CN221057055U - 一种量子密钥分发教学实验系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及密钥分发领域，具体涉及一种量子密钥分发教学实验系统，包括：光源模块，用于产生信号光和同步光；发送调制模块，用于制备特定偏振态的信号光；接收解调模块，用于测量传输信号光的偏振态；探测模块，用于探测信号光和同步光；光源模块、发送调制模块、接收解调模块和探测模块依次连接，形成通信链路。本申请提供的量子密钥分发教学实验系统采用普通光电探测器代替单光子探测器，保证低成本和耐用性，更适用于教学场景。通过完整的硬件链路模拟量子密钥分发过程，光路方案清晰且与原理高度契合，实验现象直观，可操作性强。
Description
技术领域
本实用新型涉及密钥分发领域，具体涉及一种量子密钥分发教学实验系统。
背景技术
量子密钥分发(Quantum Key Distribution，QKD)是一种利用量子力学特性来保证通信安全性的技术。它的核心思想是使用光子(量子力学中的基本单位)来传输信息，利用量子的不确定性原理和量子纠缠等特性，实现密钥的安全分发和信息的安全传输，使通信的双方能够产生并分享一个随机的、安全的密钥，用于加密和解密消息。在量子密码教学中，量子密钥分发是一个重要的课题，它既是理论学习的重要内容，也是实验教学的关键环节。通过深入学习和实践量子密钥分发，学生可以更好地理解量子通信的基本原理，掌握量子通信的关键技术，为将来进入量子信息科学领域打下坚实的基础。
现有的量子密钥分发实现主要基于BB84协议，这是一种经典的量子密钥分发协议，由查理斯·贝内特(Charles Bennett)与吉勒·布拉萨(Gilles Brassard)于1984年提出。在BB84协议中，发送端首先产生一串随机的数字序列，然后将这串数字序列编码到一串光子上，每个光子的偏振状态代表一个数字(例如，水平偏振代表0，垂直偏振代表1)。然后，发送端将这串光子发射出去，接收端接收到光子后，通过测量光子的偏振状态，就可以得到发送端的数字序列，从而实现密钥的分发。在这个过程中，由于量子的不确定性原理，任何未经授权的第三方都无法在不被发现的情况下复制或读取这串光子的信息，从而保证了密钥的安全性。
然而，现有的量子密钥分发方法存在一些显著的缺点。首先，接收端通常采用单光子探测器进行光信号的探测，但单光子探测器的价格昂贵，大大增加了实验设备的成本。其次，单光子探测器的探测效率较低，通常在25％至40％左右，这在一定程度上限制了量子密钥分发的效率。此外，部分单光子探测器需要在超低温条件下使用，对实验环境的要求较高。最后，由于单光子探测器在强光环境下极易损坏，这为教学设备的使用增加了一定的风险。
实用新型内容
为解决上述问题，本实用新型提供一种量子密钥分发教学实验系统。
该量子密钥分发教学实验系统包括：
光源模块，用于产生信号光和同步光；
发送调制模块，用于制备特定偏振态的信号光；
接收解调模块，用于测量传输信号光的偏振态；
探测模块，用于探测信号光和同步光；
光源模块、发送调制模块、接收解调模块和探测模块依次连接，形成通信链路。
进一步的，所述光源模块包括若干路信号光激光器和同步光激光器。
进一步的，所述信号光激光器输出线偏振光，并采用保偏尾纤维以维持线偏振光的传输。
进一步的，所述发送调制模块包括若干偏振合束器以及偏振旋转耦合器；
每个偏振合束器的输入端连接所述信号光激光器，每个偏振合束器的输出端连接所述偏振旋转耦合器的输入端；
所述偏振合束器将信号光激光器输出的信号光合束为一路正交偏振光输出；
所述偏振旋转耦合器将偏振合束器输出的信号光偏振方向进行调节后合束输出。
进一步的，所述接收解调模块包括分束器、偏振控制器以及偏振分束器；
所述分束器用于将信号光等分为若干路后输送至偏振控制器；
所述偏振控制器用于调整信号光偏振态对偏振漂移进行补偿后输送至偏振分束器；
所述偏振分束器用于测量偏振态。
进一步的，所述探测模块包括若干路信号光探测器以及同步光探测器；
所述信号光探测器分别与若干个偏振分束器的输出端相连；
所述同步光探测器与所述同步光激光器通过传输光纤相连。
优选的，所述信号光激光器为四个。
优选的，所述偏振合束器为两个。
优选的，所述偏振控制器与所述偏振分束器均为两个。
优选的，所述信号光探测器为四个。
本实用新型实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本申请提供的量子密钥分发教学实验系统采用普通光电探测器代替单光子探测器，保证低成本和耐用性，更适用于教学场景。通过完整的硬件链路模拟量子密钥分发过程，光路方案清晰且与原理高度契合，实验现象直观，可操作性强。
附图说明
图1为本实用新型实施例提供的量子密钥分发教学实验系统框架图；
图2为本实用新型实施例提供的量子密钥分发教学实验系统详细结构图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本实用新型进行详细说明，在详细说明本实用新型各实施例的技术方案前，对所涉及的名词和术语进行解释说明，在本说明书中，名称相同或标号相同的部件代表相似或相同的结构，且仅限于示意的目的。
本申请提出一种量子密钥分发教学实验系统，该系统包括发送端和接收端，其中，发送端包括光源模块10及发送调制模块20，接收端包括接收解调模块30、探测模块40。如图1所示，光源模块10、发送调制模块20、接收解调模块30和探测模块40依次连接，形成通信链路。
各模块的功能和结构如下：
1.发送端
1.1光源模块
光源模块10用于产生信号光和同步光。光源模块10由四路信号光激光器和一路同步光激光器105组成。四路信号光激光器产生四路信号光，这是因为在量子密钥分发中，信息通常通过选择不同的偏振状态来编码，每路信号光被调制为一种特定的偏振态。同步光激光器105的主要作用是为了提供一个时间基准，以同步发送端和接收端，使得接收端能准确的在正确的时间点进行探测。
四路信号光激光器分别为：第一信号光激光器101、第二信号光激光器102、第三信号光激光器103以及第四信号光激光器104。
本实施例四路信号光激光器输出线偏振光，并采用保偏尾纤维以维持线偏振光的传输。
1.2发送调制模块
发送调制模块用于制备特定偏振态的信号光，由光纤器件组成，包括偏振制备器件和合束器件。偏振制备器件的输入端连接信号光激光器，输出端连接合束器件。偏振制备器件将光源模块发送的四路信号光制备为四种偏振态，经合束器件合成为一路，作为发送端的发送信号。
第一信号光激光器101的输出端与第二信号光激光器102的输出端分别与第一偏振合束器201的两个输入端连接，第一偏振合束器201将第一信号光激光器101与第二信号光激光器102输出的信号光合束为一路正交偏振光输出。第三信号光激光器103与第四信号光激光器104的输出端分别与第二偏振合束器202的两个输入端连接，第二偏振合束器202将第三信号光激光器103与第四信号光激光器104输出的信号光合束为一路正交偏振光输出。
第一偏振合束器201与第二偏振合束器202产生了两路一致的正交偏振光。
第一偏振合束器201的输出端与第二偏振合束器202的输出端分别与偏振旋转耦合器211的两个输入端连接。偏振旋转耦合器211将第二偏振合束器202输入的信号光偏振方向旋转45°，并与偏振合束器201输出的信号光合束后输出，即在发送端产生了水平偏振0°(H)、垂直偏振90°(V)、正斜偏振+45°(P)、负斜偏振-45°(N)四种偏振态。
2.接收端
2.1接收解调模块
接收解调模块用于测量传输信号光的偏振态，包括分束器件和偏振测量器件。分束器件将发送端输出的信号光分为两路，再经过偏振测量器件完成检偏后输出至探测模块。
分束器件包括分束器301；偏振测量器件包括第一偏振控制器311、第二偏振控制器312、第一偏振分束器321以及第二偏振分束器322。
发送端产生的信号光传输至接收端被分束器301等分为两路后，分别输入至第一偏振控制器311和第二偏振控制器312。由于信号光从发送端到接收端，经光纤进行长距离传输，其偏振态会产生一定的漂移，即信号光偏振方向由0°、90°、+45°、-45°变为(0+n)°、(90+n)°、(+45+n)°、(-45+n)°。通过第一偏振控制器311和第二偏振控制器312调整偏振态对偏振漂移进行补偿，使信号光偏振方向恢复至发送端制备的初始偏振方向，然后分别输入至第一偏振分束器321和第二偏振分束器322，完成偏振态的测量。
2.2探测模块
探测模块用于探测和记录信号光的偏振态，由四路信号光探测器和一路同步光探测器405组成。
四路信号光探测器包括：第一信号光探测器401、第二信号光探测器402、第三信号光探测器403以及第四信号光探测器404。四路信号光探测器分别与第一偏振分束器321和第二偏振分束器322的四个输出端相连，对应进行水平偏振0°(H)、垂直偏振90°(V)、正斜偏振+45°(P)、负斜偏振-45°(N)信号光的探测。
同步光探测器405通过传输光纤与同步光激光器105连接。
本申请提供的量子密钥分发教学实验系统通过一系列精密的光学和电子设备，实现了复杂的量子密钥分发过程。首先，光源模块产生信号光和同步光。接着，发送调制模块将这些信号光调制为特定的偏振态，这些偏振态代表了四种不同的信息状态，即0°(H)、90°(V)、+45°(P)、-45°(N)。然后，这些信号光通过通信链路传输到接收端。在接收端，接收解调模块使用分束器将接收到的信号光等分为两路，然后通过偏振控制器对信号光的偏振态进行调整，以补偿由于长距离传输导致的偏振态漂移。偏振分束器接着对调整后的信号光进行测量，完成偏振态的读取。最后，探测模块探测信号光和同步光，这些信息就是通过量子密钥分发传输的原始数据。通过这种方式，本系统模拟了真实的量子密钥分发过程，使学生能够更好地理解和掌握量子密钥分发的基本原理和操作步骤。
本申请提供的量子密钥分发教学实验系统接收端采用普通光电探测器替代单光子探测器，发送端设置合适的信号光强度，使接收端信号强度处于探测响应的临界值，通过探测器的有/无响应实现信号偏振态的判别，即可实现对单光子的模拟，完成量子密钥分发过程的实验演示。
以上所述实施方式仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本实用新型的权利要求书确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种量子密钥分发教学实验系统，其特征在于，包括：
光源模块，用于产生信号光和同步光；
发送调制模块，用于制备特定偏振态的信号光；
接收解调模块，用于测量传输信号光的偏振态；
探测模块，用于探测信号光和同步光；
光源模块、发送调制模块、接收解调模块和探测模块依次连接，形成通信链路。
2.根据权利要求1所述一种量子密钥分发教学实验系统，其特征在于，所述光源模块包括若干路信号光激光器和同步光激光器。
3.根据权利要求2所述一种量子密钥分发教学实验系统，其特征在于，所述信号光激光器输出线偏振光，并采用保偏尾纤维以维持线偏振光的传输。
4.根据权利要求2所述一种量子密钥分发教学实验系统，其特征在于，所述发送调制模块包括若干偏振合束器以及偏振旋转耦合器；
每个偏振合束器的输入端连接所述信号光激光器，每个偏振合束器的输出端连接所述偏振旋转耦合器的输入端；
所述偏振合束器将信号光激光器输出的信号光合束为一路正交偏振光输出；
所述偏振旋转耦合器将偏振合束器输出的信号光偏振方向进行调节后合束输出。
5.根据权利要求4所述一种量子密钥分发教学实验系统，其特征在于，所述接收解调模块包括分束器、偏振控制器以及偏振分束器；
所述分束器用于将信号光等分为若干路后输送至偏振控制器；
所述偏振控制器用于调整信号光偏振态对偏振漂移进行补偿后输送至偏振分束器；
所述偏振分束器用于测量偏振态。
6.根据权利要求5所述一种量子密钥分发教学实验系统，其特征在于，所述探测模块包括若干路信号光探测器以及同步光探测器；
所述信号光探测器分别与若干个偏振分束器的输出端相连；
所述同步光探测器与所述同步光激光器通过传输光纤相连。
7.根据权利要求6所述一种量子密钥分发教学实验系统，其特征在于，所述信号光激光器为四个。
8.根据权利要求6所述一种量子密钥分发教学实验系统，其特征在于，所述偏振合束器为两个。
9.根据权利要求6所述一种量子密钥分发教学实验系统，其特征在于，所述偏振控制器与所述偏振分束器均为两个。
10.根据权利要求6所述一种量子密钥分发教学实验系统，其特征在于，所述信号光探测器为四个。
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