一种基于实时生成量子随机数的量子密钥分发发送端的制作方法

本发明涉及保密通信，特别涉及一种基于实时生成量子随机数的量子密钥分发发送端。

背景技术：

1、量子密钥分发（quantum key distribution，qkd）可以为远距离的通信双方提供无条件安全的密钥分发，其信息理论安全性由量子力学的基本原理来保障。目前，bb84协议量子密钥分发系统日益成熟，已走向实用化。现有的qkd系统的发送端一般都采用独立的随机数发生器来产生用于诱骗态、量子态选择的随机数。其中一类常用的是各种物理随机数源，其速率较高，但是安全性差。若采用更高安全性的高速量子随机数发生器（quantumrandom number generator，qrng），则需要额外的激光器、干涉仪或其他光器件以及独立的数据采集处理模块，大大增加了qkd系统的复杂度和成本。

2、为了解决上述问题，专利cn112994877b提供了一种基于光开关切换量子随机数产生和量子密钥分发过程的方案，然而该方案中两个过程不能同时进行，并且仅复用了激光器来进行量子随机数产生，另外其采用的是光子到达时间的量子随机数生成方案，需要采用时间数字转换器和单光子雪崩二极管，具有速率低、复杂度高等缺点。专利cn113037468b和cn112968768b则在qkd发送端集成了基于真空涨落的qrng，然而该方案需要达到散粒噪声极限的零差探测器，难以满足高速需求。

技术实现思路

1、针对现有技术存在以上缺陷，本发明提出一种基于实时生成量子随机数的量子密钥分发发送端。

2、本发明的技术方案是这样实现的：

3、一种基于实时生成量子随机数的量子密钥分发发送端，包括激光器ld、第一偏振分束器pbs1、第一分束器bs1、第一反射模块、第二反射模块、第二偏振分束器pbs2、强度调制器im、调相器pm、可调光衰减器 voa、光电探测器pd和主控模块；

4、激光器ld与第一偏振分束器pbs1的端口一相连，第一偏振分束器pbs1的端口二、端口三分别对应连接第一分束器 bs1的端口一、第一反射模块；第一分束器bs1的端口二、端口三、端口四分别通过长度不等的光纤对应连接第二偏振分束器pbs2的端口一、第二反射模块的端口一、端口二；第二偏振分束器pbs2的端口二、端口三分别对应连接强度调制器im的一端、光电探测器pd；强度调制器im的另一端连接调相器pm后与可调光衰减器voa的一端相连；可调光衰减器voa的另一端作为发送端的输出端口；

5、激光器ld用于产生周期为t的具有随机相位的光脉冲；

6、第一偏振分束器pbs1用于透射水平偏振的光脉冲；

7、第一分束器bs1和第二反射模块构成臂长延时差为t/2的反射式不等臂干涉仪，用于将入射至第一分束器bs1端口一的光脉冲分束为第一分量和第二分量；

8、第一分量和第二分量均包含时间差为t/2的两个子脉冲，且均为竖直偏振态，分别从第一分束器bs1的端口一和端口二出射；

9、第一偏振分束器pbs1还用于使从其端口二入射的第一分量反射至第一反射模块，以及使经第一反射模块反射的第一分量反射至第一分束器bs1的端口一；

10、反射式不等臂干涉仪还用于使第一分量中具有不同相位的光脉冲进行干涉，产生从第一分束器bs1的端口二出射的水平偏振随机光强信号；

11、第二偏振分束器pbs2用于使水平偏振的随机光强信号透射至光电探测器pd，以及使竖直偏振的第二分量反射至强度调制器im；

12、光电探测器pd用于将随机光强信号转换为电信号；

13、强度调制器im用于将第二分量随机调制为信号态或诱骗态；

14、调相器pm用于对第二分量进行相位编码；

15、可调光衰减器voa用于将经过相位编码的第二分量衰减到单光子量级，产生量子态；

16、主控模块用于触发激光器；并用于将光电探测器pd的电信号进行模数转换并采样，产生初始随机比特后通过后处理算法得到量子随机数；以及用于根据实时产生的量子随机数给强度调制器im和调相器pm提供驱动电压。

17、优选地，第一反射模块为反射镜m。

18、优选地，第一反射模块为第二分束器bs2，第二分束器bs2的两个输出端口直接通过保偏光纤连接，构成第一环形结构。

19、优选地，第一反射模块为环形器cir，环形器cir的端口一和端口三直接通过保偏光纤连接，构成第二环形结构。

20、优选地，第二反射模块包括分别对应连接第一分束器bs1端口三和端口四的第一法拉第反射镜fm1和第二法拉第反射镜fm2。

21、优选地，第二反射模块包括分别对应连接第一分束器bs1端口三和端口四的第一四分之一波片反射镜qm1和第二四分之一波片反射镜qm2。

22、优选地，第二反射模块为第三偏振分束器pbs3，第三偏振分束器pbs3的两个输入端口分别对应连接第一分束器bs1的端口三和端口四，第三偏振分束器pbs3的两个输出端口直接通过保偏光纤相连，构成第三环形结构。

23、优选地，后处理算法为基于快速傅里叶变换的toeplitz矩阵算法：构造toeplitz矩阵，将其与原始随机序列相乘，得到提取后的量子随机数。

24、优选地，激光器ld与第一偏振分束器pbs1的端口一之间还设置有光纤隔离器，用于通过激光器发射的光脉冲，并隔离来自第一偏振分束器pbs1端口一的光信号。

25、与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

26、本发明提出一种基于实时生成量子随机数的量子密钥分发发送端，通过复用激光器，将反射式干涉仪不用的一路输出光信号反射回干涉仪进行干涉得到激光器的随机相位涨落产生的随机光强信号，并通过高速光电探测器将其转化为随机电信号，以及将随机信号采集处理模块与qkd主控模块集成，可以实现量子随机数和量子密钥分发同时进行，降低了系统的复杂度和成本。另外，采用光电探测器可实现高速量子随机数产生，能够满足量子密钥分发诱骗态调制和量子态编码的需求。

技术特征：

1.一种基于实时生成量子随机数的量子密钥分发发送端，其特征在于，包括激光器ld、第一偏振分束器pbs1、第一分束器bs1、第一反射模块、第二反射模块、第二偏振分束器pbs2、强度调制器im、调相器pm、可调光衰减器 voa、光电探测器pd和主控模块；

2.根据权利要求1所述的基于实时生成量子随机数的量子密钥分发发送端，其特征在于，第一反射模块为反射镜m。

3.根据权利要求1所述的基于实时生成量子随机数的量子密钥分发发送端，其特征在于，第一反射模块为第二分束器bs2，第二分束器bs2的两个输出端口直接通过保偏光纤连接，构成第一环形结构。

4.根据权利要求1所述的基于实时生成量子随机数的量子密钥分发发送端，其特征在于，第一反射模块为环形器cir，环形器cir的端口一和端口三直接通过保偏光纤连接，构成第二环形结构。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的基于实时生成量子随机数的量子密钥分发发送端，其特征在于，第二反射模块包括分别对应连接第一分束器bs1端口三和端口四的第一法拉第反射镜fm1和第二法拉第反射镜fm2。

6.根据权利要求1或2或3或4所述的基于实时生成量子随机数的量子密钥分发发送端，其特征在于，第二反射模块包括分别对应连接第一分束器bs1端口三和端口四的第一四分之一波片反射镜qm1和第二四分之一波片反射镜qm2。

7.根据权利要求1或2或3或4所述的基于实时生成量子随机数的量子密钥分发发送端，其特征在于，第二反射模块为第三偏振分束器pbs3，第三偏振分束器pbs3的两个输入端口分别对应连接第一分束器bs1的端口三和端口四，第三偏振分束器pbs3的两个输出端口直接通过保偏光纤相连，构成第三环形结构。

8.根据权利要求7所述的基于实时生成量子随机数的量子密钥分发发送端，其特征在于，后处理算法为基于快速傅里叶变换的toeplitz矩阵算法：构造toeplitz矩阵，将其与原始随机序列相乘，得到提取后的量子随机数。

9.根据权利要求8所述的基于实时生成量子随机数的量子密钥分发发送端，其特征在于，激光器ld与第一偏振分束器pbs1的端口一之间还设置有光纤隔离器，用于通过激光器发射的光脉冲，并隔离来自第一偏振分束器pbs1端口一的光信号。

技术总结
本发明属于保密通信技术领域，公开了一种基于实时生成量子随机数的量子密钥分发发送端，包括激光器LD、第一偏振分束器PBS1、第一分束器BS1、第一反射模块、第二反射模块、第二偏振分束器PBS2、强度调制器IM、调相器PM、可调光衰减器VOA、光电探测器PD和主控模块。与现有技术相比，本发明通过复用激光器，将反射式干涉仪不用的一路输出光信号反射回干涉仪进行干涉得到激光器的随机相位涨落产生的随机光强信号，并通过高速光电探测器将其转化为随机电信号，以及将随机信号采集处理模块与QKD主控模块集成，可以实现量子随机数和量子密钥分发同时进行。采用光电探测器可实现高速量子随机数产生，能够满足量子密钥分发诱骗态调制和量子态编码的需求。

技术研发人员：赵义博,王东,冯小青,屈秀秀,赵志远
受保护的技术使用者：北京中科国光量子科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15