CN107332627B - 一种测量设备无关量子密钥分发***和方法 - Google Patents

一种测量设备无关量子密钥分发***和方法 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种测量设备无关量子密钥方法和***，通过在量子态制备发送端对光脉冲信号或光量子信号的偏振态进行扰偏，使所述光脉冲信号或光量子信号的偏振态均匀分布在庞加莱球的表面，然后两路经过扰偏操作的光脉冲信号或光量子信号分别经过独立的光纤信道传输至测量端进行贝尔态投影测量。在测量端每路光量子信号先被分离成两个正交的偏振分量，两路中正交的偏振分量的偏振方向分别相同，然后偏振方向相同的偏振分量分别进行贝尔态投影测量。

Description

一种测量设备无关量子密钥分发***和方法
技术领域
本发明属于光传输保密通信技术领域，具体涉及一种测量设备无关量子密钥分发***和方法。
背景技术
量子密钥分发(Quantum Key Distribution)技术基于量子物理原理，能够实现信息论意义上无条件安全的密钥共享。然而，由于实际器件和设备存在非理想特性，量子密钥分发***的实际安全性与理论协议安全性之间存在着一定的差距。作为常规量子密钥分发***接收装置的核心部件，单光子探测器成为最容易受到攻击的部分，严重影响了量子密钥分发***的实际效能。
测量设备无关(Measurement Device Independent)量子密钥分发协议利用贝尔态(Bell state)投影测量将测量设备(特别是单光子探测器)引起的实际完全性问题完美地解决了。在测量设备无关协议中，合法的通信双方(称为Alice和Bob)均为量子态制备发送方，他们将制备的光量子态发送给第三方(称为Charlie)进行贝尔态投影测量，得到选择出来的贝尔态，整个过程相当于让合法的通信双方共享了纠缠光子对，并进一步地共享安全密钥。测量设备无关量子密钥分发协议是基于时间反演的纠缠协议，其安全性与第三方无关，作为进行贝尔态投影测量的第三方甚至可以是窃听者(称为Eve)，即测量设备无关量子密钥分发协议天然免疫所有的测量端漏洞和攻击。
但在实际光纤线路中，光纤信道的双折射效应可能由数种环境干扰而受到影响，并随着距离增长而积累。例如，光缆上附加的机械应力改变会对其中传输的光信号的偏振特性变化产生影响。在180千米的架空光缆中，光缆被风吹会产生摆动，此时偏振状态会有快于1Hz的变化，某一偏振分量的强度变化量在极端情况下可能达到50％。
因光纤信道的传输特性随环境变化带来扰动将限制测量设备无关量子密钥分发协议的应用价值，无法获得实用化的测量设备无关量子密钥分发***。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种测量设备无关量子密钥***和方法，以解决现有技术中测量设备无关量子密钥分发***无法抵御较强环境干扰，实用性较差的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种测量设备无关量子密钥分发***，包括：
第一量子态制备发送端、第二量子态制备发送端和测量端；
所述第一量子态制备发送端与所述测量端通过第一光纤信道连接；
所述第二量子态制备发送端与所述测量端通过第二光纤信道连接；
所述第一量子态制备发送端和所述第二量子态制备发送端结构相同，均包括：
光源、强度调制器、光量子态制备装置、扰偏装置和可调衰减器；
所述扰偏装置用于对光脉冲信号或光量子信号的偏振态进行扰偏，使所述光脉冲信号或光量子信号的偏振态均匀分布在庞加莱球的表面；
所述可调衰减器的输出端作为量子态制备发送端的输出端，将光强衰减后的光量子信号输出至光纤信道；
所述测量端包括：
第一偏振分束器、第二偏振分束器、第一贝尔态投影测量装置和第二贝尔态投影测量装置，所述第一贝尔态投影测量装置和所述第二贝尔态投影测量装置均包括一个保偏分束器和两个单光子探测器；
所述第一偏振分束器用于将由所述第一光纤信道输入的光量子信号分离成偏振方向相互正交的第一偏振分量和第二偏振分量；
所述第二偏振分束器用于将由所述第二光纤信道输入的光量子信号分离成偏振方向相互正交的第三偏振分量和第四偏振分量；
所述第一偏振分量的偏振方向与所述第三偏振分量的偏振方向相同，所述第二偏振分量的偏振方向与所述第四偏振分量的偏振方向相同；
所述第一贝尔态投影测量装置用于测量所述第一偏振分量和所述第三偏振分量的贝尔态；
所述第二贝尔态投影测量装置用于测量所述第二偏振分量和所述第四偏振分量的贝尔态。
本发明提供一种测量设备无关量子密钥分发方法，应用于上面所述的测量设备无关量子密钥分发***，所述测量设备无关量子密钥分发方法包括：
制备第一光量子信号和第二光量子信号；
对所述第一光量子信号和所述第二光量子信号进行扰偏操作，使得所述第一光量子信号和所述第二光量子信号的偏振态均匀分布在庞加莱球的表面；
分别将经过扰偏后的第一光量子信号通过第一光纤信道传输和将经过扰偏后的第二光量子信号通过第二光纤信道传输；
将所述经过扰偏后的第一光量子信号分离为偏振方向相互正交的第一偏振分量和第二偏振分量；
将所述经过扰偏后的第二光量子信号分离为偏振方向相互正交的第三偏振分量和第四偏振分量；其中，所述第一偏振分量的偏振方向与所述第三偏振分量的偏振方向相同，所述第二偏振分量的偏振方向与所述第四偏振分量的偏振方向相同；
测量所述第一偏振分量和所述第三偏振分量的贝尔态，以及所述第二偏振分量和所述第四偏振分量的贝尔态。
本发明提供另一种测量设备无关量子密钥分发***，包括：
第一量子态制备发送端、第二量子态制备发送端和测量端；
所述第一量子态制备发送端与所述测量端通过第一光纤信道连接；
所述第二量子态制备发送端与所述测量端通过第二光纤信道连接；
所述第一量子态制备发送端和所述第二量子态制备发送端结构相同，均包括：
光源、强度调制器、光量子态制备装置、扰偏装置和可调衰减器；
所述扰偏装置用于对光脉冲信号或光量子信号的偏振态进行扰偏，使所述光脉冲信号或光量子信号的偏振态均匀分布在庞加莱球的表面；
所述可调衰减器的输出端作为量子态制备发送端的输出端，将光强衰减后的光量子信号输出至光纤信道；
所述测量端包括：
第三偏振分束器、第四偏振分束器、第五偏振分束器和第六偏振分束器和所述贝尔态投影测量装置，所述贝尔态投影测量装置包括一个保偏分束器和两个单光子探测器；
所述第三偏振分束器用于将由所述第一光纤信道输入的光量子信号分离成偏振方向相互正交的第五偏振分量和第六偏振分量；
所述第四偏振分束器用于将由所述第二光纤信道输入的光量子信号分离成偏振方向相互正交的第七偏振分量和第八偏振分量；
所述第五偏振分量的偏振方向与所述第七偏振分量的偏振方向相同，所述第六偏振分量的偏振方向与所述第八偏振分量的偏振方向相同；
所述第三偏振分束器的一个输出端与所述第五偏振分束器的一个输入端通过第一延时光纤连接，所述第一延时光纤用于延时传递所述第五偏振分量；
所述第四偏振分束器的一个输出端与所述第六偏振分束器的一个输入端通过第二延时光纤连接，所述第二延时光纤用于延时传递所述第七偏振分量，所述第五偏振分量和所述第七偏振分量的延时时间相同；
所述第五偏振分束器用于将延时后的第五偏振分量和所述第六偏振分量进行合束，得到第一合束；
所述第六偏振分束器用于将延时后的第七偏振分量和所述第八偏振分量进行合束，得到第二合束；
所述贝尔态投影测量装置用于分时测量所述第一合束和所述第二合束中的不同偏振分量的贝尔态。
对应地，本发明提供一种测量设备无关量子密钥分发方法，应用于上面所述的测量设备无关量子密钥分发***，所述测量设备无关量子密钥分发方法包括：
制备第一光量子信号和第二光量子信号；
对所述第一光量子信号和所述第二光量子信号进行扰偏操作，使得所述第一光量子信号和所述第二光量子信号的偏振态均匀分布在庞加莱球的表面；
分别将经过扰偏后的第一光量子信号通过第一光纤信道传输和将经过扰偏后的第二光量子信号通过第二光纤信道传输；
将所述经过扰偏后的第一光量子信号分离为偏振方向相互正交的第五偏振分量和第六偏振分量；
将所述经过扰偏后的第二光量子信号分离为偏振方向相互正交的第七偏振分量和第八偏振分量；其中，所述第五偏振分量的偏振方向与所述第七偏振分量的偏振方向相同，所述第六偏振分量的偏振方向与所述第八偏振分量的偏振方向相同；
延时所述五偏振分量和所述第七偏振分量相同时间；
将延时后的第五偏振分量和所述第六偏振分量进行合束，得到第一合束，以及将延时后的第七偏振分量和所述第八偏振分量进行合束，得到第二合束；
分别测量所述第一合束和所述第二合束中的不同偏振分量的贝尔态。
经由上述的技术方案可知，本发明提供的测量设备无关量子密钥方法中，在量子态制备发送端对光脉冲信号或光量子信号的偏振态进行扰偏，使所述光脉冲信号或光量子信号的偏振态均匀分布在庞加莱球的表面，然后两路经过扰偏操作的光脉冲信号或光量子信号分别经过独立的光纤信道传输至测量端进行贝尔态投影测量。在测量端每路光量子信号先被分离成两个正交的偏振分量，两路中正交的偏振分量的偏振方向分别相同，然后偏振方向相同的偏振分量分别进行贝尔态投影测量。
由于进入光纤信道的光量子信号的偏振态均匀分布在庞加莱球的表面，环境因素造成的信道偏振扰动对其作用相互抵消。而在测量端，通过先偏振分离再贝尔态投影测量的方式，保证了投影测量光量子信号偏振特性的全同性，使得贝尔态投影测量能够稳定、准确地进行。
由于现有技术中测量设备无关量子密钥分发***需要偏振校正和补偿模块，不仅增加***复杂度，降低传输效率，而且会带来安全隐患等系列缺点。本发明提供的用于实现上述方法的测量设备无关量子密钥分发***中，仅需在量子态制备发送端增加扰动装置即可，可以将现有技术中的测量端的偏振校准和补偿装置去除，使得测量设备无关量子密钥分发***对信道偏振扰动免疫，测量端无需进行偏振校准和补偿，使得密钥分发过程能够稳定、高效地进行。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为现有技术中测量设备无关量子密钥分发***结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种测量设备无关量子密钥分发***结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种测量设备无关量子密钥分发方法流程图；
图4为本发明实施例提供的一种时分复用贝尔态投影测量装置的测量端结构示意图；
图5为本发明实施例提供的另一种测量设备无关量子密钥分发方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
现有技术中，实际实现测量设备无关量子密钥分发协议时，进行贝尔态投影测量要求到达测量端的光量子信号具有全同性，即远程合法通信双方的光量子信号在波长、时间和偏振特性上不可区分。对于光量子信号波长的不可区分，可以通过对激光器温度的精密控制来实现；对于光量子信号时间的不可区分，可以通过精密的时间延迟和跟踪来实现。而要保证光量子信号偏振特性的不可区分，一般需要对入射到第三方测量端的光量子信号进行偏振校准和补偿。
如图1所示，为现有技术中常规的需要偏振校正和补偿的测量设备无关量子密钥分发***结构示意图。合法的通信双方(称为Alice和Bob)均为量子态制备发送端，他们将制备的光量子态发送给第三方(称为Charlie)进行贝尔态投影测量，得到后选择出来的贝尔态，并进一步地共享安全密钥。
Alice和Bob作为量子态制备发送方，其***结构完全一样。以发送方Alice的结构为例，其主要由光源01、强度调制器(IM)02、光量子态制备装置03和可调衰减器(VA)04组成。
光源01发出相位随机化的光脉冲信号，被强度调制器(IM)02随机地调制成诱骗态方法中的一种强度，随后进入光量子态制备装置03，依据密钥和制备基的信息制备出对应的光量子信号，可调衰减器(VA)04将光量子信号衰减至最佳光强后输出至光纤信道。
Alice和Bob制备发送的光量子信号进入第三方Charlie端，进行贝尔态投影测量06前先由相应的偏振校准补偿装置05进行偏振校正和补偿，使得输入给贝尔态投影测量装置的两路光量子信号偏振一样。Charlie端的贝尔态投影测量装置06由一个分束器061和两个单光子探测器(0621和0622)组成，两路偏振一致的光量子信号在分束器061处发生HOM干涉(Hong-Ou-Mandel interference)，干涉后的光信号被单光子探测器探测，根据单光子探测器的探测结果后选择出相应的贝尔态。
合法的通信双方Alice和Bob根据Charlie的贝尔态投影测量结果及各自密钥和制备基的信息，可共享安全密钥，而Charlie仅有贝尔态投影测量结果无法获得密钥信息。
当光纤信道的传输特性随环境变化带来扰动时，将导致测量端需要设计复杂快速的偏振校准和补偿***。一方面增加了测量设备无关量子密钥分发***的复杂性，降低了传输效率，如果环境变化剧烈导致偏振补偿无法跟上，通信双方就无法共享密钥；另一方面可能会带来安全隐患，从而被窃听者利用。这两方面的因素都将限制测量设备无关量子密钥分发协议的应用价值，无法获得实用化的测量设备无关量子密钥分发***。
针对目前测量设备无关量子密钥分发***无法抵御较强环境干扰，实用性较差的缺点，本发明提供一种能够抵抗信道偏振扰动的测量设备无关量子密钥方法和***。该方法从原理上消除了信道偏振扰动对贝尔态投影测量的影响，而基于该方法实现的相位编码测量设备无关***对信道偏振扰动免疫，即使在极端恶劣的环境下仍然可以生成稳定的安全密钥。
具体的，如图2所示，为本发明实施例提供的一种测量设备无关量子密钥分发***结构示意图。所述测量设备无关量子密钥分发***，包括：第一量子态制备发送端21、第二量子态制备发送端22和测量端23；第一量子态制备发送端21与测量端23通过第一光纤信道连接；第二量子态制备发送端22与测量端23通过第二光纤信道连接，为方便说明，本实施例中还将第一量子态制备发送端21称作Alice；第二量子态制备发送端22称作Bob，测量端23称作Charlie。
第一量子态制备发送端21和第二量子态制备发送端22结构相同，本实施例中仅以其中之一进行描述，如图2中所示，量子态制备发送端21包括：光源211、强度调制器212、光量子态制备装置213、扰偏装置214和可调衰减器215；扰偏装置214用于对光脉冲信号或光量子信号的偏振态进行扰偏，使光脉冲信号或光量子信号的偏振态均匀分布在庞加莱球的表面；可调衰减器215的输出端作为量子态制备发送端21的输出端，将光强衰减后的光量子信号输出至光纤信道；其中，第一量子态制备发送端21的光量子信号输出至第一光纤信道，第二量子态制备发送端22的光量子信号输出至第二光纤信道。
从图2和图1对比，可以得知，本发明实施例中量子态制备发送端仅增加了一个扰偏装置。需要说明的是，本实施例中不限定所述扰偏装置的具***置和具体类型，只要能够使得对光脉冲信号或光量子信号的偏振态进行扰偏，使光脉冲信号或光量子信号的偏振态均匀分布在庞加莱球的表面。
如图2中所示，本实施例中可选的，扰偏装置214位于光量子态制备装置213和可调衰减器215之间，从而能够使扰偏装置对光量子态制备装置制备的光量子信号进行扰偏操作，发挥较好的扰偏效果。需要说明的是，当光量子态制备装置是偏振无关的，扰偏装置214也可以放置在光量子态制备装置213与强度调制器(IM)212之间，即光源211、强度调制器212、扰偏装置214、光量子态制备装置213和可调衰减器215依次连接。
关于扰偏装置的具体类型，本实施例中可选的，扰偏装置可以是主动扰偏装置，也可以是被动扰偏装置，还可以是主动扰偏装置与被动扰偏装置的组合扰偏装置。鉴于量子密钥分发***中的量子态制备发送端强度固定且无法中间放大的特性，扰偏装置的速率并不需要很快，kHz甚至更低速率即可满足需求。在测量设备无关量子密钥分发***中，为保障贝尔态投影测量的效果，量子态制备发送端光量子信号的时间相干性较好，达到较好的***运行效果，扰偏装置优选为主动扰偏装置与被动扰偏装置相结合的组合扰偏装置。
本实施例中测量端23包括：第一偏振分束器231、第二偏振分束器232、第一贝尔态投影测量装置233和第二贝尔态投影测量装置234，第一贝尔态投影测量装置233和第二贝尔态投影测量装置234均包括一个保偏分束器和两个单光子探测器；第一偏振分束器231用于将由第一光纤信道输入的光量子信号分离成偏振方向相互正交的第一偏振分量和第二偏振分量；第二偏振分束器232用于将由第二光纤信道输入的光量子信号分离成偏振方向相互正交的第三偏振分量和第四偏振分量；第一偏振分量的偏振方向与第三偏振分量的偏振方向相同，第二偏振分量的偏振方向与第四偏振分量的偏振方向相同；第一贝尔态投影测量装置233用于测量第一偏振分量和第三偏振分量的贝尔态；第二贝尔态投影测量装置234用于测量第二偏振分量和第四偏振分量的贝尔态。
为便于说明，本实施例中以第一偏振分量与第三偏振分量的偏振方向为水平偏振分量，第二偏振分量和第四偏振分量的偏振方向为竖直偏振分量为例进行说明，但本发明中对此并不做限定，只要同一个光量子信号分离后的两个偏振分量的方向正交，由第一光纤信道输入的光量子信号与由第二光纤信道输入的光量子信号的偏振分量的偏振方向相同即可。
如图2中所示，本发明的***中不再需要偏振校正补偿装置，取而代之的是偏振分束器(Polarization Beam Splitter，PBS)，其将经过光纤信道输入的光量子信号分离成两个正交的偏振分量。其中，两路水平偏振分量进入一个贝尔态投影测量装置进行贝尔态投影测量，两路竖直偏振分量进入另一个贝尔态投影测量装置进行贝尔态投影测量。
本实施例中由于测量端23没有偏振校正补偿装置，其贝尔态投影测量装置中HOM干涉所需的分束器须为保偏分束器，而偏振分束器与保偏分束器之间的光纤均为保偏光纤。即第一偏振分束器与第一贝尔态投影测量装置中的保偏分束器之间，以及第二偏振分束器与第二贝尔态投影测量装置中的保偏分束器之间均为保偏光纤连接。
基于上述测量设备无关量子密钥分发***，本发明实施例提供了一种测量设备无关量子密钥分发方法，如图3所示，包括：
S101：制备第一光量子信号和第二光量子信号；
S102：对所述第一光量子信号和所述第二光量子信号进行扰偏操作，使得所述第一光量子信号和所述第二光量子信号的偏振态均匀分布在庞加莱球的表面；
S103：分别将经过扰偏后的第一光量子信号通过第一光纤信道传输和将经过扰偏后的第二光量子信号通过第二光纤信道传输；
S104：将经过扰偏后的第一光量子信号分离为偏振方向相互正交的第一偏振分量和第二偏振分量；
S105：将经过扰偏后的第二光量子信号分离为偏振方向相互正交的第三偏振分量和第四偏振分量；其中，所述第一偏振分量的偏振方向与所述第三偏振分量的偏振方向相同，所述第二偏振分量的偏振方向与所述第四偏振分量的偏振方向相同；
S106：测量所述第一偏振分量和所述第三偏振分量的贝尔态，以及所述第二偏振分量和所述第四偏振分量的贝尔态。
具体的，结合图2所示的测量设备无关量子密钥分发***，测量设备无关量子密钥分发方法的具体原理为：
合法的通信双方(称为Alice和Bob)均为量子态制备发送端，他们将制备的光量子态发送给第三方(称为Charlie)进行贝尔态投影测量，得到后选择出来的贝尔态，并进一步地共享安全密钥。
在量子态制备发送端：光源发出相位随机化的光脉冲信号，被强度调制器(IM)随机地调制成诱骗态方法中的一种强度，随后进入光量子态制备装置，依据密钥和制备基的信息制备出对应的光量子信号，扰偏装置对光量子信号的偏振态进行扰偏操作，使光量子信号的偏振态均匀分布在庞加莱球的表面，可调衰减器(VA)将光量子信号衰减至最佳光强后输出至光纤信道。也即完成上述步骤S101和步骤S102。
经过光纤信道传输至测量端，即步骤S103。在测量端，Alice发送来的光量子信号(即经过扰偏后的第一光量子信号)被偏振分束器分离成水平偏振分量和竖直偏振分量，Bob发送来的光量子信号(即经过扰偏后的第二光量子信号)也被偏振分束器分离成水平偏振分量和竖直偏振分量。其中，Alice发送的光量子信号的水平偏振分量和Bob发送的光量子信号的水平偏振分量通过保偏光纤输入至一个贝尔态投影测量装置，该贝尔态投影测量装置由一个保偏分束器和两个单光子探测器组成，Alice和Bob发送光量子信号的水平偏振分量在保偏分束器处发生HOM干涉，干涉后的光信号被单光子探测器探测，根据两个单光子探测器的探测结果后选择出相应的贝尔态。Alice发送的光量子信号的竖直偏振分量和Bob发送的光量子信号的竖直偏振分量通过保偏光纤输入至另一个贝尔态投影测量装置，该贝尔态投影测量装置由一个保偏分束器和两个单光子探测器组成，Alice和Bob发送光量子信号的竖直偏振分量在保偏分束器处发生HOM干涉，干涉后的光信号被单光子探测器探测，根据两个单光子探测器的探测结果后选择出相应的贝尔态。也即对应上述步骤S104-S106。
本发明实施例还提供一种测量设备无关量子密钥分发***，包括：第一量子态制备发送端、第二量子态制备发送端和测量端；其中，第一量子态制备发送端和第二量子态制备发送端的结构与上面图2所示的结构相同，本实施例中对此不做赘述。
与图2所示的测量设备无关量子密钥分发***不同的是，为节约设备成本，所述测量端仅包括一个贝尔态投影测量装置。为此，测量端如图4所示，包括第三偏振分束器41、第四偏振分束器42、第五偏振分束器43和第六偏振分束器44。
第三偏振分束器41用于将由第一光纤信道输入的光量子信号分离成偏振方向相互正交的第五偏振分量和第六偏振分量；第四偏振分束器42用于将由第二光纤信道输入的光量子信号分离成偏振方向相互正交的第七偏振分量和第八偏振分量；第五偏振分量的偏振方向与第七偏振分量的偏振方向相同，第六偏振分量的偏振方向与第八偏振分量的偏振方向相同；第三偏振分束器41的一个输出端与第五偏振分束器的一个输入端通过第一延时光纤45连接，第一延时光纤45用于延时传递第五偏振分量；第四偏振分束器42的一个输出端与第六偏振分束器44的一个输入端通过第二延时光纤46连接，第二延时光纤46用于延时传递第七偏振分量，第五偏振分量和第七偏振分量的延时时间t相同；第五偏振分束器43用于将延时后的第五偏振分量和第六偏振分量进行合束，得到第一合束；第六偏振分束器44用于将延时后的第七偏振分量和第八偏振分量进行合束，得到第二合束；贝尔态投影测量装置47用于分时测量第一合束和第二合束中的不同偏振分量的贝尔态。
即本实施例中采用时分复用贝尔态投影测量装置来分时测量第一合束和第二合束中的水平偏振分量的贝尔态和竖直偏振分量的贝尔态。
本实施例中不限定进行延时的是哪种偏振方向的偏振分量，可选的，如图4中所示，将竖直偏振分量进行延时，水平偏振分量不进行延时，在其他实施例中，也可将水平偏振分量进行延时，竖直偏振分量不进行延时。
基于上述测量设备无关量子密钥分发***，本实施例中还提供一种测量设备无关量子密钥分发方法，如图5所示，包括：
S201：制备第一光量子信号和第二光量子信号；
S202：对所述第一光量子信号和所述第二光量子信号进行扰偏操作，使得所述第一光量子信号和所述第二光量子信号的偏振态均匀分布在庞加莱球的表面；
S203：分别将经过扰偏后的第一光量子信号通过第一光纤信道传输和将经过扰偏后的第二光量子信号通过第二光纤信道传输；
S204：将经过扰偏后的第一光量子信号分离为偏振方向相互正交的第五偏振分量和第六偏振分量；
S205：将经过扰偏后的第二光量子信号分离为偏振方向相互正交的第七偏振分量和第八偏振分量；其中，所述第五偏振分量的偏振方向与所述第七偏振分量的偏振方向相同，所述第六偏振分量的偏振方向与所述第八偏振分量的偏振方向相同；
S206：延时所述五偏振分量和所述第七偏振分量相同时间；
S207：将延时后的第五偏振分量和所述第六偏振分量进行合束，得到第一合束，以及将延时后的第七偏振分量和所述第八偏振分量进行合束，得到第二合束；
S208：分别测量所述第一合束和所述第二合束中的不同偏振分量的贝尔态。
步骤S201-S205可参见步骤S101-S105的具体步骤，本实施例中不再进行赘述。
在时分复用贝尔态投影测量装置的测量端中，Alice发送来的光量子信号被偏振分束器分离成水平偏振分量和竖直偏振分量，其中水平偏振分量直接输入下一个偏振分束器，而竖直偏振分量则先延时t再输入下一个偏振分束器，该偏振分束器将水平偏振分量和竖直偏振分量合束后输出至贝尔态投影测量装置；与之类似，Bob发送来的光量子信号也被偏振分束器分离成水平偏振分量和竖直偏振分量，其中水平偏振分量直接输入下一个偏振分束器，而竖直偏振分量则先延时t再输入下一个偏振分束器。对应上述步骤S206。
偏振分束器(45、46)将水平偏振分量和竖直偏振分量合束后输出至贝尔态投影测量装置。对应上述步骤S207。
贝尔态投影测量装置由一个保偏分束器和两个单光子探测器组成，Alice和Bob发送光量子信号的水平偏振分量先在保偏分束器处发生HOM干涉，干涉后的光信号被单光子探测器探测，根据两个单光子探测器的探测结果后选择出相应的贝尔态；经过延时t后，Alice和Bob发送光量子信号的竖直偏振分量也在保偏分束器处发生HOM干涉，干涉后的光信号被单光子探测器探测，根据此时两个单光子探测器的探测结果后选择出相应的贝尔态。对应上述步骤S208。
这样，该贝尔态投影测量装置先对水平偏振分量进行贝尔态投影测量，在延时t后再对竖直偏振分量进行贝尔态投影测量，因此，测量端仅需一个贝尔态投影测量装置即可完成对两组偏振分量的有效测量，节约了设备成本，增强了实用价值。
本发明提供的测量设备无关量子密钥方法中，在量子态制备发送端对光脉冲信号或光量子信号的偏振态进行扰偏，使所述光脉冲信号或光量子信号的偏振态均匀分布在庞加莱球的表面，然后两路经过扰偏操作的光脉冲信号或光量子信号分别经过独立的光纤信道传输至测量端进行贝尔态投影测量。在测量端每路光量子信号先被分离成两个正交的偏振分量，两路中正交的偏振分量的偏振方向分别相同，然后偏振方向相同的偏振分量分别进行贝尔态投影测量。
由于进入光纤信道的光量子信号的偏振态均匀分布在庞加莱球的表面，环境因素造成的信道偏振扰动对其作用相互抵消。而在测量端，通过先偏振分离再贝尔态投影测量的方式，保证了投影测量光量子信号偏振特性的全同性，使得贝尔态投影测量能够稳定、准确地进行。
由于现有技术中测量设备无关量子密钥分发***需要偏振校正和补偿模块，不仅增加***复杂度，降低传输效率，而且会带来安全隐患等系列缺点。本发明提供的用于实现上述方法的测量设备无关量子密钥分发***中，仅需在量子态制备发送端增加扰动装置即可，可以将现有技术中的测量端的偏振校准和补偿装置去除，使得测量设备无关量子密钥分发***对信道偏振扰动免疫，测量端无需进行偏振校准和补偿，使得密钥分发过程能够稳定、高效地进行。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (12)

1.一种测量设备无关量子密钥分发***，其特征在于，包括：
第一量子态制备发送端、第二量子态制备发送端和测量端；
所述第一量子态制备发送端与所述测量端通过第一光纤信道连接；
所述第二量子态制备发送端与所述测量端通过第二光纤信道连接；
所述第一量子态制备发送端和所述第二量子态制备发送端结构相同，均包括：
光源、强度调制器、光量子态制备装置、扰偏装置和可调衰减器；
所述扰偏装置用于对光脉冲信号或光量子信号的偏振态进行扰偏，使所述光脉冲信号或光量子信号的偏振态均匀分布在庞加莱球的表面；
所述可调衰减器的输出端作为量子态制备发送端的输出端，将光强衰减后的光量子信号输出至光纤信道；
所述测量端包括：
第一偏振分束器、第二偏振分束器、第一贝尔态投影测量装置和第二贝尔态投影测量装置，所述第一贝尔态投影测量装置和所述第二贝尔态投影测量装置均包括一个保偏分束器和两个单光子探测器；
所述第一偏振分束器用于将由所述第一光纤信道输入的光量子信号分离成偏振方向相互正交的第一偏振分量和第二偏振分量；
所述第二偏振分束器用于将由所述第二光纤信道输入的光量子信号分离成偏振方向相互正交的第三偏振分量和第四偏振分量；
所述第一偏振分量的偏振方向与所述第三偏振分量的偏振方向相同，所述第二偏振分量的偏振方向与所述第四偏振分量的偏振方向相同；
所述第一贝尔态投影测量装置用于测量所述第一偏振分量和所述第三偏振分量的贝尔态；
所述第二贝尔态投影测量装置用于测量所述第二偏振分量和所述第四偏振分量的贝尔态。
2.根据权利要求1所述的测量设备无关量子密钥分发***，其特征在于，所述光源、所述强度调制器、所述光量子态制备装置、所述扰偏装置和所述可调衰减器的连接关系为：所述光源、所述强度调制器、所述光量子态制备装置、所述扰偏装置和所述可调衰减器依次连接。
3.根据权利要求1所述的测量设备无关量子密钥分发***，其特征在于，所述光源、所述强度调制器、所述光量子态制备装置、所述扰偏装置和所述可调衰减器的连接关系为：
所述光源、所述强度调制器、所述扰偏装置、所述光量子态制备装置和所述可调衰减器依次连接。
4.根据权利要求1所述的测量设备无关量子密钥分发***，其特征在于，所述第一偏振分束器与所述第一贝尔态投影测量装置中的保偏分束器之间，以及所述第二偏振分束器与所述第二贝尔态投影测量装置中的保偏分束器之间均为保偏光纤连接。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的测量设备无关量子密钥分发***，其特征在于，所述扰偏装置包括：主动扰偏装置、被动扰偏装置或所述主动扰偏装置与所述被动扰偏装置的组合扰偏装置。
6.一种测量设备无关量子密钥分发***，其特征在于，包括：
第一量子态制备发送端、第二量子态制备发送端和测量端；
所述第一量子态制备发送端与所述测量端通过第一光纤信道连接；
所述第二量子态制备发送端与所述测量端通过第二光纤信道连接；
所述第一量子态制备发送端和所述第二量子态制备发送端结构相同，均包括：
光源、强度调制器、光量子态制备装置、扰偏装置和可调衰减器；
所述扰偏装置用于对光脉冲信号或光量子信号的偏振态进行扰偏，使所述光脉冲信号或光量子信号的偏振态均匀分布在庞加莱球的表面；
所述可调衰减器的输出端作为量子态制备发送端的输出端，将光强衰减后的光量子信号输出至光纤信道；
所述测量端包括：
第三偏振分束器、第四偏振分束器、第五偏振分束器、第六偏振分束器和贝尔态投影测量装置，所述贝尔态投影测量装置包括一个保偏分束器和两个单光子探测器；
所述第三偏振分束器用于将由所述第一光纤信道输入的光量子信号分离成偏振方向相互正交的第五偏振分量和第六偏振分量；
所述第四偏振分束器用于将由所述第二光纤信道输入的光量子信号分离成偏振方向相互正交的第七偏振分量和第八偏振分量；
所述第五偏振分量的偏振方向与所述第七偏振分量的偏振方向相同，所述第六偏振分量的偏振方向与所述第八偏振分量的偏振方向相同；
所述第三偏振分束器的一个输出端与所述第五偏振分束器的一个输入端通过第一延时光纤连接，所述第一延时光纤用于延时传递所述第五偏振分量；
所述第四偏振分束器的一个输出端与所述第六偏振分束器的一个输入端通过第二延时光纤连接，所述第二延时光纤用于延时传递所述第七偏振分量，所述第五偏振分量和所述第七偏振分量的延时时间相同；
所述第五偏振分束器用于将延时后的第五偏振分量和所述第六偏振分量进行合束，得到第一合束；
所述第六偏振分束器用于将延时后的第七偏振分量和所述第八偏振分量进行合束，得到第二合束；
所述贝尔态投影测量装置用于分时测量所述第一合束和所述第二合束中的不同偏振分量的贝尔态。
7.根据权利要求6所述的测量设备无关量子密钥分发***，其特征在于，所述光源、所述强度调制器、所述光量子态制备装置、所述扰偏装置和所述可调衰减器的连接关系为：所述光源、所述强度调制器、所述光量子态制备装置、所述扰偏装置和所述可调衰减器依次连接。
8.根据权利要求6所述的测量设备无关量子密钥分发***，其特征在于，所述光源、所述强度调制器、所述光量子态制备装置、所述扰偏装置和所述可调衰减器的连接关系为：所述光源、所述强度调制器、所述扰偏装置、所述光量子态制备装置和所述可调衰减器依次连接。
9.根据权利要求6所述的测量设备无关量子密钥分发***，其特征在于，所述第五偏振分束器与所述贝尔态投影测量装置中的保偏分束器之间，以及所述第六偏振分束器与所述贝尔态投影测量装置中的保偏分束器之间均为保偏光纤连接。
10.根据权利要求6-9任意一项所述的测量设备无关量子密钥分发***，其特征在于，所述扰偏装置包括：主动扰偏装置、被动扰偏装置或所述主动扰偏装置与所述被动扰偏装置的组合扰偏装置。
11.一种测量设备无关量子密钥分发方法，其特征在于，应用于权利要求1-5任意一项所述的测量设备无关量子密钥分发***，所述测量设备无关量子密钥分发方法包括：
制备第一光量子信号和第二光量子信号；
对所述第一光量子信号和所述第二光量子信号进行扰偏操作，使得所述第一光量子信号和所述第二光量子信号的偏振态均匀分布在庞加莱球的表面；
分别将经过扰偏后的第一光量子信号通过第一光纤信道传输和将经过扰偏后的第二光量子信号通过第二光纤信道传输；
将所述经过扰偏后的第一光量子信号分离为偏振方向相互正交的第一偏振分量和第二偏振分量；
将所述经过扰偏后的第二光量子信号分离为偏振方向相互正交的第三偏振分量和第四偏振分量；其中，所述第一偏振分量的偏振方向与所述第三偏振分量的偏振方向相同，所述第二偏振分量的偏振方向与所述第四偏振分量的偏振方向相同；
测量所述第一偏振分量和所述第三偏振分量的贝尔态，以及所述第二偏振分量和所述第四偏振分量的贝尔态。
12.一种测量设备无关量子密钥分发方法，其特征在于，应用于权利要求6-10任意一项所述的测量设备无关量子密钥分发***，所述测量设备无关量子密钥分发方法包括：
制备第一光量子信号和第二光量子信号；
对所述第一光量子信号和所述第二光量子信号进行扰偏操作，使得所述第一光量子信号和所述第二光量子信号的偏振态均匀分布在庞加莱球的表面；
分别将经过扰偏后的第一光量子信号通过第一光纤信道传输和将经过扰偏后的第二光量子信号通过第二光纤信道传输；
将所述经过扰偏后的第一光量子信号分离为偏振方向相互正交的第五偏振分量和第六偏振分量；
将所述经过扰偏后的第二光量子信号分离为偏振方向相互正交的第七偏振分量和第八偏振分量；其中，所述第五偏振分量的偏振方向与所述第七偏振分量的偏振方向相同，所述第六偏振分量的偏振方向与所述第八偏振分量的偏振方向相同；
延时所述五偏振分量和所述第七偏振分量相同时间；
将延时后的第五偏振分量和所述第六偏振分量进行合束，得到第一合束，以及将延时后的第七偏振分量和所述第八偏振分量进行合束，得到第二合束；
分别测量所述第一合束和所述第二合束中的不同偏振分量的贝尔态。
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