量子密钥分发系统中的用户端、MDI‑QKD系统及方法和网络系统与流程

本发明涉及通信领域，涉及包括量子密钥分发系统的用户端，特别涉及MDI-QKD系统，以及光纤传输量子保密通信技术领域和量子保密通信中的密钥分发方法。

背景技术：

2012年Lo等人提出了测量设备无关的量子密钥分配(measurement-device-independent QKD，MDI-QKD)协议，在协议中Alice和Bob将编码后光脉冲发送至非可信第三方Charlie进行Bell态测量，可免疫任何探测器边信道的攻击，大大提高了QKD系统的现实安全性。

基于相位编码的MDI-QKD系统，因光脉冲的相位调制在光纤中传输抗干扰能力强，系统可以得到稳定的探测结果和较高的成码率，所以非常适合长距离双方的安全通信。MDI-QKD系统中光脉冲相位编码的主要实现方式是使用相位调制器进行外部调制，常见基于LiNbO3晶体的相位调制器。在光脉冲到达的瞬间，相位调制器加上一个脉冲电压，通过电场改变电光材料的折射率以此来改变光脉冲的不同相位，脉冲电压的高低决定了调制的相位值。量子密钥分配具有GHz高速的光脉冲发射，要求相位调制器脉冲电压同样具有纳秒级窄的脉冲带宽，而相位调制器本身需要较高半波电压，因此在使用LiNbO3晶体的相位调制器时，系统需要设计复杂的电路进行驱动控制。受驱动电路中模拟开关、延时芯片等关键器件的性能限制，相位调制器很难达到即高速又高电压值的理想调制效果，实际能达到的脉冲电压带宽限制了系统的高速应用，且生成的脉冲电压其波纹现象对最终成码率具有不可忽视的影响。复杂的驱动电路也造成用户端结构的笨重、增加了系统的设计成本。

无论在理论论述还是在实际操作中，基于相位编码的MDI-QKD协议通常与诱骗态思想结合使用，以同时抵御窃听者对测量端和光源端的攻击。诱骗态方案需要使用强度调制器对光脉冲强进行调制，常见基于LiNbO3晶体的Mach-Zehnder电光调制器。强度调制器同样只能接收脉冲电压的调制和需要较高的半波电压，其复杂的驱动电路与相位调制器的驱动电路具有相似的缺点。且Mach-Zehnder电光调制器具有周期性的传输函数，为避免信号失真，必须使调制器工作在最佳偏置点，即在量子密钥分发系统的应用中需时时控制强度调制器的偏置点。但由于受时间漂移、环境温度、系统激光器功率即光纤插入和耦合损耗等诸多因素影响，实际很难控制偏置点稳定，导致强度调制器输出信号劣化。偏置点控制也进一步增加了用户端的结构负担。

在基于相位编码的MDI-QKD系统中，除了上述调制器带来问题外，系统还面临着单个用户端发出的前后两光脉冲相位基矢校准的难题。在系统中，相位编码过程一般使用一个非平衡马赫增德尔干涉仪(AMZI)将一个光脉冲一分为二，生成前后两个子光脉冲，并使用相位调制器对其中的一个子脉冲进行相位调制实现编码过程。但是AMZI的臂长差在其输出的前后两个子脉冲间造成了额外的传输相位差，且干涉仪臂长差易受环境温度、应力等因素的影响而发生变化，造成两子脉冲间传输相位差的漂移。传输相位差的存在破坏了两子脉冲相位基准的一致性，影响到公共测量端的干涉对比度和探测结果。为了控制传输相位差的漂移并将其稳定在0值，需要人为干预环境因素进行稳定，如将干涉仪密封在狭小空间，使用内部高导热、外部隔热材料对干涉仪进行隔离；或需要通过在系统中添加主动反馈模块来进行控制，如在干涉仪的一个臂中插入移相器及其附属的反馈系统，通过慢变的反馈信号改变移相器电压，以保证稳定的0值相位传输差。同样，对单个用户端发出的前后脉冲相位基准一致性的控制使MDI-QKD系统结构更加复杂，设计成本更高。

综上，现有技术中存在以下缺陷：

1.现有的MDI-QKD系统光脉冲相位编码需要相位调制器、光强调制需要强度调制器，两种调制器件的使用不仅限制了系统的高速应用，而且两者复杂的驱动电路使用户端结构笨重、成本增加，不利于MDI-QKD的网络化扩展。

2.现有的MDI-QKD系统单个用户端发出的前后光脉冲的相位基准一致性需要有相位反馈系统来保证，网络化系统中设计工程庞大。

上述两大缺陷制约了基于相位编码的MDI-QKD系统网络化的应用，尤其涉及同时保证多用户间光脉冲相位基准一致性的问题时，整个网络的相位反馈系统的将是一个浩大的工程设计。

技术实现要素：

本发明提供了一种量子密钥分发系统中的用户端，该用户端简化了传统相位调制激光器和脉冲产生激光器的结构，无需设置相位反馈系统，节约了成本。

为此，本发明采用以下技术方案：

所述用户端包括调制光源，所述调制光源包括：

相位制备激光器、光纤环形器及脉冲产生激光器。

所述相位制备激光器通过相位预调制后产生光脉冲；

所述光纤环行器第一端口连接所述相位制备激光器，与第一端口临近的第二端口连接脉冲产生激光器，所述相位制备激光器调制的光脉冲通过所述光纤环形器的第二端口注入所述脉冲产生激光器，

特别的，所述脉冲产生激光器受注入的相位制备激光器产生的光脉冲激发及其自身强度调制产生光脉冲，所述调制光源输出相位调制与强度调制后的光脉冲。至此，在调制光源内部完成了光脉冲的相位编码及强度调制。

优选的，所述强度调制包括时间编码调制或/和诱骗态调制。

所述诱骗态信号中包括信号态脉冲、诱骗态脉冲及真空态脉冲，并设置不同强度光脉冲的占空比。

本发明又提供了一种基于光注入的MDI-QKD系统，该系统实现了光源和相位调制器、强度调制器的集成结构，简化了系统结构，解除了相位调制器、强度调制器对系统高速应用的限制；调制光源可直接生成具有纯净相位差信息的光脉冲，无需相位反馈系统，可实现多用户间光脉冲相位基准一致性控制。

为此，本发明采用以下技术方案：

所述MDI-QKD系统包括用户端及公共测量端，所述用户端包括Alice端和Bob端，所述公共测量端为Charlie端，所述Alice端和Bob端均包括调制光源，所述调制光源包括：

相位制备激光器，所述相位制备激光器通过相位预调制后产生光脉冲；

光纤环形器，所述光纤环行器第一端口连接所述相位制备激光器，与第一端口临近的第二端口连接

脉冲产生激光器，所述相位制备激光器调制的光脉冲通过所述光纤环形器的第二端口注入所述脉冲产生激光器，所述脉冲产生激光器受注入的相位制备激光器产生的光脉冲激发，使调制光源输出相位调制后的光脉冲；所述脉冲产生激光器受注入的相位制备激光器产生的光脉冲激发及其自身强度调制，使调制光源输出强度调制后的光脉冲；所述调制光源输出的光脉冲通过所述光纤环行器的与第二端口临近的第三端口输出并经由量子信道传输至所述Charlie端，所述Charlie端作为贝尔态测量设备；所述光纤环形器的传输方向为第一端口到第二端口，第二端口到第三端口。

优选的，所述Charlie端作为贝尔态测量设备，其包括：

偏振控制单元组，用于分别接收由Alice端和Bob端的量子信道传输的光脉冲并统一和稳定两路光脉冲的偏振态；

保偏光纤耦合器，用于接收由偏振控制单元输出的光脉冲并形成干涉；及两个单光子探测器，用于对所述保偏光纤耦合器内的光脉冲所形成的干涉结果进行不同的响应。

优选的，所述脉冲产生激光器的强度调制包括时间编码调制或/和诱骗态调制

优选的，所述相位制备激光器和脉冲产生激光器通过光纤环形器形成传输通道。

优选的，所述光纤环形器设有三个端口，所述相位制备激光器连接第一端口，所述脉冲产生激光器连接第二端口，所述第三端口连接量子信道。

优选的，所述Alice端和所述Bob端在脉冲产生激光器的输出端上设置强度衰减器，用于将编码后的光脉冲衰减到单光子水平。所述用户端通过同步模块使两路光脉冲同时到达Charlie端。

优选的，所述相位制备激光器及脉冲产生激光器产生的光脉冲包括信号态、诱骗态及真空态，并设置不同强度光脉冲的占空比。

优选的，所述Alice端和Bob端设置有随机数发生器，各产生一组随机数序列作为两者的随机比特值，并各生成另一组随机序列用于选择编码基矢，其中0代表相位编码基矢，1代表时间编码基矢。

优选的，所述Alice端和Bob端通过同步模块使两路光脉冲同时到达Charlie端。所述同步模块包括设置在Alice端和Bob端在强度衰减器后设置的路径选择模块及与相位制备激光器和脉冲产生激光器同时相连的时间同步模块，所述路径选择模块与强度衰减器之间设置一波分复合器，所述波分复合器通过一光电探测器与所述时间同步模块相连，所述Alice端的路径选择模块与Bob端的路径选择模块相连；

所述Charlie端在一路保偏光纤耦合器至一个单光子探测器传输线上另设置第二光纤环形器，第二光纤环形器分别依次与保偏光纤耦合器、单光子探测器及同步光光源连接，所述第二光纤环行器的输出方向为同步光光源向保偏光纤耦合器方向、保偏光纤耦合器向单光子探测器方向；所述同步光光源产生的光脉冲通过第二光纤环形器经保偏光纤耦合器分别传输至Alice端和Bob端的路径选择模块，所述路径选择模块将该光脉冲转向传输至对方路径选择模块后再到各自的时间同步模块实现同步；

所述路径选择模块在输出调制光源发出的光脉冲时直接向公共端Charlie输出，在传输同步光光源的光脉冲时将到达的光脉冲向另一路径选择模块传输，另一路径选择模块再将该脉冲信号通过波分复用器传输至光电探测器，光电探测器再将信号传输至时间同步模块，时间同步模块根据信号触发相位制备激光器与脉冲产生激光器工作，完成同步设置。

本发明还需解决的技术问题是提供上述基于光注入的MDI-QKD系统的密钥分发方法，它包括以下步骤：

S101Alice端和Bob端的相位制备激光器通过相位预调制后产生光脉冲，并经过光纤环形器注入脉冲产生激光器；

S102所述脉冲产生激光器受注入的相位制备激光器产生的光脉冲激发，使调制光源输出相位调制后的光脉冲；所述脉冲产生激光器受注入的相位制备激光器产生的光脉冲激发及其自身强度调制，使调制光源输出强度调制后的光脉冲，，至此，调制光源产生的光脉冲经光纤环形器输出，并经过强度衰减器衰减到单光子水平，Alice端和Bob端的光脉冲通过同步模块经量子信道同时传输至Charlie端的偏振控制单元组；

S103所述偏振控制单元组分别将来自Alice端和Bob端的光脉冲的偏振态进行统一和稳定，并统一传输至保偏光纤耦合器中形成高对比度干涉，不同的干涉结果将引起两个单光子探测器的不同响应，以判断是否产生了合法的贝尔态；

S104 Charlie将合法的贝尔态信息通过公开的经典网络发送至Alice和Bob，Alice和Bob根据MDIQKD协议内容的处理产生最终的安全密钥。

进一步的，所述步骤S101中，相位制备激光器进行相位预调制过程：

相位制备激光器调制触发电信号，在电信号的中间位置一持续时间内引入ΔU的电信号扰动，导致光脉冲前后未被调制的部分形成相位相差为Δφ，完成相位预调制，且相位制备激光器发射的光脉冲，其中间相位预调制的部分在光注入时对应脉冲产生激光器的触发电信号间隔，只有其前后未被调制的部分对脉冲产生激光器发生光注入作用。

进一步的，所述步骤S101和步骤S102中，所述Alice端和Bob端设置有随机数发生器，各产生一组随机数序列作为两者的随机比特值，并各生成另一组随机序列用于选择编码基矢，其中0代表相位编码基矢，1代表时间编码基矢。

更进一步的，所述相位制备激光器在相位预调制过程中：

当系统选择用相位编码基矢编码比特值时，相位编码基矢为X＝[0,π]，相位基矢X包含两种相位态|0>和|π>，|0>相位态编码比特值0，|π>相位态编码比特值1，Δφ＝0对应|0>相位态，Δφ＝π对应|π>相位态，使相位制备激光器的触发电信号具有ΔU₁＝0和ΔU₂＝U_π的电信号扰动，分别形成具有Δφ＝0或Δφ＝π相位预调制信息的光脉冲，注入脉冲产生激光器。

当系统选择用时间编码基矢编码比特值时，相位制备激光器的触发电信号具有ΔU₁＝0的电信号扰动，形成具有Δφ＝0的光脉冲。

更进一步的，所述脉冲产生激光器在强度调制过程中：

当系统选择用相位编码基矢编码比特值时，脉冲产生激光器正常提供前后两脉冲的触发电信号；

当系统选择用时间编码基矢编码比特值时，脉冲产生激光器进行时间编码调制，时间编码基矢Z，基矢Z包含了两种脉冲产生激光器发射光脉冲对的强度分布态0或1，调制脉冲产生激光器的触发电信号，当对比特值0的编码时，关闭时序分布前面的光脉冲的触发电信号，使其光强为0，正常提供后面的光脉冲的触发电压信号，使其光强为正常值；当对比特值1的编码时，关闭时序分布后面的光脉冲的触发电信号，使其光强为0，正常提供前面的光脉冲的触发电压信号，使其光强为正常值。

当系统进行诱骗态调制时，对于脉冲产生激光器作用的相位编码基矢编码和时间编码基矢编码的光脉冲，在所有发光的时序位置上，调制脉冲产生激光器的触发电信号，使其具有不同的强度值，以形成与诱骗态方案中各态相应强度的光脉冲。

进一步的，本发明所述同步模块包括设置在Alice端和Bob端在强度衰减器后设置的路径选择模块及与相位制备激光器和脉冲产生激光器同时相连的时间同步模块，所述路径选择模块与强度衰减器之间设置一波分复合器，所述波分复合器通过一光电探测器与所述时间同步模块相连，所述Alice端路径选择模块与Bob端的路径选择模块相连；

所述Charlie端在一路保偏光纤耦合器至单光子探测器传输线上另设置第二光纤环形器，第二光纤环形器与保偏光纤耦合器、单光子探测器相连，并连接一同步光光源，所述第二光纤环形器传输方向从同步光光源至保偏光纤耦合器、从保偏光纤耦合器至单光子探测器；所述路径选择模块在输出调制光源发出的光脉冲时直接向公共端Charlie输出，在传输同步光光源的脉冲时将到达的光脉冲向另一路径选择模块传输，另一路径选择模块再将该脉冲信号通过波分复用器传输至光电探测器，光电探测器再将信号传输至时间同步模块，时间同步模块根据信号触发相位制备激光器与脉冲产生激光器工作。

更进一步的，两个单光子探测器分别对探测的时间位置进行判断，如果两个探测器都有响应，且在同一个时间周期，且一个单光子探测器探测到时间位置为0，一个单光子探测器探测到时间位置为1，则认为此时为一个合法的贝尔态。

所述步骤S101和步骤S102中，相位制备激光器及脉冲产生激光器产生的光脉冲包括信号态、诱骗态及真空态，并设置不同强度光脉冲的占空比。

本发明最后需要解决的技术问题是提供一种基于光注入的网络化MDI-QKD系统，所述系统包括2个及2个以上用户端及一个公共测量端，每个用户端包括调制光源，所述调制光源包括：

相位制备激光器，所述相位制备激光器通过相位预调制后产生光脉冲；

光纤环形器，所述光纤环行器第一端口连接所述相位制备激光器，与第一端口临近的第二端口连接脉冲产生激光器，所述相位制备激光器调制的光脉冲通过所述光纤环形器的第二端口注入

脉冲产生激光器，所述脉冲产生激光器受注入的相位制备激光器产生的光脉冲激发，使调制光源输出相位调制后的光脉冲；所述脉冲产生激光器受注入的相位制备激光器产生的光脉冲激发及其自身强度调制，使调制光源输出强度调制后的光脉冲，所述调制光源输出相位调制与强度调制后的光脉冲至

公共测量端，所述公共测量端作为贝尔态测量设备，所述公共测量端在用户端的传输线上依次设置有光开关及滤波器，滤波器后设置偏振控制单元，所述光开关用于选择需要接通至公共测量端的用户端。

进一步的，所述公共测量端包括：

偏振控制单元组，用于分别接收由用户端的量子信道传输的光脉冲并统一和稳定两路光脉冲的偏振态；

保偏光纤耦合器，用于接收由偏振控制单元输出的光脉冲并形成干涉；及

两个单光子探测器，用于对所述保偏光纤耦合器内的光脉冲所形成的干涉结果进行不同的响应。

进一步的，所述脉冲产生激光器输出的光脉冲经过强度衰减器衰减至单光子水平再传输至公共测量端；所述公共测量端在量子信道后的传输线路上依次设置有光开关、滤波器，滤波器后设置偏振控制单元。

特别的，所述公共测量端在使用时只允许两路用户端接入。

进一步的，所述用户端还设置有同步模块，其包括时间同步模块与路径选择模块，所述时间同步模块与相位制备激光器和脉冲产生激光器相连，并设置一波分复合器，所述波分复合器一路连接调制光源，另一路通过一光子探测器与时间同步模块连接，复合后连接路径选择模块，所述路径选择模块再与量子信道连接；

所述公共测量端在一路保偏光纤耦合器至一个单光子探测器传输线上另设置第二光纤环形器，第二光纤环形器分别依次与保偏光纤耦合器、单光子探测器及同步光光源连接，所述第二光线环行器的输出方向为同步光光源向保偏光纤耦合器方向、保偏光纤耦合器向单光子探测器方向；所述同步光光源产生的光脉冲通过光纤环形器经保偏光纤耦合器分别传输至用户端的路径选择模块，所述路径选择模块将该光脉冲转向传输至通信对方的路径选择模块后再到各自的时间同步模块实现同步。

进一步的，用户端的路径选择模块同时连接至一选通模块，所述选通模块接通对应光开关接通的需要连接至公共测量端的两路用户端的路径选择模块。

本发明最后提供了一种一种基于光注入的网络化MDI-QKD系统的密钥分发方法，所述量子密钥分发方法包括以下步骤：

S101相位制备激光器通过相位预调制后产生光脉冲，并经过光纤环形器注入脉冲产生激光器；

S102所述脉冲产生激光器受注入的相位制备激光器产生的光脉冲激发，使调制光源输出相位调制后的光脉冲；所述脉冲产生激光器受注入的相位制备激光器产生的光脉冲激发及其自身强度调制，使调制光源输出强度调制后的光脉冲，至此，调制光源产生的光脉冲经光纤环形器输出，并经过强度衰减器衰减到单光子水平，用户端的光脉冲通过同步模块经量子信道同时传输至公共测量端的偏振控制单元；

S103所述偏振控制单元组分别将来自用户端的光脉冲的偏振态进行统一和稳定，并统一传输至保偏光纤耦合器中形成高对比度干涉，不同的干涉结果将引起两个单光子探测器的不同响应，以判断是否产生了合法的贝尔态；

S104公共测量端将合法的贝尔态信息通过公开的经典网络发送至用户端，用户端根据MDIQKD协议内容的处理产生最终的安全密钥。

进一步的，所述用户端与公共测量端的传输线上设置有光开关，用以控制用户端是否接入公共测量端，所述公共测量端在使用时只允许两路用户端接入。

进一步的，所述同步光光源产生的光脉冲通过第二光纤环形器经保偏光纤耦合器分别传输至由选通模块接通的对应光开关接通的需要连接至公共测量端的两路用户端的路径选择模块，所述路径选择模块将该光脉冲转向传输至对方的路径选择模块后再到各自的时间同步模块实现同步。

本发明结合调制光源和时间-相位编码方案两者的优点，省略对相位调制器和强度调制器的使用，也不需要使用相位反馈系统保证前后脉冲的相位基准一致性，尽可能的简化点对点MDI-QKD系统结构和节约设计成本，同时保证点对点MDI-QKD系统具有高对比度的调制信号，最终使MDI-QKD系统可以更接近网络化应用实用，同时，实现相位调制和强度调制需要的半波电压较低，有利于系统的高速应用。本发明的点对点MDI-QKD系统在网络化MDI-QKD系统中可以省去此部分涉及的庞大工程设计，使系统结构得到了极大的简化，最终目的为推动MDI-QKD的网络化、实用化发展。

附图说明

图1的(a)-(e)部分分别为相位制备激光器的脉冲触发电信号、相位制备激光器发射的长脉冲、长脉冲的光相位演变过程、脉冲产生激光器的触发电信号、脉冲产生激光器发射的短脉冲。

图2的(a)-(c)部分分别为相位制备激光器的触发电信号、脉冲产生激光器的触发电信号、调制光源输出的经相位调制的短脉冲序列。

图3为基于光注入的点对点MDI-QKD系统光路图。

图4的(a)-(c)部分分别为相位制备激光器的触发电信号、脉冲产生激光器的触发电信号、调制光源输出的经时间-相位编码后的短脉冲序列。

图5的(a)-(c)部分分别为相位制备激光器的触发电信号、脉冲产生激光器的触发电信号、调制光源进行时间-相位编码和诱骗态方案叠加调制的短脉冲序列结果。

图6为实施例一中贝尔态的选择示意图。

图7为实施例一的时间同步方案示例图。

图8为实施例二所述路径选择模块的优选方案，即利用三个光纤环形器构造此模块。

图9为基于光注入的网络化MDI-QKD系统光路图。

图10为实施例三基于光注入的网络化MDI-QKD系统的同步方案。

图11为所述选通模块的优选方案。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步阐述。

实施例一：

本发明的首要内容是对调制光源的使用。如图3所示，调制光源由两个激光器LD1、LD2和连接两激光器的光纤环形器1/6构成。两激光器分别作为相位制备激光器和脉冲产生激光器。相位制备激光器输出的光脉冲经光纤环形器1/6注入脉冲产生激光器，脉冲产生激光器输出的光脉冲经光纤环形器向外输出。调制光源的输出实质为脉冲产生激光器的输出结果。

特别的，当相位制备激光器和脉冲产生激光器独立工作时，调制两激光器的触发电信号，使两激光器各自发射等间隔的均匀脉冲序列，并调整两种脉冲序列的周期，使相位制备激光器发出的每个长脉冲在周期上都包含脉冲产生激光器发出的一对短脉冲周期。两种脉冲序列中的任意相邻脉冲都具有随机相位关系。

具体的，调制光源的核心思想为光注入，将相位制备激光器预调Δφ相位差的长脉冲注入脉冲产生激光器，可激发脉冲产生激光器，使脉冲产生激光器发射的一对短脉冲相位差为Δφ。

调制光源的调相过程如图1所示。

图1的(a)-(e)部分分别为相位制备激光器的脉冲触发电信号、相位制备激光器发射的长脉冲、长脉冲的光相位演变过程、脉冲产生激光器的触发电信号、脉冲产生激光器发射的短脉冲。

如图1的(a)部分所示，调制相位制备激光器的脉冲触发电信号，在脉冲触发电信号的中间位置一持续时间Δt内引入ΔU的扰动，此调制的脉冲触发电信号触发相位制备激光器发射如图1的(b)部分所示的长脉冲。触发电信号的扰动ΔU改变了相位制备激光器增益介质载流子的浓度，引起增益介质折射率的变化，由此改变了激光器输出光的频率，对于产生的长脉冲此位置光频率的变化对其相位演变的线性影响如图1的(c)部分所示，即光频差导致长脉冲前后未被调制的部分相位相差Δφ。从图1的(b)部分可以看出，触发电信号的扰动同样改变了长脉冲此位置的幅值。为避免调相时长脉冲频率、相位、幅值波动等寄生效应对光注入所激发的短脉冲的影响，如图1的(d)部分所示，将相位制备激光器触发电信号扰动ΔU的持续时间Δt对准脉冲产生激光器的触发电信号间隔，即关闭脉冲产生激光器对长脉冲此处的增益，使最终只有长脉冲前后未被调制的部分在光注入脉冲产生激光器时起到激发作用，在脉冲产生激光器内激发出两个不可分辨的短脉冲，并将纯净的相位差Δφ传递到两个短脉冲间。最终调制光源发射的经相位调制的两个短脉冲如图1的(e)部分所示。在MDI-QKD系统，使用调制光源直接生成相位纯净的前后两短脉冲，首先避免了对相位调制器的使用，其次不需要再考虑借助AMZI和相位调制器进行相位外调制带来的前后两脉冲相位基准不一致的问题。相位编码后前后两脉冲将经历相同的路径到达公共测量端。

Δφ与ΔU间呈线性关系，通过设置ΔU可将Δφ调制为任意值。图2为调制光源仅进行调相时两激光器发光示例图，图2的(a)-(c)部分分别为相位制备激光器的触发电信号、脉冲产生激光器的触发电信号、调制光源输出的经相位调制的短脉冲序列。图2中ΔU对应Δφ＝π，而当相位制备激光器的触发电信号扰动为0时，光注入后脉冲产生激光器发射一对相位差为0的短脉冲。从图2的(c)部分可见调相后相邻的两对短脉冲间仍具有随机相位。调制光源的半波电压ΔU＝0.35伏特，即U_π＝0.35伏特，远远小于LiNbO3晶体相位调制器的半波电压水平(U_π≈4伏特)。调制光源较低的半波电压有利于实现高速、高效的量子密钥分发，且它对光源与相位调制器的集成简化了用户端的结构。

如上所述，通过调制相位制备激光器的触发电信号，可实现调制光源的调相过程。而当调制脉冲产生激光器的触发电信号，使脉冲产生激光器输出不同强度的短脉冲时，便实现了调制光源对光强的调制过程，光源与强度调制器的集成同样有利于实现高速、高效的量子密钥分发和简化了用户端的结构。

图3为基于光注入的点对点MDI-QKD系统光路图，图中共有三个节点：用户端Alice、用户端Bob和公共测量端Charlie。Alice和Bob到Charlie的两路具有相同的光路结构，系统通过同步模块(如图7所示)控制Alice和Bob发出的光脉冲可同时到达Charlie的贝尔态测量设备。

本发明采用基于时间-相位编码的量子密钥分发方案。此方案不要求保证测量端相对于用户端基矢基准的一致性，便可生成高对比度的探测信号，提供了较高的成码率和简单的系统结构。本发明即利用了此方案的优点，并结合调制光源的优势，构造结构更为简单的MDI-QKD系统。

在本发明中，用户端Alice和Bob采用了相位制备激光器LD1、脉冲产生激光器LD2和光纤环形器1/6构成的调制光源，用于产生光脉冲并进行光脉冲的相位编码和时间编码。调制光源的输出端连接强度衰减器ATT，用于将编码后的光脉冲衰减到单光子水平。2和7为量子信道，用于将ATT衰减后的光脉冲从Alice和Bob传输到Charlie。Charlie端作为贝尔态测量设备，在Charlie中光脉冲进入偏振控制单元PC，以统一和稳定两路光脉冲的偏振态，经过偏振控制单元PC调节的两路光脉冲在保偏光纤耦合器3中将形成高对比度干涉，保偏光纤耦合器3的两输出端分别连接单光子探测器4/5，不同的干涉结果将引起单光子探测器4和5的不同响应。

选择相位编码基矢X＝[0，π](或Y＝[π/2，3π/2]，此实施例选基矢X),两种相位态与比特值间的对应关系可设为：|0>相位态编码比特值0，|π>相位态编码比特值1。系统的相位编码过程实质是调制光源选择输出的一对短脉冲相位差值Δφ是多少的过程，Δφ＝0对应|0>相位态，Δφ＝π对应|π>相位态。根据Δφ与ΔU的对应关系,设置两种相位制备激光器的触发电信号，使其分别具有ΔU₁＝0和ΔU₂＝U_π的扰动，此两种触发电信号分别对应调制光源输出的|0>相位态和|π>相位态短脉冲对。

选择时间编码基矢为Z,基矢Z包含了两种短脉冲对的强度分布态。时序分布上前面的短脉冲强度为0，后面的短脉冲强度不变，此强度分布态编码比特值0；前面的短脉冲强度不变，后面的短脉冲强度为0，此强度分布态编码比特值1。系统的时间编码实质为调制光源对脉冲产生激光器触发电信号的调制过程，时间编码时相位制备激光器触发电信号扰动为0。调制脉冲产生激光器的触发电信号，当对比特值0的编码时，关闭时序分布上前面的短脉冲的触发电信号，使其光强为0，正常提供后面的短脉冲的触发电压信号；当对比特值1的编码时，关闭时序分布上后面的短脉冲的触发电信号，使其光强为0，正常提供前面的短脉冲的触发电压信号。

在本发明中，时间-相位编码的MDIQKD方案的贝尔态后选择可以是：贝尔态测量设备中的2个探测器4/5分别对探测的时间位置进行判断，如果2个探测器都有响应，且在同一个时间周期，且一个探测是在时间位置0，一个探测是在时间位置1(位置0和位置1的时间差对应调制光源输出前后两短脉冲时间间隔)，则认为此时为一个合法的贝尔态。

在Alice和Bob内部，随机数发生器(图3中未画出)各产生一组随机数序列作为两者的随机比特值，并各生成另一组随机序列用于选择编码基矢，其中0代表X基矢，1代表Z基矢。

如图4的顶部表格所示，设Alice生成0110的随机比特串，并依次选择Z、X、Z、X基矢对随机比特串进行编码。图4的(a)-(c)部分展示了Alice调制光源的时间-相位编码过程，图4的(a)-(c)部分分别为相位制备激光器的触发电信号、脉冲产生激光器的触发电信号、调制光源输出的经时间-相位编码后的短脉冲序列。如图4的(a)部分所示，当Alice使用Z基矢编码第一个比特值0时，相位制备激光器触发电信号扰动为0；如图4的(b)部分所示，长脉冲光注入后，脉冲生成激光器根据与比特值0对应的强度分布态调制触发电信号，使时序分布上靠前的如a'位置处的触发电信号为0，时序分布上靠后的如b″位置处的触发电信号为正常值。光注入及两个触发电信号对脉冲产生激光器的作用结果如图4的(c)部分所示，对应时序分布上靠前的如a″位置处短脉冲强度为0，时序分布上靠后的如b″位置处短脉冲强度为正常值。当Alice使用Z基矢编码第三个比特值1时，相位制备激光器触发电信号扰动为0，调制脉冲产生激光器触发电信号的方法与编码第一个比特值0时相反，如图4的(b)部分中e'、f'位置处触发电信号所示，生成光脉冲的结果也与之相反，光脉冲结果如图4的(c)部分中e″、f″位置处的短脉冲对所示。Z基矢编码后的一对短脉冲与相邻短脉冲具有随机的相位关系。

如图4的(a)和(b)部分所示，当Alice使用X基矢编码第二个比特值1时，给相位制备激光器带有扰动ΔU₂的触发电信号，给脉冲产生激光器对应时序位置c'd'处稍低于正常的触发电信号。则经过相位制备激光器预调Δφ₂相位的长脉冲，注入脉冲产生激光器后在c″d″位置激发出相位差为π的一对短脉冲，结果如图4的(c)部分所示。当Alice使用X基矢编码第四个比特值0时，如图4的(a)和(b)部分所示，给相位制备激光器带有扰动ΔU₁的触发电信号，给脉冲产生激光器对应时序位置g'h'上两个稍低于正常的触发电信号，结果如图4的(c)部分所示，时序位置g″h″上脉冲产生激光器输出相位差Δφ₁＝0的一对短脉冲。在本发明的编码方式中，X基矢编码下单个短脉冲强度为Z基矢编码下单个短脉冲强度的一半，这与单光子量子态的分布概率有关，此处不做详解。图4的(c)部分整体展示了Alice的调制光源对0110随机比特的编码结果。

Bob调制光源的时间-相位编码过程原理与Alice相同，此处不再举例复述。Alice和Bob内，经过时间-相位编码的短脉冲序列从调制光源输出，沿着光纤向前传输到达强度衰减器ATT，强度衰减器ATT将到达的短脉冲衰减到单光子水平，衰减后的短脉冲序列分别在量子信道2/9内继续传输并到达Charlie。

本实施例中，上述光脉冲的时间-相位编码过程没有结合诱骗态思想，为了使系统能够同时抵御窃听者对不完美光源的漏洞攻击，往往将MDI-QKD和诱骗态思想结合使用。此时，调制光源需要输出不同强度的光脉冲：信号态、诱骗态和真空态，并设置不同强度光脉冲的时间占空比。我们以对Z基矢编码和X基矢编码下的两种短脉冲设置相同的信号态和诱骗态，此外制备真空态脉冲并不使用任何基矢编码为例，来说明系统时间-相位编码与诱骗态方案的叠加调制过程。设信号态、诱骗态和真空态的脉冲时间比为p_μ:p_v:p₀(p_μ+p_v+p₀＝1)、经强度衰减器ATT衰减后三种态的脉冲平均光子数分别为μ、v、0。

如前所述，调制脉冲产生激光器的触发电信号，使脉冲产生激光器输出不同强度的短脉冲，以实现调制光源对光强的调制。设置Z基矢编码下信号态短脉冲对、诱骗态短脉冲对的脉冲产生激光器触发电信号对应的两种值U_μZ、U_vZ，使在触发电信号U_μZ的触发下，脉冲产生激光器发射的信号态短脉冲对经强度衰减器ATT可衰减至μ水平，在触发电信号U_vZ的触发下，脉冲产生激光器发射的诱骗态短脉冲对经强度衰减器ATT可衰减至v水平；同时设置X基矢编码下信号态、诱骗态的脉冲产生激光器触发电信号对应的两种值U_μX、U_vX，使在触发电信号U_μX的触发下，脉冲产生激光器发射的信号态短脉冲对经强度衰减器ATT同样可衰减至μ水平，在触发电信号U_vX的触发下，脉冲产生激光器发射的诱骗态短脉冲对经强度衰减器ATT同样可衰减至v水平；真空态时，相位制备激光器具有0扰动的触发电信号，而脉冲产生激光器不工作，短脉冲对强度为0。

图5为在图4的基础上添加诱骗态方案调制时调制光源的编码过程。在图5中我们添加新的比特值1，用以描述真空态的调制过程。图5的(a)-(c)部分分别为相位制备激光器的触发电信号、脉冲产生激光器的触发电信号、调制光源进行时间-相位编码和诱骗态方案叠加调制的短脉冲序列结果。

如图5的顶部表格所示，对比特01101依次选择Z、X、Z、X、(不选择基矢)基矢编码和信号态、信号态、诱骗态、诱骗态、真空态的强度调制。如图5的(a)部分所示在时间-相位编码和诱骗态方案的叠加调制中，相位制备激光器的调制不受诱骗态方案的影响，与前述未加诱骗态方案时相同，并在真空态调制提供0扰动的触发电信号。如图5的(b)部分所示在时间-相位编码和诱骗态方案的叠加调制中，当进行信号态调制时，脉冲产生激光器在Z基矢编码和X基矢编码发光的时序位置(例如b'点和c'、d'两点)上分别具有U_μZ和U_μX的触发电信号，在不发光的时序位置(例如a'点)上触发电信号仍为0；当进行诱骗态的调制时，脉冲产生激光器在发光的时序位置(例如e'点和g'、h'两点)上分别具有U_vZ和U_vX的触发电信号，在不发光的时序位置(例如f'点)上触发电信号仍为0；当进行真空态的调制时，脉冲产生激光器在的两个时序位置(例如i'、j'点)上触发电信号都为0。图5的(c)部分为得出的加诱骗态后调制光源的输出光脉冲序列。经过强度衰减器ATT的衰减作用，Z基矢编码和X基矢编码下信号态、诱骗态以及真空态的短脉冲对分别被衰减为μ、v和0水平。衰减后的短脉冲序列在量子信道2/9内继续传输并到达Charlie。

本发明的诱骗态方案不局限于此，此实施例仅为说明诱骗态方案中脉冲强度的调制方式，利用此方式可实施其他种类成码率更高、安全性更高的诱骗态方案。

在Charlie中，Alice和Bob两路光脉冲首先进入偏振控制单元PC，PC调节两路光脉冲的偏振态使两者偏振态统一，并借助内部反馈系统(图3未画出)保证稳定的光脉冲偏振态调节。经过统一偏振态的Alice和Bob两路光脉冲在保偏光纤耦合器3上发生干涉，干涉结果输入单光子探测器4/5进行探测响应。对单光子探测器4/5响应的时间位置进行分析，以判断是否产生了合法的贝尔态。以调制光源编码时产生的两前后短脉冲时间间隔为一个周期值，并取Alice和Bob发出的两对短脉冲在保偏光纤耦合器3上发生的前后两次相遇对应的单光子探测器4/5探测时序位置分别为t₀、t₁，则如图6贝尔态测量设备的后选择所示，如果单光子探测器4/5在同一个周期内都有响应，且一个探测器是在时间位置t₀上发生响应，另一个探测器是在时间位置t₁上发生响应，则认为此时为一个合法的贝尔态。随后，Charlie将合法的贝尔态信息通过公开的经典网络发送给Alice和Bob，Alice和Bob根据MDIQKD协议内容的数据后处理流程对这些贝尔态进行基矢比对、纠错和隐私放大等操作，产生最终的安全密钥。

实施例二：

实施例一中系统通过同步模块(图3中未画出)控制Alice和Bob发出的光脉冲可同时到达Charlie的贝尔态测量设备。本实施例给出了此同步模块的示例，如图7所示。因为Alice和Bob两路信号光的同步主要受制于两长距离的分离量子信道2和7的差异影响，利用量子信道2和量子信号7为主要路径构造环形路径，使用户端Alice的同步光和信号光两者路径之和与此环形路径重叠，使用户端Bob的同步光和信号光两者路径之和同样与此环形路径重叠，即Alice和Bob的光路都为此环形路径，则可以摆脱两者路径差异对同步造成的影响。

图7为实施例一的时间同步方案示例图。利用光纤环形器14将同步光光源LD3接入公共测量端Charlie，光源LD3发出的同步光经光纤环形器14传输至保偏光纤耦合器3。为了防止此过程同步光经光纤环形器14泄露进单光子探测器5、经保偏光纤耦合器3泄露进单光子探测器4，在光纤环形器14和单光子探测器5之间、保偏光纤耦合器3和单光子探测器4之间分别添加可滤除同步光的带通滤波器BPF。

Alice的环形路径：同步光光源LD3发射的同步光在到达保偏光纤耦合器3后被分为两路，一路经偏振控制单元PC2(此时不工作)、量子信道7后进入用户端Bob。此同步光依次经用户端Bob路径选择模块B的B1端口、B2端口和用户端Alice路径选择模块A的A2端口、A3端口到达Alice波分复用器10的公共端口。经波分复用器10的一个输出端进入光电探测器8，光电探测器8对此同步光响应并启动Alice的时间同步模块工作，时间同步模块产生系统时钟，触发Alice的相位制备激光器LD1和脉冲产生激光器LD2的工作，相位制备激光器LD1和脉冲产生激光器LD2的工作过程与实施例一相同，此处不再复述。Alice调制光源产生的光脉冲即信号光经强度衰减器ATT的衰减后进入波分复用器10的另一个输出端，并由波分复用器10的公共端口输出至路径选择模块A。经路径选择模块A的A3端口和A1端口后进入量子信道2，并进入Charlie。在偏振控制单元PC1处被调整偏振态，然后传输至保偏光纤耦合器3。

Bob光信号的环形路径：LD3发射的同步光被保偏光纤耦合器3分出的另一路，经偏振控制单元PC1(此时不工作)、量子信道2后进入用户端Alice。此同步光依次经用户端Alice路径选择模块A的A1端口、A2端口和用户端Bob路径选择模块B的B2端口、B3端口到达Bob波分复用器11的公共端口。经波分复用器11的一个输出端进入光电探测器9，光电探测器9对此同步光响应并启动Bob的时间同步模块工作，时间同步模块产生系统时钟，触发Bob的相位制备激光器LD1和脉冲产生激光器LD2的工作，相位制备激光器LD1和脉冲产生激光器LD2的工作过程与实施例一相同，此处不再复述。Bob调制光源产生的光脉冲即信号光经强度衰减器ATT的衰减后进入波分复用器11的另一个输出端，并由波分复用器11的公共端口输出至路径选择模块B。经路径选择模块B的B3端口和B1端口的进入量子信道7，并进入Charlie。在偏振控制单元PC2处被调整偏振态，然后传输至保偏光纤耦合器3。

Alice和Bob的同步光和信号光走过相同的环形路径，两者的光脉冲在保偏光纤耦合器3相遇以进行Bell态的测量。与两长距离量子信道2和7间的差异相比，此处可忽略同步光和信号光在Alice和Bob内部行走路径差异造成时间差影响。

图8为本实施例所述路径选择模块的优选方案，即利用三个光纤环形器构造此模块。在本优选方案中，路径选择模块A中的三个光纤环形器121、122、123和路径选择模块B中的三个光纤环形器131、132、133都具有三个端口P1、P2和P3，对于此六个光纤环形器，光在其中的行走方向都为：P1→P2、P2→P3两种。

光纤环形器的连接方式为：在路径选择模块A中，光纤环形器121的P1端口、光纤环形器123的P3端口分别与光纤环形器122的P3端口、P1端口连接，光纤环形器121的P3端口与光纤环形器123的P1端口相连，光纤环形器121的P2端口、光纤环形器123的P2端口分别作为路径选择模块A的A3端口、A1端口，光纤环形器122的P2端口作为路径选择模块A的A2端口；路径选择模块B中，光纤环形器131的P1端口、光纤环形器133的P3端口分别与光纤环形器132的P3端口、P1端口连接，光纤环形器131的P3端口与光纤环形器133的P1端口相连，光纤环形器131的P2端口、光纤环形器133的P2端口分别作为路径选择模块B的B3端口、B1端口，光纤环形器132的P2端口作为路径选择模块B的B2端口；光纤环形器132的P2端口与光纤环形器122的P2端口相连。根据光纤环形器121-123和光纤环形器131-133的P1→P2、P2→P3的行走方向，即可以实现本实施所述的Alice的环形路径和Bob的环形路径。

为了减小波分复用器10/11、路径选择模块A/B内光纤环形器等光学器件插入损耗等对强度衰减器ATT输出的单光子水平光脉冲的影响，可将Alice和Bob两路的强度衰减器ATT分别放置在光纤环形器121的P3端口和光纤环形器123的P1端口间的连接线上、光纤环形器131的P3端口和光纤环形器133的P1端口间的连接线上，使强度衰减器ATT输出的单光子水平光脉冲经过更少的光学器件。

实施例三：

图9为基于光注入的网络化MDI-QKD系统光路图。本实施例为在实施例一点对点的系统基础上进行的网络化扩展，各用户端具有相同的设备组成和连接方式。用户端和公共测量端Charlie的结构、光脉冲的产生、编码、诱骗态调制、探测方法等与实施例一基本相同，合法Bell态的选择与实施例一相同。不同之处在于在Charlie偏振控制单元PC之前加入光开关15和滤波器BPF(16/17)，光开关15的切换使需要的两用户端被接入测量端Charlie，Charlie内两路滤波器BFP(16/17)用于滤除两接入用户光脉冲中的杂散光。

实施例四：

图10为实施例三基于光注入的网络化MDI-QKD系统的同步方案，其同步思想与实施例二中的同步思想相同，以两通信用户与公共测量端Charlie间的量子信道为主要路径构造环形路径，使两通信用户的同步光与信号光所走光路之和与此环形路径重叠，使两通信用户的光路都为此环形路径，以此摆脱两通信用户路径差异对同步造成的影响。

此网络化系统的同步方案中用户端的组成如下：为了方便描述，我们将实施例三中用户端Alice的调制光源(LD1、环形器1和LD2)、强度衰减器ATT、波分复用器10、光电探测器8和与之相连的时间同步模块设为发送模块，本实施例的每个用户端组成除此发送模块外还有与之相连的路径选择模块。

因为实施例二中的路径选择模块A和路径选择模块B实为对称的结构，所以本实施例中的路径选择模块可任选其一，且选用对应的连接方式，即路径选择模块的一号端口(如实施例二中的A1/B1)连接用户端对应的量子信道，路径选择模块的三号端口(如实施例二中的A3/B3)连接用户端发送模块内波分复用器的公共端口。在本实施例的整个用户端侧，设置一个选通模块以接入所有用户端路径选择模块的二号端口(如实施例二中的A2/B2)，功能为根据需要连通两个用户端路径选择模块的二号端口，使两个用户端间的环形路径可以连通以发生环路作用，同时切断其他用户端路径选择模块二端口的连通，所述根据需要连通的两个用户端即为实施例四中光开关15切入公共测量端Charlie的两用户端。

图11为上述选通模块的优选方案，即为一个n*2光开关。n*2光开关的1～n输入端口依次连接1～n用户端路径选择模块的二号端口(如实施例二中的A2/B2端口)，n*2光开关的输出端口P1、P2相互连接。发生作用时，n*2光开关受系统控制使其某两个输入端口分别与两输出端口P1、P2连通，因为P1、P2相互连接，所以与n*2光开关开启的两输入端口分别连接的两用户端间环形路径被连通，便可以实现如实施例二中两通信用户端的同步方案，所述分别与两输出端口P1、P2连通的某两个输入端口即为实施例四中光开关15切入公共测量端Charlie的两用户端的对应端口。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。