基于BB84協議的量子密碼教學系統及其通信方法技術方案

本發明專利技術涉及一種基于BB84協議的量子密碼教學系統，包括用于發射量子信號的量子信號發射機、實驗光路以及用于接收量子信號的量子信號接收機，量子信號發射機和量子信號接收機通過實驗光路相連。本發明專利技術還公開了一種基于BB84協議的量子密碼教學系統的通信方法。本發明專利技術可以讓學生親自動手通過對實驗光路的調試，完成量子密鑰分發的過程，并通過加密傳輸一副圖片直觀的理解密鑰分發與實際有錯誤出現的分發過程，從而掌握量子密鑰分發的基本原理。學生可以選擇對原始數據進行分析，自己完成原始數據到成碼的后處理過程，加深對量子密鑰分發過程的理解。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種量子保密通信裝置，尤其是一種基于BB84協議的量子密碼教學系統及其通信方法。
技術介紹
現代密碼學體系主要基于計算的單向性，其安全性僅有經驗保證；量子計算機將使快速分解質因子算法成為可能，從而現有密碼體系的基礎不復存在。量子保密通信是不同于經典通信的保密通信方式，其具有理論上可被證明的絕對安全性。量子密鑰分發 (Quantum Key Distribution)通過操縱和傳送量子比特(Qubit)的方法，可在兩地之間分發任意長度的一串相同的隨機數，即密鑰；可以使用該隨機數對需要傳輸的信息進行加密。 如果采用“一次一密”(One-Time I^ad)的方式加解密經典信息，則可以保證傳輸信息的無條件安全。作為絕對安全的通信方式，量子信息的研究得到了業界廣泛的關注，并將在未來得到廣泛應用。為了使高校在校學生能熟悉量子通信的主流協議及掌握量子密鑰分發的基本原理，有必要研發一套實驗教學用的量子密碼教學系統。
技術實現思路
本專利技術的首要目的在于提供一種能夠讓學生動手調試、便于學生理解和掌握密鑰分發原理的基于BB84協議的量子密碼教學系統。為實現上述目的，本專利技術采用了以下技術方案一種基于BB84協議的量子密碼教學系統，包括用于發射量子信號的量子信號發射機、實驗光路以及用于接收量子信號的量子信號接收機，量子信號發射機和量子信號接收機通過實驗光路相連，所述的量子信號發射機包括第一 FPGA控制器和第一、二、三、四激光器，所述的第一 FPGA控制器的信號輸出端分別與第一、二、三、四激光器相連，第一 FPGA控制器通過接口配置芯片設置第一 PC機接口，所述的第一、二、三、四激光器均與實驗光路相連。本專利技術還公開了一種基于BB84協議的量子密碼教學系統的通信方法，該方法包括下列順序的步驟(1)量子信號發射機選擇H方向、V方向、+45°方向和-45°方向的偏振態，調整實驗光路，使量子信號發射機出口處一個脈沖的平均光子數小于1 ；(2)量子信號發射機準備的偏振態通過光纖信道傳送至量子信號接收機，量子信號接收機選擇HV水平垂直基矢和+45°、-45°基矢對光子進行接收，然后將所使用的基矢序列發送至量子信號發射機，量子信號發射機拋棄量子信號接收機使用錯誤測量基矢的位，生成原始密鑰；(3)隨機選擇部分原始密鑰進行比對，計算量子信號發射機和量子信號接收機的錯誤率，若錯誤率低于設定值，則形成安全密鑰，在量子信號發射機和量子信號接收機之間分發安全密鑰。由上述技術方案可知，本專利技術可以讓學生親自動手通過對實驗光路的調試，完成量子密鑰分發的過程，并通過加密傳輸一副圖片直觀的理解密鑰分發與實際有錯誤出現的分發過程，從而掌握量子密鑰分發的基本原理。學生可以選擇對原始數據進行分析，自己完成原始數據到成碼的后處理過程，加深對量子密鑰分發過程的理解。附圖說明圖1是本專利技術的電路框圖2、3分別是本專利技術中第一、二主控板的電路框圖； 圖4是本專利技術的工作流程圖。具體實施例方式一種基于BB84協議的量子密碼教學系統，包括用于發射量子信號的量子信號發射機、實驗光路1以及用于接收量子信號的量子信號接收機，量子信號發射機和量子信號接收機通過實驗光路1相連，如圖1所示。如圖1、2所示，所述的量子信號發射機包括第一 FPGA控制器2和第一、二、三、四激光器4、5、13、14，所述的第一 FPGA控制器2的信號輸出端分別與第一、二、三、四激光器 4、5、13、14相連，第一 FPGA控制器2通過接口配置芯片設置第一 PC機接口 6，所述的第一、 二、三、四激光器4、5、13、14均與實驗光路1相連。所述的第一 FPGA控制器2焊接封裝在第一主控板9上，所述的第一、二激光器4、5焊接封裝在第一激光板11上，所述的第三、四激光器13、14焊接封裝在第二激光板12上。如圖1、3所示，所述的量子信號接收機包括第二 FPGA控制器3和單光子探測器7， 所述的第二 FPGA控制器3的信號輸入端與單光子探測器7相連，單光子探測器7與實驗光路1相連，第二 FPGA控制器3通過接口配置芯片設置第二 PC機接口 8。所述的第二 FPGA 控制器3焊接封裝在第二主控板10上。如圖1、2、3所示，所述的第一 FPGA控制器2與第二 FPGA控制器3相連，所述的第一 FPGA控制器2通過第一 PC機接口 6與主機通訊，所述的第二 FPGA控制器3通過第二 PC 機接口 8與主機通訊。第一 FPGA控制器2的同步信號輸出端與第二 FPGA控制器3的同步信號端相連，量子信號發射機的第一主控板9和量子信號接收機的第二主控板10的基本原理都是一樣的，只是第一、二 FPGA控制器2、3的內部邏輯有所不同，所以用途也不同第一 FPGA控制器2主要是接收主機通過第一 PC機接口 6發過來的命令，去控制第一、二激光板11、12，而第二 FPGA控制器3是將單光子探測器7探測到的信號通過第二 PC機接口 8傳給主機。第一 FPGA控制器2與第二 FPGA控制器3都主要是完成這些功能信號的同步、所用數據的幀編碼及控制、外部緩沖單元的緩沖和接口配置芯片控制引腳的配置。第一 FPGA 控制器2先要用輸入時鐘產生同步時鐘信號送給量子信號接收機，用真隨機數芯片產生的隨機數去調制光脈沖，從而控制第一、二激光板11、12的四路激光器——第一、二、三、四激光器4、5、13、14發出所需的光子偏振態。接收方第二 FPGA控制器3需要接收發射方送過來的同步信號，從而實現雙方收發的同步。接收方幀的編碼結構與發射方的是不一樣的，但幀格式的定義是相同的，每幀之間都有標志位。在工作時，量子信號發射機的第一主控板9在配套軟件的控制下控制第一、二激光板11、12的四路激光器——第一、二、三、四激光器4、5、13、14發出激光，再連到實驗光路 1進行調節。實驗光路1先使量子信號發射機的出光衰減到單光子量級，再通過機械偏振控制器調節光的偏振態，即設置量子信號發射機和量子信號接收機所使用的基矢，經過光路后，四路光合束成一路，送給量子信號接收機的單光子探測器7。量子信號接收機接收到的信號再通過第二主控板10與主機交互，可以通過主機界面觀察實驗結果。如圖4所示，在工作時，首先，量子信號發射機選擇H方向、V方向、+45°方向和-45°方向偏振態，調整實驗光路1，使量子信號發射機出口處一個脈沖的平均光子數小于1 ；其次，量子信號發射機準備的偏振態通過光纖信道傳送至量子信號接收機，量子信號接收機選擇HV水平垂直基矢和+45°、-45°基矢對光子進行接收，然后將所使用的基矢序列發送至量子信號發射機，量子信號發射機拋棄量子信號接收機使用錯誤測量基矢的位， 生成原始密鑰；最后，隨機選擇部分原始密鑰進行比對，計算量子信號發射機和量子信號接收機的錯誤率，若錯誤率低于設定值，則形成安全密鑰，在量子信號發射機和量子信號接收機之間分發安全密鑰。如圖4所示，所述的第一 FPGA控制器2控制隨機發送H方向、V方向、+45°方向和-45°方向的偏振態，第二 FPGA控制器3隨機選擇HV基矢、+45°、-45°基矢對光子進行接收，調整實驗光路1，使第一、二、三、四激光器4、5、13、14出口處一個脈沖的平均光子數約為0. 1個光子/每個脈沖。隨機選擇一部分原始密鑰進行比本文檔來自技高網...

【技術保護點】
１．一種基于ＢＢ８４協議的量子密碼教學系統，其特征在于：包括用于發射量子信號的量子信號發射機、實驗光路以及用于接收量子信號的量子信號接收機，量子信號發射機和量子信號接收機通過實驗光路相連，所述的量子信號發射機包括第一ＦＰＧＡ控制器和第一、二、三、四激光器，所述的第一ＦＰＧＡ控制器的信號輸出端分別與第一、二、三、四激光器相連，第一ＦＰＧＡ控制器通過接口配置芯片設置第一ＰＣ機接口，所述的第一、二、三、四激光器均與實驗光路相連。

【技術特征摘要】
1.一種基于BB84協議的量子密碼教學系統，其特征在于包括用于發射量子信號的量子信號發射機、實驗光路以及用于接收量子信號的量子信號接收機，量子信號發射機和量子信號接收機通過實驗光路相連，所述的量子信號發射機包括第一 FPGA控制器和第一、 二、三、四激光器，所述的第一 FPGA控制器的信號輸出端分別與第一、二、三、四激光器相連，第一 FPGA控制器通過接口配置芯片設置第一 PC機接口，所述的第一、二、三、四激光器均與實驗光路相連。2.根據權利要求1所述的基于BB84協議的量子密碼教學系統，其特征在于所述的量子信號接收機包括第二 FPGA控制器和單光子探測器，所述的第二 FPGA控制器的信號輸入端與單光子探測器相連，單光子探測器與實驗光路相連，第二 FPGA控制器通過接口配置芯片設置第二 PC機接口。3.根據權利要求1所述的基于BB84協議的量子密碼教學系統，其特征在于所述的第一 FPGA控制器焊接封裝在第一主控板上，所述的第一、二激光器焊接封裝在第一激光板上，所述的第三、四激光器焊接封裝在第二激光板上。4.根據權利要求2所述的基于BB84協議的量子密碼教學系統，其特征在于所述的第二 FPGA控制器焊接封裝在第二主控板上。5.根據權利要求1或2所述的基于BB84協議的量子密碼教學系統，其特征在于所述的第一 FPGA控制器與第二 FPGA控制器相連，所述的第一 FPGA控制器通過第一 PC機接口與主機通訊，所述的第二 FPGA控制器通過第二 PC機接口與主機通訊，第一 FPGA控制器的同步信號輸出端與第二 FPGA控制器的同步信號端相連。6.根據權利要求1所述的基于BB84協議的量子密碼教學系統的通信方法，該方法包括下列順序的步驟(1)量子信號發射機選擇H方向、V方向、+45°方向和-45°方向的偏振態，調整實驗光路，使量子信號發射機出口處一個脈沖的平均光...

【專利技術屬性】
技術研發人員：唐世彪，周雷，劉洋，梁昊，陳騰云，趙勇，
申請(專利權)人：安徽量子通信技術有限公司，
類型：發明
國別省市：34