[发明专利]量子密钥分发系统中的用户端、MDI-QKD系统及方法和网络系统

说明书

本发明提供了一种量子密钥分发系统中的用户端，它包括调制光源，所述调制光源包括相位制备激光器、光纤环形器及脉冲产生激光器。本发明还提供了MDI‑QKD系统，它包括用户端及公共测量端，所述用户端包括Alice端和Bob端，所述公共测量端为Charlie端，所述Alice端和Bob端均包括调制光源。本发明又提供了上述基于光注入的MDI‑QKD系统的密钥分发方法及网络化MDI‑QKD系统。本发明的用户端简化了传统相位调制激光器和脉冲产生激光器的结构，无需设置相位反馈系统。本发明的MDI‑QKD系统实现了光源和相位调制器、强度调制器的集成结构，解除了相位调制器、强度调制器对系统高速应用的限制；调制光源可直接生成具有纯净相位差信息的光脉冲，可实现多用户间光脉冲相位基准一致性控制。

技术领域

本发明涉及通信领域，涉及包括量子密钥分发系统的用户端，特别涉及MDI-QKD系统，以及光纤传输量子保密通信技术领域和量子保密通信中的密钥分发方法。

背景技术

2012年Lo等人提出了测量设备无关的量子密钥分配(measurement-device-independent QKD，MDI-QKD)协议，在协议中Alice和Bob将编码后光脉冲发送至非可信第三方Charlie进行Bell态测量，可免疫任何探测器边信道的攻击，大大提高了QKD系统的现实安全性。

基于相位编码的MDI-QKD系统，因光脉冲的相位调制在光纤中传输抗干扰能力强，系统可以得到稳定的探测结果和较高的成码率，所以非常适合长距离双方的安全通信。MDI-QKD系统中光脉冲相位编码的主要实现方式是使用相位调制器进行外部调制，常见基于LiNbO3晶体的相位调制器。在光脉冲到达的瞬间，相位调制器加上一个脉冲电压，通过电场改变电光材料的折射率以此来改变光脉冲的不同相位，脉冲电压的高低决定了调制的相位值。量子密钥分配具有GHz高速的光脉冲发射，要求相位调制器脉冲电压同样具有纳秒级窄的脉冲带宽，而相位调制器本身需要较高半波电压，因此在使用LiNbO3晶体的相位调制器时，系统需要设计复杂的电路进行驱动控制。受驱动电路中模拟开关、延时芯片等关键器件的性能限制，相位调制器很难达到即高速又高电压值的理想调制效果，实际能达到的脉冲电压带宽限制了系统的高速应用，且生成的脉冲电压其波纹现象对最终成码率具有不可忽视的影响。复杂的驱动电路也造成用户端结构的笨重、增加了系统的设计成本。

无论在理论论述还是在实际操作中，基于相位编码的MDI-QKD协议通常与诱骗态思想结合使用，以同时抵御窃听者对测量端和光源端的攻击。诱骗态方案需要使用强度调制器对光脉冲强进行调制，常见基于LiNbO3晶体的Mach-Zehnder电光调制器。强度调制器同样只能接收脉冲电压的调制和需要较高的半波电压，其复杂的驱动电路与相位调制器的驱动电路具有相似的缺点。且Mach-Zehnder电光调制器具有周期性的传输函数，为避免信号失真，必须使调制器工作在最佳偏置点，即在量子密钥分发系统的应用中需时时控制强度调制器的偏置点。但由于受时间漂移、环境温度、系统激光器功率即光纤插入和耦合损耗等诸多因素影响，实际很难控制偏置点稳定，导致强度调制器输出信号劣化。偏置点控制也进一步增加了用户端的结构负担。