CN116527243A - 一种多协议兼容的量子密钥分发系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多协议兼容的量子密钥分发系统，应用于量子密码、量子通信等领域。本发明主要根据BB84协议和与测量设备无关(MDI)协议、双场(TF)协议在相位编码之间的差异性，设计出简明灵活的底层光学系统结构，针对不同协议约定相应的编解码方案，实现三个协议的组网兼容。在底层光学系统结构中，我们采用简化版的法拉第‑迈克尔逊干涉环(FMI)结合分离式的相位调制器，一方面减少了长短臂损耗不一致带来的影响，降低了系统的复杂度，另一方面，我们设计的方案可以使相位信息任意编码在长臂或者短臂上，在一定程度上增加了整个系统编解码操作的灵活性和可选择性，进一步提升其可兼容性以及实用性。
Description
技术领域
本发明属于量子通信、量子组网等领域，具体涉及一种多协议兼容的量子密钥分发系统，适用于尤其是实用型量子密码组网系统方案的实现。
背景技术
量子密钥分发(QKD)网络是实现量子密钥分发实用化的必经之路，也是高效实现量子密钥分发的先决条件。当前，量子密钥分发的工业化进程已走上了轨道，并在全球范围内实现了一定规模的量子密钥分发。其中，实现BB84协议的系统是目前市面上最为成熟、应用也最广泛的QKD解决方案。网络是由大量的通信节点互联而成，量子密钥分发网络中的节点若可被信任，则此网络被称作可信中继网络。但是，当中间节点不受信任时，可信的中继网络就不能为其提供端对端的安全量子密钥分发。当网络中如果存在某些节点被劫持，就可能造成大面积瘫痪，从而导致网络生存性较低。而从安全性的角度来看，在理想的QKD网络中，除了通信双方之外的节点理论上都是不可信的。因此，QKD网络的下一阶段是逐渐实现基于不可信节点的网络。
基于不可信节点的QKD网络可以从根本上解决量子安全通信领域中最关键的两大问题：第一，信息传输过程中产生了不可否认的安全性问题；第二，信息传输过程中多个中间节点用户的问题。这一阶段的QKD网络是基于不可信节点的网络，并不需要中间节点作为传输信道，能够在一定程度上摆脱中间节点对QKD安全带来的负面影响。但与此同时，要逐渐升级目前较为成熟的以实现BB84协议为代表的基于光纤信道的QKD系统，因为BB84协议组网的安全性在不可信节点网络中太容易受到攻击。而在目前的研究背景下，一些更高安全性等级的量子密钥分发协议被提出，例如，测量设备无关的量子密钥分发协议(MDI-QKD)与双场量子密钥分发协议(TF-QKD)等。其均可以有效免疫侧信道攻击，任何针对探测端的攻击都将变得无效，TF协议还极大地提高了QKD协议在远距离时的成码率。
在QKD网络的实际使用中，不同应用场景对于密钥率和安全性有着不同的需求。在目前的网络部署方案中，由于BB84协议和MDI协议、TF协议的安全性原理不同，故在实际的实现过程中无法兼容同一套设备。然而，如何使BB84协议、MDI协议、TF协议在同一组网中同时兼备，充分发挥三个协议各自的高密钥率与高安全特性，对提高密钥分发的实际应用水平具有重要意义，而目前已有的组网密钥分发系统均无法对三个协议进行高效的兼容性。
发明内容
本发明目的在于针对上述现有方案的不足，提出了一种多协议兼容的量子密钥分发系统，该方法可以兼容多种协议，包括BB84协议、与测量设备无关(MDI)协议、双场(TF)协议等，实现了在同一套系统中的不同安全性等级协议的兼容性，提高了量子密钥分发组网的实用性。
本发明的一种多协议兼容的量子密钥分发系统，包括发射端Alice、发射端Bob以及测量端Charlie，发射端Bob的结构与发射端Alice结构相同，发射端Alice和发射端Bob分别与测量端Charlie连接；可进行三方通信；
发射端Alice包括依次连接的激光器Laser1、强度调制器IM1、不等臂法拉第-迈克尔逊干涉仪FMIA、相位调制器PMA、强度调制器IM2和光衰减器ATTA；强度调制器IM1用于调制信号态、诱骗态强度；不等臂法拉第-迈克尔逊干涉仪FMIA包括1个分束器BS和2个法拉第镜FM，用于将一个脉冲分成时间上前后的两个脉冲；PMA用于编码相位信息；强度调制器IM2用于斩掉不等臂FMI长臂或断臂的脉冲；
在实现BB84协议时，当Alice作为发射端时，Bob或Charlie为接收端；当Bob作为发射端时，Alice或Charlie为接收端，进行密钥分发；
在实现MDI协议时，Alice和Bob均作为发射端，Charlie作为测量端对接收到的光脉冲进行贝尔态测量；在实现TF协议时，Alice和Bob均作为发射端，Charlie作为测量端对接收到的光脉冲进行贝尔态测量。
进一步的，发射端Bob包括依次连接的激光器Laser2、强度调制器IM3、不等臂法拉第-迈克尔逊干涉仪FMIB、相位调制器PMB、强度调制器IM4和光衰减器ATTB；
测量端Charlie包括两个环形器CIR1和CIR2、两个相位解码器PMC1和PMC2、不等臂法拉第-迈克尔逊干涉仪FMI、两个单光子探测器D1和D2；相位解码器PMC1的一端与Alice的光衰减器ATTA连接，另一端连接环形器CIR1的1端口，环形器CIR1的2端口连接不等臂法拉第-迈克尔逊干涉仪FMI，环形器CIR1的3端口连接光子探测器D1；相位解码器PMC2的一端与Bob的光衰减器ATTB连接，另一端连接环形器CIR2的1端口，环形器CIR2的2端口连接不等臂法拉第-迈克尔逊干涉仪FMI，环形器CIR1的3端口连接光子探测器D1；法拉第-迈克尔逊干涉仪FMIA、FMIB、FMIC结构相同。
进一步的，在实现BB84协议，且Alice独立地和Charlie进行密钥分发时，Alice的激光器Laser1产生光脉冲，使用强度调制器IM1进行调制诱骗态和信号态，再经过不等臂法拉第-迈克尔逊干涉仪FMIA和相位调制器PMA，使得仅有一臂脉冲带有相位信息；强度调制器IM2使两个光脉冲均通过，再经光衰减器ATTA衰减后输出至Charlie；到达测量端Charlie，首先经过相位调制器PMC1，使另一臂脉冲也携带相位信息，然后从环形器CIR1的1端口进2端口出，再经过不等臂法拉第-迈克尔逊干涉仪FMIC，在时域上形成三个时间窗口，只有在中间的时间窗口上同时到达分束器BS且带有相位信息的脉冲会产生干涉，即先经FMIA短臂再经过Charlie中FMIC长臂的脉冲，或者先经过FMIA长臂再经过Charlie中FMIC短臂的脉会产生干涉。最后，光脉冲从环形器CIR1和CIR2的2端口进3端口出，到达探测器D1和D2。Alice根据探测器响应情况以及和Charlie的对基结果生成密钥。
进一步的，在实现BB84协议，且Bob独立地和Charlie进行密钥分发时，Bob的激光器Laser2产生光脉冲，然后使用强度调制器IM3进行调制诱骗态和信号态，再经过不等臂法拉第-迈克尔逊干涉仪FMIB和相位调制器PMB，使得仅有一臂脉冲带有相位信息；强度调制器IM4使两个光脉冲均通过，再经光衰减器ATTB衰减后输出至Charlie；到达测量端Charlie，首先经过相位调制器PMC2，使另一臂脉冲也携带相位信息，然后从环形器CIR2的1端口进2端口出，再经过不等臂法拉第-迈克尔逊干涉仪FMIC，在时域上形成三个时间窗口，只有在中间的时间窗口上同时到达分束器BS且带有相位信息的脉冲会产生干涉，即先经FMIB短臂再经过Charlie中FMIC长臂的脉冲，或者先经过FMIB长臂再经过Charlie中FMIC短臂的脉会产生干涉。最后，光脉冲从环形器CIR1和CIR2的2端口进3端口出，到达探测器D1和D2。Bob根据探测器响应情况以及和Charlie的对基结果生成密钥。
进一步的，若Alice选择与Bob进行BB84协议的量子密钥分发时，首先Charlie与Alice、Charlie与Bob分别进行基于BB84协议的密钥分发，且两对密钥分发结果的密钥长度相同；随后Charlie利用异或对两串密钥进行运算，并公布最终结果；然后Alice或者Bob再将自己的密钥与Charlie公布的结果再次异或，完成Alice与Bob之间的BB84协议。
进一步的，本发明的一种多协议兼容的量子密钥分发系统在实现MDI协议时，Alice和Bob的激光器Laser1和Laser2分别产生光脉冲，Laser1产生光的光脉冲经强度调制器IM1调制信号态和诱骗态的强度，然后经过不等臂法拉第-迈克尔逊干涉仪FMIA分为长短臂信号，经过相位调制器PMA，对脉冲编码相位信息，强度调制器IM2使所有脉冲都通过，再经光衰减器ATTA衰减后输出至Charlie，在测量端Charlie，首先经过相位调制器PMC1，然后从环形器CIR1的1端口进2端口出，再经过Charlie的不等臂法拉第-迈克尔逊干涉仪FMI；
Laser1产生光的光脉冲经强度调制器IM3调制信号态和诱骗态的强度，然后经过不等臂法拉第-迈克尔逊干涉仪FMIB分为长短臂信号，经过相位调制器PMB，对脉冲编码相位信息，强度调制器IM4使所有脉冲都通过，再经光衰减器ATTB衰减后输出至Charlie；在测量端Charlie，首先经过相位调制器PM C2，然后从环形器CIR2的1端口进2端口出，再经过Charlie的不等臂法拉第-迈克尔逊干涉仪FMI；
此时脉冲对在时域上被分为三个时间窗口。最后光脉冲经过环形器CIR的2端口到3端口到达探测器D1和D2，探测器所要探测的脉冲只有中间的时间窗口到达的脉冲。Alice和Bob根据探测器响应情况以及和Charlie的对基结果来生成密钥。
本发明的一种多协议兼容的量子密钥分发系统在实现TF协议时，Alice和Bob的激光器Laser1和Laser2分别产生光脉冲；Laser1产生光的光脉冲经强度调制器IM1调制信号态和诱骗态的强度，然后经过不等臂法拉第-迈克尔逊干涉仪FMIA分为长短臂信号，经过相位调制器PMA对其中一个臂的脉冲编码相位信息，之后经强度调制器IM2斩波后，仅保留含有相位信息的脉冲。光脉冲到达测量端Charlie，首先经过相位调制器PMC1，然后从环形器CIR1的1端口进2端口出，之后再次经过不等臂法拉第-迈克尔逊干涉仪FMIC，从环形器CIR1的2端口进3端口出；
Laser2产生光的光脉冲经强度调制器IM3调制信号态和诱骗态的强度，然后经过不等臂法拉第-迈克尔逊干涉仪FMIB分为长短臂信号，经过相位调制器PMB对其中一个臂的脉冲编码相位信息，之后经强度调制器IM4斩波后，仅保留含有相位信息的脉冲。光脉冲到达测量端Charlie，首先经过相位调制器PMC2，然后从环形器CIR2的1端口进2端口出，之后再次经过不等臂法拉第-迈克尔逊干涉仪FMIC，从环形器CIR2的2端口进3端口出；
由于脉冲经过不等臂法拉第-迈克尔逊干涉仪FMIC长臂和短臂之间有时间差，最后到达探测器的脉冲分为前后两个时刻，Alice和Bob根据第一时刻和第二时刻下的探测器响应情况以及和Charlie的对基结果来生成密钥。
本发明的有益效果为：相比于常规的只可兼容单一协议的QKD系统方案，本方法可以兼容多种该协议，包括安全性等级差别较大的BB84协议、MDI协议和TF协议，在一定程度上减少了部署实现多种协议的量子密钥分发系统的难度和成本，提高了量子密钥分发组网的灵活性。本发明方案核心在于针对三类主流协议的不同巧妙地设计了底层光学系统结构，并制定了相应的编解码方案，能够兼容三类协议的系统实现。此外，使用简化版的FMI移除了PM，平衡了长短臂的脉冲强度，同时使用单独的相位编码器可以有选择性地在前后脉冲的提供相位编码信息，在一定程度上增加了此方案的可选择性，进一步扩展了其兼容性，提升量子密钥分发组网的实用性。
附图说明
图1是本发明系统示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步详细说明。
本方案所设计的相位编码的量子密钥分发组网可以兼容多种该协议，包括BB84协议、MDI协议与TI协议。以下，本发明实施例分别介绍在此装置系统下的BB84协议、MDI协议和TF协议的量子密钥分发组网方法。
1.BB84协议量子密钥分发组网实现：
若Alice当作发射端时，Charlie与Bob均可以当作接收端与之进行量子密钥分发过程，若Bob当作发射端时，Charlie与Alice也均可以当作接收端与之进行量子密钥分发过程，这里我们以Alice和Charlie通信为例来介绍。
在发射端，Alice制备弱相干态光脉冲信号，接着使用强度调制器IM1实现信号态和诱骗态的调制；随后脉冲经过不等臂法拉第-迈克尔逊干涉仪FMIA，以及相位编码器PMA，根据密钥的选基信息对光脉冲进行编码，这样便产生了具有前后一定延时的两个光脉冲，并且具有了相应的相位差；强度调制器IM2使两个脉冲均通过；发射端的相位调制器PMA输入电信号的四种幅度分别对应发送端相位调制器PMA的四种相位0、π/2、π与3π/2。最后，利用光衰减器将量子光信号衰减至单光子光强之后输出至各自的信道中。
在接收端，相位解码模块使另一臂脉冲也携带相位信息；然后从环形器CIR1的1端口进2端口出，之后再次经过不等臂法拉第-迈克尔逊干涉仪FMIC；每个光脉冲再次被不等臂法拉第-迈克尔逊干涉仪FMIC分解为两个具有相位差的延时光脉冲，并分解为两路分别至两个探测器端。我们要求在解码部分的延时差要与编码部分的延时差一致，也就是说仅在编码端被延时的脉冲和仅在解码端被延时的脉冲将在时间上重合，在时域上来看将会形成三个时间窗口，只有在中间的时间窗口上同时到达分束器BS且带有相位信息的脉冲会产生干涉。最后，光脉冲从环形器CIR1和CIR2的2端口进3端口出，到达探测器D1和D2，从而进行BB84态测量。我们将Alice、Bob和Charlie选择的相位分别为θA、θB、θC，具体地，可以由以下的推导过程得出结果：
考虑到只有同时先经自身短臂再经过Charlie长臂的脉冲，或者先经过自身长臂再经过Charlie短臂的脉冲才能产生干涉，而其他情况无法产生干涉，故仅保留可干涉项，在脉冲到达探测器端口时可表示为：
对应探测器D1与探测器D2的响应概率分别为：
于是，执行BB84协议时，不同时刻下的探测器响应总概率与Alice和Charlie端相位调制器PM选择相位关系如表1所示：
表1BB84协议相位调制器PMA和相位调制器PMc施加相位大小及探测器总响应概率关系
当探测器响应时，Alice和Charlie通过经典信道对基。若双方选基不同，则放弃本次结果；若双方选基相同，则经过后处理后生成安全密钥。表2展示了在执行BB84协议时的编码方案。当进行XX对基操作时，θA和θB取值为{0，π}，当进行YY对基操作时，θA和θB取值为{π/2，3π/2}，则Alice和Charlie根据D1和D2是否响应以及自身的相位信息，确认最终的编码比特信息。例如，在XX对基操作下，若D1探测器响应，D2探测器不响应，Alice所知的制备相位信息为0，Charlie所知的制备相位信息为π时，则约定Charlie端进行比特翻转，最终的比特信息为0。
表2BB84协议对基编码方案
其次，若Alice选择与Bob进行BB84协议的量子密钥分发时，首先Charlie与Alice和Bob分别进行基于BB84协议的密钥分发，要求两对密钥分发结果的密钥长度相同；随后Charlie利用异或对两串密钥进行运算，并公布最终结果；然后Alice或者Bob再将自己的密钥与Charlie公布的结果再次异或，此时，便可以完成Alice与Bob之间的BB84协议。
2.MDI量子密钥分发组网实现：
接下来介绍Alice和Bob基于MDI协议的量子密钥分发流程，在这样的情况下，Charlie只能充当第三方不可信中继，作为测量端对接收到的光脉冲进行贝尔态测量。
Alice和Bob分别制备各自的光量子信号。具体地，光源Laser1和Laser2分别发出相位随机化的光脉冲信号；分别使用强度调制器IM1和IM3调制信号态和诱骗态的强度；随后进入各自的相位编码器，根据密钥和选基信息对光脉冲进行编码；强度调制器IM2和IM4分别使所有脉冲脉冲均通过；编码后，每个光脉冲变为前后具有一定延时的两个脉冲，其相位差和延时由相位编码器决定；最后，光衰减器将信号衰减至最佳光强后输出至光纤信道。
与此同时，需要保证的是Alice和Bob双方制备的光脉冲到到Charlie时是时间上一致的。到达测量端时，首先到达相位解码模块PMC1和PMC2，然后从环形器CIR2和CIR2的1端口进2端口出，再经过Charlie的不等臂法拉第-迈克尔逊干涉仪FMIC被分解为两个具有相位差的延时光脉冲，此时脉冲对在时域上被分为三个时间窗口。最后光脉冲经过环形器CIR1和cir2的2端口到3端口到达探测器D1和D2，此时探测器所要探测的脉冲只是中间的时间窗口到达的脉冲。我们要求在解码部分的延时差要与编码部分的延时差一致，也就是说仅在编码端被延时的脉冲和仅在解码端被延时的脉冲将在时间上重合，将同时到达探测器被探测，进行贝尔态测量。则可以用如下的计算方式计算探测器的响应概率。
起初，Alice和Bob所制备的脉冲经过各自的不等臂法拉第-迈克尔逊干涉仪FMIA(B)，被分成前后两个bin脉冲；之后经过相位调制器PMA(B)，将会对经过短臂(s)的脉冲添加位相位θA(θB)；同时到达Charlie端的脉冲对，再次经过相位调制器PMC，每一个脉冲都会被附加上相位θC；经过Charlie端的不等臂法拉第-迈克尔逊干涉仪FMIC，每一个bin脉冲又分成前后两个bin脉冲；具体公式推导过程
考虑到只有同时先经自身短臂再经过Charlie长臂的脉冲，或者先经过自身长臂再经过Charlie短臂的脉冲才能产生干涉，而其他情况无法产生干涉，故在脉冲到达探测器端口时可表示为：
对应探测器D1与探测器D2的响应概率分别为：
这里可以看到，在化简公式之后，探测器响应概率与θC并无直接关系。θC的物理含义是θA和θB的参考系失谐量，因此可以通过校准双方的参考系来满足θC＝0，反过来也可以通过调整θC来实现双方参考系的校准。于是在执行MDI协议时，探测器响应概率与Alice和Bob端相位调制器PM选择相位关系如表3所示：
表3MDI协议PMA和PMB施加相位大小及探测器响应概率对应关系
当探测器响应时，Alice和Bob通过经典信道对基。若双方选基不同，则放弃本次结果；若双方选基相同，则经过后处理后生成安全密钥。在这里，我们选定双方选择相位为0、π时，相当于在X基制备，选择相位为π/2、3π/2时，相当于在Y基制备。从表2中可以看出，当θA≠θB时，X基的误码率理论上可以非常低，表现出了传统方案中Z基的性质，这样就可以仅通过相位调制就可以实现低误码的相位编码MDI协议。
表4MDI协议对基编码方案
表4展示了在执行MDI协议时的对基编码方案。对于XX对基情况，若D1和D2同时响应时，则认为是有效事件，并根据Alice和Bob自身的相位信息进行比特编码，可以看到此时Alice和Bob均选择相同的相位信息。若仅有一个探测器响应，则认为是无效事件，属于误码情况。对于YY对基情况，相反，我们认为当Alice和Bob选择不同的相位信息时，是有效事件，此时提前约定Bob端需要进行比特翻转，这样双方都将得到一致的比特信息。例如，在XX对基操作下，若D1和D2探测器均响应，Alice所知的制备相位信息为π，Bob所知的制备相位信息也为π时，则双方均不进行比特翻转，可约定最终的比特信息为1。
3.TF量子密钥分发组网实现：
最后来介绍Alice和Bob基于TF协议的量子密钥分发流程。同样，Charlie只能充当第三方不可信中继，作为测量端对接收到的光脉冲进行贝尔态测量。
在发射端，与执行MDI协议一致，同样使用强度调制器IM1(IM3)实现信号态和诱骗态的调制；随后脉冲经过不等臂法拉第-迈克尔逊干涉仪FMIA(FMIB)，以及相位编码器PMA(PMB)，产生具有前后一定延时和相位差的两个光脉冲；强度调制器IM2(IM4)启用斩波功能，所对应的两种电信号分别对应斩波和通过，在此时仅使带有相位信息的脉冲通过，另一路脉冲则被斩断。
与此同时，到达测量端时的脉冲是时间上一致，且均携带有各自的发送端相位信息。在测量端的测量情况与MDI协议相同，区别在于，脉冲经过不等臂法拉第-迈克尔逊干涉仪FMI，由于长臂和短臂之间的路径差，将会产生先后两个时刻，我们通过观测两个时刻下的探测器响应结果，来进行相应的相位编码。具体地，可以用如下的计算方式计算探测器的响应概率。
当Alice(Bob)所制备的脉冲经过PMA(PMB)之后，将分别会出现两个前后脉冲，而经过强度调制器IM2(IM4)后，仅保留带有相位信息的脉冲(在这里假设保留短臂脉冲)。具体公式推导过程如下：
在这种情况下，我们观测的是在第一时刻和第二时刻下两个探测器的总响应情况，故其脉冲到达探测器D1和D2时的总响应概率分别为：
于是，执行TF协议时，不同时刻下的探测器响应总概率与Alice和Bob端相位调制器PM选择相位关系如53所示：
表5TF协议PMA和PMB施加相位大小及探测器总响应概率对应关系
借助第一时刻和第二时刻下的探测器响应差异，与MDI协议的选基制备方案一致，Alice和Bob可以通过Charlie的公布结果进行TF协议的相位编码，完成密钥后处理等操作。
表6TF协议对基编码方案
表6展示了在执行TF协议时的对基编码方案。与BB84协议类似，当θA和θB取值为{0，π}时，认为进行XX对基操作，当θA和θB取值为{π/2，3π/2}时，认为进行YY对基操作，则Alice和Charlie根据第一时刻和第二时刻下探测器的相应情况以及自身的相位信息，确认最终的编码比特信息。例如，在XX对基操作下，若第一时刻下探测器没有响应，第二时刻下任意探测器有响应，此时Alice所知的制备相位信息为0，Bob所知的制备相位信息也为0时，则双方均不进行比特翻转，可约定最终的比特信息为0。
为使本发明的技术方案、目的和优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明作进一步说明。
对于目前所研究的量子密钥分发组网，由于网络中继节点之间的安全性需求越来越高，目前较为健全的以BB84协议为核心的可信节点组网已经无法满足。但与此同时，构建安全性等级更高的不可信节点理想候选协议，如MDI协议、TF协议等，所需要的系统无法与原来的BB84协议系统兼容。但借助于我们的新方案，消除了相位编码BB84协议、MDI协议和TF协议之间的不兼容性。
本发明所设计的多中协议兼容的量子密钥分发组网方法中，主要根据BB84协议和与MDI协议、TF协议在相位编码之间的差异性，巧妙地设计出简明灵活的底层光学系统结构，针对不同协议约定相应的编解码方案，实现三个协议的组网兼容。在底层光学系统结构中，我们采用简化版的法拉第-迈克尔逊干涉仪FMI结合分离式的相位调制器，一方面减少了长短臂损耗不一致带来的影响，降低了系统的复杂度，另一方面，我们设计的方案可以使相位信息任意编码在长臂或者短臂上，在一定程度上增加了整个系统编解码操作的灵活性和可选择性，进一步提升其可兼容性以及实用性。
图1为本设计的多协议兼容的量子密钥分发组网装置图。发送端的强度调制器IM1，用于实现信号态、诱骗态和真空态的调制。简化版的不等臂法拉第-迈克尔逊干涉仪FMI由1个50:50BS和2个FM组成。经过法拉第-迈克尔逊干涉仪FMI，信号脉冲分为具有时间差的长臂信号和短臂信号。强度调制器IM2在执行TF协议时，用于信号脉冲选择，只保留带有相位信息的脉冲，执行BB84协议和MDI协议时使所有脉冲均通过。光衰减器用于将量子光强度衰减到单光子量级。在测量端，在执行BB84协议时，利用相位调制器PM进行相位解调，随后不等臂法拉第-迈克尔逊干涉仪FMI用于脉冲干涉。在执行MDI协议、TF协议时，脉冲对在时域上再次被分为长臂信号和短臂信号，此时探测器所要探测的脉冲只是到达时间一致的中间两个脉冲，在探测方式实现了与BB84系统的一致。
综上，本发明提出了一种多协议兼容的量子密钥分发系统，此设计可以兼容BB84协议、MDI协议和TF协议。我们提出的方案可以根据需要在它们之间切换所使用的协议，并进一步弥合现有单独实现相位编码BB84网络、MDI网络和TF网络之间的差距。我们的设计方案，在组网中对节点可信度的依赖性降低了，从而进一步提高了网络的生存性。此外，本发明在一个网络中可以满足不同应用场景的各种要求，特别是高密钥率或高安全级别的要求。更重要的是，所有这些优点都可以在不增加硬件成本的情况下获得。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益结果进行了进一步详细说明，应理解的是，目前的专利说明书仅以光纤元器件组成的QKD系统为例进行了介绍，比如本发明的具体实施例使用的方法同样适用于其它片上QKD系统或自由空间QKD系统，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种多协议兼容的量子密钥分发系统，其特征在于，包括发射端Alice、发射端Bob以及测量端Charlie，发射端Bob的结构与发射端Alice结构相同，发射端Alice和发射端Bob分别与测量端Charlie连接；
发射端Alice包括依次连接的激光器Laser1、强度调制器IM1、不等臂法拉第-迈克尔逊干涉仪FMIA、相位调制器PMA、强度调制器IM2和光衰减器ATTA；
在实现BB84协议时，当Alice作为发射端时，Bob或Charlie为接收端；当Bob作为发射端时，Alice或Charlie为接收端，进行密钥分发；
在实现MDI协议时，Alice和Bob均作为发射端，Charlie作为测量端对接收到的光脉冲进行贝尔态测量；
在实现TF协议时，Alice和Bob均作为发射端，Charlie作为测量端对接收到的光脉冲进行贝尔态测量。
2.根据权利要求1所述一种多协议兼容的量子密钥分发系统，其特征在于，发射端Bob包括依次连接的激光器Laser2、强度调制器IM3、不等臂法拉第-迈克尔逊干涉仪FMIB、相位调制器PMB、强度调制器IM4和光衰减器ATTB；
测量端Charlie包括两个环形器CIR1和CIR2、两个相位解码器PMC1和PMC2、不等臂法拉第-迈克尔逊干涉仪FMIC、两个单光子探测器D1和D2；
相位解码器PMC1的一端与Alice的光衰减器ATTA连接，另一端连接环形器CIR1的1端口，环形器CIR1的2端口连接不等臂法拉第-迈克尔逊干涉仪FMIC，环形器CIR1的3端口连接光子探测器D1；
相位解码器PMC2的一端与Bob的光衰减器ATTB连接，另一端连接环形器CIR2的1端口，环形器CIR2的2端口连接不等臂法拉第-迈克尔逊干涉仪FMIC，环形器CIR1的3端口连接光子探测器D1。
3.根据权利要求2所述一种多协议兼容的量子密钥分发系统，其特征在于，在实现BB84协议，且Alice独立地和Charlie进行密钥分发时，Alice的激光器Laser1产生光脉冲，使用强度调制器IM1进行调制诱骗态和信号态，再经过不等臂法拉第-迈克尔逊干涉仪FMIA和相位调制器PMA，使得仅有一臂脉冲带有相位信息；强度调制器IM2使所有光脉冲均通过，再经光衰减器ATTA衰减后输出至Charlie；到达测量端Charlie，首先经过相位调制器PMC1，使另一臂脉冲也携带相位信息，然后从环形器CIR1的1端口进2端口出，再经过不等臂法拉第-迈克尔逊干涉仪FMIC，在时域上形成三个时间窗口，只有在中间的时间窗口上同时到达分束器BS且带有相位信息的脉冲会产生干涉，即先经FMIA短臂再经过Charlie中FMIC长臂的脉冲，或者先经过FMIA长臂再经过Charlie中FMIC短臂的脉会产生干涉；最后，光脉冲从环形器CIR1和CIR2的2端口进3端口出，到达探测器D1和D2；Alice根据探测器响应情况以及和Charlie的对基结果生成密钥。
4.根据权利要求2所述一种多协议兼容的量子密钥分发系统，其特征在于，在实现BB84协议，且Bob独立地和Charlie进行密钥分发时，Bob的激光器Laser2产生光脉冲，然后使用强度调制器IM3进行调制诱骗态和信号态，再经过不等臂法拉第-迈克尔逊干涉仪FMIB和相位调制器PMB，使得仅有一臂脉冲带有相位信息；强度调制器IM4使所有光脉冲均通过，再经光衰减器ATTB衰减后输出至Charlie；
到达测量端Charlie，首先经过相位调制器PMC2，使另一臂脉冲也携带相位信息，然后从环形器CIR2的1端口进2端口出，再经过不等臂法拉第-迈克尔逊干涉仪FMIC，在时域上形成三个时间窗口，只有在中间的时间窗口上同时到达分束器BS且带有相位信息的脉冲会产生干涉，即先经FMIB短臂再经过Charlie中FMIC长臂的脉冲，或者先经过FMIB长臂再经过Charlie中FMIC短臂的脉会产生干涉；最后，光脉冲从环形器CIR1和CIR2的2端口进3端口出，到达探测器D1和D2；Bob根据探测器响应情况以及和Charlie的对基结果生成密钥。
5.根据权利要求2所述一种多协议兼容的量子密钥分发系统，其特征在于，若Alice选择与Bob进行BB84协议的量子密钥分发时，首先Charlie与Alice、Charlie与Bob分别进行基于BB84协议的密钥分发，且两对密钥分发结果的密钥长度相同；随后Charlie利用异或对两串密钥进行运算，并公布最终结果；然后Alice或者Bob再将自己的密钥与Charlie公布的结果再次异或，完成Alice与Bob之间的BB84协议。
6.根据权利要求2所述一种多协议兼容的量子密钥分发系统，其特征在于，在实现MDI协议时，Alice和Bob的激光器Laser1和Laser2分别产生光脉冲，Laser1产生光的光脉冲经强度调制器IM1调制信号态和诱骗态的强度，然后经过不等臂法拉第-迈克尔逊干涉仪FMIA分为长短臂信号，经过相位调制器PMA，对脉冲编码相位信息，强度调制器IM2使所有脉冲都通过，再经光衰减器ATTA衰减后输出至Charlie，在测量端Charlie，首先经过相位调制器PMC1，然后从环形器CIR1的1端口进2端口出，再经过Charlie的不等臂法拉第-迈克尔逊干涉仪FMIC；
Laser1产生光的光脉冲经强度调制器IM3调制信号态和诱骗态的强度，然后经过不等臂法拉第-迈克尔逊干涉仪FMIB分为长短臂信号，经过相位调制器PMB，对脉冲编码相位信息，强度调制器IM4使所有脉冲都通过，再经光衰减器ATTB衰减后输出至Charlie；在测量端Charlie，首先经过相位调制器PM C2，然后从环形器CIR2的1端口进2端口出，再经过Charlie的不等臂法拉第-迈克尔逊干涉仪FMIC；
此时脉冲对在时域上被分为三个时间窗口；最后光脉冲经过环形器CIR1和CIR2的2端口到3端口到达探测器D1和D2，探测器所要探测的脉冲只有中间的时间窗口到达的脉冲；Alice和Bob根据探测器响应情况以及和Charlie的对基结果来生成密钥。
7.根据权利要求2所述一种多协议兼容的量子密钥分发系统，其特征在于，在实现TF协议时，Alice和Bob的激光器Laser1和Laser2分别产生光脉冲；
Laser1产生光的光脉冲经强度调制器IM1调制信号态和诱骗态的强度，然后经过不等臂法拉第-迈克尔逊干涉仪FMIA分为长短臂信号，经过相位调制器PMA对其中一个臂的脉冲编码相位信息，之后经强度调制器IM2斩波后，仅保留含有相位信息的脉冲；光脉冲到达测量端Charlie，首先经过相位调制器PMC1，然后从环形器CIR1的1端口进2端口出，之后再次经过不等臂法拉第-迈克尔逊干涉仪FMIC，从环形器CIR1的2端口进3端口出；
Laser2产生光的光脉冲经强度调制器IM3调制信号态和诱骗态的强度，然后经过不等臂法拉第-迈克尔逊干涉仪FMIB分为长短臂信号，经过相位调制器PMB对其中一个臂的脉冲编码相位信息，之后经强度调制器IM4斩波后，仅保留含有相位信息的脉冲；光脉冲到达测量端Charlie，首先经过相位调制器PMC2，然后从环形器CIR2的1端口进2端口出，之后再次经过不等臂法拉第-迈克尔逊干涉仪FMIC，从环形器CIR2的2端口进3端口出；
由于脉冲经过不等臂法拉第-迈克尔逊干涉仪FMIC长臂和短臂之间有时间差，最后到达探测器的脉冲分为前后两个时刻，Alice和Bob根据第一时刻和第二时刻下的探测器响应情况以及和Charlie的对基结果来生成密钥。
8.根据权利要求2所述一种多协议兼容的量子密钥分发系统，其特征在于，不等臂法拉第-迈克尔逊干涉仪FMIA、FMIB、FMIC结构相同，均包括一个BS和两个法拉第镜FM，两个法拉第镜FM分别与BS连接。
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