一种基于量子随机数的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基于量子随机数的量子密钥分发系统及方法，属于量子通信技术领域，本发明专利技术在现有Faraday‑Michelson干涉仪的量子密钥分发系统的基础上，使用光开关进行光路控制，并使用随机数生成模块生成随机比特串，构建基于量子随机数的量子密钥分发系统。相比于传统F‑M系统，本发明专利技术不仅仅可以用于长距离的光量子通信，并且具有强大的抗干扰能力，还能有效地避免随机数泄露所导致的安全问题，为智能电网的安全运作提供了进一步保障。

【技术实现步骤摘要】
一种基于量子随机数的量子密钥分发系统及方法
本专利技术公开了一种基于量子随机数的量子密钥分发系统及方法，属于量子保密通信

技术介绍
量子保密通信技术以其特有的密钥安全分发机制迅速发展，并逐步走向商用。量子保密通信的绝对安全性在原理上被严格证明，可以解决数据加密传输的安全性问题。相较经典通信方式，量子保密通信不可破解，任何企图窃取信息的操作都会被立刻发现，量子保密通信将在社会各领域大规模应用保障信息传输的安全。量子保密通信是将量子技术与现有信息保密体系结合，极大提高了数据保护的安全级别，有效保障了信息的安全传送。根据经典信息论，采用“一次一密”的对称加密方案，可以实现绝对的通信安全性，即使量子计算机也无法对其产生威胁。该方案要求通信双方在通信前进行密钥分发，经典密钥分发难以保证密钥的安全性，而量子密钥分发(QuantumKeyDistribution,QKD)则具有无条件的安全性，这种安全性依赖于量子力学的基本原理。著名的QKD协议有BB84协议、B92协议等。这些协议都含有随机选取测量基的步骤，因此在协议过程中必然涉及随机数生成的环节。随机数的生成必须满足不可预测性，而经典力学无法保证这一特性。在经典计算中，随机数是由特定的生成算法和随机种子来产生的，一旦算法流程和随机种子被确定，其生成的数值也可被确定。因此，经典的随机数从理论上是可以预测的，这会在一些应用中产生安全隐患。例如在BB84协议中，窃听者如果获得了发送者产生的随机数，将能够在不被发现的情况下获取完整的密钥信息。量子力学具有内在的随机性，利用量子随机性来产生随机数的设备称为量子随机数发生器(QuantumRandomNumberGenerator,QRNG)，相比与经典的随机数发生器，其具有物理上的不可预测性。目前的QRNG实现方案主要依赖于光学系统，如基于光子计数、基于光子到达时间、基于光子到达位置等。
技术实现思路
本专利技术提出一种基于量子随机数的量子密钥分发系及方法，该系统是对F-M系统的改进，在随机数生成方面有着更高的安全性。本专利技术采用的技术方案如下：本专利技术提供一种基于量子随机数的量子密钥分发系统，包括：F-M系统和随机数生成模块；所述随机数生成模块用于生成随机比特串；所述F-M系统用于采用所述随机比特串对激光光源进行量子态调制生成量子密钥并分发；所述F-M系统包括激光二极管，光衰减器，耦合器C1和耦合器C2；所述激光二极管的输出端设光开关S1，光衰减器的输入端设端口P1，耦合器C1的输入端设端口P2，光衰减器的输出端设光开关S2，耦合器C2的输入端设端口P3；所述随机数生成模块的输入端设端口P4；所述量子密钥分发系统在随机数生成阶段，光开关S1与端口P1连通，光开关S2与端口P4连通；所述量子密钥分发系统在密钥分发阶段，光开关S1与端口P2连通，光开关S2与端口P3连通。进一步的，所述F-M系统还包括发送方主控模块，接收方主控模块，旋转镜FM1，旋转镜FM2，旋转镜FM3，旋转镜FM4，相位调制器PMa，相位调制器PMb和单光子雪崩二极管；所述激光二极管用于输出连续的激光；所述光衰减器用于将接收到的光束强度降到每段时间间隔T内到达的平均光子数小于1的水平；所述旋转镜FM1用于将耦合器C1分出的沿短臂传输的脉冲反射回耦合器C1；所述相位调制器PMa用于将耦合器C1分出的沿长臂传输的脉冲进行调制；所述旋转镜FM2用于将相位调制器PMa调制后的脉冲反射回耦合器C1；所述耦合器C1用于将激光二极管发出的激光分成两束，以及，将反射回的两束激光进行耦合；所述耦合器C2用于将光衰减器发送的脉冲分为两束；以及，将反射回的两束激光进行耦合；所述旋转镜FM3用于将耦合器C2分出的沿短臂传输的脉冲反射回耦合器C2；所述相位调制器PMb用于将耦合器C2分出的沿长臂传输的脉冲进行调制；所述旋转镜FM4用于将相位调制器PMb调制后的脉冲反射回耦合器C2；所述单光子雪崩二极管用于探测耦合器C2发出的脉冲；所述发送方主控模块用于控制光开关与端口的开断，以及控制激光光源量子态的调制；所述接收方主控模块用于控制对接收到的激光量子态进行测量。进一步的，所述发送方主控模块具体用于，在随机数生成阶段，控制光开关S1与端口P1连通，光开关S2与端口P4连通；在密钥分发阶段，控制光开关S1与端口P2连通，光开关S2与端口P3连通。进一步的，所述发送方主控模块具体用于，调用随机数生成模块生成的随机比特串对激光光源量子态进行调制。进一步的，所述光衰减器具体用于，当光开关S1与端口P1连通时，将激光二极管发出的激光强度降到每段时间间隔内到达的平均光子数小于1的水平；当光开关S1与端口P2连通时，将耦合器C1耦合后的脉冲降到每段时间间隔内到达的平均光子数小于1的水平。进一步的，所述接收方主控模块具体用于，对单光子雪崩二极管探测到的量子态进行测量；以及，将测量结果通过经典信道进行基矢比对，得出筛选后的密钥。进一步的，所述光开关S1和光开关S2为机械式光开关。进一步的，所述随机数生成模块包括：内置信号源Ref，单光子雪崩二极管，数字时间转换器和FPGA；所述单光子雪崩二极管用于探测光衰减器发出的光子并产生脉冲信号；所述内置信号源Ref用于产生周期为T的参考信号；所述数字时间转换器用于接收单光子雪崩二极管产生的脉冲信号作为停止信号，接收内置信号源Ref产生的参考信号作为开始信号；所述FPGA用于根据数字时间转换器的输出产生原始随机比特，以及采用Toplitz矩阵提取最终的随机比特串。本专利技术还提供一种基于量子随机数的量子密钥分发方法，包括：控制所述的量子密钥分发系统中光开关S1与端口P1连通，S2与P4连通；控制激光二极管发射连续的激光，并进入光衰减器；将接收到的激光光束强度降到每段时间间隔T内到达的平均光子数小于1的水平，并发射至随机数生成模块，生成随机比特串；调用随机数生成模块生成的随机比特串，对激光二极管发射的激光光源进行量子态调制；控制所述量子密钥分发系统中光开关S1与端口P2连通，S2与P3连通；调制后的量子态进入耦合器C1，分为沿短臂传输和沿长臂传输的两束脉冲；沿短臂传输的脉冲经旋转镜FM1反射至耦合器C1，沿长臂传输的脉冲经相位调制器PMa调制后，经旋转镜FM2反射至耦合器C1；进入耦合器C1的两束脉冲在量子信道中耦合并发送至耦合器C2，分为沿短臂传输和沿长臂传输的两束脉冲；已接受相位调制器PMa调制的脉冲沿短臂传输经旋转镜FM3反射至耦合器C2，未受调制的脉冲沿长臂传输经相位调制器PMb调制后，经旋转镜FM4反射至耦合器C2；进入耦合器C2的两束脉冲在量子信道中耦合被单光子雪崩二极管本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于量子随机数的量子密钥分发系统，其特征在于，包括：F-M系统和随机数生成模块；/n所述随机数生成模块用于生成随机比特串；/n所述F-M系统用于采用所述随机比特串对激光光源进行量子态调制生成量子密钥并分发；/n所述F-M系统包括激光二极管，光衰减器，耦合器C1和耦合器C2；/n所述激光二极管的输出端设光开关S1，光衰减器的输入端设端口P1，耦合器C1的输入端设端口P2，光衰减器的输出端设光开关S2，耦合器C2的输入端设端口P3；/n所述随机数生成模块的输入端设端口P4；/n所述量子密钥分发系统在随机数生成阶段，光开关S1与端口P1连通，光开关S2与端口P4连通；/n所述量子密钥分发系统在密钥分发阶段，光开关S1与端口P2连通，光开关S2与端口P3连通。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于量子随机数的量子密钥分发系统，其特征在于，包括：F-M系统和随机数生成模块；
所述随机数生成模块用于生成随机比特串；
所述F-M系统用于采用所述随机比特串对激光光源进行量子态调制生成量子密钥并分发；
所述F-M系统包括激光二极管，光衰减器，耦合器C1和耦合器C2；
所述激光二极管的输出端设光开关S1，光衰减器的输入端设端口P1，耦合器C1的输入端设端口P2，光衰减器的输出端设光开关S2，耦合器C2的输入端设端口P3；
所述随机数生成模块的输入端设端口P4；
所述量子密钥分发系统在随机数生成阶段，光开关S1与端口P1连通，光开关S2与端口P4连通；
所述量子密钥分发系统在密钥分发阶段，光开关S1与端口P2连通，光开关S2与端口P3连通。


2.根据权利要求1所述的一种基于量子随机数的量子密钥分发系统，其特征在于，所述F-M系统还包括发送方主控模块，接收方主控模块，旋转镜FM1，旋转镜FM2，旋转镜FM3，旋转镜FM4，相位调制器PMa，相位调制器PMb和单光子雪崩二极管；
所述激光二极管用于输出连续的激光；
所述光衰减器用于将接收到的光束强度降到每段时间间隔T内到达的平均光子数小于1的水平；
所述旋转镜FM1用于将耦合器C1分出的沿短臂传输的脉冲反射回耦合器C1；
所述相位调制器PMa用于将耦合器C1分出的沿长臂传输的脉冲进行调制；
所述旋转镜FM2用于将相位调制器PMa调制后的脉冲反射回耦合器C1；
所述耦合器C1用于将激光二极管发出的激光分成两束，以及，将反射回的两束激光进行耦合；
所述耦合器C2用于将光衰减器发送的脉冲分为两束；以及，将反射回的两束激光进行耦合；
所述旋转镜FM3用于将耦合器C2分出的沿短臂传输的脉冲反射回耦合器C2；
所述相位调制器PMb用于将耦合器C2分出的沿长臂传输的脉冲进行调制；
所述旋转镜FM4用于将相位调制器PMb调制后的脉冲反射回耦合器C2；
所述单光子雪崩二极管用于探测耦合器C2发出的脉冲；
所述发送方主控模块用于控制光开关与端口的开断，以及控制激光光源量子态的调制；
所述接收方主控模块用于控制对接收到的激光量子态进行测量。


3.根据权利要求2所述的一种基于量子随机数的量子密钥分发系统，其特征在于，所述发送方主控模块具体用于，
在随机数生成阶段，控制光开关S1与端口P1连通，光开关S2与端口P4连通；
在密钥分发阶段，控制光开关S1与端口P2连通，光开关S2与端口P3连通。


4.根据权利要求2所述的一种基于量子随机数的量子密钥分发系统，其特征在于，所述发送方主控模块具体用于，
调用随机数生成模块生成的随机比特串对激光光源量子态进行调制。


5.根据权利要求2所述的一种基于量子随机数的量子密钥分发系统，其特征在于，所述光衰减器具体用于，
当光开关S1与端口P1连通时，将激光二极管发出的激光强度降到每段时间间隔内到达的平均光子数小于1的水平；
当光开关S1与端口P2连通时，将耦合器C1耦合后的...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡倩倩，冯宝，张天兵，赵子岩，闫龙川，刘新，王文婷，高德荃，陈智雨，李冬，杨维永，贾玮，卞宇翔，张强强，
申请(专利权)人：南京南瑞国盾量子技术有限公司，国网电力科学研究院有限公司，国家电网有限公司信息通信分公司，国网山东省电力公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32