CN206596004U - 一种相位偏振多自由度调制qkd网络系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种相位偏振多自由度调制量子密钥分发(QKD)网络系统，包括Alice发送端、波分复用(WDM)单元和多用户Bob端，Alice端通过波分复用单元与多用户Bob端连接，所述Alice端包括多波长激光产生装置、衰减器、第一偏振分束器、第一合束器、相位调制器、第一、第二偏振控制器；所述波分复用单元包括波长选择装置；所述多用户Bob端包括接收不同波段的若干单元Bob用户端，所述单元Bob用户端均包括第二、第三和第四偏振控制器、第三、第四偏振分束器、第二、第三合束器、第一至第四光子探测器。本实用新型采用的QKD网络系统，能够实现一对多的量子密钥共享，有效地扩大了信息传递容量，适用于相位偏振多自由度调制QKD方案及其它QKD方案。

Description

一种相位偏振多自由度调制QKD网络系统

技术领域

本实用新型涉及通信领域中的量子保密通信以及光纤通信技术领域，具体是相位偏振多自由度调制QKD网络系统。

背景技术

目前，量子信号调制普遍采用偏振、相位、频率、强度等单一自由度调制。光信号的偏振调制是指通过调节光的偏振方向实现对信息的加载。通常采用光子的两个线偏振态进行编码，由于光的偏振态在传输过程中易受光纤中的应力双折射和偏振模色散等因素的影响以及环境的干扰，一般需要进行偏振补偿或者其他能够确保偏振稳定的方法。相位调制是指利用光的相位来编码信息。量子通信的相位调制原理上主要是基于Mach-Zehnder干涉仪，核心器件是相位调制器。最早提出的相位调制方案是基于单个等臂M-Z干涉仪。由于受环境影响，两臂的臂长差会不稳定，相位差也就会产生漂移，干涉效果就会受到严重影响，尤其对于较长距离的传输，干涉效果更差。后来，人们提出了双不等臂M-Z干涉系统，光纤重合部分上的时间扰动对两个脉冲的影响相同，干涉稳定性有了很大的提高。然而，即使使用双不等臂M-Z干涉仪，臂长的微小变化也会引起干涉对比度下降。

M-Z干涉仪QKD系统一般采用的是BB84协议、B92协议，系统的安全性基于Eve不能确切知道合法通信方对信息进行的编码和探测时使用的基。另一方面，采用BB84协议、B92协议的系统，在最终形成密码时，要进行编码基与测量基的比对，因此协议效率不高，成码率低，尚不能满足实际应用需求。差分相位编码继承了相位编码方案编码速度快、抗干扰能力强和极限传输距离远的优点，适合实现于光纤线路中，对码生成效率有很大的提高。差分相位编码利用前后两个脉冲差携带信息，脉冲在光纤中会经历相同的相位和偏振变化，对光纤中的各种干扰不敏感，从而提高了系统的稳定性。

2006年唐志列等人发表的《位相调制偏振态的量子编码器和解码器及其应用》提出了一种新的相位调制偏振编码的量子密钥分发方法，虽然具有较高的稳定性，但其进行的六态量子编码器和解码器的量子保密通信光子利用率较低。2014年12月王金东等人发表的《相位调制偏振编码的四态量子编码器和解码器及量子密钥分发系统》，通过相位调制器调制某一线偏振光的相位从而达到改变两线偏光相位差，最后实现偏振编码，也只是利用偏振这一单自由度作为信息载体进行的量子传输。而轨道角动量具有多自由度，能够实现高维量子信息的编码。但轨道角动量多自由度调制主要应用于量子自由空间通信、经典多通道高速通信。

基于上述现有技术的现状，有待开发一种相位偏振多自由度调制QKD网络系统，实现一对多的通信。且各用户相对独立，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，从而实现量子密钥分发网络系统安全、稳定、高效的传输。

实用新型内容

本实用新型目的是克服现有技术的不足，提出一种相位偏振多自由度调制QKD网络系统。该相位偏振多自由度调制QKD网络系统，通过单光源多波长激光器产生的多波长脉冲作为多用户信息传输载体，将各个波长脉冲发送到不同的合法用户，实现一对多的通信。且各用户相对独立，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。从而实现量子密钥分发网络系统安全、稳定、高效的传输。另外，该相位偏振多自由度调制的多用户量子密钥分发网络系统采用一种新的量子信息编码方式，即采用差分相位编码同时偏振编码的方式，能有效减少因外界条件不稳定带来的误码率，提高系统的安全性和稳定性，并且将光子利用率由原来的0.5提高到2。改进了现有的差分相位与偏振编码复合QKD方案，提高了量子密钥生成率，缩短了每次通信时隙等待时间。

该系统将单光源多波长激光器、衰减器、偏振分束器、合束器、相位调制器、偏振控制器作为多用户信息传输的载体。其中经过上下两臂前后脉冲具有的相位差加载一个信息比特，同时脉冲偏振态加载另一个信息比特。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，进行相应的偏振解调和相位解调。各用户相对独立，保证单用户的密钥生成率稳定。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种相位偏振多自由度调制QKD网络系统，包括Alice控制端、波分复用单元和多用户Bob端，Alice端通过波分复用单元与多用户Bob端连接，

所述Alice端包括多波长激光产生装置、衰减器、第一偏振分束器、第一合束器、相位调制器、第一偏振控制器和第二偏振控制器；

所述波分复用单元包括波长选择装置；

所述多用户Bob端包括接收不同波长的若干单元Bob用户端，所述单元Bob用户端均包括第二偏振分束器、第三偏振控制器、第四偏振控制器、第三偏振分束器、第四偏振分束器、第二合束器、第三合束器、第一光子探测器、第二光子探测器、第三光子探测器和第四光子探测器；

所述多波长激光产生装置产生具有多个波长的脉冲串，然后经所述衰减器衰减为单光子脉冲，单光子脉冲经过所述第一偏振分束器分成垂直偏振和水平偏振脉冲，所述垂直偏振和水平偏振脉冲分别通过上臂路径和下臂路径进入到所述第一合束器合束；再经过所述相位调制器对脉冲随机调制kπ(k＝0，1)相位分别到达第一偏振控制器和第二偏振控制器进行脉冲偏振旋转，最后两脉冲以相同的偏振态进入Bob端；

具有相同偏振的多波长激光脉冲传输到波长路由装置，根据波长寻址的方式选择相应波长的单元Bob用户端，经过所述单元Bob用户端的第二偏振分束器，进行偏振解调，当偏振比特为“0”时，选择水平偏振脉冲经过所述第三偏振控制器；当偏振比特为“1”时，选择垂直偏振脉冲经过所述第四偏振控制器；

从第三偏振控制器输出后，经过所述第三偏振分束器形成上臂路径和下臂路径两条路径：其中上臂路径：前脉冲经过延时到达所述第二合束器；下臂路径：后脉冲直接到达所述第二合束器，上臂路径和下臂路径的两束光在所述第二合束器处发生干涉，然后根据随机调制的相位差所述第一光子探测器和第二光子探测器做出识别响应；

从第四偏振控制器输出后，经过所述第四偏振分束器形成上臂路径和下臂路径两条路径：其中上臂路径：前脉冲经过延时到达所述第三合束器；下臂路径：后脉冲直接到达所述第三合束器，上臂路径和下臂路径的两束光在所述第三合束器处发生干涉，然后根据随机调制的相位差所述第三光子探测器和第四光子探测器做出识别响应。

优选地，所述上臂路径比下臂路径多了一个T的延时。

优选地，所述第一偏振控制器将脉冲偏振旋转所述第二偏振控制器将脉冲偏振旋转其中n的取值分别为“0”或“1”。

优选地，所述波长路由装置为波分复用器、阵列波导光栅、布拉格光栅或者波长选择开关。

优选地，所述的多波长激光产生装置包括多波长脉冲激光器和波长选择器，所述多波长脉冲激光器产生满足多个单元Bob用户端同时通信的相干多波长脉冲激光，然后通过所述波长选择器进行选择，使相应波长的单元Bob用户端选择相应波长的脉冲激光。

优选地，所述波长选择器采用二级等差频率间隔的方式选择波长。

优选地，所述第一光子探测器、第二光子探测器、第三光子探测器和第四光子探测器依据脉冲的相位差做出响应为：当两个连续脉冲的相位差为0时，所述第一光子探测器响应，测量结果为“00”，第二光子探测器响应，测量结果“01”；当两个连续脉冲的相位差为π时，所述第三光子探测器响应，测量结果为“10”，第四光子探测器响应，测量结果为“11”。

优选地，所述单元Bob用户端为Bobn，其中n为非零自然数。

本实用新型的有益效果：1.本实用新型采用相位偏振多自由度调制QKD网络系统及密钥分发方法，能够实现一对多的量子密钥共享，有效地扩大了信息传递容量，适用于相位偏振多自由度调制QKD方案及其它QKD方案。

2.本实用新型采用相位和偏振联合调制方法，通过传递一个光子来实现传递两个信息比特，光子利用率由0.5提高到2；与现有方案相比，本方案减少了器件使用，简化结构，并提高了信息的连续性、有效性和密钥生成率。

3.本实用新型采用4个电子探测器每次通信在8个时隙等待测量，相比于现有方案每次通信在12个时隙等待测量，由探测器暗计数引起的误码率减小了33.3％，使系统更加高效稳定。本实用新型采用经典DPS量子密钥分发方式，通过编码间隔为T(即延时T，T为皮秒量级)的两支路相干脉冲的相位差，使每个相位差作为一个相位编码，可有效抵御分光子攻击和序列攻击，降低窃听者Eve的效率。

附图说明

图1为本实用新型的波分复用单元与多用户Bob端的结构框图；

图2为本实用新型的Alice端相位调制、偏振调制结构框图；

图3为本实用新型的Bob端偏振解调、相位解调结构框图；

图4为本实用新型的工作原理框图；

图中各部件名称对应标号：公共光纤-101，波长路由装置-102，专用光纤-103、104、 105；

多波长激光器-201、衰减器-202、第一偏振分束器-203、第一合束器-204、相位调制器-205、第一偏振控制器-206，第二偏振控制器-207；

第二偏振分束器-301、第三偏振控制器-302、第四偏振控制器-307、第三偏振分束器 -303、第四偏振分束器-308、第二合束器-304、第三合束器-309、第一光子探测器-305、第二光子探测器-306、第三光子探测器-310，第四光子探测器-311。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

下面结合附图和实施例对本实用新型的技术方案做进一步的说明。

本实用新型是一种点对多点的组网方式，特别地可以进一步延伸到多点对多点的方式。所描述的实施例只是本实用新型一对多方式中的一种，显然地，它可以较易地扩展到更多应用，一个较具代表性的波分复用量子密钥分发网络示意图如图1所示。

如图1-图4所示，一种相位偏振多自由度调制QKD网络系统，包括Alice控制端、波分复用单元和多用户Bob端，Alice端通过波分复用单元与多用户Bob端连接，

所述Alice端包括多波长激光产生装置201、衰减器202、第一偏振分束器203、第一合束器204、相位调制器205、第一偏振控制器206和第二偏振控制器207；

所述波分复用单元包括波长选择装置；

所述多用户Bob端包括接收不同波段的若干单元Bob用户端，所述单元Bob用户端均包括第二偏振分束器301、第三偏振控制器302、第四偏振控制器307、第三偏振分束器303、第四偏振分束器308、第二合束器304、第三合束器309、第一光子探测器305、第二光子探测器306、第三光子探测器310和第四光子探测器311；

本系统的工作过程如下：

所述多波长激光产生装置产生具有多个波长的脉冲串，然后经所述衰减器202衰减为单光子脉冲，单光子脉冲经过所述第一偏振分束器203分成垂直偏振和水平偏振脉冲，所述垂直偏振和水平偏振脉冲分别通过上臂路径和下臂路径进入到所述第一合束器204合束；再经过所述相位调制器205对脉冲随机调制kπ(k＝0，1)相位分别到达第一偏振控制器206和第二偏振控制器207进行脉冲偏振旋转，最后两脉冲以相同的偏振态进入Bob端；

具有相同偏振的多波长激光脉冲传输到波长路由装置102，根据波长寻址的方式选择相应波长的单元Bob用户端，经过所述单元Bob用户端的第二偏振分束器301，进行偏振解调，当偏振比特为“0”时，选择水平偏振脉冲经过所述第三偏振控制器302；当偏振比特为“1”时，选择垂直偏振脉冲经过所述第四偏振控制器307；

从第三偏振控制器输出后，经过所述第三偏振分束器303形成上臂路径和下臂路径两条路径：其中上臂路径：前脉冲经过延时到达所述第二合束器304；下臂路径：后脉冲直接到达所述第二合束器304，上臂路径和下臂路径的两束光在所述第二合束器304处发生干涉，然后根据随机调制的相位差所述第一光子探测器305和第二光子探测器306做出识别响应；

从第四偏振控制器307输出后，经过所述第四偏振分束器308形成上臂路径和下臂路径两条路径：其中上臂路径：前脉冲经过延时到达所述第三合束器309；下臂路径：后脉冲直接到达所述第三合束器309，上臂路径和下臂路径的两束光在所述第三合束器309处发生干涉，然后根据随机调制的相位差所述第三光子探测器310和第四光子探测器311做出识别响应。

下面结合附图和实施例对本实用新型的技术方案做进一步的说明。

本实用新型是一种点对多点的组网方式，特别地可以进一步延伸到多点对多点的方式。所描述的实施例只是本实用新型一对多方式中的一种，显然地，它可以较易地扩展到更多应用，一个较具代表性的波分复用量子密钥分发网络示意图如图1所示。

图1中，Alice端作为脉冲信号的发射方，拥有一个多波长光源，能够产生满足多个单元Bob用户端同时通信使用的不同波长的脉冲信号。每个单元Bob用户端可以分配到某一波长的信号，且其对脉冲波长具有较宽适用性，即在波长规划过程中调整各单元Bob用户端之间信号波长的分配后，各单元Bob用户端仍然可以正常工作。图1中公共光纤101为各用户共同使用，光纤103、104和105为每个用户的专用光纤，每个用户的专用光纤和共用光纤101之和定义为每个用户的距离。波长路由装置102用在控制端Alice和用户端Bob 之间，控制各波长脉冲信号的路径选择。

图2，本实用新型相位偏振多自由度调制QKD网络系统及方法Alice端的实施例示意图。该系统Alice端对单光子进行相位调制和偏振调制。

下面具体地描述调制过程:

偏振态为的45°泵浦光，衰减为单光子脉冲F(x，t)|π/4＞,其中为高斯脉冲。该单光子脉冲经过第一偏振分束器203 被分为两路脉冲，两路脉冲具有T的延时。当延时为T的两脉冲通过相位调制器PM(k 取值“0”或“1”)后，脉冲形式分别变为第一偏振控制器(PC1)206对延时脉冲偏振旋转此时脉冲为第二偏振控制器(PC2)207对短路脉冲偏振旋转此时脉冲为n取值“0”或“1”。

所述多波长激光器201产生具有多个波长(λ1、λ2、λ3……λn)的脉冲串，其中所产生的多波长脉冲激光偏振为45°，脉冲周期大于延时T，经衰减器202衰减为单光子脉冲；单光子脉冲经过第一偏振分束器203分成水平偏振和垂直偏振的脉冲，分别进入上臂途径和下臂途径，其中上臂途径比下臂途径脉冲经过T的延时。随后两脉冲通过相位调制器205，相位调制器205对两脉冲随机调制kπ的相位(k取0或者1)。当两个脉冲同时到达第一偏振控制器206和第二偏振控制器207时(即两偏振控制器间的间距产生T的延时)，第一偏振控制器206将脉冲偏振旋转第二偏振控制器207将脉冲偏振旋转其中 n的取值分别为“0”或“1”。此时，两脉冲以相同的偏振态经光纤传输进入多用户Bob端。

图3，本实用新型相位偏振多自由度调制QKD网络系统及方法Bob端的实施例示意图。以Bob1为例，对Bob1端进行偏振解调和相位解调。

下面具体地描述解调过程:

当n＝0时，两脉冲光经过第三偏振控制器PC3，脉冲形式变为 此时垂直偏振光经过延时T，变为脉冲与合束。

当时，第一光子探测器D1响应，此时对应密钥为“00”；

当时，第二光子探测器D2响应，此时对应密钥为“01”。

同理，n＝1时，若第三光子探测器D3响应，对应的密钥为“10”；若第四光子探测器响应，对应的密钥为“11”。

当n取“0”时，时间间隔为T的两个脉冲以水平偏振态经过第二偏振分束器301进入第三偏振控制器302；当n取“1”时，时间间隔为T的两个脉冲以垂直偏振态经过第二偏振分束器301进入偏振控制器307。第三偏振控制器302只将快轴脉冲偏振旋转变为垂直偏振；垂直偏振脉冲经过第三偏振分束器303反射，经过延时T进入第二合束器304；水平偏振脉冲经过第三偏振分束器303直接透射进入第二合束器304。第四偏振控制器307只将慢轴脉冲偏振旋转变为水平偏振；水平偏振脉冲经过第四偏振分束器308直接透射进入第三合束器309；垂直偏振脉冲经过第四偏振分束器308反射，经过延时T进入第三合束器309。在第二合束器304相遇的两个脉冲光发生干涉，依据随机调制的相位差0或π，第一光子探测器305或第二光子探测器306做出响应。同理，在第三合束器309相遇的两个脉冲光发生干涉，依据随机调制的相位差0或π，第三光子探测器310或第四光子探测器311做出响应。

图4，相位偏振多自由度调制QKD网络系统及方法工作原理框图，包括Alice控制端、波分复用单元和多用户Bob端，Alice端通过波分复用单元与多用户Bob端连接。其中Alice 端对单光子分别相位调制和偏振调制，经量子信道进入多用户单元Bob端偏振解调和相位解调。具体的调制解调过程在图2、图3已详细说明，这里不再赘述。

本实用新型的有益效果：1.本实用新型采用的相位偏振多自由度调制QKD网络系统，能够实现一对多的量子密钥共享，有效地扩大了信息传递容量，适用于相位偏振多自由度调制QKD方案及其它QKD方案。

2.本实用新型采用相位和偏振联合调制方法，通过传递一个光子来实现传递两个信息比特，光子利用率由0.5提高到2；与现有方案相比，本方案减少了器件使用，简化结构，并提高了信息的连续性、有效性和密钥生成率。

3.本实用新型采用4个电子探测器每次通信在8个时隙等待测量，相比于现有方案每次通信在12个时隙等待测量，由探测器暗计数引起的误码率减小了33.3％，使系统更加高效稳定。本实用新型采用经典DPS量子密钥分发方式，通过编码间隔为T(即延时T，T为皮秒量级)的两支路相干脉冲的相位差，使每个相位差作为一个相位编码，可有效抵御分光子攻击和序列攻击，降低窃听者Eve的效率。

附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为了清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种相位偏振多自由度调制QKD网络系统，包括Alice控制端、波分复用单元和多用户Bob端，Alice端通过波分复用单元与多用户Bob端连接，其特征在于：

所述Alice端包括多波长激光产生装置、衰减器、第一偏振分束器、第一合束器、相位调制器、第一偏振控制器和第二偏振控制器；

所述波分复用单元包括波长选择装置；

所述多用户Bob端包括接收不同波段的若干单元Bob用户端，所述单元Bob用户端均包括第二偏振分束器、第三偏振控制器、第四偏振控制器、第三偏振分束器、第四偏振分束器、第二合束器、第三合束器、第一光子探测器、第二光子探测器、第三光子探测器和第四光子探测器；

所述多波长激光产生装置产生具有多个波长的脉冲串，然后经所述衰减器衰减为单光子脉冲，单光子脉冲经过所述第一偏振分束器分成垂直偏振和水平偏振脉冲，所述垂直偏振和水平偏振脉冲分别通过上臂路径和下臂路径进入到所述第一合束器合束；再经过所述相位调制器对脉冲随机调制kπ(k＝0，1)相位分别到达第一偏振控制器和第二偏振控制器进行脉冲偏振旋转，最后两脉冲以相同的偏振态进入所述多用户Bob端；

具有相同偏振的多波长激光脉冲传输到波长路由装置，根据波长寻址的方式选择相应波长的单元Bob用户端，经过所述单元Bob用户端的第二偏振分束器，进行偏振解调，当偏振比特为“0”时，选择水平偏振脉冲经过所述第三偏振控制器；当偏振比特为“1”时，选择垂直偏振脉冲经过所述第四偏振控制器；

从第三偏振控制器输出后，经过所述第三偏振分束器形成上臂路径和下臂路径两条路径：其中上臂路径：前脉冲经过延时到达所述第二合束器；下臂路径：后脉冲直接到达所述第二合束器，上臂路径和下臂路径的两束光在所述第二合束器处发生干涉，然后根据随机调制的相位差所述第一光子探测器和第二光子探测器做出识别响应；

从第四偏振控制器输出后，经过所述第四偏振分束器形成上臂路径和下臂路径两条路径：其中上臂路径：前脉冲经过延时到达所述第三合束器；下臂路径：后脉冲直接到达所述第三合束器，上臂路径和下臂路径的两束光在所述第三合束器处发生干涉，然后根据随机调制的相位差所述第三光子探测器和第四光子探测器做出识别响应。

2.如权利要求1所述的一种相位偏振多自由度调制QKD网络系统，其特征在于，所述上臂路径比下臂路径多了一个T的延时。

3.如权利要求1所述的一种相位偏振多自由度调制QKD网络系统，其特征在于，所述第一偏振控制器将脉冲偏振旋转所述第二偏振控制器将脉冲偏振旋转其中n的取值分别为“0”或“1”。

4.如权利要求1所述的相位偏振多自由度调制QKD网络系统，其特征在于，所述波长路由装置为波分复用器、阵列波导光栅、布拉格光栅或者波长选择开关。

5.如权利要求1所述的相位偏振多自由度调制QKD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脉冲激光器和波长选择器，所述多波长脉冲激光器产生满足多个单元Bob用户端同时通信的相干多波长脉冲激光，然后通过所述波长选择器进行选择，使各个单元Bob用户端选择相应波长的脉冲激光。

6.如权利要求5所述的相位偏振多自由度调制QKD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。

7.如权利要求1所述的相位偏振多自由度调制QKD网络系统，其特征在于，所述第一光子探测器、第二光子探测器、第三光子探测器和第四光子探测器依据脉冲的相位差做出响应为：当两个连续脉冲的相位差为0时，所述第一光子探测器响应，测量结果为“00”，第二光子探测器响应，测量结果“01”；当两个连续脉冲的相位差为π时，所述第三光子探测器响应，测量结果为“10”，第四光子探测器响应，测量结果为“11”。

8.如权利要求1所述的相位偏振多自由度调制QKD网络系统，其特征在于，所述单元Bob用户端为Bobn，其中n为非零自然数。