CN1897519A - 相位差分量子密钥分发方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通信领域中的量子保密通信的专用设备领域，目的在于克服现有技术的不足和缺点，提供一种单向、稳定、快速相位差分量子密钥分发方法和系统。在发射端，利用连续激光光源，采用两种方式制备量子码：1.分光束、偏振无关、稳定相位调制制备出稳定量子码。2.偏振控制法直接调制获得稳定量子码。在接收端，利用相位差分－法拉第－迈克尔逊检测方式可以准确接收到量子信息。由于接收端具有干涉稳定，插入损耗低，抗噪声特性强等特点，因此传输距离长及效率高；另外采用单向传输方式可以避免木马攻击。

Description

相位差分量子密钥分发方法及系统

技术领域

本发明涉及通信领域中的量子保密通信的专用设备领域，具体地说是一种单向、稳定、快速相位差分量子密钥分发方法及其系统。

技术背景

量子保密通信是目前被证明唯一绝对安全的通信方式。利用单光子作为信息载体来传递量子信息比特、其安全性由量子力学中的不确定性原理和未知量子态不可克隆定理保证。这种绝对安全的量子密码将首先应用于军事、国家安全等领域，并成为各国科学家角逐的新战场。

在现有量子保密通信系统中根据编码解码方式分为偏振编码/偏振检测，相位编码/干涉检测，时间编码/时间解码等三种编码方式。由于在标准通信光纤中存在双折射效应，因此利用偏振编码解码方式很难利用光纤进行长距离传送；时间编码解码方式在实验上刚刚得到报道，其安全性未得到证明且未见有关长距离传输报道；使用相位编码，由于利用时分复用技术，两个相干脉冲在光路中经历了相同的光程差，有效的克服量子态在传输过程中受到外部环境的干扰，因此在远程光纤量子密钥分发系统中常利用相位编码/干涉检测方式。但是在发送端和接收端由于光纤双折射效应以及环境的震动等因素使得接收端干涉不稳定，并且由于接收端的相位调制器具有3dB的插入损耗，这样限制了传输距离。虽然目前双向传输方式具有良好的稳定性，但是该系统安全性差、很容易受到木马攻击，并且速率低，扩展性差；而单向传输方式其安全性好，速率高，扩展性强的特点得到了广泛的研究。在量子密码技术应用研究，目前主要在以下方面进行研究：①增加传输距离，利用量子中继，提高光源发射效率及单量子探测效率等。②提高传输速率，同时要减小误码率。③小型化与集成化。④扩展应用领域，例如数字签名，身份认证协议，量子投股等。⑤改善由于实际系统导致的安全性问题。

相位差分系统在发射端利用时间上两个脉冲进行相位编码，在接收端利用两个探测器的响应结果进行解码，从而省掉了接收端的相位调制器，减小了线路的插入损耗而且大大地提高了传输效率；但是这种系统在发射端进行相位调制和接收端干涉检测时极其容易收到外部环境的干扰，稳定性很差。虽然目前发展起来的光波导集成技术在一定程度上可以避免这些因素，但是其工艺复杂，价格昂贵。所以在实际中，利用单光子的相位或偏振态来进行编码解码的，由于器件的不完美和环境因素(例如温度，震动等)的影响使得光子状态在发射端和接收端不一致，这样导致无法正确调制解调出量子信息。同时器件及光路中的固有插入损耗限制了传输距离，以及密钥分发系统的结构特性直接影响量子码的传输速率。因此，在量子密钥分发系统中稳定、快速、高效的调制解调系统是量子密码技术走向实际应用的关键技术之一。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足和缺点，提供一种单向、稳定、快速相位差分量子密钥分发方法和系统。

本发明通过以下技术实现其发明目的。

本发明首先提供了一种相位差分量子密钥分发方法，在发射端实现稳定相位调制，达到输出稳定量子码；在接收端利用相位差分-法拉第-迈克尔逊装置可以稳定、快速接收到量子信息。包括量子码调制发射方法和量子码接收解调方法，所述量子码调制发射方法包括以下步骤：

①将连续激光调制为等时间间隔为Δt相干脉冲光；

②在脉冲光上加载相位调制信息；

③将脉冲光衰减至单量子态，发射光脉冲量子码；

所述量子码接收解调方法包括以下步骤：

①接收光脉冲量子码，并将光脉冲分成两个光信号分别进行反射；

②使两个光信号在来回反射过程中其光程差Δl满足Δl/c＝Δt；

③根据两个光信号的相位特性进行干涉，并根据干涉结果决定光子所携带的信号：当两个连续脉冲具有相同的相位时，测量结果为“0”，当两个连续脉冲的相位相差为±π时，测量结果为“1”；

④根据测量结果建立起随机秘密的序列0，1作为密码本。

采用上述方法的相位差分量子密钥分发系统，包括信号调制发射端和信号解调接收端，所述信号调制发射端主要包括：连续激光光源；用于将连续激光调制为等时间间隔为Δt相干脉冲光的强度调制器；对脉冲光进行偏振控制的偏振控制器；在脉冲光上加载相位调制信息的相位调节器；和将脉冲光衰减至单量子态的光衰减器；所述信号解调接收端采用相位差分-法拉第-迈克尔逊接收系统。采用这种方式结构简单，所用器件较少，价格低廉，稳定性好。

在实际应用中，量子码调制发射方法具体如下：

①通过强度调制器将连续激光调制为等时间间隔为Δt相干脉冲光；

②脉冲光经过偏振器控制后进入相位调制器加载相位调制信息{0，π}；

③通过光衰减器将脉冲光衰减至单量子态，衰减至平均光子数为μ＝0.1，发射光脉冲量子码。

量子码接收解调方法具体如下：

①到达接收方的脉冲其间隔时间为Δt经过环形器，入射到2×2光纤耦合器，然后每个脉冲被分成两个分别进入干涉仪长，短臂，在末端被法拉第旋转镜反射：

②干涉仪两臂不相等，光在来回反射过程中其光程差Δl＝2n(L2-L1)，使光程差满足Δl/c＝Δt：

③经过长臂的脉冲光与经过短臂的脉冲光在耦合器中根据两束光的相位特性发生干涉，当两个连续脉冲光具有相同的相位时，光子从耦合器其中的一臂到达第一探测器；当两个连续脉冲的相位相差为π时，光子从耦合器另外的一臂到达第二探测器；若第一探测器响应，第二探测器不响应，那么约定测量结果为“0”，若第二探测器响应，第一探测器不响应，那么约定测量结果为“1”，若两个探测器都不响应或同时响应，那么放弃结果：根据两个探测器的探测结果检测出连续两个量子码的状态：

④根据测量结果在接收方建立起随机秘密的序列0，1作为密码本。

本发明还对上述方法和系统做进一步的改进。所述量子码调制发射方法的②步骤之间还包括以下步骤：

将脉冲光分成水平和垂直两束偏振光；

在其中一束脉冲光上加载相位调制信息，将另一束偏振面旋转90度；

使两束光经历相同的光程后重新合成一束脉冲光。

采用上述方法的相位差分量子密钥分发系统，包括信号调制发射端和信号解调接收端，所述信号调制发射端主要包括：连续激光光源；用于将连续激光调制为等时间间隔为Δt相干脉冲光的强度调制器；将脉冲光分成水平和垂直两束偏振光的四端口偏振分束器；用于在其中一束脉冲光上加载相位调制信息的相位调节器；用于另一束偏振面旋转90度的法拉第旋转镜；将脉冲光衰减至单量子态的光衰减器：和光纤；所述信号解调接收端采用相位差分-法拉第-迈克尔逊接收系统。这种分光束方式使得两束光分别以相同的偏振态进入相位调制器，从而避免了波导相位调制器由于偏振相关而导致相位调制不稳定。

实际应用中，所述量子码调制发射方法具体如下：

①通过强度调制器将连续激光调制为等时间间隔为Δt相干脉冲光；

然后进入四端口偏振分束器分成水平和垂直两束偏振光；

其中一束光直接进入相位调制器，加载相位调制信息，另外一束光经过法拉第旋转镜作用，偏振面旋转90度，然后从另外一端进入相位调制器；

设计光纤距离，使这两柬光同时到达相位调制器，这两束光经历相同的光程在偏振分束器端口处重新合成一束光，根据相位调制信息{0，π}，输出随机量子码：

③通过光衰减器将脉冲光衰减至单量子态，衰减至平均光子数为μ＝0.1，发射光脉冲量子码。

上述两个系统所述的相位差分-法拉第-迈克尔逊接收系统主要包括：环形器；用于将光脉冲分成两个光信号和将两个光信号合并成一个光信号的2×2光纤耦合器；迈克尔逊干涉仪；分别安装在迈克尔逊干涉仪长、短臂末端用于反射光信号的法拉第旋转镜；和两个用于接收光信号的探测器。接收端，利用相位差分-法拉第-迈克尔逊接收方式，由于光在法拉第-迈克尔逊干涉仪来回反射过程中的偏振态彼此正交，因此可以消除由于光纤的双折射以及环境的震动影响，这样可以获得稳定的干涉效果。同时相位差分方式省掉了接收端的相位调制器，这样可以减小接收端的损耗与相位调制器带来的噪声，从而在进行单量子态传输时大大的降低了误码率以及提高传输距离。该系统克服了非等臂双M-Z相位调制系统中存在接收端插入损耗大，不稳定，光子利用效率低的缺点。克服了传统相位差分系统发射端，接收端不稳定的特点。因此具有稳定、快速等优点，特别适合用于实际量子密钥分发。

本发明相对于现有技术具有以下突出的实质性特点和显著的进步：

1.本发明改进了相位差分量子密钥的发射和接收的方法和系统，实现了单向、稳定、快速的量子密钥分发；

2.本发明装置克服了现有的相位差分系统容易受到外部环境干扰，稳定性差的缺点；

3.现有的光器件，通过改进系统光路结构，达到稳定、快速发射和接收量子信息，系统建造成本低廉；

4.具有很高的通讯安全性，避免信息内容被盗取。

附图说明

图1为本发明实施例1发射端的系统结构图；

图2为本发明实施例2发射端的系统结构图；

图3为本发明的接收端的系统结构图；

图4为实施例1的工作原理图；

图5为实施例1的工作原理图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步的说明。本发明所述的系统的发射端，可以采用两种方式发射稳定的量子码。

实施例1

如图1所示的信号调制发射端1’，利用强度调制器12’将连续激光光源11’发出的激光调制为等时间间隔为Δt相干脉冲光，然后进入四端口偏振分束器16’分成水平和垂直两束偏振光。其中一束光直接进入相位调制器18’，另外一束光经过法拉第旋转镜17’作用，偏振面旋转90度，然后从另外一端进入相位调制器18’，设计光纤19’距离，使这两束光同时到达相位调制器18’。由于这两束光经历相同的光程，因此它们在偏振分束器16’端口处重新合成。因此根据相位调制信息{0，π}，输出随机量子码，然后通过光衰减器14’将其衰减至单量子态μ＝0.1。这种分光束方式使得两束光分别以相同的偏振态进入相位调制器18’，从而避免了波导相位调制器由于偏振相关而导致相位调制不稳定。

所述系统的系统接收解调端2，如图3所示，到达接收方的脉冲其间隔时间为Δt经过环形器21，入射到光纤耦合器22然后每个脉冲被分成两个分别进入干涉仪长臂L2和短臂L1，在末端被法拉第旋转镜23、24反射，由于干涉仪两臂L1、L2不相等，光在来回反射过程中其光程差Δl＝2n(L2-L1)且满足Δl/c＝Δt。因此经过长臂L2的脉冲会与Δt后脉冲分出的一个经过短臂L1的脉冲发生干涉，由于前后两个脉冲相位独立，根据他们的相位特性发生干涉，根据干涉结果决定光子到达探测器25或26。

其解码过程如下：由于两个连续脉冲在时间上高度相干，其间隔时间为Δt。相位差分-法拉第-迈克尔逊接收装置，其两臂L1、L2的光程差Δl与脉冲间隔时间Δt有如下关系：Δl/c＝Δt。因此连续两个脉冲在耦合器22中会发生干涉，其干涉结果决定了光子到达两个探测器25、26其中一个。当两个连续脉冲具有相同的相位时，光子从耦合器22其中的一臂到达第一探测器25；当两个连续脉冲的相位相差为π时，光子从耦合器另外的一臂到达第二探测器26；若第一探测器25响应，第二探测器26不响应，那么约定测量结果为“0”。若第二探测器26响应，第一探测器25不响应，那么约定测量结果为“1”。若两个探测器都不响应或同时响应，那么放弃结果。这样根据两个探测器的探测结果可以检测出连续两个量子码的状态。因此在接收方建立起随机秘密的序列0，1作为密码本。

光路如图4所示，在发射端，Alice对每一个脉冲进行用0或π随机相位调制，规定相位为0时表示码“0”，相位为π时表示码“1”。通过光纤10将信号传送到接收端，在接收端，Bob对每个相应光子到达时间段用探测器进行测量，若探测器D1响应而D2不响应，则表示码“0”；反之若探测器D2响应而D1不响应，则表示码“1”；若两个探测器同时响应或都不响应，则放弃记录。Bob根据自己的探测器响应情况建立起密码本，然后在公开信道上告诉Alice那些时间段上探测到了光子，于是Alice去掉Bob未探测到的部分，建立起密码本。然后Bob随便公开某些比特，供Alice确认有无误码，以及误码率的大小，最后如果误码率在一定的范围内，剩下的比特序列留作密码本。最后Alice和Bob在经典信道上通过纠错，然后再进行保密放大。

实施例2

如图2所示的信号调制发射端1，直接利用强度调制器12将连续激光光源11发出的激光调制为等时间间隔为Δt相干脉冲光，经过偏振器13控制后进入相位调制器14。经过加载相位调制信息{0，π}后，经过光衰减器15将其衰减至单量子态μ＝0.1。采用这种方式结构简单，所用器件较少，价格低廉，稳定性好。所述系统接收端与实施例1完全相同。

光路如图5所示，在发射端，Alice对每一个脉冲进行用0或π随机相位调制，规定相位为0时表示码“0”，相位为π时表示码“1”。通过光纤10将信号传送到接收端，在接收端，Bob对每个相应光子到达时间段用探测器进行测量，若探测器D1响应而D2不响应，则表示码“0”；反之若探测器D2响应而D1不响应，则表示码“1”；若两个探测器同时响应或都不响应，则放弃记录。Bob根据自己的探测器响应情况建立起密码本，然后在公开信道上告诉Alice那些时间段上探测到了光子，于是Alice去掉Bob未探测到的部分，建立起密码本。然后Bob随便公开某些比特，供Alice确认有无误码，以及误码率的大小，最后如果误码率在一定的范围内，剩下的比特序列留作密码本。最后Alice和Bob在经典信道上通过纠错，然后再进行保密放大。

Claims (9)

1.一种相位差分量子密钥分发方法，包括量子码调制发射方法和量子码接收解调方法，其特征是所述量子码调制发射方法包括以下步骤：

①将连续激光调制为等时间间隔为Δt相干脉冲光；

②在脉冲光上加载相位调制信息；

③将脉冲光衰减至单量子态，发射光脉冲量子码；

所述量子码接收解调方法包括以下步骤：

①接收光脉冲量子码，并将光脉冲分成两个光信号分别进行反射；

②使两个光信号在来回反射过程中其光程差Δl满足Δl/c＝Δt；

③根据两个光信号的相位特性进行干涉，并根据干涉结果决定光子所携带的信号：当两个连续脉冲具有相同的相位时，测量结果为“0”，当两个连续脉冲的相位相差为π时，测量结果为“1”；

④根据测量结果建立起随机秘密的序列0，1作为密码本。

2.根据权利要求1所述的相位差分量子密钥分发方法，其特征是所述量子码调制发射方法的②步骤还包括以下步骤：

将脉冲光分成水平和垂直两束偏振光；

在其中一束脉冲光上加载相位调制信息，将另一束偏振面旋转90度；

使两束光经历相同的光程后重新合成一束脉冲光。

3.根据权利要求1所述的相位差分量子密钥分发方法，其特征是所述量子码调制发射方法具体如下：

①通过强度调制器将连续激光调制为等时间间隔为Δt相干脉冲光；

②脉冲光经过偏振器控制后进入相位调制器加载相位调制信息{0，π}；

③通过光衰减器将脉冲光衰减至单量子态，发射光脉冲量子码。

4.根据权利要求2所述的相位差分量子密钥分发方法，其特征是所述量子码调制发射方法具体如下：

①通过强度调制器将连续激光调制为等时间间隔为Δt相干脉冲光；

然后进入四端口偏振分束器分成水平和垂直两束偏振光；

其中一束光直接进入相位调制器，加载相位调制信息，另外一束光经过法拉第旋转镜作用，偏振面旋转90度，然后从另外一端进入相位调制器；

设计光纤距离，使这两束光同时到达相位调制器，这两柬光经历相同的光程在偏振分束器端口处重新合成一束光，根据相位调制信息{0，π}，输出随机量子码；

③通过光衰减器将脉冲光衰减至单量子态，发射光脉冲量子码。

5.根据权利要求1所述的相位差分量子密钥分发方法，其特征是所述量子码接收解调方法具体如下：

①到达接收方的脉冲其间隔时间为Δt经过环形器，入射到2×2光纤耦合器，然后每个脉冲被分成两个分别进入干涉仪长，短臂，在末端被法拉第旋转镜反射；

②干涉仪两臂不相等，光在来回反射过程中其光程差Δl＝2n(L2-L1)，使光程差满足Δl/c＝Δt；

③经过长臂的脉冲光与经过短臂的脉冲光在耦合器中根据两束光的相位特性发生干涉，当两个连续脉冲光具有相同的相位时，光子从耦合器其中的一臂到达第一探测器；当两个连续脉冲的相位相差为±π时，光子从耦合器另外的一臂到达第二探测器；若第一探测器响应，第二探测器不响应，那么约定测量结果为“0”，若第二探测器响应，第一探测器不响应，那么约定测量结果为“1”，若两个探测器都不响应或同时响应，那么放弃结果；根据两个探测器的探测结果检测出连续两个量子码的状态；

④根据测量结果在接收方建立起随机秘密的序列0，1作为密码本。

6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的相位差分量子密钥分发方法，其特征是在调制发射过程中将脉冲衰减至平均光子数为μ＝0.1。

7.一种采用权利要求1所述方法的相位差分量子密钥分发系统，包括信号调制发射端(1)和信号解调接收端(2)，其特征是所述信号调制发射端(1)主要包括：

连续激光光源(11)；

用于将连续激光调制为等时间间隔为Δt相干脉冲光的强度调制器(12)；

对脉冲光进行偏振控制的偏振控制器(13)；

在脉冲光上加载相位调制信息的相位调节器(14)；和

将脉冲光衰减至单量子态的光衰减器(15)；

所述信号解调接收端(2)采用相位差分-法拉第-迈克尔逊接收系统。

8.一种采用权利要求2所述方法的相位差分量子密钥分发系统，包括信号调制发射端(1’)和信号解调接收端(2)，其特征是所述信号调制发射端(1’)主要包括：

连续激光光源(11’)；

用于将连续激光调制为等时间间隔为Δt相干脉冲光的强度调制器(12’)；

将脉冲光分成水平和垂直两束偏振光的四端口偏振分束器(16’)；

用于在其中一束脉冲光上加载相位调制信息的相位调节器(18’)；

用于另一束偏振面旋转90度的法拉第旋转镜(17’)；

将脉冲光衰减至单量子态的光衰减器(14’)；和

光纤(19’)；

所述信号解调接收端(2)采用相位差分-法拉第-迈克尔逊接收系统。

9.根据权利要求7或8所述的相位差分量子密钥分发系统，其特征是所述的相位差分-法拉第-迈克尔逊接收系统主要包括：

环形器(21)；

用于将光脉冲分成两个光信号和将两个光信号合并成一个光信号的2×2光纤耦合器(22)；

迈克尔逊干涉仪；

分别安装在迈克尔逊干涉仪长、短臂末端用于反射光信号的法拉第旋转镜(23)(24)；和

两个用于接收光信号的探测器(25)(26)。

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