[发明专利]一种量子密钥分发系统中的信源监控装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于信息科学中的量子保密通信领域，特别涉及一种对量子密钥分发系统中的信号源进行监控的装置及方法。

背景技术

量子密钥分发是一种密钥分配的手段。通信双方(一般称为Alice和Bob)通过量子密钥分发共享一组安全的密钥，并通过经典密码学中的一次一密的方法，利用密钥将信息加密，就能实现安全的保密通信。这种方法在理论上是不可破解的，具有无条件安全性。而传统的保密通信，其安全性是建立在计算机解决复杂数学问题的困难度上的。长远来看，当计算机技术进一步发展时，传统密码的安全性将不再能得到保障。因此，研究量子密钥分发，对于保密通信以及信息安全等领域，都具有十分重大的意义。

虽然在理论上量子密钥分发具有无条件安全性，但在实际系统中，仍然存在一些影响安全性的实际问题。其中的一个严重问题是系统中的信源安全性问题。在理论分析中，要求量子密钥分发中的信号源必须是可信的，具有已知的固定光子数分布。而这一条件在实际系统中并不满足，尤其是对于常用的“双路即插即用系统”。在这种系统中，窃听者Eve可以通过“特洛伊木马攻击”来控制信源，使得信源的光子数分布对于通信双方而言成为未知。这一问题导致量子密钥分发的过程存在严重的安全性漏洞，最终生成的密钥的安全性也就无法保证。因此，针对这一问题，对系统进行信源监控是十分必要的。

针对信源监控的理论研究已经比较成熟。一种主流的思路是：通过监控信源光子数n∈[N_min，N_max]的概率(被称为“Untagged Bit”概率)来估计系统最终的安全码率，其中N_min表示预期的光子数下界，N_max表示预期的光子数上限。通过这两个参数，当确认n∈[N_min，N_max]时我们能够知道信源光子数的一个大概范围，从而可以估计信号经过信道后的具体情况。这样，虽然仍无法确知光源的具体光子数分布，但通过这一“Untagged Bit”概率可以保证系统的安全性，只是在生成安全密钥的速率上有所降低。利用这一思路，可以在理论上解决信源监控的问题，但在具体实现上仍然存在问题。其主要难点在于如何判断信源光子数n是否在区间[N_min，N_max]之内。

针对这一问题，目前还没有很好的解决方案。一种相对可行的方案是，利用光电探测器和高速积分器将光源信号转变为与其能量成正比的一个电信号，再对这个信号与预先设定的阈值进行比较，从而判断出光源发出的信号，其光子数n是否在区间[N_min，N_max]之内，得出“Untagged Bit”的概率。但由于光源信号在理论分析中被要求应具有尽可能窄的脉宽(实际系统中，脉宽通常在100ps量级)，方案中的高速积分器设计起来十分困难，难以在实际系统中具体实现，信源监控在实际应用方面还存在问题。

发明内容

本发明旨在针对现有技术的不足，提供一种信源监控在实际的量子密钥分发系统中的具体实现方法及装置，具有精确度高，结构简易，可以实时监控的特点。

本发明的目的之一在于提供一种量子密钥分发系统中的信源监控装置，其包括：

一分束片，用以将光源发出的信号分出一束，用以进行信源监控；

与所述分束片连接的一光电探测器，用以将光信号转换为模拟电信号；

与所述光电探测器连接的一滤波-积分模块，用以将所述模拟电信号进行滤波，放大，再进行积分；

与所述滤波-积分模块连接的双阈值比较模块，包括两个可以调节的阈值，用以对前级结果进行双阈值比较；比较阈值为根据实验条件已设定好的数值；

与所述双阈值比较模块连接的数据处理模块，用以对比较后的结果进行处理，统计“Untagged Bit”的概率。

进一步地，所述分束片与光源之间、光电探测器与分束片之间通过光纤器件连接，其余模块之间通过SMA线连接。

进一步地，所述分束片的反射-透射比约为(9～10):1。

进一步地，所述光电探测器选用PIN型高速光电探测器，其探测中心波长与光源的中心波长对应，比如为1310nm或1550nm，带宽为10GHz以上。

进一步地，所述滤波-积分模块具有对光电探测器输出的电信号进行滤波、放大、积分的功能，并能输出峰值在100mV以上的信号。