CN101645769A - 一种异地共享真随机数序列的光学*** - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于异地共享真随机数序列的光纤量子密钥分配***，由发送方和接收方通过量子信道相连接；发送方采用分束器和四端口偏振分束合路器；发送方的光纤环行器的入射口连接脉冲光源；分束器将入射光束分为两束，连接四端口偏振分束合路器的两个入射口；四端口偏振分束合路器一个输出口连接第一相位调制器和第一45°偏振旋转法拉第镜，另一个输出口连接量子信道。接收方包括相位调制器、光衰减器和第二45°偏振旋转法拉第镜；接收方的第二相位调制器的一端与量子信道的另一端连接。光纤环行器和分束器的返回端口分别连接单光子探测器；单光子探测器的输出数列构成二进制的真随机数序列，可用来提取量子密钥本。本发明具有结构简单、***容易搭建、抗干扰能力强、自动补偿光纤和器件的双折射效应的优点。

Description

一种异地共享真随机数序列的光学***

技术领域

本发明涉及光纤通信和保密通信技术领域，更具体地，本发明涉及一种光纤量子密钥分配***。

背景技术

对信息进行安全传递时，需要使用密钥对明文信息进行加密，而密钥本质上是一种随机数序列。理论上证明，一次一密的便笺式加密算法是最安全的，这便需要在异地共享大量相同的真随机数序列来作为密钥。量子信息科学结合了量子物理学与信息科学，其中，发展最为快速的便是量子密钥分配技术。1984年，Bennett和Brassard提出第一个量子密码术方案，即BB84协议，1992年，又在实验上演示了量子密钥传输。随后，用于量子密码传输的B92协议、Ekert协议以及诱骗态协议相继提出。同时，各个实验室都开展了量子密钥分配的实验研究。这些研究都使量子密钥分配日趋实用化。最早的量子密钥分配实验***采用的是偏振编码，但光在光纤传播时无法很好地保持其偏振态，因此这种方法不适合在光纤中应用。另外，若使用相位编码的马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)光纤干涉仪式量子密钥分配***，光子在不同的臂中受到的干扰不一样，导致光路的稳定性不好，抗干扰能力差。后来，瑞士日内瓦大学的N.Gisin(Appl.Phys.Lett.70，793(1997))提出使用一种往返式的光路解决方案。其采用法拉第反射镜使光脉冲在发送方和接收方之间往返传输，每个光脉冲分时复用干涉光路，这样可以达到光纤双折射效应自补偿的效果，提高了***的抗干扰能力。但是，这种双向量子密钥分配方案所使用的器件较多，***较复杂，实施起来也不方便。目前已有的其他类似方案均存在相同问题。

发明内容

为克服现有双向量子密钥分配***组成和操作复杂、抗干扰能力较低的缺陷，本发明提出一种基于异地共享真随机数序列的光纤量子密钥分配***，可直接用于量子密钥分配。

根据本发明的一个方面，提出了一种光纤量子密钥分配***，如图1所示，包括：发送方、接收方、连接发送方和接收方的量子信道；

其中，所述发送方包括脉冲光源1、光纤环行器2、分束器3、四端口偏振分束合路器4、第一相位调制器5、第一45°偏振旋转法拉第镜6、第一单光子探测器7和第二单光子探测器8；

其中，所述光纤环行器2的入射端口A连接脉冲光源1，接收所述脉冲光源1发射的光脉冲，所述光纤环行器2的出射端口B连接所述分束器3的入射端口D；所述分束器3将从所述光纤环行器2接收的光脉冲分为两束；所述四端口偏振分束合路器4的两个入射端口H和I分别连接所述分束器3的出射端口G和F，用于分别接收所述分束器3的分束光；所述四端口偏振分束合路器4的出射端口J依次连接第一相位调制器5和第一45°偏振旋转法拉第镜6，所述发送方的相位调制器5上加电压调制信号对光脉冲进行调制；第一45°偏振旋转法拉第镜6将光脉冲反射，返回到所述四端口偏振分束合路器4，所述四端口偏振分束合路器4的出射端口K连接量子信道9；

其中，所述接收方包括顺序连接的第二相位调制器10、光衰减器11和第二45°偏振旋转法拉第镜12，所述第二相位调制器10的入射端连接量子信道9；所述第二相位调制器10上加电压调制信号对光脉冲进行调制；所述光衰减器11将调制光衰减为单光子，所述第二45°偏振旋转法拉第镜12将光脉冲反射通过量子信道9返回到发送方；

其中，所述发送方光纤环行器2的C端连接第一单光子探测器7，将接收返回的调制光发送给所述第一个单光子探测器7，所述分束器3的另一端口E连接第二单光子探测器8，将接收返回的调制光发送给所述第二单光子探测器8，所述单光子探测器7和单光子探测器8的输出序列构成二进制的真随机数序列，可用来提取量子密码本。

其中，所述脉冲光源可以是脉冲激光器；所述脉冲光源可以发射平行偏振的光脉冲。其中，所述分束器3为2×2分束器；所述分束器3将接收的光脉冲分为强度相等的两束，并让返回的两光束在此发生干涉输出。

其中，所述四端口偏振分束合路器4分别将所述分束器3的两束输出光脉冲向连接不同相位调制器的端口输出，构成干涉光路的分时复用。

其中，所述第一相位调制器5上加随机的电压调制信号对光脉冲的相位进行调制，并记录其调制基的随机序列。其中，所述第二相位调制器10上加随机的电压调制信号对光脉冲的相位进行调制，并记录其调制基以及按预先规定的0和1编码的随机序列。

其中，所述四端口偏振分束合路器4的入射端口I输入的光束直接透射穿过所述四端口偏振分束合路器4，从所述四端口偏振分束合路器4的出射端口K输出。其中，所述四端口偏振分束合路器4的入射端口H输入的光束，从出射端口J输出，经第一相位调制器5和第一45°偏振旋转法拉第镜6反射，返回所述四端口偏振分束合路器4，变为与其垂直的偏振状态，并从所述四端口偏振分束合路器4的出射端口K输出。

其中，所述四端口偏振分束合路器4的端口K接收的经第一45°偏振旋转法拉第镜6和第二45°偏振旋转法拉第镜12反射的光，直接从所述四端口偏振分束合路器4的端口I输出；所述四端口偏振分束合路器4的端口K接收的仅经第二45°偏振旋转法拉第镜12反射的光，从端口J输出被第一45°偏振旋转法拉第镜6反射，从端口H透射。其中，从所述四端口偏振分束合路器4的端口I和端口H返回的单光子脉冲，分别输入到分束器3的端口F和端口G，在分束器3中干涉，然后从分束器3的端口D或端口E输出，分别到光纤环行器2和第二单光子探测器8。

在本发明中，发送方以四端口偏振分束合路器为核心，使光束分时复用干涉光路，而45°偏振旋转法拉第镜的使用可以自动补偿光纤以及光纤器件的双折射效应。这样，整个光路***所使用的器件少、***调试搭建方便、抗干扰能力强；通信的双方可以按照不同的量子密钥的协议，诸如BB84协议、B92协议等，来进行相位调制，然后根据探测器的结果和公布的调制坐标基来建立绝对安全的真随机数序列密码本；本发明可以应用于需要高度保密通信的领域，例如军事、政治、电子商务、网上银行等。

附图说明

图1为根据本发明的实施例的基于异地共享真随机数序列的光纤量子密钥分配***示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的一种基于异地共享真随机数序列的光纤量子密钥分配***进行详细描述。

根据本发明的实施例提供的一种基于异地共享真随机数序列的光纤量子密钥分配***，如图1所示，由发送方和接收方通过量子信道相连接。其中，所述发送方包括脉冲光源1，用于产生可衰减为单光子的光脉冲，在本实施例中使用脉冲激光器，所述发送方包括光纤环行器2，用于保护激光器和将激光光束分路。所述发送方还包括分束器，用于将光束分束，在本实施例中，使用2×2分束器3，将光束平均分为两束，发送方还包括四端口偏振分束合路器4、第一相位调制器5、第一45°偏振旋转法拉第镜6、探测器7和探测器8。

所述光纤环行器2的入射端口A连接脉冲光源1，接收脉冲光源发送的平行偏振脉冲激光，出射端口B连接2×2分束器3的端口D。所述四端口偏振分束合路器4的两个入射端口H和I分别连接2×2分束器3的出射端口G和F，2×2分束器3将光脉冲分为强度相等的两束，四端口偏振分束合路器4分别将所述两束强度相等、平行偏振的光脉冲向连接不同相位调制器的不同的端口输出，构成干涉光路的分时复用。四端口偏振分束合路器4出射端口J依次连接相位调制器5和第一45°偏振旋转法拉第镜6，四端口偏振分束合路器4出射端口K连接量子信道9的一端。所述发送方的相位调制器5上加随机的电压调制信号对光脉冲的相位进行调制，并记录其调制基的随机序列。所述发送方光纤环行器2的C端连接第一个单光子探测器7，所述2×2分束器3的E端口连接第二个单光子探测器8。所述单光子探测器7和单光子探测器8的输出分别表示0和1的编码，其输出序列构成二进制的真随机数序列，可用来提取量子密码本。

所述接收方依次连接第二相位调制器10、光衰减器11和第二45°偏振旋转法拉第镜12。所述第二相位调制器10的一端连接量子信道的另一端。所述接收方的第二相位调制器10上加随机的电压调制信号对光脉冲的相位进行调制，并记录其调制基以及预先规定的0和1编码的随机序列。在接收方的光衰减器11将返回的光衰减为单光子状态。

在图1所示的基于异地共享真随机数序列的光纤量子密钥分配***中，发送方由脉冲激光器1发出的一个平行偏振的光脉冲从光纤环行器2的输入端口A输入。从光纤环行器2出射的光脉冲进入2×2分束器3的输入端口D。

2×2分束器3将该光脉冲等分为两束，分别从端口F和端口G输出。其中，2×2分束器3端口F输出的光脉冲从四端口偏振分束合路器4的端口I输入，定义为L1；2×2分束器3端口G输出的光脉冲从四端口偏振分束合路器4的端口H输入，定义为L2。四端口偏振分束合路器4的输出端口K直接连接量子信道9的一端，四端口偏振分束合路器4输出端口J依次连接第一相位调制器5和第一45°偏振旋转法拉第镜6。

L1直接透射通过四端口偏振分束合路器4，并从端口K输出到量子信道；L2则直接透射通过四端口偏振分束合路器4，从端口J输出，通过第一相位调制器5后，被第一45°偏振旋转法拉第镜6反射，其偏振方向变为垂直偏振。被第一45°偏振旋转法拉第镜6反射的光脉冲L2从四端口偏振分束合路器4的端口J输入，将被四端口偏振分束合路器4反射，从端口K输出到量子信道。这两束光脉冲将先后沿量子信道9发送到接收方，其偏振方向互相垂直。

接收方依次由第二相位调制器10、光衰减器11和第二45°偏振旋转法拉第镜12连接构成。第二45°偏振旋转法拉第镜12分别反射接收到的两路光脉冲，并将平行偏振的L1旋转为垂直偏振，将垂直偏振的L2旋转为平行偏振。这两路反射的光脉冲将通过量子信道9返回发送方。

发送方的四端口偏振分束合路器4将反射从量子信道9返回的已被衰减为单光子的光脉冲L1，从端口J输出。L1将被第一45°偏振旋转法拉第镜6反射，其偏振状态变为平行偏振，重新从端口J输入四端口偏振分束合路器4，并在四端口偏振分束合路器4的端口H透射通过。从量子信道9返回的已被衰减为单光子的光脉冲L2将透射通过四端口偏振分束合路器4的端口I。

从四端口偏振分束合路器4的端口I和端口H输出返回的单光子脉冲，分别输入到2×2分束器3的端口F和端口G。这两束光脉冲所走过的路径是相同的，将在2×2分束器3中干涉。根据干涉结果的不同，单光子光脉冲将从端口D或端口E输出。2×2分束器3的端口D通过光纤环行器2的端口C连接到第一单光子探测器7；2×2分束器3的端口E直接连接第二单光子探测器8。

在本实施方案中，调节接收方的可调光衰减器11，使从接收方返回的光脉冲为单光子状态。

如果使用BB84协议，则发送方和接收方可以按照如下的方法来生成真随机数量子密钥。接收方在第二相位调制器10上加4种随机的电压调制信号对返回的光脉冲L2进行调制，分别实现0、π/2、π和3π/2相位变化，对应着0、0、1、1编码。按照BB84协议，接收方选择0，π和π/2，3π/2作为两套共轭调制基，并记录所采用的调制基以及0和1编码的随机序列。

发送方在第一相位调制器5上加2种随机的电压调制信号对返回的光脉冲L1进行调制，分别实现0和π/2的相位变化。其中，0代表0，π调制基，π/2代表π/2，3π/2调制基。发送方记录所采用的调制基。

发送方和接收方所调制的相位以及相应的探测器输出概率，如表格1所示。

表格1发送方和接收方所调制的相位及相应的探测器接收概率

发送方的第一单光子探测器7的输出作为二进制数0编码，第二单光子探测器8的输出作为二进制数1编码。如果两个单光子探测器都没有输出，则表示没有探测到光子，丢弃该数据位。

发送方通过经典信道将所采用的调制基通知接收方，接收方通知发送方哪些调制基与自己的一致，之后双方只保留调制基相同的数据位作为最终的共享真随机数序列，该序列可以用作二进制的量子密码本。

这样，发送方和接收方便实现了异地安全共享真随机数序列，可用于量子密钥分发。

最后应说明的是，以上实施例仅用以描述本发明的技术方案而不是对本技术方法进行限制，本发明在应用上可以延伸为其他的修改、变化、应用和实施例，例如编码不局限于相位编码，并且因此认为所有这样的修改、变化、应用、实施例都在本发明的精神和教导范围内。

Claims (10)

1、一种光纤量子密钥分配***，包括：发送方、接收方、连接发送方和接收方的量子信道；

其中，所述发送方包括脉冲光源(1)、光纤环行器(2)、分束器(3)、四端口偏振分束合路器(4)、第一相位调制器(5)、第一45°偏振旋转法拉第镜(6)、第一单光子探测器(7)和第二单光子探测器(8)；

其中，所述光纤环行器(2)的入射端口(A)连接脉冲光源(1)，接收所述脉冲光源(1)发射的光脉冲，所述光纤环行器(2)的出射端口(B)连接所述分束器(3)的入射端口(D)；所述分束器(3)将从所述光纤环行器(2)接收的光脉冲分为两束；所述四端口偏振分束合路器(4)的两个入射端口(H)和(I)分别连接所述分束器(3)的出射端口(G)和(F)，用于分别接收所述分束器(3)的分束光；所述四端口偏振分束合路器(4)的出射端口(J)依次连接第一相位调制器(5)和第一45°偏振旋转法拉第镜(6)，所述发送方的相位调制器(5)上加电压调制信号对光脉冲进行调制；第一45°偏振旋转法拉第镜(6)将光脉冲反射，返回到所述四端口偏振分束合路器(4)，所述四端口偏振分束合路器(4)的出射端口(K)连接量子信道(9)；

其中，所述接收方包括顺序连接的第二相位调制器(10)、光衰减器(11)和第二45°偏振旋转法拉第镜(12)，所述第二相位调制器(10)的入射端连接量子信道(9)；所述第二相位调制器(10)上加电压调制信号对光脉冲进行调制；所述光衰减器(11)将调制光衰减为单光子，所述第二45°偏振旋转法拉第镜(12)将光脉冲反射通过量子信道(9)返回发送方；

其中，所述发送方光纤环行器(2)的(C)端连接第一单光子探测器(7)，将接收经过干涉而从所述分束器(3)的端口(D)返回的单光子光脉冲，并将其发送给所述第一个单光子探测器(7)；所述分束器(3)的另一端口(E)连接第二单光子探测器(8)，将接收经过干涉而从所述分束器(3)的端口(E)返回的单光子脉冲，并将其发送给所述第二单光子探测器(8)，

其中，所述单光子探测器(7)和单光子探测器(8)的输出序列用于形成量子密码本。

2、权利要求1的***，其中，所述脉冲光源可以是脉冲激光器；所述脉冲光源可以发射平行偏振的光脉冲。

3、权利要求1的***，其中，所述分束器(3)为2×2分束器；所述分束器(3)将接收的光脉冲分为强度相等的两束，并将接收返回的两束单光子脉冲进行干涉后输出。

4、权利要求1的***，其中，所述四端口偏振分束合路器(4)分别将所述分束器(3)的两束输出光脉冲向连接不同相位调制器的端口输出，构成干涉光路的分时复用。

5、权利要求1的***，其中，所述第一相位调制器(5)上加随机的电压调制信号对光脉冲的相位进行调制，并记录为调制基的随机序列。

6、权利要求1的***，其中，所述第二相位调制器(10)上加随机的电压调制信号对光脉冲的相位进行调制，并记录其调制基以及预先定义的0和1编码的随机序列。

7、权利要求4的***，其中，所述四端口偏振分束合路器(4)的入射端口(I)输入的光束直接透射穿过所述四端口偏振分束合路器(4)，从所述四端口偏振分束合路器(4)的出射端口(K)输出。

8、权利要求4的***，其中，所述四端口偏振分束合路器(4)的入射端口(H)输入的光束，从出射端口(J)输出，经第一相位调制器(5)和第一45°偏振旋转法拉第镜(6)反射，返回所述四端口偏振分束合路器(4)，变为与其垂直的偏振状态，并从所述四端口偏振分束合路器(4)的出射端口(K)输出。

9、权利要求4的***，其中，所述四端口偏振分束合路器(4)的端口(K)接收的经第一45°偏振旋转法拉第镜(6)和第二45°偏振旋转法拉第镜(12)反射的单光子脉冲，直接从所述四端口偏振分束合路器(4)的端口(I)输出；所述四端口偏振分束合路器(4)的端口(K)接收的仅经第二45°偏振旋转法拉第镜(12)反射的单光子脉冲，从端口(J)输出被第一45°偏振旋转法拉第镜(6)反射，从端口(H)透射。

10、权利要求9的***，其中，从所述四端口偏振分束合路器(4)的端口(I)和端口(H)返回的单光子脉冲，分别输入到分束器(3)的端口(F)和端口(G)，在分束器(3)中干涉，然后从分束器(3)的端口(D)或端口(E)输出，分别到光纤环行器(2)和第二单光子探测器(8)，所述单光子探测器(7)和单光子探测器(8)的输出序列构成二进制的真随机数序列，可用来提取量子密码本。