一种QKD设备量子光源单光子性的测试系统的制作方法

本发明涉及量子通信领域，具体涉及一种qkd设备量子光源单光子性的测试系统。

背景技术：

1、量子密钥分发(quantum key distribution，qkd)是一种利用光量子的不可分割、不可克隆以及不可测量的物理特性进行密钥分发进而保障通信安全性的技术。

2、但为了实现该安全性，需要保证量子光源具有良好的单光子性，虽然现在已有诱骗态方案对其进行一定的弥补，但若单光子性太差依然会导致最终成码率较低。传统方式是采用分光器件与符合仪计算光源的二阶关联度从而衡量该光源的单光子性，比如公开号为cn111089648a的专利申请提供一种光纤耦合单光子源的滤光和二阶关联度测试装置，包括：氦氖激光，用于发出泵浦光，经单模光纤耦合输出；y形熔融光纤波分复用器，用于将泵浦光导入光纤耦合单光子源器件激发产生单量子点荧光信号；2x2熔融光纤分束器，与y形熔融光纤波分复用器的输出端相连，用于将单量子点荧光信号按功率平分为两路并输出；激光准直器，分别将两路功率平分后的单量子点荧光信号转换为两路空间平行荧光；滤波片组，用于分别将两路空间平行荧光中的非单光子信号滤除，得到两路窄谱线单光子信号；两个硅单光子计数器，用于测试窄谱线单光子信号计数率；时间符合计数模块，与硅单光子计数器相连，通过符合计数表征单光子信号二阶关联度。

3、但目前依然存在两个问题，第一个问题是符合仪较为昂贵，且体积较大，且目前尚没有针对qkd系统的有效的单光子性检测方法，无法有效利用qkd设备现有资源。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于如何有效利用qkd设备现有资源进行qkd系统单光子性的有效检测。

2、本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：一种qkd设备量子光源单光子性的测试系统，其特征在于：包含qkd发送端、2个qkd接收端、光交换机和控制端，控制端给发送端-第一接收端与发送端-第二接收端支路路径上交叉点处的光交换机下发命令，开启分光模式，且产生一串随机序列，下发给第一接收端和第二接收端作为测量基选择序列，给第一接收端和第二接收端下发命令，屏蔽纠错模块与安全增强模块，让qkd发送端开始发送量子光，开启密钥分发流程，经过一段时间的密钥分发后，搜集第一接收端和第二接收端各自的密钥序列，计算密钥一致性系数，密钥一致性系数越低则量子光光源的单光子性越好，通过实测的密钥一致性系数判断发送端量子光光源的单光子性。

3、作为优化的技术方案，所述qkd发送端包括：提供量子光的信号光光源、提供同步光的同步光光源、产生以及探测经典协商光的第一协商光收发模块、合波器件、第一控制模块、第一密钥提取模块、调制模块以及第一随机数发生器；

4、所述合波器件被设置将信号光光源产生的信号光与同步光光源产生的同步光进行合波或者将信号光、同步光和第一协商光收发模块产生的协商光三者进行合波；

5、所述调制模块设置在信号光光源和合波器件之间，用于调节量子光的偏振/相位/光强等信息，内含诱骗态调制模块；

6、所述第一随机数发生器连接到调制模块，用于产生量子调制过程中所需的随机数；

7、所述第一密钥提取模块用于对原始数据进行对基处理并获得密钥；

8、所述第一控制模块用于接受控制端的控制并反馈数据，反馈的数据包括发送端当前各参数值、同步信息和第一密钥提取模块获取的密钥信息。

9、作为优化的技术方案，发送端能够自由选择是否将协商光与信号光、同步光进行共纤传输。

10、作为优化的技术方案，2个所述qkd接收端结构一致，均包括：探测量子光的单光子探测器、探测同步光的同步光探测器、产生以及探测经典协商光的第二协商光收发模块、分波器件、第二控制模块、第二密钥提取模块以及解调模块；

11、所述分波器件被设置将信号光与同步光进行分波或者将信号光、同步光和协商光三者进行分波；

12、所述解调模块连接到分波器件的信号光输出端，用于与单光子探测器配合测量量子态；

13、所述第二密钥提取模块用于对原始数据进行对基处理并获得密钥；

14、所述第二控制模块用于接受控制端的控制并反馈数据，反馈的数据包括接收端当前各参数值、同步信息和第二密钥提取模块获取的密钥信息。

15、作为优化的技术方案，所述光交换机包括：光开关、分光模块和第三控制模块；

16、所述第三控制模块用于接受控制端的控制并反馈数据，反馈的数据包括当前各参数值和光交换机所处模式；

17、1*2光开关设置在光交换机的光入口和分光模块之间，用于决定是否进入分光模式或者实现光交换功能，若非分光模式则功能与传统光交换机相同，对光信号进行端口转发，若进入分光模式则光信号经过分光模块等比例分光到两个接收端；

18、2*2光开关被设置1*2光开关和光交换机的光出口之间，用于实现光信号端口转发功能；

19、所述分光模块用于将光按照50：50比例分光到两个接收端。

20、作为优化的技术方案，发送端-接收端能够选择相互之间进行协商光通信或者发送端、接收端均与控制端进行协商光通信。

21、作为优化的技术方案，所述控制端包括：人机接口、第三随机数发生器、数据处理模块和第三控制模块；

22、所述第三随机数发生器用于产生随机数，并下发给两个接收端决定测量基的选择；

23、所述第三控制模块是控制端与发送端、光交换机和接收端的交互口，控制端通过第三控制模块对后三者下达参数配置指令以及获取参数信息、密钥信息和同步信息；

24、所述数据处理模块被设置为在控制端获取发送端、窃听端和接收端的密钥信息和同步信息后，计算密钥一致性并判断发送端量子光源单光子性是否良好；

25、所述人机接口用于接受操作人的各种指令并反馈单光子性判断结果。

26、作为优化的技术方案，2个接收端都根据控制端下发的随机数选取测量基测量量子光，因此在每个时刻采取相同的测量基。

27、作为优化的技术方案，控制端采用时分方法，在业务流程过程中间歇性地进行单光子性检测过程，从而实现对单光子性的实时监测。

28、作为优化的技术方案，在给发送端-第一接收端与发送端-第二接收端支路路径上交叉点处的光交换机下发命令前，首先运行qkd网络业务流程，控制系统将时间进行切片，每隔固定时间间隔开始检测发射端量子光光源单光子性，根据路由选择算法选择较近的两个qkd接收端与路径上的光交换机与qkd发送端组成测试系统。

29、作为优化的技术方案，计算密钥一致性系数遵循如下过程：

30、1)假定量子光重复频率为f，发送端与第一接收端进行量子密钥分发时，利用同步光进行时间同步，以同步光信号上升沿作为起点，1/f为间隔将两个同步信号之间的时间均等分为不同的时间戳，从而将每个密钥bit与时间戳一一对应，输出密钥时同时附带每个bit的时间戳信息；

31、2)发送端与第二接收端进行量子密钥分发时，同样利用同步光信号为输出密钥bit附加时间戳信息，具体方式同1)，该步骤与1)同时进行；

32、3)控制端接收到第一接收端和第二接收端的密钥后，利用时间戳信息和校正序列将两个密钥序列在时间上对齐，随后根据如下公式计算得到密钥一致性系数：

33、

34、作为优化的技术方案，为排除同步光噪声影响，在时间戳0位置不成码。

35、作为优化的技术方案，采用分级同步机制，每隔一定时间产生一级同步信号以生成校正序列，一级同步信号上升沿位置对应校正序列的编码’1’，其余位置对应编码’0’，利用校正序列进行校准，防止出现大规模信号错位，输出密钥时同时附带每个bit对应校正序列编码。

36、作为优化的技术方案，所述根据密钥一致性系数判断单光子性的具体原理如下：

37、规定发送端到开启分光模式的光交换机之间的线路衰减为α0，该光交换机到第一接收端和第二接收端的单光子探测器之间的线路衰减分别为α1、α2；

38、该光交换机在第一接收端和第二接收端的分光比固定为：50：50；

39、第一接收端和第二接收端的单光子探测器的探测效率分别记为为ηb，ηe；暗计数率分别记为:eb，ee，后脉冲概率分别记为：apb，ape；

40、从发送端到第一接收端和第二接收端的bit翻转错误率分别记为：errb，erre；

41、量子光的波长为λ，重复频率为f，每个脉冲的平均光子数为μ。

42、在计算密钥一致性时，发送端发送bit被第一接收端或者第二接收端探测时是否存在bit翻转错误实际上只存在2种情况，其余情况皆与此2种情况等价，首先考虑第一种，即都不存在bit翻转错误：

43、发送端发出的量子光的脉冲光子数遵循泊松分布，单脉冲光子数为k的概率为：

44、

45、首先只考虑量子光生成的密钥序列，由于光衰减和分光模块分光不影响概率分布，因此第一接收端产生密钥bit与发送端一致概率为：

46、

47、不一致概率为：

48、vii＝0；

49、第二接收端产生密钥bit与发送端一致概率为：

50、

51、不一致概率为：

52、x＝0；

53、其次考虑暗计数因素，由于暗计数而产生的密钥序列中，第一接收端产生密钥bit与发送端一致概率为：

54、

55、不一致概率为：

56、vii＝eb；

57、同理，第二接收端产生密钥bit与发送端一致概率为：

58、

59、不一致概率为：

60、xi＝ee；

61、由于后脉冲而产生的密钥序列中，第一接收端产生密钥bit与发送端一致概率为：

62、

63、不一致概率为：

64、

65、同理，第二接收端产生密钥bit与发送端一致概率为：

66、

67、不一致概率为：

68、

69、则根据密钥一致性定义此情况下的密钥一致性为：

70、

71、接下来考虑另一种情况，接收端bit未翻转，窃听端bit翻转，则密钥一致性为：

72、

73、其余情况均与上述两种情况等价，以各情况发生概率作为权重进行加权平均得最终总的密钥一致性为：

74、cons＝[errb*erre+(1-errb)(1-erre)]cons1+[(1-errb)erre+errb(1-erre)]cons2；

75、即得到密钥一致性cons和单脉冲平均光子数μ之间的关系。

76、本发明的优点在于：本发明提出一种测试量子网络qkd发送端量子光源单光子性的系统及方法，并定义了衡量单光子性的密钥一致性系数。通过该方法可以有效利用qkd现有资源，有效降低成本；另一方面，该方法可以实现qkd网络中对qkd发送端量子光源单光子性的实时监控，方便快捷。