基于DPSK的量子密钥分发系统、编码器、解码器及方法

技术领域

本发明属于量子通信技术领域，更具体地，涉及一种基于DPSK的量子密钥分发系统、编码器、解码器及方法。

背景技术

量子密钥分发(quantum key distribution，即QKD)利用微观粒子作为载体进行密钥分发，密钥的安全性由基本物理原理保证，理论上说，通信双方利用量子密钥分发结合“一次一密”加密方式，可以确保分隔两地的用户安全交换密钥，实现安全通信。而相位编码是光子调整最容易实现的一种方式，基于相位编码的量子密钥分发系统具有广泛的应用前景，

DPSK量子密钥分发系统是一种重要的相位编码量子密钥分发协议解决方案，目前主要选基方式是采用光时延N倍周期T方式，利用时延周期倍数N的不确定性实现安全量子密钥分发，但在信道传输中，两个不同时间区间内的相位变化可能不一致，会导致采用N倍周期T光时延时量子密钥分发系统的误码率增高。

发明内容

针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于DPSK的量子密钥分发系统、编码器、解码器及方法，只需延迟一个周期T可在不公布具体的选基信息的条件下完成量子密钥分发，从而保证量子密钥分发的安全性和成码率。

为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种基于DPSK的量子密钥分发系统，包括：

单光子源，用于以时间T为周期产生单光子信号；第一端相位调制器，用于以时间2T为调制周期对所述单光子信号进行二阶相位调制，输出单光子相位调制信号，所述调制周期中的一个时间T维持所述单光子信号的初始相位，另一个时间T采用第一基对所述单光子信号进行相位编码；分束器，用于将所述单光子相位调制信号分成两路信号；第二端相位调制器，用于对所述分束器输出的其中一路信号采用第二基进行调制，调制周期为时间2T；延时器，用于对所述分束器输出的另一路信号进行延时，延时时间为T；合束器，用于对所述第二端相位调制器和所述延时器的输出信号进行合束相干；两个单光子探测器，分别位于所述合束器的两个输出端，用于对所述合束器的输出信号进行探测，获得探测结果。

进一步地，所述第一端相位调制器包括第一随机数源、第二随机数源、第一相位调制器和第二相位调制器，所述第一随机数源提供比特信息，所述第二随机数源提供所述第一基的选基信息，所述第一相位调制器接收所述比特信息，所述第二相位调制器接收所述第一基的选基信息。

进一步地，还包括对基处理器，所述对基处理器用于根据相邻两个时间T两个所述单光子探测器的探测结果、所述第二基的选基信息确定所述第一基的选基信息。

进一步地，所述第一基为A基或B基的一组，A基为{0，π}，{π/2，3π/2}中的一组，B基{0，π}，{π/2，3π/2}中的另一组，所述第二基为0基，π/2基中的一个。

进一步地，所述根据相邻两个时间T两个所述单光子探测器的探测结果、所述第二基的选基信息确定所述第一基的选基信息包括：

所述第二基选择为0基，所述第一基选择为A基时，若相邻两个时间T两个所述单光子探测器的响应全部一致，则确定A基为{0，π}，B基为{π/2，3π/2}；

所述第二基选择为π/2基，所述第一基选择为A基时，若相邻两个时间T两个所述单光子探测器的响应全部相反，则确定A基为{π/2，3π/2}，B基为{0，π}。

进一步地，两个所述单光子探测器的探测周期为T或2T。

进一步地，所述第一端相位调制器的四种相位对应在两个所述单光子探测器在相邻周期T有四种响应状态。

按照本发明的第二方面，提供了一种基于DPSK的量子密钥分发编码器，包括：

单光子源，用于以时间T为周期产生单光子信号；

第一端相位调制器，用于以时间2T为调制周期对所述单光子信号进行二阶相位调制，输出单光子相位调制信号，所述调制周期中的一个时间T维持所述单光子信号的初始相位，另一个时间T采用第一基对所述单光子信号进行相位编码。

按照本发明的第三方面，提供了一种基于DPSK的量子密钥分发解码器，包括：

分束器，用于接收单光子相位调制信号，并将所述单光子相位调制信号分成两路信号；

第二端相位调制器，用于对所述分束器输出的其中一路信号采用第二基进行调制，调制周期为时间2T；

延时器，用于对所述分束器输出的另一路信号进行延时，延时时间为T；

合束器，用于对所述第二端相位调制器和所述延时器的输出信号进行合束相干；

两个单光子探测器，分别位于所述合束器的两个输出端，用于对所述合束器的输出信号进行探测，获得探测结果。

按照本发明的第四方面，提供了一种基于DPSK的量子密钥分发方法，包括步骤：

以时间T为周期产生单光子信号；

以时间2T为调制周期对所述单光子信号进行二阶相位调制，输出单光子相位调制信号，所述调制周期中的一个时间T维持所述单光子信号的初始相位，另一个时间T采用第一基对所述单光子信号进行相位编码；

将所述单光子相位调制信号分成两路信号；

对所述单光子相位调制信号分成的两路信号的其中一路信号采用第二基进行调制，调制周期为时间2T；

对所述单光子相位调制信号分成的两路信号的另一路信号进行延时，延时时间为T；

对采用所述第二基进行调制后的信号和所述延时后的信号进行合束相干；

对所述合束相干的两路输出信号进行探测，获得探测结果。

总体而言，本发明与现有技术相比，具有有益效果：通过光时延周期T的方式将相位编码的量子态进行相邻周期的差分相移探测解码实现量子秘钥分发，有效减轻了相距较长时间的两个周期相位变化不一致导致DPSK解调误码升高问题，同时可利用选择不同相位基时相邻周期的相干输出结果不同的特点，在不公布具体的选基信息的条件下可完成量子密钥分发的经典交互过程，保证了量子密钥分发的安全性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于DPSK的量子密钥分发系统的示意图；

图2为本发明实施例提供的第一端相位调制器的相位调制示意图；

图3为本发明实施例提供的第二端相位调制器的相位调制示意图；

图4为本发明实施例提供的选0基时单光子探测器响应示意图；

图5为本发明实施例提供的选π/2基时单光子探测器响应示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明实施例的一种基于DPSK的量子密钥分发系统，包括单光子源、第一端相位调制器、分束器BS1、第二端相位调制器、延时器、合束器BS2和两个单光子探测器D0和D1。

单光子源，用于以时间T为周期产生单光子信号；第一端相位调制器，用于以时间2T为调制周期对单光子信号进行二阶相位调制，输出单光子相位调制信号，调制周期中的一个时间T维持单光子信号的初始相位，另一个时间T采用第一基对单光子信号进行相位编码；分束器，用于将单光子相位调制信号分成两路信号；第二端相位调制器，用于对分束器输出的其中一路信号采用第二基进行调制，调制周期为时间2T；延时器，用于对分束器输出的另一路信号进行延时，延时时间为T；合束器，用于对第二端相位调制器和延时器的输出信号进行合束相干；两个单光子探测器，分别位于合束器的两个输出端，用于对合束器的输出信号进行探测，获得探测结果。

单光子源、第一端相位调制器可称为Alice端，分束器BS1、第二端相位调制器、延时器、合束器BS2和两个单光子探测器D0和D1可称为Bob端。Alice公布选基的不同但不公布具体的选基信息，Bob根据自身选基信息和探测器响应可以获得Alice的具体选基信息；Bob将选基的相同周期区间反馈给Alice，完成对基经典交互过程，实现初始密钥成码。

进一步地，第一端相位调制器包括第一随机数源、第二随机数源、第一相位调制器和第二相位调制器，第一随机数源提供比特(bit)信息，第二随机数源提供第一基的选基信息，第一相位调制器接收比特信息，第二相位调制器接收第一基的选基信息。

进一步地，基于DPSK的量子密钥分发系统还包括对基处理器，对基处理器用于根据相邻两个时间T两个单光子探测器的探测结果、第二基的选基信息确定第一基的选基信息。

进一步地，第一基为A基或B基的一组，A基为{0，π}，{π/2，3π/2}中的一组，B基{0，π}，{π/2，3π/2}中的另一组，第二基为0基，π/2基中的一个。

进一步地，两个单光子探测器的探测周期为T或2T。

进一步地，两个单光子探测器的探测周期为2T时，进行相邻周期的交互工作探测。

进一步地，本发明实施例的基于DPSK的量子密钥分发系统，还包括第一1/4玻片和第二1/4玻片，第一1/4玻片设置在第一端相位调制器后，第二1/4玻片设置在分束器(BS1)前。通过在Alice端设置1/4玻片，将空间信道中传输的光子转换成圆偏振态，并在接收端通过1/4玻片恢复成线偏态，减少了空间量子密钥分发系统在完成空间对准后需要进行的偏振控制，增加了建链时间内量子密钥分发时间，提高了空间量子密钥分发系统的工作效率。

如图2所示，基于DPSK的量子密钥分发系统，Alice对单光子进行相位编码时，采用间隔式的编码方式，每两个周期T进行一次相位编码，中间保留一个周期维持初始相位。

如图3所示，基于DPSK的量子密钥分发系统，Bob对接收的单光子进行相位调制时，调制周期为2T，对相邻的有相位编码的量子态和无相位编码的量子态进行相同的相位调制。

如图4和图5所示，当Alice和Bob所选基一致时，Bob端的单光子探测器也存在一定的不同，即Alice选择基为{0，π}，Bob选择0基时，此时相邻周期内D0均响应则表示“0”，D1均响应则表示“1”；而Alice选择基{π/2，3π/2}，Bob选择π/2基时，此时相邻周期第一周期D0响应，第二周期D1响应则表示“0”，而第一周期D1响应，第二周期D0响应则表示“1”。其他情况下，D0和D1的响应随机，并不是有效的探测。也就是说Alice和Bob所选基相同时，相邻周期的有效探测的探测器响应结果也是不同的，不同对基的响应结果不同。

可以看出，第一端相位调制器的四种相位对应在两个单光子探测器在相邻周期有四种响应状态，如表1所示。

表1

并且根据这一特点，Alice不需要向Bob公布其具体选基信息，只需告知其选基不同，Bob可根据不同基下的相邻周期探测器响应不同来判断Alice具体选基信息。

Alice可定义选基{0，π}为A基，基{π/2，3π/2}为B基，然后告知Bob哪些调制周期是A基，哪些调制周期是B基，但Bob并不知道A基和B基分别是什么基。理想的单光子探测条件下，基于DPSK的量子密钥分发系统的相位对基实施例的过程采用如下方式：

1.Bob记录不同选基(0或π/2)下，单光子探测器D0和D1响应情况，记录数据，记D0为“0”，D1为“1”；

2.Alice公布其不同时间段的选基不同，告知Bob哪些是A基，哪些是B基；

3.Bob根据Alice发送的随机数信息对比自己探测记录的数据信息。Bob选择0基，Alice选择A基，若相邻周期相邻两个时间T两个单光子探测器响应全部一致，则表明A基为{0，π}，B基为{π/2，3π/2}；而Bob选择π/2基，Alice选择A基，若相邻两个时间T两个单光子探测器响应全部相反，则表明A基为{π/2，3π/2}，B基为{0，π}，由此Bob可以判断出Alice的选基信息和具体编码信息；

4.Bob告知Alice哪些周期区间为有效数据区间，在不公布各自选基信息的条件下，完成初始密钥交换。

本发明实施例提供的基于DPSK的量子密钥分发系统，Alice和Bob发送选基是随机的。Alice具体选基信息没有公布，Alice选基{0，π}和基{π/2，3π/2}是不可知的，但Bob端可通过不同基下的相邻周期响应情况获知Alice选基信息，若Alice基为{0，π}，B基为{0}时，Alice的0对应的相邻周期响应(0,0)，Alice的π对应的相邻周期响应(1,1)，而若Alice基为{π/2，3π/2}，B基为{π/2}时，Alice的π/2对应的相邻周期响应(0,1)，Alice的3π/2对应的相邻周期响应(1,0)。因而可确定Alice发送的数据信息，Bob反馈有效数据的周期区间，则在对基过程可在不公布具体选基情况下，通过经典信道协商，Alice和Bob可确定双方需要保留的数据信息，从而获得相同的密钥。

本发明实施例提供的基于DPSK的量子密钥分发系统采用的单光子探测器可以采用2T周期的门控探测模式，在相邻周期内，单光子探测器D0和D1交替工作，第一周期只有D0工作，第二周期只有D1工作，D0和D1探测器有响应则记为“1”，无响应则记为“0”。则在若Alice基为{0，π}，B基为{0}时，Alice的0对应的相邻周期响应(1,0)，Alice的π对应的相邻周期响应(0,1)，而若Alice基为{π/2，3π/2}，B基为{π/2}时，Alice的π/2对应的相邻周期响应(1,1)，Alice的3π/2对应的相邻周期响应(0,0)，从而完成基矢确定和数据标定，实现初始密钥成码。

本发明实施例提供的基于DPSK的量子密钥分发系统，通过光时延周期T的方式将相位编码的量子态进行相邻周期的差分相移探测解码实现量子秘钥分发，有效减轻了相距较长时间的两个周期相位变化不一致导致DPSK解调误码升高问题，同时可利用选择不同相位基时相邻周期的相干输出结果不同的特点，在不公布具体的选基信息的条件下可完成量子密钥分发的经典交互过程，保证了量子密钥分发的安全性，并且Alice的四种相位态在Bob端有四种对应的探测器响应状态，进一步可实现四进制相位编码的量子密钥分发。

本发明实施例的一种基于DPSK的量子密钥分发编码器，包括：

单光子源，用于以时间T为周期产生单光子信号；

第一端相位调制器，用于以时间2T为调制周期对单光子信号进行二阶相位调制，输出单光子相位调制信号，调制周期中的一个时间T维持单光子信号的初始相位，另一个时间T采用第一基对单光子信号进行相位编码。

编码器的实现原理、技术效果与上述系统类似，此处不再赘述。

本发明实施例的一种基于DPSK的量子密钥分发解码器，包括：

分束器，用于接收单光子相位调制信号，并将单光子相位调制信号分成两路信号；

第二端相位调制器，用于对分束器输出的其中一路信号采用第二基进行调制，调制周期为时间2T；

延时器，用于对分束器输出的另一路信号进行延时，延时时间为T；

合束器，用于对第二端相位调制器和延时器的输出信号进行合束相干；

两个单光子探测器，分别位于合束器的两个输出端，用于对合束器的输出信号进行探测，获得探测结果。

解码器的实现原理、技术效果与上述系统类似，此处不再赘述。

本发明实施例的一种基于DPSK的量子密钥分发方法，包括步骤：

以时间T为周期产生单光子信号；

以时间2T为调制周期对单光子信号进行二阶相位调制，输出单光子相位调制信号，调制周期中的一个时间T维持单光子信号的初始相位，另一个时间T采用第一基对单光子信号进行相位编码；

将单光子相位调制信号分成两路信号；

对单光子相位调制信号分成的两路信号的其中一路信号采用第二基进行调制，调制周期为时间2T；

对单光子相位调制信号分成的两路信号的另一路信号进行延时，延时时间为T；

对采用第二基进行调制后的信号和延时后的信号进行合束相干；

对合束相干的两路输出信号进行探测，获得探测结果。

方法的实现原理、技术效果与上述系统类似，此处不再赘述。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。