CN1642071A

CN1642071A - 量子密钥多通道传输方法

Info

Publication number: CN1642071A
Application number: CNA2005100232014A
Authority: CN
Inventors: 鲁伟; 刘立人; 潘卫清
Original assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Priority date: 2005-01-10
Filing date: 2005-01-10
Publication date: 2005-07-20
Anticipated expiration: 2025-01-10
Also published as: CN100471105C

Abstract

一种量子密钥多通道传输方法，包括以下步骤：a.发送方对发射光束随机地进行4种偏振态的调制；b.光束经过透镜组合以及二者之间的自由空间在接收方的像方焦面上成像；c.使各个成像的光束通过透镜阵列，转换为平行光束，经偏振分光计分束后，由具有不同偏振方向的检偏器接收；d.接收方接收到光子序列后，通过公开信道进行讨论，双方共同丢弃接收不完全的4×1通道光子序列，并将剩余光子序列按事先约定转化为二进制序列。本发明同时提高了密钥传输的传输效率和安全性。

Description

量子密钥多通道传输方法

技术领域：

本发明涉及自由空间中的量子密钥传输领域，特别是一种利用偏振编码进行多通道的量子密钥多通道传输方法。

背景技术：

现行的经典密码通信是基于经典信道的安全或对某种数学难题的求解，其安全性是相对的。随着计算机科学技术的不断发展，其安全性日益受到挑战。量子密码通信的出现为人们提供了一种全新且安全的密码通信系统。量子密码通信实际是一个量子态作为密钥载体进行分配的过程，它是用一个单光子携带一个比特信息来进行密码传输的，其安全性依赖于量子力学中的海森堡不确定性原理、量子不可克隆定理和量子不可分割性。目前，量子密钥分配通信方案广泛采用的是BB84协议和B92协议。在自由空间光量子密码通信中，一般采用BB84协议。

BB84协议中发送者Alice所选用的发射源是单光子源或经过强衰减的激光脉冲，后者近似为单光子源。从安全性方面考虑，光源脉冲中的光子数应该服从泊松分布，使得每个弱的光脉冲中仅含有一个单光子，含有两个或两个以上光子的脉冲数越多，越容易受到潜在的第三者的分流攻击，其通信的安全性就越低。由于一个脉冲仅含有一个单光子这样的理想状态很难实现，实际的做法是让光束中每个脉冲含有两个及两个以上光子数几率很小，通常控制在5％左右，这样衰减后的激光就可以达到平均每个脉冲中只含0.1个光子数以下。例如，美国洛斯阿拉莫斯实验室的量子密钥通信实验使用了类似的衰减装置，在通信距离为205m的室内实验中，衰减后的激光中平均每脉冲含光子数0.7个，这就意味着含1个光子的脉冲占总脉冲数的34.8％，含2个光子的脉冲占12.3％，含3个光子的脉冲占2.84％，空脉冲占50.06％；而在通信距离为1km的夜间实验中，平均每脉冲含光子数0.1个，含2个及2个以上光子的脉冲仅占＜6％。

从上面的数字来看，实验中衰减后的平均脉冲所含光子数控制在很小的范围，由于现行的单通道传输过程中存在来自大气湍流所引起的损耗，而且大部分脉冲都是不含光子的空脉冲，这就严重降低了量子密钥分发系统的传输效率，加之在接收端的单光子探测器存在一定的量子效率以及协议自身算法的内禀效率，传输过程中单光子传输效率的低下就会直接影响整个系统的工作效率。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种量子密钥多通道传输方法，以克服上述现有技术的不足，在BB84协议算法的基础上，利用成像光路进行自由空间中量子密钥的多通道传输。

为实现上述目的，本发明提供一种量子密钥多通道传输方法，包括以下步骤：a.发送方对发射光束随机地进行4种偏振态的调制；b.光束经过透镜组合以及二者之间的自由空间在接收方的像方焦面上成像；c.使各个成像的光束通过透镜阵列，转换为平行光束，经偏振分光计分束后，由具有不同偏振方向的检偏器接收；d.接收方接收到光子序列后，通过公开信道进行讨论，双方共同丢弃接收不完全的4×1通道光子序列，并将剩余光子序列按事先约定转化为二进制序列。

其中，所述的方法还包括对二进制序列进行密码纠错和保密放大。

所述的发射光束为工作频率一般在1M～100M范围内的脉冲激光。该脉冲激光在波段上进行选择过滤，使波长在大气窗口内的工作波长通过。脉冲激光经过衰减，使脉冲中所含有的平均光子数满足泊松分布(n≈0.1)。

进一步的，发射光束偏振态的调制由一个起偏器实现。该起偏器具有4×1阵列的起偏孔径，上面两个取“×”偏振基，下面两个取“+”偏振基。起偏器与计算机相连，由计算机等相关控制电路产生的伪随机序列，在上、下两组基内对各自的孔径进行随机地改变偏振方向。

本发明在BB84协议算法的基础上进行了改良，提出一种利用成像光路进行自由空间中量子密钥的多通道传输方式，该方案能极大地提高系统中发送双方之间的光子传输效率，有效解决传统方案中单光子传输效率低下的问题。并且大大减少了在公开信道讨论的数据量，同时也减少了窃听者获取信息的机会。

以下结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。

附图说明：

图1为本发明的发射端光路图。

图2为本发明的空间中传输的成像光路图。

图3为本发明的装置结构示意图。

具体实施方式：

有关本发明的详细说明及技术内容，现就结合附图说明如下：

首先请参照图1，图1为本发明的发射端光路图。由于是进行自由空间的多通道密钥传输，为简单起见，本发明以一维的激光光源阵列(4×1)为例进行说明。图1中激光光源1发出的光线经.干涉滤波器2和激光衰减器3处理后，穿过准直透镜4到达起偏器5。起偏器(4×1)5的上面两个偏振基为“×”，下面两个偏振基为“+”。起偏器5后面是信源孔径阵列板6，其从上至下依次为A、B、C、D；从信源孔径阵列板6射出的光线穿过发射透镜7到达自由空间8。

对于发送者Alice，激光光源阵列1位于透镜4的物方焦平面上，随机地对它们进行4种偏振态的调制，每个点光源1发出的光束经过透镜组合以及二者之间的自由空间8在接收方的像方焦面上成像，接收者Bob完成对调制有偏振信息光束的接收。在成像面后，使各个成像的光束通过透镜阵列，转换为平行光束，经偏振分光计分束后，由具有不同偏振方向的检偏器接收，结果通过计算机控制系统记录下来。在整个传送过程中，由于是非相干光，所以各光束在同一个空间传输通道上互不干扰，相当于在一个空间通道中进行4通道的传输。Bob接收到光子序列后，通过公开信道进行讨论，双方将讨论后的剩余光子序列按事先约定转化为二进制序列，即可作为量子通信的初始密码(raw key)进行保存，然后经过密码纠错和保密放大等过程，最终得到Alice和Bob双方共享的安全密钥，实现了自由空间内量子密钥的多通道传送。

假定将图2中4×1阵列的点光源从上至下依次命名为A、B、C和D，则在接收方像面上的成像点从上至下依次为D′、C′、B′和A′。此处，发送端的4个起偏孔径和接收端的4个检偏探测器都定义为上、下两组(记为up和down)，发送方扩展光源中的up组(A、B)成像在接收方像面的down组(A′、B′)，反之亦然。令A、B点光源的调制偏振基为“×”，C、D点光源的调制偏振基为“+”。确定偏振基后随机地选择各自基内的偏振态，对A、B随机地选择“□”、“□”偏振方向，对C、D随机地选择“→”、“↑”偏振方向。具有随机偏振态的各扩展光源经透镜7和9后，成像在接收方的像面上，再经由其后的微透镜阵列作用呈平行光束到达偏振分束器。分束后，各束具有不同偏振方向的光子流到达检偏器及单光子记数探测器。

由于A、B成像在A′、B′，所以到达A′、B′点的光分别具有“□”和“□”方向的随机偏振态，则取A′、B′后检偏器方向分别为“□”和“□”。经偏振分束器分束后的光子通过了“□”方向的检偏器并到达其后的单光子探测器则记为“0”，反之，若光子通过了“□”方向的检偏器并到达其后的单光子探测器则记为“1”。同理，C、D成像在C′、D′，到达C′、D′的光分别具有“→”和“↑”方向的随机偏振态，取C′、D′后的检偏器方向分别为“→”和“↑”。经分束后光子通过了“→”方向的检偏器并到达其后的单光子探测器则记为“0”，反之，若光子通过了“↑”方向的检偏器并到达其后的单光子探测器则记为“1”。

理想情况下，某一时刻发送端A、B、C、D各发送一个单光子，该组4×1光子序列经过一个理想的传送过程，顺利到达接收端A′、B′、C′、D′并被其后的探测器探测到。实际操作中，C′和D′端(up组)在某一时刻会同时接收到3个或3个以上光子，即发生“串扰”。所谓“串扰”问题，是指发送端点光源所发射的光经过透镜后，由于衍射作用，各光束场型到达像方时呈高斯分布。如果接受端成像分辨率不高或者系统瞄准精度不高，则A′或B′端(down组)的成像分布中会有光子进入C′和D′端探测器，由于A′、B′和C′、D′的偏振基不正交，使得这些光子有50％的几率被C′和D′端探测器探测到。“串扰”会导致A′和B′端仅接收到N＜2的光子，而C′和D′端会接收到N＞2的光子。同理，C′或D′端的成像分布中也可能会有光子进入A′或B′端的探测器。这种接收不完全的情况，会造成通信双方传输初始密钥过程中的误码。Alice和Bob约定：当up和down组中任何一组所连接的偏振探测器不能接收到两个光子(即Nup、Ndown□3或Nup、Ndown＜2)都将该组光子序列丢弃。

当C′和D′之间发生“串扰”，本应到达C′的光子有可能到达D′，由于二者偏振基相同，这些光子会通过检偏器并被探测到。这时C′没接收到光子，而D′却接收到2个光子。如果2个光子在发送时刻的偏振方向是相同的，即D′端的其中一个探测器接收到2个光子，则只需将其偏振方向作为结果记录即可，不需要区分2个光子的来源；如果2个光子在发送时刻的偏振方向不同，即D′端的2个探测器各接收到一个光子，则在不区分二者来源(即光子是来自C还是D)的情况下接收方的记录结果也有50％的几率与发送方要发送的原始光子序列相同，这时我们保存该组光子序列并记录到初始密钥中去。对于另外几率为50％的错误，我们可以通过通信双方量子密钥传输过程后期的纠错和保密放大过程进行相关处理。同理，对于A′和B′之间也存在同样的分析。对于这类串扰问题，可以通过提高接收端的成像分辨率进行效地改善系统的性能。

如果信道中存在窃听者Eve，当Eve采用截取/重发或者分流的窃听方式，则某时刻发送的一组4×1光子序列将不能完全的传送到接收端，对于这种同样接收不完全的情况的处理我们等同于“串扰”问题的处理方式，即在公开信道讨论时约定丢弃该组光子序列，从而最大限度地降低了Eve的窃听给通信安全带来的破坏。

对于直径为D₁的发射透镜，其发射光束在自由空间中的衍射扩展角为：

2 θ = \frac{1.8 λ}{D_{1}} - - - (1)

若传送距离为d，则到达接收透镜的光束展宽为：

w≈D₁+d·2θ (2)

传送过程中大气传输效率为T，若接收透镜的直径为D₂，光束经过接收透镜时的几何损耗为L_g：

L_{g} \approx \frac{D_{2}^{2}}{w^{2}} - - - (3)

则传送过程中路程损耗(Range loss)为L_R，实验中常写为dB形式：

L_R＝-10log(T·L_g) (4)

预期光子传送率为：

K＝RMTL_gη/2 (5)

其中R为激光光源的脉冲工作频率，M为平均每脉冲的光子数，η为探测系统总的工作效率，1/2为BB84协议的内禀效率。经过纠错和保密放大后的密钥约为初始密钥(raw key)的10％～15％。

取大气传送中衍射扩散程度较小的650nm为工作波长，发射透镜直径D₁和接收透镜直径D₂分别取值30cm和10cm，在传送距离d分别为1km和10km的情况下，取T为65％，光源的脉冲工作效率为1MHz，平均光子数为0.1，探测系统总的工作效率η为30％，则将上述参数代入以上各式，计算结果详见表1。由计算结果可以看到，当发射天线和接收天线的透镜直径均取30cm和均取10cm时，当传送距离为短程(d＝1km或10km)的情况下，传程损耗与预期光子传送率都比较理想。考虑到系统的有效负载，取二者孔径直径均设置为10cm。

量子密钥传送过程的传送效率及损耗见下表：

D₁	D₂	d	2θ	w	L_g	L_R	K
D₁	D₂	d	2θ	w	L_g	L_R	K	30cm	30cm	1km	4μR	30.4cm	97.4％	1.9dB	9496bit/s
10km	4μR	34cm	77.8％	2.9dB	7590bit/s					1km	4μR	30.4cm	97.4％	1.9dB	9496bit/s
10km	4μR	34cm	77.8％	2.9dB	7590bit/s	30cm	10cm			1km	4μR	30.4cm	10.8％	11.5dB	1055bit/s
10km	4μR	34cm	8.7％	12.5dB	843bit/s					1km	4μR	30.4cm	10.8％	11.5dB	1055bit/s
10km	4μR	34cm	8.7％	12.5dB	843bit/s			10cm	10cm	1km	11.7μR	11.2cm	80.1％	2.8dB	7815bit/s
10km	11.7μR	21.7cm	21.2％	8.6dB	2070bit/s					1km	11.7μR	11.2cm	80.1％	2.8dB	7815bit/s
10km	11.7μR	21.7cm	21.2％	8.6dB	2070bit/s	10cm	30cm			1km	11.7μR	11.2cm	100％	1.87dB	9750bit/s
10km	11.7μR	21.7cm	100％	1.87dB	9750bit/s					1km	11.7μR	11.2cm	100％	1.87dB	9750bit/s
10km	11.7μR	21.7cm	100％	1.87dB	9750bit/s			100km	11.7μR	127cm	5.6％	14.4dB	544bit/s

再请参阅图3，图3是本发明自由空间量子密钥多通道传输方案总装置的示意图，由图中可知，本发明方案中装置分别包括发送端Alice和接收端Bob的装置。图3中从左至右依次为发送端、自由空间8和接收端装置。其中激光光源1为工作频率一般在1M～100M范围内的脉冲激光；干涉滤波器2(＜0.1nm)，对光源1所发出的脉冲激光在波段上进行选择过滤，使波长在大气窗口内的工作波长通过，减少系统的损耗；衰减板3，其作用是对脉冲激光进行衰减，从而使脉冲中所含有的平均光子数满足泊松分布(n≈0.1)，减少潜在的窃听者Eve对光子流进行分流窃听的可能性，提高传送过程中的安全性；还具有准直透镜4；起偏器5，有4×1阵列的起偏孔径，上面两个取“×”偏振基，下面两个取“+”偏振基，起偏器与计算机相连，由计算机等相关控制电路产生的伪随机序列，在上、下两组基内对各自的孔径进行随机地改变偏振方向，从而对通过4×1阵列的4通道单光子流进行随机地偏振调制；信源孔径阵列板6，从上至下依次为A、B、C、D。被调制的偏振光入射到紧贴起偏器的阵列板，从孔径处通过，成扩展光源向前方出射，可视为发送方的阵列扩展光源；发射天线7(透镜)，孔径阵列板放在发射透镜的物方焦面上，从板上发出的光经过发射天线的作用呈水平光束入射到自由空间8；接收天线9(透镜)，由光照度学知识可知，要提高像方的成像效果即提高像方接收光子的效率，一般采用大孔径小视场；滤波器10，滤去杂项波长的光，减少背景噪声的影响；像点阵列11，表示成像点位置，从上至下依次为D′、C′、B′、A′；透镜阵列12，放在像点阵列的后面，二者之间的距离等于微透镜的焦距，使各束具有不同随机偏振态的光束由微透镜呈水平方向入射到偏振分光计13，由分光计12分出的两束具有相互正交偏振方向的两束光分别通过其光路上的检偏板14后到达相应的单光子计数探测器15，计算机将记录的光子序列结果转换成二进制序列。

双方进行公开信道讨论，按照本发明算法共同丢弃接收不完全的4×1通道光子序列，保留那些符合约定要求的光子序列组，转换为二进制序列，作为共享的初始密钥保存下来。至此，双方完成量子密钥传输的传送过程。然后双方通过纠错、保密放大等过程对初始密钥进行详审，进而得到最终安全的量子密钥。

显然，在单位工作时间(假定为1s)内，4通道方案中成功被Bob探测到并作为初始密钥(raw key)保存下来的光子数明显比单通道方案中所探测到的光子数多(约为4倍)。推广到N×M方案，可以实现自由空间中量子密钥的N×M通道传输。这样在工作时间一定的情况下成功传输的光子数就是在先方案中单通道成功传输光子数的N×M倍，从而使量子密钥的传输效率大为增加。

以上所介绍的，仅仅是本发明的较佳实施例而已，不能以此来限定本发明实施的范围，即本技术领域内的一般技术人员根据本发明所作的等同的变化，以及本领域内技术人员熟知的改进、变化，都应仍属于本发明专利涵盖的范围。

Claims

1、一种量子密钥多通道传输方法，其特征在于它包括以下步骤：a.发送方对发射光束随机地进行4种偏振态的调制；b.光束经过透镜组合以及二者之间的自由空间在接收方的像方焦面上成像；c.使各个成像的光束通过透镜阵列，转换为平行光束，经偏振分光计分束后，由具有不同偏振方向的检偏器接收；d.接收方接收到光子序列后，通过公开信道进行讨论，双方共同丢弃接收不完全的4×1通道光子序列，并将剩余光子序列按事先约定转化为二进制序列。

2、如权利要求1所述的量子密钥多通道传输方法，其特征在于：所述的方法还包括步骤e.对二进制序列进行密码纠错和保密放大。

3、如权利要求1所述的量子密钥多通道传输方法，其特征在于：所述的发射光束为工作频率一般在1M～100M范围内的脉冲激光。

4、如权利要求3所述的量子密钥多通道传输方法，其特征在于：所述的脉冲激光在波段上进行选择过滤，使波长在大气窗口内的工作波长通过。

5、如权利要求3所述的量子密钥多通道传输方法，其特征在于：所述的脉冲激光经过衰减，使脉冲中所含有的平均光子数满足泊松分布(n≈0.1)。

6、如权利要求1所述的量子密钥多通道传输方法，其特征在于：所述的步骤a由一个起偏器实现。

7、如权利要求6所述的量子密钥多通道传输方法，其特征在于：所述的起偏器具有4×1阵列的起偏孔径，上面两个取“×”偏振基，下面两个取“+”偏振基。

8、如权利要求7所述的量子密钥多通道传输方法，其特征在于：所述的起偏器与计算机相连，由计算机等相关控制电路产生的伪随机序列，在上、下两组基内对各自的孔径进行随机地改变偏振方向。