基于m-z干涉仪的多用户量子密钥分发网络系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及量子通信与光纤通信网络领域，具体涉及一种基于M-Z干涉仪的多用户量子密钥分发网络系统。
【背景技术】
[0002]传统密码技术主要通过数学上的计算复杂程度来保证其安全性，但随着目前计算能力的进步和提高，传统密码技术的安全性受到巨大威胁。而量子密码技术的安全性不依赖于计算的复杂度，而是基于量子力学的基本原理，即受海森堡测不准原理和未知量子态不可克隆原理。量子密钥分发(Quantum Key Distribut1n,QKD)能以绝对安全的方式让处于不同地理位置的合法参与者分享密钥，双方的密钥发送信道可以是自由空间或者光纤，其中采用光纤作为传输信道的QKD使用更为广泛。
[0003]目前，一种用分振幅法产生双光束以实现干涉的M-Z干涉仪，清楚地体现了量子力学中的路径选择问题，在QKD中有着重要应用。M-Z干涉仪主要由两块半反半透镜BS和两块反光镜组成。其主要原理是:来自光源的光经过分束后分别走不同路径，当到达探测器的光路光程相同时，能产生干涉效应。因此，在两路径中加入相位调制器，通过这两个相位调制器的脉冲组就能在汇合时产生不同的干涉，从而实现在量子密钥分配中的路径选择。
[0004]所述M-Z干涉仪用于量子网络技术的发展状况如下:1992年C.Bennett提出的B92协议在M-Z干涉仪上用相位编码的方式实现，利用一个等臂干涉环，该等臂干涉环包含两个半反半透分束器(BS)或者光纤耦合器，激光源LD以及衰减器A，两个相位调制器PM，以及Bob端的检测器APD。其中LD产生的激脉冲组经过衰减器A，使每个脉冲含有的平均光子数远小于一个光子。由分束器将脉均分到上下两臂，上臂的相位调制器由Bob控制，下臂则是Alice控制，接收双方控制相位调制器，随机地选{0，31/2, π,3π/2}分别对脉冲组调相。在接收端的分束器发生单光子干涉，干涉结果由上下臂调相的相位差决定，当相位差等于(2n+l) JT时全部光子进入APDl，当相位差为2n 时，全部光子进入APD0。
[0005]这种单M-Z干涉仪的方案不适合于长距离QKD，它需要占用两条公共信道，而且两条信道的工作环境和基本属性(比如衰减，传输时间)难以保持一致，双方的实际臂长差很难控制。
[0006]为了克服单个干涉环传输距离短的缺陷，Bennett提出了不等臂M-Z方案，即使用两个M-Z干涉仪实现点对点长距离相位编码的QKD。
[0007]2004年英国剑桥小组利用此方案实现了传输距离达122km的QKD实验。系统主要由半导体激光器(LD)，可调光衰减器(A)，相位调制器(PMa PMb)，单光子探测器(APD0、APD1)和四个在长短臂光纤两端的分束器或耦合器组成。其中最核心的部件是相位调制器，它对正交的两个单光子态进行相位编码调制，数据的编解码使用的是相位差信息。经过衰减的激脉冲组耦合进Alice端的干涉仪两臂，光子可能走长光路I也可能走短光路1，随后脉冲组离开Alice进入长距离的光纤中，到达Bob端后随机进入长光路2或者短光路2。因此，脉冲组从LD出发到抵达单光子探测器有四种可能的路径:长I长2、长I短2、短I长2、短I短2。通过调整PM使得经过长I短2和短I长2路径的光程相同，这两条路径的脉冲组就能发生干涉。相位差是两个PM调相的差，此相位差将会决定单光子进入APDO还是APDl中。通过筛选和比对，生成原始量子密钥，再经过后续处理，完成一次点对点的量子密钥分发过程。由于双M-Z干涉仪的光信号传输通过公用光纤完成，在公共部分的光路是完全相同的，公用光纤受到的外界干扰对两条信道的影响也是相同的，相位漂移相互抵消。非常适合长达几十甚至超过百公里的长距离的量子密钥分发。
[0008]对比目前较常见的几类QKD方案，如采用极弱脉冲信号光源的差分DPS的QKD方案虽然运用诱惑态隐匿性较好，但经典强信号等引入的调制噪声的安全性没有得到严格证明，且极易受扰动影响，不适宜长距离传输；Plug&Play的QKD方案往返光路有天然的偏振等影响自动补偿功能，但传输距离和后向散射的技术处理是一项挑战；Sagnac环QKD方案需要组成环形，极大的限制传输距离且易受光子分束木马攻击；利用相位调制器的M-Z型的单光子QKD方案，既不会受到双折射效应的影响，同时偏振模色散也不敏感。
[0009]而干涉仪外的光路公用，传输稳定性比较好，而且误码率低、抗干扰能力强，能很好的实现远距离传输，其结构简单，成本较低，在QKD中广泛应用。实际中，双MZ干涉仪的QKD系统随着传输距离的增加，对外部环境的敏感度也增加了，比如温度变化和环境振动都可能导致相位漂移的产生，影响系统稳定性，因此，获得M-Z干涉型QKD系统及量子网络系统在长距离量子密钥分配中成为了研究热点。
[0010]量子密码因其绝对的安全特性，使量子密钥分发网络成为量子通信发展的必然趋势，但现有的QKD技术都是基于点对点链接的，因此如何合理地分配点对点链接的资源，同时从用户一对多发展到用户多对多的密钥分配，将量子密钥分发从一个区域扩展到另外一个区域，增强通信安全性以及可靠性，降低多用户链接时的成本是现有技术亟待解决的问题。
【实用新型内容】
[0011 ] 本实用新型的目的在于提供一种稳定性好，安全性高，成本低可以实现任意多对多通信的基于M-Z干涉仪的多用户量子密钥分发网络系统。
[0012]本实用新型的技术方案是这样实现的:基于M-Z干涉仪的多用户量子密钥分发网络系统，包括网状型网络结构单元与4个M-Z型量子密钥分发单元，所述M-Z型量子密钥分发单元包括依次连接的多波长脉冲产生装置、可变光衰减器、环形器和非等臂M-Z干涉仪，还包括与所述环形器连接的第一多波长单光子探测器和与所述非等臂M-Z干涉仪连接的第二多波长单光子探测器；
[0013]所述多个M-Z型量子密钥分发单元通过所述公用光纤分别与网状型网络结构单元连接，所述M-Z型量子密钥分发单元用于实现量子信号编码与解码，既可作为发送端也可作为接收端；
[0014]所述任意一个作为发射端的M-Z型量子密钥分发单元输出的脉冲组经过与其相连的公用光纤输入到对应的波长路由装置中，然后通过所述专用光纤传输到其他的波长路由装置及其对应公用光纤，最后输出到其他作为接收端的M-Z型量子密钥分发单元中。
[0015]具体地，所述网状型网络结构单元包括公用光纤、波长路由装置和专用光纤，任一波长路由装置的一个端口连接一条公用光纤，且其通过所述专用光纤分别与其他波长路由装置一一对应连接；
[0016]进一步地，所述非等臂M-Z干涉仪包括依次连接的第一耦合器、第二耦合器、长臂光纤和短臂光纤，所述长臂光纤上设有相位调制器，所述相位调制器具有自置的实时相位检测与跟踪补偿功能；所述长臂光纤连接于所述第一耦合器与第二耦合器之间，所述短臂光纤连接于所述第一耦合器与第二耦合器之间；
[0017]所述第一耦合器与所述环形器连接，所述第一耦合器与所述第二多波长单光子探测器连接；
[0018]所述第二耦合器与所述公用光纤连接。
[0019]具体地，所述多波长脉冲产生装置包括单光源多波长脉冲激光器和波长选择器，所述单光源多波长脉冲激光器输出的脉冲组经过所述波长选择器选择后，输入到到所述可变光衰减器中。