[发明专利]基于相位编码的量子密钥分发系统中相位波动测试方法有效

专利信息
申请号: 202010295074.8 申请日: 2020-04-15
公开(公告)号: CN111510290B 公开(公告)日: 2022-04-22
发明(设计)人: 黄安琪;许容嘉;吴俊杰;袁夏龙;罗懿文;孙源辰;郭瀚泽;徐平;强晓刚;丁江放;邓明堂;付祥 申请(专利权)人: 中国人民解放军国防科技大学
主分类号: H04L9/08 分类号: H04L9/08
代理公司: 长沙中科启明知识产权代理事务所(普通合伙) 43226 代理人: 匡治兵
地址: 410003 湖*** 国省代码: 湖南;43
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摘要:
搜索关键词: 基于 相位 编码 量子 密钥 分发 系统 波动 测试 方法
【说明书】:

发明公开了基于相位编码的量子密钥分发系统中相位波动测试方法,目的是解决目前QKD系统无法获得相位实时波动的问题。技术方案是改进QKD系统,去掉衰减器,由函数信号发生器直接产生固定的电压信号,将单光子探测器替换为经典光探测器,增加示波器和低通滤波器。测试时先预设函数信号发生器的参数,然后对电压信号进行滤波,对函数信号发生器设置电压进行校准并获得光强补偿值。设置不同相位调制值,测量2个经典光探测器的光强,得到4*105组电信号能量,然后利用4*105组电信号能量计算相位波动分布模型,得到4条相位波动分布曲线,对相位波动分布曲线进行降噪,得到相位波动测试结果。采用本发明可获得相位实时波动分布,确保QKD系统生成安全密钥。

技术领域

本发明涉及量子保密通信技术,具体地说是通过测量量子密钥分发输出口光强来测量在相位编码的量子密钥分发(Quantum Key Distribution,QKD)系统中由发送端相位调制器误差引起的相位波动的方法。

背景技术

量子密钥分发是一种密钥的安全传输共享方法,共享的对称密钥可运用于信息理论安全的一次一密加密算法。众所周知,目前主流的加密算法大多依赖大数的因子分解,由于计算机的运算速度有限,这些加密算法很难被破解。当量子计算机问世之后,依靠其强大的运算能力,可以迅速计算出密钥,目前通行的绝大多数加密算法都将失效。目前抵御量子计算机对加密算法的威胁的方法是采用量子密钥分发的方法。

与传统方式不同,量子密钥分发理论上是信息安全的,其安全性由量子力学的基本原理保证,不依赖任何数学假设。量子不可克隆定理说明,无法完美克隆任意量子态而不扰乱量子态本身。因此,任何对量子密钥分发过程的窃听,都有可能改变量子态本身,造成高误码率,从而使窃听被发现。在目前已经实现的量子密钥分发方法中,通信双方共享加载于量子态上的密钥,依靠对光子进行编码、传输、测量实现量子密钥分发。

通过对光子的相位进行编码可以达到传递信息的功能,一种典型的量子密钥分发系统是利用相位差编码传递密钥信息。典型的量子密钥分发系统(详情见2015年发表于Physical Review A的《Attacks exploiting deviation of mean photon number inquantum key distribution and coin tossing》即《利用平均光子数偏差攻击量子秘钥分发系统》一文第2-3页)如图1所示,量子密钥分发系统由Alice端和Bob端组成(现有公开文献中,量子密钥分发系统的发送端和接收端都被称为Alice和Bob,因此这里仍沿用Alice和Bob表示收发两端),两端通过传输信道相连。Bob端由激光发射器、2个单光子探测器(第一单光子探测器和第二单光子探测器)、环形器、光分束器、第一随机数据发生器、第一核心微控制器、第一相位调制器、偏振旋转器、偏振分束器组成。Alice端由衰减器、延迟传输信道、第二随机数据发生器、第二核心微控制器、第二相位调制器、法拉第镜组成。

激光发射器与环形器的第一端口通过光纤相连,将产生的激光发送给环形器;环形器第二端口与光分束器的一个输入端口通过光纤相连,将从第一端口接收到的激光发送到光分束器,环形器第三端口连接第二单光子探测器,将从第二端口接收的光子发送给第三端口连通的第二单光子探测器;光分束器一个输入端口与环形器的第二端口相连,另一输入端口连接第一单光子探测器,光分束器两个输出端口连接路径长短不同的两个传输信道,长路径传输信道上装有第一相位调制器和偏振旋转器,并连接到偏振分束器的一个输入端口;短路径传输信道直接连接到偏振分束器的另一个输入端口;第一相位调制器连接第一随机数发生器的核心微控制器,由核心微控制器控制第一相位调制器;偏振分束器通过光纤与衰减器相连,将两个输入端口接收到的激光通过输出端口传输给Alice端;衰减器通过光纤连接到延迟传输信道,将来自第二相位调制器的光束减弱到单光子级别;延迟传输信道通过光纤与第二相位调制器相连,将从偏振分束器接收到的光传递给第二相位调制器;第二相位调制器与第二随机数发生器的核心微控制器相连接,对被法拉第镜反射回来的光子进行相位调制。法拉第镜通过光纤与第二相位调制器相连,将从第二相位调制器接收到的光子反射回第二相位调制器,并改变光子偏振状态。

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