反射镜28、27-11反射再次到达接口a和接口b时的时间差符合编码信息；法拉第反射镜27-11用于将接口b射出的光脉冲的偏振方向旋转90°后反射回可信中继路由装置。需要说明的是，相互进行通信的两个用户端使用相同的编码模块。

在一实施例中，控制器还用于向用户端反馈测试结果并协助用户端协商量子秘钥，测试结果是第一单光子探测器以及第二单光子探测器对用户端反馈的量子光信号进行测试得到的，量子光信号是用户端将光脉冲信号转换成得到的。控制器，还用于根据用户端设置的量子密钥分发协议设置第一单光子探测器以及第二单光子探测器的测试策略，第一单光子探测器以及第二单光子探测器根据测试策略对用户端反馈的量子光信号进行测试得到测试结果。

量子密钥分发协议不同，则测量策略不同。以相位编码的BB84协议(一种量子信息编码协议)为例，当单光子探测器70a响应同时单光子探测器100b不响应时，两个网络用户对量子光源进行编码时编码所对应的相位的差值为0；当单光子探测器70a不响应同时单光子探测器100b响应时，两个网络用户对量子光源进行编码时编码所对应的相位的差值为π。当单光子探测器70a和单光子探测器100b同时响应或同时不响应时，抛弃测量结果。与此同时，协商过程包括基失比对、错误检验、比特纠错、保密放大。

协商过程包括基失比对，即核对两个网络用户在对量子光源进行编码时，编码所对应的相位是否属于同一基失，筛选出属于同一基失的编码位。的协商过程还包括错误检验，即两个网络用户随机选取筛选后的编码位的一部分进行对比，若对比后不相同的编码位超过预先设定的阈值，则该量子密钥分发过程作废，若通过错误检验则进入比特纠错过程。的协商过程还包括比特纠错，即利用纠错码对两个网络用户的数据进行纠错，若误码率超出预先设定的阈值，则该量子密钥分发过程作废，若通过比特纠错，则进入保密放大过程。的协商过程还包括保密放大，即将初始密钥通过一系列算法映射成长度更短、安全性更高的比特序列。

路由装置的路由过程包括7个步骤，具体如下：

1、路由装置针对需要通信的用户数量选择特定的光源模式。具体为选择发射光脉冲信号的激光器，以及设置第一偏振控制器的偏振方向。

2、路由装置针对每两个需要通信网络用户选择特定的路径模式，具体为设置第二偏振控制器以及第三偏振控制器的偏振控制方式。

3、由路由装置所在的可信中继发送量子光源到需要通信的两个用户端。

4、用户端分别对量子光源进行编码后变为量子光信号。

5、用户端依据路由装置将量子光信号返回至路由装置。

6、路由装置对量子光信号进行测量。

7、根据测量结果两个网络用户协商获得相同的量子密钥。

本实施例提供的路由装置降低了量子通信组网所需要的设备数量及运维成本，主要在于，网络用户端所持有的量子编码装置成本较低，且编码装置所需器件在业界已实现集成化、小型化，安装方便。路由装置由单光子源、偏振控制器、光环形器、平衡分束器、四端口偏振分束器、波分复用/解复用器、单光子探测器、解码模块组成。其中单光子源及单光子探测器成本远高于系统其他器件且体积较大。本实施例中，路由装置中将包含单光子源及单光子探测器的路由装置放置在中继端，实现收发设备中心化，有利于对系统所有收发设备的统一维护管理。由于路由装置结合了波分复用和偏振复用控制，使得同一台激光器在单一波段最多可支持4个用户同时进行通信，且仅需两台单光子探测器进行相应的单光子探测。相比于点对点的量子密钥分发系统中两用户需要一台激光器、两台单光子探测器，所需设备数量减少了一半，有效降低组网成本。以本发明的量子路由装置为核心，在N个光波长资源的量子通信网络中该路由装置最多支持4N个接口用于连接其他网络用户实现动态通信。组网设备最多只需N个单光子源及2N个单光子探测器，数量均可缩减至点对点通信组网所需设备数量的一半，有效降低量子通信组网成本，加快量子通信组网建设的实用化进程。

本发明还提供一种量子通信方法。

参照图4，图4为本发明量子通信方法第一实施例，包括：

步骤S10，在路由装置的各个接口中，确定连接用户端的接口的数量，接口包括第一接口、第二接口、第三接口以及第四接口。

步骤S20，根据连接用户端的接口的数量在各个激光器中确定目标激光器，并根据连接用户端的接口的数量确定第一偏振控制器的偏振方向。

步骤S30，在目标激光器发射光脉冲信号后，控制第一偏振控制器按照确定的偏振方向对光脉冲信号进行偏转，以通过连接用户端的接口将偏转的光脉冲信号发送至用户端。

在本实施例中，执行主体为路由装置。在路由装置支持用户端进行通信时，路由装置需要在各个接口中确定连接用户端的接口的数量，从而基于该数量设置第一偏振控制器的偏振方向且在各个激光器中确定目标激光器。在目标激光器发射光脉冲信号后，路由装置控制第一偏振控制控制器按照确定的偏振方向对光脉冲信号进行偏转，以通过连接用户端的接口将偏转的光脉冲信号发送至用户端。目标激光器的选择、第一偏振控制器的偏振方向的确定具体参照上述说明，在此不再进行赘述。

本实施例中，通过连接用户端的接口的数量在各个激光器中选择目标激光器发射光脉冲信号，且基于该数据确定第一偏振控制器的偏转方向，使得路由装置实现低成本的量子通信。

在一实施例中，步骤S30之后，还包括：

根据连接用户端的接口确定第二偏振控制器以及第三偏振控制器控制对光脉冲信号的偏振控制方式；

控制第二偏振控制器以及第三偏振控制器，按照各自对应的偏振控制方式运行，以使偏振控制后的光脉冲信号传输至用户端。

在本实施例中各个步骤的说明，具体参照上述说明，在此不再进行赘述。

在一实施例中，步骤S30之后，还包括：

接收用户端反馈的量子光信号，量子光信号是用户端将光脉冲信号转换成得到的；

获取第一单光子探测器以及第二单光子探测器对量子光信号进行测试得到的测试结果；

向用户端公布测试结果，以协助用户端的量子秘钥协商过程。

在本实施例中各个步骤的说明，具体参照上述说明，在此不再进行赘述。

在一实施例中，获取第一单光子探测器以及第二单光子探测器对量子光信号进行测试得到的测试结果的步骤包括：

获取用户端将光脉冲信号转化为量子光信号的量子密钥分发协议；

根据量子密钥分发协议设置第一单光子探测器以及第二单光子探测器的测试策略；

获取第一单光子探测器以及第二单光子探测器对量子光信号进行测试得到的测试结果的步骤包括：

控制第一单光子探测器以及第二单光子探测器，按照测试策略对量子光信号进行测试，以获得测试结果。

在本实施例中各个步骤的说明，具体参照上述说明，在此不再进行赘述。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本发明旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求书指出。

应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求书来限制。

Claims (12)

1.一种路由装置，其特征在于，包括：

环形器，所述环形器的第一端连接第一波分复用器，所述第一波分复用器至少连接一个第一偏振控制器，每个所述第一偏振控制器连接不同的衰减器，且每个所述衰减器连接不同的激光器；

第二波分复用器，与所述环形器的第三端连接，且所述第二波分复用器至少连接一个第一单光子探测器，所述第一单光子探测器的数量与所述激光器的数量相同；

平衡分束器，所述平衡分束器的第一端与所述环形器的第二端连接，所述平衡分束器的第二端连接第三波分复用器，所述第三波分复用器至少连接一个第二单光子探测器，所述第二单光子探测器的数量与所述激光器的数量相同；

第一偏振分束器，所述第一偏振分束器的第一端通过第二偏振控制器与所述平衡分束器的第三端连接，所述第一偏振分束器的第二端以及第三端分别连接第四波分复用器以及第五波分复用器，所述第四波分复用器设置至少一个第一接口，所述第五波分复用器设置至少一个第二接口，所述第一接口的数量、所述第二接口的数量与所述激光器的数量相同；

第二偏振分束器，所述第二偏振分束器的第一端连接所述平衡分束器的第四端，所述第二偏振分束器的第二端通过第三偏振控制器连接所述第一偏振分束器的第四端，所述第二偏振分束器的第三端通过光学延时器连接第六波分复用器，所述第二偏振分束器的第四端连接第七波分复用器，所述第六波分复用器设置至少一个第三接口，所述第七波分复用器设置至少一个第四接口，所述第三接口的数量、所述第四接口的数量与所述激光器的数量相同；

其中，所述第一接口、所述第二接口、所述第三接口以及所述第四接口用于各个用户端进行量子通信。

2.根据权利要求1所述的路由装置，其特征在于，所述路由装置设有控制器，所述控制器用于根据连接用户端的接口的数量在各个所述激光器中确定目标激光器，并根据连接用户端的接口的数量确定所述第一偏振控制器对所述目标激光器发射的光脉冲信号的偏振方向，连接用户端的接口包括第一接口、所述第二接口、所述第三接口以及所述第四接口中的任一接口。

3.根据权利要求2所述的路由装置，其特征在于，所述控制器还用于根据连接用户端的接口设置所述第二偏振控制器以及所述第三偏振控制器的偏振控制方式，使所述第二偏振控制器以及所述第三偏振控制器按照所述偏振控制方式运行后将偏振后的所述光脉冲信号传输至所述用户端，连接用户端的接口包括第一接口、所述第二接口、所述第三接口以及所述第四接口中的任一接口。

4.根据权利要求2所述的路由装置，其特征在于，所述控制器还用于向所述用户端反馈测试结果并协助所述用户端协商量子秘钥，所述测试结果是所述第一单光子探测器以及所述第二单光子探测器对所述用户端反馈的量子光信号进行测试得到的，所述量子光信号是所述用户端将所述光脉冲信号转换得到的。

5.根据权利要求4所述的路由装置，其特征在于，所述控制器，还用于根据所述用户端设置的量子密钥分发协议设置所述第一单光子探测器以及所述第二单光子探测器的测试策略，所述第一单光子探测器以及所述第二单光子探测器根据所述测试策略对所述用户端反馈的量子光信号进行测试得到测试结果。

6.根据权利要求1-5任一项所述的路由装置，其特征在于，所述第一接口连接的用户端与所述第三接口或所述第四接口连接的用户端进行量子通信；所述第二接口连接的用户端与所述第三接口或所述第四接口连接的用户端进行量子通信。

7.根据权利要求1-5任一项所述的路由装置，其特征在于，所述激光器的数量与所述路由装置处理的波段的数量相关。

8.根据权利要求1-5任一项所述的路由装置，其特征在于，所述路由装置设置于可信中继端或者不可信中继端。

9.一种量子通信方法，其特征在于，应用如权利要求1-8任一项所述的路由装置，包括：

在所述路由装置的各个接口中，确定连接用户端的接口的数量，所述接口包括第一接口、第二接口、第三接口以及第四接口；

根据连接用户端的接口的数量在各个所述激光器中确定目标激光器，并根据连接用户端的接口的数量确定第一偏振控制器的偏振方向；

在所述目标激光器发射光脉冲信号后，控制所述第一偏振控制器按照确定的偏振方向对所述光脉冲信号进行偏转，以通过连接所述用户端的接口将偏转的所述光脉冲信号发送至所述用户端。

10.根据权利要求9所述的量子通信方法，其特征在于，所述控制所述第一偏振控制器按照确定的偏振方向对所述光脉冲信号进行偏转的步骤之后，还包括：

根据连接用户端的接口确定所述第二偏振控制器以及所述第三偏振控制器对所述光脉冲信号的偏振控制方式；

控制所述第二偏振控制器以及所述第三偏振控制器，按照各自对应的所述偏振控制方式运行，以使偏振控制后的所述光脉冲信号传输至所述用户端。

11.根据权利要求9或10所述的量子通信方法，其特征在于，所述控制所述第一偏振控制器按照确定的偏振方向对所述光脉冲信号进行偏转的步骤之后，还包括：

接收所述用户端反馈的量子光信号，所述量子光信号是所述用户端将所述光脉冲信号转换得到的；

获取第一单光子探测器以及第二单光子探测器对所述量子光信号进行测试得到的测试结果；

向所述用户端公布所述测试结果，以协助所述用户端的量子秘钥协商过程。

12.根据权利要求11所述的量子通信方法，其特征在于，所述获取第一单光子探测器以及第二单光子探测器对所述量子光信号进行测试得到的测试结果的步骤包括：

获取所述用户端将所述光脉冲信号转化为量子光信号的量子密钥分发协议；

根据量子密钥分发协议设置所述第一单光子探测器以及所述第二单光子探测器的测试策略；

所述获取第一单光子探测器以及第二单光子探测器对所述量子光信号进行测试得到的测试结果的步骤包括：

控制所述第一单光子探测器以及第二单光子探测器，按照所述测试策略对所述量子光信号进行测试，以获得所述测试结果。

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