[发明专利]基于少模光纤模式复用的互备份量子密钥分发系统及方法

说明书

一种基于少模光纤模式复用的互备份量子密钥分发系统及方法，基于少模光纤模式复用的互备份量子密钥分发方案，其思想是在同一光纤中同时传输量子密钥信息和它的一路备份信息，使得其中一路丢失信号光子的情况下可以从另一路信号中得到所缺信号光子，实现互为备份，降低量子密钥分发的误比特率。此方案可以解决“带宽危机”，还可以有效保持信号间的正交性，提高信号隔离度，有效降低QKD的误比特率，因此，可以用于实现后期大容量、低损伤、长距离量子保密通信组网的潜力。

技术领域

本发明属于量子通信技术领域，具体涉及一种基于少模光纤模式复用的互备份量子密钥分发系统及方法。

背景技术

自1984年Bennett和Brassard提出量子密钥分发(Quantum key distribution,QKD)的概念以来^[1]，BB84等大量QKD协议被提出^[2-3]，其安全性得到充分的证明^[4]，基于QKD协议的量子保密通信得到广泛关注和深入研究。

目前的量子保密通信系统基本都是单独占用一根光纤传输量子信号，为的是避开经典信号对量子信号的干扰。为有效降低敷设光纤带来的高昂成本，并充分提高现有光纤的利用率，研究人员考虑采用量子-经典信号同在一根光纤中传输的方案，通过波分复用(Wavelength division multiplexing,WDM)使量子信号与经典光信号在同一光纤中传输^[5-6]。由于量子信号为单光子信号，在传输时容易受到单模光纤(Single-mode fiber,SMF)中非线性效应的影响，且由于波分复用器隔离度有限，经典光信号和量子信号间存在串扰，对量子信号的传输质量造成极大损伤。同时，随着大数据时代的到来，经典光信号业务量急剧增加，单模光纤的传输容量无法满足下一代光网络的要求^[7]。近年来，基于少模光纤模式复用(Mode division multiplexing,MDM)的传输方案被认为是解决“带宽危机”的理想选择^[8]。2013年，Roland.Ryf等人进行了两次模分复用的实验，两次实验分别使用了6模式和12模式，分别获得了6.5Tbps和24.6Tbps 的带宽。2015年，贝尔实验室利用9个不同线偏振模式以及它们的简并模式，在22.8km的传输距离上获得了43.63bit/(s*Hz)的频谱效率。2017年，Roland.Ryf等人成功实现了模式复用后经少模光纤传输10km的4线偏振模式复用系统，其QPSK信号的探测在2.802km 距离上数据速率为1002Gbps。少模光纤的结构特点使得其相比单模光纤具有更低的非线性损伤，模式相互正交也降低了信道间串扰。将其运用于量子保密通信中，对量子弱信号的传输将十分有利。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于少模光纤模式复用的互备份量子密钥分发系统及方法，基于少模光纤模式复用的互备份量子密钥分发方案，其思想是在同一光纤中同时传输量子密钥信息和它的一路备份信息，使得其中一路丢失信号光子的情况下可以从另一路信号中得到所缺信号光子，实现互为备份，降低量子密钥分发的误比特率。此方案可以解决“带宽危机”，还可以有效保持信号间的正交性，提高信号隔离度，有效降低QKD的误比特率，因此，可以用于实现后期大容量、低损伤、长距离量子保密通信组网的潜力。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于少模光纤模式复用的互备份量子密钥分发系统，包括量子密钥分发数据QKD DaTa 1端及量子密钥分发数据QKD DaTa 2端，其特征在于，量子密钥分发数据QKDDaTa 1及量子密钥分发数据QKD DaTa 2两端将信号传输给模式转换器Mode Converter，两路模式转换器Mode Converter将信号传输给模式复用器/解复用器MDM，经过模式复用器/解复用器MDM之后，将信号传输给两路模式转换器Mode Converter，并由两路模式转换器Mode Converter传输给量子密钥分发数据QKD DaTa 1及量子密钥分发数据QKD DaTa 2。