[发明专利]一种量子密钥分发系统的同步方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及量子保密通信领域，特别是提供了一种量子密钥分发系统的同步方法以及基于该同步方法的双工QKD系统。

背景技术

量子密钥分发(Quantum Key Distribution，QKD)与经典密钥体系的根本不同在于，其采用单个光子或纠缠光子对作为密钥的载体，由量子力学的基本原理保证了该过程的不可窃听、不可破译性，从而提供了一种更为安全的密钥体系。目前，利用纠缠光子对实现量子密钥分发的技术还不是很成熟，距离实用还有相当的距离；而基于单光子实现的量子密钥分发技术，则已经日臻成熟。

基于单光子实现的量子密钥分发技术通常有两种编码方式：偏振编码和相位编码。以偏振编码方式为例，量子密钥分发的基本过程是：

1)系统发送方(约定称为Alice)选用两组基矢，随机发送一串具有不同偏振态的光子；

2)系统接收方(约定称为Bob)随机选用测量基矢进行接收，由于探测效率和路径衰减的问题，Bob不能探测到所有的光子，只能随机的在一些位置上探测到光子；

3)Bob通知Alice他在探测到光子的位置上使用的是哪一种基矢；

4)Alice对比自己发送时使用的基矢和Bob测量时使用的基矢，若两者在某位置处所使用的基矢一致，即Bob测量时使用的基矢正确，则保留该位置上的信息，并且告诉Bob他在哪些位置上使用的测量基矢是正确的；

5)Bob留下测量基矢正确的位置上的信息；

6)这样Alice和Bob就共享了一串随机的密钥。

由上述过程可以看出，在量子密钥分发的过程中，Alice和Bob需要进行基矢比对，即比对Alice在某一个位置上发送光子所使用的基矢和Bob在探测这一位置的光子时所使用的测量基矢是否是一致的。为了保证Alice和Bob在同一个位置上进行基矢比对，发送方和接收方之间需要精确的“位置”同步，否则，最终Alice和Bob两端的密钥会出现不一致的现象。所以，系统的同步方法就显得尤其重要。

上述的“位置”，形象的描述就是一组光脉冲中的第几个脉冲。在发送端，信号光的光脉冲是以固定频率连续发送的，相邻两个光脉冲之间具有固定的时隙，而同步光的光脉冲是以比信号光发送频率低得多的固定频率连续发送的。在信号光和同步光同时发送时，两个同步光脉冲之间发送的连续不断的信号光即为一组光脉冲。接收端在接收连续不断的信号光时，通过检测出两个同步光脉冲之间的信号光脉冲，可以确定一组光脉冲。所述“位置”信息，即可通过一组信号光脉冲中的第几个脉冲信号得以确定。由于相邻两个信号光脉冲之间具有固定的时隙，上述“位置”也即时间信息。

图1表示现有技术方案的同步方法。QKD系统同步的方法是，QKD设备的Alice发送同步光，Bob接收同步光完成甄别，产生同步信号。系统中的量子信道只有一根光纤，即信号光和同步光在同一根光纤中进行传输。

在QKD系统的实现上，Alice可能包含N个信号光激光器(具体数量视所采用的QKD编码协议而定)和一个同步光激光器，信号光的波长为λ_signal，同步光的波长为λ_sync，且λ_signal≠λ_sync，将这两种光耦合在同一根光纤中，通过光纤链路传输到Bob端。Bob端包含一个光滤波器件，例如密集型波分复用(DWDM)器件，其中心波长为λ_signal，可以将信号光和同步光分离开来，然后将分离出来的信号光做相应的后续处理，将分离出来的同步光送入同步光甄别器中甄别。甄别器甄别出来的信号作为同步信号，供信号光后续处理过程使用。

基于现有同步方式的单向(one-way)、双工QKD系统如图2所示，每台设备均包含发送端Alice和接收端Bob，两台QKD设备之间可以同时建立两条QKD链路。两条QKD链路分别是：QKD设备_L的Alice与QKD设备_R的Bob建链；QKD设备_R的Alice与QKD设备_L的Bob建链。由QKD设备_L的Alice的同步光激光器所发出的同步光，经光纤链路传输之后，由QKD设备_R的Bob的同步光甄别器甄别；由QKD设备_R的Alice的同步光激光器所发出的同步光，经光纤链路传输之后，由QKD设备_L的Bob的同步光甄别器甄别。

从现有技术可以看出，传统的基于同步的双工QKD系统，其QKD设备_L的Alice和QKD设备_R的Alice所发出的同步光是波长相同的。