專利名稱：量子密鑰多通道傳輸方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及自由空間中的量子密鑰傳輸領(lǐng)域，特別是一種利用偏振編碼進(jìn)行多通道的量子密鑰多通道傳輸方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)行的經(jīng)典密碼通信是基于經(jīng)典信道的安全或?qū)δ撤N數(shù)學(xué)難題的求解，其安全性是相對的。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，其安全性日益受到挑戰(zhàn)。量子密碼通信的出現(xiàn)為人們提供了一種全新且安全的密碼通信系統(tǒng)。量子密碼通信實(shí)際是一個(gè)量子態(tài)作為密鑰載體進(jìn)行分配的過程，它是用一個(gè)單光子攜帶一個(gè)比特信息來進(jìn)行密碼傳輸?shù)?，其安全性依賴于量子力學(xué)中的海森堡不確定性原理、量子不可克隆定理和量子不可分割性。目前，量子密鑰分配通信方案廣泛采用的是BB84協(xié)議和B92協(xié)議。在自由空間光量子密碼通信中，一般采用BB84協(xié)議。
BB84協(xié)議中發(fā)送者Alice所選用的發(fā)射源是單光子源或經(jīng)過強(qiáng)衰減的激光脈沖，后者近似為單光子源。從安全性方面考慮，光源脈沖中的光子數(shù)應(yīng)該服從泊松分布，使得每個(gè)弱的光脈沖中僅含有一個(gè)單光子，含有兩個(gè)或兩個(gè)以上光子的脈沖數(shù)越多，越容易受到潛在的第三者的分流攻擊，其通信的安全性就越低。由于一個(gè)脈沖僅含有一個(gè)單光子這樣的理想狀態(tài)很難實(shí)現(xiàn)，實(shí)際的做法是讓光束中每個(gè)脈沖含有兩個(gè)及兩個(gè)以上光子數(shù)幾率很小，通?？刂圃?％左右，這樣衰減后的激光就可以達(dá)到平均每個(gè)脈沖中只含0.1個(gè)光子數(shù)以下。例如，美國洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室的量子密鑰通信實(shí)驗(yàn)使用了類似的衰減裝置，在通信距離為205m的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)中，衰減后的激光中平均每脈沖含光子數(shù)0.7個(gè)，這就意味著含1個(gè)光子的脈沖占總脈沖數(shù)的34.8％，含2個(gè)光子的脈沖占12.3％，含3個(gè)光子的脈沖占2.84％，空脈沖占50.06％；而在通信距離為1km的夜間實(shí)驗(yàn)中，平均每脈沖含光子數(shù)0.1個(gè)，含2個(gè)及2個(gè)以上光子的脈沖僅占＜6％。
從上面的數(shù)字來看，實(shí)驗(yàn)中衰減后的平均脈沖所含光子數(shù)控制在很小的范圍，由于現(xiàn)行的單通道傳輸過程中存在來自大氣湍流所引起的損耗，而且大部分脈沖都是不含光子的空脈沖，這就嚴(yán)重降低了量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的傳輸效率，加之在接收端的單光子探測器存在一定的量子效率以及協(xié)議自身算法的內(nèi)稟效率，傳輸過程中單光子傳輸效率的低下就會直接影響整個(gè)系統(tǒng)的工作效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種量子密鑰多通道傳輸方法，以克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，在BB84協(xié)議算法的基礎(chǔ)上，利用成像光路進(jìn)行自由空間中量子密鑰的多通道傳輸。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種量子密鑰多通道傳輸方法，包括以下步驟a.發(fā)送方對發(fā)射光束隨機(jī)地進(jìn)行4種偏振態(tài)的調(diào)制；b.光束經(jīng)過透鏡組合以及二者之間的自由空間在接收方的像方焦面上成像；c.使各個(gè)成像的光束通過透鏡陣列，轉(zhuǎn)換為平行光束，經(jīng)偏振分光計(jì)分束后，由具有不同偏振方向的檢偏器接收；d.接收方接收到光子序列后，通過公開信道進(jìn)行討論，雙方共同丟棄接收不完全的4×1通道光子序列，并將剩余光子序列按事先約定轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制序列。
其中，所述的方法還包括對二進(jìn)制序列進(jìn)行密碼糾錯和保密放大。
所述的發(fā)射光束為工作頻率一般在1M～100M范圍內(nèi)的脈沖激光。該脈沖激光在波段上進(jìn)行選擇過濾，使波長在大氣窗口內(nèi)的工作波長通過。脈沖激光經(jīng)過衰減，使脈沖中所含有的平均光子數(shù)滿足泊松分布(n≈0.1)。
進(jìn)一步的，發(fā)射光束偏振態(tài)的調(diào)制由一個(gè)起偏器實(shí)現(xiàn)。該起偏器具有4×1陣列的起偏孔徑，上面兩個(gè)取“×”偏振基，下面兩個(gè)取“+”偏振基。起偏器與計(jì)算機(jī)相連，由計(jì)算機(jī)等相關(guān)控制電路產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列，在上、下兩組基內(nèi)對各自的孔徑進(jìn)行隨機(jī)地改變偏振方向。
本發(fā)明在BB84協(xié)議算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改良，提出一種利用成像光路進(jìn)行自由空間中量子密鑰的多通道傳輸方式，該方案能極大地提高系統(tǒng)中發(fā)送雙方之間的光子傳輸效率，有效解決傳統(tǒng)方案中單光子傳輸效率低下的問題。并且大大減少了在公開信道討論的數(shù)據(jù)量，同時(shí)也減少了竊聽者獲取信息的機(jī)會。
以下結(jié)合附圖與實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。


圖1為本發(fā)明的發(fā)射端光路圖。
圖2為本發(fā)明的空間中傳輸?shù)某上窆饴穲D。
圖3為本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式有關(guān)本發(fā)明的詳細(xì)說明及技術(shù)內(nèi)容，現(xiàn)就結(jié)合

如下首先請參照圖1，圖1為本發(fā)明的發(fā)射端光路圖。由于是進(jìn)行自由空間的多通道密鑰傳輸，為簡單起見，本發(fā)明以一維的激光光源陣列(4×1)為例進(jìn)行說明。圖1中激光光源1發(fā)出的光線經(jīng).干涉濾波器2和激光衰減器3處理后，穿過準(zhǔn)直透鏡4到達(dá)起偏器5。起偏器(4×1)5的上面兩個(gè)偏振基為“×”，下面兩個(gè)偏振基為“+”。起偏器5后面是信源孔徑陣列板6，其從上至下依次為A、B、C、D；從信源孔徑陣列板6射出的光線穿過發(fā)射透鏡7到達(dá)自由空間8。
對于發(fā)送者Alice，激光光源陣列1位于透鏡4的物方焦平面上，隨機(jī)地對它們進(jìn)行4種偏振態(tài)的調(diào)制，每個(gè)點(diǎn)光源1發(fā)出的光束經(jīng)過透鏡組合以及二者之間的自由空間8在接收方的像方焦面上成像，接收者Bob完成對調(diào)制有偏振信息光束的接收。在成像面后，使各個(gè)成像的光束通過透鏡陣列，轉(zhuǎn)換為平行光束，經(jīng)偏振分光計(jì)分束后，由具有不同偏振方向的檢偏器接收，結(jié)果通過計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)記錄下來。在整個(gè)傳送過程中，由于是非相干光，所以各光束在同一個(gè)空間傳輸通道上互不干擾，相當(dāng)于在一個(gè)空間通道中進(jìn)行4通道的傳輸。Bob接收到光子序列后，通過公開信道進(jìn)行討論，雙方將討論后的剩余光子序列按事先約定轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制序列，即可作為量子通信的初始密碼(raw key)進(jìn)行保存，然后經(jīng)過密碼糾錯和保密放大等過程，最終得到Alice和Bob雙方共享的安全密鑰，實(shí)現(xiàn)了自由空間內(nèi)量子密鑰的多通道傳送。
假定將圖2中4×1陣列的點(diǎn)光源從上至下依次命名為A、B、C和D，則在接收方像面上的成像點(diǎn)從上至下依次為D′、C′、B′和A′。此處，發(fā)送端的4個(gè)起偏孔徑和接收端的4個(gè)檢偏探測器都定義為上、下兩組(記為up和down)，發(fā)送方擴(kuò)展光源中的up組(A、B)成像在接收方像面的down組(A′、B′)，反之亦然。令A(yù)、B點(diǎn)光源的調(diào)制偏振基為“×”，C、D點(diǎn)光源的調(diào)制偏振基為“+”。確定偏振基后隨機(jī)地選擇各自基內(nèi)的偏振態(tài)，對A、B隨機(jī)地選擇“□”、“□”偏振方向，對C、D隨機(jī)地選擇“→”、“↑”偏振方向。具有隨機(jī)偏振態(tài)的各擴(kuò)展光源經(jīng)透鏡7和9后，成像在接收方的像面上，再經(jīng)由其后的微透鏡陣列作用呈平行光束到達(dá)偏振分束器。分束后，各束具有不同偏振方向的光子流到達(dá)檢偏器及單光子記數(shù)探測器。
由于A、B成像在A′、B′，所以到達(dá)A′、B′點(diǎn)的光分別具有“□”和“□”方向的隨機(jī)偏振態(tài)，則取A′、B′后檢偏器方向分別為“□”和“□”。經(jīng)偏振分束器分束后的光子通過了“□”方向的檢偏器并到達(dá)其后的單光子探測器則記為“0”，反之，若光子通過了“□”方向的檢偏器并到達(dá)其后的單光子探測器則記為“1”。同理，C、D成像在C′、D′，到達(dá)C′、D′的光分別具有“→”和“↑”方向的隨機(jī)偏振態(tài)，取C′、D′后的檢偏器方向分別為“→”和“↑”。經(jīng)分束后光子通過了“→”方向的檢偏器并到達(dá)其后的單光子探測器則記為“0”，反之，若光子通過了“↑”方向的檢偏器并到達(dá)其后的單光子探測器則記為“1”。
理想情況下，某一時(shí)刻發(fā)送端A、B、C、D各發(fā)送一個(gè)單光子，該組4×1光子序列經(jīng)過一個(gè)理想的傳送過程，順利到達(dá)接收端A′、B′、C′、D′并被其后的探測器探測到。實(shí)際操作中，C′和D′端(up組)在某一時(shí)刻會同時(shí)接收到3個(gè)或3個(gè)以上光子，即發(fā)生“串?dāng)_”。所謂“串?dāng)_”問題，是指發(fā)送端點(diǎn)光源所發(fā)射的光經(jīng)過透鏡后，由于衍射作用，各光束場型到達(dá)像方時(shí)呈高斯分布。如果接受端成像分辨率不高或者系統(tǒng)瞄準(zhǔn)精度不高，則A′或B′端(down組)的成像分布中會有光子進(jìn)入C′和D′端探測器，由于A′、B′和C′、D′的偏振基不正交，使得這些光子有50％的幾率被C′和D′端探測器探測到。“串?dāng)_”會導(dǎo)致A′和B′端僅接收到N＜2的光子，而C′和D′端會接收到N＞2的光子。同理，C′或D′端的成像分布中也可能會有光子進(jìn)入A′或B′端的探測器。這種接收不完全的情況，會造成通信雙方傳輸初始密鑰過程中的誤碼。Alice和Bob約定當(dāng)up和down組中任何一組所連接的偏振探測器不能接收到兩個(gè)光子(即Nup、Ndown□3或Nup、Ndown＜2)都將該組光子序列丟棄。
當(dāng)C′和D′之間發(fā)生“串?dāng)_”，本應(yīng)到達(dá)C′的光子有可能到達(dá)D′，由于二者偏振基相同，這些光子會通過檢偏器并被探測到。這時(shí)C′沒接收到光子，而D′卻接收到2個(gè)光子。如果2個(gè)光子在發(fā)送時(shí)刻的偏振方向是相同的，即D′端的其中一個(gè)探測器接收到2個(gè)光子，則只需將其偏振方向作為結(jié)果記錄即可，不需要區(qū)分2個(gè)光子的來源；如果2個(gè)光子在發(fā)送時(shí)刻的偏振方向不同，即D′端的2個(gè)探測器各接收到一個(gè)光子，則在不區(qū)分二者來源(即光子是來自C還是D)的情況下接收方的記錄結(jié)果也有50％的幾率與發(fā)送方要發(fā)送的原始光子序列相同，這時(shí)我們保存該組光子序列并記錄到初始密鑰中去。對于另外幾率為50％的錯誤，我們可以通過通信雙方量子密鑰傳輸過程后期的糾錯和保密放大過程進(jìn)行相關(guān)處理。同理，對于A′和B′之間也存在同樣的分析。對于這類串?dāng)_問題，可以通過提高接收端的成像分辨率進(jìn)行效地改善系統(tǒng)的性能。
如果信道中存在竊聽者Eve，當(dāng)Eve采用截取/重發(fā)或者分流的竊聽方式，則某時(shí)刻發(fā)送的一組4×1光子序列將不能完全的傳送到接收端，對于這種同樣接收不完全的情況的處理我們等同于“串?dāng)_”問題的處理方式，即在公開信道討論時(shí)約定丟棄該組光子序列，從而最大限度地降低了Eve的竊聽給通信安全帶來的破壞。
對于直徑為D1的發(fā)射透鏡，其發(fā)射光束在自由空間中的衍射擴(kuò)展角為2θ=1.8λD1---(1)]]>若傳送距離為d，則到達(dá)接收透鏡的光束展寬為w≈D1+d·2θ (2)傳送過程中大氣傳輸效率為T，若接收透鏡的直徑為D2，光束經(jīng)過接收透鏡時(shí)的幾何損耗為LgLg≈D22w2---(3)]]>則傳送過程中路程損耗(Range loss)為LR，實(shí)驗(yàn)中常寫為dB形式LR＝-10log(T·Lg)(4)預(yù)期光子傳送率為K＝RMTLgη/2 (5)其中R為激光光源的脈沖工作頻率，M為平均每脈沖的光子數(shù)，η為探測系統(tǒng)總的工作效率，1/2為BB84協(xié)議的內(nèi)稟效率。經(jīng)過糾錯和保密放大后的密鑰約為初始密鑰(raw key)的10％～15％。
取大氣傳送中衍射擴(kuò)散程度較小的650nm為工作波長，發(fā)射透鏡直徑D1和接收透鏡直徑D2分別取值30cm和10cm，在傳送距離d分別為1km和10km的情況下，取T為65％，光源的脈沖工作效率為1MHz，平均光子數(shù)為0.1，探測系統(tǒng)總的工作效率η為30％，則將上述參數(shù)代入以上各式，計(jì)算結(jié)果詳見表1。由計(jì)算結(jié)果可以看到，當(dāng)發(fā)射天線和接收天線的透鏡直徑均取30cm和均取10cm時(shí)，當(dāng)傳送距離為短程(d＝1km或10km)的情況下，傳程損耗與預(yù)期光子傳送率都比較理想?？紤]到系統(tǒng)的有效負(fù)載，取二者孔徑直徑均設(shè)置為10cm。
量子密鑰傳送過程的傳送效率及損耗見下表

再請參閱圖3，圖3是本發(fā)明自由空間量子密鑰多通道傳輸方案總裝置的示意圖，由圖中可知，本發(fā)明方案中裝置分別包括發(fā)送端Alice和接收端Bob的裝置。圖3中從左至右依次為發(fā)送端、自由空間8和接收端裝置。其中激光光源1為工作頻率一般在1M～100M范圍內(nèi)的脈沖激光；干涉濾波器2(＜0.1nm)，對光源1所發(fā)出的脈沖激光在波段上進(jìn)行選擇過濾，使波長在大氣窗口內(nèi)的工作波長通過，減少系統(tǒng)的損耗；衰減板3，其作用是對脈沖激光進(jìn)行衰減，從而使脈沖中所含有的平均光子數(shù)滿足泊松分布(n≈0.1)，減少潛在的竊聽者Eve對光子流進(jìn)行分流竊聽的可能性，提高傳送過程中的安全性；還具有準(zhǔn)直透鏡4；起偏器5，有4×1陣列的起偏孔徑，上面兩個(gè)取“×”偏振基，下面兩個(gè)取“+”偏振基，起偏器與計(jì)算機(jī)相連，由計(jì)算機(jī)等相關(guān)控制電路產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列，在上、下兩組基內(nèi)對各自的孔徑進(jìn)行隨機(jī)地改變偏振方向，從而對通過4×1陣列的4通道單光子流進(jìn)行隨機(jī)地偏振調(diào)制；信源孔徑陣列板6，從上至下依次為A、B、C、D。被調(diào)制的偏振光入射到緊貼起偏器的陣列板，從孔徑處通過，成擴(kuò)展光源向前方出射，可視為發(fā)送方的陣列擴(kuò)展光源；發(fā)射天線7(透鏡)，孔徑陣列板放在發(fā)射透鏡的物方焦面上，從板上發(fā)出的光經(jīng)過發(fā)射天線的作用呈水平光束入射到自由空間8；接收天線9(透鏡)，由光照度學(xué)知識可知，要提高像方的成像效果即提高像方接收光子的效率，一般采用大孔徑小視場；濾波器10，濾去雜項(xiàng)波長的光，減少背景噪聲的影響；像點(diǎn)陣列11，表示成像點(diǎn)位置，從上至下依次為D′、C′、B′、A′；透鏡陣列12，放在像點(diǎn)陣列的后面，二者之間的距離等于微透鏡的焦距，使各束具有不同隨機(jī)偏振態(tài)的光束由微透鏡呈水平方向入射到偏振分光計(jì)13，由分光計(jì)12分出的兩束具有相互正交偏振方向的兩束光分別通過其光路上的檢偏板14后到達(dá)相應(yīng)的單光子計(jì)數(shù)探測器15，計(jì)算機(jī)將記錄的光子序列結(jié)果轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制序列。
雙方進(jìn)行公開信道討論，按照本發(fā)明算法共同丟棄接收不完全的4×1通道光子序列，保留那些符合約定要求的光子序列組，轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制序列，作為共享的初始密鑰保存下來。至此，雙方完成量子密鑰傳輸?shù)膫魉瓦^程。然后雙方通過糾錯、保密放大等過程對初始密鑰進(jìn)行詳審，進(jìn)而得到最終安全的量子密鑰。
顯然，在單位工作時(shí)間(假定為1s)內(nèi)，4通道方案中成功被Bob探測到并作為初始密鑰(raw key)保存下來的光子數(shù)明顯比單通道方案中所探測到的光子數(shù)多(約為4倍)。推廣到N×M方案，可以實(shí)現(xiàn)自由空間中量子密鑰的N×M通道傳輸。這樣在工作時(shí)間一定的情況下成功傳輸?shù)墓庾訑?shù)就是在先方案中單通道成功傳輸光子數(shù)的N×M倍，從而使量子密鑰的傳輸效率大為增加。
以上所介紹的，僅僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，不能以此來限定本發(fā)明實(shí)施的范圍，即本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的一般技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明所作的等同的變化，以及本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員熟知的改進(jìn)、變化，都應(yīng)仍屬于本發(fā)明專利涵蓋的范圍。
權(quán)利要求
1.一種量子密鑰多通道傳輸方法，其特征在于它包括以下步驟a.發(fā)送方對發(fā)射光束隨機(jī)地進(jìn)行4種偏振態(tài)的調(diào)制；b.光束經(jīng)過透鏡組合以及二者之間的自由空間在接收方的像方焦面上成像；c.使各個(gè)成像的光束通過透鏡陣列，轉(zhuǎn)換為平行光束，經(jīng)偏振分光計(jì)分束后， 由具有不同偏振方向的檢偏器接收；d.接收方接收到光子序列后，通過公開信道進(jìn)行討論，雙方共同丟棄接收不完全的4×1通道光子序列，并將剩余光子序列按事先約定轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制序列。
2.如權(quán)利要求1所述的量子密鑰多通道傳輸方法，其特征在于所述的方法還包括步驟e.對二進(jìn)制序列進(jìn)行密碼糾錯和保密放大。
3.如權(quán)利要求1所述的量子密鑰多通道傳輸方法，其特征在于所述的發(fā)射光束為工作頻率一般在1M～100M范圍內(nèi)的脈沖激光。
4.如權(quán)利要求3所述的量子密鑰多通道傳輸方法，其特征在于所述的脈沖激光在波段上進(jìn)行選擇過濾，使波長在大氣窗口內(nèi)的工作波長通過。
5.如權(quán)利要求3所述的量子密鑰多通道傳輸方法，其特征在于所述的脈沖激光經(jīng)過衰減，使脈沖中所含有的平均光子數(shù)滿足泊松分布(n≈0.1)。
6.如權(quán)利要求1所述的量子密鑰多通道傳輸方法，其特征在于所述的步驟a由一個(gè)起偏器實(shí)現(xiàn)。
7.如權(quán)利要求6所述的量子密鑰多通道傳輸方法，其特征在于所述的起偏器具有4×1陣列的起偏孔徑，上面兩個(gè)取“×”偏振基，下面兩個(gè)取“+”偏振基。
8.如權(quán)利要求7所述的量子密鑰多通道傳輸方法，其特征在于所述的起偏器與計(jì)算機(jī)相連，由計(jì)算機(jī)等相關(guān)控制電路產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列，在上、下兩組基內(nèi)對各自的孔徑進(jìn)行隨機(jī)地改變偏振方向。
全文摘要
一種量子密鑰多通道傳輸方法，包括以下步驟a.發(fā)送方對發(fā)射光束隨機(jī)地進(jìn)行4種偏振態(tài)的調(diào)制；b.光束經(jīng)過透鏡組合以及二者之間的自由空間在接收方的像方焦面上成像；c.使各個(gè)成像的光束通過透鏡陣列，轉(zhuǎn)換為平行光束，經(jīng)偏振分光計(jì)分束后，由具有不同偏振方向的檢偏器接收；d.接收方接收到光子序列后，通過公開信道進(jìn)行討論，雙方共同丟棄接收不完全的4×1通道光子序列，并將剩余光子序列按事先約定轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制序列。本發(fā)明同時(shí)提高了密鑰傳輸?shù)膫鬏斝屎桶踩浴?br> 文檔編號H04B10/10GK1642071SQ20051002320
公開日2005年7月20日 申請日期2005年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月10日
發(fā)明者魯偉, 劉立人, 潘衛(wèi)清 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所