一种基于COW协议的QKD系统的制作方法

本实用新型涉及量子通信领域，尤其涉及量子密钥分发技术领域，具体涉及一种基于COW协议的QKD系统。

背景技术：

保密通信是在发送端对所传输信息源的码流进行加密，在接收方进行解密认证，以防止信息被干扰或窃听的通信系统，可以保证通信双方所传输信息的安全性和完整性。目前保密通信普遍采用了RSA公钥体制，这种公钥体制的安全性是由算法的复杂性和计算机计算能力的有限性来保证的。现代不断提高的数学计算能力以及快速发展量子计算机一直威胁着现有的RSA公钥体制的安全性。量子密钥分发(QKD)作为一种可靠的密钥分发体制，其安全性是由量子力学中的海森堡测不准原理及不可克隆定理等量子特性来保证，结合一次一密的加密方法，就能够保证通信的绝对安全。

量子密钥分发(QKD)系统是基于一定的光学结构，并按照一定的协议工作的通信系统，其中协议是QKD系统的基础，其它的光学结构、电子学设计都是为实现协议而服务。自1984年提出第一个协议以来，寻找一种简单、高效的密钥分发协议一直是QKD重点研究内容，经过三十多年的发展，已提出了BB84协议、B92协议、E91协议、差分相位协议等多种QKD协议，其中BB84协议是最著名的协议，也是QKD系统应用最为广泛的协议，但由于BB84协议依赖于测量基的匹配来获得密码比特，协议效率不高。2005年提出的相干单向QKD方案(COW协议)，不存在基匹配问题，协议效率高，且光学结构简单，在满足实用性需求方面显示出很大的优势，成为近年来研究的热点之一。

COW协议利用了任意一对相邻脉冲串之间的相干性来检测是否存在窃听者，相邻脉冲的相位稳定是实现相干性检测的基础，因此传统的基于COW协议的QKD系统内部需要采用窄线宽激光器发连续光、强 度调制器产生脉冲光的方式来保证前后两个相邻脉冲相位的稳定性，窄线宽连续激光器价格昂贵、成本高、难以大规模推广应用；另外，强度调制器正常工作时需要有高速电信号驱动，而且要求驱动电信号幅度要达到它的半波电压Vπ，在高速电子学领域，速度越高、幅度越大，电脉冲产生越困难，因此产生标准的高速驱动电信对电子学提出了很高的要求，而且强度调制器受温度变化非常敏感，需要额外的反馈控制系统来补偿器件自身的温漂，增加系统的复杂程度；同时，传统的基于COW协议中采用激光器和强度调制器一起使用时难以集成、小型化，限制了其应用。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种基于COW协议的QKD系统，基于COW协议进行编解码，消除了基匹配问题，协议效率高，且光学结构简单。

一种基于COW协议的QKD系统，包括通过量子密钥分发信道连接的量子密钥编码端和量子密钥解码端，所述量子密钥编码端包括相位调制光源，所述相位调制光源基于COW协议编码光信号以经由量子密钥分发信道向量子密钥解码端输出双脉冲序列信号光。

相位调制光源为一种在光源内部直接进行光脉冲相位调制的光源，具体包括三个端口的光纤环形器，三个端口依次分布为第一端口、第二端口和第三端口，其中，第一端口和第二端口分别连接有相位制备激光器和脉冲产生激光器，相位制备激光器产生的长脉冲输入第一端口并从第二端口注入至脉冲产生激光器以调制脉冲产生激光器的输出的两个短脉冲(相对于相位制备激光器的输出脉冲而言)形成双脉冲序列信号光(即脉冲对序列)，并经过第三端口输出。

本实用新型中采用相位调制光源代替现有基于COW协议的QKD系统中的窄线宽连续激光器，大大降低了制备成本，且容易集成，有利于向小型化发展。

由于量子密钥分发过程中，所采用的光信号都在单光子级别，因此，所述量子密钥编码端还包括光衰减器，用于将相位调制光源输出的双脉 冲序列信号光衰减至单光子级别后再输出至量子密钥解码端。

所述相位调制光源包括相位制备激光器和脉冲产生激光器；

相位制备激光器产生长脉冲注入至脉冲产生激光器；脉冲产生激光器在所述长脉冲注入的每个周期内都产生一个双脉冲序列信号光。

双脉冲序列信号光根据其前后两个脉冲的强度时间分布，分为三种信号态：

代表逻辑0的第一信号态；

代表逻辑1的第二信号态；

代表诱骗态的第三信号态。

针对双脉冲序列信号光中任意一个脉冲，若该脉冲有光，则认为该脉冲为平均光子数为μ的相干态脉冲；若该脉冲不发光(即平均光子数为零或近似为零)，则认为该脉冲为真空态脉冲。

一个双脉冲序列信号光中，若双脉冲依次为真空态脉冲和相干态脉冲(即第一信号态)，则认为该双脉冲序列信号光表示逻辑比特0；若双脉冲依次为相干态脉冲和真空态脉冲，则认为该双脉冲序列信号光表示逻辑比特1(即第二信号态)；若双脉冲依次为相干态脉冲和相干态脉冲(即第三信号态)，则认为该双脉冲序列信号光为诱骗态。

进一步优选，所述第一信号态和第二信号态的产生概率均为(1-f)/2，其中f为第三信号态的产生概率。其中，f远小于1(即f＜＜1)。

作为优选，所述量子密钥解码端包括接收所述双脉冲序列信号光并将其分为两路的分束模块，其中一路作为数据信号光输出至一单光子探测器进行检测以得到原始量子密钥，另一路作为监测信号光输入至一相干性检测单元进行相干性检测，所述相干性检测的检测结果用于对所述的原始量子密钥进行有效性判断。

经过分束模块分束后，以其中一束信号光的作为数据区对其进行探测得到原始量子密钥，另一束作为监控区，探测双脉冲序列信号光中每个双脉冲中两个脉冲之间的相关性，以作为判断原始量子密钥每个比特是否有效的依据。

本实用新型中相干性检测单元优选采用非平衡干涉原理实现。作为优选，所述相干性检测单元包括：

非平衡干涉仪，用于对来自分束模块的双脉冲序列信号光进行干涉并输出两路干涉结果；

检测子单元，用于分别检测所述的两路干涉结果。

作为一种实现方式，所述检测子单元包括两个单光子探测器，分别检测两路干涉结果。

作为另一种实现方式，所述检测子单元包括一个单光子探测器，基于时分复用方式复用该单光子探测器分别检测两路干涉结果。

作为另一种实现方式，所述相干性检测单元包括非平衡干涉仪，用于对来自分束模块的双脉冲序列信号光进行干涉并输出两路干涉结果；这两路干涉结果与所述数据信号光基于时分复用方式复用同一单光子探测器。

相应的，所述相干性检测单元包括检测子单元和具有三端口的非平衡干涉仪，所述非平衡干涉仪的一个端口作为输入端与分束模块的第二输出端连接以接收来自分束模块的双脉冲序列信号光，所述非平衡干涉仪对接收到的双脉冲序列信号光进行干涉后的干涉结果由另外两个口输出，所述检测子单元与输出干涉结果的两个端口连接以分别探测两个端口输出的干涉结果。

作为优选，所述的分束模块的输出分束比设定为90:10，分束模块的第一输出端为90％输出端，分束模块的第二输出端为10％输出端。相应的，作为检测子单元的第一种实现方式，所述检测子单元包括两个单光子探测器，分别与非平衡干涉仪的两个端口连接，无需进行复用。

相应的，作为检测子单元的第二种实现方式，检测子单元仅设置一个单光子探测器，相对于第一种实现方式，非平衡干涉仪的其中一路输出经一延时模块后通过分束模块与另一路输出复用至同一单光子探测器。

相应的，作为检测子单元的第三种实现方式，检测子单元不设置单光子探测器，相对于第二种实现方式，非平衡干涉仪的两路输出复用为一路后，该路输出经一延时模块后通过分束模块与所述数据信号光复用至同一单光子探测器。

作为优选，所述的非平衡干涉仪为不等臂MZ干涉仪。

作为优选，所述的非平衡干涉仪为不等臂迈克尔逊干涉仪。

作为进一步的优选，不等臂迈克尔逊干涉仪中的分束模块的分光比为50:50。

本实用新型中有效性判断是指根据相干性检测结果判断原始量子密钥是否有效，具体如下：

根据对两路干涉结果的检测结果判断发生干涉的双脉冲中两个脉冲的相干性是否发生变化，如果发生变化，则认为原始量子密钥无效，直接舍弃；否则，认为原始量子密钥有效，保留作为解码结果。

本实用新型中对两路干涉结果的检测结果实际上为检测两路干涉结果相应的探测器的响应概率，进一步根据响应概率计算比特分隔符和诱骗态的相干对比度，若二者相等，则认为相干性未发生变化，原始量子密钥有效；否则，认为相干性发生变化，原始量子密钥无效。

本实用新型QKD系统，基于COW协议进行编解码，消除了基匹配问题，协议效率高，且进一步使用相位调制光源，在获取高效率的同时也克服了COW协议编码的QKD系统成本的问题，无需使用强度调制器、相位调制器，降低了高速脉冲产生电子学上的设计难度，使系统易于实现；相位调制光源由两个半导体激光器和一个环形器的光注入半导体激光器结构组成，有利于实现产品集成化、小型化。

附图说明

图1为实施例1中的QKD系统的结构图；

图2(a)、图2(b)和图2(c)分别为第一信号态、第二信号态和第三信号态对应的双脉冲；

图3实施例1中计算得到的成码率与光纤长度的关系图；

图4为实施例2中Bob端的结构图；

图5为实施例3中Bob端的结构图；

图6为实施例4中Bob端中非平衡干涉仪的结构图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。

实施例1

本实施例的基于COW协议的QKD系统如图1所示，包括量子密钥编码端Alice、量子密钥解码端Bob，以及连接Alice和Bob的量子密钥分发通道。

Alice内设置有用于输出双脉冲序列信号光的相位调制光源以及对该双脉冲序列信号光进行衰减的光衰减器VOA(本实施例中为可调光衰减器，用于将双脉冲序列信号光衰减至单光子级别)。

如图1所示，本实施例的相位调制光源包括脉冲产生激光器LD1，相位制备激光器LD2、第一三端口环形器CIR1；第一三端口环形器CIR1的三个端口分别为沿光路依次为第一端口1，第二端口2和第三端口3。其中，第一端口1和第二端口2分别与脉冲产生激光器LD1和相位制备激光器LD2连接，第三端口3与光衰减器VOA的输入端连接。可见，Alice内的脉冲产生激光器LD1，相位制备激光器LD2、第一三端口环形器CIR1三者组成光注入半导体激光器结构的相位调制光源，产生相位稳定的脉冲光输出，实现直接调制产生具有编码信息的相干双脉冲序列信号光。

Bob端内置有作为第一分束模块的第一分束器BS1、非平衡干涉仪、第一单光子探测器D_B、第二单光子探测器D_M1、第三单光子探测器D_M2。

第一分束器BS1设有两个输出端口，将来自Alice的双脉冲序列信号光分为两束，且该分束比为90:10，以分束比为90％的输出端为第一输出端口，以分束比为10％的输出端为第二输出端口，第一输出端口与第一单光子探测器D_B连接，第二输出端口与非平衡干涉仪连接。

本实施例中非平衡干涉仪优选为带偏振自动补偿功能的迈克尔逊干涉仪干涉仪，该迈克尔逊干涉仪包括第二三端口环形器CIR2、作为第二分束模块的第二分束器BS2、两个反射镜。

由于法拉第旋转镜具有偏振自补偿功能，本实施例中两个反射镜分别为第一法拉第旋转镜FM1和第二法拉第旋转镜FM2。

第二分束器BS2具有四个端口，分别为端口a、端口b、端口c、端口d，其分束比为50：50。第二分束器BS2的端口b直接与第二单光子探测器D_M1，第二分束器BS2的端口d和c分别连接第一法拉第旋转镜FM1和第二法拉第旋转镜FM2。

第二三端口环形器CIR2沿光路依次为第一端口1，第二端口2和第三端口3，第二三端口环形器CIR2的第一端口1与第一分束器BS1的第二输出端口连接，第二输出端口2与第二分束器BS2的端口a连接，第三端口3直接与第三单光子探测器D_M2连接。

利用本实施例的基于COW协议的QKD系统采用时间编码的方式实现密钥分发的具体包括如下步骤：

1)相位制备激光器LD2发送一系列相位调制脉冲光，经过第一三端口环形器第一端口1输入，第二端口2输出，注入到脉冲产生激光器LD1中；

2)脉冲产生激光器LD1在相位调制脉冲光注入的每个周期内都产生一个双脉冲序列信号光，双脉冲序列信号光为具有如下三种信号态：第一信号态(逻辑0)的第二信号态(逻辑1)以及代表诱骗态的第三信号态。三种信号态的具体变形形式如图2(a)、图2(b)和图2(c)所示，其中，如图2(a)、图2(b)和图2(c)中空心脉冲表示“真空态”脉冲(即不发光)，实心脉冲(黑色实心脉冲)表示平均光子数为μ的相干态脉冲。

3)双脉冲序列信号光从第一三端口环形器CIR1第二端口2输入，经过第三端口3输出，输入到可调光衰减器VOA中，可调光衰减器VOA将光信号衰减到单光子级别输入到量子通信信道(即量子密钥分发通道)中；

4)在接收端Bob，双脉冲序列信号光首先输入到第一分束器BS1，第一分束器BS1的输出分束比设定为90:10，10％的输出端连接非平衡干涉仪的输入端，作为监控区，非平衡干涉仪的输出端连接有第二单光子探测器D_M1、第三单光子探测器D_M2，用来检测双脉冲序列信号光的相干性；90％的输出端连接第一单光子探测器D_B构成数据区，用来生成原始量子密钥；

在非平衡干涉仪(即本实施例的迈克尔逊干涉仪)内，双脉冲序列信号光经过第二三端口环形器CIR2后到达第二分束器BS2的端口a，分别从第二分束器BS2的端口c、端口d分成两个端口输出，端口c连接干涉仪的短臂L_S，经过反射镜FM2反射后又到达第二分束器BS2； 端口d连接干涉仪的长臂L_L，经过反射镜FM1反射后又到达第二分束器BS2，由于臂长差的不同，此时经过短臂L_S的光脉冲率先返回到第二分束器BS2，经过长臂L_L的光脉冲后返回到第二分束器BS2，通过调整非平衡干涉仪的臂长差延时与脉冲间隔时间相等，使双脉冲序列信号光的前一个光脉冲经过长臂L_L到达第二分束器BS2的时间与双脉冲序列信号光的后一个光脉冲经过短臂L_S到达第二分束器BS2的时间相同，前后两个脉冲信号光发生干涉。

第二分束器BS2优选为分光比为50:50的分束器；

当双脉冲序列信号光是非常规的双脉冲序列时(诱骗序列或1-0比特序列)，此时干涉可能发生在前后两个非空的相干态脉冲之间，前后两个非空的相干态脉冲的相位差决定是由探测器D_M1或D_M2响应，或是两个都有响应，由于发送端Alice采用了光注入半导体激光器的结构形式的相位调制光源，相位制备激光器LD2输出的相位调制脉冲光使脉冲产生激光器LD1产生的信号脉冲光的相位稳定，每个相干态脉冲序列之间的相位差近似零，因此在接收端Bob内的非平衡干涉仪上，两个相干光脉冲的相位差也近似为零，因此干涉脉冲信号由探测器D_M1响应，但第三单光子探测器D_M2也可能同时响应，此时相干性会下降，相干性可以通过对比度(相干对比度)来衡量，对比度计算公式如下：

其中，P(D_M1)、P(D_M2)分别为探测器D_M1或D_M2响应的概率。

5)Bob告知Alice在数据区中通过第一单光子探测器D_B获得了比特(即原始量子密钥)，以及监控区的探测器D_M1、D_M2的响应。

Alice告知Bob哪些比特需要丢掉，因为这些比特属于诱骗序列，此处的诱骗序列包括诱骗态序列和比特分隔符序列(即1-0比特序列)；

6)Alice分析Bob发来的探测器D_M1、D_M2的测量结果，根据对比度计算公式分别利用步骤4)的公式计算比特分隔符的相干性对比度V _(1-0)和诱骗序列的相干性对比度V_d，并根据计算结果判断相干性是否被破坏以确定原始量子密钥的有效性；

本实施例中若满足V_(1-0)＝V_d，则认为相干性未被破坏，Alice通知Bob该原始量子密钥的有效，并保留相应的原始量子密钥；否则，认为 相干性被破坏，Alice通知Bob该原始量子密钥的无效，并丢弃相应的原始量子密钥。

7)对保留下的原始量子密钥(即经过步骤6)处理过的原始量子密钥)Alice和Bob经过误码协商和隐私放大获得安全密钥(即最终量子密钥)。

本实施例中由于每个诱骗序列都跨越了比特分隔符(1-0比特序列)，而且脉冲是等距的，所以只需要用一个非平衡干涉仪就能对诱骗序列和1-0比特序列进行检测。

成码率是衡量QKD系统性能的重要指标，成码率不仅与QKD的硬件参数有关，而且与后处理过程有关，在考虑探测效率、误码率、信号相干性以及数据纠错等后处理因素后，基于COW协议的QKD系统成码率可用以下公式表示：

Τ表示协议筛选效率，根据如下公式计算：

Τ＝(1-P_d)(1-e^-μη)，

其中：P_d为单光子探测器的暗计数率；μ为每个脉冲平均光子数；η为接收效率，接收效率用下式表示：

η＝10^-0.2L/10×η_d，

其中，η_d为单光子探测器的探测效率，L为光纤长度(即量子密钥分发通道的长度)；

Q表示误码率，根据如下公式计算：

V表示相干性对比度，可以用下式估算：

其中用下式表示：

h(x)表示香农熵函数，ξ(μ,V)是香农熵函数内的参数，用下式表示：

实际系统中，可以通过优化各参数得到一定通信距离下成码率的最大值，本实施例中个参数的取值如表1所示：

表1

在表1所列出的各参数情况下计算得到成码率与通信距离的关系如图3所示，图中光纤长度即通信距离(具体可以理解为量子密钥分发通道的长度)，可见随着通信距离的增大，成码率逐渐降低，在通信距离约为160kM时，成码率近似直线下降。

实施例2

本实施例中QKD系统和方法与实施例1中相同，所不同的地方在于，本实施例的QKD系统相对于实施例1中的QKD系统对Bob端的相干性检测单元中的检测子单元进行了改进。具体如图4所示，额外设置有作为第三分束模块的第三分束器BS3，第一光纤延时线DL1，取消了第三单光子探测器D_M2。第二分束器BS2端口b与第三分束器的一个输入端口相连，第二三端口环形器的端口3通过光纤延时线DL与第三分束器的另一个输入端口相连，第三分束器的输出端口与第二单光子探测器D_M1相连。

本实施例中第一光纤延迟线DL1的延时时长可根据需要设置。

通过设置第一光纤延迟线DL1，将第二单光子探测器D_M1设置两个探测时间窗口，前一个探测时间窗口探测信号概率相当于实施例一中第二单光子探测器D_M1响应概率，后一个探测时间窗口探测信号概率相当于实施例一中第三单光子探测器D_M2响应概率，同样可以根据实施例1中的步骤4)的相干性计算公式计算其相干性。

本实施例中，与实施例1的不同之处在于对Bob端的相干性检测单元中的检测子单元进行了改进，采用时分复用的方法将相干性检测的两 个单光子探测器用同一个单光子探测器代替，降低成本。

实施例3

与实施例2相同，不同之处在于，Bob端的相干性检测单元中不单独设置检测子单元，如图5所示，去掉了第二单光子探测器D_M1，额外设置作为第四分束模块的第四分束器BS4和第二光纤延迟线DL2。第一分束器BS1的一个输出端口与第四分束器的一个输入端口相连，第二分束器BS2端口b与第三分束器的一个输入端口相连，第二三端口环形器的端口3通过第一光纤延时线DL1与第三分束器的另一个输入端口相连，第三分束器的输出端口通过第二光纤延迟线DL2与第四分束器BS4相连。

本实施例中第一光纤延迟线DL1和第二光纤延迟线DL2的延时时长可根据需要设置。

通过设置第一光纤延迟线DL1和第二光纤延迟线DL2，将第一单光子探测器D_B设置三个探测时间窗口，第一个时间窗口探测到的数据信息，相当于实施一种的第一单光子探测器D_B探测到的数据信息，第二个时间窗口探测信号概率相当于实施例一中第二单光子探测器D_M1响应概率，第三个时间窗口探测信号概率相当于实施例一中第三单光子探测器D_M2响应概率，同样可以根据实施例1中步骤4)的相干性计算公式计算其相干性。

本实施例将所有单光子探测器用同一个单光子探测器代替，这样将进一步降低成本。

实施例4

与实施例1相同，不同之处在于，非平衡干涉仪中的迈克尔逊干涉仪改为不等臂MZ干涉仪，具体如图6所示，其中：

不等臂MZ干涉仪包括作为第五分束模块的第五分束器BS5、作为第六分束模块的第六分束器BS6，以及连接第二分束器BS5与第三分束器BS6的短臂LS、长臂LL。第五分束器BS5为1*2分束器，具有一个输入端口a、两个输出端口b、c；第六分束器BS6为2*2分束器，具有两个输入端口e、f，两个输出端口g、h；

双脉冲序列信号光到达第五分束器BS5的端口a，分别从第五分束器BS5的端口b、端口c分成两个端口输出，端口b连接干涉仪的短臂L_S，到达第六分束器BS6的输入端口e；端口c连接干涉仪的长臂L_L，到达第六分束器BS6的输入端口f，由于臂长差的不同，此时经过短臂L_S的光脉冲率先到达第六分束器BS6，经过长臂L_L的光脉冲后到达第六分束器BS6，通过调整非平衡干涉仪的臂长差延时与脉冲间隔时间相等，使双脉冲序列信号光的前一个光脉冲经过长臂L_L到达第六分束器BS6的时间与双脉冲序列信号光的后一个脉冲经过短臂L_S到达第六分束器BS6的时间相同，前后两个脉冲信号光发生干涉。

实施例5

与实施例2相同，所不同的是非平衡干涉仪中的迈克尔逊干涉仪改为不等臂MZ干涉仪，该不等臂MZ干涉仪与实施例4中相同。

实施例6

与实施例3相同，所不同的是非平衡干涉仪中的迈克尔逊干涉仪改为不等臂MZ干涉仪，该不等臂MZ干涉仪与实施例4中相同。

以上公开的仅为本实用新型的具体实施例，但是本实用新型并非局限于此，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。显然这些改动和变型均应属于本实用新型要求的保护范围保护内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本实用新型构成任何特殊限制。