一种无线光量子密钥与数据混传方法及系统

1.本发明涉及通信领域和数据加密领域，具体涉及一种无线光量子密钥与数据混传方法及系统。


背景技术：

2.无线光通信技术能够为室内复杂场景、室外车载网络、水下机器人、水下传感网等技术的数据传输提供有效支持，从而推动6g全空间、全场景网络下万物互联的发展。相较于传统射频或者水下声波等通信方式，无线光通信拥有丰富的频谱资源，支持吉比特每秒的数据速率，传输时延低，抗干扰能力强，成本也较低，因此近年来受到国内外研究学者的广泛关注。
3.为了保障无线光通信数据的安全传输，可以考虑使用目前已被理论证明绝对安全的量子密钥分发技术。通过量子密钥分发技术在收发双方之间进行安全的密钥分发，结合一次一密的加密方式，实现保密通信。
4.而实际的无线光通信系统通常采用led或者ld作为光源，它们发出的光具有较强的方向性，这就需要收发双方进行光路的精确对准和快速跟瞄。为实现安全通信，目前的传统方法便是专门增加一套用于量子密钥分发的设备，同时这也意味着还需要增加一套用于量子密钥分发链路收发端对准和跟瞄的设备，这无疑会增加整个无线光通信系统的成本以及实现复杂度。因此有必要考虑将量子密钥与通信数据在同一条链路上传输以节省成本。目前已有的量子密钥与数据混传研究成果往往是借用光纤通信中的混传思想，采用波分复用的方式实现量子密钥与通信数据的混传。但由于经典光通信信号的强度远远大于量子密钥分发所用的极弱光，这种混传方式不可避免地会对量子密钥分发链路产生强干扰，同时对接收端分色镜的分色效果提出了很高的要求。因此，如何减少通信信号对量子信号的干扰成为一个亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.为了解决上述技术问题，本发明提供一种无线光量子密钥与数据混传方法及系统。
6.本发明技术解决方案为：一种无线光量子密钥与数据混传方法，包括：
7.步骤s1：发送设备的激光光源采用ook调制，即通-断调制，产生的调制光信号包括：信息比特为0所对应的弱光信号和信息比特为1所对应的强光信号；对所述弱光信号进一步进行偏振调制，使其携带密钥信息；对所述强光信号不做偏振改变，保持其原有偏振状态；得到混传信号进行发送；
8.步骤s2：接收设备包含四个光检测路，当接收到所述混传信号，根据其每个码元周期内产生响应的所述光检测路的数目和响应状态，解调出所述发送数据和初始密钥：当接收到强光信号时，至少有三个所述光检测路会产生信号响应；当接收到弱光信号时，最多只有一个所述光检测路产生信号响应，此时根据该响应进行解码，得到所述初始密钥。
9.本发明与现有技术相比，具有以下优点：
10.本发明公开了一种无线光量子密钥与数据混传方法，通过同步控制光源出射光强与偏振调制器的工作状态，使得偏振态和信号态可以完全区分开，不会造成混叠，同时利用偏振调制器只对弱光进行调制，对强光不调制；并把通信的强光信号与携带密钥的弱光信号在时间上区分开，既节省了混传系统成本，又减少了通信信号对量子信号的干扰。
附图说明
11.图1为本发明实施例中一种无线光量子密钥与数据混传方法的流程图；
12.图2为本发明实施例中发送设备结构示意图；
13.图3为本发明实施例中接收设备结构示意图；
14.图4为本发明实施例中使用本方法进行传输得到的筛选密钥率实验结果图；
15.图5为本发明实施例中使用本方法进行传输得到的量子误码率实验结果图。
具体实施方式
16.本发明提供了一种无线光量子密钥与数据混传方法，将量子密钥与通信数据在同一条光链路和同一个波长信道上混合传输，既节省了混传系统成本，又减少了通信信号对量子信号的干扰。
17.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，以下通过具体实施，并结合附图，对本发明进一步详细说明。
18.实施例一
19.如图1所示，本发明实施例提供的一种无线光量子密钥与数据混传方法，包括下述步骤：
20.步骤s1：发送设备的激光光源采用ook调制，即通-断调制，产生的调制光信号包括：信息比特为0所对应的弱光信号和信息比特为1所对应的强光信号；对弱光信号进一步进行偏振调制，使其携带密钥信息；对强光信号不做偏振改变，保持其原有偏振态；得到混传信号进行发送；
21.本发明实施例的激光光源采用ook调制，从而可以产生两种强度不同的光信号：信息比特为“0”所对应的弱光信号和信息比特为“1”所对应的强光信号。其中的弱光信号经衰减片衰减后强度只有单光子级别，随后偏振调制器根据混传信号产生模块生成的偏振调制器控制信号序列对弱光进行偏振调制，使其携带密钥信息；而对于强光信号，偏振调制器不对其做偏振改变，从而保持其原有偏振状态；最后发送设备将生成的混传信号发送出去；
22.在本步骤中，量子密钥的分发采用基于偏振编码的bb84协议，光信号经垂直偏振片后，将会滤除非垂直偏振态的光子，以使得到达偏振调制器的光子全部为垂直偏振光子；偏振调制器对垂直偏振光子进行调制后，传输四种偏振态的光子：水平、垂直、左旋和右旋。
23.步骤s2：接收设备包含四个光检测路，当接收到混传信号，根据其每个码元周期内产生响应的光检测路的数目和响应状态，解调出发送数据和初始密钥：当接收到强光信号时，至少有三个光检测路会产生信号响应；当接收到弱光信号时，最多只有一个光检测路产生信号响应，此时根据该响应进行解码，得到初始密钥。
24.为了检测发送端发出的四种状态的光子，接收设备设计了四个光检测路。当混传
信号到达接收设备时，如果收到的是强光信号“1”，此时由于光强较强，光子数足够多，会有约一半的光子透过分束器，一半被反射，在与光子偏振态相符合的测量基光路上的光子将有绝大部分透过偏振分束器或者被偏振分束器反射到达相应位置的光子探测器；在与光子偏振态不符合的测量基光路上的光子将继续被偏振分束器一分为二，随后进入光子探测器。因此，当强光“1”码元到来时接收设备的四个光子探测器中将至少有三个会产生脉冲计数，且计数较多。当弱光“0”码元到来时，由于弱光信号只有单个光子，它要么透过分束器，要么被分束器反射，最终只能到达一个光子探测器，因此最多只有一个探测器会产生脉冲计数。在接收混传信号时，接收设备可根据每个码元周期内产生脉冲计数的探测器数目判决出通信的“1”和“0”，并根据接收到“0”码元的那个光子探测器出现脉冲计数得到相应的量子密钥。
25.本发明公开了一种无线光量子密钥与数据混传方法，通过同步控制光源出射光强与偏振调制器输出信号，使得偏振态和信号态可以完全区分开，不会造成混叠，同时利用偏振调制器只对弱光进行调制，对强光不调制；并把通信的强光信号与携带密钥的弱光信号在时间上区分开，既节省了混传系统成本，又减少了通信信号对量子信号的干扰。
26.实施例二
27.如图2和图3所示，本发明实施例提供了一种无线光量子密钥与数据混传系统，包括下述模块：
28.发送设备1，包括：混传信号产生模块11、单光子信号制备模块12和偏振状态调制模块13，用于对调制光信号中的弱光信号进行偏振调制，使其携带密钥信息，并发送混传信号；
29.其中，混传信号产生模块11产生传统通信所需的调制电信号和量子密钥分发所需的偏振调制器控制信号，分别输入单光子信号制备模块12和偏振调制模块13；
30.单光子信号制备模块12，包括：相干光源121和衰减片122，其中，相干光源121会基于混传信号产生模块11所产生的调制电信号，生成强度不同的两种光信号：弱光信号0和强光信号1；其中的弱光信号经衰减片122后，其强度为单光子级别；
31.偏振调制模块13，包括：垂直偏振片131和偏振调制器132，其中，垂直偏振片131将滤除单光子制备模块12出射的非垂直偏振态的光子，以使得到达偏振调制器132的光子全部为垂直偏振光子。当发送强光信号1时，偏振调制器不工作，使强光保持原有偏振状态。当发送弱光信号0时，使用偏振调制器132会基于混传信号产生模块11所产生的偏振调制器控制信号对垂直偏振光子进行调制，完成密钥的加载过程，从而实现通信数据与量子密钥的合成。
32.接收设备2，包括：四路偏振光检测路，用于接收混传信号，并对其中弱光电信号进行解码后，得到量子密钥，具体包括：
33.第一路偏振光检测路包括：功率分束器21、第一偏振分束器22和第一光子探测器23；其中第一光子探测器23用于接收混传信号透过功率分束器21和第一偏振分束器22后的光信号；
34.第二路偏振光检测路包括：第二光子探测器24，用于接收经第一偏振分束器22反射的光信号；
35.第三路偏振光检测路包括：1/4波片25、第二偏振分束器26和第三光子探测器27，
其中，从功率分束器21反射的光信号经1/4波片25，再经第二偏振分束器26反射，到达第三光子探测器27；
36.第四路偏振光检测路包括：第四光子探测器28接收透过第二偏振分束器26的光信号。
37.接收设备通过根据每个码元周期内光子探测器产生响应的光路数目可解调出通信信号，并根据“0”码所在时段内产生响应的那个检测光路进行解调，可得到对应的接收密钥。
38.为了测试本发明所提供的无线光量子密钥与数据混传系统的性能，在15米水缸进行了量子密钥与通信数据混传实验。实验结果如图4和图5所示，其中横坐标分别表示四路光检测通道所对应的水平、垂直、右旋和左旋状态。实验中通信信号“1”码与“0”码对应的光强比约为11：1。在发送端脉冲重复频率为125khz的条件下，最终得到的平均筛选密钥率为24.88kbps，量子误码率(qber)0.1079，符合安全标准(简单的拦截重发攻击下，误码率在0.25以下符合安全标准，在0.1以下符合绝对安全标准)；通信速率为12.5kbps，误码率为0。该实验结果验证了本发明所提出的无线光量子密钥与数据混传方法的可行性，并证明了所提出的无线光量子密钥与数据混传系统具有良好的性能。
39.提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。