JP6666514B2

JP6666514B2 - 位相偏波多自由度変調ｑｋｄネットワークシステム及びその方法

Info

Publication number: JP6666514B2
Application number: JP2019502561A
Authority: JP
Inventors: 邦紅郭; 敏胡; ▲ぱん▼▲ぱん▼ 張
Original assignee: South China Normal University
Current assignee: South China Normal University
Priority date: 2017-01-16
Filing date: 2017-12-20
Publication date: 2020-03-13
Anticipated expiration: 2037-12-20
Also published as: US20190312723A1; KR20190053837A; US11070370B2; CN106685655B; EP3570485A1; KR102155350B1; EP3570485B1; CN106685655A; EP3570485A4; WO2018130052A1; AU2017392255B2; AU2017392255A1; JP2019522434A

Description

本発明は、通信分野における量子暗号通信技術及び光ファイバー通信技術分野に関し、特に位相偏波多自由度変調ＱＫＤネットワークシステム及び秘密鍵配布方法に関する。

従来の量子信号変調は偏波、位相、周波数、強度など単一の自由度変調を採用するのが普通である。光信号の偏波変調とは、光の偏波方向を調節することにより情報のロードが実現されることを指す。通常、光子の二つの直線偏光状態を利用してコーディングし、光の偏光状態が伝送過程において、光ファイバーにおける応力複屈折及び偏波モード分散などのファクターの影響及び環境による干渉（ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）を受けやすいので、一般的に、偏波補償を行うかまたは偏波安定が確保される他の方法を採用する必要がある。位相変調とは、光の位相を利用して情報をコーディングすることを指す。量子通信の位相変調は、原理として主にＭａｃｈ-Ｚｅｈｎｄｅｒ干渉計に基づくもので、コアデバイスが位相変調器である。最も早く提出された位相変調案は単一の等アームＭ−Ｚ干渉計に基づくものである。環境に影響され、両アームの長さの差が不安定となり、位相差もドリフトを生じ、干渉効果も深刻に影響され、特に長距離の伝送に対する干渉効果がより悪くなる。その後、ダブル不均一アームＭ-Ｚ干渉システムが提案され、光ファイバー重ね合わせ部分における時間外乱が二つのパルスに対する影響は同じであり、干渉安定性もかなり高められた。しかしながら、ダブル不均一アームＭ-Ｚ干渉システムを利用すると、たとえアームの細やかな変化でも干渉コントラストの下がりを起こられる。

Ｍ−Ｚ干渉計ＱＫＤシステムは、ＢＢ８４プロトコルやＢ９２プロトコルを採用するのが一般であるが、システムの安全性はＥｖｅに基づいて法的な通信側が情報をコーディング及び探測する際に使われたベースを確実に把握する事ができない。一方、ＢＢ８４プロトコルやＢ９２プロトコルを採用するシステムは、最後に暗号が形成される時に、コードベースと測定ベースとの比較を行うので、プロトコルの効率が低く、低コードレートとなり、実際の応用ニーズを満たすことができない。差分位相エンコーディングは、位相エンコーディング(ＰＥ)案の、早いコーディングスピードと、強い抗干渉能力と遠い限界伝送距離の利点を継ぎ、光ファイバー線路に実現されることに適用され、コード生成の効率をかなり向上させる。差分位相エンコーディングは、前後二つのパルスの差を利用して情報を持ち、パルスは光ファイバー内で同様の位相と偏波の変化を経験し、光ファイバーにおける各種の干渉に敏感にならないことで、システムの安定性を向上させる。

２００６年、唐志列などが発表した「位相変調偏光状態の量子エンコーダとデコーダ及びそれらの応用」において、新しい位相変調偏光コーディングの量子秘密鍵配布方法を提案し、高い安定性を有するが、それによって行われた６状態量子エンコーダとデコーダの量子秘密通信光子の利用率は低い。２０１４年１２月に、王金東などが発表した「位相変調偏光コーディングの４状態量子エンコーダとデコーダ及び量子秘密鍵配布システム」では、位相変調器によりある直線偏光の位相を変調して２つの直線偏光の位相差を変更する目的を達成し、最後偏光コーディングを実現することは、偏波という単一の自由度を情報キャリアとして量子伝送を行うだけである。それに対し、軌道角運動量は多自由度を有し、高次元量子情報のコーディングを実現される。しかし、軌道角運動量の多自由度変調は主に量子自由空間通信、古典的なマルチチャネル高速通信に適用する。

上記の従来技術の現状に基づいて、位相偏波多自由度変調ＱＫＤネットワークシステムを開発し、１対多の通信を実現する必要がある。且つ、各ユーザーが相対的に独立し、単一ユーザーの秘密鍵生成率の安定性を保証し、ユーザーの増加につれて減少することなく、量子秘密鍵配布ネットワークシステムが安全で安定で効率に伝送することが実現される。

本発明は、従来技術の不備を克服し、位相偏波多自由度変調ＱＫＤネットワークシステム及びその方法を提出することを目的とする。当該位相偏波多自由度変調ＱＫＤネットワークシステム及びその方法は、単一光源多波長レーザーによって生じた多波長パルスをマルチユーザー情報伝送キャリアとし、各波長パルスをそれぞれの適法な異なるユーザーに送り、１対多の通信を実現する。且つ各ユーザーが相対的に独立し、単一のユーザーの秘密鍵生成率が安定しており、ユーザーの増加につれて減少するようなことがないことを保証する。これにより量子秘密鍵配布ネットワークシステムが安全で安定して高効率で伝送されることが実現される。さらに、当該位相偏波多自由度変調のマルチユーザー量子秘密鍵配布ネットワークシステムは、新たな量子情報コーディング方式、即ち、差分位相エンコーディングを採用すると同時に偏光コーディングの形を採用し、外部条件の不安定による符号誤り率を有効に減少させ、システムの安全性と安定性を向上させ、且つ光子利用率を従来の０.５から２まで高める。従来の差分位相エンコーディングと位相エンコーディング複合ＱＫＤ案を改善し、量子秘密鍵の生成率を高め、毎回通信するタイムスロット待ち時間を短縮する。

当該システムは単一光源多波長レーザー、アッテネータ、偏波ビームスプリッター、コンバイナ、位相変調器、偏波コントローラーをマルチユーザー情報伝送のキャリアとする。その中で、上下両アームの前後パルスが有する位相差によって一つの情報ビットをロードし、同時に、パルス偏光状態はもう一つの情報ビットをロードする。波長分割多重ユニットは各波長パルスを適法な異なるユーザーに送り、相応の偏波復調と位相復調を行う。各ユーザーが相対的に独立し、各単一のユーザーの秘密鍵の生成率の安定を保証する。

上記の目的を達成するために、本発明に採用される技術案は以下の通りである。
位相偏波多自由度変調ＱＫＤネットワークシステムは、
Ａｌｉｃｅ制御端末と、波長分割多重ユニットと、マルチユーザーＢｏｂ端末とを含み、Ａｌｉｃｅ端末は波長分割多重ユニットによってマルチユーザーＢｏｂ端末と接続され、
前記Ａｌｉｃｅ端末は、多波長レーザー生成装置、アッテネータ、第１の偏波ビームスプリッター、第１のコンバイナ、位相変調器、第１の偏波コントローラーと第２の偏波コントローラーを含み、
前記波長分割多重ユニットは波長選択装置を含み、
前記マルチユーザーＢｏｂ端末は、異なる波長を受信する複数のユニットＢｏｂユーザー端末を含み、前記ユニットＢｏｂユーザー端末は、いずれも第２の偏波ビームスプリッターと、第３の偏波コントローラーと、第４の偏波コントローラーと、第３の偏波ビームスプリッターと、第４の偏波ビームスプリッターと、第２のコンバイナと、第３のコンバイナと、第１の光子検出器と、第２の光子検出器と、第３の光子検出器と、第４の光子検出器とを含み、
前記多波長レーザー生成装置は、複数の波長があるパルス列を生じ、その後前記アッテネータを経由して単一光子パルスまで減衰し、単一光子パルスが前記第１の偏波ビームスプリッターを経由して垂直偏波と水平偏波パルスとに分割され、前記垂直偏波と水平偏波パルスはそれぞれ上アーム経路と下アーム経路を通して前記第１のコンバイナに入ってビーム結合し、さらに前記位相変調器によってパルスにランダムにｋπ（ｋ = ０,１）の位相を変調してそれぞれ第１の偏波コントローラーと第２の偏波コントローラーに到達してパルス偏光回転を行い、最後に二つのパルスは同じ偏光状態でＢｏｂ端末に入り、
同じ偏波を有する多波長レーザーパルスが波長ルーティング装置に伝送され、波長アドレッシングの形により、波長に相応したユニットＢｏｂユーザー端末を選択し、前記ユニットＢｏｂユーザー端末の第２の偏波ビームスプリッターを通して偏波復調を行い、偏波ビットが「０」となる場合、水平偏波パルスが前記第３の偏波コントローラーを経過するように選択するが、偏波ビットが「１」となる場合、垂直偏波パルスが前記第４の偏波コントローラーを経過するように選択し、
第３の偏波コントローラーから出力してから、前記第３の偏波ビームスプリッターを経由して上アーム経路と下アーム経路との二つの経路が形成され、その中で、前パルスが遅延時間を経て前記第２のコンバイナに到達する上アーム経路と、後パルスが直接に前記第２のコンバイナに到達する下アーム経路との二つの光ビームは前記第２のコンバイナで干渉を起こし、その後ランダムに変調される位相差により、前記第１の光子検出器と第２の光子検出器が識別して応答し、
第４の偏波コントローラーから出力してから、前記第４の偏波ビームスプリッターを経由して上アーム経路と下アーム経路との二つの経路が形成され、その中で、前パルスが遅延時間を経て前記第３のコンバイナに到達する上アーム経路と、後パルスが直接に前記第３のコンバイナに到達する下アーム経路との二つの光ビームは前記第３のコンバイナで干渉を起こし、その後ランダムに変調される位相差により、前記第３の光子検出器と第４の光子検出器が識別して応答する、
ことを特徴とする。

好ましくは、前記上アーム経路は下アーム経路よりＴの遅延時間だけ長い。

好ましくは、前記第１の偏波コントローラーは、パルスを
偏波回転し、前記第２の偏波コントローラーはパルスを
偏波回転し、ここで、ｎの値はそれぞれ「０」または「１」である。

好ましくは、前記波長ルーティング装置として、波長分割マルチプレクサ、アレイ導波路回折格子、ブラッググレーティングまたは波長選択スイッチが挙げられる。

好ましくは、前記多波長レーザー生成装置は、多波長パルスレーザーと波長セレクターとを含み、前記多波長パルスレーザーは、複数のユニットＢｏｂユーザー端末が同時に通信することを満たすコヒーレント多波長パルスレーザーを生成し、その後前記波長セレクターによって選択され、波長に相応したユニットＢｏｂユーザー端末が対応的な波長のパルスレーザーを選択する。

好ましくは、前記波長セレクターは、二次等差周波数間隔の形により波長を選択する。

好ましくは、前記第１の光子検出器と、第２の光子検出器と、第３の光子検出器と第４の光子検出器とがパルスの位相差によって以下のように応答する。二つの連続パルスの位相差が０である場合に、前記第１の光子検出器が応答すると、測定結果は「００」となり、第２の光子検出器が応答すると、測定結果は「０１」となるが、二つの連続パルスの位相差がπである場合に、前記第３の光子検出器が応答すると、測定結果は「１０」となり、第４の光子検出器が応答すると、測定結果は「１１」となる。

好ましくは、前記ユニットＢｏｂユーザー端末はＢｏｂｎであり、ｎは０以外の自然数である。

上記の位相偏波多自由度変調ＱＫＤネットワークシステムを利用する方法は、以下のステップを含む：
Ｓ１、ハードウェア構成の初期化：Ａｌｉｃｅ端末と、各ユニットＢｏｂユーザー端末とのソフトウェアとハードウェアの設備を検査し、設備が通常に運転しているかどうかをチェックし、正確な動作電圧と適宜な動作温度を設定する。
Ｓ２、システム騒音テスト：Ａｌｉｃｅ端末がレーザーパルス列を発射しない前提で、つまりパルス列が０である場合、システム騒音レベルをテストする。
Ｓ３、光ファイバーの長さのテスト及びパルス遅延時間設定：前記Ａｌｉｃｅ端末が一組のパルスを送信し、各ユニットＢｏｂユーザー端末がパルスの到達時刻を測定することにより、リンクにおける光ファイバーの長さを確定し、各ユニットＢｏｂユーザー端末とＡｌｉｃｅ端末との間の長さの関係により、予め各ユニットＢｏｂユーザー端末の光ファイバーの長さを設定し、各ユニットＢｏｂユーザー端末の上アーム経路と下アーム経路との間の遅延時間を設定する。
Ｓ４、波長アドレッシング：前記波長セレクターは、波長分配計画に基づいて各ユニットＢｏｂユーザー端末に適用される波長パルスを選択し、波長が異なるパルス光が分配されて対応するユニットＢｏｂユーザー端末に入り、１対多のネットワーク通信を行う。
Ｓ５、秘密鍵送信：多波長パルス生成装置がパルスを生成し、パルス周期は遅延時間Ｔより大きく、前記アッテネータを経由して単一光子レベルまで減衰し、その後前記第１偏波ビームスプリッターを通してそれぞれ上アーム経路と下アーム経路に入り、遅延時間がＴである二つのパルスが形成され、第１のコンバイナに到達してビーム結合し、続いて、前記位相変調器、第１の偏波変調器と第２の偏波変調器を順に経由して位相偏波変調を行い、これらを同じ偏光状態で伝送して最後に各ユニットＢｏｂユーザー端末を経過して偏波復調と位相復調を行う。
Ｓ６、秘密鍵のスクリーニングとコーディング：各ユニットＢｏｂユーザー端末は、検出器の応答を記録し、且つ前記第１の光子検出器と第２の光子検出器と第３の光子検出器と第４の光子検出器との応答時刻を記録し、前記前記第１の光子検出器と第２の光子検出器と第３の光子検出器と第４の光子検出器との応答時刻を前記Ａｌｉｃｅ端末に送信し、前記Ａｌｉｃｅ端末は、各ユニットＢｏｂユーザー端末により送信されたデータに基づいて、相応の秘密鍵列を保留し、その他のものを捨てる。

好ましくは、各ユニットＢｏｂユーザー端末同士に秘密鍵の共有が存在する。

安全秘密鍵の優先権がＢｏｂｉ＞Ｂｏｂｊである場合、ＢｏｂｊはＢｏｂｉの秘密鍵を共有し、Ａｌｉｃｅ端末は中間ノードとして、まずＡｌｉｃｅ端末とＢｏｂｊの秘密鍵を利用してＡｌｉｃｅ端末とＢｏｂｉの秘密鍵を暗号化させ、その後、暗号化されたＢｏｂｉ秘密鍵をＢｏｂｊに送信し、Ｂｏｂｊが暗号文を受信して復号化して、Ｂｏｂｉの秘密鍵を取得し、これでＢｏｂｉと秘密鍵を共有している。

各ユニットＢｏｂユーザー端末の間の秘密鍵の共有は排他性がある。あるユニットＢｏｂユーザー端末の秘密鍵が一つのユニットＢｏｂユーザー端末のみと共有することができ、共有した後は他のユニットＢｏｂユーザー端末と共有することができない。

本発明の有利な効果は、以下のように三つある。
１、本発明は位相偏波多自由度変調ＱＫＤネットワークシステム及び秘密鍵配布方法を採用し、１対多の量子秘密鍵共有を実現することができ、情報伝達容量を有効に拡大し、位相偏波多自由度変調ＱＫＤ提案及びほかのＱＫＤ提案に適用する。

２、本発明により採用される位相と偏波とを組み合わせて変調する方法は、一つの光子を伝達することにより二つの情報ビットを伝達し、光子利用率が０.５から２まで上がり、従来技術と比較すると、この提案は部品の使用を減少させ、構造を簡易化させ、情報の連続性、有効性及び秘密鍵生成率を向上する。

３、本発明では、４つの電子検出器を採用して毎回の通信が８つのタイムスロットに測定を待ち、従来提案における、毎回の通信が１２個のタイムスロットに測定を待つより、検出器の統計による符号誤り率が３３.３％減少し、システムをより高効で安定させる。本発明は、クラシックのＤＰＳ量子秘密鍵配布方式を採用し、コーディング間隔がＴ（即ち、遅延時間Ｔ、Ｔがピコ秒レベル）である二つの支路コヒーレントパルスの位相差により、各位相差を一つの位相コーディングとし、スプリット光子攻撃とシーケンス攻撃を有効に抵抗することができ、盗聴者Ｅｖｅの効率を低減させる。

本発明の波長分割多重用ユニットと多ユーザーＢｏｂ端末のブロック図である。本発明のＡｌｉｃｅ端末の位相変調、偏波変調の構造ブロック図である。本発明のＢｏｂ端末の偏波復調、位相復調の構造ブロック図である。本発明の作動原理のブロック図である。本発明の作動フローチャートである。

図面は例示的に説明するためだけに用いられ、本出願に対する制限と理解されてはならない。

以下に、図面と実施例を組み合わせて本発明の技術案について更に説明する。

本発明は１種点対多点のネットワーク構築の形であり、特に多点対多点の形に更に延伸することができる。説明される実施例はただ本発明における１対多の形の一種だけであり、より多くの応用に容易に拡張可能であることは明らかである。一つの代表的な波長分割多重秘密鍵配布ネットワーク模式図は図１に示す通りである。

図１ー図４に示すように、位相偏波多自由度変調ＱＫＤネットワークシステムは、
Ａｌｉｃｅ制御端末と、波長分割多重ユニットと、マルチユーザーＢｏｂ端末とを含み、Ａｌｉｃｅ端末は波長分割多重ユニットによってマルチユーザーＢｏｂ端末と接続される。

前記Ａｌｉｃｅ端末は、多波長レーザー生成装置２０１、アッテネータ２０２、第１の偏波ビームスプリッター２０３、第１のコンバイナ２０４、位相変調器２０５、第１の偏波コントローラー２０６と第２の偏波コントローラー２０７を含む。

前記波長分割多重ユニットは波長選択装置を含む。

前記マルチユーザーＢｏｂ端末は、異なる周波帯を受信する複数のユニットＢｏｂユーザー端末を含み、前記ユニットＢｏｂユーザー端末は、いずれも第２の偏波ビームスプリッター３０１と、第３の偏波コントローラー３０２と、第４の偏波コントローラー３０７と、第３の偏波ビームスプリッター３０３と、第４の偏波ビームスプリッター３０８と、第２のコンバイナ３０４と、第３のコンバイナ３０９と、第１の光子検出器３０５と、第２の光子検出器３０６と、第３の光子検出器３１０と、第４の光子検出器３１１とを含む。

このシステムの動作プロセスは以下の通りである。

前記多波長レーザー生成装置は、複数の波長があるパルス列を生じ、その後前記アッテネータ２０２を経由して単一光子パルスまで減衰し、単一光子パルスが前記第１の偏波ビームスプリッター２０３を経由して垂直偏波と水平偏波パルスとに分割され、前記垂直偏波と水平偏波パルスはそれぞれ上アーム経路と下アーム経路を通過して前記第１のコンバイナ２０４に入ってビーム結合し、更に前記位相変調器２０５によってパルスにランダムにｋπ（ｋ = ０,１）の位相を変調してそれぞれ第１の偏波コントローラー２０６と第２の偏波コントローラー２０７に到達してパルス偏光回転を行い、最後に二つのパルスは同じ偏光状態でＢｏｂ端末に入り、
同じ偏波を有する多波長レーザーパルスは、波長ルーティング装置１０２に伝送され、波長アドレッシングの形により、波長に相応したユニットＢｏｂユーザー端末が選択され、前記ユニットＢｏｂユーザー端末の第２の偏波ビームスプリッター３０１によって偏波復調が行われ、偏波ビットが「０」となる場合、水平偏波パルスが前記第３の偏波コントローラー３０２を経過するように選択されるが、偏波ビットが「１」となる場合、垂直偏波パルスが前記第４の偏波コントローラー３０７を経過するように選択され、
（水平偏波パルスは、）第３の偏波コントローラー３０２から出力してから、前記第３の偏波ビームスプリッター３０３を経由して上アーム経路と下アーム経路との二つの経路が形成され、その中で、前パルスが遅延時間を経て前記第２のコンバイナ３０４に到達する上アーム経路と、後パルスが直接に前記第２のコンバイナ３０４に到達する下アーム経路とをそれぞれ通過した二つの光ビームは前記第２のコンバイナ３０４の所で干渉が生じ、その後ランダムに変調される位相差により、前記第１の光子検出器３０５と第２の光子検出器３０６が識別して応答し、
（垂直偏波パルスは、）第４の偏波コントローラー３０７から出力してから、前記第４の偏波ビームスプリッター３０８を経由して上アーム経路と下アーム経路との二つの経路が形成され、その中で、前パルスが遅延時間を経て前記第３のコンバイナ３０９に到達する上アーム経路と、後パルスが直接に前記第３のコンバイナ３０９に到達する下アーム経路とをそれぞれ通過した二つの光ビームは前記第３のコンバイナ３０９の所で干渉が生じ、その後ランダムに変調される位相差により、前記第３の光子検出器３１０と第４の光子検出器３１１が識別して応答する。

以下に、図面と実施例を組み合わせて本発明の技術案を更に説明する。

本発明は１点対多点のネットワーク構築の形に関し、特に多点対多点の形に更に延伸することができる。説明される実施例はただ本発明における１対多の形の一種だけであり、明らかに、より多くの応用に拡張されやすく、一つの代表的な波長分割多重秘密鍵配布ネットワーク模式図は図１に示す通りである。

図１において、Ａｌｉｃｅ端末はパルス信号の送信側として、一つの多波長光源を有し、複数のユニットＢｏｂユーザー端末が同時に通信時に異なる周波帯を使用することを満たすパルス信号を生成できる。各ユニットＢｏｂユーザー端末にはある波長の信号が配布され、且つそれがパルス波長に対し広い適用性を有し、即ち、波長計画過程で各ユニットＢｏｂユーザー端末の間の信号波長の分配を調整しても、各ユニットＢｏｂユーザー端末も依然として正常に作動することができる。図１において、公共光ファイバー１０１は各ユーザーによって共同使用され、光ファイバー１０３、１０４および１０５は各ユーザーの専用光ファイバーであり、各ユーザーの専用ファイバーと共有ファイバー１０１との和を各ユーザーの距離として定義する。波長ルーティング装置１０２は制御端末Ａｌｉｃｅとユーザー端末Ｂｏｂとの間に用いられ、各波長パルス信号の経路選択を制御する。

図２は、本発明の位相偏波多自由度変調ＱＫＤネットワークシステム及びその方法のＡｌｉｃｅ端末の実施例の模式図である。当該システムＡｌｉｃｅ端末が単一光子に対して対応的な位相変調と偏波変調を行う。

前記多波長レーザー２０１は、複数の波長（λ１、λ２、λ３……λｎ）があるパルス列を生成し、ここで、生成する多波長パルスレーザーの偏波は４５°、パルス周期は遅延時間Ｔより大きく、アッテネータ２０２を経由して単一光子パルスに減衰する。単一光子パルスが前記第１の偏波ビームスプリッター２０３によって水平偏波パルスと垂直偏波のパルスに分割され、それぞれ上アーム経路と下アーム経路に入り、その中で、上アーム経路では下アーム経路よりＴの時間だけパルスが遅延をする。その後二つのパルスは前記位相変調器２０５を経由し、位相変調器２０５は二つのパルスにランダムにｋπ（ｋ = ０,１）の位相を変調する。二つのパルスが同時に第１の偏波コントローラー２０６と第２の偏波コントローラー２０７に到達する際（つまり、二つの偏波コントローラーの間の距離がＴの遅延時間を生じる際）、第１の偏波コントローラー２０６はパルスを
偏波回転し、第２の偏波コントローラー２０７はパルスを
偏波回転し、その中で、ｎの値はそれぞれ「０」または「１」である。この時、二つのパルスは同じな偏光状態で光ファイバーによって転送されて複数のＢｏｂユーザー端末に入る。

図３は、本発明の位相偏波多自由度変調ＱＫＤネットワークシステム及びその方法のＢｏｂ端末の実施例の模式図である。Ｂｏｂ１を例として、Ｂｏｂ１端末について偏波復調と位相復調を行う。

その時、第１の光子検出器Ｄ１が応答し、この時の対応する秘密鍵は「００」である。
その時、第２の光子検出器Ｄ２が応答し、この時の対応する秘密鍵は「０１」である。

同様に、ｎ＝１の場合、第３の光子検出器Ｄ３が応答すると、対応する秘密鍵は「１０」であるが、第４の光子検出器が応答すると、対応する秘密鍵は「１１」である。

ｎが「０」である場合、時間間隔がＴである二つのパルスは水平偏光状態で第２の偏波ビームスプリッター３０１を経由して第３の偏波コントローラー３０２に入るが、ｎが「１」である場合、時間間隔がＴである二つのパルスは垂直偏光状態で第２の偏波ビームスプリッター３０１を経由して偏波コントローラー３０７に入る。第３の偏波コントローラー３０２は、高速軸パルスを偏波回転するだけで、垂直偏波になる。垂直偏波パルスは第３の偏波ビームスプリッター３０３で反射し、遅延時間Ｔを経て第２のコンバイナ３０４に入る。水平偏波パルスは第３の偏波ビームスプリッター３０３を直接に透過して第２のコンバイナ３０４に入る。第４の偏波コントローラー３０７は低速軸パルスをだけ偏波回転して、水平偏波になる。水平偏波パルスは第４の偏波ビームスプリッター３０８を直接に透過して第３のコンバイナ３０９に入り、垂直偏波パルスは第４の偏波ビームスプリッター３０８で反射し、遅延時間Ｔを経て第３のコンバイナ３０９に入る。第２のコンバイナ３０４で会う二つのパルス光が干渉を起こし、ランダムに変調される位相差０又はπによって、第１の光子検出器３０５又は第２の光子検出器３０６が応答する。同様に、第３のコンバイナ３０９で会う二つのパルス光が干渉を起こし、ランダムに変調された位相差０又はπによって、第３の光子検出器３１０又は第４の光子検出器３１１が応答する。

図４は、位相偏波多自由度変調ＱＫＤネットワークシステム及びその方法の作動原理のブロック図であり、Ａｌｉｃｅ制御端末と、波長分割多重ユニットと、マルチユーザーＢｏｂ端末とを含み、Ａｌｉｃｅ端末は波長分割多重ユニットによってマルチユーザーＢｏｂ端末と接続される。その中で、Ａｌｉｃｅ端末は単一光子に対してそれぞれ位相変調と偏波変調を行い、量子通信路を経由してマルチユーザーユニットＢｏｂ端末に入って偏波復調と位相復調をする。具体的な変調および復調の過程については、図２および図３で既に詳細に説明したので、ここでは贅言しない。

図５において、上記位相偏波多自由度変調ＱＫＤネットワークシステムに適用される秘密鍵配布方法は、以下ステップを含む。

Ｓ１、ハードウェア構成の初期化：Ａｌｉｃｅ端末と、各ユニットＢｏｂユーザー端末とのソフトウェアとハードウェアの設備を検査し、設備が通常に運転しているかどうかをチェックし、正確な動作電圧と適宜な動作温度を設定する。

Ｓ２、システム騒音テスト：Ａｌｉｃｅ端末がレーザーパルス列を発射しない前提で、つまりパルス列が０である場合、システム騒音レベルをテストする。

Ｓ３、光ファイバーの長さのテスト及びパルス遅延時間設定：前記Ａｌｉｃｅ端末が一組のパルスを送信し、各ユニットＢｏｂユーザー端末がパルスの到達時刻を測定することにより、リンクにおける光ファイバーの長さを確定し、各ユニットＢｏｂユーザー端末とＡｌｉｃｅ端末との間の長さの関係により、各ユニットＢｏｂユーザー端末の光ファイバーの長さを予め設定し、各ユニットＢｏｂユーザー端末の上アーム経路と下アーム経路との間の遅延時間を設定する。

Ｓ４、波長アドレッシング：前記波長セレクターは、波長分配計画に基づいて各ユニットＢｏｂユーザー端末に適用される波長パルスを選択し、波長が異なるパルス光が分配されて対応的するユニットＢｏｂユーザー端末に入り、１対多のネットワーク通信を行う。

Ｓ５、秘密鍵送信：多波長パルス生成装置がパルスを生成し、パルス周期は遅延時間Ｔより大きく、前記アッテネータを経由して単一光子レベルまで減衰し、その後前記第１偏波ビームスプリッターを通してそれぞれ上アーム経路と下アーム経路に入り、遅延時間がＴである二つのパルスが形成され、第１のコンバイナに到達してビーム結合し、続いて、前記位相変調器、第１の偏波変調器と第２の偏波変調器を順に経由して位相偏波変調を行い、これらを同じ偏光状態で伝送して最後に各ユニットＢｏｂユーザー端末を経由して偏波復調と位相復調を行う。

Ｓ６、秘密鍵のスクリーニングとコーディング：各ユニットＢｏｂユーザー端末は、検出器の応答を記録し、且つ前記第１の光子検出器と第２の光子検出器と第３の光子検出器と第４の光子検出器との応答時刻を記録し、前記前記第１の光子検出器と第２の光子検出器と第３の光子検出器と第４の光子検出器との応答時刻を前記Ａｌｉｃｅ端末に送信し、前記Ａｌｉｃｅ端末は、各ユニットＢｏｂユーザー端末により送信されたデータに基づいて、相応の秘密鍵列を保留し、その他のものを捨てる。

各ユニットＢｏｂユーザー端末の間で秘密鍵を共有する：

安全秘密鍵の優先権がＢｏｂｉ＞Ｂｏｂｊである場合、ＢｏｂｊはＢｏｂｉの秘密鍵を共有し、Ａｌｉｃｅ端末は中間ノードとして、まずＡｌｉｃｅ端末とＢｏｂｊの秘密鍵を利用してＡｌｉｃｅ端末とＢｏｂｉの秘密鍵を暗号化させ、その後、暗号化されたＢｏｂｉ秘密鍵をＢｏｂｊに送信し、Ｂｏｂｊが暗号文を受信して復号化して、Ｂｏｂｉの秘密鍵を取得し、これでＢｏｂｉと秘密鍵を共有する。

各ユニットＢｏｂユーザー端末の間の秘密鍵の共有は排他性がある。あるユニットＢｏｂユーザー端末の秘密鍵は一つのユニットＢｏｂユーザー端末のみと共有することができ、共有した後は他のユニットＢｏｂユーザー端末と共有することができない。

本発明の有利な効果は、以下のように三つある。
１、本発明に採用される位相偏波多自由度変調ＱＫＤネットワークシステムは、１対多の量子秘密鍵共有を実現することができ、情報伝達容量を有効に拡大し、位相偏波多自由度変調ＱＫＤ提案及び他のＱＫＤ提案に適用される。

２、本発明により採用される位相と偏波とを組み合わせて変調する方法は、一つの光子を伝達することにより二つの情報ビットを伝達し、光子利用率が０.５から２まで上がり、従来技術と比較すると、本提案は部品の使用を減少させ、構造を簡易化させ、情報の連続性、有効性及び秘密鍵生成率を向上する。

３、本発明では、４つの電子検出器を採用して毎回の通信が８つのタイムスロットで測定を待ち、従来提案における、毎回の通信が１２個のタイムスロットで測定を待つことに対比して、検出器の統計による符号誤り率が３３.３％減少し、システムをより高効で安定させる。本発明は、クラシックのＤＰＳ量子秘密鍵配布方式を採用し、コーディング間隔がＴ（即ち、遅延時間Ｔ、Ｔはピコ秒レベル）である二つの支路コヒーレントパルスの位相差により、各位相差を一つの位相コーディングとし、スプリット光子攻撃とシーケンス攻撃に有効に抵抗することができ、盗聴者Ｅｖｅの効率を低減させる。

図面に説明された位置関係は例示的に説明するだけに用いられ、本出願を限定するものと理解されてはならない。

明らかに、本発明の上記実施例は本発明をはっきりと説明するために挙げられた例だけであり、本発明の実施形態を限定するものではない。当業者にとっては、上記説明に基づいて、ほかの異なる形の変化または変動を行うこともできる。ここで全ての実施形態を例示することはできないし、その必要もない。本発明の原理及び主旨から逸脱することなく、これらの実施例に対して行われる各種の補正、均等置換及び改善などは、いずれも本発明の特許請求の範囲内に含まれるべきである。

１０１…公共光ファイバー
１０２…波長ルーティング装置
１０３、１０４、１０５…専用ファイバー
２０１…多波長レーザー
２０２…アッテネータ
２０３…第１の偏波ビームスプリッター
２０４…第１のコンバイナ
２０５…位相変調器
２０６…第１の偏波コントローラー
２０７…第２の偏波コントローラー
３０１…第２の偏波ビームスプリッター
３０２…第３の偏波コントローラー
３０７…第４の偏波コントローラー
３０３…第３の偏波ビームスプリッター
３０８…第４の偏波ビームスプリッター
３０４…第２のコンバイナ
３０９…第３のコンバイナ
３０５…第１の光子検出器
３０６…第２の光子検出器
３１０…第３の光子検出器
３１１…第４の光子検出器

Claims

Ａｌｉｃｅ制御端末と、波長分割多重ユニットと、マルチユーザーＢｏｂ端末とを含み、Ａｌｉｃｅ端末は波長分割多重ユニットによってマルチユーザーＢｏｂ端末と接続される位相偏波多自由度変調ＱＫＤネットワークシステムであって、
前記Ａｌｉｃｅ制御端末は、多波長レーザー生成装置、アッテネータ、第１の偏波ビームスプリッター、第１のコンバイナ、位相変調器、第１の偏波コントローラーと第２の偏波コントローラーを含み、
前記波長分割多重ユニットは波長選択装置を含み、
前記マルチユーザーＢｏｂ端末は、異なる周波帯を受信する複数のユニットＢｏｂユーザー端末を含み、前記ユニットＢｏｂユーザー端末は、いずれも第２の偏波ビームスプリッターと、第３の偏波コントローラーと、第４の偏波コントローラーと、第３の偏波ビームスプリッターと、第４の偏波ビームスプリッターと、第２のコンバイナと、第３のコンバイナと、第１の光子検出器と、第２の光子検出器と、第３の光子検出器と、第４の光子検出器とを含み、
前記多波長レーザー生成装置は、複数の波長があるパルス列を生じ、その後前記アッテネータを経由して単一光子パルスまで減衰し、単一光子パルスが前記第１の偏波ビームスプリッターを経由して垂直偏波と水平偏波パルスとに分割され、前記垂直偏波と水平偏波パルスはそれぞれ上アーム経路と下アーム経路を通して前記第１のコンバイナに入ってビーム結合し、さらに前記位相変調器を経由してパルスにランダムにｋπ（ｋ = ０,１）の位相を変調してそれぞれ第１の偏波コントローラーと第２の偏波コントローラーに到達してパルス偏光回転を行い、最後に二つのパルスは同じ偏光状態で前記マルチユーザーＢｏｂ端末に入り、
同じ偏波を有する多波長レーザーパルスが波長ルーティング装置に伝送され、波長アドレッシングの形により波長に相応したユニットＢｏｂユーザー端末を選択し、前記ユニットＢｏｂユーザー端末の第２の偏波ビームスプリッターを通して偏波復調を行い、偏波ビットが「０」となる場合、水平偏波パルスが前記第３の偏波コントローラーを経過するように選択するが、偏波ビットが「１」となる場合、垂直偏波パルスが前記第４の偏波コントローラーを経過するように選択し、
第３の偏波コントローラーから出力してから、前記第３の偏波ビームスプリッターを経由して上アーム経路と下アーム経路との二つの経路が形成され、その中で、前パルスが遅延時間を経て前記第２のコンバイナに到達する上アーム経路と、後パルスが直接に前記第２のコンバイナに到達する下アーム経路との二つの光ビームは前記第２のコンバイナで干渉を起こし、その後ランダムに変調される位相差により、前記第１の光子検出器と第２の光子検出器が識別して応答し、
第４の偏波コントローラーから出力してから、前記第４の偏波ビームスプリッターを経由して上アーム経路と下アーム経路との二つの経路が形成され、その中で、前パルスが遅延時間を経て前記第３のコンバイナに到達する上アーム経路と、後パルスが直接に前記第３のコンバイナに到達する下アーム経路との二つの光ビームは前記第３のコンバイナで干渉を起こし、その後ランダムに変調される位相差により、前記第３の光子検出器と第４の光子検出器が識別して応答する、
ことを特徴とする位相偏波多自由度変調ＱＫＤネットワークシステム。
前記上アーム経路は下アーム経路よりＴの遅延時間だけ長い、ことを特徴とする請求項１に記載の位相偏波多自由度変調ＱＫＤネットワークシステム。
前記第１の偏波コントローラーは、パルスを

偏波回転し、前記第２の偏波コントローラーはパルスを

偏波回転し、ここで、ｎの値はそれぞれ「０」または「１」である、ことを特徴とする請求項１に記載の位相偏波多自由度変調ＱＫＤネットワークシステム。
前記波長ルーティング装置として、波長分割マルチプレクサ、アレイ導波路回折格子、ブラッググレーティングまたは波長選択スイッチが挙げられる、ことを特徴とする請求項１に記載の位相偏波多自由度変調ＱＫＤネットワークシステム。
前記多波長レーザー生成装置は、多波長パルスレーザーと波長セレクターとを含み、前記多波長パルスレーザーは、複数のユニットＢｏｂユーザー端末が同時に通信することを満たすコヒーレント多波長パルスレーザーを生成し、その後前記波長セレクターによって選択され、各ユニットＢｏｂユーザー端末が波長に相応したパルスレーザーを選択する、ことを特徴とする請求項１に記載の位相偏波多自由度変調ＱＫＤネットワークシステム。
前記波長セレクターは、二次等差周波数間隔の形により波長を選択する、ことを特徴とする請求項５に記載の位相偏波多自由度変調ＱＫＤネットワークシステム。
前記ユニットＢｏｂユーザー端末はＢｏｂｎであり、ｎは０以外の自然数である、ことを特徴とする請求項１に記載の位相偏波多自由度変調ＱＫＤネットワークシステム。
請求項１乃至７のいずれかに記載の位相偏波多自由度変調ＱＫＤネットワークシステムを利用する方法であって、
Ｓ１、ハードウェア構成の初期化：Ａｌｉｃｅ制御端末と、各ユニットＢｏｂユーザー端末とのソフトウェアとハードウェアの設備を検査し、設備が通常に運転しているかどうかをチェックし、正確な動作電圧と適宜な動作温度を設定するステップと、
Ｓ２、システム騒音テスト：Ａｌｉｃｅ制御端末がレーザーパルス列を発射しない前提で、つまりパルス列が０である場合、システム騒音レベルをテストするステップと、
Ｓ３、光ファイバーの長さのテスト及びパルス遅延時間設定：前記Ａｌｉｃｅ端末が一組のパルスを送信し、各ユニットＢｏｂユーザー端末がパルスの到達時刻を測定することにより、リンクにおける光ファイバーの長さを確定し、各ユニットＢｏｂユーザー端末とＡｌｉｃｅ端末との間の長さの関係により、予め各ユニットＢｏｂユーザー端末の光ファイバーの長さを設定し、各ユニットＢｏｂユーザー端末の上アーム経路と下アーム経路との間の遅延時間を設定するステップと、
Ｓ４、波長アドレッシング：波長セレクターは波長分配計画に基づいて各ユニットＢｏｂユーザー端末に適用される波長パルスを選択し、波長が異なるパルス光が分配されて対応するユニットＢｏｂユーザー端末に入り、１対多のネットワーク通信を行うステップと、
Ｓ５、秘密鍵送信：多波長パルス生成装置はパルスを生じ、パルス周期は遅延時間Ｔより大きく、前記アッテネータを経由した後単一光子レベルまで減衰し、その後前記第１偏波ビームスプリッターを通してそれぞれ上アーム経路と下アーム経路に入り、遅延時間がＴである二つのパルスが形成され、第１のコンバイナに到達してビーム結合し、次は、順番に前記位相変調器、第１の偏波変調器と第２の偏波変調器を経由して位相偏波変調を行い、これらを同じな偏光状態で伝送して最後各ユニットＢｏｂユーザー端末を経過して偏波復調と位相復調を行うステップと、
Ｓ６、秘密鍵のスクリーニングとコーディング：各ユニットＢｏｂユーザー端末は検出器の応答を記録し、且つ前記第１の光子検出器と第２の光子検出器と第３の光子検出器と第４の光子検出器との応答時刻を記録し、前記前記第１の光子検出器と第２の光子検出器と第３の光子検出器と第４の光子検出器との応答時刻を前記Ａｌｉｃｅ端末に送信し、前記Ａｌｉｃｅ端末は各ユニットＢｏｂユーザー端末により送信されたデータによって、相応の秘密鍵列を保留して、そのほかのものを捨てるステップと
を含む、
ことを特徴とする位相偏波多自由度変調ＱＫＤネットワークシステムを利用する方法。
各ユニットＢｏｂユーザー端末同士に秘密鍵の共有が存在し、
安全秘密鍵の優先権はＢｏｂｉ＞Ｂｏｂｊである場合、ＢｏｂｊはＢｏｂｉの秘密鍵を共有し、Ａｌｉｃｅ端末は中間ノードとして、まずＡｌｉｃｅ端末とＢｏｂｊの秘密鍵を利用してＡｌｉｃｅ端末とＢｏｂｉの秘密鍵を暗号化させ、その後、暗号化されたＢｏｂｉ秘密鍵をＢｏｂｊに送信し、Ｂｏｂｊが暗号文を受信して復号化して、Ｂｏｂｉの秘密鍵を取得し、これによりＢｏｂｉと秘密鍵を共有し、
各ユニットＢｏｂユーザー端末間での秘密鍵の共有は排他性があり、あるユニットＢｏｂユーザー端末の秘密鍵が一つのユニットＢｏｂユーザー端末のみと共有することができ、共有した後は他のユニットＢｏｂユーザー端末と共有することができない、
ことを特徴とする請求項８に記載の位相偏波多自由度変調ＱＫＤネットワークシステムを利用する方法を用いた位相偏波多自由度変調量子秘密鍵配布方法。