一种自适应多波段水下无线量子密钥分发系统及方法与流程

文档序号:22396783发布日期:2020-09-29 18:06阅读:来源:国知局

技术特征:

1.一种自适应多波段水下无线量子密钥分发系统,其特征在于,所述分发系统包括:发射端、接收端;在基于bb84通信协议的基础上,所述发射端和接收端双端实时交互,且根据信道实时变化引起量子误码率qber的变化情况,经由可调光学模组生成不同波长的量子光信号和经典光信号进行水下无线量子密钥分发和水下无线经典光通信。

2.根据权利要求1所述的自适应多波段水下无线量子密钥分发系统,其特征在于:所述发射端包括发射端量子通信模块(1)、发射端经典通信模块(2)、发射端控制处理模块(3);所述发射端量子通信模块(1)与所述发射端控制处理模块(3)相连接,所述发射端经典通信模块(2)与所述发射端控制处理模块(3)相连接。

3.根据权利要求1所述的自适应多波段水下无线量子密钥分发系统,其特征在于:所述接收端包括接收端量子通信模块(11)、接收端经典通信模块(22)、接收端控制处理模块(33);所述接收端量子通信模块(11)与所述接收端控制处理模块(33)相连接,所述接收端经典通信模块(22)与所述接收端控制处理模块(33)相连接。

4.根据权利要求1所述的自适应多波段水下无线量子密钥分发系统,其特征在于,量子误码率qber的计算公式如下:

式中,p表示偏振器件的偏振比,a是探测器的接收面积(若存在望远镜即望远镜的接收面积),ldc表示探测器的暗计数,l表示环境光辐照度谱密度,δt′表示单光子探测器的开门时间,δt表示比特周期,ω是视场角的立体角,h是普朗克常数,c是光速,η是探测器效率,χc是衰减系数,r是传输距离,λ是信号光波长,δλ是光谱宽度,μ是发射端发射的平均脉冲光子数。

5.根据权利要求2所述的自适应多波段水下无线量子密钥分发系统,其特征在于:所述发射端量子通信模块(1)包括激光模组(101)和光学模组(102),所述激光模组(101)包括第一激光器组,所述激光模组(101)包括四台白光激光器,所述光学模组(102)包括第一固定光学模组和第一可调光学模组,所述发射端经典通信模块(2)包括第二激光器、光学模组和第一探测器apd,所述光学模组包括第二固定光学模组和第二可调光学模组,所述发射端控制处理模块(3)控制所述第一激光器组、第二激光器、第一可调光学模组、第二可调光学模组和第一探测器apd。

6.根据权利要求3所述的自适应多波段水下无线量子密钥分发系统,其特征在于:所述接收端量子通信模块(11)包括探测器组(111)和光学模组(112),所述探测器组(111)包括四台光电倍增管pmt,所述光学模组(112)包括第三固定光学模组和第三可调光学模组,所述接收端经典通信模块(22)包括第三激光器、第二探测器apd和光学模组,所述光学模组包括第四固定光学模组和第四可调光学模组,所述接收端控制处理模块(33)控制所述探测器组(111)、第三激光器、第三可调光学模组和第四可调光学模组和第二探测器apd。

7.根据权利要求5所述的自适应多波段水下无线量子密钥分发系统,其特征在于:所述发射端量子通信模块(1)的第一可调光学模组和发射端经典通信模块(2)的第二可调光学模组上均有6-20个光学开孔,优选8-15个,更优选为8个,第一可调光学模组的每个开孔内安装有不同波长的窄带滤光片和不同衰减系数的衰减片,第二可调光学模组的每个开孔内仅安装有不同波长的窄带滤光片,所述第一可调光学模组通过旋转输出所需波长的量子信号光,所述第二可调光学模组通过旋转发射和接收所需波长的经典信号光。

8.根据权利要求6所述的自适应多波段水下无线量子密钥分发系统,其特征在于:所述接接收端经典通信模块(22)中的第三可调光学模组和收端量子通信模块(11)中的第四可调光学模组上有6-20个光学开孔,优选8-15个,更优选为8个,第三可调光学模组和第四可调光学模组的每个开孔内均仅安装有不同波长的窄带滤光片,所述第三可调光学模组通过旋转接收特定波长的量子信号光,所述第四可调光学模组通过旋转接收和发射特定波长的经典信号光。

9.一种使用权利要求1-8所述的自适应多波段水下无线量子密钥分发系统分发密钥的方法,其特征在于,包括以下步骤:

ss1:系统初始化,发射端和接收端上电,所有可调光学模组均转动至预设波长模式;

ss2:握手阶段,发射端经典通信模块(2)发送握手信号,通知接收端准备开始接收测试信号以测试不同波长量子信号的量子误码率qber,握手信号包含系统时间和可调光学模组在测试阶段的旋转间隔时间;

ss3:测试阶段,发射端控制处理模块(3)控制发射端量子通信模块(1)中的第一可调光学模组根据设定的旋转间隔时间旋转6-20次,分别发送6-20组不同波长的测试信号,同时接收端根据设定的转动时间间隔,同步开始旋转接收端量子通信模块(11)中的第四可调光学模组6-20次,分别接收6-20组测试信号;

ss4:波长选取阶段,接收端量子通信模块(11)将接收到的6-20组测试信号经由接收端经典通信模块(22)与发送给发射端经典通信模块(2)进行交互,通过发射端控制处理模块(3)和接收端控制处理模块(33)计算,得到6-20组不同波长测试信号的量子误码率qber,并将这6-20组量子误码率qber从小到大进行排序,选择最小和次小的两组量子误码率qber所对应的波长作为水下无线量子密钥分发的量子信号光和水下无线经典通信的经典信号光的工作波长;

ss5:波长调整阶段,发射端与接收端进行交互,确定量子信号和经典信号的工作波长,再分别由发射端控制处理模块(3)和接收端控制处理模块(33)同步旋转发射端量子通信模块(1)、发射端经典通信模块(2)、接收端量子通信模块(11)和接收端经典模块(22)中第一、第二、第三和第四可调光学模组,所述第一和第三可调光学模组旋转至量子信号光波长对应的开孔位置,第二和第四可调光学模组旋转至经典信号光波长对应的开孔位置;

ss6:密钥分发和实时监测阶段,进行基于bb84协议的无线量子密钥分发的常规流程,发射端和接收端在量子信道以及经过可信认证的经典信道中进行交互,实现密钥分发、对基、纠错、错误校验、以及私密放大的后处理过程,并且在密钥分发过程中,发射端和接收端实时监测量子误码率qber的变化情况,当量子信号光的量子误码率qber波动超过预设阈值,系统重新进入ss2阶段,若量子误码率qber波动没有超过预设阈值,直至密钥分发完毕进入下一步;

ss7:水下无线量子密钥分发流程结束,发射端发送结束指令,接收端进入待机模式等待下一轮握手信号。

10.根据权利要求9所述的分发密钥的方法,其特征在于:所述第一激光器组、第二激光器和第三激光器输出的是波长范围为200-1600nm的白色激光,第一可调光学模组、第二可调光学模组、第三可调光学模组和第四可调光学模组中窄带滤光片的波长选自320.1nm、336.1nm、358.1nm、382.0nm、393.3nm、396.8nm、410.1nm、430.7nm、434.0nm、438.3nm、466.8nm、486.1nm、495.7nm、516.7nm、517.2nm、518.3nm、527.0nm、587.5nm、588.9nm、589.5nm中的一种。


技术总结
本发明公开了一种自适应多波段水下无线量子密钥分发系统及方法,包括发射端和接收端;在基于BB84通信协议的基础上,所述发射端和接收端双端实时交互,且根据信道实时变化引起量子误码率QBER的变化情况,经由可调光学模组生成不同波长的量子光信号和经典光信号进行水下无线量子密钥分发和水下无线经典光通信;本发明可以基于不同水体的水信道或同一水体水信道的实时变化情况,自动调整信号光波长,实时适应水信道的变化,降低误码率,最终实现当前信道下水下无线量子密钥分发系统的最大密钥生成率。

技术研发人员:钱添;于永河;李文东;韩鑫红;张新建;顾永建
受保护的技术使用者:中国海洋大学
技术研发日:2020.07.24
技术公布日:2020.09.29
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