CN108923919B - 偏选基量子密码***的选基器件的控制方法及控制*** - Google Patents

偏选基量子密码***的选基器件的控制方法及控制*** Download PDF

Info

Publication number
CN108923919B
CN108923919B CN201810788377.6A CN201810788377A CN108923919B CN 108923919 B CN108923919 B CN 108923919B CN 201810788377 A CN201810788377 A CN 201810788377A CN 108923919 B CN108923919 B CN 108923919B
Authority
CN
China
Prior art keywords
random number
bit
control unit
selection device
base selection
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201810788377.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108923919A (zh
Inventor
丁禹阳
陈巍
郝鹏磊
章丽
安雪碧
宋红岩
韩正甫
周胜
王春生
刘树峰
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Anhui Asky Quantum Technology Co Ltd
Original Assignee
Anhui Asky Quantum Technology Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Anhui Asky Quantum Technology Co Ltd filed Critical Anhui Asky Quantum Technology Co Ltd
Priority to CN201810788377.6A priority Critical patent/CN108923919B/zh
Publication of CN108923919A publication Critical patent/CN108923919A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108923919B publication Critical patent/CN108923919B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L9/00—Cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communications; Network security protocols
    • H04L9/08—Key distribution or management, e.g. generation, sharing or updating, of cryptographic keys or passwords
    • H04L9/0816—Key establishment, i.e. cryptographic processes or cryptographic protocols whereby a shared secret becomes available to two or more parties, for subsequent use
    • H04L9/0852—Quantum cryptography
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L9/00—Cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communications; Network security protocols
    • H04L9/08—Key distribution or management, e.g. generation, sharing or updating, of cryptographic keys or passwords
    • H04L9/0816—Key establishment, i.e. cryptographic processes or cryptographic protocols whereby a shared secret becomes available to two or more parties, for subsequent use
    • H04L9/0852—Quantum cryptography
    • H04L9/0858—Details about key distillation or coding, e.g. reconciliation, error correction, privacy amplification, polarisation coding or phase coding

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Computer Security & Cryptography (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Mobile Radio Communication Systems (AREA)
  • Optical Communication System (AREA)

Abstract

本发明公开了一种偏选基量子密码***的选基器件的控制方法及控制***，包括：将通信时间分为若干个时间帧，每个时间帧内的时间相同；在若干个时间帧的持续时间内产生有偏的随机数序列；在间隔时间帧内，对有偏的随机数序列中比特0与比特1的产生概率进行反转；对随机数序列的信号进行放大处理，并将放大处理后的信号输送到偏选基量子密码***的发射端或接收端的选基器件中从而实现对选基器件的调制；本发明利用类似时分复用的方法，将通信时间分为一个个较短的时间帧，并在间隔的时间帧内变换偏选基模式，使得在整个通信时间内保持高低电平的平衡，从而解决在现有技术中调制信号中存在直流分量所导致的问题。

Description

偏选基量子密码***的选基器件的控制方法及控制***
技术领域
本发明属于量子密码通信技术领域，具体涉及一种偏选基量子密码***的选基器件的控制方法及控制***。
背景技术
量子密码通信结合了量子物理原理和现代通信技术。量子密码通信藉由物理原理保障异地密钥协商过程和结果的安全性，与“一次一密”加密技术结合，可以实现不依赖算法复杂度的保密通信。
目前，量子密码技术主要以光量子作为实现载体，通过自由空间或光纤信道进行分发。量子密钥分发设备依据不同的量子密钥分发协议的要求，利用各种光调制设备将经典随机比特加载到光量子的偏振、相位等物理量之上来进行传输，从而实现量子密钥的分发。量子密钥分发协议种类繁多，其中BB84协议是提出时间最早，安全性证明最完善，实用化程度最高的一种量子密钥分发协议。该协议要求，通信双方Alice和Bob在通信过程中从两个相互非正交基中进行选择，并根据相应的测量结果来对量子态进行编码和解码过程，这两个非正交基分别称为X基和Z基。并且他们只保留当选基情况相同时的测量结果作为他们的筛后密钥，随后经过后处理过程得到量子密钥。
原始的BB84协议要求通信双方都以50％的概率从X基或Z基中选择一组基进行测量，所以原始BB84协议也被称为平衡选基BB84协议。由于对基过程的存在，根据式(1)所示，
Figure GDA0002717199970000011
原始BB84协议的对基效率只有50％，这里Psift表示总对基效率，
Figure GDA0002717199970000012
和
Figure GDA0002717199970000013
则分别表示Z基和X基的对基效率，pa和pb表示Alice和Bob选择Z基的概率。也就是对平衡选基BB84协议来说，对基效率为50％，这也就意味着Bob探测到的光子将有一半左右被丢弃，从而造成了量子态资源极大的浪费。为了减少被丢弃的光子数，提高协议的效率，加拿大的Lo等人于1995年提出了偏选基的思想，即Alice和Bob不再以50％的概率进行选基，而是以大于50％的概率选择其中一组基，同时以低于50％的概率选择另外一组基。在这种情况下，根据式(1)，对基效率会得到提高，并且在渐进情况下，甚至可以以无限接近1的概率选择其中的一组基，因此在对基阶段被丢弃的光子数将大大减小，从而提高量子密钥分配***的效率。而在安全性证明方面，偏选基BB84协议及其在渐进情况下的无条件安全性都已经得到了理论上的证明。
对于基于BB84协议的量子密钥分配***来说，态调制过程一般需要消耗两比特随机数，如下表1所示，表1表示随机数取值与制备态的关系，这里以相位编码BB84***为例，随机数1用于制备基的选择，随机数2用于决定该基下所要调制的量子态。测量端的测量过程与发射端类似，只是这里只消耗1比特随机数进行选基，对应于表1中的随机数1，而随机数2保持不变。表1如下所示：
Figure GDA0002717199970000021
考虑量子密钥分配***中发射端和接收端的选基过程，如附图中图1所示，随机数产生模块用于产生随机数，其输出一般为较弱的电信号，并且一般设高电平表示随机数1，低电平表示随机数0。通过增益放大电路后，随机数信号被放大到合适的大小用于选基器件的控制。随机数产生模块及增益放大电路在主控单元的控制下进行工作。
考虑上文中随机数1对应的电脉冲信号，如附图中图2所示，其中图2(A)表示在平衡选基情况下，选基随机数对应电信号的一个例子，在平衡选基情况下，高低电平处于一个平衡的状态，在长时间内，高低电平数量大致相同。图2(B)则表示在偏选基情况下选基随机数电信号的一个例子，这里假设随机数以较高概率生成比特1，则在长时间范围内，高电平的数量会远远多于低电平，这导致了在随机数信号中会出现了较为明显的直流分量，如图2(B)中虚线所示，这对于高速量子密钥分配***是非常不利的。这是由于在量子密钥分配***中，如图1所示，一般我们通过将随机数电信号经过放大后用以调制***中的选基器件。而据我们所知，用以放大的高速增益放大器绝大多数都是基于交流耦合的，它们无法对随机数信号中的直流部分进行放大，这就要求接入增益放大器的电信号必须处于一个高低电平相互平衡的状态下，这就导致了在偏选基情况下，选基信号在经过放大后会出现失真的现象，最后导致态制备和态测量存在误差，导致***误码上升，效率降低甚至无法工作。
因此急需一种新的偏选基BB84量子密钥分配***中的选基器件的控制方式来解决上述技术问题。
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偏选基量子密码***的选基器件的控制方法及控制***，本偏选基量子密码***的选基器件的控制方法及控制***利用类似时分复用的方法，将通信时间分为一个个较短的时间帧，并在间隔的时间帧内变换偏选基模式，使得在整个通信时间内保持高低电平的平衡，从而解决在上述现有技术中描述的调制信号中存在直流分量所导致的问题。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
一种偏选基量子密码***的选基器件的控制方法，包括以下步骤：
(1)将通信时间分为若干个时间帧，每个时间帧内的时间相同；
(2)在若干个时间帧的持续时间内产生有偏的随机数序列；
(3)在间隔时间帧内，对有偏的随机数序列中比特0与比特1的产生概率进行反转；
(4)对步骤(3)得到的随机数序列的信号进行放大处理，并将放大处理后的信号输送到偏选基量子密码***的发射端或接收端的选基器件中从而实现对选基器件的控制。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述的步骤(2)包括：
在若干个时间帧的持续时间内，发射端内的随机数产生模块在发射端内的主控单元的控制下产生有偏的随机数序列；
在若干个时间帧的持续时间内，接收端内的随机数产生模块在接收端内的主控单元的控制下产生有偏的随机数序列。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述的步骤(3)包括：
发射端内的比特反转模块在发射端内的主控单元的控制指令下对间隔的时间帧内有偏的随机数序列中比特0与比特1的产生概率进行反转；
接收端内的比特反转模块在接收端内的主控单元的控制指令下对间隔的时间帧内有偏的随机数序列中比特0与比特1的产生概率进行反转；
发射端内的主控单元控制的发射端内的比特反转模块反转的时间帧和接收端内的主控单元控制的接收端内的比特反转模块反转的时间帧通过经典信道进行对准。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述的步骤(4)包括：
发射端内的比特反转模块将随机数序列的信号发送到发射端内的增益放大电路，发射端内的增益放大电路在发射端内的主控单元的控制指令下对随机数序列的信号进行放大处理，并将放大处理后的信号发送到发射端的选基器件中从而实现对选基器件的控制；
接收端内的比特反转模块将随机数序列的信号发送到接收端内的增益放大电路，接收端内的增益放大电路在接收端内的主控单元的控制指令下对随机数序列的信号进行放大处理，并将放大处理后的信号发送到接收端的选基器件中从而实现对选基器件的控制。
作为本发明进一步改进的技术方案，其特征在于：所述的选基器件为相位调制器、偏振调制器或光开关。
为实现上述技术目的，本发明采取的另一个技术方案为：
一种偏选基量子密码***的选基器件的控制***，包括发射端和接收端，所述的发射端和接收端均包括主控单元、随机数产生模块、比特反转模块、增益放大电路和选基器件，所述主控单元分别与随机数产生模块、比特反转模块和增益放大电路连接，所述随机数产生模块与比特反转模块连接，所述比特反转模块与增益放大电路连接，所述增益放大电路与选基器件连接；
所述随机数产生模块用于接收主控单元的控制指令，在通信时间中的若干个时间帧持续时间内产生有偏的随机数序列；
所述比特反转模块用于在主控单元的控制指令下对间隔的时间帧内有偏的随机数序列中比特0与比特1的产生概率进行反转；
所述增益放大电路用于在主控单元的控制指令下对接收到的随机数序列的信号进行放大处理，并将放大处理后的信号发送到选基器件；
所述发射端的主控单元和接收端的主控单元通过经典通信信道连接从而实现发射端内的主控单元控制的发射端内的比特反转模块反转的时间帧和接收端内的主控单元控制的接收端内的比特反转模块反转的时间帧通过经典信道进行对准。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述的选基器件为相位调制器、偏振调制器或光开关。
为实现上述技术目的，本发明采取的另一个技术方案为：
一种偏选基量子密码***的选基器件的控制***，包括发射端和接收端，所述的发射端和接收端均包括主控单元、随机数产生模块、增益放大电路和选基器件，所述主控单元分别与随机数产生模块和增益放大电路连接，所述随机数产生模块和增益放大电路连接，所述增益放大电路与选基器件连接；
所述主控单元用于按照时序对随机数产生模块产生的随机数序列中比特0与比特1的产生的概率进行控制，从而使随机数产生模块在相邻时间帧内产生的随机数序列中比特0与比特1的概率发生反转；
所述增益放大电路用于在主控单元的控制指令下对接收到的随机数序列的信号进行放大处理，并将放大处理后的信号发送到选基器件；
所述发射端的主控单元和接收端的主控单元通过经典通信信道连接从而实现发射端内的主控单元控制的随机数产生模块产生的随机数序列中比特0与比特1的概率发生反转的时间帧和接收端内的主控单元控制的随机数产生模块产生的随机数序列中比特0与比特1的概率发生反转的时间帧通过经典信道进行对准。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述的选基器件为相位调制器、偏振调制器或光开关。
本发明的有益效果为：本发明可以解决由于偏选基造成的选基随机数信号的高低电平不平衡的问题。随机数信号的高低电平不平衡会使其存在着直流分量，而由于高速增益放大器采用的交流耦合无法对直流分量进行放大，所以用于驱动选基调制器的电信号经过放大后存在失真，这导致了态制备和态测量过程存在误差，最终引起量子密钥分配***存在误码，降低其密钥生成率。为了解决这个问题，本发明提出时间帧的概念，由于偏选基随机数信号的直流分量增加是一个较慢的过程，在连续的较短的时间帧内，通过使偏选基随机数间断取反，使得在长时间范围内随机数电信号的高低电平数量保持大致相同，从而消除了由于偏选基造成的电脉冲直流分量不为零的问题，最终在利用偏选基提高***效率的同时，保持调制信号直流分量为零，从而保证了***的稳定。防止了现有技术中接入增益放大器的电信号处于高低电平不平衡的状态下选基信号在经过放大后会出现失真的现象，最后导致态制备和态测量存在误差，导致***误码上升，效率降低甚至无法工作的情况。
附图说明
图1为现有技术中选基器件调相***。
图2为不同调制信号高低电平分布图。
图3为典型BB84量子密钥分配***构架图。
图4为选基与态制备模块采用的法拉第反射镜的迈克尔逊干涉仪(F-M)结构图。
图5为选基与态制备模块采用的Mach-Zehnder型(M-Z)干涉仪的结构图。
图6为选基与态制备模块采用的Sagnac型干涉仪的结构图。
图7为选基与态制备模块采用的偏振调制器直接调制的结构图。
图8为选基与态制备模块采用的光开关型结构图。
图9为本发明的选基器件控制***框图。
图10为本发明的另一种选基器件控制***框图。
具体实施方式
下面根据图1至图10对本发明的具体实施方式作出进一步说明：
其中图1和图2中(A)和(B)均为背景技术中阐述。
一种典型BB84量子密钥分配***构架图如图3所示，其中光源负责产生符合协议要求的光脉冲，光源包括电直调脉冲激光器或者带斩波器的连续激光器；发射端的选基及态制备模块用于光脉冲的调制，产生协议中要求的四个编码量子态，发射端的选基及态制备模块可以采用图4中法拉第反射镜的迈克尔逊干涉仪(F-M)结构或者图5中Mach-Zehnder型(M-Z)干涉仪的结构或者图6中Sagnac型干涉仪的结构等干涉仪的结构或者图7中偏振调制器直接调制的结构或者图8中光开关型结构，接收端的选基与态测量模块用于选基并测量，其结构一般与发射端相同；探测器用于对干涉仪的测量结果进行探测，一般采用雪崩光电二极管、上转换单光子探测器或者超导纳米线探测器等；发射端和接收端的主控单元分别用于对发送接收端的所有器件进行控制，它们通过各种经典信道进行通信，完成包括对准发送接收方时基等目的；量子信道用于量子编码态的传输，一般包括光纤信道和自由空间信道。
在图4，图5以及图6所示的干涉仪结构中，BS表示分束器，
Figure GDA0002717199970000061
表示相位调制器，用于对光脉冲的相位进行调制；FM为法拉第反射镜，用于补偿F-M干涉仪中的偏振态变化，使得干涉仪稳定，这些干涉仪也可由等效的波导干涉仪替代。图4中分束器一端连接光源，一端连接衰减器；图5中左侧的分束器连接光源，右侧的分束器(合束功能)连接衰减器；图6中分束器的左侧还连接有环形器，即光源与环形器的输入端连接，环形器的输出端与分束器连接，环形器还有一个输出端与衰减器连接；图7中直接使用偏振调制器，光源与偏振调制器的输入端连接，偏振调制器的输出端与衰减器连接；图8中光源与光开关连接，光开关分为4路，与4路的固定相位干涉仪连接，4路的固定相位干涉仪通过合束器与衰减器连接。选基器件由于通信协议和***构架的不同，包括但不限于相位调制器，偏振控制器，光开关等。图4，图5以及图6中选基器件采用相位调制器，图7中选基器件采用偏振调制器，图8中选基器件采用光开关。图7中偏振调制器可以采用铌酸锂偏振调制器或者压电陶瓷类偏振控制器等偏振控制器件或者Sagnac干涉仪形式的偏振控制器件。图8所示基于光开关选基的相位编码态调制模块，其中固定相位干涉仪可以是图4，图5和图6中任意一种干涉仪结构，同时对应于偏振编码BB84***，固定相位干涉仪也可以由图7所示的偏振控制器件或偏振片代替等器件替代，同时，图3中选基及态制备模块也可以为与图8等效的其它基于光开关的态调制以及态测量构架。
本实施例根据上述的量子密钥分配***内的选基器件提出了一种控制方法，可以基于偏选基BB84协议的量子密钥分配***内的选基器件进行控制；在本实施例中利用类似时分复用的方法，将通信时间分为一个个较短的时间帧，并在相邻的时间帧内变换偏选基模式，使得在整体长时间通讯时间内保持高低电平的平衡，最终解决调制信号中存在直流分量所导致的问题。
具体操作方法如图2(C)中所示，图2(C)表示时间帧方案非平衡选基情况，在图2(C)中t1,t2,t3表示时间帧的持续时间，他们持续时间相同，均设为t。本实施例可以采取的两种调制模式如下，这里p表示一个位于(1/2,1)内的概率值。
模式1，Alice和Bob分别以概率pa＝p和pb＝p选择Z基，以(1-pa)＝(1-p)和(1-pb)＝(1-p)选择X基。
模式2，Alice和Bob分别以概率pa＝p和pb＝p选择X基，以(1-pa)＝(1-p)和(1-pb)＝(1-p)选择Z基。
设选择Z基对应于高电平，而选择X基则对应于低电平。那么如图2(C)中所示，在t1时间内，***处于模式1，此时量子密钥分配***处于偏选基状态，而在t2时间内，***处于模式2，此时***也处于偏选基状态，在后续的时间帧内依次循环排列这两个模式，由于调制信号的直流分量的产生是一个较为缓慢的过程，所以由于在该方法中，在***长时间窗口中，高低电平的数量是大致平衡的，这与图2(A)中平衡选基情况相同，所以在这种情况下，随机数信号中的直流分量保持为0。所以按照该方法，可以在保持***稳定的前提下，使***始终处于偏选基状态，增加***的对基效率，从而增加***的最终密钥生成率。
针对操作方法可得到，本实施例中的一种偏选基量子密码***的选基器件的控制方法，包括以下步骤：
(1)将通信时间T总分为若干个时间帧t1、t2、t3、t4、t5…tn；每个时间帧内的时间相同，均为t；
(2)在若干个时间帧的持续时间内产生有偏的随机数序列；
(3)在间隔时间帧内，对有偏的随机数序列中比特0与比特1的产生概率进行反转，即对时间帧t2、时间帧t4、时间帧t6、时间帧t8…内产生的有偏的随机数序列中比特0与比特1的产生概率进行反转；从而实现选基随机数信号的高低电平的相互平衡；
(4)对步骤(3)得到的随机数序列的信号进行放大处理，并将放大处理后的电信号输送到偏选基量子密码***的发射端或接收端的选基器件中从而实现对选基器件的调制。
图9中的图可以表示发射端的选基器件的控制***，也可以表示接收端的选基器件的控制***，两端的控制***框图相同，上述的步骤(2)具体包括：在若干个时间帧的持续时间内，发射端内的随机数产生模块在发射端内的主控单元的控制下产生有偏的随机数序列；在若干个时间帧的持续时间内，接收端内的随机数产生模块在接收端内的主控单元的控制下产生有偏的随机数序列。
所述的步骤(3)包括：发射端内的比特反转模块在发射端内的主控单元的控制指令下对间隔的时间帧内(时间帧t2、时间帧t4、时间帧t6、时间帧t8…内)有偏的随机数序列中比特0与比特1的产生概率进行反转；接收端内的比特反转模块在接收端内的主控单元的控制指令下对间隔的时间帧内(时间帧t2、时间帧t4、时间帧t6、时间帧t8…内)有偏的随机数序列中比特0与比特1的产生概率进行反转；发射端内的主控单元控制的发射端内的比特反转模块反转的时间帧和接收端内的主控单元控制的接收端内的比特反转模块反转的时间帧通过经典信道进行对准。
所述的步骤(4)包括：发射端内的比特反转模块将随机数序列的信号发送到发射端内的增益放大电路，发射端内的增益放大电路在发射端内的主控单元的控制指令下对随机数序列的信号进行放大处理，并将放大处理后的信号发送到发射端的选基器件中从而实现对选基器件的调制；接收端内的比特反转模块将随机数序列的信号发送到接收端内的增益放大电路，接收端内的增益放大电路在接收端内的主控单元的控制指令下对随机数序列的信号进行放大处理，并将放大处理后的信号发送到接收端的选基器件中从而实现对选基器件的调制。
参见图9，本实施例结合上述控制方法还提供一种偏选基量子密码***的选基器件的控制***，包括发射端和接收端，所述的发射端和接收端均包括主控单元、随机数产生模块、比特反转模块、增益放大电路和选基器件，所述主控单元分别与随机数产生模块、比特反转模块和增益放大电路连接，所述随机数产生模块与比特反转模块连接，所述比特反转模块与增益放大电路连接，所述增益放大电路与选基器件连接；所述随机数产生模块用于接收主控单元的控制指令，在通信时间中的若干个时间帧持续时间内产生有偏的随机数序列；所述比特反转模块用于在主控单元的控制指令下对间隔的时间帧内(时间帧t2、时间帧t4、时间帧t6、时间帧t8…内)有偏的随机数序列中比特0与比特1的产生概率进行反转从而达到高低电平平衡状态；所述增益放大电路用于在主控单元的控制指令下对接收到的随机数序列的信号进行放大处理，并将放大处理后的信号发送到选基器件；所述发射端的主控单元和接收端的主控单元通过经典通信信道连接从而实现发射端内的主控单元控制的发射端内的比特反转模块反转的时间帧和接收端内的主控单元控制的接收端内的比特反转模块反转的时间帧通过经典信道进行对准。
参见图9，首先由随机数产生模块产生有偏的随机数序列，假设这里以概率p(1/2<p<1)产生比特1对应于Z基，并以比特(1-p)的概率产生比特0对应于X基。比特反转模块负责对随机数产生模块产生的随机数进行比特反转，随后经过增益放大电路进行放大后，从而实现对发射端以及接收端的选基器件进行控制。每经过一段较短的间隔的时间帧，即经过时间帧t2、时间帧t4、时间帧t6、时间帧t8…，发射端和接收端的比特反转模块都在各自连接的主控单元的控制下进行一次比特反转，使得输出的随机数中比特0与比特1的产生概率发生反转。发射端和接收端的主控单元控制的反转时间通过经典信道进行对准，如图3所示，保证发送接收方一直处于相同的随机数模式中。
本发明还提供另外一个实施例，即一种偏选基量子密码***的选基器件的控制***，如图10所示，包括发射端和接收端，所述的发射端和接收端均包括主控单元、随机数产生模块、增益放大电路和选基器件，所述主控单元分别与随机数产生模块和增益放大电路连接，所述随机数产生模块和增益放大电路连接，所述增益放大电路与选基器件连接；所述主控单元用于按照时序对随机数产生模块产生的随机数序列中比特0与比特1的产生的概率进行控制，从而使随机数产生模块在相邻时间帧内产生的随机数序列中比特0与比特1的概率发生反转；所述增益放大电路用于在主控单元的控制指令下对接收到的随机数序列的信号进行放大处理，并将放大处理后的信号发送到选基器件，实现对发射端以及接收端的选基器件的调制；所述发射端的主控单元和接收端的主控单元通过经典通信信道连接从而实现发射端内的主控单元控制的随机数产生模块产生的随机数序列中比特0与比特1的概率发生反转的时间帧和接收端内的主控单元控制的随机数产生模块产生的随机数序列中比特0与比特1的概率发生反转的时间帧通过经典信道进行对准。
在这个控制***实现的方法中，主控单元按照时序，直接对随机数产生装置产生随机数的概率进行控制，以达到生产随机数在相邻时间帧内比特1与比特0概率反转的目的。
综上所述，本发明可以提供一种偏选基BB84量子密钥分配***的实现方法，根据该方法，可以解决由于偏选基造成的选基随机数信号的高低电平不平衡的问题。随机数信号的高低电平不平衡会使其存在着直流分量，而由于高速增益放大器采用的交流耦合无法对直流分量进行放大，所以用于驱动选基调制器的电信号经过放大后存在失真，这导致了态制备和态测量过程存在误差，最终引起量子密钥分配***存在误码，降低其密钥生成率。为了解决这个问题，本发明提出时间帧的概念，由于偏选基随机数信号的直流分量增加是一个较慢的过程，在连续的较短的时间帧内，通过使偏选基随机数间断取反，使得在长时间范围内随机数电信号的高低电平数量保持大致相同，从而消除了由于偏选基造成的电脉冲直流分量不为零的问题，最终在利用偏选基提高***效率的同时，保持调制信号直流分量为零，从而保证了***的稳定。防止了现有技术中选基信号在经过放大后会出现失真的现象，最后导致态制备和态测量存在误差，导致***误码上升，效率降低甚至无法工作的情况。
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 (9)

1.一种偏选基量子密码***的选基器件的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将通信时间分为若干个时间帧，每个时间帧内的时间相同；
(2)在若干个时间帧的持续时间内产生有偏的随机数序列；
(3)在间隔时间帧内，对有偏的随机数序列中比特0与比特1的产生概率进行反转；
(4)对步骤(3)得到的随机数序列的信号进行放大处理，并将放大处理后的信号输送到偏选基量子密码***的发射端或接收端的选基器件中从而实现对选基器件的控制。
2.根据权利要求1所述的偏选基量子密码***的选基器件的控制方法，其特征在于：所述的步骤(2)包括：
在若干个时间帧的持续时间内，发射端内的随机数产生模块在发射端内的主控单元的控制下产生有偏的随机数序列；
在若干个时间帧的持续时间内，接收端内的随机数产生模块在接收端内的主控单元的控制下产生有偏的随机数序列。
3.根据权利要求2所述的偏选基量子密码***的选基器件的控制方法，其特征在于：所述的步骤(3)包括：
发射端内的比特反转模块在发射端内的主控单元的控制指令下对间隔的时间帧内有偏的随机数序列中比特0与比特1的产生概率进行反转；
接收端内的比特反转模块在接收端内的主控单元的控制指令下对间隔的时间帧内有偏的随机数序列中比特0与比特1的产生概率进行反转；
发射端内的主控单元控制的发射端内的比特反转模块反转的时间帧和接收端内的主控单元控制的接收端内的比特反转模块反转的时间帧通过经典信道进行对准。
4.根据权利要求3所述的偏选基量子密码***的选基器件的控制方法，其特征在于：所述的步骤(4)包括：
发射端内的比特反转模块将随机数序列的信号发送到发射端内的增益放大电路，发射端内的增益放大电路在发射端内的主控单元的控制指令下对随机数序列的信号进行放大处理，并将放大处理后的信号发送到发射端的选基器件中从而实现对选基器件的控制；
接收端内的比特反转模块将随机数序列的信号发送到接收端内的增益放大电路，接收端内的增益放大电路在接收端内的主控单元的控制指令下对随机数序列的信号进行放大处理，并将放大处理后的信号发送到接收端的选基器件中从而实现对选基器件的控制。
5.根据权利要求1至4任一项所述的偏选基量子密码***的选基器件的控制方法，其特征在于：所述的选基器件为相位调制器、偏振调制器或光开关。
6.一种偏选基量子密码***的选基器件的控制***，其特征在于：包括发射端和接收端，所述的发射端和接收端均包括主控单元、随机数产生模块、比特反转模块、增益放大电路和选基器件，所述主控单元分别与随机数产生模块、比特反转模块和增益放大电路连接，所述随机数产生模块与比特反转模块连接，所述比特反转模块与增益放大电路连接，所述增益放大电路与选基器件连接；
所述随机数产生模块用于接收主控单元的控制指令，在通信时间中的若干个时间帧持续时间内产生有偏的随机数序列；
所述比特反转模块用于在主控单元的控制指令下对间隔的时间帧内有偏的随机数序列中比特0与比特1的产生概率进行反转；
所述增益放大电路用于在主控单元的控制指令下对接收到的随机数序列的信号进行放大处理，并将放大处理后的信号发送到选基器件；
所述发射端的主控单元和接收端的主控单元通过经典通信信道连接从而实现发射端内的主控单元控制的发射端内的比特反转模块反转的时间帧和接收端内的主控单元控制的接收端内的比特反转模块反转的时间帧通过经典信道进行对准。
7.根据权利要求6所述的偏选基量子密码***的选基器件的控制***，其特征在于：所述的选基器件为相位调制器、偏振调制器或光开关。
8.一种偏选基量子密码***的选基器件的控制***，其特征在于：包括发射端和接收端，所述的发射端和接收端均包括主控单元、随机数产生模块、增益放大电路和选基器件，所述主控单元分别与随机数产生模块和增益放大电路连接，所述随机数产生模块和增益放大电路连接，所述增益放大电路与选基器件连接；
所述主控单元用于按照时序对随机数产生模块产生的随机数序列中比特0与比特1的产生的概率进行控制，从而使随机数产生模块在相邻时间帧内产生的随机数序列中比特0与比特1的概率发生反转；
所述增益放大电路用于在主控单元的控制指令下对接收到的随机数序列的信号进行放大处理，并将放大处理后的信号发送到选基器件；
所述发射端的主控单元和接收端的主控单元通过经典通信信道连接从而实现发射端内的主控单元控制的随机数产生模块产生的随机数序列中比特0与比特1的概率发生反转的时间帧和接收端内的主控单元控制的随机数产生模块产生的随机数序列中比特0与比特1的概率发生反转的时间帧通过经典信道进行对准。
9.根据权利要求8所述的偏选基量子密码***的选基器件的控制***，其特征在于：所述的选基器件为相位调制器、偏振调制器或光开关。
CN201810788377.6A 2018-07-18 2018-07-18 偏选基量子密码***的选基器件的控制方法及控制*** Active CN108923919B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810788377.6A CN108923919B (zh) 2018-07-18 2018-07-18 偏选基量子密码***的选基器件的控制方法及控制***

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810788377.6A CN108923919B (zh) 2018-07-18 2018-07-18 偏选基量子密码***的选基器件的控制方法及控制***

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108923919A CN108923919A (zh) 2018-11-30
CN108923919B true CN108923919B (zh) 2020-12-08

Family

ID=64415556

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810788377.6A Active CN108923919B (zh) 2018-07-18 2018-07-18 偏选基量子密码***的选基器件的控制方法及控制***

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108923919B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113972551B (zh) * 2021-09-23 2023-02-03 杭州爱鸥光学科技有限公司 种子源光谱展宽方法、装置及高功率连续光纤激光***

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101001141A (zh) * 2006-01-11 2007-07-18 日本电气株式会社 用于控制随机数质量的电路和方法
CN101697512A (zh) * 2009-11-09 2010-04-21 中国电子科技集团公司第三十研究所 一种抗干扰量子保密直接通信的方法及***
CN105897414A (zh) * 2016-05-26 2016-08-24 安徽问天量子科技股份有限公司 基于法拉第-迈克尔逊干涉连续变量量子密钥分发***
CN105897413A (zh) * 2016-05-26 2016-08-24 安徽问天量子科技股份有限公司 基于sagnac环的相位调制偏振编码的QKD***
CN106354475A (zh) * 2016-08-30 2017-01-25 安徽问天量子科技股份有限公司 高性能随机数发生方法及发生器
CN106712940A (zh) * 2016-12-28 2017-05-24 清华大学 一种测量与设备无关的量子密钥分发***及方法
CN107832851A (zh) * 2017-10-19 2018-03-23 南京邮电大学 一种基于级联ghz态编码的逻辑量子比特量子门构造方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101001141A (zh) * 2006-01-11 2007-07-18 日本电气株式会社 用于控制随机数质量的电路和方法
CN101697512A (zh) * 2009-11-09 2010-04-21 中国电子科技集团公司第三十研究所 一种抗干扰量子保密直接通信的方法及***
CN105897414A (zh) * 2016-05-26 2016-08-24 安徽问天量子科技股份有限公司 基于法拉第-迈克尔逊干涉连续变量量子密钥分发***
CN105897413A (zh) * 2016-05-26 2016-08-24 安徽问天量子科技股份有限公司 基于sagnac环的相位调制偏振编码的QKD***
CN106354475A (zh) * 2016-08-30 2017-01-25 安徽问天量子科技股份有限公司 高性能随机数发生方法及发生器
CN106712940A (zh) * 2016-12-28 2017-05-24 清华大学 一种测量与设备无关的量子密钥分发***及方法
CN107832851A (zh) * 2017-10-19 2018-03-23 南京邮电大学 一种基于级联ghz态编码的逻辑量子比特量子门构造方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"基于脆弱性分析的量子密码安全性研究";刘星彤;《中国博士学位论文全文数据库基础科学辑》;20170215;第I136-8页 *
"自由空间量子密钥分发中偏振检测与基矢校正的研究";张明;《中国博士学位论文全文数据库信息科技辑》;20150115;第A005-20页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN108923919A (zh) 2018-11-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zhang et al. Long-distance continuous-variable quantum key distribution over 202.81 km of fiber
Yin et al. Measurement-device-independent quantum key distribution over a 404 km optical fiber
Wang et al. Quantum Key Distribution with On‐Chip Dissipative Kerr Soliton
Bacco et al. Field trial of a three-state quantum key distribution scheme in the Florence metropolitan area
EP2858273B1 (en) Light quantum phase modulating system
Zhu et al. Experimental mode-pairing measurement-device-independent quantum key distribution without global phase locking
Yoshino et al. Maintenance-free operation of WDM quantum key distribution system through a field fiber over 30 days
EP1882331B1 (en) Multi-channel transmission of quantum information
CN109039604B (zh) 一种被动式诱骗态量子数字签名方法
Tang et al. Field test of measurement-device-independent quantum key distribution
US20230251992A1 (en) Monolithically integrated system on chip for silicon photonics
US10187143B2 (en) Built-in self test for loopback on communication system on chip
CN107659403B (zh) 一种基于量子光源的量子密码实现方法
US20230261761A1 (en) Systems and methods for quantum communication
CN210839602U (zh) 一种量子密钥发射机及量子密钥分发***
US9549232B1 (en) Configurable multi-rate format for communication system for silicon photonics
CN108923919B (zh) 偏选基量子密码***的选基器件的控制方法及控制***
Liu et al. A 5 GHz and 7.5 V multi-amplitude modulator driving circuit for practical high-speed quantum key distribution
Mel’nik et al. Using a heterodyne detection scheme in a subcarrier wave quantum communication system
CN113992323B (zh) 一种基于芯片的测量设备无关量子密钥分发***及方法
CN214429544U (zh) 基于波长调制的量子密钥分发***
CN112468298B (zh) 用于cv-qkd的脉冲调制装置、发射机、***及方法
JP2022155437A (ja) 光学システムおよび方法
Tomita et al. High speed quantum key distribution system
Jarzyna et al. Optimizing deep-space optical communication under power constraints

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant