空海跨介质无线量子通信的密钥分发系统及方法与流程

1.本发明涉及的是一种量子通信领域的技术，具体是一种适用于空海跨介质场景下进行无线量子通信的密钥分发系统及方法。


背景技术：

2.现有加密算法如rsa公钥算法，一般利用逆向求解困难的数学问题来进行加密，只要有足够的计算资源，这些算法在理论上都是可以破解的，因此只能实现计算安全。量子通信利用量子力学的基本原理，结合一次一密的方式，则可以实现不依赖于计算复杂度的信息论安全。目前，基于现实器件的大气自由空间信道和光纤有线信道的量子通信技术已经较为成熟，而从大气到水下自由空间的跨介质量子通信技术尚待开发。海水覆盖地球表面约70％的面积，以水下自由空间作为除大气和光纤以外的第三种量子信道，探索一条连接卫星和水下终端的量子链路，成为构建全球化量子通信网络的最后一块拼图。
3.以蓝绿激光为基础的光学通信技术，因其可利用大气和海水的共同透光窗口，成为跨介质通信的最佳选择。然而由于海水对光量子信号的巨大衰减，现有的空海量子密钥分发水下穿透距离仅限于数米之内。


技术实现要素：

4.本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种无线量子通信的密钥分发系统及方法，基于诱骗态协议，改进了空海量子密钥分发所需蓝绿谱段量子光源的调制速率、对比度以及稳定性，并利用同步光以及时间相关光子计数设备，实现了对量子比特的高精度时间框架同步。进一步拓展了空海量子密钥分发的水下穿透距离及穿透深度，为中远海水下潜器、水下监测节点与陆上平台、卫星间灵活高效的无中继保密通信奠定了基础。
5.本发明是通过以下技术方案实现的：
6.本发明涉及一种无线量子通信的密钥分发系统，采用三强度诱骗态协议进行空海跨介质量子密钥分发的完整收发，具体包括：光源控制系统、光学编码装置、经典光信号接收系统以及扩束透镜组组成的发射端和接收准直透镜组、光学解码装置、经典光信号发射系统和后处理系统组成的接收端，其中：光源控制系统输出三强度量子光信号和经典光信号，光学编码装置对三强度量子光信号和经典光信号进行耦合收集后衰减至所需强度以完成量子光偏振编码并进行合束处理，经典光信号接收系统接收经典光信号，由扩束透镜组和接收准直透镜组传输至光学解码装置，光学解码装置对三强度量子光信号和经典光信号进行分离和探测，并对量子光进行极化补偿和偏振测量，经典光信号发射系统将经典光信号发送至经典光信号接收系统，后处理系统记录单光子计数以及光子到达时间并进行量子密钥分发后处理计算。
7.所述的三强度量子光源和经典光信号，基于光源控制系统内的微型处理器生成的随机数利用现场可编程门阵列输出电信号脉冲后，通过光源控制系统内的多路集成激光器产生。
8.所述的耦合收集，通过可调光纤准直器、可调角度半波片实现。
9.所述的合束处理，通过双色镜实现。
10.所述的分离和探测，通过双色镜、不同中心波长的带通滤波片和偏振无关分束器实现。技术效果
11.本发明整体解决了现有技术中蓝绿谱段量子光源的调制速率低、对比度差和亮度不稳定等问题；基于诱骗态协议的无中转、跨介质的水
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空无线量子通信的密钥分发系统，利用同步光信号与时间相关光子计数的探测方式，实现了对水下稀疏量子比特的高精度时间框架同步。进一步拓展诱骗态空海量子密钥分发的水下穿透深度，适用于中长距离水下自由空间信道和空海跨介质信道的量子密钥分发。
附图说明
12.图1为本发明整体系统示意图；
13.图2为本发明发射端装置示意图；
14.图3为本发明发射端的光学编码装置图；
15.图4为本发明接收端装置示意图。
具体实施方式
16.如图1所示，为本实施例的涉及一种适用于大损耗、空气
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海水跨介质信道量子密钥分发的系统，包括：用于产生量子光源和经典光源、基于诱骗态协议对量子光进行偏振编码的同时接收并解码经典光信号的发射端以及用于发射经典光信号、接收量子光信号和经典光信号并对量子光信号进行偏振测量分析、对经典光信号进行解码及后处理获取最终密钥的接收端，具体包括：光源控制系统、光学编码装置、经典光信号接收系统以及扩束透镜组组成的发射端和接收准直透镜组、光学解码装置、经典光信号发射系统和后处理系统组成的接收端。
17.如图2所示，所述的发射端包括：用于产生诱骗态协议所需要的三种强度的450nm量子光源和520nm经典光信号的光源控制系统、经典光信号接收系统以及用于量子光的偏振编码以及光束合束的光学编码装置。
18.所述的光源控制系统包括：用于产生电信号脉冲的现场可编程门阵列(fpga)、第一微型处理器cpu1和多路集成激光器，其中：fpga输出五路电信号脉冲至多路集成激光器，实现蓝绿谱段量子光源的高速、高对比度的直接调制，以满足中远距离空海量子密钥分发需求。
19.所述的五路电信号脉冲包括：根据诱骗态协议产生的四路50mhz频率、5ns脉宽的脉冲信号和一路开关键控调制电信号，其中：脉冲信号共有三种脉冲强度，分别对应三强度诱骗态协议中的两种诱骗态强度和一种信号态强度。
20.所述的多路集成激光器包括：以金属外壳封装的四个450nm蓝光激光二极管和一个520nn绿光激光二极管、恒流驱动芯片和温度控制芯片，其中：激光二极管的电信号输入口分别与fpga的五路电信号脉冲匹配，五路激光分别通过单模光纤输出，恒流芯片为五路激光二极管提供恒定电流至其发光阈值，温度控制芯片对蓝绿谱段量子光源的光谱及亮度
进行高精度调控，将激光二极管温度控制在恒定值范围内，保证其发光强度和光谱的稳定性，提升空海量子密钥分发的现实安全性。
21.本实施例中每个激光二极管各自具备一路高稳恒流源确保激光器时钟处于激发模式。
22.如图3所示，所述的光学编码装置包括：四路信号光路l1～l4和一路经典信号光路l5，其中：l1、l2光路通过第一偏振分束器pbs1合束后、入射偏振无关分束器npbs1的透射光路；l3、l4光路通过偏振分束器pbs2合束，再经过固定角度为22.5
°
的半波片后，入射偏振无关分束器npbs1的反射路；
23.l1光路包括：第一可调光纤准直器c1、第一可调角度半波片h1、第一固定水平角度极化片p1；
24.l2光路包括：第二可调光纤准直器c2、第二可调角度半波片h2、第二固定竖直角度极化片p2；
25.l3光路包括：第三可调光纤准直器c3、第三可调角度半波片h3、第三固定水平角度极化片p3；
26.l4光路包括：第四可调光纤准直器c4、第四可调角度半波片h4、第四固定竖直角度极化片p4；
27.l5光路通过第七可调光纤准直器c7发射；
28.l1～l4光路光经过npbs1合束，通过第五可调光纤准直器c5耦合进单模光纤，通过调节c1～c5的方向角和焦距，可使得四路信号光进入c5的单模耦合收集效率均为50％左右；收集进单模光纤的信号光通过第六可调光纤准直器c6发射；通过精细调节各路可调角度半波片h1～h4，可进一步调节各路信号输出强度，使经过c6发射后的四路信号强度达到完全平衡，c6发射的信号光路经过光衰减器att以后，与l5光路光通过第二双色镜dm2合束。
29.所述的光学编码装置的所有器件通过嵌入式固定方式封装在金属外壳内，外部只留出五路光信号输入接口以及一路光束输出口。
30.所述的经典光信号接收系统包括：第六探测器d6和第一时间相关光子计数系统tdc1。
31.所述的扩束透镜组包括：第一和第二透镜len1、len2。
32.所述的接收准直透镜组包括：第三和第四透镜len3、len4。
33.如图4所示，所述的接收端包括：用于经典光和量子光信号的分离和探测，并对量子光进行极化补偿和偏振测量的光学解码装置、用于对基、误码估计、密钥协商和隐私放大等密钥分发后处理并对接收到的经典光信号进行分析解码的后处理系统和用于产生和发送经典光信号的经典光信号发射系统。
34.所述的光学解码装置包括：用于极化补偿的波片组、用于蓝绿光分离的双色镜dm3、中心波长为520nm的带通滤波片bp1、中心波长为450nm的带通滤波片bp2、用于随机选择测量基矢的50：50偏振无关分束器npbs2以及两路偏振测量装置，其中：520nm经典光信号经dm2反射与量子光分离并进入单光子探测器d5。
35.所述的用于极化补偿的波片组包括：两片四分之一波片q1、q2和一片半波片h6。
36.所述的两路偏振检测装置分别包括：
①
偏振分束器pbs3检测水平和竖直偏振信号，其透射路进入第一单光子探测器d1，反射路进入第二单光子探测器d2；
②
固定角度为
22.5
°
的半波片h7和偏振分束器pbs4检测
±
45
°
偏振信号，其透射路进入第三单光子探测器d3，反射路进入第四单光子探测器d4。
37.所述的经典光信号发射系统包括：第二微型处理器cpu2、绿光激光器ld和第三偏振无关分束器npbs3。
38.所述的后处理系统包括：五通道第二时间相关光子计数系统tdc2和第二微型处理器cpu2，其中：tdc2记录单光子计数以及光子到达时间，并通过第二微型处理器cpu2进行量子密钥分发后处理计算。
39.本实施例基于上述系统的无线量子通信的密钥分发方法，包括以下步骤：
40.步骤1、光源调试：利用第一微型处理器cpu1生成的随机数，控制fpga前四路产生50mhz重复频率的电信号脉冲，并将电信号脉冲分别输入给前四路450nm激光器。调整多路集成激光器的阈值电流和fpga的调制电压，使得调制后的激光脉冲具有三种强度，其强度比为4：1：0，且三种强度脉冲数量所占比例依次为2：1：1。利用cpu1和fpga产生经典光的调制信号并输入第五路520nm激光器。
41.步骤2、光学编码校准：将l1～l5光路激光按图2输入光学编码装置，依次调节各个光纤准直器，使得c1～c4到c5的耦合效率大致为50％左右；然后依次调节h1～h4使得从c6出射的各路光功率相等；调节光衰减器att，使得各路输出光脉冲的三种强度衰减至平均每脉冲0.9光子、0.225光子和0，至此完成量子光偏振编码。最后调节c7，使经典光和量子光通过dm2合束。
42.步骤3、系统校准：在发射端制备特定偏振的信号，在接收端做偏振检测，通过调节q1、q2、h6三片补偿波片，使得在接收端检测的偏振态和发射端制备的偏振态之间的误差小于2％，至此系统校准完成。
43.步骤4、密钥分发：发射端的经典光为100k调制脉冲信号，可作为时间同步光源。基于诱骗态生成的不同强度量子光与经典光合束，通过空气
‑
海水信道到达接收端。在接收端，经典光和量子光通过dm3分离，520nm经典光被探测器d5探测，通过后处理系统可还原出时间框架。450nm量子光经过偏振检测装置分别被探测器d1～d4所探测，通过时间相关光子计数系统记录下光子事件和时间。
44.步骤5、后处理：发射端和接收端通过经典光收发系统进行高精度时间框架同步，完成对基、误码估计、密钥协商和隐私放大等过程，具体为：量子光信号经历巨大水体衰减后变为极度稀疏光子流，难以提取时间框架信息并对其进行同步。因此在发射端引入一路经典光信号作为同步参考。经典光源具备一路高稳恒流源确保激光器时钟处于激发模式。fpga根据诱骗态协议产生一路与三强度高速电脉冲完全同步的100khz低频窄脉冲，脉宽为5ns。探测器d5探测单光子量级的经典光信号并利用时间相关单光子计数系统tdc2记录光子的到达时间信息。在后处理端对经典光的光子到达时间进行分析并与量子光信号的到达时间进行对齐，从而实现对稀疏量子信号的高精度时间框架同步。
45.经过具体实际实验，在对450nm蓝光信号的衰减为0.8db/m的jerlovtype iii(3c)类水质中，以重复频率为50mhz的450nm光源作为量子光源、重复频率为100khz的520nm绿光作为经典光源，取诱骗态三强度脉冲的每脉冲平均光子数为：信号态μ
s
＝0.9，诱骗态μ1＝0.225，真空态μ2＝0，且其混合比例取为2：1：1的参数条件下运行上述装置，可实现水下30m穿透深度的空海量子密钥分发，得到：时间框架同步精度＜0.5ns，量子态平均保真度>
98.2％，平均筛基率为48.9％，最终密钥率为220.5bit/s，平均量子误码率为1.76％的实验结果。
46.与现有技术相比，本装置能够将蓝绿谱段量子光源重频提升至50mhz，系统同步精度提升至＜0.5ns，空海量子密钥分发水下穿透距离从3m提升至30m，等效于345m洁净海水。
47.上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。