基于少模光纤模式复用的互备份量子密钥分发系统及方法技术方案

一种基于少模光纤模式复用的互备份量子密钥分发系统及方法，基于少模光纤模式复用的互备份量子密钥分发方案，其思想是在同一光纤中同时传输量子密钥信息和它的一路备份信息，使得其中一路丢失信号光子的情况下可以从另一路信号中得到所缺信号光子，实现互为备份，降低量子密钥分发的误比特率。此方案可以解决“带宽危机”，还可以有效保持信号间的正交性，提高信号隔离度，有效降低QKD的误比特率，因此，可以用于实现后期大容量、低损伤、长距离量子保密通信组网的潜力。

Mutual Backup Quantum Key Distribution System and Method Based on Few-Mode Optical Fiber Mode Multiplexing

【技术实现步骤摘要】
基于少模光纤模式复用的互备份量子密钥分发系统及方法
本专利技术属于量子通信
，具体涉及一种基于少模光纤模式复用的互备份量子密钥分发系统及方法。
技术介绍
自1984年Bennett和Brassard提出量子密钥分发(Quantumkeydistribution,QKD)的概念以来[1]，BB84等大量QKD协议被提出[2-3]，其安全性得到充分的证明[4]，基于QKD协议的量子保密通信得到广泛关注和深入研究。目前的量子保密通信系统基本都是单独占用一根光纤传输量子信号，为的是避开经典信号对量子信号的干扰。为有效降低敷设光纤带来的高昂成本，并充分提高现有光纤的利用率，研究人员考虑采用量子-经典信号同在一根光纤中传输的方案，通过波分复用(Wavelengthdivisionmultiplexing,WDM)使量子信号与经典光信号在同一光纤中传输[5-6]。由于量子信号为单光子信号，在传输时容易受到单模光纤(Single-modefiber,SMF)中非线性效应的影响，且由于波分复用器隔离度有限，经典光信号和量子信号间存在串扰，对量子信号的传输质量造成极大损伤。同时，随着大数据时代的到来，经典光信号业务量急剧增加，单模光纤的传输容量无法满足下一代光网络的要求[7]。近年来，基于少模光纤模式复用(Modedivisionmultiplexing,MDM)的传输方案被认为是解决“带宽危机”的理想选择[8]。2013年，Roland.Ryf等人进行了两次模分复用的实验，两次实验分别使用了6模式和12模式，分别获得了6.5Tbps和24.6Tbps的带宽。2015年，贝尔实验室利用9个不同线偏振模式以及它们的简并模式，在22.8km的传输距离上获得了43.63bit/(s*Hz)的频谱效率。2017年，Roland.Ryf等人成功实现了模式复用后经少模光纤传输10km的4线偏振模式复用系统，其QPSK信号的探测在2.802km距离上数据速率为1002Gbps。少模光纤的结构特点使得其相比单模光纤具有更低的非线性损伤，模式相互正交也降低了信道间串扰。将其运用于量子保密通信中，对量子弱信号的传输将十分有利。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种基于少模光纤模式复用的互备份量子密钥分发系统及方法，基于少模光纤模式复用的互备份量子密钥分发方案，其思想是在同一光纤中同时传输量子密钥信息和它的一路备份信息，使得其中一路丢失信号光子的情况下可以从另一路信号中得到所缺信号光子，实现互为备份，降低量子密钥分发的误比特率。此方案可以解决“带宽危机”，还可以有效保持信号间的正交性，提高信号隔离度，有效降低QKD的误比特率，因此，可以用于实现后期大容量、低损伤、长距离量子保密通信组网的潜力。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种基于少模光纤模式复用的互备份量子密钥分发系统，包括量子密钥分发数据QKDDaTa1端及量子密钥分发数据QKDDaTa2端，其特征在于，量子密钥分发数据QKDDaTa1及量子密钥分发数据QKDDaTa2两端将信号传输给模式转换器ModeConverter，两路模式转换器ModeConverter将信号传输给模式复用器/解复用器MDM，经过模式复用器/解复用器MDM之后，将信号传输给两路模式转换器ModeConverter，并由两路模式转换器ModeConverter传输给量子密钥分发数据QKDDaTa1及量子密钥分发数据QKDDaTa2。一种基于少模光纤模式复用的互备份量子密钥分发系统的分发方法，基本原理如下：1)为了降低传输过程中双折射效应及偏振模色散的影响，增加量子保密通信系统的稳定性，QKD采用的是相位编码方案中的双不等臂马赫-曾德尔(Mach-Zender)干涉仪方法；2)根据相位编码QKD的双不等臂马赫-曾德尔干涉仪方法，Alice将四种不同相位分为两组编码基，分别是P1:[0,π]和P2:[π/2,3π/2]；3)根据0或π/2对应比特0、π或3π/2对应比特1的规则随机地从两个基编码基中选择相位进行编码，而Bob则从0和π/2中随机选择一个相位进行匹配，其中0只能正确解出Alice中编码所用的P1基，π/2只能正确解出Alice中编码所用P2基；4)在两个马赫-曾德尔干涉仪长短臂差值相等的情况下，可以直接通过Alice和Bob所用相位的差值来判断量子密钥，接收机中使用模式观测器观测所接收的线偏振模，使用两个光时域波形观测器观察两个输出端的光脉冲的波形，光频谱分析仪则用来观测频谱，观测两接收端有否发生干涉增长或者干涉相消，并由此得出密钥；若为0，则密钥为0；为π，则密钥为1；为π/2或3π/2，则对基失败，无法协商密钥，放弃该比特。所述的两路QKD数据同时产生，波长相同，为了保证两路信号实时的同步，运用同一线偏振模式的两种简并模式来传输信号，简并模是指对应于同一线偏振模的两个模式，其传播常数相同，光场分布垂直，，对于互备份的量子密钥分发而言，要求两路互为备份的信号同步，信息相同，方案选择LP11模式的两个简并模式作为量子信号加载的线偏振模式。本专利技术的有益效果是：本方法可以解决“带宽危机”，还可以有效保持信号间的正交性，提高信号隔离度，有效降低QKD的误比特率，因此，可以用于实现后期大容量、低损伤、长距离量子保密通信组网的潜力。附图说明图1为本专利技术的系统示意图。图2为本专利技术的流程原理图。图3为本专利技术实施例示意图。具体实施方式以下结合实施例对本专利技术进一步叙述。如图1所示，一种基于少模光纤模式复用的互备份量子密钥分发系统，包括量子密钥分发数据QKDDaTa1端及量子密钥分发数据QKDDaTa2端，量子密钥分发数据QKDDaTa1及量子密钥分发数据QKDDaTa2两端将信号传输给模式转换器ModeConverter，两路模式转换器ModeConverter将信号传输给模式复用器/解复用器MDM，经过模式复用器/解复用器MDM之后，将信号传输给两路模式转换器ModeConverter，并由两路模式转换器ModeConverter传输给量子密钥分发数据QKDDaTa1及量子密钥分发数据QKDDaTa2。如图2所示，在Optisystem设计并搭建基于少模光纤模式复用的互备份量子密钥分发模型，两路信号的发送机和接收机结构一致，只有激光源产生信号的线偏振模不同，第一路信号使用LP11a模式，第二路信号使用LP11b模式，所搭建的模型整体如图3所示，少模光纤长度设置为50km，光纤的衰减系数α取值为0.2dB/km，归一化截止频率V的值为3.719。模拟分发次数设为10000次，信号源使用模式脉冲激光源，各信号光源功率选取10dBm(峰峰值功率)，再经20dB衰减模拟量子信号，数据速率设为10Gbit/s，波长均选择光纤中损耗最小的1550nm，量子密钥分发协议采用基于双不等臂马赫-曾德尔(Mach-Zender)干涉仪的相位编码BB84协议，其中不等臂马赫-曾德尔干涉仪由两个3dB耦合器、一个移相器以及两个延时器组成，在接收机中搭建了与发射机组成相同的不等臂马赫-曾德尔干涉仪，发送机和接收机中的移相器根据相位编码BB84协议的规则随机从0、π、π/2和π/2中随机选择相位，接本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于少模光纤模式复用的互备份量子密钥分发系统，包括量子密钥分发数据QKD DaTa 1端及量子密钥分发数据QKD DaTa 2端，其特征在于，量子密钥分发数据QKD DaTa 1及量子密钥分发数据QKD DaTa 2两端将信号传输给模式转换器Mode Converter，两路模式转换器Mode Converter将信号传输给模式复用器/解复用器MDM，经过模式复用器/解复用器MDM之后，将信号传输给两路模式转换器Mode Converter，并由两路模式转换器Mode Converter传输给量子密钥分发数据QKD DaTa 1及量子密钥分发数据QKD DaTa 2。

【技术特征摘要】
1.一种基于少模光纤模式复用的互备份量子密钥分发系统，包括量子密钥分发数据QKDDaTa1端及量子密钥分发数据QKDDaTa2端，其特征在于，量子密钥分发数据QKDDaTa1及量子密钥分发数据QKDDaTa2两端将信号传输给模式转换器ModeConverter，两路模式转换器ModeConverter将信号传输给模式复用器/解复用器MDM，经过模式复用器/解复用器MDM之后，将信号传输给两路模式转换器ModeConverter，并由两路模式转换器ModeConverter传输给量子密钥分发数据QKDDaTa1及量子密钥分发数据QKDDaTa2。2.一种基于少模光纤模式复用的互备份量子密钥分发系统的分发方法，其特征在于，基本原理如下：1)为了降低传输过程中双折射效应及偏振模色散的影响，增加量子保密通信系统的稳定性，QKD采用的是相位编码方案中的双不等臂马赫-曾德尔(Mach-Zender)干涉仪方法；2)根据相位编码QKD的双不等臂马赫-曾德尔干涉仪方法，Alice将四种不同相位分为两组编码基，分别是P1:[0,π]和P2:[π/2,3π/2]；3)根据0或π/2对应比特0、π或3π/2对...

【专利技术属性】
技术研发人员：李云霞，石磊，罗均文，黄超，杨汝，蒙文，
申请(专利权)人：中国人民解放军空军工程大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61