一种改进单光子探测的量子密钥分配系统技术方案

一种改进单光子探测的量子密钥分配系统，Alice端包括：看门狗探测器、光衰减器、相位调制器、反射镜、控制器和光子发射器；Bob端包括：激光器、时分复用/解复用系统、相位调制器、单光子探测器、控制器、光开关和反射镜。本实用新型专利技术的优点在于：(1)实现双向、稳定、安全的量子密钥分发，可对单光子的极化和相位变化进行自动补偿，达到稳定长距离的传输目的；(2)Alice端采用看门狗探测器，一方面，通过测量到达或离开Alice端的弱脉冲个数，可探测到木马攻击和中间人攻击，极大地提升了通讯安全性；另一方面，极大地提升了系统的通信速率和通信距离；(3)Alice端和Bob端可分别调整和校正，能独立选择μ，不用借助在不安全光纤线路上传播光子，以保证系统安全。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种双向、稳定、安全的改进单光子探测的量子密钥分配系统。
技术介绍
量子通信技术是量子信息科学的一个重要分支，它是以量子态作为信息单元，利用量子力学的一些原理来传输和保护信息，通常把通信双方以量子态为信息载体，利用量子力学原理，通过量子信道传输，在保密通信双方之间建立共享密钥的方法，称为量子密钥分配(Quantum Key Distribution-QKD)，其安全性是由量子力学中的“海森堡测不准关系”及“单量子不可复制定理”或纠缠粒子的相干性和非局域性等量子特性来保证的。QKD是保证通信安全性的重要环节，其能让通信双方共享一个无条件安全密钥，因为量子机制就能保证安全，密钥能在之后用来一次性地加密和解密消息，如何提高QKD系统的安全性以抵御外界的攻击是量子通信技术研究的重要内容。目前，窃听者Eve的攻击可分为：(1)木马攻击，通过保持Bob端到Alice端再到Bob端的信号保持不变，加入一个探测信号，在木马攻击中，窃听者借助量子信道的分接头向Alice端发射一个较弱和短的定时探测脉冲，使它能恰好赶上或接近Bob端向Alice端发送的一个脉冲，以获得Alice端加到脉冲里的相位信息的时刻并发送到Alice端的相位调制器，这样Bob端传给Alice端的信号在Alice端进行调制并传回Bob端就保持未被探测信号影响的状态；(2)“中间人”攻击，即阻挡从Bob端到Alice端再到Bob端的信号并改变，在“中间人”攻击中，Eve在Alice端和Bob端中间放置的装置假装是其中之一，并能在适当的频率和时间上向Alice端发送弱信号来获取相位调制器的设置信息，Eve制出Alice端调制信号的副本传到光纤上，这样Bob端接收到的信号好像是经过认证的。在现有技术中，国外有采用“即插即用”的QKD系统，但此系统由于背向瑞利散射限制了密钥分配速率，往返式的密钥传输方式也无法抵御木马攻击和中间人攻击。
技术实现思路
有鉴于此，本技术的主要目的在于提供一种双向、稳定、安全的改进单光子探测的量子密钥分配系统。为达到上述目的，本技术的技术方案是这样实现的：一种改进单光子探测的量子密钥分配系统，包括Alice端和Bob端，所述的Alice端包括：看门狗探测器，其与光开关相连，用于监控离开或进入Alice端的光信号；光衰减器，其与光开关相连，用于衰减脉冲；相位调制器，其与光衰减器相连，用于对脉冲进行相位调制；反射镜，用于反射通过相位调制器从发射密钥编码站来的辐射脉冲；控制器，其与相位调制器耦合，用于给相位调制器一个初始的门信号来激活相位调制器调制脉冲；光子发射器，其与光衰减器和控制器相连，用于发射光脉冲。-->所述的Bob端包括：激光器，用于发射光脉冲；时分复用/解复用系统，用于接收从激光器发射的脉冲，并把每个脉冲分成两个时分复用脉冲在输出端输出，以及接收从Alice端来的一对时分复用脉冲，并将其合成一个脉冲，在输出端输出；相位调制器，其与时分复用/解复用系统相连，用于对光脉冲进行相位调制；单光子探测器，其与时分复用/解复用系统相连，用于监控离开或进入Bob端的光脉冲；控制器，其与相位调制器耦合，用于给相位调制器一个初始的门信号来激活相位调制器调制脉冲；光开关，其与相位调制器相连；反射镜，其与光开关相连，用于反射通过相位调制器从发射密钥编码站来的辐射脉冲。所述的看门狗探测器为升频单光子探测器。所述的单光子探测器为Si-APD、Ge-APD或InGaAs-APD。本技术相对于现有技术具有以下突出的实质性特点和显著的进步：1、实现双向、稳定、安全的量子密钥分发，优于单向量子密钥分配系统，可对单光子的极化和相位变化进行自动补偿，达到稳定长距离的传输目的。2、将升频单光子探测器用于Alice端作为看门狗，一方面，通过测量到达或离开Alice端的弱脉冲个数，可探测到木马攻击和中间人攻击，极大地提升了通讯安全性；另一方面，极大地提升了系统的通信速率和通信距离。3、Alice端和Bob端可分别调整和校正，能独立选择μ，不用借助在不安全光纤线路上传播光子，以保证系统安全。附图说明图1为本技术的系统结构图；图2为应用升频探测器的理想通信模型；图3为升频探测器的暗计数和泵浦的变化关系；图4为升频探测器量子效率随泵浦功率的变化关系。具体实施方式如图1所示，本技术包括Alice端和Bob端，所述的Alice端包括：看门狗探测器21，其与光开关20相连，用于监控离开或进入Alice端的光信号；光衰减器24，其与光开关20相连，用于衰减脉冲；相位调制器23，其与光衰减器24相连，用于对脉冲进行相位调制；反射镜22，用于反射通过相位调制器23从发射密钥编码站来的辐射脉冲；控制器25，其与相位调制器23耦合，用于给相位调制器23一个初始的门信号来激活相位调制器23调制脉冲；光子发射器26，其与光衰减器24和控制器25相连，用于发射光脉冲。所述的Bob端包括：激光器10，用于发射激光脉冲；时分复用/解复用系统18，用于接收从激光器10发射的脉冲，并把每个脉冲分成两个时分复用脉冲在输出端输出，以及-->接收从Alice端来的一对时分复用脉冲，并将其合成一个脉冲，在输出端输出；相位调制器13，其与时分复用/解复用系统18相连，用于对光脉冲进行相位调制；单光子探测器15，其与时分复用/解复用系统18相连，用于监控离开或进入Bob端的光脉冲；控制器16，其与相位调制器13耦合，用于给相位调制器13一个初始的门信号来激活相位调制器13调制脉冲；光开关12，其与相位调制器13相连；反射镜14，其与光开关12相连，用于反射通过相位调制器13从发射密钥编码站来的辐射脉冲。激光器发射激光，激光经输入端耦合进入时分复用/解复用系统，分成两个分离的光脉冲，两个脉冲P1、P2强度不同，然后进入相位调制器，脉冲通过光纤传到Alice端的光衰减器，光衰减器可对信号进行衰减，然后通过相位调制器，再被反射镜反射传回第二次通过相位调制器；在P1和P2通过相位调制器时，P1脉冲被调制，这要借助控制器在脉冲通过相位调制器时的短时间内发送一个定时门信号来驱动相位调制器，脉冲P1和P2经衰减器传回并偏转到看门狗探测器；当Bob端和Alice端在建立量子密钥期间初始化弱脉冲交换时，看门狗探测器来统计从Bob端传到Alice端的脉冲数和离开Alice端到Bob端的脉冲数，此计数在相位调制器调制脉冲P1开始。当光开关作为分光器时，脉冲P1和P2的10％直接传到看门狗探测器，此时可测量单位时间内到达Alice端的脉冲数，实际中，离开Alice端的脉冲数也被记下来，这样，看门狗探测器可检验进出Alice端的光子数是否泊松统计分布。Bob端的控制器16与Alice端的控制器25通过电或光进行连接来保证双方之间的同步性。如：当密钥在双方之间进行交换时，双方的相位调制器13和23，单光子探测器15和看门狗探测器21是通过一个门信号用控制器进行协调的。脉冲被时分复用/解复用系统18分为两个分离的光脉冲P1、P2通过Alice端的控制器25给相位调制器一个信号S1来调制P1的相位，同时也给看门狗探测器21一个门信号Sd，通过定时信号Sd来驱动看门狗探测器21，这样本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种改进单光子探测的量子密钥分配系统，包括Alice端和Bob端，其特征在于：所述的Alice端包括：看门狗探测器(21)，其与光开关(20)相连，用于监控离开或进Alice端的光信号；光衰减器(24)，其与光开关(20)相连，用于衰减脉冲；相位调制器(23)，其与光衰减器(24)相连，用于对脉冲进行相位调制；反射镜(22)，用于反射通过相位调制器(23)从发射密钥编码站来的辐射脉冲；控制器(25)，其与相位调制器(23)耦合，用于给相位调制器(23)一个初始的门信号来激活相位调制器(23)调制脉冲；光子发射器(26)，其与光衰减器(24)和控制器(25)相连，用于发射光脉冲；所述的Bob端包括：激光器(10)，用于发射激光脉冲；时分复用/解复用系统(18)，用于接收从激光器(10)发射的脉冲，并把每个脉冲分成两个时分复用脉冲在输出端输出，以及接收从Alice端来的一对时分复用脉冲，并将其合成一个脉冲，在输出端输出；相位调制器(13)，其与时分复用/解复用系统(18)相连，用于对光脉冲进行相位调制；单光子探测器(15)，其与时分复用/解复用系统(18)相连，用于监控离开或进入Bob端的光脉冲；控制器(16)，其与相位调制器(13)耦合，用于给相位调制器(13)一个初始的门信号来激活相位调制器(13)调制脉冲；光开关(12)，其与相位调制器(13)相连；反射镜(14)，其与光开关(12)相连，用于反射通过相位调制器(13)从发射密钥编码站来的辐射脉冲。...

【技术特征摘要】
1.一种改进单光子探测的量子密钥分配系统，包括Alice端和Bob端，其特征在于：所述的Alice端包括：看门狗探测器(21)，其与光开关(20)相连，用于监控离开或进Alice端的光信号；光衰减器(24)，其与光开关(20)相连，用于衰减脉冲；相位调制器(23)，其与光衰减器(24)相连，用于对脉冲进行相位调制；反射镜(22)，用于反射通过相位调制器(23)从发射密钥编码站来的辐射脉冲；控制器(25)，其与相位调制器(23)耦合，用于给相位调制器(23)一个初始的门信号来激活相位调制器(23)调制脉冲；光子发射器(26)，其与光衰减器(24)和控制器(25)相连，用于发射光脉冲；所述的Bob端包括：激光器(10)，用于发射激光脉冲；时分复用/解复用系统(18)，用于接收从激光器(10)发射的脉冲，并把每个脉冲分成两个时分复用脉冲在输出端输出，以及接收从Ali...

【专利技术属性】
技术研发人员：焦荣珍，马海强，韩清瑶，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：新型
国别省市：北京;11