基于m-z干涉儀的多用戶qkd網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及其密鑰分發(fā)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明型涉及量子通信與光纖通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，具體涉及一種基于M-Z干涉儀的多用戶QKD網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及其密鑰分發(fā)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)密碼技術(shù)主要通過數(shù)學(xué)上的計算復(fù)雜程度來保證其安全性，但隨著目前計算能力的進步和提高，傳統(tǒng)密碼技術(shù)的安全性受到巨大威脅。而量子密碼技術(shù)的安全性不依賴于計算的復(fù)雜度，而是基于量子力學(xué)的基本原理，即受海森堡測不準(zhǔn)原理和未知量子態(tài)不可克隆原理。量子密鑰分發(fā)(Quantum Key Distribut1n,QKD)能以絕對安全的方式讓處于不同地理位置的合法參與者分享密鑰，雙方的密鑰發(fā)送信道可以是自由空間或者光纖，其中采用光纖作為傳輸信道的QKD使用更為廣泛。
[0003]目前，一種用分振幅法產(chǎn)生雙光束以實現(xiàn)干涉的M-Z干涉儀，清楚地體現(xiàn)了量子力學(xué)中的路徑選擇問題，在QKD中有著重要應(yīng)用。M-Z干涉儀主要由兩塊半反半透鏡BS和兩塊反光鏡組成。其主要原理是:來自光源的光經(jīng)過分束后分別走不同路徑，當(dāng)?shù)竭_(dá)探測器的光路光程相同時，能產(chǎn)生干涉效應(yīng)。因此，在兩路徑中加入相位調(diào)制器，通過這兩個相位調(diào)制器的脈沖組就能在匯合時產(chǎn)生不同的干涉，從而實現(xiàn)在量子密鑰分配中的路徑選擇。
[0004]所述M-Z干涉儀用于量子網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r如下:1992年C.Bennett提出的B92協(xié)議在M-Z干涉儀上用相位編碼的方式實現(xiàn)，利用一個等臂干涉環(huán)，該等臂干涉環(huán)包含兩個半反半透分束器(BS)或者光纖耦合器，激光源LD以及衰減器A，兩個相位調(diào)制器PM，以及Bob端的檢測器APD。其中LD產(chǎn)生的激脈沖組經(jīng)過衰減器A，使每個脈沖含有的平均光子數(shù)遠(yuǎn)小于一個光子。由分束器將脈均分到上下兩臂，上臂的相位調(diào)制器由Bob控制，下臂則是Alice控制，接收雙方控制相位調(diào)制器，隨機地選{0，Jr/2, JT , 3 JT /2}分別對脈沖組調(diào)相。在接收端的分束器發(fā)生單光子干涉，干涉結(jié)果由上下臂調(diào)相的相位差決定，當(dāng)相位差等于(2n+l) JT時全部光子進入APDl，當(dāng)相位差為2n 時，全部光子進入APD0。
[0005]這種單M-Z干涉儀的方案不適合于長距離QKD，它需要占用兩條公共信道，而且兩條信道的工作環(huán)境和基本屬性(比如衰減，傳輸時間)難以保持一致，雙方的實際臂長差很難控制。
[0006]為了克服單個干涉環(huán)傳輸距離短的缺陷，Bennett提出了不等臂M-Z方案，即使用兩個M-Z干涉儀實現(xiàn)點對點長距離相位編碼的QKD。
[0007]2004年英國劍橋小組利用此方案實現(xiàn)了傳輸距離達(dá)122km的QKD實驗。系統(tǒng)主要由半導(dǎo)體激光器(LD)，可調(diào)光衰減器(A)，相位調(diào)制器(PMa PMb)，單光子探測器(APD0、APD1)和四個在長短臂光纖兩端的分束器或耦合器組成。其中最核心的部件是相位調(diào)制器，它對正交的兩個單光子態(tài)進行相位編碼調(diào)制，數(shù)據(jù)的編解碼使用的是相位差信息。經(jīng)過衰減的激脈沖組耦合進Alice端的干涉儀兩臂，光子可能走長光路I也可能走短光路1，隨后脈沖組離開Alice進入長距離的光纖中，到達(dá)Bob端后隨機進入長光路2或者短光路2。因此，脈沖組從LD出發(fā)到抵達(dá)單光子探測器有四種可能的路徑:長I長2、長I短2、短I長2、短I短2。通過調(diào)整PM使得經(jīng)過長I短2和短I長2路徑的光程相同，這兩條路徑的脈沖組就能發(fā)生干涉。相位差是兩個PM調(diào)相的差，此相位差將會決定單光子進入APDO還是APDl中。通過篩選和比對，生成原始量子密鑰，再經(jīng)過后續(xù)處理，完成一次點對點的量子密鑰分發(fā)過程。由于雙M-Z干涉儀的光信號傳輸通過公用光纖完成，在公共部分的光路是完全相同的，公用光纖受到的外界干擾對兩條信道的影響也是相同的，相位漂移相互抵消。非常適合長達(dá)幾十甚至超過百公里的長距離的量子密鑰分發(fā)。
[0008]對比目前較常見的幾類QKD方案，如采用極弱脈沖信號光源的差分DPS的QKD方案雖然運用誘惑態(tài)隱匿性較好，但經(jīng)典強信號等引入的調(diào)制噪聲的安全性沒有得到嚴(yán)格證明，且極易受擾動影響，不適宜長距離傳輸；Plug&Play的QKD方案往返光路有天然的偏振等影響自動補償功能，但傳輸距離和后向散射的技術(shù)處理是一項挑戰(zhàn)；Sagnac環(huán)QKD方案需要組成環(huán)形，極大的限制傳輸距離且易受光子分束木馬攻擊；利用相位調(diào)制器的M-Z型的單光子QKD方案，既不會受到雙折射效應(yīng)的影響，同時偏振模色散也不敏感。
[0009]而干涉儀外的光路公用，傳輸穩(wěn)定性比較好，而且誤碼率低、抗干擾能力強，能很好的實現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，其結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，在QKD中廣泛應(yīng)用。實際中，雙MZ干涉儀的QKD系統(tǒng)隨著傳輸距離的增加，對外部環(huán)境的敏感度也增加了，比如溫度變化和環(huán)境振動都可能導(dǎo)致相位漂移的產(chǎn)生，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。
[0010]另一方面，擴展多用戶量子網(wǎng)絡(luò)成為量子通信發(fā)展的必然趨勢。但現(xiàn)有的QKD技術(shù)都是基于點對點鏈接的。目前，由網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)決定了實現(xiàn)量子密鑰分配主要有三種情況:網(wǎng)絡(luò)中任意兩個通信者之間的密鑰分配，一點對多點之間的密鑰分配，以及多點對多點的密鑰分配。常見的幾類典型QKD網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案有網(wǎng)狀型、樹形、環(huán)形、總線型和網(wǎng)狀型等網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)狀型、樹形的QKD網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞桨赣兄^為簡單的結(jié)構(gòu)，在用戶量較少的情況下網(wǎng)絡(luò)性能有優(yōu)勢，但很難在多用戶的環(huán)境中發(fā)揮優(yōu)勢；環(huán)形網(wǎng)絡(luò)有著低成本的優(yōu)勢，但鏈路中斷故障、噪聲引發(fā)的安全性等不具優(yōu)勢；總線型在其安全性和便捷性上有一定的優(yōu)勢，但隨著用戶的增多會發(fā)生信號劣化；
[0011]因此如何合理地分配點對點鏈接的資源，同時從用戶一對多發(fā)展到用戶多對多的密鑰分配，將量子密鑰分發(fā)從一個區(qū)域擴展到另外一個區(qū)域，增強通信安全性以及可靠性，降低多用戶鏈接時的成本是現(xiàn)有技術(shù)亟待解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明的目的在于提供一種穩(wěn)定性好，安全性高，成本低可以實現(xiàn)任意多對多通信的基于M-Z干涉儀的多用戶QKD網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
[0013]本發(fā)明的另一目的是利用上述基于M-Z干涉儀的多用戶QKD網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來實現(xiàn)的多用戶QKD的分發(fā)方法。
[0014]本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的:基于M-Z干涉儀的多用戶QKD網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，包括網(wǎng)狀型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)單元與N個M-Z型量子密鑰分發(fā)單元，所述網(wǎng)狀型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)單包括公用光纖、波長路由裝置和專用光纖，任一波長路由裝置的一個端口連接一條公用光纖，且其通過所述專用光纖分別與其他波長路由裝置一一對應(yīng)連接；
[0015]所述多個M-Z型量子密鑰分發(fā)單元通過所述公用光纖分別與網(wǎng)狀型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)單元連接，所述M-Z型量子密鑰分發(fā)單元用于實現(xiàn)量子信號編碼與解碼，既可作為發(fā)送端也可作為接收端；
[0016]所述任意一個作為發(fā)射端的M-Z型量子密鑰分發(fā)單元輸出的脈沖組經(jīng)過與其相連的公用光纖輸入到對應(yīng)的波長路由裝置中，然后通過所述專用光纖傳輸?shù)狡渌牟ㄩL路由裝置及其對應(yīng)公用光纖，最后輸出到其他作為接收端的M-Z型量子密鑰分發(fā)單元中。
[0017]具體地，所述M-Z型量子密鑰分發(fā)單元包括依次連接的多波長脈沖產(chǎn)生裝置、可變光衰減器、環(huán)形器和非等臂M-Z干涉儀，還包括與所述環(huán)形器連接的第一多波長單光子探測器和與所述非等臂M-Z干涉儀連接的第二多波長單光子探測器。