一种逆向调制自由空间QKD系统和密钥分发方法技术方案

本发明专利技术公开了一种逆向调制自由空间QKD系统和密钥分发方法，系统包括询问端和逆向调制端。方法包括询问端发送脉冲激光，发送至逆向调制端，利用频率相同的两束偏振方向垂直的光的叠加原理，通过调制相位的方式进行偏振的调制。信号光反射回询问端进行解调，最后通过经典信道进行基矢对比获取筛选密钥。本发明专利技术大大降低了在自由空间QKD系统中对接收方设备的要求，并相对于传统的偏振调制提高了调制效率。并相对于传统的偏振调制提高了调制效率。并相对于传统的偏振调制提高了调制效率。

【技术实现步骤摘要】
一种逆向调制自由空间QKD系统和密钥分发方法


[0001]本专利技术涉及量子信息与光通信领域，更具体地，涉及一种逆向调制自由空间QKD系统和密钥分发方法。

技术介绍

[0002]量子密钥分发(Quantum Key Distribution,QKD)是20世纪80年代基于量子力学原理和信息论发展起来的一种新的产生和分发密码的方法。与传统的基于数学复杂度原理的密码不同的是量子密钥分发基于物理学原理，在理论上能保证绝对的安全性。1984年Bennett等人提出的BB84协议是第一个量子密钥分发协议，协议采用共轭编码的方式，用两组正交的偏振态来进行编码。随后基于该思想，人们陆续提出了一些改进的协议。量子密钥分发技术的难点不断被突破，已经具备了大规模应用的前景。
[0003]根据传输信道的不同，目前量子密钥分发分为光纤QKD自由空间QKD。其中光纤QKD利用光纤传输信号，能够很好地实现端对端的密钥分发。由于环境的温度以及光纤的拉伸挤压等影响会严重的扰动光信号的偏振态，一般采用相位编码的方式，但是随着光纤距离的增加，信号的损耗也会增加，因此对传输距离产生了很大的限制。而且为了降低光纤QKD的成本，可行性和实用性，需要采用波分复用方式实现经典光信号和量子光信号的共纤传输，经典光通信一般会使用掺铒光纤放大器等器件，产生的噪声会影响微弱量子信号的传输，有待进一步的深入研究。
[0004]对于自由空间QKD，由于通信设备的移动和大气湍流的影响，光子相位会发生很大的改变，而光子偏振态几乎不受影响，所以一般采用偏振编码的方式。另外，在自由空间中信号的衰减很小，可以实现较远距离的传输。自由空间QKD还可以灵活的应用于飞机、飞行器等移动平台，利用卫星可以实现洲际的密钥传输。为了对抗光子数分离攻击，必须保证每个光脉冲包含一个以上光子的概率很低。在使用弱相干态光源的实际实现中，这意味着必须将每脉冲的平均光子数限制在远小于1。为降低信号在信道中的衰减，在远距离产生高密钥率需要非常窄的发射机波束发散，大约几十个微弧度。在所有传统的自由空间光学系统中，对发射机的要求是知道链路另一端的位置，并准确地将光束指向那里。传统的自由空间QKD系统需要通信双方同时配备复杂的ATP(Acquisition、Tracking and Pointing)设备和通信设备，导致终端设备体积大、能耗高、成本高，限制了推广应用。逆向调制光通信系统具有非对称式的光通信系统结构，通信双方分别被称为询问端和逆向调制端。询问端和传统的相似，而逆向调制端具有简单的结构，它不需要对信号进行解调，对准要求也大大降低，信号过来可以很好的反射回去。所以它不需要配备复杂的ATP系统。这种结构就很大程度的降低了成本和增加了可行性，降低了自由空间QKD的应用门槛，可广泛应用于飞行器等通信设备。
[0005]现有技术CN110113163A公开一种自由空间连续变量量子密钥分发方法及系统，包括：使用高斯调制对量子信号光进行调制，将调制后的量子信号光与本振光耦合得到耦合光，通过自由空间信道发送所述耦合光；接收所述耦合光，将所述耦合光中的量子信号光与
本振光分离；获取部分分离得到的本振光，根据本振光的波前相位校正分离得到的量子信号光。该方案的系统结构较为复杂，15成本较高和可行性较低。

技术实现思路

[0006]本专利技术的首要目的是提供一种逆向调制自由空间QKD系统，大大的降低接收方的设备要求。
[0007]本专利技术的进一步目的是提供一种密钥分发方法。
[0008]为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案如下：
[0009]一种逆向调制自由空间QKD系统，包括询问端和逆向调制端，所述询问端与所述逆向调制端通过自由空间互相连接，所述询问端发送圆偏振光至所述逆向调制端，所述逆向调制端通过相位调制改变接收到的光信号的偏振态，并反射回所述询问端。
[0010]优选地，所述询问端包括脉冲激光器、第一分束器、第二分束器、第一光学天线、第一偏振分束器、第二偏振分束器、第一波片、第二波片、第三波片、第四波片、第一单光子探测器和第二单光子探测器、第三单光子探测器和第四单光子探测器，其中：
[0011]所述脉冲激光器的输出的线偏振脉冲激光首先经第一波片后变为圆偏振光，所述圆偏振光经所述第一分束器，所述第一分束器透射端发射的光经所述第一光学天线发送至所述逆向调制端，所述第一光学天线接收所述逆向调制端返回的光信号后输出至所述第一分束器，所述第一分束器将所述逆向调制端返回的光信号反射后依次经过第二波片和第二分束器后分为两束光，所述第二分束器的透射端发射的光依次经所述第三波片和第一偏振分束器后分为两束光，所述第一偏振分束器的透射端发射的光发射至所述第一单光子探测器进行检测，所述第一偏振分束器的反射端发射的光发射至所述第二单光子探测器进行检测，所述第二分束器的反射端发射的光依次经第四波片和第二偏振分束器后分为两束光，所述第二偏振分束器的透射端发射的光发射至所述第三单光子探测器进行检测，所述第二偏振分束器的反射端发射的光发射至所述第四单光子探测器进行检测。
[0012]优选地，所述第一波片和第三波片为四分之一波片，第二波片和第四波片为半波片。
[0013]优选地，所述脉冲激光器的输出的线偏振脉冲激光首先经第一波片后变为圆偏振光，所述线偏振脉冲激光的偏振方向与所述第一波片的慢轴成45
°
角。
[0014]优选地，所述第一分束器的分束比为10:90，即透射端发射的光的强度为脉冲激光器的输出的光强度的百分之十。
[0015]优选地，所述第二分束器的分束比为50:50。
[0016]优选地，所述逆向调制端包括第二光学天线、强度调制器、第三偏振分束器、相位调制器、第一凸透镜、第二凸透镜、第一反射装置和第二反射装置，其中：
[0017]所述第二光学天线接收所述询问端发送的圆偏振光后，依次经所述强度调制器和第三偏振分束器后分为两束光，所述第三偏振分束器的透射端发射的光依次经所述相位调制器和第一反射装置反射后，依次经所述相位调制器和第三偏振分束器原路返回；
[0018]所述第三偏振分束器的反射端发射的光经所述第二反射装置反射后，依次经所述第二凸透镜和第三偏振分束器原路返回；
[0019]所述经第一反射装置和第二反射装置反射的两束光在所述第三偏振分束器中叠
加后，经所述强度调制器调制后，通过第二光学天线发送至自由空间，经自由空间传输返回询问端。
[0020]优选地，所述强度调制器为多量子阱强度调制器。
[0021]优选地，所述第一反射装置和第二反射装置均为猫眼反射装置，具体为：
[0022]所述第一反射装置包括第一凸透镜和第一反射镜，所述第一反射镜位于所述第一凸透镜的焦平面上，所述第三偏振分束器的透射端发射的光依次经所述相位调制器、第一凸透镜和第一反射镜反射后，依次经所述第一凸透镜、相位调制器和第三偏振分束器原路返回；
[0023]所述第二反射装置包括第二凸透镜和第二反射镜，所述第二反射镜位于所本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种逆向调制自由空间QKD系统，其特征在于，包括询问端和逆向调制端，所述询问端与所述逆向调制端通过自由空间互相连接，所述询问端发送圆偏振光至所述逆向调制端，所述逆向调制端通过相位调制改变接收到的光信号的偏振态，并反射回所述询问端。2.根据权利要求1所述的逆向调制自由空间QKD系统，其特征在于，所述询问端包括脉冲激光器、第一分束器、第二分束器、第一光学天线、第一偏振分束器、第二偏振分束器、第一波片、第二波片、第三波片、第四波片、第一单光子探测器和第二单光子探测器、第三单光子探测器和第四单光子探测器，其中：所述脉冲激光器的输出的线偏振脉冲激光首先经第一波片后变为圆偏振光，所述圆偏振光经所述第一分束器，所述第一分束器透射端发射的光经所述第一光学天线发送至所述逆向调制端，所述第一光学天线接收所述逆向调制端返回的光信号后输出至所述第一分束器，所述第一分束器将所述逆向调制端返回的光信号反射后依次经过第二波片和第二分束器后分为两束光，所述第二分束器的透射端发射的光依次经所述第三波片和第一偏振分束器后分为两束光，所述第一偏振分束器的透射端发射的光发射至所述第一单光子探测器进行检测，所述第一偏振分束器的反射端发射的光发射至所述第二单光子探测器进行检测，所述第二分束器的反射端发射的光依次经第四波片和第二偏振分束器后分为两束光，所述第二偏振分束器的透射端发射的光发射至所述第三单光子探测器进行检测，所述第二偏振分束器的反射端发射的光发射至所述第四单光子探测器进行检测。3.根据权利要求2所述的逆向调制自由空间QKD系统，其特征在于，所述第一波片和第三波片为四分之一波片，第二波片和第四波片为半波片。4.根据权利要求3所述的逆向调制自由空间QKD系统，其特征在于，所述脉冲激光器的输出的线偏振脉冲激光首先经第一波片后变为圆偏振光，所述线偏振脉冲激光的偏振方向与所述第一波片的慢轴成45
°
角。5.根据权利要求2所述的逆向调制自由空间QKD系统，其特征在于，所述第一分束器的分束比为10:90，即透射端发射的光的强度为脉冲激光器的输出的光强度的百分之十。6.根据权利要求2所述的逆向调制自由空间QKD系统，其特征在于，所述第二分束器的分束比为50:50。7.根据权利要求2至6任一项所述的逆向调制自由空间QKD系统，其特征在于，所述逆向调制端包括第二光学天线、强度调制器、...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭邦红，李宇航，胡敏，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：