CN116980126B - 一种可重构可扩展量子密钥分发网络 - Google Patents
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Abstract
本发明属于保密通信技术领域,公开了一种可重构可扩展量子密钥分发网络,包括若干用户和一个中继节点;中继节点包括若干不等臂干涉仪;每个不等臂干涉仪的长臂均通过光开关相连;光开关使任意两个不等臂干涉仪相互导通时,用于使相应的两个用户之间执行MDI量子密钥分发协议;光开关使一个不等臂干涉仪导通时,用于使相应的用户与中继节点之间执行BB84量子密钥分发协议。与现有技术相比,本发明通过切换光开关对中继节点的干涉仪结构进行重构,可使任意两个用户通过分别与中继节点之间实现BB84协议,并将中继节点作为可信中继来实现共享安全密钥;或使任意两个用户通过与作为不可信中继的中继节点之间实现MDI协议来共享安全密钥,实现协议的灵活切换。
Description
技术领域
本发明涉及保密通信技术领域,特别涉及一种可重构可扩展量子密钥分发网络。
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和编解码方式,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,并且可以根据实际需要切换编解码方式,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, et al. Free-space reconfigurablequantum key distribution network. 2015 IEEE International Conference on SpaceOptical Systems and Applications (ICSOS). IEEE, 2015: 1-6. 和文献Wang J,Huberman B A. A Reconfigurable Relay for Polarization 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。但是该类方案在进行BB84协议时采用被动选基测量,即使测量方可以信任,但窃听者可以通过信道对测量方进行波长攻击,获取双方分发的密钥信息,导致此时系统的安全性下降。专利CN113438077B提供了一种可以兼容相位编码BB84协议和MDI协议的方案,然而该方案难以扩展,并且存在非干涉峰导致光子利用率较低。公开号为CN115001671A的专利申请提出的方案具有良好的可扩展性,可以实现任意用户之间的密钥分发,但是其只能运行MDI协议,不能兼容BB84协议,产生的密钥率较低。
发明内容
针对现有技术存在以上缺陷,本发明提出一种可重构可扩展量子密钥分发网络。
本发明的技术方案是这样实现的:
一种可重构可扩展量子密钥分发网络,包括N个用户和一个中继节点,N为不小于2的整数;
N个用户分别通过光纤信道连接中继节点;
每个用户均包括量子态制备模块,用于制备时间相位编码X基、Y基、Z基下的6种量子态;
中继节点包括N个偏振控制器PC、N个不等臂干涉仪、一个光开关和2N个单光子探测器SPD;每一个用户对应一个偏振控制器PC和一个不等臂干涉仪;
每个不等臂干涉仪的输入端口均与一个偏振控制器PC相连;每个不等臂干涉仪的两个输出端口均分别连接一个单光子探测器SPD;
每个不等臂干涉仪的长臂均通过光开关相连,所述光开关使不同不等臂干涉仪的长臂之间相互导通或使单个不等臂干涉仪的长臂各自导通;
光开关使任意两个不等臂干涉仪相互导通时,用于使相应的两个用户之间执行MDI量子密钥分发协议;光开关使一个不等臂干涉仪导通时,用于使相应的用户与中继节点之间执行BB84量子密钥分发协议。
优选地,所述量子态的两个时间模式的偏振态相互垂直。
优选地,每个不等臂干涉仪均为由一个偏振分束器PBS和一个分束器BS构成的不等臂MZ干涉仪,每个干涉仪长臂上设置有一个调相器PM。
优选地,每个不等臂干涉仪的短臂上均设置有一个可调延时模块。
优选地,所述光开关为NxN光开关,包含N个输入端口和N个输出端口;其中第i个不等臂干涉仪的长臂分别通过光开关的第i个输入端口和第i个输出端口相连,i≤N。
优选地,光开关用于导通其第i个输入端口和第j个输出端口,以及同时导通其第j个输入端口和第i个输出端口,以使用户i和用户j通过中继节点执行MDI协议量子密钥分发;或用于导通其第i个输入端口和第i个输出端口,以使用户i与中继节点执行BB84协议量子密钥分发,j≤N。
优选地,量子态制备模块包括激光器LD、强度调制器IM、环形器CIR、第一偏振分束器PBS1、第二偏振分束器PBS2、第一相位调制器PM1、第二相位调制器PM2和可调衰减器VOA,
强度调制器IM的两端分别连接激光器LD和环形器CIR的端口1;
环形器CIR的端口2与第一偏振分束器PBS1的输入端口通过保偏光纤45°熔接后连接;
第一偏振分束器PBS1的两个输出端口分别通过保偏光纤连接第一相位调制器PM1的两端,构成第一环形结构;
环形器CIR的端口3连接第二偏振分束器PBS2的一个输入端口;
第二偏振分束器PBS2的另一个输入端口和一个输出端口通过保偏光纤连接第二相位调制器PM2的两端,构成第二环形结构;
第二偏振分束器PBS2的另一个输出端口连接可调衰减器VOA的输入端口;
可调衰减器VOA的输出端口用于输出量子态。
优选地,量子态制备模块包括激光器LD, 强度调制器IM、环形器CIR、第三偏振分束器PBS3、第一分束器BS1、第三相位调制器PM3、第四相位调制器PM4和可调衰减器VOA,
强度调制器IM的两端分别连接激光器LD和环形器CIR的端口1;
环形器CIR的端口2与第三偏振分束器PBS3的输入端口相连;
第三偏振分束器PBS3的两个输出端口分别通过长度不等的保偏光纤连接第一分束器BS1的两个输入端口,其中较长的保偏光纤上设置有第四相位调制器PM4;
第一分束器BS1的两个输出端口通过长度不等的保偏光纤连接第三相位调制器PM3的两端,构成第三环形结构;
环形器CIR的端口3连接可调衰减器VOA的输入端口;
可调衰减器VOA的输出端口用于输出量子态。
优选地,量子态制备模块包括激光器LD、强度调制器 IM、第四偏振分束器PBS4、第二分束器BS2、第五相位调制器PM5、第六相位调制器PM6和可调衰减器VOA,
强度调制器IM的一端连接激光器LD、另一端通过保偏光纤45°熔接后与第四偏振分束器PBS4的一个输入端口;
第四偏振分束器PBS4的另一个输入端口和一个输出端口通过保偏光纤连接第二相位调制器PM2的两端,构成第四环形结构;
第四偏振分束器PBS4的另一个输出端口连接第二分束器BS2的一个输入端口;
第二分束器BS2的两个输出端口通过长度不等的保偏光纤连接第六相位调制器PM6的两端,构成第五环形结构;
第二分束器BS2的另一个输入端口连接可调衰减器VOA的输入端口;
可调衰减器VOA的输出端口用于输出量子态。
优选地,光开关使任意两个不等臂干涉仪相互导通时,用于使相应的两个用户之间执行参考系无关MDI量子密钥分发协议;光开关使一个不等臂干涉仪导通时,用于使相应的用户与中继节点之间执行参考系无关BB84量子密钥分发协议。
与现有技术相比,本发明有以下有益效果:
本发明提出一种可重构可扩展量子密钥分发网络,通过切换光开关对中继节点的干涉仪结构进行重构,可使任意两个用户通过分别与中继节点之间实现BB84协议,并将中继节点作为可信中继来实现共享安全密钥;或使任意两个用户通过与作为不可信中继的中继节点之间实现MDI协议来共享安全密钥,可根据场景灵活切换运行协议,具有极强的适应性和实用性。另外,通过将量子态的两个时间模式进行偏振复用,可使系统运行BB84协议时消除非干涉峰,或运行MDI协议时能够探测两个时间模式,使两种协议的光子利用率均为1,从而可以提高安全密钥率。
附图说明
图1为本发明可重构可扩展量子密钥分发网络的原理框图;
图2a为本发明两个用户通过中继节点共享密钥的BB84协议方式示意图;
图2b为本发明两个用户通过中继节点共享密钥的MDI协议方式示意图;
图3为本发明量子密钥分发网络实施例一执行BB84协议原理框图;
图4为本发明量子密钥分发网络实施例二执行MDI协议原理框图;
图5为本发明量子密钥分发网络实施例三的原理框图。
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,一种可重构可扩展量子密钥分发网络,包括N个用户和一个中继节点,N为不小于2的整数;
N个用户分别通过光纤信道连接中继节点;
每个用户均包括量子态制备模块,用于制备时间相位编码X基、Y基、Z基下的6种量子态;
中继节点包括N个偏振控制器PC、N个不等臂干涉仪、一个光开关和2N个单光子探测器SPD;每一个用户对应一个偏振控制器PC和一个不等臂干涉仪;
每个不等臂干涉仪的输入端口均与一个偏振控制器PC相连;每个不等臂干涉仪的两个输出端口均分别连接一个单光子探测器SPD;
每个不等臂干涉仪的长臂均通过光开关相连,使不同不等臂干涉仪的长臂之间相互导通或使单个不等臂干涉仪的长臂各自导通;
光开关使任意两个不等臂干涉仪相互导通时,用于使相应的两个用户之间执行MDI量子密钥分发协议;光开关使一个不等臂干涉仪导通时,用于使相应的用户与中继节点之间执行BB84量子密钥分发协议。
所述量子态的两个时间模式的偏振态相互垂直。
每个不等臂干涉仪均为由一个偏振分束器PBS和一个分束器BS构成的不等臂MZ干涉仪,每个干涉仪长臂上设置有一个调相器PM。
光开关为NxN光开关,包含N个输入端口和N个输出端口;其中第i个不等臂干涉仪的长臂分别通过光开关的第i个输入端口和第i个输出端口相连,i≤N。
光开关用于导通其第i个输入端口和第j个输出端口,以及同时导通其第j个输入端口和第i个输出端口,以使用户i和用户j通过中继节点执行MDI协议量子密钥分发;或用于导通其第i个输入端口和第i个输出端口,以使用户i与中继节点执行BB84协议量子密钥分发,j≤N。
具体工作过程如下:
每个用户均通过光纤信道连接中继节点的一个偏振控制器PC后连接一个该用户对应的不等臂干涉仪,其中每个不等臂干涉仪的长臂连接NxN光开关的第i个输入端口和第i个输出端口。
以用户1、用户2分别与中继节点进行BB84协议,用户3和用户N通过中继节点进行MDI协议进行说明。
(1)中继节点作为可信中继
光开关使一个不等臂干涉仪导通时,使相应的用户与中继节点之间执行BB84量子密钥分发协议。
对于用户1、用户2分别对应的不等臂干涉仪,切换光开关分别使其第1输入端口和第1输出端口导通、第2输入端口和第2输出端口导通,用户1和用户2可以分别与中继节点进行BB84协议。如图2a所示,用户1和中继节点进行BB84协议,二者共享密钥;用户2和中继节点也进行BB84协议,二者共享密钥。
中继节点为可信中继,其拥有用户1和用户2各自的密钥和,将二者进行异或,得到,并将发送给用户2。用户2用自己的密钥与接收到的进行异或,得到的密钥为
因此,用户1和用户2可以通过可信中继节点共享完全一致的密钥。
(2)中继节点作为不可信中继
光开关使任意两个不等臂干涉仪相互导通时,用于使相应的两个用户之间执行MDI量子密钥分发协议;
对于用户3、用户N分别对应的不等臂干涉仪,切换光开关分别使其第3输入端口和第N输出端口导通、第N输入端口和第3输出端口导通,用户3和用户N可以通过中继节点进行BB84协议。如图2b所示,用户3和和用户N通过中继节点进行MDI协议,二者得到的密钥完全一致,即。
如图3所示,实施例一:
量子态制备模块包括激光器LD,强度调制器IM、环形器CIR、第一偏振分束器PBS1、第二偏振分束器PBS2、第一相位调制器PM1、第二相位调制器PM2和可调衰减器VOA,
强度调制器IM的两端分别连接激光器LD和环形器CIR的端口1;
环形器CIR的端口2与第一偏振分束器PBS1的输入端口通过保偏光纤45°熔接后连接;
第一偏振分束器PBS1的两个输出端口分别通过保偏光纤连接第一相位调制器PM1的两端,构成第一环形结构;
环形器CIR的端口3连接第二偏振分束器PBS2的一个输入端口;
第二偏振分束器PBS2的另一个输入端口和一个输出端口通过保偏光纤连接第二相位调制器PM2的两端,构成第二环形结构;
第二偏振分束器PBS2的另一个输出端口连接可调衰减器VOA的输入端口;
可调衰减器VOA的输出端口用于输出量子态。
具体工作过程如下:
以用户i和用户j分别与中继节点进行BB84协议为例进行说明。
用户i的激光器LD产生水平偏振的光脉冲,首先经强度调制器IM调制光强产生信号态或诱骗态,随后到达环形器CIR的端口1,从其端口2出射,经45°偏振旋转后进入第一偏振分束器PBS1的输入端口,被偏振分束成两个偏振相互垂直的分量,分别从第一偏振分束器PBS1的两个输出端口出射,二者分别在第一环形结构中沿顺时针和逆时针方向传播,不同时经过第一相位调制器PM1被调制相位差j后同时回到第一偏振分束器PBS1进行偏振合束,合成的偏振态为
随后偏振被旋转45°,偏振态变为
即得到4种偏振态。
经偏振调制的光脉冲进入第二偏振分束器PBS2的一个输入端口,竖直偏振分量被反射到其一个输出端口,沿第二环形结构经第二相位调制器PM2调制相位后达到第二偏振分束器PBS2的另一个输入端口,从第二偏振分束器PBS2的另一个输出端口出射;水平偏振分量直接从第二偏振分束器PBS2的另一个输入端口出射。
因此,当进入第二偏振分束器PBS2的光脉冲的偏振态为,直接从第二偏振分束器PBS2出射,处于前一个时间模式,仍为水平偏振;当光脉冲的偏振态为,会沿第二环形结构传播后从第二偏振分束器PBS2出射,处于后一个时间模式,仍为竖直偏振;当光脉冲的偏振态为或时,水平偏振分量直接从第二偏振分束器PBS2出射,处于前一个时间模式,仍为水平偏振,竖直偏振分量会沿第二环形结构传播后从第二偏振分束器PBS2出射,处于后一个时间模式,仍为竖直偏振,其中竖直偏振分量经第二相位调制器PM2后可将其与水平偏振的相位差调制为φ,得到的态为
最终经可调衰减器VOA衰减后从用户i可随机输出6种时间相位编码量子态,包括Z基下的两种量子态、,X基下的两种量子态和Y基下的两种量子态。
用户j具有相同的结构,也可随机输出6种时间相位编码量子态。
(1)中继节点作为可信中继
光开关导通其第i个输入端口和第i个输出端口、第j个输入端口和第j个输出端口,用户i和用户j分别单独与中继节点执行BB84协议量子密钥分发。
上述两个过程是独立的,以用户i与中继节点执行相位编码BB84协议量子密钥分发进行说明。
用户i随机输出相位编码量子态、,到达中继节点后首先经 PCi恢复偏振态,并旋转90°,量子态变为
随后时间模式沿不等臂干涉仪的长臂传播,经PMi调制相位后到达BSi;时间模式沿不等臂干涉仪的短臂传播,与时间模式同时到达BSi并与其进行干涉,干涉结构进入两个单光子探测器单光子探测器SPD单光子探测器SPD进行探测,根据探测结果即可进行BB84协议量子密钥分发。
另外,可以看出由于两个时间模式偏振相互垂直,因此干涉时没有出现非干涉峰,所有的光子都可以用来干涉,即光子利用效率为1,从而可以提高安全密钥率。
(2)中继节点作为不可信中继
光开关用于导通其第i个输入端口和第j个输出端口,以及同时导通其第j个输入端口和第i个输出端口,用户i和用户j通过中继节点执行MDI协议量子密钥分发。
用户i随机输出4种时间相位编码量子态、、,到达中继节点后首先经PCi恢复偏振态,并旋转90°,量子态变为
、、
用户j同样随机输出4种时间相位编码量子态、、,到达中继节点后首先经PCi恢复偏振态,并旋转90°,量子态变为
、、
用户i和用户j的量子态分别进入PBSi和PBSj时,时间模式被反射走不等臂干涉仪的长臂,时间模式透射走不等臂干涉仪的短臂。因此,用户i的时间模式经光开关的第i个输入端口到第j个输出端口后到达BSj,与用户j的时间模式进行干涉;用户j的时间模式经光开关的第j个输入端口到第i个输出端口后到达BSi,与用户i的时间模式进行干涉;干涉结果进入4个单光子探测器SPD进行探测,实现贝尔态测量。中继节点公布贝尔态测量的结果,用户i和用户j可以进行MDI协议实现量子密钥分发,其中生成密钥时需要做相应的比特翻转。
另外,可以看出由于两个时间模式偏振相互垂直,进行贝尔态测量时两个时间模式都可以被探测到,因此光子利用效率为1,从而可以提高安全密钥率。
如图4所示,实施例二:
量子态制备模块包括激光器LD,强度调制器IM、环形器CIR、第三偏振分束器PBS3、第一分束器BS1、第三相位调制器PM3、第四相位调制器PM4和可调衰减器VOA,
强度调制器IM的两端分别连接激光器LD和环形器CIR的端口1;
环形器CIR的端口2与第三偏振分束器PBS3的输入端口相连;
第三偏振分束器PBS3的两个输出端口分别通过长度不等的保偏光纤连接第一分束器BS1的两个输入端口,其中较长的保偏光纤上设置有第四相位调制器PM4;
第一分束器BS1的两个输出端口通过长度不等的保偏光纤连接第三相位调制器PM3的两端,构成第三环形结构;
环形器CIR的端口3连接可调衰减器VOA的输入端口;
可调衰减器VOA的输出端口用于输出量子态。
具体工作过程如下:
以用户i和用户j分别与中继节点进行BB84协议为例进行说明。
用户i的激光器LD产生水平偏振的光脉冲,首先经强度调制器IM调制光强产生信号态或诱骗态,随后到达环形器CIR的端口1,从其端口2出射,进入第三偏振分束器PBS3的输入端口,直接从其一个输出端透出射,到达第一分束器BS1的一个输入端口后被分束成幅度相等、偏振相同的两个分量,二者分别在第三环形结构中沿顺时针和逆时针方向传播,不同时经过第三相位调制器PM3被调制相位差j后同时回到第一分束器BS1进行干涉,干涉结果为
当时,干涉结果全部从第一分束器BS1的一个输入端口出射,到达第三偏振分束器PBS3的一个输出端口后直接透射,经环形器CIR到达可调衰减器VOA,被衰减到单光子量级,得到的量子态为。
当时,干涉结果全部从第一分束器BS1的另一个输入端口出射,经第四相位调制器PM4不调相,随后到达第三偏振分束器PBS3的另一个输出端口后被反射,经环形器CIR到达可调衰减器VOA,被衰减到单光子量级。由于连接第三偏振分束器PBS3的两个输出端口和第一分束器BS1的两个输入端口的保偏光纤长度不等,且第四相位调制器PM4所在的保偏光纤较长,因此得到的量子态为。
当或时,干涉产生两路干涉结果,分别从第一分束器BS1的两个输入端口出射,且幅度相等。其中一路干涉结果到达第三偏振分束器PBS3的一个输出端口后直接透射;另一路干涉结果经第四相位调制器PM4调制相位φ,随后到达第三偏振分束器PBS3的另一个输出端口后被反射。两路干涉结果经环形器CIR到达可调衰减器VOA,被衰减到单光子量级,得到的量子态为
,
分别对应的量子态为、、、。
最终用户i可随机输出6种时间相位编码量子态,包括Z基下的两种量子态、,X基下的两种量子态和Y基下的两种量子态。
用户j具有相同的结构,也可随机输出6种时间相位编码量子态。
(1)中继节点作为可信中继
光开关导通其第i个输入端口和第i个输出端口、第j个输入端口和第j个输出端口,用户i和用户j分别单独与中继节点执行BB84协议量子密钥分发。
上述两个过程是独立的,以用户i与中继节点执行相位编码BB84协议量子密钥分发进行说明。
用户i随机输出相位编码量子态、,到达中继节点后首先经 PCi恢复偏振态,并旋转90°,量子态变为
随后时间模式沿不等臂干涉仪的长臂传播,经PMi调制相位后到达BSi;时间模式沿不等臂干涉仪的短臂传播,与时间模式同时到达BSi并与其进行干涉,干涉结构进入两个单光子探测器单光子探测器SPD单光子探测器SPD进行探测,根据探测结果即可进行BB84协议量子密钥分发。
另外,可以看出由于两个时间模式偏振相互垂直,因此干涉时没有出现非干涉峰,所有的光子都可以用来干涉,即光子利用效率为1,从而可以提高安全密钥率。
(2)中继节点作为不可信中继
光开关用于导通其第i个输入端口和第j个输出端口,以及同时导通其第j个输入端口和第i个输出端口,用户i和用户j通过中继节点执行MDI协议量子密钥分发。
用户i随机输出4种时间相位编码量子态、、,到达中继节点后首先经 PCi恢复偏振态,并旋转90°,量子态变为
、、
用户j同样随机输出4种时间相位编码量子态、、,到达中继节点后首先经 PCi恢复偏振态,并旋转90°,量子态变为
、、
用户i和用户j的量子态分别进入PBSi和PBSj时,时间模式被反射走不等臂干涉仪的长臂,时间模式透射走不等臂干涉仪的短臂。因此,用户i的时间模式经光开关的第i个输入端口到第j个输出端口后到达BSj,与用户j的时间模式进行干涉;用户j的时间模式经光开关的第j个输入端口到第i个输出端口后到达BSi,与用户i的时间模式进行干涉;干涉结果进入4个单光子探测器SPD进行探测,实现贝尔态测量。中继节点公布贝尔态测量的结果,用户i和用户j可以进行MDI协议实现量子密钥分发,其中生成密钥时需要做相应的比特翻转。
另外,可以看出由于两个时间模式偏振相互垂直,进行贝尔态测量时两个时间模式都可以被探测到,因此光子利用效率为1,从而可以提高安全密钥率。
如图5所示,实施例三:
量子态制备模块包括激光器LD,强度调制器IM、第四偏振分束器PBS4、第二分束器BS2、第五相位调制器PM5、第六相位调制器PM6和可调衰减器VOA,
强度调制器IM的一端连接激光器LD,另一端通过保偏光纤45°熔接后与第四偏振分束器PBS4的一个输入端口;
第四偏振分束器PBS4的另一个输入端口和一个输出端口通过保偏光纤连接第二相位调制器PM2的两端,构成第四环形结构;
第四偏振分束器PBS4的另一个输出端口连接第二分束器BS2的一个输入端口;
第二分束器BS2的两个输出端口通过长度不等的保偏光纤连接第六相位调制器PM6的两端,构成第五环形结构;
第二分束器BS2的另一个输入端口连接可调衰减器VOA的输入端口;
可调衰减器VOA的输出端口用于输出量子态。
具体工作过程如下:
以用户i和用户j分别与中继节点进行BB84协议为例进行说明。
用户i的激光器LD产生水平偏振的光脉冲,首先经强度调制器IM调制光强产生信号态或诱骗态,随后经45°熔接点偏振旋转45°,进入第四偏振分束器PBS4的一个输入端口,被分束为水平偏振分量和竖直偏振分量。其中水平偏振分量直接从其一个输出端透出射,到达第二分束器BS2的一个输入端口后被分束成幅度相等、均为水平偏振的两个分量,二者分别在第五环形结构中沿顺时针和逆时针方向传播,不同时经过第六相位调制器PM6被调制相位差后同时回到第二分束器BS2进行干涉,干涉结果为。
竖直偏振分量从第四偏振分束器PBS4的一个输出端口出射后沿第四环形结构传播并经过第五相位调制器PM5调制相位后到达第二分束器BS2的一个输入端口后被分束成幅度相等、均为竖直偏振的两个分量,二者分别在第五环形结构中沿顺时针和逆时针方向传播,不同时经过第六相位调制器PM6被调制相位差后同时回到第二分束器BS2进行干涉,干涉结果为。
当时,水平偏振分量的干涉结果全部从第二分束器BS2的另一个输入端口出射,并到达可调衰减器VOA;竖直偏振分量的干涉结果不会从第二分束器BS2的另一个输入端口出射,不会到达可调衰减器VOA。因此到达可调衰减器VOA的只有水平偏振分量,且处于前一个时间模式,被可调衰减器VOA衰减到单光子量级,得到的量子态为。
当时,水平偏振分量的干涉结果不会从第二分束器BS2的另一个输入端口出射,不会达可调衰减器VOA;竖直偏振分量的全部干涉结果从第二分束器BS2的另一个输入端口出射,并到达可调衰减器VOA。因此到达可调衰减器VOA的只有竖直偏振分量,且处于后一个时间模式,被可调衰减器VOA衰减到单光子量级,得到的量子态为。
当时,水平偏振分量的一半干涉结果从第二分束器BS2的另一个输入端口出射,并达可调衰减器VOA;竖直偏振分量的一半干涉结果从第二分束器BS2的另一个输入端口出射,并到达可调衰减器VOA。因此到达可调衰减器VOA的分量包含处于前一个时间模式的水平偏振分量和处于后一个时间模式的竖直偏振分量,被可调衰减器VOA衰减到单光子量级后,得到的量子态为
其中,φ为第五相位调制器PM5调制的水平偏振分量和竖直偏振分量之间的相位差。
分别对应的量子态为、、、。
最终用户i可随机输出6种时间相位编码量子态,包括Z基下的两种量子态、,X基下的两种量子态和Y基下的两种量子态。
用户j具有相同的结构,也可随机输出6种时间相位编码量子态。
(1)中继节点作为可信中继
光开关导通其第i个输入端口和第i个输出端口、第j个输入端口和第j个输出端口,用户i和用户j分别单独与中继节点执行BB84协议量子密钥分发。
上述两个过程是独立的,以用户i与中继节点执行相位编码BB84协议量子密钥分发进行说明。
用户i随机输出相位编码量子态、,到达中继节点后首先经 PCi恢复偏振态,并旋转90°,量子态变为
随后时间模式沿不等臂干涉仪的长臂传播,经PMi调制相位后到达BSi;时间模式沿不等臂干涉仪的短臂传播,与时间模式同时到达BSi并与其进行干涉,干涉结构进入两个单光子探测器单光子探测器SPD单光子探测器SPD进行探测,根据探测结果即可进行BB84协议量子密钥分发。
另外,可以看出由于两个时间模式偏振相互垂直,因此干涉时没有出现非干涉峰,所有的光子都可以用来干涉,即光子利用效率为1,从而可以提高安全密钥率。
(2)中继节点作为不可信中继
光开关用于导通其第i个输入端口和第j个输出端口,以及同时导通其第j个输入端口和第i个输出端口,用户i和用户j通过中继节点执行MDI协议量子密钥分发。
用户i随机输出4种时间相位编码量子态、、,到达中继节点后首先经 PCi恢复偏振态,并旋转90°,量子态变为
、、
用户j同样随机输出4种时间相位编码量子态、、,到达中继节点后首先经 PCi恢复偏振态,并旋转90°,量子态变为
、、
用户i和用户j的量子态分别进入PBSi和PBSj时,时间模式被反射走不等臂干涉仪的长臂,时间模式透射走不等臂干涉仪的短臂。因此,用户i的时间模式经光开关的第i个输入端口到第j个输出端口后到达BSj,与用户j的时间模式进行干涉;用户j的时间模式经光开关的第j个输入端口到第i个输出端口后到达BSi,与用户i的时间模式进行干涉;干涉结果进入4个单光子探测器SPD进行探测,实现贝尔态测量。中继节点公布贝尔态测量的结果,用户i和用户j可以进行MDI协议实现量子密钥分发,其中生成密钥时需要做相应的比特翻转。
另外,可以看出由于两个时间模式偏振相互垂直,进行贝尔态测量时两个时间模式都可以被探测到,因此光子利用效率为1,从而可以提高安全密钥率。
综合本发明各个实施例可知,本发明提出一种可重构可扩展量子密钥分发网络,通过切换光开关对中继节点的干涉仪结构进行重构,可使任意两个用户通过分别与中继节点之间实现BB84协议,并将中继节点作为可信中继来实现共享安全密钥;或使任意两个用户通过与作为不可信中继的中继节点之间实现MDI协议来共享安全密钥,可根据场景灵活切换运行协议,具有极强的适应性和实用性。另外,通过将量子态的两个时间模式进行偏振复用,可使系统运行BB84协议时消除非干涉峰,或运行MDI协议时能够探测两个时间模式,使两种协议的光子利用率均为1,从而可以提高安全密钥率。
Claims (10)
1.一种可重构可扩展量子密钥分发网络,其特征在于,包括N个用户和一个中继节点,N为不小于2的整数;
N个用户分别通过光纤信道连接中继节点;
每个用户均包括量子态制备模块,用于制备时间相位编码X基、Y基、Z基下的6种量子态;
中继节点包括N个偏振控制器PC、N个不等臂干涉仪、一个光开关和2N个单光子探测器SPD;每一个用户对应一个偏振控制器PC和一个不等臂干涉仪;
每个不等臂干涉仪的输入端口均与一个偏振控制器PC相连;每个不等臂干涉仪的两个输出端口均分别连接一个单光子探测器SPD;
每个不等臂干涉仪的长臂均通过光开关相连,所述光开关使不同不等臂干涉仪的长臂之间相互导通或使单个不等臂干涉仪的长臂各自导通;
光开关使任意两个不等臂干涉仪相互导通时,用于使相应的两个用户之间执行MDI量子密钥分发协议;光开关使一个不等臂干涉仪导通时,用于使相应的用户与中继节点之间执行BB84量子密钥分发协议。
2.根据权利要求1所述的可重构可扩展量子密钥分发网络,其特征在于,所述量子态的两个时间模式的偏振态相互垂直。
3.根据权利要求2所述的可重构可扩展量子密钥分发网络,其特征在于,每个不等臂干涉仪均为由一个偏振分束器PBS和一个分束器BS构成的不等臂MZ干涉仪,每个干涉仪长臂上设置有一个调相器PM。
4.根据权利要求3所述的可重构可扩展量子密钥分发网络,其特征在于,每个不等臂干涉仪的短臂上均设置有一个可调延时模块。
5.根据权利要求1所述的可重构可扩展量子密钥分发网络,其特征在于,所述光开关为NxN光开关,包含N个输入端口和N个输出端口;其中第i个不等臂干涉仪的长臂分别通过光开关的第i个输入端口和第i个输出端口相连,i≤N。
6.根据权利要求5所述的可重构可扩展量子密钥分发网络,其特征在于,光开关用于导通其第i个输入端口和第j个输出端口,以及同时导通其第j个输入端口和第i个输出端口,以使用户i和用户j通过中继节点执行MDI协议量子密钥分发;或用于导通其第i个输入端口和第i个输出端口,以使用户i与中继节点执行BB84协议量子密钥分发,j≤N。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的可重构可扩展量子密钥分发网络,其特征在于,量子态制备模块包括激光器LD、强度调制器IM、环形器CIR、第一偏振分束器PBS1、第二偏振分束器PBS2、第一相位调制器PM1、第二相位调制器PM2和可调衰减器VOA,
强度调制器IM的两端分别连接激光器LD和环形器CIR的端口1;
环形器CIR的端口2与第一偏振分束器PBS1的输入端口通过保偏光纤45°熔接后连接;
第一偏振分束器PBS1的两个输出端口分别通过保偏光纤连接第一相位调制器PM1的两端,构成第一环形结构;
环形器CIR的端口3连接第二偏振分束器PBS2的一个输入端口;
第二偏振分束器PBS2的另一个输入端口和一个输出端口通过保偏光纤连接第二相位调制器PM2的两端,构成第二环形结构;
第二偏振分束器PBS2的另一个输出端口连接可调衰减器VOA的输入端口;
可调衰减器VOA的输出端口用于输出量子态。
8.根据权利要求1-6中任一项所述的可重构可扩展量子密钥分发网络,其特征在于,量子态制备模块包括激光器LD、强度调制器IM、环形器CIR、第三偏振分束器PBS3、第一分束器BS1、第三相位调制器PM3、第四相位调制器PM4和可调衰减器VOA,
强度调制器IM的两端分别连接激光器LD和环形器CIR的端口1;
环形器CIR的端口2与第三偏振分束器PBS3的输入端口相连;
第三偏振分束器PBS3的两个输出端口分别通过长度不等的保偏光纤连接第一分束器BS1的两个输入端口,其中较长的保偏光纤上设置有第四相位调制器PM4;
第一分束器BS1的两个输出端口通过长度不等的保偏光纤连接第三相位调制器PM3的两端,构成第三环形结构;
环形器CIR的端口3连接可调衰减器VOA的输入端口;
可调衰减器VOA的输出端口用于输出量子态。
9.根据权利要求1-6中任一项所述的可重构可扩展量子密钥分发网络,其特征在于,量子态制备模块包括激光器LD、强度调制器 IM、第四偏振分束器PBS4、第二分束器BS2、第五相位调制器PM5、第六相位调制器PM6和可调衰减器VOA,
强度调制器IM的一端连接激光器LD,另一端通过保偏光纤45°熔接后与第四偏振分束器PBS4的一个输入端口;
第四偏振分束器PBS4的另一个输入端口和一个输出端口通过保偏光纤连接第二相位调制器PM2的两端,构成第四环形结构;
第四偏振分束器PBS4的另一个输出端口连接第二分束器BS2的一个输入端口;
第二分束器BS2的两个输出端口通过长度不等的保偏光纤连接第六相位调制器PM6的两端,构成第五环形结构;
第二分束器BS2的另一个输入端口连接可调衰减器VOA的输入端口;
可调衰减器VOA的输出端口用于输出量子态。
10.根据权利要求1所述的可重构可扩展量子密钥分发网络,其特征在于,光开关使任意两个不等臂干涉仪相互导通时,用于使相应的两个用户之间执行参考系无关MDI量子密钥分发协议;光开关使一个不等臂干涉仪导通时,用于使相应的用户与中继节点之间执行参考系无关BB84量子密钥分发协议。
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