一种基于双Sagnac环的多用户MDI-QKD系统及方法与流程

本发明涉及量子信息及光纤通信的，具体涉及一种基于双sagnac环的多用户mdi-qkd系统及方法。

背景技术：

1、量子密钥分发(qkd)技术已经由量子力学原理证明了其安全性，而且测量设备无关量子密钥分发(mdi-qkd)协议完全免疫了针对探测器的侧信道攻击，大大提高了qkd技术的实用安全性。

2、目前，mdi-qkd协议多采用偏振编码的形式，而偏振编码装置的调制速率慢，调制质量差，不利于实用；而且大多数mdi-qkd协议只支持一对一的通信，难以扩展通信用户的数量。

3、现有技术中，如公开号为cn113676323a的专利，利用往返式相位调制偏振测量设备无关量子密钥分发系统，降低了系统的复杂度，提升了系统的稳定性和实用性，其采取的往返式虽然可以对偏振进行自动补偿但是会有相位漂移存在，且用户单一，扩展性差。

4、因此，需要对现有的mdi-qkd技术进行改进，提出一种用户数量可扩展的mdi-qkd方案。

技术实现思路

1、本发明为了解决现有的mdi-qkd技术难以扩展通信用户数量的问题，提供一种基于双sagnac环的多用户mdi-qkd系统及方法。

2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

3、一种基于双sagnac环的多用户mdi-qkd系统，包括发射单元、测量单元、分束器和2n个用户；n为正整数；

4、所述分束器和2n个用户形成第一sagnac环；

5、发射单元发出的光脉冲经过分束器分为第一光脉冲和第二光脉冲，第一光脉冲顺时针依次经过2n个用户后回到分束器，第二光脉冲逆时针依次经过2n个用户后回到分束器；

6、其中，第n个用户包括偏振分束器pbs2n-1、相位调制器pmn和偏振分束器pbs2n；偏振分束器pbs2n-1、相位调制器pmn和偏振分束器pbs2n形成第二sagnac环；n＝1，2，...，n；

7、第一光脉冲进入第n个用户后，经偏振分束器pbs2n-1分为第一水平偏振光和第一垂直偏振光，第一水平偏振光经相位调制器pmn加载相位后进入偏振分束器pbs2n与直接到达偏振分束器pbs2n的第一垂直偏振光合束，产生新的偏振光；

8、第二光脉冲进入第n个用户后，经偏振分束器pbs2n分为第二水平偏振光和第二垂直偏振光，第二水平偏振光经相位调制器pmn加载相位后进入偏振分束器pbs2n-1与直接到达偏振分束器pbs2n-1的第二垂直偏振光合束，产生新的偏振光；

9、最后，回到分束器的第一光脉冲和第二光脉冲产生双光子干涉后进入测量单元，得到测量结果，要通信的用户根据测量结果获取量子密钥。

10、优选的，前n-1个用户还分别包括法拉第旋转器frn，用于将经过的光脉冲的偏振态旋转90度。

11、优选的，第1个用户还包括固定衰减器att1和偏振控制器pc1；

12、第一光脉冲先经过固定衰减器att1衰减至单光子水平，然后经偏振控制器pc1控制偏振态后进入第1个用户的偏振分束器pbs1。

13、优选的，第n个用户还包括固定衰减器att2和偏振控制器pc2；

14、第二光脉冲先经过固定衰减器att2衰减至单光子水平，然后经偏振控制器pc2控制偏振态后进入第n个用户的偏振分束器pbsn。

15、优选的，所述发射单元包括激光器和强度调制器；

16、所述激光器发出的光脉冲经强度调制器进行强度调制后进入分束器。

17、优选的，所述测量单元包括第一偏振分束器、第二偏振分束器、单光子探测器d1、单光子探测器d2、单光子探测器d3和单光子探测器d4；

18、所述单光子探测器d1用于探测被第一偏振分束器反射的垂直偏振光；

19、所述单光子探测器d2用于探测透射过第一偏振分束器的水平偏振光；

20、所述单光子探测器d3用于探测透射过第二偏振分束器的水平偏振光；

21、所述单光子探测器d4用于探测被第二偏振分束器反射的垂直偏振光；

22、所述测量单元对进入的光脉冲进行贝尔态测量，

23、当单光子探测器d1和单光子探测器d3或单光子探测器d2和单光子探测器d4同时响应时，则得到测量结果：进入的光脉冲为|ψ+>偏振态；

24、当单光子探测器d1和单光子探测器d4或单光子探测器d2和单光子探测器d3同时响应时，则得到测量结果：进入的光脉冲为|ψ->偏振态。

25、优选的，当所述相位调制器pmn加载0相位时，合束产生的新的偏振光为45度线偏振光；

26、当所述相位调制器pmn加载π相位时，合束产生的新的偏振光为135度线偏振光；

27、当所述相位调制器pmn加载π/2相位时，合束产生的新的偏振光为左旋圆偏振光；

28、当所述相位调制器pmn加载3π/2相位时，合束产生的新的偏振光为右旋圆偏振光。

29、优选的，当第1个用户或第n个用户加载0相位时，回到分束器的光脉冲为水平偏振态；

30、当第1个用户或第n个用户加载π相位时，回到分束器的光脉冲为垂直偏振态；

31、当第1个用户或第n个用户加载π/2相位时，回到分束器的光脉冲为45度偏振态；

32、当第1个用户或第n个用户加载3π/2相位时，回到分束器的光脉冲为135度偏振态。

33、优选的，还包括环形器；所述发射单元、第一偏振分束器分别通过环形器与分束器连接。

34、一种基于双sagnac环的多用户mdi-qkd方法，通过所述的一种基于双sagnac环的多用户mdi-qkd系统实现，包括以下步骤：

35、s1：确定要通信的用户a和用户b；

36、s2：发射单元发出光脉冲，光脉冲经分束器分为第一光脉冲和第二光脉冲；

37、s3：第一光脉冲在第一sagnac环中顺时针传输，第二光脉冲在第一sagnac环中逆时针传输；其中，

38、第一光脉冲、第二光脉冲经第n个用户的第二sagnac环调制后产生新的偏振光；

39、s4：第一光脉冲和第二光脉冲回到分束器后产生双光子干涉，并通过测量单元得到测量结果；

40、s5：用户b根据用户a公布的选基情况舍去不一样的基对应的测量结果，以获得原始密钥；

41、s6：选取部分原始密钥并判断其误码率是否超过预设的阈值，

42、若是，则返回步骤s2；

43、若否，则根据原始密钥获取量子密钥。

44、本发明有益的技术效果：

45、本发明通过分束器和2n个用户形成第一sagnac环，采用sagnac环结构可以对系统中的相位漂移进行自动补偿，同时具有高度的扩展性，支持多个用户进行通信；通过第二sagnac环改变偏振编码的形式，利用相位调制器来实现偏振编码，调制速度快，调制质量高。

技术特征：

1.一种基于双sagnac环的多用户mdi-qkd系统，其特征在于，包括发射单元、测量单元、分束器和2n个用户；n为正整数；

2.根据权利要求1所述的一种基于双sagnac环的多用户mdi-qkd系统，其特征在于，前n-1个用户还分别包括法拉第旋转器frn，用于将经过的光脉冲的偏振态旋转90度。

3.根据权利要求2所述的一种基于双sagnac环的多用户mdi-qkd系统，其特征在于，第1个用户还包括固定衰减器att1和偏振控制器pc1；

4.根据权利要求3所述的一种基于双sagnac环的多用户mdi-qkd系统，其特征在于，第n个用户还包括固定衰减器att2和偏振控制器pc2；

5.根据权利要求1所述的一种基于双sagnac环的多用户mdi-qkd系统，其特征在于，所述发射单元包括激光器和强度调制器；

6.根据权利要求1所述的一种基于双sagnac环的多用户mdi-qkd系统，其特征在于，所述测量单元包括第一偏振分束器、第二偏振分束器、单光子探测器d1、单光子探测器d2、单光子探测器d3和单光子探测器d4；

7.根据权利要求1所述的一种基于双sagnac环的多用户mdi-qkd系统，其特征在于，当所述相位调制器pmn加载0相位时，合束产生的新的偏振光为45度线偏振光；

8.根据权利要求4所述的一种基于双sagnac环的多用户mdi-qkd系统，其特征在于，当第1个用户或第n个用户加载0相位时，回到分束器的光脉冲为水平偏振态；

9.根据权利要求6所述的一种基于双sagnac环的多用户mdi-qkd系统，其特征在于，还包括环形器；所述发射单元、第一偏振分束器分别通过环形器与分束器连接。

10.一种基于双sagnac环的多用户mdi-qkd方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
本发明公开了一种基于双Sagnac环的多用户MDI‑QKD系统及方法，该系统包括发射单元、测量单元、分束器和2N个用户；分束器和2N个用户形成第一Sagnac环；其中，第n个用户包括偏振分束器PBS<subgt;2n‑i</subgt;、相位调制器PM<subgt;n</subgt;和偏振分束器PBS<subgt;2n</subgt;；偏振分束器PBS<subgt;2n‑1</subgt;、相位调制器PM<subgt;n</subgt;和偏振分束器PBS<subgt;2n</subgt;形成第二Sagnac环。本发明还公开了一种基于双Sagnac环的多用户MDI‑QKD方法，通过的一种基于双Sagnac环的多用户MDI‑QKD系统实现。本发明采用Sagnac环结构可以对系统中的相位漂移进行自动补偿，同时具有高度的扩展性，支持多个用户进行通信。而且，还改变偏振编码的形式，利用相位调制器来实现偏振编码，调制速度快，调制质量高。

技术研发人员：郭邦红,王鹏程,谢欢文
受保护的技术使用者：广东国腾量子科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16