CN217037196U - 一种小型化qkd设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种小型化的QKD设备，其包括QKD模块以用于生成和输出量子光信号、同步光信号和协商光信号，以及经协商生成并输出量子密钥。此外，该QKD设备还包括经典量子波分复用模块和光学监测模块，且仅设有一个通用接口和一个光学接口。该经典量子波分复用模块用于将量子光信号、同步光信号和协商光信号进行波分复用，以便能够利用一个光学接口实现QKD所需要的光学通信，且可以借助一个通用接口实现QKD所需要的数字通信。由此，可以简化QKD设备的硬件接口配置，有利于其外部尺寸的减小，同时还有利于与各种经典设备的接口适配。

Description

一种小型化QKD设备

技术领域

本实用新型涉及量子保密通信领域，尤其涉及一种小型化QKD(量子密钥分发)设备，例如用于QKD的发送方设备。

背景技术

为实现量子密钥分发过程，QKD设备需要对量子光信号、同步光信号、协商信号、量子密钥、密钥管理信息及设备状态信息等各类信号进行通信。为此，现有QKD设备中通常设置有多种硬件接口，以用作相应的数据接口。如图1所示，现有的一种典型QKD设备中设置有五个硬件接口，即用于输出量子密钥的密钥输出接口、用于收发密钥管理数据的密钥管理接口、用于收发密钥协商数据的密钥协商接口、用于收发网络管理数据的网络管理接口、以及用于量子光信号/同步光信号的光学接口。这种复杂的硬件接口结构不仅要求更大的设备尺寸，而且难以满足不同类型的经典设备对于硬件接口的适配要求，使得目前的QKD设备在便携性和适配性方面存在不足。

实用新型内容

针对现有技术存在的上述问题，本实用新型公开了一种小型化的QKD设备，其包括QKD模块，所述QKD模块用于生成和输出量子光信号、同步光信号和协商光信号，以及经协商生成并输出量子密钥；

其特征在于，所述QKD设备还包括经典量子波分复用模块、光学监测模块和信号接口，所述信号接口仅包括一个通用接口和一个光学接口；

所述经典量子波分复用模块连接所述QKD模块，用于对所述量子光信号、同步光信号和协商光信号进行波分复用；

所述光学监测模块连接所述QKD模块，用于监测所述量子光信号的光强；

所述通用接口连接所述QKD模块，用于允许对外进行数字信号的通信；

所述光学接口连接所述经典量子波分复用模块，用于允许对外进行光学信号的通信。

优选地，所述经典量子波分复用模块包括波分复用器。

优选地，所述通用接口为PCIE接口；以及/或者，所述光学接口为LC/UPC接口。

进一步地，所述QKD模块包括随机数发生单元、量子光信号生成单元、同步光信号生成单元、经典协商单元和控制单元；

所述随机数发生单元用于生成随机数；

所述量子光信号生成单元用于生成所述量子光信号；

所述同步光信号生成单元用于生成所述同步光信号；

所述控制单元用于对所述量子光信号生成单元和同步光信号生成单元进行驱动控制，以及协商生成所述量子密钥并对其进行管理；

所述经典协商单元设于所述控制单元与所述经典量子波分复用模块之间，用于以光电转换的方式生成所述协商光信号。

更进一步地，所述随机数发生单元包括随机数芯片；以及/或者，所述经典协商单元包括光电转换器。

更进一步地，所述控制单元包括处理器和存储器。其中，所述处理器可以借助分离的CPU和FPGA实现，或者借助具有集成驱动功能的处理器实现。

更进一步地，所述量子光信号生成单元包括信号光驱动器、信号光源和光学芯片；

所述信号光驱动器用于基于所述控制单元的控制，向所述信号光源输出信号光驱动信号：

所述信号光源用于根据所述信号光驱动信号生成信号光；

所述光学芯片用于对所述信号光进行编码，生成所述量子光信号。

更进一步地，所述同步光信号生成单元包括同步光驱动器和同步光源；

所述同步光驱动器用于基于所述控制单元的控制，向所述同步光源输出同步光驱动信号；

所述同步光源用于根据所述同步光驱动信号，生成所述同步光信号。

优选地，该QKD设备可以具有不大于120mm*220mm的二维平面尺寸。

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示出了现有技术的QKD设备的一种典型结构；

图2示出了根据本实用新型的小型化QKD设备的一种示例性实施方式。

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2示出了根据本实用新型的小型化QKD设备的一种示例性实施方式。

如图2所示，本实用新型的QKD设备可以包括QKD模块、经典量子波分复用模块和光学监测模块。

QKD模块作为量子密钥分发系统的发送端，可以生成和输出量子光信号、同步光信号及协商光信号，以及经协商生成并输出量子密钥。

经典量子波分复用模块与QKD模块形成光路连接，用于将QKD模块输出的量子光信号、同步光信号及协商光信号进行波分复用，以允许量子光信号、同步光信号及协商光信号共用一个光学传输信道(例如单根光纤信道)。

因此，在本实用新型的QKD设备中，在信号接口方面，可以仅设置一个通用接口和一个光学接口，其中：通用接口连接QKD模块，用于允许QKD设备与外界开展数字信号的通信；光学接口则连接经典量子波分复用模块，用于允许QKD设备与外界开展光学信号的通信，例如输出量子光信号和同步光信号，以及收发协商光信号等。

作为优选示例，经典量子波分复用模块可以包括波分复用器。

作为优选示例，通用接口可以为PCIE接口，由此允许QKD设备以灵活的方式快速与各类经典设备进行接口适配。其中，通用接口可以但不限于用于实现有关量子密钥、密钥管理数据、及各种设备状态数据(例如温度、异常信息等)等的数字信号的通信。

作为优选示例，光学接口可以为LC/UPC接口，由此允许QKD设备快速地连接外部光纤信道，以使量子光信号、同步光信号及协商光信号能够复用该光纤信道。

由此可见，相比于现有技术中通常需要为QKD设备配置多个光学和数据接口(例如密钥协商接口、量子光信号/同步光接口、密钥输出接口、密钥管理接口、网络管理接口等)，本实用新型所提出的QKD设备通过设置通用接口和经典量子波分复用模块，可以大大减少所需接口数量，只需一个通用接口和一个光学接口即可实现QKD设备所需要的数据通道，从而允许进一步地减小QKD设备的尺寸。例如，可以将QKD设备的二维平面尺寸(长/宽)进一步缩小为120mm*220mm。

此外，光学监测模块对QKD模块中生成的量子光信号进行光强监测，并将光强监测结果反馈给QKD模块，以允许QKD模块根据该光强反馈信号精确地将量子光信号的光强控制为预设水平，例如单光子水平。作为示例，光学监测模块可以包括光电探测器。

继续参见图2，在该具体实施方式中，QKD模块可以包括随机数发生单元、量子光信号生成单元、同步光信号生成单元、经典协商单元和控制单元。

随机数发生单元用于生成随机数，例如量子随机数。作为示例，随机数发生单元可以包括随机数芯片。

控制单元向量子光信号生成单元和同步光信号生成单元输出控制信号，以控制生成量子光信号和同步光信号，以及经协商(进行基矢比对、纠错、隐私放大等)生成量子密钥，并对量子密钥进行管理。

作为示例，控制单元可以基于随机数向量子光信号生成单元输出控制信号，以控制生成量子光信号。

作为示例，控制单元可以包括处理器和存储器。

在本实用新型中，处理器可以借助分离的CPU和FPGA来实现，也可以借助具有集成驱动功能的处理器(例如ZYNQ)来实现。

存储器可以用于数据的缓存。

量子光信号生成单元可以包括信号光驱动器、信号光源和光学芯片。

信号光驱动器用于根据控制单元的控制信号，向信号光源输出信号光驱动信号。

信号光源用于根据信号光驱动信号生成信号光。作为示例，信号光源可以为激光器。

光学芯片用于对信号光进行编码，生成量子光信号。

同步光信号生成单元可以包括同步光驱动器和同步光源。

同步光驱动器用于根据控制单元的控制信号，向同步光源输出同步光驱动信号。

同步光源用于根据同步光驱动信号生成同步光信号。作为示例，同步光源可以为激光器。

经典协商单元设置于控制单元和经典量子波分复用模块之间，用于实现协商信号在用于控制单元的数字信号和用于经典量子波分复用模块的光信号之间的转换。作为示例，经典协商单元可以包括光电转换器。因此，允许控制单元(例如CPU)直接驱动光电转换器，生成协商光信号，从而减少在QKD设备上设置协商信号接口的需求，能够借助经典量子波分复用模块，借助同一个光学接口，实现协商信号的通信。

综上，在本实用新型的QKD设备中，通过对硬件结构的优化，例如设置经典协商单元并利用CPU直接驱动经典协商单元以通过光信号的形式发送协商信号，同时通过设置经典量子波分复用模块，使得能够将包括量子光信号、同步光信号和协商光信号等各种类型的光信号借助同一光学接口和同一光学信道实现信号的通信，从而允许在设备硬件接口上仅设置一个PCIE通用标准接口和一个通用光学接口即可满足所有信号通信的需求。在减少QKD设备对外接口数量，简化QKD设备结构，因避免不同光信号分别与其光学接口连接所需光路占据的设备内部空间和接口设置所需要的设备空间而减少其外部尺寸的同时，通过设置单一通用接口作为设备数字数据的统一接口，还可以对外提供高的数据通信速率和强的扩展性，允许方便地将该小型化设备与经典设备进行对接，以形成同时具备量子密钥分发和加解密功能的一体机设备，增强QKD设备的适用性。同时，通过设置光学监测模块，允许为QKD设备生成的光信号提供更精确的控制，从而进一步提升其性能。此外，该QKD设备因仅需要单个光纤信道，因此还可以极大节省光纤资源，且使用更为方便。

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 (10)

1.一种小型化的QKD设备，其包括QKD模块，所述QKD模块用于生成和输出量子光信号、同步光信号和协商光信号，以及协商生成和输出量子密钥；

其特征在于，所述QKD设备还包括经典量子波分复用模块、光学监测模块和信号接口，所述信号接口仅包括一个通用接口和一个光学接口；

所述经典量子波分复用模块连接所述QKD模块，用于对所述量子光信号、同步光信号和协商光信号进行波分复用；

所述光学监测模块连接所述QKD模块，用于监测所述量子光信号的光强；

所述通用接口连接所述QKD模块，用于允许对外进行数字信号的通信；

所述光学接口连接所述经典量子波分复用模块，用于允许对外进行光学信号的通信。

2.如权利要求1所述的QKD设备，其特征在于，所述经典量子波分复用模块包括波分复用器。

3.如权利要求1所述的QKD设备，其特征在于，所述通用接口为PCIE接口，以及/或者所述光学接口为LC/UPC接口。

4.如权利要求1所述的QKD设备，其特征在于，所述QKD模块包括随机数发生单元、量子光信号生成单元、同步光信号生成单元、经典协商单元和控制单元；

所述随机数发生单元用于生成随机数；

所述量子光信号生成单元用于生成所述量子光信号；

所述同步光信号生成单元用于生成所述同步光信号；

所述控制单元用于对所述量子光信号生成单元和同步光信号生成单元进行驱动控制，以及协商生成所述量子密钥并对其进行管理；

所述经典协商单元设于所述控制单元和经典量子波分复用模块之间，用于以光电转换的方式生成所述协商光信号。

5.如权利要求4所述的QKD设备，其特征在于，所述随机数发生单元包括随机数芯片；以及/或者，所述经典协商单元包括光电转换器。

6.如权利要求4所述的QKD设备，其特征在于，所述控制单元包括处理器和存储器。

7.如权利要求6所述的QKD设备，其特征在于，所述处理器借助分离的CPU和FPGA实现，或者借助具有集成驱动功能的处理器实现。

8.如权利要求4所述的QKD设备，其特征在于，所述量子光信号生成单元包括信号光驱动器、信号光源和光学芯片；

所述信号光驱动器用于基于所述控制单元的控制，向所述信号光源输出信号光驱动信号；

所述信号光源用于根据所述信号光驱动信号生成信号光：

所述光学芯片用于对所述信号光进行编码，生成所述量子光信号。

9.如权利要求4所述的QKD设备，其特征在于，所述同步光信号生成单元包括同步光驱动器和同步光源：

所述同步光驱动器用于基于所述控制单元的控制，向所述同步光源输出同步光驱动信号：

所述同步光源用于根据所述同步光驱动信号，生成所述同步光信号。

10.如权利要求1-9中任一项所述的QKD设备，其特征在于，具有不大于120mm*220mm的二维平面尺寸。

Images