CN214429544U - 基于波长调制的量子密钥分发系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提出了一种基于波长调制的量子密钥分发系统，其包括至少两个发射端、波长调制模块和测量端，其中第一发射端和第二发射端用于生成经编码的信号光，且具有波长不同的光源。波长调制模块用于对信号光进行波长调制以使信号光的波长相同。测量端对经波长调制后具有相同波长的信号光进行测量。由此，可以避免例如在MDI‑QKD和TF‑QKD系统中对于不同发送端的光源的波长一致性的要求。
Description
技术领域
本实用新型涉及量子通信技术领域，具体涉及基于波长调制的量子密钥分发系统。
背景技术
测量设备无光的量子密钥分发(MDI-QKD)协议利用双光子干涉技术消除了探测端的所有安全漏洞，无需对测量端的量子设备进行任何安全性假设，被认为是现实安全性最高的量子通信协议之一，也具有非常好的实用意义。实验室中，原始MDI-QKD传输距离达到了 400公里量级，MDI-QKD采用双光子复合事件作为有效探测事件，使其安全成码率随信道衰减线性下降，在无量子中继的情形下，安全成码率受线性界限的约束。
近年，一种新兴的MDI协议——双场量子密钥分发(TF-QKD) 协议被提出，利用单光子干涉技术，可以实现更远距离的密钥分发。在实验室实验中，该方案已实现500km的验证。TF-QKD利用单光子干涉作为有效探测事件，使安全成码率随信道衰减的平方根线性下降，甚至可以在无中继的情形下轻松突破QKD成码率线性界限。
任何一种光的干涉都需要光子的模式完全相同，包括且不仅限于波长、空间模式、偏振、时间及脉冲形状等。MDI-QKD的实现需要利用双光子干涉技术，而双光子干涉的前提是两个光束的光的频率和波长相同、光的传播方向相同、光的相位有一个恒定的差异。
在MDI-QKD实验中，Alice和Bob分别随机制备不同的BB84偏振态相干脉冲，然后发送给Charlie进行贝尔态测量，选择正确的测量结果。为了实现Charlie内两光子态良好的干涉效果，系统需要对影响干涉的各种参数进行严格的校准和反馈，包括时间模式、偏振模式以及光谱模式等。在MDI-QKD系统中，Alice和Bob两者采用独立的激光器，系统需要波长校准模块以保证两者的波长高度一致。 TF-QKD实施的技术要求相当苛刻，因为它要求两个远程独立激光器的单光子级干涉，同时需要通过单光子探测结果实现长距离光纤链路相对相位快速漂移的精准估计。而时频传输技术和激光注入锁定技术可以将两个独立的远程激光器的波长锁定为相同，满足TF-QKD实施的技术要求。
现有MDI-QKD和TF-QKD实验对Alice和Bob两路光波长校准技术实现复杂，受限于器件性能水平，限制了QKD系统的波长选择，限制了在密集型光波复用(DWDM)网络中的应用。
实用新型内容
针对上述问题，本实用新型提出了一种基于波长调制的量子密钥分发系统，其包括至少两个发射端和一个测量端，其中：
所述至少两个发射端中的第一发射端包括用于产生第一信号光的第一光源，以及用于对所述第一信号光进行编码的第一编码模块；
所述至少两个发射端中的第二发射端包括用于产生第二信号光的第二光源，以及用于对所述第二信号光进行编码的第二编码模块；其特征在于：
所述第一光源和第二光源具有不同的波长；
所述量子密钥分发系统还包括波长调制模块，其用于对所述第一和第二信号光中的至少一个进行波长调制，以使所述第一和第二信号光具有相同的波长；
所述测量端用于对经波长调制后具有相同波长的所述第一和第二信号光进行测量。
进一步地，所述波长调制模块在对所述信号光进行波长调制的同时，保持所述信号光的其他光学性质不变。
更进一步地，所述波长调制模块包括全波长转换器。其中，所述全波长转换器可以为交叉增益饱和调制型波长转换器、交叉相位调制型波长转换器、差频型波长转换器、或者四波混频型波长转换器。
进一步地，所述测量端包括光子干涉模块和光电探测模块；所述光子干涉模块用于允许所述经波长调制后具有相同波长的第一和第二信号光发生干涉；所述光电探测模块用于对所述光子干涉模块输出的干涉结果进行探测。
其中，所述光电探测模块可以包括光电探测器。
进一步地，所述第一光源具有1535nm的波长，所述第二光源具有1565nm的波长，且所述波长调制模块被设置成将波长为 1535nm的所述第一信号光和波长为1565nm的所述第二信号光调制成具有1550nm的波长。
进一步地，该量子密钥分发系统可以被设置用于MDI-QKD和/ 或TF-QKD协议。
附图说明
下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明。
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图来获得其他的附图。
图1示出了根据本实用新型的基于波长调制的量子密钥分发系统的一种示例性实施例。
具体实施方式
在下文中，本实用新型的示例性实施例将参照附图来详细描述。下面的实施例以举例的方式提供，以便充分传达本实用新型的精神给本实用新型所属领域的技术人员。因此，本实用新型不限于本文公开的实施例。
图1示出了根据本实用新型的基于波长调制的量子密钥分发系统的一种实施方式。
如图1所示，该量子密钥分发系统可以包括第一发送端Alice、第二发送端Bob、波长调制模块、以及测量端Charlie。
第一发送端Alice包括第一光源和第一编码模块，其中，第一光源用于产生第一信号光，第一编码模块用于对第一信号光进行编码。
第二发送端Bob包括第二光源和第二编码模块，其中，第二光源用于产生第二信号光，第二编码模块用于对第二信号光进行编码。
在本实用新型中，第一光源和第二光源具有不同的波长。作为示例，第一和第二光源可以为激光器的形式。
波长调制模块用于对第一和第二信号光中的至少一个进行波长调制，以使第一和第二信号光具有相同的波长。
根据本实用新型，波长调制模块被设置在光子干涉模块之前，其例如可以设置在发送端和/或测量端处。
在本实用新型中，波长调制模块可以包括至少一个全波长转换器，其用于将某一波长的输入光信号转换为另一波长的输出光信号，同时保持原有光信号除波长之外的其他光学特性不变。
作为示例，全波长转换器可以是基于半导体光放大器实现的波长转换器，例如交叉增益饱和调制型、交叉相位调制型、差频型及四波混频型波长转换器等。
作为示例，波长调制模块可以包括两个全波长转换器，其分别用于对第一和第二信号光进行波长调制；或者包括一个全波长转换器，其用于对第一和第二信号光中的一个进行波长调制。
测量端Charlie用于对经波长调制后具有相同波长的第一和第二信号光进行测量。如图1所示，测量端Charlie可以包括光子干涉模块和光电探测模块。
光子干涉模块用于允许经波长调制后具有相同波长的第一和第二信号光发生干涉。
光电探测模块用于对光子干涉模块输出的干涉结果进行探测。作为示例，光电探测模块可以包括第一和第二光电探测单元。
下面将结合图1，以某一波长(但不限于此)为示例进一步描述根据本实用新型的基于波长调制的量子密钥分发系统的工作原理。
在第一发送端Alice中，第一光源产生波长为1535nm的第一信号光，第一编码模块对第一信号光进行偏振编码。
在第二发送端Bob中，第二光源产生波长为1565nm的第二信号光，第二编码模块对第二信号光进行偏振编码。
第一和第二信号光经光学传输进入波长调制模块。
波长调制模块包括第一和第二全波长转换器。其中，第一全波长转换器用于将第一信号光的波长从1535nm转换为1550nm，第二全波长转换器用于将第二信号光的波长从1565nm转换为1550nm，由此使第一和第二信号光具有相同的波长，同时保持包括编码信息在内的光学特性不变。通过将信号光的波长转换为1550nm的通信波段，使得可以实现长距离的量子密钥分发。
波长为1550nm的第一和第二信号光在光子干涉模块处发生干涉，并由光电探测模块中的第一和第二光电探测器对干涉结果进行探测。
借助本实用新型的量子密钥分发系统，借助波长调制器在干涉之前进行波长调制，可以在不同发射端中采用不同波长的远程激光器光源的情况下仍然达到干涉对波长一致性的需求，而不再要求在发送端 (例如Alice和Bob端)采用相同波长的激光器，无需保证两个独立的远程激光器的波长高度一致以实现MDI-QKD，也无需使用时频传输技术和激光注入锁定技术将两个独立的远程激光器的波长锁定为相同来实现TF-QKD，极大地降低了例如MDI-QKD或者TF-QKD 系统对于不同发射端光源一致性的硬件要求和技术难度，提高扩展了量子分发系统的应用前景。
虽然上文是基于两个发送端和一个测量端的示例对本实用新型的工作原理进行了说明，但是本领域技术人员能够理解，本实用新型可以用于其中多个发送端发送光子至一个接收方进行干涉等操作的量子密钥分发系统，即，本实用新型适用于(但不限于)基于MDI-QKD 和TF-QKD协议的量子密钥分发系统。
尽管前面结合附图通过具体实施例对本实用新型进行了说明，但是，本领域技术人员容易认识到，上述实施例仅仅是示例性的，用于说明本实用新型的原理，其并不会对本实用新型的范围造成限制，本领域技术人员可以对上述实施例进行各种组合、修改和等同替换，而不脱离本实用新型的精神和范围。
Claims (8)
1.一种基于波长调制的量子密钥分发系统，其包括至少两个发射端，以及测量端，其中：
所述至少两个发射端中的第一发射端包括用于产生第一信号光的第一光源，以及用于对所述第一信号光进行编码的第一编码模块；
所述至少两个发射端中的第二发射端包括用于产生第二信号光的第二光源，以及用于对所述第二信号光进行编码的第二编码模块；其特征在于：
所述第一光源和第二光源具有不同的波长；
所述量子密钥分发系统还包括波长调制模块，其用于对所述第一和第二信号光中的至少一个进行波长调制，以使所述第一和第二信号光具有相同的波长；
所述测量端用于对经波长调制后具有相同波长的所述第一和第二信号光进行测量。
2.如权利要求1所述的量子密钥分发系统，其中，所述波长调制模块在对所述信号光进行波长调制的同时，保持所述信号光的其他光学性质不变。
3.如权利要求2所述的量子密钥分发系统，其中，所述波长调制模块包括全波长转换器。
4.如权利要求3所述的量子密钥分发系统，其中，所述全波长转换器为交叉增益饱和调制型波长转换器、交叉相位调制型波长转换器、差频型波长转换器、或者四波混频型波长转换器。
5.如权利要求1所述的量子密钥分发系统，其中，所述测量端包括光子干涉模块和光电探测模块；
所述光子干涉模块用于允许所述经波长调制后具有相同波长的第一和第二信号光发生干涉；
所述光电探测模块用于对所述光子干涉模块输出的干涉结果进行探测。
6.如权利要求5所述的量子密钥分发系统，其中，所述光电探测模块包括光电探测器。
7.如权利要求1所述的量子密钥分发系统，其中，所述第一光源具有1535nm的波长，所述第二光源具有1565nm的波长，且所述波长调制模块被设置成将波长为1535nm的所述第一信号光和波长为1565nm的所述第二信号光调制成具有1550nm的波长。
8.如权利要求1-7中任一项所述的量子密钥分发系统，其特征在于被设置用于MDI-QKD和/或TF-QKD协议。
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| CN202120361897.6U CN214429544U (zh) | 2021-02-07 | 2021-02-07 | 基于波长调制的量子密钥分发系统 |
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN114039666A (zh) * | 2021-11-26 | 2022-02-11 | 济南量子技术研究院 | 一种强度调制装置及其稳定控制方法、qkd系统 |
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2021
- 2021-02-07 CN CN202120361897.6U patent/CN214429544U/zh active Active
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| CN114039666A (zh) * | 2021-11-26 | 2022-02-11 | 济南量子技术研究院 | 一种强度调制装置及其稳定控制方法、qkd系统 |
| CN114039666B (zh) * | 2021-11-26 | 2023-02-21 | 济南量子技术研究院 | 一种强度调制装置及其稳定控制方法、qkd系统 |
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