量子密钥分发系统中的用户端、MDI‑QKD系统及方法和网络系统与流程

文档序号:12691278阅读:来源:国知局

技术特征:

1.一种量子密钥分发系统中的用户端,其特征在于,所述用户端包括调制光源,所述调制光源包括:

相位制备激光器,所述相位制备激光器通过相位预调制后产生光脉冲;

光纤环形器,所述光纤环行器第一端口连接所述相位制备激光器,与光纤环行器第一端口临近的光纤环行器第二端口连接

脉冲产生激光器,所述相位制备激光器调制的光脉冲通过所述光纤环形器的第二端口注入所述脉冲产生激光器,所述脉冲产生激光器受注入的相位制备激光器产生的光脉冲激发,使调制光源输出相位调制后的光脉冲;所述脉冲产生激光器受注入的相位制备激光器产生的光脉冲激发及其自身强度调制,使调制光源输出强度调制后的光脉冲。

2.根据权利要求1所述的一种量子密钥分发系统中的用户端,其特征在于,所述脉冲产生激光器的强度调制包括时间编码调制或/和诱骗态调制。

3.一种基于光注入的MDI-QKD系统,它包括用户端及公共测量端,所述用户端包括Alice端和Bob端,所述公共测量端为Charlie端,其特征在于,所述Alice端和Bob端均包括调制光源,所述调制光源包括:

相位制备激光器,所述相位制备激光器通过相位预调制后产生光脉冲;

光纤环形器,所述光纤环行器第一端口连接所述相位制备激光器,与第一端口临近的第二端口连接

脉冲产生激光器,所述相位制备激光器调制的光脉冲通过所述光纤环形器的第二端口注入所述脉冲产生激光器,所述脉冲产生激光器受注入的相位制备激光器产生的光脉冲激发,使调制光源输出相位调制后的光脉冲;所述脉冲产生激光器受注入的相位制备激光器产生的光脉冲激发及其自身强度调制,使调制光源输出强度调制后的光脉冲;调制光源输出的光脉冲通过所述光纤环行器的与第二端口临近的第三端口输出并经由量子信道传输至所述Charlie端,所述Charlie端作为贝尔态测量设备;所述光纤环形器的传输方向为第一端口到第二端口,第二端口到第三端口。

4.根据权利要求3所述的一种基于光注入的MDI-QKD系统,其特征在于,所述Charlie端包括:

偏振控制单元组,用于分别接收由Alice端和Bob端的量子信道传输的光脉冲并统一和稳定两路光脉冲的偏振态;

保偏光纤耦合器,用于接收由偏振控制单元输出的光脉冲并形成干涉;及

两个单光子探测器,用于对所述保偏光纤耦合器内的光脉冲所形成的干涉结果进行不同的响应。

5.根据权利要求3所述的一种基于光注入的MDI-QKD系统,其特征在于,所述脉冲产生激光器的强度调制包括时间编码调制或/和诱骗态调制。

6.根据权利要求3所述的一种基于光注入的MDI-QKD系统,其特征在于,所述用户端在光纤环形器第三端口与量子信道之间设置一强度衰减器,将光脉冲衰减到单光子水平;所述用户端通过同步模块使两路光脉冲同时到达Charlie端。

7.根据权利要求6所述的一种基于光注入的MDI-QKD系统,其特征在于,所述同步模块包括设置在强度衰减器后的路径选择模块及与相位制备激光器和脉冲产生激光器同时相连的时间同步模块,所述路径选择模块与强度衰减器之间设置一波分复合器,所述波分复合器通过一光电探测器与所述时间同步模块相连,所述Alice端的路径选择模块与Bob端的路径选择模块相连;

所述Charlie端在一路保偏光纤耦合器至一个单光子探测器传输线上另设置第二光纤环形器,第二光纤环形器分别依次与保偏光纤耦合器、单光子探测器及同步光光源连接,所述第二光纤环行器的输出方向为同步光光源向保偏光纤耦合器方向、保偏光纤耦合器向单光子探测器方向;所述同步光光源产生的光脉冲通过第二光纤环形器经保偏光纤耦合器分别传输至Alice端和Bob端的路径选择模块,所述路径选择模块将该光脉冲转向传输至对方路径选择模块后再到各自的时间同步模块实现同步。

8.根据权利要求7所述的一种基于光注入的MDI-QKD系统,其特征在于,所述路径选择模块在输出调制光源发出的光脉冲时直接向公共端Charlie输出,在传输同步光光源的光脉冲时将到达的光脉冲向另一路径选择模块传输,另一路径选择模块再将接收到的光脉冲通过波分复用器传输至光电探测器,光电探测器再将信号传输至时间同步模块,时间同步模块根据信号触发相位制备激光器与脉冲产生激光器工作,完成同步设置。

9.一种基于光注入的MDI-QKD系统的密钥分发方法,所述系统包括用户端及公共测量端,所述用户端包括Alice端和Bob端,所述公共测量端为Charlie端,其特征在于,它包括以下步骤:

S101 Alice端和Bob端的相位制备激光器通过相位预调制后产生光脉冲,并经过光纤环形器注入脉冲产生激光器;

S102所述脉冲产生激光器受注入的相位制备激光器产生的光脉冲激发,使调制光源输出相位调制后的光脉冲;所述脉冲产生激光器受注入的相位制备激光器产生的光脉冲激发及其自身强度调制,使调制光源输出强度调制后的光脉冲;至此,调制光源产生的光脉冲经光纤环形器输出,并经过强度衰减器衰减到单光子水平,Alice端和Bob端的光脉冲通过同步模块经量子信道同时传输至Charlie端的偏振控制单元组;

S103所述偏振控制单元组分别将来自Alice端和Bob端的光脉冲的偏振态进行统一和稳定,并统一传输至保偏光纤耦合器中形成高对比度干涉,不同的干涉结果将引起两个单光子探测器的不同响应,以判断是否产生了合法的贝尔态;

S104 Charlie将合法的贝尔态信息通过公开的经典网络发送至Alice和Bob,Alice和Bob根据MDIQKD协议内容的处理产生最终的安全密钥。

10.如权利要求9所述的一种基于光注入的MDI-QKD系统的密钥分发方法,其特征在于所述步骤S101中,相位制备激光器进行相位预调制过程:

调制触发电信号,在电信号的中间位置一持续时间内引入电信号扰动,导致相位制备激光器发射的光脉冲前后未被调制的部分形成相位差为Δφ,完成相位预调制,且相位制备激光器发射的光脉冲,其中间相位预调制的部分在光注入时对应脉冲产生激光器的触发电信号间隔,只有其前后未被调制的部分对脉冲产生激光器发生光注入作用。

11.如权利要求10所述的一种基于光注入的MDI-QKD系统的密钥分发方法,其特征在于,所述相位制备激光器在相位预调制过程中:

当系统选择用相位编码基矢编码比特值时,相位编码基矢为X=[0,π],相位基矢X包含两种相位态|0>和|π>,|0>相位态用于编码比特值0,|π>相位态用于编码比特值1,Δφ=0对应|0>相位态,Δφ=π对应|π>相位态,使相位制备激光器的触发电信号具有ΔU1=0或ΔU2=Uπ的电信号扰动,分别形成具有Δφ=0或Δφ=π相位预调制信息的光脉冲;

当系统选择用时间编码基矢编码比特值时,相位制备激光器的触发电信号具有ΔU1=0的电信号扰动,形成具有Δφ=0的光脉冲。

12.如权利要求9所述的一种基于光注入的MDI-QKD系统的密钥分发方法,其特征在于,所述脉冲产生激光器的强度调制包括时间编码调制或/和诱骗态调制。

13.如权利要求12所述的一种基于光注入的MDI-QKD系统的密钥分发方法,其特征在于,当系统选择用相位编码基矢编码比特值时,脉冲产生激光器正常提供前后两脉冲的触发电信号;

当系统选择用时间编码基矢编码比特值时,脉冲产生激光器进行时间编码调制,时间编码基矢Z,基矢Z包含了两种脉冲产生激光器发射光脉冲对的强度分布态0或1,调制脉冲产生激光器的触发电信号,当对比特值0的编码时,关闭时序分布前面的光脉冲的触发电信号,使其光强为0,正常提供后面的光脉冲的触发电压信号,使其光强为正常值;当对比特值1的编码时,关闭时序分布后面的光脉冲的触发电信号,使其光强为0,正常提供前面的光脉冲的触发电压信号,使其光强为正常值。

当系统进行诱骗态调制时,对于脉冲产生激光器作用的相位编码基矢编码和时间编码基矢编码的光脉冲,在所有发光的时序位置上,调制脉冲产生激光器的触发电信号,使脉冲产生激光器发射的光脉冲具有不同的强度值,以形成与诱骗态方案中各态相应强度的光脉冲。

14.如权利要求9任一所述的一种基于光注入的MDI-QKD系统的密钥分发方法,其特征在于,所述同步模块包括设置在Alice端和Bob端在强度衰减器后设置的路径选择模块及与相位制备激光器和脉冲产生激光器同时相连的时间同步模块,所述路径选择模块与强度衰减器之间设置一波分复合器,所述波分复合器通过一光电探测器与所述时间同步模块相连,所述Alice端路径选择模块与Bob端的路径选择模块相连;

所述Charlie端在一路保偏光纤耦合器至单光子探测器传输线上另设置第二光纤环形器,第二光纤环形器与保偏光纤耦合器、单光子探测器相连,并连接一同步光光源,所述第二光纤环形器传输方向从同步光光源至保偏光纤耦合器、从保偏光纤耦合器至单光子探测器;所述路径选择模块在输出调制光源发出的光脉冲时直接向公共端Charlie输出,在传输同步光光源的脉冲时将到达的光脉冲向另一路径选择模块传输,另一路径选择模块再将该脉冲信号通过波分复用器传输至光电探测器,光电探测器再将信号传输至时间同步模块,时间同步模块根据信号触发相位制备激光器与脉冲产生激光器工作。

15.一种基于光注入的网络化MDI-QKD系统,其特征在于,所述系统包括2个及2个以上用户端及一个公共测量端,每个用户端包括调制光源,所述调制光源包括:

相位制备激光器,所述相位制备激光器通过相位预调制后产生光脉冲;

光纤环形器,所述光纤环行器第一端口连接所述相位制备激光器,与第一端口临近的第二端口连接脉冲产生激光器,所述相位制备激光器调制的光脉冲通过所述光纤环形器的第二端口注入

脉冲产生激光器,所述脉冲产生激光器受注入的相位制备激光器产生的光脉冲激发,使调制光源输出相位调制后的光脉冲;所述脉冲产生激光器产受注入的相位制备激光器生的光脉冲激发及其自身强度调制,使调制光源输出强度调制后的光脉冲;所述调制光源输出相位调制与强度调制后的光脉冲至

公共测量端,所述公共测量端作为贝尔态测量设备,所述公共测量端在用户端的传输线上依次设置有光开关及滤波器,滤波器后设置偏振控制单元,所述光开关用于选择需要接通至公共测量端的用户端。

16.根据权利要求15所述的一种基于光注入的网络化MDI-QKD系统,其特征在于,所述公共测量端包括:

偏振控制单元组,用于分别接收由用户端的量子信道传输的光脉冲并统一和稳定两路光脉冲的偏振态;

保偏光纤耦合器,用于接收由偏振控制单元输出的光脉冲并形成干涉;及

两个单光子探测器,用于对所述保偏光纤耦合器内的光脉冲所形成的干涉结果进行不同的响应。

17.根据权利要求15所述的一种基于光注入的网络化MDI-QKD系统,其特征在于,所述脉冲产生激光器输出的光脉冲经过强度衰减器衰减至单光子水平再传输至公共测量端;所述公共测量端在量子信道后的传输线路上设置有光开关,光开关后设置偏振控制单元。

18.根据权利要求15所述的一种基于光注入的网络化MDI-QKD系统,其特征在于,所述公共测量端在使用时只允许两路用户端接入。

19.根据权利要求15所述的一种基于光注入的网络化MDI-QKD系统,其特征在于,所述用户端还设置有同步模块,其包括时间同步模块与路径选择模块,所述时间同步模块与相位制备激光器和脉冲产生激光器相连,并设置一波分复合器,所述波分复合器一路连接调制光源,另一路通过光电探测器与时间同步模块连接,复合后连接路径选择模块,所述路径选择模块再与量子信道连接;

所述公共测量端在一路保偏光纤耦合器至一个单光子探测器传输线上另设置第二光纤环形器,第二光纤环形器分别依次与保偏光纤耦合器、单光子探测器及同步光光源连接,所述第二光线环行器的输出方向为同步光光源向保偏光纤耦合器方向、保偏光纤耦合器向单光子探测器方向;所述同步光光源产生的光脉冲通过光纤环形器经保偏光纤耦合器分别传输至用户端的路径选择模块,所述路径选择模块将该光脉冲转向传输至通信对方的路径选择模块后再到各自的时间同步模块实现同步。

20.根据权利要求19所述的一种基于光注入的网络化MDI-QKD系统,其特征在于,用户端的路径选择模块同时连接至一选通模块,所述选通模块接通对应光开关接通的需要连接至公共测量端的两路用户端的路径选择模块。

21.根据权利要求15-20任一所述的一种基于光注入的网络化MDI-QKD系统的密钥分发方法,其特征在于,所述量子密钥分发方法包括以下步骤:

S101相位制备激光器通过相位预调制后产生光脉冲,并经过光纤环形器注入脉冲产生激光器;

S102所述脉冲产生激光器受注入的相位制备激光器产生的光脉冲激发,使调制光源输出相位调制后的光脉冲;所述脉冲产生激光器受注入的相位制备激光器产生的光脉冲激发及其自身强度调制,使调制光源输出强度调制后的光脉冲,至此,调制光源产生的光脉冲经光纤环形器输出,并经过强度衰减器衰减到单光子水平,用户端的光脉冲通过同步模块经量子信道同时传输至公共测量端的偏振控制单元;

S103所述偏振控制单元组分别将来自用户端的光脉冲的偏振态进行统一和稳定,并统一传输至保偏光纤耦合器中形成高对比度干涉,不同的干涉结果将引起两个单光子探测器的不同响应,以判断是否产生了合法的贝尔态;

S104公共测量端将合法的贝尔态信息通过公开的经典网络发送至用户端,用户端根据MDIQKD协议内容的处理产生最终的安全密钥。

22.根据权利要求21所述的一种基于光注入的网络化MDI-QKD系统的密钥分发方法,其特征在于,所述用户端与公共测量端的传输线上设置有光开关,用以控制用户端是否接入公共测量端,所述公共测量端在使用时只允许两路用户端接入。

23.根据权利要求21所述的一种基于光注入的网络化MDI-QKD系统的密钥分发方法,其特征在于,所述同步光光源产生的光脉冲通过第二光纤环形器经保偏光纤耦合器分别传输至由选通模块接通的对应光开关接通的需要连接至公共测量端的两路用户端的路径选择模块,所述路径选择模块将该光脉冲转向传输至对方的路径选择模块后再到各自的时间同步模块实现同步。

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