CN116527251B - 边带干涉的测量设备无关双场量子密钥分发装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种边带干涉的测量设备无关双场量子密钥分发装置和方法，包括第一通信端Alice、第二通信端Bob和第三方探测端Charlie，第一通信端Alice和第二通信端Bob均包括依次连接的独立激光器、第一IQ调制组件、第一强度调制器、第二强度调制器和光衰减器；第三方探测端Charlie包括第一链路、第二链路、相对相位测量模块、相位调制器、第一分束器、第一单光子探测器和第二单光子探测器。本发明采用上述结构的边带干涉的测量设备无关双场量子密钥分发装置和方法，通过主峰和单边带的相位关联作为参考相位，避免了使用全局相位锁定，因此本发明具有很高的稳定性，而且是在射频段对光信号进行调制，利用载波复用技术可实现多边带同时分发密钥，提高了系统的成码率。
Description
技术领域
本发明涉及型材技术领域，特别是涉及一种边带干涉的测量设备无关双场量子密钥分发装置和方法。
背景技术
量子密钥分发(Quantum Key Distribution，QKD)能够在通信双方建立安全密钥，进而通过一次一密加密算法实现安全通信，其安全性由非正交量子态不可克隆等量子力学基本定理保证。自1984年首个QKD协议被提出以来，QKD得到了广泛的研究，技术逐渐成熟并开展了点对点、城域以及城际QKD网络应用示范研究。我国成功实现500公里现场地基QKD，通过“墨子号”完成了千公里级基于纠缠的无中继QKD，基于量子通信“京沪干线”构建了集成700多条地面光纤QKD链路的广域量子通信网络。全球量子通信领域正在快速推进，量子网络建设正在向规模化、产业化发展。
与经典光纤通信类似，量子态也会随着传输距离呈指数衰减。对于经典光纤通信，采用光放大器每隔一段距离进行光放大即可建立一个长距离光纤网络。然而，单个未知量子态的放大器并不存在。因此，简单的光放大器不能用于长距离光纤QKD。迄今为止，实验上实现的最远的点对点无中继QKD光纤信道为421公里，基于量子通讯卫星的自由空间信道通信距离达到了4600km。然而，在没有量子中继节点的情况下，QKD可以实现的成码率和距离存在一个理论极限，即成码率与信道透过率η呈线性关系。要想实现更远的通信距离需要借助于中继器。采用可信中继建立长距离QKD链路及网络中继站之间必须保持良好的隔离和信任，而量子中继以现有技术仍无法实现。因此，目前大规模光纤量子通信网络面临的主要挑战是如何突破无中继QKD码率和距离的限制。
双场量子密钥分发协议(Two-field Quantum Key Distribution，TF-QKD)由于能够突破点对点无中继量子密钥分发距离极限而受到广泛关注,它可以通过一个不可信的中间节点(Charlie)进行简单的干涉测量突破点对点QKD传输距离极限。TF-QKD具有测量设备无关安全性并能够进一步提升QKD系统的传输距离和码率，成为未来QKD系统及网络研发关注的重要方向。自2017年首个TF-QKD协议提出以来，已有多个改进方案和实验报道，如相位匹配量子密钥分发，“发送-不发送”双场量子密钥分发。在TF-QKD中，两个用户Alice和Bob发送两个光场在Charlie产生一个单光子干涉。使用单光子的事实，即单光子检测事件，会导致秘钥速率为√η，因为现在只有一个来自Alice或Bob的光子到达Charlie。重要的是，由于TF-QKD与测量设备无关量子密钥分发（MDI-QKD）具有相似的结构，因此它也不受探测器的侧信道攻击，尤其适用于星形网络。综上所言，既然TF-QKD的安全性已经得到了牢固的确立，那么研究其实验可行性是非常必要的，特别是由于TF-QKD需要长距离亚波长路径长度的相位稳定。2019年英国剑桥大学M. Minder等人完成了TF-QKD的原理性验证实验，证明了突破无中继量子密钥分发成码率和距离限制的可行性。2019年山西大学与加大拿多伦多大学联合报道了由Sagnac干涉仪组成的双向QKD系统，利用路径自然循环自动补偿相位波动，它可以帮助克服实现TF-QKD的主要实际挑战，即保持从Alice和Bob发送的相干态之间的长期相位稳定。实验演示了大于10公里的光纤链路TF-QKD，证明了Sagnac干涉仪配置可以在一个实际的TF-QKD系统中实现相位稳定。2020年，中科大和清华大学联合报道了基于改进型TF-QKD协议和超导纳米线单光子探测器实现509公里超低损耗光纤的量子密钥分发，成码率约为0.1bit/s,成为量子密钥分发距离的新记录，所提出的“发送-不发送”改进型TF-QKD协议能够有效提升系统相位噪声容忍度，同时通过采用时频传输技术结合附加相位参考光实现远距离单光子精准相位干涉控制。2021年中科大基于该系统实现了511km的实地测试，为长距离城际量子网络建设奠定了基础。
虽然TF-QKD在实际测试中已经取得了巨大成功，但是基于超稳腔结构的相位锁定系统技术难度大、成本高，在未来的TF-QKD网络建设中难以实现大规模应用，我们需要寻求更简单的相位稳定技术以进一步提升TF-QKD的实用性。
发明内容
本发明的目的是提供一种边带干涉的测量设备无关双场量子密钥分发装置和方法，通过主峰和单边带的相位关联作为参考相位，避免了使用全局相位锁定，因此本发明具有很高的稳定性，而且是在射频段对光信号进行调制，利用载波复用技术可实现多边带同时分发密钥，提高了系统的成码率。
为实现上述目的，本发明提供了一种边带干涉的测量设备无关双场量子密钥分发装置，包括合法的第一通信端Alice、合法的第二通信端Bob和不可信的第三方探测端Charlie，第一通信端Alice和第二通信端Bob均包括依次连接的独立激光器、第一IQ调制组件、第一强度调制器、第二强度调制器和光衰减器；
所述第三方探测端Charlie包括第一链路、第二链路、相对相位测量模块、相位调制器、第一分束器、第一单光子探测器和第二单光子探测器，所述第一链路和所述第二链路均包括依次连接的偏振控制器、环形器和光栅滤波器，第一链路的偏振控制器与第一通信端Alice的光衰减器连接，第一链路的光栅滤波器与第一分束器的第一输入端连接，第二链路的偏振控制器与第二通信端Bob的光衰减器连接，第二链路的光栅滤波器与相位调制器的载频信号输入端连接，两个环形器均与相对相位测量模块连接，相对相位测量模块与相位调制器的射频信号输入端连接，相位调制器的输出端与第一分束器的第二输入端连接，第一分束器的两个输出端分别与第一单光子探测器和第二单光子探测器连接。
优选的，第一IQ调制组件包括IQ调制器、射频信号源、第一射频开关、第一高频移相器、第二高频移相器和第二射频开关，IQ调制器上的载频信号输入端与独立激光器连接，IQ调制器上的射频信号输入端通过第二射频开关与第一高频移相器和第二高频移相器并列连接，第一高频移相器和第二高频移相器均通过第一射频开关与射频信号源连接，IQ调制器上的输出端与第一强度调制器连接。
优选的，相对相位测量模块包括第二分束器、第一探测器、第二探测器和相位反馈控制器，第二分束器的两个输入端分别与两个环形器连接，第二分束器的两个输出端分别与第一探测器和第二探测器连接，第一探测器和第二探测器均与相位反馈器连接，相位反馈器与相位调制器的射频信号输入端连接。
边带干涉的测量设备无关双场量子密钥分发方法，包括以下步骤：
步骤1：第一通信端Alice和第二通信端Bob分别利用各自的第一IQ调制组件对其独立激光器出射的激光进行调制产生单边带，并通过调制射频信号相位对单边带相位进行调制：独立激光器发射出的激光进入IQ调制器，射频信号源产生的射频信号通过第一射频开关以Px的概率进入到第一高频移相器，以1-Px的概率进入到第二高频移相器，第一高频移相器在FPGA的控制下以编码模式对射频信号的相位进行调制，第二高频移相器在FPGA的控制下以诱骗模式对射频信号的相位进行调制，经调制后的射频信号通过第二射频开关加载到IQ调制器的射频信号输入端，最后利用载波复用技术进行光纤传输；
步骤2：脉冲强度调节：步骤1经调制后的激光依次传送至第一强度调制器、第二强度调制器和光衰减器，第一强度调制器对经过编码模式调制的激光进行斩脉冲形成脉冲光，第二强度调制器对经过诱骗模式调制的激光执行随机强度调制形成脉冲光，脉冲光通过光衰减器衰减至指定脉冲强度形成指定光脉冲信号并发送给第三方探测端Charlie；
步骤3：提取主峰单光子信号和边带单光子信号：第三方探测端Charlie分别通过第一链路和第二链路对第一通信端Alice和第二通信端Bob发送过来的指定光脉冲信号进行处理，其中利用偏振控制器实现入射光偏振调节，保证双方光脉冲具有相同偏振态，以保证高的干涉可视度；利用光栅滤波器将指定光脉冲信号的主峰单光子信号和边带单光子信号通过光谱进行分离，第一链路的光栅滤波器将第一通信端Alice的边带单光子信号发送至第一分束器，第二链路的光栅滤波器将第二通信端Bob的边带单光子信号发送至相位调制器；第一链路的环形器将第一通信端Alice的主峰单光子信号传递给相对相位测量模块，第二链路的环形器将第二通信端Bob的主峰单光子信号传递给相对相位测量模块；
步骤4：边带相位补偿：相对相位测量模块的第二分束器对来自第一通信端Alice和第二通信端Bob的主峰单光子信号进行主峰干涉，由第一探测器和第二探测器记录测量结果并传递给相位反馈控制器，相位反馈控制器将主峰单光子信号的相对相位信息实时反馈给相位调制器，相位调制器通过相对相位信息对边带单光子信号相位进行实时补偿，最后将补偿后的边带单光子信号传递给第一分束器；
步骤5：边带干涉成码：利用第一分束器对步骤4中经相位调制器得到的补偿后的边带单光子信号和步骤3中经第一链路得到的边带单光子信号进行边带干涉，并最终被第一单光子探测器和第二单光子探测器探测成码。
优选的，射频信号源发出射频信号为正弦波信号，在编码模式下通过第一高频移相器将正弦波信号的相位调至0或π，在诱骗模式下通过第二高频移相器将正弦波信号的相位调至θ，θ∈（0,π）。
优选的，第二强度调制器对经过诱骗模式调制的激光执行随机强度调制时，出射光脉冲信号强度从0，μ1，μ2中随机选择。
因此，本发明采用上述结构的边带干涉的测量设备无关双场量子密钥分发装置和方法，具有如下有益效果：
1.本系统通过主峰提取相位参考信息并对边带相位进行补偿，解决了双场量子密钥分发全局相位参考问题。相比于现有的双场量子密钥分发方案，本系统不需要对通信双方的光源相位进行精确锁定，简化了系统结构，为双场量子密钥分发网络的规模化应用提供支撑。
2.该通信方法和系统通过引入主峰相位参考实现密钥的编解码，而不需要进行激光器相位锁定，消除由于信号脉冲初始相位不同而需要相位后选择的问题，避免了相位后处理码率消耗，大大降低了实验的实现难度并且可以有效提高成码率，具有更好的实用性。
3.本项目中主峰和边带信号同时经过光纤信道，由信道引起的相位变化对主峰和边带具有相同的变化，因此系统能够自动补偿信道中的高频相位噪声，与现有的双场量子密钥分发方案相比，本系统具有更优越的鲁棒性。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1是本发明边带干涉的测量设备无关双场量子密钥分发装置实施例的示意图；
图2是本发明边带干涉的测量设备无关双场量子密钥分发装置中第一IQ调制组件的实施例的示意图；
图3是本发明边带干涉的测量设备无关双场量子密钥分发装置中相对相位测量模块实施例的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。
如图所示，一种边带干涉的测量设备无关双场量子密钥分发装置，包括合法的第一通信端Alice、合法的第二通信端Bob和不可信的第三方探测端Charlie。第一通信端Alice和第二通信端Bob均包括依次连接的独立激光器、第一IQ调制组件、第一强度调制器、第二强度调制器和光衰减器。第一IQ调制组件包括IQ调制器、射频信号源、第一射频开关、第一高频移相器、第二高频移相器和第二射频开关。IQ调制器上的载频信号输入端与独立激光器连接，IQ调制器上的输出端与第一强度调制器连接。IQ调制器上的射频信号输入端通过第二射频开关与第一高频移相器和第二高频移相器并列连接，第一高频移相器和第二高频移相器均通过第一射频开关与射频信号源连接，第一高频移相器和第二高频移相器能够实现对射频信号的相位调制，进而实现对单边带相位的调制。
第三方探测端Charlie包括第一链路、第二链路、相对相位测量模块、相位调制器、第一分束器、第一单光子探测器和第二单光子探测器，第一链路和第二链路均包括依次连接的偏振控制器、环形器和光栅滤波器。第一链路的偏振控制器与第一通信端Alice的光衰减器连接，第一链路的光栅滤波器与第一分束器的第一输入端连接。第二链路的偏振控制器与第二通信端Bob的光衰减器连接，第二链路的光栅滤波器与相位调制器的载频信号输入端连接。
两个环形器均与相对相位测量模块连接，相对相位测量模块与相位调制器的射频信号输入端连接。相对相位测量模块包括第二分束器、第一探测器、第二探测器和相位反馈控制器，第二分束器的两个输入端分别与两个环形器连接，第二分束器的两个输出端分别与第一探测器和第二探测器连接，第一探测器和第二探测器均与相位反馈器连接，相位反馈器与相位调制器的射频信号输入端连接。相位调制器的输出端与第一分束器的第二输入端连接，第一分束器的两个输出端分别与第一单光子探测器和第二单光子探测器连接。
边带干涉的测量设备无关双场量子密钥分发方法，包括以下步骤：
步骤1：第一通信端Alice和第二通信端Bob分别利用各自的第一IQ调制组件对其独立激光器出射的激光进行调制产生单边带，并通过调制射频信号相位对单边带相位进行调制：独立激光器发射出的激光进入IQ调制器，射频信号源产生的射频信号通过第一射频开关以Px的概率进入到第一高频移相器，以1-Px的概率进入到第二高频移相器。第一高频移相器在FPGA的控制下以编码模式对射频信号的相位进行调制，第二高频移相器在FPGA的控制下以诱骗模式对射频信号的相位进行调制。射频信号源发出射频信号为正弦波信号，在编码模式下通过第一高频移相器将正弦波信号的相位调至0或π，在诱骗模式下通过第二高频移相器将正弦波信号的相位调至θ，θ∈（0,π）。经调制后的射频信号通过第二射频开关加载到IQ调制器的射频信号输入端，最后利用载波复用技术进行光纤传输，载波复用技术能够实现多个单边带同时分发密钥，提高系统的成码率。
步骤2：脉冲强度调节：步骤1经调制后的激光依次传送至第一强度调制器、第二强度调制器和光衰减器，第一强度调制器对经过编码模式调制的激光进行斩脉冲形成脉冲光，第二强度调制器对经过诱骗模式调制的激光执行随机强度调制形成脉冲光，第二强度调制器对经过诱骗模式调制的激光执行随机强度调制时，出射光脉冲信号强度从0，μ1，μ2中随机选择。脉冲光通过光衰减器衰减至指定脉冲强度形成指定光脉冲信号并发送给第三方探测端Charlie。
步骤3：提取主峰单光子信号和边带单光子信号：第三方探测端Charlie分别通过第一链路和第二链路对第一通信端Alice和第二通信端Bob发送过来的指定光脉冲信号进行处理，其中利用偏振控制器实现入射光偏振调节，保证双方光脉冲具有相同偏振态，以保证高的干涉可视度。利用光栅滤波器将指定光脉冲信号的主峰单光子信号和边带单光子信号通过光谱进行分离。第一链路的光栅滤波器将第一通信端Alice的边带单光子信号发送至第一分束器，第二链路的光栅滤波器将第二通信端Bob的边带单光子信号发送至相位调制器。第一链路的环形器将第一通信端Alice的主峰单光子信号传递给相对相位测量模块，第二链路的环形器将第二通信端Bob的主峰单光子信号传递给相对相位测量模块。
步骤4：边带相位补偿：相对相位测量模块的第二分束器对来自第一通信端Alice和第二通信端Bob的主峰单光子信号进行主峰干涉，由第一探测器和第二探测器记录测量结果并传递给相位反馈控制器，相位反馈控制器将主峰单光子信号的相对相位信息实时反馈给相位调制器，相位调制器通过相对相位信息对边带单光子信号相位进行实时补偿，最后将补偿后的边带单光子信号传递给第一分束器；
步骤5：边带干涉成码：利用第一分束器对步骤4中经相位调制器得到的补偿后的边带单光子信号和步骤3中经第一链路得到的边带单光子信号进行边带干涉，并最终被第一单光子探测器和第二单光子探测器探测成码。
因此，本发明采用上述结构的边带干涉的测量设备无关双场量子密钥分发装置和方法，通过主峰和单边带的相位关联作为参考相位，避免了使用全局相位锁定，因此本发明具有很高的稳定性和成码率；由信道引起的相位变化对主峰和边带具有相同的变化，因此本发明能够自动补偿信道中的高频相位噪声，具有优越的鲁棒性；而且是在射频段对光信号进行调制，利用载波复用技术可实现多边带同时分发密钥，提高了系统的成码率。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种边带干涉的测量设备无关双场量子密钥分发装置，其特征在于：包括合法的第一通信端Alice、合法的第二通信端Bob和不可信的第三方探测端Charlie，第一通信端Alice和第二通信端Bob均包括依次连接的独立激光器、第一IQ调制组件、第一强度调制器、第二强度调制器和光衰减器，第一通信端Alice和第二通信端Bob分别利用各自的第一IQ调制组件对其独立激光器出射的激光进行调制产生单边带，并通过调制射频信号相位对单边带相位进行调制；
所述第三方探测端Charlie包括第一链路、第二链路、相对相位测量模块、相位调制器、第一分束器、第一单光子探测器和第二单光子探测器，所述第一链路和所述第二链路均包括依次连接的偏振控制器、环形器和光栅滤波器，第一链路的偏振控制器与第一通信端Alice的光衰减器连接，第一链路的光栅滤波器与第一分束器的第一输入端连接，第二链路的偏振控制器与第二通信端Bob的光衰减器连接，第二链路的光栅滤波器与相位调制器的载频信号输入端连接，两个环形器均与相对相位测量模块连接，相对相位测量模块与相位调制器的射频信号输入端连接，相位调制器的输出端与第一分束器的第二输入端连接，第一分束器的两个输出端分别与第一单光子探测器和第二单光子探测器连接。
2.根据权利要求1所述的边带干涉的测量设备无关双场量子密钥分发装置，其特征在于：第一IQ调制组件包括IQ调制器、射频信号源、第一射频开关、第一高频移相器、第二高频移相器和第二射频开关，IQ调制器上的载频信号输入端与独立激光器连接，IQ调制器上的射频信号输入端通过第二射频开关与第一高频移相器和第二高频移相器并列连接，第一高频移相器和第二高频移相器均通过第一射频开关与射频信号源连接，IQ调制器上的输出端与第一强度调制器连接。
3.根据权利要求2所述的边带干涉的测量设备无关双场量子密钥分发装置，其特征在于：相对相位测量模块包括第二分束器、第一探测器、第二探测器和相位反馈控制器，第二分束器的两个输入端分别与两个环形器连接，第二分束器的两个输出端分别与第一探测器和第二探测器连接，第一探测器和第二探测器均与相位反馈器连接，相位反馈器与相位调制器的射频信号输入端连接。
4.根据权利要求1-3任意一项所述装置执行的边带干涉的测量设备无关双场量子密钥分发方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：第一通信端Alice和第二通信端Bob分别利用各自的第一IQ调制组件对其独立激光器出射的激光进行调制产生单边带，并通过调制射频信号相位对单边带相位进行调制：独立激光器发射出的激光进入IQ调制器，射频信号源产生的射频信号通过第一射频开关以Px的概率进入到第一高频移相器，以1-Px的概率进入到第二高频移相器，第一高频移相器在FPGA的控制下以编码模式对射频信号的相位进行调制，第二高频移相器在FPGA的控制下以诱骗模式对射频信号的相位进行调制，经调制后的射频信号通过第二射频开关加载到IQ调制器的射频信号输入端，最后利用载波复用技术进行光纤传输；
步骤2：脉冲强度调节：步骤1经调制后的激光依次传送至第一强度调制器、第二强度调制器和光衰减器，第一强度调制器对经过编码模式调制的激光进行斩脉冲形成脉冲光，第二强度调制器对经过诱骗模式调制的激光执行随机强度调制形成脉冲光，脉冲光通过光衰减器衰减至指定脉冲强度形成指定光脉冲信号并发送给第三方探测端Charlie；
步骤3：提取主峰单光子信号和边带单光子信号：第三方探测端Charlie分别通过第一链路和第二链路对第一通信端Alice和第二通信端Bob发送过来的指定光脉冲信号进行处理，其中利用偏振控制器实现入射光偏振调节；利用光栅滤波器将指定光脉冲信号的主峰单光子信号和边带单光子信号通过光谱进行分离，第一链路的光栅滤波器将第一通信端Alice的边带单光子信号发送至第一分束器，第二链路的光栅滤波器将第二通信端Bob的边带单光子信号发送至相位调制器；第一链路的环形器将第一通信端Alice的主峰单光子信号传递给相对相位测量模块，第二链路的环形器将第二通信端Bob的主峰单光子信号传递给相对相位测量模块；
步骤4：边带相位补偿：相对相位测量模块的第二分束器对来自第一通信端Alice和第二通信端Bob的主峰单光子信号进行主峰干涉，由第一探测器和第二探测器记录测量结果并传递给相位反馈控制器，相位反馈控制器将主峰单光子信号的相对相位信息实时反馈给相位调制器，相位调制器通过相对相位信息对边带单光子信号相位进行实时补偿，最后将补偿后的边带单光子信号传递给第一分束器；
步骤5：边带干涉成码：利用第一分束器对步骤4中经相位调制器得到的补偿后的边带单光子信号和步骤3中经第一链路得到的边带单光子信号进行边带干涉，并最终被第一单光子探测器和第二单光子探测器探测成码。
5.根据权利要求4所述的边带干涉的测量设备无关双场量子密钥分发方法，其特征在于：射频信号源发出射频信号为正弦波信号，在编码模式下通过第一高频移相器将正弦波信号的相位调至0或π，在诱骗模式下通过第二高频移相器将正弦波信号的相位调至θ，θ∈（0,π）。
6.根据权利要求5所述的边带干涉的测量设备无关双场量子密钥分发方法，其特征在于：第二强度调制器对经过诱骗模式调制的激光执行随机强度调制时，出射光脉冲信号强度从0，μ1，μ2中随机选择。
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