用于双工量子直接通信的设备、系统和双工通信方法与流程

本技术涉及量子通信，尤其涉及一种用于双工量子直接通信的设备、系统和双工通信方法。

背景技术：

1、量子通信利用量子力学原理为信息提供安全传输,与基于计算安全性的传统保密通信不同，其安全性基于物理原理。量子安全直接通信是量子通信的一种，亦可简称为量子直接通信(quantum secure direct communication,qsdc)。量子直接通信将信息编码于量子态，在量子信道中直接传输，可同时实现信息传输的安全性和可靠性。

2、在量子计算日益发展的今天，基于数学复杂难题的经典密码体制的安全性面临极大挑战，量子通信的研究受到广泛关注，并且得到快速发展，成为量子信息领域发展较为成熟的方向，将在下一代安全通信中发挥重要作用。量子通信技术主要分为量子密钥分发(quantum key distribution，qkd)、量子直接通信、量子秘密共享和量子隐形传态四大分支。

3、量子直接通信于2000年被提出，至今已有20余年历史，其发展经历了四个阶段。(1)2000年～2004年，建立了基本概念与理论，在此阶段提出了基于纠缠的高效协议、基于纠缠的两步协议、基于单光子的dl04协议等典型量子直接通信协议。(2)2005年～2015年，发展协议与应用探索阶段，大量的理论协议被提出，量子直接通信的可能用途得到广泛的探索。(3)2016年～2019年，原理实验验证与样机研制阶段。在此阶段，基于纠缠的量子直接通信协议和单光子的量子直接通信方案在实验上得到验证。特别是，研究人员提出高损信道编码、量子存储替代、安全性定量分析等技术，解决了量子直接通信实用化中的多个难题，研制了1.5km光纤通信距离下信息传输速率为50bps的量子直接通信样机。(4)2020年至今，产品研制与实用化推进。该阶段的通信样机的典型性能为10km@4kbps，可实现文本、图片、语音文件的实时安全传输，而利用低损光纤可实现100km的量子直接通信。

4、目前已有的单套量子直接通信系统，由一个发射端机tx和一个接收端机rx组成。信息从tx端传输到rx端，属于单工通信。为了实现两方之间的双工通信，需要另外一套量子直接通信设备来实现。此外，已有量子直接通信系统的端机之间进行通信，除了量子信道(qc)之外，还需要支持协议信息交互的经典信道(例如，ethernet)和时钟同步的同步信道(例如，sfp(small form pluggable)光模块)，同时信道具有直连要求，因此在部署上占有较多链路资源。图1是量子直接通信端机间连线示意图。在图1中，qc信道为单向传输，信号从tx送至rx，传输量子态信号。sfp与ethernet信道为双向传输，传输经典信号。qc信道在实际链路上需要1根光纤，sfp和ethernet信道各需要2根光纤。

5、如图2所示，双工量子直接通信端机进行连接，通信双方记为a和b，两方各自设置1台发射端机tx和1台接收端机rx。每一台发射端机tx配备量子系统发送装置和经典传输装置(ethernet和sfp)，每一台接收端机rx配备量子系统接收装置和经典传输装置(ethernet和sfp)，一套tx到rx的系统，一共需要5根光纤。双工通信情况下，需要增设一套tx到rx的系统，故一共需要10根光纤。这样，a和b两方之间一共需要10根光纤进行连接，其中，光纤1-5用于a到b的通信，光纤6-10用于b到a的通信。

技术实现思路

1、对于图2所示的方案，对光纤链路资源的占用较大，在实际部署过程中也使得链路布线复杂。发明人意识到，一种解决方案是每套端机各自利用波分复用技术，将光纤1-5和6-10各自融合进入一根光纤进行传输。该解决方案将a和b之间的传输链路压缩至2根，但是该方案仍然存在一定不足。a和b之间的链路传输的信号，有量子信号与经典信号之分。量子信号为能力很弱的光量子脉冲，经典信号为经典光通信信号，能量很强。在图2中，链路1和10为量子态传输链路，2-9为经典光信号传输链路。将光纤1-5(或6-10)直接合并至1根光纤，会导致2-5(或6-10)链路的强光信号对1(或10)链路的量子态传输造成影响，导致量子直接通信端机性能有一定程度下降。

2、针对上述问题，根据本技术的第一个方面，提供一种用于双工量子直接通信的设备，其特征在于，包括量子系统发送装置、量子系统接收装置和环形器，其中：

3、所述量子系统发送装置用于将第一量子态信号经由所述环形器、在第一光纤上发送出去；

4、所述量子系统接收装置用于经由所述环形器接收在所述第一光纤上传输的第二量子态信号。

5、根据一些实施例，所述量子系统发送装置和所述量子系统接收装置的数量均为多个，所述设备还包括第一波分复用装置和第二波分复用装置，其中：

6、所述第一波分复用装置用于对来自多个所述量子系统发送装置的多个第一量子态信号进行复用，并将复用后的第一量子态信号经由所述环形器、在所述第一光纤上发送出去；以及

7、所述第一波分复用装置用于对在所述第一光纤上传输的多个第二量子态信号进行解复用，并将解复用后的第二量子态信号发送至多个所述量子系统接收装置。

8、根据一些实施例，所述用于双工量子直接通信的设备还包括多个第一经典传输装置、多个第二经典传输装置、第三波分复用装置、第四波分复用装置和第二环形器，其中：

9、所述多个第一经典传输装置和所述多个第二经典传输装置用于将多个第一经典传输信号发送至所述第三波分复用装置；

10、所述第三波分复用装置用于对所述多个第一经典传输信号进行复用，并将复用后的第一经典传输信号经由所述第二环形器、在第二光纤上发送出去；以及

11、所述第四波分复用装置用于对在所述第二光纤上传输的第二经典传输信号进行解复用，并将解复用后的第二经典传输信号发送至所述多个第一经典传输装置和所述多个第二经典传输装置。

12、根据本技术的第二个方面，提供一种用于双工量子直接通信的系统，其特征在于，包括第一设备和第二设备，其中，所述第一设备包括第一量子系统发送装置、第一量子系统接收装置和第一环形器；所述第二设备包括第二量子系统发送装置、第二量子系统接收装置和第二环形器；其中：

13、所述第一量子系统发送装置用于将第一量子态信号经由所述第一环形器、在第一光纤上发送至所述第二设备；

14、所述第二量子系统接收装置用于经由所述第二环形器接收在所述第一光纤上传输的所述第一量子态信号；

15、所述第二量子系统发送装置用于将第二量子态信号经由所述第二环形器、在所述第一光纤上发送至所述第一设备；以及

16、所述第一量子系统接收装置用于经由所述第一环形器接收在所述第一光纤上传输的所述第二量子态信号。

17、根据一些实施例，所述第一量子系统发送装置、所述第一量子系统接收装置、所述第二量子系统发送装置和所述第二量子系统接收装置的数量均为多个，所述第一设备还包括第一波分复用装置和第二波分复用装置，所述第二设备还包括第三波分复用装置和第四波分复用装置，其中：

18、所述第一波分复用装置用于将来自多个所述第一量子系统发送装置的多个第一量子态信号进行复用，并将复用后的第一量子态信号经由所述第一环形器、在所述第一光纤上发送至所述第二设备；

19、所述第三波分复用装置用于经由所述第二环形器接收所述复用后的第一量子态信号，对所述复用后的第一量子态信号解复用，并将解复用后的第一量子态信号发送至多个所述第二量子系统接收装置；

20、所述第四波分复用装置用于将来自多个所述第二量子系统发送装置的多个第二量子态信号进行复用，并将复用后的第二量子态信号经由所述第二环形器、在所述第一光纤上发送至所述第一设备；以及

21、所述第二波分复用装置用于经由所述第一环形器接收所述复用后的第二量子态信号，对所述复用后的第二量子态信号解复用，并将解复用后的第二量子态信号发送至多个所述第一量子系统接收装置。

22、根据一些实施例，所述第一设备还包括多个第一经典传输装置、多个第二经典传输装置、第五波分复用装置、第六波分复用装置和第三环形器，所述第二设备还包括多个第三经典传输装置、多个第四经典传输装置、第七波分复用装置、第八波分复用装置和第四环形器，其中：

23、所述多个第一经典传输装置和所述多个第二经典传输装置用于将多个第一经典传输信号发送至所述第五波分复用装置；

24、所述第五波分复用装置用于对所述多个第一经典传输信号进行复用，并将复用后的第一经典传输信号经由所述第三环形器、在第二光纤上发送至所述第二设备；

25、所述第七波分复用装置用于对在所述第二光纤上传输的所述复用后的第一经典传输信号进行解复用，并将解复用后的第一经典传输信号发送至所述多个第三经典传输装置和所述多个第四经典传输装置；

26、所述多个第三经典传输装置和所述多个第四经典传输装置用于将多个第二经典传输信号发送至所述第八波分复用装置；

27、所述第八波分复用装置用于对所述多个第二经典传输信号进行复用，并将复用后的第二经典传输信号经由所述第四环形器、在所述第二光纤上发送至所述第一设备；以及

28、所述第六波分复用装置用于对在所述第二光纤上传输的所述复用后的第二经典传输信号进行解复用，并将解复用后的第二经典传输信号发送至所述多个第一经典传输装置和所述多个第二经典传输装置。

29、根据一些实施例，所述第一波分复用装置和所述第四波分复用装置分别采用对应的波长对多个第一量子态信号和多个第二量子态信号进行复用，所述第二波分复用装置和所述第三波分复用装置分别采用对应的波长对所述复用后的第二量子态信号和所述复用后的第一量子态信号进行解复用，所述第五波分复用装置和所述第八波分复用装置分别采用对应的波长对所述多个第一经典传输信号和所述多个第二经典传输信号，所述第六波分复用装置和所述第七波分复用装置分别采用对应的波长对所述复用后的第二经典传输信号和所述复用后的第一经典传输信号进行解复用。

30、根据本技术的第三个方面，提供一种基于双工量子直接通信系统的双工通信方法，其特征在于，所述双工量子直接通信系统包括第一设备和第二设备，其中，所述第一设备包括第一量子系统发送装置、第一量子系统接收装置和第一环形器，所述第二设备包括第二量子系统发送装置、第二量子系统接收装置和第二环形器，所述方法包括：

31、通过所述第一量子系统发送装置将第一量子态信号经由所述第一环形器、在第一光纤上发送至所述第二设备；

32、通过所述第二量子系统接收装置经由所述第二环形器接收在所述第一光纤上传输的所述第一量子态信号；

33、通过所述第二量子系统发送装置将第二量子态信号经由所述第二环形器、在所述第一光纤上发送至所述第一设备；以及

34、通过所述第一量子系统接收装置经由所述第一环形器接收在所述第一光纤上传输的所述第二量子态信号。

35、根据一些实施例，所述第一量子系统发送装置、所述第一量子系统接收装置、所述第二量子系统发送装置和所述第二量子系统接收装置的数量均为多个，所述第一设备还包括第一波分复用装置和第二波分复用装置，所述第二设备还包括第三波分复用装置和第四波分复用装置，其中，

36、所述通过所述第一量子系统发送装置将第一量子态信号经由所述第一环形器、在第一光纤上发送至所述第二设备，包括：

37、通过所述第一波分复用装置将来自多个所述第一量子系统发送装置的多个第一量子态信号进行复用，并将复用后的第一量子态信号经由所述第一环形器、在所述第一光纤上发送至所述第二设备；

38、所述通过所述第二量子系统接收装置经由所述第二环形器接收在所述第一光纤上传输的所述第一量子态信号，包括：

39、通过所述第三波分复用装置经由所述第二环形器接收所述复用后的第一量子态信号，对所述复用后的第一量子态信号解复用，并将解复用后的第一量子态信号发送至多个所述第二量子系统接收装置；

40、所述通过所述第二量子系统发送装置将第二量子态信号经由所述第二环形器、在所述第一光纤上发送至所述第一设备，包括：

41、通过所述第四波分复用装置将来自多个所述第二量子系统发送装置的多个第二量子态信号进行复用，并将复用后的第二量子态信号经由所述第二环形器、在所述第一光纤上发送至所述第一设备；

42、所述通过所述第一量子系统接收装置经由所述第一环形器接收在所述第一光纤上传输的所述第二量子态信号，包括：

43、通过所述第二波分复用装置经由所述第一环形器接收所述复用后的第二量子态信号，对所述复用后的第二量子态信号解复用，并将解复用后的第二量子态信号发送至多个所述第一量子系统接收装置。

44、根据一些实施例，所述第一设备还包括多个第一经典传输装置、多个第二经典传输装置、第五波分复用装置、第六波分复用装置和第三环形器，所述第二设备还包括多个第三经典传输装置、多个第四经典传输装置、第七波分复用装置、第八波分复用装置和第四环形器，所述方法还包括：

45、通过所述多个第一经典传输装置和所述多个第二经典传输装置将多个第一经典传输信号发送至所述第五波分复用装置；

46、通过所述第五波分复用装置对所述多个第一经典传输信号进行复用，并将复用后的第一经典传输信号经由所述第三环形器、在第二光纤上发送至所述第二设备；

47、通过所述第七波分复用装置对在所述第二光纤上传输的所述复用后的第一经典传输信号进行解复用，并将解复用后的第一经典传输信号发送至所述多个第三经典传输装置和所述多个第四经典传输装置；

48、通过所述多个第三经典传输装置和所述多个第四经典传输装置将多个第二经典传输信号发送至所述第八波分复用装置；

49、通过所述第八波分复用装置对所述多个第二经典传输信号进行复用，并将复用后的第二经典传输信号经由所述第四环形器、在所述第二光纤上发送至所述第一设备；以及

50、通过所述第六波分复用装置对在所述第二光纤上传输的所述复用后的第二经典传输信号进行解复用，并将解复用后的第二经典传输信号发送至所述多个第一经典传输装置和所述多个第二经典传输装置。

51、根据本技术提供的用于双工量子直接通信的设备、系统和双工通信方法，通过引入环形器使得量子态信号能够在同一根光纤中进行收发，减少双工量子直接通信过程中收发量子态信号所需的光纤链路资源；进一步地，通过波分复用装置，将双工量子直接通信过程中的多路量子态信号复用到同一根光纤中，能够进一步减少所需的光纤链路资源；更进一步地，通过波分复用装置，将多路经典传输信号复用到同一根光纤中，进一步减少所需的光纤链路资源；再进一步地，通过引入环形器，使得双工量子直接通信过程中的多路经典传输信号能够在同一根光纤中进行收发，减少双工量子直接通信过程中收发经典传输信号所需的光纤链路资源，最终能够将双工量子直接通信过程中所需的光纤链路资源减少到两根光纤。通过本技术的方案，有效减小了双工量子直接通信端机部署过程中的光纤链路资源消耗，降低了部署成本，同时将量子信号和经典信号分离传输，解决了共纤传输过程中经典信号对量子信号的干扰问题，防止端机通信性能下降。从而，在减少光纤链路资源和成本的同时，维持了系统的性能表现。