专利名称：基于bb84协议的量子密码教学系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种量子保密通信装置，尤其是一种基于BB84协议的量子密码教学系统。
背景技术：
现代密码学体系主要基于计算的单向性，其安全性仅有经验保证；量子计算机将使快速分解质因子算法成为可能，从而现有密码体系的基础不复存在。量子保密通信是不同于经典通信的保密通信方式，其具有理论上可被证明的绝对安全性。量子密钥分发 (Quantum Key Distribution)通过操纵和传送量子比特(Qubit)的方法，可在两地之间分发任意长度的一串相同的随机数，即密钥；可以使用该随机数对需要传输的信息进行加密。 如果采用“一次一密”(One-Time I^ad)的方式加解密经典信息，则可以保证传输信息的无条件安全。作为绝对安全的通信方式，量子信息的研究得到了业界广泛的关注，并将在未来得到广泛应用。为了使高校在校学生能熟悉量子通信的主流协议及掌握量子密钥分发的基本原理，有必要研发一套实验教学用的量子密码教学系统。
实用新型内容本实用新型的目的在于提供一种能够让学生动手调试、便于学生理解和掌握密钥分发原理的基于BB84协议的量子密码教学系统。为实现上述目的，本实用新型采用了以下技术方案一种基于BB84协议的量子密码教学系统，包括用于发射量子信号的量子信号发射机、实验光路以及用于接收量子信号的量子信号接收机，量子信号发射机和量子信号接收机通过实验光路相连，所述的量子信号发射机包括第一 FPGA控制器和第一、二、三、四激光器，所述的第一 FPGA控制器的信号输出端分别与第一、二、三、四激光器相连，第一 FPGA控制器通过接口配置芯片设置第一 PC机接口，所述的第一、二、三、四激光器均与实验光路相连。由上述技术方案可知，本实用新型可以让学生亲自动手通过对实验光路的调试， 完成量子密钥分发的过程，并通过加密传输一副图片直观的理解密钥分发与实际有错误出现的分发过程，从而掌握量子密钥分发的基本原理。学生可以选择对原始数据进行分析，自己完成原始数据到成码的后处理过程，加深对量子密钥分发过程的理解。
图1是本实用新型的电路框图；图2、3分别是本实用新型中第一、二主控板的电路框图。
具体实施方式
一种基于BB84协议的量子密码教学系统，包括用于发射量子信号的量子信号发射机、实验光路1以及用于接收量子信号的量子信号接收机，量子信号发射机和量子信号接收机通过实验光路1相连，如图1所示。如图1、2所示，所述的量子信号发射机包括第一 FPGA控制器2和第一、二、三、四激光器4、5、13、14，所述的第一 FPGA控制器2的信号输出端分别与第一、二、三、四激光器 4、5、13、14相连，第一 FPGA控制器2通过接口配置芯片设置第一 PC机接口 6，所述的第一、 二、三、四激光器4、5、13、14均与实验光路1相连。所述的第一 FPGA控制器2焊接封装在第一主控板9上，所述的第一、二激光器4、5焊接封装在第一激光板11上，所述的第三、四激光器13、14焊接封装在第二激光板12上。如图1、3所示，所述的量子信号接收机包括第二 FPGA控制器3和单光子探测器7， 所述的第二 FPGA控制器3的信号输入端与单光子探测器7相连，单光子探测器7与实验光路1相连，第二 FPGA控制器3通过接口配置芯片设置第二 PC机接口 8。所述的第二 FPGA 控制器3焊接封装在第二主控板10上。如图1、2、3所示，所述的第一 FPGA控制器2与第二 FPGA控制器3相连，所述的第一 FPGA控制器2通过第一 PC机接口 6与主机通讯，所述的第二 FPGA控制器3通过第二 PC 机接口 8与主机通讯。量子信号发射机的第一主控板9和量子信号接收机的第二主控板10 的基本原理都是一样的，只是第一、二 FPGA控制器2、3的内部逻辑有所不同，所以用途也不同第一 FPGA控制器2主要是接收主机通过第一 PC机接口 6发过来的命令，去控制第一、 二激光板11、12，而第二 FPGA控制器3是将单光子探测器7探测到的信号通过第二 PC机接口 8传给主机。第一 FPGA控制器2的同步信号输出端与第二 FPGA控制器3的同步信号端相连， 第一 FPGA控制器2与第二 FPGA控制器3都主要是完成这些功能信号的同步、所用数据的帧编码及控制、外部缓冲单元的缓冲和接口配置芯片控制引脚的配置。第一 FPGA控制器2 先要用输入时钟产生同步时钟信号送给量子信号接收机，用真随机数芯片产生的随机数去调制光脉冲，从而控制第一、二激光板11、12的四路激光器——第一、二、三、四激光器4、5、 13、14发出所需的光子偏振态。接收方第二 FPGA控制器3需要接收发射方送过来的同步信号，从而实现双方收发的同步。接收方帧的编码结构与发射方的是不一样的，但帧格式的定义是相同的，每帧之间都有标志位。在工作时，量子信号发射机的第一主控板9在配套软件的控制下控制第一、二激光板11、12的四路激光器——第一、二、三、四激光器4、5、13、14发出激光，再连到实验光路 1进行调节。实验光路1先使量子信号发射机的出光衰减到单光子量级，再通过机械偏振控制器调节光的偏振态，即设置量子信号发射机和量子信号接收机所使用的基矢，经过光路后，四路光合束成一路，送给量子信号接收机的单光子探测器7。量子信号接收机接收到的信号再通过第二主控板10与主机交互，可以通过主机界面观察实验结果。本实用新型可以让学生亲自动手通过对实验光路1的调试，完成量子密钥分发的过程，并通过加密传输一副图片直观的理解密钥分发过程，和密钥分发中的错误对加解密图片的直观影响，从而掌握量子密钥分发的基本原理。学生可以选择对原始数据进行分析， 自己完成原始数据到成码的后处理过程，加深对量子密钥分发过程的理解。
权利要求1.一种基于BB84协议的量子密码教学系统，其特征在于包括用于发射量子信号的量子信号发射机、实验光路(1)以及用于接收量子信号的量子信号接收机，量子信号发射机和量子信号接收机通过实验光路(1)相连，所述的量子信号发射机包括第一 FPGA控制器(2) 和第一、二、三、四激光器(4、5、13、14)，所述的第一 FPGA控制器(2)的信号输出端分别与第一、二、三、四激光器(4、5、13、14)相连，第一 FPGA控制器(2)通过接口配置芯片设置第一 PC机接口(6)，所述的第一、二、三、四激光器(4、5、13、14)均与实验光路(1)相连。
2.根据权利要求1所述的基于BB84协议的量子密码教学系统，其特征在于所述的量子信号接收机包括第二 FPGA控制器(3)和单光子探测器(7)，所述的第二 FPGA控制器(3) 的信号输入端与单光子探测器(7)相连，单光子探测器(7)与实验光路(1)相连，第二 FPGA 控制器(3 )通过接口配置芯片设置第二 PC机接口( 8 )。
3.根据权利要求1所述的基于BB84协议的量子密码教学系统，其特征在于所述的第一FPGA控制器(2 )焊接封装在第一主控板(9 )上，所述的第一、二激光器(4、5 )焊接封装在第一激光板(11)上，所述的第三、四激光器(13、14)焊接封装在第二激光板(12)上。
4.根据权利要求2所述的基于BB84协议的量子密码教学系统，其特征在于所述的第二FPGA控制器(3)焊接封装在第二主控板(10)上。
5.根据权利要求1或2所述的基于BB84协议的量子密码教学系统，其特征在于所述的第一 FPGA控制器(2)与第二 FPGA控制器(3)相连，所述的第一 FPGA控制器(2)通过第一 PC机接口(6)与主机通讯，所述的第二 FPGA控制器(3)通过第二 PC机接口(8)与主机通讯，第一 FPGA控制器(2)的同步信号输出端与第二 FPGA控制器(3)的同步信号端相连。
专利摘要本实用新型涉及一种基于BB84协议的量子密码教学系统，包括用于发射量子信号的量子信号发射机、实验光路以及用于接收量子信号的量子信号接收机，量子信号发射机和量子信号接收机通过实验光路相连，所述的量子信号发射机包括第一FPGA控制器和第一、二、三、四激光器，所述的第一FPGA控制器的信号输出端分别与第一、二、三、四激光器相连，第一FPGA控制器通过接口配置芯片设置第一PC机接口，所述的第一、二、三、四激光器均与实验光路相连。本实用新型可以让学生亲自动手通过对实验光路的调试，完成量子密钥分发的过程，并通过加密传输一副图片直观的理解密钥分发与实际有错误出现的分发过程，从而掌握量子密钥分发的基本原理。
文档编号G09B19/00GK201985877SQ20112012246
公开日2011年9月21日 申请日期2011年4月25日 优先权日2011年4月25日
发明者刘洋, 周雷, 唐世彪, 梁昊, 赵勇, 陈腾云 申请人:安徽量子通信技术有限公司