基于Sagnac環(huán)的多用戶量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及量子信息以及光纖通信技術(shù)領(lǐng)域，具體是基于Sagnac環(huán)的多用戶量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]量子密碼學(xué)是一門信息科學(xué)、量子力學(xué)和密碼學(xué)結(jié)合的新興交叉學(xué)科，是量子力學(xué)和信息科學(xué)在密碼學(xué)中的應(yīng)用，主要涉及量子物理學(xué)、信息科學(xué)和計算機科學(xué)等多種學(xué)科，具有潛在的應(yīng)用價值和重大的科學(xué)意義。量子通信是指利用量子效應(yīng)進(jìn)行信息傳遞的一種新型通訊方式，量子測不準(zhǔn)定理和不可克隆定理等從原理上保證了量子密碼的絕對安全性。
[0003]在量子通信技術(shù)中，點對點的兩方量子密鑰分發(fā)技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，但是其光子利用率和傳輸穩(wěn)定性還需要進(jìn)一步地加強，同時，隨著世界信息化的發(fā)展，越來越多的復(fù)雜光纖網(wǎng)絡(luò)被建立并投入運行。QKD未來面臨的一個重要的實際問題是需要基于一對一的通信方式發(fā)展成一對N，N對一，甚至N對N的量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)，同時可進(jìn)行量子網(wǎng)絡(luò)和經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)的融合，以此來避免量子通訊必須建立專用網(wǎng)絡(luò)重大投入，滿足快捷的多用戶通
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[0004]量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)建主要有兩種方式:基于可信節(jié)點的中繼方案和基于光開關(guān)的透明光鏈路方案。前者可以任意擴展密鑰分發(fā)的距離，但必須保證所有節(jié)點的物理安全；后者可以在不必可信的網(wǎng)絡(luò)中，實現(xiàn)多用戶之間的量子密鑰分發(fā)。采用光學(xué)節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)，QKD編解碼的核心器件有相位調(diào)制器、偏振器、單光子探測器等，QKD光網(wǎng)絡(luò)的光學(xué)節(jié)點有分束器、光開光、光纖光柵、波分復(fù)用/解復(fù)用器等。采用光開關(guān)的網(wǎng)絡(luò)具有易于實現(xiàn)的優(yōu)點，但是也存在不足。這種網(wǎng)絡(luò)可將多個通信成員連接在一起，但實際上仍然是點對點的通信。早期采用光功率分配器進(jìn)行多用戶量子密鑰分發(fā)，N個用戶的平均密鑰產(chǎn)生速率為單個用戶時密鑰速率的1\Ν。隨著用戶數(shù)量的增加，每個用戶的碼率都會下降，所以效率會降低，不利于增加用戶數(shù)量進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)擴展。隨后發(fā)展的采用波分復(fù)用技術(shù)的量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)中，用戶通過波長尋址來進(jìn)行QKD。這種方案同一時刻只能產(chǎn)生一種波長的光脈沖，實質(zhì)上還是一對一的方案。
[0005]如上所述兩種方案都很大程度上限制了用戶增加，用戶擴展導(dǎo)致產(chǎn)生密鑰生成率降低等問題。之后陸續(xù)提出的方案，雖然增加了用戶數(shù)量，但是產(chǎn)生了諸如用戶間串?dāng)_、增加誤碼率等問題，其可行性還需實際實驗驗證。本小組提出了利用波分復(fù)用/解復(fù)用器和法拉第鏡進(jìn)行多用戶量子密鑰分發(fā)的方案，利用法拉第鏡的反射補償線路的相位漂移，解決了即插即用、M-Z型等多用戶QKD網(wǎng)絡(luò)接入問題。
[0006]本方案基于Sagnac效應(yīng)原理，采用的Sagnac環(huán)形干涉儀其特征是將同一光源發(fā)出的兩束光分成兩束，使其在干涉儀中相向傳輸一周以后會合束產(chǎn)生干涉。因此具有零光程差，自動消除干涉兩臂不等引起的噪聲，并且對相干光源要求較低，可使用寬帶光源，也適合于擾動檢測。Sagnac效應(yīng)被提出之后，目前人們在其基礎(chǔ)上主要利用了其干涉結(jié)構(gòu)制作了光纖Sagnac環(huán)，并將其用在光纖傳感領(lǐng)域，用來進(jìn)行溫度、應(yīng)變、角速度等的傳感。制作光纖陀螺、光纖Sagnac環(huán)濾波器、光纖水聽器等。
[0007]本方案基于Sagnac環(huán)的QKD方案，利用其能夠補償雙折射和相位漂移等特點。本方案通過波分復(fù)用/解復(fù)用器解決Sagnac環(huán)狀QKD網(wǎng)絡(luò)接入，提出基于Sagnac環(huán)的多用戶量子經(jīng)典融合網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與量子密碼鑰分發(fā)方法，實現(xiàn)多用戶量子密鑰分發(fā)。本實用新型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理，操作簡便，成本低，采用Sagnac環(huán)的結(jié)構(gòu)，使相位波動和偏振變化自動得到補償，并能夠補償雙折射，進(jìn)而提高光子利用率和成碼率。同時利用二級等差頻率間隔的波長規(guī)劃方案和精準(zhǔn)的脈沖延時技術(shù)，消除不同用戶間的串?dāng)_。通過波分復(fù)用\解復(fù)用器將量子信號復(fù)用到經(jīng)典信道中，進(jìn)一步節(jié)約成本。對于提高我國量子保密通信的實用性，加強網(wǎng)絡(luò)規(guī)模集成與信息的安全性，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值。
[0008]基于上述現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，現(xiàn)有亟待開發(fā)一種結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、光子利用率和成碼率高、傳輸穩(wěn)定且可實現(xiàn)一對N的多用戶量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
【實用新型內(nèi)容】
[0009]本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、光子利用率和成碼率高、傳輸穩(wěn)定且可實現(xiàn)一對N的基于Sagnac環(huán)的多用戶量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
[0010]本實用新型的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的:基于Sagnac環(huán)的多用戶量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，包括Alice控制端、多用戶Bob客戶端、Sagnac環(huán)狀脈沖傳輸鏈路，其中:
[0011]所述多用戶Bob客戶端包括多波長脈沖激光產(chǎn)生裝置、耦合器、光子干涉信號探測裝置和多用戶復(fù)用模塊；
[0012]所述Sagnac環(huán)狀脈沖傳輸鏈路包括順時針方向的CW鏈路和逆時針方向的CCW鏈路，所述CW鏈路的光脈沖傳輸路線為從耦合器輸出的光脈沖依次經(jīng)過偏振控制器、多用戶復(fù)用模塊、第一公共光纖、Alice控制端、第二公共光纖最后回到所述耦合器；所述CCW鏈路的光脈沖傳輸路線為從耦合器輸出的光脈沖依次經(jīng)過第二公共光纖、Alice控制端、第一公共光纖、多用戶復(fù)用模塊、偏振控制器最后回到所述耦合器；
[0013]所述多波長脈沖產(chǎn)生裝置產(chǎn)生多波長脈沖經(jīng)過所述耦合器后分成兩束光脈沖并以50:50比例進(jìn)入到所述Sagnac環(huán)狀脈沖傳輸鏈路的CW鏈路和CCW鏈路后再從所述耦合器合并輸出，從所述耦合器中合并輸出的光脈沖又輸送到所述光子干涉信號探測裝置進(jìn)行探測。
[0014]進(jìn)一步地，所述多用戶復(fù)用模塊包括多個Bob用戶，第一波分復(fù)用/解復(fù)用器和第二波分復(fù)用/解復(fù)用器，多個Bob用戶并列地連接在所述第一波分復(fù)用/解復(fù)用器和第二波分復(fù)用/解復(fù)用器之間。
[0015]具體地，所述Bob用戶的個數(shù)為4個。
[0016]具體地，所述Bob用戶包括順序連接的延時線、Bob端偏振控制器和Bob端相位調(diào)制器，所述延時線與所述第一波分復(fù)用/解復(fù)用器連接，所述Bob端相位調(diào)制器與所述第二波分復(fù)用/解復(fù)用器連接。
[0017]進(jìn)一步地，所述第一波分復(fù)用/解復(fù)用器通過第一公共光纖與所述Alice控制端連接，所述第二波分復(fù)用/解復(fù)用器通過偏振控制器與所述耦合器連接。
[0018]進(jìn)一步地，所述Alice控制端包括Alice端可變光衰減器、Al ice端偏振控制器和Alice端相位調(diào)制器；光脈沖經(jīng)過CW鏈路時從所述Alice端相位調(diào)制器調(diào)制附加產(chǎn)生相位ΦΑ，再經(jīng)過Alice端偏振控制器，然后經(jīng)過所述Alice端可變光衰減器被衰減到每脈沖光子數(shù)為μ = 0.1，最后經(jīng)過公共光纖返回到所述耦合器中；光脈沖經(jīng)過CCW鏈路時從所述Bob端相位調(diào)制器調(diào)制附加產(chǎn)生相位ΦΒ，然后再返回到所述耦合器中。
[0019]具體地，所述Alice控制端與所述耦合器之間順序連接有第三波分復(fù)用/解復(fù)用器和第四波分復(fù)用/解復(fù)用器，所述第三波分復(fù)用/解復(fù)用器和第四波分復(fù)用/解復(fù)用器之間通過量子經(jīng)典融合信道連接。
[0020]具體地，所述多波長脈沖激光產(chǎn)生裝置包括多波長激光器、波長選擇器以及環(huán)形器，所述多波長激光器產(chǎn)生的光脈沖依次經(jīng)過所述波長選擇器和環(huán)形器后進(jìn)入到所述耦合器中。
[0021]進(jìn)一步地，所述光子干涉信號探測裝置包括第一多波長單光子探測器和第二多波長單光子探測器，所述第一多波長單光子探測器通過環(huán)形器與所述耦合器連接，所述第二多波長單光子探測器直接與所述耦合器相連。
[0022]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的有益效果有:
[0023]I)、共用一個多波長激光器和波長選擇器，節(jié)約了成本；2)、采用Sagnac環(huán)原理進(jìn)行量子密鑰分發(fā)，相位波動和偏振變化自動得到補償，并能夠自動調(diào)準(zhǔn)并補償雙折射；采用偏振控制器分別控制Alice控制端、Bob用戶端和耦合器，精確控制偏振變化；3)、為消除用戶間脈沖串?dāng)_而采用的頻率二級等差間隔波長管理和利用延時線，能夠減少不同波長信號的串?dāng)_，降低系統(tǒng)誤碼率；4)、具有良好的網(wǎng)絡(luò)擴展功能:為一對N量子密鑰分發(fā)提供了可能，且每個用戶的密鑰率不會隨著用戶增加而減少；用戶組使用波分復(fù)用\解復(fù)用器，為添加和刪除用戶提供了方便；5)、通過時間管理方式，多個用戶共同一個光子干涉信號探測裝置，簡化了裝置，節(jié)約成本；6)、整體方案所采用方