CN217135505U - 即插即用型sagnac环参考系无关测量设备无关QKD系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种即插即用型sagnac环参考系无关测量设备无关QKD系统，包括Charlie信号产生和解调端、Alice调制端和Bob调制端，其中所述Charlie信号产生和解调端、Alice调制端和Bob调制端形成sagnac环状脉冲传输链路，所述sagnac环状脉冲传输链路包括顺时针方向链路和逆时针方向链路，其中，所述顺时针方向链路中光脉冲传输路线为：从Charlie信号产生和解调端输出后，依次经过所述Bob调制端和Alice调制端，最后回到Charlie信号产生和解调端；所述逆时针方向链路中光脉冲传输路线为：从Charlie信号产生和解调端输出后，依次经过所述Alice调制端和Bob调制端，最后回到Charlie信号产生和解调端。本实用新型降低了量子密钥分发系统的复杂性的同时提高了通信的安全性。
Description
技术领域
本实用新型涉及量子信息与光通信领域，更具体地，涉及一种即插即用型sagnac环参考系无关测量设备无关QKD系统。
背景技术
量子密钥分发(Quantum Key Distribution,QKD)是20世纪80年代基于量子力学原理和信息论发展起来的一种新的产生和分发密码的方法。与传统的基于数学复杂度原理的密码不同的是量子密钥分发基于物理学原理，在理论上能保证绝对的安全性。QKD是近三十年来发展最为成熟的量子密码技术，自1984年第一个QKD协议被提出至今，已经有许多可执行的协议被相继提出。近年来QKD的发展已经逐步从理论走向实际应用中，在信息安全方面具有广阔的应用前景。
量子密钥分发建立在量子力学原理基础上，基于海森堡的不确定原理和量子态不可克隆原理，所以在理论上具有绝对的安全性。现有的编码方式有偏振编码，相位编码和时间-相位编码等方式。然而在QKD系统的实际实施中，由于实际物理器件的非理想性，导致协议存在一些安全性漏洞。因此研究者们做了很多努力来弥补理论与实际QKD安全性之间的差距，相继提出很多改进的协议。在实际QKD系统中的单光子源往往采用的是激光经过强衰减后的弱相干态光源，这是概率性的单光子脉冲，窃听者可以采用PNS攻击来获取密钥信息，对此提出了诱骗态的协议，可以有效的抵御PNS攻击。随后又提出单端设备无关QKD协议，半设备无关QKD协议等。测量设备无关(Measurement-Device-Independent,MDI)协议的提出，有效的解决了所有针对探测器的攻击，而且将QKD的传输距离提高了一倍。利用现有技术实现，该协议的安全性已经得到证明，并在实际网络上进行了实验验证。2018年东芝欧洲研究所在《Nature》上发表了一篇关于QKD的文章，提出了双场量子密钥分发协议(TwinField quantum key distribution，TF-QKD)。该协议有效地突破了以往QKD协议的距离-成码率的极限，引起了界内的轰动。在量子密钥分发系统中，由于实际的器件和环境因素会引起光子信号在传输中的扰动，在发送端和接收端需要对齐参考系。即在合法的通信用户之间需要一个共享的参考框架:偏振编码的偏振态对齐，相位编码的干涉稳定性。主动的对通信方Alice和Bob之间的参考系进行校准操作复杂而且会降低系统的密钥率。为了避免上述问题，一种参考系无关的协议被提出(Reference-frame-independent quantum keydistribution，RFI-QKD),该协议大大降低了参考系对准的要求，不仅可以简化现有装置的操作，而且还可以应用一些新出现的场景，如地球到卫星链路等场景，因此受到了业界人士的极大关注。随后结合MDI和RFI的优点，RFI-MDI-QKD协议的提出，进一步提高了QKD系统的实际安全性。
在现有的RFI-MDI-QKD系统中，采用两个光源的方式可能会带来安全漏洞问题，比如测信道攻击；通信双方发送信号的路径不同可能会导致不同的相位漂移和偏振态的扰动，需要进行额外的相位补偿和偏振补偿，这极大的增加了系统的复杂性。
现有技术CN106533676A公开了一种基于参考系无关协议的量子密钥分发系统，采用光注入半导体激光器产生具有编码信息的量子态，代替了传统的光源和量子态编码模块的方案。光子的时间及相位差信息由量子密钥编码端内的光注入半导体激光器产生，量子密钥编码端内的第一激光器驱动器、第二激光器驱动器、脉冲产生激光器，相位制备激光器、第一三端口环形器组成光注入半导体激光器，第二激光器驱动器控制相位制备激光器将预调Δφ相位的相位调制光脉冲注入脉冲产生激光器，可使第一激光器驱动器控制的脉冲产生激光器产生一对相位差为Δφ的双脉冲信号光，从而产生具有时间、相位编码信息的脉冲序列。该方案依然使用两个光源的方式，系统的复杂性较高。
实用新型内容
本实用新型提供一种即插即用型sagnac环参考系无关测量设备无关QKD系统，本实用新型结构简单、使用方便和传输稳定。
为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案如下：
一种即插即用型sagnac环参考系无关测量设备无关QKD系统，包括Charlie信号产生和解调端、Alice调制端和Bob调制端，其中所述Charlie信号产生和解调端、Alice调制端和Bob调制端形成sagnac环状脉冲传输链路，所述sagnac环状脉冲传输链路包括顺时针方向链路和逆时针方向链路，其中，所述顺时针方向链路中光脉冲传输路线为：从Charlie信号产生和解调端输出后，依次经过所述Bob调制端和Alice调制端，最后回到Charlie信号产生和解调端；所述逆时针方向链路中光脉冲传输路线为：从Charlie信号产生和解调端输出后，依次经过所述Alice调制端和Bob调制端，最后回到Charlie信号产生和解调端。
优选地，所述Charlie信号产生和解调端包括单光子源、第一分束器、第二分束器，第三分束器，第一单光子探测器、第二单光子探测器、第三单光子探测器和第四单光子探测器，其中：
所述单光子源发出单光子脉冲，所述单光子脉冲经第一分束器后分为两束光，其中一束进入所述sagnac环状脉冲传输链路的顺时针方向链路，另一束进入所述sagnac环状脉冲传输链路的逆时针方向链路；
所述两束光沿着sagnac环状脉冲传输链路的顺时针方向链路和逆时针方向链路中传输，并在所述第一分束器处发生干涉，分别进入第二分束器和第三分束器，所述第二分束器分别与第一单光子探测器、第二单光子探测器连接，所述第二分束器分别与第三单光子探测器、第四单光子探测器连接，通过所述第一单光子探测器、第二单光子探测器、第三单光子探测器和第四单光子探测器对所述干涉结果进行探测。
优选地，所述单光子源包括激光器和衰减器，其中：
所述激光器产生45°线偏振光，所述45°线偏振光经所述衰减器衰减为单光子脉冲。
优选地，所述第一分束器为50:50的第一分束器，将所述单光子脉冲分为两束强度相同的光束。
优选地，所述第一单光子探测器和、第二单光子探测器、第三单光子探测器和第四单光子探测器均为雪崩单光子探测器。
优选地，所述Alice调制端包括第一带通滤波器、第一强度调制器、第一马赫曾德尔干涉仪、第二强度调制器和第三强度调制器，其中：
所述Charlie信号产生和解调端进入所述sagnac环状脉冲传输链路的逆时针方向链路的光束，依次经过所述第一带通滤波器、第一强度调制器、第一马赫曾德尔干涉仪、第二强度调制器和第三强度调制器后输出至所述Bob调制端。
优选地，所述第一马赫曾德尔干涉仪包括第四分束器、第一延时线、第一相位调制器、第四强度调制器和第五分束器，其中：
所述第一强度调制器输出的光束经过所述第四分束器分为两束光，其中一束经过所述第一延时线进入所述第五分束器，另外一束依次经过所述第一相位调制器、第四强度调制器调制后进入所述第五分束器，所述第五分束器输出的光束进入所述第二强度调制器进行调制。
优选地，所述Bob调制端包括第二带通滤波器、第四强度调制器、第二马赫曾德尔干涉仪、第五强度调制器和第六强度调制器，其中：
所述Charlie信号产生和解调端进入所述sagnac环状脉冲传输链路的顺时针方向链路的光束，依次经过所述第二带通滤波器、第四强度调制器、第二马赫曾德尔干涉仪、第五强度调制器和第六强度调制器后输出至所述Alice调制端。
优选地，所述第二马赫曾干涉仪包括第六分束器、第二延时线、第二相位调制器、第八强度调制器和第七分束器，其中：
所述第五强度调制器输出的光束经过所述第六分束器分为两束光，其中一束经过所述第二延时线进入所述第七分束器，另外一束依次经过所述第二相位调制器、第八强度调制器调制后进入所述第七分束器，所述第七分束器输出的光束进入所述第六强度调制器进行调制。
优选地，所述第四分束器和第六分束器均为50:50的分束器，将光束分为强度相同的两束光。
与现有技术相比，本实用新型技术方案的有益效果是：
1.本实用新型对传统的参考系无关测量设备无关的协议进行了改进,采用sagnac环原理进行量子密钥分发，使得相位波动和偏振变化自动得到补偿，并能够自动调准并补偿双折射。参考系无关协议大大降低了参考系对准的要求，结合sagnac环使得传输链路更加的稳定，并相比需要进行主动相位和偏振补偿的系统，简化了实验装置。
2.本实用新型采用单个光源生成光脉冲，有效解决了多个光源不一致所引起的安全漏洞问题，降低了量子密钥分发系统的复杂性。
3.本实用新型结合了参考系无关和测量设备无关协议，并采用即插即用结构，消除了所有对探测器测信道的攻击，不需要复杂的相位和偏振参考系统，大大降低了量子密钥分发QKD协议系统的复杂性，提高了通信的安全性。
4.本实用新型采用的元器件均有成熟的技术，易于方案的实现。
附图说明
图1为本实用新型的系统整体框架示意图。
图2为本实用新型的Charlie信号产生和解调端结构示意图。
图3为本实用新型的Alice调制端结构示意图。
图4为本实用新型的Bob调制端结构示意图。
图中，1为激光器，2为衰减器，3为第一分束器，4为第二分束器，5为第三分束器，6为第一单光子探测器，7为第二单光子探测器，8为第三单光子探测器，9为第四单光子探测器，10为第一带通滤波器，11为第一强度调制器，12为第四分束器，13为第一相位调制器，14为第四强度调制器，15为第五分束器，16为第二强度调制器，17为第三强度调制器，18为第二带通滤波器，19为第五强度调制器，20为第六分束器，21为第二相位调制器，22为第八强度调制器，23为第七分束器，24为第六强度调制器，25为第七强度调制器。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本实用新型的技术方案做进一步的说明。
实施例1
本实施例提供一种即插即用型sagnac环参考系无关测量设备无关QKD系统，如图1所示，包括Charlie信号产生和解调端、Alice调制端和Bob调制端，其中所述Charlie信号产生和解调端、Alice调制端和Bob调制端形成sagnac环状脉冲传输链路，所述sagnac环状脉冲传输链路包括顺时针方向链路和逆时针方向链路，其中，所述顺时针方向链路中光脉冲传输路线为：从Charlie信号产生和解调端输出后，依次经过所述Bob调制端和Alice调制端，最后回到Charlie信号产生和解调端；所述逆时针方向链路中光脉冲传输路线为：从Charlie信号产生和解调端输出后，依次经过所述Alice调制端和Bob调制端，最后回到Charlie信号产生和解调端。
在具体实施过程中，参考系无关协议需要三组共轭基，即X基，Y基，Z基。其中只有Z基用来生成密钥，X基和Y基用来计算误码率。Alice和Bob的测量基之间的关系为：
ZA＝ZB
XB＝cosβXA+sinβYA
YB＝cosβYA-sinβXA
式中未知数β表征参考系的不匹配度,其物理意义和具体的编码系统有关:在偏振编码系统中表示偏振方向偏离的夹角,在相位编码系统中表示相对相位的漂移,β是个缓慢变化的参数。
本实用新型的系统采取的Z基用时间编码，X基和Y基用相位编码，具体工作步骤如下：
Charlie信号产生和解调端产生信号光并分成强度相等的两束光，其中一束沿着Sagnac环状脉冲传输链路顺时针方向传输，另一束沿着Sagnac环状脉冲传输链路逆时针方向传输；
逆时针方向传输的光信号在Alice调制端调制诱骗态、X基Y基Z基的信号光，在Bob端不调制；顺时针方向传输的光信号在Bob端调制诱骗态、X基Y基Z基的信号光，在Alice端不调制；
沿着顺时针方向传输的光和沿着逆时针方向传输的光最后回到Charlie信号产生和解调端发生干涉，并检测干涉结果。
实施例2
本实施例在实施例1的基础上，提供Charlie信号产生和解调端的具体结构，如图2所示，所述Charlie信号产生和解调端包括单光子源、环形器、第一分束器、第二分束器，第三分束器，第一单光子探测器、第二单光子探测器、第三单光子探测器和第四单光子探测器，其中：
所述单光子源发出单光子脉冲，所述单光子脉冲经第一分束器后分为两束光，其中一束进入所述sagnac环状脉冲传输链路的顺时针方向链路，另一束进入所述sagnac环状脉冲传输链路的逆时针方向链路；
所述两束光沿着sagnac环状脉冲传输链路的顺时针方向链路和逆时针方向链路中传输，并在所述第一分束器处发生干涉，分别进入第二分束器和第三分束器，所述第二分束器分别与第一单光子探测器、第二单光子探测器连接，所述第二分束器分别与第三单光子探测器、第四单光子探测器连接，通过所述第一单光子探测器、第二单光子探测器、第三单光子探测器和第四单光子探测器对所述干涉结果进行探测。
所述单光子源包括激光器和衰减器，其中：
所述激光器产生45°线偏振光，所述45°线偏振光经所述衰减器衰减为单光子脉冲。
所述第一分束器为50:50的第一分束器，将所述单光子脉冲分为两束强度相同的光束。
所述第一单光子探测器、第二单光子探测器、第三单光子探测器和第四单光子探测器均为雪崩单光子探测器。
实施例3
本实施例在实施例1的基础上，提供一种所述Alice调制端包括第一带通滤波器、第一强度调制器、第一马赫曾德尔干涉仪、第二强度调制器和第三强度调制器，其中：
所述Charlie信号产生和解调端进入所述sagnac环状脉冲传输链路的逆时针方向链路的光束，依次经过所述第一带通滤波器、第一强度调制器、第一马赫曾德尔干涉仪、第二强度调制器和第三强度调制器后输出至所述Bob调制端。
具体的，光信号先经过第一带通滤波器，滤掉在信道传输中由于拉曼散射等产生的杂散光。
接着光信号经过第一强度调制器，此强度调制器的作用是随机的产生诱骗态。
通过马赫曾德尔干涉仪的光信号分为一前一后的两个脉冲，当信号光选取Z基时，两个强度调制器随机地抑制其中一个脉冲，当选取X基或者Y基时，两个强度调制器将脉冲强度调制为Z基光信号强度的一半，这样就使得窃听者eve无法区分这些光信号。
所述第一马赫曾德尔干涉仪包括第四分束器、第一延时线、第一相位调制器、第四强度调制器和第五分束器，其中：
所述第一强度调制器输出的光束经过所述第四分束器分为两束光，其中一束经过所述第一延时线进入所述第五分束器，另外一束依次经过所述第一相位调制器、第四强度调制器调制后进入所述第五分束器，所述第五分束器输出的光束进入所述第二强度调制器进行调制。
在选择Z基时，相位调制器不调制，在选取X基或者Y基时，第一相位调制器随机的调制0、π/2、π、3π/2的相位。
所述第四分束器为50:50的分束器，将光束分为强度相同的两束光。
光信号从第三强度调制器出射后，继续沿着sagnac环状脉冲传输链路传输，接着经过Bob调制端。此时Bob调制端对此光信号不做任何的调制，最后沿着sagnac环状脉冲传输链路回到Charlie信号产生和解调端。
实施例4
本实施例在实施例1的基础上，提供Bob调制端的具体结构，如图4所示，所述Bob调制端包括第二带通滤波器、第五强度调制器、第二马赫曾干涉仪、第六强度调制器和第七强度调制器，其中：
所述Charlie信号产生和解调端进入所述sagnac环状脉冲传输链路的顺时针方向链路的光束，依次经过所述第二带通滤波器、第五强度调制器、第二马赫曾德尔干涉仪、第六强度调制器和第七度调制器后输出至所述Alice调制端。
具体的，光信号先经过第二带通滤波器，滤掉在信道传输中由于拉曼散射等产生的杂散光。
接着光信号经过第五度调制器，此强度调制器的作用是随机的产生诱骗态。
通过马赫曾德尔干涉仪的光信号分为一前一后的两个脉冲，当信号光选取Z基时，两个强度调制器随机地抑制其中一个脉冲，当选取X基或者Y基时，两个强度调制器将脉冲强度调制为Z基光信号强度的一半，这样就使得窃听者eve无法区分这些光信号。
所述第二马赫曾干涉仪包括第六分束器、第二延时线、第二相位调制器、第八强度调制器和第七分束器，其中：
所述第五强度调制器输出的光束经过所述第六分束器分为两束光，其中一束经过所述第二延时线进入所述第七分束器，另外一束依次经过所述第二相位调制器、第八强度调制器调制后进入所述第七分束器，所述第七分束器输出的光束进入所述第六强度调制器进行调制。
在选择Z基时，相位调制器不调制，在选取X基或者Y基时，第一相位调制器随机的调制0、π/2、π、3π/2的相位。
所述第六分束器为50:50的分束器，将光束分为强度相同的两束光。
在马赫曾德尔干涉仪上加了一个强度调制器，当走顺时针传输链路时，Bob端马赫曾德尔干涉仪上的强度调制器不调制，传输到Alice端时，Alice端的马赫曾德尔干涉仪上的强度调制器把长臂的信号抑制掉；当走逆时针传输链路时，Alice端马赫曾德尔干涉仪上的强度调制器不调制，传输到Bob端时，Bob端的马赫曾德尔干涉仪上的强度调制器把长臂的信号制掉。
光信号从第七度调制器出射后，继续沿着sagnac环状脉冲传输链路传输，接着经过Alice调制端。此时Alice调制端对此光信号不做任何的调制，最后沿着sagnac环状脉冲传输链路回到Charlie信号产生和解调端。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种即插即用型sagnac环参考系无关测量设备无关QKD系统，其特征在于，包括Charlie信号产生和解调端、Alice调制端和Bob调制端，其中所述Charlie信号产生和解调端、Alice调制端和Bob调制端形成sagnac环状脉冲传输链路，所述sagnac环状脉冲传输链路包括顺时针方向链路和逆时针方向链路，其中，所述顺时针方向链路中光脉冲传输路线为：从Charlie信号产生和解调端输出后，依次经过所述Bob调制端和Alice调制端，最后回到Charlie信号产生和解调端；所述逆时针方向链路中光脉冲传输路线为：从Charlie信号产生和解调端输出后，依次经过所述Alice调制端和Bob调制端，最后回到Charlie信号产生和解调端。
2.根据权利要求1所述的即插即用型sagnac环参考系无关测量设备无关QKD系统，其特征在于，所述Charlie信号产生和解调端包括单光子源、第一分束器、第二分束器，第三分束器，第一单光子探测器、第二单光子探测器、第三单光子探测器和第四单光子探测器，其中：
所述单光子源发出单光子脉冲，所述单光子脉冲经第一分束器后分为两束光，其中一束进入所述sagnac环状脉冲传输链路的顺时针方向链路，另一束进入所述sagnac环状脉冲传输链路的逆时针方向链路；
所述两束光沿着sagnac环状脉冲传输链路的顺时针方向链路和逆时针方向链路中传输，并在所述第一分束器处发生干涉，分别进入第二分束器和第三分束器，所述第二分束器分别与第一单光子探测器、第二单光子探测器连接，所述第二分束器分别与第三单光子探测器、第四单光子探测器连接，通过所述第一单光子探测器、第二单光子探测器、第三单光子探测器和第四单光子探测器对所述干涉结果进行探测。
3.根据权利要求2所述的即插即用型sagnac环参考系无关测量设备无关QKD系统，其特征在于，所述单光子源包括激光器和衰减器，其中：
所述激光器产生45°线偏振光，所述45°线偏振光经所述衰减器衰减为单光子脉冲。
4.根据权利要求3所述的即插即用型sagnac环参考系无关测量设备无关QKD系统，其特征在于，所述第一分束器为50:50的第一分束器，将所述单光子脉冲分为两束强度相同的光束。
5.根据权利要求4所述的即插即用型sagnac环参考系无关测量设备无关QKD系统，其特征在于，所述第一单光子探测器、第二单光子探测器、第三单光子探测器和第四单光子探测器均为雪崩单光子探测器。
6.根据权利要求1所述的即插即用型sagnac环参考系无关测量设备无关QKD系统，其特征在于，所述Alice调制端包括第一带通滤波器、第一强度调制器、第一马赫曾德尔干涉仪、第二强度调制器和第三强度调制器，其中：
所述Charlie信号产生和解调端进入所述sagnac环状脉冲传输链路的逆时针方向链路的光束，依次经过所述第一带通滤波器、第一强度调制器、第一马赫曾德尔干涉仪、第二强度调制器和第三强度调制器后输出至所述Bob调制端。
7.根据权利要求6所述的即插即用型sagnac环参考系无关测量设备无关QKD系统，其特征在于，所述第一马赫曾德尔干涉仪包括第四分束器、第一延时线、第一相位调制器、第四强度调制器和第五分束器，其中：
所述第一强度调制器输出的光束经过所述第四分束器分为两束光，其中一束经过所述第一延时线进入所述第五分束器，另外一束依次经过所述第一相位调制器、第四强度调制器调制后进入所述第五分束器，所述第五分束器输出的光束进入所述第二强度调制器进行调制。
8.根据权利要求7所述的即插即用型sagnac环参考系无关测量设备无关QKD系统，其特征在于，所述Bob调制端包括第二带通滤波器、第五强度调制器、第二马赫曾干涉仪、第六强度调制器和第七强度调制器，其中：
所述Charlie信号产生和解调端进入所述sagnac环状脉冲传输链路的顺时针方向链路的光束，依次经过所述第二带通滤波器、第五强度调制器、第二马赫曾干涉仪、第六强度调制器和第七强度调制器后输出至所述Alice调制端。
9.根据权利要求8所述的即插即用型sagnac环参考系无关测量设备无关QKD系统，其特征在于，所述第二马赫曾干涉仪包括第六分束器、第二延时线、第二相位调制器、第八强度调制器和第七分束器，其中：
所述第五强度调制器输出的光束经过所述第六分束器分为两束光，其中一束经过所述第二延时线进入所述第七分束器，另外一束依次经过所述第二相位调制器、第八强度调制器调制后进入所述第七分束器，所述第七分束器输出的光束进入所述第六强度调制器进行调制。
10.根据权利要求9所述的即插即用型sagnac环参考系无关测量设备无关QKD系统，其特征在于，所述第四分束器和第六分束器均为50:50的分束器，将光束分为强度相同的两束光。
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