一种即插即用的量子密钥分发系统的制作方法

一种即插即用的量子密钥分发系统
1.本技术要求在2021年02月02日提交中国专利局、申请号为202120295008.0、发明创造名称为“一种即插即用的量子密钥分发系统”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本技术中。
技术领域
2.本技术实施例涉及量子通信技术领域，特别涉及一种即插即用的量子密钥分发系统。


背景技术：

3.随着全球信息化发展，信息技术对信息安全性的要求日益增加，具备高安全性的量子通信也越来越受人们重视。在量子通信领域中，量子密钥分发(quantum key distribution，qkd)技术是核心技术之一。
4.对于qkd，相关技术中的即插即用(plug and play)的qkd系统是利用了法拉第旋转镜。如图1所示，其示出了相关技术中即插即用qkd系统的架构图。在图1所示的系统中，激光器101输出的信号光传输至法拉第旋转镜102，经过法拉第旋转镜102的反射再传输至强度/相位调制器103。经过强度/相位调制器103的量子态调制，信号光由强光变为单光子的弱光。最终，qkd系统的接收端的探测器104探测单光子的弱光。在qkd系统中，传输的信息是通过调制信号光的特性来附加在信号光中。在图1所示的即插即用的qkd系统中，激光器101输出至法拉第旋转镜102的是一束强光，而相较于单光子的弱光信号，强光信号的更容易被观测到。
5.在相关技术中，即插即用的qkd系统的信号光是由激光器输出的强光调制而成，而强光信号容易被窃取观测到，导致qkd系统的安全性降低。


技术实现要素：

6.本技术提供一种即插即用的量子密钥分发系统，可用于解决在现有技术中即插即用的qkd系统的信号光是由激光器输出的强光调制而成，而强光信号容易被窃取观测到，导致qkd系统的安全性降低的问题。
7.一方面，本技术提供一种即插即用的量子密钥分发系统，所述系统包括：量子密钥发射机和量子密钥接收机，所述量子密钥接收机和所述量子密钥发射机通信连接；
8.所述量子密钥发射机包括第一分束器、第一环形器、第一激光器和调制模块，所述第一激光器是在注入锁定中输出量子光的激光器；
9.所述第一分束器的第一端口与所述量子密钥发射机的对外端口连接，所述第一分束器的第二端口与所述第一环形器的第一端口连接，所述第一分束器的第三端口与所述调制模块的输出端连接；
10.所述第一环形器的第二端口连接所述第一激光器，所述第一环形器的第三端口连接所述调制模块的输入端；
11.所述量子密钥接收机包括干涉仪、第一探测器、第二探测器、第二环形器和第二激光器；
12.所述干涉仪的第一端口与所述量子密钥接收机的对外端口连接，所述干涉仪的第二端口与所述第一探测器连接，所述干涉仪的第三端口与所述第二环形器的第二端口连接；
13.所述第二环形器的第一端口与所述第二激光器连接，所述第二环形器的第三端口与所述第二探测器连接，所述第二激光器是在注入锁定中输出注入光的激光器。
14.可选地，所述第一分束器的分光比至少为9比1；
15.若信号光从所述第一分束器的第一端口输入，则所述第一分束器的第二端口与所述第一分束器的第三端口的输出光的比值至少为9比1。
16.可选地，所述量子密钥发射机还包括：半导体光放大器soa；
17.所述soa的输入端与所述第一分束器的第二端口连接，输出端与所述第一环形器的第一端口连接。
18.可选地，所述量子密钥发射机还包括电偏振控制器epc；
19.所述epc的输入端与所述第一分束器的第二端口连接，输出端与所述soa的输入端连接。
20.可选地，所述第一分束器为环形器。
21.可选地，所述量子密钥接收机还包括第二分束器和第三探测器；
22.所述第二分束器的第一端口与所述量子密钥接收机的对外端口连接，第二端口与所述干涉仪的第一端口连接，第三端口与所述第三探测器连接。
23.在本技术中，通过注入锁定的方式实现即插即用的qkd系统，第二激光器输出的是不包含密钥信息的注入光，并且第一激光器发出包含密钥信息的量子光是弱光。由于注入光不易被窃取观测，即使被观测到也不包含密钥信息，而包含密钥信息的量子光是不会被窃取的单光子光，因此能够提高qkd的安全性。
附图说明
24.图1是现有技术中即插即用的qkd系统的架构图；
25.图2是本技术一个实施例提供的即插即用的量子密钥分发系统的示意图；
26.图3是本技术另一个实施例提供的即插即用的量子密钥分发系统的示意图；
27.图4是本技术另一个实施例提供的即插即用的量子密钥分发系统的示意图；
28.图5是本技术另一个实施例提供的即插即用的量子密钥分发系统的示意图。
具体实施方式
29.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本技术实施方式作进一步地详细描述。
30.请参考图2，其示出了本技术一个实施例提供的一种即插即用的量子密钥分发系统的示意图。该量子密钥分发系统包括量子密钥发射机20和量子密钥接收机21。量子密钥发射机20包括第一分束器201、第一环形器202、第一激光器203和调制模块204。量子密钥接收机21包括干涉仪210、第一探测器211、第二探测器212、第二环形器213和第二激光器214。
量子密钥发射机20和量子密钥接收机21之间建立通信连接。该通信连接可以是通过光纤，例如单模光纤，建立的连接，还可以是通过自由空间等其它方式建立的连接。
31.在量子密钥发射机20中，第一激光器203是在注入锁定中输出量子信号光的激光器。第一激光器203输出的信号光为单光子光。第一激光器203与第一环形器202连接。
32.第一环形器202的第二端口连接第一激光器203。第一环形器的202第三端口连接调制模块204的输入端。第一环形器的202第一端口连接第一分束器201的第二端口。第一分束器201的第一端口与量子密钥发射机20的对外端口连接。第一分束器201的第三端口与调制模块204的输出端连接。
33.在量子密钥发射机21中，干涉仪210的第一端口与量子密钥接收机21的对外端口连接，干涉仪210的第二端口的与第一探测器211连接。干涉仪210的第三端口的与第二环形器213的第二端口连接。第二环形器213的第一端口与第二激光器214连接。第二环形器213的第三端口与第二探测器212连接。第二激光器214是在注入锁定中输出注入光的激光器。
34.图2内容示出的量子密钥分发系统是基于即插即用原理的qkd系统，下面将结合附图对该量子密钥分发系统装置的工作原理作进一步地详细描述。
35.开始运行后，量子密钥接收机21中的第二激光器214输出注入光。其中，注入光是是注入锁定技术中主激光器输出的用于注入从激光器的信号光。注入光这一信号光中的信息是用于后续注入锁定的相位信息。对于注入光的具体参数，例如注入光的脉冲强度、间隔和周期等，技术人员可以根据qkd系统的编码需求调控第二激光器214实现。第二激光器214发出注入光后，注入光输入第二环形器213的第一端口。根据环形器的光路原理，从第二环形器213的第一端口进入的注入光，由第二环形器213的第二端口输出，并传输至干涉仪210。注入光由干涉仪210的的第三端口输入，经过干涉仪210的干涉，再通过干涉仪210的的第一端口输出，最终由量子密钥接收机21的对外端口发出。注入光由量子密钥接收机21传输至量子密钥发射机20。在量子密钥发射机20内，注入光经过第一分束器201传输至第一环形器202的第一端口。根据环形器的光路原理，从第一环形器202的第一端口进入的注入光，由第一环形器202的第二端口输出，并传输至第一激光器203。注入光注入锁定至第一激光器203的内部。注入锁定后的第一激光器203输出量子光。该量子光包括qkd系统所需要传输的密钥信息。量子光由第一激光器203发出，传输至第一环形器202的第二端口。根据环形器的光路原理，从第一环形器202的第二端口进入的量子光，由第一环形器202的第三端口输出，并传输至调制模块204。调制模块204根据密钥分发的需求调制量子光。密钥分发的需求和方式不同，调制模块204调制量子光的方式也不同，本技术实施例对此不作具体限定。调制模块204调制后的量子光经过第一分束器201，再由量子密钥发射机20的对外端口向量子密钥接收机21发送。量子光传输至量子密钥接收机21后，经过干涉仪210分别由干涉仪210的第二端口和第三端口输出至第一探测器211和第二探测器212探测。其中，经由第三端口输出的量子光经过第二环形器输出的第二探测器。
36.上述即插即用量子密钥分发系统中，相比于现有技术中的即插即用qkd系统，第二激光器输出的注入光不包含分配密钥所需的密钥信息，其它与图1所示的现有技术中的激光器101输出的信号光相同。
37.可选地，第一分束器201的分光比至少为9比1。若信号光从第一分束器的第一端口输入，则第一分束器的第二端口与第一分束器的第三端口的输出光的比值至少为9比1。注
入光传输至量子密钥发射机后，首先要经过第一分束器201的分束。分束后的两束分束光分别由第一分束器201的第二端口和第三端口向第一环形器20的第一端口和第三端口传输。根据环形器的光路原理，传输至第一端口的分束光可以通过第一环形器202注入到第一激光器203中，而传输至第三端口的分束光无法通过。因此，经过第一分束器分束的两束分束中的一束是无用的损耗。因此，将第一分束器201的分光比至少为9比1，从而减小分束带来的损耗。示例性地，第一分束器201的分光比为999比1。可以地，第一分束器201可以用环形器替代。
38.可选地，如图3所示，上述系统中的量子密钥发射机20还包括半导体光放大器(semiconductor optical amplifier，soa)205。soa 205位于第一环形器202和第一分束器201之间。soa 205的输入端与第一分束器201的第二端口连接，输出端与第一环形器202的第一端口连接。第二激光器输出的注入光是一束弱光，经过量子密钥接收机21和量子密钥发射机22之间的传输以及第一分束器201的分束，会导致信号强度的衰减。通过soa 205增大注入光的信号强度，以弥补传输过程中的信号差损。
39.可选地，如图4所示，上述系统中的量子密钥发射机20还包括电偏振控制器(electric polarization controller，epc)206。epc 206位于soa 205和第一分束器201之间。epc 206的输入端与第一分束器201的第二端口连接，输出端与soa 205的输入端连接。epc用于校准信号光的偏振。
40.可选地，如图5所示，量子密钥接收机21还包括第二分束器215和第三探测器216。第二分束器215的第一端口与量子密钥接收机21的对外端口连接，第二端口与干涉仪210的第一端口连接，第三端口与第三探测器216连接。
41.在本技术实施例中，通过注入锁定的方式实现即插即用的qkd系统，第二激光器输出的是不包含密钥信息的注入光，并且第一激光器发出包含密钥信息的量子光是弱光。由于注入光不易被窃取观测，即使被观测到也不包含密钥信息，而包含密钥信息的量子光是不会被窃取的单光子光，因此能够提高qkd的安全性。
42.此外，在上述实施例提供的附图中，脉冲的波形图为示意图，仅用于说明实施例，不对本技术中各个光源、激光器、强度调制器等其它光学器件输出的脉冲的波形造成限定。
43.本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的实用新型后，将容易想到本公开的其它实施方案。本技术旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由权利要求指出。
44.应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。