一种即插即用的多用户QKD系统及方法与流程

本发明涉及量子信息及光纤通信的，具体涉及一种即插即用的多用户qkd系统及方法。

背景技术：

1、量子密钥分发(quantum key distribution，简称qkd)技术是基于量子力学的基本原理，其在理论上已经证明了能够实现无条件安全的密钥共享。

2、目前在点对点的双方量子密钥分发技术已经趋于成熟，其传输距离不断提高，但稳定性较差，且结构复杂成本高。而且随着量子通信技术的不断发展，点对点的双方量子密钥分发已经不能满足需要，量子密钥分发技术面临的一个问题就是从点对点的双方通信如何拓展到一对多，多对多的量子密钥分发网络。

3、基于偏振编码的量子密钥分发协议是使用广泛的一类协议，但目前偏振方案中所使用的偏振调制器有调制速率慢，调制质量差的缺点。

4、因此，需要对现有的量子密钥分发技术进行改进，提出一种调制速率更快的多用户qkd技术。

技术实现思路

1、本发明为了解决现有的量子密钥分发技术调制速率慢的问题，提供一种即插即用的多用户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、一种即插即用的多用户qkd系统，包括alice量子终端、信号传输模块和多个用户端；

4、所述alice量子终端，用于发射和接收光脉冲，以及对接收的光脉冲进行相位调制和偏振态测量；

5、所述信号传输模块，用于alice量子终端和多个用户端之间的信号传输；

6、所述用户端，用于对光脉冲进行相位调制和反射，并将调制后的光脉冲通过信号传输模块传输回alice量子终端；

7、所述用户端公布本次通信的选基情况，alice量子终端根据偏振态测量的结果和用户端公布的选基情况获得原始密钥，并由alice量子终端对原始密钥进行误码率检测；若误码率超过预设的阈值，则本次通信无效，重新开始；若误码率不超过预设的阈值，则根据本次通信的原始秘钥得到可使用的安全密钥。

8、优选的，所述alice量子终端包括多波长激光器、强度调制器、环形器、第一偏振分束器、第一相位调制器和第二偏振分束器；

9、所述多波长激光器发射的光脉冲依次经过强度调制器和环形器后进入第一偏振分束器，第一偏振分束器将光脉冲分为第一水平偏振光和第一垂直偏振光；其中，第一水平偏振光经过第一相位调制器到达第二偏振分束器，此时第一相位调制器不调制，第一垂直偏振光直接到达第二偏振分束器；第一水平偏振光和第一垂直偏振光在第二偏振分束器合束后通过信号传输模块进入对应的用户端。

10、优选的，所述多波长激光器用于发射45度偏振光脉冲。

11、优选的，所述用户端包括固定衰减器、第三偏振分束器、第二相位调制器、第四偏振分束器和法拉第反射镜；

12、光脉冲在用户端中先经过固定衰减器衰减为单光子脉冲，然后单光子脉冲经过第三偏振分束器分为第二水平偏振光和第二垂直偏振光；其中，第二水平偏振光经过第二相位调制器到达第四偏振分束器，此时第二相位调制器不调制，第二垂直偏振光直接到达第四偏振分束器；第二水平偏振光和第二垂直偏振光在第四偏振分束器合束，合束后的光脉冲经过法拉第反射镜反射，反射后的光脉冲回到第四偏振分束器分为第三水平偏振光和第三垂直偏振光；其中，第三水平偏振光经过第二相位调制器调制后到达第四偏振分束器，第三垂直偏振光直接到达第三偏振分束器；第三水平偏振光和第三垂直偏振光在第三偏振分束器合束后通过信号传输模块返回alice量子终端。

13、优选的，所述alice量子终端还包括测量端，所述测量端包括偏振控制器、第五偏振分束器、第一单光子探测器和第二单光子探测器；

14、从用户端返回alice量子终端的光脉冲先经过第二偏振分束器分为第四水平偏振光和第四垂直偏振光；其中，第四水平偏振光经过第一相位调制器调制后到达第一偏振分束器，第四垂直偏振光直接到达第一偏振分束器；然后第四水平偏振光和第四垂直偏振光在第一偏振分束器合束后通过环形器进入偏振控制器，偏振控制器将进入的光脉冲的偏振态旋转一定角度，经过旋转的光脉冲在第五偏振分束器分束后进入第一单光子探测器、第二单光子探测器；

15、所述第一单光子探测器对垂直偏振光响应，第二单光子探测器对水平偏振光响应。

16、优选的，所述偏振控制器将进入的光脉冲的偏振态旋转45度。

17、优选的，所述第一单光子探测器、第二单光子探测器对左旋圆偏振光、右旋圆偏振光随机响应。

18、优选的，所述信号传输模块为一组匹配设置的波长路由器。

19、一种即插即用的多用户qkd方法，基于所述的一种即插即用的多用户qkd系统实现，包括以下步骤：

20、s1：alice量子终端发射指定波长的光脉冲，并通过信号传输模块发送到要通信的用户端；

21、s2：用户端对光脉冲进行第一次相位调制，并将第一次相位调制后的光脉冲返回alice量子终端；

22、s3：alice量子终端对从用户端返回的光脉冲进行第二次相位调制，以及对第二次相位调制后的光脉冲进行偏振态测量，得到偏振态测量结果；

23、s4：用户端公布本次通信的选基情况；

24、s5：alice量子终端根据偏振态测量的结果和用户端公布的选基情况获得原始密钥；

25、s6：alice量子终端对原始密钥进行误码率检测；

26、若误码率超过预设的阈值，则本次通信无效，返回步骤s1重新开始；

27、若误码率不超过预设的阈值，则根据本次通信的原始秘钥得到可使用的安全密钥。

28、优选的，通过对原始密钥进行后处理以获得可使用的安全密钥；后处理包括数据筛选、密钥协商和保密增强。

29、本发明有益的技术效果：

30、本发明通过alice量子终端和用户端的相位调制器分别对光脉冲进行偏振调制，调制速度快，且不需要进行额外的相位补偿和偏振补偿，具有较高的稳定性；同时简化了系统，操作简单，容易实现。

技术特征：

1.一种即插即用的多用户qkd系统，其特征在于，包括alice量子终端、信号传输模块和多个用户端；

2.根据权利要求1所述的一种即插即用的多用户qkd系统，其特征在于，所述alice量子终端包括多波长激光器、强度调制器、环形器、第一偏振分束器、第一相位调制器和第二偏振分束器；

3.根据权利要求2所述的一种即插即用的多用户qkd系统，其特征在于，所述多波长激光器用于发射45度偏振光脉冲。

4.根据权利要求1所述的一种即插即用的多用户qkd系统，其特征在于，所述用户端包括固定衰减器、第三偏振分束器、第二相位调制器、第四偏振分束器和法拉第反射镜；

5.根据权利要求2所述的一种即插即用的多用户qkd系统，其特征在于，所述alice量子终端还包括测量端，所述测量端包括偏振控制器、第五偏振分束器、第一单光子探测器和第二单光子探测器；

6.根据权利要求5所述的一种即插即用的多用户qkd系统，其特征在于，所述偏振控制器将进入的光脉冲的偏振态旋转45度。

7.根据权利要求5所述的一种即插即用的多用户qkd系统，其特征在于，所述第一单光子探测器、第二单光子探测器对左旋圆偏振光、右旋圆偏振光随机响应。

8.根据权利要求1所述的一种即插即用的多用户qkd系统，其特征在于，所述信号传输模块为一组匹配设置的波长路由器。

9.一种即插即用的多用户qkd方法，其特征在于，包括以下步骤：

10.根据权利要求9所述的一种即插即用的多用户qkd方法，其特征在于，通过对原始密钥进行后处理以获得可使用的安全密钥；后处理包括数据筛选、密钥协商和保密增强。

技术总结
本发明公开了一种即插即用的多用户QKD系统，包括Alice量子终端、信号传输模块和多个用户端；所述Alice量子终端，用于发射和接收光脉冲，以及对接收的光脉冲进行相位调制和偏振态测量；所述信号传输模块，用于Alice量子终端和多个用户端之间的信号传输；所述用户端，用于对光脉冲进行相位调制和法拉第反射，并将调制后的光脉冲通过信号传输模块传输回Alice量子终端。本发明还公开了一种即插即用的多用户QKD方法，基于所述的一种即插即用的多用户QKD系统实现。本发明公开了一种即插即用的多用户QKD系统及方法，解决了现有的量子密钥分发技术调制速率慢的问题。

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：2024/1/15