本實(shí)用新型涉及信息安全領(lǐng)域，尤其涉及一種基于即插即用(PP)結(jié)構(gòu)的測量設(shè)備無關(guān)量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

量子密鑰分發(fā)(QKD)作為一種可靠的密鑰分發(fā)體制，其安全性是由量子力學(xué)中的海森堡測不準(zhǔn)原理及不可克隆定理等量子特性來保證，結(jié)合一次一密的加密方法，理論上能夠保證通信的無條件安全，然而實(shí)際QKD系統(tǒng)卻由于器件的不完美性而存在各種安全漏洞。

QKD系統(tǒng)中實(shí)際器件包括光源、單光子探測器等都存在漏洞，針對光源漏洞所致的光子數(shù)分離(PNS)攻擊問題可以通過增加誘騙態(tài)協(xié)議解決，因此針對單光子探測器漏洞引起的安全問題尤為嚴(yán)重，如單光子探測器效率不匹配將被竊聽者利用來實(shí)現(xiàn)效率不匹配攻擊或者是時(shí)移攻擊，單光子探測器其它的漏洞，如死時(shí)間等，都被攻擊者利用，因此如果能解決探測器漏洞則很大程度上能夠提升實(shí)際QKD系統(tǒng)的安全性。2012年加拿大Lo等提出了測量設(shè)備無關(guān)量子密鑰分發(fā)協(xié)議(MDI-QKD)，該方案中，Alice和Bob將單光子脈沖發(fā)送到第三進(jìn)行貝爾態(tài)測量，故其可抵御任何探針對測器的攻擊。該方案極大的提高了實(shí)際量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的安全性，在理論和實(shí)驗(yàn)上得到了廣泛的研究。

貝爾態(tài)測量是MDI-QKD協(xié)議的核心技術(shù)，為保證貝爾態(tài)測量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，要求激光的干涉的模式保持一致，包括波長模式、時(shí)間模式、偏振模式、相位模式，因此需要在實(shí)際的MDI-QKD系統(tǒng)中引入波長穩(wěn)定系統(tǒng)、時(shí)間補(bǔ)償系統(tǒng)、偏振穩(wěn)定系統(tǒng)、相位穩(wěn)定系統(tǒng)四大主動補(bǔ)償系統(tǒng)，用于提高系統(tǒng)的成碼率以及保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。這些補(bǔ)償系統(tǒng)的引入增加了系統(tǒng)的成本，而且使系統(tǒng)龐大、復(fù)雜。

基于即插即用(Plug and Play，PP)結(jié)構(gòu)的QKD系統(tǒng)由于在量子態(tài)制備端Alice不需要不等臂干涉儀，而且具有偏振自動補(bǔ)償功能，非常適合用于提高QKD系統(tǒng)的的穩(wěn)定性，因此將PP結(jié)構(gòu)應(yīng)用于MDI-QKD同樣也具有提高穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)。

文獻(xiàn)《Measurement-device-independent quantum communication with an untrusted source》(《Physical Review A》,201592(1))首次在理論上證明了基于PP結(jié)構(gòu)的MDI-QKD系統(tǒng)的安全性。

專利號為201510008068.9借鑒了PP結(jié)構(gòu)，提出了一種兩節(jié)點(diǎn)測量設(shè)備無關(guān)量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)，將兩個(gè)獨(dú)立激光器和測量裝置Charlie都放置在同一個(gè)節(jié)點(diǎn)上，即均放置在Alice端或Bob端，形成兩節(jié)點(diǎn)雙向傳輸?shù)牧孔用荑€分發(fā)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了偏振自補(bǔ)償、相位漂移自補(bǔ)償、相位參考系無需校準(zhǔn)、同步易于實(shí)現(xiàn)的目的。但該方案的安全性沒有得到證明，而且設(shè)置有兩個(gè)獨(dú)立激光器，還需要波長穩(wěn)定裝置。

文獻(xiàn)《Plug-and-play measurement-device-independent quantum key distribution》(http://xueshu.baidu.com/usercenter/data/journal？cmd＝j(luò)ump&wd＝journaluri％3A％2887984900584ec0f3％29％20％E3％80％8APhys.rev.a％E3％80％8B&tn＝SE_baiduxueshu_c1gjeupa&ie＝utf-8&sc_f_para＝sc_hilight％3Dpublish&sort＝sc_citedPhys.rev.a,2016,93(3))首次實(shí)驗(yàn)演示了基于P&P結(jié)構(gòu)的MDI-QKD，但該演示僅限于空間光路，且距離很短，無需考慮各種補(bǔ)償穩(wěn)定系統(tǒng)。

文獻(xiàn)《Experimental asymmetric plug-and-play measurement-device-independent quantum key distribution》(Phys.rev.a 94,032326(2016))報(bào)道了一種基于P&P結(jié)構(gòu)的MDI-QKD系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用了兩個(gè)1310nm的光源，采用了波分復(fù)用的方式進(jìn)行時(shí)間補(bǔ)償，使系統(tǒng)龐大、復(fù)雜，這種額外設(shè)置的不同波長的激光器不可避免的會對用于量子密鑰分發(fā)的單光子信號產(chǎn)生影響；

現(xiàn)有技術(shù)存在的問題：

1)PP結(jié)構(gòu)的MDI-QKD系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中PP結(jié)構(gòu)的MDI-QKD系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)僅用于理論和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可行性驗(yàn)證，并沒有考慮時(shí)間模式一致的問題。

2)在實(shí)際應(yīng)用上，現(xiàn)有基于PP結(jié)構(gòu)的MDI-QKD系統(tǒng)時(shí)間補(bǔ)償系統(tǒng)屬于主動補(bǔ)償，需要額外設(shè)置不同波長的激光器、波分復(fù)用器等器件，使系統(tǒng)龐大、復(fù)雜，這種額外設(shè)置的不同波長的激光器不可避免的會對用于量子密鑰分發(fā)的單光子信號產(chǎn)生影響；

3)現(xiàn)有基于PP結(jié)構(gòu)的MDI-QKD系統(tǒng)在Alice和Bob需要有相位調(diào)制器、強(qiáng)度調(diào)制器制備量子態(tài)，而且兩個(gè)調(diào)制器的控制需要精確同步，多個(gè)調(diào)制器的使用增加了電子學(xué)的設(shè)計(jì)難度，而且相位調(diào)制器易受環(huán)境溫度影響，使系統(tǒng)不穩(wěn)定。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述的技術(shù)問題，本實(shí)用新型的目的是提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)時(shí)間模塊自動補(bǔ)償?shù)腜P結(jié)構(gòu)的測量設(shè)備無關(guān)量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)。

為了達(dá)到上述的目的，本實(shí)用新型采用了以下的技術(shù)方案：

本實(shí)用新型提供一種PP結(jié)構(gòu)的測量設(shè)備無關(guān)量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)，包括第一用戶端，第二用戶端，具有實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生雙脈沖序列信號光、貝爾態(tài)測量功能的公共測量端，以及連接在第一用戶端和公共測量端之間的第一量子密鑰分發(fā)通道，連接在第二用戶端和公共測量端之間的第二量子密鑰分發(fā)通道；還包括連接在第一用戶端和第二用戶端之間的第三量子密鑰分發(fā)通道；在第一用戶端內(nèi)設(shè)置具有實(shí)現(xiàn)反射光信號、量子態(tài)編碼功能的第一用戶端編碼模塊和第一路徑選擇模塊，在第二用戶端內(nèi)設(shè)置具有實(shí)現(xiàn)反射光信號、量子態(tài)編碼功能的第二用戶端編碼模塊和第二路徑選擇模塊，第一用戶端內(nèi)的第一路徑選擇模塊和第二用戶端內(nèi)的第二路徑選擇模塊通過第三量子密鑰分發(fā)通道相連。

作為優(yōu)選：在第一路徑選擇模塊內(nèi)設(shè)置有三個(gè)三端口環(huán)形器，分別是第一環(huán)形器Ⅰ、第二環(huán)形器Ⅰ、第三環(huán)形器Ⅰ，第一環(huán)形器Ⅰ的第一端口與第二環(huán)形器Ⅰ的第三端口相連，第一環(huán)形器Ⅰ的第三端口與第三環(huán)形器Ⅰ的第一端口相連，第二環(huán)形器Ⅰ的第一端口與第三環(huán)形器Ⅰ的第三端口相連。

作為優(yōu)選：在第一用戶端內(nèi)的第一用戶端編碼模塊設(shè)置有第一分束器、第一可調(diào)光衰減器、第一探測器、第一幅度調(diào)制器、第一反射鏡；第一探測器和第一可調(diào)光衰減器分別與第一分束器相連，第一分束器與第一路徑選擇模塊相連，第一反射鏡通過第一幅度調(diào)制器與第一可調(diào)光衰減器相連。

作為優(yōu)選：在第二路徑選擇模塊內(nèi)設(shè)置有三個(gè)三端口環(huán)形器，分別是第一環(huán)形器Ⅱ、第二環(huán)形器Ⅱ、第三環(huán)形器Ⅱ；第一環(huán)形器Ⅱ的第一端口與第二環(huán)形器Ⅱ的第三端口相連，第一環(huán)形器Ⅱ的第三端口與第三環(huán)形器Ⅱ的第一端口相連，第二環(huán)形器Ⅱ的第一端口與第三環(huán)形器Ⅱ的第三端口相連。

作為優(yōu)選：在第二用戶端內(nèi)的第一用戶端編碼模塊設(shè)置有第二分束器、第二可調(diào)光衰減器、第二探測器、第二幅度調(diào)制器、第二反射鏡；第二探測器和第二可調(diào)光衰減器分別與第二分束器相連，第二分束器與第二路徑選擇模塊相連，第二反射鏡通過第二幅度調(diào)制器與第二可調(diào)光衰減器相連。

作為優(yōu)選：公共測量端內(nèi)設(shè)置有用于輸出雙脈沖序列信號光的相位調(diào)制光源、以及用于測量經(jīng)第一用戶端和第二用戶端反射到公共測量端的光信號的貝爾態(tài)測量裝置。

作為優(yōu)選：相位調(diào)制光源和貝爾態(tài)測量裝置共用第一環(huán)形器，第一環(huán)形器為四端口光環(huán)形器，四個(gè)端口分別為沿光路依次為第一端口，第二端口,第三端口和第四端口，第一環(huán)形器光的傳輸方向?yàn)閺牡谝欢丝诘降诙丝凇牡诙丝诘降谌丝?、從第三端口到第四端口?/p>

作為優(yōu)選：相位調(diào)制光源還包括脈沖產(chǎn)生激光器和相位制備激光器，脈沖產(chǎn)生激光器與第一環(huán)形器的第一端口相連，相位制備激光器與第一環(huán)形器的第二端口相連；相位制備激光器分別與第一環(huán)形器第一端口和第二端口相連。

作為優(yōu)選：所述貝爾態(tài)測量裝置還包括第三分束模塊、第一環(huán)形器、第一單光子探測器、第二單光子探測器；第三分束模塊為2×2分束器，具有四個(gè)端口，分別為第一端口，第二端口,第三端口和第四端口；第三分束模塊能夠?qū)崿F(xiàn)經(jīng)過第一用戶端和第二用戶端反射回的公共測量端的光信號的雙光子干涉，其干涉結(jié)果由第一單光子探測器探測到或經(jīng)過第一環(huán)形器由第二單光子探測器探測到。

作為優(yōu)選：公共測量端內(nèi)設(shè)置兩個(gè)三端口環(huán)形器，分別為第二環(huán)形器和第三環(huán)形器；脈沖產(chǎn)生激光器、相位制備激光器、第三環(huán)形器組成光注入半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)的相位調(diào)制光源，相位調(diào)制光源產(chǎn)生的雙脈沖序列信號光從第三環(huán)形器的第三端口輸出到第二環(huán)形器的第一端口，然后從第二環(huán)形器的第二端口輸入到第三分束器的第一端口；第二環(huán)形器用于貝爾態(tài)測量，由第一用戶端和第二用戶端反射的信號經(jīng)過公共測量端內(nèi)部的第三分束器干涉后，當(dāng)干涉信號從第三分束器的第一端口輸出時(shí)，經(jīng)過第二環(huán)形器的第二端口到達(dá)第二單光子探測器。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果：

1)本實(shí)用新型系統(tǒng)在PP結(jié)構(gòu)的MDI-QKD系統(tǒng)中僅需要增加兩個(gè)路徑選擇模塊和一個(gè)量子通道，即可實(shí)現(xiàn)時(shí)間模式自動補(bǔ)償，該補(bǔ)償屬于被動補(bǔ)償，無需額外的激光器等有源器件；

2)本實(shí)用新型中第一用戶端(Alice)和第二用戶端(Bob)不需要相位調(diào)制器，減少器件的使用，降低電子學(xué)設(shè)計(jì)難度，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

附圖說明

圖1是現(xiàn)有技術(shù)中PP結(jié)構(gòu)的MDI-QKD系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是改進(jìn)后的本實(shí)用新型PP結(jié)構(gòu)MDI-QKD系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本實(shí)用新型中基于相位調(diào)制光源的PP結(jié)構(gòu)MDI-QKD系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本實(shí)用新型中第一用戶端(Alice)內(nèi)的第一路徑選擇模塊結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本實(shí)用新型中第二用戶端(Bob)內(nèi)的第二路徑選擇模塊結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是本實(shí)用新型中實(shí)施例二中第一環(huán)形器(Cir1)的替換方案結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式做一個(gè)詳細(xì)的說明。

實(shí)施例一：改進(jìn)現(xiàn)有PP結(jié)構(gòu)MDI-QKD系統(tǒng)的時(shí)間模式補(bǔ)償方法

如圖2所示，本實(shí)用新型提供一種PP結(jié)構(gòu)的測量設(shè)備無關(guān)量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的具體實(shí)施例，包括第一用戶端Alice、第二用戶端Bob，公共測量端Charlie，以及連接第一用戶端Alice和公共測量公共測量端Charlie第一量子密鑰分發(fā)通道Ch1，連接第二用戶端Bob和公共測量端Charlie第二量子密鑰分發(fā)通道Ch2；第一用戶端Alice內(nèi)設(shè)置有Alice編碼模塊，還設(shè)置有第一路徑選擇模塊1，第二用戶端Bob內(nèi)設(shè)置有Bob編碼模塊，還設(shè)置有第二路徑選擇模塊2，第一用戶端Alice內(nèi)的第一路徑選擇模塊1和第二路徑選擇模塊2通過第三量子密鑰分發(fā)通道Ch3相連。

第一用戶端Alice內(nèi)部的Alice編碼模塊具有實(shí)現(xiàn)反射光信號、量子態(tài)編碼功能，實(shí)現(xiàn)方式與現(xiàn)有的PP結(jié)構(gòu)的MDI-QKD系統(tǒng)中的第一用戶端Alice相同；

第二用戶端Bob內(nèi)部的Bob編碼模塊具有實(shí)現(xiàn)反射光信號、量子態(tài)編碼功能，實(shí)現(xiàn)方式與現(xiàn)有的PP結(jié)構(gòu)的MDI-QKD系統(tǒng)中的第二用戶端Bob相同；

公共測量端Charlie具有實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生雙脈沖序列信號光、貝爾態(tài)測量功能，實(shí)現(xiàn)方式與現(xiàn)有的PP結(jié)構(gòu)的MDI-QKD系統(tǒng)中的公共測量端Charlie相同；

其中：如圖4所示，第一路徑選擇模塊1內(nèi)設(shè)置有三個(gè)三端口環(huán)形器，分別是第一環(huán)形器ⅠCir11、第二環(huán)形器ⅠCir12、第三環(huán)形器ⅠCir13，都具有第一端口a、第二端口b、第三端口c，環(huán)形器的通光方向?yàn)榈谝欢丝赼→第二端口b，第二端口b→第三端口c。第一環(huán)形器ⅠCir11的第一端口a與第二環(huán)形器ⅠCir12的第三端口c相連，第一環(huán)形器ⅠCir11的第三端口c與第三環(huán)形器ⅠCir13的第一端口a相連，第二環(huán)形器ⅠCir12的第一端口a與第三環(huán)形器ⅠCir13的第三端口c相連，第一環(huán)形器ⅠCir11的第二端口b即是第一路徑選擇模塊1端口13，第二環(huán)形器ⅠCir12的第二端口b即是第一路徑選擇模塊1端口12，第三環(huán)形器ⅠCir13的第二端口b即是第一路徑選擇模塊1端口11。

當(dāng)光信號從第一路徑選擇模塊1的端口11輸入時(shí)，經(jīng)過第三環(huán)形器ⅠCir13的第二端口b由第三環(huán)形器ⅠCir13的第三端口c輸出到達(dá)第二環(huán)形器ⅠCir12的第一端口a，然后由第二環(huán)形器ⅠCir12的第二端口b輸出，即第一路徑選擇模塊1端口12輸出；

當(dāng)光信號從第一路徑選擇模塊1的端口12輸入時(shí)，經(jīng)過第二環(huán)形器ⅠCir12的第二端口b由第二環(huán)形器ⅠCir12的第三端口c輸出到達(dá)第一環(huán)形器ⅠCir11的第一端口a，然后由第一環(huán)形器ⅠCir11的第二端口b輸出，即第一路徑選擇模塊1端口13輸出；

當(dāng)光信號從第一路徑選擇模塊1的端口13輸入時(shí)，經(jīng)過第一環(huán)形器ⅠCir11的第二端口b由第一環(huán)形器ⅠCir11的第三端口c輸出到達(dá)第三環(huán)形器ⅠCir13的第一端口a，然后由第三環(huán)形器ⅠCir13的第二端口b輸出，即第一路徑選擇模塊1端口11輸出。

如圖5所示：第二路徑選擇模塊2內(nèi)設(shè)置有三個(gè)三端口環(huán)形器，分別是第一環(huán)形器ⅡCir21、第二環(huán)形器ⅡCir22、第三環(huán)形器ⅡCir23，都具有第一端口a、第二端口b、第三端口c，環(huán)形器的通光方向?yàn)榈谝欢丝赼→第二端口b，第二端口b→第三端口c。第一環(huán)形器ⅡCir21的第一端口a與第二環(huán)形器ⅡCir22的第三端口c相連，第一環(huán)形器ⅡCir21的第三端口c與第三環(huán)形器ⅡCir23的第一端口a相連，第二環(huán)形器ⅡCir22的第一端口a與第三環(huán)形器ⅡCir23的第三端口c相連，第一環(huán)形器ⅡCir21的第二端口b即是第二路徑選擇模塊2端口23，第二環(huán)形器ⅡCir22的第二端口b即是第二路徑選擇模塊2端口22，第三環(huán)形器ⅡCir23的第二端口b即是第二路徑選擇模塊2端口21。

當(dāng)光信號從第二路徑選擇模塊2的端口21輸入時(shí)，經(jīng)過第三環(huán)形器ⅡCir23的第二端口b由第三環(huán)形器ⅡCir23的第三端口c輸出到達(dá)第二環(huán)形器ⅡCir22的第一端口a，然后由第二環(huán)形器ⅡCir22的第二端口b輸出，即第二路徑選擇模塊1端口12輸出；

當(dāng)光信號從第二路徑選擇模塊2的端口22輸入時(shí)，經(jīng)過第二環(huán)形器ⅡCir22的第二端口b由第二環(huán)形器ⅡCir22的第三端口c輸出到達(dá)第一環(huán)形器ⅡCir21的第一端口a，然后由第一環(huán)形器ⅡCir21的第二端口b輸出，即第二路徑選擇模塊2端口23輸出；

當(dāng)光信號從第二路徑選擇模塊2的端口23輸入時(shí)，經(jīng)過第一環(huán)形器ⅡCir21的第二端口b由第一環(huán)形器ⅡCir21的第三端口c輸出到達(dá)第三環(huán)形器ⅡCir23的第一端口a，然后由第三環(huán)形器ⅡCir23的第二端口b輸出，即第二路徑選擇模塊2端口21輸出。

具體步驟如下：

1)一種PP結(jié)構(gòu)的測量設(shè)備無關(guān)量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)，公共測量端Charlie產(chǎn)生兩束雙脈沖序列信號光通過第一量子密鑰分發(fā)通道Ch1、第二量子密鑰分發(fā)通道Ch2分別發(fā)送給第一用戶端Alice、第二用戶端Bob；

2)在第一用戶端Alice，第一量子密鑰分發(fā)通道Ch1、第三量子密鑰分發(fā)通道Ch3都有雙脈沖序列信號光輸入。從第一量子密鑰分發(fā)通道Ch1輸入雙脈沖序列信號光來自公共測量端Charile，經(jīng)過第一量子密鑰分發(fā)通道Ch1首先輸入到第一路徑選擇模塊1的端口11，從第一路徑選擇模塊1的端口12輸出，經(jīng)過第三量子密鑰分發(fā)通道Ch3到達(dá)第二用戶端Bob；

從第三量子密鑰分發(fā)通道Ch3輸入的雙脈沖序列信號光來自公共測量端Charile，經(jīng)過第二量子密鑰分發(fā)通道Ch2、第三量子密鑰分發(fā)通道Ch3首先輸入到第一路徑選擇模塊1的端口12，從第一路徑選擇模塊1的端口13輸出到達(dá)Alice編碼模塊，雙脈沖序列信號光經(jīng)過Alice編碼模塊反射和編碼后再次到達(dá)第一路徑選擇模塊1的端口13，從第一路徑選擇模塊1的端口11輸出，經(jīng)過第一量子密鑰分發(fā)通道Ch1，到達(dá)公共測量端Charlie；可以得到，從第三量子密鑰分發(fā)通道Ch3輸入的雙脈沖序列信號光所走的路徑為Ch2-Ch3-第一用戶端Alice端反射-Ch1。

3)在第二用戶端Bob，第二量子密鑰分發(fā)通道Ch2、第三量子密鑰分發(fā)通道Ch3都有雙脈沖序列信號光輸入。從第二量子密鑰分發(fā)通道Ch2輸入雙脈沖序列信號光來自公共測量端Charile，經(jīng)過第二量子密鑰分發(fā)通道Ch2首先輸入到第二路徑選擇模塊2的端口21，從第二路徑選擇模塊2的端口22輸出，經(jīng)過第三量子密鑰分發(fā)通道Ch3到達(dá)第一用戶端Alice；

從第三量子密鑰分發(fā)通道Ch3輸入的雙脈沖序列信號光來自公共測量端Charile，經(jīng)過第一量子密鑰分發(fā)通道Ch1、第三量子密鑰分發(fā)通道Ch3首先輸入到第二路徑選擇模塊2的端口22，從第二路徑選擇模塊2的端口23輸出到達(dá)Bob編碼模塊，雙脈沖序列信號光經(jīng)過Bob編碼模塊反射和編碼后再次到達(dá)第二路徑選擇模塊2的端口23，從第二路徑選擇模塊2的端口21輸出，經(jīng)過第二量子密鑰分發(fā)通道Ch2，到達(dá)公共測量端Charlie?？梢缘玫?，從第三量子密鑰分發(fā)通道Ch3輸入的雙脈沖序列信號光所走的路徑為Ch1-Ch3-第二用戶端Bob端反射-Ch2。

4)公共測量端Charlie進(jìn)行貝爾態(tài)測量，并公布貝爾態(tài)測量結(jié)果，第一用戶端Alice和第二用戶端Bob根據(jù)測量結(jié)果，選擇了他們使用了同樣基的情況，同時(shí)第一用戶端Alice和第二用戶端Bob其中的一方需要進(jìn)行比特翻轉(zhuǎn)，得到原始量子密鑰。隨后通過安全碼率估算、誤碼協(xié)商和隱私放大獲得安全密鑰(即最終量子密鑰)。

兩束干涉的光所走的路徑僅在第一用戶端Alice端內(nèi)部反射、第二用戶端Bob端內(nèi)部反射存在路徑區(qū)別，而這部分路徑是精確可控的，因此克服了由于Ch1、Ch2距離不同導(dǎo)致時(shí)間難以同步的問題，而且不需要時(shí)間反饋裝置，簡化系統(tǒng)。

實(shí)施例二：基于相位調(diào)制光源的PP結(jié)構(gòu)MDI-QKD系統(tǒng)

如圖3～5所示，本發(fā)明提供一種PP結(jié)構(gòu)的測量設(shè)備無關(guān)量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的具體實(shí)施例，包括第一用戶端Alice、第二用戶端Bob，公共測量端Charlie，以及連接第一用戶端Alice和公共測量端Charlie第一量子密鑰分發(fā)通道Ch1，連接第二用戶端Bob和公共測量端Charlie第二量子密鑰分發(fā)通道Ch2，連接第一用戶端Alice和第二用戶端Bob第三量子密鑰分發(fā)通道Ch3。

公共測量端Charlie內(nèi)設(shè)置有用于輸出雙脈沖序列信號光的相位調(diào)制光源、以及用于測量經(jīng)第一用戶端Alice和第二用戶端Bob反射到公共測量端Charlie的光信號的貝爾態(tài)測量裝置。相位調(diào)制光源和貝爾態(tài)測量裝置共用第一環(huán)形器CIR1，第一環(huán)形器CIR1為四端口光環(huán)形器，四個(gè)端口分別為沿光路依次為第一端口a，第二端口b,第三端口c和第三端口d，第一環(huán)形器CIR1光的傳輸方向?yàn)榈谝欢丝赼→第二端口b、第二端口b→第三端口c、第三端口c→第四端口d。

此外，相位調(diào)制光源還包括脈沖產(chǎn)生激光器LD1，相位制備激光器LD2，分別與第一環(huán)形器CIR1第一端口a和第二端口b相連，可見，公共測量端Charlie內(nèi)的脈沖產(chǎn)生激光器LD1，相位制備激光器LD2、第一環(huán)形器CIR1三者組成光注入半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)的相位調(diào)制光源，產(chǎn)生相位一致的雙脈沖序列信號光從CIR1的第三端口c輸出，CIR1的第三端口c與第三分束模塊分別為第一端口e相連，第三分束模塊用于將雙脈沖序列信號光分成兩束分別發(fā)送給第一用戶端Alice和第二用戶端Bob。

第三分束模塊為2*2分束器，具有四個(gè)端口，分別為第一端口e，第二端口f,第三端口g和第四端口h。

貝爾態(tài)測量裝置包括第三分束模塊BS3、第一環(huán)形器CIR1、第一單光子探測器SPD1、第二單光子探測器SPD2。第三分束模塊可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)過第一用戶端Alice和第二用戶端Bob反射的回公共測量端Charlie的光信號的雙光子干涉，干涉結(jié)果由第一單光子探測器SPD1探測到或經(jīng)過第一環(huán)形器由第二單光子探測器SPD2探測到。

在本實(shí)用新型中，時(shí)間比特-相位編碼的MDIQKD方案的貝爾態(tài)后選擇可以是：貝爾態(tài)測量設(shè)備中的2個(gè)探測器分別對探測的時(shí)間位置進(jìn)行判斷，如果2個(gè)探測器都有響應(yīng)，且在同一個(gè)時(shí)間周期，且一個(gè)探測是在時(shí)間位置0，一個(gè)探測是在時(shí)間位置1(位置0和位置1的時(shí)間差對應(yīng)雙脈沖序列信號光的前后脈沖的時(shí)間間隔)，則認(rèn)為此時(shí)為一個(gè)合法的貝爾態(tài)。

第一用戶端Alice內(nèi)設(shè)置有第一路徑選擇模塊1、第一分束器BS1、第一可調(diào)光衰減器VOA1、第一探測器PD1、第一幅度調(diào)制器AM1、第一反射鏡FM1。

如圖4所示，第一路徑選擇模塊1內(nèi)設(shè)置有三個(gè)三端口環(huán)形器，分別是第一環(huán)形器ⅠCir11、第二環(huán)形器ⅠCir12、第三環(huán)形器ⅠCir13，都具有第一端口a、第二端口b、第三端口c，環(huán)形器的通光方向?yàn)榈谝欢丝赼→第二端口b，第二端口b→第三端口c。第一環(huán)形器ⅠCir11的第一端口a與第二環(huán)形器ⅠCir12的第三端口c相連，第一環(huán)形器ⅠCir11的第三端口c與第三環(huán)形器ⅠCir13的第一端口a相連，第二環(huán)形器ⅠCir12的第一端口a與第三環(huán)形器ⅠCir13的第三端口c相連，第一環(huán)形器ⅠCir11的第二端口b即是第一路徑選擇模塊1端口13，第二環(huán)形器ⅠCir12的第二端口b即是第一路徑選擇模塊1端口12，第三環(huán)形器ⅠCir13的第二端口b即是第一路徑選擇模塊1端口11。

當(dāng)光信號從第一路徑選擇模塊1的端口11輸入時(shí)，經(jīng)過第三環(huán)形器ⅠCir13的第二端口b由第三環(huán)形器ⅠCir13的第三端口c輸出到達(dá)第二環(huán)形器ⅠCir12的第一端口a，然后由第二環(huán)形器ⅠCir12的第二端口b輸出，即第一路徑選擇模塊1端口12輸出；

當(dāng)光信號從第一路徑選擇模塊1的端口12輸入時(shí)，經(jīng)過第二環(huán)形器ⅠCir12的第二端口b由第二環(huán)形器ⅠCir12的第三端口c輸出到達(dá)第一環(huán)形器ⅠCir11的第一端口a，然后由第一環(huán)形器ⅠCir11的第二端口b輸出，即第一路徑選擇模塊1端口13輸出；

當(dāng)光信號從第一路徑選擇模塊1的端口13輸入時(shí)，經(jīng)過第一環(huán)形器ⅠCir11的第二端口b由第一環(huán)形器ⅠCir11的第三端口c輸出到達(dá)第三環(huán)形器ⅠCir13的第一端口a，然后由第三環(huán)形器ⅠCir13的第二端口b輸出，即第一路徑選擇模塊1端口11輸出；

第二用戶端Bob內(nèi)設(shè)置有第二路徑選擇模塊2、第二分束器BS2、第二可調(diào)光衰減器VOA2、第二探測器PD2、第二幅度調(diào)制器AM2、第二反射鏡FM2。

第二路徑選擇模塊2如圖5所示：第二路徑選擇模塊2內(nèi)設(shè)置有三個(gè)三端口環(huán)形器，分別是第一環(huán)形器ⅡCir21、第二環(huán)形器ⅡCir22、第三環(huán)形器ⅡCir23，都具有第一端口a、第二端口b、第三端口c，環(huán)形器的通光方向?yàn)榈谝欢丝赼→第二端口b，第二端口b→第三端口c。第一環(huán)形器ⅡCir21的第一端口a與第二環(huán)形器ⅡCir22的第三端口c相連，第一環(huán)形器ⅡCir21的第三端口c與第三環(huán)形器ⅡCir23的第一端口a相連，第二環(huán)形器ⅡCir22的第一端口a與第三環(huán)形器ⅡCir23的第三端口c相連，第一環(huán)形器ⅡCir21的第二端口b即是第二路徑選擇模塊2端口23，第二環(huán)形器ⅡCir22的第二端口b即是第二路徑選擇模塊2端口22，第三環(huán)形器ⅡCir23的第二端口b即是第二路徑選擇模塊2端口21。

當(dāng)光信號從第二路徑選擇模塊2的端口21輸入時(shí)，經(jīng)過第三環(huán)形器ⅡCir23的第二端口b由第三環(huán)形器ⅡCir23的第三端口c輸出到達(dá)第二環(huán)形器ⅡCir22的第一端口a，然后由第二環(huán)形器ⅡCir22的第二端口b輸出，即第二路徑選擇模塊1端口12輸出；

當(dāng)光信號從第二路徑選擇模塊2的端口22輸入時(shí)，經(jīng)過第二環(huán)形器ⅡCir22的第二端口b由第二環(huán)形器ⅡCir22的第三端口c輸出到達(dá)第一環(huán)形器ⅡCir21的第一端口a，然后由第一環(huán)形器ⅡCir21的第二端口b輸出，即第二路徑選擇模塊2端口23輸出；

當(dāng)光信號從第二路徑選擇模塊2的端口23輸入時(shí)，經(jīng)過第一環(huán)形器ⅡCir21的第二端口b由第一環(huán)形器ⅡCir21的第三端口c輸出到達(dá)第三環(huán)形器ⅡCir23的第一端口a，然后由第三環(huán)形器ⅡCir23的第二端口b輸出，即第二路徑選擇模塊2端口21輸出。

第一幅度調(diào)制器AM1、第二幅度調(diào)制器AM2可以是電光調(diào)制器、聲光調(diào)制器、高速光開關(guān)；由于法拉第旋轉(zhuǎn)鏡具有偏振自補(bǔ)償功能，本實(shí)施例中兩個(gè)反射鏡分別為第一法拉第旋轉(zhuǎn)鏡FM1和第二法拉第旋轉(zhuǎn)鏡FM2。

本實(shí)施例量子密鑰分發(fā)基于三態(tài)協(xié)議，第一用戶端Alice和第二用戶端Bob隨機(jī)制備{|0_z>，|0_x>，|1_z>}三種量子態(tài)的一種，記為{|i_j>}，式中i表示邏輯比特0或1，j表示所選擇的基矢是X或Z。

本實(shí)施例的具體工作過程如下：

1)相位制備激光器LD2發(fā)送一系列相位調(diào)制脈沖光，經(jīng)過第一環(huán)形器CIR1第一端口a輸入，第二端口b輸出，注入到脈沖產(chǎn)生激光器LD1中。

2)脈沖產(chǎn)生激光器LD1在相位調(diào)制脈沖光注入的每個(gè)周期內(nèi)都產(chǎn)生一個(gè)雙脈沖序列信號光。

3)雙脈沖序列信號光從第一環(huán)形器CIR1第二端口b輸入，經(jīng)過第三端口c輸出，輸入到第三分束模塊分別為第一端口e，第三分束模塊用于將雙脈沖序列信號光分成兩束分別從第二端口b、第三端口c輸出，分別輸入到第一量子密鑰分發(fā)通道Ch1、第二量子密鑰分發(fā)通道Ch2中，發(fā)送給第一用戶端Alice、第二用戶端Bob。

4)在第一用戶端Alice，第一量子密鑰分發(fā)通道Ch1、第三量子密鑰分發(fā)通道Ch3都有雙脈沖序列信號光輸入。從第一量子密鑰分發(fā)通道Ch1輸入雙脈沖序列信號光首先輸入到第一路徑選擇模塊1的端口11，從第一路徑選擇模塊1的端口12輸出，經(jīng)過第三量子密鑰分發(fā)通道Ch3到達(dá)第二用戶端Bob。

從第三量子密鑰分發(fā)通道Ch3輸入的雙脈沖序列信號光首先輸入到第一路徑選擇模塊1的端口12，從第一路徑選擇模塊1的端口13輸出，到達(dá)第一分束器BS1，第一分束器輸出兩束光，其中一束雙脈沖序列信號光與第一光電探測器PD1相連，用于第一用戶端Alice內(nèi)第一幅度調(diào)制器AM1的觸發(fā)同步；另一束雙脈沖序列信號光輸入到第一可調(diào)光衰減器VOA1、第一幅度調(diào)制器AM1后到達(dá)第一法拉第反射鏡FM1(此時(shí)AM1不工作)，經(jīng)過第一法拉第反射鏡FM1反射后再次經(jīng)過第一幅度調(diào)制器AM1，此時(shí)AM1隨機(jī)選擇雙脈沖序列信號光前后兩個(gè)脈沖的通過情況，即隨機(jī)制備了{(lán)|0_z>，|0_x>，|1_z>}三種量子態(tài)的一種；經(jīng)過量子態(tài)制備的雙脈沖序列信號光再次經(jīng)過VOA1,VOA1將信號衰減到單光子級別后經(jīng)過BS1到達(dá)第一路徑選擇模塊1的端口13，從第一路徑選擇模塊1的端口11輸出到第一量子密鑰分發(fā)通道Ch1，到達(dá)公共測量端Charlie。

在第二用戶端Bob，第一量子密鑰分發(fā)通道Ch1、第三量子密鑰分發(fā)通道Ch3都有雙脈沖序列信號光輸入。從第二量子密鑰分發(fā)通道Ch2輸入雙脈沖序列信號光首先輸入到第二路徑選擇模塊2的端口21的端口21，從第二路徑選擇模塊2的端口22輸出，經(jīng)過第三量子密鑰分發(fā)通道Ch3到達(dá)第一用戶端Alice。

從第三量子密鑰分發(fā)通道Ch3輸入的雙脈沖序列信號光首先輸入到第二路徑選擇模塊2的端口22，從第二路徑選擇模塊2的端口23輸出，到達(dá)第二分束器BS2，第二分束器輸出兩束光，其中一束雙脈沖序列信號光與第二光電探測器PD2相連，用于第二用戶端Bob內(nèi)第二幅度調(diào)制器AM2的觸發(fā)同步；另一束雙脈沖序列信號光輸入到第二可調(diào)光衰減器VOA2、第二幅度調(diào)制器AM2后到達(dá)第二法拉第反射鏡FM2(此時(shí)AM2不工作)，經(jīng)過第二法拉第反射鏡FM2反射后再次經(jīng)過第二幅度調(diào)制器AM2，此時(shí)AM2隨機(jī)選擇雙脈沖序列信號光前后兩個(gè)脈沖的通過情況，即隨機(jī)制備了{(lán)|0_z>，|0_x>，|1_z>}三種量子態(tài)的一種；經(jīng)過量子態(tài)制備的雙脈沖序列信號光再次經(jīng)過VOA2,VOA2將信號衰減到單光子級別后經(jīng)過BS2到達(dá)第二路徑選擇模塊2的端口23，從第二路徑選擇模塊2的端口21輸出到第一量子通信Ch2，到達(dá)公共測量端Charlie。

5)公共測量端Charlie進(jìn)行貝爾態(tài)測量。來自第一量子密鑰分發(fā)通道Ch1和第二量子密鑰分發(fā)通道Ch2的經(jīng)過量子態(tài)制備的雙脈沖序列信號光同時(shí)到達(dá)第三分束模塊BS3，進(jìn)行雙光子干涉，干涉的結(jié)果輸入第一單光子探測器SPD1或經(jīng)過第一環(huán)形器輸入到第二單光子探測器SPD2，如果第一單光子探測器SPD1、第二單光子探測器SPD2兩個(gè)探測器都有響應(yīng)，且在同一個(gè)時(shí)間周期，且一個(gè)探測是在時(shí)間位置0，一個(gè)探測是在時(shí)間位置1(位置0和位置1的時(shí)間差對應(yīng)雙脈沖序列信號光的前后脈沖的時(shí)間間隔)，則認(rèn)為此時(shí)為一個(gè)合法的貝爾態(tài)。

6)公共測量端Charlie公布貝爾態(tài)測量結(jié)果，第一用戶端Alice和第二用戶端Bob根據(jù)測量結(jié)果，選擇了他們使用了同樣基的情況，同時(shí)第一用戶端Alice和第二用戶端Bob其中的一方需要進(jìn)行比特翻轉(zhuǎn)，得到原始量子密鑰。

7)第一用戶端Alice和第二用戶端Bob其中的一方需要統(tǒng)計(jì)實(shí)際成碼率并按三態(tài)協(xié)議進(jìn)行最小安全碼率估算，當(dāng)實(shí)際成碼率高于最小安全碼率時(shí)，認(rèn)為原始量子密鑰是安全的，并保留，否則丟棄。

8)對保留下的原始量子密鑰(即經(jīng)過步驟6)經(jīng)過誤碼協(xié)商和隱私放大獲得安全密鑰(即最終量子密鑰)。

本實(shí)施例在第一用戶端Alice和第二用戶端Bob內(nèi)設(shè)置第一路徑選擇模塊1、第二路徑選擇模塊2，經(jīng)過量子密鑰分發(fā)通道Ch1的雙脈沖序列信號光首先到達(dá)第一用戶端Alice內(nèi)部的第二路徑選擇模塊1，然后經(jīng)過量子密鑰分發(fā)通道Ch3到達(dá)第二用戶端Bob，在第二用戶端Bob端反射后經(jīng)過量子密鑰分發(fā)通道CH2，返回到Charile，所走的路徑為Ch1-Ch3-第二用戶端Bob內(nèi)部反射-Ch2；經(jīng)過量子密鑰分發(fā)通道Ch2的雙脈沖序列信號光首先到達(dá)第二用戶端Bob的第二路徑選擇模塊2，然后經(jīng)過量子密鑰分發(fā)通道Ch3到達(dá)第一用戶端Alice，在第一用戶端Alice端反射后經(jīng)過量子密鑰分發(fā)通道CH1，返回到Charile，所走的路徑為Ch2-Ch3-第一用戶端Alice內(nèi)部反射-Ch1。

因此，兩束干涉的光所走的路徑僅在第一用戶端Alice端反射、第二用戶端Bob端反射存在路徑區(qū)別，而這部分路徑是精確可控的，因此克服了由于Ch1、Ch2距離不同導(dǎo)致時(shí)間難以同步的問題，而且不需要時(shí)間反饋裝置，簡化系統(tǒng)。

Charile采用光注入半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)的相位調(diào)制光源，所產(chǎn)生的雙脈沖序列信號光前后脈沖相位差一致，當(dāng)假設(shè)相位變化是緩變時(shí)，可以認(rèn)為到達(dá)第一用戶端Alice和第二用戶端Bob時(shí)雙脈沖序列信號光前后脈沖相位差仍然保持一致，此時(shí)第一用戶端Alice和第二用戶端Bob只要控制幅度調(diào)制器讓雙脈沖信號的前后脈沖都通過，即可認(rèn)為就是x基矢下的編碼，而無需使用相位調(diào)制器，也無需相位反饋裝置。

由于本實(shí)施例采用了一個(gè)激光器，因此雙光子干涉時(shí)不存在波長(頻率)鎖定問題，系統(tǒng)無需采用波長反饋裝置，同時(shí)由于PP結(jié)構(gòu)的測量設(shè)備無關(guān)量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的偏振自補(bǔ)償特性，系統(tǒng)也無需偏振反饋裝置。

如圖6所示，在實(shí)施例二中的第一四端口環(huán)形器Cir1可以用兩個(gè)三端口環(huán)形器代替，分別為第二環(huán)形器Cir2、第三環(huán)形器Cir3。

脈沖產(chǎn)生激光器LD1、相位制備激光器LD2、第三環(huán)形器Cir3組成光注入半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)的相位調(diào)制光源，相位調(diào)制光源產(chǎn)生的雙脈沖序列信號光從第三環(huán)形器Cir3的第三端口c輸出到第二環(huán)形器Cir2的第一端口a，然后從第二環(huán)形器Cir2的第二端口b輸入到第三分束器BS3的第一端口e。

第二環(huán)形器Cir2用于貝爾態(tài)測量，由Alice和Bob反射的信號經(jīng)過Charlie內(nèi)部的第三分束器BS3干涉后，當(dāng)干涉信號從BS3的第一端口e輸出時(shí)，可以經(jīng)過第二環(huán)形器Cir2的端口b到達(dá)第二單光子探測器SPD2。

需要強(qiáng)調(diào)的是：以上僅是本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例而已，并非對本實(shí)用新型作任何形式上的限制，凡是依據(jù)本實(shí)用新型的技術(shù)實(shí)質(zhì)對以上實(shí)施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本實(shí)用新型技術(shù)方案的范圍內(nèi)。