CN213879845U - 一种三用户tf-qkd网络系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种三用户TF‑QKD网络系统，包括三个发送端，三个测量端，三个光路选择模块及环形量子网络；其中，三个发送端，三个测量端及三个光路选择模块通过所述环形量子网络相连；光路选择模块设有五个端口，五个端口配置为输入、输出或双向端口；该系统构造了三用户能同时进行三组TF‑QKD协议的系统，在长距离量子通信下具有较高的成码率，能抵御对测量端的攻击，并实现任意两用户的量子信息能在任意一测量端进行探测的功能，大大提高了量子网络资源的利用率，同时节省了大量的量子网络资源。
Description
技术领域
本实用新型涉及量子保密通信及光通信领域，具体涉及一种三用户TF-QKD网络系统及方法。
背景技术
量子密钥分发(Quantum Key Distribution，QKD)作为量子通信的核心技术，能实现窃听者(Eve)存在的情况下，使通信双方(一般称为Alice、Bob)产生共同密钥。然而实际的QKD系统受环境、现有技术等的制约，存在着各种各样的安全漏洞；同时由于量子通信是处于单光子级别，因此受环境噪声、传输损耗等的影响，量子通信的距离和成码率也受到了很大的限制。从1984年，由Bennett和Brassard提出的历史上的第一个QKD协议——BB84协议，到后来2012年，由Lo等人提出的能抵御测量端攻击的测量设备无关(MeasurementDevice Independent,MDI)-QKD协议，研究人员一直在致力于提高QKD的安全性，传输距离，成码率等，以期能获得一个尽可能更优异的QKD系统。
2017年，由Stefano Pirandola等人提出了无中继情况下，点对点量子通信成码率的极限值R，即PLOB界，它与信道传输率η的关系如下
R≤-log2(1-η)
然而以目前的技术水平暂时无法实现文章中所提到通过量子中继打破这个理论限制的方法。直到2018年，Lucamarini等人提出了基于单光子干涉的双场(Twin-Field,TF)-QKD协议。TF-QKD协议在保留了MDI-QKD的免疫探测器攻击的优点下，突破了PLOB界，提高了量子密钥速率，大大提高了远距离无中继量子通信情况下的成码率。
但是，目前的TF-QKD只是两用户的量子通信。然而，伴随着大量量子城域网、局域网等量子网络的建立，以及如今量子网络的复杂性中，两方的量子密钥分发已经不能满足现实需求。因此，提高用户数已经是如今的迫切需要，如何构建一个三用户的量子网络已经是新的研究热点。
实用新型内容
为了解决上述存在的技术问题，本实用新型提出了一种三用户TF-QKD网络系统。
为实现上述目的，本实用新型采取的技术方案如下：
一种三用户TF-QKD网络系统，包含三个发送端，三个测量端，三个光选择模块及量子信道，其中：TF-QKD是一种基于相位调制的QKD协议，其本质是单光子干涉，通过将两个相干态的相位进行匹配，将信息编码在整体相位上，从而使得成码率
TF-QKD之所以是单光子探测是因为其干涉结果与发送方Alice、接收方Bob的相位差有关，而不单独与发送方Alice和接收方Bob所调节相位相关。如下式所示，测量端的探测器响应概率为
其中，
与
是发送方Alice与接收方Bob所调制的相位，SPD0和SPD1是测量端的两个单光子探测器，当
时，SPD0和SPD1有且仅有一个会相应。从而，信息的编码是整体的相位，也即测量端没有办法判断，该单光子是来自于发送方Alice还是接收方Bob。最终能得到TF-QKD的成码率为：
其中Qμ是总增益，Eμ是错误率，
为单光子增益下限，
为单光子错误率上限。
具体的，上述的一种三用户TF-QKD网络系统，包括三个发送端，三个测量端，三个光路选择模块及环形量子网络；其中，三个发送端，三个测量端及三个光路选择模块通过所述环形量子网络相连；
所述发送端包含激光器，强度调制器，两个相位调制器，光衰减器；其中，所述激光器配置为发射相干光源；所述强度调制器配置为制备诱惑态，两个相位调制器配置为对单光子态进行相位编码及相位随机化；所述光衰减器配置为将激光器的脉冲强度衰减至单光子级别；
所述测量端发射的是单光子干涉，包含两个单光子探测器(DET)和一个分束器(BS)；
所述光路选择模块设有五个端口，五个端口配置为输入、输出或双向端口(即该双向端口既可以输入，亦可以输出)；其中，光路选择模块一侧具有两个端口，分别为第一双向端口和第一输出端口；其另一侧具有三个端口，分别为第一输入端口、第二双向端口和第二输出端口；所述第一输出端口、第二输出端口均与测量端相连，第一双向端口、第一输入端口均与环形量子网络相连，第二双向端口FM连接有法拉第镜，所述法拉第镜配置为将输出的量子信号反射后，以相反方向重新输入光路选择模块。
优选地，所述光路选择模块配置为对输入的信号选择不同的端口输出，由第一双向端口输入的信号可以从第二输出端口或第三双向端口输出，由第一输入端口、第二双向端口输入的信号可以从第一双向端口或第一输出端口输出。
优选地，所述光路选择模块通过将光路选择模块两端的五个端口分别接在两个波长选择开关上，并将两个需要连接的端口接到同一波长的开关上，实现两路相连的结构实现；
优选地，所述环形量子网络为双向结构，即量子信号在环形网络中沿顺时针传输或沿逆时针传输。
优选地，所述三用户TF-QKD网络系统增加用户数时，每增加一个用户，则增加一组发送端、光路选择模块及测量端。
优选地，所述三用户TF-QKD网络系统配置为同时支持三组TF-QKD进行，任一用户所发送的量子信号可到达环形量子网络的任一测量端，实现一个用户与多个用户进行通信。
本实用新型还提供了一种基于三用户TF-QKD网络系统的方法，应用于前述的三用户TF-QKD网络系统，所述方法包括以下步骤：
步骤一：通信双方通过发射端将经过强度调制器、相位调制器、光衰减器后的量子信号发送到量子网络中；
步骤二：通信双方的量子信号沿逆时针进入与其距离最近的光路选择模块；
步骤三：根据双方协商一致的测量端位置，通信双方的量子信号进入光路选择模块，并从该光路选择模块的第二输出端口输出至测量端；或该量子信号从该光路选择模块的第二双向端口输出至法拉第镜内且经反射后再次进入光路选择模块，随后从该光路选择模块的第一输出端口输出至测量端或从第一双向端口进入环路；
步骤四：通信双方的量子信号在同一光路选择模块分别从第一输出端口及第二输出端口输出至测量端；
步骤五：通信双方的量子信号在测量端发生单光子干涉，根据单光子探测器的情况进行成码；
步骤六：通信双方进行误码估计、纠错和隐私放大等后处理过程。
本实用新型有益的技术效果：
本实用新型提供了一种三用户TF-QKD网络系统及方法，其采用环形网络实现了一种三用户的TF-QKD系统，具有结构简单的优点，以现有技术基础容易实现，实用性较强；其次，该系统为测量无关系统，可抵抗针对测量设备的一切攻击；同时，该系统采用TF-QKD协议，在远距离量子通信中具有较高的成码率；且该系统还可同时进行三组TF-QKD协议，极大地节省了网络资源。
附图说明
图1为本实用新型提供的三用户TF-QKD网络系统的发送端结构图；
图2为本实用新型提供的三用户TF-QKD网络系统的测量端结构图；
图3为本实用新型提供的三用户TF-QKD网络系统的波长选择开关实现光路选择的结构图；
图4为本实用新型提供的三用户TF-QKD网络系统的整体结构图。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本实用新型进行进一步详细说明，但本实用新型要求保护的范围并不局限于下述具体实施例。
如图4所示，本实施例提供了一种三用户TF-QKD网络系统，包含三个发送端，三个测量端，三个光路选择模块及环形量子网络。
具体的，三个发送端，三个测量端及三个光路选择模块通过所述环形量子网络相连。
如图1所示，发送端包含激光器(LASER)，强度调制器(IM)，两个相位调制器(PM)，光衰减器(VOA)；
具体的，由于TF-QKD是两个相干态在分束器上发生单光子干涉，要将编码信息加载在整体相位上，则三个用户的三个发送端的激光器所发射的必须是相干光源。同时，为防止光子束攻击，需通过强度调制器制备诱惑态。而在发送端的两个相位调制器主要用于对用户所制备的单光子态进行相位编码及相位随机化。对于离散变量量子密钥分发而言，输出的信号必须达到单光子级别，因此在将信号输出至环形量子网络前，要通过一个光衰减器对光脉冲进行衰减。
如图2所示，测量端发生的是单光子干涉，包含两个单光子探测器(DET)，一个分束器(BS)；
如图3所示，光路选择模块两端共有五个端口，五个端口可配置为输入、输出或双向端口；其中，光路选择模块的一侧具有两个端口，第一双向端口及第一输出端口，其另一侧具有三个端口，分别为第一输入端口、第二双向端口FM及第二输出端口。其中，第一输出端口及第二输出端口与测量端(DET)相连，第一双向端口及第一输入端口与环形量子网络(CIRCLE)相连，第二双向端口与一个法拉第镜(FM)相连，法拉第镜用于将输出的量子信号反射后以相反方向重新输入光路选择模块。
具体的，光路选择模块通过波长选择开关(WSS)实现其功能，即将两个需要连接在一起的端口接到同一波长的接口上实现两路相连的结构；
以下通过图4以实例具体说明如何通过该三用户TF-QKD网络系统实现三用户间的三组TF-QKD协议(以ALICE与BOB，ALICE与CHARLIE，BOB与CHARLIE三组为例)。如图4所示，环形量子网络为双向结构，即量子信号在环形网络中可以沿顺时针传递亦可以沿逆时针传递。该实例具体实施步骤如下：
步骤一：ALICE、BOB、CHARLIE三个用户分别按顺序制备两个要发送给其余两名用户的量子态，并通过发送端发送至环形量子网络中，以逆时针传递；
步骤二：量子信号进入光路选择模块中；
步骤三：此时ALICE发送的第一个量子信号(假设要与BOB进行通信，并在ALICE端进行探测)进入ALICE端的光路选择模块，如图3所示，左侧第一双向端口与右侧第二输出端口选择同一波长，则ALICE发送的第一个量子信号从ALICE端光路选择模块的右侧进入测量端；
步骤四：此时BOB发送的第一个量子信号(假设要与ALICE进行通信，并在ALICE端进行探测)进入BOB端的光路选择模块，如图3所示，第一双向端口与右侧第二双向端口选择同一波长，则BOB发送的第一个量子信号从BOB端光路选择模块的右侧进入FM所在的信道，经过FM反射后从光路选择模块右侧进入，此时左侧第一双向端与第二双向端口选择同一波长，则BOB发送的第一个量子信号从光路选择模块左侧第一双向端口输出以顺时针在环形量子网络上传递并从右侧进入到ALICE端的光路选择模块，此时ALICE端光路选择模块的左侧第一输出端口与右侧第一输入端口选择同一波长，则BOB发送的第一个量子信号从ALICE端的光路选择模块左侧输出进入到测量端，与上一步骤中从右侧进入ALICE端的测量端的ALICE第一个量子信号发生干涉；
步骤五：然后同理，通过调节波长选择开关，使ALICE发送的第二个量子信号(假设要与CHARLIE进行通信，并在CHARLIE端进行探测)进入ALICE端的光路选择模块后进入FM端经FM反射后进入环形量子网络到达CHARLIE端与CHARLIE所发送的相应信号进行干涉；
步骤六：同理，CHARLIE与BOB通过同样方式在BOB端的测量端完成单光子干涉；
步骤七：到此，就完成了一次的三用户进行三组TF-QKD协议，重复步骤一到步骤六生成两两用户间的原始密钥，经过后续一系列操作，最终生成共同的安全密钥。
在本实施例中，三用户TF-QKD网络系统可同时支持三组TF-QKD的进行，任一用户所发送的量子信号可到达环形量子网络的任一测量端，可实现一个用户与多个用户进行通信。
根据上述说明书的揭示和教导，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，并不对实用新型构成任何限制。
Claims (7)
1.一种三用户TF-QKD网络系统，其特征在于，包括三个发送端，三个测量端，三个光路选择模块及环形量子网络；其中，三个发送端，三个测量端及三个光路选择模块通过所述环形量子网络相连；
所述光路选择模块设有五个端口，五个端口配置为输入、输出或双向端口；其中，光路选择模块一侧具有两个端口，分别为第一双向端口和第一输出端口；其另一侧具有三个端口，分别为第一输入端口、第二双向端口和第二输出端口；所述第一输出端口、第二输出端口均与测量端相连，第一双向端口、第一输入端口均与环形量子网络相连，第二双向端口连接有法拉第镜，所述法拉第镜配置为将输出的量子信号反射后，以相反方向重新输入光路选择模块。
2.如权利要求1所述的三用户TF-QKD网络系统，其特征在于，所述光路选择模块配置为对输入的信号选择不同的端口输出，由第一双向端口输入的信号可以从第二输出端口或第二双向端口输出，由第一输入端口、第二双向端口输入的信号可以从第一双向端口或第一输出端口输出。
3.如权利要求2所述的三用户TF-QKD网络系统，其特征在于，所述光路选择模块通过将光路选择模块两端的五个端口分别接在两个波长选择开关上，并将两个需要连接的端口接到同一波长的开关上。
4.如权利要求1所述的三用户TF-QKD网络系统，其特征在于，所述发送端包含激光器，强度调制器，两个相位调制器，光衰减器；其中，所述激光器配置为发射相干光源；所述强度调制器配置为制备诱惑态，两个相位调制器配置为对单光子态进行相位随机化、相位编码；所述光衰减器配置为将激光器的脉冲强度衰减至单光子级别。
5.如权利要求1所述的三用户TF-QKD网络系统，其特征在于，所述测量端发射的是单光子干涉，包含两个单光子探测器和一个分束器。
6.如权利要求1所述的三用户TF-QKD网络系统，其特征在于，所述环形量子网络为双向结构，即量子信号在环形网络中沿顺时针传输或沿逆时针传输。
7.如权利要求1所述的三用户TF-QKD网络系统，其特征在于，所述三用户TF-QKD网络系统配置为同时支持三组TF-QKD进行，任一用户所发送的量子信号可到达环形量子网络的任一测量端，实现一个用户与多个用户进行通信。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN114531228A (zh) * | 2021-12-31 | 2022-05-24 | 华南师范大学 | 一种相位稳定的多用户tf-qkd系统及实现方法 |
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2020
- 2020-12-28 CN CN202023220432.3U patent/CN213879845U/zh active Active
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| CN114531228A (zh) * | 2021-12-31 | 2022-05-24 | 华南师范大学 | 一种相位稳定的多用户tf-qkd系统及实现方法 |
| CN114531228B (zh) * | 2021-12-31 | 2023-06-30 | 华南师范大学 | 一种相位稳定的多用户tf-qkd系统及实现方法 |
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