[发明专利]基于M‑Z干涉仪的多用户QKD网络系统及其密钥分发方法

说明书

技术领域

本发明型涉及量子通信与光纤通信网络领域，具体涉及一种基于M-Z干涉仪的多用户QKD网络系统及其密钥分发方法。

背景技术

传统密码技术主要通过数学上的计算复杂程度来保证其安全性，但随着目前计算能力的进步和提高，传统密码技术的安全性受到巨大威胁。而量子密码技术的安全性不依赖于计算的复杂度，而是基于量子力学的基本原理，即受海森堡测不准原理和未知量子态不可克隆原理。量子密钥分发(Quantum Key Distribution，QKD)能以绝对安全的方式让处于不同地理位置的合法参与者分享密钥，双方的密钥发送信道可以是自由空间或者光纤，其中采用光纤作为传输信道的QKD使用更为广泛。

目前，一种用分振幅法产生双光束以实现干涉的M-Z干涉仪，清楚地体现了量子力学中的路径选择问题，在QKD中有着重要应用。M-Z干涉仪主要由两块半反半透镜BS和两块反光镜组成。其主要原理是：来自光源的光经过分束后分别走不同路径，当到达探测器的光路光程相同时，能产生干涉效应。因此，在两路径中加入相位调制器，通过这两个相位调制器的脉冲组就能在汇合时产生不同的干涉，从而实现在量子密钥分配中的路径选择。

所述M-Z干涉仪用于量子网络技术的发展状况如下：1992年C.Bennett提出的B92协议在M-Z干涉仪上用相位编码的方式实现，利用一个等臂干涉环，该等臂干涉环包含两个半反半透分束器(BS)或者光纤耦合器，激光源LD以及衰减器A，两个相位调制器PM，以及Bob端的检测器APD。其中LD产生的激脉冲组经过衰减器A，使每个脉冲含有的平均光子数远小于一个光子。由分束器将脉均分到上下两臂，上臂的相位调制器由Bob控制，下臂则是Alice控制，接收双方控制相位调制器,随机地选{0,π/2,π,3π/2}分别对脉冲组调相。在接收端的分束器发生单光子干涉，干涉结果由上下臂调相的相位差决定，当相 位差等于(2n+1)π时全部光子进入APD1，当相位差为2nπ时，全部光子进入APD0。

这种单M-Z干涉仪的方案不适合于长距离QKD，它需要占用两条公共信道，而且两条信道的工作环境和基本属性(比如衰减,传输时间)难以保持一致，双方的实际臂长差很难控制。

为了克服单个干涉环传输距离短的缺陷，Bennett提出了不等臂M-Z方案，即使用两个M-Z干涉仪实现点对点长距离相位编码的QKD。

2004年英国剑桥小组利用此方案实现了传输距离达122km的QKD实验。系统主要由半导体激光器(LD)，可调光衰减器(A)，相位调制器(PMa PMb)，单光子探测器(APD0、APD1)和四个在长短臂光纤两端的分束器或耦合器组成。其中最核心的部件是相位调制器，它对正交的两个单光子态进行相位编码调制，数据的编解码使用的是相位差信息。经过衰减的激脉冲组耦合进Alice端的干涉仪两臂，光子可能走长光路1也可能走短光路1，随后脉冲组离开Alice进入长距离的光纤中，到达Bob端后随机进入长光路2或者短光路2。因此，脉冲组从LD出发到抵达单光子探测器有四种可能的路径：长1长2、长1短2、短1长2、短1短2。通过调整PM使得经过长1短2和短1长2路径的光程相同，这两条路径的脉冲组就能发生干涉。相位差是两个PM调相的差，此相位差将会决定单光子进入APD0还是APD1中。通过筛选和比对，生成原始量子密钥，再经过后续处理，完成一次点对点的量子密钥分发过程。由于双M-Z干涉仪的光信号传输通过公用光纤完成，在公共部分的光路是完全相同的，公用光纤受到的外界干扰对两条信道的影响也是相同的，相位漂移相互抵消。非常适合长达几十甚至超过百公里的长距离的量子密钥分发。

对比目前较常见的几类QKD方案，如采用极弱脉冲信号光源的差分DPS的QKD方案虽然运用诱惑态隐匿性较好，但经典强信号等引入的调制噪声的安全性没有得到严格证明，且极易受扰动影响，不适宜长距离传输；Plug&Play的QKD方案往返光路有天然的偏振等影响自动补偿功能，但传输距离和后向散射 的技术处理是一项挑战；Sagnac环QKD方案需要组成环形，极大的限制传输距离且易受光子分束木马攻击；利用相位调制器的M-Z型的单光子QKD方案，既不会受到双折射效应的影响，同时偏振模色散也不敏感。

而干涉仪外的光路公用，传输稳定性比较好，而且误码率低、抗干扰能力强，能很好的实现远距离传输，其结构简单，成本较低，在QKD中广泛应用。实际中，双MZ干涉仪的QKD系统随着传输距离的增加，对外部环境的敏感度也增加了，比如温度变化和环境振动都可能导致相位漂移的产生，影响系统稳定性。