雙邊帶干涉的相位編碼量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于通信領(lǐng)域，涉及量子保密通信技術(shù)，具體是一種利用單光子相位編碼的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)，通過對激光調(diào)制產(chǎn)生單光子邊帶，通信雙方利用相位的差異實(shí)現(xiàn)單光子邊帶的干涉，從而實(shí)現(xiàn)雙邊帶干涉的相位編碼量子密鑰分發(fā)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]基于相位編碼的量子密鑰分發(fā)是在單光子的相位維度上加載信息。相位編碼密鑰分發(fā)的基本裝置是馬赫-曾德爾干涉儀，發(fā)送方、接收方各有一個(gè)相位調(diào)制器放置于干涉儀的一個(gè)臂上，發(fā)送方光脈沖被分為兩束，經(jīng)過兩個(gè)臂時(shí)分別被兩個(gè)調(diào)制器調(diào)制后到達(dá)接收方發(fā)生干涉，干涉結(jié)果攜帶相位信息，從而雙方可以共享安全密鑰。之后，發(fā)展了可實(shí)際使用的即插即用系統(tǒng)和差分相移系統(tǒng)等。即插即用系統(tǒng)利用法拉第鏡使光脈沖在相同光纖中來回往返兩次，有效補(bǔ)償了偏振漂移，但是即插即用系統(tǒng)由于其往返傳輸?shù)奶匦?，?dǎo)致成碼效率為單向系統(tǒng)的一半。差分相移裝置則是利用前后兩個(gè)光脈沖來編碼。這些裝置由于效率低從而限制了其在實(shí)際保密通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明為了解決已有相位編碼量子密鑰分發(fā)存在效率低的問題，提供了一種雙通道復(fù)用的相位編碼量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)及方法。
[0004]本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
一種雙邊帶干涉的相位編碼量子密鑰分發(fā)方法，包括如下步驟:
發(fā)送方激光器發(fā)出單頻脈沖光，利用調(diào)制器加載具有多個(gè)相位獨(dú)立的射頻調(diào)制信號，產(chǎn)生相應(yīng)正負(fù)一階調(diào)制邊帶，由數(shù)字移相器控制射頻信號的相位實(shí)現(xiàn)單光子的相位編碼，調(diào)節(jié)邊帶光強(qiáng)達(dá)到單光子量級，之后經(jīng)過光纖傳輸后到達(dá)接收方。
[0005]接收方利用調(diào)制器加載同頻的相位獨(dú)立的射頻調(diào)制信號，產(chǎn)生對應(yīng)的正負(fù)一階調(diào)制邊帶，由數(shù)字移相器控制射頻信號的相位實(shí)現(xiàn)單光子的相位編碼。那么發(fā)送與接收雙方在邊帶位置的干涉結(jié)果由雙方的相位差決定，當(dāng)相位差為0°時(shí)，干涉相長的單光子存在于右邊帶；當(dāng)相位差為180°時(shí)，干涉相長的單光子存在于左邊帶；當(dāng)相位差為90°時(shí)，單光子分別以50%的概率隨機(jī)地落在左邊帶或右邊帶，但最終只存在于一個(gè)邊帶。接收方利用窄帶可調(diào)諧光柵選擇邊帶并用單光子探測器分別進(jìn)行探測，測到光子時(shí)通信雙方把對應(yīng)的相位信息按照約定轉(zhuǎn)化為比特信息，即可共享安全密鑰。
[0006]邊帶干涉結(jié)果只依賴于射頻信號的相位，在實(shí)際中可通過數(shù)字移相器精確控制；而且基于復(fù)載波技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)多邊帶同時(shí)分發(fā)密鑰，不同用戶可以利用不同的邊帶進(jìn)行通信，成碼效率成倍提高。尤其適用于短距離的城域網(wǎng)絡(luò)，從而極大地提高了光纖網(wǎng)絡(luò)的工作效率。
[0007]基于上述方法，提供了一種雙邊帶干涉的相位編碼量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)，包括發(fā)送方和接收方。
[0008]發(fā)送方包括第一 FPGA (可編程門陣列)，所述第一 FPGA的一輸出端與DG645外觸發(fā)端口連接，所述DG645的輸出端口與第一強(qiáng)度調(diào)制器的控制端連接，所述第一強(qiáng)度調(diào)制器的輸入端與信號光激光器的輸出端連接。
[0009]所述第一 FPGA的二輸出端與第一開關(guān)的控制端連接，所述第一開關(guān)的輸入端與第一射頻信號源的輸出端連接，所述第一開關(guān)的兩輸出端分別與第一移相器的輸入端和第二移相器的輸入端連接，第一移相器的輸出端和第二移相器的輸出端通過第一合束器合在一起后與第一電衰減器連接。
[0010]所述第一 FPGA的三輸出端與第二開關(guān)的控制端連接，所述第二開關(guān)的輸入端與第二射頻信號源的輸出端連接，所述第二開關(guān)的兩輸出端分別與第三移相器的輸入端和第四移相器的輸入端連接，第三移相器的輸出端和第四移相器的輸出端通過第二合束器合在一起后與第二電衰減器連接。
[0011]第一電衰減器的輸出端和第二電衰減器的輸出端通過第三合束器連接到第二強(qiáng)度調(diào)制器的控制端；所述第二強(qiáng)度調(diào)制器的輸入端與第一強(qiáng)度調(diào)制器的輸出端連接，所述第二強(qiáng)度調(diào)制器的輸出端與光衰減器的輸入端連接。
[0012]所述第一 FPGA的四輸出端與第三強(qiáng)度調(diào)制器的控制端連接；第三強(qiáng)度調(diào)制器的輸入端與同步激光器的輸出端連接；所述光衰減器的輸出端和第三強(qiáng)度調(diào)制器的輸出端與第一波分復(fù)用器的兩輸入端分別連接，所述第一波分復(fù)用器的輸出端與光纖的輸入端連接。
[0013]光纖的輸出端與第二波分復(fù)用器的輸入端連接，所述第二波分復(fù)用器的一輸出端與偏振控制器的輸入端連接；所述第二波分復(fù)用器的二輸出端與光電探測器的輸入端連接，所述光電探測器的輸出端與放大器的輸入端連接，所述放大器的輸出端與第二 FPGA的一輸入端、第一單光子探測器的觸發(fā)端、第二單光子探測器的觸發(fā)端和第三單光子探測器的觸發(fā)端分別連接。
[0014]所述偏振控制器的輸出端與相位調(diào)制器的輸入端連接，所述相位調(diào)制器的輸出端與第一環(huán)形器的一號端口連接，所述第一環(huán)形器的二號端口與第一光柵的輸入端連接，所述第一光柵的輸出端與第一單光子探測器的輸入端連接；所述第一環(huán)形器的三號端口與第二環(huán)形器的一號端口連接，所述第二環(huán)形器的二號端口與第二光柵的輸入端連接，所述第二光柵的輸出端與第二單光子探測器的輸入端連接；所述第二環(huán)形器的三號端口與第三環(huán)形器的一號端口連接，所述第三環(huán)形器的二號端口與第三光柵的輸入端連接，所述第三光柵的輸出端與第三單光子探測器的輸入端連接。
[0015]第一單光子探測器的輸出端、第二單光子探測器的輸出端、第三單光子探測器的輸出端分別與第二 FPGA的二輸入端、三輸入端、四輸入端連接。
[0016]所述第二 FPGA的一輸出端與第三開關(guān)的控制端連接，所述第三開關(guān)的輸入端與第三射頻信號源的輸出端連接，所述第三開關(guān)的兩輸出端分別與第五移相器的輸入端、第六移相器的輸入端連接，第五移相器的輸出端和第六移相器的輸出端通過第四合束器合在一起后與第三電衰減器連接。
[0017]所述第二 FPGA的二輸出端與第四開關(guān)的控制端連接，所述第四開關(guān)的輸入端與第四射頻信號源的輸出端連接，所述第四開關(guān)的兩輸出端分別與第七移相器的輸入端、第八移相器的輸入端連接，第七移相器的輸出端和第八移相器的輸出端通過第五合束器合在一起后與第四電衰減器連接。
[0018]第三電衰減器的輸出端和第四電衰減器的輸出端通過第六合束器連接到相位調(diào)制器的控制端。
[0019]上述系統(tǒng)中總體上分為信號光路和同步光路。
[0020]信號光一路包括信號光激光器，信號光激光器輸出激光依次經(jīng)過第一強(qiáng)度調(diào)制器、第二強(qiáng)度調(diào)制器、光衰減器、第一波分復(fù)用器、光纖、第二波分復(fù)用器、偏振控制器、相位調(diào)制器、第一環(huán)形器、第一光柵、第一單光子探測器、第二環(huán)形器、第二光柵、第二單光子探測器、第三環(huán)形器、第三光柵和第三單光子探測器。
[0021]同步光一路包括同步光激光器，同步光激光器輸出激光依次經(jīng)過第三強(qiáng)度調(diào)制器、第一波分復(fù)用器、光纖、第二波分復(fù)用器、探測器、放大器。
[0022]工作時(shí)，信號光激光器輸出單頻線偏振的激光進(jìn)入第一強(qiáng)度調(diào)制器，第一 FPGA觸發(fā)DG645產(chǎn)生數(shù)字信號，使得第一強(qiáng)度調(diào)制器把連續(xù)信號光斬成窄脈沖光，同時(shí)第一 FPGA控制第一開關(guān)和第二開關(guān)，例如，使得2.6GHz,6.0GHz的兩個(gè)射頻信號各自經(jīng)過兩組移相器中的一路，實(shí)現(xiàn)隨機(jī)移相，最終這兩個(gè)射頻信號經(jīng)過衰減器和合束器加載到第二強(qiáng)度調(diào)制器，第二強(qiáng)度調(diào)制器對信號光進(jìn)行調(diào)制同時(shí)產(chǎn)生+/-2.6GHz、+/-6.0GHz的四個(gè)調(diào)制邊帶，之后經(jīng)過衰減器邊帶光強(qiáng)衰減到單光子量級，與第一 FPGA觸發(fā)第三強(qiáng)度調(diào)制器生成的同步光脈沖經(jīng)過第一波分復(fù)用器合在一起進(jìn)入光纖。光脈沖經(jīng)過光纖后到達(dá)第二波分復(fù)用器，分兩個(gè)通道輸出，同步光脈沖首先進(jìn)入光電探測器轉(zhuǎn)化為電信號，之后被放大器放大后，分別觸發(fā)第二 FPGA和三個(gè)單光子探測器。信號光經(jīng)過偏振控制器調(diào)節(jié)偏振對準(zhǔn)相位調(diào)制器的光軸，之后第二 FPGA控制第三開關(guān)和第四開關(guān)，使得2.6GHz,6.0GHz的兩個(gè)射頻信號各自經(jīng)過兩組移相器中的一路，實(shí)現(xiàn)隨機(jī)移相，最終這兩個(gè)射頻信號經(jīng)過衰減器和合束器加載到相位調(diào)制器，相位調(diào)制器調(diào)制信號光同時(shí)產(chǎn)生+/-2.6GHz、+/-6.0GHz的四個(gè)邊帶，最后經(jīng)過環(huán)形器和65MHz超窄帶寬的光柵選擇主峰和+2.6GHz、+6.0GHz邊帶分別被三個(gè)單光子探測器單獨(dú)探測，第二 FPGA記錄干涉結(jié)果，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后雙方即可建立安全密鑰。
[0023]本發(fā)明利用通信雙方對單光子加載調(diào)制相位的差異，實(shí)現(xiàn)單光子的干涉，從而進(jìn)行量子密鑰分發(fā)的系統(tǒng)及方法。發(fā)送方對單頻激光進(jìn)行調(diào)制，產(chǎn)生兩個(gè)調(diào)制邊帶，經(jīng)過光纖傳輸后到達(dá)接收方，接收方進(jìn)行同頻解調(diào)，也產(chǎn)生對應(yīng)的兩個(gè)調(diào)制邊帶，邊帶干涉結(jié)果由雙方的相位差決定，利用光柵和單光子探測器測量干涉結(jié)果，從而通信雙方可以共享安全密鑰。這種裝置可以基于載波調(diào)制使得多邊帶同時(shí)分發(fā)密鑰，不同用戶可以利用不同的邊帶進(jìn)行保密通信。解決了傳統(tǒng)相位調(diào)制系統(tǒng)使用效率低的問題，尤其適用于短距離的城域網(wǎng)絡(luò)，提