一种相位稳定的多用户TF-QKD系统及实现方法

一种相位稳定的多用户tf-qkd系统及实现方法
技术领域
1.本发明涉及量子保密通信及光通信领域，具体涉及一种相位稳定的多用户tf-qkd系统及实现方法。


背景技术：

2.量子密钥分发(quantum key distribution，qkd)实现了合法通信用户(通常称为alice、bob)间秘密共享一组量子密钥的过程，与传统密码学不同，其安全性基于量子力学，具有理论上的无条件安全性。但是实际qkd系统由于环境及器件不完美性等因素影响，存在被窃听者(通常为eve)窃取信息的风险。从1984年，由bennett和brassard提出的历史上的第一个qkd协议——bb84协议，到后来2012年，由lo等人提出的能抵御测量端攻击的测量设备无关(measurement device independent,mdi)-qkd协议，研究人员一直在致力于提高实际qkd系统的安全性。
3.除了安全性，传输距离和成码率也是qkd系统评估的重要指标，直接关系到一个qkd系统的现实意义。2017年，由stefano pirandola等人提出了无中继情况下，点对点量子通信成码率的极限值r，即plob界，它与信道透射率η的关系如下：
4.r≤-log2(1-η)
5.在文章中提到，通过量子中继有可能打破这个理论限制，但目前的技术水平难以实现量子中继的功能。2018年，在相位调制mdi-qkd基础上，lucamarini等人提出了基于单光子干涉的双场(twin-field,tf)-qkd协议。tf-qkd协议在保留了mdi-qkd的免疫探测器攻击的优点下，突破了plob界，大大提高了qkd距离及远距离无中继情况下的qkd成码率。
6.随着量子网络的发展，多点多用户qkd技术迅速发展，在量子网络中使用多点多用户qkd技术能大大提高量子网络效率及利用率。然而传统多用户方案存在通信距离较短的问题，而且相位漂移的问题严重影响了传统相位调制qkd系统的成码率，只能通过相位补偿的方式去解决相位漂移的问题，而这是传统相位调制qkd方案实现的一大困难点。
7.在专利202011583323.x中提出的多用户tf-qkd方案中，虽然实现了在一个多用户网络中能同时实现多组tf-qkd过程的方案，但是在这个量子网络中，通信双方调制的信号的相位差会受到相位漂移的影响而不稳定，因此需要进行相位补偿。


技术实现要素：

8.为了解决上述存在的技术问题，本发明提出了一种相位稳定的多用户tf-qkd系统及实现方法。
9.为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：一种相位稳定的多用户tf-qkd系统，用于通信双方进行tf-qkd过程，
10.包括环形信道及n个用户端，所述n个用户端通过所述环形信道依次相连，其中，n≥2，在环形信道上的任意两个用户端可作为通信双方进行通信；
11.所述用户端包括发送测量通道、调制通道及无器件通道，各通道呈并行分布，各通
道的两端分别通过光开关与所述环形信道连接；
12.所述发送测量通道包括发送端和测量端，所述发送端和测量端由光环形器连接；所述光环形器配置为发送端产生的信号通过所述光环形器只能到达所述光开关，经过所述光开关进入所述发送测量通道的信号通过所述光环形器只能到达所述测量端；
13.所述调制通道设有一用于通信双方调制信号的调制端，所述调制端包括依次连接的固定光衰减器foa、强度调制器im、相位调制器pm、光延迟线delay和可调光衰减器voa；所述无器件通道，用于不参与qkd过程时使其他用户信号可以通过该用户端。
14.在本发明中，由于通信双方量子信号在信道中所经过的传输路径一样，被调制的两路信号因为相位差稳定，因此无需进行相位补偿；由于通信双方调制的信号来源于同一光源，因此无需进行光源同频。
15.优选的，所述发送测量通道的发送端配置为相干光源；
16.所述测量端包括两个偏振控制器pc、一个分束器bs和两个单光子探测器det；各单光子探测器det分别与分束器bs相连；
17.所述发送端和测量端之间的光环形器具有两个，各光环形器的一端与所述发送端相连，另一端通过所述偏振控制器pc与分束器bs相连。
18.进一步优选的，所述偏振控制器pc通过对所述光环形器输出的偏振态信号进行调制实现纠偏功能。
19.优选的，所述环形信道为双向信道，环形信道上的信号既可以沿顺时针传递，也可以沿逆时针传递。
20.优选的，所述多用户tf-qkd系统增加用户数时，每增加一个用户，则在环形信道中增加一个对应用户端。
21.一种相位稳定的多用户tf-qkd的实现方法，应用在如上的多用户tf-qkd系统上，所述实现方法包括以下步骤：
22.步骤一：由通信双方协商确定第三方用户，所述第三方用户经过经典验证后作为发送端及测量端加入tf-qkd过程；
23.步骤二：通信双方的光开关选择所述调制通道与所述环形信道相连，所述第三方用户通过光开关选择所述发送测量通道与所述环形信道相连，所述环形信道上的其他用户通过光开关选择所述无器件通道与所述环形信道相连；
24.步骤三：所述第三方用户的发送端发送的信号经过光环行器及光开关后，分别以顺时针和逆时针进入所述环形信道；
25.步骤四：当来自第三方用户的信号沿所述环形信道进入通信双方中信号传输距离短的用户端调制通道时，该用户端对信号不进行任何操作；
26.步骤五：当信号经过通信双方中信号传输距离短的用户端后，再次进入环形信道，经过环形信道进入信号传输距离长的用户端调制通道时，此时信号所进入的用户端对信号进行调制；
27.步骤六：通信双方分别通过固定光衰减器foa、强度调制器im、相位调制器pm、光延迟线delay和可调光衰减器voa，对信号实现固定衰减，强度调制，相位调制，时间延迟，衰减至单光子级别的功能；
28.步骤七：调制后的信号再次通过光开关进入环形信道后，通过第三方用户的光开
关及光环形器进入第三方用户的测量端；
29.步骤八：经通信双方调制的信号进入测量端发生单光子干涉，根据单光子探测器det的响应情况成码；
30.步骤九：通信双方进行后处理操作。
31.优选的，在所述步骤六中，通信双方对信号进行的调制，其中，强度调制器im实现的强度调制功能用于诱惑态制备，光延迟线delay实现的时间延迟功能用于弥补通信双方非对称路径对成码带来的影响。
32.优选的，在所述步骤九中，所述后处理操作包括误码估计、纠错和隐私放大。
33.本发明有益的技术效果：
34.1.本发明提供了一种相位稳定的多用户tf-qkd系统及实现方法，实现了一种相位稳定的多用户tf-qkd系统，具有结构简单的优点，以现有技术基础容易实现，实用性较强；
35.2.该系统采用tf-qkd协议，在远距离量子通信中具有较高的成码率，且对测量设备的攻击具有免疫性；
36.3.该系统由于通信双方调制的信号传输路径相同，两路信号的相位差稳定，因此无需进行相位补偿；
37.4.由于通信双方调制的信号来源于同一光源，因此无需像传统tf-qkd一样进行光源同频；
38.5.该系统可满足环形信道上任意两个用户的tf-qkd过程，可以以环形信道上的任意一个其他用户作为信号发送方及测量方，大大提高网络资源利用率。
附图说明
39.图1为本发明提供的相位稳定的多用户tf-qkd系统的整体结构图；
40.图2为本发明提供的相位稳定的多用户tf-qkd系统的用户端结构图；
41.图3为本发明提供的相位稳定的多用户tf-qkd系统的发送测量通道结构图；
42.图4为本发明提供的相位稳定的多用户tf-qkd系统的调制通道结构图；
43.图5为本发明提供的相位稳定的多用户tf-qkd系统的具体实例说明图；
44.图6为本发明提供的相位稳定的多用户tf-qkd系统的实现方法的整体流程图。
具体实施方式
45.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明，但本发明要求保护的范围并不局限于下述具体实施例。
46.一种基于环形网络的多用户tf-qkd系统，包括n个用户端及环形信道，其中：tf-qkd是一种基于单光子干涉的相位调制qkd协议，与相位调制mdi-qkd不同，将信息编码在整体相位上，从而使得成码率具体说明如下，在原始tf-qkd协议中，通信双方(alice、bob)发送的态如下：
47.[0048][0049]
其中，|0＞和|1＞分别为真空态和单光子态，和为所制备的量子态相位，且当选择x基矢时当选择y基矢时当alice与bob的量子态在测量端发生干涉时，此时可表示为
[0050][0051]
其中,spd0和spd1是测量端的两个单光子探测器，则当时，spd0和spd1有且仅有一个会相应，此时响应概率可表示为
[0052][0053][0054]
因此干涉结果只与alice和bob发送的量子态相位差有关，而不单独与alice和bob所调节相位的相关。因此tf-qkd实际上是单光子干涉，信息的编码是整体的相位，即如果alice和bob发送的量子态相位差能保持稳定，则无需进行相位补偿，而相位差的变化在tf-qkd中主要是由于两路量子态所经过的路径不同，受到的环境干扰和器件影响不同导致的。同时因为信息的编码是整体相位，测量端没有办法判断信号是来自于alice还是bob。tf-qkd的成码率为
[0055][0056]
其中q
μ
是总增益，e
μ
是错误率，q
1l
为单光子增益下限，为单光子错误率上限，m为随机相位调制时等分的切片数，h是二元香农熵，f是纠错效率。
[0057]
如图1所示，本实施例提供了一种相位稳定的多用户tf-qkd系统，用于通信双方进行tf-qkd过程，
[0058]
包括环形信道及n个用户端，所述n个用户端通过所述环形信道依次相连，其中，n≥2，在环形信道上的任意两个用户端可作为通信双方进行通信；
[0059]
在本实施例中，所述环形信道为双向信道，环形信道上的信号既可以沿顺时针传递，也可以沿逆时针传递。
[0060]
如图2所示，所述用户端包括发送测量通道、调制通道及无器件通道，各通道呈并行分布，各通道的两端分别通过光开关与所述环形信道连接；
[0061]
所述调制通道设有一用于通信双方调制信号的调制端；所述无器件通道，用于不参与qkd过程时使其他用户信号可以通过该用户端。
[0062]
如图3所示，所述发送测量通道包括发送端和测量端，所述发送端和测量端由光环形器连接(即circulator)；所述光环形器配置为发送端产生的信号通过所述光环形器只能到达所述光开关，经过所述光开关进入所述发送测量通道的信号通过所述光环形器只能到
达所述测量端；
[0063]
所述发送测量通道的发送端配置为相干光源(即laser)；
[0064]
所述测量端包括两个偏振控制器pc、一个分束器bs和两个单光子探测器det；各单光子探测器det分别与分束器bs相连；
[0065]
所述发送端和测量端之间的光环形器具有两个，各光环形器的一端与所述发送端相连，另一端通过所述偏振控制器pc与分束器bs相连。
[0066]
具体的，所述偏振控制器pc通过对所述光环形器输出的偏振态信号进行调制实现纠偏功能。
[0067]
如图4所示，所述调制端包括依次连接的固定光衰减器foa、强度调制器im、相位调制器pm、光延迟线delay和可调光衰减器voa；
[0068]
如图5、图6所示，本实施例还提供了一种相位稳定的多用户tf-qkd的实现方法，应用于前述的一种相位稳定的多用户tf-qkd系统上，图中所示情况为通信双方(user1，user2)与第三方用户(user3)进行tf-qkd的情景，所述实现方法包括以下步骤：
[0069]
步骤一：由通信双方协商确定第三方用户，所述第三方用户经过经典验证，例如数字签名，然后作为发送端及测量端加入tf-qkd过程；
[0070]
步骤二：通信双方的光开关选择所述调制通道与所述环形信道相连，所述第三方用户通过光开关选择所述发送测量通道与所述环形信道相连，所述环形信道上的其他用户通过光开关选择所述无器件通道与所述环形信道相连；
[0071]
步骤三：所述第三方用户的发送端发送的信号经过光环行器及光开关后，分别以顺时针，即图5中的强信号b，和逆时针，即图5中的强信号a，进入所述环形信道；
[0072]
步骤四：当来自第三方用户的信号沿所述环形信道进入通信双方中信号传输距离较短的用户端调制通道时,即强信号a进入user1，强信号b进入user2，该用户端对信号不进行任何调制，即衰减至图5所示较强信号a和较强信号b；
[0073]
步骤五：当信号经过通信双方中信号传输距离较短的用户端后，再次进入环形信道,此时为图示较强信号a和较强信号b，经过环形信道进入通信双方中信号传输距离较长的用户端调制通道时,即较强信号a进入user2，较强信号b进入user1，此时信号进入的用户端对信号进行调制；
[0074]
步骤六：通信双方分别通过固定光衰减器foa、强度调制器im、相位调制器pm、光延迟线delay和可调光衰减器voa，对信号实现固定衰减，强度调制，相位调制，时间延迟，衰减至单光子级别的功能；
[0075]
通信双方对信号进行的调制，其中，强度调制器im实现的强度调制功能用于诱惑态制备，光延迟线delay实现的时间延迟功能用于弥补通信双方非对称路径对成码带来的影响。
[0076]
步骤七：调制后的信号，即图5所示量子信号a、量子信号b，再次通过光开关进入环形信道后，通过第三方用户的光开关及光环形器进入第三方用户的测量端；
[0077]
步骤八：经通信双方调制的信号进入测量端发生单光子干涉，根据单光子探测器det的响应情况成码；
[0078]
步骤九：通信双方进行后处理操作；所述后处理操作包括误码估计、纠错和隐私放大。
[0079]
在本实施例中，相位稳定的多用户tf-qkd系统具有拓展性，可以不断增加用户数，每增加一个用户仅需在环形信道上增加一个对应的用户端。
[0080]
在本实施例中，相位稳定的多用户tf-qkd系统可以实现环形信道上任意两个用户的tf-qkd过程，且由于通信双方所调制的信号传输路径相同，两路信号的相位差稳定，因此无需对信号进行相位补偿；由于通信双方所调制的信号来源于同一光源，因此通信双方无需进行光源同频。
[0081]
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对发明构成任何限制。