一种测量设备无关相位匹配量子密钥分发装置的制作方法

本申请涉及量子密钥分发领域，具体涉及一种测量设备无关相位匹配量子密钥分发装置。

背景技术：

一次一密加密算法是目前已知的被证明绝对安全的通信方式，但是由于在通信过程中需要消耗大量的密钥，因此，保证密钥的安全分发就成为保证通信安全的关键。量子密钥分发基于量子力学基本原理可实现安全性可证明的密钥分发。从1984年提出第一个量子密钥分发方案以来，已经有多个密钥分发方案被提出，部分方案已经实现了商业化。但是，受限于信道损耗以及探测器量子效率等因素，量子密钥分发的通信距离和码率的进一步提高都受到限制。目前实验上最远的通信距离自由空间为1200km，光纤系统为421km。进一步提高通信距离就需要使用量子中继器，但是由于量子中继器要求长时间的量子存储和高保真度，实验上难以实现。

近期提出的测量设备无关相位匹配量子密钥分发方案（又称twin-field量子密钥分发方案）利用两个相干光场进行一阶干涉成码，突破了之前对于量子密钥分发通信距离的限制，该方案中码率和通信距离（或者信道损耗）开方成正比的关系，从而大大提高了通信距离和码率。但是由于该方案要求通信双方激光器进行相位锁定，大大增加了实验难度。因此，需要一种更易实现的实验方案。

技术实现要素：

本发明提出一种测量设备无关相位匹配量子密钥分发方法，用于解决量子密钥分发通信距离短，码率低的问题。

为达到上述技术目的，本发明提供一种测量设备无关相位匹配量子密钥分发装置，包括：

合法的第一通信端和第二通信端，及不可信的第三方检测端；

其中，所述第一通信端和第二通信端用于进行量子态的制备，均包括相位调制器和光衰减器；第一通信端和第二通信端根据所执行的量子密钥分发协议通过相位调制器对信号脉冲光进行相位调制，相位调制器的调制模式包括随机的切换编码模式和诱骗模式；经过相位调制的脉冲光通过光衰减器衰减至指定脉冲强度；

所述第三方检测端用于进行一阶干涉测量，包括分束器、第一单光子测量器和第二单光子测量器；第一通信端和第二通信端将制备完成的光脉冲信号发送到第三方检测端，通过将脉冲光发送到分束器进行一阶干涉测量，输出结果两束光脉冲，分别由第一单光子探测器和第二单光子探测器接收进行测量，并公布测量结果。

其中，所述第一通信端和第二通信端的相位调制器之前分别设置一光源，用以根据执行的量子秘钥分发协议产生信号光脉冲。

其中，所述第三方检测端设置第一光开关和第二光开关，分别对应接收第一通信端和第二通信端传输的光脉冲；在第一光开关与分束器和、或第二光开关与分束器之间设置第二相位调制器，用于进行相位补偿，以消除脉冲初始相位的影响。

所述第三方检测端还包括一相对相位测量模块，分别连接所述第一光开关和第二光开关，所述第一通信端和第二通信端的光源产生的光脉冲信号包括相位参考脉冲和测量信号脉冲，所述第一光开关和第二光开关将相位参考脉冲发送到相对相位测量模块进行测量，同时将测量信号脉冲发送到分束器进行一阶干涉。

其中，所述第一通信端和第二通信端的光源由第三方检测端产生，第三方检测端的光源经过第一环形器连接分束器，经过分束器分为两束分别发送到第一通信端和第二通信端。

其中，第一通信端和第二通信端的光衰减器分别连接设置第二分束器，第二分束器分束形成的一部分光分别通过光衰减器进入相位调制器，同时在相位调制器之后设置一强度调制器；光脉冲从强度调制器射出后被法拉第镜反射。

其中，第一通信端和第二通信端的第二分束器分别连接一光电探测器，接收第二分束器分束形成的另一部分光进行探测，以监视窃听者是否会注入强光进行窃听操作。

其中，当相位调制器选择执行编码模式时，通过强度调制器调节脉冲强度使得第一通信端和第二通信端的额额输出强度为|α|²，并通过相位调制器编码随机密钥；当相位调制器选择执行诱骗模式时，根据使用的诱骗态协议调节强度调制器，并通过相位调制器编码随机相位，编码后的光脉冲被返回给第三方检测端，通过分束器进行一阶干涉，并使用第一单光子探测器和第二人单光子探测器进行测量。

其中，分束器分为两束分别发送到第一通信端和第二通信端后，分别在第一通信端和第二通信端中设置第二环形器和第三环形器，光脉冲在第一通信端和第二通信端中通过第二环形器和第三环形器发送到第二分束器，第二分束器连接强度调制器，分束器分束形成的一部分光分别进入强度调制器、相位调制器、光衰减器，进行诱骗态和密钥信息的加载；之后进入第三方检测端的分束器进行一阶干涉，输出结果由第一单光子探测器和第二单光子探测器接收进行测量，并公布测量结果。

其中，第一通信端和第二通信端的第二分束器分别连接一光电探测器，分束形成的另一部分光被光电探测器探测，以监视窃听者是否会注入强光进行窃听操作。

区别于现有技术，本发明提出一种测量设备无关相位匹配量子密钥分发方法，该通信方法和系统通过引入相位参考实现密钥的编解码，而不需要进行激光器相位锁定和相位后选择，大大降低了实验的实现难度并提高了成码率；消除由于信号脉冲初始相位不同而需要相位后选择的问题，能够有效提高成码率。

附图说明

图1为本发明提出的一种测量设备无关相位匹配量子密钥分发装置的一种实施方式的架构示意图；

图2为本发明提出的一种测量设备无关相位匹配量子密钥分发装置的另一实施方式架构示意图；

图3为本发明提出的一种测量设备无关相位匹配量子密钥分发装置中制备信号光源的三种不同方式所需设备的结构示意图；

图4为本发明提出的一种测量设备无关相位匹配量子密钥分发装置又一实施方式的架构示意图；

图5为本发明提出的一种测量设备无关相位匹配量子密钥分发装置再一实施方式的架构示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种测量设备无关相位匹配量子密钥分发装置，包括：

合法的第一通信端和第二通信端，及不可信的第三方检测端；

其中，第一通信端和第二通信端用于进行量子态的制备，均包括相位调制器和光衰减器；第一通信端和第二通信端根据所执行的量子密钥分发协议通过相位调制器对信号脉冲光进行相位调制，相位调制器的调制模式包括随机的切换编码模式和诱骗模式；经过相位调制的脉冲光通过光衰减器衰减至指定脉冲强度；

所述第三方检测端用于进行一阶干涉测量，包括分束器、第一单光子测量器和第二单光子测量器；第一通信端和第二通信端将制备完成的光脉冲信号发送到第三方检测端，通过将脉冲光发送到分束器进行一阶干涉测量，输出结果两束光脉冲，分别由第一单光子探测器和第二单光子探测器接收进行测量，并公布测量结果。

其中，所述第一通信端和第二通信端的相位调制器之前分别设置一光源，用以根据执行的量子秘钥分发协议产生信号光脉冲。

其中，所述第三方检测端设置第一光开关和第二光开关，分别对应接收第一通信端和第二通信端传输的光脉冲；在第一光开关与分束器和、或第二光开关与分束器之间设置第二相位调制器，用于进行相位补偿，以消除脉冲初始相位的影响。

所述第三方检测端还包括一相对相位测量模块，分别连接所述第一光开关和第二光开关，所述第一通信端和第二通信端的光源产生的光脉冲信号包括相位参考脉冲和测量信号脉冲，所述第一光开关和第二光开关将相位参考脉冲发送到相对相位测量模块进行测量，同时将测量信号脉冲发送到分束器进行一阶干涉。

其中，所述第一通信端和第二通信端的光源由第三方检测端产生，第三方检测端的光源经过第一环形器连接分束器，经过分束器分为两束分别发送到第一通信端和第二通信端。

其中，第一通信端和第二通信端的光衰减器分别连接设置第二分束器，第二分束器分束形成的一部分光分别通过光衰减器进入相位调制器，同时在相位调制器之后设置一强度调制器；光脉冲从强度调制器射出后被法拉第镜反射。

其中，第一通信端和第二通信端的第二分束器分别连接一光电探测器，接收第二分束器分束形成的另一部分光进行探测，以监视窃听者是否会注入强光进行窃听操作。

其中，当相位调制器选择执行编码模式时，通过强度调制器调节脉冲强度使得第一通信端和第二通信端的额额输出强度为|α|²，并通过相位调制器编码随机密钥；当相位调制器选择执行诱骗模式时，根据使用的诱骗态协议调节强度调制器，并通过相位调制器编码随机相位，编码后的光脉冲被返回给第三方检测端，通过分束器进行一阶干涉，并使用第一单光子探测器和第二人单光子探测器进行测量。

其中，分束器分为两束分别发送到第一通信端和第二通信端后，分别在第一通信端和第二通信端中设置第二环形器和第三环形器，光脉冲在第一通信端和第二通信端中通过第二环形器和第三环形器发送到第二分束器，第二分束器连接强度调制器，分束器分束形成的一部分光分别进入强度调制器、相位调制器、光衰减器，进行诱骗态和密钥信息的加载；之后进入第三方检测端的分束器进行一阶干涉，输出结果由第一单光子探测器和第二单光子探测器接收进行测量，并公布测量结果。

其中，第一通信端和第二通信端的第二分束器分别连接一光电探测器，分束形成的另一部分光被光电探测器探测，以监视窃听者是否会注入强光进行窃听操作。

下述为本发明提供的多种实施方式。在下述实施方式中，第一通信端和第二通信端以合法通信双方alice和bob表示，第三方检测端以不可信第三方charlie表示。

所涉及的协议描述：

1.合法通信双方alice和bob各自随机的选择编码模式（x基）和诱骗模式（z基）。

2.在选择诱骗模式（z基）时，alice（bob）制备相位随机的相干态光脉冲。脉冲强度根据所使用的诱骗态协议决定。

3.在选择编码模式（x基）时，alice（bob）根据发送的密钥信息编码相位信息。例如编码为0或π，分别对应0或1比特。

4.alice和bob将制备的量子态发送给不可信第三方charlie。charlie在接收到脉冲信号后对其进行干涉测量，并公布测量结果。

本协议中，当alice（bob）选择编码模式（x基）时需要编码0或π相位，因此，需要alice和bob共享一个参考相位。参考相位可以通过相位锁定两台激光器来实现，但是实验实现难度较大。

第一实施方式：如图1所示，为一种测量设备无关相位匹配量子密钥分发装置的一个架构示意图。

如图1所示，该量子密钥分发系统100以强衰减激光作为通信光，可包含合法通信双方alice110和bob120、不可信第三方charlie130。其中，合法通信双方alice110和bob120进行量子态的制备，可由光源111（121）、相位调制器112（122）、光衰减器113（123）组成。第三方charlie130作为测量端进行一阶干涉测量，可由光开关131和132、相对相位测量模块133、分束器136、第一单光子探测器134和第二单光子探测器135组成。光开关132和132对应第一光开关和第二光开关，因二者作用相同，在图中仅以标号进行区分，不以名称作区分。

光源111（121）根据所执行的量子密钥分发协议产生相位参考脉冲光和信号脉冲光，并通过相位调制器112（122）对信号脉冲进行相位调制。假设相位参考脉冲和信号脉冲的初始相位分别为φ0和ψ0。相位调制器112（122）随机的切换编码模式（x基）和诱骗模式（z基），在编码模式下随机编码0或π相位，在诱骗模式下随机编码相位θ，θ∈[0,2π)，其中θ可以在0到2π内连续分布，也可以取固定的几个分立的值。经过相位调制的光脉冲通过光衰减器113（123）衰减至合适的脉冲强度。之后通信双方将制备好的光脉冲信号发送给不可信第三方charlie130，charlie在接收到光脉冲信号后通过光开关将相位参考脉冲发送至相对相位测量模块133，并对由alice110和bob120发送的相位参考脉冲进行相对相位测量。信号脉冲则由光开关发送至分束器136进行一阶干涉测量，干涉输出由两个单光子探测器进行测量。测量结束之后，charlie130公布所有的测量结果，包括相位参考脉冲的相对相位以及信号脉冲的干涉测量结果。

由于alice110（bob120）发送的一对相位参考脉冲和信号脉冲由同一个光源制备，因此，其初始相位具有固定的相位差，经过光纤传输后，由于其经历相同的传播路径，因此，信道对二者相位的改变也是相同的。通过测量alice和bob发送的相位参考脉冲的相对相位就可以获得信号脉冲的相对初始相位。由于alice110和bob120的光源并没有进行初始相位锁定，因此其相对初始相位是完全随机的，只选择初始相位相同或相近的信号脉冲进行成码。需要注意的是由于相对相位不完全相同，因此这种处理方法会存在固有误码率。

相位参考脉冲的相对相位测量模块133可以在分束器136之前，如图1所示，也可以在分束器136之后进行，相应的需要将光开关131和132放在分束器136之后。这样可以保证相位参考脉冲和信号脉冲经历相同的光程。

本实施方式中通过对alice110和bob120发送的相位参考脉冲相对相位进行测量可以推测出信号脉冲的相对相位。相位参考脉冲实际上在alice110和bob120以及第三方charlie130之间建立了共享参考相位。该方案并不要求发送方110和120的光源具有相同的初始相位，也不需要进行相位锁定，从而大大降低了实验对光源的要求。

第二实施方式：如图2所示，为一种测量设备无关相位匹配量子密钥分发装置的另一实施方式的架构示意图。

如图2所示，该量子密钥分发系统200以强衰减激光作为通信光，可包含合法通信双方alice210和bob220、不可信第三方charlie230。该方案中alice210（bob220）制备脉冲信号的方法与图1所示方案相同。在charlie230接收到光脉冲后通过第一光开关231和第二光开关232将相位参考脉冲发送给相对相位测量模块233，根据相位参考脉冲的相对相位测量结果可以推测出信号脉冲初始相位差，charlie230通过第二相位调制器237对alice210或bob220发送的信号脉冲进行相位补偿。由于alice210和bob220的光源并没有进行相位锁定，因此信号脉冲的初始相位不同。通过相位调制器237进行的相位补偿可以消除初始相位不同的影响。相位补偿可以通过对alice210发送的信号脉冲进行，也可以对bob220的信号脉冲进行，或者二者同时进行。经过相位补偿的信号脉冲通过分束器236进行一阶干涉测量。第三方charlie230会公布测量结果，发送方210和220根据第三方230公布的测量结果成码，并进行纠错和隐私放大过程获得最终的安全密钥。

本实施方式中，在第三方charlie230对相位参考脉冲的相对相位进行测量之后通过相位调制器237对信号脉冲的相位进行补偿。该方案可以消除由于信号脉冲初始相位不同而需要相位后选择的问题，能够有效提高成码率。

第一和第二种实施方式中光源可以是（但不限于）连续激光器通过外调制（如使用强度调制器或幅度调制器）的方式斩成脉冲光。图3展示了几种可能的光源制备方案，图3（a）中连续激光器311发出的激光通过强度调制器312被斩成脉冲光。由于相位参考脉冲强度远高于信号脉冲强度，因此，需要使用高消光比强度调制器。通过调节加载在强度调制器上的电压分别产生相位参考脉冲和信号脉冲。图3（b）展示了另一种产生光脉冲的方法。连续激光器321经过强度调制器322后斩成脉冲光，经过分束器323被分成两束，其中一束光直接到达合束器324作为相位参考脉冲。另一束经过衰减325并延时后到达合束器324作为信号脉冲。由于相位参考脉冲和信号脉冲源自同一个光脉冲信号，因此，只要保证延时不变就能获得具有固定相位差的两个脉冲。图3（c）中展示了另一种可能的光源实现方案。通过两个强度调制器332和333级联的方式提高消光比。

第三实施方式：如图4所示，为一种测量设备无关相位匹配量子密钥分方法统的另一实施方式的架构示意图。

图4所示该量子密钥分发系统400以强衰减激光作为通信光，可包含合法通信双方alice410和bob420、不可信第三方charlie430。方案采用了即插即用结构，光源由不可信第三方charlie430提供。光源435发射脉冲光经过环形器433之后被分束器431分成两束分别发送给两个合法通信双方410和420。光脉冲到达410和420之后，首先经过第二分束器415（425）分出部分光使用光电探测器416（426）进行探测，用于监视窃听者是否会注入强光进行窃听操作。之后光脉冲依次经过光衰减器414（424）、相位调制器413（423）、强度调制器412（422）后被法拉第镜411（421）反射。这里强度调制器和相位调制器的位置可以互换。光脉冲被反射之后通过强度调制器412（422）调节每脉冲光强用于实施诱骗态方案。相位调制器413（423）用于加载相位信息。编码模式（x基）和诱骗模式（z基）随机进行。当选择执行编码模式（x基）时，通过强度调制器412（422）调节脉冲强度使得410（420）输出强度为|α|²，并通过相位调制器413（423）编码随机密钥。当选择执行诱骗模式（z基）时，根据使用的诱骗态协议调节强度调制器，并通过相位调制器编码随机相位。编码后的光脉冲被返回给第三方430通过分束器431进行一阶干涉，并使用单光子探测器432和433进行测量。

该实施方式中发送方410和420用于编码的光脉冲信号源自同一个脉冲（由第三方430提供），因此具有相同的初始相位。但是由于在通过分束器431之后两个子脉冲经历不同的光纤，二者的相位变化可能会不同。因此，发送方可以通过制备相位参考脉冲的方式提供相位参考，用于标定由于光程变化引起的相位变化。相位参考脉冲的制备方法参考图3。

本实施方式中采用了即插即用结构，光脉冲从第三方charlie430到达合法通信双方alice410和bob420之后被法拉第镜反射之后原路返回，这种结构能够自动进行偏振补偿。当光子返回第三方charlie430的分束器431时具有相同的偏振态，从而保证高的干涉可视度。

第四实施方式：如图5所示，为一种测量设备无关相位匹配量子密钥分发装置的另一实施方式的架构示意图。

图5所示量子密钥分发系统500以强衰减激光作为通信光，可包含合法通信双方alice510和bob520、不可信第三方charlie530。光源534发射脉冲光经过环形器533之后通过分束器531分别发送给通信双方510和520。光脉冲信号达到alice510（bob520）之后，首先经过第二环形器517（527）和第二环形器513（523）之后直接发送给bob520（alice510）。第一环形器和第二环形器的功能完全相同，因图中有标号，因此不再以第一和第二区分。经过环形器523（513）到达分束器522（512），一路光信号被光电探测器521（511）探测，用于监视是否有窃听者进行窃听（窃听者可以通过发送强光脉冲，并在alice520和bob510编码之后对强光脉冲进行测量从而提取编码的相位信息）。另一路光脉冲信号依次通过强度调制器524（514）、相位调制器525（515）进行诱骗态和密钥信息的加载。编码后的光脉冲通过衰减发送回第三方530。第三方在接收到光脉冲之后通过分束器531进行一阶干涉并使用单光子探测器533和532对干涉结果进行测量。

本实施方式中采用了环路结构，除发送方基站510和520之外，在发送方510（520）和第三方530之间以及发送方510和520之间光脉冲都经历了相同的光程。只要保证基站内部光程稳定，这种结构可以实现相位的自补偿，从而不需要额外提供相位参考。

区别于现有技术，本发明提出一种测量设备无关相位匹配量子密钥分发方法，该通信方法和系统通过引入相位参考实现密钥的编解码，而不需要进行激光器相位锁定和相位后选择，大大降低了实验的实现难度并提高了成码率；消除由于信号脉冲初始相位不同而需要相位后选择的问题，能够有效提高成码率。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。