一种参考系实时校准的测量设备无关量子密钥分发系统技术方案

本发明专利技术属于量子安全通信技术领域，公开了一种参考系实时校准的测量设备无关量子密钥分发系统，包括两个发送端和一个测量端，测量端包括第一电控偏振控制器、第二电控偏振控制器、偏振分束与传输模块、第二单光子探测器、第五分束器、第三单光子探测器和第四单光子探测器，与现有技术相比，本发明专利技术根据测量干涉输出的光强进行相位参考系校准，无需额外增加激光器和单独的光纤信道，并且无需中断量子密钥发过程，可以进行实时校准。另外，测量端只需额外增加一个单光子探测器用于其中一路光信号的实时偏振反馈控制，进行贝尔态测量的单光子探测器可以通过时分复用的方式用于另一路光信号的实时偏振反馈控制。从而提升系统的稳定性和实用性。和实用性。和实用性。

【技术实现步骤摘要】
一种参考系实时校准的测量设备无关量子密钥分发系统


[0001]本专利技术涉及量子安全通信
，特别涉及一种参考系实时校准的测量设备无关量子密钥分发系统。

技术介绍

[0002]量子密钥分发可以为通信双方提供信息理论安全性，但是由于实际器件的非完美性，导致系统存在安全性漏洞，其中最常见的漏洞多发现在测量设备方面。测量设备无关量子密钥分发协议（measurement
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device
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independent，MDI
‑
QKD）的提出，移除了对测量端的可信要求，能够免疫所有针对测量端的攻击，大大提高了系统的实际安全性。
[0003]时间相位编码MDI
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QKD协议由两个发送端Alice和Bob分别制备时间相位量子态，发送给不可信第三方测量端Charlie进行贝尔态测量。对于两个发送端各用一个独立的不等臂干涉仪来制备两个时间模式的方案，两个时间模式之间的相位差与不等臂干涉仪长短臂的臂长差以及其所处环境有关，导致两个发送端制备的时间相位编码量子态之间存在相位参考系的相对漂移，会影响测量结果，严重时会使系统无法产生安全密钥。另外，由于两个发送端发出的量子态分处两地，需要经过不同的光纤信道传输到测量端，而光纤的双折射效应导致光子在传播过程中偏振态随环境随机变化，从而导致二者在到达Charlie端进行贝尔态测量时偏振态不一致，同样影响测量结果。
[0004]为了解决相位参考系漂移的问题，一种方案是采用被动方法，如文献Tang，G. Z., et al. "Time
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Bin Phase
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Encoding Measurement
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Device
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Independent Quantum Key Distribution with Four Single
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Photon Detectors." Chinese Phys. Lett. 33,120301(2016). 将不等臂干涉仪放入隔温防震的盒中来减轻漂移的问题，但是测量结果仍会出现周期性变化，导致系统性能不稳定。文献Tang, G. Z., et al. "Polarization discriminated time
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bin phase
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encoding measurement
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device
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independent quantum key distribution." Quantum Engineering (2021)在之前的基础上采用了主动相位补偿的方案，通过在两个发送端分别增加一个相位补偿单元来调节两个时间模式之间的相位差，但是该方案需要中断量子态传输过程来执行相位补偿过程，增加了系统的复杂度，并降低了单位时间内有效的密钥分发占比。文献Tang, Y. L., et al. "Measurement
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device
‑
independent quantum key distribution over 200 km.", Phys. Rev. Lett. 113, 190501(2014)和文献 Liu, H., et al. "Experimental demonstration of high
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rate measurement
‑
device
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independent quantum key distribution over asymmetric channels." Phys. Rev. Lett. 122,160501(2018)则采用实时相位参考系校准方案，通过额外的光纤信道将两个发送端的干涉仪连接，并采用额外的与量子光脉冲波长相同的激光器向其中一个不等臂干涉仪注入光脉冲，以另一端干涉仪干涉出光的强度为参考，调节干涉仪一臂上的移相器实现相位参考系的校正。然而，该方案需要额外的激光器以及单独的光纤信道资源，增加了系统的复杂度和实地部署成本。对于偏振漂移的问题，常规的解决方法是采用主动偏振补偿模块进行实时的偏振参考系校准，一般需要在测量端对每路光信号
分别用一个偏振分束器进行偏振分束后，对其中一个分束分量进行探测作为偏振控制器的反馈控制信号来实时校准偏振参考系，因此需要两个额外的单光子探测器，增加了系统的成本和复杂度。

技术实现思路

[0005]针对现有技术存在以上缺陷，本专利技术提出一种参考系实时校准的测量设备无关量子密钥分发系统。
[0006]本专利技术的技术方案是这样实现的：一种参考系实时校准的测量设备无关量子密钥分发系统，包括第一发送端、第二发送端和测量端；所述第一发送端包括第一激光器、第一分束器、第二分束器、第一时间相位编码模块、第一偏振分束器和第一可调衰减器；所述第一激光器与第一分束器的输入端口相连；所述第一分束器的两个输出端口与第二分束器的两个输入端口分别相连，构成第一不等臂干涉仪；所述第一时间相位编码模块的输入端口、输出端口分别与第二分束器的一个输出端口、第一偏振分束器的一个输入端口相连；所述第二分束器的另一个输出端口与第一偏振分束器的另一个输入端口相连；所述第一偏振分束器的输出端口与第一可调衰减器的输入端口相连；所述第二发送端包括第二激光器、第一光纤隔离器、第一单光子探测器、第三分束器、第四分束器、移相器、第二时间相位编码模块、第二可调衰减器、第二光纤隔离器、第三光纤隔离器和第二偏振分束器；所述第二激光器通过第一光纤隔离器与第三分束器的一个输入端口相连；所述第一单光子探测器与第三分束器的另一个输入端口相连；所述第三分束器的两个输出端口分别与第四分束器的两个输入端口相连，构成第二不等臂干涉仪；所述移相器位于第二不等臂干涉仪的长臂上；所述第四分束器的一个输出端口依次连接第二时间相位编码模块、第二可调衰减器、第二光纤隔离器后与第二偏振分束器的一个输入端口相连；所述第四分束器的另一个输出端口通过第三光纤隔离器与第二偏振分束器的另一个输入端口相连；所述测量端包括第一电控偏振控制器、第二电控偏振控制器、偏振分束与传输模块、第二单光子探测器、第五分束器、第三单光子探测器和第四单光子探测器；所述第一电控偏振控制器的输入端口、第二电控偏振控制器的输入端口分别通过光纤信道对应地与第一可调衰减器的输出端口、第二偏振分束器的输出端口相连；所述第一电控偏振控制器的输出端口、第二电控偏振控制器的输出端口分别对应连接偏振分束与传输模块的第一端口、第三端口；所述偏振分束与传输模块的第二端口连接第二单光子探测器；所述偏振分束与传输模块的第四端口和第五端口分别连接第五分束器的两个输入端口；所述第五分束器的两个输出端口分别连接第三单光子探测器和第四单光子探测器。
[0007]优选地，所述偏振分束与传输模块包括第三偏振分束器、第一环形器和第四偏振分束器，所述第三偏振分束器的输入端口、第四偏振分束器的输入端口分别作为偏振分束与传输模块的第一端口、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种参考系实时校准的测量设备无关量子密钥分发系统，其特征在于，包括第一发送端（1）、第二发送端（2）和测量端（3）；所述第一发送端（1）包括第一激光器（1
‑
1）、第一分束器（1
‑
2）、第二分束器（1
‑
3）、第一时间相位编码模块（1
‑
4）、第一偏振分束器（1
‑
5）和第一可调衰减器（1
‑
6）；所述第一激光器（1
‑
1）与第一分束器（1
‑
2）的输入端口相连；所述第一分束器（1
‑
2）的两个输出端口与第二分束器（1
‑
3）的两个输入端口分别相连，构成第一不等臂干涉仪；所述第一时间相位编码模块（1
‑
4）的输入端口、输出端口分别与第二分束器（1
‑
3）的一个输出端口、第一偏振分束器（1
‑
5）的一个输入端口相连；所述第二分束器（1
‑
3）的另一个输出端口与第一偏振分束器（1
‑
5）的另一个输入端口相连；所述第一偏振分束器（1
‑
5）的输出端口与第一可调衰减器（1
‑
6）的输入端口相连；所述第二发送端（2）包括第二激光器（2
‑
1）、第一光纤隔离器（2
‑
2）、第一单光子探测器（2
‑
3）、第三分束器（2
‑
4）、第四分束器（2
‑
5）、移相器（2
‑
6）、第二时间相位编码模块（2
‑
7）、第二可调衰减器（2
‑
8）、第二光纤隔离器（2
‑
9）、第三光纤隔离器（2
‑
10）和第二偏振分束器（2
‑
11）；所述第二激光器（2
‑
1）通过第一光纤隔离器（2
‑
2）与第三分束器（2
‑
4）的一个输入端口相连；所述第一单光子探测器（2
‑
3）与第三分束器（2
‑
4）的另一个输入端口相连；所述第三分束器（2
‑
4）的两个输出端口分别与第四分束器（2
‑
5）的两个输入端口相连，构成第二不等臂干涉仪；所述移相器（2
‑
6）位于第二不等臂干涉仪的长臂上；所述第四分束器（2
‑
5）的一个输出端口依次连接第二时间相位编码模块（2
‑
7）、第二可调衰减器（2
‑
8）、第二光纤隔离器（2
‑
9）后与第二偏振分束器（2
‑
11）的一个输入端口相连；所述第四分束器（2
‑
5）的另一个输出端口通过第三光纤隔离器（2
‑
10）与第二偏振分束器（2
‑
11）的另一个输入端口相连；所述测量端（3）包括第一电控偏振控制器（3
‑
1）、第二电控偏振控制器（3
‑
2）、偏振分束与传输模块（3
‑
3）、第二单光子探测器（3
‑
4）、第五分束器（3
‑
5）、第三单光子探测器（3
‑
6）和第四单光子探测器（3
‑
7）；所述第一电控偏振控制器（3
‑
1）的输入端口、第二电控偏振控制器（3
‑
2）的输入端口分别通过光纤信道对应地与第一可调衰减器（1
‑
6）的输出端口、第二偏振分束器（2
‑
11）的输出端口相连；所述第一电控偏振控制器（3
‑
1）的输出端口、第二电控偏振控制器（3
‑
2）的输出端口分别对应连接偏振分束与传输模块（3
‑
3）的第一端口、第三端口；所述偏振分束与传输模块（3
‑
3）的第二端口连接第二单光子探测器（3
‑
4）；所述偏振分束与传输模块（3
‑
3）的第四端口和第五端口分别连接第五分束器（3
‑
5）的两个输入端口；所述第五分束器（3
‑
5）的两个输出端口分别连接第三单光子探测器（3
‑
6）和第四单光子探测器（3
‑
7）。2.如权利要求1所述的参考系实时校准的测量设备无关量子密钥分发系统，其特征在于，所述偏振分束与传输模块（3
‑
3）包括第三偏振分束器（3
‑3‑
1）、第一环形器（3
‑3‑
2）和第四偏振分束器（3
‑3‑
3），所述第三偏振分束器（3
‑3‑
1）的输入端口、第四偏振分束器（3
‑3‑
3）的输入端口分别作为偏振分束与传输模块（3
‑
3）的第一端口、第三端口；所述第三偏振分束器（3
‑3‑
1）的一个输出端口、第四偏振分束器（3
‑3‑
3）的一个输出端口分别对应连接第一环形器（3
‑3‑
2）的第一端口、第二端口；所述第一环形器（3
‑3‑
2）的第三端口、第三偏振分束器（3
‑3‑
1）的另一个输出端口、第四偏振分束器（3
‑3‑
3）的另一个输出端口分别作为偏振分束与传输模块（3
‑
3）的第二端口、第五端口、第四端口。
3.如权利要求1所述的参考系实时校准的测量设备无关量子密钥分发系统，其特征在于，所述偏振分束与传输模块（3
‑
3）包括第三偏振分束器（3
‑3‑
1）、第一环形器（3
‑3‑
2）和第四偏振分束器（3
‑3‑
3），所述第一环形器（3
‑3‑
2）的第一端口、第三端口、第四偏振分束器（3
‑3‑
3）的输入端口分别作为偏振分束与传输模块（3...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵义博，王东，
申请(专利权)人：北京中科国光量子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：