CN114448617B - 一种逆向调制自由空间qkd系统和密钥分发方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种逆向调制自由空间QKD系统和密钥分发方法，系统包括询问端和逆向调制端。方法包括询问端发送脉冲激光，发送至逆向调制端，利用频率相同的两束偏振方向垂直的光的叠加原理，通过调制相位的方式进行偏振的调制。信号光反射回询问端进行解调，最后通过经典信道进行基矢对比获取筛选密钥。本发明大大降低了在自由空间QKD系统中对接收方设备的要求，并相对于传统的偏振调制提高了调制效率。

Description

一种逆向调制自由空间QKD系统和密钥分发方法

技术领域

本发明涉及量子信息与光通信领域，更具体地，涉及一种逆向调制自由空间QKD系统和密钥分发方法。

背景技术

量子密钥分发(Quantum Key Distribution,QKD)是20世纪80年代基于量子力学原理和信息论发展起来的一种新的产生和分发密码的方法。与传统的基于数学复杂度原理的密码不同的是量子密钥分发基于物理学原理，在理论上能保证绝对的安全性。1984年Bennett等人提出的BB84协议是第一个量子密钥分发协议，协议采用共轭编码的方式，用两组正交的偏振态来进行编码。随后基于该思想，人们陆续提出了一些改进的协议。量子密钥分发技术的难点不断被突破，已经具备了大规模应用的前景。

根据传输信道的不同，目前量子密钥分发分为光纤QKD自由空间QKD。其中光纤QKD利用光纤传输信号，能够很好地实现端对端的密钥分发。由于环境的温度以及光纤的拉伸挤压等影响会严重的扰动光信号的偏振态，一般采用相位编码的方式，但是随着光纤距离的增加，信号的损耗也会增加，因此对传输距离产生了很大的限制。而且为了降低光纤QKD的成本，可行性和实用性，需要采用波分复用方式实现经典光信号和量子光信号的共纤传输，经典光通信一般会使用掺铒光纤放大器等器件，产生的噪声会影响微弱量子信号的传输，有待进一步的深入研究。

对于自由空间QKD，由于通信设备的移动和大气湍流的影响，光子相位会发生很大的改变，而光子偏振态几乎不受影响，所以一般采用偏振编码的方式。另外，在自由空间中信号的衰减很小，可以实现较远距离的传输。自由空间QKD还可以灵活的应用于飞机、飞行器等移动平台，利用卫星可以实现洲际的密钥传输。为了对抗光子数分离攻击，必须保证每个光脉冲包含一个以上光子的概率很低。在使用弱相干态光源的实际实现中，这意味着必须将每脉冲的平均光子数限制在远小于1。为降低信号在信道中的衰减，在远距离产生高密钥率需要非常窄的发射机波束发散，大约几十个微弧度。在所有传统的自由空间光学系统中，对发射机的要求是知道链路另一端的位置，并准确地将光束指向那里。传统的自由空间QKD系统需要通信双方同时配备复杂的ATP(Acquisition、Tracking and Pointing)设备和通信设备，导致终端设备体积大、能耗高、成本高，限制了推广应用。逆向调制光通信系统具有非对称式的光通信系统结构，通信双方分别被称为询问端和逆向调制端。询问端和传统的相似，而逆向调制端具有简单的结构，它不需要对信号进行解调，对准要求也大大降低，信号过来可以很好的反射回去。所以它不需要配备复杂的ATP系统。这种结构就很大程度的降低了成本和增加了可行性，降低了自由空间QKD的应用门槛，可广泛应用于飞行器等通信设备。

现有技术CN110113163A公开一种自由空间连续变量量子密钥分发方法及系统，包括：使用高斯调制对量子信号光进行调制，将调制后的量子信号光与本振光耦合得到耦合光，通过自由空间信道发送所述耦合光；接收所述耦合光，将所述耦合光中的量子信号光与本振光分离；获取部分分离得到的本振光，根据本振光的波前相位校正分离得到的量子信号光。该方案的系统结构较为复杂，15成本较高和可行性较低。

发明内容

本发明的首要目的是提供一种逆向调制自由空间QKD系统，大大的降低接收方的设备要求。

本发明的进一步目的是提供一种密钥分发方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种逆向调制自由空间QKD系统，包括询问端和逆向调制端，所述询问端与所述逆向调制端通过自由空间互相连接，所述询问端发送圆偏振光至所述逆向调制端，所述逆向调制端通过相位调制改变接收到的光信号的偏振态，并反射回所述询问端。

优选地，所述询问端包括脉冲激光器、第一分束器、第二分束器、第一光学天线、第一偏振分束器、第二偏振分束器、第一波片、第二波片、第三波片、第四波片、第一单光子探测器和第二单光子探测器、第三单光子探测器和第四单光子探测器，其中：

所述脉冲激光器的输出的线偏振脉冲激光首先经第一波片后变为圆偏振光，所述圆偏振光经所述第一分束器，所述第一分束器透射端发射的光经所述第一光学天线发送至所述逆向调制端，所述第一光学天线接收所述逆向调制端返回的光信号后输出至所述第一分束器，所述第一分束器将所述逆向调制端返回的光信号反射后依次经过第二波片和第二分束器后分为两束光，所述第二分束器的透射端发射的光依次经所述第三波片和第一偏振分束器后分为两束光，所述第一偏振分束器的透射端发射的光发射至所述第一单光子探测器进行检测，所述第一偏振分束器的反射端发射的光发射至所述第二单光子探测器进行检测，所述第二分束器的反射端发射的光依次经第四波片和第二偏振分束器后分为两束光，所述第二偏振分束器的透射端发射的光发射至所述第三单光子探测器进行检测，所述第二偏振分束器的反射端发射的光发射至所述第四单光子探测器进行检测。

优选地，所述第一波片和第三波片为四分之一波片，第二波片和第四波片为半波片。

优选地，所述脉冲激光器的输出的线偏振脉冲激光首先经第一波片后变为圆偏振光，所述线偏振脉冲激光的偏振方向与所述第一波片的慢轴成45°角。

优选地，所述第一分束器的分束比为10:90，即透射端发射的光的强度为脉冲激光器的输出的光强度的百分之十。

优选地，所述第二分束器的分束比为50:50。

优选地，所述逆向调制端包括第二光学天线、强度调制器、第三偏振分束器、相位调制器、第一凸透镜、第二凸透镜、第一反射装置和第二反射装置，其中：

所述第二光学天线接收所述询问端发送的圆偏振光后，依次经所述强度调制器和第三偏振分束器后分为两束光，所述第三偏振分束器的透射端发射的光依次经所述相位调制器和第一反射装置反射后，依次经所述相位调制器和第三偏振分束器原路返回；

所述第三偏振分束器的反射端发射的光经所述第二反射装置反射后，依次经所述第二凸透镜和第三偏振分束器原路返回；

所述经第一反射装置和第二反射装置反射的两束光在所述第三偏振分束器中叠加后，经所述强度调制器调制后，通过第二光学天线发送至自由空间，经自由空间传输返回询问端。

优选地，所述强度调制器为多量子阱强度调制器。

优选地，所述第一反射装置和第二反射装置均为猫眼反射装置，具体为：

所述第一反射装置包括第一凸透镜和第一反射镜，所述第一反射镜位于所述第一凸透镜的焦平面上，所述第三偏振分束器的透射端发射的光依次经所述相位调制器、第一凸透镜和第一反射镜反射后，依次经所述第一凸透镜、相位调制器和第三偏振分束器原路返回；

所述第二反射装置包括第二凸透镜和第二反射镜，所述第二反射镜位于所述第二凸透镜的焦平面上，所述第三偏振分束器的反射端发射的光依次经所述第二凸透镜和第二反射镜反射后，依次经所述第二凸透镜和第三偏振分束器原路返回。

一种密钥分发方法，其特征在于，所述密钥分发方法应用于上述所述的逆向调制自由空间QKD系统，所述密钥分发方法包括以下步骤：

S1：询问端发送一系列脉冲激光，通过第一波片将激光器产生的线偏振脉冲激光变为圆偏振光，然后通过第一分束器部分衰减，接着通过第一光学天线发送给逆向调制端；

S2：逆向调制端通过第二光学天线接收光信号，并通过相位调制的方式改变光信号的偏振态，然后将信号光原路反射回去；

S3：反射的信号光通过强度调制器，随机地出射诱骗态或信号光，通过第二光学天线发送回询问端；

S4：询问端接收光信号，进行相位补偿，然后随机的选择测量基进行偏振测量；

S5：询问端通过经典信道和逆向调制端进行基矢的对比，筛选密钥；

S6：双方进行误码检测，误码率超过阈值则放弃此次通信，误码率在阈值范围内则进行纠错和保密增强，得到最终的密钥

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

1.本发明采用逆向调制的结构，逆向调制端仅需要调制信号，然后将信号原路反射回询问端，不需要解调，使得对逆向调制端的结构大大的简化，所需的光学元件较少，损耗小，成本低，更加稳定。

2.本发明利用相位调制实现的偏振调制密钥分发方法，密钥产生效率高。

3.本发明采用的元器件均有成熟的技术方案，易于方案的实现。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图。

图2为本发明系统的询问端结构示意图。

图3为本发明系统的逆向调制端结构示意图。

图4为实施例提供的相位差δ＝0、π、/>时，叠加得到的偏振光示意图。

图5为本发明的方法流程示意图。

图中，1为脉冲激光器，2为第一波片，3为第一分束器，4为第一光学天线，5为第二波片，6为第二分束器，7为第三波片，8为第一偏振分束器，9为第二单光子探测器，10为第一单光子探测器，11为第四波片，12为第二偏振分束器，13为第四单光子探测器，14为第三单光子探测器，15为强度调制器，16为第三偏振分束器，17为相位调制器，18为第一凸透镜，19为第一反射镜，20为第二凸透镜，21为第二反射镜，22为第二光学天线。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

本实施例提供一种逆向调制自由空间QKD系统，如图1所示，包括询问端和逆向调制端，所述询问端与所述逆向调制端通过自由空间互相连接，所述询问端发送圆偏振光至所述逆向调制端，所述逆向调制端通过相位调制改变接收到的光信号的偏振态，并反射回所述询问端。

系统的整体结构为询问端发射脉冲激光作为信号光，通过自由空间传输到逆向调制端，由逆向调制端调制信号后再反射回自由空间，最后由询问端接收信号并解调。

实施例2

本实施例在实施例1的基础上，提供询问端的具体结构，如图2所示，所述询问端包括脉冲激光器1、第一分束器3、第二分束器6、第一光学天线4、第一偏振分束器8、第二偏振分束器12、第一波片2、第二波片5、第三波片7、第四波片11、第一单光子探测器10和第二单光子探测器9、第三单光子探测器14和第四单光子探测器13，其中：

所述脉冲激光器1的输出的线偏振脉冲激光首先经第一波片2后变为圆偏振光，所述圆偏振光经所述第一分束器3，所述第一分束器3透射端发射的光经所述第一光学天线4发送至所述逆向调制端，所述第一光学天线4接收所述逆向调制端返回的光信号后输出至所述第一分束器3，所述第一分束器3将所述逆向调制端返回的光信号反射后依次经过第二波片5和第二分束器6后分为两束光，所述第二分束器6的透射端发射的光依次经所述第三波片7和第一偏振分束器8后分为两束光，所述第一偏振分束器8的透射端发射的光发射至所述第一单光子探测器10进行检测，所述第一偏振分束器8的反射端发射的光发射至所述第二单光子探测器9进行检测，所述第二分束器6的反射端发射的光依次经第四波片11和第二偏振分束器12后分为两束光，所述第二偏振分束器12的透射端发射的光发射至所述第三单光子探测器14进行检测，所述第二偏振分束器12的反射端发射的光发射至所述第四单光子探测器13进行检测。

所述第一波片2和第三波片7为四分之一波片，第二波片5和第四波片11为半波片。

所述脉冲激光器1的输出的线偏振脉冲激光首先经第一波片2后变为圆偏振光，所述线偏振脉冲激光的偏振方向与所述第一波片2的慢轴成45°角，由波片的双折射效应，从波片出射的光变为左旋圆偏振光。光束通过四分之一波片时其快轴在x方向，琼斯矩阵的表达式为：

所述第一分束器3的分束比为10:90，即透射端发射的光的强度为脉冲激光器1的输出的光强度的百分之十，意味着只有百分之十的光通过第一光学天线4发送至自由空间，能够对发射出去的信号光进行部分的衰减，反射光强度为信号光强度百分之九十都舍弃掉。因其分束比为10：90，逆向调制端反射回来的光有百分十的透射光被舍弃，百分之九十的反射光通过第二波片5。此波片为偏振补偿器件，其作用在于补偿信号光在各种器件中传输偏振态发生的变化。

所述第二分束器6的分束比为50:50，所以信号光将为分为一半透射光和一半反射光。

反射光通过第四波片11，线偏振光通过此波片其偏振方向将旋转45°，圆偏振光通过将还是圆偏振光。随后通过第二偏振分束器12，从第二偏振分束器12的反射光将入射第四单光子探测器13，透射光将入射第三单光子探测器14。

经过第二偏振分束器12的透射光通过第三波片7，其作用是将通过的线偏振光变为圆偏振光，也可以将通过的圆偏振光变为线偏振光。随后通过第一偏振分束器8，从第一偏振分束器8的反射光将入射第二单光子探测器9，透射光将入射第一单光子探测器10。

实施例3

本实施例在实施例1的基础上，提供逆向调制端的具体结构，如图3所示：

所述逆向调制端包括第二光学天线22、强度调制器15、第三偏振分束器16、相位调制器17、第一凸透镜18、第二凸透镜20、第一反射装置和第二反射装置，其中：

所述第二光学天线22接收所述询问端发送的圆偏振光后，依次经所述强度调制器15和第三偏振分束器16后分为两束光，所述第三偏振分束器16的透射端发射的光依次经所述相位调制器17和第一反射装置反射后，依次经所述相位调制器17和第三偏振分束器16原路返回；

所述第三偏振分束器16的反射端发射的光经所述第二反射装置反射后，依次经所述第二凸透镜20和第三偏振分束器16原路返回；

所述经第一反射装置和第二反射装置反射的两束光在所述第三偏振分束器16中叠加后，经所述强度调制器15调制后，通过第二光学天线22发送至自由空间，经自由空间传输返回询问端；

光信号通过偏振分束器，光信号分解为水平偏振光和竖直偏振光，其中透射光为水平线偏振光，反射光为竖直线偏振光。因入射信号光为左旋圆偏振光，所以将有一半的概率透射，一半的概率反射；

在偏振分束器透射的水平线偏振光进入相位调制器17，随机的加载0、π/2、π、3π/2的相位，通过反射装置反射回来。

通过反射装置返回的两束光在偏振分束器相遇。根据两束偏振方向垂直的线偏振光的叠加原理，当其相位差为零的时候，合光束为45°线偏振光；当其相位差为π时，合光束为135°线偏振光；当其相位差为π/2时，合光束为右旋圆偏振光；当其相位差为3π/2时，合光束为左旋圆偏振光。其具体原理如下：

利用两束频率相同偏振方向垂直的线偏振光的叠加原理，两束频率相同，强度相同，偏振方向垂直的光可表示为：

E_x＝A cos(ωt-α₁)

E_y＝A cos(ωt-α₂)

两束光叠加，合矢量末端的轨迹方程为：

通过这个公式可以得出，当两束光具有不同的相位，产生相位差δ(δ＝α₂-α₁)时，其叠加态可以为不同的偏振光，具体如图4所示。

所述光信号从偏振分束器返回经过强度调制器15，通过控制强度调制器15随机的输出诱骗态或信号光，诱骗态为真空态，输出的信号光为弱相干态，其满足泊松分布。通过光学天线发送到自由空间，经自由空间传输返回到询问端。

所述强度调制器15为多量子阱强度调制器15，多量子阱调制器为电控吸收型强度调制器15，通过改变它的控制信号可以实现光探测功能，其主要作用为产生诱骗态，且多量子阱调制器具有较高的调制速率。

所述第一反射装置和第二反射装置均为猫眼反射装置，具体为：

所述第一反射装置包括第一凸透镜18和第一反射镜19，所述第一反射镜19位于所述第一凸透镜18的焦平面上，所述第三偏振分束器16的透射端发射的光依次经所述相位调制器17、第一凸透镜18和第一反射镜19反射后，依次经所述第一凸透镜18、相位调制器17和第三偏振分束器16原路返回；

所述第二反射装置包括第二凸透镜20和第二反射镜21，所述第二反射镜21位于所述第二凸透镜20的焦平面上，所述第三偏振分束器16的反射端发射的光依次经所述第二凸透镜20和第二反射镜21反射后，依次经所述第二凸透镜20和第三偏振分束器16原路返回。

所述的相位调制器17为空间光的相位调制器17，相比于利用波片来调制相位更加灵活，可以调制各种不同的相位。

实施例4

本实施例在实施例1至3的基础上，提供一种密钥分发方法，如图5所示，包括以下步骤：

S1：询问端发送一系列脉冲激光，通过第一波片2将激光器产生的线偏振脉冲激光变为圆偏振光，然后通过第一分束器3部分衰减，接着通过第一光学天线4发送给逆向调制端；

S2：逆向调制端通过第二光学天线22接收光信号，并通过相位调制的方式改变光信号的偏振态，然后将信号光原路反射回去；

S3：反射的信号光通过强度调制器15，随机地出射诱骗态或信号光，通过第二光学天线22发送回询问端；

S4：询问端接收光信号，进行相位补偿，然后随机的选择测量基进行偏振测量；

S5：询问端通过经典信道和逆向调制端进行基矢的对比，筛选密钥；

S6：双方进行误码检测，误码率超过阈值则放弃此次通信，误码率在阈值范围内则进行纠错和保密增强，得到最终的密钥。

相同或相似的标号对应相同或相似的部件；

附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种逆向调制自由空间QKD系统，其特征在于，包括询问端和逆向调制端，所述询问端与所述逆向调制端通过自由空间互相连接，所述询问端发送圆偏振光至所述逆向调制端，所述逆向调制端通过相位调制改变接收到的光信号的偏振态，并反射回所述询问端；

所述逆向调制端包括第二光学天线、强度调制器、第三偏振分束器、相位调制器、第一凸透镜、第二凸透镜、第一反射装置和第二反射装置，其中：

所述第二光学天线接收所述询问端发送的圆偏振光后，依次经所述强度调制器和第三偏振分束器后分为两束光，所述第三偏振分束器的透射端发射的光依次经所述相位调制器和第一反射装置反射后，依次经所述相位调制器和第三偏振分束器原路返回；

所述第三偏振分束器的反射端发射的光经所述第二反射装置反射后，依次经所述第二凸透镜和第三偏振分束器原路返回；

经第一反射装置和第二反射装置反射的两束光在所述第三偏振分束器中叠加后，经所述强度调制器调制后，通过第二光学天线发送至自由空间，经自由空间传输返回询问端。

2.根据权利要求1所述的逆向调制自由空间QKD系统，其特征在于，所述询问端包括脉冲激光器、第一分束器、第二分束器、第一光学天线、第一偏振分束器、第二偏振分束器、第一波片、第二波片、第三波片、第四波片、第一单光子探测器和第二单光子探测器、第三单光子探测器和第四单光子探测器，其中：

所述脉冲激光器的输出的线偏振脉冲激光首先经第一波片后变为圆偏振光，所述圆偏振光经所述第一分束器，所述第一分束器透射端发射的光经所述第一光学天线发送至所述逆向调制端，所述第一光学天线接收所述逆向调制端返回的光信号后输出至所述第一分束器，所述第一分束器将所述逆向调制端返回的光信号反射后依次经过第二波片和第二分束器后分为两束光，所述第二分束器的透射端发射的光依次经所述第三波片和第一偏振分束器后分为两束光，所述第一偏振分束器的透射端发射的光发射至所述第一单光子探测器进行检测，所述第一偏振分束器的反射端发射的光发射至所述第二单光子探测器进行检测，所述第二分束器的反射端发射的光依次经第四波片和第二偏振分束器后分为两束光，所述第二偏振分束器的透射端发射的光发射至所述第三单光子探测器进行检测，所述第二偏振分束器的反射端发射的光发射至所述第四单光子探测器进行检测。

3.根据权利要求2所述的逆向调制自由空间QKD系统，其特征在于，所述第一波片和第三波片为四分之一波片，第二波片和第四波片为半波片。

4.根据权利要求3所述的逆向调制自由空间QKD系统，其特征在于，所述脉冲激光器的输出的线偏振脉冲激光首先经第一波片后变为圆偏振光，所述线偏振脉冲激光的偏振方向与所述第一波片的慢轴成45°角。

5.根据权利要求2所述的逆向调制自由空间QKD系统，其特征在于，所述第一分束器的分束比为10:90，即透射端发射的光的强度为脉冲激光器的输出的光强度的百分之十。

6.根据权利要求2所述的逆向调制自由空间QKD系统，其特征在于，所述第二分束器的分束比为50:50。

7.根据权利要求1所述的逆向调制自由空间QKD系统，其特征在于，所述强度调制器为多量子阱强度调制器。

8.根据权利要求7所述的逆向调制自由空间QKD系统，其特征在于，所述第一反射装置和第二反射装置均为猫眼反射装置，具体为：

所述第一反射装置包括第一凸透镜和第一反射镜，所述第一反射镜位于所述第一凸透镜的焦平面上，所述第三偏振分束器的透射端发射的光依次经所述相位调制器、第一凸透镜和第一反射镜反射后，依次经所述第一凸透镜、相位调制器和第三偏振分束器原路返回；

所述第二反射装置包括第二凸透镜和第二反射镜，所述第二反射镜位于所述第二凸透镜的焦平面上，所述第三偏振分束器的反射端发射的光依次经所述第二凸透镜和第二反射镜反射后，依次经所述第二凸透镜和第三偏振分束器原路返回。

9.一种密钥分发方法，其特征在于，所述密钥分发方法应用于权利要求1至8任一项所述的逆向调制自由空间QKD系统，所述密钥分发方法包括以下步骤：

S1：询问端发送一系列脉冲激光，通过第一波片将激光器产生的线偏振脉冲激光变为圆偏振光，然后通过第一分束器部分衰减，接着通过第一光学天线发送给逆向调制端；

S2：逆向调制端通过第二光学天线接收光信号，并通过相位调制的方式改变光信号的偏振态，然后将信号光原路反射回去；

S3：反射的信号光通过强度调制器，随机地出射诱骗态或信号光，通过第二光学天线发送回询问端；

S4：询问端接收光信号，进行相位补偿，然后随机的选择测量基进行偏振测量；

S5：询问端通过经典信道和逆向调制端进行基矢的对比，筛选密钥；

S6：双方进行误码检测，误码率超过阈值则放弃此次通信，误码率在阈值范围内则进行纠错和保密增强，得到最终的密钥。