CN205389206U - 基于dps的多用户量子密钥分发网络系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了基于DPS的多用户量子密钥分发网络系统，包括Alice端和多用户Bob端，Alice端的多波长连续激光器产生多波长连续激光，经强度调制器调制成等时间间隔为T多波长脉冲激光，经相位调制器随机调制相位为0或π相位，再经过衰减器衰减成平均光子数小于1的多波长脉冲激光；不同波长的激光脉冲以波长寻址的方式进入相应波长的Bob端，对应波长脉冲在相应的Bob端进行干涉，探测器根据前后脉冲之间的相位差响应干涉事件并计数。本实用新型将DPS结合波分复用实现一对多的量子密钥分发，采用的结构简单、操作方便、传输稳定、成码率高。
Description
技术领域
本实用新型涉及量子信息以及光纤通信技术领域，具体是基于DPS的多用户量子密钥分发网络系统。
背景技术
相比于经典通信通过计算的复杂度保证安全，量子保密通信基于量子力学原理保证了其绝对的安全性。海森堡不确定原理和未知量子态不可克隆原理从根本上保证了量子保密通信的绝对安全。量子保密通信已经在国家安全、军事、乃至民用领域广泛应用。
量子密钥分发(QuantumKeyDistribution，QKD)能以绝对安全的方式让处于不同位置的合法参与者(通常称为Alice和Bob)分享密钥，对于当前来说点对点的量子密钥分发已经日趋成熟，常用的协议有BB84协议、B92协议、EPR协议等，1984年由Bennett提出的BB84协议采用两个完全相同的非等臂M-Z干涉仪作为编码器和解码器，这种编码方式由于光纤的拉伸与弯曲使得光子偏振态产生变化使得工作不够稳定，其操作又比较复杂。1992年在BB84基础上进行简化而来的B92协议虽然操作简单但是成码率较低，所产生的数位串中仅有25％是有效的。而EPR协议需要比较完美的纠缠源，目前主要采用的自发参量下转换光路复杂，成本昂贵。另外CHSH不等式的判断是非常精细的操作，对器件的精度要求很高，而纠缠态在光纤中的传输面临着损耗的问题，探测器存在噪声、暗计数等等，这些因素很大程度上都会对最终的测量结果有影响。2002年首次提出的DPS(DifferentialPhaseShift)，即差分量子密钥分发协议，是利用两个连续光子的相位差传递密钥信息，因此使得信息具有连续性，并且在光纤传输中前后两个脉冲所受到外界的影响几乎一致，因此具有更强的抗干扰性。DPS协议无论从结构上还是操作上都比BB84协议简单，并且成码率是BB84协议的2倍，是B92协议的4倍，另外它还能有效地对抗光子数分裂窃听，因此更具有实用潜力。
QKD应用面临着一个重要的实际问题是解决量子网络和经典通信网络的融合，发展一对N、N对N的量子密钥分发网络，避免为满足多用户通信而建立专用网络的重大投入。
目前已有的QKD网络主要采用两种技术：一种是基于光学节点的QKD网络；另一种是基于可信中继的QKD网络，其难点在于保持中继的可靠性。相较于第二种QKD网络，基于光学节点的QKD网络不依赖每个光学节点的绝对可靠性。基于分光器的量子密钥分发网络具有安全性好、容易实现的优点，但是其网络扩展会严重影响单用户密钥生成率和传输距离。Alice发射的平均光子数为μ的光脉冲被分光器分成N份，其中N为用户数，这样发送给每个接收端Bob的平均光子数为μ/N，随着用户数N的增加，网络的传输距离及单用户密钥生成率都会随之成倍减小。早期基于波分复用技术的可调谐波长光源多用户QKD方案虽然可以不再将Alice发射的脉冲均分给不同的用户，但同一时刻激光器产生的脉冲仍然为单一波长脉冲，只能服务于单一用户，这造成了多用户不能同时工作的困境，而且从全局时间来看，单用户的密钥生成率仍然受困于用户规模，即随着用户数的增加，单用户的密钥生成率会减小、插入损耗增大，而且存在着光子利用率低，稳定性低等缺点。
实用新型内容
本实用新型目的是克服现有技术的不足，提供一种基于DPS的多用户量子密钥分发网络系统，该系统将单光源多波长激光器、强度调制器、相位调制器、衰减器产生光子数小于1的激光脉冲，而前后脉冲具有的相位差作为多用户信息传输的载体，通过波分复用单元将各个波长脉冲发送到不同的合法用户，各用户相对独立，保证单用户的密钥生成率稳定，不会随着用户的增加而减小。
本实用新型的技术方案是：基于DPS的多用户量子密钥分发网络系统，包括Alice端和多用户Bob端，其中：
所述Alice端包括多波长激光产生装置、强度调制器、相位调制器和衰减器；
所述多用户Bob端包括波长选择装置、分束器、第一全反射镜、第二全反射镜、合束器和探测器装置；
所述多波长激光产生装置发出多波长连续激光，利用强度调制器把连续激光调制成时间间隔为T的脉冲激光，经过相位调制器调制0或者π的相位，再经过衰减器衰减成为平均光子数小于1的脉冲激光进入到多用户Bob端；
时间间隔为T多波长激光脉冲传输到多用户Bob端的波长选择装置进行解复用，根据波长寻址的方式选择相应波长的一个Bob端，再传输到对应Bob端的分束器上形成上臂路径和下臂路径两条路径：其中上臂路径1：被反射光子经过第一全反射镜和第二全反射镜到达所述合束器；下臂路径2：透射的光子直接到达所述合束器；然后调整上臂路径比下臂路径产生的延时，所述延时即为脉冲的时间间隔T，两束光在所述合束器处发生干涉，根据随机调制的相位差0或π，所述探测器装置做出响应。
所述波长选择装置为布拉格光栅。
所述的多波长激光产生装置包括多波长连续激光器和波长选择器。
所述多波长连续激光器用于产生满足多个用户同时通信的相干的多波长连续激光。
所述波长选择器采用二级等差频率间隔的方式选择波长。
所述探测器装置包括第一探测器和第二探测器。
所述上臂路径和下臂路径的激光脉冲经过合束器之后，依据两脉冲的相位差在所述第一探测器和第二探测器做出响应：当两个连续脉冲的相位差为0时，所述第一探测器响应，此时测量结果“0”；当两个连续脉冲的相位差为π时，所述第二探测器响应，此时测量结果“1”。
与现有技术相比本实用新型的有益效果为：
1.本实用新型采用波分复用技术克服了现有的一对多的量子密钥分发随着用户数量的增加密钥生成效率减少的问题；
2.本实用新型采用调制时间T间隔的相干连续激光脉冲，DPS增加信息的连续性，可抵御分光子攻击和序列攻击等，增加系统的安全性；
3.本实用新型采用的方案简单，元器件技术成熟，可靠性高，易于操作。
附图说明
图1为本实用新型的Alice发射端；
图2为本实用新型的多用户Bob端；
图3为本实用新型的工作原理框图。
图中各部件对应的名称：Alice端-1’、多波长连续激光器101、强度调制器102、调制器103、衰减器-104；多用户Bob端-2’、第一光纤-201，210，……201+9n(n＝2,3,4……)、波长选择装置-202，211……202+9n(n＝2,3,4……)、第二光纤-203，212，……203+9n(n＝2,3,4……)、分束器204，213……204+9n(n＝2,3,4……)、第一全反射镜205，214……205+9n(n＝2,3,4……)、第二全反射镜206，215……206+9n(n＝2,3,4……)、合束器207，216，……207+9n(n＝2,3,4……)、第二探测器208，217，……208+9n(n＝2,3,4……)、第二探测器209，218……209+9n(n＝2,3,4……)。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步说明。
参照附图1-图3所示，基于DPS的多用户量子密钥分发网络系统，包括Alice端1’、多用户Bob2’其中：
所述Alice端1’包括多波长激光产生装置、强度调制器102、相位调制器103和衰减器104；所述多波长激光产生装置包括多波长连续激光器101和波长选择器且所述多波长连续激光器101用于产生满足多个用户同时通信的相干的多波长连续激光，而所述波长选择器采用二级等差频率间隔的方式选择波长；
所述多用户Bob端2’包括第一光纤201，210，……201+9n(n＝2,3,4……)，波长选择装置202，211……202+9n(n＝2,3,4……)和第二光纤203，212，……203+9n(n＝2,3,4……)、分束器204,213……204+9n(n＝2,3,4……)、第一全反射镜205,214……205+9n(n＝2,3,4……)、第二全反射镜206,215……206+9n(n＝2,3,4……)、合束器207,216，……207+9n(n＝2,3,4……)和探测器装置，所述探测器装置又包括第二探测器208,217，……208+9n(n＝2,3,4……)和第二探测器209,218……209+9n(n＝2,3,4……)。
本实施例中，所述波长选择装置202，211……202+9n(n＝2,3,4……)采用布拉格光栅，每个Bob用户都被分配一个特定的波长，每个布拉格光栅对应一个Bob用户。
下面以Bob1为例，描述下本实用新型的整个运作过程。
所述多波长连续激光器101发出多波长连续激光，利用强度调制器102把连续激光调制成时间间隔为T的脉冲激光，经过相位调制器103调制0或者π的相位，再经过衰减器104衰减成为平均光子数小于1的脉冲激光然后进入到多用户Bob端2’，其中时间间隔T根据强度调制器102和探测器装置的性能决定，通常T>max{τI,τD}，τI为强度调制器调制速率的倒数，τD为探测器的响应时间；
时间间隔为T多波长激光脉冲传输到多用户Bob端2’的第一光纤201、波长选择装置202和第二光纤203后，在所述波长选择装置(布拉格光栅)202处进行波分解复用，然后根据波长寻址的方式选择λ1波长的Bob1端，再传输到对应Bob1端的50：50分束器204上形成上臂路径和下臂路径两条路径：其中上臂路径1：被反射光子经过第一全反射镜205和第二全反射镜206到达所述合束器207；下臂路径2：透射的光子直接到达所述合束器207；然后调整上臂路径比下臂路径产生的延时，所述延时即为脉冲的时间间隔T，两束光在所述合束器207处发生干涉，根据随机调制的相位差0或π，所述探测器装置做出响应。
所述上臂路径和下臂路径的激光脉冲经过合束器之后，依据两脉冲的相位差在所述第一探测器208和第二探测器209做出响应：当两个连续脉冲的相位差为0时，所述第一探测器208响应，此时测量结果“0”；当两个连续脉冲的相位差为π时，所述第二探测器209响应，此时测量结果“1”。
Alice端1’对每一个脉冲随机用0或者π进行编码，相位0表示密码“0”，相位π表示密码“1”，通过波分复用单元传输到Bob端；波长λ1、λ2、λ3···λN分配至Bob1、Bob2、Bob3···BobN。
其解码过程如下：由于两个脉冲在时间上高度相干，其间隔时间为T，上臂路径比下臂路径产生的延时为脉冲的时间间隔T，那么根据相位差产生的干涉，若两束光的相位差为0，则第一探测器208响应，若两束光的相位差为π则第二探测器209响应；约定：若第一探测器208响应第二探测器209不响应，则计数“0”，若第二探测器209响应，第一探测器208不响应，则计数“1”，若第一探测器208和第二探测器209均响应，或者均不响应，则放弃计数，那么根据探测探测器的探测结果可以检测出两个连续量子码的状态。因此在接收方建立起随机的秘密序列0、1作为密码本。
1.本实用新型采用波分复用技术克服了现有的一对多的量子密钥分发随着用户数量的增加密钥生成效率减少的问题；
2.本实用新型采用调制时间T间隔的相干连续激光脉冲，DPS增加信息的连续性，可抵御分光子攻击和序列攻击等，增加系统的安全性；
3.本实用新型采用的方案简单，元器件技术成熟，可靠性高，易于操作。
根据上述说明书的揭示和指导，本实用新型所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本实用新型并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对实用新型的一些修改和变更也应当落入本实用新型的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本实用新型构成任何限制。
Claims (7)
1.基于DPS的多用户量子密钥分发网络系统，其特征在于，包括Alice端和多用户Bob端，其中：
所述Alice端包括多波长激光产生装置、强度调制器、相位调制器和衰减器；
所述多用户Bob端包括波长选择装置、分束器、第一全反射镜、第二全反射镜、合束器和探测器装置；
所述多波长激光产生装置发出多波长连续激光，利用强度调制器把连续激光调制成时间间隔为T的脉冲激光，然后经过相位调制器调制0或者π的相位，再经过所述衰减器衰减成为平均光子数小于1的脉冲激光进入到多用户Bob端；
时间间隔为T多波长激光脉冲传输到多用户Bob端的波长选择装置进行解复用，根据波长寻址的方式选择相应波长的一个Bob端，再传输到对应Bob端的分束器上形成上臂路径和下臂路径两条路径：其中上臂路径：被反射光子经过第一全反射镜和第二全反射镜到达所述合束器；下臂路径：透射的光子直接到达所述合束器；然后调整上臂路径比下臂路径产生的延时，所述延时即为脉冲的时间间隔T，上臂路径与下臂路径两束光在所述合束器处发生干涉，根据随机调制的相位差0或π，所述探测器装置做出响应。
2.如权利要求1所述的基于DPS的多用户QKD网络系统，其特征在于，所述波长选择装置为布拉格光栅。
3.如权利要求1所述的基于DPS的多用户量子密钥分发网络系统，其特征在于，所述的多波长激光产生装置包括多波长连续激光器和波长选择器。
4.如权利要求2所述的基于DPS的多用户量子密钥分发网络系统，其特征在于，所述多波长连续激光器用于产生满足多个用户同时通信的相干的多波长连续激光。
5.如权利要求1所述的基于DPS的多用户量子密钥分发网络系统，其特征在于，所述波长选择器采用二级等差频率间隔的方式选择波长。
6.如权利要求1所述的基于DPS的多用户量子密钥分发网络系统，其特征在于，所述探测器装置包括第一探测器和第二探测器。
7.如权利要求6所述的基于DPS的多用户量子密钥分发网络系统，其特征在于，所述上臂路径和下臂路径的激光脉冲经过合束器之后，依据两脉冲的相位差在所述第一探测器和第二探测器做出响应：当两个连续脉冲的相位差为0时，所述第一探测器响应，此时测量结果“0”；当两个连续脉冲的相位差为π时，所述第二探测器响应，此时测量结果“1”。
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