一种多用户测量设备无关量子密钥分发系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种多用户测量设备无关量子密钥分发系统及方法，包括多个用户端和中间测量单元；多个用户端的激光器发出脉冲激光经过偏振调制器，随机加载水平，垂直，+45度和‑45度偏振光脉冲，经强度调制器后加入诱骗态成分，然后经过可调衰减器精密衰减为平均光子数小于1的弱相干激光脉冲。中间的测量单元对多个用户端经由量子信道传输的信号进行测量，根据所有用户的联合偏振量子态有不同的结果输出，中间的测量单元宣布测量结果，多个用户端根据测量结果在本地生成密钥。本发明专利技术可使多方同时产生相同的密钥，且容易拓展，采用的结构简单，所用元器件成熟，操作简单，传输稳定。

A multi user measurement device independent quantum key distribution system and method

The invention discloses a multi user measurement device independent quantum key distribution system and method, including a plurality of user ends and intermediate measurement units. The laser emitted by a laser from multiple users is transmitted through a polarization modulator, and the horizontal, vertical, +45 degree and 45 degree polarization light pulses are randomly loaded. The intensity modulator is added to the decoy after the intensity modulator. The state component is then attenuated by an attenuator to a weakly coherent laser pulse whose average photon number is less than 1. The intermediate measuring unit measured the signals transmitted by the quantum channel at multiple users. According to the different results of the combined polarization state of all users, the measurement unit in the middle announced the measurement results, and the multiple users generated the key locally according to the measurement results. The invention can make multiple parties produce the same key at the same time, and is easy to expand. The structure is simple, the components used are mature, the operation is simple, and the transmission is stable.

【技术实现步骤摘要】
一种多用户测量设备无关量子密钥分发系统及方法
本专利技术涉及量子信息以及光通信
，具体是一种多用户测量设备无关量子密钥分发系统及方法。
技术介绍
量子密钥分发(QuantumKeyDistribution,QKD)是20世纪80年代基于量子力学和信息论发展起来的一门新兴密码产生方式，能以绝对安全的方式让处于不同位置的合法参与者分享密钥，对于当前来说点对点的量子密钥分发已经日趋成熟，常用的协议有BB84协议、B92协议、EPR协议等，1984年由Bennett提出的BB84协议采用两个完全相同的非等臂M-Z干涉仪作为编码器和解码器，这种编码方式由于光纤的拉伸与弯曲使得光子偏振态产生变化使得工作不够稳定，其操作又比较复杂。1992年在BB84基础上进行简化而来的B92协议虽然操作简单但是成码率较低，所产生的数位串中仅有25％是有效的。而EPR协议需要比较完美的纠缠源，目前主要采用的自发参量下转换光路复杂，成本昂贵。另外CHSH不等式的判断是非常精细的操作，对器件的精度要求很高，而纠缠态在光纤中的传输面临着损耗的问题，单光子探测器存在噪声、暗计数等等，这些因素很大程度上都会对最终的测量结果有影响。2002年首次提出的DPS(DifferentialPhaseShift)，即差分量子密钥分发协议，是利用两个连续光子的相位差传递密钥信息，因此使得信息具有连续性，并且在光纤传输中前后两个脉冲所受到外界的影响几乎一致，具有更强的抗干扰性。针对上述的提出的QKD方案，攻击者也研究不同的攻击方案对QKD进行攻击典型的有探测效率不匹配攻击、时移攻击和光子数分裂攻击(PNS)等，上述方案均无法解决针对单光子探测器端的攻击。2012年罗开广等人提出测量设备无关量子密钥分发协议，它能消除因单光子探测器不完美带来的漏洞，结合诱骗态协议，可利用经典器件完成密钥生成和长距离的安全通信。目前针对测量设备无关量子密钥分发协议的研究主要集中在优化性能，提高稳定性和多用户的方面。近期关于多用户的研究内容也逐步开展，如利用GHZ(Greenberger-Horne-Zeilinger)态进行三方通信的方案和模拟，利用W态进行的基于时间路径纠缠的测量设备无关方案。以上方案与基于波分复用量子密钥分发方案的显著区别是，基于波分复用方案的量子密钥分发本质上是点对点量子密钥分发，多用户量子密钥分发的方案可以使参与者同时产生密钥，从而每个参与者都能共享相同的密钥，本专利技术提出的多用户量子密钥分发方案，以更加简单的系统结构产生多用户共享的量子密钥。GHZ态是一种典型的处于最大纠缠的多粒子纠缠态，在多用户通信中有重要的潜在的应用。GHZ态可有如下式描述：式中和其中i＝1,2和3，分别代表态矢量，|H>和|V>分别代表光子的水平和垂直偏振态，表示归一化常数，下标0、1、2···n代表第几个光子与其余光子偏振态的不同。1998年潘建伟提出的GHZ态测量单元可以应用于测量设备无关量子密钥分发协议中作为测量单元完成量子密钥的测量和分发。本专利技术提出的方案以更加精简的光路，更少的单光子探测器，实现更高效率与码率的多用户量子密钥分发。结合诱骗态协议，即使用强度不同的脉冲信号来检测窃听者Eve的存在与否，可使得本专利技术提出的方案可以抵御探测器端和光子数分裂等攻击。目前提出的多用户测量设备无关量子密钥分发结构复杂，成本高昂，而且成码率相对较低稳定性与可靠性较低。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种多用户测量设备无关量子密钥分发系统，该系统将不同用户用脉冲激光器、强度调制器、偏振调制器和可调衰减器产生的光子数小于1的，包含诱骗态的弱相干激光脉冲发送到中间的测量单元，中间测量单元对三方发送的偏振态进行测量，中间测量单元根据测量结果公布单探测器的响应情况，N个用户根据响应情况随即在本地产生密钥。专利技术的又一目的是提出一种多用户测量设备无关量子密钥分发方法，不可信的中间测量单元，可以有效的避免针对单光子探测器端的攻击。为达到上述目的，本专利技术是这样实现的：一种多用户测量设备无关量子密钥分发系统，包括N个用户端，即User-1，User-2和User-3·······User-n用户端和中间测量单元，所述N个用户端分别通过量子信道和中间测量单元连接，其中：所述N个用户端均包括脉冲激光器、偏振调制器、强度调制器和可调衰减器，其中所述脉冲激光器选择在通信波段的脉冲激光器；所述偏振调制器可随机的将脉冲光调制成水平，垂直，+45度或45度偏振态；所述强度调制器用于产生诱骗态光子，强度调制器可精确触发与控制；所述可调衰减器可精确控制，将脉冲平均光子数衰减至小于1的水平；所述中间测量单元包括第一偏振分束器、第二偏振分束器······第N-1偏振分束器和N个单光子探测器,所述第一偏振分束器，第二偏振分束器······和第N-1偏振分束器依次连接；所述第一偏振分束器、第二偏振分束器······第N-1偏振分束器均采用四端口偏振分束器，可以透射水平偏振态，反射垂直偏振态。所述N个用户端的脉冲激光器分别发出脉冲激光，进入到对应的偏振调制器中，依据随机产生的比特位分别把脉冲激光随机调制成水平、垂直、+45度或-45度偏振脉冲激光，再经过强度调制器分别调制诱骗态，再经过可调衰减器衰减成为平均光子数小于1的脉冲激光，然后发送到中间测量单元进行检测；N个用户端输出的小于1的脉冲激光进入到中间测量单元的第一偏振分束器、第二偏振分束器······第N-1偏振分束器中，所述第一偏振分束器、第二偏振分束器······第N-1偏振分束器对多用户端输入的水平或垂直偏振态组成的联合量子态的变换，N个单光子探测器根据输入的量子态做出响应：若N个单光子探测器均有响应，且N个用户端选择的基为水平或垂直组成的Z基矢，判定N个用户端发送的脉冲激光偏振态均相同，此时N个用户端各自直接保留比特位，根据保留的比特位直接生成密钥；若N个单光子探测器中有任意N-1个响应，且N个用户端选择的基为水平或垂直组成的Z基矢，判定N个用户端中有m(m<N，m为正整数)个用户端发送的偏振态与其他N-m个用户端发送的偏振态不同，即那么N方其中m个发送水平(垂直)偏振态，另外N-m个发送垂直(水平)偏振态。那么其中m个或N-m个进行一次比特反转(即把“0”变为“1”或者把“1”“0”)就可以保证多用户的密钥完全一致，得到的比特位为生成的密钥；若小于N-1个单光子探测器或者无单光子探测器响应，则视为此次通信无效。具体地，成码的光子偏振态包括水平偏振态和垂直偏振态，而编码的偏振态包含水平、垂直、+45度或-45度偏振态，+45度或-45度可用作检测误码率，其中，用户端发出随机生成的比特位的过程叫编码过程，最后保留的比特位的过程叫成码过程。具体地，所述比特位包括“0”和“1”，比特位的反转表示“0”和“1”之间的相互转换。所述N个用户端分别为结构相同的User-1端、所述User-2端、User-3端……和User-n端，其中：所述User-1端的可调衰减器和User-2端的可调衰减器分别与第一偏振分束器连接，所述User-3端可调衰减器与第二偏振分束器连接······,以此类推，所述第User本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多用户测量设备无关量子密钥分发系统，包括多个用户端和中间测量单元，其特征在于，所述多个用户端分别通过量子信道和中间测量单元连接，其中：所述多个用户端均包括脉冲激光器、偏振调制器、强度调制器和可调衰减器；所述中间测量单元包括第一偏振分束器、第二偏振分束器······第N‑1偏振分束器和N个单光子探测器；所述第一偏振分束器，第二偏振分束器······和第N‑1偏振分束器依次连接；所述多个用户端的脉冲激光器分别发出脉冲激光，进入到对应的偏振调制器中，依据随机产生的比特位分别把脉冲激光随机调制成水平、垂直、+45度或‑45度偏振脉冲激光，再经过强度调制器把偏振脉冲激光分别调制成诱骗态和信号态，再经过可调衰减器衰减成为平均光子数小于1的脉冲激光，然后发送到中间测量单元进行检测；多个用户端输出的小于1的脉冲激光分别进入到中间测量单元的第一偏振分束器，第二偏振分束器······第N‑1偏振分束器，所述第一偏振分束器，第二偏振分束器······第N‑1偏振分束器对多个用户端输入的水平或垂直偏振态组成的联合量子态的进行变换，N个单光子探测器根据输入的量子态做出响应：当所有用户均选择由水平和垂直偏振态组成的Z基矢时，若N个单光子探测器均有响应，判定所有用户端发送的脉冲激光偏振态均相同，此时N个用户端各自直接保留比特位，根据保留的比特位直接生成密钥；当所有用户均选择由水平和垂直偏振态组成的Z基矢时，若N个单光子探测器中有任意N‑1个响应，判定N个用户端中有m(m...

【技术特征摘要】
1.一种多用户测量设备无关量子密钥分发系统，包括多个用户端和中间测量单元，其特征在于，所述多个用户端分别通过量子信道和中间测量单元连接，其中：所述多个用户端均包括脉冲激光器、偏振调制器、强度调制器和可调衰减器；所述中间测量单元包括第一偏振分束器、第二偏振分束器······第N-1偏振分束器和N个单光子探测器；所述第一偏振分束器，第二偏振分束器······和第N-1偏振分束器依次连接；所述多个用户端的脉冲激光器分别发出脉冲激光，进入到对应的偏振调制器中，依据随机产生的比特位分别把脉冲激光随机调制成水平、垂直、+45度或-45度偏振脉冲激光，再经过强度调制器把偏振脉冲激光分别调制成诱骗态和信号态，再经过可调衰减器衰减成为平均光子数小于1的脉冲激光，然后发送到中间测量单元进行检测；多个用户端输出的小于1的脉冲激光分别进入到中间测量单元的第一偏振分束器，第二偏振分束器······第N-1偏振分束器，所述第一偏振分束器，第二偏振分束器······第N-1偏振分束器对多个用户端输入的水平或垂直偏振态组成的联合量子态的进行变换，N个单光子探测器根据输入的量子态做出响应：当所有用户均选择由水平和垂直偏振态组成的Z基矢时，若N个单光子探测器均有响应，判定所有用户端发送的脉冲激光偏振态均相同，此时N个用户端各自直接保留比特位，根据保留的比特位直接生成密钥；当所有用户均选择由水平和垂直偏振态组成的Z基矢时，若N个单光子探测器中有任意N-1个响应，判定N个用户端中有m(m<N，m为正整数)个用户端发送的偏振态与其他N-m个用户端发送的偏振态不同，那么将发送偏振态不同的m个用户端进行比特反转或者另外N-m个用户端进行比特反转，得到的比特位为生成的密钥；若小于N-1个单光子探测器或者无单光子探测器响应，则视为此次通信无效。2.如权利要求1所述的一种多用户测量设备无关量子密钥分发系统，其特征在于，所述比特位包括“0”和“1”，比特位的反转表示“0”和“1”之间的相互转换。3.如权利要求1所述的一种多用户测量设备无关量子密钥分发系统，其特征在于，所述多个用户端分别为结构相同的User-1端、User-2端、User-3端······User-n端，其中：所述User-1端的可调衰减器和User-2端的可调衰减器分别与第一偏振分束器连接，所述User-3端可调衰减器与第二偏振分束器连接······以此类推，所述User-n端可调衰减器与所述第N-1偏振分束器。4.如权利要求3所述的一种多用户测量设备无关量子密钥分发系统，其特征在于，N个单光子探测器分别为第一单光子探测器，第二单光子探测器，第三单光子探测器······第N光子单探测器，所述第一单光子探测器与所述第一偏振分束器连接，所述第二单光子探测器与所述第二偏振分束器连接······，以此类推，所述第N-2单光子探测...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭邦红，张立涛，胡敏，冉攀，曾涵宇，曾炎颖，何翼龙，
申请(专利权)人：华南师范大学，广东国腾量子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44