技术领域
[0001] 本实用新型涉及量子信息与光通信领域，具体涉及一种基于sagnac环波分复用的多用户TF‑QKD系统。
相关背景技术
[0002] 量子密钥分发(Quantumkeydistribution,QKD)是一种允许远程用户共享具有信息理论安全性的加密密钥的量子技术，在过去近三十年中得到了很好的发展。人们提出了多种QKD协议，并在不同的系统上成功地进行了QKD的实验。近年来，研究人员提出了一种双场量子密钥分发(TFQKD)的量子密钥分发技术，在实现实际的长距离安全量子通信方面显示出了巨大的潜力。TF‑QKD本质上是一种与测量设备无关的QKD(measurement‑device‑independentQuantumkey distribution，MDIQKD)，其中两个远程用户(一般称为Alice和Bob)将编码的信号光发送给一个不可信的中心节点(一般称为Charlie)，两个信号光在该处被测量。这些测量只能显示Alice和Bob发送的状态的奇偶校验，而不能显示他们编码的信息，Charlie的测量结果最后公开。因此，它不受任何对检测器的攻击。自TF‑QKD提出以来，大量的研究证明了TF‑QKD实验在长距离量子通信中应用的可行性。要使TF‑QKD在未来的量子通信中得到广泛的应用，必须将两用户场景扩展到多用户场景，即网络设置。全球范围内已经建成并测试了多个QKD网络，从小规模的少数用户到大规模的百余用户，在这些网络中，使用了不同的QKD协议和技术。
[0003] 目前现有的大多数QKD网络都是基于可信的中继，这是存在安全性问题的。因为任何对中继的有效攻击都会破坏网络的安全性。部分QKD网络使用不可信中继，但它们的密钥率受到无重复边界的限制。相比之下，TF‑QKD网络可以解决安全问题和密钥率的限制，因为它的测量设备无关的性质和超越重复边界的能力，表现出了一个巨大的优势。
[0004] 但是在实现TF‑QKD网络中存在很大的技术挑战。信号光的相位会随机的波动，会对相干态的干涉结果产生很大的影响。在大多数已证实的TF‑QKD系统中，使用两个远程锁相激光源将量子信号发送到中心节点进行干涉测量，其本质是一个巨大的马赫‑曾德尔干涉仪。这种配置，使用有源相位稳定，适合演示一个两用户的TF‑QKD系统。但是对多用户来说不太适用，因为当大量用户连接到网络时，将所有远程激光源锁相困难非常大。不同用户到中心节点的距离不相同，这会使得马赫曾德尔干涉仪受到很大的影响。
[0005] 现有的技术方案的TF‑QKD系统中仅使用了一个光源，而且不同的用户信号源走相同的路径，使得相位稳定性很好。但是它采用的是时分复用的方式，当大量用户被接入时，密钥分发的效率就会大大的降低。
[0006] 因此，有待对现有技术的不足进行改进，提出一种基于sagnac环波分复用的多用户TF‑QKD系统。
具体实施方式
[0035] 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。
[0036] 一种基于sagnac环波分复用的多用户TF‑QKD系统，如图1所示，所述系统包括一个中继节点Charlie端和N个用户端；
[0037] 所述中继节点Charlie端与N个用户端按顺序依次相连，并且所述第N个用户端又与所述中继节点Charlie端连接，形成首尾相连的sagnac环结构；
[0038] 所述中继节点Charlie端用于产生强度相同的第一弱相干脉冲和第二弱相干脉冲两束弱相干脉冲，且两束弱相干脉冲分别进入到已建立通信的sagnac环的逆时针传输链路和顺时针传输链路的两个用户端中；
[0039] 所述用户端用于对所述中继节点Charlie端产生的第一弱相干脉冲或第二弱相干脉冲依次进行强度调制和相位调制后输入到中继节点Charlie端中进行探测和响应。
[0040] 如图2所示，所述中继节点Charlie端包括多波长脉冲产生装置10、第一强度调制器11、可变光衰减器12、第一至第N分束器131……13N、第一环形器14、第二环形器15、波分复用器16和第一单光子探测器至第N单光子探测器171……17N；
[0041] 所述多波长脉冲产生装置10与第一强度调制器11、可变光衰减器12、第一分束器131依次连接，所述第一分束器131分别与第一环形器14、第二环形器15连接，所述波分复用器16分别与第一环形器14、第二环形器15连接，所述波分复用器16又分别与第二分束器132至第N分束器13N连接，所述第二分束器131分别与第一单光子探测器171和第二单光子探测器172连接，以此类推，所述第N分束器13N分别与第N‑1单光子探测器17(N‑1)和第N单光子探测器17N连接。
[0042] 如图2所示，N个所述用户端均分别包括依次连接的波长选择器18、强度调制器19、相位调制器20和法拉第反射镜21。
[0043] 具体地，所述中继节点Charlie端中的第一环形器14与N个所述用户端的波长选择器18……18N依次顺序逆时针连接，并且第N波长选择器与中继节点Charlie端中的第二环形器连接形成首尾相连的sagnac环结构。
[0044] 本实施例基于一种基于sagnac环波分复用的多用户TF‑QKD系统的原理和过程如下：
[0045] 多波长脉冲产生装置10产生多个波长的脉冲激光传输到第一强度调制器11，所述第一强度调制器11将所述脉冲激光切割成重复频率为10MHZ且脉宽为900ps的脉冲后输入到可变光衰减器12；
[0046] 所述可变光衰减器12将脉冲衰减至弱相干脉冲后输出弱相干脉冲进入第一分束器131，所述第一分束器131将所述弱相干脉冲分成强度相同的第一弱相干脉冲和第二弱相干脉冲两束弱相干脉冲，所述第一弱相干脉冲进入第一环形器14，所述第二弱相干脉冲进入第二环形器15。
[0047] 第一环形器14将第一弱相干脉冲传输到sagnac环的逆时针传输链路的Alice用户端中，第一波长选择器181选择对应波长的光信号进入第二强度调制器191和第一相位调制器201中依次进行强度调制和相位调制，最后由第一法拉第反射镜211将所述光信号反射回sagnac环的逆时针传输链路并通过第二环形器15进入中继节点Charlie端中的波分复用器16，其中，所述第一法拉第反射镜211反射回去的光信号与入射的光信号的偏振态垂直。
[0048] 当采用TF‑QKD协议通信时，所述第二强度调制器191和第一相位调制器201中依次进行强度调制和相位调制的结果如下：
[0049] 若选择X基，则Charlie端中的第一强度调制器10将光信号的强度调制为s，Alice用户端中的第一相位调制器将随机地调制0或π的相位；
[0050] 若选择Z基，则Alice用户端中的第二强度调制器191随机地调制ν、μ、ω强度的脉冲，第一相位调制器201随机地调制0至2π之间的相位；
[0051] 其中，s、ν、μ和ω为正数。
[0052] 第二环形器15将第一弱相干脉冲传输到sagnac环的顺时针传输链路的Bob用户端中，第二波长选择器182选择对应波长的光信号进入第三强度调制器192和第三相位调制器202中依次进行强度调制和相位调制，最后由第二法拉第反射镜212将所述光信号反射回sagnac环的顺时针传输链路并通过第一环形器进入中继节点Charlie端中的波分复用器
16。
[0053] 所述中继节点Charlie端中的波分复用器16对不同波长的信号进行分离后，选择使用同一波长通信的两个用户端发送过的光信号输入N个分束器131，132，……13N中与之对应的一个分束器中进行干涉；发生干涉后输出两路干涉信号分别进入与该分束器相连的两个单光子探测器中响应。
[0054] 本实施例基于sagnac环的波分复用的多用户TF‑QKD系统的量子密钥分发方法如下：
[0055] 步骤1：中继节点Charlie端产生强度相同的第一弱相干脉冲和第二弱相干脉冲两束弱相干脉冲分别进入已建立通信的Alice用户端和Bob用户端；
[0056] 其中，第一弱相干脉冲和第二弱相干脉冲重复频率均为为10MHZ，且脉宽均为900ps；
[0057] 步骤2：所述第一弱相干脉冲通过sagnac环的逆时针传输链路进入Alice用户端中依次进行强度调制和相位调制后输出第一光信号进入第一法拉第反射镜进行反射，所述第一光信号通过sagnac环的逆时针传输链路并通过第二环形器进入中继节点Charlie端中的波分复用器；
[0058] 同时，第一弱相干脉冲通过sagnac环的顺时针传输链路进入Bob用户端中依次进行强度调制和相位调制后输出第二光信号进入第二法拉第反射镜进行反射，所述第二光信号通过sagnac环的顺时针传输链路并通过第一环形器进入中继节点Charlie端中的波分复用器；
[0059] 步骤3：中继节点Charlie端中的波分复用器Charlie端将所述第一光信号和第二光信号输入到对应的分束器中进行干涉；所述分束器输出两路干涉信号分别进入对应的单光子探测器中响应并将检测结果公布；
[0060] 步骤4：Alice用户端和Bob用户端进行测量基的比对后计算误码率；
[0061] 步骤5：判断误码率是否大于阈值；
[0062] 若小于，则跳转到步骤1；
[0063] 若大于，则进行纠错和保密增强并得到最终密钥。
[0064] 本实用新型采用TF‑QKD的协议，可以免疫针对探测器的攻击，在远距离通信中具有较高的成码率。
[0065] 本实用新型采用中继节点Charlie端与N个用户端按顺序依次相连并形成首尾相连的sagnac环结构，具有很好的相位稳定性。
[0066] 本实用新型利用波分复用的方式，能够让多个用户同时进行通信，并且互不干扰，有利于提高密钥分发的效率。
[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，对发明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，并不对发明构成任何限制。
