本實(shí)用新型涉及一種量子保密通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種子密碼通信結(jié)合竊聽的演示裝置。

背景技術(shù)：

光纖光纜在傳輸信號(hào)上的具有通信容量大、傳輸距離遠(yuǎn)、保密性好等優(yōu)點(diǎn)，已成為現(xiàn)代通信的主要方式之一。但其保密性是基于光纖傳輸?shù)墓獠ú荒芘艹龉饫w以外為前提的，隨著現(xiàn)代光纖竊聽技術(shù)的發(fā)展，從光纖線路上人為的分離出部分光已不再困難，特別是近年來(lái)出現(xiàn)的新型光纖彎曲輻射技術(shù)，只需要不到1％的泄漏光就能進(jìn)行竊聽，而且整個(gè)竊聽過(guò)程并不會(huì)切斷光纖造成通信業(yè)務(wù)的中斷，用戶難以檢測(cè)到這種竊聽的存在，因此基于光纖光纜的數(shù)據(jù)通信已經(jīng)越來(lái)越不安全。

為保障信息傳輸?shù)陌踩裕艽a學(xué)相應(yīng)而生，但經(jīng)典密碼學(xué)的安全性是基于計(jì)算復(fù)雜度，隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展以及量子計(jì)算機(jī)概念的提出，使快速分解質(zhì)因子算法成為可能，威脅了經(jīng)典密碼學(xué)基礎(chǔ)。而量子密碼學(xué)可以很好的解決上述的問(wèn)題，量子密碼的安全性是基于量子力學(xué)的基本原理：不可克隆定律和不確定性原理，只要量子力學(xué)的基本原理是正確的，量子密碼的安全性就能得以保證。量子密鑰分配是量子密碼的核心，可以實(shí)現(xiàn)分離的兩個(gè)用戶A1ice和Bob之間通過(guò)在量子信道中傳輸量子態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)安全密鑰的擴(kuò)展。

自從Bennett和Brassard在1984年提出了第一個(gè)量子密鑰分配協(xié)議以來(lái)，這個(gè)全新的領(lǐng)域得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，并在實(shí)際商用通訊系統(tǒng)中的到了應(yīng)用。相比于經(jīng)典通信中傳輸?shù)臄?shù)字“0”、“1”信息，量子保密通信中傳輸?shù)氖枪庾拥钠駪B(tài)、相位、角動(dòng)量等量子態(tài)信息，因此理解和掌握量子保密通信的概念、原理較難，為了使廣大的學(xué)生和用戶能了解量子密碼通信奧秘，需要有一套演示、教學(xué)用的量子密碼教學(xué)系統(tǒng)。

申請(qǐng)?zhí)枮?0111001554.x的中國(guó)專利申請(qǐng)公開了一種量子密碼教學(xué)系統(tǒng)，可以讓學(xué)生親自動(dòng)手通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)光路的調(diào)試，完成量子密鑰分發(fā)的過(guò)程，并通過(guò)加密傳輸一幅圖片直觀的理解密鑰分發(fā)與實(shí)際有錯(cuò)誤出現(xiàn)的分發(fā)過(guò)程，從而掌握量子密鑰分發(fā)的基本原理，但是該專利并不能演示光纖的竊聽與反竊聽過(guò)程。

申請(qǐng)?zhí)枮?01410067454.0的中國(guó)專利申請(qǐng)公開了一種基于量子密鑰通信的竊聽演示裝置和方法，但該技術(shù)中竊聽演示采用光開關(guān)切換和指示燈暗滅的方式來(lái)進(jìn)行，并不能形象展示量子秘密通信的特點(diǎn)。

現(xiàn)有技術(shù)中尚沒(méi)有能同時(shí)實(shí)現(xiàn)教學(xué)和經(jīng)典竊聽演示功能QKD系統(tǒng),或者只能通過(guò)指示燈的暗滅來(lái)展示，演示效果不好。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型提供一種教學(xué)演示裝置，在不破壞光纖的前提下將部分光信號(hào)耦合到竊聽者的設(shè)備中，且以攝像頭的視頻數(shù)據(jù)作為竊聽過(guò)程的演示數(shù)據(jù)，應(yīng)用于教學(xué)演示，效果更加直觀形象。

一種量子密碼通信結(jié)合光纖竊聽的教學(xué)演示裝置，包括采集并以光信號(hào)的形式發(fā)送視頻信號(hào)的發(fā)送端，通過(guò)分光模塊分別接收所述視頻信號(hào)的接收端以及竊聽端；

所述發(fā)送端和接收端內(nèi)設(shè)有相應(yīng)的量子密鑰分發(fā)裝置用于分發(fā)密鑰以加密傳輸所述視頻信號(hào)，所述發(fā)送端、接收端以及竊聽端均設(shè)有顯示器用于顯示各自接收到的視頻信號(hào)。

本實(shí)用新型中發(fā)送端采集實(shí)時(shí)視頻信號(hào)向接收端發(fā)送，同時(shí)竊聽端通過(guò)分光模塊進(jìn)行竊聽，而發(fā)送端、接收端以及竊聽端三方均具有顯示設(shè)備，可通過(guò)演示各自接收到的視頻信號(hào)，直觀的展示竊聽效果。

可選的，所述發(fā)送端包括：

量子密鑰分發(fā)裝置Alice，用于生成與接收端相應(yīng)量子密鑰；

攝像頭，用于采集視頻信號(hào)；

第一主機(jī)，用于接收來(lái)自攝像頭的視頻信號(hào)；還用于通過(guò)來(lái)自量子密鑰分發(fā)裝置Alice端的量子密鑰對(duì)視頻信號(hào)加密；

第一顯示器，連接第一主機(jī)以顯示攝像頭采集的視頻信號(hào)；

光發(fā)送機(jī)，用于將第一主機(jī)發(fā)送至接收端的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)再經(jīng)光纖輸出。

本實(shí)用新型中利用攝像頭采集視頻信號(hào)，再通過(guò)顯示器可以直觀的演示，盡管通過(guò)音頻或其他形式信號(hào)也可以進(jìn)行演示，但發(fā)送端、接收端以及竊聽端三方的信號(hào)有可能會(huì)相互干擾，影響演示效果。

可選的，所述量子密鑰分發(fā)裝置Alice端包括：

Alice電子學(xué)模塊，受控于所述第一主機(jī)并向第一主機(jī)提供量子密鑰；

第一隨機(jī)數(shù)發(fā)生模塊，受控于Alice電子學(xué)模塊以生成第一隨機(jī)數(shù)；

第二隨機(jī)數(shù)發(fā)生模塊，受控于Alice電子學(xué)模塊以生成第二隨機(jī)數(shù)；

信號(hào)光源模塊，接收第一隨機(jī)數(shù)，并發(fā)射相應(yīng)的信號(hào)光；

光編碼模塊，接收第二隨機(jī)數(shù)，并對(duì)所述信號(hào)光進(jìn)行編碼輸出；

同步光源發(fā)射模塊，受控于所述Alice電子學(xué)模塊以發(fā)射同步光；

所述Alice電子學(xué)模塊、第一隨機(jī)數(shù)發(fā)生模塊、第二隨機(jī)數(shù)發(fā)生模塊、信號(hào)光源模塊、光編碼模塊、同步光源模塊各自獨(dú)立的封裝，且具有相應(yīng)的通信端口。

所述“信號(hào)光”是相對(duì)于“同步光”而言，所述“光信號(hào)”泛指在光纖中傳播的信號(hào)。

本實(shí)用新型中就量子密鑰分發(fā)裝置Alice端而言，其原理可采用現(xiàn)有技術(shù)，但為了更好的進(jìn)行教學(xué)演示，本實(shí)用新型將Alice端進(jìn)行器件整合封裝，以模塊化的形式使用，便于學(xué)生組裝操作。

此處的所述的通信端口應(yīng)理解為既可以包括電信號(hào)接口也可以包括光信號(hào)端口，可以依據(jù)具體模塊的工作需要而定。

可選的，所述接收端包括：

量子密鑰分發(fā)裝置Bob端，用于生成與發(fā)送端相應(yīng)的量子密鑰；

第一光接收機(jī)，將來(lái)自發(fā)送端的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字電信號(hào)；

第二主機(jī)，用于以數(shù)字電信號(hào)形式接收來(lái)第一光接收機(jī)的視頻信號(hào)，根據(jù)該視頻信號(hào)的加密與否相應(yīng)的采用通過(guò)來(lái)自量子密鑰分發(fā)裝置Bob端的量子密鑰對(duì)視頻信號(hào)解密；

第二顯示器，連接第二主機(jī)以顯示來(lái)自第二主機(jī)的視頻信號(hào)。

所述視頻信號(hào)在發(fā)送端既可以無(wú)需加密直接發(fā)送至接收端，也可以通過(guò)量子密鑰進(jìn)行加密，而后再發(fā)送至接收端，以進(jìn)行加密傳輸防竊聽效果演示，而在進(jìn)行加、解密時(shí)，則利用量子密鑰分發(fā)裝置Alice端和Bob端之間分發(fā)共享的量子密鑰。

可選的，所述量子密鑰分發(fā)裝置Bob端包括：

Bob電子學(xué)模塊，受控于所述第二主機(jī)并向第二主機(jī)提供量子密鑰；

第三隨機(jī)數(shù)發(fā)生模塊，受控于Bob電子學(xué)模塊以生成第三隨機(jī)數(shù)；

光解碼模塊，接收第三隨機(jī)數(shù)對(duì)接收到的編碼信號(hào)光進(jìn)行解碼輸出；

同步光源接收模塊，受控于所述Bob電子學(xué)模塊并接收所述同步光；

探測(cè)模塊，受控于所述Bob電子學(xué)模塊，根據(jù)來(lái)自同步光源接收模塊的同步光對(duì)來(lái)自光解碼模塊的信號(hào)光相應(yīng)探測(cè)，再發(fā)送至Bob電子學(xué)模塊以形成供第二主機(jī)調(diào)用的量子密鑰；

所述Bob電子學(xué)模塊、第三隨機(jī)數(shù)發(fā)生模塊、光解碼模塊、同步光源接收模塊、探測(cè)模塊各自獨(dú)立的封裝，且具有相應(yīng)的通信端口。

本實(shí)用新型中就量子密鑰分發(fā)裝置Bob端而言，其原理可采用現(xiàn)有技術(shù)，但為了更好的進(jìn)行教學(xué)演示，本實(shí)用新型將Bob端進(jìn)行器件整合封裝，以模塊化的形式使用，便于學(xué)生組裝操作。此處的所述的通信端口應(yīng)理解為既可以包括電信號(hào)接口也可以包括光信號(hào)端口，可以依據(jù)具體模塊的工作需要而定。

為了簡(jiǎn)化光路，提高傳輸效率，作為優(yōu)選，所述量子密鑰分發(fā)裝置Alice端還包括第一波分復(fù)用器，所述信號(hào)光和同步光通過(guò)該第一波分復(fù)用器復(fù)用；

所述發(fā)送端還包括第二波分復(fù)用器，所述光發(fā)送機(jī)的輸出光信號(hào)與第一波分復(fù)用器的輸出的光信號(hào)通過(guò)該第二波分復(fù)用器復(fù)用；

所述接收端還包括第三波分復(fù)用器，用于接收第二波分復(fù)用器的輸入并進(jìn)行解復(fù)用，分別得到：

第一路信號(hào)，即所述光發(fā)送機(jī)輸出的光信號(hào)；以及

第二路信號(hào)，即第一波分復(fù)用器復(fù)用所輸出的光信號(hào)；

所述量子密鑰分發(fā)裝置Bob端還包括第四波分復(fù)用器復(fù)用，接收第三波分復(fù)用器所輸出的第二路信號(hào)進(jìn)行解復(fù)用，分別得到信號(hào)光(編碼后的信號(hào)光)和同步光。

所述的發(fā)送端內(nèi)第一主機(jī)與接收端內(nèi)第二主機(jī)之間還設(shè)置有經(jīng)典通信連接。用于實(shí)現(xiàn)發(fā)送端和接收端產(chǎn)生量子密鑰后處理過(guò)程中的數(shù)據(jù)傳輸。

可選的，所述竊聽端包括：

竊聽設(shè)備，將來(lái)自發(fā)送端的光信號(hào)進(jìn)行放大再轉(zhuǎn)換成數(shù)字電信號(hào)；

第三主機(jī)，用于以數(shù)字電信號(hào)的形式接收來(lái)竊聽設(shè)備的視頻信號(hào)；

第三顯示器，連接第三主機(jī)以顯示來(lái)自第三主機(jī)的視頻信號(hào)。

可選的，所述竊聽設(shè)備包括對(duì)來(lái)自發(fā)送端的光信號(hào)進(jìn)行放大的光放大器，以及將光放大器輸出的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的第二光接收機(jī)。

所述分光模塊主要是在發(fā)送端和接收端進(jìn)行通信的同時(shí)，還構(gòu)建一支路用以竊聽，本實(shí)用新型中利用波分復(fù)用方式簡(jiǎn)化了光纖的設(shè)置，在不考慮波分復(fù)用方式的前提下，所述分光模塊設(shè)置在光發(fā)送機(jī)和第一光接收機(jī)之間用以傳輸視頻信號(hào)的光通信鏈路上，而發(fā)送端和接收端在分發(fā)量子密鑰時(shí)并不一定需要經(jīng)過(guò)分光模塊。

所述分光模塊具有與所述光發(fā)送機(jī)相連的輸入端以及分別與第一光接收機(jī)和竊聽端相連的兩個(gè)輸出端，其中與竊聽端相連輸出端通過(guò)手動(dòng)控制、發(fā)送端控制信號(hào)、或接收端控制信號(hào)進(jìn)行通斷切換。

演示時(shí)可以根據(jù)需要進(jìn)行非竊聽狀態(tài)演示或竊聽狀態(tài)演示，即通過(guò)控制分光模塊與竊聽端的通斷來(lái)實(shí)現(xiàn)。

可選的所述分光模塊為光纖夾持耦合器，所述竊聽端通過(guò)該光纖夾持耦合器連接至發(fā)送端與接收端之間的光纖上。

可選的，所述分光模塊包括光纖耦合器和光開關(guān)；

其中光纖耦合器設(shè)有：

一光纖輸入端口，通過(guò)發(fā)送光路連接發(fā)送端，

兩光纖輸出端口，分別通過(guò)接收光路連接接收端，以及通過(guò)竊聽光路連接竊聽端；所述光開關(guān)安裝在竊聽光路上且受控于發(fā)送端或接收端。

作為優(yōu)選，所述光纖耦合器中，連接至接收端與連接至竊聽端的兩個(gè)光纖輸出端口的分光比為99：1。

作為優(yōu)選，所述分光模塊包括第一光開關(guān)、第二光開關(guān)、光纖耦合器；其中：

第一光開關(guān)具有1個(gè)光纖輸入端口、2個(gè)光纖輸出端口，1個(gè)控制電信號(hào)接口；

第二光開關(guān)具有2個(gè)光纖輸入端口、1個(gè)光纖輸出端口，1個(gè)控制電信號(hào)接口；

光纖耦合器具有1個(gè)光纖輸入端口、2個(gè)光纖輸出端口；

第一光開關(guān)的光纖輸入端口與發(fā)送端相連，第一光開關(guān)的一個(gè)光纖輸出端口與第二光開關(guān)的一個(gè)光纖輸入端口相連，第一光開關(guān)的另一個(gè)光纖輸出端口與光纖耦合器的光纖輸入端口相連；

光纖耦合器的一個(gè)光纖輸出端口與第二光開關(guān)的另一個(gè)光纖輸入端口相連，光纖耦合器的另一個(gè)光纖輸出端口與竊聽端相連；

第二光開關(guān)的輸出端口與接收端相連；

第一光開關(guān)的控制電信號(hào)端口、第二光開關(guān)的控制電信號(hào)端口各自獨(dú)立的連接發(fā)送端或接收端。

作為優(yōu)選，所述光纖耦合器中，連接至第二光開關(guān)與連接至竊聽端的兩個(gè)光纖輸出端口的分光比為99：1。

本實(shí)用新型有益效果：

1)在光纖線路上嵌入光纖彎曲耦合器，在不破壞光纖的前提下將部分光信號(hào)耦合到竊聽者的設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)竊聽；

2)以攝像頭的視頻數(shù)據(jù)作為竊聽過(guò)程的演示數(shù)據(jù)，可以在屏幕或顯示器上非常直觀的體檢竊聽以及防竊聽的過(guò)程；可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)典竊聽演示和利用QKD抵御竊聽演示功能；

3)光學(xué)器件和電路都已模塊化，學(xué)生可以手動(dòng)搭建QKD光路，觀察發(fā)送、接收的原始數(shù)據(jù)，教學(xué)效果好。

附圖說(shuō)明

圖1為本實(shí)用新型教學(xué)演示裝置的示意圖；

圖2為本實(shí)用新型教學(xué)演示裝置中分光模塊的示意圖；

圖3為本實(shí)用新型教學(xué)演示裝置中Alice的示意圖；

圖4為本實(shí)用新型教學(xué)演示裝置中Bob的示意圖；

圖5為本實(shí)用新型教學(xué)演示裝置中竊聽設(shè)備的示意圖；

圖6為本實(shí)用新型教學(xué)演示裝置中分光模塊另一種實(shí)施方式的示意圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

如圖1所示，本實(shí)施例一種量子密碼通信結(jié)合光纖竊聽的教學(xué)演示裝置，包括采集并通過(guò)光纖發(fā)送視頻信號(hào)的發(fā)送端，通過(guò)分光模塊分別接收視頻信號(hào)的接收端以及竊聽端；發(fā)送端和接收端內(nèi)設(shè)有相應(yīng)的量子密鑰分發(fā)裝置用于分發(fā)密鑰以加密傳輸視頻信號(hào)，發(fā)送端、接收端以及竊聽端均設(shè)有顯示器用于顯示各自接收到的視頻信號(hào)。發(fā)送端、接收端、分光模塊以及竊聽端之間以光纖相連接。

發(fā)送端包括：

Alice，用于與接收端的Bob生成量子密鑰；

攝像頭，用于采集視頻信號(hào)；

第一主機(jī)(PC1)，用于接收來(lái)自攝像頭的視頻信號(hào)；還用于通過(guò)來(lái)自Alice的量子密鑰對(duì)視頻信號(hào)加密；

顯示器1，連接PC1以顯示攝像頭采集的視頻信號(hào)；

光發(fā)送機(jī)，用于將PC1發(fā)送至接收端的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)再經(jīng)光纖輸出；

第二波分復(fù)用器(WDM2)，用于將光發(fā)送機(jī)的輸出光信號(hào)與Alice輸出的光信號(hào)進(jìn)行波分復(fù)用。

在發(fā)送端，攝像頭將采集的視頻信號(hào)發(fā)送至PC1形成相應(yīng)的電信號(hào)后，分別輸入至顯示器1和光發(fā)送機(jī)中，顯示器1顯示該視頻信號(hào)，電信號(hào)到達(dá)光發(fā)送機(jī)之前，其為不加密的明文形式的電信號(hào)，或?yàn)橐訟lice生成的存儲(chǔ)于PC1中的量子密鑰加密后的密文形式的電信號(hào)，經(jīng)光發(fā)送機(jī)將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)后輸入至WDM2中，經(jīng)波分復(fù)用后經(jīng)光纖輸出。

本實(shí)施例中，如圖3所示，Alice包括：

Alice電子學(xué)模塊，受控于所述PC1并向PC1提供量子密鑰；

第一隨機(jī)數(shù)發(fā)生模塊(RN1)，受控于Alice電子學(xué)模塊以生成第一隨機(jī)數(shù)；

第二隨機(jī)數(shù)發(fā)生模塊(RN2)，受控于Alice電子學(xué)模塊以生成第二隨機(jī)數(shù)；

信號(hào)光源模塊，接收第一隨機(jī)數(shù)，并發(fā)射相應(yīng)的信號(hào)光；

光編碼模塊，接收第二隨機(jī)數(shù)，并對(duì)信號(hào)光進(jìn)行編碼輸出；包括衰減器(ATT)、第一光纖耦合器(BS1)、第二光纖耦合器(BS2)、第一光纖延時(shí)線(Delay1)和第一相位調(diào)制器(PM1)；

同步光源發(fā)射模塊，受控于Alice電子學(xué)模塊以發(fā)射同步光；

第一波分復(fù)用器(WDM1)，用于將信號(hào)光和同步光進(jìn)行波分復(fù)用。

Alice用于發(fā)送光量子態(tài)信息，按不同的編碼方式分偏振、相位、軌道角動(dòng)量等多種方式，本實(shí)施例中以相位編碼方式為例。

發(fā)送端中PC1控制著Alice的運(yùn)行，當(dāng)Alice工作時(shí)，受控于Alice電子學(xué)模塊的第一隨機(jī)數(shù)發(fā)生模塊生成第一隨機(jī)數(shù)，第一隨機(jī)數(shù)發(fā)生模塊將隨機(jī)數(shù)輸入至信號(hào)光源模塊，信號(hào)光接收第一隨機(jī)數(shù)并發(fā)射出信號(hào)光，受控于Alice電子學(xué)模塊的同步光源發(fā)射模塊發(fā)射出同步光，將信號(hào)光輸入至光編碼模塊中，受控于Alice電子學(xué)模塊的第二隨機(jī)數(shù)發(fā)生模塊生成第二隨機(jī)數(shù)并將第二隨機(jī)數(shù)輸入至光編碼模塊中，光編碼模塊接收第二隨機(jī)數(shù)并對(duì)信號(hào)光進(jìn)行相位編碼后輸出，在WDM1中對(duì)相位編碼后的信號(hào)光和同步光經(jīng)波分復(fù)用作用后，經(jīng)光纖輸出。

在本實(shí)施例中，為避免信號(hào)間的干擾，信號(hào)光、同步光的波長(zhǎng)不同。

作為一種實(shí)施方式，同步光源發(fā)射模塊發(fā)射出波長(zhǎng)為1530nm的同步光，光源發(fā)射模塊發(fā)射出波長(zhǎng)為1550nm的信號(hào)光。

在本實(shí)施例中，如圖2所示，分光模塊包括第一光開關(guān)、第二光開關(guān)和第五光纖耦合器，其中：

第一光開關(guān)具有光纖輸入端口1、光纖輸出端口2和光纖輸出端口3，控制電信號(hào)接口4；

第二光開關(guān)具有光纖輸入端口8和光纖輸入端口9、光纖輸出端口10，控制電信號(hào)接口11；

第五光纖耦合器具有光纖輸入端口5、光纖輸出端口6和光纖輸出端口7；

第一光開關(guān)的光纖輸入端口1與發(fā)送端相連，第一光開關(guān)的光纖輸出端口3與第二光開關(guān)的光纖輸入端口8相連，第一光開關(guān)的光纖輸出端口2與第五光纖耦合器的光纖輸入端口5相連；

第五光纖耦合器的光纖輸出端口6與第二光開關(guān)的光纖輸入端口9相連，第五光纖耦合器的光纖輸出端口7與竊聽端相連；

第二光開關(guān)的光纖輸出端口10與接收端相連；

在本實(shí)施例中，發(fā)送端的PC1分別與第一光開關(guān)的控制信號(hào)端口4和第二光開關(guān)的控制信號(hào)端口11相連。

發(fā)送端的PC1控制著第一光開關(guān)和第二光開關(guān)，當(dāng)?shù)谝还忾_關(guān)開通光纖輸出端口3，第二光開關(guān)開通光纖輸入端口8時(shí)，發(fā)送端輸出的光信號(hào)經(jīng)由第一光開關(guān)的光纖輸入端口1輸入并經(jīng)由光纖輸出端口3輸出至第二光開關(guān)的光纖輸入端口8中，由第二關(guān)開關(guān)的光纖輸出端口10輸出至接收端中，即為正常模式?？梢赃M(jìn)行非竊聽狀態(tài)的演示。

當(dāng)?shù)谝还忾_關(guān)開通光纖輸出端口2，第二光開關(guān)開通光纖輸入端口9時(shí)，發(fā)送端輸出的光信號(hào)經(jīng)由第一光開關(guān)的光纖輸入端口1輸入并經(jīng)由光纖輸出端口2輸出至第五光纖耦合器的光纖輸入端口5中，經(jīng)第五光纖耦合器對(duì)光信號(hào)分束后，以第五光纖耦合器的光纖輸出端口6輸入至第二光開關(guān)的光纖輸入端口9中，由第二關(guān)開關(guān)的光纖輸出端口10輸出至接收端中；以第五光纖耦合器的光纖輸出端口7輸入至竊聽端中，即為竊聽模式。可以進(jìn)行竊聽狀態(tài)的演示。

本實(shí)施例中，第五光纖耦合器的分束比為1：99，其中1％的光信號(hào)經(jīng)由第五光纖耦合器的光纖輸出端口7輸入至竊聽端中；99％的光信號(hào)經(jīng)由第五光纖耦合器的光纖輸出端口6輸入至第二光開關(guān)的光纖輸入端口9后，輸入至接收端中。

參見(jiàn)圖1，本實(shí)施例接收端包括量子密鑰分發(fā)裝置(Bob)，用于與發(fā)送端的Alice生成量子密鑰；

第一光接收機(jī)，將來(lái)自發(fā)送端的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字電信號(hào)；

第二主機(jī)(PC2)，用于以數(shù)字電信號(hào)的形式接收來(lái)第一光接收機(jī)的視頻信號(hào)，根據(jù)該視頻信號(hào)的加密與否相應(yīng)的采用通過(guò)來(lái)自量子密鑰分發(fā)裝置Bob端的量子密鑰對(duì)視頻信號(hào)解密；

顯示器2，連接PC2以顯示來(lái)自PC2的視頻信號(hào)；

第三波分復(fù)用器(WDM3)，用于接收WDM2的輸入光信號(hào)并進(jìn)行解復(fù)用，分別輸入至接收端的第一光接收機(jī)和Bob中。

在接收端，將經(jīng)分光模塊后光信號(hào)輸入至WDM3中，經(jīng)解復(fù)用之后的光信號(hào)分別輸入至Bob和第一光接收機(jī)中，第一光接收機(jī)將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后輸入至接收端的PC2中，接收端的PC2對(duì)其進(jìn)行處理后發(fā)送至接收端的顯示器2中，接收端的顯示器2將顯示接收到的視頻信號(hào)。

如圖4所示，本實(shí)施例中，Bob包括Bob電子學(xué)模塊，受控于PC2并向PC2提供量子密鑰；

第三隨機(jī)數(shù)發(fā)生模塊(RN3)，受控于Bob電子學(xué)模塊以生成第三隨機(jī)數(shù)；

光解碼模塊，接收第三隨機(jī)數(shù)對(duì)接收到的編碼信號(hào)光進(jìn)行解碼輸出；包括第三光纖耦合器(BS3)、第四光纖耦合器(BS4)、第二相位調(diào)制器(PM2)和第二光纖延時(shí)線(Delay2)；

同步光源接收模塊，受控于Bob電子學(xué)模塊并接收所述同步光；

探測(cè)模塊，受控于Bob電子學(xué)模塊，根據(jù)來(lái)自同步光源接收模塊的同步光對(duì)來(lái)自光解碼模塊的信號(hào)光相應(yīng)探測(cè)，再發(fā)送至Bob電子學(xué)模塊以形成供PC2調(diào)用的量子密鑰；包括第一單光子探測(cè)器(D1)和第二單光子探測(cè)器(D2)。

第四波分復(fù)用器(WDM4)，用于將輸入Bob的光信號(hào)進(jìn)行解復(fù)用之后得到信號(hào)光和同步光。

接收端的Bob用于接收光量子態(tài)信息，按不同的編碼方式分偏振、相位、軌道角動(dòng)量等多種方式，本實(shí)施例中采用相應(yīng)的相位解碼的方式為例。

接收端中PC2控制著Bob的運(yùn)行，當(dāng)Bob工作時(shí)，WDM4將接收到的光信號(hào)分束成信號(hào)光和同步光，信號(hào)光輸入至光解碼模塊，同步光輸入至同步光接收模塊中。在接收端的Bob電子學(xué)模塊控制下，第三隨機(jī)數(shù)發(fā)生器生成第三隨機(jī)數(shù)并輸入至光解碼模塊中，光解碼模塊利用接收到的第三隨機(jī)數(shù)對(duì)接收到的信號(hào)光進(jìn)行解碼處理后輸入至探測(cè)模塊中，探測(cè)模塊對(duì)接收到的解碼后的光信號(hào)進(jìn)行探測(cè)，將探測(cè)后的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并輸入至Bob電子學(xué)模塊中，經(jīng)由Bob電子學(xué)模塊輸入至接收端的PC2中。

發(fā)送端的PC1與接收端的PC2之間利用認(rèn)證的經(jīng)典通信進(jìn)行基矢對(duì)比、糾錯(cuò)和隱私放大等數(shù)據(jù)處理操作后，最終得到安全的量子密鑰，并將量子密鑰分別存儲(chǔ)于發(fā)送端的PC1中和接收端的PC2中以供調(diào)用。

竊聽端包括顯示器3、第三主機(jī)(PC3)和竊聽設(shè)備。

在竊聽端，經(jīng)分光模塊后的光信號(hào)輸入至竊聽設(shè)備中，竊聽設(shè)備將光信號(hào)放大并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并輸入至竊聽端的PC3中，竊聽端的PC3對(duì)接收到的電信號(hào)輸入至竊聽端的顯示器3中，竊聽端的顯示器3將顯示接收到的視頻信號(hào)。

本實(shí)施例中，如圖5所示，竊聽設(shè)備包括用于放大處理接收到的微弱光信號(hào)的光放大器；用于將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)的第二光接收機(jī)。

本實(shí)施例中的教學(xué)演示裝置，當(dāng)光路在正常模式時(shí)，發(fā)送端將明文形式的信息數(shù)據(jù)經(jīng)由通信光纖輸入至分光模塊中，分光模塊將光信號(hào)分別輸入至接收端中，接收端接收信息數(shù)據(jù)，并由顯示器2顯示接收到的信息數(shù)據(jù)。此時(shí)發(fā)送端和接收端的顯示器上顯示的信息數(shù)據(jù)完全相同。

當(dāng)光路在竊聽模式時(shí)，發(fā)送端將明文形式的信息數(shù)據(jù)經(jīng)由通信光纖輸入至分光模塊中，分光模塊將光信號(hào)分別輸入至接收端和竊聽端中，接收端接收信息數(shù)據(jù)，并由顯示器2顯示接收到的信息數(shù)據(jù)，竊聽端接收信息數(shù)據(jù)，并由顯示器3顯示接收到的信息數(shù)據(jù)。此時(shí)發(fā)送端、接收端以及竊聽端的顯示器上顯示的信息數(shù)據(jù)完全相同。

當(dāng)光路在竊聽模式時(shí)，發(fā)送端用Alice生成的量子密鑰對(duì)將要發(fā)送的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，將加密后的信息數(shù)據(jù)經(jīng)由通信光纖輸入至分光模塊中，分光模塊將光信號(hào)分別輸入至接收端和竊聽端中，接收端接收信息數(shù)據(jù)，經(jīng)由Bob生成的量子密鑰對(duì)其進(jìn)行解密后，并由顯示器2顯示接收到的信息數(shù)據(jù)，竊聽端接收信息數(shù)據(jù)，并由顯示器3顯示接收到的信息數(shù)據(jù)。此時(shí)發(fā)送端、接收端的顯示器上顯示的信息數(shù)據(jù)完全相同，而竊聽端的顯示器上顯示的信息數(shù)據(jù)與發(fā)送端發(fā)送的信息數(shù)據(jù)完全不同。例如顯示為亂碼或不顯示畫面。

本實(shí)施例中發(fā)送端的Alice和接收端的Bob內(nèi)部結(jié)構(gòu)都已模塊化，學(xué)生可親自動(dòng)手搭建、調(diào)試Alice和Bob，加深對(duì)各種電子學(xué)模塊、光學(xué)器件的了解。

當(dāng)在通信光纖中加入竊聽模塊，且以明文形式發(fā)送信息數(shù)據(jù)時(shí)，在竊聽模塊的PC3中得到與接收端的PC2完全相同的信息數(shù)據(jù)(語(yǔ)音、圖像或視頻)，演示經(jīng)典信道的竊聽現(xiàn)象。

當(dāng)演示量子通信預(yù)防竊聽功能時(shí)，通過(guò)啟動(dòng)發(fā)送端的量子發(fā)送實(shí)驗(yàn)機(jī)和接收端的量子接收實(shí)驗(yàn)機(jī)以實(shí)現(xiàn)在發(fā)送端和接收端之間共享量子密鑰。通過(guò)對(duì)信息數(shù)據(jù)加密傳輸后，竊聽模塊的顯示器3上顯示不出相應(yīng)的信息數(shù)據(jù)，使學(xué)生對(duì)量子通信有非常的直觀的了解。

發(fā)送端的PC1、接收端的PC2中不僅存儲(chǔ)有原始量子密鑰，也基于發(fā)送端的Alice和接收端的Bob進(jìn)行量子密鑰分發(fā)過(guò)程。學(xué)生通過(guò)對(duì)原始量子密鑰進(jìn)行基矢比對(duì)、糾錯(cuò)、隱私放大等運(yùn)算，了解量子密鑰分發(fā)后的處理過(guò)程，從而了解從器件到系統(tǒng)再到實(shí)用化產(chǎn)品完整的量子通信流程。

實(shí)施例2

本實(shí)施例提供另一種分光模塊的實(shí)施方式，如圖6所示，分光模塊包括用于分離出光纖內(nèi)光信號(hào)的在線式光纖夾持耦合器。

分光模塊的在線式光纖夾持耦合器使光路在正常模式和竊聽模式切換。當(dāng)不將裸光纖放入在線式光纖夾持耦合器時(shí)，為正常模式；

當(dāng)將裸光纖放入在線式光纖夾持器時(shí)，為竊聽模式。

裸光纖放入在線式光纖夾持器后，裸光纖在在線式光纖夾持耦合器內(nèi)彎曲，裸光纖中的部分光信號(hào)不滿足全反射條件而泄漏，在線式光纖夾持耦合器將裸光纖泄漏光耦合至光纖中，輸入至竊聽模塊中，實(shí)現(xiàn)在沒(méi)有中斷通信光纖線路的條件下的光信號(hào)分離。