一种偏振复用双向量子密钥分发方法与系统技术方案

本发明专利技术公开了一种偏振复用双向量子密钥分发方法，适用于非偏振编码的量子通信系统，定义正向通信的信息发送端称为Alice，信息接收端称为Bob，则Bob发送Alice接收称作反向通信，该方法中使用两种正交偏振分别代表正向通信和反向通信时载体。本发明专利技术还公开了一种偏振复用双向量子密钥分发系统，Alice量子发射装置和Alice量子测量装置分别连接到第一偏振分束器PBS1的1端口和4端口，Bob量子发射装置和Bob量子测量装置分别连接到第二偏振分束器PBS2的3端口和2端口，第一偏振分束器PBS1的2端口和第二偏振分束器PBS2的1端口通过光纤信道连接，该系统使用两种正交偏振分别代表正向通信和反向通信时载体。本发明专利技术与现有利用环形器和波分复用器方案相比，量子通信速率更高。

【技术实现步骤摘要】
一种偏振复用双向量子密钥分发方法与系统
本专利技术涉及量子保密通信领域，特别是提供了一种偏振复用双向量子密钥分发方法与系统。
技术介绍
量子密钥分发(QuantumKeyDistribution，简称QKD)技术能够在通信双方之间产生无条件安全的密钥因而受到广泛关注。自从1984年BB84方案提出以来，各种理论方案日臻完善，技术实现逐渐成熟并走向实际应用。量子通信通常采用发送端发射量子信号而接收端测量这种单向通信模式。随着互联网技术的发展，人们对于通信速率的要求越来越高。如果采用双向通信可以有效提高量子通信速率，扩大量子通信的使用范围，满足通信速率要求更高用户场景。目前量子通信系统的编码方式有偏振编码、相位编码、时间比特编码、时间相位编码等多种编码方案，而最常用的是偏振编码和相位编码。如公开号为CN108075885A的专利技术专利申请，公开了偏振编码的QKD系统工作过程如下：通过随机数的产生，来控制单光子源发出不同偏振状态的脉冲激光，再经过强度调制形成诱骗态，随即携带有量子信息的单光子脉冲，经过长距离光纤传输到达接收端，接收端通过随机的偏振基探测解调，还原出一定的随机数序列，并且通过经典信道告知发送方用于探测的随机的偏振基，发送方收到探测序列信息后，即通过经典信道告知接收方哪些位上的码是有效可靠的，之后，收发双方便筛选出相同的密码本，最后，双方公布部分的密码本以校验误码率以检测是否有监听和攻击存在，同时进行密钥的纠错成码。而其中携带有量子信息的单光子脉冲经过长距离光纤传输到达接收端的过程是量子通信过程，目前常用的量子通信方案中有采用光环形器、波分复用器等。现有技术也公开了多种双向通信的方案，如公开号为CN101814988A的专利技术专利申请中公布了一种双向量子通信方案，如图1所示，通信双方设备分别包含一个发送方和一个接收方，通过光路径选择器件，如光环形器、波分复用器、光栅等进行路径选择，实现双向量子通信。若使用光环形器实现双向量子通信，光环形器将引入偏振误差和插入损耗，影响量子通信速率；若使用波分复用双向QKD方案，为了实现双向通信，将会牺牲单向通信的频谱效率和波长数量，目前通信中波长已经成为一个重要而稀缺的资源，量子通信中能够选择的波长有限，另一方面，使用不同的波长进行双向通信，将压缩单向通信时波长数量，影响量子通信速率；若使用光栅进行双向通信，一方面将大幅增加通信设备的成本，另一方面将降低系统稳定性，因为光栅是温度敏感器件，环境温度变化严重影响光栅工作状态，同时与波分复用类似，使用光栅也会降低频谱效率。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于如何提高量子通信速率。本专利技术是通过以下技术方案解决上述技术问题的：一种偏振复用双向量子密钥分发方法，适用于非偏振编码的量子通信系统，定义正向通信的信息发送端称为Alice，信息接收端称为Bob，则Bob发送Alice接收称作反向通信，该方法使用两种正交偏振分别代表正向通信和反向通信时载体。所述偏振复用双向量子密钥分发方法可以支持仅正向通信模式、或者仅反向通信模式、或者双向同时通信模式。所述偏振复用双向量子密钥分发方法的量子通信过程可以使用BB84协议、B92协议、BBM92协议、3态量子通信协议、连续变量协议、DPS协议、COW协议、RRDPS协议中的任一种。所述偏振复用双向量子密钥分发方法的编码方式可以使用时间比特编码、相位编码、时间相位编码中的任一种。所述偏振复用双向量子密钥分发方法正向通信时可以使用N个波长进行通信，反向通信时可以使用M个波长进行通信，N、M可以相等也可以不相等，N大于或等于1，M大于或等于1。所述偏振复用双向量子密钥分发方法，正向通信时，Alice发射出量子光，将信号调制在量子态上，Alice出射量子光经过偏振分束之后，透射进入光纤信道，量子光传输到Bob端时，经过偏振分束透射，Bob再对量子光进行量子测量，Alice和Bob再根据量子密钥分发所需的相应数据处理过程生成量子密钥；反向通信时，Bob发射量子光，将信号调制在量子态上，Bob出射的量子光经过偏振分束之后，反射进入光纤信道，量子光传输到Alice端时，经过偏振分束反射，Alice再对量子光进行量子测量，Alice和Bob再根据量子密钥分发所需的相应数据处理过程生成量子密钥。作为第一个优选的技术方案，Alice或Bob发射量子光的过程为：先发射光脉冲，经过随机强度调制以实现诱骗态编码，再进行随机相位调制以实现QKD协议所要求若干不同的量子态，然后再将光脉冲衰减至单光子量级；Alice或Bob测量量子光的过程为：先进行相位解码，再进行测量。作为第二个优选的技术方案，Alice或Bob发射量子光的过程为：先发射单光子光源，再进行随机相位调制以实现QKD协议所要求若干不同的量子态；Alice或Bob测量量子光的过程为：先进行相位解码，再进行测量。作为第三个优选的技术方案，Alice或Bob发射量子光的过程为：先发射光脉冲，光脉冲被分成两个前后关联的脉冲对，再调制成所需的脉冲对，然后再将光脉冲衰减至单光子量级；Alice或Bob测量量子光的过程为：先进行相位解码，再进行测量。作为第四个优选的技术方案，Alice或Bob发射量子光的过程为：出射连续光信号，光信号通过强度调制调节成所需的脉冲序列，脉冲序列再衰减至单光子量级；Alice或Bob测量量子光的过程为：首先将信道中传输的信号分离，将接收到的信号分成两路：一路进行到达时间测量以获取原始密钥，另一路经过相位解码后再进行测量。作为进一步优选的技术方案，Alice或Bob发射量子光的过程中，光脉冲进行偏振分束前还进行光脉冲偏振态的调节。作为进一步优选的技术方案，正向通信时，Alice发射出量子光在进行偏振分束前，先经过波分复用，量子光传输到Bob端时，经过偏振分束后，再经过波分复用后被测量；反向通信时，Bob发射出量子光在进行偏振分束前，先经过波分复用，量子光传输到Alice端时，经过偏振分束后，再经过波分复用后被测量。本专利技术还提供一种偏振复用双向量子密钥分发系统，为非偏振编码的量子通信系统，包括Alice端和Bob端，其中Alice端包括Alice量子发射装置、Alice量子测量装置和第一偏振分束器PBS1，Bob端包括Bob量子发射装置、Bob量子测量装置和第二偏振分束器PBS2；其中所述Alice量子发射装置和Alice量子测量装置分别连接到第一偏振分束器PBS1的1端口和4端口，Bob量子发射装置和Bob量子测量装置分别连接到第二偏振分束器PBS2的3端口和2端口，第一偏振分束器PBS1的2端口和第二偏振分束器PBS2的1端口通过光纤信道连接；定义正向通信的信息发送端称为Alice，信息接收端称为Bob，则Bob发送Alice接收称作反向通信，该系统使用两种正交偏振分别代表正向通信和反向通信时载体。作为第一个优选的技术方案，Alice量子发射装置和Bo本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种偏振复用双向量子密钥分发方法，适用于非偏振编码的量子通信系统，定义正向通信的信息发送端称为Alice，信息接收端称为Bob，则Bob发送Alice接收称作反向通信，其特征在于，使用两种正交偏振分别代表正向通信和反向通信时载体。/n

【技术特征摘要】
1.一种偏振复用双向量子密钥分发方法，适用于非偏振编码的量子通信系统，定义正向通信的信息发送端称为Alice，信息接收端称为Bob，则Bob发送Alice接收称作反向通信，其特征在于，使用两种正交偏振分别代表正向通信和反向通信时载体。


2.根据权利要求1所述的一种偏振复用双向量子密钥分发方法，其特征在于，所述方法支持仅正向通信模式、仅反向通信模式、双向同时通信模式。


3.根据权利要求1所述的一种偏振复用双向量子密钥分发方法，其特征在于，所述方法的量子通信过程使用BB84协议、B92协议、BBM92协议、3态量子通信协议、连续变量协议、DPS协议、COW协议、RRDPS协议中的任一种。


4.根据权利要求1所述的一种偏振复用双向量子密钥分发方法，其特征在于，所述方法的编码方式使用时间比特编码、相位编码、时间相位编码中的任一种。


5.根据权利要求1所述的一种偏振复用双向量子密钥分发方法，其特征在于，正向通信时使用N个波长进行通信，反向通信时使用M个波长进行通信，N、M可以相等也可以不相等，N大于或等于1，M大于或等于1。


6.根据权利要求1所述的一种偏振复用双向量子密钥分发方法，其特征在于，正向通信时，Alice发射出量子光，将信号调制在量子态上，Alice出射量子光经过偏振分束之后，透射进入光纤信道，量子光传输到Bob端时，经过偏振分束透射，Bob再对量子光进行量子测量，Alice和Bob再根据量子密钥分发所需的相应数据处理过程生成量子密钥；
反向通信时，Bob发射量子光，将信号调制在量子态上，Bob出射的量子光经过偏振分束之后，反射进入光纤信道，量子光传输到Alice端时，经过偏振分束反射，Alice再对量子光进行量子测量，Alice和Bob再根据量子密钥分发所需的相应数据处理过程生成量子密钥。


7.根据权利要求6所述的一种偏振复用双向量子密钥分发方法，其特征在于，Alice或Bob发射量子光的过程为：先发射光脉冲，经过随机强度调制以实现诱骗态编码，再进行随机相位调制以实现QKD协议所要求若干不同的量子态，然后再将光脉冲衰减至单光子量级；Alice或Bob测量量子光的过程为：先进行相位解码，再进行测量。


8.根据权利要求6所述的一种偏振复用双向量子密钥分发方法，其特征在于，Alice或Bob发射量子光的过程为：先发射单光子光源，再进行随机相位调制以实现QKD协议所要求若干不同的量子态；
Alice或Bob测量量子光的过程为：先进行相位解码，再进行测量。


9.根据权利要求6所述的一种偏振复用双向量子密钥分发方法，其特征在于，Alice或Bob发射量子光的过程为：先发射光脉冲，光脉冲被分成两个前后关联的脉冲对，再调制成所需的脉冲对，然后再将光脉冲衰减至单光子量级；
Alice或Bob测量量子光的过程为：先进行相位解码，再进行测量。


10.根据权利要求6所述的一种偏振复用双向量子密钥分发方法，其特征在于，Alice或Bob发射量子光的过程为：出射连续光信号，光信号通过强度调制调节成所需的脉冲序列，脉冲序列再衰减至单光子量级；
Alice或Bob测量量子光的过程为：首先将信道中传输的信号分离，将接收到的信号分成两路：一路进行到达时间测量以获取原始密钥，另一路经过相位解码后再进行测量。


11.根据权利要求6至10任一项所述的一种偏振复用双向量子密钥分发方法，其特征在于，Alice或Bob发射量子光的过程中，光脉冲进行偏振分束前还进行光脉冲偏振态的调节。


12.根据权利要求6至10任一项所述的一种偏振复用双向量子密钥分发方法，其特征在于，正向通信时，Alice发射出量子光在进行偏振分束前，先经过波分复用，量...

【专利技术属性】
技术研发人员：李东东，唐世彪，汤艳琳，
申请(专利权)人：科大国盾量子技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：安徽;34