一種改進(jìn)單光子探測(cè)的量子密鑰分配系統(tǒng)技術(shù)方案

一種改進(jìn)單光子探測(cè)的量子密鑰分配系統(tǒng)，Alice端包括：看門狗探測(cè)器、光衰減器、相位調(diào)制器、反射鏡、控制器和光子發(fā)射器；Bob端包括：激光器、時(shí)分復(fù)用/解復(fù)用系統(tǒng)、相位調(diào)制器、單光子探測(cè)器、控制器、光開關(guān)和反射鏡。本實(shí)用新型專利技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于：(1)實(shí)現(xiàn)雙向、穩(wěn)定、安全的量子密鑰分發(fā)，可對(duì)單光子的極化和相位變化進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償，達(dá)到穩(wěn)定長距離的傳輸目的；(2)Alice端采用看門狗探測(cè)器，一方面，通過測(cè)量到達(dá)或離開Alice端的弱脈沖個(gè)數(shù)，可探測(cè)到木馬攻擊和中間人攻擊，極大地提升了通訊安全性；另一方面，極大地提升了系統(tǒng)的通信速率和通信距離；(3)Alice端和Bob端可分別調(diào)整和校正，能獨(dú)立選擇μ，不用借助在不安全光纖線路上傳播光子，以保證系統(tǒng)安全。（*該技術(shù)在2020年保護(hù)過期，可自由使用*）

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本技術(shù)涉及一種雙向、穩(wěn)定、安全的改進(jìn)單光子探測(cè)的量子密鑰分配系統(tǒng)。
技術(shù)介紹
量子通信技術(shù)是量子信息科學(xué)的一個(gè)重要分支，它是以量子態(tài)作為信息單元，利用量子力學(xué)的一些原理來傳輸和保護(hù)信息，通常把通信雙方以量子態(tài)為信息載體，利用量子力學(xué)原理，通過量子信道傳輸，在保密通信雙方之間建立共享密鑰的方法，稱為量子密鑰分配(Quantum?Key?Distribution-QKD)，其安全性是由量子力學(xué)中的“海森堡測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系”及“單量子不可復(fù)制定理”或糾纏粒子的相干性和非局域性等量子特性來保證的。QKD是保證通信安全性的重要環(huán)節(jié)，其能讓通信雙方共享一個(gè)無條件安全密鑰，因?yàn)榱孔訖C(jī)制就能保證安全，密鑰能在之后用來一次性地加密和解密消息，如何提高QKD系統(tǒng)的安全性以抵御外界的攻擊是量子通信技術(shù)研究的重要內(nèi)容。目前，竊聽者Eve的攻擊可分為：(1)木馬攻擊，通過保持Bob端到Alice端再到Bob端的信號(hào)保持不變，加入一個(gè)探測(cè)信號(hào)，在木馬攻擊中，竊聽者借助量子信道的分接頭向Alice端發(fā)射一個(gè)較弱和短的定時(shí)探測(cè)脈沖，使它能恰好趕上或接近Bob端向Alice端發(fā)送的一個(gè)脈沖，以獲得Alice端加到脈沖里的相位信息的時(shí)刻并發(fā)送到Alice端的相位調(diào)制器，這樣Bob端傳給Alice端的信號(hào)在Alice端進(jìn)行調(diào)制并傳回Bob端就保持未被探測(cè)信號(hào)影響的狀態(tài)；(2)“中間人”攻擊，即阻擋從Bob端到Alice端再到Bob端的信號(hào)并改變，在“中間人”攻擊中，Eve在Alice端和Bob端中間放置的裝置假裝是其中之一，并能在適當(dāng)?shù)念l率和時(shí)間上向Alice端發(fā)送弱信號(hào)來獲取相位調(diào)制器的設(shè)置信息，Eve制出Alice端調(diào)制信號(hào)的副本傳到光纖上，這樣Bob端接收到的信號(hào)好像是經(jīng)過認(rèn)證的。在現(xiàn)有技術(shù)中，國外有采用“即插即用”的QKD系統(tǒng)，但此系統(tǒng)由于背向瑞利散射限制了密鑰分配速率，往返式的密鑰傳輸方式也無法抵御木馬攻擊和中間人攻擊。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
有鑒于此，本技術(shù)的主要目的在于提供一種雙向、穩(wěn)定、安全的改進(jìn)單光子探測(cè)的量子密鑰分配系統(tǒng)。為達(dá)到上述目的，本技術(shù)的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：一種改進(jìn)單光子探測(cè)的量子密鑰分配系統(tǒng)，包括Alice端和Bob端，所述的Alice端包括：看門狗探測(cè)器，其與光開關(guān)相連，用于監(jiān)控離開或進(jìn)入Alice端的光信號(hào)；光衰減器，其與光開關(guān)相連，用于衰減脈沖；相位調(diào)制器，其與光衰減器相連，用于對(duì)脈沖進(jìn)行相位調(diào)制；反射鏡，用于反射通過相位調(diào)制器從發(fā)射密鑰編碼站來的輻射脈沖；控制器，其與相位調(diào)制器耦合，用于給相位調(diào)制器一個(gè)初始的門信號(hào)來激活相位調(diào)制器調(diào)制脈沖；光子發(fā)射器，其與光衰減器和控制器相連，用于發(fā)射光脈沖。-->所述的Bob端包括：激光器，用于發(fā)射光脈沖；時(shí)分復(fù)用/解復(fù)用系統(tǒng)，用于接收從激光器發(fā)射的脈沖，并把每個(gè)脈沖分成兩個(gè)時(shí)分復(fù)用脈沖在輸出端輸出，以及接收從Alice端來的一對(duì)時(shí)分復(fù)用脈沖，并將其合成一個(gè)脈沖，在輸出端輸出；相位調(diào)制器，其與時(shí)分復(fù)用/解復(fù)用系統(tǒng)相連，用于對(duì)光脈沖進(jìn)行相位調(diào)制；單光子探測(cè)器，其與時(shí)分復(fù)用/解復(fù)用系統(tǒng)相連，用于監(jiān)控離開或進(jìn)入Bob端的光脈沖；控制器，其與相位調(diào)制器耦合，用于給相位調(diào)制器一個(gè)初始的門信號(hào)來激活相位調(diào)制器調(diào)制脈沖；光開關(guān)，其與相位調(diào)制器相連；反射鏡，其與光開關(guān)相連，用于反射通過相位調(diào)制器從發(fā)射密鑰編碼站來的輻射脈沖。所述的看門狗探測(cè)器為升頻單光子探測(cè)器。所述的單光子探測(cè)器為Si-APD、Ge-APD或InGaAs-APD。本技術(shù)相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有以下突出的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的進(jìn)步：1、實(shí)現(xiàn)雙向、穩(wěn)定、安全的量子密鑰分發(fā)，優(yōu)于單向量子密鑰分配系統(tǒng)，可對(duì)單光子的極化和相位變化進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償，達(dá)到穩(wěn)定長距離的傳輸目的。2、將升頻單光子探測(cè)器用于Alice端作為看門狗，一方面，通過測(cè)量到達(dá)或離開Alice端的弱脈沖個(gè)數(shù)，可探測(cè)到木馬攻擊和中間人攻擊，極大地提升了通訊安全性；另一方面，極大地提升了系統(tǒng)的通信速率和通信距離。3、Alice端和Bob端可分別調(diào)整和校正，能獨(dú)立選擇μ，不用借助在不安全光纖線路上傳播光子，以保證系統(tǒng)安全。附圖說明圖1為本技術(shù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖2為應(yīng)用升頻探測(cè)器的理想通信模型；圖3為升頻探測(cè)器的暗計(jì)數(shù)和泵浦的變化關(guān)系；圖4為升頻探測(cè)器量子效率隨泵浦功率的變化關(guān)系。具體實(shí)施方式如圖1所示，本技術(shù)包括Alice端和Bob端，所述的Alice端包括：看門狗探測(cè)器21，其與光開關(guān)20相連，用于監(jiān)控離開或進(jìn)入Alice端的光信號(hào)；光衰減器24，其與光開關(guān)20相連，用于衰減脈沖；相位調(diào)制器23，其與光衰減器24相連，用于對(duì)脈沖進(jìn)行相位調(diào)制；反射鏡22，用于反射通過相位調(diào)制器23從發(fā)射密鑰編碼站來的輻射脈沖；控制器25，其與相位調(diào)制器23耦合，用于給相位調(diào)制器23一個(gè)初始的門信號(hào)來激活相位調(diào)制器23調(diào)制脈沖；光子發(fā)射器26，其與光衰減器24和控制器25相連，用于發(fā)射光脈沖。所述的Bob端包括：激光器10，用于發(fā)射激光脈沖；時(shí)分復(fù)用/解復(fù)用系統(tǒng)18，用于接收從激光器10發(fā)射的脈沖，并把每個(gè)脈沖分成兩個(gè)時(shí)分復(fù)用脈沖在輸出端輸出，以及-->接收從Alice端來的一對(duì)時(shí)分復(fù)用脈沖，并將其合成一個(gè)脈沖，在輸出端輸出；相位調(diào)制器13，其與時(shí)分復(fù)用/解復(fù)用系統(tǒng)18相連，用于對(duì)光脈沖進(jìn)行相位調(diào)制；單光子探測(cè)器15，其與時(shí)分復(fù)用/解復(fù)用系統(tǒng)18相連，用于監(jiān)控離開或進(jìn)入Bob端的光脈沖；控制器16，其與相位調(diào)制器13耦合，用于給相位調(diào)制器13一個(gè)初始的門信號(hào)來激活相位調(diào)制器13調(diào)制脈沖；光開關(guān)12，其與相位調(diào)制器13相連；反射鏡14，其與光開關(guān)12相連，用于反射通過相位調(diào)制器13從發(fā)射密鑰編碼站來的輻射脈沖。激光器發(fā)射激光，激光經(jīng)輸入端耦合進(jìn)入時(shí)分復(fù)用/解復(fù)用系統(tǒng)，分成兩個(gè)分離的光脈沖，兩個(gè)脈沖P1、P2強(qiáng)度不同，然后進(jìn)入相位調(diào)制器，脈沖通過光纖傳到Alice端的光衰減器，光衰減器可對(duì)信號(hào)進(jìn)行衰減，然后通過相位調(diào)制器，再被反射鏡反射傳回第二次通過相位調(diào)制器；在P1和P2通過相位調(diào)制器時(shí)，P1脈沖被調(diào)制，這要借助控制器在脈沖通過相位調(diào)制器時(shí)的短時(shí)間內(nèi)發(fā)送一個(gè)定時(shí)門信號(hào)來驅(qū)動(dòng)相位調(diào)制器，脈沖P1和P2經(jīng)衰減器傳回并偏轉(zhuǎn)到看門狗探測(cè)器；當(dāng)Bob端和Alice端在建立量子密鑰期間初始化弱脈沖交換時(shí)，看門狗探測(cè)器來統(tǒng)計(jì)從Bob端傳到Alice端的脈沖數(shù)和離開Alice端到Bob端的脈沖數(shù)，此計(jì)數(shù)在相位調(diào)制器調(diào)制脈沖P1開始。當(dāng)光開關(guān)作為分光器時(shí)，脈沖P1和P2的10％直接傳到看門狗探測(cè)器，此時(shí)可測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)Alice端的脈沖數(shù)，實(shí)際中，離開Alice端的脈沖數(shù)也被記下來，這樣，看門狗探測(cè)器可檢驗(yàn)進(jìn)出Alice端的光子數(shù)是否泊松統(tǒng)計(jì)分布。Bob端的控制器16與Alice端的控制器25通過電或光進(jìn)行連接來保證雙方之間的同步性。如：當(dāng)密鑰在雙方之間進(jìn)行交換時(shí)，雙方的相位調(diào)制器13和23，單光子探測(cè)器15和看門狗探測(cè)器21是通過一個(gè)門信號(hào)用控制器進(jìn)行協(xié)調(diào)的。脈沖被時(shí)分復(fù)用/解復(fù)用系統(tǒng)18分為兩個(gè)分離的光脈沖P1、P2通過Alice端的控制器25給相位調(diào)制器一個(gè)信號(hào)S1來調(diào)制P1的相位，同時(shí)也給看門狗探測(cè)器21一個(gè)門信號(hào)Sd，通過定時(shí)信號(hào)Sd來驅(qū)動(dòng)看門狗探測(cè)器21，這樣本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種改進(jìn)單光子探測(cè)的量子密鑰分配系統(tǒng)，包括Alice端和Bob端，其特征在于：所述的Alice端包括：看門狗探測(cè)器(21)，其與光開關(guān)(20)相連，用于監(jiān)控離開或進(jìn)Alice端的光信號(hào)；光衰減器(24)，其與光開關(guān)(20)相連，用于衰減脈沖；相位調(diào)制器(23)，其與光衰減器(24)相連，用于對(duì)脈沖進(jìn)行相位調(diào)制；反射鏡(22)，用于反射通過相位調(diào)制器(23)從發(fā)射密鑰編碼站來的輻射脈沖；控制器(25)，其與相位調(diào)制器(23)耦合，用于給相位調(diào)制器(23)一個(gè)初始的門信號(hào)來激活相位調(diào)制器(23)調(diào)制脈沖；光子發(fā)射器(26)，其與光衰減器(24)和控制器(25)相連，用于發(fā)射光脈沖；所述的Bob端包括：激光器(10)，用于發(fā)射激光脈沖；時(shí)分復(fù)用/解復(fù)用系統(tǒng)(18)，用于接收從激光器(10)發(fā)射的脈沖，并把每個(gè)脈沖分成兩個(gè)時(shí)分復(fù)用脈沖在輸出端輸出，以及接收從Alice端來的一對(duì)時(shí)分復(fù)用脈沖，并將其合成一個(gè)脈沖，在輸出端輸出；相位調(diào)制器(13)，其與時(shí)分復(fù)用/解復(fù)用系統(tǒng)(18)相連，用于對(duì)光脈沖進(jìn)行相位調(diào)制；單光子探測(cè)器(15)，其與時(shí)分復(fù)用/解復(fù)用系統(tǒng)(18)相連，用于監(jiān)控離開或進(jìn)入Bob端的光脈沖；控制器(16)，其與相位調(diào)制器(13)耦合，用于給相位調(diào)制器(13)一個(gè)初始的門信號(hào)來激活相位調(diào)制器(13)調(diào)制脈沖；光開關(guān)(12)，其與相位調(diào)制器(13)相連；反射鏡(14)，其與光開關(guān)(12)相連，用于反射通過相位調(diào)制器(13)從發(fā)射密鑰編碼站來的輻射脈沖。...

【技術(shù)特征摘要】
1.一種改進(jìn)單光子探測(cè)的量子密鑰分配系統(tǒng)，包括Alice端和Bob端，其特征在于：所述的Alice端包括：看門狗探測(cè)器(21)，其與光開關(guān)(20)相連，用于監(jiān)控離開或進(jìn)Alice端的光信號(hào)；光衰減器(24)，其與光開關(guān)(20)相連，用于衰減脈沖；相位調(diào)制器(23)，其與光衰減器(24)相連，用于對(duì)脈沖進(jìn)行相位調(diào)制；反射鏡(22)，用于反射通過相位調(diào)制器(23)從發(fā)射密鑰編碼站來的輻射脈沖；控制器(25)，其與相位調(diào)制器(23)耦合，用于給相位調(diào)制器(23)一個(gè)初始的門信號(hào)來激活相位調(diào)制器(23)調(diào)制脈沖；光子發(fā)射器(26)，其與光衰減器(24)和控制器(25)相連，用于發(fā)射光脈沖；所述的Bob端包括：激光器(10)，用于發(fā)射激光脈沖；時(shí)分復(fù)用/解復(fù)用系統(tǒng)(18)，用于接收從激光器(10)發(fā)射的脈沖，并把每個(gè)脈沖分成兩個(gè)時(shí)分復(fù)用脈沖在輸出端輸出，以及接收從Ali...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：焦榮珍，馬海強(qiáng)，韓清瑤，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：北京郵電大學(xué)，
類型：新型
國別省市：北京;11