[实用新型]多用户波分复用量子密钥分发网络系统

说明书

技术领域

本实用新型涉及光纤通信与量子通信网络领域，更具体地，涉及一种多用户波分复用QKD(量子密钥分发)网络系统。 

背景技术

传统密码技术的安全性由数学上的计算复杂度来保证，但面对日益强大的计算能力，其安全性受到巨大威胁。量子密码技术的安全性不依赖于计算的复杂度，而是基于量子力学基本原理，即海森堡测不准原理和未知量子态不可克隆原理。量子密钥分发(Quantum Key Distribution，QKD)能以绝对安全的方式让处于不同地理位置的合法参与者(通常用Alice和Bob表示)分享密钥，双方的密钥发送信道可以是自由空间或者光纤，采用光纤作为传输信道的QKD取得了很大的进步。 

目前大多数实现的QKD都采用微弱光脉冲的偏振或相位作为信息的载体。然而由于光纤的双折射和环境的影响，基于偏振调制的系统很难部署到实际的光纤网络链路上进行远距离密钥分发，即便基于相位调制的系统也会受到光纤双折射的影响。即插即用系统——一种往返的QKD系统，以通过自动补偿光纤双折射效应来消除其对系统所带来的影响，因此在传输过程中不需要任何偏振控制系统就可以保证系统在较长一段时间内的操作稳定性。但目前光纤QKD大部分都是点对点应用，无法直接扩展多用户网络应用，这是限制其走向大规模应用的主要障碍之一。 

目前已有的QKD网络主要采用两种技术：一种是基于光学节点的QKD网络，光学节点可以是分光器，光开关、波分复用器或者其他光学被动器件；另一种是基于可信中继的QKD网络，其难点在于保持中继的可靠性。相较于第二种QKD网络，基于光学节点的QKD网络无需必须保证光学节点的绝对可靠性。基于分光器的量子密钥分发网络具有安全性好、容易实现的优点，但也存在一个非常明显的缺点，就是其网络扩展会严重影响单用户密钥生成率和传输距离。Alice发射的平均光子数为μ的光脉冲被分光器分成N份，其中N为用户数，这样发 送给每个接收端Bob的平均光子数为μN，那么最终的密钥生成率会因为光子数的减少降为单用户密钥生成率的N分之一。随着用户数N的增加，网络的传输距离及单用户密钥生成率都会随之成倍减小。早期基于波分复用技术(Wavelength Division Multiplexing，WDM)的可调谐波长光源多用户QKD方案虽然可以不再将发射方Alice发射的脉冲均分给不同的用户，但同一时刻激光器产生的脉冲仍然为单一波长脉冲，只能服务于单一用户，这造成了多用户不能同时工作的困境，而且从全局时间来看，单用户的密钥生成率仍然受困于用户规模，即随着用户数的增加，单用户的密钥生成率会减小。后续的改进方案中虽然都试图解决密钥生成率随用户数的增加而减小的问题，但新的问题随之出现，比如不同用户之间的相互干扰，这给网络中用户增加了不必要的误码，而且这些方案的实际可行性也有待进一步验证。 

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种多用户波分复用量子密钥分发网络系统，该系统将单光源多波长激光器同时产生的多波长脉冲作为多用户信息传输的载体，将各个波长脉冲发送到不同的合法用户，各用户相对独立，保证单用户的密钥生成率稳定，不会随着用户的增加而减小。 

为实现上述目的，本实用新型采取以下技术方案： 

一种多用户波分复用量子密钥分发网络系统，包括Alice控制端、脉冲输送线路和Bob用户端，Alice控制端通过脉冲输送线路与Bob用户端连接。 

所述Alice控制端包括多波长脉冲产生装置、环形器、耦合器、非平衡干涉仪以及两个单光子探测器组；多波长脉冲产生装置输出的脉冲组经过环形器后，通过耦合器注入到非平衡干涉仪，非平衡干涉仪长臂上顺次包含有短延迟线、单一相位调制器和偏振分束器，非平衡干涉仪短臂接偏振分束器，一单光子探测器组通过环形器接耦合器的输入端，另一单光子探测器组接耦合器的耦合端。 

所述Bob用户端包括分束器、用于调制脉冲加载相位信息的上支路和用于为上支路提供参考信息和系统安全监控的下支路，Alice控制端中的偏振分束器通过脉冲输送线路接Bob用户端的分束器，分束器的输出端分别接上、下支路。 

所述上支路包括顺次连接的可变光衰减器、脉冲延时装置、光纤延迟线、相位调制器以及反射装置，分束器的上输出端接可变光衰减器。 

所述下支路包括顺次连接的可变光衰减器和经典探测器，分束器的下输出端接可变光衰减器。