本发明专利技术公开了一种量子密钥分发系统及方法，该系统包括第一通信系统和第二通信系统，第一通信系统和第二通信系统均包括发送端和接收端，第一通信系统的发送端和第二通信系统的接收端位于同一端，第一通信系统的接收端和第二通信系统的发送端位于同一端，所述第一通信系统和第二通信系统均可在量子通信模式和经典通信模式之间切换，并且，所述第一通信系统和第二通信系统中的任一个处于量子通信模式时用于实现量子密钥分发；所述第一通信系统和第二通信系统均处于经典通信模式时，对得到的原始密钥进行后处理，提取出最终的安全密钥。本发明专利技术在两个通信系统共同工作时实现量子密钥分发和数据后处理，无需配置经典通信设备。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种量子通信技术，尤其是涉及。
技术介绍
-个典型的量子通信系统如图1所不，量子信源中的量子信息依次通过量子编码 和量子调制后得到调制信息，调制信息经量子信道传输后依次通过量子解调和量子译码， 得到译码信息，最终译码信息由量子信宿接收，此外为了提供量子信息处理所必须的额外 信息，对量子信源中的量子信息进行后处理，同时对量子信宿接收到的译码信息进行后处 理，量子信源与量子信宿通过经典信道交互后处理后得到的信息。其中，量子信源是指以量 子态形式表示的消息载体，量子信宿是指以量子态形式表示的消息接收器。 量子密钥分发是量子通信系统中的一个比较成熟的应用。量子通信系统实现量子 密钥分发的过程主要分为量子信道的量子分发和经典信道的数据后处理这两个步骤，数据 后处理的任务是通过发送方与接收方双方之间通过经典信道的信息交互，从量子分发步骤 获得的数据中提取最终安全密钥（双方获得）。目前，常见的量子密钥分发系统是一种应用 BB84量子密钥分发协议的基于四种偏振态编码的量子密钥分发系统。BB84量子密钥分发 协议中提出发送方（Alice)和接收方（Bob)之间利用单光子作为信息载体建立量子信道， 米用光子的四种偏振态进行编码，即水平偏振态|H>，垂直偏振态|V>以及45°偏振态>、Iv>、Id>、|a>用符号对应表示为I一>、It>、|/>、丨、>，其中，I一>和I个 >是一组相互正交的线偏振态，称为直角基矢| + > ;|/>和|、>是一组相互正交的圆偏振 态，称为斜角基矢IX>。由于直角基矢1+ >与斜角基矢IX>互不正交，因此无法彻底 被分辨。对于偏振态的测量，只有选对了基矢，才能保证100%概率得到正确的信息。如当 选用直角基矢1+ >对偏振态I一>进行测量时，可以保证以100%概率得到测量结果I一 >，而当选用直角基矢1+ >对|，>进行测量时，那么会有50%的概率得到测量结果一>， 而另外会有50%的概率得到测量结果I丨>。从以上分析中可以看出，在不能确定是否选 对了测量基矢的情况下，得到测量结果为一>时，也无法确定测量前的原始偏振态是 还是一>，故只有选对了测量基矢才能保证得到完全正确的测量结果，这就是BB84量子密 钥分发协议的基础。基于BB84量子密钥分发协议的量子密钥分发系统如图2所示，其分为 发送方系统和接收方系统。发送方系统包括随机数发生器、四个激光器（理论上要用单光 子源实现的替代方案，因为目前还没有实际可用的单光子源）、两个偏振合束器、一个合束 器，其中，四个激光器分别产生偏振态Ih>、|v>、|d>、|a>，对于一个给定的量子态， 只有一个激光器被触发，其发射的激光被调制成相应的偏振态。接收方系统包括一个分束 器、两个偏振分束器、四个单光子探测器，发送方系统发送的光束经光衰减器后形成弱相干 光（近似为单光子），弱相干光经量子信道后首先通过一个分束器，由于处于某个偏振态的 光子将随机通过分束器的某一个路径，因此它实现了随机选择基矢的过程，即是接收方对 接收到的偏振态随机选择一个基矢进行测量，如果选择了相同的基矢，那么测量结果是确 定的，由此实现信息共享；如果选择了不相同的基矢，那么测量结果是随机的，结果无效，相 当于选择了错误的基矢，则有两个对应的单光子探测器随机响应。例如，如果随机数发生器 产生随机数"00"，则将激光调制成Ih>偏振态，经过偏振合束器和合束器调制、量子信道 传输后到达接收端，经过分束器实现随机选择基矢，如果选择基1，则可以正确测量，此时探 测量子态"〇"的单光子探测器响应，如果选择基2,则不能正确测量，探测量子态"〇"的单光 子探测器和探测量子态" 1"的单光子探测器都有可能响应。 现有的量子密钥分发系统需要量子信道完成量子密钥分发，还需要经典信道辅助 完成数据后处理的过程，包括基矢校验、密钥纠错和隐私放大，因此现有的量子密钥分发系 统不仅需要配置量子通信设备，还需要铺设经典通信设备，然而在经典通信资源紧缺的情 况下，这种需配置经典通信设备的量子密钥分发系统并不适用。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种无需配置经典通信设备的量子密钥分发 系统，其适用范围广。 为解决上述技术问题，本专利技术提出一种量子密钥分发系统，包括第一通信系统和 第二通信系统，第一通信系统和第二通信系统均包括发送端和接收端，第一通信系统的发 送端和第二通信系统的接收端位于同一端，第一通信系统的接收端和第二通信系统的发送 端位于同一端，所述第一通信系统和第二通信系统均可在量子通信模式和经典通信模式之 间切换，并且，所述第一通信系统和第二通信系统中的任一个处于量子通信模式时用于进 行量子密钥的原始分发，所述第一通信系统和第二通信系统均处于经典通信模式时，对所 述原始分发的量子密钥进行处理，提取精确的安全量子密钥。 根据本专利技术的【具体实施方式】，所述第一通信系统和第二通信系统均包括一个单光 子源、一个分束器、两个偏振分束器、四个单光子探测器和一个输出模块，其中，所述单光子 源能够输出随机四偏振态的单光子激光，或者输出信号调制的四偏振态单光子激光；所述 分束器用于将所述单光子源发出的激光分成两束；所述两个偏振分束器分别用于对所述分 束器分成的两束激光进行分束以分别产生两个正交的偏振态激光；所述四个单光子探测器 分别用于探测所述两个偏振分束器产生的四束激光；所述输出模块用于根据所述四个单光 子探测器的响应情况做出判决。 根据本专利技术的【具体实施方式】，所述单光子源发出的单光子激光由四个固定偏振态 的激光器经合束和衰减形成的弱相干光实现。 本专利技术还提出一种量子密钥分发方法，采用上述量子密钥分发系统。 根据本专利技术的【具体实施方式】，包括如下步骤：S1、使所述第一通信系统或第二通信 系统处于量子通信模式，进行量子密钥的原始分发；S2、使所述第一通信系统和第二通信系 统均处于经典通信模式，对所述原始分发的量子密钥进行处理，提取精确的安全量子密钥。 与现有技术相比，本专利技术的优点在于： 1)通过对量子通信设备中量子光源强度大小的设置使得单光子探测器的响应输 出判决发生改变，从而实现了对经典信息的传输，仅利用量子通信设备就可以完成量子通 信和经典通信的双重功能，节约了设备的体积和功耗，为在沙漠、海洋等经典通信设备稀缺 的地方实现量子密钥分发提供了可能，适用范围广。 2)在使用本专利技术的量子密钥分发系统时，可仅开启一个通信系统单独工作实现量 子密钥分发，也可根据实际的情况要求使第一通信系统和第二通信系统同时工作实现量子 密钥分发，能够提高量子密钥分发的速率至两倍。【附图说明】 图1为典型的量子通信系统的原理图； 图2为基于BB84量子密钥分发协议的量子密钥分发系统的组成示意图； 图3为本专利技术的量子密钥分发系统的组成示意图； 图4为仿真时利用量子通信设备完成经典通信过程时发射端的平均光子数对信 道容量的影响的曲线图。【具体实施方式】 为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种量子密钥分发系统，包括第一通信系统和第二通信系统，第一通信系统和第二通信系统均包括发送端和接收端，第一通信系统的发送端和第二通信系统的接收端位于同一端，第一通信系统的接收端和第二通信系统的发送端位于同一端，其特征在于，所述第一通信系统和第二通信系统均可在量子通信模式和经典通信模式之间切换，并且，所述第一通信系统和第二通信系统中的任一个处于量子通信模式时用于进行量子密钥的原始分发，所述第一通信系统和第二通信系统均处于经典通信模式时，对所述原始分发的量子密钥进行处理，提取精确的安全量子密钥。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：李杨，曹蕾，刘尉悦，彭承志，潘建伟，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34
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