本发明专利技术公开了一种高成码率点对点QKD系统以及发射端、接收端和QKD方法，其中发射端沿光信号传输方向依次包括光源模块、编码器、波分复用器和光纤接口，还设有用于向编码器发送控制信号的主控逻辑模块，所述光源模块包括多个光源且分别具有不同发射波长，每个光源的输出端对应连接有一个分束器，分束器将对应光源的输出分成多路光信号输出至编码器分别进行编码；所述光纤接口为多芯光纤接口，用于将来自波分复用器的光信号转接至多芯光纤以向接收端发射。本发明专利技术QKD系统设置有n个不同波长的光源、m芯多芯光纤时，可容纳n*m条量子密钥分发线路，成码率是原来的单套QKD系统的n*m倍。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及点对点的QKD技术，具体涉及一种高成码率的点对点QKD系统以及发射端、接收端和QKD方法。
技术介绍
量子通信是结合了量子力学和密码分析的一项新技术，它的安全性由量子力学基本原理——海森堡测不准原理和量子不可克隆定理保证，能够确保密钥分配和传输的安全性，因此受到了各国政府和军事部门的高度重视，许多研究机构开展很多量子通信的研究。量子通信研究包含了量子密钥分发(QKD)、量子存储和中继、量子数字签名、量子编码、量子秘密共享、量子安全计算协议等方向，其中QKD是核心研究内容，也是量子保密通信获得实际应用最早的研究领域。QKD能够实现通信双方生成相同的密钥，其密钥生成速率即成码率是衡量系统性能优劣的重要指标，高的成码率可以加密更多的数据，形成更复杂的加密体系，自1991年诞生了世界上第一个QKD系统后，提高成码率一直是QKD系统改进和完善的方向。但是目前报道的QKD系统成码率都不高，2014年《APPLIED PHYSICS LETTERS》中文献“Room temperature single-photon detectors for high bit rate quantum key distribution”报道了目前最好的QKD成码率，在50km光纤达到1.2Mbps，但是到了100km成码率为1.2kbps，较低的成码率限制了QKD系统大规模商用，如分布式存储网络、银行间的大数据容灾备份转移以及更多用户的接入等需求都需要对大量传输的数据进行一次一密的无条件安全加密，因此急需更高成码率的QKD系统。目前已有多种提高成码率的方法，2014年《APPLIED PHYSICS LETTERS》中文献“Room temperature single-photon detectors for high bit rate quantum key distribution”采用了改善单光子探测器性能的方法，使单光子探测器工作在室温状态下也能得到较高的成码率；申请号200610170557.5的中国专利申请公开了一种相位编码偏振检测的QKD系统，克服了之前QKD系统中单光子的路径随机选择导致的成码率低的缺点，提高了系统的抗干扰能力及单光子的利用效率；申请号201020112228.7的中国专利申请公开了一种双向密钥产生接收端，通过在QKD上光路增加光路径选择器，实现密钥双向分配，实现了成码率更高、更加安全的QKD系统；申请号201310434795.2的中国专利申请公开了一种QKD系统的同步装置，在发送信号的频率远大于同步信号频率的时候，能够减小同步光对信号光的影响，有利于提高系统的工作频率，有效提高QKD系统成码率。综上所述，提高QKD系统成码率主要方法为改善单光子探测器的性能、改进QKD光路系统、提高QKD系统工作频率等，这些方法都是针对单个QKD系统的改善，而单个QKD系统内激光器、单光子探测器等器件的工作频率、工作效率都是有限制的，因此成码率改善有限。目前已有许多关于采用波分复用器用于多用户接入的QKD系统的报道，如专利申请号201410337054.7的中国专利申请公开了一种多用户波分复用量子密钥分发网络系统及其密钥分发与共享的方法，实现1个Alice与多个Bob之间的密钥分发。申请号200680022303.7的中国专利申请公开了一种用波分复用链路在发射机和接收机之间实现量子密钥分配的系统和方法，实现多个量子发射单元和多个量子接收单元的密钥分发。上述两专利的量子密钥分发线路皆使用了基于相位编码的即插即用QKD系统方案，由于受发射端和接收端两相位调制器的调制精度限制，解码模块上信号光干涉对比度不够高，这影响了探测器的测量结果，降低了系统的成码率低。现有技术存在的问题：单个QKD系统内激光器、单光子探测器等器件的工作频率、工作效率都有限制，因此成码率改善有限。现有的一对多、多对多QKD复用网络使用的基于相位编码的即插即用系统方案，其成码率受限于发收两端相位调制器的调制精度。
技术实现思路
本专利技术提供一种QKD系统，包括有相互匹配的发射端和接收端，本专利技术QKD系统融合分束器技术、波分复用技术与多芯光纤技术，通过拓展量子密钥分发线路数量提升点对点QKD系统的成码率，当采用时间-相位非平衡基矢编码时，降低了线路的插入损耗且探测结果不受器件调制精度限制，实现了高对比度编码，还可以根据需要利用光路径选择器件构建双向通信的QKD系统，进一步提高成码率。一种高成码率点对点QKD系统的发射端，沿光信号传输方向依次包括光源模块、编码器、波分复用器和光纤接口，还设有用于向编码器发送控制信号的主控逻辑模块，所述光源模块包括多个光源且分别具有不同发射波长，每个光源的输出端对应连接有一个分束器，分束器将对应光源的输出分成多路光信号输出至编码器分别进行编码；所述光纤接口为多芯光纤接口，用于将来自波分复用器的光信号转接至多芯光纤以向接收端发射。本专利技术QKD系统的发射端可利用分束器大幅提高量子密钥分发线路数量，例如设置有n个不同波长的光源(激光器)，所有光源可以集成在一块激光板上，各光源所对应的分束器将出射光分成m条量子密钥分发线路，此时系统可容纳n*m条量子密钥分发线路，成码率是原来的单套QKD系统的n*m倍。当系统双向通信时，成码率可以提高约2n*m倍。由于量子通信所选用的光波段有一定限制，因此如何充分利用可选波段也是现有技术存在的问题之一，在有限的波段范围内不同发射波长的光源数量也相应受限，本专利技术通过分束器将同一光源的输出分成多条量子密钥分发线路，可解决光波段充分利用的问题，在硬件上也尽可能的减少了光源的数量，降低成本和能耗。本专利技术中由于构建的量子密钥分发线路数量较多，为了提高设备的集成度，充分利用硬件资源，作为优选，所述编码器中具有与各路光信号一一对应的编码模块，所述主控逻辑模块中针对每路编码模块配置有相应的信号调制器，所有信号调制器共用主控逻辑模块中的同一随机数发生器。尽管每条量子密钥分发线路的光信号需要分别编码，每个编码模块都需要信号调制器，但各信号调制器所利用的随机数可采用主控逻辑模块中现有的随机数发生器统一派发(分别派发不同的随机数)，无需为各个信号调制器分别配置随机数发生器，减小了硬件开销。在编码方式上，可采用现有协议，本专利技术中作为优选，所述编码器为基于时间-相位编码的信号光编码模组，即优选采用基于时间-相位编码方案。所述的信号光编码模组具有与各路信号光对应的编码模块。例如当光源模组中具有n个光源，每个分束器分为m路，则一共有n*m路信号光，相应的信号光编码模组中设有n*m个编码模块。采用时间-相位编码时，每个编码模块为时间相位编码模块，具体包括时间编码子模块和相位编码子模块。时间编码子模块进行时间编码过程通过强度调制器对线路(即量子密钥分发线路)中前后两个光脉冲的强度进行调制，随机将其中一个光脉冲的光强调制为接近于零的真空态，产生只有第一个光脉冲或者只有第二个光脉冲的双脉冲序列来实现编码。所述的相位编码子模块为X基矢相位编码子模块或Y基矢相位编码子模块。进行相位编码时，通过相位调制器PM对线路上两光脉冲中的一个进行调制形成两个光脉冲的有效相位差为0或π来实现编码(即X基矢相位编码)，或通过调制形成本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种高成码率点对点QKD系统的发射端，沿光信号传输方向依次包括光源模块、编码器、波分复用器和光纤接口，还设有用于向编码器发送控制信号的主控逻辑模块，其特征在于，所述光源模块包括多个光源且分别具有不同发射波长，每个光源的输出端对应连接有一个分束器，分束器将对应光源的输出分成多路光信号输出至编码器分别进行编码；所述光纤接口为多芯光纤接口，用于将来自波分复用器的光信号转接至多芯光纤以向接收端发射。
【技术特征摘要】
1.一种高成码率点对点QKD系统的发射端，沿光信号传输方向依次包括光源模块、编码器、波分复用器和光纤接口，还设有用于向编码器发送控制信号的主控逻辑模块，其特征在于，所述光源模块包括多个光源且分别具有不同发射波长，每个光源的输出端对应连接有一个分束器，分束器将对应光源的输出分成多路光信号输出至编码器分别进行编码；所述光纤接口为多芯光纤接口，用于将来自波分复用器的光信号转接至多芯光纤以向接收端发射。2.如权利要求1所述的高成码率点对点QKD系统的发射端，其特征在于，所述编码器中具有与各路光信号一一对应的编码模块，所述主控逻辑模块中针对每路编码模块配置有相应的信号调制器，所有信号调制器共用主控逻辑模块中的同一随机数发生器。3.如权利要求1所述的高成码率点对点QKD系统的发射端，其特征在于，所述编码器为基于时间-相位编码的信号光编码模组。4.如权利要求1所述的高成码率点对点QKD系统的发射端，其特征在于，所述分束器为多个，且各光源一一对应，所述波分复用器为多个，每一波分复用器的输入端接各分束器的其中一路输出，每一波分复用器的输出端接入多芯光纤接口并对应其中一个纤芯。5.如权利要求4所述的高成码率点对点QKD系统的发射端，其特征在于，各分束器的分束数量相同，且等于波分复用器的个数。6.如权利要求1所述的高成码率点对点QKD系统的发射端，其特征在于，还设有同步光光源以及相应的同步光发射线路，其中同步光光源接入任一波分复用器的输入端。7.如权利要求1～6任一项所述的高成码率点对点QKD系统的发射端，其特征在于，在所述编码器和波分复用器之间的每一条光信号传输路径上，分别设有光路径选择...
【专利技术属性】
技术研发人员：富尧，王真真，李浩泉，
申请(专利权)人：浙江神州量子网络科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33
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