一种基于环型量子信道的MDI-QKD方法及系统与流程

本发明涉及光通信与量子通信的，具体涉及一种基于环型量子信道的mdi-qkd方法及系统。

背景技术：

1、量子密钥分发(quantum key distribution，qkd)是量子通信领域中的研究重点，基于量子力学的特点，量子通信在理论上是处于绝对安全的，通信双方能在有窃听者尝试窃听的情况下保持安全通信，并获得绝对安全的信息，窃听者无法获取通信内容。

2、但是在实际情况中，qkd存在着较多器件完备性的安全漏洞，因为受困于现有技术和器件等等的因素，qkd无法做到绝对安全和单光源近似理想极限实现，使得在qkd技术下的量子通信的距离和成码率还是有很大的限制。尤其是针对于qkd技术下的测量设备的缺陷和不完美，使得qkd始终无法应用到实际上来。

3、qkd协议由1984年首次提出的bb84协议以来一路发展到最近的tf-qkd协议，tf-qkd协议是基于2012年lo等人提出的能抵御测量端攻击的测量设备无关(measurementdevice independent，mdi)-qkd协议，而针对测量设备缺陷而做的改进的mdi-qkd协议也衍生出了许多具有重要意义的协议。

4、在mdi-qkd协议下，窃听者无法针对测量设备的缺陷和不完美进行攻击而得到通信的密钥信息，mdi-qkd协议与多用户网络应用的关键技术越来越重要。2015年，富尧等人就提出了一种基于ghz纠缠态后选择的多方mdi-qkd方案，同年，徐飞虎等人提出了一种基于w态的多方mdi-qkd方案。但是这些方案都只是基于mdi-qkd协议的方案，目前所实现的最长距离mdi-qkd实验(404km)的成码率仅仅只有10数量级。在大面积覆盖的量子网络中，需要进行远距离通信，这样的成码率显然是远远不够的。

5、因此，需要对现有的mdi-qkd技术进行改进，提出一种成码率更高的mdi-qkd终端密钥分发和量子网络方法。

技术实现思路

1、本发明为了解决现有的mdi-qkd技术成码率不够高的问题，提供一种基于环型量子信道的mdi-qkd方法及系统。

2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

3、一种基于环型量子信道的mdi-qkd方法，包括以下步骤：

4、s1：确定mdi-qkd两用户端作为通信双方，随机选取另一用户端作为测量第三方；

5、s2：通信双方分别发出量子信号沿环型量子信道第一次到达测量第三方进行信号同步；

6、s3：同步后的量子信号继续沿原传输方向绕环型量子信道一圈后第二次到达测量第三方进行干涉；

7、s4：测量第三方对干涉情况进行测量，得到测量结果；

8、s5：通信双方根据测量结果进行量子密钥分发的后处理，完成量子密钥分发。

9、优选的，其中一通信方发出的量子信号沿环型量子信道的正向链路传输，另一通信方发出的量子信号沿环型量子信道的逆向链路传输。

10、优选的，测量第三方监测通信双方的量子信号到达的时间，并使通信双方的量子信号同步。

11、优选的，通信双方的量子信号在测量第三方进行单光子干涉。

12、优选的，测量第三方对干涉情况进行贝尔态测量。

13、一种基于环型量子信道的mdi-qkd系统，用于实现所述的一种基于环型量子信道的mdi-qkd方法，包括用户端和环型量子信道，所述用户端至少有三个，分别接入环型量子信道；

14、所述用户端包括发射模块、同步模块、测量模块、第一光路选择模块、第二光路选择模块和第三光路选择模块；

15、所述发射模块用于发出量子信号，并通过第一光路选择模块选择量子信号沿正向链路或逆向链路传输；

16、所述同步模块用于监测通信双方的量子信号到达的时间，并使通信双方的量子信号同步；

17、所述测量模块用于测量量子信号的干涉情况；

18、所述同步模块、测量模块、第一光路选择模块均通过第二光路选择模块、第三光路选择模块实现接入环型量子信道。

19、优选的，所述第一光路选择模块包括端口k11、端口k12和端口k13；端口k11可选择地与端口k12或端口k13连接；

20、所述第二光路选择模块包括端口k21、端口k22、端口k23和端口k24；端口k21可选择地与端口k22、端口k23或端口k24连接，且端口k21接入环型量子信道；

21、所述第三光路选择模块包括端口k31、端口k32、端口k33和端口k34；端口k31可选择地与端口k32、端口k33或端口k34连接，且端口k31接入环型量子信道；

22、所述发射模块的输出端与端口k11连接，端口k12与端口k22连接，端口k13与端口k32连接；同步模块的一端与端口k23连接，同步模块的另一端与端口k33连接；测量模块的一端与端口k24连接，测量模块的另一端与端口k34连接。

23、优选的，所述测量模块包括第一分束器、第二分束器、第三分束器、第一单光子探测器、第二单光子探测器、第三单光子探测器和第四单光子探测器；

24、所述第一分束器的第一输入端与端口k24连接，第一分束器的第二输入端与端口k34连接，第一分束器的第一输出端与第二分束器的输入端连接，第一分束器的第二输出端与第三分束器的输入端连接，第二分束器的第一输出端与第一单光子探测器的输入端连接，第二分束器的第二输出端与第二单光子探测器的输入端连接，第三分束器的第一输出端与第三单光子探测器的输入端连接，第三分束器的第二输出端与第四单光子探测器的输入端连接。

25、优选的，所述用户端的类型包括通信方、测量第三方和通信中间节点；

26、其中，通信方的数量为两个，测量第三方的数量为一个。

27、优选的，对于作为通信中间节点的用户端，其中的端口k21与端口k23连接，端口k31与端口k33连接，且同步模块不对经过的量子信号进行同步。

28、本发明有益的技术效果：

29、本发明提供了一种基于环型量子信道的mdi-qkd方法及系统，通过由mdi-qkd用户端和环型量子信道组成的环型结构实现了多用户同时进行测量设备无关协议的方案，在长距离量子通信下具有较高的成码率，并且根据测量设备无关协议的特性和第三方测量装置的随机选取，使之能抵御对测量设备的攻击；同时还具有拓展性，可不断增加用户，大大提高了量子网络资源的利用率，同时节省了大量的量子网络资源。

技术特征：

1.一种基于环型量子信道的mdi-qkd方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于环型量子信道的mdi-qkd方法，其特征在于，其中一通信方发出的量子信号沿环型量子信道的正向链路传输，另一通信方发出的量子信号沿环型量子信道的逆向链路传输。

3.根据权利要求1所述的一种基于环型量子信道的mdi-qkd方法，其特征在于，测量第三方监测通信双方的量子信号到达的时间，并使通信双方的量子信号同步。

4.根据权利要求1所述的一种基于环型量子信道的mdi-qkd方法，其特征在于，通信双方的量子信号在测量第三方进行单光子干涉。

5.根据权利要求1所述的一种基于环型量子信道的mdi-qkd方法，其特征在于，测量第三方对干涉情况进行贝尔态测量。

6.一种基于环型量子信道的mdi-qkd系统，其特征在于，包括用户端和环型量子信道，所述用户端至少有三个，分别接入环型量子信道；

7.根据权利要求6所述的一种基于环型量子信道的mdi-qkd系统，其特征在于，所述第一光路选择模块包括端口k11、端口k12和端口k13；端口k11可选择地与端口k12或端口k13连接；

8.根据权利要求7所述的一种基于环型量子信道的mdi-qkd系统，其特征在于，所述测量模块包括第一分束器、第二分束器、第三分束器、第一单光子探测器、第二单光子探测器、第三单光子探测器和第四单光子探测器；

9.根据权利要求7所述的一种基于环型量子信道的mdi-qkd系统，其特征在于，所述用户端的类型包括通信方、测量第三方和通信中间节点；

10.根据权利要求9所述的一种基于环型量子信道的mdi-qkd系统，其特征在于，对于作为通信中间节点的用户端，其中的端口k21与端口k23连接，端口k31与端口k33连接，且同步模块不对经过的量子信号进行同步。

技术总结
本发明公开了一种基于环型量子信道的MDI‑QKD方法，包括以下步骤：S1：确定两用户端作为通信双方，随机选取另一用户端作为测量第三方；S2：通信双方分别发出量子信号沿环型量子信道第一次到达测量第三方进行信号同步；S3：同步后的量子信号继续沿原传输方向绕环型量子信道一圈后第二次到达测量第三方进行干涉；S4：测量第三方对干涉情况进行测量，得到测量结果；S5：通信双方根据测量结果进行量子密钥分发的后处理，完成量子密钥分发。本发明还公开了一种基于环型量子信道的MDI‑QKD系统，用于实现所述的一种基于环型量子信道的MDI‑QKD方法。本发明公开了一种基于环型量子信道的MDI‑QKD方法及系统，解决了现有的MDI‑QKD技术成码率不够高的问题。

技术研发人员：郭邦红,彭贺扬,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：2024/3/27