专利名称：用于qkd的调制器自动校准方法
技术领域：
本发明涉及量子加密技术领域，并在量子加密技术领域中具有工业实用性，更具体地说，涉及用于在量子密钥交换(QKD)系统中自动校准调制器的方法。
背景技术：
量子密钥分发涉及通过使用在“量子信道”上发送的弱的(例如平均0.1光子(photon))光信号在发送者(“Alice”)和接收者(“Bob”)之间建立密钥。密钥分发的安全性是基于量子机制原理的处于未知状态的量子系统的任意测量将修改其状态。结果，尝试截取或另外测量量子信号的窃听者(“Eve”)将在发送的信号中引入差错，因此显示其存在。
Bennett和Brassard在他们的文章“Quantum CryptographyPublic key distribution and coin tossing”Proceedings of theInternational Conference on Computers，Systems and SignalProcessing，Bangalore，India，1984，pp.175-179(IEEE，New York，1984)中首次阐述了量子加密技术的一般原理。在C.H.Bennett等发表的、题为“Experimental Quantum Cryptography，”J.Cryptology53-28(1992)，以及由C.H.Bennett发表的、题为“Quantum CryptographyUsing Any Two Non-Orthogonal States”Phys.Rev.Lett.682121(1992)中描述了具体的QKD系统。
在Bouwmeester等的书“The Physics of QuantumInformation”Springer-Verlag 2001的Section2.3，pages 27-33中描述了用于执行QKD的一般处理。在QKD处理期间，Alice使用随机数生成器(RNG)生成用于基准(basis)的随机比特(“基准比特”)以及用于密钥的随机比特(“密钥比特”)，以创建量子比特(qubit)(例如使用偏振或相位编码)，并将该量子比特发送到Bob。
Bennett的上述出版物的每一个描述了所谓的“单向”QKD系统，其中，Alice在系统的一端对单光子的偏振或相位进行随机编码，而Bob在系统的另一端随机测量该光子的偏振或相位。Bennett在1992年的文章中描述的单向系统是基于两个光纤Mach-Zehnder干涉仪的。Alice和Bob可访问干涉仪系统的各个部分，从而可控制干涉仪的相位。在传输期间，需要将干涉仪活动地稳定在量子信号波长部分中以补偿热漂移。
Gisin的美国专利6,438,234(‘234专利)公开了一种所谓的“双向”QKD系统，其自动补偿偏振和热漂移。因此，‘234专利的双向QKD系统比单向QKD系统更不容易受环境作用的影响。
然而，在自动补偿和活动地稳定的QKD系统中，对光层进行稳定和补偿。结果，在稳定操作QKD系统所需的电子设备中可能产生漂移，并确实产生漂移。例如，在相位编码QKD系统中，如果用于设置相位调制器的电压随时间漂移，则施加到光脉冲的相位将随时间而漂移。对于偏振编码系统中的偏振调制器，情况也一样。这种漂移导致脉冲不具有精确的相位或偏振调制，这降低了检测编码的脉冲的能力。如果这种漂移不能得到补偿，则QKD系统的操作不断缩小，甚至可能出现QKD系统不再操作的情况。
此外，当在特定QKD协议(例如BB84协议)下执行基准测量的分析时，Bob检测器需要50∶50的机会检测以不同于Alice基准的基准测量的信号。在概率不等于50∶50的程度上，因为减少了与“错误”基准测量关联的不确定性，所以窃听者具有潜在的优势。因为调制器基准电压不是“正交”的，所以可能产生这种来自50∶50的概率分布的改变，即通过离散量的基准电压中的变化(例如从V[-π/4]到V[π/4])不会导致调制器提供π/2的相应相位差。
图1是被安排以在Bob和Alice中提供对调制器的校准的双向QKD系统的示意图；图2是与图1的双向QKD系统关联而描述的执行调制器自动校准的方法的示例性实施例的流程图；图3是示出在VA＝-π/4与由检测器32a中的最大光子计数和检测器32b中的最小光子计数指示的检测的干涉脉冲中的相长干涉对应的情况下作为Alice改变调制器电压VA的函数的检测器32a和32b中的光子计数的改变的示图；以及图4是示出在VA＝3π/4与由检测器32a中的最小光子计数和检测器32b中的最大光子计数指示的检测的干涉脉冲中的相消干涉对应的情况下作为Alice改变调制器电压VA的函数的检测器32a和32b中的光子计数的改变的示图。
发明内容
本发明涉及量子加密技术领域且在量子加密技术领域中具有工业实用性，更具体地说，涉及量子密钥分发(QKD)。本发明提供用于执行QKD系统的相位或偏振调制校准的方法。结合双向QKD系统来描述本发明，但所述方法不限于此。
如下面详述的那样，应用于双向QKD系统的本发明的示例性实施例包括将Bob(定时的)调制器电压VB设置为第一正值(即VB(1)＝VB[π/4])，其后在交换脉冲的同时在正方向和负方向上调整Alice调制器电压VA。因此，QKD系统的正常操作和校准操作之间的不同仅在于调制器不是被随机调制的。
在Alice调制器中进行变化以找出各个总基准电压VA(1)和VA(2)，所述各个总基准电压在一种情况下与由于相长干涉导致的一个检测器中的最大计数数量对应，以及在另一情况下作为由于相消干涉导致的另一检测器中的最大计数数量。在VB(1)＝VB[π/4]的示例中，将用于Alice的对应的基准电压设置为VA(1)＝VA[-π/4]和VA(2)＝VA[3π/4]。
其后将Bob调制器电压VB设置为负值(例如VB(2)＝VB[-π/4])，以及重复所述处理以获得更多的两个标称的基准电压，并用于Alice，即，VA(3)＝VA[π/4]且VA(4)＝VA[-3π/4]。当设置(校准)所有基准电压时，操作QKD系统以验证基准电压之间的正交性。通过在Bob和Alice处有意地选择“不正确”的基准值并测量在两个检测器中的每一个处检测光子的概率分布来完成该操作。如果概率分布不是50∶50，则调整一个或多个Bob调制器电压VB(1)和VB(2)，并重复上述处理，直到对于“不正确”的测量基准获得50∶50的检测器计数概率分布。这样在建立的基准电压之间建立正交性。
其后，以校准的基准电压操作QKD系统，所述校准的基准电压直接与用于Alice和Bob的调制器的合适的调制相对应。
具体实施例方式
双向QKD系统图1是QKD系统100的示意图。Bob包括发射光脉冲P0的激光器12。激光器12耦合到时间复用/解复用(M/D)光系统104。M/D光系统104从激光器12接收输入脉冲P0，并将每一脉冲划分为具有正交偏振的两个时间复用的脉冲P1和P2。同样，稍后在密钥交换处理(下面讨论)中，光系统104从Alice接收返回的时间复用的脉冲对，并将其组合(干涉)为单个脉冲。
在M/D光系统104中，Bob还包括相位调制器MB。光纤链路FL耦合到M/D光系统104，并将Bob连接到Alice。Bob还包括耦合到调制器MB的电压控制器44，以及耦合到电压控制器的随机数生成器(RNG)单元46。
Bob还包括耦合到M/D光系统104的两个检测器32a和32b。Bob还包括控制器50，所述控制器50可操作地耦合(例如，通过电连接)到激光器12、检测器32a和32b、电压控制器44以及RNG单元46。
继续参照图1，Alice包括相位调制器MA，其一端耦合到光纤链路FL而另一端耦合到Faraday镜FM。Alice还包括电压控制器14，耦合到调制器MA；以及随机数生成器(RNG)单元16，耦合到电压控制器。Alice还包括控制器20，其耦合到RNG单元16以及电压控制器14。
Bob控制器50经由同步链路(信道)SL(光学或电子地)耦合到Alice控制器20以对Alice和Bob的操作进行同步。具体地说，由在同步链路SL上从控制器50传递到控制器20(反之亦然，或两种方式皆可)的同步信号SS来协调相位调制器MA和MB的操作。在示例性实施例中，从控制器20或控制器50对包括以下描述的校准过程的QKD系统100的操作进行控制。
操作方法继续参照图1，在QKD系统100的操作中，Bob控制器20将信号S0发送到激光器12，激光器12响应于该信号产生相对较强、较短的激光器脉冲P0。其后，由操作性地耦合到控制器50且由控制器50控制的可选的可变光衰减器VOA13B对激光器脉冲P0进行衰减。(衰减的)脉冲P0到达M/D光系统104，M/D光系统104将该脉冲划分为两个正交偏振脉冲P1和P2。脉冲P1直接进入光纤链路FL，而脉冲P2被延迟并通过调制器MB，所述调制器MB此时未被激活。脉冲P1和P2从M/D光系统104传递到光纤链路FL，并传输到Alice，其中脉冲P2跟随在脉冲P1之后。
还应注意的是，在QKD系统100的另一实施例中，脉冲P0和P1可以是由使用位于Alice的VOA13A的Alice进行衰减的相对较强的脉冲，其中，对所述脉冲进行衰减以使其在返回到Bob之前变为弱(量子)脉冲。
脉冲P1和P2通过Alice调制器MA并由Faraday镜FM反射，所述Faraday镜将脉冲的偏振改变90°。随着脉冲通过调制器MA传输返回，Alice让第一脉冲P1通过其，而不进行调制，而对第二脉冲P2的相位进行调制(即，将相移φA施加到第二脉冲P2)。应注意，Alice也可选择对脉冲P1进行调制。由于P1和P2稍后进行干涉，因此施加给每个脉冲的相位并不重要，而两个脉冲之间的相对相位才是重要的。
如下较详细地描述的那样，由在控制器20和控制器50之间共享的同步信号SS提供用于与脉冲P2的到达相一致的调制器MA的激活的定时。在图1示意性示出的示例性实施例中，由向RNG单元16提供良好定时的信号S1的控制器20在Alice处进行调制，所述RNG单元16将表示随机数的信号S2提供给电压控制器14。其后，电压控制器14把从一组基准电压中(例如v[+3π/4]、v[-3π/4]、v[+π/4]和v[-π/4])随机选择的定时的电压信号VA发送到调制器MA，从而将相位调制随机地设置为对应的基准相位，例如+3π/4、-3π/4、+π/4和-π/4。把选择的电压值VA(或对应的随机数)报告给控制器20，并在其中存储(对应的)电压信息(或对应的相位信息)。为了示例性的目的，可将电压信号VA的定时看作是基于信号S2的。实际上，可使用来自控制器20的单独的定时信号(未示出)。
其后，两个脉冲P1和P2传输回到Bob和M/D光系统104。脉冲P2不改变地通过光系统，而脉冲P1通过调制器MB，并接收相移φB。由在控制器20和控制器50之间共享的同步信号SS提供由相位调制器MB对脉冲P1的调制的定时。由向RNG单元46提供良好定时的信号S3的控制器50进行由调制器MB对脉冲P1的调制，所述RNG单元46向电压控制器44提供表示随机数的信号S4。其后，电压控制器44把从一组电压(例如v[+π/4]或v[-π/4])中随机选择的定时的电压信号VB发送到调制器MB，从而将相位调制随机地设置为对应的基准相位，例如+π/4或-π/4。把选择的电压值VB(或对应的随机数)报告给控制器50，并在其中存储电压信息(或对应的相位信息)。此外，为了示例性的目的，可将电压信号VB的定时看作是基于信号S3的。实际上，可使用来自控制器50的单独的定时信号(未示出)。
此外，当脉冲P1和脉冲P2进入M/D光系统104时，脉冲P2无延迟地通过，而将脉冲P延迟等于原先施加给脉冲P2的量。其后，M/D光系统104对两个脉冲P1和P2进行干涉。
布置信号-光子检测器32a和32b，从而由检测器32a检测脉冲P1和P2之间的相长干涉(φA-φB＝0)，而由检测器32b检测脉冲P1和P2之间的相消干涉(φA-φB＝π)。当Bob施加与Alice相同的基准相位时，检测器32a中的计数指示二进制的0，检测器32b中的计数指示二进制的1。然而，当Bob的基准相位不同于Alice时，在干涉的脉冲P1和P2的检测中不存在相关性，以相等概率在检测器32a或32b中检测干涉的信号(即在每一检测器中检测到干涉的脉冲的机会是50∶50)。
多次重复对脉冲对进行交换的过程，从而在检测器32a和32b中检测到大量光子。其后，Alice和Bob公开交换关于它们的基准调制的选择的信息，并对交换的基准信息执行其它处理(例如密钥筛选、纠错和私密放大)，以建立可用于对信息进行安全编码的密钥。
调制器定时设置上面的描述是基于双向QKD系统的理想化的操作的。然而，实际上，在理想状态下，这样的系统不会自动操作。此外，必须首先设置可在商业上实现的系统，以在理想状态或接近于理想状态下进行操作，其后，必须能够补偿其操作状态的改变，以确保正在进行的操作处于理想操作状态或接近于理想操作状态。以下阐述的自动校准方法假定已经通过同步信号SS经由同步信道SL建立QKD系统100中的调制器定时。
调制器自动校准如上所述，在系统操作期间，在QKD系统的电层可产生漂移，也确实产生漂移。在商用可变QKD系统中，需要对漂移进行补偿，从而系统可连续操作。因此，现在结合双向QKD系统100描述执行调制器自动补偿的方法。应注意，用于设置调制器以选择相位的电压在此被称为“基准电压”。
继续参照图1以及图2的流程图400，在402中，控制器50命令电压驱动器44将第一选择基准电压(即，VB(1)＝VB[π/4])提供给相位调制器MB。通过将控制信号SC1从控制器50发送到电压驱动器44来进行该处理(示意性)。对控制信号SC1进行定时以当其从Alice返回时对脉冲P1进行调制。该电压取决于调制器的类型，但可以是例如1伏特。电压VB(1)＝VB[π/4]将调制器MB设置为π/4的标称相位设置。
在404中，Bob生成脉冲P1和P2，并通过光纤链路FL发送P1和P2到Alice。当在Bob和Alice之间来回发送脉冲对P1和P2时，Alice以电压信号VA激活其调制器。通过将控制信号SC2从控制器20发送到电压驱动器14来示意性地示出该处理。对电压信号VA进行定时以对脉冲P2进行调制。因此，除了调制不是随机选择的，而是由各个控制器直接设置的之外，QKD系统100的校准操作类似于正常的密钥交换操作。
在交换脉冲期间，Alice电压VA在负方向上改变。对于每一电压值VA，交换多个(例如106个)脉冲对P1和P2，并将在检测器32a和32b中检测的干涉信号的数量记录在控制器50中。
如此改变电压VA，直到被施加给脉冲的总的(相对)相移T＝A-B为0(相长干涉)，这被观察为用于在检测器32中检测的返回的干涉脉冲的最大光子计数，以及在检测器32b中的最小光子计数。将该电压指定为基准电压(在本示例中是VA(1)＝VA[-π/4])。
图3是示出作为电压VA的函数的检测器32a和32b中的光子计数N的变化的示图。由于检测器暗计数(dark count)而导致在光子计数中缺少绝对的最大和最小。实际上，因为检测器暗计数，比较容易测量检测器32b中的最小光子计数，而不是检测器32a中的最大光子计数，以建立基准电压VA(1)＝VA[-π/4]。
其后，在电压驱动器14中将该基准电压设置为VA(1)＝VA[-π/4]，并将该值存储在控制器中。
应当注意，在404中，从Alice返回Bob的脉冲P1和P2优选地为弱的(量子脉冲)。然而，如果将这些脉冲与在适合于检测强脉冲的Bob处布置的光电二极管组合使用，则这些脉冲可以是强脉冲。然而，为了简明，由于检测器32a和32b是单光子检测器，因此量子脉冲为优选的。
在406中，如上所述，提供给Alice调制器MA的电压VA再次改变，但在正方向的范围中改变，直到如由检测器32b中的最大光子计数和检测器32a中的最小光子计数所指示的那样，被施加给脉冲的总的相对相移为π(相消干涉)。此外，实际上，比较容易测量检测器32a中的最小光子计数以建立对应的基准电压VA(2)＝VA[3π/4]。其后，如上所述，在电压驱动器14中将该电压设置为VA(2)＝VA[3π/4]，并将结果存储在控制器20中。
此时，已经初始地将Bob的电压设置在VB(1)＝VB[π/4]，并且已经建立Alice的对应的基准电压VB(1)＝VA[-π/4]及VA(2)＝VA[3π/4]。
在408中，经由控制信号SC1改变Bob调制器电压VB以保持基准电压，在该示例中，基准电压是VB(2)＝VB[-π/4]。其后，重复执行步骤406和408，以通过在正电压范围中改变电压来建立VA(3)＝VA[π/4]，并通过在负电压范围中改变电压来建立VA(4)＝VA[-3π/4]。一旦完成该步骤，就建立了对Bob调制器MB和Alice调制器MA进行调制所需的所有(初始)基准电压。
一旦根据以上内容来建立用于调制器的基准电压，就需要检查电压的正交性。因此，在410中，通过以固定的基准电压有意设置的调制器MA和MB来操作QKD系统，所述固定的基准电压与进行“不正确”的基准测量的Bob相对应，即被施加给脉冲的总相位T不是π的倍数。经由从相应控制器50发送到相应电压驱动器44的相应控制信号SC1和从相应控制器20发送到相应电压驱动器14的相应控制信号SC2来完成该步骤。例如，将Bob的基准电压设置为VB[π/4]，并将Alice的基准电压设置为VA[π/4]，从而设置Bob调制器MB来施加相位B＝+π/4，并设置Alice调制器来施加相位A＝π/4。该设置产生脉冲之间的总的施加的(标称的)相对相位T＝π/2。
其后，测量并评估检测器32a和32b中的计数的分布。理想地，由于当Bob选择“不正确”的相位基准时在每一检测器中产生的计数的概率应该为50∶50，因此计数分布应该相等。如果在410中发现计数的概率相等(即50∶50)，则基准电压是正交的并表示用于调制器MB和MA的校准的基准电压。
另一方面，可能发现初始建立的基准电压不正交。因此，如果在410中在检测器32a中的计数的数量大于由检测器32b记录的数量，则在412中增加Bob调制器电压VB[π/4]，而如果在410中在检测器32a中的计数的数量小于由检测器32b记录的数量，则在412中减少Bob调制器电压VB[π/4]。在414中，重复步骤406至410，直到获得理想的50∶50检测器计数概率分布。这样确保基准电压中的正交性。
执行以上步骤来产生用于Bob调制器MB的校准的基准电压VB(1)和VB(2)以及用于Alice调制器MA的校准的基准电压VA(1)、VA(2)、VA(3)和VA(4)。在其相应的电压驱动器44和14(或在其相应的控制器50和20)中存储校准的基准电压值，从而从相应的RNG单元46和16发送到电压驱动器的控制信号S3和S2(或可选地，从控制器发送到电压驱动器的控制信号)触发合适的基准电压值，并因此触发合适的相位调制。
现在，QKD系统准备用于理想操作。为了安全性的原因，优选地，当Alice和Bob以及光纤链路FL全都处于安全位置时执行上述过程，因此没有窃听者来改变校准。然而，为了需要的原因，即使上述过程存在安全性风险，在本领域中也需要执行它们。
正在进行的调制器自动校准本发明的调制器自动校准方法的示例性实施例包括在QKD系统的正常操作期间对由于不正确的基准测量而导致的每一检测器中的计数进行监控。如上所述，在系统操作期间，计数分布应该是50∶50。在执行QKD协议之后，可将来自该计数分布的偏差用作诊断工具。当消除了其它差错源时，可将该参数用作触发器以启动上述自动校准处理。这允许根据需要在正在进行的基础上或周期性地校准QKD系统的调制器。
在示例性实施例中，通过将在具有用于执行上述方法的指令的有形介质(例如硬盘，未示出)中体现的软件包括在控制器20和50中来实现调制器校准方法。
权利要求
1.一种校准QKD系统的方法，所述QKD系统具有带有第一调制器(MB)的第一QKD站(Bob)和带有第二调制器(MA)的第二QKD站(Alice)，该方法包括a)以第一调制器基准电压VB(1)操作QKD系统，并改变第二调制器的基准电压VA，以建立用于产生检测的量子脉冲的相长干涉的第二调制器的第一基准电压VA(1)；b)操作QKD系统，而改变第二调制器的基准电压VA，以建立用于产生检测的量子脉冲的相消干涉的第二调制器的第二基准电压VA(2)；c)以第二调制器基准电压VB(2)操作QKD系统，并改变第二调制器的基准电压VA，以建立用于产生检测的量子脉冲的相长干涉的第二调制器的第三基准电压VA(3)；以及d)操作QKD系统，而改变第二调制器的基准电压，以建立用于产生检测的量子脉冲的相消干涉的第二调制器的第四基准电压VA(4)。
2.如权利要求1所述的方法，包括e)以基准电压操作QKD系统，所述基准电压将预期会在两个单光子检测器中的每一个之间产生50∶50光子计数概率；f)使用单光子检测器测量光子计数概率；以及g)如果在f)中测量的光子计数概率不是50∶50，则改变基准电压VB(1)和VB(2)中的至少一个，并重复步骤a)到f)，直到光子计数概率变为50∶50。
3.如权利要求1所述的方法，包括在QKD系统的操作期间，测量在相应的第一单光子检测器和第二单光子检测器中的光子计数，以建立基准电压VA(1)、VA(2)、VA(3)和VA(4)，所述基准电压产生在第一检测器和第二检测器里的任意一个中的最小光子计数。
4.一种校准QKD系统的方法，所述QKD系统具有第一和第二操作性地耦合的QKD站Bob和Alice，所述QKD站具有由相应电压VB和VA驱动的相应第一和第二调制器MB和MA，该方法包括a)在QKD站之间交换光子，而同时将电压VB固定到第一值VB(1)，以及改变第二电压VA，以确定与最小光子计数或最大光子计数对应的基准电压VA(1)和VA(2)；b)在QKD站之间交换光子，而同时将第一基准电压VB固定到第二值VB(2)，以及改变第二基准电压VA，以确定与最小光子计数或最大光子计数对应的基准电压VA(3)和VA(4)；以及c)以有意地选择的不正确的基准电压VB和VA来操作QKD系统，并测量用于检测由调制器MA和MB调制的光子之间的相长干涉对相消干涉的概率分布，以确保基准电压的正交性。
5.如权利要求4所述的方法，其中，在步骤c)中调整基准电压包括如果测量的概率分布不同于50∶50，则以一个或多个不同的第一基准电压值VB来重复步骤a)到c)，从而建立用于产生50∶50概率分布的基准电压VA和VB。
6.如权利要求4所述的方法，包括以校准的基准电压值VB(1)、VB(2)、VA(1)、VA(2)、VA(3)和VA(4)来操作QKD系统。
7.如权利要求4所述的方法，包括对控制器进行编程，所述控制器操作性地耦合到i)调制器驱动器(44、14)，所述调制器驱动器(44，14)操作性地耦合到相应的调制器MB和MA；以及ii)第一单光子检测器和第二单光子检测器，从而执行步骤a)到d)。
8.一种在QKD系统中校准两个调制器MA和MB的方法，包括a)以用于调制器MB的第一固定调制电压VB(1)操作QKD系统，以及改变第二调制器的调制电压VA，从而基于在一个或多个单光子检测器中测量光子计数来建立用于第二调制器的第一基准电压VA(1)和第二基准电压VA(2)；以及b)以用于调制器MB的第二固定调制电压VB(2)操作QKD系统，以及改变第二调制器的调制电压VA，从而基于在一个或多个单光子检测器中测量光子计数来建立用于第二调制器的第三基准电压VA(3)和第四基准电压VA(4)。
9.如权利要求8所述的方法，包括测量调制电压的正交性。
10.如权利要求9所述的方法，包括如果权利要求9的测量显示调制电压不正交，则调整基准电压中的至少一个，以使得基准电压正交。
11.如权利要求8所述的方法，包括通过以下步骤测量调制电压的正交性c)将调制电压设置为下述值，所述值预期会在相长干涉的光子和相消干涉的光子之间产生50∶50光子计数概率分布；d)测量光子计数概率分布；以及e)如果光子计数概率分布并非是50∶50，则调整用于调制器MB的基准电压中的至少一个，并重复步骤a)到d)以实现50∶50光子计数概率分布。
12.如权利要求8所述的方法，包括以校准的基准电压值VB(1)、VB(2)、VA(1)、VA(2)、VA(3)和VA(4)来操作QKD系统。
全文摘要
公开了一种用于在QKD系统(100)中校准调制器的方法。该方法包括将Bob调制器(MB)的电压(V
文档编号H04K1/00GK1938981SQ200580006763
公开日2007年3月28日 申请日期2005年2月24日 优先权日2004年3月2日
发明者安通·扎弗里耶夫, 哈里·维格 申请人:Magiq技术公司