光強鎖定反饋控制裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種光強鎖定反饋控制裝置，處理器MCU在全范圍內(nèi)對D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓進行掃描，同時處理器MCU將接收到的數(shù)字電壓信號與設(shè)定的已知參數(shù)進行比較；所述設(shè)定的參數(shù)為信號態(tài)為3u，Decoy態(tài)為1u；當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字電壓信號與設(shè)定的兩個已知參數(shù)相等時，處理器MCU分別記下相應(yīng)的加在IM上的D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓值a和b；處理器MCU在掃描過程結(jié)束后，將輸出電壓值a和b發(fā)送給QKD控制中心。本實用新型的硬件電路設(shè)計簡單，工作穩(wěn)定；保證了量子信號的光強穩(wěn)定性和量子態(tài)的比例穩(wěn)定性，從而大大提高QKD的穩(wěn)定性、密鑰生成率以及安全通信距離。
【專利說明】光強鎖定反饋控制裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種用于量子密鑰通信系統(tǒng)的量子態(tài)光強鎖定的裝置及方法，尤其涉及一種能夠確保量子密鑰通信過程中各個量子態(tài)(信號態(tài)和誘騙態(tài))的光強穩(wěn)定性和量子態(tài)光強比例的穩(wěn)定性的量子密鑰分配系統(tǒng)中量子態(tài)光強鎖定反饋控制裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]標(biāo)準的量子密鑰協(xié)議需要使用單光子光源產(chǎn)生單個光子以攜帶量子信息，如果出現(xiàn)多光子同時存在于一個光脈沖的情況，則有可能被竊聽者Eve截留多余的子，從而Eve可以在不被發(fā)現(xiàn)的情況下獲取信息，我們稱之為光子數(shù)分束攻擊PNS(Pulse NumberSplitting)。對于采用弱相干光源的實際量子密鑰通信系統(tǒng)來說，無論將光源的平均光強衰減到多少，其中都會有一定幾率含有多光子脈沖。Eve可以利用量子非破壞測量對每個從Alice發(fā)出的脈沖進行光子數(shù)測量。得到測量結(jié)果后，Eve將所有的單光子信號屏蔽，同時將多光子進行分束，保留其中的一個光子，將其余光子通過無損信道發(fā)送給Bob，由此可擁有與Bob —樣的量子態(tài)。Eve在這一過程中并未改變Alice發(fā)送給Bob的量子態(tài)，不會對Bob引入誤碼，因而Alice和Bob無法通過量子誤碼率發(fā)現(xiàn)Eve的竊聽行為。屏蔽的單光子信號將使Bob的計數(shù)率下降，但是Eve可使用低衰減或無損信道對其進行補償，使得Alice與Bob在傳輸距離大于一定程度時，無法發(fā)現(xiàn)由于Eve造成的計數(shù)率下降。因此當(dāng)傳輸損耗大于某一數(shù)值之后，光子數(shù)分束攻擊將使得系統(tǒng)不再安全。
[0003]針對PNS攻擊，量子密鑰系統(tǒng)米用了誘騙態(tài)量子密鑰分配協(xié)議(Decoy statesQKD)。該協(xié)議的基本思想是:Alice制備兩種態(tài)發(fā)送給Bob，即BB84信號態(tài)和誘騙態(tài)(Decoy態(tài))。BB84信號態(tài)用來產(chǎn)生密鑰信號，而Decoy不產(chǎn)生密鑰信息，其作用僅僅在于探測Eve是否進行了攻擊。兩種態(tài)之間的唯一區(qū)別在于平均光子數(shù)不同。Bob通過對信號態(tài)和Decoy態(tài)進行計數(shù)，并統(tǒng)計比特誤碼率，可以精確估計Q(探測到的單光子信號占Alice發(fā)出的總的信號的百分比)的下限和e (由單光子信號所造成的QBER)的上限，從而大大提高QKD的生成率和安全通信距離。
[0004]可以看到Decoy states協(xié)議的主要特征在于Alice在量子信道中傳輸兩種量子態(tài)(即信號態(tài)和Decoy態(tài))，這兩種量子態(tài)的唯一區(qū)別就是平均光子數(shù)不同。目前QKD系統(tǒng)中，均在發(fā)送端的量子信道中加入了 IM(intensity modulator)，發(fā)送端通過IM來調(diào)制發(fā)送光脈沖的量子態(tài)，使得信號態(tài)光強:Decoy態(tài)光強的比例為3:1。IM是一種電壓驅(qū)動的高速光強調(diào)制器件，發(fā)送端只需切換兩種不同的頂驅(qū)動電壓就可以改變頂?shù)乃p值，從而改變輸出光脈沖的強度，使得輸出光脈沖調(diào)制為信號態(tài)或Decoy態(tài)。實際的Decoy statesQKD中對應(yīng)信號態(tài)和Decoy態(tài)的兩種IM衰減電壓值是在設(shè)備出廠時通過測量設(shè)定的，在之后的通信過程中發(fā)送端切換這兩個電壓調(diào)制量子態(tài)，并不會再對這兩個驅(qū)動電壓值做調(diào)整。
[0005]實際上IM具有很大的偏振相關(guān)性，而激光器輸出的光信號的偏振態(tài)是不穩(wěn)定的，并且光在光纖中傳輸時偏振態(tài)也會隨機地改變，因此在QKD系統(tǒng)中頂?shù)妮敵鎏匦?，即電?衰減特性曲線并不是理想的，而是在一定坐標(biāo)軸區(qū)間內(nèi)上下左右緩慢漂移的，這意味著相同的電壓值對應(yīng)的IM的衰減值是在緩慢漂移的，如圖1和圖2。如果系統(tǒng)始終采用兩個固定電壓值調(diào)制頂，則會導(dǎo)致系統(tǒng)原始密鑰量的變化以及信號態(tài)和Decoy態(tài)的比例的變化，最終將導(dǎo)致QKD系統(tǒng)無法進行保密放大，無法生成最終的安全密鑰。
實用新型內(nèi)容
[0006]本實用新型的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種光強鎖定反饋控制裝置。本光強鎖定反饋控制裝置能夠補償IM衰減值隨光信號偏振態(tài)變化而產(chǎn)生的漂移，以使信號態(tài)和Decoy態(tài)的光強以及光強比例為一個恒定值。
[0007]為解決上述技術(shù)問題，本實用新型采取的技術(shù)方案為:光強鎖定反饋控制裝置，包括PIN光電轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器、處理器MCU和D/A轉(zhuǎn)換器；所述A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器分別與處理器MCU電連接；所述A/D轉(zhuǎn)換器和PIN光電轉(zhuǎn)換器電連接；所屬PIN光電轉(zhuǎn)換器用于將光信號轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號；所述A/D轉(zhuǎn)換器用于將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓信號并且輸出給處理器MCU ;所述處理器MCU在全范圍內(nèi)對D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓進行掃描，同時處理器MCU將接收到的數(shù)字電壓信號與設(shè)定的已知參數(shù)進行比較；所述設(shè)定的參數(shù)為信號態(tài)為3u，誘騙態(tài)為Iu ;當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字電壓信號與設(shè)定的兩個已知參數(shù)相等時，處理器MCU分別記下相應(yīng)的加在光強調(diào)制器上的D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓值a和b ;處理器MCU在掃描過程結(jié)束后，將輸出電壓值a和b發(fā)送給量子密鑰分配控制中心。
[0008]工作時，所述量子密鑰分配控制中心將上一幀量子密鑰傳輸時光強調(diào)制器的兩個調(diào)制電壓的值更新為a和b，以使QKD控制中心在下一幀量子密鑰傳輸時就用電壓值a和電壓值b來調(diào)制信號態(tài)和Decoy態(tài)的光強，進一步使IM輸出的激光維持在設(shè)定的光強；所述設(shè)定的光強是指設(shè)定信號態(tài)光強為3r，Decoy態(tài)光強為Ir。
[0009]在量子密鑰通信過程中，量子密鑰信號是以幀格式發(fā)送的，每發(fā)送完一幀數(shù)據(jù)Alice和Bob都會進行一次經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)通信來完成握手和對基等過程。通信雙方每次進行經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)通信的同時有充分的時間進行一次量子態(tài)光強鎖定的過程，具體量子態(tài)光強鎖定方案如圖3。由于通信雙方在進行經(jīng)典通信時是不發(fā)送密鑰信號的，因此發(fā)送端可以利用量子激光器QLaser發(fā)送測試光專門用于量子態(tài)光強鎖定。
[0010]本實用新型的原理是發(fā)送端觸發(fā)量子激光器Qlaser，量子激光器Qlaser輸出激光，所述激光經(jīng)過頂后進入1:99光分束器，光分束器具有A輸出端和B輸出端，或者說對應(yīng)為I端口和99端口 ；1端口輸出的激光送入量子通信信道，99端口輸出的激光送入光強鎖定反饋控制裝置。所述光強鎖定反饋控制裝置中采用PIN光電二極管監(jiān)測99端輸出的光強并轉(zhuǎn)換為迷模擬電壓信號，所述模擬電壓信號通過A/D轉(zhuǎn)換器采樣后轉(zhuǎn)化為數(shù)字電壓信號；所述數(shù)字電壓信號送入處理器MCU，處理器MCU在全范圍內(nèi)掃描D/A轉(zhuǎn)換器上的電壓，同時處理器MCU將A/D轉(zhuǎn)換器的輸出值與一直參數(shù)進行3u和Iu做比較；每次在全范圍內(nèi)掃描D/A轉(zhuǎn)換器輸出的時候IM輸出光強會不斷變化，對應(yīng)A/D轉(zhuǎn)換器的輸出值也在不斷變化，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換器的輸出值和設(shè)定的兩個已知參數(shù)相等時，處理器MCU分別記下相應(yīng)的加在IM上的D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓值a和b ;掃描過程結(jié)束后，處理器MCU立即將電壓值a和b發(fā)送給QKD控制中心，QKD控制中心將上一幀量子密鑰傳輸時IM的兩個調(diào)制電壓更新為電壓值a和b，那么QKD控制中心在下一幀量子密鑰傳輸時就用a、b值來調(diào)制信號態(tài)和Decoy態(tài)的光強，使頂輸出設(shè)定的光強。這里設(shè)定的光強是指設(shè)定信號態(tài)光強為3r，Decoy態(tài)光強為Ir，通過測量光電轉(zhuǎn)換電路的輸出就可以得到和這兩個量子態(tài)光強成正比例關(guān)系的電壓信號。該電壓信號通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓信號后，信號態(tài)對應(yīng)為3u，DeCOy態(tài)對應(yīng)為lu，處理器MCU利用3u和Iu為掃描過程的已知參數(shù)。本實用新型可以使得信號態(tài)和Decoy態(tài)光強始終保持在設(shè)定的值，分別為3r和Ir，很明顯一旦這兩個值被鎖定，那么信號態(tài)和Decoy態(tài)的光強比例也被鎖定，即始終保持在3r:lr = 3:1。
[0011]總之，本實用新型通過處理器MCU進行掃描計算，使得本實用新型的硬件電路設(shè)計簡單，工作穩(wěn)定；通過在QKD系統(tǒng)中加入光強反饋控制裝置，能夠適時地調(diào)整加在IM上的電壓，從而補償頂衰減值隨光信號偏振態(tài)變化而產(chǎn)生的漂移，使得信號態(tài)和Decoy態(tài)的光強以及光強比例為一個恒定值，因而彌補了 QKD系統(tǒng)的一個安全漏洞，保證了量子信號的光強穩(wěn)定性和量子態(tài)的比例穩(wěn)定性，從而大大提高QKD的穩(wěn)定性、密鑰生成率以及安全通信距離。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為現(xiàn)有技術(shù)中頂電壓衰減特性曲線隨時間的漂移特性示意圖。
[0013]圖2為現(xiàn)有技術(shù)中頂電壓衰減特性曲線隨溫度變化的漂移特性示意圖。
[0014]圖3為本實用新型的頂輸出光強反饋控制方案方框示意圖。
[0015]下面結(jié)合附圖和實施例對本實用新型的【具體實施方式】作進一步的說明。

【具體實施方式】
[0016]實施例1
[0017]參見圖1、圖2和圖3、本光強鎖定反饋控制裝置包括PIN光電轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器、處理器MCU和D/A轉(zhuǎn)換器；所述A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器分別與處理器MCU電連接；所述A/D轉(zhuǎn)換器和PIN光電轉(zhuǎn)換器電連接；所屬PIN光電轉(zhuǎn)換器用于將光信號轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號；所述A/D轉(zhuǎn)換器用于將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓信號并且輸出給處理器MCU ;所述處理器MCU在全范圍內(nèi)對D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓進行掃描，同時處理器MCU將接收到的數(shù)字電壓信號與設(shè)定的已知參數(shù)進行比較；所述設(shè)定的參數(shù)為信號態(tài)為3u，誘騙態(tài)為Iu ;當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字電壓信號與設(shè)定的兩個已知參數(shù)相等時，處理器MCU分別記下相應(yīng)的加在光強調(diào)制器上的D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓值a和b ;處理器MCU在掃描過程結(jié)束后，將輸出電壓值a和b發(fā)送給量子密鑰分配控制中心。工作時，所述QKD控制中心將上一幀量子密鑰傳輸時光強調(diào)制器的兩個調(diào)制電壓的值更新為a和b，以使QKD控制中心在下一幀量子密鑰傳輸時就用電壓值a和電壓值b來調(diào)制信號態(tài)和誘騙態(tài)的光強，進一步使光強調(diào)制器輸出的激光維持在設(shè)定的光強；所述設(shè)定的光強是指設(shè)定信號態(tài)光強為3r，誘騙態(tài)光強為Ir。
[0018]實施例2
[0019]如圖3所示，本量子密鑰分配系統(tǒng)中量子態(tài)光強鎖定方法，包括以下步驟:
[0020]激光發(fā)送:發(fā)送端觸發(fā)量子激光器Qlaser，使量子激光器Qlaser輸出激光；
[0021]激光分述:所述激光經(jīng)過光強調(diào)制器后進入光分束器，所述光分束器具有A輸出端和B輸出端，A輸出端和B輸出端的光強比是1:99 ;所述光分束器將激光分為兩路，所述A輸出端輸出的激光進入量子通信信道，B輸出端輸出的激光進入光強鎖定反饋控制裝置；所述光強鎖定反饋控制裝置包括PIN光電轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器、處理器MCU和D/A轉(zhuǎn)換器；
[0022]反饋重置:進入光強鎖定反饋控制裝置的激光首先經(jīng)過PIN光電二極管，通過PIN光電二極管將激光信號轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號；
[0023]所述模擬電信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器后轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓信號；
[0024]所述A/D轉(zhuǎn)換器將數(shù)字電壓信號輸出給處理器MCU ；
[0025]處理器MCU將接收到的數(shù)字電壓信號與設(shè)定的已知參數(shù)進行比較，同時處理器MCU在全范圍內(nèi)掃描D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓；所述設(shè)定的參數(shù)為信號態(tài)為3u，誘騙態(tài)為Iu ;當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字電壓信號與設(shè)定的兩個已知參數(shù)相等時，處理器MCU分別記下相應(yīng)的加在光強調(diào)制器上的D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓值a和b ;
[0026]掃描過程結(jié)束后，處理器MCU立即將輸出電壓值a和b發(fā)送給量子密鑰分配控制中心；
[0027]所述QKD控制中心將上一幀量子密鑰傳輸時光強調(diào)制器的兩個調(diào)制電壓的值更新為a和b，以使QKD控制中心在下一幀量子密鑰傳輸時就用電壓值a和電壓值b來調(diào)制信號態(tài)和誘騙態(tài)的光強，進一步使光強調(diào)制器輸出的激光維持在設(shè)定的光強；所述設(shè)定的光強是指設(shè)定信號態(tài)光強為3r，誘騙態(tài)光強為Ir。
【權(quán)利要求】
1.一種光強鎖定反饋控制裝置，其特征在于:包括PIN光電轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器、處理器MCU和D/A轉(zhuǎn)換器；所述A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器分別與處理器MCU電連接；所述A/D轉(zhuǎn)換器和PIN光電轉(zhuǎn)換器電連接；所屬PIN光電轉(zhuǎn)換器用于將光信號轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號；所述A/D轉(zhuǎn)換器用于將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓信號并且輸出給處理器MCU;所述處理器MCU在全范圍內(nèi)對D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓進行掃描，同時處理器MCU將接收到的數(shù)字電壓信號與設(shè)定的已知參數(shù)進行比較；所述設(shè)定的參數(shù)為信號態(tài)為3u，誘騙態(tài)為Iu ;iA/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字電壓信號與設(shè)定的兩個已知參數(shù)相等時，處理器MCU分別記下相應(yīng)的加在光強調(diào)制器上的D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓值a和b ;處理器MCU在掃描過程結(jié)束后，將輸出電壓值a和b發(fā)送給量子密鑰分配控制中心。
【文檔編號】G05D25/02GK204229272SQ201420411779
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年7月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月24日
【發(fā)明者】蔣金鳳, 劉云, 苗春華, 方子, 趙義博, 韓正甫 申請人:安徽問天量子科技股份有限公司