CN114448625B - 一种基于镜像协议的偏振编码半量子密钥分发系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于镜像协议的偏振编码半量子密钥分发系统及方法，其中，所述方法包括：在发送端生成光脉冲，并将所述光脉冲传输至接收端；所述接收端将所述光脉冲划分为偏振态不同的第一光脉冲和第二光脉冲，并通过环路中的双向通道分别对所述第一光脉冲和所述第二光脉冲进行处理；通过所述接收端或者所述发送端对处理后的光脉冲进行探测，得到探测结果；根据所述探测结果、所述接收端对光脉冲的处理方式以及所述发送端对光脉冲的测量方式，得到安全密钥。本发明提供的技术方案，能够具备更高的安全性和实际应用的可行性。

Description

一种基于镜像协议的偏振编码半量子密钥分发系统及方法

技术领域

本发明涉及量子保密通信领域，具体而言，涉及一种基于镜像协议的偏振编码半量子密钥分发系统及方法。

背景技术

目前，随着计算机和互联网在通信领域中的使用，对于通信数据的加密要求也在逐渐提升。在数据加密的手段中，一些依赖于计算的复杂度的加密手段依然存在一定的被破译的可能，而量子密码技术则基于海森堡测不准原理和未知量子态不可克隆原理，可以做到在理论上满足“一次一密”加密系统的要求，具有理论上的无条件安全性。

其中，在1984年，Bennett和Brassard提出了第一个量子密钥分发协议，在此之后往往将量子密钥分发协议的通信双方定义为Alice和Bob，双方均具有操纵量子的能力，例如在任意基形式上完成对量子比特的制备和测量。直到2007年，Boyer等人基于此前的量子密钥分发协议，提出了半量子密钥分发协议的概念以及四态协议，降低了量子密钥分发协议的要求，Bob端只需要拥有制备Z基形式的量子态和直接转移量子比特的能力即可。

在2009年，Zou等人提出了半量子密钥分发的偏振编码半量子密钥分发协议，该协议的具体步骤流程为：Alice制备一个量子态为|+>的光子，将该光子发送给Bob，Bob随机选择“用Z基测量后重发光子”或者“不做任何操作返还光子”，Alice对Bob发送回来的光子随机选择Z基或者X基进行测量，最后Alice和Bob同时公开其操作选择，若Bob选择用Z基测量且Alice端也选择了Z基测量，则该位置的量子比特可作为码，若Bob选择不做任何操作返还光子且Alice选择X基测量，则该位置的量子比特可用来检测窃听。

在2017年，Boyer等人提出了半量子密钥分发的镜像协议，将以往的SQKD协议中，实际很难可行的SIFT操作改为了SWAP-10、SWAP-01和SWAP-ALL，并提出了可以用一种可控镜的方法实现半量子密钥分发，极大程度上的简化了SQKD光路设计。该协议的具体流程为：Alice制备一个量子态为|+>的光子，将该光子发送给Bob，Bob随机选择“不测量光子，直接返还光子”或者“测量垂直偏振态光子，返还水平偏振态光子”或者“测量水平偏振态光子，返还垂直偏振态光子”或者“测量全部光子”，Alice对Bob发送回来的光子随机选择Z基或者X基进行测量，最后Bob公开其操作SWAP-X(只公布SWAP-X，不公布其具体的操作SWAP-10和SWAP01)和SWAP-ALL，Alice和Bob同时公开他们所测量的光子数(探测到光子即为1，否则为0)。在Bob测量光子数为0和Alice测量光子数为1的情况下，若Bob选择SWAP-X且Alice选择测量Z基，则该位置的量子比特可以作为码，若Bob选择不做任何操作返还光子且Alice选择X基测量，则该位置的量子比特可用来检测窃听。若Bob选择测量所有光子且Alice选择Z基测量，则该位置的量子比特可用来做安全性分析。

在目前的实现方法中，有运用镜像协议的时间相位编码以及其半量子密钥分发的实现方法。具体地，单态半量子密钥分发系统可以包括发送端和接收端，发送端中包括相位调制器单元，接收端则包括强度调制器单元，该强度调制单元与非等臂干涉仪相连，该强度调制器单元可以是干涉环路。干涉环路通过对非等臂干涉仪发送的光脉冲组加载电压，得到处理后的光脉冲组，并向非等臂干涉仪发送处理后的光脉冲组。而偏振编码半量子密钥分发的实现方法需要接收端根据测量光子得到的结果重新生成新的光子并发送至发送端，不仅操作较为复杂，而且存在受到标记攻击导致信息泄露的安全隐患，因此当前的实现方法由于自身不够安全，难以具备实际应用的可行性。

发明内容

有鉴于此，有必要针对上述的问题，提供一种基于镜像协议的偏振编码半量子密钥分发系统及方法，能够具备较高的安全性和实际应用的可行性。

为实现上述目的，本发明一方面提供了一种基于镜像协议的偏振编码半量子密钥分发方法，所述方法包括：

在发送端生成光脉冲，并将所述光脉冲传输至接收端；

所述接收端将所述光脉冲划分为偏振态不同的第一光脉冲和第二光脉冲，并通过环路中的双向通道分别对所述第一光脉冲和所述第二光脉冲进行处理；

通过所述接收端或者所述发送端对处理后的光脉冲进行探测，得到探测结果；

根据所述探测结果、所述接收端对光脉冲的处理方式以及所述发送端对光脉冲的测量方式，得到安全密钥。

在一个实施方式中，所述第一光脉冲为水平偏振光脉冲，所述第二光脉冲为垂直偏振光脉冲；

所述接收端对光脉冲包含四种处理方式，其中：

第一种处理方式表征为保持所述第一光脉冲和所述第二光脉冲的偏振态不变；

第二种处理方式表征为保持所述第一光脉冲的偏振态不变，并将所述第二光脉冲的偏振态从垂直改变为水平；

第三种处理方式表征为将所述第一光脉冲的偏振态从水平改变为垂直，并保持所述第二光脉冲的偏振态不变；

第四种处理方式表征为将所述第一光脉冲的偏振态从水平改变为垂直，并将所述第二光脉冲的偏振态从垂直改变为水平。

在一个实施方式中，通过所述接收端或者所述发送端对处理后的光脉冲进行探测包括：

在所述第一种处理方式下，处理后的光脉冲均由所述发送端进行探测；

在所述第二种处理方式下，处理后的第一光脉冲由所述发送端进行探测，处理后的第二光脉冲由所述接收端进行探测；

在所述第三种处理方式下，处理后的第一光脉冲由所述接收端进行探测，处理后的第二光脉冲由所述发送端进行探测；

在所述第四种处理方式下，处理后的第一光脉冲和第二光脉冲均由所述接收端进行探测。

在一个实施方式中，在所述发送端探测到光子，并且所述接收端未探测到光子的情况下，才形成编码。

在一个实施方式中，根据所述探测结果、所述接收端对光脉冲的处理方式以及所述发送端对光脉冲的测量方式，得到安全密钥包括：

若所述接收端采用的是第二种处理方式或者第三种处理方式，并且所述发送端采用Z基矢测量，则根据测量结果形成编码；

若所述接收端采用的是第二种处理方式或者第三种处理方式，并且所述发送端采用X基矢测量，则舍弃当前位的编码；

若所述接收端采用的是第一种处理方式，并且所述发送端采用X基矢测量，则根据测量结果监测系统是否被窃听；

若所述接收端采用的是第一种处理方式，并且所述发送端采用Z基矢测量，则舍弃当前位的编码；

若所述接收端采用的是第四种处理方式，并且所述发送端采用X基矢测量，根据所述发送端和所述接收端公开的光子数以及所述接收端公开的处理方式，检测通信损耗是否正常以及系统是否被窃听。

在一个实施方式中，根据测量结果形成编码包括：

若所述接收端采用的第二种处理方式，并且测量结果为|0>，则形成编码0；若所述接收端采用的第三种处理方式，并且测量结果为|1>，则形成编码1。

本发明另一方面一种基于镜像协议的偏振编码半量子密钥分发系统，所述系统包括：

光脉冲传输单元，用于在发送端生成光脉冲，并将所述光脉冲传输至接收端；

光脉冲处理单元，用于通过所述接收端将所述光脉冲划分为偏振态不同的第一光脉冲和第二光脉冲，并通过环路中的双向通道分别对所述第一光脉冲和所述第二光脉冲进行处理；

探测单元，用于通过所述接收端或者所述发送端对处理后的光脉冲进行探测，得到探测结果；

密钥生成单元，用于根据所述探测结果、所述接收端对光脉冲的处理方式以及所述发送端对光脉冲的测量方式，得到安全密钥。

在一个实施方式中，所述第一光脉冲为水平偏振光脉冲，所述第二光脉冲为垂直偏振光脉冲；所述光脉冲处理单元对光脉冲包含四种处理方式，其中：

第一种处理方式表征为保持所述第一光脉冲和所述第二光脉冲的偏振态不变；

第二种处理方式表征为保持所述第一光脉冲的偏振态不变，并将所述第二光脉冲的偏振态从垂直改变为水平；

第三种处理方式表征为将所述第一光脉冲的偏振态从水平改变为垂直，并保持所述第二光脉冲的偏振态不变；

第四种处理方式表征为将所述第一光脉冲的偏振态从水平改变为垂直，并将所述第二光脉冲的偏振态从垂直改变为水平。

在一个实施方式中，所述探测单元包括：

第一处理模块，用于在所述第一种处理方式下，处理后的光脉冲均由所述发送端进行探测；

第二处理模块，用于在所述第二种处理方式下，处理后的第一光脉冲由所述发送端进行探测，处理后的第二光脉冲由所述接收端进行探测；

第三处理模块，用于在所述第三种处理方式下，处理后的第一光脉冲由所述接收端进行探测，处理后的第二光脉冲由所述发送端进行探测；

第四处理模块，用于在所述第四种处理方式下，处理后的第一光脉冲和第二光脉冲均由所述接收端进行探测。

在一个实施方式中，所述密钥生成单元包括：

第一生成模块，用于若所述接收端采用的是第二种处理方式或者第三种处理方式，并且所述发送端采用Z基矢测量，则根据测量结果形成编码；

第二生成模块，用于若所述接收端采用的是第二种处理方式或者第三种处理方式，并且所述发送端采用X基矢测量，则舍弃当前位的编码；

第三生成模块，用于若所述接收端采用的是第一种处理方式，并且所述发送端采用X基矢测量，则根据测量结果监测系统是否被窃听；

第四生成模块，用于若所述接收端采用的是第一种处理方式，并且所述发送端采用Z基矢测量，则舍弃当前位的编码；

第五生成模块，用于若所述接收端采用的是第四种处理方式，并且所述发送端采用X基矢测量，根据所述发送端和所述接收端公开的光子数以及所述接收端公开的处理方式，检测通信损耗是否正常以及系统是否被窃听。

本发明的有益效果为：

在接收端通过对光脉冲采用不同的处理方式，实现了偏振编码镜像协议，解决了现有技术技术协议系统的设计不合理问题，简化了接收端的操作，实现了稳定的偏振编码镜像半量子密钥分发协议系统，具有更高的安全性和实际应用的可行性。

在实际应用中，可以采用光开关单元作为接收端，实现接收端对于发送端发送过来的光脉冲的调制操作，合理地实现了镜像协议的半量子密钥分发，简化了接收端的操作，实现了稳定的基于镜像协议的偏振编码半量子密钥分发协议的双路实验系统。

附图说明

图1示出了本发明一个实施方式中的基于镜像协议的偏振编码半量子密钥分发方法步骤示意图；

图2示出了本发明一个实施方式中的基于镜像协议的偏振编码半量子密钥分发系统的实验架构示意图；

图3示出了本发明一个实施方式中的基于镜像协议的偏振编码半量子密钥分发系统的功能模块示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案作进一步清楚、完整地描述。需要说明的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

实施例一

请参阅图1，本申请提供一种基于镜像协议的偏振编码半量子密钥分发方法，所述方法包括以下多个步骤。

S1：在发送端生成光脉冲，并将所述光脉冲传输至接收端；

S2：所述接收端将所述光脉冲划分为偏振态不同的第一光脉冲和第二光脉冲，并通过环路中的双向通道分别对所述第一光脉冲和所述第二光脉冲进行处理；

S3：通过所述接收端或者所述发送端对处理后的光脉冲进行探测，得到探测结果；

S4：根据所述探测结果、所述接收端对光脉冲的处理方式以及所述发送端对光脉冲的测量方式，得到安全密钥。

具体地，请参阅图2，在一个应用示例中，基于镜像协议的偏振编码半量子密钥分发系统，包括发送端和接收端，其中，发送端包括信号光单元1、光传输单元2和探测器单元4，信号光单元1和光传输单元2依次连接，探测器单元4与光传输单元30连接。

接收端包括光开关单元3，光开关单元3与光传输单元2连接，光开关单元3为SAGNAC干涉仪。

所述SAGNAC干涉仪用于将接收的+45°光脉冲分为垂直光脉冲和水平光脉冲的光脉冲组并根据镜像协议对光脉冲进行处理，并向光传输单元2发送处理后的光脉冲组。

在本实施例中，信号光单元1，可以提供稳定的信号光输出；光传输单元2用于有效传输信号光单元1和光开关单元3之间以及光开关单元3与探测器单元4之间的信号光；光开关单元3可以实现镜像协议中的偏振编码过程并对光脉冲进行选择、操作和探测；探测器单元4可以探测得到信号光脉冲的编码结果。

其中，发送端还可称Alice发送端或Alice，接收端还可以被称为Bob端接收端或Bob；本申请的基于镜像协议的偏振编码半量子密钥分发系统具有双向信道，沿信号光单元1、光传输单元2和光开关单元3和探测器单元4的信道，是发送端送至接收端的信道，为正向信道；沿光开关单元3和光传输单元2和探测器单元4的信道，是接收端发送至发送端的信道，为反向信道。

光开关单元3对接受的光脉冲进行偏振分束的操作，将水平偏振光顺时针经过SAGNAC干涉仪，将垂直偏振光逆时针经过SAGNAC干涉仪；当不选择操作的情况下，光开关106和光开关107都选择经过2端口，该选择可以被定义为接收端的CTRL操作；当选择光开关106经过3端口，选择光开关107经过2端口，该选择可以被定义为接收端的SWAP-10操作；当选择光开关106经过2端口，选择光开关107经过3端口，该选择可以被定义为接收端的SWAP-01的操作；当选择光开关106和光开关107都经过3端口，该选择可以被定义为接收端的SWAP-ALL操作。

在本申请中，光开关106和光开关107是两款定制的保偏光开关。其中，光开关106和光开关107可以双向使用；光开关106的第1、2、3端口都为慢轴对准，垂直偏振光和水平偏振光都可以在不改变偏振态的情况下任意通过1、2、3端口；光开关107的第1、2端口为慢轴对准，第3端口为快轴对准，若从第1端口入射的偏振光，若从第2端口出射，偏振态不变，若从第3端口出射，则偏振态改变90°；若从第2端口入射偏振光，则从第1端口出射，偏振态不变；若从第3端口入射偏振光，从第1端口出射，偏振态改变90°；光开关106与光开关107的第2、3端口依次连接；保偏光纤连接时，当为同一条直线时，光纤的快慢轴对准一致；而由于光开关106与光开关107的第3端口快慢轴没有对准，所以需要扭转保偏光纤，从而达到光纤的快慢轴对准一致；由于在保偏光纤中，光脉冲的偏振态与快慢轴有关，所以通过这样的一个结构设计，光脉冲通过光开关106与光开关107的第3端口出射，达到偏振态旋转90°的操作。

其中，当选择SWAP-01或SWAP-10的操作时，在水平偏振光输出至光开关107、垂直偏振光输出至光开关106后，水平偏振光输入进光开关106、垂直偏振光输入进光开关107前，这一段时间内，需要切换光开关106和光开关107的开关。这样实现了镜像协议的操作，不再需要制备光子，SWAP-ALL的操作可以检测误码，提升了系统的实际应用的可行性。

本申请实施例的基于镜像协议的偏振编码半量子密钥分发系统中，信号光单元1包括激光器101、光隔离器102和光衰减器103，激光器101、光隔离器102和光衰减器103依次连接。

其中，激光器101用于产生稳定的信号光；光隔离器102用于防止光路中产生的后向传输光对光源以及光路系统产生不良影响，也即隔离后向传输的光，避免后向传输的光产生干扰；光衰减器103用于调节输出的信号光，使其达到合适的强度，合适的强度指信号光最终达到探测器单元的探测器时光强度处于探测器的阈值之内，并且信号光强度应该衰减到伪单光子的级别。

光传输单元2包括光环行器104，其中光环形器有三个端口，其中，光环行器104的第一端口连接光衰减器103，光环行器104的第二端口连接光开关单元3，光环行器104的第三端口连接探测器单元4。

光环行器的作用为在接收到信号光单元1产生的信号光时，将信号光作为光脉冲传输到第二端口连接的光开关单元3，以及进从光开关单元3返回的光脉冲传输到第三端口连接的探测单元40。

光开关单元3为SAGNAC干涉仪，包括第一偏振分束器105、光开关106、光开关107、第五单光子探测器108，第一偏振分束器105具有四个端口，其中，第一偏振分束器105的第一端口与光环行器第二端口连接，第一偏振分束器105的第二端口与第五单光子探测器108连接，第一偏振分束器105的第三端口与光开关107的第一端口连接，第一偏振分束器105的第四端口与光开关106的第一端口连接，光开关106的第一第二端口依次与光开关的第一第二端口连接。

其中，第一偏振分束器105用于将接收到的光脉冲分为水平偏振光脉冲和垂直偏振光脉冲，并分别从第一偏振分束器105的第三、第四端口出射到光开关107和光开关106。

探测器单元4，包括分束器(BS)109、第二偏振分束器110、第一单光子探测器111、第二单光子探测器112、半波片116、第三偏振分束器115、第三单光子探测器113和第四单光子探测器114，其中分束器109的第一端口与光环行器104的第三端口连接，分束器109的第二端口与第二偏振分束器110的第一端口连接，分束器109的第三端口与半波片连接，第二偏振分束器110的第二端口与第二单光子探测器112连接，第二偏振分束器110的第三端口与第一单光子探测器111连接，第三偏振分束器115的第一端口与半波片连接，第三偏振分束器115的第二端口与第四单光子探测器114连接，第三偏振分束器115的第三端口与第三单光子探测器113连接。

其中，从光连接单元20传入的信号光脉冲由分束器109随机被动选择测量X基和Z基，其中，X基为测量垂直偏振光脉冲和水平偏振光脉冲，Z基为测量+45°光脉冲和-45°光脉冲。

可选地，光开关单元3选用保偏光纤进行连接。

可选地，本申请实施例的偏振编码半量子密钥分发系统，各单元采用的连接方式可以为光纤连接，其中光纤可以选用单模光纤。

实施例二

本申请实施例的一种基于镜像协议的偏振编码半量子密钥分发方法包括以下流程：

步骤S110，信号光单元1产生光脉冲，并经由光传输单元2传输至光开关单元3；

步骤S120，光开关单元3对接收的光脉冲分成，垂直偏振光脉冲和水平偏振脉冲并进行选择处理；

步骤S130，光开关单元3对未处理过的光脉冲进行探测，已处理过的光脉冲传向光传输单元2；

步骤S140，探测器单元4接受已处理的光脉冲，对光脉冲进行检测，得到探测结果；

步骤S150，基于镜像协议的偏振编码半量子密钥分发系统根据探测器单元4、光开关单元3的第五单光子探测器108的检测结果和光开关单元3对光脉冲的处理结果，得到安全密钥。

本申请实施例的基于镜像协议的偏振编码半量子密钥分发方法，采用了SAGNAC干涉仪加上光开关作为接收端，相比现有技术，清晰明了地实现了镜像协议，简化了接收端的操作，是一种可靠的偏振编码半量子密钥分发方法。

作为一种可选的实施方式，步骤S120，光开关单元3对垂直偏振光脉冲和水平偏振脉冲并进行选择处理，可包括：

步骤S131，光开关106和光开关107的导通光路连接到2端口；

或步骤S132，光开关106的导通光路连接到2端口，光开关107的导通光路连接到3端口，在垂直偏振光穿过光开关106和水平偏振光穿过光开关107时，光开关106的导通光路连接到3端口，光开关107的导通光路连接到2端口；

或步骤S133，光开关106的导通光路连接到3端口，光开关107的导通光路连接到2端口，在垂直偏振光穿过光开关106和水平偏振光穿过光开关107时，光开关106的导通光路连接到2端口，光开关107的导通光路连接到3端口；

或步骤S134，光开关106和光开关107的导通光路连接到3端口；

其中，步骤S131可定义为光开关单元3选择的CTRL操作(第一种处理方式)，步骤S132可定义为光开关单元3选择的SWAP-10操作(第二种处理方式)，步骤S133可定义为光开关单元3选择的SWAP-01操作(第三种处理方式)，步骤S134可定义为光开关单元的SWAP-ALL操作(第四种处理方式)，在SWAP-X操作中，光脉冲经过第一个光开关的3端口，偏振态将改变90°。

如果光开关单元3进行的操作是CTRL操作，则从第一偏振分束器器105的第三端口输出水平偏振光脉冲经过两个光开关，偏振态不变，到达第一偏振分束器105的第四端口传输到光传输单元2，再传输到光探测单元40进行测量，第一偏振分束器器105的第四端口输出垂直偏振光脉冲经过两个光开关，偏振态不变，到达第一偏振分束器105的第三端口传输到光传输单元2，再传输到光探测单元40进行测量。

如果光开关单元3进行的操作是SWAP-10操作，则从第一偏振分束器器105的第三端口输出水平偏振光脉冲经过两个光开关，偏振态不变，到达第一偏振分束器105的第四端口传输到光传输单元2，再传输到光探测单元40进行测量，第一偏振分束器器105的第四端口输出垂直偏振光脉冲经过两个光开关，垂直偏振光脉冲将变为水平偏振光脉冲，到达第一偏振分束器105的第三端口传输到第五单光子探测器108进行测量。

如果光开关单元3进行的操作是SWAP-01操作，则从第一偏振分束器器105的第三端口输出水平偏振光脉冲经过两个光开关，水平偏振光脉冲将变为垂直偏振光脉冲，到达第一偏振分束器105的第四端口传输到第五单光子探测器108进行测量，第一偏振分束器器105的第四端口输出垂直偏振光脉冲经过两个光开关，偏振态不变，到达第一偏振分束器105的第四端口传输到光传输单元2，再传输到光探测单元40进行测量。

如果光开关单元3进行的操作是SWAP-ALL操作，则从第一偏振分束器器105的第三端口输出水平偏振光脉冲经过两个光开关，水平偏振光脉冲将变为垂直偏振光脉冲，到达第一偏振分束器105的第四端口传输到第五单光子探测器108进行测量，第一偏振分束器器105的第四端口输出垂直偏振光脉冲经过两个光开关，垂直偏振光脉冲将变为水平偏振光脉冲，到达第一偏振分束器105的第三端口传输到第五单光子探测器108进行测量。

其中，光开关单元3的光路，从第一偏振分束器105的第三端口到光开关107的第一端口的臂长应与从第一偏振分束器105的第四端口到光开关106的第一端口的臂长相等，光开关106的第三端口连接到光开关107的第三端口的臂长应于光开关106的第三端口连接到光开关107的第三端口的臂长相等，这样所有操作传输至光检测单元的光脉冲都在同一个时间槽里，所有操作传输至第五单光子探测器108的光脉冲都在同一个时间槽里。

在获得测量结果后，接收端公布自己选择的CTRL操作和SWAP-X操作和SWAP-ALL操作，其中，只公布SWAP-X，不公布其具体的操作SWAP-10和SWAP01。

发送端和接收端通过公开信道，公布自己探测到的光子数，有探测结果为1，没有探测结果为0，根据镜像半量子密钥分发协议进行判断，具体为：

发送端探测到的光子数为1且接收端探测到的光子数为0时，才有可能成码。

当接收端对接受的光脉冲的处理为SWAP-X操作时，如果发送端采用Z基矢测量，也即通过第一单光子探测器和第二单光子探测器测量，则可根据测量结果成码，其中：如果接收端的SWAP-10操作和测量结果为|0>态，则可成码0；如果接收端的SWAP-01操作和测量结果为|1>态，则可成码1。

当接收端对接受的光脉冲的处理为SWAP-X操作时，如果发送端采用X基矢测量，则无论测量结果为|+>态还是|->态，均将该位码舍弃。

当接收端对接收的脉冲的处理为CTRL操作时，如果发送端采用X基矢测量，则可以根据测量结果监测系统是否被窃听，而如果发送端采用Z基矢测量，则该码位舍弃。

当接收端对接收的脉冲的处理为SWAP-ALL操作时，并且所述发送端采用X基矢测量，发送端和接收端可以根据公开的光子数和接收端公开的操作来检测通信损耗是否正常和系统是否被窃听。

由上可见，在一个实施方式中，所述第一光脉冲为水平偏振光脉冲，所述第二光脉冲为垂直偏振光脉冲；

所述接收端对光脉冲包含四种处理方式，其中：

第一种处理方式表征为保持所述第一光脉冲和所述第二光脉冲的偏振态不变；

第二种处理方式表征为保持所述第一光脉冲的偏振态不变，并将所述第二光脉冲的偏振态从垂直改变为水平；

第三种处理方式表征为将所述第一光脉冲的偏振态从水平改变为垂直，并保持所述第二光脉冲的偏振态不变；

第四种处理方式表征为将所述第一光脉冲的偏振态从水平改变为垂直，并将所述第二光脉冲的偏振态从垂直改变为水平。

在一个实施方式中，通过所述接收端或者所述发送端对处理后的光脉冲进行探测包括：

在所述第一种处理方式下，处理后的光脉冲均由所述发送端进行探测；

在所述第二种处理方式下，处理后的第一光脉冲由所述发送端进行探测，处理后的第二光脉冲由所述接收端进行探测；

在所述第三种处理方式下，处理后的第一光脉冲由所述接收端进行探测，处理后的第二光脉冲由所述发送端进行探测；

在所述第四种处理方式下，处理后的第一光脉冲和第二光脉冲均由所述接收端进行探测。

在一个实施方式中，在所述发送端探测到光子，并且所述接收端未探测到光子的情况下，才形成编码。

在一个实施方式中，根据所述探测结果、所述接收端对光脉冲的处理方式以及所述发送端对光脉冲的测量方式，得到安全密钥包括：

若所述接收端采用的是第二种处理方式或者第三种处理方式，并且所述发送端采用Z基矢测量，则根据测量结果形成编码；

若所述接收端采用的是第二种处理方式或者第三种处理方式，并且所述发送端采用X基矢测量，则舍弃当前位的编码；

若所述接收端采用的是第一种处理方式，并且所述发送端采用X基矢测量，则根据测量结果监测系统是否被窃听；

若所述接收端采用的是第一种处理方式，并且所述发送端采用Z基矢测量，则舍弃当前位的编码；

若所述接收端采用的是第四种处理方式，并且所述发送端采用X基矢测量，根据所述发送端和所述接收端公开的光子数以及所述接收端公开的处理方式，检测通信损耗是否正常以及系统是否被窃听。

在一个实施方式中，根据测量结果形成编码包括：

若所述接收端采用的第二种处理方式，并且测量结果为|0>，则形成编码0；若所述接收端采用的第三种处理方式，并且测量结果为|1>，则形成编码1。

请参阅图3，本申请还提供一种基于镜像协议的偏振编码半量子密钥分发系统，所述系统包括：

光脉冲传输单元，用于在发送端生成光脉冲，并将所述光脉冲传输至接收端；

光脉冲处理单元，用于通过所述接收端将所述光脉冲划分为偏振态不同的第一光脉冲和第二光脉冲，并通过环路中的双向通道分别对所述第一光脉冲和所述第二光脉冲进行处理；

探测单元，用于通过所述接收端或者所述发送端对处理后的光脉冲进行探测，得到探测结果；

密钥生成单元，用于根据所述探测结果、所述接收端对光脉冲的处理方式以及所述发送端对光脉冲的测量方式，得到安全密钥。

在一个实施方式中，所述第一光脉冲为水平偏振光脉冲，所述第二光脉冲为垂直偏振光脉冲；所述光脉冲处理单元对光脉冲包含四种处理方式，其中：

第一种处理方式表征为保持所述第一光脉冲和所述第二光脉冲的偏振态不变；

第二种处理方式表征为保持所述第一光脉冲的偏振态不变，并将所述第二光脉冲的偏振态从垂直改变为水平；

第三种处理方式表征为将所述第一光脉冲的偏振态从水平改变为垂直，并保持所述第二光脉冲的偏振态不变；

第四种处理方式表征为将所述第一光脉冲的偏振态从水平改变为垂直，并将所述第二光脉冲的偏振态从垂直改变为水平。

在一个实施方式中，所述探测单元包括：

第一处理模块，用于在所述第一种处理方式下，处理后的光脉冲均由所述发送端进行探测；

第二处理模块，用于在所述第二种处理方式下，处理后的第一光脉冲由所述发送端进行探测，处理后的第二光脉冲由所述接收端进行探测；

第三处理模块，用于在所述第三种处理方式下，处理后的第一光脉冲由所述接收端进行探测，处理后的第二光脉冲由所述发送端进行探测；

第四处理模块，用于在所述第四种处理方式下，处理后的第一光脉冲和第二光脉冲均由所述接收端进行探测。

在一个实施方式中，所述密钥生成单元包括：

第一生成模块，用于若所述接收端采用的是第二种处理方式或者第三种处理方式，并且所述发送端采用Z基矢测量，则根据测量结果形成编码；

第二生成模块，用于若所述接收端采用的是第二种处理方式或者第三种处理方式，并且所述发送端采用X基矢测量，则舍弃当前位的编码；

第三生成模块，用于若所述接收端采用的是第一种处理方式，并且所述发送端采用X基矢测量，则根据测量结果监测系统是否被窃听；

第四生成模块，用于若所述接收端采用的是第一种处理方式，并且所述发送端采用Z基矢测量，则舍弃当前位的编码；

第五生成模块，用于若所述接收端采用的是第四种处理方式，并且所述发送端采用X基矢测量，根据所述发送端和所述接收端公开的光子数以及所述接收端公开的处理方式，检测通信损耗是否正常以及系统是否被窃听。

在接收端通过对光脉冲采用不同的处理方式，实现了偏振编码镜像协议，解决了现有技术技术协议系统的设计不合理问题，简化了接收端的操作，实现了稳定的偏振编码镜像半量子密钥分发协议系统，具有较高的安全性和实际应用的可行性。

在实际应用中，可以采用光开关单元作为接收端，实现接收端对于发送端发送过来的光脉冲的调制操作，合理地实现了镜像协议的半量子密钥分发，简化了接收端的操作，实现了稳定的基于镜像协议的偏振编码半量子密钥分发协议的双路实验系统。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种基于镜像协议的偏振编码半量子密钥分发方法，其特征在于，所述方法包括：

在发送端生成光脉冲，并将所述光脉冲传输至接收端；

所述接收端将所述光脉冲划分为偏振态不同的第一光脉冲和第二光脉冲，并通过环路中的双向通道分别对所述第一光脉冲和所述第二光脉冲进行处理，其中：

所述第一光脉冲为水平偏振光脉冲，所述第二光脉冲为垂直偏振光脉冲，所述接收端对光脉冲包含四种处理方式：

第一种处理方式表征为保持所述第一光脉冲和所述第二光脉冲的偏振态不变；

第二种处理方式表征为保持所述第一光脉冲的偏振态不变，并将所述第二光脉冲的偏振态从垂直改变为水平；

第三种处理方式表征为将所述第一光脉冲的偏振态从水平改变为垂直，并保持所述第二光脉冲的偏振态不变；

第四种处理方式表征为将所述第一光脉冲的偏振态从水平改变为垂直，并将所述第二光脉冲的偏振态从垂直改变为水平；

通过所述接收端或者所述发送端对处理后的光脉冲进行探测，得到探测结果；

根据所述探测结果、所述接收端对光脉冲的处理方式以及所述发送端对光脉冲的测量方式，得到安全密钥。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过所述接收端或者所述发送端对处理后的光脉冲进行探测包括：

在所述第一种处理方式下，处理后的光脉冲均由所述发送端进行探测；

在所述第二种处理方式下，处理后的第一光脉冲由所述发送端进行探测，处理后的第二光脉冲由所述接收端进行探测；

在所述第三种处理方式下，处理后的第一光脉冲由所述接收端进行探测，处理后的第二光脉冲由所述发送端进行探测；

在所述第四种处理方式下，处理后的第一光脉冲和第二光脉冲均由所述接收端进行探测。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述发送端探测到光子，并且所述接收端未探测到光子的情况下，才形成编码。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述探测结果、所述接收端对光脉冲的处理方式以及所述发送端对光脉冲的测量方式，得到安全密钥包括：

若所述接收端采用的是第二种处理方式或者第三种处理方式，并且所述发送端采用Z基矢测量，则根据测量结果形成编码；

若所述接收端采用的是第二种处理方式或者第三种处理方式，并且所述发送端采用X基矢测量，则舍弃当前位的编码；

若所述接收端采用的是第一种处理方式，并且所述发送端采用X基矢测量，则根据测量结果监测系统是否被窃听；

若所述接收端采用的是第一种处理方式，并且所述发送端采用Z基矢测量，则舍弃当前位的编码；

若所述接收端采用的是第四种处理方式，并且所述发送端采用X基矢测量，根据所述发送端和所述接收端公开的光子数以及所述接收端公开的处理方式，检测通信损耗是否正常以及系统是否被窃听。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据测量结果形成编码包括：

若所述接收端采用的第二种处理方式，并且测量结果为|0>，则形成编码0；若所述接收端采用的第三种处理方式，并且测量结果为|1>，则形成编码1。

6.一种基于镜像协议的偏振编码半量子密钥分发系统，其特征在于，所述系统包括：

光脉冲传输单元，用于在发送端生成光脉冲，并将所述光脉冲传输至接收端；

光脉冲处理单元，用于通过所述接收端将所述光脉冲划分为偏振态不同的第一光脉冲和第二光脉冲，并通过环路中的双向通道分别对所述第一光脉冲和所述第二光脉冲进行处理，其中：

所述第一光脉冲为水平偏振光脉冲，所述第二光脉冲为垂直偏振光脉冲，所述光脉冲处理单元对光脉冲包含四种处理方式：

第一种处理方式表征为保持所述第一光脉冲和所述第二光脉冲的偏振态不变；

第二种处理方式表征为保持所述第一光脉冲的偏振态不变，并将所述第二光脉冲的偏振态从垂直改变为水平；

第三种处理方式表征为将所述第一光脉冲的偏振态从水平改变为垂直，并保持所述第二光脉冲的偏振态不变；

第四种处理方式表征为将所述第一光脉冲的偏振态从水平改变为垂直，并将所述第二光脉冲的偏振态从垂直改变为水平；

探测单元，用于通过所述接收端或者所述发送端对处理后的光脉冲进行探测，得到探测结果；

密钥生成单元，用于根据所述探测结果、所述接收端对光脉冲的处理方式以及所述发送端对光脉冲的测量方式，得到安全密钥。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述探测单元包括：

第一处理模块，用于在所述第一种处理方式下，处理后的光脉冲均由所述发送端进行探测；

第二处理模块，用于在所述第二种处理方式下，处理后的第一光脉冲由所述发送端进行探测，处理后的第二光脉冲由所述接收端进行探测；

第三处理模块，用于在所述第三种处理方式下，处理后的第一光脉冲由所述接收端进行探测，处理后的第二光脉冲由所述发送端进行探测；

第四处理模块，用于在所述第四种处理方式下，处理后的第一光脉冲和第二光脉冲均由所述接收端进行探测。

8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述密钥生成单元包括：

第一生成模块，用于若所述接收端采用的是第二种处理方式或者第三种处理方式，并且所述发送端采用Z基矢测量，则根据测量结果形成编码；

第二生成模块，用于若所述接收端采用的是第二种处理方式或者第三种处理方式，并且所述发送端采用X基矢测量，则舍弃当前位的编码；

第三生成模块，用于若所述接收端采用的是第一种处理方式，并且所述发送端采用X基矢测量，则根据测量结果监测系统是否被窃听；

第四生成模块，用于若所述接收端采用的是第一种处理方式，并且所述发送端采用Z基矢测量，则舍弃当前位的编码；

第五生成模块，用于若所述接收端采用的是第四种处理方式，并且所述发送端采用X基矢测量，根据所述发送端和所述接收端公开的光子数以及所述接收端公开的处理方式，检测通信损耗是否正常以及系统是否被窃听。