[发明专利]基于DPS的多用户QKD网络系统及其密钥分发方法

说明书

本发明公开了基于DPS的多用户QKD网络系统及其密钥分发方法，包括Alice端，多用户Bob端以及波分复用单元，Alice端的多波长连续激光器产生多波长连续激光，经强度调制器调制成等时间间隔为T多波长脉冲激光，经相位调制器随机调制相位为0或π相位，再经过衰减器衰减成平均光子数小于1的多波长脉冲激光；波分复用单元对多波长脉冲解复用，不同波长的激光脉冲以波长寻址的方式进入相应波长的Bob端，对应波长脉冲在相应的Bob端进行干涉，探测器根据前后脉冲之间的相位差响应干涉事件并计数。本发明将DPS结合波分复用实现一对多的量子密钥分发，使得增加Bob用户不会增大插入损耗和减小密钥生成率；采用的结构简单、操作方便、传输稳定、成码率高。

技术领域

本发明涉及量子信息以及光纤通信技术领域，具体是基于DPS的多用户QKD网络系统及其密钥分发方法。

背景技术

相比于经典通信通过计算的复杂度保证安全，量子保密通信基于量子力学原理保证了其绝对的安全性。海森堡不确定原理和未知量子态不可克隆原理从根本上保证了量子保密通信的绝对安全。量子保密通信已经在国家安全、军事、乃至民用领域广泛应用。

量子密钥分发(Quantum Key Distribution，QKD)能以绝对安全的方式让处于不同位置的合法参与者(通常称为Alice和Bob)分享密钥，对于当前来说点对点的量子密钥分发已经日趋成熟，常用的协议有BB84协议、B92协议、EPR协议等，1984年由Bennett提出的BB84协议采用两个完全相同的非等臂M-Z干涉仪作为编码器和解码器，这种编码方式由于光纤的拉伸与弯曲使得光子偏振态产生变化使得工作不够稳定，其操作又比较复杂。1992年在BB84基础上进行简化而来的B92协议虽然操作简单但是成码率较低，所产生的数位串中仅有25％是有效的。而EPR协议需要比较完美的纠缠源，目前主要采用的自发参量下转换光路复杂，成本昂贵。另外CHSH不等式的判断是非常精细的操作，对器件的精度要求很高，而纠缠态在光纤中的传输面临着损耗的问题，探测器存在噪声、暗计数等等，这些因素很大程度上都会对最终的测量结果有影响。2002年首次提出的DPS(Differential PhaseShift)，即差分量子密钥分发协议，是利用两个连续光子的相位差传递密钥信息，因此使得信息具有连续性，并且在光纤传输中前后两个脉冲所受到外界的影响几乎一致，因此具有更强的抗干扰性。DPS协议无论从结构上还是操作上都比BB84协议简单，并且成码率是BB84协议的2倍，是B92协议的4倍，另外它还能有效地对抗光子数分裂窃听，因此更具有实用潜力。

QKD应用面临着一个重要的实际问题是解决量子网络和经典通信网络的融合，发展一对N、N对N的量子密钥分发网络，避免为满足多用户通信而建立专用网络的重大投入。

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；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网络不依赖每个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μ/N，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的可调谐波长光源多用户QKD方案虽然可以不再将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、插入损耗增大，而且存在着光子利用率低，稳定性低等缺点。

发明内容