CN116318682B - 一种抗信道扰动的可重构量子密钥分发网络 - Google Patents
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Abstract
本发明属于保密通信技术领域，公开了一种抗信道扰动的可重构量子密钥分发网络，包括测量方以及分别通过光纤信道与其相连的第一发送方、第二发送方；所述测量方包括第一环形器、第二环形器第一单光子探测器、第二单光子探测器以及带有偏振分束器且能将两个偏振分量分别进行不等臂干涉后再进行偏振合成的干涉模块。与现有技术相比，本发明通过在发送方增加消偏模块，同时在测量方采用带有偏振分束器的干涉模块，使入射光信号分束成正交的偏振分量分别正向和反向经过不等臂干涉仪进行干涉，并进行偏振合束，无需进行偏振补偿，可使贝尔态测量免疫信道偏振扰动的影响，大大提高了系统的稳定性；且可兼容BB84协议和MDI协议，无需硬件改动，易于组网。
Description
技术领域
本发明涉及保密通信技术领域，特别涉及一种抗信道扰动的可重构量子密钥分发网络。
背景技术
量子密钥分发可以为通信双方提供信息理论安全性，但是由于实际器件的非完美性，导致系统存在安全性漏洞，其中最常见的漏洞多发现在测量设备方面。测量设备无关量子密钥分发协议（measurement-device-independent，MDI-QKD）的提出，移除了对测量端的可信要求，能够免疫所有针对测量端的攻击，大大提高了系统的实际安全性。，但是存在成码率较低的缺点。与MDI协议相比，BB84协议具有更高的成熟度和成码率，针对已发现的漏洞也有相应较为完善的防御措施，但是潜在的漏洞仍会导致系统的安全性下降。根据BB84协议与MDI协议各自的特点，二者可以应用到不同的场景中。如中继节点完全可信，可以采用BB84协议来获得更高的密钥率；而当中继节点不可信时，则可以采用MDI协议来获得更高的安全性。
在实际的QKD网络中，针对不同应用场景对于密钥率和安全性的不同需求，可以采用不同的协议，常规的做法是针对不同的协议来确定地部署能够执行该协议的相应QKD系统，但是在场景变化、需求改变时，QKD系统无法做出相应的更改，网络也无法重构。因此，在同一套量QKD组网系统中若能够兼容BB84协议与MDI协议，将两者的高密钥率和高安全性特点相结合，将会提升大幅提升QKD网络的实用化能力。文献Qi B, Lo H K, Lim C C W, etal. Free-space reconfigurable quantum key distribution network. 2015 IEEEInternational Conference on Space Optical Systems and Applications (ICSOS).IEEE, 2015: 1-6. 和文献Wang J, Huberman B A. A Reconfigurable Relay forPolarization Encoded QKD Networks[J]. arXiv preprint arXiv:2106.01475, 2021.给出了基于偏振编码的QKD网络方案，可以在同一套硬件上兼容BB84协议和MDI协议。但是在测量端需要进行偏振补偿，增加了系统的复杂度，并且系统的稳定性较差。专利CN113438077B提出了一种基于相位编码的组网方案，也可以在同一套硬件上兼容BB84协议和MDI协议，但同样需要至少对一路光信号进行偏振补偿，增大系统的复杂度和资源消耗。
发明内容
针对现有技术存在以上缺陷，本发明提出一种抗信道扰动的可重构量子密钥分发网络。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种抗信道扰动的可重构量子密钥分发网络，包括测量方以及分别通过光纤信道与之相连的第一发送方、第二发送方；
所述第一发送方和第二发送方均含有量子态制备模块和消偏模块；
所述量子态制备模块用于产生相位编码的量子态；
所述消偏模块用于将所述量子态的偏振度降低到接近于0，并输出至光纤信道；
所述测量方包括第一环形器CIR1、第二环形器CIR2、第一单光子探测器SPD1、第二单光子探测器SPD2以及带有偏振分束器且能将两个偏振分量分别进行不等臂干涉后再进行偏振合成的干涉模块；第一环形器CIR1的第一端口和第二环形器CIR2的第一端口分别作为测量方的两个输入端口；第一环形器CIR1的第二端口、第二环形器CIR2的第二端口分别对应与所述干涉模块的第一端口、第二端口相连；第一环形器CIR1的第三端口、第二环形器CIR2的第三端口分别对应与第一单光子探测器SPD1和第二单光子探测器SPD2相连；
所述干涉模块包括偏振分束模块和双向复用不等臂干涉仪；所述偏振分束模块用于将输入的量子态分束成两个正交偏振分量；所述双向复用不等臂干涉仪用于使其中一个偏振方向的偏振分量进行正向干涉，以及使另一个偏振方向的偏振分量进行反向干涉；所述偏振分束模块还用于使正向干涉的干涉结果与反向干涉的干涉结果进行偏振合束；
所述第一单光子探测器SPD1和第二单光子探测器SPD2用于探测偏振合束后的干涉结果。
优选地，所述量子态制备模块包括依次相连的激光器LD、强度调制器IM、相位编码模块及可调衰减器VOA；
所述激光器LD用于产生光脉冲信号；
所述强度调制器IM用于调制所述光脉冲信号的强度来产生信号态和诱骗态；
所述相位编码模块用于随机产生4种相位编码态；
所述可调衰减器VOA用于将所述相位编码态光信号衰减至单光子量级，产生量子态。
优选地，所述相位编码模块包括第一保偏分束器BS1、第二保偏分束器BS2和第一相位调制器PM1，第一保偏分束器BS1和第二保偏分束器BS2构成不等臂MZ干涉仪，第一相位调制器PM1位于不等臂MZ干涉仪的长臂上。
优选地，所述相位编码模块包括第三保偏分束器BS3、第二相位调制器PM2、第一法拉第反射镜FM1和第二法拉第反射镜FM2，第三保偏分束器BS3与第一法拉第反射镜FM1和第二法拉第反射镜FM2构成不等臂FM干涉仪，第二相位调制器PM2位于不等臂FM干涉仪的长臂上。
优选地，所述干涉模块包括第一偏振分束器PBS1、第二偏振分束器PBS2、第四保偏分束器BS4、第五保偏分束器BS5、和第三相位调制器PM3，第一偏振分束器PBS1的第一端口和第二偏振分束器PBS2的第一端口分别作为所述干涉模块的第一端口和第二端口；第一偏振分束器PBS1的第二端口、第二偏振分束器PBS2的第二端口分别通过第一保偏光纤、第二保偏光纤连接第四保偏分束器BS4的第一端口、第二端口；第一偏振分束器PBS1的第三端口、第二偏振分束器PBS2的第三端口分别通过第三保偏光纤、第四保偏光纤连接第五保偏分束器BS5的第一端口、第二端口；第四保偏分束器BS4和第五保偏分束器BS5构成双向复用不等臂干涉仪；第三相位调制器PM3位于双向复用不等臂干涉仪的长臂上，所述第一偏振分束器PBS1、第二偏振分束器PBS2构成偏振分束模块；
第一偏振分束器PBS1用于对入射至其第一端口的光信号进行偏振分束，产生沿第一保偏光纤慢轴传播的第一偏振分量和沿第三保偏光纤慢轴传播的第二偏振分量；
第二偏振分束器PBS2用于对入射至其第一端口的光信号进行偏振分束，产生沿第二保偏光纤慢轴传播的第三偏振分量和沿第四保偏光纤慢轴传播的第四偏振分量。
优选地，所述第一保偏光纤与第二保偏光纤的长度相等；所述第三保偏光纤与第四保偏光纤的长度相等。
优选地，所述第一保偏光纤、第二保偏光纤、第三保偏光纤、第四保偏光纤的长度均相等。
优选地，所述干涉模块包括第三偏振分束器PBS3、第四偏振分束器PBS4、第四相位调制器PM4、第一45°偏振旋转结构和第二45°偏振旋转结构，第三偏振分束器PBS3的第一端口和第二端口分别作为所述干涉模块的第一端口和第二端口；第三偏振分束器PBS3的第三端口、第四端口分别通过第五保偏光纤、第六保偏光纤对应连接第四偏振分束器PBS4的第一端口、第四端口；所述第一45°偏振旋转结构和第二45°偏振旋转结构分别对应位于第六保偏光纤和第五保偏光纤上；第四偏振分束器PBS4的第二端口和第三端口通过第四相位调制器PM4连接，与第一45°偏振旋转结构和第二45°偏振旋转结构一起构成双向复用不等臂偏振干涉仪，所述偏振分束模块为第三偏振分束器PBS3；
第三偏振分束器PBS3用于对入射至其第一端口的光信号进行偏振分束，产生沿第五保偏光纤慢轴传播的第一偏振分量和沿第六保偏光纤慢轴传播的第二偏振分量；
第三偏振分束器PBS3还用于对入射至其第二端口的光信号进行偏振分束，产生沿第五保偏光纤快轴传播的第三偏振分量和沿第六保偏光纤快轴传播的第四偏振分量；
所述第五保偏光纤和第六保偏光纤的长度相等。
优选地，所述第一45°偏振旋转结构和第二45°偏振旋转结构均为主轴方向与水平偏振方向夹角为22.5°的半波片。
优选地，所述第一45°偏振旋转结构和第二45°偏振旋转结构均为保偏光纤45°熔接结构。
与现有技术相比，本发明有以下有益效果：
本发明提出一种抗信道扰动的可重构量子密钥分发网络，通过在发送方增加消偏模块，同时在测量方采用带有偏振分束器的干涉模块，使入射光信号分束成正交的偏振分量分别正向和反向经过不等臂干涉仪进行干涉，并进行偏振合束，可以使贝尔态测量结果免疫信道偏振扰动的影响，大大提高了系统的稳定性；无需进行主动偏振补偿，且仅需要两个单光子探测器，降低了系统的复杂度和成本。另外，本发明方案可兼容BB84协议和MDI协议，无需硬件改动，易于组网，可根据场景灵活切换运行协议。
附图说明
图1为本发明抗信道扰动的可重构量子密钥分发网络原理框图；
图2为本发明抗信道扰动的可重构量子密钥分发网络原理框图实施例一的原理框图；
图3为本发明一种抗信道扰动的可重构量子密钥分发网络原理框图实施例二的原理框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明进行清楚、完整地描述。
如图1所示，一种抗信道扰动的可重构量子密钥分发网络，包括第一发送方、第二发送方和测量方；所述第一发送方、第二发送方分别通过第一光纤信道、第二光纤信道与所述测量方通过相连；
所述第一发送方和第二发送方均含有量子态制备模块和消偏模块；
所述量子态制备模块用于产生相位编码的量子态；
所述消偏模块用于将所述量子态的偏振度降低到接近于0，并输出至光纤信道；
所述测量方包括第一环形器CIR1、第二环形器CIR2、第一单光子探测器SPD1、第二单光子探测器SPD2以及带有偏振分束器且能将两个偏振分量分别进行不等臂干涉后再进行偏振合成的干涉模块；第一环形器CIR1的第一端口和第二环形器CIR2的第一端口分别作为测量方的两个输入端口；第一环形器CIR1的第二端口、第二环形器CIR2的第二端口分别对应与所述干涉模块的第一端口、第二端口相连；第一环形器CIR1的第三端口、第二环形器CIR2的第三端口分别对应与第一单光子探测器SPD1和第二单光子探测器SPD2相连；
所述干涉模块包括偏振分束模块和双向复用不等臂干涉仪；所述偏振分束模块用于将输入的量子态分束成两个正交偏振分量；所述双向复用不等臂干涉仪用于使其中一个偏振方向的偏振分量进行正向干涉，以及使另一个偏振方向的偏振分量进行反向干涉；所述偏振分束模块还用于使正向干涉的干涉结果与反向干涉的干涉结果进行偏振合束；
所述第一单光子探测器SPD1和第二单光子探测器SPD2用于探测偏振合束后的干涉结果。
具体工作过程如下：
BB84协议：第一发送方与测量方进行两方的BB84协议量子密钥分发，第二发送方采用时分复用的方式也与测量方进行BB84协议量子密钥分发。下面以第一发送方与测量方的密钥分发为例进行说明。
第一发送方随机制备4种相位编码量子态Q1，经消偏模块DEP将偏振度降低至接近于0，最后进入第一光纤信道中。由于量子态经消偏模块DEP作用后偏振态已经变得随机，因而不受信道偏振扰动的影响。量子态到达测量方后，经第一环形器CIR1进入所述干涉模块的第一端口。所述干涉模块包含有偏振分束模块与双向复用不等臂干涉仪，量子态首先被其偏振分束模块分束成第一偏振分量和第二偏振分量。其中第一偏振分量正向经过双向复用不等臂干涉仪，产生第一干涉分量和第二干涉分量；第二偏振分量反向经过双向复用不等臂干涉仪，产生第三干涉分量和第四干涉分量。
第一干涉分量与第三干涉分量同时回到偏振分束模块进行偏振合束，产生第一干涉结果经第一环形器CIR1进入第一单光子探测器SPD1；第二干涉分量与第四干涉分量同时回到偏振分束模块进行偏振合束，产生第二干涉结果经第二环形器CIR2进入第二单光子探测器SPD2。
第一发送方制备的4种相位编码量子态的两个时间模式之间相位差为0，π/2，π，3π/2，测量方干涉模块中的双向复用不等臂干涉仪长臂上包含有调相器，随机调制长短臂的相位差也为0，π/2，π，3π/2，即可根据第一单光子探测器SPD1和第二单光子探测器SPD2的探测结果进行BB84协议量子密钥分发。
第二发送方与测量方进行BB84协议量子密钥分发的过程类似，不再详述。
MDI协议：第一发送方和第二发送方同时向测量方发送量子态，双方的量子态在测量方进行贝尔态测量，进行三方的MDI协议量子密钥分发。
第一发送方随机制备4种相位编码量子态Q1，经消偏模块DEP将偏振度降低至接近于0，最后进入第一光纤信道中。类似的，第二发送方经过同样的过程随机制备相位编码量子态Q2，进入第二光纤信道中。
在测量方，第一发送方制备的量子态Q1和第二发送方制备的量子态Q2同时分别进入干涉模块的第一端口和第二端口。其中，Q1首先被干涉模块的偏振分束模块分成第一偏振分量和第二偏振分量；Q2也被干涉模块的偏振分束模块分成第三偏振分量和第四偏振分量。
第一偏振分量与第三偏振分量的偏振态相同，二者正向经过双向复用不等臂干涉仪进行贝尔态测量，产生第一干涉分量和第二干涉分量；第二偏振分量与第四偏振分量的偏振态相同，二者反向经过双向复用不等臂干涉仪进行贝尔态，产生第三干涉分量和第四干涉分量。
第一干涉分量与第三干涉分量同时进入所述干涉模块的偏振分束模块进行偏振合束，产生第一贝尔态测量结果，经第一环形器CIR1进入第一单光子探测器进行探测；第二干涉分量与第四干涉分量同时进入所述干涉模块的偏振分束模块进行偏振合束，产生第二贝尔态测量结果，经第二环形器CIR2进入第二单光子探测器进行探测。测量方将第一单光子探测器和第二单光子探测器的响应结果公布给第一发送方和第二发送方，即可按照MDI协议进行量子密钥分发，最终产生安全密钥。
如图2所示，本发明实施例一：
所述抗信道扰动的可重构量子密钥分发网络的结构为：所述量子态制备模块包括：激光器LD、强度调制器IM、相位编码模块、可调衰减器VOA，各个模块依次相连；
所述激光器LD用于产生光脉冲信号；
所述强度调制器IM用于调制所述光脉冲信号的强度来产生信号态和诱骗态；
所述相位编码模块用于随机产生4种相位编码态；
所述可调衰减器VOA用于将所述相位编码态光信号衰减至单光子量级，产生量子态；
所述相位编码模块包括第一保偏分束器BS1、第二保偏分束器BS2和第一相位调制器PM1，第一保偏分束器BS1和第二保偏分束器BS2构成不等臂MZ干涉仪，第一相位调制器PM1位于不等臂MZ干涉仪的长臂上。
所述干涉模块包括第一偏振分束器PBS1、第二偏振分束器PBS2、第四保偏分束器BS4、第五保偏分束器BS5、和第三相位调制器PM3，第一偏振分束器PBS1的第一端口和第二偏振分束器PBS2的第一端口分别作为所述干涉模块的第一端口和第二端口；第一偏振分束器PBS1的第二端口、第二偏振分束器PBS2的第二端口分别通过第一保偏光纤、第二保偏光纤连接第四保偏分束器BS4的第一端口、第二端口；第一偏振分束器PBS1的第三端口、第二偏振分束器PBS2的第三端口分别通过第三保偏光纤、第四保偏光纤连接第五保偏分束器BS5的第一端口、第二端口；第四保偏分束器BS4和第五保偏分束器BS5构成双向复用不等臂干涉仪；第三相位调制器PM3位于双向复用不等臂干涉仪的长臂上，所述第一偏振分束器PBS1、第二偏振分束器PBS2构成偏振分束模块；
第一偏振分束器PBS1用于对入射至其第一端口的光信号进行偏振分束，产生沿第一保偏光纤慢轴传播的第一偏振分量和沿第三保偏光纤慢轴传播的第二偏振分量；
第二偏振分束器PBS2用于对入射至其第一端口的光信号进行偏振分束，产生沿第二保偏光纤慢轴传播的第三偏振分量和沿第四保偏光纤慢轴传播的第四偏振分量。
所述第一保偏光纤与第二保偏光纤的长度相等；所述第三保偏光纤与第四保偏光纤的长度相等。
实施例一具体工作过程如下：
BB84协议：第一发送方与测量方进行两方的BB84协议量子密钥分发，第二发送方采用时分复用的方式也与测量方进行BB84协议量子密钥分发。下面以第一发送方与测量方的密钥分发为例进行说明。
第一发送方LD产生的光脉冲信号，被IM随机调制成信号态或诱骗态，随后进入不等臂MZ干涉仪，通过调制第一相位调制器PM1的相位制备4种相位编码态，随后经VOA衰减到单光子量级产生相位编码量子态Q1，经消偏模块DEP将偏振度降低至接近于0，最后进入第一光纤信道中。量子态到达测量方后，经第一环形器CIR1进入所述第一偏振分束器PBS1的第一端口，首先被其偏振分束模块分束成第一偏振分量和第二偏振分量，分别沿第一保偏光纤慢轴和第三保偏光纤慢轴传播。其中第一偏振分量正向经过双向复用不等臂干涉仪，产生第一干涉分量和第二干涉分量，分别沿第三保偏光纤慢轴和第四保偏光纤慢轴传播；第二偏振分量反向经过双向复用不等臂干涉仪，产生第三干涉分量和第四干涉分量，分别沿第一保偏光纤慢轴和第二保偏光纤慢轴传播。
第一干涉分量与第三干涉分量同时回到第一偏振分束器PBS1进行偏振合束，产生第一干涉结果经第一环形器CIR1进入第一单光子探测器SPD1；第二干涉分量与第四干涉分量同时回到第二偏振分束器PBS2进行偏振合束，产生第二干涉结果经第二环形器CIR2进入第二单光子探测器SPD2。
第一发送方制备的4种相位编码量子态的两个时间模式之间相位差为0，π/2，π，3π/2，测量方第三相位调制器PM3随机调制长短臂的相位差也为0，π/2，π，3π/2，即可根据第一单光子探测器SPD1和第二单光子探测器SPD2的探测结果进行BB84协议量子密钥分发。
第二发送方与测量方进行BB84协议量子密钥分发的过程类似，不再详述。
MDI协议：第一发送方和第二发送方同时向测量方发送量子态，双方的量子态在测量方进行贝尔态测量，进行三方的MDI协议量子密钥分发。
第一发送方LD产生的光脉冲信号，被IM随机调制成信号态或诱骗态，随后进入不等臂MZ干涉仪，通过调制第一相位调制器PM1的相位制备4种相位编码态，随后经VOA衰减到单光子量级产生相位编码量子态Q1，经消偏模块DEP将偏振度降低至接近于0，最后进入第一光纤信道中。类似的，第二发送方经过同样的过程随机制备相位编码量子态Q2，进入第二光纤信道中。
在测量方，第一发送方制备的量子态Q1和第二发送方制备的量子态Q2同时分别进入第一偏振分束器PBS1的第一端口和第二偏振分束器PBS2的第一端口。其中，Q1首先第一偏振分束器PBS1分成第一偏振分量和第二偏振分量，分别沿第一保偏光纤慢轴和第三保偏光纤慢轴传播；Q2被第二偏振分束器PBS2分成第三偏振分量和第四偏振分量，分别沿第二保偏光纤慢轴和第四保偏光纤慢轴传播。
第一偏振分量与第三偏振分量的偏振态相同，二者同时到达第四保偏分束器BS4，正向经过双向复用不等臂干涉仪进行贝尔态测量，产生第一干涉分量和第二干涉分量，分别沿第三保偏光纤慢轴和第四保偏光纤慢轴传播；第二偏振分量与第四偏振分量的偏振态相同，二者同时到达第五保偏分束器BS5，反向经过双向复用不等臂干涉仪进行贝尔态测量，产生第三干涉分量和第四干涉分量，分别沿第一保偏光纤慢轴和第二保偏光纤慢轴传播。
第一干涉分量与第三干涉分量同时回到第一偏振分束器PBS1进行偏振合束，产生第一贝尔态测量结果经第一环形器CIR1进入第一单光子探测器SPD1；第二干涉分量与第四干涉分量同时回到第二偏振分束器PBS2进行偏振合束，产生第二贝尔态测量结果经第二环形器CIR2进入第二单光子探测器SPD2。测量方将第一单光子探测器和第二单光子探测器的响应结果公布给第一发送方和第二发送方，即可按照MDI协议进行量子密钥分发，最终产生安全密钥。
如图3所示，本发明实施例二：
所述抗信道扰动的可重构量子密钥分发网络的结构为：所述量子态制备模块包括：激光器LD、强度调制器IM、相位编码模块、可调衰减器VOA，各个模块依次相连；
所述激光器LD用于产生光脉冲信号；
所述强度调制器IM用于调制所述光脉冲信号的强度来产生信号态和诱骗态；
所述相位编码模块用于随机产生4种相位编码态；
所述可调衰减器VOA用于将所述相位编码态光信号衰减至单光子量级，产生量子态；
所述相位编码模块包括第三保偏分束器BS3、第二相位调制器PM2、第一法拉第反射镜FM1和第二法拉第反射镜FM2，第三保偏分束器BS3与第一法拉第反射镜FM1和第二法拉第反射镜FM2构成不等臂FM干涉仪，第二相位调制器PM2位于不等臂FM干涉仪的长臂上。
所述干涉模块包括第三偏振分束器PBS3、第四偏振分束器PBS4、第四相位调制器PM4、第一45°偏振旋转结构和第二45°偏振旋转结构，第三偏振分束器PBS3的第一端口和第二端口分别作为所述干涉模块的第一端口和第二端口；第三偏振分束器PBS3的第三端口、第四端口分别通过第五保偏光纤、第六保偏光纤对应连接第四偏振分束器PBS4的第一端口、第四端口；所述第一45°偏振旋转结构和第二45°偏振旋转结构分别对应位于第六保偏光纤和第五保偏光纤上；第四偏振分束器PBS4的第二端口和第三端口通过第四相位调制器PM4连接，与第一45°偏振旋转结构和第二45°偏振旋转结构一起构成双向复用不等臂偏振干涉仪，所述偏振分束模块为第三偏振分束器PBS3；
第三偏振分束器PBS3用于对入射至其第一端口的光信号进行偏振分束，产生沿第五保偏光纤慢轴传播的第一偏振分量和沿第六保偏光纤慢轴传播的第二偏振分量；
第三偏振分束器PBS3还用于对入射至其第二端口的光信号进行偏振分束，产生沿第五保偏光纤快轴传播的第三偏振分量和沿第六保偏光纤快轴传播的第四偏振分量；
所述第五保偏光纤和第六保偏光纤的长度相等。
所述第一45°偏振旋转结构和第二45°偏振旋转结构均为主轴方向与水平偏振方向夹角为22.5°的半波片。
实施例二具体工作过程如下：
BB84协议：第一发送方与测量方进行两方的BB84协议量子密钥分发，第二发送方采用时分复用的方式也与测量方进行BB84协议量子密钥分发。下面以第一发送方与测量方的密钥分发为例进行说明。
第一发送方LD产生的光脉冲信号，被IM随机调制成信号态或诱骗态，随后进入不等臂FM干涉仪，通过调制第二相位调制器PM2的相位制备4种相位编码态，随后经VOA衰减到单光子量级产生相位编码量子态Q1，经消偏模块DEP将偏振度降低至接近于0，最后进入第一光纤信道中。
量子态到达测量方后，经第一环形器CIR1进入所述第三偏振分束器PBS3的第一端口，首先被其偏振分束模块分束成第一偏振分量和第二偏振分量，分别沿第五保偏光纤慢轴和第六保偏光纤慢轴传播。其中第一偏振分量经过第二半波片HWP2偏振旋转45°，进入第四偏振分束器PBS4的第一端口，其水平偏振分量直接从第四偏振分束器PBS4的第四端口出射，竖直偏振分量从第四偏振分束器PBS4的第二端口出射后经第四相位调制器PM4到达第三端口，从第四端口出射，与水平偏振分量进行合束后经过第一半波片HWP1偏振旋转45°，相当于正向经过双向复用不等臂偏振干涉仪，产生第一干涉分量和第二干涉分量，分别沿第六保偏光纤慢轴和快轴传播；第二偏振分量经过第一半波片HWP1偏振旋转45°，进入第四偏振分束器PBS4的第四端口，其水平偏振分量直接从第四偏振分束器PBS4的第一端口出射，竖直偏振分量从第四偏振分束器PBS4的第三端口出射后经第四相位调制器PM4到达第二端口，从第一端口出射，与水平偏振分量进行合束后经过第二半波片HWP1偏振旋转45°，相当于反向经过双向复用不等臂偏振干涉仪，产生第三干涉分量和第四干涉分量，分别沿第五保偏光纤慢轴和快轴传播。
第一干涉分量与第三干涉分量同时回到第三偏振分束器PBS3进行偏振合束，产生从第三偏振分束器PBS3第一端口出射的第一干涉结果经第一环形器CIR1进入第一单光子探测器SPD1；第二干涉分量与第四干涉分量同时回到第三偏振分束器PBS3进行偏振合束，产生从第三偏振分束器PBS3第二端口出射的第二干涉结果经第二环形器CIR2进入第二单光子探测器SPD2。
第一发送方制备的4种相位编码量子态的两个时间模式之间相位差为0，π/2，π，3π/2，测量方第四相位调制器PM4随机调制长短臂的相位差也为0，π/2，π，3π/2，即可根据第一单光子探测器SPD1和第二单光子探测器SPD2的探测结果进行BB84协议量子密钥分发。
第二发送方与测量方进行BB84协议量子密钥分发的过程类似，不再详述。
MDI协议：第一发送方和第二发送方同时向测量方发送量子态，双方的量子态在测量方进行贝尔态测量，进行三方的MDI协议量子密钥分发。
第一发送方LD产生的光脉冲信号，被IM随机调制成信号态或诱骗态，随后进入不等臂FM干涉仪，通过调制第二相位调制器PM2的相位制备4种相位编码态，随后经VOA衰减到单光子量级产生相位编码量子态Q1，经消偏模块DEP将偏振度降低至接近于0，最后进入第一光纤信道中。类似的，第二发送方经过同样的过程随机制备相位编码量子态Q2，进入第二光纤信道中。
在测量方，第一发送方制备的量子态Q1和第二发送方制备的量子态Q2同时分别进入第三偏振分束器PBS3的第一端口和第二端口。其中，Q1首先第三偏振分束器PBS3分成第一偏振分量和第二偏振分量，分别沿第五保偏光纤慢轴和第六保偏光纤慢轴传播；Q2被第三偏振分束器PBS3分成第三偏振分量和第四偏振分量，分别沿第五保偏光纤快轴和第六保偏光纤快轴传播。
第一偏振分量与第三偏振分量正向经过双向复用不等臂偏振干涉仪进行贝尔态测量，产生第一干涉分量和第二干涉分量，进入第三偏振分束器PBS3的第四端口；第二偏振分量与第四偏振分量反向经过双向复用不等臂偏振干涉仪进行贝尔态测量，产生第三干涉分量和第四干涉分量，进入第三偏振分束器PBS3的第三端口。
第一干涉分量与第三干涉分量在第三偏振分束器PBS3进行偏振合束，产生第一贝尔态测量结果经第一环形器CIR1进入第一单光子探测器SPD1；第二干涉分量与第四干涉分量在第三偏振分束器PBS3进行偏振合束，产生第二贝尔态测量结果经第二环形器CIR2进入第二单光子探测器SPD2。测量方将第一单光子探测器和第二单光子探测器的响应结果公布给第一发送方和第二发送方，即可按照MDI协议进行量子密钥分发，最终产生安全密钥。
综合本发明各个实施例可知，本发明提出一种抗信道扰动的可重构量子密钥分发网络，通过在发送方增加消偏模块，同时在测量方采用带有偏振分束器的干涉模块，使入射光信号分束成正交的偏振分量分别正向和反向经过不等臂干涉仪进行干涉，并进行偏振合束，可以使贝尔态测量结果免疫信道偏振扰动的影响，大大提高了系统的稳定性；无需进行主动偏振补偿，且仅需要两个单光子探测器，降低了系统的复杂度和成本。另外，本发明方案可兼容BB84协议和MDI协议，无需硬件改动，易于组网，可根据场景灵活切换运行协议。
Claims (10)
1.一种抗信道扰动的可重构量子密钥分发网络，其特征在于，包括测量方以及分别通过光纤信道与其相连的第一发送方、第二发送方；
所述第一发送方和第二发送方均含有量子态制备模块和消偏模块；
所述量子态制备模块用于产生相位编码的量子态；
所述消偏模块用于将所述量子态的偏振度降低到接近于0，并输出至光纤信道；
所述测量方包括第一环形器CIR1、第二环形器CIR2、第一单光子探测器SPD1、第二单光子探测器SPD2以及带有偏振分束器且能将两个偏振分量分别进行不等臂干涉后再进行偏振合成的干涉模块；第一环形器CIR1的第一端口和第二环形器CIR2的第一端口分别作为测量方的两个输入端口；第一环形器CIR1的第二端口、第二环形器CIR2的第二端口分别对应与所述干涉模块的第一端口、第二端口相连；第一环形器CIR1的第三端口、第二环形器CIR2的第三端口分别对应与第一单光子探测器SPD1和第二单光子探测器SPD2相连；
所述干涉模块包括偏振分束模块和双向复用不等臂干涉仪；所述偏振分束模块用于将输入的量子态分束成两个正交偏振分量；所述双向复用不等臂干涉仪用于使其中一个偏振方向的偏振分量进行正向干涉，以及使另一个偏振方向的偏振分量进行反向干涉；所述偏振分束模块还用于使正向干涉的干涉结果与反向干涉的干涉结果进行偏振合束；
所述第一单光子探测器SPD1和第二单光子探测器SPD2用于探测偏振合束后的干涉结果。
2.如权利要求1所述的抗信道扰动的可重构量子密钥分发网络，其特征在于，所述量子态制备模块包括依次相连的激光器LD、强度调制器IM、相位编码模块及可调衰减器VOA；
所述激光器LD用于产生光脉冲信号；
所述强度调制器IM用于调制所述光脉冲信号的强度来产生信号态和诱骗态；
所述相位编码模块用于随机产生4种相位编码态；
所述可调衰减器VOA用于将所述相位编码态光信号衰减至单光子量级，产生量子态。
3.如权利要求2所述的抗信道扰动的可重构量子密钥分发网络，其特征在于，所述相位编码模块包括第一保偏分束器BS1、第二保偏分束器BS2和第一相位调制器PM1，第一保偏分束器BS1和第二保偏分束器BS2构成不等臂MZ干涉仪，第一相位调制器PM1位于不等臂MZ干涉仪的长臂上。
4.如权利要求2所述的抗信道扰动的可重构量子密钥分发网络，其特征在于，所述相位编码模块包括第三保偏分束器BS3、第二相位调制器PM2、第一法拉第反射镜FM1和第二法拉第反射镜FM2，第三保偏分束器BS3与第一法拉第反射镜FM1和第二法拉第反射镜FM2构成不等臂FM干涉仪，第二相位调制器PM2位于不等臂FM干涉仪的长臂上。
5.如权利要求1或2或3或4所述的抗信道扰动的可重构量子密钥分发网络，其特征在于，所述干涉模块包括第一偏振分束器PBS1、第二偏振分束器PBS2、第四保偏分束器BS4、第五保偏分束器BS5、和第三相位调制器PM3，第一偏振分束器PBS1的第一端口和第二偏振分束器PBS2的第一端口分别作为所述干涉模块的第一端口和第二端口；第一偏振分束器PBS1的第二端口、第二偏振分束器PBS2的第二端口分别通过第一保偏光纤、第二保偏光纤连接第四保偏分束器BS4的第一端口、第二端口；第一偏振分束器PBS1的第三端口、第二偏振分束器PBS2的第三端口分别通过第三保偏光纤、第四保偏光纤连接第五保偏分束器BS5的第一端口、第二端口；第四保偏分束器BS4和第五保偏分束器BS5构成双向复用不等臂干涉仪，第三相位调制器PM3位于双向复用不等臂干涉仪的长臂上，所述第一偏振分束器PBS1、第二偏振分束器PBS2构成偏振分束模块；
第一偏振分束器PBS1用于对入射至其第一端口的光信号进行偏振分束，产生沿第一保偏光纤慢轴传播的第一偏振分量和沿第三保偏光纤慢轴传播的第二偏振分量；
第二偏振分束器PBS2用于对入射至其第一端口的光信号进行偏振分束，产生沿第二保偏光纤慢轴传播的第三偏振分量和沿第四保偏光纤慢轴传播的第四偏振分量。
6.如权利要求5所述的抗信道扰动的可重构量子密钥分发网络，其特征在于，所述第一保偏光纤与第二保偏光纤的长度相等；所述第三保偏光纤与第四保偏光纤的长度相等。
7.如权利要求5所述的抗信道扰动的可重构量子密钥分发网络，其特征在于，所述第一保偏光纤、第二保偏光纤、第三保偏光纤、第四保偏光纤的长度均相等。
8.如权利要求1或2或3或4所述的抗信道扰动的可重构量子密钥分发网络，其特征在于，所述干涉模块包括第三偏振分束器PBS3、第四偏振分束器PBS4、第四相位调制器PM4、第一45°偏振旋转结构和第二45°偏振旋转结构，第三偏振分束器PBS3的第一端口和第二端口分别作为所述干涉模块的第一端口和第二端口；第三偏振分束器PBS3的第三端口、第四端口分别通过第五保偏光纤、第六保偏光纤对应连接第四偏振分束器PBS4的第一端口、第四端口；所述第一45°偏振旋转结构和第二45°偏振旋转结构分别对应位于第六保偏光纤和第五保偏光纤上；第四偏振分束器PBS4的第二端口和第三端口通过第四相位调制器PM4连接，与第一45°偏振旋转结构和第二45°偏振旋转结构一起构成双向复用不等臂偏振干涉仪，所述偏振分束模块为第三偏振分束器PBS3；
第三偏振分束器PBS3用于对入射至其第一端口的光信号进行偏振分束，产生沿第五保偏光纤慢轴传播的第一偏振分量和沿第六保偏光纤慢轴传播的第二偏振分量；
第三偏振分束器PBS3还用于对入射至其第二端口的光信号进行偏振分束，产生沿第五保偏光纤快轴传播的第三偏振分量和沿第六保偏光纤快轴传播的第四偏振分量；
所述第五保偏光纤和第六保偏光纤的长度相等。
9.如权利要求8所述的抗信道扰动的可重构量子密钥分发网络，其特征在于，所述第一45°偏振旋转结构和第二45°偏振旋转结构均为主轴方向与水平偏振方向夹角为22.5°的半波片。
10.如权利要求8所述的抗信道扰动的可重构量子密钥分发网络，其特征在于，所述第一45°偏振旋转结构和第二45°偏振旋转结构均为保偏光纤45°熔接结构。
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