專利名稱：：用于通過wdm鏈路分配量子密鑰的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及用于傳送加密數(shù)據(jù)的通信系統(tǒng)和方法。特別地，本發(fā)明涉及被稱為通過波分復(fù)用(WDM)鏈路分配量子密鑰的技術(shù)。
背景技術(shù)：
：密碼學(xué)的目的是通過使用秘密隨機(jī)比特序列(被稱為密鑰)在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間以理想的保密性交換消息。當(dāng)建立密鑰之后，可在傳統(tǒng)的信道上安全地傳送隨后的消息。為此，安全密鑰分配是密碼學(xué)中的基本問題。然而原則上，經(jīng)典信號(hào)是被動(dòng)地受到監(jiān)控的，因此傳統(tǒng)的密碼學(xué)并沒有提供用于保證密鑰分配的安全性的工具。發(fā)射機(jī)和^接收才幾不知道何時(shí)發(fā)生了竊聽。然而，可通過使用量子密鑰分配(QKD)技術(shù)實(shí)現(xiàn)安全密鑰分配。量子密鑰分配被認(rèn)為是代替?zhèn)鹘y(tǒng)密鑰分配的自然選擇物，因?yàn)槠淇赏ㄟ^量子力學(xué)的不確定性原理提供根本的安全性，即，竊聽者的任何竊聽行為都將不可避免地修改系統(tǒng)的量子狀態(tài)。因此，盡管竊聽者可通過測(cè)量得到量子信道中的信息，但是發(fā)射機(jī)和接收機(jī)將檢測(cè)到竊聽并可因此而改變密鑰。已經(jīng)開發(fā)出多種用于在光纖系統(tǒng)上執(zhí)行QKD的系統(tǒng)。量子密碼學(xué)已用于在兩個(gè)用戶之間實(shí)現(xiàn)量子密鑰的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)分配。如圖l所示，現(xiàn)有技術(shù)中的量子密碼學(xué)系統(tǒng)使用兩個(gè)不同的鏈路。其中之一用于通過光纖傳送量子密碼，而另一個(gè)則通過因特網(wǎng)或另外的光纖傳送全部數(shù)據(jù)。然而，人們期望在目前部署的商業(yè)光學(xué)網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用量子密碼學(xué)。但是，至今僅報(bào)道了關(guān)于1,300nm網(wǎng)絡(luò)上的量子密鑰分配的幾種研究。所報(bào)道的系統(tǒng)存在的一個(gè)問題在于，難以在標(biāo)準(zhǔn)的單模光纖中長(zhǎng)距離地傳送1,300mn的信號(hào)。因此，在長(zhǎng)距離傳輸中，波長(zhǎng)為1，550nm左右的量子密鑰分配是優(yōu)選的。此外，可以認(rèn)為，在具有量子信道的網(wǎng)絡(luò)中不應(yīng)該存在強(qiáng)信號(hào)(例如，傳統(tǒng)數(shù)據(jù))，或者在量子信道和傳統(tǒng)信道之間需要大的波長(zhǎng)間隔，以降低來自強(qiáng)信號(hào)的干擾。然而，在已建立的商業(yè)光學(xué)網(wǎng)絡(luò)中并不是這樣的，因?yàn)樵谑褂肳DM傳輸?shù)漠?dāng)前的光纖通信網(wǎng)絡(luò)中，存在許多可對(duì)量子信道產(chǎn)生嚴(yán)重干擾的強(qiáng)信號(hào)。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種用于量子密鑰分配的通信系統(tǒng)，其中，可通過筒單地添加用于量子信道的波長(zhǎng)作為量子密鑰分配，在當(dāng)前商業(yè)光學(xué)鏈路中實(shí)現(xiàn)量子密鑰分配。本發(fā)明提供了一種通過波分復(fù)用(WDM)鏈路在多個(gè)發(fā)射單元和多個(gè)接收單元之間進(jìn)行量子密鑰分配的方法，包括1)在WDM鏈路上提供多個(gè)WDM信道，分別用于使所述發(fā)射單元與所述接收單元耦合，所述WDM信道包括多個(gè)量子信道和多個(gè)傳統(tǒng)信道；2)對(duì)所述WDM信道中的每一個(gè)指定不同的波長(zhǎng)；3)在每個(gè)所述量子信道上傳送單光子信號(hào)；以及4)在每個(gè)所述傳統(tǒng)信道上傳送數(shù)據(jù)，所述數(shù)據(jù)包括傳統(tǒng)數(shù)據(jù)和觸發(fā)信號(hào)，所述觸發(fā)信號(hào)用于使所述量子信道上所述單光子的傳送同步。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，指定給所述WDM信道的波長(zhǎng)為1,550nm左右。本發(fā)明進(jìn)一步提供了一種用于通過波分復(fù)用(WDM)光學(xué)鏈路以1,550nm左右的波長(zhǎng)分配量子密鑰的通信系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括多個(gè)發(fā)射單元，包括多個(gè)量子發(fā)射單元和多個(gè)傳統(tǒng)發(fā)射單元；多個(gè)接收單元，包括多個(gè)量子接收單元和多個(gè)傳統(tǒng)接收單元；以及將所述發(fā)射單元鏈接于所述接收單元的WDM鏈路。此外，所述WDM鏈路包括多個(gè)WDM信道，并且所述WDM信道可進(jìn)一步包括多個(gè)量子信道和多個(gè)傳統(tǒng)信道，所述多個(gè)量子信道分別用于在所述量子發(fā)射單元和所述量子接收單元之間傳輸單光子信號(hào)，所述多個(gè)傳統(tǒng)信道分別用于在所述傳統(tǒng)發(fā)射單元和所述傳統(tǒng)接收單元之間傳輸數(shù)據(jù)。在本發(fā)明的某些實(shí)施方式中，在所述傳統(tǒng)信道上傳送的數(shù)據(jù)包括傳統(tǒng)數(shù)據(jù)或觸發(fā)信號(hào)，所述觸發(fā)信號(hào)用于使所述量子信道上所述單光子的傳送同步。此外，每個(gè)所述WDM信道指定有互不相同的波長(zhǎng)，以使所述WDM信道在所述WDM鏈路上在波長(zhǎng)上復(fù)用。根據(jù)本發(fā)明的一方面，可通過使用WDM技術(shù)實(shí)現(xiàn)WDM鏈路上具體用戶(例如發(fā)射機(jī)和接收機(jī))之間的量子密鑰分配。所述發(fā)射機(jī)可包括一個(gè)或多個(gè)量子發(fā)射單元以及一個(gè)或多個(gè)傳統(tǒng)發(fā)射單元。所述接收機(jī)可包括分別對(duì)應(yīng)于所述一個(gè)或多個(gè)量子發(fā)射單元的一個(gè)或多個(gè)量子接收單元、以及分別對(duì)應(yīng)于所述一個(gè)或多個(gè)傳統(tǒng)發(fā)射單元的一個(gè)或多個(gè)傳統(tǒng)接收單元。此外，鏈接所述發(fā)射機(jī)和所述接收機(jī)的所述WDM鏈路可包括一個(gè)或多個(gè)量子信道以及一個(gè)或多個(gè)傳統(tǒng)信道，所述一個(gè)或多個(gè)量子信道分別用于在所述一個(gè)或多個(gè)量子發(fā)射單元與所述一個(gè)或多個(gè)量子接收單元之間傳送單光子信號(hào)，所述一個(gè)或多個(gè)傳統(tǒng)信道分別用于在所述一個(gè)或多個(gè)傳統(tǒng)發(fā)射單元和所述一個(gè)或多個(gè)傳統(tǒng)接收單元之間傳送數(shù)據(jù)。所述數(shù)據(jù)包括傳統(tǒng)數(shù)據(jù)或觸發(fā)信號(hào)，所述觸發(fā)信號(hào)用于使所述量子信道上所述單光子的傳送同步。此外，所述傳統(tǒng)信道和所述量子信道中的每個(gè)可指定有互不相同的波長(zhǎng)，以使所述傳統(tǒng)信道和所述量子信道可在所述WDM鏈路上在波長(zhǎng)上復(fù)用。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，所述通信系統(tǒng)的所述WDM鏈路可為包括兩個(gè)量子信道和一個(gè)傳統(tǒng)信道的3-信道WDM鏈路。在所述傳統(tǒng)信道上傳送的數(shù)據(jù)可包括用于使所述量子信道同步的觸發(fā)信號(hào)。因此，所述傳統(tǒng)信道還可起到觸發(fā)信道的作用，以使所述系統(tǒng)同步。所述傳統(tǒng)信道和所述量子信道中的每一個(gè)指定有互不相同的波長(zhǎng)，并且所述傳統(tǒng)信道和所述量子信道在所述WDM鏈路上由適用于長(zhǎng)距離傳輸?shù)?，550nm左右的波長(zhǎng)復(fù)用?；趯⒍鄠€(gè)不同波長(zhǎng)結(jié)合到由WDM鏈路提供的單光纖中的WDM技術(shù)，通過與傳統(tǒng)通信信號(hào)共享公共光纖，可容易地在當(dāng)前商業(yè)光纖鏈i各中處理所述量子密鑰分配。此外，本發(fā)明中使用了差動(dòng)調(diào)相(differentialphasemodulation)技術(shù)，以克服系統(tǒng)中溫度偏移和相位偏移的影響，這樣也可4吏系統(tǒng)穩(wěn)定。圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)中用于量子密鑰分配的通信系統(tǒng)；圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的、用于通過多用戶WDM網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)量子密鑰分配的通信系統(tǒng)的示意圖3示出了根椐本發(fā)明的、通過WDM鏈路實(shí)現(xiàn)量子密鑰分配的示意圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的、在3-信道WDM鏈路上分配量子密鑰的實(shí)施方式的示意圖5示出了在本發(fā)明的量子信道中使用的、利用差動(dòng)調(diào)相技術(shù)的自動(dòng)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)；以及圖6a和6b示出了在圖4所示的3-信道WDM鏈路上實(shí)現(xiàn)量子密鑰分配的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。具體實(shí)施例方式下面將參照附圖詳細(xì)介紹本發(fā)明。WDM是本發(fā)明中采用的關(guān)鍵技術(shù)，其利用光的平行性質(zhì)將多個(gè)不同波長(zhǎng)組合到單光纖中，從而可實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的通過多用戶WDM鏈路進(jìn)行量子密鑰分配。借助于WDM，系統(tǒng)可才艮據(jù)WDM支持的波長(zhǎng)數(shù)量，同時(shí)建立允許數(shù)量的不同的秘密密鑰。例如，在圖2中示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的、用于通過多用戶WDM網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)量子密鑰分配的通信系統(tǒng)。該通信系統(tǒng)包括指定有入r)^的波長(zhǎng)的N個(gè)量子信道，用于通過WDM鏈路將N個(gè)量子發(fā)射單元130和N個(gè)量子接收單元140相連；以及指定有Xnw到Xn+m的波長(zhǎng)的M個(gè)傳統(tǒng)信道，用于通過WDM鏈路將M個(gè)傳統(tǒng)發(fā)射單元330和M個(gè)傳統(tǒng)4妄收單元340相連(其中N和M為正整數(shù))。WDM鏈^各包括陣列波導(dǎo)光柵(AWG)402和401以及單光纖500。在此實(shí)施方式中，通過4吏用AWG401和AWG402,4吏具有不同波長(zhǎng)(>m-Xn+m)的量子信道和傳統(tǒng)信道在單光纖500中復(fù)用。這樣，可通過使用WDM技術(shù)實(shí)現(xiàn)具體的量子發(fā)送單元和量子接收單元之間的量子密鑰分配。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的、通過WDM鏈路在多個(gè)用戶中的具體用戶之間(例如，在發(fā)射機(jī)和期望的接收機(jī)之間)實(shí)現(xiàn)量子密鑰分配的實(shí)施方式。如圖3所示，發(fā)射機(jī)711具有一個(gè)或多個(gè)量子發(fā)射單元以及一個(gè)或多個(gè)傳統(tǒng)發(fā)射單元。接收機(jī)721具有分別對(duì)應(yīng)于所述一個(gè)或多個(gè)量子發(fā)射單元的一個(gè)或多個(gè)量子接收單元，以及分別對(duì)應(yīng)于所述一個(gè)或多個(gè)傳統(tǒng)發(fā)射單元的一個(gè)或多個(gè)傳統(tǒng)接收單元。鏈接發(fā)射機(jī)711和接收機(jī)721的WDM鏈路包括AWG401、光纖501以及另一個(gè)AWG402。WDM鏈路用于復(fù)用量子發(fā)射單元和相應(yīng)的量子接收單元之間的一個(gè)或多個(gè)量子信道以傳送單光子信號(hào)，并用于復(fù)用傳統(tǒng)發(fā)射單元與傳統(tǒng)接收單元之間的一個(gè)或多個(gè)傳統(tǒng)信道以傳送數(shù)據(jù)。在此實(shí)施方式中，數(shù)據(jù)進(jìn)一步包括觸發(fā)信號(hào)，用于使量子信道上的單光子信號(hào)的傳輸同步。此外，傳統(tǒng)信道和量子信道中的每一個(gè)都指定有互不相同的波長(zhǎng)，且傳統(tǒng)信道和量子信道在WDM鏈路上由1,550nm左右的波長(zhǎng)復(fù)用。圖4示出了通過3-信道WDM鏈路在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間實(shí)現(xiàn)量子密鑰分配的實(shí)施方式。發(fā)射機(jī)712包括第一量子發(fā)射單元110、第二量子發(fā)射單元210以及傳統(tǒng)發(fā)射單元310。接收機(jī)722包括對(duì)應(yīng)于第一量子發(fā)射單元110的第一量子接收單元120、對(duì)應(yīng)于第二量子發(fā)射單元210的第二量子接收單元220、以及對(duì)應(yīng)于傳統(tǒng)發(fā)射單元310的傳統(tǒng)接收單元320。3-信道WDM鏈路包括AWG401、光纖502以及另一個(gè)AWG402,用于復(fù)用兩個(gè)量子信道100和200以及一個(gè)傳統(tǒng)信道300。在兩個(gè)量子發(fā)射單元110和210以及兩個(gè)量子接收單元120和220之間分別提供量子信道100和200，用于傳送單光子(量子密用于傳送數(shù)據(jù)。在此實(shí)施方式中，數(shù)據(jù)包括發(fā)送到量子發(fā)射單元110和210的觸發(fā)信號(hào)Sl，以及發(fā)送到量子接收單元120和220的觸發(fā)信號(hào)S2,從而使量子信道100和200上的單光子傳輸同步。兩個(gè)量子信道100和200以及傳統(tǒng)信道300分別指定有不同波長(zhǎng)\、、和入3，所述波長(zhǎng)均為與標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)鏈路兼容的1,550nm左右。這樣，通過在當(dāng)前商業(yè)光學(xué)鏈路中簡(jiǎn)單地添加用于量子信道的另一個(gè)波長(zhǎng)作為量子密鑰分配，便可方便地在當(dāng)前商業(yè)光學(xué)鏈路中實(shí)現(xiàn)量子密鑰分配。此外，在1,550nm的光學(xué)波長(zhǎng)下，光纖損耗為0.2dB/km,相比于相同比特率的量子密碼學(xué)系統(tǒng)在1,300nm波長(zhǎng)下的光纖損耗，其可轉(zhuǎn)化為傳輸距離上的大幅增加。在量子信道100和200中，可使用BB84協(xié)議。為了實(shí)現(xiàn)BB84協(xié)議，需要在兩個(gè)非正交基中具有四個(gè)狀態(tài)，每個(gè)非正交基具有兩個(gè)正交狀態(tài)。例如，四個(gè)相位{0，tt/2，tt或3冗/2}可作為四個(gè)狀態(tài)。此外，{0,Tij對(duì)應(yīng)于一個(gè)基，其可通過選擇測(cè)量基礎(chǔ)相移為0實(shí)現(xiàn)。同樣，{tt/2，3r/2)是另一個(gè)基，其對(duì)應(yīng)于相移為ir/2的測(cè)量選擇。這四個(gè)狀態(tài)可由下式表示對(duì)于"0"，<formula>complexformulaseeoriginaldocumentpage12</formula>對(duì)于"1"<formula>complexformulaseeoriginaldocumentpage12</formula>從上述波函數(shù)可以明顯看出，對(duì)于邏輯0來說，相移0和7t/2分別具有50%的概率。邏輯1也是如此。在本發(fā)明的量子信道中，使用了利用差動(dòng)調(diào)相技術(shù)的自動(dòng)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)。例如，如圖5所示，在量子信道100(其與量子信道200類似)中，將發(fā)射機(jī)712處的相位調(diào)制器112提供的相移AA添加到從接收機(jī)722傳^番到發(fā)射機(jī)712的兩個(gè)相鄰脈沖中的第一脈沖中。當(dāng)兩個(gè)脈沖4皮法拉第旋轉(zhuǎn)鏡111反射之后返回接收機(jī)側(cè)時(shí)，將接收機(jī)722處的相位調(diào)制器122提供的相移AB添加到第二脈沖中。當(dāng)由延遲裝置127延遲之后的第一和第二脈沖到達(dá)分束器123時(shí)，將發(fā)生干涉，且相位差將為AA-AB。因此，僅保留了相差。由于在每個(gè)量子信道中的接收機(jī)側(cè)干涉的兩個(gè)脈沖中的每個(gè)在傳播相同的距離時(shí)會(huì)經(jīng)歷相同的改變，因此，這種布置使得該結(jié)構(gòu)能補(bǔ)償干涉區(qū)域中傳播的兩個(gè)脈沖所受到的誤差，所述誤差由溫度變化、偏振變化以及路徑變化引起。這里我們假設(shè)由溫度變化、偏振變化和距離改變引起的另一個(gè)相移S施加于相同信道中的兩個(gè)脈沖上。相移S通常在不同時(shí)間由于以上因素的變化而改變。然而，當(dāng)以上所述的因素在兩個(gè)相鄰脈沖之間的時(shí)間間隔內(nèi)相對(duì)變化較慢時(shí)，由于兩個(gè)相鄰樂P中經(jīng)歷了信道中相似的變化，因此對(duì)于所述兩個(gè)相鄰脈沖來說，相移S幾乎是相等的。對(duì)于第一脈沖，其相移為ΔA+S，但對(duì)于第二脈沖，具有相移S+ΔB。因此，在接收機(jī)側(cè)的干涉區(qū)域，因?yàn)橛缮鲜鲆蛩匾鸬南嘁芐可抵消，所以兩個(gè)返回脈沖之間的相差是ΔA-ΔB。由于量子信道200類似于量子信道100，因此本發(fā)明的量子信道100和200的配置可克服由溫度、偏振和距離的變化引起的波動(dòng)。理論上，在該配置中可獲得理想的干涉。下面參照?qǐng)D6a和6b說明通過3-信道WDM鏈路實(shí)現(xiàn)量子密鑰分配的原理的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。在量子信道100中，接收機(jī)722處的激光器124通過循環(huán)器125將功率為OdBm的脈沖串發(fā)射到WDM鏈路中。脈沖串中的每個(gè)脈沖將通過50/50的分束器123分為兩個(gè)脈沖，第一脈沖和第二脈沖。第一脈沖穿過上方路徑1231，在擊中偏振分束器121之前具有由延遲裝置127(例如，光纖的延遲線)設(shè)置的26ns延遲。在第二脈沖從發(fā)射機(jī)返回之前，不使用上方路徑1231中的相位調(diào)制器122。第二脈沖穿過下方(較短)路徑1232直接到達(dá)分束器121的輸入端口。在穿過分束器121之后，得到具有正交偏振和相互之間存在26ns延遲的兩個(gè)務(wù)K沖。這兩個(gè)脈沖然后進(jìn)入陣列波導(dǎo)光柵(AWG)402，通過例如8.5km的單播光纖502傳播，進(jìn)入另一個(gè)陣列波導(dǎo)光柵401，然后在發(fā)射機(jī)712處從信道100中的AWG401中離開。然后由90/10的分束器115將脈沖再次拆分，并且由探測(cè)器113探測(cè)從分束器115的90%端口射出的光子，用于控制可變衰減器114使返回脈沖衰減以獲得單光子脈沖。從分束器115的10%端口射出的兩個(gè)脈沖將沒有衰減地首先穿過衰減器114。然后其將穿過相位調(diào)制器112到達(dá)法拉第鏡111。在由法拉第旋轉(zhuǎn)鏡111反射之后，兩個(gè)脈沖的偏振旋轉(zhuǎn)了90°。然后由相位調(diào)制器112將隨機(jī)數(shù)信號(hào)發(fā)生器(未示出)生成的隨機(jī)相移0、tt/2、tt或3tt/2插入到兩個(gè)返回脈沖中的第一個(gè)。然后當(dāng)兩個(gè)返回脈沖再次穿過衰減器114時(shí)，將其衰減生成脈沖中的單光子。將探測(cè)器313生成的觸發(fā)信號(hào)Sl用來同步相位調(diào)制器112，以調(diào)整來自法拉第鏡111的第一返回脈沖，以及同步來自探測(cè)器113的衰減控制信號(hào)，以將兩個(gè)返回脈沖衰減為單光子。這里來自探測(cè)器313的觸發(fā)信號(hào)Sl應(yīng)該具有適當(dāng)?shù)难舆t，以使來自數(shù)據(jù)信號(hào)發(fā)生器的相移信號(hào)與第一返回脈沖同步。同樣，來自探測(cè)器113的用于控制衰減器114的信號(hào)具有電延遲，以當(dāng)兩個(gè)光脈沖在其返回路徑中穿過衰減器114時(shí)使其衰減。最后，在穿過AWG401、8.5km的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖502和AWG402之后，兩個(gè)務(wù)P中通過偏振分束器121和分束器123之間的相對(duì)的路徑返回到接收機(jī)722。因此，兩個(gè)脈沖可同時(shí)到達(dá)分束器123,并在分束器123處生成全息結(jié)構(gòu)的干涉或破壞性的干涉，以使單光子探測(cè)器126能探測(cè)到單光子。通過在相位調(diào)制器122中將相移設(shè)置為0或tt/2,接收機(jī)722可隨機(jī)地并獨(dú)立地選擇測(cè)量基礎(chǔ)，從傳統(tǒng)數(shù)據(jù)信道300中的鏡311返回的脈沖中得到的觸發(fā)信號(hào)S2使所述測(cè)量基礎(chǔ)同步。將結(jié)果存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)600中。接收機(jī)側(cè)的全部光纖都是保偏光纖，系統(tǒng)中需要這種光纖保振是不變的。類似于第一量子信道100,第二量子信道200包括法拉第鏡211、相位調(diào)制器212、#:測(cè)器213、可變衰減器214、90/10分束器215、AWG401、光纖500、AWG402、偏振分束器221、相位調(diào)制器222、分束器223、激光器224、循環(huán)器225、單光子探測(cè)器226以及延遲裝置227。由于除了量子信道200的延遲裝置227設(shè)置的時(shí)間延遲為21ns、以及獨(dú)立的測(cè)量基礎(chǔ)和獨(dú)立于信道100的隨4幾相移之外，信道200的配置和原理與量子信道IOO類似，因此，略去對(duì)量子信道200的詳細(xì)描述。在傳統(tǒng)信道300中，公共激光器324在接收機(jī)側(cè)將具有2dBm功率的脈沖發(fā)射至50/50分束器321中。通過50/50分束器321之后，脈沖進(jìn)入AWG402,在8.5km的單才莫光纖500中傳播，然后穿過AWG401,接著由纟笨測(cè)器3134笨測(cè)到一半脈沖。將探測(cè)到的脈沖作用為第一觸發(fā)信號(hào)Sl,以通過適當(dāng)?shù)难舆t使相位調(diào)制器112和212與量子信道100和200中其各自的脈沖同步。將由鏡311反射另一半脈沖，以將使其返回到接收機(jī)。探測(cè)器326也將探測(cè)到所述另一半脈沖以生成第二觸發(fā)信號(hào)S2，用于分別觸發(fā)單光子探測(cè)器126和226以測(cè)量量子信號(hào)的干涉，并用于分別觸發(fā)相位調(diào)制器122和222以選擇接收機(jī)側(cè)的測(cè)量基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)通信信道300還可起到具有高激光功率的普通光學(xué)通信信道的作用，所述高激光功率例如在該實(shí)施方式中由激光器324發(fā)射的2dBm。表l中列出了三個(gè)信道的波長(zhǎng)和脈沖寬度。表l波長(zhǎng)和脈沖寬度<table><row><column>信道</column><column>100</column><column>200</column><column>300</column></row><row><column>波長(zhǎng)(nm)</column><column>1549.33</column><column>1551.18</column><column>1557.35</column></row><row><column>脈沖寬度(ns)</column><column>2.5</column><column>2.5</column><column>2.</column></row><table>在系統(tǒng)中執(zhí)行BB84協(xié)議。我們使用100kHz的信號(hào)用于相位調(diào)制和同步。如圖1所示，對(duì)于量子信道100和200，脈沖寬度是2.5ns，對(duì)于傳統(tǒng)信道300，脈沖寬度是20ns。為了減少信道之間的串?dāng)_，尤其是弱量子信道100和200與強(qiáng)信號(hào)信道(傳統(tǒng)信道300)之間的串?dāng)_，必須小心地布置波長(zhǎng)。這里，量子信道100和傳統(tǒng)信道300之間的間隔大約為8nm,量子信道200和傳統(tǒng)信道300之間的間隔大約為6nm。在該實(shí)施方式中，使用單光子探測(cè)器126和226來測(cè)量單光子。在100kHz、測(cè)量寬度為2.5ns的門控模式下，單光子探測(cè)器126和226的暗計(jì)數(shù)為40Hz，因此，測(cè)量暗計(jì)數(shù)的才既率為4.0xl(T4。單光子探測(cè)器126和226的效率大于10%。在發(fā)射機(jī)側(cè)，每個(gè)脈沖的平均光子計(jì)數(shù)應(yīng)該小于O.l，以保證在該實(shí)施方式中，當(dāng)脈沖再次穿過可變衰減器114時(shí)，可從每個(gè)脈沖中得到單光子。對(duì)于17dB的總傳輸損耗，可探測(cè)到大約2%的單光子?？紤]由于BB84協(xié)議引起的3dB損耗后，理論上大約1%的單光子可用于量子密鑰分配。表2實(shí)驗(yàn)結(jié)果<table><row><column>信道</column><column>100</column><column>200</column></row><row><column>密鑰率(kb/s)</column><column>0.75</column><column>0.49</column></row><row><column>錯(cuò)誤概率(％)</column><column>2.2</column><column>4.396</column></row><table>在實(shí)驗(yàn)上，單光子探測(cè)器126和226的計(jì)數(shù)率為100k/s，且其效率大于10%。為了保證脈沖中的單光子，本發(fā)明的實(shí)施方式中，每個(gè)脈沖的平均光子計(jì)數(shù)應(yīng)該小于0.1。因此，可變衰減器114和214中的計(jì)數(shù)率應(yīng)該低于10k/s。根據(jù)該實(shí)施方式，實(shí)驗(yàn)得到的計(jì)數(shù)率為7.67k/s?？紤]傳輸效率、錯(cuò)誤率以及探測(cè)器效率之后，信道100中可得到0.75kbps的量子密鑰，其中串?dāng)_引起2.2%的錯(cuò)誤概率。由于信道200中的單光子非常弱，因此，所述錯(cuò)誤概率的大部分來自信道300，少部分來自信道200。同樣，信道200中，量子密鑰率為0.49kbps,且串?dāng)_引起4.396%的錯(cuò)誤概率。因?yàn)樾诺?00的波長(zhǎng)比信道100的波長(zhǎng)更緊接傳統(tǒng)通信信道的波長(zhǎng)，所以信道200中的串?dāng)_大于信道100中的串?dāng)_。盡管結(jié)合實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，可以各種其它方式實(shí)施本發(fā)明。可預(yù)期，本發(fā)明的范圍由4又利要求限定，而不應(yīng)受到摘要中的描述和/或具體實(shí)施方式中的詳細(xì)說明的限定。權(quán)利要求1.一種通過WDM鏈路在多個(gè)發(fā)射單元和多個(gè)接收單元之間分配量子密鑰的方法，包括在WDM鏈路上提供多個(gè)WDM信道，分別用于使所述發(fā)射單元與所述接收單元耦合，所述WDM信道包括多個(gè)量子信道和多個(gè)傳統(tǒng)信道；對(duì)所述多個(gè)WDM信道中的每一個(gè)指定不同的波長(zhǎng)；在每個(gè)所述量子信道上傳送單光子信號(hào)；以及在每個(gè)所述傳統(tǒng)信道上傳送數(shù)據(jù)，所述數(shù)據(jù)包括傳統(tǒng)數(shù)據(jù)或觸發(fā)信號(hào)，所述觸發(fā)信號(hào)用于使所述量子信道上所述單光子的傳送同步。2.—種用于量子密鑰分配的通信系統(tǒng)，包括多個(gè)發(fā)射單元，包括多個(gè)量子發(fā)射單元和多個(gè)傳統(tǒng)發(fā)射單元；多個(gè)接收單元，包括多個(gè)量子接收單元和多個(gè)傳統(tǒng)接收單元；以及將所述發(fā)射單元鏈接于所述接收單元的WDM鏈路，其中，所述WDM鏈路包括多個(gè)WDM信道，所述WDM信道包括多個(gè)量子信道和多個(gè)傳統(tǒng)信道，所述多個(gè)量子信道分別用于在所述量子發(fā)射單元和所述量子接收單元之間傳輸單光子信號(hào)，所述多個(gè)傳據(jù)其中，所述數(shù)據(jù)包括傳統(tǒng)數(shù)據(jù)或觸發(fā)信號(hào)，所述觸發(fā)信號(hào)用于使所迷量子信道上所述單光子的傳送同步，其中，每個(gè)所述WDM信道指定有互不相同的波長(zhǎng)，以使所述WDM信道在所述WDM鏈路上在波長(zhǎng)上復(fù)用。3.—種通過WDM鏈路在發(fā)射才幾和接收才幾之間分配量子密鑰的方法，包括在WDM鏈路上提供一個(gè)或多個(gè)量子信道以及一個(gè)或多個(gè)傳統(tǒng)信道；對(duì)所述一個(gè)或多個(gè)量子信道中的每一個(gè)以及所述一個(gè)或多個(gè)傳統(tǒng)信道中的每一個(gè)指定不同的波長(zhǎng)；在所述一個(gè)或多個(gè)量子信道中的每一個(gè)上傳送單光子信號(hào)；以及在所述一個(gè)或多個(gè)傳統(tǒng)信道中的每一個(gè)上傳送數(shù)據(jù)，所述數(shù)據(jù)包括傳統(tǒng)數(shù)據(jù)和觸發(fā)信號(hào)，所述觸發(fā)信號(hào)用于使所述量子信道上所述單光子的傳送同步。4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中所述WDM鏈路中提供了兩個(gè)量子信道和一個(gè)傳統(tǒng)信道。5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中指定給所述兩個(gè)量子信道和所述一個(gè)傳統(tǒng)信道的所述波長(zhǎng)為1，550nm左右。6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中所述波長(zhǎng)范圍為1,475nm到1,590nm。7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中指定給所述兩個(gè)量子信道的所述波長(zhǎng)分別為1,549.33nm和1,551.18nm，指定給所述一個(gè)傳統(tǒng)信道的所述波長(zhǎng)為1,557.35nm。8.如權(quán)利要求4所述的方法，其中在所述兩個(gè)量子信道中的每一個(gè)上傳送單光子信號(hào)的所述步驟包括從激光器發(fā)出脈沖；將所述脈沖分為第一脈沖和第二脈沖；延遲所述第一脈沖；將偏振分束器形成的正交偏振的所述第一和第二脈沖通過所述WDM鏈路傳送通過第二陣列波導(dǎo)光柵、光纖以及第一陣列波導(dǎo)光柵；探測(cè)所述第一脈沖的一部分和所述第二脈沖的一部分以控制衰減器，所述衰減器用于在回程中衰減所述第一脈沖和所述第二脈沖；反射所述第一和第二脈沖，使其具有90。的偏振旋轉(zhuǎn)；通過相位調(diào)制對(duì)所述第一脈沖進(jìn)行調(diào)制；由所述衰減器將所述第一脈沖和所述第二脈沖分別衰減為第一單光子和第二單光子；通過所述WDM鏈路上將所述第一和第二單光子的脈沖傳送通過所述第一陣列波導(dǎo)光柵、所述光纖和所述第二陣列波導(dǎo)光柵；調(diào)制并延遲所述第二單光子脈沖；以及才笨測(cè)第一調(diào)制的單光子脈沖和第二調(diào)制的單光子脈沖之間的干涉。9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述光纖是標(biāo)準(zhǔn)單模光纖。10.如權(quán)利要求8所述的方法，其中在所述傳統(tǒng)信道上傳送數(shù)據(jù)的所述步驟包括從激光器發(fā)出脈沖；將前向數(shù)據(jù)脈沖在所述WDM鏈路上傳送通過所述第二陣列波導(dǎo)光柵、所述光纖以及所述第一陣列波導(dǎo)光柵；探測(cè)所述前向數(shù)據(jù)脈沖的一部分作為第一觸發(fā)信號(hào)；反射所述前向數(shù)據(jù)脈沖的另一部分，并將反射的數(shù)據(jù)脈沖在所述WDM鏈路上傳送通過所述第一陣列波導(dǎo)光柵、所述光纖以及所述第二陣列波導(dǎo)光柵；以及探測(cè)所述反射的數(shù)據(jù)脈沖作為第二觸發(fā)信號(hào)。11.如權(quán)利要求IO所述的方法，其中，所述第一觸發(fā)信號(hào)用于使每個(gè)所述量子信道上的所述第一脈沖的所述調(diào)制同步，并使所述第一脈沖和所述第二脈沖分別衰減為第一單光子和第二單光子的所述衰減同步；所述第二觸發(fā)信號(hào)用于使所述第二單光子的調(diào)制同步，以及使對(duì)所述兩個(gè)單光子脈沖之間的干涉結(jié)果的所述纟果測(cè)同步。12.如權(quán)利要求3所述的方法，其中所述量子信道使用BB84協(xié)議。13.—種用于量子密鑰分配的通信系統(tǒng)，包括發(fā)射機(jī)，包括一個(gè)或多個(gè)量子發(fā)射單元以及一個(gè)或多個(gè)傳統(tǒng)發(fā)射單元；接收機(jī)，包括分別對(duì)應(yīng)于所述一個(gè)或多個(gè)量子發(fā)射單元的一個(gè)或多個(gè)量子接收單元、以及分別對(duì)應(yīng)于所述一個(gè)或多個(gè)傳統(tǒng)發(fā)射單元的一個(gè)或多個(gè)傳統(tǒng)接收單元；以及WDM鏈路，用于鏈接所述發(fā)射機(jī)和所述接收機(jī)，其中，所述WDM鏈路包括一個(gè)或多個(gè)量子信道以及一個(gè)或多個(gè)傳統(tǒng)信道，所述一個(gè)或多個(gè)量子信道分別用于在所述一個(gè)或多個(gè)量子發(fā)射單元與所述一個(gè)或多個(gè)量子接收單元之間傳送單光子信號(hào)，所述一個(gè)或多個(gè)傳統(tǒng)信道分別用于在所述一個(gè)或多個(gè)傳統(tǒng)發(fā)射單元和所述一個(gè)或多個(gè)傳統(tǒng)接收單元之間傳送數(shù)據(jù)，其中，所述數(shù)據(jù)包括傳統(tǒng)數(shù)據(jù)或觸發(fā)信號(hào)，所述觸發(fā)信號(hào)用于使所述量子信道上所述單光子的傳送同步，其中，所述傳統(tǒng)信道和所述量子信道中的每個(gè)指定有互不相同的波長(zhǎng)，以使所述傳統(tǒng)信道和所述量子信道在所述WDM鏈路上在波長(zhǎng)上復(fù)用。14.如權(quán)利要求13所述的通信系統(tǒng)，其中，提供兩個(gè)量子信道分別用于在兩個(gè)量子傳送單元和兩個(gè)量子接收單元之間傳送單光子信號(hào)，并提供一個(gè)傳統(tǒng)信道用于在傳統(tǒng)發(fā)射單元和傳統(tǒng)接收單元之間傳送數(shù)據(jù)。15.如權(quán)利要求14所述的通信系統(tǒng)，其中，在每個(gè)所述量子信道上傳送的所述單光子信號(hào)從具有1,475nm到1，590nm的波長(zhǎng)范圍的激光器生成。16.如權(quán)利要求15所述的通信系統(tǒng)，其中，所述數(shù)據(jù)的波長(zhǎng)范圍為1，475nm到1，590nm。17.如權(quán)利要求16所迷的通信系統(tǒng)，其中，每個(gè)所述量子發(fā)射單元包括用于將激光器信號(hào)衰減為單光子信號(hào)的衰減器、以及用于調(diào)制所述激光器信號(hào)的調(diào)制器。18.如權(quán)利要求17所迷的通信系統(tǒng)，其中，每個(gè)所述量子接收單元包括用于調(diào)制所述單光子信號(hào)的調(diào)制器、以及用于探測(cè)所述單光子信號(hào)的單光子探測(cè)器。19.如權(quán)利要求18所述的通信系統(tǒng)，其中，所述傳統(tǒng)發(fā)射單元包括探測(cè)器，用于探測(cè)所述數(shù)據(jù)的一部分作為第一觸發(fā)信號(hào)，以使每個(gè)所述量子發(fā)射單元的所述調(diào)制器同步。20.如權(quán)利要求19所述的通信系統(tǒng)，其中，所述傳統(tǒng)接收單元包括探測(cè)器，用于探測(cè)所述數(shù)據(jù)的另一部分作為第二觸發(fā)信號(hào)，以使每個(gè)所述量子接收單元的所述調(diào)制器和所述單光子探測(cè)器同步。全文摘要公開了一種用于通過波分復(fù)用(WDM)鏈路在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間實(shí)現(xiàn)量子密鑰分配的系統(tǒng)和方法。所述方法包括在WDM鏈路上提供一個(gè)或多個(gè)量子信道以及一個(gè)或多個(gè)傳統(tǒng)信道；對(duì)一個(gè)或多個(gè)量子信道以及一個(gè)或多個(gè)傳統(tǒng)信道中的每一個(gè)指定不同的波長(zhǎng)；在每個(gè)量子信道上傳送單光子信號(hào)；以及在每個(gè)傳統(tǒng)信道上傳送數(shù)據(jù)。所述數(shù)據(jù)包括傳統(tǒng)數(shù)據(jù)和觸發(fā)信號(hào)，所述觸發(fā)信號(hào)用于使所述量子信道上所述單光子的傳送同步。所有的信道都具有1550nm左右的波長(zhǎng)。WDM鏈路可為3-信道WDM鏈路，包括兩個(gè)用于傳送單光子信號(hào)的量子的量子信道，以及一個(gè)用于傳送傳統(tǒng)數(shù)據(jù)或觸發(fā)信號(hào)的傳統(tǒng)信道。文檔編號(hào)H04J14/02GK101204034SQ200680022303公開日2008年6月18日申請(qǐng)日期2006年7月24日優(yōu)先權(quán)日2005年9月19日發(fā)明者羅玉輝,陳錦泰申請(qǐng)人:香港中文大學(xué)