一种量子密钥分发系统和方法

本公开涉及量子通讯，尤其涉及一种量子密钥分发系统和方法。

背景技术：

1、量子密钥分发使用光子携带信息进行密钥分发，基于量子力学的基本原理，量子密钥分发具有更高的安全性。自第一个量子密钥分发协议提出以来，量子密钥分发在理论和实验上都有巨大的进步。

2、在大气与光纤信道中，量子密钥分发已经大步走向实用化、产业化。海水作为信息传输的重要信道之一，发展水下量子密钥分发技术对潜水器信息的保密传输、水下数据的保密采集等需要在水下进行加密通信的场景具有重要意义。而面对大损耗的海水信道，传统的低重复频率的量子光信号产生与采用电缆作为经典信息信道的方式很难满足要求。为了实现海洋环境中的实时安全通信，研究一套高速全光海水信道诱骗态量子密钥分发系统是非常必要且亟需的。

技术实现思路

1、本公开提供一种量子密钥分发系统和方法，能够在水下环境中实现安全保密的实时通信。

2、根据本公开实施例的第一方面，提供一种量子密钥分发系统，包括发送端和接收端；

3、所述发送端与所述接收端之间设置有海水信道；

4、所述发送端包括量子光信号生成装置、第一系统控制装置、第一波分复用器、第二波分复用器、同步光信号激光器、第一经典光信号激光器、第一偏振分束器、第一经典光信号探测器和第一扩束镜；

5、所述接收端包括量子光信号检出装置、第二系统控制装置、第三波分复用器、第四波分复用器、第二经典光信号激光器、第二偏振分束器、同步光信号探测器、第二经典光信号探测器和第二扩束镜；

6、其中，所述第一系统控制装置分别与所述量子光信号生成装置、所述同步光信号激光器、所述第一经典光信号激光器和所述第一经典光信号探测器连接；所述量子光信号生成装置发射的量子光信号、同步光信号激光器发射的同步光信号均依次通过所述第一波分复用器和所述第二波分复用器，最终通过所述第一扩束镜出射到海水信道，所述第一经典光信号激光器发射的水平偏振经典光信号依次通过所述第一偏振分束器和所述第二波分复用器，最终通过所述第一扩束镜出射到海水信道，所述第一经典光信号探测器接收来自海水信道的依次通过所述第一扩束镜、第二波分复用器和第一偏振分束器的竖直偏振经典光信号；

7、所述第二系统控制装置分别与所述量子光信号检出装置、所述第二经典光信号激光器、所述同步光信号探测器和所述第二经典光信号探测器连接；所述量子光信号检出装置、所述同步光信号探测器分别接收来自海水信道的依次经过第二扩束镜、第三波分复用器和第四波分复用器的量子光信号与同步光信号，经典光信号所述第二经典光信号探测器接收来自海水信道的依次通过所述第二扩束镜、所述第三波分复用器和所述第二偏振分束器的水平偏振经典光信号，所述第二经典光信号激光器发射的竖直偏振经典光信号依次通过所述第二偏振分束器和所述第三波分复用器，最终通过所述第二扩束镜出射到海水信道；

8、所述量子光信号、所述同步光信号、所述经典光信号对应的光脉冲的波长均在450nm至550nm的海水蓝绿窗口中。

9、优选地，所述量子光信号生成装置包括诱骗态光源模块和编码模块；

10、所述诱骗态光源模块包括四个诱骗态光源，每个所述诱骗态光源设置有电源电路、激光器驱动电路、激光器温控电路、半导体激光器和半导体制冷器；

11、所述电源电路的输出端分别与所述激光器驱动电路的输入端、所述激光器温控电路的输入端连接，所述激光器驱动电路的输出端与所述半导体激光器的输入端连接，所述激光器温控电路的输出端与所述半导体制冷器的输入端连接；所述半导体激光器与所述半导体制冷器连接；

12、所述第一系统控制装置与所述量子光信号生成装置的所述四个诱骗态光源连接。

13、优选地，所述编码模块包括第一光束分束器、第三偏振分束器和第四偏振分束器；

14、所述四个诱骗态光源中的第一诱骗态光源发射的量子光信号经过第一反射镜与第二诱骗态光源发射的量子光信号通过所述第三偏振分束器合束；所述四个诱骗态光源中的第四诱骗态光源发射的量子光信号经过第二反射镜与第三诱骗态光源发射的量子光信号通过所述第四偏振分束器合束；

15、所述第一光束分束器与所述第三偏振分束器之间依次设置有第一光纤耦合器和第一半波片；所述第一光束分束器与所述第四偏振分束器之间依次设置有第二半波片、第二光纤耦合器和第三半波片；

16、所述四个诱骗态光源与所述编码模块之间均设置有可调衰减片。

17、优选地，所述量子光信号检出装置包第二光束分束器、第一单光子探测器、第二单光子探测器、第三单光子探测器和第四单光子探测器；所述第二光束分束器的输入端连接有滤光片；

18、量子光信号经所述第二光束分束器分成两束量子光信号，其中一束量子光信号依次通过所述第四半波片和第五偏振分束器，被所述第一单光子探测器、第二单光子探测器采集；另一束量子光信号通过第六偏振分束器，被所述第三单光子探测器、第四单光子探测器采集；所述第一单光子探测器、第二单光子探测器、第三单光子探测器和第四单光子探测器均与所述第二系统控制装置连接。

19、优选地，所述第一系统控制装置包括第一fpga芯片、第一电源模块、随机数芯片和第一上位机后处理模块；所述第一fpga芯片分别与所述第一电源模块、所述随机数芯片、所述第一上位机后处理模块和所述量子光信号生成装置连接。

20、优选地，所述第一fpga芯片包括第一fpga控制模块和第一上位机通信模块，所述第一电源模块和所述随机数芯片与所述第一fpga控制模块连接，所述第一上位机通信模块与所述第一上位机后处理模块连接。

21、优选地，所述第二控制系统包括第二fpga芯片、第二电源模块、第二上位机后处理模块和延迟芯片；所述第二fpga芯片分别与所述第二电源模块、所述第二上位机后处理模块和所述延迟芯片连接。

22、优选地，所述第二fpga芯片包括第二fpga控制模块和第二上位机通信模块，所述第二电源模块与所述第二fpga控制模块连接，所述第二上位机通信模块与所述第二上位机后处理模块连接。

23、根据本公开实施例的第二方面，提供一种量子密钥分发方法，其特征在于，所述量子密钥的数据格式共39位信息，其中包括35位密钥计数位信息，2位诱骗态信息位信息，1位基选择位与1位密钥位信息，所述方法包括：

24、接收端响应于发送端发送的同步光信号，建立与所述发送端之间的时序关系，并生成与量子光信号相对应的门控信号；

25、所述接收端响应于所述发送端发送的第一量子光信号，基于所述同步光信号与门控信号确定所述第一量子光信号的排列顺序，并基于所述门控信号确定最佳采样时刻；

26、所述发送端生成同步光信号和第二量子光信号，将所述同步光信号和第二量子光信号发送至所述接收端，并基于所述排列顺序对所述第二量子光信号进行编码存储；

27、所述接收端获取所述同步光信号和所述第二量子光信号，对所述同步光信号和所述第二量子光信号进行处理，以得到初始密钥，并将所述初始密钥的密钥计数位信息与所述基选择位信息发送至所述发送端；

28、所述发送端获取所述初始密钥信息，并基于所述第二量子光信号对所述初始密钥信息进行基底对比若所述初始密钥信息符合预设检测条件，则对所述初始密钥进行处理，生成筛后密钥，并将所述筛后密钥的密钥计数位信息与所述诱骗态信息位信息发送至所述接收端，并公布预设数量的密钥位信息以进行误码估计，从而确定是否存在窃听；

29、若不存在窃听，则所述发送端和所述接收端分别对所述筛后密钥进行纠错和隐私放大处理，生成最终的量子密钥。

30、优选地，所述第一量子光信号为固定信号态下的水平偏振光信号，第二量子光信号包含信号态、诱骗态或真空态的随机偏振光信号。

31、本公开的实施例提供的技术方案至少带来以下有益效果：

32、本公开实施例提供的量子密钥分发系统将经典光通信引入量子密钥分发系统，使得量子密钥分发过程可以脱离电缆的束缚，能够适应水信道自由空间的需求，让空海跨介质和水下量子密钥分发系统实际可行；采用半导体激光器为激光光源且具有两路调制信号的输入通道，根据诱骗态协议要求，每个通道对半导体激光器连续可调，可实现信号态与诱骗态光脉冲的每脉冲平均光子数的分别调整，提高系统的集成度；使用fpga完成光子的随机发射、检出、对基操作，利用上位机完成后处理操作，允许较高的对基速率，允许光子分发、对基与后处理过程并行进行。

33、应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。