CN207968508U

CN207968508U - 一种测量设备无关量子密钥分发系统的编解码装置

Info

Publication number: CN207968508U
Application number: CN201721928943.6U
Authority: CN
Inventors: 胡敏; 郭邦红; 张立涛; 曾涵宇; 冉攀
Original assignee: Guangdong National Quantum Technology Co ltd; South China Normal University
Current assignee: Guangdong National Quantum Technology Co ltd
Priority date: 2017-12-29
Filing date: 2017-12-29
Publication date: 2018-10-12
Anticipated expiration: 2027-12-29

Abstract

本实用新型公开了一种测量设备无关量子密钥分发系统的编解码装置，包括编码装置和解码装置。编码装置首先将输入脉冲光分为两束，一束用于编码，一束用于信道监控。用于编码的脉冲光依次经过相位调制器、1×4分束器分割为4个脉冲。分别由四个不同偏振片加载偏振态后，经过光开关选择其中一路实现编码。然后经过电可调衰减器标记为信号态或诱骗态，最后由合束器合并输出，实现了诱骗态方案的BB84量子态编码。解码装置使用三个偏振分束器、两个电控偏振控制器和四个单光子探测器实现Bell态测量。本实用新型采用电控偏振控制器可以更好地补偿传输中的偏振态抖动，使用无源器件替代了有源器件，降低了系统成本的同时提高了可靠性。

Description

一种测量设备无关量子密钥分发系统的编解码装置

技术领域

本实用新型涉及量子信息以及光通信技术领域，特别涉及一种测量设备无关量子密钥分发系统的编解码装置。

背景技术

量子密钥分发(Quantum Key Distribution,QKD)结合“一次一密”技术被认为从理论上来说能保证合法通信双方之间的信息安全，因此受到了广泛关注。由于受环境(如电磁，温度等)的影响相对较小，在大多数的QKD协议都使用单光子作为信息载体。但是实际的单光子源目前的技术较难实现，大多数实验都采用了强衰减激光作为光源，即所谓的弱相干光源。其每个脉冲中的光子数分布服从泊松分布，脉冲中既可能只有一个光子，也可能存在多个光子。针对这种情况，光子数分离(Photon Number Split,PNS)通过截取所有的单光子而只透传多光子，窃听者可以获取所有信息。幸运地是，人们开发了诱骗态技术监控信道，大大降低了光子数分离攻击的成功概率，从而提高了系统的安全性。

此外，目前实验中使用的单光子探测器主要是采用门控方法的处于盖格模式下的APD 来实现。一般的协议都至少需要两个或以上的APD探测器。窃听者可以利用不同APD之间量子效率的差异进行攻击，例如致盲攻击、时移攻击等。实验中，致盲攻击可以获取商用QKD系统(如id3110 Clavis2和QPN 5505)的全部信息。可见，探测器端的漏洞是非常严重的。基于时间反转的EPR原理，Lo等人提出了测量设备无关的量子密钥分发方案(Measurement Device Independent-QKD，MDI-QKD)，利用后选择技术的Bell态测量，可以完全消除探测器端的漏洞。MDI-QKD结合诱骗态可以消除实际系统中的光源和探测器的安全隐患，具有重大的应用前景。

MDI-QKD的主要过程为：通信双方Alice和Bob分别各自独立随机地制备量子态，发送到不可信的第三方Charlie。Charlie进行Bell态测量，当测量结果为|Ψ^±>时，认为测量成功，并公布测量结果。Alice和Bob根据测量结果对比本地信息即可实现密钥共享。

目前的实验方案中，主要的器件包括激光器、强度调制器、相位调制器、偏振调制器、可调衰减器等。强度调制器主要用于标记诱骗态和信号态。相位调制器用于实现光子的相位随机化，或者相位编码。偏振调制器用于偏振编码或者补偿偏振变化。这些器件的价格较高，使得QKD系统成本居高不下。

实用新型内容

本发明目的是克服现有技术的不足，提供一种测量设备无关量子密钥分发系统的编解码装置，使用更简单、可靠的器件和光路结构替换价格昂贵的器件，达到降低系统成本的目的。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种测量设备无关量子密钥分发系统的编解码装置，包括编码器和解码器，所述编码器和解码器通过量子信道连接，其中：

所述编码器包括第一分束器、相位调制器、第二分束器、第一偏振片、第二偏振片、第三偏振片、第四偏振片、光开关、第一电可调衰减器、第二电可调衰减器、合束器和光信道监控器；

所述解码器包括第一偏振分束器、第二偏振分束器、第三偏振分束器、第一电控偏振控制器、第二电控偏振控制器、第一单光子探测器、第二单光子探测器、第三单光子探测器、第四单光子探测器和符合计数器；

所述编码器的编码和解码过程如下：外部激光脉冲进入所述第一分束器的输入端，在所述第一分束器发生透射和反射，其中透射光进入到相位调制器随机加载相位，然后进入第二分束器分成四个脉冲,四个所述脉冲分别进入到所述第一至第四偏振片且依次编码为水平偏振态|H>,垂直偏振态|V>，+45°偏振态|+>和-45°偏振态|->，然后又统一输入到所述光开关中随机选择输出到第一或第二电可调衰减器，输出到第一电可调衰减器则被标记为信号态,输出到第二电可调衰减器则被标记为诱骗态，标记为诱骗态和信号态光子由合束器合并输出并通过量子信道输入到所述解码器；

从所述第一分束器输出的反射光进入光信道监控器用于监测光功率并计算光子数分布；

所述解码器接收来自量子信道的光子信号后，分别由第一偏振分束器的两个输入端口进入且在第一偏振分束器发生透射和反射，第一偏振分束器透射水平偏振态光子，进入第二电控偏振控制器，在第二电控偏振控制器处旋转45°后进入第二偏振分束器，第二偏振分束器投影光子为垂直偏振和水平偏振，分别由第一单光子探测器和第二单光子探测器进行探测；

第一偏振分束器反射垂直偏振态光子，进入第一电控偏振控制器在第一电控偏振控制器旋转45°后进入第三偏振分束器，第三偏振分束器投影光子为垂直偏振和水平偏振，分别由第三单光子探测器和第四单光子探测器进行探测；

所述第一至第四光子探测器的探测结果均输入到所述符合计数器进行统计。

进一步地，上位机根据固定的线路损耗和光信道监控器所计算的光子数分布分别设置所述第一电可调衰减、第二电可调衰减器衰减量使得光子为信号态或诱骗态。

所述上位机是由PC机控制的装置，如基于步进电机电可调衰减器的驱动电路及程序。

所述光开关在输入输出间随机选取一个通路，构成8个组合。

第一电可调衰减器的输出为信号态的四个BB84量子态。

第二电可调衰减器的输出为诱骗态的四个BB84量子态。

第一、第二电可调衰减器通过合束器合束，输出为平均光子数小于1的、包含诱骗态或信号态成分的BB84量子态。

来自于用户端的偏振编码BB84量子态分别进入第一偏振分束器的两个输入端，经过第一、第二电控偏振控制器偏振态旋转45°后进入第二、第三偏振分束器，最后由第一、第二、第三、第四单光子探测器探测。

如果第二探测器和第四探测器或者第一探测器和第三探测器同时响应，则表示量子态为

如果第一探测器和第二探测器或者第三探测器和第四探测器同时响应，则表示量子态为

上述响应情况视为测量成功，其余情况丢弃不处理。

进一步地，所述第一分束器的透射率与反射率比为1:99。

进一步地，所述相位调制器用于随机调制光子的相位为[0,2π]之间的相位。

进一步地，所述第二分束器为1×4分束器。

进一步地，所述光开关为4×2光开关。

进一步地，所述第一、第二电可调衰减器由上位机驱动，调整衰减量。

进一步地，所述合束器为2×1合束器。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1.本实用新型使用无源器件替代有源器件，降低了系统成本，提高了可靠性；

2.本实用新型提出的解码装置基于一种新型的Bell态分析仪，使用电控偏振控制器可以更好地补偿传输过程中的偏振态抖动。

附图说明

图1为本实用新型的编码装置；

图2为本实用新型的解码装置；

图3为本实用新型编解码装置的量子密钥分发方法步骤图。

图中各部件对应的名称：编码装置-1’；第一分束器-101，相位调制器-102，第二分束器-103，光开关-104，合束器-105，光信道监控器-106，第一偏振片-111，第二偏振片 -112，第三偏振片-113，第四偏振片-114，第一电可调衰减器-121，第二电可调衰减器-122；解码装置-2’；第一偏振分束器-201，第二偏振分束器-202，第三偏振分束器-203，第一电控偏振控制器-211，第二电控偏振控制器-212，单光子探测器-2211～226，符合计数器 -231。

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，一种测量设备无关量子密钥分发系统的编解码装置，包括编码装置1’和解码装置2’。

所述编码装置调制输入的外部光脉冲为诱骗态方案的BB84量子态。

所述解码装置对输入的光子进行Bell态测量。

编解码步骤如下：

外部激光脉冲进入所述第一分束器101的输入端，透射光进入相位调制器102用于编码，反射光进入光信道监控器106用于监测光功率并计算光子数分布。

激光脉冲进入相位调制器102，随机加载相位。然后进入第二分束器103，分为四个脉冲。

经过第一偏振片111的脉冲编码为水平偏振态|H>。

经过第二偏振片112的脉冲编码为垂直偏振态|V>。

经过第三偏振片113的脉冲编码为+45°偏振态|+>。

经过第四偏振片114的脉冲编码为-45°偏振态|->。

上述四个脉冲由光开关104随机选择输出。如果输出到第一端口，则经过第一电可调衰减器121被标记为信号态，如果输出到第二端口，则经过第二电可调衰减器122被标记为诱骗态。

诱骗态和信号态光子由合束器105合并输出，进入量子信道。

解码器2’接收来自量子信道的信号，分别由第一偏振分束器201的两个输入端口进入。

第一偏振分束器201透射水平偏振态光子，进入第二电控偏振控制器212，反射垂直偏振态光子，进入第一电控偏振控制器211。

垂直偏振光子被第一电控偏振控制器211旋转45°后进入第三偏振分束器203，第三偏振分束器投影光子为垂直偏振和水平偏振，分别由第一单光子探测器221和第二单光子探测器222进行探测。

水平偏振光子被第二电控偏振控制器212旋转45°后进入第二偏振分束器202，第二偏振分束器投影光子为垂直偏振和水平偏振，分别由第三单光子探测器223和第四单光子探测器224进行探测。

第一单光子探测器221、第二单光子探测器222、第三单光子探测器223、第四单光子探测器224分别连接到符合计数器231进行统计。

现以Alice和Bob两用户相互通信为例详细描述整个装置的编码和解码过程。其中编解码过程如下：

根据BB84协议的定义，水平偏振态|H>和+45°偏振态|+>定义为比特“1”，垂直偏振态|V>和-45°偏振态|->定义为比特“0”。

Alice和Bob的激光脉冲进入第一分束器的输入端，分为两个脉冲。其中透射脉冲用于编码，反射脉冲输入光信道监控器用于监控光功率，计算光子数分布。

透射脉冲进入第二分束器，分解为4个脉冲，其中：

经过第一偏振片的脉冲为水平偏振态|H>，为比特“1”。

经过第二偏振片的脉冲为垂直偏振态|V>，为比特“0”。

经过第三偏振片的脉冲为+45°偏振态|+>，为比特“1”。

经过第四偏振片的脉冲为-45°偏振态|->，为比特“0”。

上述四个脉冲进入光开关的输入端。

光开关随机闭合四路输入中的一路与两路输出中的一路，并经过第一电可调衰减器或第二电可调衰减器，编码结果为：

输入	输出	编码结果
			第一偏振片	第一电可调衰减器	信号态\|H>
第二偏振片	第一电可调衰减器	信号态\|V>
			第三偏振片	第一电可调衰减器	信号态\|+>
第四偏振片	第一电可调衰减器	信号态\|->
			第一偏振片	第二电可调衰减器	诱骗态\|H>
第二偏振片	第二电可调衰减器	诱骗态\|V>
			第三偏振片	第二电可调衰减器	诱骗态\|+>
第四偏振片	第二电可调衰减器	诱骗态\|->

上述8种情况在某一脉冲到来时仅出现一次。

第一电可调衰减器输出的信号态BB84量子态和第二电可调衰减器输出的诱骗态BB84 量子态通过合束器合束输出。至此，编码完成，但是密钥并未产生。

通信双方Alice和Bob分别用上述编码器对信号编码后发送给Charlie。Charlie是测量设备无关量子密钥分发协议中的第三方，利用所述解码器解码，过程如下:

光子分别进入第一偏振分束器的两个输入端，经过第一、第二电控偏振控制器偏振态旋转45°后进入第二、第三偏振分束器，最后由第一、第二、第三、第四单光子探测器探测。

如果第二探测器222(D1H)和第四探测器224(D2H)或者第一探测器221(D1V)和第三探测器223(D2V)同时响应，则表示量子态为

如果第一探测器221(D1V)和第二探测器222(D1H)或者第三探测器223(D2V)和第四探测器224(D2H)同时响应，则表示量子态为

上述响应情况视为测量成功，其余情况丢弃不处理。

Charlie公布测量结果，类似于原始测量设备无关协议，我们可得到：

其中直线基包括|H>和|V>，对角基包括|+>和|->。比特翻转是指原编码为比特“1”，解码时为比特“0”；原编码为比特“0”，解码时为比特“1”。

Alice和Bob根据Charlie公布的结果，丢弃那些测量失败的事件，对于测量成功事件，翻转或者不翻转本地原始码，得到筛选码。

Alice和Bob通过认证的经典信道随机选择一部分筛选码，计算误码率，如果误码率大于理论计算值，则放弃本次通信，如果误码率小于理论计算值，则进行纠错和保密增强，得到最终的量子密钥。

如图3所示，依据本实用新型的编解码装置的量子密钥分发过程，典型步骤如下：

S1、系统初始化：检查多个量子终端、多个量子中继单元和同步单元的硬件设施，查看设备是否正常运转，设定初始条件；

S2、系统噪声水平测试：分别在多个量子终端单元发射一串激光脉冲，测试系统的信噪比:SNR＝10lg(PS/PN)；

S3、系统同步时间设置：使用OTDR等测量光纤长度，准确设置通信双方的脉冲时间；

S4、量子信息编码：通信双发Alice和Bob分别利用所述编码器对脉冲激光编码后，发送到第三方Charlie；

S5、Bell态测量：Charlie对脉冲使用本实用新型所述的解码器进行Bell态测量，并公开宣布测量结果；

S6、密钥筛选：通信双方比对测量结果和本地信息，得到筛选码；

S7、误码率的检测：通信双方随机选取筛选码的一部分检测误码率，QBER＝Nerr/Nsift，如果测量得到的QBER值大于诱骗态的理论计算，则认为通信不安全，放弃本次通信，重新开始；

S8、纠错和保密增强：通信双方通过认证的经典通信，使用Hash算法对剩余的筛选码纠错，得到纠错码，如果纠错成功进行保密增强。

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

1.一种测量设备无关量子密钥分发系统的编解码装置，其特征在于，包括编码器和解码器，所述编码器和解码器通过量子信道连接，其中：

所述编码器的编码和解码过程如下：外部激光脉冲进入所述第一分束器的输入端，在所述第一分束器发生透射和反射，其中透射光进入到相位调制器随机加载相位，然后进入第二分束器分成四个脉冲,四个所述脉冲分别进入到所述第一至第四偏振片且依次编码为水平偏振态|H＞,垂直偏振态|V＞，+45°偏振态|+＞和-45°偏振态|->，然后又统一输入到所述光开关中随机选择输出到第一或第二电可调衰减器，输出到第一电可调衰减器则被标记为信号态,输出到第二电可调衰减器则被标记为诱骗态，标记为诱骗态和信号态光子由合束器合并输出并通过量子信道输入到所述解码器；

所述解码器接收来自量子信道的光子信号后，分别由第一偏振分束器的两个输入端口进入且在第一偏振分束器发生透射和反射，第一偏振分束器透射水平偏振态光子，进入第二电控偏振控制器，在第二电控偏振控制器处旋转45°后进入第二偏振分束器，第二偏振分束器将光子投影为垂直偏振和水平偏振，分别由第一单光子探测器和第二单光子探测器进行探测；

第一偏振分束器反射垂直偏振态光子，进入第一电控偏振控制器，在第一电控偏振控制器处旋转45°后进入第三偏振分束器，第三偏振分束器将光子投影为垂直偏振和水平偏振，分别由第三单光子探测器和第四单光子探测器进行探测；

2.如权利要求1所述的一种测量设备无关量子密钥分发系统的编解码装置，其特征在于，所述第一分束器的透射率与反射率比为50:50。

3.如权利要求1所述的一种测量设备无关量子密钥分发系统的编解码装置，其特征在于，所述相位调制器用于随机调制光子的相位为[0,2π]之间的相位。

4.如权利要求1所述的一种测量设备无关量子密钥分发系统的编解码装置，其特征在于，所述第二分束器为1×4分束器。

5.如权利要求1所述的一种测量设备无关量子密钥分发系统的编解码装置，其特征在于，所述光开关为4×2光开关。

6.如权利要求1所述的一种测量设备无关量子密钥分发系统的编解码装置，其特征在于，所述第一、第二电可调衰减器由上位机驱动，调整衰减量。

7.如权利要求1所述的一种测量设备无关量子密钥分发系统的编解码装置，其特征在于，所述合束器为2×1合束器。