CN206506541U

CN206506541U - 一种相位调制偏振编码的高速量子密钥分发系统

Info

Publication number: CN206506541U
Application number: CN201621394462.7U
Authority: CN
Inventors: 曾和平; 梁焰; 刘格平
Original assignee: Shanghai Langyan Optoelectronics Technology Co Ltd
Current assignee: Chongqing Huapu Intelligent Equipment Co Ltd
Priority date: 2017-06-19
Filing date: 2017-06-19
Publication date: 2017-09-19
Anticipated expiration: 2027-06-19

Abstract

本实用新型提供了一种相位调制偏振编码的高速量子密钥分发系统，包括量子通信发送端，量子通信接收端，所述量子通信发送端包括发送方FPGA芯片、激光器、强度调制器、第一偏振分束器、环形器、Sagnac环单光子偏振调制器、衰减器、时钟信号、1570nm激光器、波分复用器，所述发送方FPGA芯片信号连接所述激光器、强度调制器、时钟信号，所述激光器、强度调制器、第一偏振分束器、环形器、Sagnac环单光子偏振调制器；本实用新型改进了传的量子通信发送端，采用单一的激光光源，减小了各激光器的差异性引入的噪声以及抖动，减少了发送端的器件个数，简化了光路的复杂程度，减小了时钟抖动带来的误码率，改善了以往冗余的光路结构，简化了系统，节约了成本。

Description

一种相位调制偏振编码的高速量子密钥分发系统

技术领域

本实用新型涉及量子保密通信领域，具体地，涉及一种相位调制偏振编码的高速量子密钥分发系统。

背景技术

人类通信系统的发展一直离不开“安全”这个字眼，无论是上世纪的摩尔斯电码、恩尼格玛密码，直到1977年提出的RSA公钥加密算法，都为信息安全应运而生。

而量子计算机系统被提出以来，RSA公认的安全性受到极大的威胁，传统的加密方式已经不足以确保信息在通信、处理过程中的安全。也因此，“一次一密”的量子密钥分发系统(QKD)也被提出。到现今为止，长距离、高速率的QKD系统不断被设计出来。量子密钥以其基于量子特性的“不确定性原理”以及“量子不可克隆原理”所引申的“绝对保密”性质，被军事、银行等各大保密行业持续关注。近年来，许多量子通信系统陆续被完成，其在通信的安全性上的保证毋庸置疑地得到证明，量子通信系统的研究也越来越火热，偏振编码和相位编码的QKD系统逐渐成为主要研究的方向。偏振编码的QKD系统工作过程如下：通过随机数的产生，来控制单光子源发出不同偏振状态的脉冲激光，再经过强度调制形成诱骗态。随即携带有量子信息的单光子脉冲，经过长距离光纤传输到达接收端，接收端通过随机的偏振基探测解调，还原出一定的随机数序列，并且通过经典信道告知发送方用于探测的随机的偏振基。发送方收到探测序列信息后，即通过经典信道告知接收方哪些位上的码是有效可靠的，之后，收发双方便筛选出相同的密码本。最后，双方公布部分的密码本以校验误码率以检测是否有监听和攻击存在，同时进行密钥的纠错成码。

随着量子通信系统的速率不断提升，量子通信的速率追赶传统光通信的脚步似乎越来越快。也正是因为通信速率的不断加快，在研究中，各种对于量子通信系统的速率以及成码率的限制也体现出来。包括偏振度的限制，传输光纤中的状态抖动，激光源的状态改变等等。其中，由于激光源不同而引入的激光状态的不同及其漂移，似乎成为固有不可消除的一种噪声，此外，由于应用不同激光器所引入的量子态的非正交性，对于绝对安全的破坏，也不容忽视。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本实用新型的目的是提供一种相位调制偏振编码的高速量子密钥分发系统，其改进了传统的由四个激光光源组成的量子通信发送端，采用单一的激光光源，随机信号不再用来触发激光器产生光脉冲，而是触发调制器调制不同的偏振态，减小了各激光器的差异性引入的噪声以及抖动，减少了发送端的器件个数，简化了光路的复杂程度，利用单光纤传输量子信号和时钟，减小了时钟抖动带来的误码率，改善了以往冗余的光路结构，简化了系统，节约了成本。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了如下的技术方案：

本实用新型一种相位调制偏振编码的高速量子密钥分发系统，包括量子通信发送端，量子通信接收端，所述量子通信发送端包括发送方FPGA芯片、激光器、强度调制器、第一偏振分束器、环形器、Sagnac环单光子偏振调制器、衰减器、时钟信号、1570nm激光器、波分复用器，所述发送方FPGA芯片信号连接所述激光器、强度调制器、时钟信号，所述激光器、强度调制器、第一偏振分束器、环形器、Sagnac环单光子偏振调制器、衰减器依次顺序电性连接，所述时钟信号信号连接所述1570nm激光器，所述1570nm激光器、衰减器电性连接所述波分复用器，所述量子通信接收端包括接收方FPGA芯片、第一单光电子探测器、第二单光电子探测器、第三单光电子探测器、第四单光电子探测器、第三偏振分束器、第四偏振分束器、第一电偏振控制器、第二电偏振控制器、耦合器、解波分复用器，所述接收方FPGA芯片信号连接所述第一单光电子探测器、第二单光电子探测器、第三单光电子探测器、第四单光电子探测器、第一电偏振控制器、第二电偏振控制器、解波分复用器，所述第一单光电子探测器、第二单光电子探测器电性连接所述第三偏振分束器，所述第三单光电子探测器、第四单光电子探测器电性连接所述第四偏振分束器，所述第三偏振分束器、第四偏振分束器分别对应电性连接所述第一电偏振控制器、第二电偏振控制器，所述第一电偏振控制器、第二电偏振控制器电性连接所述耦合器，所述耦合器电性连接所述解波分复用器，所述解波分复用器电性连接所述波分复用器。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述Sagnac环单光子偏振调制器包括：随机调制信号、相位调制器、法拉第旋转器、第二偏振分束器。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述Sagnac环单光子偏振调制器在环中利用FPGA产生GHz高速的随机数序列，并且由随机数序列触发调制相位调制器和强度调制器。

作为本实用新型的一种优选技术方案，相位调制偏振编码的高速量子密钥分发系统以光纤耦合器做随机选择。

作为本实用新型的一种优选技术方案，相位调制偏振编码的高速量子密钥分发系统利用WDM将1550nm和1570nm的光复用以及解复用，之后再通过滤波器进一步消除1570nm光对于量子信道的干扰。

本发明具有如下的有益效果：本发明改进了传统的由四个激光光源组成的量子通信发送端，采用单一的激光光源，随机信号不再用来触发激光器产生光脉冲，而是触发调制器调制不同的偏振态，减小了各激光器的差异性引入的噪声以及抖动，减少了发送端的器件个数，简化了光路的复杂程度，利用单光纤传输量子信号和时钟，减小了时钟抖动带来的误码率，改善了以往冗余的光路结构，简化了系统，节约了成本。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1为为本实用新型的实施实例的简化图；

图2为本实用新型的Sagnac环单光子偏振调制器的原理示意图。

图3为本实用新型的Sagnac环单光子偏振调制器的工作过程示意图。

图中：1、量子通信发送端；2、量子通信接收端；10、发送方FPGA芯片；11、激光器；12、强度调制器；13、第一偏振分束器；14、环形器；15、Sagnac环单光子偏振调制器；16、衰减器；17、时钟信号；18、1570nm激光器；19、波分复用器；20、接收方FPGA芯片；21、第一单光电子探测器；22、第二单光电子探测器；23、第三单光电子探测器；24、第四单光电子探测器；25、第三偏振分束器；26、第四偏振分束器；27、第一电偏振控制器；28、第二电偏振控制器；29、耦合器；210、解波分复用器；150、随机调制信号；151、相位调制器；152、法拉第旋转器；153、第二偏振分束器；30、随机数序列。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本实用新型的保护范围。

如图1-3所示，本实用新型提供一种相位调制偏振编码的高速量子密钥分发系统，包括量子通信发送端1，量子通信接收端2，量子通信发送端1包括发送方FPGA芯片10，用于产生随机数，并且记录这些产生的随机数，用于驱动强度调制器、相位调制器、激光器11，用于作为光源、强度调制器12，用于接收FPGA发送的随机数信号，产生不同的调至强度，形成诱骗态、第一偏振分束器13，用于将激光脉冲进行分束、环形器14，用于将进入其任一端口的激光，按照由静偏磁场确定的方向顺序传入下一个端口、Sagnac环单光子偏振调制器15，用于对单光子序列进行偏振编码及诱骗态调制、衰减器16、时钟信号17，用于实现收发双方的时钟保持一致、1570nm激光器18，用于提供稳定的光源，使得时钟信号和量子信号在同一根光纤之中传输、波分复用器19，用于实现多个单向信号或双向信号的传送而不用对原系统作大改动，发送方FPGA芯片10信号连接激光器11、强度调制器12、时钟信号17，激光器11、强度调制器12、第一偏振分束器13、环形器14、Sagnac环单光子偏振调制器15、衰减器16依次顺序电性连接，时钟信号17信号连接1570nm激光器18，1570nm激光器18、衰减器16电性连接波分复用器19，量子通信接收端2包括接收方FPGA芯片20，用于探测接收脉冲信号，并精细计数储存、第一单光电子探测器21、第二单光电子探测器22、第三单光电子探测器23、第四单光电子探测器24，都用于探测接收到的单光子，同时在收发双方以FPGA为核心，进行数据的分析采样，时钟的校验对齐，以及密钥的准确生成、第三偏振分束器25、第四偏振分束器26，均用于作为检偏器，探测传输到接收端的单光子信号的偏振状态、第一电偏振控制器27、第二电偏振控制器28，用于作为起偏器，调节偏振状态、耦合器29，用于随机选择单光子的探测通道、解波分复用器210，用于将信号和时钟分开，接收方FPGA芯片20信号连接第一单光电子探测器21、第二单光电子探测器22、第三单光电子探测器23、第四单光电子探测器24、第一电偏振控制器27、第二电偏振控制器28、解波分复用器210，第一单光电子探测器21、第二单光电子探测器22电性连接第三偏振分束器25，第三单光电子探测器23、第四单光电子探测器24电性连接第四偏振分束器26，第三偏振分束器25、第四偏振分束器26分别对应电性连接第一电偏振控制器27、第二电偏振控制器28，第一电偏振控制器27、第二电偏振控制器28电性连接耦合器29，耦合器29电性连接解波分复用器210，解波分复用器210电性连接波分复用器19。

Sagnac环单光子偏振调制器15包括：随机调制信号150，用于使电路板上所输出的电压合路、相位调制器151，用于调至产生四种偏振态和包含三种诱骗态的单光子、法拉第旋转器152，用于通过改变周围磁场的方向改变旋转角度、第二偏振分束器153，用于将激光脉冲进行分束。

Sagnac环单光子偏振调制器15在环中利用FPGA产生GHz高速的随机数序列30，并且由随机数序列30触发调制相位调制器151和强度调制器，能够产生四种偏振态以及三种不同的脉冲能量，以得到安全稳定传输的携带量子信息的单光子态。

相位调制偏振编码的高速量子密钥分发系统以光纤耦合器做随机选择，保证了量子通信中探测的随机性。

相位调制偏振编码的高速量子密钥分发系统利用WDM将1550nm和1570nm的光复用以及解复用，之后再通过滤波器进一步消除1570nm光对于量子信道的干扰，实现一根光纤，两种信号的传输。

相位调制偏振编码的高速量子密钥分发系统在发送方通过对弱相干单光子源进行偏振编码和诱骗态调制，实现了对单光子的信息加载和安全加密；在接收端，通过偏振调制器恢复出单光子的偏振态；最后利用自制的高速单光子探测器，探测接收到的单光子，同时在收发双方以FPGA为核心，进行数据的分析采样，时钟的校验对齐，以及密钥的准确生成。

综上所述，本实用新型改进了传统的由四个激光光源组成的量子通信发送端，采用单一的激光光源，随机信号不再用来触发激光器产生光脉冲，而是触发调制器调制不同的偏振态，减小了各激光器的差异性引入的噪声以及抖动，减少了发送端的器件个数，简化了光路的复杂程度，利用单光纤传输量子信号和时钟，减小了时钟抖动带来的误码率，改善了以往冗余的光路结构，简化了系统，节约了成本。

以上对本实用新型的具体实施例进行了描述,需要理解的是，本实用新型并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本实用新型的实质内容。

Claims

1.一种相位调制偏振编码的高速量子密钥分发系统，包括量子通信发送端（1），量子通信接收端（2），其特征在于：所述量子通信发送端（1）包括发送方FPGA芯片（10）、激光器（11）、强度调制器（12）、第一偏振分束器（13）、环形器（14）、Sagnac环单光子偏振调制器（15）、衰减器（16）、时钟信号（17）、1570nm激光器（18）、波分复用器（19），所述发送方FPGA芯片（10）信号连接所述激光器（11）、强度调制器（12）、时钟信号（17），所述激光器（11）、强度调制器（12）、第一偏振分束器（13）、环形器（14）、Sagnac环单光子偏振调制器（15）、衰减器（16）依次顺序电性连接，所述时钟信号（17）信号连接所述1570nm激光器（18），所述1570nm激光器（18）、衰减器（16）电性连接所述波分复用器（19），所述量子通信接收端（2）包括接收方FPGA芯片（20）、第一单光电子探测器（21）、第二单光电子探测器（22）、第三单光电子探测器（23）、第四单光电子探测器（24）、第三偏振分束器（25）、第四偏振分束器（26）、第一电偏振控制器（27）、第二电偏振控制器（28）、耦合器（29）、解波分复用器（210），所述接收方FPGA芯片（20）信号连接所述第一单光电子探测器（21）、第二单光电子探测器（22）、第三单光电子探测器（23）、第四单光电子探测器（24）、第一电偏振控制器（27）、第二电偏振控制器（28）、解波分复用器（210），所述第一单光电子探测器（21）、第二单光电子探测器（22）电性连接所述第三偏振分束器（25），所述第三单光电子探测器（23）、第四单光电子探测器（24）电性连接所述第四偏振分束器（26），所述第三偏振分束器（25）、第四偏振分束器（26）分别对应电性连接所述第一电偏振控制器（27）、第二电偏振控制器（28），所述第一电偏振控制器（27）、第二电偏振控制器（28）电性连接所述耦合器（29），所述耦合器（29）电性连接所述解波分复用器（210），所述解波分复用器（210）电性连接所述波分复用器（19）。

2.根据权利要求1所述的相位调制偏振编码的高速量子密钥分发系统，其特征在于，所述Sagnac环单光子偏振调制器（15）包括：随机调制信号（150）、相位调制器（151）、法拉第旋转器（152）、第二偏振分束器（153）。

3.根据权利要求1所述的相位调制偏振编码的高速量子密钥分发系统，其特征在于，所述Sagnac环单光子偏振调制器（15）在环中利用FPGA产生GHz高速的随机数序列（30），并且由随机数序列（30）触发调制相位调制器（151）和强度调制器。

4.根据权利要求1所述的相位调制偏振编码的高速量子密钥分发系统，其特征在于，相位调制偏振编码的高速量子密钥分发系统以光纤耦合器做随机选择。

5.根据权利要求1所述的相位调制偏振编码的高速量子密钥分发系统，其特征在于，相位调制偏振编码的高速量子密钥分发系统利用WDM将1550nm和1570nm的光复用以及解复用，之后再通过滤波器进一步消除1570nm光对于量子信道的干扰。