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CN111464302A - 一种基于b92协议量子密钥分发系统 - Google Patents

一种基于b92协议量子密钥分发系统 Download PDF

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CN111464302A CN202010389627.6A CN202010389627A CN111464302A CN 111464302 A CN111464302 A CN 111464302A CN 202010389627 A CN202010389627 A CN 202010389627A CN 111464302 A CN111464302 A CN 111464302A
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beam splitter
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王东
沈名轩
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Hefei Longchi Quantum Technology Co ltd
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Shendun Xunbo Beijing Quantum Technology Development Co ltd
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Abstract

一种基于B92协议量子密钥分发系统，发送端包括脉冲激光器、强度调制器、环形器、偏振分束器、相位调制器以及可调衰减器，偏振分束器与相位调制器通过保偏光纤连接构成一个Sagnac环形结构，接收端包括保偏分束器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、光纤延长线、偏振合束器以及单光子探测器，所述保偏分束器输入端通过保偏光纤连接发送端可调衰减器。与现有技术相比，本发明的基于B92协议量子密钥分发系统，发送端只需要一个单光子源和一个相位调制器即可产生B92协议所需的2种偏振态，且相位调制器只需要在加电压与不加电压之间进行随机切换，与传统的偏振编码QKD系统的多激光器结构相比，大大降低了系统的复杂度和成本。

Description

一种基于B92协议量子密钥分发系统
技术领域
本发明涉及量子偏振编码技术领域，特别涉及一种基于B92协议量子密钥分发系统。
背景技术
密码学在各个领域有着至关重要的作用，随着技术的进步，特别是量子计算机的威胁，基于计算复杂度的经典密码学将面临前所未有的挑战。而量子密钥分发技术由量子力学的基本原理保证其无条件安全，结合一次一密的对称加密体系，可以满足人们对安全通信日益增长的需求。在性能优良的信道中，B92协议在安全性方面与BB84协议接近，但是在量子态调制和解调以及系统复杂度方面较为简单，因此更容易实现。
偏振编码B92协议量子密钥分发系统常用的2种偏振态为|H>、
Figure BDA0002485311910000011
如图1给出了一种典型的偏振编码QKD系统。系统包括发送端Alice、接收端Bob，由激光器、分束器、偏振控制器、偏振分束器、单光子探测器组成。在发送端，不同的偏振态不同的激光器产生，通过分束器等耦合到同一路光纤中。接收端通过分束器分成两路，分成两组基矢，再经过偏振分束器进行偏振分析，之后在单光子探测器上进行探测。
这种偏振编码的QKD方案发送端需要4个(产生信号态和诱骗态)激光器，接收端需要2个单光子探测器。因此，该系统具有体积大、成本高、系统复杂等缺点。
发明内容
针对现有技术存在以上缺陷，本发明提供一种基于B92协议量子密钥分发系统如下：
本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于B92协议量子密钥分发系统，包括发送端与接收端，所述发送端包括脉冲激光器、强度调制器、环形器、偏振分束器、相位调制器以及可调衰减器，所述脉冲激光器依次连接强度调制器、环形器一端口，环形器二端口连接偏振分束器一输入端，偏振分束器的两个输出端分别通过保偏光纤连接相位调制器，偏振分束器与相位调制器通过保偏光纤连接构成一个Sagnac环形结构，所述环形器三端口连接可调衰减器，所述接收端包括保偏分束器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、光纤延长线、偏振合束器以及单光子探测器，所述保偏分束器输入端通过保偏光纤连接发送端可调衰减器，所述保偏分束器输出端分别连接第一偏振控制器、第二偏振控制器各自输入端，第一偏振控制器、第二偏振控制器各自输出端分别连接偏振合束器的输入端，且第一偏振控制器与偏振合束器之间连接有光纤延长线，所述偏振合束器输出端与单光子探测器连接。
与现有技术相比，本发明有以下有益效果：
1、本发明的基于B92协议量子密钥分发系统，发送端只需要一个单光子源和一个相位调制器即可产生B92协议所需的2种偏振态，且相位调制器只需要在加电压与不加电压之间进行随机切换，与传统的偏振编码QKD系统的多激光器结构相比，大大降低了系统的复杂度和成本；
2、使用偏振分束器组成的Sagnac环结构，使得两个偏振分量经历相同的光程，产生的偏振态非常稳定，大大提高了系统的稳定性；
3、接收端只需要1个单光子探测器，代替传统偏振编码QKD系统的2个探测器来实现信号接收，降低了系统的复杂度和成本，同时避免了多探测器探测效率不一致导致的安全性问题；
4、发送端只需要一个激光器，避免了传统方案中由于多激光器接波长不一致导致的侧信道漏洞；
5、本系统结构简单，易于实现小型化，且可支持高速信号调制与解调。
附图说明
图1为现有技术中典型的量子密钥分发系统原理框图；
图2为本发明基于B92协议量子密钥分发系统的原理框图。
图中：发送端100，脉冲激光器110、强度调制器120、环形器130、偏振分束器140、相位调制器150以及可调衰减器160，接收端200，保偏分束器210、第一偏振控制器220、第二偏振控制器230、光纤延长线240、偏振合束器250以及单光子探测器260。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明进行清楚、完整地描述。
如图2所示，一种基于B92协议量子密钥分发系统，包括发送端100与接收端200，所述发送端100包括脉冲激光器110、强度调制器120、环形器130、偏振分束器140、相位调制器150以及可调衰减器160，所述脉冲激光器110依次连接强度调制器120、环形器130一端口，环形器130二端口连接偏振分束器140一输入端，偏振分束器140的两个输出端分别通过保偏光纤连接相位调制器150，偏振分束器140与相位调制器150通过保偏光纤连接构成一个Sagnac环形结构，所述环形器130三端口连接可调衰减器160，所述接收端200包括保偏分束器210、第一偏振控制器220、第二偏振控制器230、光纤延长线240、偏振合束器250以及单光子探测器260，所述保偏分束器210输入端通过保偏光纤连接发送端100的可调衰减器160，所述保偏分束器210输出端分别连接第一偏振控制器220、第二偏振控制器230各自输入端，第一偏振控制器220、第二偏振控制器230各自输出端分别连接偏振合束器250的输入端，且第一偏振控制器220与偏振合束器250之间连接有光纤延长线240，所述偏振合束器250输出端与单光子探测器260连接。
在发送端100，环形器130和偏振分束器140的入射端口之间的保偏光纤进行45°熔接，产生45°的偏振光
Figure BDA0002485311910000041
进入偏振分束器140，然后被分解成两个脉冲分量。偏振分束器140两个出射端口和相位调制器150通过保偏光纤连接，组成一个Sagnac环形结构。相位调制器150靠近偏振分束器140的其中一个出射端口，且只需支持单一偏振光通过。因此，从偏振分束器140的两个出射端口出射的光脉冲分量在Sagnac环内沿保偏光纤的慢轴传播，依次从相反的方向经过相位调制器150。通过控制相位调制器150的电压，使入射到Sagnac环的偏振光两个分量|H〉、|V〉之间产生相位差
Figure BDA0002485311910000042
由于两个分量经过的光程相同，重新回到偏振分束器140时合成一个光脉冲，从而产生的偏振态为
Figure BDA0002485311910000043
当相位差
Figure BDA0002485311910000044
即PM不进行调制时，产生的偏振态为
Figure BDA0002485311910000045
当相位差
Figure BDA0002485311910000046
时，产生的偏振态为
Figure BDA0002485311910000047
从偏振分束器140返回的光脉冲再次经过45°熔接点时，偏振态将会旋转，到达环形器130的光脉冲偏振态变为|H>和|R>。其中，强度调制器120用于产生诱骗态，可调衰减器160用于将光脉冲衰减到单光子量级。
发送端100发出的光子经过信道传输之后到达接收端200，进入保偏分束器210进行被动基矢选择。保偏分束器210的两个出射端口对应连接第一偏振控制器220、第二偏振控制器230，用以恢复被信道扰乱的偏振态，然后分别与偏振合束器250的两个入射端口相连。其中第一偏振控制器220与偏振合束器250的一个入射端口之间通过光纤延长线240连接，使得从保偏分束器210出射的两路光脉冲到达偏振合束器250的时间相差Δt。然后光脉冲经过偏振合束器250合束进入单光子探测器260来进行探测。其中单光子探测器260的每个探测周期有两个时间差为Δt的探测窗口，可以对时间差为Δt的光脉冲进行探测。不含光纤延长线240的一路为|V>测量基，含有光纤延长线240的一路为|L>测量基。那么在单光子探测器260的一个探测周期内，时间靠前的探测窗口S1对|V>基进行探测，时间靠后的探测窗口S2对|L>基进行探测。当只有窗口S1有探测结果时，说明发端发射的光子偏振态为|R>；当只有窗口S2有探测结果时，说明发端发射的光子偏振态为|H>。
如果激光器的重复频率为f，那么单光子探测器260的重复频率为2f，同时
Figure BDA0002485311910000051
系统工作流程归纳如下：
1.激光器触发：脉冲激光器110通过触发信号以一定重复频率产生一系列的脉冲光。
2.诱骗态调制：光脉冲通过强度调制器120被其进行随机强度调制，成为信号态、诱骗态或者真空态。
3.发射端偏振制备：入射到相位调制器150的光偏振态设置为
Figure BDA0002485311910000061
通过加载不同电压对信号光进行随机2相位调制，分别为0，π/2，得到2种偏振态|H>和|R>。
4.电控可调衰减器：电控可调衰减器160将光脉冲的光强衰减至单光子量级。
5.接收端偏振测量：接收端200使用保偏分束器210进行被动基矢选择，然后采用一个偏振合束器250来对偏振态进行解析，最后用单光子探测器260进行探测，用于后续处理产生安全密钥。
6.后处理过程：收发双方进行对基过程，保留基矢不一致的结果，得到筛后密钥，然后对筛后密钥进行纠错和保密放大，从而产生一致的安全密钥。
发送端相位调制器150调制2个相位，相应的单光子探测器260两个探测窗口的响应概率如下表所示：
Figure BDA0002485311910000062
综合本发明的结构与原理可知，本发明的基于B92协议量子密钥分发系统，发送端只需要一个单光子源和一个相位调制器即可产生B92协议所需的2种偏振态，且相位调制器只需要在加电压与不加电压之间进行随机切换，与传统的偏振编码QKD系统的多激光器结构相比，大大降低了系统的复杂度和成本；使用偏振分束器组成的Sagnac环结构，使得两个偏振分量经历相同的光程，产生的偏振态非常稳定，大大提高了系统的稳定性；接收端只需要1个单光子探测器，代替传统偏振编码QKD系统的2个探测器来实现信号接收，降低了系统的复杂度和成本，同时避免了多探测器探测效率不一致导致的安全性问题；发送端只需要一个激光器，避免了传统方案中由于多激光器接波长不一致导致的侧信道漏洞；本系统结构简单，易于实现小型化，且可支持高速信号调制与解调。

Claims (1)

1.一种基于B92协议量子密钥分发系统，包括发送端与接收端，其特征在于，所述发送端包括脉冲激光器、强度调制器、环形器、偏振分束器、相位调制器以及可调衰减器，所述脉冲激光器依次连接强度调制器、环形器一端口，环形器二端口连接偏振分束器一输入端，偏振分束器的两个输出端分别通过保偏光纤连接相位调制器，偏振分束器与相位调制器通过保偏光纤连接构成一个Sagnac环形结构，所述环形器三端口连接可调衰减器，所述接收端包括保偏分束器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、光纤延长线、偏振合束器以及单光子探测器，所述保偏分束器输入端通过保偏光纤连接发送端可调衰减器，所述保偏分束器输出端分别连接第一偏振控制器、第二偏振控制器各自输入端，第一偏振控制器、第二偏振控制器各自输出端分别连接偏振合束器的输入端，且第一偏振控制器与偏振合束器之间连接有光纤延长线，所述偏振合束器输出端与单光子探测器连接。
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Applicant after: Hefei Longchi Quantum Technology Co.,Ltd.

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Address before: Room 8416, 88-1 South Third Ring West Road, Jijia Temple, Huaxiang, Fengtai District, Beijing, 100000

Applicant before: Shendun xunbo (Beijing) Quantum Technology Development Co.,Ltd.

Country or region before: China

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