[发明专利]一种相位编码量子密钥分发的环型多用户系统及密钥分发方法

说明书

本发明公开了一种相位编码量子密钥分发的环型多用户系统，包括Alice控制端、Bob接收端以及基于Sagnac环的光纤链路。所述Alice控制端包括多个Alice用户、波分复用装置、环形器、耦合器、探测单元以及控制端相位调制器；Bob接收端包括多个Bob用户；基于Sagnac环的光纤链路包括顺时针方向的CW光纤链路和逆时针方向的CCW光纤链路。本发明系统中，Alice控制端的任一Alice用户可与Bob接收端的任一Bob用户实现基于相位编码BB84协议的量子密钥分发，利用波分复用及解复用技术，扩展了控制端的用户数量，避免因只有一个控制用户导致的安全性问题及网络故障问题。

技术领域

本发明涉及量子保密通信与光通信技术领域，具体涉及一种基于相位编码量子密钥分发的环型多用户系统及密钥分发方法。

背景技术

量子通信是指利用量子力学基本原理或基于量子特性的通信技术。量子通信的安全性不依赖于数学复杂性，而是依赖于量子力学的基本原理——测不准原理和量子不可克隆原理保证其在理论上具有无条件安全性；基于量子态的叠加性和纠缠特性，量子通信有望以超越经典通信极限的条件下高效地传输并处理信息。正因如此，量子通信在信息安全领域有着极大的潜在价值和应用前景，对军事、国防、金融、电信等领域有着极其重要的意义。以量子密钥分发为基础的量子保密通信技术逐渐趋向成熟，是量子通信领域的一大研究热点。

1984年，Bennett和Brassard提出BB84量子密钥分发协议后，量子通信备受关注。BB84协议主要有两种编码方式，即偏振编码和相位编码。它们分别以四种不同的光子偏振态和相位来编码信息。尽管人们后来提出了各种量子通信协议及方案，但是BB84协议仍是最具影响力的协议之一。

量子密钥分发协议的进步和完善不断推动着量子通信在实际中的发展和应用。目前，一对一量子密钥分发的实现技术已经趋于成熟，包括信息发送端Alice的量子信道编码、量子信号的产生和调制，以及信息接收端Bob的量子信号探测技术等，由此可以构建完整的量子通信系统。随着量子信息技术的发展，量子网络的大规模应用和区域化是必然的，多用户量子密钥分发方案逐渐成为重点研究课题。1997年Townsend等人完成了首个多用户量子通信网络实验，该实验利用分束器连接多个用户，单光子被随机地从控制端用户路由到各个用户以完成多用户密钥分发。尽管该方案简单易行，不过随着用户数量的增加，每个用户接收到光子的可能性降低，这严重制约了传输效率。随后陆续有学者提出新的多用户密钥分发方案，例如基于波分复用技术的网络结构、光开关网络结构等。

上述方案，都只有一个Alice控制端用户，只能实现一对多的密钥分发，这不仅限制了控制端通信用户的数量，而且整个网络结构严重依赖单个Alice用户，一旦Alice发生故障网络就会瘫痪。此外，单个控制用户会带来严重的安全性问题，如果控制用户是不可信的，接收端的多个用户都将无法进行通信。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种基于相位编码量子密钥分发的环型多用户系统，基于Sagnac干涉环实现多用户量子密钥分发，Sagnac环结构简单，稳定性好，结合波分复用以及解复用技术，可以将多个不同波长的光信号耦合到同一光纤中，以扩展控制端用户数量，完成多对多的量子密钥分发。

为了实现上述发明目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种相位编码量子密钥分发的环型多用户系统，包括Alice控制端、Bob接收端以及基于Sagnac环的光纤链路；所述Alice控制端通过基于Sagnac环的光纤链路与所述Bob接收端连接；

所述Alice控制端包括n(n≥2且n为整数)个Alice用户、波分复用装置、环形器、耦合器、探测单元以及控制端相位调制器；n个Alice用户、波分复用装置、环形器、耦合器以及控制端相位调制器依次连接；所述探测单元与所述环形器和耦合器连接；

所述波分复用装置用于传输来自于不同Alice控制用户的光信号；