CN218549938U - 一种qkd控制端可切换的环型多用户系统 - Google Patents

一种qkd控制端可切换的环型多用户系统 Download PDF

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CN218549938U CN202123441975.2U CN202123441975U CN218549938U CN 218549938 U CN218549938 U CN 218549938U CN 202123441975 U CN202123441975 U CN 202123441975U CN 218549938 U CN218549938 U CN 218549938U
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赵韬
胡敏
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Abstract

本实用新型提供一种QKD控制端可切换的环型多用户系统，系统是基于Sagnac环实现的，网络结构较为简单，技术较为成熟；同时，每个用户都通过偏振控制器来稳定光偏振态，使该系统具有较好的稳定性；两个多用户端都可以根据实际情况对网络用户数进行扩展，且通过波分复用/解复用器可以实现控制用户同时与接收端多个接收用户的量子密钥分发；每一个多用户端共用一个多波长激光产生装置，且通过可调光延时线的设置共用一组探测器，简化了网络结构，节省了网络成本；多波长激光产生装置有选择地产生具有一定波长间隔的多波长光脉冲，可以减小四波混频效应引起的信号串扰，降低误码率。

Description

一种QKD控制端可切换的环型多用户系统
技术领域
本实用新型涉及量子保密通信与光通信技术领域，更具体地，涉及一种 QKD控制端可切换的环型多用户系统。
背景技术
量子保密通信不同于经典通信，它不是依赖数学计算的复杂性来增加窃听者在有限时间内的窃听难度，而是基于量子力学的基本原理及特性来发现窃听的存在，从而使合法通信双方的加密信息在理论上具有无条件安全性。随着信息技术的发展以及互联网应用的普及，量子保密通信已经成为国内外量子物理和信息科学交叉学科的研究热点。
量子保密通信的研究方向主要包括：量子密钥分发、量子秘密共享、量子隐形传态及量子中继。其中，量子密钥分发(QKD)作为量子保密通信发展最迅速、工程化程度最高的应用领域，自提出以来就受到了广泛关注。量子密钥分发是指通信双方将量子态作为信息的载体，通过量子信道协商出密钥的一种密钥分发方法。自从第一个量子密钥分发协议即BB84协议提出以来，许多实验方案已经证明了QKD的正确性和可行性。目前，QKD技术相对成熟，正逐步走向实际应用。
现阶段，点对点的QKD系统已经较为完善。为应对更广泛的通信需求， QKD的大规模网络化是亟待解决的问题。从2004年开始，国际上相关组织或机构相继部署建成了许多典型的多节点量子安全通信网络，如美国的DARPA 量子通信网络、欧盟的SECOQC量子通信网络、日本的东京量子密钥分发网络以及韩国的首尔量子通信网络等。我国的量子通信网络也走在了世界前列，从 2007年成功搭建了四用户量子通信网络，到目前已经可以实现覆盖几十个节点的城域量子通信网络。
首个多用户量子通信网络实验是于1997年由Townsend完成的，该实验基于分束器演示了一种无源星型QKD网络。此后，又有人提出了基于Sagnac环的环型QKD网络、基于光开关的可切换QKD网络、基于WDM的波分复用网络。上述几种网络都可以实现多用户量子密钥分发，结构较为简单，但都存在一定缺陷。无源星型网络光子利用率低，且随着用户数量的增加，每个用户接收到光子信号的不确定性也会增大。其他多用户QKD方案有所改进，但一个光脉冲一次只能被一个用户利用，实际上仍然是一对一的多用户QKD方案，且控制端只有一个用户，容易导致网络崩溃。这些问题不仅限制了用户数量的扩展，同时也导致光脉冲利用率较低等问题。另外，上述方案中收发双方都是固定的，只能进行一个方向的量子密钥分发。
实用新型内容
本实用新型提供一种QKD控制端可切换的环型多用户系统，该系统可以同时实现发送端用户与多个用户之间的量子密钥分发。
为了达到上述技术效果，本实用新型的技术方案如下：
一种QKD控制端可切换的环型多用户系统，包括Alice多用户端、Bob多用户端以及光纤链路；所述光纤链路包括Alice多用户端基于Sagnac环的光纤链路、Bob多用户端基于Sagnac环的光纤链路以及公共光纤链路；所述Alice 多用户端通过公共光纤链路与所述Bob多用户端连接；
所述Alice多用户端包括n个Alice用户、光开关A、Alice端耦合单元以及 Alice多用户端相位调制器A；所述n个Alice用户依次接入Alice多用户端基于 Sagnac环的光纤链路中；所述光开关A与Alice端耦合单元依次接入公共光纤链路中，并与Alice多用户端基于Sagnac环的光纤链路连接，其中，n≥2且n 为整数；
所述Alice多用户端每个Alice用户包括依次连接的Alice强度调制器、 Alice偏振控制器、第一波分复用/解复用器、可调光延时线、Alice相位调制器、第二波分复用/解复用器以及可变光衰减器，并接入Alice多用户端基于Sagnac 环的光纤链路中；所述Alice可调光延时线与Alice第一波分复用/解装置连接，所述Alice相位调制器与Alice第二波分复用/解复用器连接；所述每个Alice用户的可调光延时线和相位调制器放置在第一波分复用/解复用器和第二波分复用/ 解复用器之间对应波长的脉冲链路上；
所述Alice端耦合单元包括多波长激光产生装置A、第三探测器、第四探测器、第三环形器以及第四环形器；所述多波长激光产生装置A、耦合器A以及第三探测器分别连接在第三环形器的一端；所述第四探测器连接在第四环形器的一端；所述多波长激光产生装置A用于同时产生多种波长间隔合适的光脉冲，以减小四波混频效应对信号传输的影响；
所述Bob多用户端包括n个Bob用户、光开关B、Bob端耦合单元以及 Bob多用户端相位调制器B；所述n个Bob用户依次接入Bob多用户端基于 Sagnac环的光纤链路中；所述光开关B与Bob端耦合单元依次接入公共光纤链路中，并与Bob多用户端基于Sagnac环的光纤链路连接；
所述Bob多用户端每个Bob用户包括依次连接的Bob强度调制器、Bob多用户端偏振控制器、第一波分复用/解复用器、可调光延时线、Bob相位调制器、第二波分复用/解复用器以及可变光衰减器，并接入Bob多用户端基于Sagnac 环的光纤链路中；所述Bob可调光延时线与Bob第一波分复用/解装置连接，所述Bob相位调制器与Bob第二波分复用/解复用器连接；所述每个Bob用户的可调光延时线和相位调制器放置在第一波分复用/解复用器和第二波分复用/解复用器之间对应波长的脉冲链路上；
所述Bob端耦合单元包括多波长激光产生装置B、第一探测器、第二探测器、第一环形器以及第二环形器；所述多波长激光产生装置B、耦合器B以及第一探测器分别连接在第一环形器的一端；所述第二探测器连接在第二环形器的一端；所述多波长激光产生装置B用于同时产生多种波长间隔合适的光脉冲，以减小四波混频效应对信号传输的影响；
所述Alice端可变光衰减器和Bob端可变光衰减器的工作参数是可衰减波长范围1260～1650nm；衰减范围2.5～60dB；插入损耗<2.5dB。
进一步地，所述第三环形器和第四环形器均为三端口环形器，包括第一端口、第二端口和第三端口，第一端口输入的信号只在第二端口输出，第二端口输入的信号只在第三端口输出；所述第三环形器的第一端口与所述多波长激光产生装置A相连，第二端口与耦合器A的第一输入端相连，第三端口与所述第三探测器相连；所述第四环形器的第一端口接入公共光纤链路，第二端口与耦合器A的第二输入端相连，第三端口与所述第四探测器相连；所述第一环形器和第二环形器均为三端口环形器，包括第一端口、第二端口和第三端口，第一端口输入的信号只在第二端口输出，第二端口输入的信号只在第三端口输出；所述第一环形器的第一端口与所述多波长激光产生装置B相连，第二端口与耦合器B的第一输入端相连，第三端口与所述第一探测器相连；所述第二环形器的第一端口接入公共光纤链路，第二端口与耦合器B的第二输入端相连，第三端口与所述第二探测器相连。
进一步地，所述第三探测器和第四探测器探测所述Alice多用户端基于 Sagnac环的光纤链路经耦合器A输出的干涉光子脉冲信号；所述Alice多用户端相位调制器A接入Bob多用户端基于Sagnac环的光纤链路一侧，调制来自于 Alice多用户端每个Alice用户光脉冲的相位；所述光开关A用于选通流入其中的光脉冲的输出方向；所述第一探测器和第二探测器探测所述Bob多用户端基于Sagnac环的光纤链路经耦合器B输出的干涉光子脉冲信号；所述Bob多用户端相位调制器B接入Alice多用户端基于Sagnac环的光纤链路一侧，调制来自于Alice多用户端每个Bob用户光脉冲的相位；所述光开关B用于选通流入其中的光脉冲的输出方向。
进一步地，若所述Alice多用户端作为整个系统的控制端，所述Bob多用户端作为整个系统的接收端：
当n个Alice用户中的第m个用户Alice m与所述Bob多用户端的n个Bob 用户同时进行量子密钥分发时，1≤m≤n，所述多波长激光产生装置A同时产生多种波长λ1、λ2、…、λn的光脉冲，光脉冲经过所述第三环形器A、所述耦合器A流入所述光开关A中，所述光开关A允许光脉冲仅从所述Alice多用户端基于Sagnac环的光纤链路的一端进入，光脉冲依次沿逆时针方向经过各Alice 用户及Bob多用户端相位调制器B；光脉冲经过所述Alice m用户时，Alice m 强度调制器进行诱骗态调制，Alice m偏振控制器用于稳定光偏振态，Alice m 第一波分复用/解复用器用于解复用多波长光脉冲至对应波长链路上，Alice m 可调光延时线不调制延时，Alice m相位调制器无干扰地允许其通过，Alice m 第二波分复用/解复用器将多波长光脉冲复用至光纤链路中，Alice m可变光衰减器将光脉冲衰减到合适的每脉冲平均光子数μ以获得单光子级别的光子脉冲；其他不参与通信的n-1个Alice用户中各装置及所述Bob多用户端相位调制器B 均无干扰地允许所述多波长光脉冲通过；所述多波长光子脉冲从所述Alice多用户端基于Sagnac环的光纤链路的另一端流出，经所述光开关A从第一端口流出，而不是流回所述耦合器A中，紧接着进入公共光纤链路经环形器、耦合器B流入光开关B中，所述光开关B允许光子脉冲从所述Bob多用户端基于Sagnac 环的光纤链路的两端进入。
进一步地，所述光子脉冲被所述耦合器B以50:50的比例分成两束，分别进入所述Bob多用户端基于Sagnac环的光纤链路中顺时针方向的CW-A光纤链路和逆时针方向的CCW-A光纤链路，形成顺时针光子脉冲和逆时针光子脉冲；
顺时针方向的CW-A光子脉冲：所述顺时针光子脉冲依次顺向经过所述 Alice多用户端相位调制器A和各Bob用户；所述Alice多用户端相位调制器A 调制顺时针光子脉冲产生附加相位
Figure BDA0003447036840000051
所述顺时针光子脉冲依次经过各Bob用户时，各Bob用户的可变光衰减器无干扰地允许其通过，第二波分复用/解复用器用于解复用多波长光子脉冲至对应波长链路上，相位调制器无干扰地允许对应波长的顺时针光子脉冲通过，各Bob用户的可调光延时线仅调制对应波长光子脉冲至合适的延时值T1、T2……Tn，然后各波长顺时针光子脉冲进入第一波分复用/解复用器进行复用成为多波长顺时针光子脉冲，偏振控制器稳定光子脉冲的光偏振态，强度调制器不调制光子脉冲，最终多波长顺时针光子脉冲通过所述光开关B回到所述耦合器B中输出；
逆时针方向的CCW-A光子脉冲：所述逆时针光子脉冲依次逆向经过各 Bob用户及所述Alice多用户端相位调制器A；具体地，逆时针光子脉冲依次经过各Bob用户时，各Bob用户强度调制器不调制光子脉冲，偏振控制器稳定光子脉冲的光偏振态，第一波分复用/解复用器用于解复用多波长光子脉冲至对应波长链路上，各Bob用户的可调光延时线仅调制对应波长光子脉冲至合适的延时值T1、T2……Tn，相位调制器调制光子脉冲产生附加相位
Figure BDA0003447036840000052
然后各波长逆时针光子脉冲进入第二波分复用/解复用器进行复用，可变光衰减器无干扰地允许其通过；所述Alice多用户端相位调制器A无干扰地允许逆时针光子脉冲通过，最后逆时针光子脉冲通过所述光开关B回到所述耦合器B，与同时到达的所述顺时针光子脉冲发生干涉；
进一步地，所述第一探测器和第二探测器根据相位差
Figure BDA0003447036840000053
响应所述顺时针光子脉冲和逆时针光子脉冲的干涉结果；
各Bob用户的可调光延时线仅调制对应波长光子脉冲至合适的延时值；
由于各Bob用户共用光子干涉信号探测器组B，故各Bob用户的可调光延时线调制对应波长光子脉冲时，应调制为合适且不同的延时值，以保证各波长的顺时针光子脉冲和逆时针光子脉冲不同时在耦合器B处发生干涉；同时，各 Bob用户的可调光延时线分别用来控制顺时针方向的CW-A光子脉冲和逆时针方向的CCW-A光子脉冲不同时存在于所述Alice多用户端相位调制器A中。
进一步地，若所述Bob多用户端作为整个系统的控制端，所述Alice多用户端作为整个系统的接收端：
当n个Bob用户中的第k个用户Bob k与所述Alice多用户端的n个Alice 用户同时进行量子密钥分发时，1≤k≤n，所述多波长激光产生装置B同时产生多种波长λ1、λ2、…、λn的光脉冲，光脉冲经过所述第一环形器、所述耦合器B流入所述光开关B中，所述光开关B允许光脉冲仅从所述Bob多用户端基于 Sagnac环的光纤链路的一端进入，光脉冲依次沿逆时针方向经过各Bob用户及 Alice多用户端相位调制器A；光脉冲经过所述Bob k用户时，Bobk强度调制器进行诱骗态调制，Bob k偏振控制器用于稳定光偏振态，Bob k第一波分复用/解复用器用于解复用多波长光脉冲至对应波长链路上，Bob k可调光延时线不调制延时，Bob k相位调制器无干扰地允许其通过，Bob k第二波分复用/解复用器将多波长光脉冲复用至光纤链路中，Bob k可变光衰减器将光脉冲衰减到合适的每脉冲平均光子数μ以获得单光子级别的光子脉冲；其他不参与通信的n-1个 Bob用户中各装置及所述Alice多用户端相位调制器A均无干扰地允许所述多波长光脉冲通过；所述多波长光子脉冲从所述Bob多用户端基于Sagnac环的光纤链路的另一端流出，经所述光开关B从第一端口流出，而不是流回所述耦合器B中，紧接着进入公共光纤链路经第四环形器、耦合器A流入光开关A中，所述光开关A允许光子脉冲从所述Alice多用户端基于Sagnac环的光纤链路的两端进入。
进一步地，所述光子脉冲被所述耦合器A以50:50的比例分成两束，分别进入所述Alice多用户端基于Sagnac环的光纤链路中顺时针方向的CW-B光纤链路和逆时针方向的CCW-B光纤链路，形成顺时针光子脉冲和逆时针光子脉冲；
顺时针方向的CW-B光子脉冲：所述顺时针光子脉冲依次顺向经过所述 Bob多用户端相位调制器B和各Alice用户；所述Bob多用户端相位调制器B 调制顺时针光子脉冲产生附加相位
Figure BDA0003447036840000061
所述顺时针光子脉冲依次经过各Alice 用户时，各Alice用户的可变光衰减器无干扰地允许其通过，第二波分复用/解复用器用于解复用多波长光子脉冲至对应波长链路上，相位调制器无干扰地允许对应波长的顺时针光子脉冲通过，各Alice用户的可调光延时线仅调制对应波长光子脉冲至合适的延时值T1、T2……Tn，然后各波长顺时针光子脉冲进入第一波分复用/解复用器进行复用成为多波长顺时针光子脉冲，偏振控制器稳定光子脉冲的光偏振态，强度调制器不调制光子脉冲，最终多波长顺时针光子脉冲通过所述光开关A回到所述耦合器A中输出；
逆时针方向的CCW-B光子脉冲：所述逆时针光子脉冲依次逆向经过各 Alice用户及所述Bob多用户端相位调制器B；具体地，逆时针光子脉冲依次经过各Alice用户时，各Alice用户强度调制器不调制光子脉冲，偏振控制器稳定光子脉冲的光偏振态，第一波分复用/解复用器用于解复用多波长光子脉冲至对应波长链路上，各Bob用户的可调光延时线仅调制对应波长光子脉冲至合适的延时值T1、T2……Tn，相位调制器调制光子脉冲产生附加相位
Figure BDA0003447036840000071
然后各波长逆时针光子脉冲进入第二波分复用/解复用器进行复用，可变光衰减器无干扰地允许其通过；所述Bob多用户端相位调制器B无干扰地允许逆时针光子脉冲通过，最后逆时针光子脉冲通过所述光开关A回到所述耦合器A，与同时到达的所述顺时针光子脉冲发生干涉；
进一步地，所述第一探测器和第二探测器根据相位差
Figure BDA0003447036840000072
响应所述顺时针光子脉冲和逆时针光子脉冲的干涉结果；
各Alice用户的可调光延时线仅调制对应波长光子脉冲至合适的延时值；
由于各Alice用户共用光子干涉信号探测器组A，故各Alice用户的可调光延时线调制对应波长光子脉冲时，应调制为合适且不同的延时值，以保证各波长的顺时针光子脉冲和逆时针光子脉冲不同时在耦合器A处发生干涉；同时，各Alice用户的可调光延时线分别用来控制顺时针方向的CW-B光子脉冲和逆时针方向的CCW-B光子脉冲不同时存在于所述Bob多用户端相位调制器B中。
与现有技术相比，本实用新型技术方案的有益效果是：
本实用新型是基于Sagnac环实现的，网络结构较为简单，技术较为成熟，易于实现；由于基于Sagnac环结构的接收端顺时针光路和逆时针光路完全一致，因而可以极大地降低相位抖动；同时，每个用户都通过偏振控制器来稳定光偏振态，使该系统具有较好的稳定性；两个多用户端都可以根据实际情况对网络用户数进行扩展，且通过波分复用/解复用器可以实现控制用户同时与接收端多个接收用户的量子密钥分发；每一个多用户端共用一个多波长激光产生装置，且通过可调光延时线的设置共用一组探测器，简化了网络结构，节省了网络成本；多波长激光产生装置有选择地产生具有一定波长间隔的多波长光脉冲，可以减小四波混频效应引起的信号串扰，降低误码率；通过使用光开关，提供了一种基于Sagnac环的多用户系统的双向量子密钥分发方法。
附图说明
图1为本实用新型的整体结构框架图；
图2为本实用新型中Alice多用户端各Alice用户的结构示意图；
图3为本实用新型中Bob多用户端各Bob用户的结构示意图；
图4为本实用新型中Alice多用户端耦合单元的结构示意图；
图5为本实用新型中Bob多用户端耦合单元的结构示意图；
图6为本实用新型实施例的结构框架图。
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。
如图1所示，一种QKD控制端可切换的环型多用户系统，包括Alice多用户端1、Bob多用户端2以及光纤链路；所述光纤链路包括Alice多用户端基于Sagnac环的光纤链路104、Bob多用户端基于Sagnac环的光纤链路204以及公共光纤链路3；所述Alice多用户端1通过公共光纤链路3与所述Bob多用户端 2连接；
Alice多用户端1包括n(n≥2且n为整数)个Alice用户、光开关A100、 Alice端耦合单元以及Alice多用户端相位调制器A103；
如图2和图6所示，每个Alice用户包括依次连接的Alice强度调制器、 Alice偏振控制器、第一波分复用/解复用器、可调光延时线、Alice相位调制器、第二波分复用/解复用器以及可变光衰减器，并接入Alice多用户端基于Sagnac 环的光纤链路104中；所述Alice可调光延时线与Alice第一波分复用/解装置连接，所述Alice相位调制器与Alice第二波分复用/解复用器连接；所述每个 Alice用户的可调光延时线和相位调制器放置在第一波分复用/解复用器和第二波分复用/解复用器之间对应波长的脉冲链路上；例如，Alice 1用户包括Alice 1 强度调制器111、Alice 1偏振控制器112、Alice 1第一波分复用/解复用器113、 Alice 1可调光延时线114、Alice 1相位调制器115、Alice 1第二波分复用/解复用器116以及Alice 1可变光衰减器117，Alice 1用户的Alice 1可调光延时线 114和Alice 1相位调制器115放置在Alice 1第一波分复用/解复用器113和 Alice 1第二波分复用/解复用器116之间波长为λ1的脉冲链路上；Alice 2用户包括Alice 2强度调制器121、Alice 2偏振控制器122、Alice 2第一波分复用/解复用器123、Alice 2可调光延时线124、Alice 2相位调制器125、Alice 2第二波分复用/解复用器126以及Alice 2可变光衰减器127，Alice 2用户的Alice 2可调光延时线124和Alice 2相位调制器放置125在Alice 2第一波分复用/解复用器 123和Alice 2第二波分复用/解复用器126之间波长为λ2的脉冲链路上……以此类推；
如图4和图6所示，所述Alice端耦合单元包括多波长激光产生装置A102、第三探测器119、第四探测器129、第三环形器118以及第四环形器128；所述多波长激光产生装置A102、耦合器A101以及第三探测器119分别连接在第三环形器118的一端；所述第四探测器129连接在第四环形器128的一端；
所述多波长激光产生装置A102用于同时产生多种波长间隔合适的光脉冲 (λ1、λ2、…、λn)，以减小四波混频效应对信号传输的影响；
所述Alice端可变光衰减器和Bob端可变光衰减器的工作参数是可衰减波长范围1260～1650nm；衰减范围2.5～60dB；插入损耗<2.5dB。
所述第三环形器118和第四环形器128均为三端口环形器，包括第一端口、第二端口和第三端口，第一端口输入的信号只在第二端口输出，第二端口输入的信号只在第三端口输出；所述第三环形器118的第一端口与所述多波长激光产生装置A102相连，第二端口与耦合器A101的第一输入端相连，第三端口与所述第三探测器119相连；所述第四环形器128的第一端口接入公共光纤链路3，第二端口与耦合器A101的第二输入端相连，第三端口与所述第四探测器129相连；
所述第三探测器119和第四探测器129用于探测所述Alice多用户端基于Sagnac环的光纤链路104经耦合器A101输出的干涉光子脉冲信号；
所述Alice多用户端相位调制器A103接入Bob多用户端基于Sagnac环的光纤链路204一侧，用于调制来自于Alice多用户端每个Alice用户光脉冲的相位；
所述光开关A100用于选通流入其中的光脉冲的输出方向；
类似地，如图3、图5和图6所示，所述Bob多用户端2的每个Bob用户结构以及Bob多用户端2所含装置连接方式与所述Alice多用户端1完全一致；
为了更好地描述该多用户系统的双向量子密钥分发方法，下面分两种情况展开：
1、若所述Alice多用户端作为整个系统的控制端，所述Bob多用户端作为整个系统的接收端：
具体地，假设n个Alice用户中的Alice 1用户与所述Bob多用户端2的n 个Bob用户同时进行量子密钥分发，其中，Alice 1用户为控制用户，n各Bob 用户均为接收用户；下面以所述Alice 1用户与所述n个Bob用户的量子密钥分发过程为例，详细说明光脉冲的传输过程，其他任一Alice m(1≤m≤n)用户与 n个Bob用户量子密钥分发过程中光脉冲的传输过程与下述过程类似；
如图6所示，所述多波长激光产生装置A102同时产生多种波长(λ1、λ2、…、λn)的光脉冲，光脉冲经过所述第三环形器118、所述耦合器A101流入所述光开关A100中，所述光开关A100选通第一端口和第三端口，仅允许光脉冲从所述Alice多用户端基于Sagnac环的光纤链路104的上端进入，光脉冲依次沿逆时针方向经过各Alice用户及Bob多用户端相位调制器B203；光脉冲经过所述Alice 1用户时，Alice 1强度调制器111进行诱骗态调制，Alice1偏振控制器112用于稳定光偏振态，Alice 1第一波分复用/解复用器113用于解复用多波长光脉冲至对应波长链路上，Alice 1可调光延时线114不调制延时，Alice 1相位调制器115无干扰地允许其通过，Alice 1第二波分复用/解复用器116将多波长光脉冲复用至光纤链路中，Alice 1可变光衰减器117将光脉冲衰减到合适的每脉冲平均光子数μ以获得单光子级别的光子脉冲；其他不参与通信的 (n-1)个Alice用户中各装置及所述Bob多用户端相位调制器B203均无干扰地允许所述多波长光脉冲通过；所述多波长光子脉冲从所述Alice多用户端基于 Sagnac环的光纤链路104的下端流出，经所述光开关A100第三端口从第一端口流出，而不是从第二端口流回所述耦合器A101中，紧接着进入公共光纤链路经第二环形器228、耦合器B201流入光开关B200中，所述光开关B200选通第二端口和第三端口，允许光子脉冲从所述Bob多用户端基于Sagnac环的光纤链路204的两端进入；
所述光子脉冲被所述耦合器B201以50:50的比例分成两束，分别进入所述 Bob多用户端基于Sagnac环的光纤链路204中顺时针方向的CW-A光纤链路和逆时针方向的CCW-A光纤链路，形成顺时针光子脉冲和逆时针光子脉冲；
顺时针方向的CW-A光子脉冲：所述顺时针光子脉冲依次顺向经过所述 Alice多用户端相位调制器A103和各Bob用户；具体地，所述Alice多用户端相位调制器A103调制顺时针光子脉冲产生附加相位
Figure BDA0003447036840000111
所述顺时针光子脉冲依次经过各Bob用户时，各Bob用户的可变光衰减器无干扰地允许其通过，第二波分复用/解复用器用于解复用多波长光子脉冲至对应波长链路上，相位调制器无干扰地允许对应波长的顺时针光子脉冲通过，各Bob用户的可调光延时线仅调制对应波长光子脉冲至合适的延时值(T1、T2……Tn)，然后各波长顺时针光子脉冲进入第一波分复用/解复用器进行复用成为多波长顺时针光子脉冲，偏振控制器稳定光子脉冲的光偏振态，强度调制器不调制光子脉冲，最终多波长顺时针光子脉冲通过所述光开关B200回到所述耦合器B201中输出；
逆时针方向的CCW-A光子脉冲：所述逆时针光子脉冲依次逆向经过各 Bob用户及所述Alice多用户端相位调制器A103；具体地，逆时针光子脉冲依次经过各Bob用户时，各Bob用户强度调制器不调制光子脉冲，偏振控制器稳定光子脉冲的光偏振态，第一波分复用/解复用器用于解复用多波长光子脉冲至对应波长链路上，各Bob用户的可调光延时线仅调制对应波长光子脉冲至合适的延时值(T1、T2……Tn)，相位调制器调制光子脉冲产生附加相位
Figure BDA0003447036840000112
然后各波长逆时针光子脉冲进入第二波分复用/解复用器进行复用，可变光衰减器无干扰地允许其通过；所述Alice多用户端相位调制器A无干扰地允许逆时针光子脉冲通过，最后逆时针光子脉冲通过所述光开关B200回到所述耦合器B201，与同时到达的所述顺时针光子脉冲发生干涉；
所述第一探测器219和第二探测器229根据相位差
Figure BDA0003447036840000113
响应所述顺时针光子脉冲和逆时针光子脉冲的干涉结果；
各Bob用户的可调光延时线仅调制对应波长光子脉冲至合适的延时值，例如，Bob1用户仅调制波长为λ1的顺/逆时针光子脉冲至延时值T1，Bob 2用户仅调制波长为λ2的顺/逆时针光子脉冲至延时值T2……Bob n用户仅调制波长为λn的顺/逆时针光子脉冲至延时值Tn；
2、类似地，若所述Bob多用户端作为整个系统的控制端，所述Alice多用户端作为整个系统的接收端：
具体地，假设n个Bob用户中的Bob 1用户与所述Alice多用户端1的n个Alice用户同时进行量子密钥分发，其中，Bob 1用户为控制用户，n各Alice用户均为接收用户；下面以所述Bob 1用户与所述n个Alice用户的量子密钥分发过程为例，详细说明光脉冲的传输过程，其他任一Bob k(1≤k≤n)用户与n个 Alice用户量子密钥分发过程中光脉冲的传输过程与下述过程类似；
如图6所示，所述多波长激光产生装置B202同时产生多种波长(λ1、λ2、…、λn)的光脉冲，光脉冲经过所述第一环形器218、所述耦合器B201流入所述光开关B200中，所述光开关B200选通第一端口和第三端口，仅允许光脉冲从所述Bob多用户端基于Sagnac环的光纤链路204的下端进入，光脉冲依次沿逆时针方向经过各Bob用户及Alice多用户端相位调制器A103；光脉冲经过所述Bob 1用户时，Bob 1强度调制器211进行诱骗态调制，Bob 1偏振控制器212用于稳定光偏振态，Bob 1第一波分复用/解复用器213用于解复用多波长光脉冲至对应波长链路上，Bob 1可调光延时线214不调制延时，Bob 1相位调制器215无干扰地允许其通过，Bob 1第二波分复用/解复用器216将多波长光脉冲复用至光纤链路中，Bob 1可变光衰减器217将光脉冲衰减到合适的每脉冲平均光子数μ以获得单光子级别的光子脉冲；其他不参与通信的(n-1)个 Bob用户中各装置及所述Alice多用户端相位调制器A103均无干扰地允许所述多波长光脉冲通过；所述多波长光子脉冲从所述Bob多用户端基于Sagnac环的光纤链路204的上端流出，经所述光开关B200第三端口从第一端口流出，而不是从第二端口流回所述耦合器B201中，紧接着进入公共光纤链路经第四环形器 128、耦合器A101流入光开关A100中，所述光开关A100选通第二端口和第三端口，允许光子脉冲从所述Alice多用户端基于Sagnac环的光纤链路104的两端进入；
所述光子脉冲被所述耦合器A101以50:50的比例分成两束，分别进入所述 Alice多用户端基于Sagnac环的光纤链路104中顺时针方向的CW-B光纤链路和逆时针方向的CCW-B光纤链路，形成顺时针光子脉冲和逆时针光子脉冲；
顺时针方向的CW-B光子脉冲：所述顺时针光子脉冲依次顺向经过所述Bob多用户端相位调制器B203和各Alice用户；具体地，所述Bob多用户端相位调制器B203调制顺时针光子脉冲产生附加相位
Figure BDA0003447036840000133
所述顺时针光子脉冲依次经过各Alice用户时，各Alice用户的可变光衰减器无干扰地允许其通过，第二波分复用/解复用器用于解复用多波长光子脉冲至对应波长链路上，相位调制器无干扰地允许对应波长的顺时针光子脉冲通过，各Alice用户的可调光延时线仅调制对应波长光子脉冲至合适的延时值(T1、T2……Tn)，然后各波长顺时针光子脉冲进入第一波分复用/解复用器进行复用成为多波长顺时针光子脉冲，偏振控制器稳定光子脉冲的光偏振态，强度调制器不调制光子脉冲，最终多波长顺时针光子脉冲通过所述光开关A100回到所述耦合器A101中输出；
逆时针方向的CCW-B光子脉冲：所述逆时针光子脉冲依次逆向经过各 Alice用户及所述Bob多用户端相位调制器B203；具体地，逆时针光子脉冲依次经过各Alice用户时，各Alice用户强度调制器不调制光子脉冲，偏振控制器稳定光子脉冲的光偏振态，第一波分复用/解复用器用于解复用多波长光子脉冲至对应波长链路上，各Alice用户的可调光延时线仅调制对应波长光子脉冲至合适的延时值(T1、T2……Tn)，相位调制器调制光子脉冲产生附加相位
Figure BDA0003447036840000134
然后各波长逆时针光子脉冲进入第二波分复用/解复用器进行复用，可变光衰减器无干扰地允许其通过；所述Bob多用户端相位调制器B无干扰地允许逆时针光子脉冲通过，最后逆时针光子脉冲通过所述光开关A100回到所述耦合器A101，与同时到达的所述顺时针光子脉冲发生干涉；
所述第三探测器119和第四探测器129根据相位差
Figure BDA0003447036840000131
响应所述顺时针光子脉冲和逆时针光子脉冲的干涉结果；
优选地，各Alice用户的可调光延时线仅调制对应波长光子脉冲至合适的延时值，例如，Alice 1用户仅调制波长为λ1的顺/逆时针光子脉冲至延时值T1， Alice 2用户仅调制波长为λ2的顺/逆时针光子脉冲至延时值T2……Alice n用户仅调制波长为λn的顺/逆时针光子脉冲至延时值Tn；
以上分别为两种情况光脉冲的传输过程。
具体地，对于以上所述两种情况，第一探测器219和第二探测器229(第三探测器119和第四探测器129)根据相位差
Figure BDA0003447036840000132
的值来响应顺时针光子脉冲和逆时针光子脉冲的干涉结果。接收端用户依次依据第一探测器219和第二探测器229(第三探测器119和第四探测器129)的响应结果记录码值，并与控制用户进行对基，舍弃不同的数据，保留相同的数据得到筛选密钥；然后控制用户和各接收用户进行数据后处理过程，包括数据协调、保密增强等，最终获得相同的安全密钥，完成控制用户与各接收用户的量子密钥分发过程。
根据量子密钥分发相位编码的BB84协议，第一探测器(第三探测器)处两路光子脉冲的光强由下式决定：
Figure BDA0003447036840000141
或
Figure BDA0003447036840000142
其中，I1为第一探测器(第三探测器)处的输出光强，I0为输入光强。
控制用户调制相位
Figure BDA0003447036840000143
π或
Figure BDA0003447036840000144
接收用户调制相位
Figure BDA0003447036840000145
其中，相位取0和π作为一组正交基底，相位取
Figure BDA0003447036840000146
和
Figure BDA0003447036840000147
作为另一组正交基底；当控制用户调制相位
Figure BDA0003447036840000148
或
Figure BDA0003447036840000149
时，表示发送码值为0；当控制用户调制相位
Figure BDA00034470368400001410
时，表示发送码值为1。表1将
Figure BDA00034470368400001411
和
Figure BDA00034470368400001412
的各种相位取值可能所对应的探测结果罗列出来。
(注：
Figure BDA00034470368400001413
或
Figure BDA00034470368400001414
在实际通信中是
Figure BDA00034470368400001415
还是
Figure BDA00034470368400001416
这根据Alice多用户端作为控制端还是Bob多用户端作为控制端来决定。)
表1：不同相位取值与探测器响应结果对应表
Figure BDA00034470368400001417
Figure BDA0003447036840000151
从上表可以看出，当相位差
Figure BDA0003447036840000152
时，只有第一(三)探测器响应，可以成码，接收用户接收码值为0；当相位差
Figure BDA0003447036840000153
时，只有第二(四)探测器响应，可以成码，接收用户接收码值为1；当相位差
Figure BDA0003447036840000154
或
Figure BDA0003447036840000155
时，第一探测器和第二探测器(或第三探测器和第四探测器)均有可能响应，不能成码，这是控制用户和接收用户调制相位时选基不同导致的。
综合本实用新型的原理与结构可知，本实用新型可以实现控制用户与多个接收用户同时进行量子密钥分发，并提供了一种基于Sagnac环的多用户系统的双向量子密钥分发方法，网络结构简单，易于实现；基于Sagnac环的结构特点以及偏振控制器的使用，该系统具有较好的稳定性。
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于仅用于示例性说明，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 (3)

1.一种QKD控制端可切换的环型多用户系统，其特征在于，包括Alice多用户端、Bob多用户端以及光纤链路；所述光纤链路包括Alice多用户端基于Sagnac环的光纤链路、Bob多用户端基于Sagnac环的光纤链路以及公共光纤链路；所述Alice多用户端通过公共光纤链路与所述Bob多用户端连接；
所述Alice多用户端包括n个Alice用户、光开关A、Alice端耦合单元以及Alice多用户端相位调制器A；所述n个Alice用户依次接入Alice多用户端基于Sagnac环的光纤链路中；所述光开关A与Alice端耦合单元依次接入公共光纤链路中，并与Alice多用户端基于Sagnac环的光纤链路连接，其中，n≥2且n为整数；
所述Alice多用户端每个Alice用户包括依次连接的Alice强度调制器、Alice偏振控制器、第一波分复用/解复用器、可调光延时线、Alice相位调制器、第二波分复用/解复用器以及可变光衰减器，并接入Alice多用户端基于Sagnac环的光纤链路中；所述Alice可调光延时线与Alice第一波分复用/解装置连接，所述Alice相位调制器与Alice第二波分复用/解复用器连接；所述每个Alice用户的可调光延时线和相位调制器放置在第一波分复用/解复用器和第二波分复用/解复用器之间对应波长的脉冲链路上；
所述Alice端耦合单元包括多波长激光产生装置A、第三探测器、第四探测器、第三环形器以及第四环形器；所述多波长激光产生装置A、耦合器A以及第三探测器分别连接在第三环形器的一端；所述第四探测器连接在第四环形器的一端；所述多波长激光产生装置A用于同时产生多种波长间隔合适的光脉冲，以减小四波混频效应对信号传输的影响；
所述Bob多用户端包括n个Bob用户、光开关B、Bob端耦合单元以及Bob多用户端相位调制器B；所述n个Bob用户依次接入Bob多用户端基于Sagnac环的光纤链路中；所述光开关B与Bob端耦合单元依次接入公共光纤链路中，并与Bob多用户端基于Sagnac环的光纤链路连接；
所述Bob多用户端每个Bob用户包括依次连接的Bob强度调制器、Bob多用户端偏振控制器、第一波分复用/解复用器、可调光延时线、Bob相位调制器、第二波分复用/解复用器以及可变光衰减器，并接入Bob多用户端基于Sagnac 环的光纤链路中；所述Bob可调光延时线与Bob第一波分复用/解装置连接，所述Bob相位调制器与Bob第二波分复用/解复用器连接；所述每个Bob用户的可调光延时线和相位调制器放置在第一波分复用/解复用器和第二波分复用/解复用器之间对应波长的脉冲链路上；
所述Bob端耦合单元包括多波长激光产生装置B、第一探测器、第二探测器、第一环形器以及第二环形器；所述多波长激光产生装置B、耦合器B以及第一探测器分别连接在第一环形器的一端；所述第二探测器连接在第二环形器的一端；所述多波长激光产生装置B用于同时产生多种波长间隔合适的光脉冲，以减小四波混频效应对信号传输的影响；
所述Alice端可变光衰减器和Bob端可变光衰减器的工作参数是可衰减波长范围1260～1650nm；衰减范围2.5～60dB；插入损耗<2.5dB。
2.根据权利要求1所述的QKD控制端可切换的环型多用户系统，其特征在于，所述第三环形器和第四环形器均为三端口环形器，包括第一端口、第二端口和第三端口，第一端口输入的信号只在第二端口输出，第二端口输入的信号只在第三端口输出；所述第三环形器的第一端口与所述多波长激光产生装置A相连，第二端口与耦合器A的第一输入端相连，第三端口与所述第三探测器相连；所述第四环形器的第一端口接入公共光纤链路，第二端口与耦合器A的第二输入端相连，第三端口与所述第四探测器相连；所述第一环形器和第二环形器均为三端口环形器，包括第一端口、第二端口和第三端口，第一端口输入的信号只在第二端口输出，第二端口输入的信号只在第三端口输出；所述第一环形器的第一端口与所述多波长激光产生装置B相连，第二端口与耦合器B的第一输入端相连，第三端口与所述第一探测器相连；所述第二环形器的第一端口接入公共光纤链路，第二端口与耦合器B的第二输入端相连，第三端口与所述第二探测器相连。
3.根据权利要求2所述的QKD控制端可切换的环型多用户系统，其特征在于，所述第三探测器和第四探测器探测所述Alice多用户端基于Sagnac环的光纤链路经耦合器A输出的干涉光子脉冲信号；所述Alice多用户端相位调制器A接入Bob多用户端基于Sagnac环的光纤链路一侧，调制来自于Alice多用户端每个Alice用户光脉冲的相位；所述光开关A用于选通流入其中的光脉冲的输出方向；所述第一探测器和第二探测器探测所述Bob多用户端基于Sagnac 环的光纤链路经耦合器B输出的干涉光子脉冲信号；所述Bob多用户端相位调制器B接入Alice多用户端基于Sagnac环的光纤链路一侧，调制来自于Alice多用户端每个Bob用户光脉冲的相位；所述光开关B用于选通流入其中的光脉冲的输出方向。
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