CN212660172U - 一种用于量子保密通信的集成多通道可信中继装置及系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种用于量子保密通信的集成多通道可信中继装置及系统，包括：QKD控制模块、单光子发射结构和单光子检测结构；单光子发射结构包括依次连接的光子生成装置、第一光波分复用器、第二光波分复用器、第三光波分复用器和第一阵列波导光栅，第二、第三光波分复用器之前还设置有并联的n个单光子量子态制备装置；单光子检测结构包括第二阵列波导光栅、第四光波分复用器和n个单光子检测模块。本实用新型把多个单光子量子态制备装置集成到单光子发射结构，把多个单光子检测模块集成到单光子检测结构中，在两个可信中继节点之间可以形成多条量子信道。

Description

一种用于量子保密通信的集成多通道可信中继装置及系统

技术领域

本发明涉及量子通信领域，尤其涉及一种用于量子保密通信的集成多通道可信中继装置及系统。

背景技术

量子密钥分发(QKD)基于量子力学的基本原理，其传递的量子密钥是无法破解的，具有无条件的安全性，其安全性远高于目前基于数论难解问题构建的RSA等密码体制。

基于量子密钥分发的量子保密网络正在向人们走来，可以预见其应用场景会不断扩大。但是由于目前的量子态还不能实现远距离的传输，所以需要设置相应的中继设备，从安全性上分析量子中继是理想的中继选择，但是由于量子存储技术的不成熟导致目前还没有比较成熟的量子中继设备，所以目前采用的是基于可信的QKD中继设备，可信的中继技术原理上就是将长距离的密钥传递分解为多个短距离的密钥传递，相邻的中继节点之间分别进行QKD密钥协商，然后利用协商出的密钥将中继密钥逐级地传递下去。

如附图1，现有的可信中继节点一般设置有成对的QKD发送设备和QKD接收设备，分别和相邻的可信中继节点的QKD接收设备或QKD发送设备配对进行量子密钥协商，然后逐跳地将中继密钥传递下去。

由此可见，现有的可信中继QKD发送端和QKD接收端是分离设计的，同一个可信中继内的QKD发送端和QKD接收端之间存在密钥的传递，这增加了密钥泄露的可能。另一方面，现有可信中继方案中两个相邻中继节点之间一般只形成一条量子信道，这极大地限制了两个节点之间的可传输数据速度，导致可信中继信道容量不高，不能灵活地实现同时双向密钥协商。

发明内容

发明目的：为克服现有技术的缺陷，本实用新型提出一种用于量子保密通信的集成多通道可信中继装置及系统。本实用新型把多个QKD发送端和接收端集成到一个可信中继装置中，实现两个可信中继节点之间可以形成多条量子信道。

发明内容：为实现上述目的，本实用新型提出一种用于量子保密通信的集成多通道可信中继装置，包括：QKD控制模块、单光子发射结构和单光子检测结构，其特征在于：

所述单光子发射结构包括依次连接的光子生成装置、第一光波分复用器、第二光波分复用器、第三光波分复用器和第一阵列波导光栅，第二、第三光波分复用器之前还设置有并联的n个单光子量子态制备装置；

光子生成装置用于生成n个不同波长的单光子，n个不同波长的单光子经过第一光波分复用器合波后送入第二光波分复用器进行分波；分波后的n个光子分别送入n个单光子量子态制备装置，各单光子量子态制备装置在QKD控制模块的控制下对接收到的光子进行单光子量子态制备；第三光波分复用器对制备后具有确定量子态的n个光子进行合波，合波后的光束传递给第一阵列波导光栅；第一阵列波导光栅将接收到的光束分波，并将分波得到的n个光子发送给本可信中继装置的相邻节点；

所述单光子检测结构包括第二阵列波导光栅、第四光波分复用器和n个单光子检测模块；第二阵列波导光栅将相邻节点发送的单光子序列合波后发送给第四光波分复用器，第四光波分复用器将接收到的光束分波，并将分波得到的单光子分别送入不同的单光子检测模块，各单光子检测模块在QKD控制模块的控制下测量接收到的光子，并将测量结果反馈给QKD控制模块；

本可信中继装置的QKD控制模块与其相邻节点的QKD控制模块之间进行量子密钥协商，将得到的量子密钥存储在各自的QKD控制模块中。

以下还提供了若干可选方式，但并不作为对上述总体方案的额外限定，仅仅是进一步的增补或优选，在没有技术或逻辑矛盾的前提下，各可选方式可单独针对上述总体方案进行组合，还可以是多个可选方式之间进行组合。

可选的，所述第一阵列波导光栅分波后得到的n个光子全部发送给本可信中继装置的一个相邻节点；或者，n个光子分为两部分分别发送给本可信中继装置的两个相邻节点。

可选的，所述单光子量子态制备装置包括串联的强度调制器和偏振控制器；第二光波分复用器分波得到的单光子依次经过偏振控制器和强度调制器后送入第三波分复用器，强度调制器和偏振控制器在QKD控制模块的控制下产生符合BB84协议要求的四种偏振态的光子。

可选的，若所述BB84协议为基于诱骗态的BB84协议，则所述强度调制器IM和偏振控制器PC在QKD控制模块的控制下产生四种偏振态的光子之外，还产生相应诱骗态的光子。

可选的，所述第一、第二光波分复用器之间还设置有光衰减器和起偏器，第一光波分复用器输出的光束依次经过光衰减器和起偏器后送入第二光波分复用器。

可选的，所述光子生成装置为n个激光器，n个激光器产生n个不同波长的光子。

可选的，所述可信中继装置还包括第一环形器和第二环形器，第一环形器用于将第一阵列波导光栅分离出的单光子发送给本可信中继装置的前一个节点，第二环形器用于将第一阵列波导光栅分离出的单光子发送给本可信中继装置的后一个节点。

可选的，所述QKD控制模块还用于控制单光子检测模块对测量基的选择。

本实用新型还提出一种用于量子保密通信的集成多通道可信中继系统，所述系统包括若干所述的用于量子保密通信的集成多通道可信中继装置；所述系统中，任意两个需要中继信息的终端之间串联设置多个集成多通道可信中继装置。

有益效果：与现有技术相比，本实用新型具有以下优势：

1、本申请将多个QKD发送端和接收端集成到一个可信中继中，最大程度上实现元器件的复用，减少了元器件的成本。

2、本申请可以实现可信中继同时双向进行量子密钥协商。

3、本申请中基于BB84协议进行量子密钥协商，本申请将BB84协议中的物理器件部分和逻辑控制部分分别设置，由QKD控制部分分别控制可信中继处的物理器件和相邻的中继节点进行量子态的发送和测量，同时由QKD控制部分和相邻的可信中继的QKD控制部分进行密钥协商产生量子密钥，相邻可信中继协商出的量子密钥均存储于QKD控制部分，无须在多个模块之间流转，提高了密钥安全性。

附图说明

图1为现有可信中继的结构示意图；

图2为实施例1的结构图；

图3为实施例2的结构图；

图4为实施例3的结构图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本实用新型作更进一步的说明。但应当理解的是，本实用新型可以以各种形式实施，以下在附图中出示并且在下文中描述的一些示例性和非限制性实施例，并不意图将本实用新型限制于所说明的具体实施例。

应当理解的是，在技术上可行的情况下，以上针对不同实施例所列举的技术特征可以相互组合，从而形成本实用新型范围内的另外的实施例。此外，本实用新型所述的特定示例和实施例是非限制性的，并且可以对以上所阐述的结构、步骤、顺序做出相应修改而不脱离本实用新型的保护范围。

本实用新型采用了复用元器件的设计思路，把多个QKD发送端和接收端集成到一个可信中继装置中，实现两个可信中继节点之间可以形成多条量子信道，以最大程度上实现元件的复用。

有鉴于此，本实用新型提出一种用于量子保密通信的集成多通道可信中继装置及系统。下面通过具体实施例加以说明。

实施例1：

本实施例提出一种具有n个通道的用于量子保密通信的集成多通道可信中继装置，其结构如图1所示，包括：两个阵列波导光栅(AWG)、环形器(C1、C2)、4个波分复用器件、强度调制器(IM)、偏振控制器(PC)、起偏器(POL)、光衰减器(Att)、不同波长激光器(LD1、LD2、LD3……LDn)、单光子检测模块以及QKD控制模块，还配置有真随机数发生器、电源等器件。强度调制器(IM)、偏振控制器(PC)都具有n个，一个强度调制器(IM)串联一个偏振控制器(PC)构成一个单光子量子态制备装置。

当本可信中继装置作为发送方时，所述不同波长激光器(LD1、LD2、LD3……LDn)发射出的激光经过第一个光波分复用器件进入光衰减器Att，接着进入起偏器POL，然后经过第二个光波分复用器件将合束的光按照波长分开分别进入不同的单光子量子态制备装置，光量子进入不同的单光子量子态制备装置后，由QKD控制模块控制各个偏振控制器(PC)和强度调制器(IM)产生符合BB84协议要求的四种偏振态及相应的诱骗态，调制后的光量子经过第三个光波分复用器件合束，再进入一个阵列波导光栅(AWG)，得到n个具有确定量子态的光子，陈列波导光栅将量子态传送到相应的环形器C1或者C2。需要注意的是这n个光量子序列可以同时发送到该可信中继左边相邻的可信中继也可以同时发送到该可信中继右边相邻的可信中继、还可以将i个光量子序列发送到左边相邻的可信中继将n-i个光量子序列发送到右边相邻的可信中继。

其中C1为顺时针的环形器、C2为逆时针环形器，比如阵列波导光栅将量子态传送到环形器C1则由C1传输到与之直接相邻的节点、当陈列波导光栅将量子态传送到环形器C2则由C2传输到与之直接相邻的节点，然后本可信中继装置与相邻节点的QKD控制模块可以进行协商得到相应的量子密钥。

通过上述结构，本可信中继装置可以和相邻的可信中继/终端节点形成n个量子信道，这样可以有效地提高量子密钥的传递速率。

当本可信中继装置作为接收方时，另一个阵列波导光栅(AWG)接收相邻节点发送的单光子，将接收到的单光子合波后发送给第四光波分复用器，第四光波分复用器将接收到的光束分波，并将分波得到的单光子分别送入不同的单光子检测模块(单光子检测模块有n个，但是n个单光子检测模块不一定全部启用，当接收到的不同波长的单光子束少于n个时，例如是m个单光子束，则只需要启用m个单光子检测模块即可)，各单光子检测模块在QKD控制模块的控制下测量接收到的光子，并将测量结果反馈给QKD控制模块；然后本可信中继装置与相邻节点的QKD控制模块可以进行协商得到相应的量子密钥。

本实施例中不同的单光子量子态制备装置中的偏振控制器(PC)和强度调制器(IM)能够根据QKD控制模块发送的控制信号调制光子的偏振态产生符合BB84协议要求的四种偏振态及相应的诱骗态；所述单光子检测模块能够在随机测量基下检测出接收到的光子的偏振态，并能够将检测到的单光子偏振态信息发送给QKD控制模块。

本实施例中QKD量子模块还可以控制单光子检测模块进行测量基的选择，控制单光子检测模块按照随机的测量基对接收到的量子态进行测量，与C1直接相邻的节点发送来的量子态经过环形器C1(该环形器为顺时针通过)传送到阵列波导光栅(AWG)，该AWG通过一个光波分复用器件连接多个单光子检测模块；与C2直接相邻的可信中继发送来的量子态经过环形器C2(该环形器为逆时针通过)传送到阵列波导光栅(AWG)，该AWG通过一个光波分复用器件连接多个单光子检测模块。

实施例2：

本实施例提出一种具有3个通道的用于量子保密通信的集成多通道可信中继装置，其结构如图3所示，图中三个激光器LD1、LD2、LD3拥有不同的波长，强度调制器(IM)、偏振控制器(PC)都有3个，构成3个单光子量子态制备装置。

实施例3：

本实施例提出一种具有3个通道的用于量子保密通信的集成多通道可信中继系统，这个系统中，相邻两个可信中继装置的结构如图3所示，而这两个可信中继之间的连接结构如图4所示。

QKD控制模块控制量子态的产生及测量以及量子密钥协商的的具体工作原理如下：

如附图4所示，分别为第一、第二、第三中继节点等等(图中仅示意出第一第二可信中继节点)，为了叙述方便，假设中继密钥从第一中继节点向第三中继节点的方向传递，所有量子密钥协商方法按照基于诱骗态的BB84协议进行，具体见下文所述。

假设第一中继节点已经和上一节点或者和初始量子终端进行了量子密钥协商，设该密钥为中继密钥K。

当该中继密钥K需要继续传递时，首先第一中继节点的QKD控制模块根据需要传递的密钥量选择需要启用几个量子信道。接着QKD控制模块获得多对真随机数序列sa(比特序列)、ma(发送基序列)(具体生成多少对随机序列根据启用的量子信道数量决定，当启用3对量子信道时，就要生成3对即6个随机数序列，以下叙述根据启用1个量子信道进行叙述，启用多个量子信道则相应的进行加倍操作)，根据这两个序列可以控制某一信道中发射光子的偏振态序列x。具体可以按照如下规则，当sa序列是比特0，ma序列也是0时，偏振态为H；当sa序列是比特0，ma序列是1时，偏振态为+；当sa序列是比特1，ma序列是0时，偏振态为V；当sa序列是比特1，ma序列也是1时，偏振态为-，“H、+、V、-”为光子的四种偏振态。

然后，第一中继节点的QKD控制模块控制不同的单光子量子态制备装置中的偏振控制器(PC)和强度调制器(IM)根据QKD控制模块发送的控制信号调制光子的偏振态及强度产生符合BB84协议要求的四种偏振态及相应的诱骗态，然后相应偏振的光子信号通过光波分复用器件、AWG及C2通过光纤向第二中继节点发送。

第二中继节点的环形器C1将接收到的光量子传送到连接单光子检测模块的AWG，该AWG将光量子序列传送到与单光子检测模块直接相连的光波分复用器件，该光波分复用器件将接收到的光量子信号进行分束分别传送到相应的单光子检测模块。QKD控制模块根据信道数量产生相应的多个真随机数序列，这些序列作为随机测量基序列mb，第二中继节点的QKD控制模块根据该随机测量基控制单光子检测模块，单光子检测模块按照随机测量基对接收的单光子量子态进行逐个测量，得到相关的偏振态信息，然后将得到的偏振态信息发送给本中继节点的QKD控制模块。

第二中继节点的QKD控制模块接收到测量结果后，将测量得到的结果按照一定的编码规则转化成比特序列，比如水平偏振态和45度偏振态对应比特0、垂直偏振态和135度偏振态对应比特1。

最后，第二中继节点的QKD控制模块通过经典信道将相应量子信道的随机测量基序列mb告诉第一中继节点的QKD控制模块，第一中继节点的QKD控制模块比对相应量子信道的ma和mb然后通过经典通信告诉第二中继节点的QKD控制模块哪些是正确的测量基序列，协商后第一中继节点的QKD控制模块和第二中继节点的QKD控制模块可以获得按照BB84协议得出的相应量子信道的量子密钥K1。然后第一中继节点的QKD控制模块和第二中继节点的QKD控制模块再随机的对相应量子信道其中的某些密钥序列进行公开比对，当误码率小于门限值(比如11％)，则双方继续进行比特纠错和隐私放大操作，最终双方获得了各个量子信道无条件安全的量子密钥KG12(启用多个量子信道时，双方就会协商出多个不同的量子密钥)。利用这些量子密钥KG12双方可实现大容量的量子安全通信。此时，第一中继节点的QKD控制模块将中继密钥K利用量子密钥KG12加密后发送给第二中继节点的QKD控制模块。

接着第二中继节点的QKD控制模块控制本节点的激光器的发射，及控制本节点的不同的单光子量子态制备装置中的偏振控制器(PC)和强度调制器(IM)根据QKD控制模块发送的控制信号调制光子的偏振态及强度产生符合BB84协议要求的四种偏振态及相应的诱骗态，调制后的光量子经过AWG传送到环形器C2，由于环形器C2是逆时针环形器，所以光量子被发送到下一节点即第三中继节点的环形器C1，由于环形器C1是顺时针环形器，所以光信号接着通过一个AWG被传送到一个光波分复用器件，该光波分复用器件直接连接各个单光子检测模块，该波分复用器件将接收到的光信号分束后传送到相应的单光子检测模块。第三中继节点的QKD控制模块控制相应的单光子检测模块对相应的光信号进行检测。然后按照上述第一中继节点和第二中继节点进行量子密钥协商的方法协商出相应的各个量子信道的量子密钥KG23(当启用多个量子信道时，就会协商出多个量子密钥)。然后第二中继节点的QKD控制模块将中继密钥K利用量子密钥KG23加密后继续向第三中继节点发送。

本实施例中的BB84方案还加入诱骗态思想，诱骗态能够克服光子数分离攻击，具有很强的现实意义，目前已经成为量子密钥分发的主流方案，在上述的实施例中，通过强度调制器(IM)调制相应的光量子获得相应的诱骗态，QKD控制模块控制强度调制器(IM)按照一定概率随机生成信号态和诱骗态，协商量子密钥的双方可以根据基于诱骗态的BB84方案得到无条件安全的量子密钥。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于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。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种用于量子保密通信的集成多通道可信中继装置，包括：QKD控制模块、单光子发射结构和单光子检测结构，其特征在于：

所述单光子发射结构包括依次连接的光子生成装置、第一光波分复用器、第二光波分复用器、第三光波分复用器和第一阵列波导光栅，第二、第三光波分复用器之前还设置有并联的n个单光子量子态制备装置；

光子生成装置用于生成n个不同波长的单光子，n个不同波长的单光子经过第一光波分复用器合波后送入第二光波分复用器进行分波；分波后的n个光子分别送入n个单光子量子态制备装置，各单光子量子态制备装置在QKD控制模块的控制下对接收到的光子进行单光子量子态制备；第三光波分复用器对制备后具有确定量子态的n个光子进行合波，合波后的光束传递给第一阵列波导光栅；第一阵列波导光栅将接收到的光束分波，并将分波得到的n个光子发送给本可信中继装置的相邻节点；

所述单光子检测结构包括第二阵列波导光栅、第四光波分复用器和n个单光子检测模块；第二阵列波导光栅将相邻节点发送的单光子合波后发送给第四光波分复用器，第四光波分复用器将接收到的光束分波，并将分波得到的单光子分别送入不同的单光子检测模块，各单光子检测模块在QKD控制模块的控制下测量接收到的光子，并将测量结果反馈给QKD控制模块；

本可信中继装置的QKD控制模块与其相邻节点的QKD控制模块之间进行量子密钥协商，将得到的量子密钥存储在各自的QKD控制模块中。

2.根据权利要求1所述的一种用于量子保密通信的集成多通道可信中继装置，其特征在于：

所述第一阵列波导光栅分波后得到的n个光子全部发送给本可信中继装置的一个相邻节点；或者，n个光子分为两部分分别发送给本可信中继装置的两个相邻节点。

3.根据权利要求2所述的一种用于量子保密通信的集成多通道可信中继装置，其特征在于：

所述单光子量子态制备装置包括串联的强度调制器和偏振控制器；第二光波分复用器分波得到的单光子依次经过偏振控制器和强度调制器后送入第三波分复用器，强度调制器和偏振控制器在QKD控制模块的控制下产生符合BB84协议要求的四种偏振态的光子。

4.根据权利要求3所述的一种用于量子保密通信的集成多通道可信中继装置，其特征在于：

若所述BB84协议为基于诱骗态的BB84协议，则所述强度调制器IM和偏振控制器PC在QKD控制模块的控制下产生四种偏振态的光子之外，还产生相应诱骗态的光子。

5.根据权利要求2所述的一种用于量子保密通信的集成多通道可信中继装置，其特征在于：

所述第一、第二光波分复用器之间还设置有光衰减器和起偏器，第一光波分复用器输出的光束依次经过光衰减器和起偏器后送入第二光波分复用器。

6.根据权利要求2所述的一种用于量子保密通信的集成多通道可信中继装置，其特征在于：

所述光子生成装置为n个激光器，n个激光器产生n个不同波长的光子。

7.根据权利要求2所述的一种用于量子保密通信的集成多通道可信中继装置，其特征在于：

所述可信中继装置还包括第一环形器和第二环形器，第一环形器用于将第一阵列波导光栅分离出的单光子发送给本可信中继装置的前一个节点，第二环形器用于将第一阵列波导光栅分离出的单光子发送给本可信中继装置的后一个节点。

8.根据权利要求2所述的一种用于量子保密通信的集成多通道可信中继装置，其特征在于：

所述QKD控制模块还用于控制单光子检测模块对测量基的选择。

9.一种用于量子保密通信的集成多通道可信中继系统，其特征在于，所述系统包括若干如权利要求1至8任意一项所述的用于量子保密通信的集成多通道可信中继装置；所述系统中，任意两个需要中继信息的终端之间串联设置多个集成多通道可信中继装置。

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