CN107579820B - 用于多路量子密钥分发***的同步装置和同步方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于多路量子密钥分发***的同步装置和同步方法，包括发送端和接收端，发送端包括同源时钟模块、多路量子密钥分发***发送端、第一协议解析模块、第一光模块驱动单元和第一光模块，接收端包括第二光模块、第二光模块驱动单元、第二协议解析模块和多路量子密钥分发***接收端；同源时钟模块与多路量子密钥分发***发送端连接，多路量子密钥分发***发送端与第一协议解析模块电连接，第一协议解析模块与第一光模块驱动单元电连接；本发明发送端使用同一个时钟源，且将多路经典信号和同步信号合并在一个信道里，因此本发明既可以省去多路典信号和同步信号的驱动电路及电光转换模块，也可以简化信道波分复用的复杂度。
Description
技术领域
本发明涉及量子密钥分发技术领域，具体涉及一种用于多路量子密钥分发***的同步装置和同步方法。
背景技术
量子密钥分配是量子信息和计算机科学完美结合的一个交叉领域，它利用量子理论为实现真正的保密信息交换提供了一个理论上无条件安全的方法。量子保密通信领域正蓬勃发展，而明确提出“量子密钥分发” 这一概念的是IBM 公司的Bennett 和加拿大的Brassard。两人在1984 年的IEEE 计算机国际大会上公开发表了论文《Public-KeyDistribution and coin tossing》。论文中阐述了使用光子的偏振状态编码进行密钥分发的基本原理和实验构想，该论文的发表标志着量子密码的诞生，后来这个方法成为了著名的BB84 协议。从那以后量子保密通信逐渐从实验室验证、短距离、低成码率的QKD模型，已经开始往网络化、远距离，以及高效率高成码率高稳定性的***发展。目前国内外已有少数公司对QKD***进行了商业化应用，国内的QKD网络的覆盖范围也刚开始形成。目前主要通过提升***量子光发送频率的方法来提升安全码率的产生速率，但是受电子学和光学的限制未来不可能无限制的提高，可对于一些主要节点或者高码率应用的节点而言，安全密钥的需求未来将持续变多，这将会制约量子密钥分配***的大规模使用。目前，有的网络在主干线以及大数据量的线路上已经开始使用多套量子密钥分配设备并行产生安全密钥。量子密钥分发***在通信中需要三个信道，分别为量子信道、同步信道和经典通信信道，一般而言量子信道用于传输量子光，同步信道用于传输同步信号，经典通信信道用于原始密钥筛选、对基、身份认证、纠错以及保密放大。一般而言，为了节约信道，会将多路量子信道、同步信道和经典通信信道波分复用或者将同步信道和经典通信信道合并，不过随着复用***的增多，实际操作和使用的难度就会加大。
对于高安全码率应用的节点，受电子学和光学的限制未来不可能无限制的提高，目前已经开始使用多套量子密钥分配设备并行产生安全密钥。由于量子密钥分发***在通信中需要三个信道，对于多套量子密钥分配设备同时使用时波分复用信道的复杂度就会大幅提高，需要多路同步信号和经典信号的驱动电路及电光转换模块，信道波分复用较为复杂。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足提供一种用于多路量子密钥分发***的同步装置和同步方法，本用于多路量子密钥分发***的同步装置和同步方法根据绝大部分时钟周期里接收端都没有探测信号的输出这一特点，发送端使用同一个时钟源，且将多路经典信号和同步信号合并在一个信道里，因此本发明既可以省去多路典信号和同步信号的驱动电路及电光转换模块，也可以简化信道波分复用的复杂度。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
一种用于多路量子密钥分发***的同步装置，包括发送端和接收端，所述发送端包括同源时钟模块、多路量子密钥分发***发送端、第一协议解析模块、第一光模块驱动单元和第一光模块，所述接收端包括第二光模块、第二光模块驱动单元、第二协议解析模块和多路量子密钥分发***接收端；
所述同源时钟模块与多路所述量子密钥分发***发送端连接，多路所述量子密钥分发***发送端与多路所述量子密钥分发***接收端量子通信连接，多路所述量子密钥分发***发送端与第一协议解析模块电连接，所述第一协议解析模块与第一光模块驱动单元电连接，所述第一光模块驱动单元与第一光模块电连接，所述第一光模块与第二光模块经典通信连接，所述第二光模块与第二光模块驱动单元电连接，所述第二光模块驱动单元与第二协议解析模块电连接，所述第二协议解析模块与多路所述量子密钥分发***接收端电连接。
作为本发明进一步改进的技术方案，还包括第一量子密钥波分复用器和第二量子密钥波分复用器，多路所述量子密钥分发***发送端均与第一量子密钥波分复用器连接，多路所述量子密钥分发***接收端均与第二量子密钥波分复用器连接，所述第一量子密钥波分复用器通过单根光纤与第二量子密钥波分复用器量子通信连接。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述第一光模块通过单根光纤与第二光模块经典通信连接。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述同源时钟模块采用锁相环时钟发生器或者晶振。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述第一协议解析模块包括编码模块和第一FIFO模块，所述编码模块与量子密钥分发***发送端连接，所述编码模块与第一FIFO模块连接；所述第二协议解析模块包括解码模块和第二FIFO模块，所述解码模块与第二FIFO模块连接，所述第二FIFO模块与量子密钥分发***接收端连接。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述量子密钥分发***发送端包括光源、发送端量子态制备模块、光衰减器和发送端控制电路模块，所述光源与发送端量子态制备模块通过光纤连接，所述发送端量子态制备模块与光衰减器通过光纤连接，所述光衰减器与第一量子密钥波分复用器通过光纤连接，所述控制电路模块分别与光源、发送端量子态制备模块和光衰减器电连接，所述控制电路模块与第一协议解析模块电连接。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述量子密钥分发***接收端包括接收端控制电路模块、接收端量子态制备模块和单光子探测器，所述接收端控制电路模块分别与接收端量子态制备模块和单光子探测器电连接，所述接收端控制电路模块与第二协议解析模块电连接。
为实现上述技术目的，本发明采取的另一个技术方案为：
一种用于多路量子密钥分发***的同步方法，包括以下步骤：
步骤1：多路所述量子密钥分发***发送端通过同源时钟模块进行量子态制备并经过量子信道发送量子光到多路所述量子密钥分发***接收端；
步骤2: 多路所述量子密钥分发***发送端均通过同源时钟模块发送同步信号和多路经典信号到第一协议解析模块，第一协议解析模块对多路经典信号分别添加报头信息并缓存多路经典信号；
步骤3：第一协议解析模块将多路经典信号根据同步信号的传输频率并通过第一光模块驱动单元发送到第一光模块，所述第一光模块将多路经典信号和同步信号转换为光信号并通过单根光纤发送到第二光模块；
步骤4：所述第二光模块将接收的光信号转换为多路经典信号和同步信号并通过第二光模块驱动单元发送给第二协议解析模块，第二协议解析模块去掉多路经典信号上的报头信息并根据多路经典信息上的报头信息发送多路经典信号和同步信号到对应的多路量子密钥分发***接收端，多路所述量子密钥分发***接收端根据接收到的多路经典信号和同步信号对多路所述量子密钥分发***发送端发送的量子光进行量子态制备和量子态探测。
本发明根据绝大部分时钟周期里接收端都没有探测信号的输出这一特点，将多路量子密钥分发***发送端和多路量子密钥分发***接收端并行使用时，可以将所有同步信号和经典信号通过一个信道合并传输；多路量子密钥分发***发送端使用同一时钟源，使得可以只使用一路同步信号即使得多套量子密钥分发设备同时运行。因此本发明既可以省去多路典信号和同步信号的驱动电路及电光转换模块，也可以简化信道波分复用的复杂度。
附图说明
图1为本发明的发送端的结构示意图。
图2为本发明的接收端的结构示意图。
图3为本发明的量子密钥分发***发送端的结构示意图。
图4为本发明的量子密钥分发***接收端的结构示意图。
具体实施方式
下面根据图1至图4对本发明的具体实施例做出具体说明:
参见图1和图2，一种用于多路量子密钥分发***的同步装置，包括发送端和接收端，所述发送端包括同源时钟模块、多路量子密钥分发***发送端、第一协议解析模块、第一光模块驱动单元和第一光模块，所述接收端包括第二光模块、第二光模块驱动单元、第二协议解析模块和多路量子密钥分发***接收端；所述同源时钟模块与多路所述量子密钥分发***发送端连接，多路所述量子密钥分发***发送端与多路所述量子密钥分发***接收端量子通信连接，多路所述量子密钥分发***发送端与第一协议解析模块电连接，所述第一协议解析模块与第一光模块驱动单元电连接，所述第一光模块驱动单元与第一光模块电连接，所述第一光模块与第二光模块经典通信连接，所述第二光模块与第二光模块驱动单元电连接，所述第二光模块驱动单元与第二协议解析模块电连接，所述第二协议解析模块与多路所述量子密钥分发***接收端电连接。
本实施例还包括第一量子密钥波分复用器（DWDM）和第二量子密钥波分复用器，多路所述量子密钥分发***发送端均与第一量子密钥波分复用器连接，多路所述量子密钥分发***接收端均与第二量子密钥波分复用器连接，所述第一量子密钥波分复用器通过单根光纤与第二量子密钥波分复用器量子通信连接。所述第一光模块通过单根光纤与第二光模块经典通信连接。所述同源时钟模块采用锁相环时钟发生器或者晶振。
本实施例中，所述第一协议解析模块包括编码模块和第一FIFO模块，所述编码模块与量子密钥分发***发送端连接，所述编码模块与第一FIFO模块连接；所述第二协议解析模块包括解码模块和第二FIFO模块，所述解码模块与第二FIFO模块连接，所述第二FIFO模块与量子密钥分发***接收端连接。第一协议解析模块和第二协议解析模块不仅具有协议解析的功能，还具有存储功能，用于缓存不确定速率的经典信号。
本实施例中，参见图3，所述量子密钥分发***发送端包括光源、发送端量子态制备模块、光衰减器和发送端控制电路模块，所述光源与发送端量子态制备模块通过光纤连接，所述发送端量子态制备模块与光衰减器通过光纤连接，所述光衰减器与第一量子密钥波分复用器通过光纤连接，所述控制电路模块分别与光源、发送端量子态制备模块和光衰减器电连接，所述控制电路模块与第一协议解析模块电连接。其中发送端量子态制备模块具有量子态制备（即量子态改变）的功能，可以采用现有技术的量子密钥分发***发送端内部改变量子态的结构实现量子态制备。具体地，发送端控制电路模块触发光源产生多光子，经过发送端量子态制备模块，将密钥信息加载在光子上，发送前将光源衰减至单光子级别，载有密钥信息的单光子进入量子信道。
本实施例中，参见图4，所述量子密钥分发***接收端包括接收端控制电路模块、接收端量子态制备模块和单光子探测器，所述接收端控制电路模块分别与接收端量子态制备模块和单光子探测器电连接，所述接收端控制电路模块与第二协议解析模块电连接。其中接收端量子态制备模块具有量子态制备（即量子态改变）的功能，可以采用现有技术的量子密钥分发***接收端内部改变量子态的结构实现量子态制备。接收端从量子信道接收到光子，首先进入接收端量子态制备模块解码，再进入单光子探测器，单光子探测器对单光子响应并输出电学信号输出至接收端控制电路模块，再由接收端发起在经典信道的对基和后处理。
上述用于多路量子密钥分发***的同步装置的实际工作流程为：运行时发送端使用同源时钟进行量子态制备；多路量子密钥分发***发送端通过波分复用量子信道发送量子光；经典信息发送至第一协议解析模块，其功能一方面第一协议解析模块内的编码模块为将经典信息加上报头（即通过编码模块进行编码的过程），使得接收端可以分辨出哪一路发送端发送的数据，另一方面第一FIFO模块缓存多路经典信号（第一FIFO模块具有缓存数据功能），使得经典信号按预先设定速率传输；多路经典信息与同步信号在第一协议解析模块内合并后通过第一光模块发送出去；接收端接收到经典信息后，通过第二协议解析模块内的解码模块将报头去除（即通过解码模块进行解码的过程），将经典信息发送至对应的各路量子密钥分发***接收端。接收端接收到同步信号后，各路量子密钥分发***接收端使用同步时钟进行量子态制备和量子态探测；
本实施例还提供一种用于多路量子密钥分发***的同步方法，包括以下步骤：
步骤1：多路所述量子密钥分发***发送端通过同源时钟模块进行量子态制备并经过量子信道发送量子光到多路所述量子密钥分发***接收端；
步骤2: 多路所述量子密钥分发***发送端均通过同源时钟模块发送同步信号和多路经典信号到第一协议解析模块，第一协议解析模块内的编码模块对多路经典信号分别添加报头信息且第一协议解析模块内的第一FIFO模块缓存多路经典信号；
步骤3：第一协议解析模块将多路经典信号根据同步信号的传输频率并通过第一光模块驱动单元发送到第一光模块，所述第一光模块将多路经典信号和同步信号转换为光信号并通过单根光纤发送到第二光模块；
步骤4：所述第二光模块将接收的光信号转换为多路经典信号和同步信号并通过第二光模块驱动单元发送给第二协议解析模块，第二协议解析模块内的解码模块去掉多路经典信号上的报头信息且第二协议解析模块内的第二FIFO模块缓存多路经典信号，第二协议解析模块根据多路经典信息上的报头信息发送多路经典信号和同步信号到对应的多路量子密钥分发***接收端，多路所述量子密钥分发***接收端根据接收到的多路经典信号和同步信号对多路所述量子密钥分发***发送端发送的量子光进行量子态制备和量子态探测。量子态制备和量子态探测均可使用现有技术的量子态制备和量子态探测方法。
本发明对于多套量子密钥分配设备并行使用时，可以将所有同步信号和经典信号合并传输；多套量子密钥分发***发送端使用同一时钟源，使得可以只使用一路同步信号即使得多套量子密钥分发设备同时运行。
本发明的保护范围包括但不限于以上实施方式，本发明的保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种用于多路量子密钥分发***的同步方法，其特征在于：包括用于多路量子密钥分发***的同步装置，所述用于多路量子密钥分发***的同步装置包括发送端和接收端，所述发送端包括同源时钟模块、多路量子密钥分发***发送端、第一协议解析模块、第一光模块驱动单元和第一光模块，所述接收端包括第二光模块、第二光模块驱动单元、第二协议解析模块和多路量子密钥分发***接收端；
所述同源时钟模块与多路量子密钥分发***发送端连接，多路量子密钥分发***发送端均与第一量子密钥波分复用器连接，多路量子密钥分发***接收端均与第二量子密钥波分复用器连接，第一量子密钥波分复用器通过单根光纤与第二量子密钥波分复用器量子通信连接，多路量子密钥分发***发送端与第一协议解析模块电连接，所述第一协议解析模块与第一光模块驱动单元电连接，所述第一光模块驱动单元与第一光模块电连接，所述第一光模块与第二光模块经典通信连接，所述第二光模块与第二光模块驱动单元电连接，所述第二光模块驱动单元与第二协议解析模块电连接，所述第二协议解析模块与多路所述量子密钥分发***接收端电连接；
其中同步方法包括以下步骤：
步骤1：多路所述量子密钥分发***发送端通过同源时钟模块进行量子态制备并经过量子信道发送量子光到多路所述量子密钥分发***接收端；
步骤2:多路所述量子密钥分发***发送端均通过同源时钟模块发送同步信号和多路经典信号到第一协议解析模块，第一协议解析模块对多路经典信号分别添加报头信息并缓存多路经典信号；
步骤3：第一协议解析模块将多路经典信号根据同步信号的传输频率并通过第一光模块驱动单元发送到第一光模块，所述第一光模块将多路经典信号和同步信号转换为光信号并通过单根光纤发送到第二光模块；
步骤4：所述第二光模块将接收的光信号转换为多路经典信号和同步信号并通过第二光模块驱动单元发送给第二协议解析模块，第二协议解析模块去掉多路经典信号上的报头信息并根据多路经典信息上的报头信息发送多路经典信号和同步信号到对应的多路量子密钥分发***接收端，多路所述量子密钥分发***接收端根据接收到的多路经典信号和同步信号对多路所述量子密钥分发***发送端发送的量子光进行量子态制备和量子态探测。
2.根据权利要求1所述的用于多路量子密钥分发***的同步方法，其特征在于：所述第一光模块通过单根光纤与第二光模块经典通信连接。
3.根据权利要求1所述的用于多路量子密钥分发***的同步方法，其特征在于：所述同源时钟模块采用锁相环时钟发生器或者晶振。
4.根据权利要求1所述的用于多路量子密钥分发***的同步方法，其特征在于：所述第一协议解析模块包括编码模块和第一FIFO模块，所述编码模块与量子密钥分发***发送端连接，所述编码模块与第一FIFO模块连接；所述第二协议解析模块包括解码模块和第二FIFO模块，所述解码模块与第二FIFO模块连接，所述第二FIFO模块与量子密钥分发***接收端连接。
5.根据权利要求4所述的用于多路量子密钥分发***的同步方法，其特征在于：所述量子密钥分发***发送端包括光源、发送端量子态制备模块、光衰减器和发送端控制电路模块，所述光源与发送端量子态制备模块通过光纤连接，所述发送端量子态制备模块与光衰减器通过光纤连接，所述光衰减器与第一量子密钥波分复用器通过光纤连接，所述控制电路模块分别与光源、发送端量子态制备模块和光衰减器电连接，所述控制电路模块与第一协议解析模块电连接。
6.根据权利要求5所述的用于多路量子密钥分发***的同步方法，其特征在于：所述量子密钥分发***接收端包括接收端控制电路模块、接收端量子态制备模块和单光子探测器，所述接收端控制电路模块分别与接收端量子态制备模块和单光子探测器电连接，所述接收端控制电路模块与第二协议解析模块电连接。
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