基于Sagnac环的多用户QKD网络系统技术方案

本发明专利技术公开了基于Sagnac环的多用户QKD网络系统及其密钥分发方法，包括Alice控制端、多用户Bob客户端和Sagnac环状脉冲传输链路，多用户Bob客户端包括多波长脉冲激光产生装置、光子干涉信号探测装置、多用户复用模块和耦合器；所述Sagnac环状脉冲传输链路包括CW链路和CCW链路；多波长脉冲产生装置产生的脉冲经过耦合器以50:50比例进入到所述CW链路和CCW链路后均从所述耦合器合并输出，然后传输到所述光子干涉信号探测装置进行探测。本发明专利技术多用户通过波分复用/解复用器，以波长寻址的方式复用到系统中，采用相位编码方式，光脉冲在Alice端和Bob端分别被调制加载信息，脉冲在耦合器处发生干涉，整体结构简单、光子利用率和成码率高、传输稳定性好实现了一对N的多用户传输。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及量子信息以及光纤通信
，具体是。
技术介绍
量子密码学是一门信息科学、量子力学和密码学结合的新兴交叉学科，是量子力学和信息科学在密码学中的应用，主要涉及量子物理学、信息科学和计算机科学等多种学科，具有潜在的应用价值和重大的科学意义。量子通信是指利用量子效应进行信息传递的一种新型通讯方式，量子测不准定理和不可克隆定理等从原理上保证了量子密码的绝对安全性。在量子通信技术中，点对点的两方量子密钥分发技术已经趋于成熟，但是其光子利用率和传输稳定性还需要进一步地加强，同时，随着世界信息化的发展，越来越多的复杂光纤网络被建立并投入运行。QKD未来面临的一个重要的实际问题是需要基于一对一的通信方式发展成一对N，N对一，甚至N对N的量子密钥分发网络，同时可进行量子网络和经典通信网络的融合，以此来避免量子通讯必须建立专用网络重大投入，满足快捷的多用户通?目O量子密钥分发网络拓扑构建主要有两种方式:基于可信节点的中继方案和基于光开关的透明光链路方案。前者可以任意扩展密钥分发的距离，但必须保证所有节点的物理安全；后者可以在不必可信的网络中，实现多用户之间的密钥分发。采用光学节点的网络，QKD编解码的核心器件有相位调制器、偏振器、单光子探测器等，QKD光网络的光学节点有分束器、光开光、光纤光栅、波分复用/解复用器等。采用光开关的网络具有易于实现的优点，但是也存在不足。这种网络可将多个通信成员连接在一起，但实际上仍然是点对点的通信。早期采用光功率分配器进行多用户量子密钥分发，N个用户的平均密钥产生速率为单个用户时密钥速率的1\Ν。随着用户数量的增加，每个用户的码率都会下降，所以效率会降低，不利于增加用户数量进行网络扩展。随后发展的采用波分复用技术的量子密钥分发网络中，用户通过波长寻址来进行QKD。这种方案同一时刻只能产生一种波长的光脉冲，实质上还是一对一的方案。如上所述两种方案都很大程度上限制了用户增加，用户扩展导致产生密钥生成率降低等问题。之后陆续提出的方案，虽然增加了用户数量，但是产生了诸如用户间串扰、增加误码率等问题，其可行性还需实际实验验证。本小组提出了利用波分复用/解复用器和法拉第镜进行多用户量子密钥分发的方案，利用法拉第镜的反射补偿线路的相位漂移，解决了即插即用、M-Z型等多用户QKD网络接入问题。本方案基于Sagnac效应原理，采用的Sagnac环形干涉仪其特征是将同一光源发出的两束光分成两束，使其在干涉仪中相向传输一周以后会合束产生干涉。因此具有零光程差，自动消除干涉两臂不等引起的噪声，并且对相干光源要求较低，可使用宽带光源，也适合于扰动检测。Sagnac效应被提出之后，目前人们在其基础上主要利用了其干涉结构制作了光纤Sagnac环，并将其用在光纤传感领域，用来进行温度、应变、角速度等的传感。制作光纤陀螺、光纤Sagnac环滤波器、光纤水听器等。本方案基于Sagnac环的QKD方案，利用其能够补偿双折射和相位漂移等特点。本方案通过波分复用/解复用器解决Sagnac环状QKD网络接入，提出基于Sagnac环的多用户量子经典融合网络系统与量子密码钥分发方法，实现多用户量子密钥分发。本专利技术系统结构合理，操作简便，成本低，采用Sagnac环的结构，使相位波动和偏振变化自动得到补偿，并能够补偿双折射，进而提高光子利用率和成码率。同时利用二级等差频率间隔的波长规划方案和精准的脉冲延时技术，消除不同用户间的串扰。通过波分复用\解复用器将量子信号复用到经典信道中，进一步节约成本。对于提高我国量子保密通信的实用性，加强网络规模集成与信息的安全性，具有重要的科学意义和应用价值。基于上述现有技术的发展状况，现有亟待开发一种结构简单、使用方便、光子利用率和成码率高、传输稳定且可实现一对N的多用户QKD网络系统。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结构简单、使用方便、光子利用率和成码率高、传输稳定且可实现一对N的基于Sagnac环的多用户QKD网络系统。本专利技术的另一目的是提供一种基于Sagnac环的多用户QKD网络系统密钥分发方法。本专利技术的技术方案是这样实现的:基于Sagnac环的多用户QKD网络系统，包括Alice控制端、多用户Bob客户端、Sagnac环状脉冲传输链路，其中:所述多用户Bob客户端包括多波长脉冲激光产生装置、耦合器、光子干涉信号探测装置和多用户复用模块；所述Sagnac环状脉冲传输链路包括顺时针方向的CW链路和逆时针方向的CCW链路，所述CW链路的光脉冲传输路线为从耦合器输出的光脉冲依次经过偏振控制器、多用户复用模块、第一公共光纤、Alice控制端、第二公共光纤最后回到所述耦合器；所述CCW链路的光脉冲传输路线为从耦合器输出的光脉冲依次经过第二公共光纤、Alice控制端、第一公共光纤、多用户复用模块、偏振控制器最后回到所述耦合器；所述多波长脉冲产生装置产生多波长脉冲经过所述耦合器后分成两束光脉冲并以50:50比例进入到所述Sagnac环状脉冲传输链路的CW链路和CCW链路最后从所述耦合器合并输出，从所述耦合器中合并输出的光脉冲又输送到所述光子干涉信号探测装置进行探测。进一步地，所述多用户复用模块包括多个Bob用户，第一波分复用/解复用器和第二波分复用/解复用器，多个Bob用户并列地连接在所述第一波分复用/解复用器和第二波分复用/解复用器之间。具体地，所述Bob用户包括顺序连接的延时线、Bob端偏振控制器和Bob端相位调制器，所述延时线与所述第一波分复用/解复用器连接，所述Bob端相位调制器与所述第二波分复用/解复用器连接。进一步地，所述第一波分复用/解复用器通过第一公共光纤与所述Alice控制端连接，所述第二波分复用/解复用器通过偏振控制器与所述耦合器连接。进一步地，所述Alice控制端包括Alice端可变光衰减器、Al ice端偏振控制器和Alice端相位调制器；光脉冲经过CW链路时从所述Alice端相位调制器调制附加产生相位ΦΑ，然后再经过Alice端偏振控制器，再经过所述Alice端可变光衰减器被衰减到每脉冲光子数为μ =0.1，最后经过第二公共光纤返回到所述耦合器中；光脉冲经过CCW链路时从所述Bob端相位调制器调制附加产生相位ΦΒ，然后再返回到所述耦合器中。具体地，所述Alice控制端与所述耦合器之间顺序连接有第三波分复用/解复用器和第四波分复用/解复用器，所述第三波分复用/解复用器和第四波分复用/解复用器之间通过量子经典融合信道连接。。具体地，所述多波长脉冲激光产生装置包括多波长激光器、波长选择器以及环形器，所述多波长激光器产生的光脉冲依次经过所述波长选择器和环形器后进入到所述耦合器中。进一步地，所述光子干涉信号探测装置包括第一多波长单光子探测器和第二多波长单光子探测器，所述第一多波长单光子探测器通过环形器与所述耦合器连接，所述第二多波长单光子探测器直接与所述耦合器相连。基于Sagnac环的多用户QKD网络系统密钥分发方法，包括上述基于Sagnac环的多用户QKD网络系统，其操作步骤如下:S1.光纤传输链路长度测试以及每个Bob用户延迟线长度设置:由所述多波长激光器发射光脉冲，测量各个Bob用户脉冲到达时刻，确定光纤传输链路长度，根据多用户同本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于Sagnac环的多用户QKD网络系统，其特征在于，包括Alice控制端、多用户Bob客户端、Sagnac环状脉冲传输链路，其中：所述多用户Bob客户端包括多波长脉冲激光产生装置、耦合器、偏振控制器、多用户复用模块和光子干涉信号探测装置；所述Sagnac环状脉冲传输链路包括顺时针方向的CW链路和逆时针方向的CCW链路，所述CW链路中的光脉冲传输路线为从耦合器输出后依次经过所述偏振控制器、多用户复用模块、第一公共光纤、Alice控制端、第二公共光纤最后回到所述耦合器；所述CCW链路中的光脉冲传输路线为从耦合器输出的光脉冲依次经过第二公共光纤、Alice控制端、第一公共光纤、多用户复用模块、偏振控制器最后回到所述耦合器；所述多波长脉冲产生装置产生多波长脉冲，所述多波长脉冲经过所述耦合器以50:50的比例分成两束光，分别进入到所述Sagnac环状传输链路的CW链路和CCW链路最后均从所述耦合器合并输出，输出的光脉冲又传输到所述光子干涉信号探测装置进行探测。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：郭邦红，张文杰，郭建军，张程贤，范榕华，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：广东;44