[发明专利]一种量子通信与量子时频传输的融合网络系统与方法

说明书

本发明公开了一种量子通信与量子时频传输的融合网络系统与方法，量子中继单元发射纠缠光子对，经传输单元分别发送至两个量子终端单元，量子终端单元反射输入光子并经由传输单元返回量子中继单元。量子中继单元对纠缠光子对进行HOM干涉测量，并调节光路时延，经多次测量得到HOM凹陷最大值，实现光路平衡。随后信号激光器发送激光脉冲经传输单元发送到量子终端单元，量子终端单元对输入光脉冲编码并经由传输信道传送回量子中继单元，量子中继单元得出结果并通过经典信道公布获得密钥后，通过经典信道并利用光信道监控器进行时钟同步，时频信息通过QKD分发的密钥加密，解决时频信息的信息安全问题并实现了量子通信与量子时频传输的融合。

技术领域

本发明涉及量子信息以及光通信技术领域，特别涉及一种量子通信与量子时频传输的融合网络系统与方法。

背景技术

时间频率是一个很重要的参数；时间频率标准传递在高精密授时系统中也至关重要，在定位、导航、通信等诸多领域都有广泛的应用。时频同步技术是指通过某种手段，将处于异地的时钟产生的时频信号进行比对，并形成统一时频基准的过程。精密导航离不开准确的授时服务，而授时服务的基本要求是时钟同步。

随着原子钟技术的不断发展，光频原子钟的频率不确定度达到10^-18。现有的时频同步技术已经无法满足高精度时钟比对的需求，函需发展具有更高传输稳定度的时频同步方法。依托飞速发展的光纤通信技术，基于光纤的时频同步技术应运而生。光纤作为一种大带宽、高速率的传输介质，已经成为了目前世界上最庞大的通信基础设施。2017年我国新建光缆线路长度705万公里，全国光缆线路总长度达3747万公里。利用光纤传输损耗低、隔绝电噪声、分布广泛等优势，建设基于光纤的时频网络具有现实且重要的意义。

量子通信被认为是未来通信的发展方向，其中量子密钥分发(Quantum KeyDistribution,QKD允许合法用户Alice端和Bob端之间共享理论上绝对安全的密码，结合一次一密的加密体系，实现目前可证明的唯一的安全通信。经过三十余年的发展，QKD目前已进入到测量设备无关协议(MDI，Measurement Device Independent)阶段，结合诱骗态技术，MDI-QKD一次性关闭了探测器的缺陷并解决了弱相干态单光子源的多光子成分问题，成为了目前最具有实用前景的方案，量子通信与量子时频传输的网络融合是当前亟需解决的精准授时，授时安全关键技术问题的重要探索。

但是测量设备无关协议中Alice端和Bob端发出的量子态在第三方Charlie测量成功，要求到达光子的时间、频谱、偏振等模式必须完全匹配。首先，Alice端和Bob端与Charlie 之间的距离不是完全一致的，需要准确地延时使得光子到达时间完全对准。其次，Alice端和Bob端使用不同的激光器，频谱不是完全相同。第三，因为光纤的双折射效应，很难保证光子偏振态的稳定传输。虽然可以使用相位编码，但是相位漂移、时间抖动限制了QKD 系统性能的提高，密钥速率较低。

同时，现有技术中，如专利201510008068.9试图解决相位调制偏振编码的测量设备无关协议稳定性问题，但是却人为地将通信距离缩短了一半。

现有技术中，如最早提出即插即用方案的瑞士日内瓦大学Gisin小组(文献:Muller A, Herzog T,Huttner B,etal.plug and playsystems for quantumcryptography[J].Applied physics Letters,1997,70:793-795)采用了相位编码的方式，专利201610700278.9进一步改进，采用了时间相位编码方式，主要目的是解决光纤中偏振抖动补偿的问题，但是未涉及测量设备无关方案。

即插即用方案可以利用同一激光器实现光子频谱等参数的一致性，但是由于通信双方与中继的距离不是完全对称，导致HOM干涉对比对下降。目前实验中一般采用不同波长的独立光脉冲利用波分复用来实现通信双方的同步，消耗了波长资源。然而随着网络用户的增加，尤其在经典和量子通信融合网络中，每一个波长都是宝贵的资源，上述方法显然不经济也不可行。