一种基于时分复用的量子秘钥分发系统及方法与流程

本发明涉及光传输安全通信技术领域，特别涉及一种基于时分复用的量子秘钥分发系统及方法。

背景技术：

随着互联网的大范围普及，人类之间的信息传递达到了前所未有的数量和频率，各种隐私信息越来越多地暴露在互联网上，因此，人类对保密通信的需求也到了前所未有的高度。现在的互联网信息安全的加密方式称为“公开密钥”密码体系，其原理是通过加密算法，生成网络上传播的公开密钥，以及留在计算机内部的私人密钥，两个密钥必须配合使用才能实现完整的加密和解密过程。

现代互联网使用的加密标准是20世纪70年代诞生的rsa算法，即利用大数的质因子分解难以计算来保证密钥的安全性。

量子密钥分配是1984年物理学家bennett和密码学家brassard提出了基于量子力学测量原理的bb84协议，量子密钥分配可以从根本上保证了密钥的安全性。

现有技术中量子密钥在发射端产生信号光，经过传统的量子信道传输过程中，由于经过光纤信道双折射等作用，其偏振态会有较大变化，影响光信号后期的干涉效果，会造成整体密钥的丢失，目前，为了解决上述问题会在接收端增加纠偏系统，通过纠偏系统来还原光信号的偏振态，但是纠偏系统需要复杂的硬件以及软件部分组成，给整个密钥分配系统带来了整体系统的复杂度以及提高了生产成本；另外，在量子密钥分发系统中需要传输两路光信号，一路是同步光，用来给接收端产生同步信号并向单光子探测器输出门控信号，另一路是用来生成量子密钥的信号光。传统的方法驱动两个波长的激光器分别用来产生同步光和信号光，然后通过两根光纤分别传输同步光以及信号光至接收端，或者采用波分复用的方式通过同一根光纤来传送，请参照附图1、附图2，上述方式均需要采用同步激光器以及信号激光器，采用波分复用方式需要使用波分复用器，进一步增加了系统的复杂度以及提高了生产成本。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种基于时分复用的量子秘钥分发系统及方法，以解决现有技术中量子密钥分发系统结构过于繁杂以及生产成本过高的技术性缺陷。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于时分复用的量子秘钥分发系统，包括发射端与接收端，所述发射端与接收端通过量子信道连接，所述发射端包括发射端驱动板、可发射连续光及单光子的激光器、强度调制器、干涉单元、第一可调衰减器以及第二可调衰减器，所述可发射连续光及单光子的激光器一路依次连接强度调制器、干涉单元以及第一可调衰减器，另一路连接第二可调衰减器，所述第一可调衰减器与第二可调衰减器通过量子信道连接接收端，发射端驱动板分别连接可发射连续光及单光子的激光器、强度调制器、干涉单元、第一可调衰减器以及第二可调衰减器；

所述接收端包括接收端驱动板、同步探测器、偏振分束器、两路并列的干涉单元以及两路单光子探测器，所述同步探测器与偏振分束器分别通过量子信道对应连接第二可调衰减器与第一可调衰减器，所述偏振分束器分别连接两路干涉单元，所述接收端驱动板分别连接同步探测器、相位调节器以及单光子探测器，

所述干涉单元包括前端保偏分束器与后端保偏分束器，前端保偏分束器分别通过长臂保偏光纤以及短臂保偏光纤与后端保偏分束器连接，所述长臂保偏光纤中连接有相位调节器，所述接收端部分的两路干涉单元分别包括两路输出，该四路输出两两交叉合并后分别连接单光子探测器。

优选地，所述量子信道为单模光纤。

优选地，所述两路单光子探测器前端还分别连接有偏振分束器。

优选地，所述发射端还包括有消偏器，所述消偏器设置在后端保偏分束器以及第一可调衰减器之间。

本发明还公开了一种基于时分复用的量子秘钥分发方法，包括以下步骤：

1)激光器分时触发：发射端通过发射端驱动板驱动可发射连续光及单光子的激光器采用时分复用的方式产生信号光以及同步光，所述信号光作为调制光，所述同步光作为同步信号传输到接收端由同步探测器响应为接收端所用；

2)诱骗态调制：信号光通过强度调制器进行随机强度调制，成为信号态、诱骗态或者真空态；

3)发射端干涉：利用干涉单元制作不等臂mz干涉，信号光通过保偏分束器分成两个脉冲，其中一路经过长臂，长臂中加有相位调制器，对信号光进行随机相位调制，短臂不做相位调制；

4)电控可调衰减器对信号光进行衰减：信号光经过第一可调衰减器将光脉冲衰减至单光子量级，同步光经过第二可调衰减器将同步光调节至接收端可响应的强度范围；

5)信号光与同步光通过量子信道传输：将信号光和同步光通过一条量子信道从发射端传输至接收端，接收端分别通过同步探测器与偏振分束器连接；

6)偏振分束器分束：将不同步偏振的光经过偏振分束器分解为水平偏振方向和垂直偏振方向；

7)接收端干涉：利用前端保偏分束器制作与发射端臂长差相等的不等臂mz干涉环，信号光通过前端保偏分束器分成两个脉冲，其中一路经过长臂，长臂中加有相位调制器，对信号光进行随机相位调制，短臂不做调制；

8)单光子探测器探测：将干涉后的两路光脉冲信号通过时分复用合并成重复频率为原来两倍的光脉冲信号，同时单光子探测器的开门频率提升至原来的两倍，得到的探测结果用于后续处理产生安全密钥。

优选地，所述步骤3)中，对信号光进行随机4相位调制，分别为0，π/2，π，3π/2；步骤7)中对信号光进行随机2相位调制，分别为0，π/2。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

本发明的基于时分复用的量子秘钥分发系统及方法，通过在接收端增加一个偏振分束器，将信号光分解为两个垂直的偏振态，利用保偏光纤干涉环完成各自偏振态下的干涉，得到较好的干涉结果，避免了光纤传输过程中双折射效应影响光偏振态对干涉结果的影响，同时摒弃了纠偏系统，简化了系统冗杂度，也降低了生产成本，另外，在系统中驱动单个激光器采用时分复用的方式发射信号光以及同步光，降低了系统的繁杂度以及生产成本。

附图说明

图1为现有技术中一种同步光与信号光产生原理图；

图2为现有技术中另一种同步光与信号光产生原理图；

图3为本发明基于时分复用的量子秘钥分发系统的原理框图；

图4为本发明基于时分复用的量子秘钥分发方法的流程图；

图5为本发明基于时分复用的量子秘钥分发方法的同步光与信号光产生原理图。

图中：发射端100、发射端驱动板101、可发射连续光及单光子的激光器102、强度调制器103，第一可调衰减器104、第二可调衰减器105，接收端200、接收端驱动板201、同步探测器202、偏振分束器203、单光子探测器204、量子信道300，干涉单元400，消偏器500。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明进行清楚、完整地描述。

如图3所示，一种基于时分复用的量子秘钥分发系统，包括发射端100与接收端200，所述发射端100与接收端200通过量子信道300连接，所述量子信道300为单模光纤，若是量子信道3距离不需要过长，也可采用保偏光纤传输，以增加信号光偏振态的稳定性。所述发射端100包括发射端驱动板101、可发射连续光及单光子的激光器102、强度调制器103、干涉单元400、第一可调衰减器104以及第二可调衰减器105，所述可发射连续光及单光子的激光器102一路依次连接强度调制器103、干涉单元400以及第一可调衰减器104，另一路连接第二可调衰减器105，所述第一可调衰减器104与第二可调衰减器105通过量子信道300连接接收端200，发射端驱动板101分别连接可发射连续光及单光子的激光器102、强度调制器103、干涉单元400、第一可调衰减器104以及第二可调衰减器105；

所述接收端200包括接收端驱动板201、同步探测器202、偏振分束器203、两路并列的干涉单元400以及两路单光子探测器204，所述同步探测器202与偏振分束器203分别通过量子信道300对应连接第二可调衰减器105与第一可调衰减器104，所述偏振分束器203分别连接两路干涉单元400，所述接收端驱动板201分别连接同步探测器202、相位调节器以及单光子探测器204，

所述干涉单元400包括前端保偏分束器与后端保偏分束器，前端保偏分束器分别通过长臂保偏光纤以及短臂保偏光纤与后端保偏分束器连接，所述长臂保偏光纤中连接有相位调节器，所述接收端部分的两路干涉单元400分别包括两路输出，该四路输出两两交叉合并后分别连接单光子探测器204。所述两路单光子探测器204前端还分别连接有偏振分束器203。所述发射端100还包括有消偏器500，所述消偏器500设置在后端保偏分束器以及第一可调衰减器104之间，所述消偏器500可将信号光的偏振度降为0，使得信号光的偏振态为自然光状态，有效的保证了系统传输密钥的安全性。

如图4所示，本发明还提供了一种基于时分复用的量子秘钥分发方法，该分配方法可基于上述量子密钥分配系统进行实现，包括以下步骤：

1)激光器分时触发：发射端通过发射端驱动板驱动可发射连续光及单光子的激光器采用时分复用的方式产生信号光以及同步光，所述信号光作为调制光，所述同步光作为同步信号传输到接收端由同步探测器响应为接收端所用；

2)诱骗态调制：信号光通过强度调制器进行随机强度调制，成为信号态、诱骗态或者真空态；

3)发射端干涉：利用干涉单元制作不等臂mz干涉，信号光通过保偏分束器分成两个脉冲，其中一路经过长臂，长臂中加有相位调制器，对信号光进行随机相位调制，短臂不做相位调制；

4)电控可调衰减器对信号光进行衰减：信号光经过第一可调衰减器将光脉冲衰减至单光子量级，同步光经过第二可调衰减器将同步光调节至接收端可响应的强度范围；

5)信号光与同步光通过量子信道传输：将信号光和同步光通过一条量子信道从发射端传输至接收端，接收端分别通过同步探测器与偏振分束器连接；

6)偏振分束器分束：将不同步偏振的光经过偏振分束器分解为水平偏振方向和垂直偏振方向；

7)接收端干涉：利用前端保偏分束器制作与发射端臂长差相等的不等臂mz干涉环，信号光通过前端保偏分束器分成两个脉冲，其中一路经过长臂，长臂中加有相位调制器，对信号光进行随机相位调制，短臂不做调制；

8)单光子探测器探测：将干涉后的两路光脉冲信号通过时分复用合并成重复频率为原来两倍的光脉冲信号，同时单光子探测器的开门频率提升至原来的两倍，得到的探测结果用于后续处理产生安全密钥。

优选地，所述步骤3)中，对信号光进行随机4相位调制，分别为0，π/2，π，3π/2；步骤7)中对信号光进行随机2相位调制，分别为0，π/2。

如图5所示，步骤1)中，可发射连续光及单光子的激光器根据需求分时的发射同步光以及信号光。

综合本发明的结构与原理可知，本发明的基于时分复用的量子秘钥分发系统及方法，通过在接收端增加一个偏振分束器，将信号光分解为两个垂直的偏振态，利用保偏光纤干涉环完成各自偏振态下的干涉，得到较好的干涉结果，避免了光纤传输过程中双折射效应影响光偏振态对干涉结果的影响，同时摒弃了纠偏系统，简化了系统冗杂度，也降低了生产成本，另外，在系统中驱动单个激光器采用时分复用的方式发射信号光以及同步光，降低了系统的繁杂度以及生产成本。