[发明专利]一种异地共享真随机数序列的光学系统

说明书

技术领域

本发明涉及光纤通信和保密通信技术领域，更具体地，本发明涉及一种光纤量子密钥分配系统。

背景技术

对信息进行安全传递时，需要使用密钥对明文信息进行加密，而密钥本质上是一种随机数序列。理论上证明，一次一密的便笺式加密算法是最安全的，这便需要在异地共享大量相同的真随机数序列来作为密钥。量子信息科学结合了量子物理学与信息科学，其中，发展最为快速的便是量子密钥分配技术。1984年，Bennett和Brassard提出第一个量子密码术方案，即BB84协议，1992年，又在实验上演示了量子密钥传输。随后，用于量子密码传输的B92协议、Ekert协议以及诱骗态协议相继提出。同时，各个实验室都开展了量子密钥分配的实验研究。这些研究都使量子密钥分配日趋实用化。最早的量子密钥分配实验系统采用的是偏振编码，但光在光纤传播时无法很好地保持其偏振态，因此这种方法不适合在光纤中应用。另外，若使用相位编码的马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)光纤干涉仪式量子密钥分配系统，光子在不同的臂中受到的干扰不一样，导致光路的稳定性不好，抗干扰能力差。后来，瑞士日内瓦大学的N.Gisin(Appl.Phys.Lett.70，793(1997))提出使用一种往返式的光路解决方案。其采用法拉第反射镜使光脉冲在发送方和接收方之间往返传输，每个光脉冲分时复用干涉光路，这样可以达到光纤双折射效应自补偿的效果，提高了系统的抗干扰能力。但是，这种双向量子密钥分配方案所使用的器件较多，系统较复杂，实施起来也不方便。目前已有的其他类似方案均存在相同问题。

发明内容

为克服现有双向量子密钥分配系统组成和操作复杂、抗干扰能力较低的缺陷，本发明提出一种基于异地共享真随机数序列的光纤量子密钥分配系统，可直接用于量子密钥分配。

根据本发明的一个方面，提出了一种光纤量子密钥分配系统，如图1所示，包括：发送方、接收方、连接发送方和接收方的量子信道；

其中，所述发送方包括脉冲光源1、光纤环行器2、分束器3、四端口偏振分束合路器4、第一相位调制器5、第一45°偏振旋转法拉第镜6、第一单光子探测器7和第二单光子探测器8；

其中，所述光纤环行器2的入射端口A连接脉冲光源1，接收所述脉冲光源1发射的光脉冲，所述光纤环行器2的出射端口B连接所述分束器3的入射端口D；所述分束器3将从所述光纤环行器2接收的光脉冲分为两束；所述四端口偏振分束合路器4的两个入射端口H和I分别连接所述分束器3的出射端口G和F，用于分别接收所述分束器3的分束光；所述四端口偏振分束合路器4的出射端口J依次连接第一相位调制器5和第一45°偏振旋转法拉第镜6，所述发送方的相位调制器5上加电压调制信号对光脉冲进行调制；第一45°偏振旋转法拉第镜6将光脉冲反射，返回到所述四端口偏振分束合路器4，所述四端口偏振分束合路器4的出射端口K连接量子信道9；

其中，所述接收方包括顺序连接的第二相位调制器10、光衰减器11和第二45°偏振旋转法拉第镜12，所述第二相位调制器10的入射端连接量子信道9；所述第二相位调制器10上加电压调制信号对光脉冲进行调制；所述光衰减器11将调制光衰减为单光子，所述第二45°偏振旋转法拉第镜12将光脉冲反射通过量子信道9返回到发送方；

其中，所述发送方光纤环行器2的C端连接第一单光子探测器7，将接收返回的调制光发送给所述第一个单光子探测器7，所述分束器3的另一端口E连接第二单光子探测器8，将接收返回的调制光发送给所述第二单光子探测器8，所述单光子探测器7和单光子探测器8的输出序列构成二进制的真随机数序列，可用来提取量子密码本。

其中，所述脉冲光源可以是脉冲激光器；所述脉冲光源可以发射平行偏振的光脉冲。其中，所述分束器3为2×2分束器；所述分束器3将接收的光脉冲分为强度相等的两束，并让返回的两光束在此发生干涉输出。

其中，所述四端口偏振分束合路器4分别将所述分束器3的两束输出光脉冲向连接不同相位调制器的端口输出，构成干涉光路的分时复用。

其中，所述第一相位调制器5上加随机的电压调制信号对光脉冲的相位进行调制，并记录其调制基的随机序列。其中，所述第二相位调制器10上加随机的电压调制信号对光脉冲的相位进行调制，并记录其调制基以及按预先规定的0和1编码的随机序列。