一种可控脉冲延时的量子密钥分发系统及其方法技术方案

本发明专利技术公开了一种可控脉冲延时的量子密钥分发系统及其方法，包括n个发送方ALICE和n个接收方BOB，发送方ALICE与第一DWDM连接，接收方BOB与第二DWDM连接，每一发送方ALICE和接收方BOB中的量子信道和经典信道通过DWDM耦合至一根光纤传输；在所述发送方中，脉冲激光器、相位调制器、强度调制器和接收方通过光纤依次连接，用于传输量子信号；在所述接收方中，环形器、2x2耦合器与脉冲延时单元通过光纤依次连接，实现精准的脉冲延时。本系统采用Sagnac环的网络结构，具有较好的稳定性，并能补偿光路带来的相位抖动，保证两脉冲经过相同的光路后同时达到耦合器成功发生稳定干涉，较大程度降低整个系统对于信号数量的需求，提高系统的成码率。码率。码率。

【技术实现步骤摘要】
一种可控脉冲延时的量子密钥分发系统及其方法


[0001]本专利技术属于量子信息与光通信
，特别涉及一种可控脉冲延时的量子密钥分发系统及其方法。

技术介绍

[0002]自1984年量子密钥分发(Quantum Key Distribution，QKD)技术提出以来，因其具有可以产生理论上无条件安全密钥的特点，该技术成为量子保密通信的基础，广泛应用于量子通信
量子通信技术是未来保障信息安全的重要手段，是国家重点支持发展的行业。十四五建设时期提出，加强关键数字技术创新应用，加快布局量子通信、量子计算等前沿技术，我国将构建完整的天地一体广域量子通信网络技术体系，率先推动量子通信技术在金融、政务和能源等领域广泛应用。
[0003]在光通信
，往往需要对脉冲序列中的各个光脉冲进行不同周期T的延时，保证两个不同的光脉冲到达耦合器发生干涉。特别是在常用的马赫曾德尔干涉仪中，当脉冲由第一分束器分为两个脉冲，然后经过不同的光路到达第二分束器时，很难保证两束光脉冲经过的不同的光路到达第二分束器实现稳定干涉。此时，可以在Sagnac环中接入脉延时单元，两束光脉冲分别沿顺时针和逆时针经过相同的光路，对其中一束光脉冲进行适当的周期延时，从而使两束光脉冲同时到达耦合器实现稳定的干涉。
[0004]现有技术专利：(CN101866091B)提出了一种单向周期性的可编程光脉冲延时器和电脉冲延时器。通过设计不同光纤长度的光脉冲延时器，实现不同周期的延时。通过调整电压值进而改变脉冲的相位，进而实现整数倍的周期延时。但是这种延时器只能实现光脉冲单向传输，并未考虑到光脉冲的双向传输，在实际的应用当中受到很大限制，无法运用到大规模的网络中。
[0005]现有技术专利：(CN108123803A)提供了一种量子密钥分发系统和方法。可以降低整个系统对于信号数量的需求，提高系统的成码率，提高量子密钥的传输距离以及密钥生成速率。但该系统中BOB端的同一脉冲序列中的不同脉冲经不同的光路到达第二分束器发生干涉时，并未考虑由于不同信道噪声、链路损耗等因素，两个脉冲实际到达第二分束器的时间不一定相同，导致两个脉冲无法产生干涉，浪费脉冲资源，最终结果为成码率下降。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种可控脉冲延时的量子密钥分发系统和方法，运用新的脉冲延时技术，该技术中脉冲延时单元采用Sagnac环的网络结构，保证需要延时的光脉冲与不需要延时的光脉冲经过相同的光路输出至耦合器发生干涉；而且在量子密钥分发中，仅使用少量的脉冲数量即可生成所需的原始密钥，较大程度降低整个系统对于信号数量的需求，提高系统的成码率。
[0007]为了实现本专利技术目的所采用的计算方案为：一种可控脉冲延时的量子密钥分发系统，包括n个发送端和n个接收端，n为大于2的整数；
[0008]所述n个发送端分别为第一发送端ALICE1、第二发送端ALICE2、
……
、第n发送端ALICEn；所述n个接收端分别为第一接收端BOB1、第二接收端BOB2、
……
、第n接收端BOBn；
[0009]所述第一发送端ALICE1、第二发送端ALICE2、
……
、第n发送端ALICEn均各自与第一DWDM连接；所述第一接收端BOB1、第二接收端BOB2、
……
、第n接收端BOBn亦均各自与第二DWDM连接；
[0010]第一DWDM和第二DWDM通过光纤相互连接，用于光脉冲信号传输；
[0011]所述n个发送端和n个接收端之间设置有用于传输量子信号的量子信道，以及用于传输经典信号的经典信道；
[0012]在所述第一发送端ALICE1中，包括：脉冲激光器、第一相位调制器、强度调制器、第一量子随机数生成器、第二量子随机数生成器、第一量子密钥管理器和第一经典信号收发端；脉冲激光器与第一相位调制器的第一输入端连接，第一相位调制器输出端与强度调制器的第一输入端连接；第一量子随机数生成器分别与第一相位调制器的第二输入端、第一量子密钥管理器的第一输入端连接，第二量子随机数生成器分别与强度调制器的第二输入端、第一量子密钥管理器的第二输入端、第一经典信号收发端的第一输入端连接，第一经典信号收发端的第二输出端与第一量子密钥管理器的第三输入端相互连接；
[0013]在所述第一接收端BOB1中，包括：环形器、第一2x2耦合器、脉冲延时单元、第三量子随机数生成器、第一探测器、第二探测器、第二量子密钥管理器和第二经典信号收发端；环形器包括第一端口、第二端口和第三端口，第一端口通过量子信道经波分复用与所述强度调制器连接，第二端口与第一2x2耦合器连接，第三端口与第二探测器连接；脉冲延时单元分别与第一2x2耦合器的两个输出端、第三量子随机数生成器连接组成Sagnac环路，第一2x2耦合器还与第一探测器连接；第一探测器的输出端和第二探测器的输出端分别与第二量子密钥管理器连接，第二量子密钥管理器与第二经典信号收发端连接；
[0014]所述强度调制器的输出端通过量子信道经波分复用与环形器的第一端口连接；
[0015]所述第一经典信号收发端的第一输出端通过经典信道经波分复用与第二经典信号收发端连接；
[0016]所述第二发送端ALICE2、
……
、第n发送端ALICEn的结构及连接均与第一发送端ALICE1一致；所述第二接收端BOB2、
……
、第n接收端BOBn的结构及连接均与第一接收端BOB1一致。
[0017]优选的，在所述Sagnac环路中，第一2x2耦合器的四个端口，其中两个输出端分别连接至脉冲延时单元的两端形成环路，第三量子随机数生成器连接至脉冲延时单元的第三端，利用第三量子随机数生成器对脉冲延时单元的延时周期进行控制。
[0018]优选的，所述脉冲延时单元对所到达的光脉冲进行周期延时控制；脉冲延时单元包括第二相位调制器、第二2x2耦合器、2x1耦合器和光开关；所述第二2x2耦合器的四个端口，其中两个输出端分别连接至第二相位调制器的两端形成环路，另外两个端口分别与光开关、2x1耦合器的一个输入端连接；2x1耦合器的另一个输入端与第一2x2耦合器的一个输出端连接；所述光开关为2选1光开关，2选1光开关的两个选择端口分别与2x1耦合器的输出端、第一2x2耦合器的另一个输出端连接；通过光开关的2选1操作，与光开关连接的第二2x2耦合器的端口可选择与2x1耦合器的输出端连接通导或选择与第一2x2耦合器的另一个输出端连接通导，通过光开关两个选择端口的切换选择，以控制光脉冲的输入和输出。
[0019]优选的，所述第三量子随机数生成器连接至第二相位调制器，通过第三量子随机数生成器生成的随机二进制数调节第二相位调制器的电压的输入，改变经过第二相位调制器的光脉冲序列的相位，以控制光脉冲的延时。
[0020]优选的，所述第一2x2耦合器包括第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，第一2x2耦合器的第一输入端与所述环形器的第本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可控脉冲延时的量子密钥分发系统，包括n个发送端和n个接收端，n为大于2的整数；所述n个发送端分别为第一发送端ALICE1、第二发送端ALICE2、
……
、第n发送端ALICEn；所述n个接收端分别为第一接收端BOB1、第二接收端BOB2、
……
、第n接收端BOBn；所述第一发送端ALICE1、第二发送端ALICE2、
……
、第n发送端ALICEn均各自与第一DWDM连接；所述第一接收端BOB1、第二接收端BOB2、
……
、第n接收端BOBn亦均各自与第二DWDM连接；第一DWDM和第二DWDM通过光纤相互连接，用于光脉冲信号传输；其特征在于：所述n个发送端和n个接收端之间设置有用于传输量子信号的量子信道，以及用于传输经典信号的经典信道；在所述第一发送端ALICE1中，包括：脉冲激光器、第一相位调制器、强度调制器、第一量子随机数生成器、第二量子随机数生成器、第一量子密钥管理器和第一经典信号收发端；脉冲激光器与第一相位调制器的第一输入端连接，第一相位调制器输出端与强度调制器的第一输入端连接；第一量子随机数生成器分别与第一相位调制器的第二输入端、第一量子密钥管理器的第一输入端连接，第二量子随机数生成器分别与强度调制器的第二输入端、第一量子密钥管理器的第二输入端、第一经典信号收发端的第一输入端连接，第一经典信号收发端的第二输出端与第一量子密钥管理器的第三输入端相互连接；在所述第一接收端BOB1中，包括：环形器、第一2x2耦合器、脉冲延时单元、第三量子随机数生成器、第一探测器、第二探测器、第二量子密钥管理器和第二经典信号收发端；环形器包括第一端口、第二端口和第三端口，第一端口通过量子信道经波分复用与所述强度调制器连接，第二端口与第一2x2耦合器连接，第三端口与第二探测器连接；脉冲延时单元分别与第一2x2耦合器的两个输出端、第三量子随机数生成器连接组成Sagnac环路，第一2x2耦合器还与第一探测器连接；第一探测器的输出端和第二探测器的输出端分别与第二量子密钥管理器连接，第二量子密钥管理器与第二经典信号收发端连接；所述强度调制器的输出端通过量子信道经波分复用与环形器的第一端口连接；所述第一经典信号收发端的第一输出端通过经典信道经波分复用与第二经典信号收发端连接；所述第二发送端ALICE2、
……
、第n发送端ALICEn的结构及连接均与第一发送端ALICE1一致；所述第二接收端BOB2、
……
、第n接收端BOBn的结构及连接均与第一接收端BOB1一致。2.根据权利要求1所述的量子密钥分发系统，其特征在于：在所述Sagnac环路中，第一2x2耦合器的四个端口，其中两个输出端分别连接至脉冲延时单元的两端形成环路，第三量子随机数生成器连接至脉冲延时单元的第三端，利用第三量子随机数生成器对脉冲延时单元的延时周期进行控制。3.根据权利要求1或2所述的量子密钥分发系统，其特征在于：所述脉冲延时单元对所到达的光脉冲进行周期延时控制；脉冲延时单元包括第二相位调制器、第二2x2耦合器、2x1耦合器和光开关；所述第二2x2耦合器的四个端口，其中两个输出端分别连接至第二相位调制器的两端形成环路，另外两个端口分别与光开关、2x1耦合器的一个输入端连接；2x1耦合器的另一个输入端与第一2x2耦合器的一个输出端连接；所述光开关为2选1光开关，2选1光开关的两个选择端口分别与2x1耦合器的输出端、第一2x2耦合器的另一个输出端连接；通
过光开关的2选1操作，与光开关连接的第二2x2耦合器的端口可选择与2x1耦合器的输出端连接通导或选择与第一2x2耦合器的另一个输出端连接通导，通过光开关两个选择端口的切换选择，以控制光脉冲的输入和输出。4.根据权利要求3所述的量子密钥分发系统，其特征在于：所述第三量子随机数生成器连接至第二相位调制器，通过第三量子随机数生成器生成的随机二进制数调节第二相位调制器的电压的输入，改变经过第二相位调制器的光脉冲序列的相位，以控制光脉冲的延时。5.根据权利要求1所述的量...

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