[发明专利]一种空间-光纤耦合阵列逆向调制自由空间QKD系统

说明书

本发明提供了一种空间‑光纤耦合阵列逆向调制自由空间QKD系统，包括询问端和逆向调制端；所述询问端配置为产生圆偏振强光信号，对量子信号的量子态进行测量，发送或接收光信号；所述逆向调制端配置为接收来自询问端的光信号，并对光信号进行偏振调制和强度调制，将接收到的光信号调制成符合BB84协议的弱相干态信号，且该弱相干态信号以与接收到的光信号相反的方向反射回询问端；该系统具有结构简单、功耗低、成本低，不仅能够适用于传统自由空间QKD应用中的大平台，且同样适用于对负载有严格限制的小平台，实现量子密钥分发。

技术领域

本发明涉及量子密码与光通信领域，特别是涉及一种基于非对称式逆向调制技术的自由空间QKD系统。

背景技术

量子保密通信的保密原理与传统的经典密码通信的保密原理有着根本的不同，它采用量子态作为密钥的传输载体，基于量子力学的海森堡测不准原理和量子不可克隆定理保证密钥分发的安全性。经过量子信道建立密钥，除当事人之外的第三方无法获得密钥的任何信息。不同于经典密钥通过破解密钥的计算复杂度来保证加密信息的安全性，量子密钥分发的这种安全性不是基于计算安全性而是基于物理基础，这就从根本上解决了密钥的安全性问题。从这种意义上说，量子保密通信是一种能实现理论上绝对安全的通信方式。

由于光子具有速度快、抗电磁干扰能力强、衰减小等优点，目前大部分的QKD系统都采用光子作为信息载体。根据密钥传输的信道不同，基于光子的QKD系统可以分为光纤QKD系统和自由空间QKD系统。目前光纤QKD系统已有瑞士idQuantique等公司提供商用产品，并且建成了若干个城域试验网。自由空间QKD系统是以自由空间作为信道，利用望远镜进行传送和接收光子。虽然受地表的可视性条件和大气波动等因素的影响，近地的自由空间QKD系统与光纤QKD系统相比没有明显优势，但是在部分光纤不可达的条件(例如高山、荒漠等)下，通过自由空间是唯一的选择。另外，通过量子卫星实现全球化的量子保密通信，被视为未来长距离QKD系统较有前景的方案之一。

传统的自由空间QKD系统需要通信双方同时配备复杂的ATP(Acquisition、Tracking and Pointing)设备和通信设备，导致终端设备体积大、能耗高、成本高，限制了应用的成本和难度。逆向调制光通信系统具有非对称式的光通信系统结构，通信双方分别称为询问端和逆向调制端。询问端与传统的自由空间QKD系统的通信终端相似，相对逆向调制端具有更高的设备复杂度和更多的功能。而逆向调制端的设备简单，它不需要配备复杂庞大的ATP系统，也不需要高性能的量子态测量系统，大大降低了设备的成本、重量和能耗。逆向调制自由空间QKD技术大大降低了自由空间QKD系统的应用门槛，可广泛应用于无人机通信、微小卫星量子网络等场景。

例如，中国专利CN107147442A公开了一种四路同轴的自由空间量子通信编码装置，该装置将4路编码信号耦合至1根单模光纤进行发射来确保4路量子光的高精度同轴，同时利用单模光纤具备幺正变化的偏振特性，采用1/4、1/4、1/2波片组合的方案对光纤引入的偏振变化进行补偿来确保出射光的偏振状态，并利用BB84解码模块对偏振补偿进行监测来保证偏振补偿效果。该专利并非基于非对称结构的逆向调制技术，存在通信终端对量子密钥设备的负载有严格限制的问题。

因此，针对现有技术中存在的技术问题，亟需提供一种结构简单、功耗低、成本低，不仅能够适用于传统自由空间QKD应用中的大平台，且能够搭载在对负载有严格限制的小平台中的QKD设备及技术。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提出了一种空间-光纤耦合阵列逆向调制自由空间QKD(quantum key distribution，量子密钥分发)系统，该系统采用非对称的通信结构，一方为询问端，向逆向调制端发射强光信号，并对逆向调制端反射回来的量子信号进行量子态测量；一方为逆向调制端，接收询问端发送的强光信号，并根据诱骗态BB84协议对其进行偏振态调制并衰减为弱相干光之后反射回询问端。

为了达到上述的目的，本发明通过以下技术方案实现：