一種高效穩(wěn)定的差分相位與偏振編碼復(fù)合量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種高效穩(wěn)定的差分相位與偏振編碼復(fù)合量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)，它包括依次設(shè)置在發(fā)送端的光源、編碼單元、差分脈沖生成模塊和衰減器，傳輸光纖以及設(shè)置在接收端的解碼單元和探測器；所述的編碼單元包括用于偏振編碼的動態(tài)偏振調(diào)制器和用于相位編碼的相位調(diào)制器，所述的解碼單元包括一個偏振解碼模塊和兩個相位解碼模塊。本實(shí)用新型方案同時采用偏振編碼和差分相位編碼，且理論上后者效率達(dá)100％，因此，系統(tǒng)效率可提升至3/2。同時改進(jìn)了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，改善了穩(wěn)定性，減小了誤碼率。相比現(xiàn)有方案，系統(tǒng)性能有了較大的提高。
【專利說明】
一種高效穩(wěn)定的差分相位與偏振編碼復(fù)合量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實(shí)用新型是一種復(fù)合的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)方案，該方案結(jié)合了差分相位編碼與 偏振態(tài)編碼，通過引入法拉第鏡結(jié)構(gòu)，并改進(jìn)傳統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)效率更高，穩(wěn)定性 更好。
【背景技術(shù)】
[0002] 基于量子力學(xué)規(guī)律一一海森堡不確定性原理、量子不可克隆定律和測量塌縮理論 的量子密鑰分發(fā)(Quantum key distribution,QKD)不同于基于計算復(fù)雜性的經(jīng)典密碼體 系，從物理原理上可提供無條件安全性，進(jìn)而結(jié)合一次一密密碼本加密協(xié)議實(shí)現(xiàn)安全通信。 自1984年Bennett等人提出BB84協(xié)議以來，QKD在理論和實(shí)驗(yàn)上不斷發(fā)展，已經(jīng)成為量子信 息最成熟的研究領(lǐng)域。
[0003] 在實(shí)際的光纖通信中數(shù)據(jù)是高速、大量的，然而實(shí)際QKD的密鑰生成率遠(yuǎn)低于通信 速率，密鑰速率與數(shù)據(jù)速率的不匹配使得QKD技術(shù)難以普及實(shí)用，為此實(shí)現(xiàn)量子密鑰分發(fā)的 高效、穩(wěn)定、安全的長距離傳輸是亟待研究的問題。
[0004] 典型的BB84協(xié)議效率為1/2,而其相位編碼的協(xié)議效率僅為1/4,此外由于光纖傳 輸損耗等因素的影響，系統(tǒng)的密鑰生成率進(jìn)一步降低。為提高QKD密鑰生成率，須考慮改善 協(xié)議效率。
[0005] 差分相位編碼(Differential phase shift,DPS)在效率上對相位編碼有所改進(jìn)。 另一方面，結(jié)合偏振與相位兩個維度編碼的復(fù)合系統(tǒng)使系統(tǒng)效率以各維度效率之和的方式 增加。華南師范大學(xué)王金東教授提出將差分相位方案與BB84偏振編碼方案相結(jié)合，使得系 統(tǒng)協(xié)議效率提高至7/6。然而，該方案并未考慮系統(tǒng)穩(wěn)定性問題，且接收端使用8個探測器， 可能引入更大的誤碼率，同時在效率方面還有提升空間。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0006] 本實(shí)用新型的目的是針對上述存在的問題，提出一種新的差分相位與偏振編碼復(fù) 合QKD方案，通過引入法拉第鏡結(jié)構(gòu)，并改進(jìn)現(xiàn)有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少探測器數(shù)目，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)效 率更高，穩(wěn)定性更好。
[0007] 本實(shí)用新型的技術(shù)方案是：
[0008] -種尚效穩(wěn)定的差分相位與偏振編碼復(fù)合量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)，它包括依次設(shè)置在 發(fā)送端的光源、編碼單元、差分脈沖生成模塊和衰減器，傳輸光纖以及設(shè)置在接收端的解碼 單元和探測器；
[0009] 所述的編碼單元包括用于偏振編碼的動態(tài)偏振調(diào)制器和用于相位編碼的相位調(diào) 制器，所述的動態(tài)偏振調(diào)制器作為編碼單元的信號輸入端與光源的信號輸出端相連，動態(tài) 偏振調(diào)制器信號輸出端與差分脈沖生成模塊的信號輸入端相連，用于相位編碼的相位調(diào)制 器的信號輸入端與差分脈沖生成模塊的信號輸出端相連，相位調(diào)制器的信號輸出端與衰減 器的信號輸入端相連，所述編碼單元先進(jìn)行偏振編碼，再進(jìn)行差分相位編碼；
[0010] 所述差分脈沖生成模塊串接在動態(tài)偏振調(diào)制器的信號輸出端和相位調(diào)制器的信 號輸入端之間，用于將一個輸入脈沖分成三個等間隔的等幅脈沖；
[0011] 所述的衰減器串接在相位調(diào)制器的后端，經(jīng)過衰減器后變成單光子的三個等概率 幅的脈沖，通過傳輸光纖發(fā)送至接收端(概率幅是量子力學(xué)中的概念，用于描述粒子的量子 行為。這里意思是:在信道傳輸之前，需要使用衰減器將光信號衰減至單光子水平，使信道 中傳輸?shù)氖侨齻€不同時刻光信號之一，在探測之前三個時刻都可能存在信號且概率相同， 但只可能在一個時刻引起探測器響應(yīng)）；
[0012] 所述的解碼單元包括一個偏振解碼模塊和兩個相位解碼模塊，所述的偏振解碼模 塊的信號輸入端與傳輸光纖輸出端相連，其信號輸出端分別與兩相位解碼模塊的信號輸入 端相連，前述偏振解碼模塊用于進(jìn)行偏振測量基的選擇，并能夠按偏振方向輸出到對應(yīng)相 位解碼模塊的端口；
[0013] 所述相位解碼模塊的信號輸入端與偏振解碼模塊的信號輸出端相連，其信號輸出 端與探測器的信號輸入端相連，所述的相位解碼模塊通過改變偏振解碼模塊輸出脈沖的偏 振方向，調(diào)控脈沖路由，使得全部差分脈沖參與干涉，差分相位編碼部分效率達(dá)到100%。
[0014] 本實(shí)用新型的探測器是單光子探測器。
[0015] 本實(shí)用新型的差分脈沖生成模塊包括三個50/50耦合器、法拉第鏡以及三條不等 長支路，所述的差分脈沖生成模塊將一個輸入脈沖分成三個等間隔的等幅脈沖，其中由于 法拉第鏡的反射，往返光路中的偏振漂移得以補(bǔ)償。
[0016] 本實(shí)用新型的差分脈沖生成模塊中三條支路的長度與各相位解碼模塊中干涉環(huán) 三條支路的長度均滿足下述關(guān)系：
[0017] 即差分脈沖生成模塊中三條支路各自的往返長度服從等差數(shù)列，且其公差等于相 位解碼模塊中間支路與最短支路的差，而相位解碼模塊中最長支路與中間支路的差等于前 述公差的兩倍。
[0018] 本實(shí)用新型的偏振解碼模塊包括偏振控制器和偏振分束器，所述相位解碼模塊為 兩組，均包括偏振控制器、法拉第旋光器和由偏振分束器、不等長支路與耦合器構(gòu)成的干涉 環(huán)。
[0019] 本實(shí)用新型的相位解碼模塊分為上下兩個分支，對應(yīng)于不同的偏振編碼值，其中 上分支偏振分束器0°端口支路最短，90°端口支路最長，下分支偏振分束器90°端口支路最 短，0°端口支路最長。
[0020] 本實(shí)用新型的有益效果：
[0021] 本實(shí)用新型提出了一種高效穩(wěn)定的差分相位與偏振編碼復(fù)合QKD系統(tǒng)方案。該方 案引入了法拉第鏡結(jié)構(gòu)，并通過改變偏振方向，調(diào)控脈沖路由，改進(jìn)了傳統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少 了探測器數(shù)目。相比現(xiàn)有方案，系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性明顯得到提高與改善。
[0022]效率:若發(fā)送、接收雙方選基一致，則可得偏振碼值，且差分相位編碼值在三個時 隙之一獲得，則此部分協(xié)議效率為
；若選基不同，則僅差分相位編碼 有效，且探測器會在某一時隙某一支路響應(yīng)，
> 因此總的系統(tǒng)效率
[0023]所述的效率指每次通信最終產(chǎn)生的平均密鑰位數(shù)，不考慮系統(tǒng)損耗、探測器效率 等。傳統(tǒng)BB84方案最佳效率僅50%，經(jīng)典DPS方案效率
，N為單光子分裂的概率幅脈沖 個數(shù)。單比特編碼方案效率極限為100%，而目前復(fù)合編碼系統(tǒng)較高的效率
相較而言， 本實(shí)用新型效率具有明顯優(yōu)勢。
[0024]穩(wěn)定性：引入了法拉第鏡結(jié)構(gòu)，發(fā)送端每路差分信號的產(chǎn)生都經(jīng)過FM反射，自動消 除了往返光路中的雙折射效應(yīng)和偏振相關(guān)損耗，輸出信號是標(biāo)準(zhǔn)的編碼態(tài)，同時各脈沖偏 振態(tài)沒有相對偏差，很好地改善了差分脈沖的干涉可見度，提高了穩(wěn)定性。
[0025]大幅減少了探測器數(shù)目，現(xiàn)有方案8個探測器每次通信在32個時隙等待測量，而本 實(shí)用新型方案僅4個探測器每次通信在12個時隙等待測量，因此由探測器暗計數(shù)引起的誤 碼率大幅減小，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定。
【附圖說明】
[0026]圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖2是本實(shí)用新型的具體結(jié)構(gòu)不意圖。
[0028] LD:激光器;APM:動態(tài)偏振調(diào)制器；PM:相位調(diào)制器;V0A:可調(diào)光衰減器；BS/SW: beam splitter/switch;FMi:法拉第鏡;Ci:親合器;PCi:偏振控制器;PBSi:偏振分束器;FRi: 90°法拉第旋光器;Αι:差分生成模塊;A2:編碼模塊;Βι:偏振解碼模塊;B2:相位解碼模塊。
【具體實(shí)施方式】
[0029] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說明。
[0030] 圖1是本實(shí)用新型的方案示意圖，描述了所述系統(tǒng)的模塊結(jié)構(gòu)關(guān)系和QKD方案的整 體流程。圖2是本實(shí)用新型的詳細(xì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，描述了各模塊的具體構(gòu)造。表1描述了響 應(yīng)探測器與密鑰生成的關(guān)系。
[0032]表1密鑰生成規(guī)則(響應(yīng)探測器與生成密鑰關(guān)系，？表示舍棄該位）
[0033]具體的通信方案如下所述：
[0034]假設(shè){Ak}、{Bk}、{Ck}、{Dk}、{Ek}、{Fk}都是隨機(jī)的二進(jìn)制序列。
[0035] (1)激光器LD發(fā)出光脈沖，動態(tài)偏振調(diào)制器APM按照隨機(jī)序列{AkBk}調(diào)制每個脈沖。 若Ak=0，選擇R基，否則選擇D基;而Bk是要編碼的數(shù)據(jù)。
[0036] (2)脈沖進(jìn)入差分脈沖生成模塊，經(jīng)過FM鏡的反射，往返通過13、1^1。，分裂成三個 前后時延差T的等幅脈沖。其中l(wèi)albl。的長度滿足以下關(guān)系，ld2l3為圖2中相應(yīng)光纖支路的 長度。
[0038] (3)每次通信，相位調(diào)制器PM按照隨機(jī)序列{CkDkEk}依次調(diào)制差分脈沖。若Ck = 0， 調(diào)制第一個相位為〇，否則調(diào)相η;同理，分別按DkEk調(diào)制后兩個脈沖。因此差分編碼的數(shù)據(jù)分
[0039] (4)經(jīng)衰減器ATT衰減后，輸出到傳輸光纖，要求ATT衰減后的輸出信號EAQ滿足：
[0041]即輸出單光子的三個等概率脈沖，其中Eo為單光子振幅，Θ為偏振調(diào)制角度，+90° 是由于法拉第鏡的反射，隊(duì)仇隊(duì)為相位調(diào)制角度，k為傳播相位常數(shù)。不考慮傳輸光纖中增 加的相位。
[0042] (5)偏振控制器P&按照隨機(jī)序列{Fk}選擇偏振測量基，旋轉(zhuǎn)脈沖偏振方向。若Fk = 0,選擇R基，否則按照D基旋轉(zhuǎn)角度。當(dāng)Ak=Fk時，見步驟(6~8)，否則見步驟(9)。
[0043] (6)Ak = Fk時，若Bk = 0(Bk=l)，則每組差分脈沖偏振均變?yōu)?° (90° )，從偏振分束 器PBSj^0° (90°)端口出射。兩種情況過程類似，以Bk = 0為例敘述如下。
[0044] (7)耦合器C4將三個概率幅等概率分束，中間支路13中有0°0°0°。而經(jīng)過偏振控制 器PC2時，PC2通過選擇時間窗口，只將其中第一個脈沖偏振旋轉(zhuǎn)90°。因此偏振分束器ros 2分 束后，長支路li只有90°，短支路12有0°0°。此時信號場為
[0046] (8)1!支路的法拉第旋光器FR將90°偏振旋轉(zhuǎn)為0°，再由BS/SW、C6合束，此時[0047]
[0048]其中U、L2、L3各自對應(yīng)的兩條路徑發(fā)生干涉，干涉結(jié)果為
[0050] 即單光子探測器Dtn和Doo在U對應(yīng)時刻響應(yīng)概率均為
，其中=妁-衡，
[00511 (9)當(dāng)Ak辛Fk時，脈沖偏振會變?yōu)椤?5°，將從roSi兩端口等概率出射。各路徑的操 作與(6)(7)(8)基本一致，只是各處概率幅變?yōu)?br>，干涉結(jié)果則變?yōu)?br>[0053] (10)接收端記錄響應(yīng)的探測器Dmn及其響應(yīng)時刻，并將探測器的響應(yīng)時刻和序列 {Fk}告知發(fā)送端。發(fā)送端則將序列{Ak}告知接收端。
[0054] (11)收發(fā)雙方比較序列{ak|與{Fk}，若Ak = Fk則發(fā)方保留Bk，收方保留m;否則舍棄 相應(yīng)位數(shù)據(jù)。發(fā)方根據(jù)探測器響應(yīng)時刻，可以獲得相應(yīng)的編碼
辦十心，即收方測量值η。后續(xù)再進(jìn)行竊聽檢測、密性放大等標(biāo)準(zhǔn)QKD協(xié)議步驟，這樣就實(shí)現(xiàn) 了雙方安全的密鑰分發(fā)。
[0055] 本實(shí)用新型方案同時采用偏振編碼和差分相位編碼，且理論上后者效率達(dá)100%， 因此效率大大提高。同時改進(jìn)了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，改善了穩(wěn)定性，減小了誤碼率。相比現(xiàn)有方案，系 統(tǒng)性能有了 $父大的提尚。
[0056] 本實(shí)用新型未涉及部分均與現(xiàn)有技術(shù)相同或可采用現(xiàn)有技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1 · 一種尚效穩(wěn)定的差分相位與偏振編碼復(fù)合量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)，其特征在于：它包括 依次設(shè)置在發(fā)送端的光源、編碼單元、差分脈沖生成模塊和衰減器，傳輸光纖以及設(shè)置在接 收端的解碼單元和探測器； 所述的編碼單元包括用于偏振編碼的動態(tài)偏振調(diào)制器和用于相位編碼的相位調(diào)制器， 所述的動態(tài)偏振調(diào)制器作為編碼單元的信號輸入端與光源的信號輸出端相連，動態(tài)偏振調(diào) 制器信號輸出端與差分脈沖生成模塊的信號輸入端相連，用于相位編碼的相位調(diào)制器的信 號輸入端與差分脈沖生成模塊的信號輸出端相連，相位調(diào)制器的信號輸出端與衰減器的信 號輸入端相連，所述編碼單元先進(jìn)行偏振編碼，再進(jìn)行差分相位編碼； 所述差分脈沖生成模塊串接在動態(tài)偏振調(diào)制器的信號輸出端和相位調(diào)制器的信號輸 入端之間，用于將一個輸入脈沖分成三個等間隔的等幅脈沖； 所述的衰減器串接在相位調(diào)制器的后端，經(jīng)過衰減器后變成單光子的三個等概率幅的 脈沖，通過傳輸光纖發(fā)送至接收端； 所述的解碼單元包括一個偏振解碼模塊和兩個相位解碼模塊，所述的偏振解碼模塊的 信號輸入端與傳輸光纖輸出端相連，其信號輸出端分別與兩相位解碼模塊的信號輸入端相 連，前述偏振解碼模塊用于進(jìn)行偏振測量基的選擇，并能夠按偏振方向輸出到對應(yīng)相位解 碼模塊的端口； 所述相位解碼模塊的信號輸入端與偏振解碼模塊的信號輸出端相連，其信號輸出端與 探測器的信號輸入端相連，所述的相位解碼模塊通過改變偏振解碼模塊輸出脈沖的偏振方 向，調(diào)控脈沖路由，使得全部差分脈沖參與干涉，差分相位編碼部分效率達(dá)到100%。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效穩(wěn)定的差分相位與偏振編碼復(fù)合量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)，其 特征在于:所述的探測器是單光子探測器。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效穩(wěn)定的差分相位與偏振編碼復(fù)合量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)，其 特征在于：所述的差分脈沖生成模塊包括三個50/50耦合器、法拉第鏡以及三條不等長支 路，所述的差分脈沖生成模塊將一個輸入脈沖分成三個等間隔的等幅脈沖，其中由于法拉 第鏡的反射，往返光路中的偏振漂移得以補(bǔ)償。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述高效穩(wěn)定的差分相位與偏振編碼復(fù)合量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)，其特 征在于:所述差分脈沖生成模塊中三條支路的長度與各相位解碼模塊中干涉環(huán)三條支路的 長度均滿足下述關(guān)系： 即差分脈沖生成模塊中三條支路各自的往返長度服從等差數(shù)列，且其公差等于相位解 碼模塊中間長度支路與最短支路的差，而相位解碼模塊中最長支路與中間長度支路的差等 于前述公差的兩倍。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效穩(wěn)定的差分相位與偏振編碼復(fù)合量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)，其 特征在于:所述偏振解碼模塊包括偏振控制器和偏振分束器，所述相位解碼模塊為兩組，均 包括偏振控制器、法拉第旋光器和由偏振分束器、不等長支路與耦合器構(gòu)成的干涉環(huán)。6. 根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的高效穩(wěn)定的差分相位與偏振編碼復(fù)合量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)， 其特征在于:所述相位解碼模塊分為上下兩個分支，對應(yīng)于不同的偏振編碼值，其中上分支 偏振分束器0°端口支路最短，90°端口支路最長，下分支偏振分束器90°端口支路最短，0°端 口支路最長。
【文檔編號】H04L9/08GK205647538SQ201620271909
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年4月1日
【發(fā)明人】焦海松, 王衍波, 何敏, 周華, 蒲濤
【申請人】中國人民解放軍理工大學(xué)