CN206364813U - 一种pp结构的测量设备无关量子密钥分发系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种PP结构的测量设备无关量子密钥分发系统，包括第一用户端、第二用户端、具有实现产生双脉冲序列信号光、贝尔态测量功能的公共测量端，以及连接在第一用户端和公共测量端之间的第一量子密钥分发通道，连接在第二用户端和公共测量端之间的第二量子密钥分发通道；还包括连接在第一用户端和第二用户端之间的第三量子密钥分发通道。本实用新型系统在PP结构的MDI‑QKD系统中仅需要增加两个路径选择模块和一个量子密钥分发通道，即可实现时间模式自动补偿，该补偿属于被动补偿，无需额外的激光器等有源器件；本实用新型中第一用户端和第二用户端不需要相位调制器，减少器件的使用，降低电子学设计难度，简化系统结构。

Description

一种PP结构的测量设备无关量子密钥分发系统

技术领域

本实用新型涉及信息安全领域，尤其涉及一种基于即插即用(PP)结构的测量设备无关量子密钥分发系统。

背景技术

量子密钥分发(QKD)作为一种可靠的密钥分发体制，其安全性是由量子力学中的海森堡测不准原理及不可克隆定理等量子特性来保证，结合一次一密的加密方法，理论上能够保证通信的无条件安全，然而实际QKD系统却由于器件的不完美性而存在各种安全漏洞。

QKD系统中实际器件包括光源、单光子探测器等都存在漏洞，针对光源漏洞所致的光子数分离(PNS)攻击问题可以通过增加诱骗态协议解决，因此针对单光子探测器漏洞引起的安全问题尤为严重，如单光子探测器效率不匹配将被窃听者利用来实现效率不匹配攻击或者是时移攻击，单光子探测器其它的漏洞，如死时间等，都被攻击者利用，因此如果能解决探测器漏洞则很大程度上能够提升实际QKD系统的安全性。2012年加拿大Lo等提出了测量设备无关量子密钥分发协议(MDI-QKD)，该方案中，Alice和Bob将单光子脉冲发送到第三进行贝尔态测量，故其可抵御任何探针对测器的攻击。该方案极大的提高了实际量子密钥分发系统的安全性，在理论和实验上得到了广泛的研究。

贝尔态测量是MDI-QKD协议的核心技术，为保证贝尔态测量的准确性和稳定性，要求激光的干涉的模式保持一致，包括波长模式、时间模式、偏振模式、相位模式，因此需要在实际的MDI-QKD系统中引入波长稳定系统、时间补偿系统、偏振稳定系统、相位稳定系统四大主动补偿系统，用于提高系统的成码率以及保证系统的稳定性。这些补偿系统的引入增加了系统的成本，而且使系统庞大、复杂。

基于即插即用(Plug and Play，PP)结构的QKD系统由于在量子态制备端Alice不需要不等臂干涉仪，而且具有偏振自动补偿功能，非常适合用于提高QKD系统的的稳定性，因此将PP结构应用于MDI-QKD同样也具有提高稳定性的优点。

文献《Measurement-device-independent quantum communication with anuntrusted source》(《Physical Review A》,201592(1))首次在理论上证明了基于PP结构的MDI-QKD系统的安全性。

专利号为201510008068.9借鉴了PP结构，提出了一种两节点测量设备无关量子密钥分发系统，将两个独立激光器和测量装置Charlie都放置在同一个节点上，即均放置在Alice端或Bob端，形成两节点双向传输的量子密钥分发系统，实现了偏振自补偿、相位漂移自补偿、相位参考系无需校准、同步易于实现的目的。但该方案的安全性没有得到证明，而且设置有两个独立激光器，还需要波长稳定装置。

文献《Plug-and-play measurement-device-independent quantum keydistribution》(http://xueshu.baidu.com/usercenter/data/journal？cmd＝jump&wd＝ journaluri％3A％2887984900584ec0f3％29％20％E3％80％8APhys.rev.a％E3％80％8B& tn＝SE_baiduxueshu_c1gjeupa&ie＝utf-8&sc_f_para＝sc_hilight％3Dpublish&sort＝ sc_citedPhys.rev.a,2016,93(3))首次实验演示了基于P&P结构的MDI-QKD，但该演示仅限于空间光路，且距离很短，无需考虑各种补偿稳定系统。

文献《Experimental asymmetric plug-and-play measurement-device-independent quantum key distribution》(Phys.rev.a 94,032326(2016))报道了一种基于P&P结构的MDI-QKD系统，该系统使用了两个1310nm的光源，采用了波分复用的方式进行时间补偿，使系统庞大、复杂，这种额外设置的不同波长的激光器不可避免的会对用于量子密钥分发的单光子信号产生影响；

现有技术存在的问题：

1)PP结构的MDI-QKD系统基本结构如图1所示，其中PP结构的MDI-QKD系统基本结构仅用于理论和实验验证可行性验证，并没有考虑时间模式一致的问题。

2)在实际应用上，现有基于PP结构的MDI-QKD系统时间补偿系统属于主动补偿，需要额外设置不同波长的激光器、波分复用器等器件，使系统庞大、复杂，这种额外设置的不同波长的激光器不可避免的会对用于量子密钥分发的单光子信号产生影响；

3)现有基于PP结构的MDI-QKD系统在Alice和Bob需要有相位调制器、强度调制器制备量子态，而且两个调制器的控制需要精确同步，多个调制器的使用增加了电子学的设计难度，而且相位调制器易受环境温度影响，使系统不稳定。

实用新型内容

为了解决上述的技术问题，本实用新型的目的是提供一种能够实现时间模块自动补偿的PP结构的测量设备无关量子密钥分发系统。

为了达到上述的目的，本实用新型采用了以下的技术方案：

本实用新型提供一种PP结构的测量设备无关量子密钥分发系统，包括第一用户端，第二用户端，具有实现产生双脉冲序列信号光、贝尔态测量功能的公共测量端，以及连接在第一用户端和公共测量端之间的第一量子密钥分发通道，连接在第二用户端和公共测量端之间的第二量子密钥分发通道；还包括连接在第一用户端和第二用户端之间的第三量子密钥分发通道；在第一用户端内设置具有实现反射光信号、量子态编码功能的第一用户端编码模块和第一路径选择模块，在第二用户端内设置具有实现反射光信号、量子态编码功能的第二用户端编码模块和第二路径选择模块，第一用户端内的第一路径选择模块和第二用户端内的第二路径选择模块通过第三量子密钥分发通道相连。

作为优选：在第一路径选择模块内设置有三个三端口环形器，分别是第一环形器Ⅰ、第二环形器Ⅰ、第三环形器Ⅰ，第一环形器Ⅰ的第一端口与第二环形器Ⅰ的第三端口相连，第一环形器Ⅰ的第三端口与第三环形器Ⅰ的第一端口相连，第二环形器Ⅰ的第一端口与第三环形器Ⅰ的第三端口相连。

作为优选：在第一用户端内的第一用户端编码模块设置有第一分束器、第一可调光衰减器、第一探测器、第一幅度调制器、第一反射镜；第一探测器和第一可调光衰减器分别与第一分束器相连，第一分束器与第一路径选择模块相连，第一反射镜通过第一幅度调制器与第一可调光衰减器相连。

作为优选：在第二路径选择模块内设置有三个三端口环形器，分别是第一环形器Ⅱ、第二环形器Ⅱ、第三环形器Ⅱ；第一环形器Ⅱ的第一端口与第二环形器Ⅱ的第三端口相连，第一环形器Ⅱ的第三端口与第三环形器Ⅱ的第一端口相连，第二环形器Ⅱ的第一端口与第三环形器Ⅱ的第三端口相连。

作为优选：在第二用户端内的第一用户端编码模块设置有第二分束器、第二可调光衰减器、第二探测器、第二幅度调制器、第二反射镜；第二探测器和第二可调光衰减器分别与第二分束器相连，第二分束器与第二路径选择模块相连，第二反射镜通过第二幅度调制器与第二可调光衰减器相连。

作为优选：公共测量端内设置有用于输出双脉冲序列信号光的相位调制光源、以及用于测量经第一用户端和第二用户端反射到公共测量端的光信号的贝尔态测量装置。

作为优选：相位调制光源和贝尔态测量装置共用第一环形器，第一环形器为四端口光环形器，四个端口分别为沿光路依次为第一端口，第二端口,第三端口和第四端口，第一环形器光的传输方向为从第一端口到第二端口、从第二端口到第三端口、从第三端口到第四端口。

作为优选：相位调制光源还包括脉冲产生激光器和相位制备激光器，脉冲产生激光器与第一环形器的第一端口相连，相位制备激光器与第一环形器的第二端口相连；相位制备激光器分别与第一环形器第一端口和第二端口相连。

作为优选：所述贝尔态测量装置还包括第三分束模块、第一环形器、第一单光子探测器、第二单光子探测器；第三分束模块为2×2分束器，具有四个端口，分别为第一端口，第二端口,第三端口和第四端口；第三分束模块能够实现经过第一用户端和第二用户端反射回的公共测量端的光信号的双光子干涉，其干涉结果由第一单光子探测器探测到或经过第一环形器由第二单光子探测器探测到。

作为优选：公共测量端内设置两个三端口环形器，分别为第二环形器和第三环形器；脉冲产生激光器、相位制备激光器、第三环形器组成光注入半导体激光器结构的相位调制光源，相位调制光源产生的双脉冲序列信号光从第三环形器的第三端口输出到第二环形器的第一端口，然后从第二环形器的第二端口输入到第三分束器的第一端口；第二环形器用于贝尔态测量，由第一用户端和第二用户端反射的信号经过公共测量端内部的第三分束器干涉后，当干涉信号从第三分束器的第一端口输出时，经过第二环形器的第二端口到达第二单光子探测器。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果：

1)本实用新型系统在PP结构的MDI-QKD系统中仅需要增加两个路径选择模块和一个量子通道，即可实现时间模式自动补偿，该补偿属于被动补偿，无需额外的激光器等有源器件；

2)本实用新型中第一用户端(Alice)和第二用户端(Bob)不需要相位调制器，减少器件的使用，降低电子学设计难度，简化系统结构。

附图说明

图1是现有技术中PP结构的MDI-QKD系统基本结构示意图；

图2是改进后的本实用新型PP结构MDI-QKD系统结构示意图；

图3是本实用新型中基于相位调制光源的PP结构MDI-QKD系统结构示意图；

图4是本实用新型中第一用户端(Alice)内的第一路径选择模块结构示意图；

图5是本实用新型中第二用户端(Bob)内的第二路径选择模块结构示意图；

图6是本实用新型中实施例二中第一环形器(Cir1)的替换方案结构示意图。

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做一个详细的说明。

实施例一：改进现有PP结构MDI-QKD系统的时间模式补偿方法

如图2所示，本实用新型提供一种PP结构的测量设备无关量子密钥分发系统的具体实施例，包括第一用户端Alice、第二用户端Bob，公共测量端Charlie，以及连接第一用户端Alice和公共测量公共测量端Charlie第一量子密钥分发通道Ch1，连接第二用户端Bob和公共测量端Charlie第二量子密钥分发通道Ch2；第一用户端Alice内设置有Alice编码模块，还设置有第一路径选择模块1，第二用户端Bob内设置有Bob编码模块，还设置有第二路径选择模块2，第一用户端Alice内的第一路径选择模块1和第二路径选择模块2通过第三量子密钥分发通道Ch3相连。

第一用户端Alice内部的Alice编码模块具有实现反射光信号、量子态编码功能，实现方式与现有的PP结构的MDI-QKD系统中的第一用户端Alice相同；

第二用户端Bob内部的Bob编码模块具有实现反射光信号、量子态编码功能，实现方式与现有的PP结构的MDI-QKD系统中的第二用户端Bob相同；

公共测量端Charlie具有实现产生双脉冲序列信号光、贝尔态测量功能，实现方式与现有的PP结构的MDI-QKD系统中的公共测量端Charlie相同；

其中：如图4所示，第一路径选择模块1内设置有三个三端口环形器，分别是第一环形器ⅠCir11、第二环形器ⅠCir12、第三环形器ⅠCir13，都具有第一端口a、第二端口b、第三端口c，环形器的通光方向为第一端口a→第二端口b，第二端口b→第三端口c。第一环形器ⅠCir11的第一端口a与第二环形器ⅠCir12的第三端口c相连，第一环形器ⅠCir11的第三端口c与第三环形器ⅠCir13的第一端口a相连，第二环形器ⅠCir12的第一端口a与第三环形器ⅠCir13的第三端口c相连，第一环形器ⅠCir11的第二端口b即是第一路径选择模块1端口13，第二环形器ⅠCir12的第二端口b即是第一路径选择模块1端口12，第三环形器ⅠCir13的第二端口b即是第一路径选择模块1端口11。

当光信号从第一路径选择模块1的端口11输入时，经过第三环形器ⅠCir13的第二端口b由第三环形器ⅠCir13的第三端口c输出到达第二环形器ⅠCir12的第一端口a，然后由第二环形器ⅠCir12的第二端口b输出，即第一路径选择模块1端口12输出；

当光信号从第一路径选择模块1的端口12输入时，经过第二环形器ⅠCir12的第二端口b由第二环形器ⅠCir12的第三端口c输出到达第一环形器ⅠCir11的第一端口a，然后由第一环形器ⅠCir11的第二端口b输出，即第一路径选择模块1端口13输出；

当光信号从第一路径选择模块1的端口13输入时，经过第一环形器ⅠCir11的第二端口b由第一环形器ⅠCir11的第三端口c输出到达第三环形器ⅠCir13的第一端口a，然后由第三环形器ⅠCir13的第二端口b输出，即第一路径选择模块1端口11输出。

如图5所示：第二路径选择模块2内设置有三个三端口环形器，分别是第一环形器ⅡCir21、第二环形器ⅡCir22、第三环形器ⅡCir23，都具有第一端口a、第二端口b、第三端口c，环形器的通光方向为第一端口a→第二端口b，第二端口b→第三端口c。第一环形器ⅡCir21的第一端口a与第二环形器ⅡCir22的第三端口c相连，第一环形器ⅡCir21的第三端口c与第三环形器ⅡCir23的第一端口a相连，第二环形器ⅡCir22的第一端口a与第三环形器ⅡCir23的第三端口c相连，第一环形器ⅡCir21的第二端口b即是第二路径选择模块2端口23，第二环形器ⅡCir22的第二端口b即是第二路径选择模块2端口22，第三环形器ⅡCir23的第二端口b即是第二路径选择模块2端口21。

当光信号从第二路径选择模块2的端口21输入时，经过第三环形器ⅡCir23的第二端口b由第三环形器ⅡCir23的第三端口c输出到达第二环形器ⅡCir22的第一端口a，然后由第二环形器ⅡCir22的第二端口b输出，即第二路径选择模块1端口12输出；

当光信号从第二路径选择模块2的端口22输入时，经过第二环形器ⅡCir22的第二端口b由第二环形器ⅡCir22的第三端口c输出到达第一环形器ⅡCir21的第一端口a，然后由第一环形器ⅡCir21的第二端口b输出，即第二路径选择模块2端口23输出；

当光信号从第二路径选择模块2的端口23输入时，经过第一环形器ⅡCir21的第二端口b由第一环形器ⅡCir21的第三端口c输出到达第三环形器ⅡCir23的第一端口a，然后由第三环形器ⅡCir23的第二端口b输出，即第二路径选择模块2端口21输出。

具体步骤如下：

1)一种PP结构的测量设备无关量子密钥分发系统，公共测量端Charlie产生两束双脉冲序列信号光通过第一量子密钥分发通道Ch1、第二量子密钥分发通道Ch2分别发送给第一用户端Alice、第二用户端Bob；

2)在第一用户端Alice，第一量子密钥分发通道Ch1、第三量子密钥分发通道Ch3都有双脉冲序列信号光输入。从第一量子密钥分发通道Ch1输入双脉冲序列信号光来自公共测量端Charile，经过第一量子密钥分发通道Ch1首先输入到第一路径选择模块1的端口11，从第一路径选择模块1的端口12输出，经过第三量子密钥分发通道Ch3到达第二用户端Bob；

从第三量子密钥分发通道Ch3输入的双脉冲序列信号光来自公共测量端Charile，经过第二量子密钥分发通道Ch2、第三量子密钥分发通道Ch3首先输入到第一路径选择模块1的端口12，从第一路径选择模块1的端口13输出到达Alice编码模块，双脉冲序列信号光经过Alice编码模块反射和编码后再次到达第一路径选择模块1的端口13，从第一路径选择模块1的端口11输出，经过第一量子密钥分发通道Ch1，到达公共测量端Charlie；可以得到，从第三量子密钥分发通道Ch3输入的双脉冲序列信号光所走的路径为Ch2-Ch3-第一用户端Alice端反射-Ch1。

3)在第二用户端Bob，第二量子密钥分发通道Ch2、第三量子密钥分发通道Ch3都有双脉冲序列信号光输入。从第二量子密钥分发通道Ch2输入双脉冲序列信号光来自公共测量端Charile，经过第二量子密钥分发通道Ch2首先输入到第二路径选择模块2的端口21，从第二路径选择模块2的端口22输出，经过第三量子密钥分发通道Ch3到达第一用户端Alice；

从第三量子密钥分发通道Ch3输入的双脉冲序列信号光来自公共测量端Charile，经过第一量子密钥分发通道Ch1、第三量子密钥分发通道Ch3首先输入到第二路径选择模块2的端口22，从第二路径选择模块2的端口23输出到达Bob编码模块，双脉冲序列信号光经过Bob编码模块反射和编码后再次到达第二路径选择模块2的端口23，从第二路径选择模块2的端口21输出，经过第二量子密钥分发通道Ch2，到达公共测量端Charlie。可以得到，从第三量子密钥分发通道Ch3输入的双脉冲序列信号光所走的路径为Ch1-Ch3-第二用户端Bob端反射-Ch2。

4)公共测量端Charlie进行贝尔态测量，并公布贝尔态测量结果，第一用户端Alice和第二用户端Bob根据测量结果，选择了他们使用了同样基的情况，同时第一用户端Alice和第二用户端Bob其中的一方需要进行比特翻转，得到原始量子密钥。随后通过安全码率估算、误码协商和隐私放大获得安全密钥(即最终量子密钥)。

两束干涉的光所走的路径仅在第一用户端Alice端内部反射、第二用户端Bob端内部反射存在路径区别，而这部分路径是精确可控的，因此克服了由于Ch1、Ch2距离不同导致时间难以同步的问题，而且不需要时间反馈装置，简化系统。

实施例二：基于相位调制光源的PP结构MDI-QKD系统

如图3～5所示，本发明提供一种PP结构的测量设备无关量子密钥分发系统的具体实施例，包括第一用户端Alice、第二用户端Bob，公共测量端Charlie，以及连接第一用户端Alice和公共测量端Charlie第一量子密钥分发通道Ch1，连接第二用户端Bob和公共测量端Charlie第二量子密钥分发通道Ch2，连接第一用户端Alice和第二用户端Bob第三量子密钥分发通道Ch3。

公共测量端Charlie内设置有用于输出双脉冲序列信号光的相位调制光源、以及用于测量经第一用户端Alice和第二用户端Bob反射到公共测量端Charlie的光信号的贝尔态测量装置。相位调制光源和贝尔态测量装置共用第一环形器CIR1，第一环形器CIR1为四端口光环形器，四个端口分别为沿光路依次为第一端口a，第二端口b,第三端口c和第三端口d，第一环形器CIR1光的传输方向为第一端口a→第二端口b、第二端口b→第三端口c、第三端口c→第四端口d。

此外，相位调制光源还包括脉冲产生激光器LD1，相位制备激光器LD2，分别与第一环形器CIR1第一端口a和第二端口b相连，可见，公共测量端Charlie内的脉冲产生激光器LD1，相位制备激光器LD2、第一环形器CIR1三者组成光注入半导体激光器结构的相位调制光源，产生相位一致的双脉冲序列信号光从CIR1的第三端口c输出，CIR1的第三端口c与第三分束模块分别为第一端口e相连，第三分束模块用于将双脉冲序列信号光分成两束分别发送给第一用户端Alice和第二用户端Bob。

第三分束模块为2*2分束器，具有四个端口，分别为第一端口e，第二端口f,第三端口g和第四端口h。

贝尔态测量装置包括第三分束模块BS3、第一环形器CIR1、第一单光子探测器SPD1、第二单光子探测器SPD2。第三分束模块可以实现经过第一用户端Alice和第二用户端Bob反射的回公共测量端Charlie的光信号的双光子干涉，干涉结果由第一单光子探测器SPD1探测到或经过第一环形器由第二单光子探测器SPD2探测到。

在本实用新型中，时间比特-相位编码的MDIQKD方案的贝尔态后选择可以是：贝尔态测量设备中的2个探测器分别对探测的时间位置进行判断，如果2个探测器都有响应，且在同一个时间周期，且一个探测是在时间位置0，一个探测是在时间位置1(位置0和位置1的时间差对应双脉冲序列信号光的前后脉冲的时间间隔)，则认为此时为一个合法的贝尔态。

第一用户端Alice内设置有第一路径选择模块1、第一分束器BS1、第一可调光衰减器VOA1、第一探测器PD1、第一幅度调制器AM1、第一反射镜FM1。

如图4所示，第一路径选择模块1内设置有三个三端口环形器，分别是第一环形器ⅠCir11、第二环形器ⅠCir12、第三环形器ⅠCir13，都具有第一端口a、第二端口b、第三端口c，环形器的通光方向为第一端口a→第二端口b，第二端口b→第三端口c。第一环形器ⅠCir11的第一端口a与第二环形器ⅠCir12的第三端口c相连，第一环形器ⅠCir11的第三端口c与第三环形器ⅠCir13的第一端口a相连，第二环形器ⅠCir12的第一端口a与第三环形器ⅠCir13的第三端口c相连，第一环形器ⅠCir11的第二端口b即是第一路径选择模块1端口13，第二环形器ⅠCir12的第二端口b即是第一路径选择模块1端口12，第三环形器ⅠCir13的第二端口b即是第一路径选择模块1端口11。

当光信号从第一路径选择模块1的端口11输入时，经过第三环形器ⅠCir13的第二端口b由第三环形器ⅠCir13的第三端口c输出到达第二环形器ⅠCir12的第一端口a，然后由第二环形器ⅠCir12的第二端口b输出，即第一路径选择模块1端口12输出；

当光信号从第一路径选择模块1的端口12输入时，经过第二环形器ⅠCir12的第二端口b由第二环形器ⅠCir12的第三端口c输出到达第一环形器ⅠCir11的第一端口a，然后由第一环形器ⅠCir11的第二端口b输出，即第一路径选择模块1端口13输出；

当光信号从第一路径选择模块1的端口13输入时，经过第一环形器ⅠCir11的第二端口b由第一环形器ⅠCir11的第三端口c输出到达第三环形器ⅠCir13的第一端口a，然后由第三环形器ⅠCir13的第二端口b输出，即第一路径选择模块1端口11输出；

第二用户端Bob内设置有第二路径选择模块2、第二分束器BS2、第二可调光衰减器VOA2、第二探测器PD2、第二幅度调制器AM2、第二反射镜FM2。

第二路径选择模块2如图5所示：第二路径选择模块2内设置有三个三端口环形器，分别是第一环形器ⅡCir21、第二环形器ⅡCir22、第三环形器ⅡCir23，都具有第一端口a、第二端口b、第三端口c，环形器的通光方向为第一端口a→第二端口b，第二端口b→第三端口c。第一环形器ⅡCir21的第一端口a与第二环形器ⅡCir22的第三端口c相连，第一环形器ⅡCir21的第三端口c与第三环形器ⅡCir23的第一端口a相连，第二环形器ⅡCir22的第一端口a与第三环形器ⅡCir23的第三端口c相连，第一环形器ⅡCir21的第二端口b即是第二路径选择模块2端口23，第二环形器ⅡCir22的第二端口b即是第二路径选择模块2端口22，第三环形器ⅡCir23的第二端口b即是第二路径选择模块2端口21。

当光信号从第二路径选择模块2的端口21输入时，经过第三环形器ⅡCir23的第二端口b由第三环形器ⅡCir23的第三端口c输出到达第二环形器ⅡCir22的第一端口a，然后由第二环形器ⅡCir22的第二端口b输出，即第二路径选择模块1端口12输出；

当光信号从第二路径选择模块2的端口22输入时，经过第二环形器ⅡCir22的第二端口b由第二环形器ⅡCir22的第三端口c输出到达第一环形器ⅡCir21的第一端口a，然后由第一环形器ⅡCir21的第二端口b输出，即第二路径选择模块2端口23输出；

当光信号从第二路径选择模块2的端口23输入时，经过第一环形器ⅡCir21的第二端口b由第一环形器ⅡCir21的第三端口c输出到达第三环形器ⅡCir23的第一端口a，然后由第三环形器ⅡCir23的第二端口b输出，即第二路径选择模块2端口21输出。

第一幅度调制器AM1、第二幅度调制器AM2可以是电光调制器、声光调制器、高速光开关；由于法拉第旋转镜具有偏振自补偿功能，本实施例中两个反射镜分别为第一法拉第旋转镜FM1和第二法拉第旋转镜FM2。

本实施例量子密钥分发基于三态协议，第一用户端Alice和第二用户端Bob随机制备{|0_z>，|0_x>，|1_z>}三种量子态的一种，记为{|i_j>}，式中i表示逻辑比特0或1，j表示所选择的基矢是X或Z。

本实施例的具体工作过程如下：

1)相位制备激光器LD2发送一系列相位调制脉冲光，经过第一环形器CIR1第一端口a输入，第二端口b输出，注入到脉冲产生激光器LD1中。

2)脉冲产生激光器LD1在相位调制脉冲光注入的每个周期内都产生一个双脉冲序列信号光。

3)双脉冲序列信号光从第一环形器CIR1第二端口b输入，经过第三端口c输出，输入到第三分束模块分别为第一端口e，第三分束模块用于将双脉冲序列信号光分成两束分别从第二端口b、第三端口c输出，分别输入到第一量子密钥分发通道Ch1、第二量子密钥分发通道Ch2中，发送给第一用户端Alice、第二用户端Bob。

4)在第一用户端Alice，第一量子密钥分发通道Ch1、第三量子密钥分发通道Ch3都有双脉冲序列信号光输入。从第一量子密钥分发通道Ch1输入双脉冲序列信号光首先输入到第一路径选择模块1的端口11，从第一路径选择模块1的端口12输出，经过第三量子密钥分发通道Ch3到达第二用户端Bob。

从第三量子密钥分发通道Ch3输入的双脉冲序列信号光首先输入到第一路径选择模块1的端口12，从第一路径选择模块1的端口13输出，到达第一分束器BS1，第一分束器输出两束光，其中一束双脉冲序列信号光与第一光电探测器PD1相连，用于第一用户端Alice内第一幅度调制器AM1的触发同步；另一束双脉冲序列信号光输入到第一可调光衰减器VOA1、第一幅度调制器AM1后到达第一法拉第反射镜FM1(此时AM1不工作)，经过第一法拉第反射镜FM1反射后再次经过第一幅度调制器AM1，此时AM1随机选择双脉冲序列信号光前后两个脉冲的通过情况，即随机制备了{|0_z>，|0_x>，|1_z>}三种量子态的一种；经过量子态制备的双脉冲序列信号光再次经过VOA1,VOA1将信号衰减到单光子级别后经过BS1到达第一路径选择模块1的端口13，从第一路径选择模块1的端口11输出到第一量子密钥分发通道Ch1，到达公共测量端Charlie。

在第二用户端Bob，第一量子密钥分发通道Ch1、第三量子密钥分发通道Ch3都有双脉冲序列信号光输入。从第二量子密钥分发通道Ch2输入双脉冲序列信号光首先输入到第二路径选择模块2的端口21的端口21，从第二路径选择模块2的端口22输出，经过第三量子密钥分发通道Ch3到达第一用户端Alice。

从第三量子密钥分发通道Ch3输入的双脉冲序列信号光首先输入到第二路径选择模块2的端口22，从第二路径选择模块2的端口23输出，到达第二分束器BS2，第二分束器输出两束光，其中一束双脉冲序列信号光与第二光电探测器PD2相连，用于第二用户端Bob内第二幅度调制器AM2的触发同步；另一束双脉冲序列信号光输入到第二可调光衰减器VOA2、第二幅度调制器AM2后到达第二法拉第反射镜FM2(此时AM2不工作)，经过第二法拉第反射镜FM2反射后再次经过第二幅度调制器AM2，此时AM2随机选择双脉冲序列信号光前后两个脉冲的通过情况，即随机制备了{|0_z>，|0_x>，|1_z>}三种量子态的一种；经过量子态制备的双脉冲序列信号光再次经过VOA2,VOA2将信号衰减到单光子级别后经过BS2到达第二路径选择模块2的端口23，从第二路径选择模块2的端口21输出到第一量子通信Ch2，到达公共测量端Charlie。

5)公共测量端Charlie进行贝尔态测量。来自第一量子密钥分发通道Ch1和第二量子密钥分发通道Ch2的经过量子态制备的双脉冲序列信号光同时到达第三分束模块BS3，进行双光子干涉，干涉的结果输入第一单光子探测器SPD1或经过第一环形器输入到第二单光子探测器SPD2，如果第一单光子探测器SPD1、第二单光子探测器SPD2两个探测器都有响应，且在同一个时间周期，且一个探测是在时间位置0，一个探测是在时间位置1(位置0和位置1的时间差对应双脉冲序列信号光的前后脉冲的时间间隔)，则认为此时为一个合法的贝尔态。

6)公共测量端Charlie公布贝尔态测量结果，第一用户端Alice和第二用户端Bob根据测量结果，选择了他们使用了同样基的情况，同时第一用户端Alice和第二用户端Bob其中的一方需要进行比特翻转，得到原始量子密钥。

7)第一用户端Alice和第二用户端Bob其中的一方需要统计实际成码率并按三态协议进行最小安全码率估算，当实际成码率高于最小安全码率时，认为原始量子密钥是安全的，并保留，否则丢弃。

8)对保留下的原始量子密钥(即经过步骤6)经过误码协商和隐私放大获得安全密钥(即最终量子密钥)。

本实施例在第一用户端Alice和第二用户端Bob内设置第一路径选择模块1、第二路径选择模块2，经过量子密钥分发通道Ch1的双脉冲序列信号光首先到达第一用户端Alice内部的第二路径选择模块1，然后经过量子密钥分发通道Ch3到达第二用户端Bob，在第二用户端Bob端反射后经过量子密钥分发通道CH2，返回到Charile，所走的路径为Ch1-Ch3-第二用户端Bob内部反射-Ch2；经过量子密钥分发通道Ch2的双脉冲序列信号光首先到达第二用户端Bob的第二路径选择模块2，然后经过量子密钥分发通道Ch3到达第一用户端Alice，在第一用户端Alice端反射后经过量子密钥分发通道CH1，返回到Charile，所走的路径为Ch2-Ch3-第一用户端Alice内部反射-Ch1。

因此，两束干涉的光所走的路径仅在第一用户端Alice端反射、第二用户端Bob端反射存在路径区别，而这部分路径是精确可控的，因此克服了由于Ch1、Ch2距离不同导致时间难以同步的问题，而且不需要时间反馈装置，简化系统。

Charile采用光注入半导体激光器结构的相位调制光源，所产生的双脉冲序列信号光前后脉冲相位差一致，当假设相位变化是缓变时，可以认为到达第一用户端Alice和第二用户端Bob时双脉冲序列信号光前后脉冲相位差仍然保持一致，此时第一用户端Alice和第二用户端Bob只要控制幅度调制器让双脉冲信号的前后脉冲都通过，即可认为就是x基矢下的编码，而无需使用相位调制器，也无需相位反馈装置。

由于本实施例采用了一个激光器，因此双光子干涉时不存在波长(频率)锁定问题，系统无需采用波长反馈装置，同时由于PP结构的测量设备无关量子密钥分发系统的偏振自补偿特性，系统也无需偏振反馈装置。

如图6所示，在实施例二中的第一四端口环形器Cir1可以用两个三端口环形器代替，分别为第二环形器Cir2、第三环形器Cir3。

脉冲产生激光器LD1、相位制备激光器LD2、第三环形器Cir3组成光注入半导体激光器结构的相位调制光源，相位调制光源产生的双脉冲序列信号光从第三环形器Cir3的第三端口c输出到第二环形器Cir2的第一端口a，然后从第二环形器Cir2的第二端口b输入到第三分束器BS3的第一端口e。

第二环形器Cir2用于贝尔态测量，由Alice和Bob反射的信号经过Charlie内部的第三分束器BS3干涉后，当干涉信号从BS3的第一端口e输出时，可以经过第二环形器Cir2的端口b到达第二单光子探测器SPD2。

需要强调的是：以上仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种PP结构的测量设备无关量子密钥分发系统，包括第一用户端(Alice)，第二用户端(Bob)，具有实现产生双脉冲序列信号光、贝尔态测量功能的公共测量端(Charlie)，以及连接在第一用户端(Alice)和公共测量端(Charlie)之间的第一量子密钥分发通道(Ch1)，连接在第二用户端(Bob)和公共测量端(Charlie)之间的第二量子密钥分发通道(Ch2)；其特征在于，还包括连接在第一用户端(Alice)和第二用户端(Bob)之间的第三量子密钥分发通道(Ch3)；

在第一用户端(Alice)内设置具有实现反射光信号、量子态编码功能的第一用户端(Alice)编码模块和第一路径选择模块(1)，在第二用户端(Bob)内设置具有实现反射光信号、量子态编码功能的第二用户端(Bob)编码模块和第二路径选择模块(2)，第一用户端(Alice)内的第一路径选择模块(1)和第二用户端(Bob)内的第二路径选择模块(2)通过第三量子密钥分发通道(Ch3)相连。

2.根据权利要求1中所述的一种PP结构的测量设备无关量子密钥分发系统，其特征在于，在第一路径选择模块(1)内设置有三个三端口环形器，分别是第一环形器Ⅰ(Cir11)、第二环形器Ⅰ(Cir12)、第三环形器Ⅰ(Cir13)，第一环形器Ⅰ(Cir11)的第一端口(a)与第二环形器Ⅰ(Cir12)的第三端口(c)相连，第一环形器Ⅰ(Cir11)的第三端口(c)与第三环形器Ⅰ(Cir13)的第一端口(a)相连，第二环形器Ⅰ(Cir12)的第一端口(a)与第三环形器Ⅰ(Cir13)的第三端口(c)相连。

3.根据权利要求1或2中所述的一种PP结构的测量设备无关量子密钥分发系统，其特征在于，在第一用户端(Alice)内的第一用户端(Alice)编码模块设置有第一分束器(BS1)、第一可调光衰减器(VOA1)、第一探测器(PD1)、第一幅度调制器(AM1)、第一反射镜(FM1)；

第一探测器(PD1)和第一可调光衰减器(VOA1)分别与第一分束器(BS1)相连，第一分束器(BS1)与第一路径选择模块(1)相连，第一反射镜(FM1)通过第一幅度调制器(AM1)与第一可调光衰减器(VOA1)相连。

4.根据权利要求1中所述的一种PP结构的测量设备无关量子密钥分发系统，其特征在于，在第二路径选择模块(2)内设置有三个三端口环形器，分别是第一环形器Ⅱ(Cir21)、第二环形器Ⅱ(Cir22)、第三环形器Ⅱ(Cir23)；第一环形器Ⅱ(CIR21)的第一端口(a)与第二环形器Ⅱ(CIR22)的第三端口(c)相连，第一环形器Ⅱ(CIR21)的第三端口(c)与第三环形器Ⅱ(CIR23)的第一端口(a)相连，第二环形器Ⅱ(CIR22)的第一端口(a)与第三环形器Ⅱ(CIR23)的第三端口(c)相连。

5.根据权利要求1或4中所述的一种PP结构的测量设备无关量子密钥分发系统，其特征在于，在第二用户端(Bob)内还设置有第二分束器(BS2)、第二可调光衰减器(VOA2)、第二探测器(PD2)、第二幅度调制器(AM2)、第二反射镜(FM2)；第二探测器(PD2)和第二可调光衰减器(VOA2)分别与第二分束器(BS2)相连，第二分束器(BS2)与第二路径选择模块(2)相连，第二反射镜(FM2)通过第二幅度调制器(AM2)与第二可调光衰减器(VOA2)相连。

6.根据权利要求1中所述的一种PP结构的测量设备无关量子密钥分发系统，其特征在于，公共测量端(Charlie)内设置有用于输出双脉冲序列信号光的相位调制光源、以及用于测量经第一用户端(Alice)和第二用户端(Bob)反射到公共测量端(Charlie)的光信号的贝尔态测量装置。

7.根据权利要求6中所述的一种PP结构的测量设备无关量子密钥分发系统，其特征在于，相位调制光源和贝尔态测量装置共用第一环形器(Cir1)，第一环形器(Cir1)为四端口光环形器，四个端口分别为沿光路依次为第一端口(a)，第二端口(b),第三端口(c)和第四端口(d)，第一环形器(Cir1)光的传输方向为从第一端口(a)到第二端口(b)、从第二端口(b)到第三端口(c)、从第三端口(c)到第四端口(d)。

8.根据权利要求7中所述的一种PP结构的测量设备无关量子密钥分发系统，其特征在于，相位调制光源还包括脉冲产生激光器(LD1)和相位制备激光器(LD2)，脉冲产生激光器(LD1)与第一环形器(Cir1)的第一端口(a)相连，相位制备激光器(LD2)与第一环形器(Cir1)的第二端口(b)相连；相位制备激光器(LD2)分别与第一环形器(Cir1)第一端口(a)和第二端口(b)相连。

9.根据权利要求7中所述的一种PP结构的测量设备无关量子密钥分发系统，其特征在于，所述贝尔态测量装置还包括第三分束模块(BS3)、第一环形器(Cir1)、第一单光子探测器(SPD1)、第二单光子探测器(SPD2)；

第三分束模块(BS3)为2×2分束器，具有四个端口，分别为第一端口(e)，第二端口(f),第三端口(g)和第四端口(h)；

第三分束模块(BS3)能够实现经过第一用户端(Alice)和第二用户端(Bob)反射回的公共测量端(Charlie)的光信号的双光子干涉，其干涉结果由第一单光子探测器(SPD1)探测到或经过第一环形器(Cir1)由第二单光子探测器(SPD2)探测到。

10.根据权利要求6中所述的一种PP结构的测量设备无关量子密钥分发系统，其特征在于，公共测量端内设置两个三端口环形器，分别为第二环形器(Cir2)和第三环形器(Cir3)；

脉冲产生激光器(LD1)、相位制备激光器(LD2)、第三环形器(Cir3)组成光注入半导体激光器结构的相位调制光源，相位调制光源产生的双脉冲序列信号光从第三环形器(Cir3)的第三端口(c)输出到第二环形器(Cir2)的第一端口(a)，然后从第二环形器(Cir2)的第二端口(b)输入到第三分束器(BS3)的第一端口(e)；

第二环形器(Cir2)用于贝尔态测量，由第一用户端(Alice)和第二用户端(Bob)反射的信号经过公共测量端(Charlie)内部的第三分束器(BS3)干涉后，当干涉信号从第三分束器(BS3)的第一端口(e)输出时，经过第二环形器(Cir2)的第二端口(b)到达第二单光子探测器(SPD2)。