对QKD网络架构的改进的制作方法

对qkd网络架构的改进
1.qkd(量子密钥分发)是一种已知的高安全通信方法，其使得双方能够产生共享密钥。在最广泛的意义上，qkd网络包括发送单元(称为alice)，该发送单元生成单光子脉冲，用随机选择的0或1值对其编码，并对其应用调制。在已知的示例性系统中，这是通过使用随机选择的偏振基使脉冲偏振来完成的。然后脉冲被发送到尝试测量编码值的接收单元(称为bob)。在示例系统中，这是通过使脉冲通过具有随机选择的偏振基的偏振器来完成的。对于多个脉冲重复该过程。alice和bob然后交换关于脉冲的信息，并且在这样做时，得到共享密钥。
2.qkd装置是昂贵的，并且降低成本的一种方式是单个alice向多个bob发送脉冲。这种装置具有分支光路，使得各个bob接收一部分脉冲。光划分器已经用于提供分支光路。划分信号的问题是一些bob可能没有接收到足够高的脉冲率来满足它们的密钥生成需求。如果例如一个bob与其它bob相比需要产生较多数量的密钥，则尤其如此。如果一个bob比其它bob距离划分器更远(因为去往它的脉冲将遭受更多的衰减)，或者如果存在大量bob，也可能是这样。在这种情况下，bob处的脉冲接收率可能不足以高到保持与alice的会话有效。如果发生这种情况，则需要冗长的重建过程来重建会话。
3.希望克服或减轻现有技术的上述和/或其它缺点中的一些和/或全部。
4.根据本发明的第一个方面，提供了一种用于为了进行量子密钥分发而从发送器向第一接收器和第二接收器发送光脉冲的系统，所述系统包括：
5.发送器，所述发送器被配置成发送多个光脉冲；
6.所述第一接收器和所述第二接收器，其被配置成接收所述多个光脉冲中的一些或全部；
7.引导器，所述引导器用于引导所述多个光脉冲，所述引导器具有第一输出端口和第二输出端口，所述第一输出端口与所述第一接收器光通信，并且所述第二输出端口与所述第二接收器光通信，所述引导器被配置成在所述第一输出端口处输出所述光脉冲的一部分，并且在所述第二输出端口处输出所述光脉冲的一部分；
8.修改单元，修改单元用于修改所述引导器以改变在所述第一输出端口输出的光脉冲的比例。
9.根据本发明的第二个方面，提供了一种用于为了进行量子密钥分发而在发送器与第一接收器和第二接收器之间发送单光子脉冲的方法，所述方法包括以下步骤：将多个光脉冲引导到第一输出端口或第二输出端口，所述第一输出端口与所述第一接收器光通信，并且所述第二输出端口与所述第二接收器光通信，所述引导器被配置成在所述第一输出端口处输出所述光脉冲的一部分，并且在所述第二输出端口处输出所述光脉冲的一部分；
10.修改所述引导器以改变在所述第一输出端口输出的光脉冲的比例。
11.本发明的方法使得能够构造能够实时满足特定接收器需要的系统。这种需要可能因为特定的接收器与其它接收器相比可能需要同意更多的密钥。另选地，多个接收器中的一个可以与其他接收器相比位于距发送器更大的距离处，因此发送到它的脉冲受到较大的衰减。本发明能够将较大比例的脉冲提供给通向该接收器的输出端口，使得接收器接收其
所需的脉冲率。
12.此外，在具有串联连接的划分器的现有技术配置中，接收器可能接收不到足够高的脉冲率来维持连接，从而需要冗长的重新连接过程。本发明使得脉冲率能够在邻近的接收器和远程的接收器之间均衡。
13.该方法还可以包括将光脉冲从发送器发送到一个或更多个另外的接收器。脉冲可以用1或0随机编码。可以对脉冲应用调制。对脉冲应用调制的步骤可以包括使用随机选择的偏振基使脉冲偏振。另选地，对脉冲应用调制的步骤包括调制脉冲的相位或位置。在被编码和调制之后，可以根据qkd原理来发送脉冲。
14.可以记录编码到脉冲上的值和/或应用到脉冲的调制基和/或脉冲的传输时间。调制基可以是偏振基。此外，可以通过相应的非量子通道连接发送器以与各个接收器通信。非量子通道可以是金属线，或光纤或自由空间。发送器可以使用相应的非量子通道将所记录的信息中的一些或全部发送到一个或更多个接收器。
15.已被编码到脉冲上的值(即1或0)可以在各个接收器处使用随机选择的调制基来测量，调制基可以是随机选择的偏振基。对于所接收到的各个脉冲，可以记录测量值和/或用于该测量的偏振基和/或脉冲的到达时间。各个接收器可以使用其相应的非量子通道向发送器发送脉冲的测量值和/或到达时间。
16.光脉冲可以是单光子脉冲。单光子脉冲可以由单光子生成器来产生。引导器可以包括光划分器。光划分器可以与发送器分开并且可以与发送器间隔开。划分器可以通过可以是光纤的光通道与发送器连接。光纤还可以包括非量子通道。划分器可以包括第一输出端口和第二输出端口，并且可以包括另外的输出端口。各个输出端口能够输出从发送器接收的单光子脉冲。第一输出端口可以通过可以是光纤的光通道与第一接收器连接。第二输出端口可以通过可以是光纤的光通道与第二接收器连接。另外的输出端口可以通过相应另外的光纤与相应另外的接收器连接。
17.虽然在优选实施方式中引导器包括划分器，但是本领域技术人员将理解，可以提供不包括划分器但提供基本相同功能的引导器。这种情况的可能的示例是以下装置，该装置在短时间内向第一输出端提供多个脉冲，然后在短时间内向第二输出端提供多个脉冲，并在较长时间内重复该循环。随着时间的推移，这种装置将把输入脉冲流的一部分引导到相应输出。
18.在一些实施方式中，引导器包括第一划分器和第二划分器。在这样的实施方式中，第一划分器可以包括第一输出端口，第一输出端可以与第一接收器连接。第二划分器可以包括第二输出端口，第二输出端口可以与第二接收器连接。第二划分器可以与第一划分器的输出端口连接，使得第二划分器接收第一划分器输出的脉冲。引导器可以包括光学上串联连接的一个或更多个另外的划分器。一个或更多个另外的划分器可以各自与相应的接收器连接。一个或更多个另外的划分器中的各个划分器可以将被输入到该划分器的脉冲的一部分输出到其连接的接收器，并且将剩余部分输出到串联序列中的下一划分器的输入端。
19.修改单元可以是自动的并且可以包括控制逻辑。控制逻辑可以确定对引导器的修改。控制逻辑可以将所确定的修改应用于引导器。确定步骤可以包括确定以下修改，该修改使各个接收器处的脉冲率均衡。另选地，确定步骤可以包括确定以下修改，该修改在一个或更多个接收器处提供比在一个或更多个其它接收器处高的脉冲率。确定步骤可以包括确定
以下修改，该修改确保各个接收器接收到足够高的脉冲率从而保持会话即不需要重建过程。确定步骤可以考虑一个或更多个接收器的脉冲率需求。一个或更多个接收器可以向控制逻辑发送该接收器处的脉冲率需求的指示。
20.在引导器包括一个划分器的实施方式中，修改引导器的步骤可以包括修改划分器的划分比。在存在超过一个划分器的实施方式中，修改引导器的步骤可以包括修改一些或所有划分器的划分比。这可以包括向一个或更多个划分器应用适当的电脉冲。一个或更多个划分器的划分比可以以连续的方式修改，或者可以以离散的步骤修改。
21.现在将参照附图仅出于说明的目的详细描述本发明的优选实施方式，在附图中：
22.图1是包括单个alice和单个bob的基本qkd架构的示意图；
23.图2是包括单个alice和多个bob的已知qkd架构的示意图；
24.图3是包括单个alice、多个bob和多个划分器的不同的已知qkd架构的示意图；
25.图4是本发明的第一实施方式的示意图；
26.图5是本发明的第二实施方式的示意图。
27.本发明涉及量子密钥分发(qkd)的改进。qkd是涉及将加密密钥从第一量子节点(称为alice)分发到第二量子节点(称为bob)的加密方法。图1示出了简化的qkd装置的示意图，其中alice示出为100，bob示出为200。虽然使用多个qkd协议，但是本说明涉及通常使用的bb84协议。特别地，本说明涉及以下类型的bb84：其中使用偏振对脉冲应用调制。根据该协议，alice 100随机生成比特(0或1)并且还随机选择直线基和对角基这两个偏振基中的一个。alice 100然后经由诸如光纤的量子通道300向bob 200发送已经用所选择的比特和所选择的偏振基编码的光子。bob 200随机选择两个偏振基中的一个，并使用其选择的基来测量光子。如果bob 200使用与alice 100相同的基，则由bob 200测量到的比特值将匹配由alice 100应用到光子的比特值。在用大量光子重复该过程之后，alice 100和bob 200执行密钥协商阶段。具体地，alice 100通过非量子通信通道400(例如铜缆)通知bob 200，alice 100中将两个基的哪个基应用于相应光子，以及alice 100发送相应光子的时间。然后bob 200通知alice 100bob 200在测量各个光子时使用的两个基中的哪个基以及bob 200接收到各个光子时的时间。然后alice 100和bob 200丢弃alice 100和bob 200使用了不同基的比特值，并保留剩余的比特值。剩余的比特值构成alice 100和bob 200都具有的秘密密钥，并且可以被alice 100和bob 200用来对两者之间通过非量子通道400传送的消息进行加密。
28.图2示出了已知的qkd架构。具体地，alice 2与4个不同的bob 3、4、5、6连接。在从alice 2到4个bob 3、4、5、6的光路中设置有划分器7。alice 2通过光纤10与划分器7连接。4个bob 3、4、5、6均通过相应的光纤50与划分器7连接。bob 3、4、5、6均还通过其自己的传统(即非量子)通道(未示出)与alice 2连接。
29.在使用中，alice 2向划分器7发送一系列光子，各个光子已经用如上所述的随机比特和随机偏振基进行了编码。各个光子通过划分器7并且到达bob 3、4、5、6之一。划分器7随机地将各个光子传递到bob 3、4、5、6之一。因此，平均起来，25％指向4个bob中的各个bob。各个bob使用随机选择的偏振基来测量光子，并且在其已经接收到足够的光子以使得能够与alice 2建立秘密共享密钥，则其使用上述密钥协商阶段来这样做。密钥协商阶段涉及alice 2与bob 3、4、5、6中的各个bob交换其各自的偏振基列表，并且在传统通道上进行。
alice 2和各个bob使用列表来建立共享秘密密钥，该共享秘密密钥可用于加密它们之间的通信。
30.如在图2中可见，bob 6比其它bob 3、4、5离划分器7远。在发送到bob 6的光子比发送到其它bob 3、4、5的光子行进得远的情况下，发送到bob 6的光子遭受较大的衰减，这意味着损失较多的光子。因此，alice与bob 6之间的密钥交换率会低于alice与其它bob 3、4、5之间的密钥交换率。这是不希望的，因为其减慢了bob 6与alice 2之间的安全通信链路的建立。此外，如果bob 6处的光子接收率下降到阈值率以下，则必须重新启动连接，重新启动连接是耗时的。
31.图2的装置的另一缺点是，其中一个bob，例如bob 4，与其它bob相比，需要在给定时间段上连通alice建立较多的密钥。由于划分器近似相等地划分光子，因此会花费长时间在bob 4处建立所有密钥，而其它bob在已经完成建立其密钥之后还被不必要地发送光子。
32.图3示出了另一已知的qkd结构。其可能优于图2的架构，因为能够仅使用单个主光纤(加上短得多的分支)来对图3的所有bob进行服务。如同在图2中，4个bob 23、24、25、26均通过图3中未示出的相应的传统通道与alice 22连接。元件27、28和29是50：50划分器。在使用中，alice将按照上述方式进行了编码和偏振的光子流发送到划分器27。划分器27将大约50％的光子引导到bob 23。bob 23检测到达bob 23的光子，并使用其与alice 22的传统通道执行上述的密钥协商和交换步骤。剩余的大约50％的光子通过划分器27流到划分器28。划分器28将到达划分器28的大约50％的光子导向bob 24。bob 24检测到达bob 24的光子，并使用其与alice 22的传统通道执行上述的密钥协商和交换步骤。划分器28还将到达划分器28的大约50％的光子引向划分器29，划分器29将这些光子近似相等地引导到bob 25和bob 26之间，bob 25和bob 26中的每一者使用其各自与alice 22的传统通道执行上述密钥协商和交换步骤。
33.由于这种装置的结构，bob 23接收的光子数大约是bob 24的两倍，bob 24又接收的光子数大约是bob 25和bob 26的两倍。这会使bob 25和bob 26难以生成密钥。如果bob 25和bob 26位于远离该装置的其余部分的位置，则到达bob 25和bob 26的光子数进一步显著减少。这是由于光纤损耗。此外，如上所述，如果特定bob处的光子接收率低于阈值率，则有必要重新启动与alice 22的连接，这是耗时的。此外，用户可能希望将另一bob添加到图3的装置中。这可以例如通过用划分器替换bob 26并将该划分器与bob 26和新bob连接来完成。附加的划分器进一步降低了bob 26和新bob处的光子接收率。如上所述，这会减慢密钥形成的过程，并且会导致断开和随后的冗长的重新启动过程。
34.图2和图3所示的已知装置具有上述缺点。图4示出了根据本发明的一个方面的装置。图4具有多个与图2相同的特征。具体地，alice 2与4个不同的bob 3、4、5、6连接。划分器47设置在从alice 2到4个bob 3、4、5、6的光路中。alice 2通过光纤10与划分器47连接。4个bob 3、4、5、6中的各个bob通过各自的光纤50与划分器47连接。bob 3、4、5、6中的各个bob还通过其自己的传统(即非量子)通道(未示出)与alice 2连接。
35.图4和图2之间的主要差别在于，在图4中，划分器47是可变划分器。可变划分器是已知的，因此这里将不详细描述其结构。可变划分器是光划分器，其划分比可以实时改变。也就是说，可以改变划分器在各个输出端处提供的光子的比例。在图2的示例中，划分器7在其输出端间均等地划分输入信号，使得由划分器7输出的光子的大约25％被导向各个bob。
如上所述，行进到bob 6的光子比行进到bob 3、4和5的光子衰减得多，因为bob 6较远。在图4的配置中，可以改变划分器47的划分比，使得向bob 6引导的光子的比例大于导向bob 3、4和5的比例，以补偿衰减增加。因此，例如，可以调节可变划分器47，使得向bob 3、4和5中的每一者分别引导从划分器47输出的光子的20％，而向bob 6引导从划分器47输出的光子的剩余40％。
36.此外，与其它bob 3、5和6相比，另一bob，例如bob 4，希望与alice 22同意更多的密钥。换句话说，与bob 3、5或6相比，bob 4具有较高的密钥交换率需求。在这种情况下，bob 4向控制器60发送其要求的与alice 22的密钥交换率的指示，以及其当前正在经历的光子接收率。如在上面的示例中，可以改变划分器47的划分比，使得与向其它bob 3、4和5引导的光子比例相比，较大比例的光子被引导到需要其的bob，在这种情况下是bob 4。因此，例如，可以调节可变划分器47，使得向bob 3、5和6中的每一者分别引导从划分器47输出的光子的20％，而向bob 4引导从划分器47输出的光子的剩余40％。
37.上述可变划分器47的调节由控制器60以如下方式执行。控制器60具有到各个bob 3、4、5和6的电连接(在图4中由虚线示出)。在使用中，bob 3、4、5和6中的每一者向控制器60发送其当前正在经历的光子接收率的指示以及(由于其当前的密钥交换率需求造成的)其需要的光子接收率的指示。如果特定bob(例如bob 6)的实际光子接收率与所需光子接收率的比下降到显著低于其它bob 3、4、5的比率，则控制器60向划分器47发送指令，以增加向bob 6输出的光子的比率，并降低向bob 3、4和5输出的光子的比率。
38.图5示出了本发明的实施方式，其具有多个与图3相同的特征。具体地，alice 32与单个光通道连接。光通道具有到4个bob 33、34、35、36的分支连接。4个bob 33、34、35、36也各自通过图5中未示出的相应传统通道与alice 32连接。图5和图3之间的主要差别在于，在图5中，划分器37，38和39是可变划分器。
39.如同在图3中，alice通过各自的划分器向4个bob 33、34、35、36发送以上述方式进行了编码和偏振的光子流。由于可以调节图5中的划分比，因此划分器的划分比不需要是50％。为了均衡bob 33、34、35、36处的光子接收率，可以设置各个划分器的划分比。这使得在各个bob处的密钥形成能够以近似相同的速率发生，而没有单个bob在其密钥形成速率上落后。
40.上述可变划分器的调节由控制器70以如下方式执行。控制器70具有与各个划分器37、38、39的电连接(在图5中由虚线示出)。以类似于以上关于图4所述的方式，bob 33、34、35、36中的每一者向控制器70发送其当前正在经历的光子接收率的指示以及(由于它的当前密钥交换率要求造成的)其需要的光子接收率的指示。如果特定bob(例如bob 36)的实际光子接收率与所需光子接收率的比下降到显著低于其它bob的比，则控制器70确定应用于各个划分器37、38、39的适当的划分比，以增加bob 36处的光子接收率，同时鉴于其它bob自己指示的需求，在其它bob处提供适当的光子接收率。
41.例如，如果特定bob处的密钥形成率需求增加到较高的比率，则该技术也可以是有益的。该附加的需求可以通过控制器70确定要应用于各个分割器37、38、39的适当的划分比并应用该划分比而实时地满足，从而满足特定bob的增加的光子比率需求，同时还确保其他bob的光子比率需求也得到满足。
42.如果用户向该装置添加额外的bob，则该技术也是有益的。这可以例如通过用划分
器替换bob 36并将该划分器与bob 36和新bob连接来完成。附加的划分器将进一步降低bob 26和新bob处的光子接收率，这会减慢密钥形成的过程，并且会导致断开和随后的冗长的重新启动过程。然而，在使用中，新bob和bob 36均向控制器70发送其当前正在经历的光子接收率的指示以及(由于其当前密钥交换率要求造成的)其需要的光子接收率的指示。如果新bob或bob 36的实际光子接收率与所需光子接收率的比降低到显著低于其它bob 33、34、35的实际光子接收率与所需光子接收率的比，则控制器70确定要应用于各个划分器37、38、39的适当划分比，以增加新bob和bob 36处的光子接收率，同时鉴于其它bob 33、34、35自己指示的需求，在bob 33、34、35提供适当的光子接收率。这降低了在新bob或bob 36处缓慢密钥形成或断开的可能性。