[0001] 本实用新型涉及量子信息及光纤通信的技术领域，具体涉及一种基于Sagnac环调制的多用户MDI‑QKD系统。

[0002] 量子密钥分发(quantum key distribution，简称QKD)技术是基于量子力学的基本原理，其在理论上已经证明了能够实现无条件安全的密钥共享。然而由于实际器件及设备存在非理想特性，量子密钥分发系统实际的安全性与理论上还存在一定的差距；其中探测端中的单光子探测器是最容易受到攻击的部分，严重影响了量子密钥分发系统的实际安全性；其次在具体的实施中，外界环境的变化会对整个系统带来影响从而影响密钥率。

[0003] 测量设备无关量子密钥分发(Measurement Device Independent Quantum Key Distribution，MDI‑QKD)协议完美解决了由于探测器不完美而存在潜在安全风险的问题。而即插即用系统的优点在于完美的稳定性，对由环境变化而引起的误差有很好的补偿作用。

[0004] 但是目前将即插即用系统和测量设备无关量子密钥分发协议结合的设备比较复杂，导致实现成本较高，而且采用的偏振控制器调制性能不够好，成码率比较低。实用新型内容

[0005] 本实用新型为了解决目前将即插即用系统和测量设备无关量子密钥分发协议结合的设备调制性能不够好的问题，提供一种基于Sagnac环调制的多用户MDI‑QKD系统。

[0006] 为实现上述目的，本实用新型采取的技术方案如下：

[0007] 一种基于Sagnac环调制的多用户MDI‑QKD系统，包括信号产生端、信号传输模块、用户端和测量端；所述信号产生端产生光脉冲，光脉冲经信号传输模块进入用户端，用户端返回光脉冲经信号传输模块进入测量端；

[0008] 所述用户端包括Sagnac环偏振调制器、电控可调衰减器和法拉第反射镜；所述Sagnac环偏振调制器包括第一偏振分束器、相位调制器和第二偏振分束器；

[0009] 所述第一偏振分束器的第一端口与信号传输模块连接，第一偏振分束器的第二端口、第三端口分别与电控可调衰减器的一端、相位调制器的一端连接，电控可调衰减器的另一端、相位调制器的另一端分别与第二偏振分束器的第二端口、第三端口连接，第二偏振分束器的第一端口与法拉第反射镜连接。

[0010] 优选的，所述信号产生端包括激光器、第一分束器、第一环形器和第二环形器；

[0011] 所述激光器的输出端与第一分束器的第一端口连接，第一分束器的第二端口、第三端口分别与第一环形器的第一端口、第二环形器的第一端口连接；

[0012] 所述用户端有两个，其中一个用户端通过信号传输模块与第一环形器的第二端口连接，另一个用户端通过信号传输模块与第二环形器的第二端口连接。

[0013] 优选的，所述激光器为多波长激光器，用于产生不同波长的45度偏振光脉冲。

[0014] 优选的，所述第一分束器为50：50的分束器，用于将单个光脉冲分成两个功率相等的光脉冲。

[0015] 优选的，所述信号传输模块包括第一波长路由器和第二波长路由器；

[0016] 所述第一波长路由器的第一端口、第二端口分别与第一环形器的第二端口、第二环形器的第二端口连接，第一波长路由器的第三端口、第四端口分别与第二波长路由器的第一端口、第二端口连接，第二波长路由器的第三端口、第四端口分别连接不同的用户端。

[0017] 优选的，所述测量端包括第二分束器、第三偏振分束器、第四偏振分束器、第一单光子探测器、第二单光子探测器、第三单光子探测器和第四单光子探测器；

[0018] 所述第二分束器的第一端口、第二端口分别与第一环形器的第三端口、第二环形器的第三端口连接，第二分束器的第三端口、第四端口分别与第三偏振分束器的第一端口、第四偏振分束器的第一端口连接，第三偏振分束器的第二端口、第三端口分别与第一单光子探测器的输入端、第二单光子探测器的输入端连接，第四偏振分束器的第二端口、第三端口分别与第三单光子探测器的输入端、第四单光子探测器的输入端连接。

[0019] 优选的，所述第二分束器为50：50的分束器，用于将单个光脉冲分成两个功率相等的光脉冲。

[0020] 优选的，所述用户端还包括固定衰减器；所述固定衰减器的一端与信号传输模块连接，另一端与第一偏振分束器的第一端口连接。

[0021] 本实用新型有益的技术效果：

[0022] (1)本实用新型采用的Sagnac环偏振调制器通过相位调制器调制偏振，调制速度更快，稳定性更好，提高了调制性能。

[0023] (2)本实用新型利用Sagnac环偏振调制器产生偏振态进行多用户测量设备无关协议，简化了系统的复杂性，操作简单，容易实现。

[0028] 为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本实用新型进行进一步详细说明，但本实用新型要求保护的范围并不局限于下述具体实施例。

[0029] 实施例1

[0030] 如图1‑3所示，一种基于Sagnac环调制的多用户MDI‑QKD系统，包括信号产生端1、信号传输模块2、用户端3和测量端4；所述信号产生端1产生光脉冲，光脉冲经信号传输模块2进入用户端3，用户端3返回光脉冲经信号传输模块2进入测量端4；

[0031] 所述用户端3包括Sagnac环偏振调制器31、电控可调衰减器32和法拉第反射镜33；所述Sagnac环偏振调制器31包括第一偏振分束器311、相位调制器312和第二偏振分束器
313；

[0032] 所述第一偏振分束器311的第一端口与信号传输模块2连接，第一偏振分束器311的第二端口、第三端口分别与电控可调衰减器32的一端、相位调制器312的一端连接，电控可调衰减器32的另一端、相位调制器312的另一端分别与第二偏振分束器313的第二端口、第三端口连接，第二偏振分束器313的第一端口与法拉第反射镜33连接。

[0033] 在具体实施过程中，信号产生端1产生的光脉冲经信号传输模块2进入用户端3，在用户端3通过Sagnac环偏振调制器31产生偏振态进行多用户测量设备无关协议，简化了系统的复杂性，操作简单，容易实现；而且Sagnac环偏振调制器31采用相位调制器312调制偏振，调制速度更快，稳定性更好，提高了调制性能。

[0034] 在具体实施过程中，用户端3有多个，一般设置偶数个，每两个匹配设置为一对。

[0035] 实施例2

[0036] 一种基于Sagnac环调制的多用户MDI‑QKD系统，包括信号产生端1、信号传输模块2、用户端3和测量端4；所述信号产生端1产生光脉冲，光脉冲经信号传输模块2进入用户端
3，用户端3返回光脉冲经信号传输模块2进入测量端4；

[0037] 所述用户端3包括Sagnac环偏振调制器31、电控可调衰减器32和法拉第反射镜33；所述Sagnac环偏振调制器31包括第一偏振分束器311、相位调制器312和第二偏振分束器
313；

[0038] 所述第一偏振分束器311的第一端口与信号传输模块2连接，第一偏振分束器311的第二端口、第三端口分别与电控可调衰减器32的一端、相位调制器312的一端连接，电控可调衰减器32的另一端、相位调制器312的另一端分别与第二偏振分束器313的第二端口、第三端口连接，第二偏振分束器313的第一端口与法拉第反射镜33连接。

[0039] 更具体的，所述信号产生端1包括激光器11、第一分束器12、第一环形器13和第二环形器14；

[0040] 所述激光器11的输出端与第一分束器12的第一端口连接，第一分束器12的第二端口、第三端口分别与第一环形器13的第一端口、第二环形器14的第一端口连接；

[0041] 所述用户端3有两个，分别记为Alice和Bob，其中一个用户端3通过信号传输模块2与第一环形器13的第二端口连接，另一个用户端3通过信号传输模块2与第二环形器14的第二端口连接。

[0042] 更具体的，所述激光器11为多波长激光器，用于产生不同波长的45度偏振光脉冲。

[0043] 在具体实施过程中，通过多波长激光器产生不同波长的45度偏振光脉冲，进而实现与不同用户端3进行密钥分发；第一环形器13、第二环形器14分别将光脉冲发送至用户端3且保证用户端3反射回来的光脉冲进入测量端4。

[0044] 更具体的，所述第一分束器12为50：50的分束器，用于将单个光脉冲分成两个功率相等的光脉冲。

[0045] 更具体的，所述信号传输模块2包括第一波长路由器21和第二波长路由器22；

[0046] 所述第一波长路由器21的第一端口、第二端口分别与第一环形器13的第二端口、第二环形器14的第二端口连接，第一波长路由器21的第三端口、第四端口分别与第二波长路由器22的第一端口、第二端口连接，第二波长路由器22的第三端口、第四端口分别连接不同的用户端3。

[0047] 在具体实施过程中，第一波长路由器21、第二波长路由器22用于将不同波长的光脉冲分配到对应线路。

[0048] 更具体的，所述测量端4包括第二分束器41、第三偏振分束器42、第四偏振分束器43、第一单光子探测器44、第二单光子探测器45、第三单光子探测器46和第四单光子探测器
47；

[0049] 所述第二分束器41的第一端口、第二端口分别与第一环形器13的第三端口、第二环形器14的第三端口连接，第二分束器41的第三端口、第四端口分别与第三偏振分束器42的第一端口、第四偏振分束器43的第一端口连接，第三偏振分束器42的第二端口、第三端口分别与第一单光子探测器44的输入端、第二单光子探测器45的输入端连接，第四偏振分束器43的第二端口、第三端口分别与第三单光子探测器46的输入端、第四单光子探测器47的输入端连接。

[0050] 更具体的，所述第二分束器41为50：50的分束器，用于将单个光脉冲分成两个功率相等的光脉冲。

[0051] 更具体的，所述用户端3还包括固定衰减器34；所述固定衰减器34的一端与信号传输模块2连接，另一端与第一偏振分束器311的第一端口连接。

[0052] 在具体实施过程中，首先确定通信双方所使用的波段，然后利用多波长激光器产生对应波长的光脉冲，且光脉冲的偏振为45度，光脉冲到达第一分束器12被分成两个功率相等的光脉冲，两个光脉冲分别经过第一环形器13和第二环形器14到达第一波长路由器21，第一波长路由器21将两个光脉冲发送到第二波长路由器22，并由第二波长路由器22将两个光脉冲分别分配到对应的用户端3。

[0053] 由于光脉冲在Alice和Bob的操作相同，本实施例选择用户端Alice进行描述，具体如下：

[0054] 光脉冲在Alice中，首先经过固定衰减器34衰减为单光子脉冲，再经过第一偏振分束器311，第一偏振分束器311透射单光子脉冲的水平偏振分量(水平偏振光脉冲)以及反射单光子脉冲的垂直偏振分量(垂直偏振态光脉冲)。

[0055] 垂直偏振态光脉冲经过电控可调衰减器32，

[0056] 如果Alice想要生成垂直偏振态，则此时电控可调衰减器32将阻断垂直偏振态通过，后续不做任何操作，即产生最终输出垂直偏振态到测量端4；

[0057] 如果Alice想要生成水平偏振态，则此时电控可调衰减器32不作用，垂直偏振态光脉冲到达第二偏振分束器313；水平偏振态通过相位调制器312，此时相位调制器312不作用，水平偏振态光脉冲到达第二偏振分束器313与垂直偏振态光脉冲合束。水平偏振态和垂直偏振态在第二偏振分束器313合束后经过法拉第反射镜33反射，此时所有偏振态都旋转90度，即水平偏振态旋转90度变为垂直偏振态，垂直偏振态旋转90度变为水平偏振态。经过反射的光脉冲回到第二偏振分束器313，水平偏振态光脉冲经过相位调制器312到达第一偏振分束器311，此时相位调制器312不作用，垂直偏振态光脉冲经过电控可调衰减器32，则此时电控可调衰减器32将阻断垂直偏振态通过，即产生最终输出水平偏振态到测量端4；

[0058] 若生成其他偏振态，则电控可调衰减器32不作用。垂直偏振态光脉冲到达第二偏振分束器313；水平偏振态光脉冲通过相位调制器312，此时相位调制器312不作用，水平偏振态光脉冲到达第二偏振分束器313与垂直偏振态光脉冲合束。水平偏振态光脉冲和垂直偏振态光脉冲在第二偏振分束器313合束后经过法拉第反射镜33反射，此时所有偏振态都旋转90度。经过反射的光脉冲回到第二偏振分束器313，水平偏振态光脉冲经过相位调制器312到达第一偏振分束器311，此时相位调制器312对水平偏振态光脉冲进行调制，对其加载一个φB的相位，则可表示为 垂直偏振态光脉冲经过电控可调衰减器32，水平偏振态光脉冲和垂直偏振态光脉冲在第一偏振分束器311合束后可表示为
当φB为0时，则输出45度偏振态即|+>，当φB为π时，则输出为‑45度偏振态即|‑>，经过第二波长路由器22、第一波长路由器21到达测量端4。

[0059] 水平偏振态光脉冲和垂直偏振态光脉冲在到达电控可调衰减器32时，可根据制备基的需求进行调节，具体调节方式及结果如表1所示

[0060] 表1

[0061]

[0062]

[0063] 表中，|H>表示水平偏振态，|V>表示垂直偏振态，|+>表示45度偏振态，|‑>表示‑45度偏振态。当通信双方所调制的脉冲到达测量端4时，进行BSM测量，根据双方所调制不同的偏振态，探测器有不同的响应，具体的，BSM测量只能测量出两路信号合束后产生的偏振态|+ ‑ +ψ>和|ψ>，当测量到光脉冲的偏振态为|ψ>时，第一单光子探测器44和第二单光子探测器
45或第三单光子探测器46和第四单光子探测器47同时响应，当测量到光脉冲的偏振态为|‑
ψ>时，第一单光子探测器44和第四单光子探测器47或第二单光子探测器45和第三单光子探测器46同时响应。其中|H>和|V>为Z基，|+>和|‑>为X基，当Alice和Bob所选的基不相同时，则认为其没有选对基，在这种情况下，在通信双方对基时会舍去，当通信双方同时选择X基或Z基中的一种时，通过测量端4的贝尔态测量，根据不同的单光子探测器的响应结果可以成码。探测结果与成码结果对应关系如表2所示：

[0064] 表2

[0065] Alice&Bob 测量出|ψ+> 测量出|ψ‑>X基 比特不翻转 比特翻转
Z基 比特翻转 比特翻转

[0066] 在具体实施过程中，Alice通过经典信道公布其选基的情况，Bob根据Alice的选基情况，舍去和Alice基不一样的探测结果，以获得原始密钥；接着，Bob选取部分密钥进行误码检测；如果误码率超过设定的阈值，则证明有窃听者存在，舍去这次结果，重新开始；如果误码率没有超过设定的阈值，则对原始密钥进行数据筛选、密钥协商、保密增强等后处理过程后，获得可使用的安全密钥。

[0067] 根据上述说明书的揭示和教导，本实用新型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，本实用新型并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对实用新型的一些修改和变更也应当落入本实用新型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，并不对本实用新型构成任何限制。