信号态和诱骗态平均光子数在线检测装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提出了一种用于量子密钥分发设备发送端的信号态和诱骗态平均光子数在线检测装置及方法，其中利用发送端输出光总功率P

【技术实现步骤摘要】
信号态和诱骗态平均光子数在线检测装置及方法


[0001]本专利技术涉及量子保密通信
，尤其是量子密钥分发设备的量子安全性测评领域，具体涉及可用于对信号态与诱骗态平均光子数进行在线检测的装置和方法。

技术介绍

[0002]量子密钥分发(QKD)基于量子力学原理，由于量子不可克隆和测不准原理，是理论可证明无条件安全的密钥分发体系。诱骗态协议从原理上容许量子密钥分发设备使用弱相干光即可，无需使用技术复杂度和成本极高的单光子源。诱骗态协议中，要求量子密钥分发设备能够随机调制出特定平均光子数，例如信号态每脉冲的平均光子数和诱骗态每脉冲的平均光子数一般要满足的关系。在此过程中，量子密钥分发设备实际输出的信号态和诱骗态每脉冲平均光子数是否符合设计指标关乎密钥的安全，如果设备实际输出的每脉冲平均光子数偏离设计值，会引起密钥泄露。为此，准确的检测量子密钥分发设备输出的信号态和诱骗态每脉冲平均光子数显得十分重要。
[0003]由于量子密钥分发设备输出的每脉冲平均光子数低于1，输出光强很弱，往往为100pW量级，甚至更弱，已经无法直接通过光电探头进行转换后再使用示波器进行测量。目前主要有如下方案：
[0004]第一种方案是将所有态均制备为信号态，使用光功率计测量平均光功率Ps，在已知发光频率Freq和波长的情况下求解将所有态均制备为诱骗态，使用光功率计测量平均光功率Pd,在已知发光频率Freq和波长的情况下求解
[0005]第二种方案是在编码时随机制备信号态和诱骗态，但记录信号态和诱骗态的编码时序，由此可知Ti时刻编码的是信号态还是诱骗态,且已知{T1,T2,
…
，Ti,
…
，Tn}时刻内信号态编码次数S和诱骗态编码次数D。再利用单光子探测器对编码输出的光脉冲进行探测，并记录相应时刻的响应，统计{T1,T2,
…
，Ti,
…
，Tn}时刻中对应信号态编码时刻的响应次数之和CNTsig，以及对应诱骗态编码时刻的响应次数之和CNTdecoy。最后，测量获取单光子探测器的探测效率η，由此可以根据公式获取信号态每脉冲平均光子数，以及根据公式获取诱骗态每脉冲平均光子数。
[0006]然而，在第一种方案中，由于平均光子数测量过程中激光器和强度调制单元的工作频率与实际系统工作时不相同，这会导致激光器发光功率和强度调制单元的驱动电压幅值与系统实际工作时存在差异，因此测试结果与系统实际工作时存在偏差，无法准确测得系统实际工作时的信号态和诱骗态每脉冲平均光子数。在第二种方案中，其平均光子数的测量结果依赖单光子探测效率的准确性，而单光子探测效率难以标定，且探测效率存在一定的波动，这会对测量结果的准确性产生影响；其次，平均光子数的测量结果还依赖于被测设备自身提供的实时数据，因此在利用该方案对设备进行测试时还需依赖设备实时上报的实时数据，这导致测试不够直观，测试结果的公信力需要建立在确保该设备上报参数准确、
真实的条件下。

技术实现思路

[0007]针对现有技术存在的上述问题，本专利技术提出了一种用于量子密钥分发设备发送端的信号态和诱骗态平均光子数在线检测装置及方法，其中利用发送端输出光总功率P
work
、信号态发光频率freq
s
、诱骗态发光频率freq
d
、信号态和诱骗态的单脉冲强度比sd、以及光波长λ来计算信号态平均光子数和诱骗态平均光子数使得可以直接在量子密钥分发设备正常工作时完成对信号态和诱骗态平均光子数的检测，无需改变量子密钥分发设备的工作状态(尤其是激光器和强度调制单元的工作频率)，且不依赖于被测量子密钥分发设备上报的数据和单光子探测器，使得整个测试过程直观、可信，且测量准确性不受单光子探测器的探测效率测量准确性及其波动的影响。
[0008]具体而言，本专利技术的第一方面涉及一种用于量子密钥分发设备发送端的信号态和诱骗态平均光子数在线检测装置，其包括功率检测单元、发光频率检测单元、光强比检测单元、波长检测单元及控制单元；
[0009]所述功率检测单元用于获取信号态和诱骗态的输出光总功率P
work
；
[0010]所述发光频率检测单元用于获取信号态发光频率freq
s
和诱骗态发光频率freq
d
；
[0011]所述光强比检测单元用于获取所述信号态和诱骗态的单脉冲强度比sd；
[0012]所述波长检测单元用于获取所述量子密钥分发设备发送端的光波长λ；
[0013]所述控制单元用于根据公式利用所述输出光总功率P
work
、信号态发光频率freq
s
、诱骗态发光频率freq
d
、信号态和诱骗态的单脉冲强度比sd、以及光波长λ，计算信号态平均光子数和诱骗态平均光子数其中，h为普朗克常数，c为真空中的光速。
[0014]进一步地，所述功率检测单元包括光功率计；以及/或者，所述发光频率检测单元包括光电探头和示波器；以及/或者，所述光强比检测单元包括光电探头和示波器；以及/或者，所述波长检测单元包括光谱仪。
[0015]更进一步地，当所述发光频率检测单元包括光电探头和示波器时，所述光电探头用于分别将所述信号态和诱骗态转变为第一和第二电信号，所述示波器用于对所述第一和第二电信号进行检测，以便通过调用统计函数或设置幅值统计阈值，根据所述电信号统计得到所述信号态发光频率freq
s
和诱骗态发光频率freq
d
。
[0016]更进一步地，当所述光强比检测单元包括光电探头和示波器时，所述光电探头用于分别将所述信号态和诱骗态转变为第一和第二电信号，所述示波器用于对所述第一和第二电信号进行检测，以便允许记录所述第一和第二电信号的幅值，并根据所述幅值计算所述信号态和诱骗态的单脉冲强度比sd。
[0017]优选地，所述光强比检测单元还包括设于所述光电探头之前的可调光衰减器，且
还被设置成：通过调节所述可调光衰减器，获得使所述示波器对于所述诱骗态显示的幅值与记录的第一电信号幅值一致时，所述可调光衰减器的衰减值L1，以及使所述示波器对于所述信号态显示的幅值与记录的第二电信号幅值一致时，所述可调光衰减器的衰减值L2，并且根据所述衰减值L1与L2的绝对差值dL，计算所述信号态和诱骗态的单脉冲强度比sd。其中，可选的，所述光强比检测单元可以根据公式sd＝10
(dL/10)
，利用所述绝对差值dL计算所述信号态和诱骗态的单脉冲强度比sd，所述绝对差值dL的单位为dB。
[0018]更进一步地，当所述波长检测单元包括光谱仪时，所述波长λ为峰值波长或者
‑
3dB中心波长。
[0019]可选地，所述量子密钥分发设备发送端包括光源、诱骗态制备单元和衰减单元；并且，所述功率检测单元包括解波分复用器和光功率计，所述解波分复用器用于从所述量子密钥分发设备发送端输出的光脉冲中解复用出所述信号态本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于量子密钥分发设备发送端的信号态和诱骗态平均光子数在线检测装置，其包括功率检测单元、发光频率检测单元、光强比检测单元、波长检测单元及控制单元；所述功率检测单元用于获取信号态和诱骗态的输出光总功率P
work
；所述发光频率检测单元用于获取信号态发光频率freq
s
和诱骗态发光频率freq
d
；所述光强比检测单元用于获取所述信号态和诱骗态的单脉冲强度比sd；所述波长检测单元用于获取所述量子密钥分发设备发送端的光波长λ；所述控制单元用于根据公式利用所述输出光总功率P
work
、信号态发光频率freq
s
、诱骗态发光频率freq
d
、信号态和诱骗态的单脉冲强度比sd、以及光波长λ，计算信号态平均光子数和诱骗态平均光子数其中，h为普朗克常数，c为真空中的光速。2.如权利要求1所述的信号态和诱骗态平均光子数在线检测装置，其中：所述功率检测单元包括光功率计；以及/或者，所述发光频率检测单元包括光电探头和示波器；以及/或者，所述光强比检测单元包括光电探头和示波器；以及/或者，所述波长检测单元包括光谱仪。3.如权利要求2所述的信号态和诱骗态平均光子数在线检测装置，其中，当所述发光频率检测单元包括光电探头和示波器时，所述光电探头用于分别将所述信号态和诱骗态转变为第一和第二电信号，所述示波器用于对所述第一和第二电信号进行检测，以便通过调用统计函数或设置幅值统计阈值，根据所述电信号统计得到所述信号态发光频率freq
s
和诱骗态发光频率freq
d
。4.如权利要求2所述的信号态和诱骗态平均光子数在线检测装置，其中，当所述光强比检测单元包括光电探头和示波器时，所述光电探头用于分别将所述信号态和诱骗态转变为第一和第二电信号，所述示波器用于对所述第一和第二电信号进行检测，以便允许记录所述第一和第二电信号的幅值，并根据所述幅值计算所述信号态和诱骗态的单脉冲强度比sd。5.如权利要求4所述的信号态和诱骗态平均光子数在线检测装置，其中，所述光强比检测单元还包括设于所述光电探头之前的可调光衰减器，且还被设置成：通过调节所述可调光衰减器，获得使所述示波器对于所述诱骗态显示的幅值与记录的第一电信号幅值一致时，所述可调光衰减器的衰减值L1，以及使所述示波器对于所述信号态显示的幅值与记录的第二电信号幅值一致时，所述可调光衰减器的衰减值L2，并且根据所述衰减值L1与L2的绝对差值dL，计算所述信号态和诱骗态的单脉冲强度比sd。6.如权利要求5所述的信号态和诱骗态平均光子数在线检测装置，其中，所述光强比检测单元根据公式sd＝10
(dL/10)
，利用所述绝对差值dL计算所述信号态和诱骗态的单脉冲强
度比sd，所述绝对差值dL的单位为dB。7.如权利要求2所述的信号态和诱骗态平均光子数在线检测装置，其中，当所述波长检测单元包括光谱仪时，所述波长λ为峰值波长或者
‑
3dB中心波长。8.如权利要求1
‑
7中任一项所述的信号态和诱骗态平均光子数在线检测装置，其中，所述量子密钥分发设备发送端包括光源、诱骗态制备单元和衰减单元；并且，所述功率检测单元包括解波分复用器和光功率计，所述解波分复用器用于从所述量子密钥分发设备发送端输出的光脉冲中解复用出所述信号态和诱...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘仁德，汤艳琳，栗帅，唐世彪，
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：