CN115001678A - 一种基于多功能集成光量子芯片的多用户量子密钥分发全连接网络系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多功能集成光量子芯片的多用户量子密钥分发全连接网络系统，包括：网络服务供应商端的多自由度集成高维纠缠光子对源模块、基于模分复用技术的模式配置模块，用户端的模式解复用模块、编码/解码模块和光子探测模块。本发明能够进一步提高密钥率，也能方便基于现有光纤通信网络构建量子通信网络。
Description
技术领域
本发明涉及量子信息技术领域，尤其是一种基于多功能集成光量子芯片的多用户量子密钥分发全连接网络系统。
背景技术
作为新一代通信技术，量子密钥分发(Quantum Key Distribution，QKD)利用“海森堡测不准原理”和“量子不可克隆定理”等量子力学基本原理，保证了通信时理论上的“无条件安全性”，并已具备一定的在实际应用场景中部署的能力，既可以通过光纤实现短距离通信，也可以通过量子中继实现较远距离通信，或者通过卫星中转实现覆盖全球的超远距离通信。然而目前大多数的实现和协议仅限于两个通信方，这一定程度上限制了量子密钥分发的大规模实际应用。
量子通信网络旨在连接众多用户，其发展对于多用户之间的安全通信和信息传输至关重要。目前研究和实现的量子通信网络方案主要有以下几类：(1)基于量子中继器的网络使用量子存储器和纠缠交换拓展和构建量子通信网络，然而现有量子存储器的存储时长和存储效率等还有待技术改进；(2)基于可信中继节点的网络，网络中的终端用户节点和链接这两个终端节点的链路上所有的中继节点都需要参与密钥分发过程，这种方案要求所有中继节点都必须是可信的，并同时配备有接收和发送装置，这威胁了整个网络的安全性，也增加了资源和维护成本；(3)基于无源分束器、有源光开关和时间/频率复用等的点对多点主动/被动路由网络，这种方案允许多个用户共享光源或接收装置，但一次只允许某些用户对交换密钥；(4)基于高维或多体纠缠的全连接量子网络，多个用户之间共享纠缠资源，并通过纠缠分发将每个用户同时连接到网络内任何其他用户，这种方案的拓展要求系统维度较高并能够方便配置。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于多功能集成光量子芯片的多用户量子密钥分发全连接网络系统，能够进一步提高密钥率，也能方便基于现有光纤通信网络构建量子通信网络。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于多功能集成光量子芯片的多用户量子密钥分发全连接网络系统，包括：网络服务供应商端的多自由度集成高维纠缠光子对源模块、基于模分复用技术的模式配置模块，用户端的模式解复用模块、编码/解码模块和光子探测模块；网络服务供应商端的基于模分复用技术的模式配置模块用于将纠缠光子对源中的关联模式通过一定组合方式后分发给不同的用户，该模式配置需满足任意一对用户间都共享至少一对在某自由度上存在关联或纠缠的模式；用户端的模式解复用模块用于将接收到的模式进行解复用，解复用后的每个模式分别经过一个编码/解码模块和一组光子探测模块；编码/解码模块用于对用户接收到的不同模式的光子分别编码或解码；光子探测模块用于对用户端编/解码后的光子进行探测。
优选的，多自由度集成高维纠缠光子对源模块包括激光器、光电调制器、光学滤波器、偏振控制器和泵浦功能集成光量子芯片；激光器输出通过光纤连接或自由空间耦合方式依次通过电光调制器、光学滤波器、偏振控制器等，对激光的强度、相位、频率、偏振性质进行特定的调制后，泵浦功能集成光量子芯片上的非线性介质，通过光学非线性效应产生在光子的某些自由度上存在维度M≥2的纠缠的光子对，其量子态写为：
其中m和m′为光子某自由度的一对关联的模式，自由度包括时间、频率、相位、自旋、路径、偏振、轨道角动量；smm′为幅值，满足∑|smm′|2＝1；M为自由度的维度，根据网络拓扑结构的不同，对于不使用被动路由的全连接网络拓扑结构，M需满足2M≥N(N-1)，对于使用1分k的被动路由将N个用户构建为k个子网实现全连接的网络拓扑结构，M需满足
或2M≥k2+k，以保证该光源在任意两个用户间共享至少一对关联的模式，使得通信网络中任意两用户之间至少共享一对在某自由度上存在关联或纠缠的模式，从而构建一个同时全连接的量子通信网络。
优选的，非线性介质包括氟化镁、硅、二氧化硅、氮化硅、氮化铝、高掺杂石英玻璃、铌酸锂。
优选的，纠缠方式包括路径纠缠、偏振纠缠、能量时间纠缠、时间箱纠缠。
优选的，基于模分复用技术的模式配置模块中，为实现N个用户间两两通信的不使用被动路由的全连接网络拓扑结构，所需的模式数为
个，或
对模式；则第一步为将多自由度集成高维缠光子对源模块的某自由度下的N(N-1)个模式通过多通道模分复用器实现模式解复用，即实现1到N(N-1)的模式解复用，为保证N个用户间两两共享至少一对模式，每个用户需接收到(N-1)个模式，并与其他任意一个用户共享一对关联的模式(m和m′)；对应第二步为使用N个多通道模分复用器将特定组合方式的(N-1)个模式复用到一个通道，即实现(N-1)到1的复用；为实现N个用户间两两通信的使用被动路由的全连接网络拓扑结构，使用1分k的被动路由模式资源的消耗。
优选的，为实现N个用户间两两通信的使用被动路由的全连接网络拓扑结构，使用1分k的被动路由模式资源的消耗包括两种方案：第一种方案将N个用户分为k个子网络，每个子网络内部的
个用户通过
个模式全连接，需要
个1分k的被动路由，k个子网络之间通过
个模式全连接，需要
个1分k的被动路由，即共需要
个1分k的被动路由和
个模式；则基于模分复用技术的模式配置模块中第一步为将多自由度集成高维纠缠光子对源模块的某自由度下的
个模式通过多通道模分复用器实现模式解复用，即实现1到
的模式解复用；第二步为使用1分k的被动路由将每一个模式都分为k个；第三步为使用N个多通道模分复用器将特定组合方式的
个模式复用到一个通道
个模式用于子网络内部各用户间通信，(k-1)个模式用于不同子网络的用户之间通信)，即实现
到1的复用，以保证N个用户中任意两个用户之间共享至少一对关联的模式(m和m′)；
第二种方案为将N个用户分为k个子网络，k个子网络之间通过k(k-1)个模式并使用1分k的被动路由分发给子网络内部所有用户，实现子网络之间的全连接，而每个子网内部的
个用户共享同一对模式并使用同样的1分k的被动路由分发给子网络内部所有用户，实现子网络内部各用户之间的连接，该网络拓扑结构共需要k2+k个模式和k个
的被动路由；则基于模分复用技术的模式配置模块中第一步为将多自由度集成高维纠缠光子对源模块的某自由度下的k2+k个模式通过多通道模分复用器实现模式解复用，即实现1到k2+k的模式解复用；第二步为使用1分k的被动路由将每一个模式都分为k个；第三步为使用N个多通道模分复用器将特定组合方式的(k+1)个模式复用到一个通道(2k个模式用于子网络内部各用户间通信，(k-1)个模式用于不同子网络的用户之间通信)，即实现(k+1)到1的复用，以保证N个用户中任意两个用户之间共享至少一对关联的模式(m和m′)，组合方式需保证任意一对用户间都共享至少一对在某自由度上存在关联或纠缠的模式，即可在N用户量子通信全连接网络中的每一对用户间建立量子关联。
优选的，编/解码模块采用路径编码、偏振编码、能量时间编码、时间箱编码、相位编码不同编/解码方式。
优选的，光子探测模块采用雪崩二极管单光子探测器、超导纳米线单光子探测器、光子数/频率分辨单光子探测器。
优选的，网络服务供应商通过光纤通信网络将不同的模式组合分发给不同用户，由于每个用户都与其他N-1个用户都共享至少一对在某自由度上存在关联或纠缠的模式，即在每一对用户间都建立量子关联，从而构建了一个N用户全连接网络。
优选的，用户间使用E91、BBM92基于纠缠的或MDI基于纠缠时间反演的量子密钥分发协议进行密钥分发，用户分别对分配到的光子使用特定的基矢测量，再通过比对、纠错和隐私放大等数据后处理方法将原始密钥中的误码和可能泄露给窃听者的信息去掉便能得到一致的安全密钥串，从而在用户间实现量子密钥分发，用户在不改变光纤连接和系统配置的前提下，均可使用该方法与其他任意用户进行量子密钥分发，从而构建了一个N用户全连接量子密钥分发网络。
本发明的有益效果为：在网络架构层面，本发明采用的全连接网络架构利用纠缠光子对之间的量子关联，仅使用N(N-1)个模式(不使用被动路由)、
个或k2+k个模式(使用1分k的被动路由)便能在N个用户间建立完全连接；
在资源消耗层面，本发明只需网络供应商有一套多自由度高维纠缠光子对源及模式配置模块，而基于CMOS制造技术的集成光子学芯片，能方便、稳定、大批量生产该类纠缠光源，每个用户只需有一套模式解复用模块、编码/解码模块和光子探测模块；
在可拓展性上，增加或减少网络中的用户数量只需增加模式数量及调整模式配置方案，而无需提供额外的纠缠光源资源，而传统的点对点通信网络需要每对用户间配备一套独立的光源和两套编码/解码模块和光子探测模块；
本发明通过一根光纤便将每个用户连接到一个纠缠光源，因而能很好地兼容传统光纤通信网路中常用的时分复用(TDM)、频分复用(FDM)、码分复用(CDM)和波分复用(WDM)等模分复用技术，这既能进一步提高密钥率，也能方便基于现有光纤通信网络构建量子通信网络。
附图说明
图1为本发明的多用户量子密钥分发全连接网络系统的架构示意图。
图2为本发明的一个四用户全连接量子通信网络的实际案例图。
图3为基于本发明的一个四用户全连接量子通信网络实例中，功能集成光量子芯片上氮化硅微环腔的经典透射谱以及由透射谱获得的自由光谱范围和品质因子图。
图4为基于本发明的一个四用户全连接量子通信网络实例中，功能集成光量子芯片上氮化硅微环腔在泵浦光激励下通过自发四波混频作用产生的频率梳状单光子谱，以及从中选取出的6对光子的符合计数相对于片上泵浦功率的变化图。
图5为基于本发明的一个四用户全连接量子通信网络实例中功能集成光量子芯片上氮化硅微环腔在泵浦光激励下发生自发四波混频过程时，6对光子的偶然符合计数(非自发四波混频过程产生)相对于片上泵浦功率的变化，以及真实符合计数和偶然符合计数计算得到的光源信噪比随片上泵浦功率的变化图。
图6为基于本发明的一个四用户全连接量子通信网络实例中，量子关联层、物理拓扑层和波长配置方案图。
图7为基于本发明的一个四用户全连接量子通信网络实例中，验证四个用户之间存在纠缠时，Franson干涉的三个特征峰随相位(φs+φi)的变化图。
图8为基于本发明的一个四用户全连接量子通信网络实例中，利用的光子的时间自由度实现区分不同用户组合的实际效果图。
图9为BBM92通信协议下，使用本发明实现多用户全连接量子通信网络时，任意两用户实现量子密钥分发和安全通信的过程图。
图10为基于本发明的一个四用户全连接量子通信网络实例中，采用BBM92协议实现量子密钥分发网络时，四个用户之间实现密钥分发时的实际对比度、量子比特误码率和最终安全密钥率图。
具体实施方式
如图1所示，一种基于多功能集成光量子芯片的多用户量子密钥分发全连接网络系统，包括：网络服务供应商端的多自由度集成高维纠缠光子对源模块、基于模分复用技术的模式配置模块，用户端的模式解复用模块、编码/解码模块和光子探测模块；网络服务供应商端的基于模分复用技术的模式配置模块用于将纠缠光子对源中的关联模式通过一定组合方式后分发给不同的用户，该模式配置需满足任意一对用户间都共享至少一对在某自由度上存在关联或纠缠的模式；用户端的模式解复用模块用于将接收到的至少N-1个模式进行解复用，解复用后的每个模式分别经过一个编码/解码模块和一组光子探测模块；编码/解码模块用于对用户接收到的不同模式的光子分别编码或解码；光子探测模块用于对用户端编/解码后的光子进行探测。
如图2所示，上述纠缠光源模块(图2(a))中，相干光源发出一定波长的单频激光作为泵浦光，并耦合进入单模光纤。光纤偏振控制器用于调节泵浦光偏振，使之与集成光子学芯片上光波导的特定模式(这里使用的是TE00模)匹配。前滤波模块由可调带通滤波器或波分复用器组成，用于将激光器的自发辐射噪声抑制到单光子量级，以免对后续产生的宽谱量子光源造成影响。泵浦光通过拉锥光纤耦合进入芯片以及从芯片耦合到单模光纤中。后滤波模块由可调带通滤波器或波分复用器组成，用于将残留的泵浦光抑制到单光子量子，以免较强的泵浦光损坏用户端的单光子探测器。
本实例中，功能集成光量子芯片中光波导的芯层介质为氮化硅，包覆层介质为二氧化硅，光波导的宽度为1600纳米，高度为800纳米。本实例中功能集成光量子芯片上的主要结构为单总线的微环形谐振腔(图2(b))，其具体结构为一根一定长度的直波导，以及距离直波导一定距离的直径为460微米的圆环形波导，直波导中的光以倏逝波的方式耦合进入圆环形波导，并以同样的方式从圆环形波导耦合到直波导中。本实例中的微环形谐振腔具有较高的品质因子，从而在腔内产生极强的场增强效应。本实例中实际采用的微环形谐振腔具有如图3所示的透射谱，结果显示该微环形谐振腔的平均自由光谱范围(即相邻共振模式的间隔)为97.8GHz，它非常接近标准的100GHz密集波分复用器(DWDM)的通道间隔，并在1500纳米至1600纳米提供128个共振模式，这能为我们在电信频段提供丰富的光子对选择。
具体地，本实例中我们以λp＝1549.32nm——对应国际电信联盟(ITU,International Telecommunication Union)规定的CH35通道的中心波长——作为泵浦光。本实例中氮化硅微环谐振腔实际产生的单光子光谱如图4(a)所示，可以看到光谱覆盖整个通信C波段(展示的谱宽受限于我们的测量仪器，而不是光谱本身)。我们将位于ITU CH35通道的泵浦光标记为λ0，为避免后滤波部分对与泵浦光相邻的两个波长通道有影响，我们不使用CH34和CH36两个通道，并将产生的分别位于波长通道CH37、CH38、…、CH42内的光子依次标记为λ1、λ2、…、λ6，将产生的分别位于波长通道CH33、CH32、…、CH28内的光子依次标记为λ-1、λ-2、…、λ-6。在不混淆且没有其它说明的情况下，后文中出现的波长通道CHxx(xx为国际电信联盟规定的通道编号)均指代泵浦光作用下氮化硅微环谐振腔产生的位于该通道内的光子。为获得本实例中宽谱纠缠光源模块光谱亮度、信噪比等数据，我们对选出的CH37-CH33、CH38-CH32、CH39-CH31、CH40-CH30、CH41-CH29、CH42-CH28这六对通道进行符合计数测量。不同泵浦功率下各通道对的符合计数如图4(b)所示，偶然符合和信噪比如图5所示。通过对测得结果进行拟合，我们可以获得该光源模块不同通道对的相干时间、带宽、光子对产率(PGR,pair generation rate)，如表1所示。以上结果显示，该光源模块具有宽的光谱范围、窄带梳齿线宽、高信噪比、高光子对产率等特征，展示了其在构建多用户量子通信网络、连接通信波段的量子存储器等方面的应用前景。
表1 光源模块不同通道对的相干时间、带宽、光子对产率表
本实例的波长通道配置模块(图2(c))中，波长解复用部分通过多通道阵列波导光栅(arrayed waveguide grating,AWG)实现宽谱光源的频率解复用，波长重新复用部分通过多通道阵列波导光栅实现特定波长通道的频率复用。具体的，本实例中一个4用户量子通信全连接网络共需要4×(4-1)＝12个波长通道，每个用户需要被分配(4-1)＝3个通道。即，利用一台多通道波导阵列光栅将宽谱光源解复用出12个波长通道，再利用4台多通道波导阵列光栅将每3个特定的波长通道复用到一根光纤中并分配给一个用户。从而每个用户被分配3个波长通道，并与其他每个用户都共享一对纠缠光子。
图6分别展示了本实例全连接4用户量子通信网络的量子关联层、物理拓扑层和各用户波长通道分配方案。根据图6所示波长分配方案，Alice获得CH37、CH38、CH39；Bob获得CH33、CH40、CH41；Chloe获得CH30、CH32、CH42；Dave获得CH28、CH29、CH31。从而Alice和Bob共享CH37-CH33这一对关联通道，Alice和Chloe共享CH38-CH32这一对关联通道，Alice和Dave共享CH39-CH32这一对关联通道，Bob和Chloe共享CH40-CH30这一对关联通道，Bob和Dave共享CH41-CH29这一对关联通道，Chloe和Dave共享CH42-CH28这一对关联通道。网络复用供应商按如上波长配置方案将各波长通道分别分配给各用户，之后各用户可对接收到的光子进行信息编码，从而构建一个四用户量子通信全连接网络。
每个用户可以用图2(c)所示装置检验该网络架构的可行性，该装置包含一套不等臂长干涉仪和一套多通道单光子探测器。具体地，不等臂长干涉仪为Franson干涉仪，其由光纤分束器、光纤相移器、光纤法拉第反射镜组成。干涉仪的长臂和短臂的时间差ΔT需满足以下两个条件：1)ΔT远大于光源部分产生的单光子的相干时间，以避免光子从长臂和短臂返回后在光纤分束器上产生单光子干涉；2)ΔT远小于激光器发出激光的相干时间，以保证前后产生的光子的相干性。干涉仪的每个出口还配备有一个单光子探测通道，用于对用户接收到的光子进行单计数测量，同时与其他用户的测量结果比对，即相当于进行符合探测。用户接收到的光子既可以走干涉仪的短臂，也可以走干涉仪的长臂。这在两个用户之间的符合计数直方图中将显示出三个符合峰：左(右)侧的符合峰对应于一个用户的光子走了干涉仪短(长)臂，另一个用户的光子走了长(短)臂；中间的符合峰对应于两个用户的光子都走了干涉仪的短臂或都走了干涉仪的长臂。通过后选择将中间的符合峰提取出来，这样就能在两个用户间建立一个双体纠缠态
其中φs(φi)为由各用户手中干涉仪的相移器确定的相对相位。理论上，当改变用户手中干涉仪的相位(φs+φi)时，两个用户之间的符合计数将正比于(1+cos(φs+φi))。
实际测试结果如图7所示，图7(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)分别展示了Alice和Bob、Alice和Chloe、Alice和Dave、Bob和Chloe、Bob和Dave、Chloe和Dave之间改变其相位之和(φs+φi)时，三个特征峰的变化。可以发现，中间峰的计数随相位(φs+φi)呈正弦变化，而两个侧峰的计数几乎不随相位变化。对数据进一步拟合可得到实际的干涉对比度，六对用户间的干涉对比度分别为92.70±0.70％、90.50±0.90％、85.56±1.37％、91.89±0.94％、91.25±0.97％、89.48±1.10％，均大于违反CHSH形式的Bell不等式所要求的经典界限70.70％，即证明在所有六对用户间都建立了双体纠缠态
值得注意的是，为了区分不同的用户组合，我们利用了光子的时间自由度。实际操作中，我们在波长解复用和波长复用之间对不同的波长通道引入了不同长度的长光纤。其效果为当六对用户分别比对其数据(即计算符合计数)时，符合峰将出现在时间轴上的不同位置。实际效果如图8所示，分别展示了用户手中干涉仪的相位和(φs+φi)＝0和(φs+φi)＝π时，六对用户间三个特征峰的相对位置。即验证了我们通过利用光子的时间自由度区分了不同用户对的组合。
本实例采用BBM92协议构建量子密钥分发网络，以在不用用户之间分发密钥。BBM92协议要求用户共享一对纠缠光子对，并随机使用两组非正交基进行测量。在本实例中，用户使用相位0和π作为测量Z基，相位
和
作为测量X基。我们将Z基的相位0和X基的相位
编码为经典比特值0，将Z基的相位π和X基的相位
编码为经典比特值1。如图9所示，BBM92协议下我们实例中两个用户间(以Alice和Bob为例)的量子密钥分发通过以下几个步骤实现：
步骤1、接收。Alice和Bob分别从网络服务供应商端的纠缠源接收到一对纠缠光子中的一个。他们随机地选择一个测量基(Z基或X基)来测量每个光子，得到一个测量结果，并将他们各自地结果转换为经典比特值。
步骤2、筛选。Alice和Bob通过经典通道通信，公开他们对每个接收到光子所使用的测量基矢，这个过程在窃听者无法获取任何关键信息。通过测量基的对比，Alice和Bob将使用不是同一测量基矢的光子从原始密钥中丢弃，平均而言，筛选过程将留下约一半的比特可用于生成最终密钥。
步骤3、比特翻转。Bob翻转他的比特串，以便他和Alice得到一个相同的、随机的、在他们之间共享的密钥，我们把这部分密钥称为原始密钥。
步骤4、安全性检查。Alice和Bob需要检查其原始密钥的安全性，即在公共经典信道上比较其原始密钥中的随机的一小部分比特串，以估计量子比特误码率(QBER)。
步骤5、纠错与隐私放大。在估计量子比特误码率之后，原始密钥还需要再经过两个处理步骤，才能得到最终的安全密钥。在实际的现实生活中(没有窃听者)会有一些小的缺陷导致非零的错误率。因此，有必要对原始密钥执行经典的纠错以消除这些错误。最后，窃听者Eve可能会采用一种策略，即她只测量一定百分比的量子比特，以将Alice和Bob测量的QBER保持在可接受的阈值以下。因此，Alice和Bob还需要在他们的纠错密钥上执行经典的隐私放大协议，以将Eve可能获得的关于密钥的潜在信息减少到足够小的值。
通过以上步骤，Alice和Bob即拥有一串安全、随机的密钥，从而使用一次一密的方法在他们之间进行安全通信。
具体地，以用户对Alice和Bob之间的通信为例，Alice和Bob都拥有一套随机选择测量基的装置，如图2(e)所示，该测量装置包含一个50:50的光学分束器和两个分别设置在一组非正交基的不等臂长干涉仪。50:50的光学分束器使Alice和Bob手中的光子能50％等概率地进入两个不等臂长干涉仪，从而执行测量基的随机选择。注意到，相比于图2(d)中的干涉仪，我们在干涉仪入射端口增加了一个环形器，使其变为一个双端口输出的干涉仪，两个端口的输出关于相位(φs+φi)互补，即一个端口的输出正比于(1+V cos(φs+φi))，另一个端口的输出正比于(1-V cos(φs+φi))。因此，为了将Alice和Bob的两个干涉仪分别设置为了Z基和X基，只需将Alice的两个干涉仪的相对相位分别设置为φA＝0和
将Bob的两个干涉仪的相对相位分别设置为φB＝0和
时，这里Alice和Bob干涉仪的相对相位由其干涉结果确定。
Alice和Bob通信过程中，双方共享一对纠缠光子对(对应通道对CH37–CH33)。因此Alice以50％在Z基(0和π)测量CH37通道的光子、以50％在X基(
和
)测量CH37通道的光子，Bob以50％在Z基(0和π)测量CH33通道的光子、以50％在X基(
和
)测量CH33通道的光子。通过Alice和Bob之间的数据对比以及通用的后处理方法，我们便能将原始密钥中的误码和可能泄露给Eve的信息去掉，从而得到一致的安全密钥串。具体地，在执行纠错和隐私放大后，最终的安全密钥串长度由式SKR≥3sift[1-f(δb)H2(δb)-H2(δp)]给出，其中nsift为两用户对基成功的筛选密钥率，δb和δp分别为比特误码率和相位误码率，f(x)为纠错效率(其为误码率的函数，一般取f(x)＝1.2)，H2(x)＝-xlog2x-(1-x)log2(1-x)为二元熵函数。由于Z测量基和X测量基的对称性，有δb＝δp≡Eλ，这里Eλ为总量子比特误码率(QBER,quantumbit error rate)，其与对比度的关系满足
因此将用户的测量基和数据进行比对，从而获得筛选密钥和误码率等信息，再通过纠错和隐私放大，便可获得最终的安全密钥串。本实例测试了六对用户之间量子密钥分发过程，其对比度、量子比特误码率、安全密钥率等数据如图10所示。表2汇总了六对用户之间量子密钥分发过程的总筛选密钥(2000秒内)、对比度、量子比特误码率和安全密钥率。可以看到，六对用户之间的量子比特误码率介于2.57％和3.09％之间，平均密钥率介于180Hz和251Hz之间。结果表明，本实例利用集成光子学芯片集成的Si3N4微环谐振器产生频率梳状的能量-时间纠缠态，通过波分复用技术将12个波长通道分配4个用户从而在任意两个用户间建立量子关联，最后通过BBM92协议成功构建了一个四用户全连接量子通信网络，这验证了本技术方案的可行性。
表2 六对用户之间量子密钥分发过程的总筛选密钥、对比度、量子比特误码率和安全密钥率表
Claims (10)
1.一种基于多功能集成光量子芯片的多用户量子密钥分发全连接网络系统，其特征在于，包括：网络服务供应商端的多自由度集成高维纠缠光子对源模块、基于模分复用技术的模式配置模块，用户端的模式解复用模块、编码/解码模块和光子探测模块；网络服务供应商端的基于模分复用技术的模式配置模块用于将纠缠光子对源中的关联模式通过一定组合方式后分发给不同的用户，该模式配置需满足任意一对用户间都共享至少一对在某自由度上存在关联或纠缠的模式；用户端的模式解复用模块用于将接收到的模式进行解复用，解复用后的每个模式分别经过一个编码/解码模块和一组光子探测模块；编码/解码模块用于对用户接收到的不同模式的光子分别编码或解码；光子探测模块用于对用户端编/解码后的光子进行探测。
2.如权利要求1所述的基于多功能集成光量子芯片的多用户量子密钥分发全连接网络系统，其特征在于，多自由度集成高维纠缠光子对源模块包括激光器、光电调制器、光学滤波器、偏振控制器和泵浦功能集成光量子芯片；激光器输出通过光纤连接或自由空间耦合方式依次通过电光调制器、光学滤波器、偏振控制器，对激光的强度、相位、频率、偏振性质进行特定的调制后，泵浦功能集成光量子芯片上的非线性介质，通过光学非线性效应产生在光子的某些自由度上存在维度M≥2的纠缠的光子对，其量子态写为：
其中m和m′为光子某自由度的一对关联的模式，自由度包括时间、频率、相位、自旋、路径、偏振、轨道角动量；smm′为幅值，满足∑|smm′|2＝1；M为自由度的维度，根据网络拓扑结构的不同，对于不使用被动路由的全连接网络拓扑结构，M需满足2M≥N(N-1)，对于使用1分k的被动路由将N个用户构建为k个子网实现全连接的网络拓扑结构，M需满足
或2M≥k2+k，以保证该光源在任意两个用户间共享至少一对关联的模式，使得通信网络中任意两用户之间至少共享一对在某自由度上存在关联或纠缠的模式，从而构建一个同时全连接的量子通信网络。
3.如权利要求2所述的基于多功能集成光量子芯片的多用户量子密钥分发全连接网络系统，其特征在于，非线性介质包括氟化镁、硅、二氧化硅、氮化硅、氮化铝、高掺杂石英玻璃、铌酸锂。
4.如权利要求2所述的基于多功能集成光量子芯片的多用户量子密钥分发全连接网络系统，其特征在于，纠缠方式包括路径纠缠、偏振纠缠、能量时间纠缠、时间箱纠缠。
5.如权利要求1所述的基于多功能集成光量子芯片的多用户量子密钥分发全连接网络系统，其特征在于，基于模分复用技术的模式配置模块中，为实现N个用户间两两通信的不使用被动路由的全连接网络拓扑结构，所需的模式数为
个，或
对模式；则第一步为将多自由度集成高维缠光子对源模块的某自由度下的N(N-1)个模式通过多通道模分复用器实现模式解复用，即实现1到N(N-1)的模式解复用，为保证N个用户间两两共享至少一对模式，每个用户需接收到(N-1)个模式，并与其他任意一个用户共享一对关联的模式(m和m′)；对应第二步为使用N个多通道模分复用器将特定组合方式的(N-1)个模式复用到一个通道，即实现(N-1)到1的复用；为实现N个用户间两两通信的使用被动路由的全连接网络拓扑结构，使用1分k的被动路由模式资源的消耗。
6.如权利要求5所述的基于多功能集成光量子芯片的多用户量子密钥分发全连接网络系统，其特征在于，为实现N个用户间两两通信的使用被动路由的全连接网络拓扑结构，使用1分k的被动路由模式资源的消耗包括两种方案：第一种方案将N个用户分为k个子网络，每个子网络内部的
个用户通过
个模式全连接，需要
个1分k的被动路由，k个子网络之间通过
个模式全连接，需要
个1分k的被动路由，即共需要
个1分k的被动路由和
个模式；则基于模分复用技术的模式配置模块中第一步为将多自由度集成高维纠缠光子对源模块的某自由度下的
个模式通过多通道模分复用器实现模式解复用，即实现1到
的模式解复用；第二步为使用1分k的被动路由将每一个模式都分为k个；第三步为使用N个多通道模分复用器将特定组合方式的
个模式复用到一个通道，
个模式用于子网络内部各用户间通信，(k-1)个模式用于不同子网络的用户之间通信，即实现
到1的复用，以保证N个用户中任意两个用户之间共享至少一对关联的模式(m和m′)；
第二种方案为将N个用户分为k个子网络，k个子网络之间通过k(k-1)个模式并使用1分k的被动路由分发给子网络内部所有用户，实现子网络之间的全连接，而每个子网内部的
个用户共享同一对模式并使用同样的1分k的被动路由分发给子网络内部所有用户，实现子网络内部各用户之间的连接，该网络拓扑结构共需要k2+k个模式和k个
的被动路由；则基于模分复用技术的模式配置模块中第一步为将多自由度集成高维纠缠光子对源模块的某自由度下的k2+k个模式通过多通道模分复用器实现模式解复用，即实现1到k2+k的模式解复用；第二步为使用1分k的被动路由将每一个模式都分为k个；第三步为使用N个多通道模分复用器将特定组合方式的(k+1)个模式复用到一个通道，2k个模式用于子网络内部各用户间通信，(k-1)个模式用于不同子网络的用户之间通信，即实现(k+1)到1的复用，以保证N个用户中任意两个用户之间共享至少一对关联的模式(m和m′)，组合方式需保证任意一对用户间都共享至少一对在某自由度上存在关联或纠缠的模式，即在N用户量子通信全连接网络中的每一对用户间建立量子关联。
7.如权利要求1所述的基于多功能集成光量子芯片的多用户量子密钥分发全连接网络系统，其特征在于，编/解码模块采用路径编码、偏振编码、能量时间编码、时间箱编码、相位编码不同编/解码方式。
8.如权利要求1所述的基于多功能集成光量子芯片的多用户量子密钥分发全连接网络系统，其特征在于，光子探测模块采用雪崩二极管单光子探测器、超导纳米线单光子探测器、光子数/频率分辨单光子探测器。
9.如权利要求1所述的基于多功能集成光量子芯片的多用户量子密钥分发全连接网络系统，其特征在于，网络服务供应商通过光纤通信网络将不同的模式组合分发给不同用户，由于每个用户都与其他N-1个用户都共享至少一对在某自由度上存在关联或纠缠的模式，即在每一对用户间都建立量子关联，从而构建了一个N用户全连接网络。
10.如权利要求1所述的基于多功能集成光量子芯片的多用户量子密钥分发全连接网络系统，其特征在于，用户间使用E91、BBM92基于纠缠的或MDI基于纠缠时间反演的量子密钥分发协议进行密钥分发，用户分别对分配到的光子使用特定的基矢测量，再通过比对、纠错和隐私放大数据后处理方法将原始密钥中的误码和可能泄露给窃听者的信息去掉便能得到一致的安全密钥串，从而在用户间实现量子密钥分发，用户在不改变光纤连接和系统配置的前提下，均使用该方法与其他任意用户进行量子密钥分发，从而构建了一个N用户全连接量子密钥分发网络。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210667227.6A CN115001678A (zh) | 2022-06-14 | 2022-06-14 | 一种基于多功能集成光量子芯片的多用户量子密钥分发全连接网络系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210667227.6A CN115001678A (zh) | 2022-06-14 | 2022-06-14 | 一种基于多功能集成光量子芯片的多用户量子密钥分发全连接网络系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115001678A true CN115001678A (zh) | 2022-09-02 |
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ID=83034224
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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Country Status (1)
| Country | Link |
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2022
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