一种量子密钥分发系统技术方案

本实用新型专利技术提供了一种量子密钥分发系统，包括：发送装置和接收装置；发送装置，向接收装置随机发送预先约定的三种量子态以及所发送的各个量子态的测量基信息；根据所送的各个量子态和接收到的测量基信息进行参数估计，得到误码率；当误码率不大于预设阈值时，进行纠错并进行隐私放大，得到密钥；接收装置随机使用两组测量基中的一组测量基对接收的量子态进行测量，得到测量结果；将所使用的测量基信息发送给接收装置，并根据测量结果和接收到的测量基信息进行参数估计，得到误码率；当误码率不大于预设阈值时，进行纠错并进行隐私放大，得到密钥。应用本实用新型专利技术可以只需使用三种量子态即可进行安全的量子密钥分发，降低了设备成本，提高了密钥率。

Quantum key distribution system

The utility model provides a quantum key distribution system, including: a transmitting device and a receiving device; transmitting device, measuring base information of each quantum state of three quantum state to the receiving device randomly send pre agreed and sent; according to the parameters of each quantum state to send and receive the information measurement based estimates and the bit error rate; when the error rate is not greater than a preset threshold, error correction and privacy amplification, get the key; the measurements of quantum states received a set of measurement based receiver randomly used two groups of measured medium, the result of measurement; measurement based information will be used by the sending to the receiving device, and according to the measurement results and the parameters of the received measurement based information estimation, bit error rate; when the error rate is not greater than a preset threshold, error correction and privacy amplification, Get key. When the utility model is used, only three kinds of quantum states can be used to ensure the security of the quantum key distribution, and the cost of the device is reduced.

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及量子信息
，尤其涉及一种量子密钥分发系统。
技术介绍
随着互联网技术的蓬勃发展，通讯安全的重要性与日俱增。在众多场合下，通讯双方希望在利用公共信道的情况下进行保密通讯。例如，当用户向网上银行提交账号和密码的时候，用户希望这些信息在传递过程中是保密的，即任何第三方都无法窃听。当前广泛使用的加密方法是公钥加密算法。此类算法基于某些数学问题的算法复杂度，随着科技的发展，他们的安全性受到威胁。因此，我们亟需开发更加安全可靠的加密方法。量子密钥分发技术是基于量子力学特性的全新的密钥分发方案，是量子信息技术中最有应用前景的技术之一。该技术借用公共信道使得通讯双方之间共享安全的随机密钥。结合一次一密的加密方法，共享的随机密钥可以用来对通讯中的信息进行加密，从而保证通讯安全。量子密钥分发的安全性基于物理学基本原理，因此是信息论安全的。目前，现有技术中已经提供了一些商用的量子密钥分发系统，这些系统大部分基于BB84协议。系统分为发送装置和接收装置。在BB84协议中，用来传输密钥的量子信号源是单光子，其所需传输的密钥信息是编码在单光子的偏振态(或极化方向)上的。发送装置将信息编码在四种不同的量子态|0>、|1>、|+>、|->上。在硬件层面上，上述四种量子态可以由光子的不同自由度来编码实现。例如，在使用偏振编码时，可以选择沿水平方向、垂直方向、45°以及135°方向的线性偏振的单光子作为量子信息的载体，处于上述四种方向的偏振状态的单光子可以分别用|0>、|1>、|+>、|->等四个量子态来表示；同理，在使用相位编码时，可以用光子两个相干波包之间的四个相位值来代表四种量子态|0>、|1>、|+>、|->。其中，在上述的四种量子态中，|0>和|1>相互正交，因此可组成一组测量基，称之为直测量基(简称Z基，下同)，|0>态和|1>态是Z基的两个本征态；|+>和|->也相互正交，因此可组成另一组测量基，称之为斜测量基(简称X基，下同)，|+>态和|->态是X基的两个本征态。上述的四种量子态之间的关系如下：为了传输经典信息，BB84协议将一个光子制备在上述的四个量子态上，并约定每个量子态所代表的编码信息。例如，在BB84协议中，通过光的偏振，从而对光子进行编码，以等概率随机编码在Z基和X基上。发送方随机产生一串由0、1比特组成的数串，当选择在Z基下进行编码时，发送方将0编码成|0>，将1编码成|1>；而当选择在X基下进行编码时，发送方将0编码成|+>，将1编码成|->。然后，发送方通过量子信道将上述的量子态发送给接收方，接收方以等概率使用X基或Z基测量从发送方发出的量子态；接着，发送方和接收方在被鉴定的经典信道中公布各自在进行编码或测量时所选择使用的测量基，从而筛选出双方选择了相同的测量基进行编码或测量时的编码数据，作为所传输的密钥信息。因此，在执行上述BB84协议时，发送装置需要对上述四种量子态进行随机发射。为此，硬件实现上一般有两种方法：一种是采用一台激光器，并对其发射出来的光进行(偏振、相位等自由度)快速调制；另一种是使用四台激光器(如图1所示)，每台激光器固定发送一种量子态，配合一个光开关将四路光复用到一个信道上。实用密钥分发系统的一个重要性能参数是发送装置的发射速率。一般来说，发射速率越高，系统最终密钥率越高。然而，现有技术中的量子密钥分发系统需要随机发送四种量子态。如前所示，发送装置若使用一台激光器的方案，则系统对调制部件的调制速率要求较高；若使用多台激光器的方案，则系统对激光器数量以及光开关的速率要求较高。因此可知，现有技术中的上述两种方法中，由于使用了四种量子态，因此发射端的成本较高，系统最终密钥率较低。
技术实现思路
有鉴于此，本技术提供了一种量子密钥分发系统，从而只需使用三种量子态即可进行安全的量子密钥分发，降低了设备成本，提高了密钥率。本技术的技术方案具体是这样实现的：一种量子密钥分发系统，该系统包括：发送装置和接收装置；所述发送装置和接收装置通过传输信道连接；所述发送装置，用于向接收装置随机发送预先约定的三种量子态；还用于将所发送的各个量子态的测量基信息发送给接收装置；还用于根据所发送的各个量子态和接收到的测量基信息进行参数估计，得到误码率；当误码率不大于预设阈值时，进行纠错并进行隐私放大，得到密钥；其中，所述预先约定的三种量子态为从属于两组不同测量基的四种量子态中任意选择的三种量子态，并预先对所选择的三种量子态进行编码，且在所选择的三种量子态中，将属于同一组测量基的两个量子态所对应的编码作为原始密钥信息，将另一个量子态所对应的编码作为参数估计信息；所述接收装置，用于随机使用两组测量基中的一组测量基对所接收的量子态进行测量，得到测量结果；还用于将对所接收的量子态所使用的测量基信息发送给接收装置，并根据测量结果和接收到的测量基信息进行参数估计，得到误码率；当误码率不大于预设阈值时，进行纠错并进行隐私放大，得到密钥。较佳的，所述发送装置包括：第一控制器、激光器和调制器；所述接收装置包括：单光子探测单元和第二控制器；所述第一控制器的信号输出端与激光器连接；所述激光器的输出端与调制器连接；所述调制器的输出端通过传输信道与单光子探测单元连接；所述单光子探测单元的输出端与第二控制器连接；所述第一控制器的同步信号端与第二控制器的同步信号端连接；所述第一控制器通过发送控制信号控制激光器输出单光子；还用于将调制器所发送的各个量子态的测量基信息发送给第二控制器；还用于根据调制器所发送的各个量子态和接收到的测量基信息进行参数估计，得到误码率；当误码率不大于预设阈值时，进行纠错并进行隐私放大，得到密钥；所述激光器用于根据控制信号向所述调制器输出单光子；所述调制器用于将接收到的单光子随机调制成预先约定的三种量子态，并将调制后的量子态通过传输信道传输给单光子探测单元，并同时将所发送的量子态发送给第一控制器；所述单光子探测单元随机使用两组测量基中的一组测量基对所接收的量子态进行测量，得到测量结果，并将测量结果和对所接收的量子态所使用的测量基信息发送给第二控制器；所述第二控制器，用于将对所接收的量子态所使用的测量基信息发送给第一控制器，还用于根据测量结果和接收到的测量基信息进行参数估计，得到误码率；当误码率不大于预设阈值时，进行纠错并进行隐私放大，得到密钥。较佳的，所述发送装置包括：第一控制器、第一激光器、第二激光器、第三激光器和调制器；所述接收装置包括：单光子探测单元和第二控制器；所述第一控制器的信号输出端分别与第一激光器、第二激光器和第三激光器连接；所述第一激光器、第二激光器和第三激光器的输出端均与调制器连接；所述调制器的输出端通过传输信道与单光子探测单元连接；所述单光子探测单元的输出端与第二控制器连接；所述第一控制器的同步信号端与第二控制器的同步信号端连接；所述第一控制器通过发送控制信号控制第一激光器、第二激光器或第三激光器输出具有确定量子态的单光子；还用于将调制器所发送的各个量子态的测量基信息发送给第二控制器；还用于根据调制器所发送的各个量子态和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种量子密钥分发系统，其特征在于，该系统包括：发送装置和接收装置；所述发送装置和接收装置通过传输信道连接；所述发送装置，用于向接收装置随机发送预先约定的三种量子态；还用于将所发送的各个量子态的测量基信息发送给接收装置；还用于根据所发送的各个量子态和接收到的测量基信息进行参数估计，得到误码率；当误码率不大于预设阈值时，进行纠错并进行隐私放大，得到密钥；其中，所述预先约定的三种量子态为从属于两组不同测量基的四种量子态中任意选择的三种量子态，并预先对所选择的三种量子态进行编码，且在所选择的三种量子态中，将属于同一组测量基的两个量子态所对应的编码作为原始密钥信息，将另一个量子态所对应的编码作为参数估计信息；所述接收装置，用于随机使用两组测量基中的一组测量基对所接收的量子态进行测量，得到测量结果；还用于将对所接收的量子态所使用的测量基信息发送给接收装置，并根据测量结果和接收到的测量基信息进行参数估计，得到误码率；当误码率不大于预设阈值时，进行纠错并进行隐私放大，得到密钥。

【技术特征摘要】
1.一种量子密钥分发系统，其特征在于，该系统包括：发送装置和接收装置；所述发送装置和接收装置通过传输信道连接；所述发送装置，用于向接收装置随机发送预先约定的三种量子态；还用于将所发送的各个量子态的测量基信息发送给接收装置；还用于根据所发送的各个量子态和接收到的测量基信息进行参数估计，得到误码率；当误码率不大于预设阈值时，进行纠错并进行隐私放大，得到密钥；其中，所述预先约定的三种量子态为从属于两组不同测量基的四种量子态中任意选择的三种量子态，并预先对所选择的三种量子态进行编码，且在所选择的三种量子态中，将属于同一组测量基的两个量子态所对应的编码作为原始密钥信息，将另一个量子态所对应的编码作为参数估计信息；所述接收装置，用于随机使用两组测量基中的一组测量基对所接收的量子态进行测量，得到测量结果；还用于将对所接收的量子态所使用的测量基信息发送给接收装置，并根据测量结果和接收到的测量基信息进行参数估计，得到误码率；当误码率不大于预设阈值时，进行纠错并进行隐私放大，得到密钥。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述发送装置包括：第一控制器、激光器和调制器；所述接收装置包括：单光子探测单元和第二控制器；所述第一控制器的信号输出端与激光器连接；所述激光器的输出端与调制器连接；所述调制器的输出端通过传输信道与单光子探测单元连接；所述单光子探测单元的输出端与第二控制器连接；所述第一控制器的同步信号端与第二控制器的同步信号端连接；所述第一控制器通过发送控制信号控制激光器输出单光子；还用于将调制器所发送的各个量子态的测量基信息发送给第二控制器；还用于根据调制器所发送的各个量子态和接收到的测量基信息进行参数估计，得到误码率；当误码率不大于预设阈值时，进行纠错并进行隐私放大，得到密钥；所述激光器用于根据控制信号向所述调制器输出单光子；所述调制器用于将接收到的单光子随机调制成预先约定的三种量子态，并将调制后的量子态通过传输信道传输给单光子探测单元，并同时将所发送的量子态发送给第一控制器；所述单光子探测单元随机使用两组测量基中的一组测量基对所接收的量子态进行测量，得到测量结果，并将测量结果和对所接收的量子态所使用的测量基信息发送给第二控制器...

【专利技术属性】
技术研发人员：马雄峰，马家骏，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：新型
国别省市：北京;11