抗信道扰动的测量设备无关量子密钥分发组网系统及方法

1.本发明涉及通信技术领域，特别涉及一种抗信道扰动的测量设备无关量子密钥分发组网系统及方法。


背景技术：

2.量子密钥分发网络可以为多用户实现无条件安全的密钥共享，其中，以测量设备无关(measurement-device-independent，mdi)协议构建的量子密钥分发网络凭借其测量节点具有天然免疫侧信道攻击的能力在以测量节点为中心的星型网络结构中展现了独特的应用优势。
3.测量设备无关协议基于贝尔态投影测量，这要求入射的两个量子态在偏振维度上需保持一致。而在实际光纤信道中，受温度、振动等力热作用，光纤的双折射效应会使得量子态的偏振会受到随机扰动，这意味着需要额外的偏振纠正系统。由于网络中各用户所使用的信道环境不同，纠偏所消耗的时间和硬件资源会随着用户数量的增加迅速上升，极大影响网络的通信效率。此外，贝尔态投影测量意味着同时接入的用户数被限制在两个，若要实现多用户通信则需按顺序将不同用户进行依次配对执行密钥分发，在用户数量较多的情况下会带来会产生较长的延迟等待。


技术实现要素：

4.鉴于上述技术问题，本发明提供了一种抗信道扰动的测量设备无关量子密钥分发组网系统及方法，以期至少解决上述技术问题之一。
5.根据本发明的第一个方面，提供了一种抗信道扰动的测量设备无关量子密钥分发组网系统，包括：
6.测量端设备，包括：光开关、n个偏振分束装置以及n个贝尔态测量装置，其中，n为大于2的正整数；
7.n个用户端设备，每个用户端设备包括态制备装置，其中，态制备装置用于以时间相位编码方案制备测量设备无关量子密钥分发协议所需的量子态；
8.n个连接设备，每个连接设备包括扰偏装置和信道，其中，扰偏装置用于将由态制备装置发送的量子态进行主动扰偏；
9.其中，n个用户端设备通过n个连接设备与测量端设备通信连接并以测量端设备为中心构成星型拓扑网络结构；
10.其中，每个用户端设备与每个连接设备的信道或扰偏装置通信连接。
11.根据本发明实施例的系统，上述扰偏装置用于将态制备装置发送过来的量子态进行主动扰偏包括：
12.通过扰偏装置利用偏振控制器对量子态以均匀概率的方式随机映射到庞加莱球的表面，得到偏振维度随机化的量子态。
13.根据本发明实施例的系统，上述光开关包括n个输入接口和n个输出接口；
14.其中，每个偏振分束装置包括1个输入接口和2个输出接口；
15.其中，每个贝尔态测量装置包括2个输入接口；
16.其中，光开关的第i个输入接口用于与第i个信道或第i个扰偏装置通信连接，光开关的第j个输出接口与第j个偏振分束装置通信连接，其中，i,j≤n；
17.其中，第一个偏振分束装置的第一个输出接口与第n个贝尔态测量装置的第一个输入接口通信连接，第一个偏振分束装置的第二个输出接口与第一个贝尔态测量装置的第一个输入接口通信连接，；
18.其中，第n个偏振分束装置的第一个输出接口与第n-1个贝尔态测量装置的第一个输入接口通信连接，第n个偏振分束装置的第二个输出接口与第n个贝尔态测量装置的第二个输入接口通信连接；
19.其中，第i个偏振分束装置的第一个输出接口与第i-1个贝尔态测量装置的第二个输入接口通信连接，第i个偏振分束装置的第二个输出接口与第i个贝尔态测量装置的第一个输入接口通信连接，其中，2≤i≤n-1。
20.根据本发明实施例的系统，上述光开关用于导通光开关的第i个输入接口和光开关的第j个输出接口，其中，i,j≤n。
21.根据本发明实施例的系统，上述用户端设备通过测量端设备进行量子密钥分发实现与任意其他两个用户端设备的量子密钥的配对。
22.根据本发明实施例的系统，上述偏振分束装置的输入接口包括单模光纤输入，偏振分束装置的输出接口包括保偏光纤输出。
23.根据本发明实施例的系统，上述偏振分束装置用于将光开关传送过来的量子态分成两个互相垂直的偏振态，并将互相垂直的两个偏振态分别从偏振分束装置的两个输出接口发射出去。
24.根据本发明的第二个方面，提供了一种抗信道扰动的测量设备无关量子密钥分发组网方法，应用于上述系统，包括：
25.构建以测量端设备为中心节点、以n个用户端设备为边节点的星型拓扑网络结构，其中，n个用户端设备通过n个连接设备与测量端设备通信连接，测量端设备包括n
×
n的光开关、n个偏振分束装置以及n个贝尔态测量装置，每个用户端设备包括态制备装置、每个连接设备包括扰偏装置和信道，其中，n为大于2的正整数；
26.利用态制备装置以时间相位编码方案制备测量设备无关量子密钥分发协议所需的量子态，并将量子态传输到扰偏装置或信道；
27.利用扰偏装置将量子态进行随机偏振旋转操作，得到偏振维度随机化的量子态；
28.根据预设光连接模式，将偏振维度随机化的量子态通过n
×
n的光开关传输到偏振分束装置中，其中，n
×
n的光开关包括n个输入接口和n个输出接口，偏振分束装置包括1个输入接口和2个输出接口；
29.根据预设量子密钥分发模式，将偏振维度随机化的量子态通过偏振分束装置分发到贝尔态测量装置中，实现量子密钥的分发和配对，其中，贝尔态测量装置包括2个输入接口。
30.根据本发明的实施例，上述预设光连接模式包括：
31.光开关的第i个输入接口与第i个信道或第i个扰偏装置通信连接，光开关的第j个
distribution，测量设备无关量子密钥分发)网络的鲁棒性和可用性，本发明提供了一种抗信道扰动的测量设备无关量子密钥分发组网系统。基于对偏振态的主动随机化和被动匹配，通过设计多用户测量装置，可在免疫信道偏振扰动的同时实现多用户密钥分发，提高了mdi-qkd网络的抗干扰能力和并发请求的处理能力。
44.本发明为测量设备无关量子密钥分发网络提供了免偏振补偿和多用户组网能力，其核心是利用偏振态的主动随机化和被动匹配，在抗信道偏振扰动的基础上，通过偏振分束和用户配对，使一个用户可以同时与两个用户进行密钥分发，进一步实现多用户组网能力。
45.图1是根据本发明实施例的抗信道扰动的测量设备无关量子密钥分发组网系统的结构示意图。
46.如图1所示，上述抗信道扰动的测量设备无关量子密钥分发组网系统100包括测量端设备110、n个用户端设备120以及n个连接设备130。
47.测量端设备110，包括：光开关111、n个偏振分束装置112以及n个贝尔态测量装置113，其中，n为大于2的正整数。
48.n个用户端设备120，每个用户端设备120包括态制备装置，其中，态制备装置用于以时间相位编码方案制备测量设备无关量子密钥分发协议所需的量子态。
49.n个连接设备130，每个连接设备130包括扰偏装置131和信道132，其中，扰偏装置用于将由态制备装置发送的量子态进行主动扰偏。
50.其中，n个用户端设备通过n个连接设备与测量端设备通信连接并以测量端设备为中心构成星型拓扑网络结构。
51.上述星型拓扑网络结构构成了测量设备无关量子密钥分发网络，实现了作为网络边缘节点的多个用户端设备之间通过一个测量端设备进行量子密钥分发和配对的过程。
52.其中，每个用户端设备与每个连接设备的信道或扰偏装置通信连接。
53.例如，对于第i个用户端设备，可以与第i个连接设备的扰偏装置通信连接，也可以与第i个连接设备的信道通信连接，需要特别说明的是：在本发明的各种实施例中，i,j等字母均表示正整数。
54.本发明提供的上述抗信道扰动的测量设备无关量子密钥分发组网系统，能够提高测量设备无关量子密钥分发网络在多用户场景下的抗干扰能力和响应速度，提高了测量设备无关量子密钥分发网络的鲁棒性并可广泛应用在量子密钥分发网络高用户承载量的场景中。
55.根据本发明实施例的系统，上述扰偏装置用于将态制备装置发送过来的量子态进行主动扰偏包括：
56.通过扰偏装置利用偏振控制器对量子态以均匀概率的方式随机映射到庞加莱球的表面，得到偏振维度随机化的量子态。
57.根据本发明实施例的系统，上述光开关包括n个输入接口和n个输出接口；
58.其中，每个偏振分束装置包括1个输入接口和2个输出接口；
59.其中，每个贝尔态测量装置包括2个输入接口；
60.其中，光开关的第i个输入接口用于与第i个信道或第i个扰偏装置通信连接，光开关的第j个输出接口与第j个偏振分束装置通信连接，其中，i,j≤n；
61.其中，第一个偏振分束装置的第一个输出接口与第n个贝尔态测量装置的第一个输入接口通信连接，第一个偏振分束装置的第二个输出接口与第一个贝尔态测量装置的第一个输入接口通信连接，；
62.其中，第n个偏振分束装置的第一个输出接口与第n-1个贝尔态测量装置的第一个输入接口通信连接，第n个偏振分束装置的第二个输出接口与第n个贝尔态测量装置的第二个输入接口通信连接；
63.其中，第i个偏振分束装置的第一个输出接口与第i-1个贝尔态测量装置的第二个输入接口通信连接，第i个偏振分束装置的第二个输出接口与第i个贝尔态测量装置的第一个输入接口通信连接，其中，2≤i≤n-1。
64.根据本发明实施例的系统，上述光开关用于导通光开关第i个输入接口和光开关的第j个输出接口，其中，i,j≤n。
65.例如第3个用户端设备通过第3个连接设备与测量端设备的光开关的第3个输入接口通信连接，光开关内部可以导通其他任意一个输出接口(如第4个，第100个等)，从而实现与其他任意一个用户进行量子密钥分发和配对。
66.根据本发明实施例的系统，上述用户端设备通过测量端设备进行量子密钥分发实现与任意其他两个用户端设备的量子密钥的配对。
67.根据本发明实施例的系统，上述偏振分束装置的输入接口包括单模光纤输入，偏振分束装置的输出接口包括保偏光纤输出。
68.由于偏振分束装置的输出口连接保偏光纤，偏振态将沿保偏光纤的慢轴出射。因此对于所有偏振分束器的出射口，其输出量子态的偏振方向均一致。
69.根据本发明实施例的系统，上述偏振分束装置用于将光开关传送过来的量子态分成两个互相垂直的偏振态，并将互相垂直的两个偏振态分别从偏振分束装置的两个输出接口发射出去。
70.图2是本发明另一实施例的抗信道扰动的测量设备无关量子密钥分发组网系统的结构示意图。
71.下面结合图2对本发明提供的抗信道扰动的测量设备无关量子密钥分发组网系统作进一步的详细说明。
72.如图2所示，用户端设备与扰偏装置通信连接，并通过信道与测量端设备通信连接，此时，可以将扰偏装置视为用户端设备的一部分，即用户端设备包括态制备装置和扰偏装置。
73.如图2所示，n个用户端设备，n个偏振扰动装置(即扰偏装置)和1个多用户测量端设备，测量端设备有n个输入口；第i个用户与第i个偏振扰动装置连接，第i个偏振扰动装置(即扰偏装置)与测量端设备的第i个输入口通过第i条信道连接，i为正整数且i≤n；偏振扰动装置和信道的顺序可以调换，即发送端的出射光脉冲可以先进入扰偏装置，再经过信道进入测量端，此时偏振扰动装置可以视为发送端的一部分；也可以先进入信道，再经过偏振扰动装置进入测量端，此时偏振扰动装置可以视为测量端的一部分。在图2所示的系统，每个用户端设备包含一个态制备装置和一个扰偏装置。
74.测量端设备包括：一个n
×
n光开关(即光开关具有n个输入接口和n个输出接口)，n个偏振分束器(即偏振分束装置)，n个贝尔态投影装置(即贝尔态测量装置)；每个偏振分束
器具有1个输入接口和2个输出接口，即1
×
2偏振分束器；偏振分束器的输入接口为单模光纤输入，输出接口为保偏光纤输出。
75.光开关的n个输入接口构成了测量端设备的n个输入接口，光开关的n个输出接口分别与n个偏振分束器的n个输入接口相连接。
76.每个贝尔态投影装置均具有2个输入接口，用于连接偏振分束器的输出口，具体连接方式为，第n和n 1个偏振分束器各有一个输出口与第n个贝尔态测量装置相连，当n＝n时，第n 1个偏振分束器替换为第1个；这样，每个偏振分束器的两个输出口均与相邻的偏振分束器连接到同一贝尔态测量装置。
77.例如，根据图2所示的系统，假设现在有100个用户端设备需要进行量子密钥分发与配对，第1个用户端设备通过信道发送到测量端设备的量子态和第100个用户端设备通过信道发送到测量端设备的量子态，可以通过第100个贝尔态投影装置实现两个用户之间量子密钥的分发与配对。
78.又例如，根据图2所示的系统，第3个用户端设备和第100个用户端设备分别通过各自的态制备装置生成第3个量子态和第100个量子态，要想实现这两个用户端设备量子密钥的分发或配对，可以在光开关内部，将第3个输入接口和第100个输入接口分别导通到相邻的两个输出接口即可，比如将光开光的第3个输入接口与光开关的第88个输出接口导通，那么第100个输入接口可以与第89个或第87个输出接口导通，由于贝尔态投影装置可以接收相邻偏振分束器传输来的量子态，即第88个贝尔态投影装置可以接收第88个或第89个偏振分束器传输来的两个量子态，而第87个贝尔态投影装置可以接收第87个或第88个偏振分束器传输来的两个量子态，当第100个输入接口与第87个输出接口导通时，第87个贝尔态投影装置实现第3个用户端设备和第100个用户端设备的量子密钥分发与配对。
79.上述技术方案中，偏振扰动装置以均匀的概率将偏振态随机映射到庞加莱球的表面，偏振分束器则将随机的偏振态映射到不同的输出口，所有输出口由于是保偏光纤连接，其偏振方向均相同，即均与保偏光纤的慢轴对齐。用户的光信号可以通过光开关向任意偏振分束器映射，从而可与任意用户组合并借助贝尔态测量装置执行测量设备无关协议。由于偏振扰动装置和偏振分束器分别对偏振态的主动随机化和被动输出路径映射，信道对于偏振的随机扰动被覆盖抹平，因此不再需要偏振纠正装置。
80.图3是根据本发明实施例的抗信道扰动的测量设备无关量子密钥分发组网方法流程图。
81.如图3所示，上述种抗信道扰动的测量设备无关量子密钥分发组网方法包括操作s310～操作s350。
82.在操作s310，构建以测量端设备为中心节点、以n个用户端设备为边节点的星型拓扑网络结构，其中，n个用户端设备通过n个连接设备与测量端设备通信连接，测量端设备包括n
×
n的光开关、n个偏振分束装置以及n个贝尔态测量装置，每个用户端设备包括态制备装置、每个连接设备包括扰偏装置和信道，其中，n为大于2的正整数。
83.根据上述方法的星型拓扑网络结构能够实现量子密钥在多个用户端设备之间的分发。
84.操作s320，利用态制备装置以时间相位编码方案制备测量设备无关量子密钥分发协议所需的量子态，并将量子态传输到扰偏装置或信道。
85.操作s330，利用扰偏装置将量子态进行随机偏振旋转操作，得到偏振维度随机化的量子态。
86.操作s340，根据预设光连接模式，将偏振维度随机化的量子态通过n
×
n的光开关传输到偏振分束装置中，其中，n
×
n的光开关包括n个输入接口和n个输出接口，偏振分束装置包括1个输入接口和2个输出接口。
87.操作s350，根据预设量子密钥分发模式，将偏振维度随机化的量子态通过偏振分束装置分发到贝尔态测量装置中，实现量子密钥的分发和配对，其中，贝尔态测量装置包括2个输入接口。
88.本发明提供的上述抗信道扰动的测量设备无关量子密钥分发组网方法，能够实现多用户之间量子密钥的分发与配对，并能够提高测量设备无关量子密钥分发网络在多用户场景下的抗干扰能力和响应速度。
89.根据本发明的实施例，上述预设光连接模式包括：
90.光开关的第i个输入接口与第i个信道或第i个扰偏装置通信连接，光开关的第j个输出接口与第j个偏振分束装置的输入接口通信连接；
91.其中，n
×
n的光开关用于导通光开关的第i个输入接口和光开关的第j个输出接口，其中，i,j≤n。
92.根据本发明的实施例，上述预设量子密钥分发模式包括：
93.第一个偏振分束装置的第一个输出接口与第n个贝尔态测量装置的第一个输入接口通信连接，第一个偏振分束装置的第二个输出接口与第一个贝尔态测量装置的第一个输入接口通信连接，；
94.第n个偏振分束装置的第一个输出接口与第n-1个贝尔态测量装置的第一个输入接口通信连接，第n个偏振分束装置的第二个输出接口与第n个贝尔态测量装置的第二个输入接口通信连接；
95.第i个偏振分束装置的第一个输出接口与第i-1个贝尔态测量装置的第二个输入接口通信连接，第i个偏振分束装置的第二个输出接口与第i个贝尔态测量装置的第一个输入接口通信连接，其中，2≤i≤n-1。
96.下面结合具体实施方式，对本发明提供的上述系统或方法作进一步详细地解释。
97.n个用户(即本发明上述的用户端设备)以星型拓扑结构进行组网，每个用户经信道连接至位于中心节点的测量端。用户的态制备装置负责以时间相位编码方案制备测量设备无关量子密钥分发协议所需的量子态，所有量子态在进入信道前，通过偏振控制器件实现主动扰偏。即无论输入的偏振是什么，扰偏装置均随机附加一个偏振旋转的操作，使得该偏振在庞加莱球上以等概率发布。接着该量子态进入信道，受信道扰动的影响，该量子态的偏振会再随机附加一个偏振旋转。但由于偏振在庞加莱球上本就是均匀分布，因此附加任意旋转后仍是均匀分布。用户的量子态到达光开关后，根据用户的配对请求，光开关将需要配对的用户光路导通至相邻的偏振分束器。每个用户最多同时可请求与两个不同的用户进行配对。由于偏振分束器的输入口连接单模光纤，量子态的所有偏振分量均可进入。在到达偏振分束器后，偏振分束器会将用户量子态分成以两个互相垂直的偏振态，这两个偏振态分别从偏振分束器的两个输出口出射。由于偏振分束器的输出口连接保偏光纤，偏振态将沿保偏光纤的慢轴出射。因此对于所有偏振分束器的出射口，其输出量子态的偏振方向均
一致。
98.经过偏振分束器后，编号相邻的两个偏振分束器(对于偏振分束器1来说，偏振分束器2和n与之相邻)的输出口连接同一套贝尔态测量装置，该测量装置可为与这两个偏振分束器相连的用户提供密钥分发服务。由于每个偏振分束器可与两个贝尔态测量装置相连，因此同时可与最多两个不同的用户进行密钥分发。对于可接入n个用户的测量端，在光开关连接模式不变的情况下，最多支持n对用户同时生成密钥。通过切换光开关连接模式，可实现任意用户对的密钥分发。
99.mdi-qkd协议可以提升qkd网络的实际安全性，但对环境扰动十分敏感。同时，随着网络规模的扩大，并发请求必然频繁出现。稳定性和并行能力是mdi-qkd网络应用中最关心的两个问题，本发明通过对mdi协议改进，提供了一种抗信道扰动的测量设备无关量子密钥分发组网系统，不仅可以免疫信道的偏振扰动，还可支持多用户同时进行密钥分发，进一步提升mdi-qkd网络的鲁棒性和可用性，推动mdi-qkd网络实用化能力。
100.以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。