[发明专利]一种基于波分复用的下行CV-QKD接入网方法及系统

说明书

本发明提供了一种基于波分复用的下行CV‑QKD接入网方法及系统，包括：步骤1、在中心节点产生一个多波长复用光源；步骤2、将待发送的密钥信息调制到多波长复用光源上；步骤3、通过光学衰减模块调节中心节点量子信号光强度并将调节后的量子光信号发送到传输链路中；步骤4、用户端通过传输链路接收量子信号，通过波分解复用器对不同波长量子光信号解复用，并发送到不同用户；步骤5、各用户内部进行量子测量，经过数据处理后，完成量子密钥分发。本发明降低了中心节点的成本并简化了网络结构，相较于采用分路器或其它类似结构的一对多CV‑QKD系统，本发明不会随着用户数量增加而降低传输性能。

技术领域

本发明涉及量子密钥分发领域，特别涉及一种基于波分复用的下行CV-QKD接入网方法及系统。

背景技术

量子保密通信以其具有信息论安全的特性成为了应对信息安全威胁的重要技术方向。其中，量子密钥分发(Quantum Key Distribution,QKD)是实现量子保密通信最主要的技术途径之一。近年来，典型的点对点QKD链路在协议、元器件以及系统集成等方面都有了长足进展，并且开始面向商业应用推广。从整体QKD网络角度看，点对点的QKD链路适合形成一个主干量子核心网络，用于长距离的量子保密通信。如2021年中国科学技术大学科研团队通过星地链路，实现了跨越4600公里的QKD广域网络。但是，在“最后一公里”的多用户接入网中，出于系统成本考虑，点对点的QKD并不太适用。因此，构建一种面向多用户的点对多点低成本QKD接入网具有重要的应用价值。从QKD接入网架构方面考虑，2005年美国康州大学P.D.Kumavor等人将QKD接入网大致分为四种，包括：(1)基于1分多路分束器的星型无源QKD网络；(2)基于Sagnac干涉仪的环型多用户QKD网络；(3)基于波分复用的星型无源QKD网络；(4)基于波长寻址总线的QKD网络。其中，以第一种和第三种方案最为典型，该两种方案与现有无源光接入网兼容性更好。因此，下面将就这两种方案的研究现状就行详细阐述。

早在1997年，英国电信P.D.Townsend就在1分3路的无源光网络上实验验证了QKD接入网，其中心节点下行向用户发送密钥信息，用户分别对量子光信号进行探测。该结构存在两个缺陷，其一，每个用户都需要一个单光子探测器对量子态进行测量，增加了用户端成本；其二，所有单光子探测器都必须以发射端量子态制备的速度运行，避免错过光子，这意味着大部分探测器的带宽未被使用。基于此，英国剑桥大学B.等人于2013年提出了一种上行QKD链路，即用户产生量子密钥光信号并通过合束器合束后经过无源传输链路传输到中心节点(如光链路终端等)，在中心节点分时对不同用户的量子光信号进行探测。此时，只需要在中心节点处用一个单光子探测器进行量子信号探测，大幅降低了用户侧成本。他们还实验验证了64路量子光信号由一个单光子探测器进行接收，详细分析了链路的成码率情况。以上两种方案都是基于离散变量(Discrete Variable,DV)QKD系统开展的研究，对于大规模用户接入的应用场景，其成本依然很高。因此，与既有光纤网络更具兼容性的连续变量(Continuous Variable,CV)QKD技术成为了QKD接入网的重要候选方案。

CV-QKD技术能够利用商用光学元器件进行量子信号生成、传输、探测以及处理等，同时其受传统光通信信号的影响相对DV-QKD也小得多。因此，对于QKD接入网而言，CV-QKD具有较为突出的优势。2019年至2020年，北京邮电大学申请了多项CV-QKD接入网相关的专利，其中包括一种使用波分复用器的上行连续变量量子密钥分发接入网方法、一种使用光分路器的上行连续变量量子密钥分发接入网方法、一种基于多芯光纤的量子接入网架构及方法、一种上行连续变量量子密钥分发接入网方法等。2021年，中南大学Q.Liao等人提出了一种基于CV-QKD的多用户结构，并进行了理论分析。同年，奥地利技术研究所D.等人提出了一种基于波分复用的共纤传输及5G多用户CV-QKD网络融合的方案。