专利名称：用于提供量子信号、定时信号和公共数据的双向通信的系统和方法
技术领域：
本发明大致涉及数据传输，特别是涉及密码术。
背景技术：
随着技术的日新月异，传输数据的方法已从利用物理媒介，如邮件，改变为利用无线电通信。不幸地，利用无线电通信传输数据已引入传输数据的安全措施。
密码术为用于提供一种更加安全的从第一点到第二点的数据传输方法的技术的一个典范。此外，由密码术提供的安全的传输目的在于防止第三方在传输中监听。不幸地，传统的密码技术易于受到第三方侦听和解密的侵害。
为减轻这一问题而提出量子密码术。量子密钥分配(QKD)是能够快速的、可靠的、无条件地安全的(依据计算能力)经远距离的量子密钥分配的先进技术。QKD系统通常提供用于在远的通过通信方法例如光导电缆连接的两方间安全的密钥交换的装置。更具体地说，在QKD中，通过利用微弱的(例如，平均为0.1光子)传输于“量子通道”的光信号在发送器(“Alice”)与接收器(“Bob”)间建立密钥。密钥分配的安全措施是基于量子机械原理，该原理为处于未知状态的量子系统的任何测量方法将改变它的状态。因此，尝试侦听或用其它方式测量量子信号的偷听者(“Eve”)将固有地对传输信号带来误差，从而显示她的存在。
通常的QKD系统包括量子层，该量子层包括单光子计数器并被用于准备和传递从Alice到Bob的量子信号，数据采集系统(例如，带输入/输出(I/O)卡的计算机)，双向经典数据通信通道，以及在Alice和Bob两者上，数据处理逻辑用于从原始数据提取隐藏的密钥。软件协议也是QKD系统非常重要的部分，并被用于运行QKD系统以及执行不同的动作，例如，认证，过滤，纠错和保密增强。QKD系统也可包括不同类型的为本领域普通技术人员所知的传统的密码术硬件和软件。隐藏的密钥通常由作为Alice一部分而被提供的随机数产生器产生。
量子密钥的传输需要降低功率以允许单光子脉冲或信号的传输。换句话说，传输公共讨论层(例如，以太网)数据包需要大量的功率。大量的功率，导致每次数千光子的传输，可能造成拉曼和瑞利散射，从而负面地影响单光子脉冲。由于量子密钥分配通道和公共讨论层的不同需要，在同一光纤上既传输量子密钥又传输公共讨论层的数据，即使可能也是困难的。取而代之，单光纤通常专注于公共讨论层，然而第二光纤被用做量子密钥分配。换句话说，为了可以减少输入功率而缩短光纤的距离并且由于较短的光纤距离因此散射功率交换率较低。
因此，迄今为止，在工业中存在解决上述缺陷与不足的需求。
发明内容
本发明的实施方式提供一种用于提供量子信号、定时信号和公共数据的双向通信的系统和方法。总的来说，在结构上，系统的一个实施方式，其中，可按下述实现。该系统包括第一公共数据收发器，其能够根据预先确定的时序传输并接收公共数据，第一光调制/解调器，其能够根据所述预先确定的时序传输并接收定时信号，第一量子收发器，其能够根据预先确定的时序传输并接收量子信号，以及第一控制器，其连接于第一公共数据收发器、第一光调制/解调器以及第一量子收发器。第一控制器能够根据预先确定的时序控制公共数据、定时信号和量子信号的传输。
本发明也可被视为提供用于提供量子信号、定时信号和公共数据的双向通信的方法。在此方面，该方法的一个实施方式，其中，可被下述步骤高度地概括在第一预先确定的定时空隙中传输公共数据信号；在预先确定的周期停止传输公共数据；并在第二预先确定的定时空隙内传输量子信号和定时信号，其中第一和第二预先确定的定时空隙规定预先确定的定时时序。
经对下述附图以及具体实施方式
的审查，其它本发明的系统，方法，特征和优点对本领域技术人员将会或逐渐明显。意图在于所有这些附加的系统方法，特征和优点均可被包括在此说明书，本发明的范围内并通过附随的权利要求受到保护。
对照下述附图可更好地理解本发明的许多方面。附图中的组成部分无需按规定的比例，其设置强调的是清楚地显示本发明的原理。此外，在附图中，如附图标记指明这些图中对应的部分。
图1为方框图，根据本发明第一范例的实施方式提供量子密钥分配(QKD)系统的高级图示。
图2为方框图，根据本发明第一范例的实施方式进一步显示图1的第一QKD站，Alice。
图3为方框图，根据本发明第一范例的实施方式进一步显示图1的第二QKD站，Bob。
图4为流程图，显示用于对传输量子信号，同步信号和公共数据定时的图1的QKD系统可能的实现结构、功能和操作。
图5为示意图，显示预先确定的定时空隙和通过图1的QKD系统传输量子信号、同步信号和公共数据的示例。
图6为流程图，根据本发明第二范例的实施方式显示用于对传输量子信号，同步信号和公共数据定时的图1的QKD系统可能的实现结构、功能和操作。
具体实施例方式
本发明提供了一种量子密钥分配系统及方法，该系统及方法能够通过单光纤或者其它传输媒介量子密钥分配、传输公共讨论层数据(例如，以太网)和传输定时信号，其中单光纤在长度上比较长。要传输和接收量子信号和/或同步信号(synchs)的任何时候，通过减小或者消除允许公共讨论层数据传输的功率而提供。
如本领域的普通技术人员所知，synchs为用来使Alice和Bob同步的强光脉冲。这里将更加详细地描述synchs。应当注意的是，本具体实施方式
描述了使用以太网作为传输协议用来传输公共讨论层数据(公共数据)，另外此处指的是经典公共数据信号。应当注意的是，然而，使用以太网在这里仅仅为举例目的，并且可以通过使用不同的协议提供公共讨论层数据的传输。
图1为方框图，根据本发明第一范例的实施方式提供量子密钥分配(QKD)系统的高级图示。如图1所示，系统10包括两个QKD站，即，第一QKD站，Alice 100，和第二QKD站，Bob 200。Alice 100包括第一量子通道光学层(“量子收发器”)120，用于准备、传输和/或接收通过量子通道121发送至或者接收自Bob 200的量子信号。应当注意到的是，术语“量子收发器”在这里用来描述通过量子通道121用来准备、传输、接收或者既传输又接收量子信号的光学层。此外，“量子信号”是在量子收发器之间的量子通道上传输的信号。
对照图1，Alice 100还包括与第一控制器160连接的第一随机数发生器(RNG)130，该第一RNG 130向第一控制器160提供随机的数值，从而允许第一控制器160随机控制第一量子收发器120，基于选择的偏振及相位设置量子信号的偏振或者相位。第一RNG 130的用法在此详细说明。
Alice 100还包括与经典公共数据通道142连接的第一公共数据收发器(PDT)140。该第一PDT 140适于获取和处理用于在Alice 100和Bob 200之间公开传输和接收数据(例如，加密信息)的公共数据信号。如上所述，上述信号的举例为以太网信号。第一PDT 140与第一控制器160连接。
Alice 100包括与定时通道152连接的第一光调制/解调器(调制解调器)150。第一光调制解调器150适于传输和接收在定时通道152上发送的光信号。该光信号用于执行定时操作并且该光信号(如，同步信号)对于QKD系统的正常功能来说是必需的。这里进一步描述光信号，第一调制解调器150也与第一控制器160连接。
如上所述，Alice 100还包括第一控制器160。该第一控制器160与第一量子收发器120、第一PDT 140及第一光调制解调器150连接。第一控制器160适于调整上述连接组件的定时操作，以及量子信号、同步信号及公共数据的传输定时，将在下面详细说明。如上面还提到的，第一控制器160还与第一RNG130连接。
Bob 200的基本结构类似于Alice 100。更具体地说，Bob 200包括第二量子收发器220、第二RNG 250、第二PDT 260、第二光调制解调器270及第二控制器280，除了如下所述，每一个必须都如Alice 100中设置并具有相似功能。第二量子收发器220、第二PDT 260及第二光调制解调器270通过光纤112分别与位于Alice 100中的第一量子收发器120、第一PDT 140及第一光调制解调器150通信。此外，类似于Alice 100，Bob 200还包括量子通道202、公共数据通道204及定时通道206。
如图1所示，QKD系统10还包括位于Alice 100内的第一波分复用器(WDM)170及位于Bob 200内的第二WDM 290。如本领域普通技术人员所知，WDM是将来自单光纤源(波导)的分离的波长合并于具有多个通道的单光纤(光波导)内的装置。在本系统10内，WDMs 170、290光和/或电多路复用数据通道、量子通道及定时通道，以允许在单光纤112上传输这三个通道，而这些通道在不同的波长上调制。
如这里详细说明的，QKD系统10经第一控制器160和第二控制器280，提供量子信号、同步信号(syncs)及公共数据之间单光纤112的时分多路复用，这样，可以允许同时传输量子信号和同步信号，而传输公共数据与量子信号和/或同步信号的时间不同于传输公共数据的时间。信号和数据传输的定时详细描述如下。
图2为方框图，根据本发明第一范例的实施方式进一步显示第一QKD站，Alice 100。如图2所示，Alice 100包括第一量子收发器120。应当注意的是，第一量子收发器120及第二量子收发器220都为双向量子收发器。此外，这里描述的第一和第二量子收发器120、220的部分仅仅是作为示例。本领域普通技术人员可以明白可以使用第一和第二量子收发器120、220的其它构造，从而代替或者消除这里描述的结构。实际上，也可以使用其它结构的Alice 100和Bob200。接着Bob 200的详细描述，关于图3的Alice 100和Bob 200中的脉冲产生及逻辑修改的详细描述如下。
对照图2，第一量子收发器120包括第一可变光衰减器(VOA)122，其中，VOA 122与第一WDM 170连接。第一VOA 122能够控制由第一WDM 170接收的光脉冲的强度。此外，第一VOA 122能够控制从第一VOA 122传输至第一WDM 170的光脉冲的强度。
第一VOA 122与第一相位调制器124连接。该第一相位调制器124能够改变接收的光脉冲的相位。该第一相位调制器124与反射装置126通信，例如但不限于法拉第镜。应当注意的是，第一相位调制器124还可与法拉第镜126连接。这里，以法拉第镜为例，然而，应当注意的是，不同的能够反射量子信号的反射装置可以替代使用。法拉第镜126安放在第一相位调制器124的下方。该法拉第镜126反射收到的脉冲并将每个脉冲的偏振旋转90度。
第一相位调制器124还与第一相位调制器驱动器128连接，如本领域普通技术人员所知，相位调制器驱动器能够驱动指定实例的相位调制器。使相位调制器驱动器驱动相位调制器的动作可能会不同。根据本发明第一范例的实施方式，这种驱动由指令产生，例如但不限于，第一相位调制器驱动器128从第一控制器160(该第一控制器160安置在第一量子收发器120的外面)接收触发脉冲，该第一控制器160与第一相位调制器驱动器128连接。
如图2所示，Alice 100在量子收发器120的外部还包括第一控制器160。第一控制器160与均位于第一量子收发器120内的第一相位调制器驱动器128及第一VOA 122连接。此外，第一控制器160包括第一场可编程序门阵列(FPGA)162，设置于此用于辅助Alice 100和Bob 200之间的协同通信。Alice100和Bob 200之间的协同通信详细说明于此。
第一RNG 130、第一PDT 140、第一光调制解调器150及第一WDM 170均设置在第一量子收发器120外部。第一RNG 130与第一控制器160连接。该第一RNG 130能够向第一控制器160提供随机的数值。第一控制器160使用这些随机的数值使第一相位调制器124随机改变接收到的脉冲的相位，从而得到相位未知的脉冲，其相位只有Alice 100能够得知。
第一PDT 140与第一控制器160和第一WDM 170连接，第一光调制解调器150与第一控制器160和第一WDM 170连接。如图2所示，第一PDT 140包括通过本地接口146通信地连接的存储器142和处理器144，详细说明如下，第一PDT 140以及第二PDT 260用于提供公共数据的传输(例如，以太网)。
本地接口146可以但不限于是一条或者更多总线或者线连接或者无线连接，如本领域所知的。本地接口146可以有另外的元件实现通信，为简单起见，省略了这些元件，如控制器、缓冲器(高速缓冲存储器)、驱动器、中继器及接收器。更进一步地，本地接口146可以包括地址、控制和/或数据连接以实现上述组件之间适当的通信。
处理器144是用于执行软件的硬件装置，尤其是存储在存储器142中的。处理器144可以是定制的或者商用处理器，中央处理单元(CPU)，与第一PDT140连接的若干处理器中的辅处理器，基于微处理器(以微芯片或者芯片组的形式)的半导体，宏处理程序或者任何用于执行软件指令的装置。匹配的商用微处理器的例子如下来自Hewlett-Packard公司的PA-RISC系列微处理器，来自因特尔公司的80×86或者奔腾系列微处理器，来自IBM的PowerPC微处理器，来自Sun Microsystems公司的Sparc微处理器，来自Motorola公司的68xxx系列微处理器。
存储器142可包括任一个或者易失性存储元件的组合(例如，随机存取存储器(RAM，如DRAM，SRAM，SDRAM等))和非易失性存储元件(例如，ROM、硬盘、磁带、CDROM等)。而且，存储器142可综合电、磁、光和/或其它类型存储媒介。注意该存储器142具有分布式结构，其中不同的组件彼此之间的位置遥远，但是可以由处理器144访问。应当注意的是，位于第一PDT140内的存储器142包括先入先出(FIFO)缓冲器。如本领域普通技术人员所知，FIFO缓冲器是存储器内按照接收顺序放置信息的区域，直到计算机有时间用它。在存储器142内FIFO缓冲器的使用详细说明于此。
第一光调制解调器150能够向第二光调制解调器270传送同步信号(图3)。光调制解调器的例子在共同未决的专利申请中进行了详细说明，该专利申请名称为“具有加强定时的QKD系统”，申请日为2004年2月7日，申请号为PCT/US2004/003394，此处提及的为该申请的全部内容。因为对本领域普通技术人员同步信号的产生是知道的，所以这里除了有关同步信号传输的定时没有对同步信号的进一步解释。应当注意的是，第一光调制解调器150的部分与第二光调制解调器270的部分相似。因此，参考这里第二光调制解调器270得说明以获知有关第一光调制解调器150的结构和功能的其它信息。
图3为方框图，根据本发明第一范例的实施方式进一步显示第二QKD站，Bob 200。对照图3，位于Bob 200内的第二量子收发器220包括激光源222。该激光源222可以是许多不同激光器中的一种，可以但不限于1.5μm激光器，其能够产生一个或者更多光脉冲，每一个光脉冲含有数百或者数千个光子和大约为400ps的时间宽度。当然，每个脉冲中的光子数量及时间宽度可以不同。
第二VOA 224与激光源222通信。该第二VOA 224用来控制接收的光脉冲的强度，因此更适宜形成一个比从激光源222接收到的更弱的光脉冲。然而，应当注意的是，然而，该光脉冲需要从Bob 200传输至Alice 100，然后返回Bob200，因此，第二VOA 224不是用来将收到的光脉冲减弱至其无法返回Bob 200。取而代之，第二VOA 224的功能是控制接收自激光源222的光脉冲，这样当该光脉冲到达第一VOA 122时，穿过第一VOA 122的光脉冲的双程形成的一个弱脉冲平均含有不足一个光子。
第二量子收发器220还包括位于其内并与第二VOA 224连接的保偏循环器(PMC)226。该PMC 226能够基于在PMC 226收到的光脉冲的方向引导该收到的光脉冲至特定的目的地。
同样位于第二量子收发器内的第一光束分裂器228与PMC 226连接。该第一光束分裂器228更适宜为50/50光束分裂器，并能够将收到的光脉冲分为两个脉冲。这些脉冲的使用说明如下。当然，也可以用一个不同类型的光束分裂器代替。
位于第二量子收发器220内的光延迟231设置在位于第二量子收发器220内的第一光束分裂器228和第二光束分裂器229之间。该光延迟231允许被其接收的光脉冲按照预先确定的数量延迟。根据本发明第一范例的实施方式，光延迟231为光纤的额外部分。更具体地说，光脉冲可以通过两个通道从第一光束分裂器228传输至第二光束分裂器229，或者从第二光束分裂器229传输至第一光束分裂器228，其中，第一通道比第二通道短。因此，第二通道提供光延迟231。换句话说，也可以使用能够延迟光脉冲的一个装置或者多个装置来代替。
对照图3，第二通道包括其内第二相位调制器232。在第二相位调制器232和第二光束分裂器229之间设置有光纤链，这样到达第二光束分裂器229相应端口的第二半脉冲与第一半脉冲正交极化，这样，半脉冲被送至第二WDM时分多路复用和正交极化290。半脉冲详细说明如下。
应当注意的是，第二光束分裂器229更适宜为偏振光束分裂器。该第二光束分裂器229更适宜为偏振光束分裂器以提供向第二WDM 290发送正交极化脉冲的能力，并基于光脉冲的偏振分别发送光脉冲。
位于第二量子收发器220内的第二相位调制器232能够随机调制通过光延迟231的脉冲的相位，该第二相位调制器232与第一光束分裂器228和第二光束分裂器229连接。相位的随机调制是由于与第二控制器280连接的第二随机数发生器250，二者均处于第二量子收发器220的外部。
第二相位调制器驱动器234与第二相位调制器232连接以根据从第二控制器280接收至第二相位调制器驱动器234的指令驱动第二相位调制器232。该第二相位调制器驱动器234位于第二量子收发器220内。
位于Bob 200内的第二量子收发器220还包括与第一光束分裂器228和第二控制器280连接的第一单光子探测器(SPD)240以及与PMC 226和第二控制器280连接的第二SPD 242。第一SPD 240和第二SPD 242分别与第一鉴别器244和第二鉴别器246通信并能够分别被其驱动。
第二QKD站，Bob 200还包括第二控制器280、第二RNG 250、第二光调制解调器270、第二WDM 290以及第二PDT 260。第二PDT 260包括与位于第一PDT 140内逻辑相似的逻辑，即存储器261、处理器262和本地接口263。第二PDT 260与第二WDM 290连接，然而第二WDM 290与第二PDT 260、第二光束分裂器229和第二光调制解调器270连接。此外，第二WDM 290与连接于第一QKD站-Alice 100和第二QKD站-Bob 200的单光纤112连接。
第二控制器280与激光源222、第一和第二SPDs 240、242、第二VOA224、第二RNG 250、第二PM调制器驱动器234、第一和第二鉴别器244、246、第二光调制解调器270以及第二PDT 260连接。此外，第二控制器280其内包含有第二FPGA282。第二控制器280和第二FPGA282及其应用随后详细说明，参见图4、图5和图6的说明。
第二光调制解调器270还包含定时/同步激光器(例如，光发射器)272(例如，工作在1.3μm)和定时/同步探测器(例如，光接收器)274，二者与循环器276连接。定时/同步激光器272和定时/同步探测器274与第二控制器280连接。如上所述，在现在未决的专利申请中详细说明了光调制解调器的例子，该专利名称为“具有加强定时的QKD系统”，申请日为2004年2月7日，申请号为PCT/US2004/003394，此处提及的为该申请的全部内容。基本上，光定时信号(syncs)由光调制解调器150、270处理，其将上述同步信号转变为相应的电定时信号，反之亦然。
通常，QKD系统10内逻辑装置在量子信号的传输中的功能如下，激光源222传输光脉冲，该光脉冲含有数百个或者数千个光子且大约为400ps的时间宽度。当然，光脉冲中的光子数量及光脉冲的时间宽度可以不同。
光脉冲由第二VOA 224接收。第二VOA 224用来控制接收的光脉冲的强度，因此形成比接收自激光源222的光脉冲更弱的光脉冲。应当注意的是，然而，该光脉冲需要从Bob 200传输至Alice 100，然后返回Bob 200，因此，第二VOA 224不是用来将收到的光脉冲减弱至其无法返回Bob 200。取而代之，第二VOA 224的功能是控制接收自激光源222的光脉冲的强度，这样当该光脉冲到达第一VOA 122时，穿过第一VOA 122的光脉冲的双程形成的一个弱脉冲平均含有不足一个光子。
本系统使用两个具有平均最大衰减的VOAs，每次光脉冲通过VOAs中的一个时，该每一个VOA逐渐减小接收到的光脉冲的强度，形成一个平均含有少于一个光子的弱脉冲。换句话说，在Alice 100内部使用单个VOA来控制接收到的光脉冲的强度，因此，更适合形成平均含有少于一个光子的弱脉冲。举例来说，在Alice 100内的单个VOA传送的每个脉冲平均含有大约0.1或更少的光子。
保偏循环器226接收被减弱的光脉冲并将其导引向第一光束分裂器228。第一光束分裂器228更适合为50/50光束分裂器，将光脉冲分为第一半光脉冲和第二半光脉冲。第一半光脉冲直接被传输至第二光束分裂器229，而第二半光脉冲则是通过光延迟231和第二相位调制器232间接传输至第二光束分裂器229。光延迟231使第二半光脉冲按照预先确定的时间落后于第一半光脉冲。举例来说，第二半光脉冲在第一半光脉冲的20ns后通过QKD系统10。应当注意的是，从Bob 200到Alice 100的通路上，第二相位第一半光脉冲和第二半光脉冲均由第二光束分裂器229接收，尽管第二半光脉冲在第一半光脉冲之后到达第二光束分裂器229。在第二相位调制器232和第二光束分裂器229之间设置有光纤链，这样到达第二光束分裂器229相应端口的第二半脉冲与第一半脉冲正交极化，这样，它们被送至第二WDM 290时分多路复用和正交极化。如上所述，第二光束分裂器229更适合为偏振光束分裂器。该第二光束分裂器229能够向第二WDM 290发送正交极化的第一半光脉冲和第二半光脉冲。
第一半光脉冲和第二半光脉冲均由第二WDM 290接收，将来自第二量子收发器220、第二光调制解调器270和第二PDT260的分离的波长合并于具有多个通道的单光纤112中。如这里所描述的关于图4、图5和图6的详细说明，量子信号(也就是，第一半光脉冲和第二半光脉冲)、同步信号及公共数据由QKD系统10时分多路复用，以在Bob 200和Alice 100之间被允许同时传输量子信号和同步信号，并且在传输量子信号和/或同步信号时不传输公共数据。
第二WDM 290向第一WDM 170传输第一半光脉冲和第二半光脉冲。第一WDM 170收到第一半光脉冲后，该第一半光脉冲被发送至第一VOA 122。此外，在预先确定的延迟后，第一WDM 170收到第二半光脉冲后，将其发送至第一VOA 122。第一VOA 122控制第一半光脉冲和第二半光脉冲的强度以减小光脉冲的强度。然后，第一半光脉冲自第一VOA 122传输至第一相位调制器124。第一控制器160控制第一相位调制器124，从而随机调制第一半光脉冲的相位。此外，第一控制器160防止第一相位调制器124调制第二半光脉冲的相位。
第一半光脉冲经相位调制后，被法拉第镜126反射，其偏振度旋转90度。第一半光脉冲的相位再次由第一相位调制器124随机调制，然后，该第一半光脉冲被传输至第一VOA 122。
换句话说，第一相位调制器124接收第二半光脉冲时，第一控制器160阻止第一相位调制器124调制第二半光脉冲的相位。然后，第二半光脉冲传输至法拉第镜126，被法拉第镜126反射，其偏振度旋转90度。该第二半光脉冲还自第一相位调制器124传输至第一VOA 122。
第一VOA 122控制第一半光脉冲、第二半光脉冲的强度以形成两个弱脉冲，每个形成的光脉冲平均含有不足一个光子。举例来说，由第一VOA 122控制脉冲强度后，每个脉冲平均含有大约0.1个或者更少光子。第一WDM 170接收第一半光脉冲和第二半光脉冲，并将其以类似于将其自第二WDM 290传送至第一WDM 170的方式传送至第二WDM 290。
接收到第一半光脉冲后，第二WDM 290将第一半光脉冲传输至第二光束分裂器229。如上所述，第二光束分裂器229更适宜为偏振光束分裂器，根据光脉冲的极性，将光脉冲指示传送至光延迟231或者直接指示传送至第一光束分裂器228。
由于第一半光脉冲的偏振，第二光束分裂器229通过第二相位调制器232将收到的第一半光脉冲传送至光延迟231。第二控制器280控制第二相位调制器234以随意调制第一半光脉冲的相位。此外，光延迟231延迟第一半脉冲以使第一半光脉冲和第二半光脉冲在第一光束分裂器228相遇。
收到第二半光脉冲后，第二WDM 290将该第二半光脉冲传输至第二光束分裂器229。因为第二半光脉冲的偏振，第二光束分裂器229将收到的第二半光脉冲直接传输至第一光束分裂器228。基于第一半光脉冲和第二半光脉冲在第一光束分裂器228产生的干扰的结果，得到的干扰脉冲进入第一SPD 240或者保偏循环器226。保偏循环器226将自第一光束分裂器228收到的光脉冲传送至第二SPD 242。
在量子密钥分配中，第一和第二SPDs 240、242用于量子信号的分析。
OKD系统的操作如上面已经提到的，QKD系统10能够通过单光纤112或者其它传输媒介量子密钥分配并且传输公共讨论层数据(例如，以太网)，其单光纤112在长度上比较长。要传输和接收量子信号和/或同步信号(synchs)的任何时候，通过减小或者消除允许公共讨论层数据传输的功率而提供。下面详细描述关于QKD系统的整体操作过程。
在第一和第二控制器160，280内规定与决定何时传输量子信号，公共数据(例如，以太网)和/或定时信号有关的功能。更具体地说，第一和第二控制器160，280包括逻辑，在那里该逻辑执行决定传输时序所需的步骤。此逻辑所执行的步骤，另外此处指的是时分多路复用，对图4、图5和图6作下述说明。应当注意的是，根据本发明第一范例，第二控制器280包括逻辑，在那里该逻辑执行决定传输时序所需的步骤。第一控制器160响应第二控制器280。举例来说，第一控制器160可以使用特殊的同步信号或者测量引入的下降到近零的功率水平。当然，取而代之，第一控制器160可以包括逻辑，在那里该逻辑执行决定传输时序所需的步骤，同时，第二控制器280响应第一控制器160。
应当注意的是，虽然与决定这里描述的传输时序有关的功能由硬件执行，具体来说，由FPGA执行，在可选的实施方式中，此功能可由软件，固件，或者软件，固件和硬件的结合来执行。举例来说，如果功能是在软件或固件中执行，此软件或固件可被存储于由相配的指令执行系统执行的存储器中。
图4为流程图300，显示用于对传输量子信号，同步信号和公共数据定时的QKD系统可能的实现结构，功能和操作。在这点上，每一方框代表模块，片段或编码的部分，其包括一个或多个用于实现特定逻辑功能的可执行指令。同样应当注意的是在一些可选的实施方式中，方框中记录的功能可能发生不同于图4中所记录的顺序进行。例如，在图4中连续地显示的两个方框可能事实上被实质上同时地执行或者有时以相反的顺序执行，取决于所涉及的功能，将在下面阐述。下面是有关图4和图3的说明。
为举例目的，下面说明假设QKD系统10从允许Bob 200传输量子信号和定时信号开始。应当注意的是，然而，QKD系统10可改为从允许Bob 200传输公共数据(也就是，以太网)开始。如下面详细地描述，第二控制器280根据预先确定的传输时间表允许传输数据包、量子信号和同步信号。该传输时间表可被存储于第二控制器280或者第二控制器280外部的位置。更具体地说，传输时间表允许量子信号和定时信号同时传输，同时保证执行传输量子信号和定时信号的时间不同于为传输公共数据(例如，以太网)而设置的时间。
如方框302所示，第二控制器280经第二FPGA 282允许第二光调制解调器270和第二量子收发器220分别向Alice 100传输定时信号和量子信号。更具体地说，第二FPGA 282允许由光调制解调器270和第二量子收发器220二者接收来自第二控制器280或外部的功率源(未示出)的功率。第二FPGA 282可允许通过利用与FPGA领域有关的普通技术人员所了解的交换技术接收功率。当光调制解调器270和第二量子收发器220二者被允许传输相关的信号时，它们被允许在它们各自的通道内同时传输这些信号。
如方框304所示，根据预先确定的时间表分配的特定的用于传输定时信号和量子信号或者公共数据(例如，以太网)的定时空隙，第二控制器280经第二FPGA 282停止传输定时信号和量子信号。更具体地说，第二控制器280经第二FPGA 282防止来自第二控制器280或者外部的功率源(未示出)的功率被第二光调制解调器270和第二量子收发器220二者接收。应当注意的是，根据本发明的可选的实施方式，传输定时信号和量子信号可继续，然而，如果继续传输这些信号，第一量子收发器120删除这些信号或者完全没有利用这些信号。
如上所述，预先确定用于传输定时信号，量子信号和公共数据的定时空隙，照现在的样子在每个定时空隙内执行动作。更具体地说，第二控制器280已存储有传输信号和公共数据的时间表。
应当注意的是，定时空隙为时间间隔，用于提供轮流分配的唯一的接收机的活动。根据系统带宽的需要向最高的功率信号，公共数据(例如，以太网)分配固定的长度。下一个定时空隙，清除期，是当不传输公共数据(例如，以太网)时，并且当高性能信号(也就是，公共数据信号)穿过光纤时光纤内的散射减少。第三定时空隙是当散射处于低水平时，并且在无额外的误差的情况下发生单光子接收。定时空隙消耗QKD系统大部分的时间。
用于清除的定时空隙长度由光纤长度决定。基于预期误差和比率以及通讯的需要计算公共数据(例如，以太网)与量子比特的定时空隙长度比率。在清除的定时空隙内，为减少无数据发送的影响总的循环时间应当是长的，然而，太长的清除期增加公共数据等待时间。通过最大等待时间可允许的较高水平运算设置循环时间。
如方框306所示，根据预先确定的时间表分配定时空隙，第二控制器280经第二FPGA 282允许由PDT 260接收来自第二控制器280或者外部的功率源(未示出)的功率。更具体地说，第二FPGA 282经所知的内部交换技术允许由第二PDT 260接收功率。随着由PDT 260接收功率，允许公共数据从Bob 200传输至Alice 100。
应当注意的是，根据本发明可选的实施方式，在传输公共数据期间可继续传输量子信号和定时信号，然而，QKD系统10不利用在公共数据接收期间接收的量子信号和定时信号。
如方框308所示，根据预先确定的时间表分配的定时空隙，在预先确定的时间周期后，第二控制器280经第二FPGA 282防止第二PDT 260传输数据包。举例来说，第二控制器280可防止第二PDT 260接收功率。应当注意的是，在停止第二PDT 260接收功率前第二控制器280更适宜直到由Bob 200传输的公共数据包的末端才等待。取而代之，根据预先确定的时间表，功率被防止由第二PDT 260接收根据何时预先确定的时间表指示第二控制器280以防止被第二PDT 260接收。直接地防止功率被第二PDT 260接收导致被第二PDT 260传输的数据不再能够传输。因此，位于在第二PDT 260内的存储器262能够存储用于传输的数据直到第二控制器280再次允许功率由第二PDT 260接收。这就是FIFO存储器最好在第二PDT 260内利用的原因。随着FIFO存储器的使用，由第二PDT 260传输的数据包将被存储在原始的指令中直到功率再次被第二PDT260接收，此后存储的数据将按照第一次接收的顺序传输。
如方框310所示，第二控制器280经第二FPGA 282允许第二光调制解调器270和第二量子收发器220分别向Alice 100传输定时信号和量子信号。应当注意的是，然而，直到在防止功率到达第二PDT 260之后的预先确定的周期后，第二控制器280更适宜不允许第二光调制解调器270和第二量子收发器220分别向Alice 100传输定时信号和量子信号。预先确定的时间周期更适宜基于光纤112的长度。更具体地说，光纤112的长度决定公共数据包从Bob 200到Alice 100所需的时间。因此，预先确定的时间周期是基于数据包从Bob 200到Alice 100所需的时间，或者，换句话说，是基于光纤112的长度。
应当注意的是，作为控制功率分配的替代，第二FPGA 282可控制与第二光调制解调器270有关的驱动器、与第二量子收发器220有关的驱动器和与第二PDT 260有关的驱动器。通过开启和关闭这些驱动器，第二FPGA 282能控制传输同步信号、量子信号和数据包的时间。
如这里所描述的，QKD系统10提供量子信号和定时信号在同一时刻(也就是，在同一定时空隙内)的传输，然而，公共数据在不同的时刻(也就是，在不同的定时空隙内)被传输。图5为原理图，显示了预先确定的定时空隙和传输量子信号(例如，Qbits)、同步信号(sync)和公共数据(例如，以太网(Enet))的范例。根据图5所示的范例，100ms分配作量子信号和同步信号的传输。另外，10ms分配作公共数据的传输。
如这上面所描述的，在功率被防止到达第二PDT 260后，第二控制器280允许第二量子收发器220和第二光纤调制解调器分别传输量子信号和同步信号前，预先确定的时间周期被允许通过。在图5所示的范例中，预先确定的周期被作为“清除期”而提到，“清除期”大约1ms长。
应当注意的是，图5所示预先确定的定时空隙的范例仅仅为示例。此范例不在于表示允许不同的信号传输多长时间。取而代之，提供图5为显示传输量子信号与同步信号的时间不同于传输公共数据的时间。
根据本发明可选的实施方式，根据数据或信号传输的请求QKD系统10可改变功能。下面提供此QKD系统10的范例，图6的流程图显示其功能。
如方框602所示，第二控制器280确定是否接收了来自第二PDT260的传输公共数据的请求。如果还未收到传输公共数据的请求，第二控制器280允许第二光调制解调器270和第二量子收发器220分别按照这里(方框604)所述的方式传输定时信号和量子信号。
如果在传输定时信号和量子信号期间，传输公共数据的请求被第二PDT260接收，为停止定时信号和量子信号(方框606)的传输，第二光调制解调器270和第二量子收发器220由第二控制器280控制。举例来说，可停止第二量子收发器220的驱动器(未示出)和第二光调制解调器270的驱动器(未示出)的功率。因此，防止第二量子收发器220和第二光调制解调器270传输他们各自的信号。
如方框608所示，在停止传输量子信号和定时信号(方框606)后，第二PDT 260被允许经单光纤112传输公共数据。如果第二控制器280收到来自第二光调制解调器270或第二量子收发器220的传输相关信号的请求，第二PDT260不再被允许传输公共数据(方框610)。
如方框612所示，第二控制器280经第二FPGA 282允许第二光调制解调器270和第二量子收发器220分别向Alice 100传输定时信号和量子信号。应当注意的是，然而，直到在防止功率到达第二PDT 260之后的预先确定的周期后，第二控制器280更适宜才允许第二光调制解调器270和第二量子收发器220分别向Alice 100传输定时信号和量子信号。
更具体地说，在第二控制器280内的定时逻辑已存储公共数据包完全从第二PDT 260经光纤112传输到第一PDT 140所需的时间量。因此，直到公共数据完全被第一PDT 140接收，第二FPGA 282才能够防止第二光调制解调器270和第二量子收发器220传输各自的信号。
应当注意的是，如果在传输定时信号和量子信号时数据包被请求从第二PDT 260传输至第一PDT 140，直到第二控制器280允许此传输，数据包才被存储于第二PDT 260的存储器262内。
应当注意的是，本领域普通技术人员可以明白，此披露的内容描述了双向QKD系统的同时，相似的技术可被利用于提供单向QKD系统。本领域普通技术人员可以理解如何提供此单向QKD系统。举例来说，在Alice 100端用激光源替代法拉第镜126，在Bob 200(图3)端省略偏振光束分裂器并用2×2光纤耦合器或50×50钜体光学光束分裂器替代，同样地除去循环器226。此外，对控制硬件和软件作相应的修改。
应当强调的是，上述本发明实施方式仅仅为清楚理解本发明原理提出的仅仅是实现的可能的示例。在本质上未脱离本发明精神和原理的情况下，可对本发明上述实施方式作许多变化或改变。所有这些改变或变化被确定为包含在披露内容和本发明的范围内并通过权利要求获得保护。
权利要求
1.一种用于提供量子密钥分配的系统，包括第一公共数据收发器，其能够根据预先确定的时序传输公共数据；第一光调制/解调器，其能够根据所述预先确定的时序传输定时信号；第一量子收发器，其能够根据所述预先确定的时序传输量子信号；第一控制器，其连接于所述第一公共数据收发器、所述第一光调制/解调器和所述第一量子收发器，所述第一控制器能够根据所述预先确定的时序控制所述公共数据、所述定时信号和所述量子信号的传输。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述预先确定的时序进一步包括当传输公共数据时的第一预先确定的定时空隙，清除期，在此期间不传输公共数据，以及当传输量子信号和定时信号时的第二预先确定的定时空隙。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述第一量子收发器进一步包括由所述第一控制器控制的光源；调制器；以及由所述第一控制器控制的调制器驱动器，其中所述第一控制器通过所述调制器控制量子信号的调制。
4.根据权利要求2所述的系统，其中，所述第一公共数据收发器还能够根据所述预先确定的时序接收公共数据，所述第一光调制/解调器还能够根据所述预先确定的时序接收定时信号，以及所述第一量子收发器还能够根据所述预先确定的时序接收量子信号。
5.根据权利要求4所述的系统，进一步包括与第一控制器连接的第一随机数发生器(RNG)，所述第一RNG向第一控制器提供随机的数值以使第一量子收发器能够随机地改变脉冲的相位。
6.根据权利要求4所述的系统，进一步包括单光纤，所述量子信号，公共数据和定时信号的传输通过所述单光纤实现，所述量子信号和所述定时信号能够同时通过单光纤，所述公共数据能在与所述量子信号和定时信号通过单光纤的不同时间通过所述单光纤。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述预先确定的时序进一步包括当传输公共数据，量子信号以及定时信号时的第一预先确定的定时空隙，清除期，在此期间不传输公共数据，以及当仅传输量子信号和定时信号时的第二预先确定的定时空隙。
8.根据权利要求4所述的系统，进一步包括第二公共数据收发器，其能够根据预先确定的时序接收所述传输的公共数据信号；第二光调制/解调器，其能够根据所述预先确定的时序接收所述传输的定时信号；第二量子收发器，其能够根据所述预先确定的时序接收量子信号；以及第二控制器，其与所述第二公共数据收发器、所述第二光调制/解调器以及所述第二量子收发器连接。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述第一量子收发器进一步包括由所述第一控制器控制的光源，所述第二量子收发器进一步包括反射物。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述第一量子收发器进一步包括第一光束分裂器和第二光束分裂器。
11.一种用于提供量子密钥分配的系统，包括用于根据预先确定的时序传输公共数据的装置；用于根据所述预先确定的时序传输定时信号的装置；用于根据所述预先确定的时序传输量子信号的装置；以及用于根据所述预先确定的时序控制所述公共数据、所述定时信号和所述量子信号传输的装置。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述预先确定的时序进一步包括当传输公共数据时的第一预先确定的定时空隙，清除期，在此期间不传输公共数据，以及当传输量子信号和定时信号时的第二预先确定的定时空隙。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述用于传输公共数据的装置还能够根据所述预先确定的时序接收公共数据，所述用于传输定时信号的装置还能够根据所述预先确定的时序接收定时信号，所述用于传输量子信号的装置还能够根据所述预先确定的时序接收量子信号。
14.根据权利要求13所述的系统，进一步包括用于根据所述预先确定的时序接收所述传输的公共数据信号的装置；用于根据所述预先确定的时序接收所述传输的定时信号的装置；用于根据所述预先确定的时序接收所述传输的量子信号的装置；用于控制所述用于接收所述传输的公共数据的装置、所述用于接收所述传输的定时信号的装置以及所述用于接收所述传输的量子信号的装置。
15.一种提供根据预先确定的时序通过单媒介进行量子密钥分配、公共数据分配和定时信号分配的方法，包括如下步骤在第一预先确定的定时空隙内传输公共数据信号；在预先确定的周期内停止所述公共数据的传输；以及在第二预先确定的定时空隙内传输量子信号和定时信号，其中所述第一和第二预先确定的定时空隙规定所述预先确定的时序。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述传输量子信号的步骤进一步包括如下步骤产生光脉冲；分离所述光脉冲为第一半脉冲和第二半脉冲；传输所述第一半脉冲；延迟所述第二半脉冲的传输；以及传输所述第二半脉冲。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，所述传输量子信号的步骤进一步包括随机地改变脉冲相位的步骤。
18.根据权利要求15所述的方法，进一步包括如下步骤停止传输所述量子信号和所述定时信号；以及在第三预先确定的定时空隙内传输公共数据信号。
19.根据权利要求15所述的方法，其中，所述第一预先确定的定时空隙和第二预先确定的定时空隙相同，并且其中所述方法进一步包括在第三预先确定的定时空隙内单独地传输所述量子信号和所述定时信号的步骤。
20.根据权利要求15所述的方法，其中，所述在预先确定的周期停止传输所述公共数据的步骤进一步包括防止所述公共数据源收到功率的步骤。
全文摘要
提供一种用于提供量子信号、定时信号和公共数据的双向通信的系统和方法。总的来说，该系统包括第一公共数据收发器，其能够根据预先确定的时序传输和接收公共数据，第一光调制/解调器，其能够根据所述预先确定的时序传输和接收定时信号，第一量子收发器，其能够根据所述预先确定的时序传输和接收量子信号，第一控制器，其连接于所述第一公共数据收发器、所述第一光调制/解调器和所述第一量子收发器。所述第一控制器能够根据所述预先确定的时序控制公共数据、定时信号和量子信号的传输。
文档编号H04B10/12GK101053186SQ200580037687
公开日2007年10月10日 申请日期2005年10月28日 优先权日2004年11月1日
发明者J·H.·米切尔, H.·N.·韦戈, A.·赞瑞威, A.·特福诺 申请人:Magiq技术公司