一种量子密钥分发系统和方法技术方案

本发明专利技术提供了一种量子密钥分发系统和方法。其中的系统包括：发送端和接收端；所述发送端和接收端之间设置有量子信道和经典信道；所述发送端包括：激光器、第一量子随机数生成器、信号态和诱骗态编码器、相位调制器、第二量子随机数生成器、寄存器、第一收发器和第一量子密钥生成器；所述接收端包括：第一分束器、第二分束器、平移器、第三量子随机数生成器、第一探测器、第二探测器、第二收发器和第二量子密钥生成器。应用本发明专利技术可以降低整个系统对于信号数量的需求，提高系统的成码率，提高量子密钥的传输距离以及密钥生成速率。

【技术实现步骤摘要】
一种量子密钥分发系统和方法
本申请涉及量子通讯
，尤其涉及一种基于诱骗态的量子密钥分发系统和方法。
技术介绍
量子密钥分发(QuantumKeyDistribution,QKD)协议有这非常广泛的应用前景。它目前已经被广泛的应用在需要高级别安全的领域，比如国庆阅兵，全国人民代表大会以及一些银行及政府机构。与经典通信不同，量子密钥分发协议的安全性是由量子力学的基本定律保证的。其中，应用最广泛的就是BB84协议。现有技术中的量子密钥分发协议的安全性是基于海森堡不确定关系，具体来说，就是对于信道的窃听操作将不可避免地对信道中被传输的信号产生干扰。也就是说，如果所传输的信息被窃听了，则通信双方所得到的原始密钥中就会有错误产生。因此，在一个量子密钥分发系统中，可以根据密钥的中错误的多少来估计可能被窃听的信息；然后，再经过后处理，即纠错过程来保证发送端和接受端的密钥是相同的；接着再经过隐私放大操作，将原始密钥中可能被窃听的部分取出抛弃掉，从而最终可以得到安全的密钥。但是，在一个实际应用的系统中，接收端与发送端之间的原始密钥的不相同，往往并不是由于窃听产生的，而是由于设备的不完美以及通信中的噪声而产生的。因此，现有技术中常用的量子密钥分发协议中，通常会过分地高估被窃听的部分，从而导致在具体实现过程中出现当发送端与接收端之间的误码率超过11％时，就无法生成安全密钥。众所周知，在光纤中传输的信号的功率将随距离D的增加而呈指数衰减；同时，由于背景噪声的存在，当进行信号的远距离传输时，总会有一个时刻，背景噪声的强度将与信号的强度是相近的，此时的信号传输的误码率将会很高。因此，由于存在上述误码率的限制，现有技术中的量子密钥分发很难将信号传输到很远的距离。为了解决上述问题，现有技术中提出了一种新的量子密钥分发的协议。在该协议中，由于使用的新的安全性分析方法，使得该协议没有了对于误码率的限制，即使是在误码率接近50％的时候也可以成码。但是，在该协议中，需要L个脉冲(该L个脉冲可统称为一个信号态)共同参与才可以生成一个原始密钥。由于技术原因，脉冲的数量成为了限制该协议的系统性能的最大难点。原因在于：首先，很多个脉冲同时相干对于系统态的制备有着非常高的要求；同时，如果L的数量非常大，则在探测方面，对于延迟变换器件也会有着非常高的要求。另外，当L的数量过大时，如果光源的发送速率一定，则数量L本身对于成码率也会有着一种线性的降低。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种量子密钥分发系统和方法，从而可以降低整个系统对于信号数量的需求，提高系统的成码率，提高量子密钥的传输距离以及密钥生成速率。本专利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：发送端和接收端；所述发送端和接收端之间设置有量子信道和经典信道；所述发送端包括：激光器、第一量子随机数生成器、信号态和诱骗态编码器、相位调制器、第二量子随机数生成器、寄存器、第一收发器和第一量子密钥生成器；所述接收端包括：第一分束器、第二分束器、平移器、第三量子随机数生成器、第一探测器、第二探测器、第二收发器和第二量子密钥生成器；所述激光器与信号态和诱骗态编码器的第一输入端连接；所述第一量子随机数生成器分别与信号态和诱骗态编码器的第二输入端、第一量子密钥生成器和第一收发器连接；所述信号态和诱骗态编码器的输出端与相位调制器的第一输入端连接；所述第二量子随机数生成器分别与相位调制器的第二输入端和寄存器连接；所述相位调制器的输出端通过量子信道与第一分束器的输入端连接；所述第一收发器第一输出端通过经典信道与第二收发器连接；所述第一收发器的第二输出端与所述寄存器连接；所述寄存器的输出端与所述第一量子密钥生成器连接；所述第一分束器将所接收到的脉冲分别通过第一光路和第二光路发送到第二分束器；所述第一光路和第二光路中的至少一个光路上设置有所述平移器；所述第三量子随机数生成器与所述平移器连接；所述第二分束器的第一输出端与第一探测器连接；所述第二分束器的第二输出端与第二探测器连接；所述第一探测器的输出端和所述第二探测器的输出端分别与所述第二量子密钥生成器连接；所述第二量子密钥生成器与所述第二收发器连接。较佳的，所述平移器设置在第一光路上。较佳的，所述平移器设置在第二光路上。较佳的，所述平移器为可控延迟线。较佳的，所述系统还进一步包括：第四量子随机数生成器；所述第四量子随机数生成器与所述激光器连接。较佳的，所述系统还进一步包括：随机开关器；所述随机开关器与所述激光器连接，用于随机开启或关闭所述激光器。本专利技术还提供了一种量子密钥分发方法，该方法包括如下步骤：发送端随机制备N个由L个脉冲组成的量子态，同时为每个量子态都制备一个第一随机二进制数；其中，N和L均为自然数；发送端根据所制备的第一随机二进制数，将所制备的量子态编码为信号态或诱骗态；其中，所述信号态的L个脉冲的总光强大于所述诱骗态的L个脉冲的总光强；发送端制备N个随机二进制序列，每个随机二进制序列中均包括L个第二随机二进制数，并根据所述随机二进制序列中的第二随机二进制数，对每个信号态或诱骗态中的每一个脉冲的相位进行调制，使得同一个信号态或诱骗态中的L个脉冲相对于该信号态或诱骗态的总相位的相位偏移为0或π；发送端将调制后的信息态和诱骗态发给接收端；接收端为接收到的每个信号态或诱骗态都制备一个随机数r；其中，r∈{1-L，2-L，…，-1，1，…，L-1}；接收端使用第一分束器将接收到的每一个信号态或诱骗态都通过第一光路和第二光路发送到第二分束器，所述第一光路和第二光路中的至少一个光路上设置有平移器，所述平移器根据对应的随机数r对其所在光路上的信号态或诱骗态中的脉冲进行平移；第二分束器将所接收到的脉冲分别发送给第一探测器和第二探测器；当第一探测器或第二探测器测量到一个光子时，记录测量结果以及测量结果所对应的两个脉冲在脉冲序列中的位置(i，j)，并将当前的两个脉冲在脉冲序列中的位置(i，j)发送给发送端；发送端和接收端生成原始的量子密钥；发送端和接收端分别对原始密钥进行纠错和隐私放大操作，得到最终的量子密钥。较佳的，所述发送端随机制备N个由L个脉冲组成的量子态包括：生成N个第三随机数，并将所生成的N个第三随机数发送给激光器。所述激光器根据所述N个第三随机数对所生成的N个量子态的总相位进行偏移，并得到所制备的N个量子态。较佳的，所述平移器设置在第一光路或第二光路上。较佳的，所述平移器为可控延迟线。由上述技术方案可见，在现有技术中的量子密钥分发的协议中，由于态的估计并不精确，所以会造成过高估计可能被窃取的信息的问题。而在本专利技术的技术方案中，由于使用了诱骗态进行编码，因此可以精确地估计窃听者Eve可能窃取到的信息，而不用过高估计可能被窃取的信息，从而可以大大降低整个系统对于信号数量L的需求，同时也提高了整个量子密钥分发系统的成码率，提高了量子密钥的传输距离以及密钥生成速率。附图说明图1为本专利技术实施例中的量子密钥分发系统的结构示意图。图2为本专利技术实施例中的量子密钥分发方法的流程图。具体实施方式为使本专利技术的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本专利技术作进一步详细的说明。图1为本专利技术实施例中的量子密钥分发系统的结构示意图。如图1所示，本本文档来自技高网...

【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：发送端和接收端；所述发送端和接收端之间设置有量子信道和经典信道；所述发送端包括：激光器、第一量子随机数生成器、信号态和诱骗态编码器、相位调制器、第二量子随机数生成器、寄存器、第一收发器和第一量子密钥生成器；所述接收端包括：第一分束器、第二分束器、平移器、第三量子随机数生成器、第一探测器、第二探测器、第二收发器和第二量子密钥生成器；所述激光器与信号态和诱骗态编码器的第一输入端连接；所述第一量子随机数生成器分别与信号态和诱骗态编码器的第二输入端、第一量子密钥生成器和第一收发器连接；所述信号态和诱骗态编码器的输出端与相位调制器的第一输入端连接；所述第二量子随机数生成器分别与相位调制器的第二输入端和寄存器连接；所述相位调制器的输出端通过量子信道与第一分束器的输入端连接；所述第一收发器第一输出端通过经典信道与第二收发器连接；所述第一收发器的第二输出端与所述寄存器连接；所述寄存器的输出端与所述第一量子密钥生成器连接；所述第一分束器将所接收到的脉冲分别通过第一光路和第二光路发送到第二分束器；所述第一光路和第二光路中的至少一个光路上设置有所述平移器；所述第三量子随机数生成器与所述平移器连接；所述第二分束器的第一输出端与第一探测器连接；所述第二分束器的第二输出端与第二探测器连接；所述第一探测器的输出端和所述第二探测器的输出端分别与所述第二量子密钥生成器连接；所述第二量子密钥生成器与所述第二收发器连接。...

【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：发送端和接收端；所述发送端和接收端之间设置有量子信道和经典信道；所述发送端包括：激光器、第一量子随机数生成器、信号态和诱骗态编码器、相位调制器、第二量子随机数生成器、寄存器、第一收发器和第一量子密钥生成器；所述接收端包括：第一分束器、第二分束器、平移器、第三量子随机数生成器、第一探测器、第二探测器、第二收发器和第二量子密钥生成器；所述激光器与信号态和诱骗态编码器的第一输入端连接；所述第一量子随机数生成器分别与信号态和诱骗态编码器的第二输入端、第一量子密钥生成器和第一收发器连接；所述信号态和诱骗态编码器的输出端与相位调制器的第一输入端连接；所述第二量子随机数生成器分别与相位调制器的第二输入端和寄存器连接；所述相位调制器的输出端通过量子信道与第一分束器的输入端连接；所述第一收发器第一输出端通过经典信道与第二收发器连接；所述第一收发器的第二输出端与所述寄存器连接；所述寄存器的输出端与所述第一量子密钥生成器连接；所述第一分束器将所接收到的脉冲分别通过第一光路和第二光路发送到第二分束器；所述第一光路和第二光路中的至少一个光路上设置有所述平移器；所述第三量子随机数生成器与所述平移器连接；所述第二分束器的第一输出端与第一探测器连接；所述第二分束器的第二输出端与第二探测器连接；所述第一探测器的输出端和所述第二探测器的输出端分别与所述第二量子密钥生成器连接；所述第二量子密钥生成器与所述第二收发器连接。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述平移器设置在第一光路上。3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述平移器设置在第二光路上。4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述平移器为可控延迟线。5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还进一步包括：第四量子随机数生成器；所述第四量子随机数生成器与所述激光器连接。6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还进一步包括：随机开关器；所述随机开关器与所述激光器连接，用于随...

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