本發(fā)明涉及光傳輸安全通信技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于兩路單光子探測(cè)的量子密鑰分配系統(tǒng)與方法。

背景技術(shù)：

隨著互聯(lián)網(wǎng)的大范圍普及，人類之間的信息傳遞達(dá)到了前所未有的數(shù)量和頻率，各種隱私信息越來(lái)越多地暴露在互聯(lián)網(wǎng)上，因此，人類對(duì)保密通信的需求也到了前所未有的高度。現(xiàn)在的互聯(lián)網(wǎng)信息安全的加密方式稱為“公開(kāi)密鑰”密碼體系，其原理是通過(guò)加密算法，生成網(wǎng)絡(luò)上傳播的公開(kāi)密鑰，以及留在計(jì)算機(jī)內(nèi)部的私人密鑰，兩個(gè)密鑰必須配合使用才能實(shí)現(xiàn)完整的加密和解密過(guò)程。

現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)使用的加密標(biāo)準(zhǔn)是20世紀(jì)70年代誕生的RSA算法，即利用大數(shù)的質(zhì)因子分解難以計(jì)算來(lái)保證密鑰的安全性。

量子密鑰分配是1984年物理學(xué)家Bennett和密碼學(xué)家Brassard提出了基于量子力學(xué)測(cè)量原理的BB84協(xié)議，量子密鑰分配可以從根本上保證了密鑰的安全性。

現(xiàn)有技術(shù)中量子密鑰在發(fā)射端產(chǎn)生信號(hào)光，經(jīng)過(guò)傳統(tǒng)的量子信道傳輸過(guò)程中，由于經(jīng)過(guò)光纖信道雙折射等作用，其偏振態(tài)會(huì)有較大變化，影響光信號(hào)后期的干涉效果，會(huì)造成整體密鑰的丟失，目前，為了解決上述問(wèn)題會(huì)在接收端增加糾偏系統(tǒng)，通過(guò)糾偏系統(tǒng)來(lái)還原光信號(hào)的偏振態(tài)，但是糾偏系統(tǒng)需要復(fù)雜的硬件以及軟件部分組成，給整個(gè)密鑰分配系統(tǒng)帶來(lái)了整體系統(tǒng)的復(fù)雜度以及提高了生產(chǎn)成本；另外，現(xiàn)有密鑰分配系統(tǒng)至少需要四路單光子探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)處理，進(jìn)一步的增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度以及生產(chǎn)成本。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于提供一種量子密鑰分配系統(tǒng)與方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中為了解決信號(hào)光在量子信道中傳輸偏振態(tài)變化的問(wèn)題會(huì)在接收端增加糾偏系統(tǒng)，通過(guò)糾偏系統(tǒng)來(lái)還原光信號(hào)的偏振態(tài)，但是糾偏系統(tǒng)需要復(fù)雜的硬件以及軟件部分組成，給整個(gè)密鑰分配系統(tǒng)帶來(lái)了整體系統(tǒng)的復(fù)雜度以及提高了生產(chǎn)成本的技術(shù)性缺陷。

本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：

一種基于兩路單光子探測(cè)的量子密鑰分配系統(tǒng)，包括發(fā)射端與接收端，所述發(fā)射端與接收端通過(guò)量子信道連接，所述發(fā)射端包括發(fā)射端驅(qū)動(dòng)板、信號(hào)激光器、同步激光器、強(qiáng)度調(diào)制器、干涉單元、第一可調(diào)衰減器、第二可調(diào)衰減器以及發(fā)射端波分復(fù)用器，所述信號(hào)激光器依次連接強(qiáng)度調(diào)制器、干涉單元、第一可調(diào)衰減器以及發(fā)射端波分復(fù)用器，所述同步激光器依次連接第二可調(diào)衰減器以及發(fā)射端波分復(fù)用器，所述第一可調(diào)衰減器與第二可調(diào)衰減器連接發(fā)射端波分復(fù)用器的同一端，發(fā)射端驅(qū)動(dòng)板分別連接信號(hào)激光器、強(qiáng)度調(diào)制器、相位調(diào)節(jié)器、同步激光器、第一可調(diào)衰減器以及第二可調(diào)衰減器；

所述接收端包括接收端驅(qū)動(dòng)板、接收端波分復(fù)用器、同步探測(cè)器、偏振分束器、兩路并列的干涉單元以及兩路單光子探測(cè)器，所述接收端波分復(fù)用器通過(guò)量子信道連接發(fā)射端波分復(fù)用器，所述接收端波分復(fù)用器的另一端分別連接同步探測(cè)器與偏振分束器，所述偏振分束器分別連接兩路干涉單元，所述接收端驅(qū)動(dòng)板分別連接同步探測(cè)器、相位調(diào)節(jié)器以及單光子探測(cè)器，

所述干涉單元包括前端保偏分束器與后端保偏分束器，前端保偏分束器分別通過(guò)長(zhǎng)臂保偏光纖以及短臂保偏光纖與后端保偏分束器連接，所述長(zhǎng)臂保偏光纖中連接有相位調(diào)節(jié)器，所述接收端部分的兩路干涉單元分別包括兩路輸出，該四路輸出兩兩交叉合并后分別連接單光子探測(cè)器。

優(yōu)選地，所述量子信道為單模光纖。

優(yōu)選地，所述兩路單光子探測(cè)器前端還分別連接有偏振分束器。

優(yōu)選地，所述發(fā)射端還包括有消偏器，所述消偏器設(shè)置在后端保偏分束器以及第一可調(diào)衰減器之間。

本發(fā)明還提供了一種基于權(quán)利要求1的基于兩路單光子探測(cè)的量子密鑰分配方法，包括以下步驟：

1)激光器觸發(fā)：發(fā)射端利用同一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)分別觸發(fā)信號(hào)激光器和同步激光器發(fā)射出信號(hào)光與同步光，所述信號(hào)光作為調(diào)制光，所述同步光作為同步信號(hào)傳輸?shù)浇邮斩擞赏教綔y(cè)器響應(yīng)為接收端所用；

2)誘騙態(tài)調(diào)制：信號(hào)激光器發(fā)射的信號(hào)光通過(guò)強(qiáng)度調(diào)制器進(jìn)行隨機(jī)強(qiáng)度調(diào)制，成為信號(hào)態(tài)、誘騙態(tài)或者真空態(tài)；

3)發(fā)射端干涉：利用干涉單元制作不等臂MZ干涉，信號(hào)光通過(guò)保偏分束器分成兩個(gè)脈沖，其中一路經(jīng)過(guò)長(zhǎng)臂，長(zhǎng)臂中加有相位調(diào)制器，對(duì)信號(hào)光進(jìn)行隨機(jī)相位調(diào)制，短臂不做相位調(diào)制；

4)電控可調(diào)衰減器對(duì)信號(hào)光進(jìn)行衰減：信號(hào)光經(jīng)過(guò)第一可調(diào)衰減器將光脈沖衰減至單光子量級(jí)，同步光經(jīng)過(guò)第二可調(diào)衰減器將同步光調(diào)節(jié)至接收端可響應(yīng)的強(qiáng)度范圍；

5)信號(hào)光與同步光通過(guò)量子信道傳輸：將波長(zhǎng)不同的信號(hào)光和同步光在發(fā)射端經(jīng)過(guò)發(fā)射端波分復(fù)用器合入一根信道傳輸，并在接收端通過(guò)接收端波分復(fù)用器重新分解；

6)偏振分束器分束：將不同步偏振的光經(jīng)過(guò)偏振分束器分解為水平偏振方向和垂直偏振方向；

7)接收端干涉：利用前端保偏分束器制作與發(fā)射端臂長(zhǎng)差相等的不等臂MZ干涉環(huán)，信號(hào)光通過(guò)前端保偏分束器分成兩個(gè)脈沖，其中一路經(jīng)過(guò)長(zhǎng)臂，長(zhǎng)臂中加有相位調(diào)制器，對(duì)信號(hào)光進(jìn)行隨機(jī)相位調(diào)制，短臂不做調(diào)制；

8)單光子探測(cè)器探測(cè)：將干涉后的兩路光脈沖信號(hào)通過(guò)時(shí)分復(fù)用合并成重復(fù)頻率為原來(lái)兩倍的光脈沖信號(hào)，同時(shí)單光子探測(cè)器的開(kāi)門頻率也提升為原來(lái)的兩倍，得到的探測(cè)結(jié)果用于后續(xù)處理產(chǎn)生安全密鑰。

6、如權(quán)利要求5所述的基于兩路單光子探測(cè)的量子密鑰分配方法，其特征在于，所述步驟3)中，對(duì)信號(hào)光進(jìn)行隨機(jī)4相位調(diào)制，分別為0，π/2，π，3π/2；步驟7)中對(duì)信號(hào)光進(jìn)行隨機(jī)2相位調(diào)制，分別為0，π/2。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有以下有益效果：

本發(fā)明的基于兩路單光子探測(cè)的量子密鑰分配系統(tǒng)與方法，通過(guò)在接收端增加一個(gè)偏振分束器，將信號(hào)光分解為兩個(gè)垂直的偏振態(tài)，利用保偏光纖干涉環(huán)完成各自偏振態(tài)下的干涉，得到較好的干涉結(jié)果，避免了光纖傳輸過(guò)程中雙折射效應(yīng)影響光偏振態(tài)對(duì)干涉結(jié)果的影響，同時(shí)摒棄了糾偏系統(tǒng)，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)冗雜度，也降低了生產(chǎn)成本，另外，本系統(tǒng)只需要采用兩路單光子探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)處理，進(jìn)一步降低了系統(tǒng)的冗雜度，降低了生產(chǎn)成本。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明基于兩路單光子探測(cè)的量子密鑰分配系統(tǒng)的原理框圖；

圖2為本發(fā)明基于兩路單光子探測(cè)的量子密鑰分配方法的流程圖。

圖中：發(fā)射端1，發(fā)射端驅(qū)動(dòng)板101，信號(hào)激光器102，同步激光器103，強(qiáng)度調(diào)制器104，第一可調(diào)衰減器105，第二可調(diào)衰減器106，發(fā)射端波分復(fù)用器107，消偏器108，接收端2，接收端驅(qū)動(dòng)板201，接收端波分復(fù)用器202，同步探測(cè)器203，偏振分束器204，單光子探測(cè)器205，量子信道3，干涉單元4，相位調(diào)節(jié)器401，前端保偏分束器402，后端保偏分束器403。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行清楚、完整地描述。

如圖1所示，一種基于兩路單光子探測(cè)的量子密鑰分配系統(tǒng)，包括發(fā)射端1與接收端2，所述發(fā)射端1與接收端2通過(guò)量子信道3連接，所述發(fā)射端1包括發(fā)射端驅(qū)動(dòng)板101、信號(hào)激光器102、同步激光器103、強(qiáng)度調(diào)制器104、干涉單元4、第一可調(diào)衰減器105、第二可調(diào)衰減器106以及發(fā)射端波分復(fù)用器107，所述信號(hào)激光器102依次連接強(qiáng)度調(diào)制器104、干涉單元4、第一可調(diào)衰減器105以及發(fā)射端波分復(fù)用器107，所述同步激光器103依次連接第二可調(diào)衰減器106以及發(fā)射端波分復(fù)用器107，所述第一可調(diào)衰減器105與第二可調(diào)衰減器106連接發(fā)射端波分復(fù)用器107的同一端，發(fā)射端驅(qū)動(dòng)板101分別連接信號(hào)激光器102、強(qiáng)度調(diào)制器104、相位調(diào)節(jié)器401、同步激光器103、第一可調(diào)衰減器105以及第二可調(diào)衰減器106，所述發(fā)射端1部分的相位調(diào)節(jié)器401以及強(qiáng)度調(diào)制器104、第一可調(diào)衰減器105、第二可調(diào)衰減器106分別通過(guò)模擬控制信號(hào)線連接發(fā)射端驅(qū)動(dòng)板101，所述信號(hào)激光器102、同步激光器103分別通過(guò)數(shù)字控制信號(hào)線連接發(fā)射端驅(qū)動(dòng)板101；所述接收端2包括接收端驅(qū)動(dòng)板201、接收端波分復(fù)用器202、同步探測(cè)器203、偏振分束器204、兩路并列的干涉單元4以及兩路單光子探測(cè)器205，所述接收端波分復(fù)用器202通過(guò)量子信道3連接發(fā)射端波分復(fù)用器107，所述接收端波分復(fù)用器202的另一端分別連接同步探測(cè)器203與偏振分束器204，所述偏振分束器204分別連接兩路干涉單元4，所述接收端驅(qū)動(dòng)板201分別連接同步探測(cè)器203、相位調(diào)節(jié)器401以及單光子探測(cè)器205，所述接收端2部分的相位調(diào)節(jié)器401通過(guò)模擬控制信號(hào)線連接接收端驅(qū)動(dòng)板201。所述干涉單元4包括前端保偏分束器402與后端保偏分束器403，前端保偏分束器402分別通過(guò)長(zhǎng)臂保偏光纖以及短臂保偏光纖與后端保偏分束器403連接，所述長(zhǎng)臂保偏光纖中連接有相位調(diào)節(jié)器401，所述接收端2部分的兩路干涉單元4分別包括兩路輸出，該四路輸出兩兩交叉合并后分別連接單光子探測(cè)器205。本實(shí)施例中，所述量子信道3為單模光纖，若是量子信道3距離不需要過(guò)長(zhǎng)，也可采用保偏光纖傳輸，以增加信號(hào)光偏振態(tài)的穩(wěn)定性。所述兩路單光子探測(cè)器205前端還分別連接有偏振分束器204。所述發(fā)射端1還包括有消偏器108，所述消偏器108設(shè)置在后端保偏分束器403以及第一可調(diào)衰減器104之間，所述消偏器108可將信號(hào)光的偏振度降為0，使得信號(hào)光的偏振態(tài)為自然光狀態(tài)，有效的保證了系統(tǒng)傳輸密鑰的安全性。

如圖2所示，本發(fā)明還提供了一種基于權(quán)利要求1的基于兩路單光子探測(cè)的量子密鑰分配方法，該分配方法可基于上述量子密鑰分配系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，包括以下步驟：

1)激光器觸發(fā)：發(fā)射端利用同一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)分別觸發(fā)信號(hào)激光器和同步激光器發(fā)射出信號(hào)光與同步光，所述信號(hào)光作為調(diào)制光，所述同步光作為同步信號(hào)傳輸?shù)浇邮斩擞赏教綔y(cè)器響應(yīng)為接收端所用；

2)誘騙態(tài)調(diào)制：信號(hào)激光器發(fā)射的信號(hào)光通過(guò)強(qiáng)度調(diào)制器進(jìn)行隨機(jī)強(qiáng)度調(diào)制，成為信號(hào)態(tài)、誘騙態(tài)或者真空態(tài)；

3)發(fā)射端干涉：利用干涉單元制作不等臂MZ干涉，信號(hào)光通過(guò)保偏分束器分成兩個(gè)脈沖，其中一路經(jīng)過(guò)長(zhǎng)臂，長(zhǎng)臂中加有相位調(diào)制器，對(duì)信號(hào)光進(jìn)行隨機(jī)相位調(diào)制，短臂不做相位調(diào)制；

4)電控可調(diào)衰減器對(duì)信號(hào)光進(jìn)行衰減：信號(hào)光經(jīng)過(guò)第一可調(diào)衰減器將光脈沖衰減至單光子量級(jí)，同步光經(jīng)過(guò)第二可調(diào)衰減器將同步光調(diào)節(jié)至接收端可響應(yīng)的強(qiáng)度范圍；

5)信號(hào)光與同步光通過(guò)量子信道傳輸：將波長(zhǎng)不同的信號(hào)光和同步光在發(fā)射端經(jīng)過(guò)發(fā)射端波分復(fù)用器合入一根信道傳輸，并在接收端通過(guò)接收端波分復(fù)用器重新分解；

6)偏振分束器分束：將不同步偏振的光經(jīng)過(guò)偏振分束器分解為水平偏振方向和垂直偏振方向；

7)接收端干涉：利用前端保偏分束器制作與發(fā)射端臂長(zhǎng)差相等的不等臂MZ干涉環(huán)，信號(hào)光通過(guò)前端保偏分束器分成兩個(gè)脈沖，其中一路經(jīng)過(guò)長(zhǎng)臂，長(zhǎng)臂中加有相位調(diào)制器，對(duì)信號(hào)光進(jìn)行隨機(jī)相位調(diào)制，短臂不做調(diào)制；

8)單光子探測(cè)器探測(cè)：將干涉后的兩路光脈沖信號(hào)通過(guò)時(shí)分復(fù)用合并成重復(fù)頻率為原來(lái)兩倍的光脈沖信號(hào)，同時(shí)單光子探測(cè)器的開(kāi)門頻率也提升為原來(lái)的兩倍，得到的探測(cè)結(jié)果用于后續(xù)處理產(chǎn)生安全密鑰。所述步驟3)中，對(duì)信號(hào)光進(jìn)行隨機(jī)4相位調(diào)制，分別為0，π/2，π，3π/2；步驟7)中對(duì)信號(hào)光進(jìn)行隨機(jī)2相位調(diào)制，分別為0，π/2。

綜合本發(fā)明的結(jié)構(gòu)與原理可知，本發(fā)明的基于兩路單光子探測(cè)的量子密鑰分配系統(tǒng)與方法，通過(guò)在接收端增加一個(gè)偏振分束器，將信號(hào)光分解為兩個(gè)垂直的偏振態(tài)，利用保偏光纖干涉環(huán)完成各自偏振態(tài)下的干涉，得到較好的干涉結(jié)果，避免了光纖傳輸過(guò)程中雙折射效應(yīng)影響光偏振態(tài)對(duì)干涉結(jié)果的影響，同時(shí)摒棄了糾偏系統(tǒng)，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)冗雜度，也降低了生產(chǎn)成本，另外，本系統(tǒng)只需要采用兩路單光子探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)處理，進(jìn)一步降低了系統(tǒng)的冗雜度，降低了生產(chǎn)成本。