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CN111555878A - 集成化测量设备无关量子密钥分发系统 - Google Patents

集成化测量设备无关量子密钥分发系统 Download PDF

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CN111555878A CN202010471780.3A CN202010471780A CN111555878A CN 111555878 A CN111555878 A CN 111555878A CN 202010471780 A CN202010471780 A CN 202010471780A CN 111555878 A CN111555878 A CN 111555878A
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徐飞虎
李蔚
韦克金
谭昊
潘建伟
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Abstract

集成化测量设备无关量子密钥分发系统。一种量子密钥分发系统，包括发送端及探测端；发送端为需要建立共享密钥的用户持有，探测端为服务提供方持有；发送端包括光源及调制光路，调制光路用于将信息编码至量子态中，其中，光源及调制光路集成在光学芯片上；探测端包含一贝尔态测量装置，以及第一偏振控制器，第一偏振控制器用于对用户进行偏振坐标系对齐，贝尔态测量装置用于将两个用户发送过来的光子进行贝尔态探测，并将有效贝尔态信息发送至发送端；发送端还根据有效贝尔态信息，对原始密钥进行处理，产生共享安全密钥。该系统适合集成小型化，大规模生产制造，降低成本，并且系统选取的偏振编码方案，结合本公开设计的偏振对齐的方法，相比于时间相位编码更适合集成化与高速化。

Description

集成化测量设备无关量子密钥分发系统
技术领域
本公开涉及量子密钥分发领域，特别是涉及一种测量设备无关量子密钥分发系统的集成化方案。
背景技术
量子密钥分发(QKD)因其具有无条件的安全性逐渐受到研究人员的重视。它解决的是密钥分发的安全性难题，结合一次一密的加密方式，能够保证双方无条件的安全通信。因此，该技术可广泛应用于高机密性机构。
在现实条件下，因为器件的不完美，存在安全性漏洞可以被黑客利用，其中，探测端的漏洞最容易受到攻击，已知的诸如时移攻击，伪态攻击，致盲攻击等攻击方式。目前，相关技术人员进行了研究，提出一系列方法以改善该问题，但其仍不能满足日益发展的通信安全的需求。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对于上述技术问题，本公开提出一种集成化测量设备无关量子密钥分发系统，用于至少解决上述技术问题。
(二)技术方案
根据本公开实施例的一方面，提供了一种量子密钥分发系统，包括发送端及探测端，发送端为需要建立共享密钥的用户持有，探测端为服务提供方持有；发送端包括光源及调制光路，调制光路用于对光源产生的光信号进行调制，将待传输信息编码至量子态中，得到单光子量级的光脉冲，其中，光源及调制光路集成在光学芯片上；探测端包括第一偏振控制器及贝尔态测量装置，第一偏振控制器用于对通信的用户进行偏振对齐，贝尔态测量装置用于对用户发送的光脉冲进行贝尔态探测，并将有效的贝尔态信息发送至发送端；发送端还用于根据有效贝尔态信息，对原始密钥进行处理，产生安全密钥。
可选地，光源为激光，用以产生弱相干光；调制光路包括：窄带滤波器，用于对弱相干光进行滤波，以提高光脉冲的干涉对比度；强度调制器，用于调制滤波后的弱相干光的诱骗态；偏振调制器，用于调制强度调制器输出的光信号的偏振态；可调衰减器，用于将偏振调制器输出的光信号衰减为单光子量级的光脉冲；集成电路，用于产生调制过程中所需的调制信号。
可选地，探测端还包括：干涉分束器，用于对偏振坐标系对齐的发送端发送的光脉冲进行干涉；偏振分束器及第二偏振控制器，用于对干涉后的光脉冲进行偏振投影；贝尔态测量装置包括单光子探测器，用于对偏振投影后的光脉冲进行探测，得到有效贝尔态信息。
可选地，发送端与探测端之间的通信采用测量设备无关的量子密钥分发协议。
可选地，发送端与探测端之间通过单模光纤连接。
可选地，该系统根据量子密钥分发协议选择强度调制器调制的诱骗态的数目及偏振调制器调制的偏振态的数目。
可选地，光源产生的弱相干光处于光纤通信波段。
可选地，窄带滤波器的中心波长和带宽选择干涉对比度最高时的值。
可选地，光源及调制光路集成在硅基光学芯片上。
可选地，用户通过量子信道将光脉冲发送至探测端，探测端通过经典信道将有效的贝尔态信息发送至发送端。
(三)有益效果
本公开提出了一种测量设备无关量子密钥分发系统，有益效果为：
1、用户发送端的光学器件全部集成在光学芯片上，而昂贵且复杂的探测端设置在QKD服务端，使得发送端芯片适合集成小型化，大规模生产制造，降低了成本。同时采用测量设备无关的量子密钥分发(MDI-QKD)协议，探测端可以是不可信的。
2、系统通信过程中选取的偏振编码方案，结合本公开设计的偏振对齐的方法，相比于时间相位编码更适合芯片上的实现。
3、由于发送端芯片小型化的特征，使其可以应用到卫星等对体积和重量有要求的场景。并且该系统适用于实现星型MDI-QKD网络。
附图说明
为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。其中：
图1示意性示出了根据本公开一示例性实施例的量子密钥分发系统的框架图；
图2示意性示出了根据本公开一示例性实施例的量子密钥分发系统的结构图；
图3示意性示出了根据本公开一示例性实施例的偏振对齐方法的过程图。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
研究发现，测量设备无关的量子密钥分发(MDI-QKD)关闭了探测端的漏洞，可以用来实现不可信的中继。该协议适合构建星型的量子网络，结合集成光芯片，可以实现将复杂昂贵的探测端放在中心节点，即QKD服务提供商，而用户只需拥有小型化、低成本的集成光电芯片即可。基于此，本公开实施例提供一种量子密钥分发系统，该系统包括发送端及探测端，发送端为需要建立共享密钥的用户持有，探测端为服务提供方持有；发送端包括光源及调制光路，调制光路用于将对光源产生的光信号进行调制，将待传输信息编码至量子态中，得到单光子量级的光脉冲，其中，光源及所述调制光路集成在光学芯片上；探测端包括第一偏振控制器及贝尔态测量装置，第一偏振控制器用于对发送端进行通信的用户进行偏振坐标系对齐，贝尔态测量装置用于对用户发送的光脉冲进行贝尔态探测，并将有效的贝尔态信息发送至发送端；探测偏振对齐后的光脉冲，得到有效贝尔态信息，并将有效贝尔态信息发送至发送端；发送端还用于根据有效贝尔态信息，对原始密钥进行处理，产生共享量子安全密钥。下面结合具体的实例进行说明。
本公开示例性地给出了两个用户Alice和Bob，以及一个QKD服务服务端(Charlie)时的系统结构，每个用户设有对应的发送端。如图1所示，其中Alice为用户1，Bob为用户2，Charlie为QKD服务端3，用户与服务端之间用单模光纤连接，用来作为量子信道，三方之间两两还存在经典通信信道。应当理解，该实例只是示例性的，并不限制本公开。
发送端为需要建立共享密钥的用户持有，用户拥有的发送端芯片的光源例如可以为产生弱相干光的激光光源。调制光路例如可以包括：提高光源干涉对比度的窄带滤波器；调制诱骗态的强度调制器；调制偏振态来编码的偏振调制器；将输出光信号衰减至单光子量级的可调衰减器；连接以上器件的光波导；以及产生调制信号的集成电路。其中，光源及调制光路可以集成在硅基光学芯片上。本公开并不限制光芯片的工艺以及光器件采用的结构。
探测端为服务端所持有，探测端例如可以包括：将需要建立共享密钥的两个用户的偏振坐标系对齐的第一偏振控制器；将两个用户发送的光脉冲进行干涉的干涉分束器；用来作偏振投影测量的两个偏振分束器以及配套的两个第二偏振控制器以及四个单光子探测器。时间数字转换器用来处理4个探测器探测到的光子事件。探测端与发送端之间的通信采用MDI-QKD协议。
具体的，如图2所示，Alice和Bob的发送端分别由芯片A和芯片B构成，芯片A(芯片B)由光源4a(4b)产生弱相干光，先后经过窄带滤波器5a(5b)，强度调制器6a(6b)，偏振调制器7a(7b)和可调衰减器8a(8b)，而后耦合输出到单模光纤9(10)中。
光源4a(4b)产生的弱相干光处于光纤通信波段，可以是C或L波段，可以采用InP工艺的分散式布拉格反射激光器(DBR)。窄带滤波器5a(5b)的作用是提高Alice和Bob的独立光源1的干涉对比度，其中心波长和带宽的选择可定为使干涉对比度最高时的参数，例如可以采用集成硅波导的可编程光学滤波器。
强度调制器6a(6b)的作用是调制QKD所需的诱骗态，诱骗态的数目取决于QKD协议，在本实施例中定为3个诱骗态，强度分别为u，v，0，以及一个信号态s，可以采用集成硅波导的相位调制器加M-Z干涉仪的结构，通过调制两臂的相位差来调制输出的光强。偏振调制器7a(7b)的作用是调制用于编码的若干偏振态，偏振态的数目取决于QKD协议，在本实施例中定为4个偏振态，偏振分别记为|H＞，|V＞，|A＞，|D＞。可调衰减器8a(8b)用于将光信号衰减至单光子量级，其强度取决于QKD协议，可以采用集成硅波导的可调衰减器。
Charlie有两个光纤输入9和10，分别是来自Alice和Bob，其中Alice端先经过一个偏振控制器11(第一偏振控制器)，到达50/50干涉分束器12的端口a，Bob端直接输入到干涉分束器12的端口b。干涉分束器12的端口c经过偏振控制器13(第二偏振控制器)后接入偏振分束器15的端口15a，偏振分束器15的端口15b和15c分别接到单光子探测器17和18中。分束器12的端口d经过偏振控制器14(第二偏振控制器)后接入偏振分束器16的端口16a，偏振分束器16的端口16b和16c分别接到单光子探测器19和20中。
Charlie端拥有一个贝尔态测量装置，其包括单光子探测器，可以区分两种贝尔态。偏振控制器11的作用是将Alice和Bob的偏振坐标系调至一致，Alice与Bob的光脉冲在干涉分束器12进行干涉，偏振控制13的作用是使得当Bob发送Z基矢的偏振态时，偏振分束器15一端输出达到最大，另一端达到最小，即单光子探测器17和18的消光比达到最大。同样偏振控制14的作用是使得当Bob发送Z基矢的偏振态时，偏振分束器16一端输出达到最大，另一端达到最小，即单光子探测器19和20的消光比达到最大。
当单光子探测器(17，18)，(19，20)，(17，20)，(18，19)同时有响应时，为一个有效的贝尔态。Charlie将探测到的有效贝尔态信息通过认证的经典信道发送给Alice和Bob，用户的发送端根据有效的贝尔态及QKD协议内容对原始密钥进行基矢比对、纠错和隐私放大，最终产生安全的共享量子密钥。
上述系统中，Alice和Bob需要共享一个公共的偏振参考并补偿量子通道中的偏振漂移，因此，本公开一实施例还提出一种自动偏振对齐的方法，以匹配该系统。该方法包括：
将探测端配置成能够检测发送端中其中一发送端(Bob)的Z基矢和X基矢；调节第一偏振控制器，将需要与Bob建立共享密钥的另一发送端(Alice)的Z基矢和X基矢同时与探测端对齐。即Bob和Charlie通过调节偏振控制器共享一个公共的偏振参考，Alice通过调节偏振控制器对齐它的基矢，Charlie通过调节偏振控制器使一个偏振分束器对齐Z基矢(|H＞，|V＞作为基矢)。
具体的偏振对齐过程如图3所示，首先，Alice不发光，Bob先发送|H＞偏振态，调节偏振控制器13，使得偏振态对齐偏振分束器15的15b端口，直到单光子探测器17的计数D1和单光子探测器18的计数D2的比值(D1/D2)达到最大；Bob再发送|D＞偏振态，调节偏振控制器14，使得偏振态对齐偏振分束器16的16b端口，直到单光子探测器19的计数D3和单光子探测器20的计数D4的比值(D3/D4)达到最大。此时Bob和Charlie共享一个公共的偏振参考。
然后，Bob不发光，Alice先发送|H＞偏振态，记录此时单光子探测器17的计数D1和单光子探测器18的计数D2的比值(D1/D2)；Alice再发送45°偏振态，记录此时单光子探测器19的计数D3和单光子探测器20的计数D4的比值(D3/D4)，分析此时D1/D2和D3/D4的比值是否达到最大。如果没有达到预设的最大阈值，则调节偏振控制器11，重复上述过程，直到平均对比度达到预设的阈值，即可实现Alice与Bob的基矢对齐。
最后，Bob发送|H＞，调节偏振控制器14，使得偏振态对齐偏振分束器16的16b端口，直到单光子探测器19的计数D3和单光子探测器20的计数D4的对比度(D3/D4)达到预设的阈值。
至此，快速完成了Alice和Bob的偏振对齐。
综上所述，本公开实施例系统发送端的光学器件全部集成在光芯片上，而昂贵且复杂的探测端设置在QKD服务端，使得发送端芯片适合小型化，大规模生产制造，降低成本。同时采用测量设备无关的量子密钥分发(MDI-QKD)协议，探测端可以是不可信的。并且系统通信过程中选取的偏振编码方案，结合本公开设计的偏振对齐的方法，相比于时间相位编码更适合芯片上的实现。此外，由于发送端芯片小型化的特征，使其可以应用到卫星等对体积和重量有要求的场景。并且该系统适用于实现星型MDI-QKD网络。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种量子密钥分发系统，其特征在于，包括发送端及探测端，所述发送端为需要建立共享密钥的用户持有，所述探测端为服务提供方持有；
所述发送端包括光源及调制光路，所述调制光路用于对所述光源产生的光信号进行调制，将待传输信息编码至量子态中，得到单光子量级的光脉冲，其中，所述光源及所述调制光路集成在光学芯片上；
所述探测端包括第一偏振控制器及贝尔态测量装置，所述第一偏振控制器用于对通信的用户进行偏振坐标系对齐，所述贝尔态测量装置用于对所述用户发送的所述光脉冲进行贝尔态探测，并将有效的贝尔态信息发送至所述发送端；
所述发送端还用于根据所述有效贝尔态信息，对原始密钥进行处理，产生安全密钥。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光源为激光光源，用以产生弱相干光；所述调制光路包括：
窄带滤波器，用于对所述弱相干光进行滤波，以提高所述光脉冲的干涉对比度；
强度调制器，用于调制滤波后的弱相干光的诱骗态；
偏振调制器，用于调制所述强度调制器输出的光信号的偏振态；
可调衰减器，用于将所述偏振调制器输出的光信号衰减为所述单光子量级的光脉冲；
集成电路，用于产生调制过程中所需的调制信号。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述探测端还包括：
干涉分束器，用于对偏振坐标系对齐的所述用户发送的所述光脉冲进行干涉；
偏振分束器及第二偏振控制器，用于对干涉后的所述光脉冲进行偏振投影；
所述贝尔态测量装置包括单光子探测器，用于对偏振投影后的所述光脉冲进行探测，得到有效贝尔态信息。
4.根据权利要求1-3任一项所述的系统，其特征在于，所述发送端与所述探测端之间的通信采用测量设备无关的量子密钥分发协议。
5.根据权利要求1-3任一项所述的系统，其特征在于，所述发送端与所述探测端之间通过单模光纤连接。
6.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述系统根据量子密钥分发协议选择所述强度调制器调制的诱骗态的数目及所述偏振调制器调制的偏振态的数目。
7.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述光源产生的弱相干光处于光纤通信波段。
8.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述窄带滤波器的中心波长和带宽选择所述干涉对比度最高时的值。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光源及所述调制光路集成在硅基光学芯片上。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述用户通过量子信道将所述光脉冲发送至所述探测端，所述探测端通过经典信道将所述有效的贝尔态信息发送至所述发送端。
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