一種量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中的信源監(jiān)控裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中的信源監(jiān)控裝置及方法。該裝置包括：一分束片，用以將光源發(fā)出的信號分出一束，用以進(jìn)行信源監(jiān)控；與所述分束片連接的一光電探測器，用以將光信號轉(zhuǎn)換為模擬電信號；與所述光電探測器連接的一濾波-積分模塊，用以將所述模擬電信號進(jìn)行濾波，放大，再進(jìn)行積分；與所述濾波-積分模塊連接的雙閾值比較模塊，包括兩個可以調(diào)節(jié)的閾值，用以對前級結(jié)果進(jìn)行雙閾值比較；比較閾值為根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件已設(shè)定好的數(shù)值；與所述雙閾值比較模塊連接的數(shù)據(jù)處理模塊，用以對比較后的結(jié)果進(jìn)行處理，統(tǒng)計(jì)Untagged Bit的概率。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)對光源的實(shí)時監(jiān)控，具有精確度高，結(jié)構(gòu)簡易，可以實(shí)時監(jiān)控的特點(diǎn)。
【專利說明】一種量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中的信源監(jiān)控裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于信息科學(xué)中的量子保密通信領(lǐng)域，特別涉及一種對量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中的信號源進(jìn)行監(jiān)控的裝置及方法。

【背景技術(shù)】
[0002]量子密鑰分發(fā)是一種密鑰分配的手段。通信雙方(一般稱為Alice和Bob)通過量子密鑰分發(fā)共享一組安全的密鑰，并通過經(jīng)典密碼學(xué)中的一次一密的方法，利用密鑰將信息加密，就能實(shí)現(xiàn)安全的保密通信。這種方法在理論上是不可破解的，具有無條件安全性。而傳統(tǒng)的保密通信，其安全性是建立在計(jì)算機(jī)解決復(fù)雜數(shù)學(xué)問題的困難度上的。長遠(yuǎn)來看，當(dāng)計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展時，傳統(tǒng)密碼的安全性將不再能得到保障。因此，研宄量子密鑰分發(fā)，對于保密通信以及信息安全等領(lǐng)域，都具有十分重大的意義。
[0003]雖然在理論上量子密鑰分發(fā)具有無條件安全性，但在實(shí)際系統(tǒng)中，仍然存在一些影響安全性的實(shí)際問題。其中的一個嚴(yán)重問題是系統(tǒng)中的信源安全性問題。在理論分析中，要求量子密鑰分發(fā)中的信號源必須是可信的，具有已知的固定光子數(shù)分布。而這一條件在實(shí)際系統(tǒng)中并不滿足，尤其是對于常用的“雙路即插即用系統(tǒng)”。在這種系統(tǒng)中，竊聽者Eve可以通過“特洛伊木馬攻擊”來控制信源，使得信源的光子數(shù)分布對于通信雙方而言成為未知。這一問題導(dǎo)致量子密鑰分發(fā)的過程存在嚴(yán)重的安全性漏洞，最終生成的密鑰的安全性也就無法保證。因此，針對這一問題，對系統(tǒng)進(jìn)行信源監(jiān)控是十分必要的。
[0004]針對信源監(jiān)控的理論研宄已經(jīng)比較成熟。一種主流的思路是:通過監(jiān)控信源光子數(shù)n e [Nmin, NmaJ的概率(被稱為“Untagged Bit”概率)來估計(jì)系統(tǒng)最終的安全碼率，其中Nmin表示預(yù)期的光子數(shù)下界，Nmax表示預(yù)期的光子數(shù)上限。通過這兩個參數(shù)，當(dāng)確認(rèn)ne [Nfflin,NfflaJ時我們能夠知道信源光子數(shù)的一個大概范圍，從而可以估計(jì)信號經(jīng)過信道后的具體情況。這樣，雖然仍無法確知光源的具體光子數(shù)分布，但通過這一 “Untagged Bit”概率可以保證系統(tǒng)的安全性，只是在生成安全密鑰的速率上有所降低。利用這一思路，可以在理論上解決信源監(jiān)控的問題，但在具體實(shí)現(xiàn)上仍然存在問題。其主要難點(diǎn)在于如何判斷信源光子數(shù)η是否在區(qū)間[Nmil^Nmax]之內(nèi)。
[0005]針對這一問題，目前還沒有很好的解決方案。一種相對可行的方案是，利用光電探測器和高速積分器將光源信號轉(zhuǎn)變?yōu)榕c其能量成正比的一個電信號，再對這個信號與預(yù)先設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，從而判斷出光源發(fā)出的信號，其光子數(shù)η是否在區(qū)間[Nmin，Nmax]之內(nèi)，得出“Untagged Bit”的概率。但由于光源信號在理論分析中被要求應(yīng)具有盡可能窄的脈寬(實(shí)際系統(tǒng)中，脈寬通常在10ps量級)，方案中的高速積分器設(shè)計(jì)起來十分困難，難以在實(shí)際系統(tǒng)中具體實(shí)現(xiàn)，信源監(jiān)控在實(shí)際應(yīng)用方面還存在問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明旨在針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種信源監(jiān)控在實(shí)際的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中的具體實(shí)現(xiàn)方法及裝置，具有精確度高，結(jié)構(gòu)簡易，可以實(shí)時監(jiān)控的特點(diǎn)。
[0007]本發(fā)明的目的之一在于提供一種量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中的信源監(jiān)控裝置，其包括:
[0008]一分束片，用以將光源發(fā)出的信號分出一束，用以進(jìn)行信源監(jiān)控；
[0009]與所述分束片連接的一光電探測器，用以將光信號轉(zhuǎn)換為模擬電信號；
[0010]與所述光電探測器連接的一濾波-積分模塊，用以將所述模擬電信號進(jìn)行濾波，放大，再進(jìn)行積分；
[0011]與所述濾波-積分模塊連接的雙閾值比較模塊，包括兩個可以調(diào)節(jié)的閾值，用以對前級結(jié)果進(jìn)行雙閾值比較；比較閾值為根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件已設(shè)定好的數(shù)值；
[0012]與所述雙閾值比較模塊連接的數(shù)據(jù)處理模塊，用以對比較后的結(jié)果進(jìn)行處理，統(tǒng)計(jì)“Untagged Bit” 的概率。
[0013]進(jìn)一步地，所述分束片與光源之間、光電探測器與分束片之間通過光纖器件連接，其余模塊之間通過SMA線連接。
[0014]進(jìn)一步地，所述分束片的反射-透射比約為(9?10):1。
[0015]進(jìn)一步地，所述光電探測器選用PIN型高速光電探測器，其探測中心波長與光源的中心波長對應(yīng)，比如為1310nm或1550nm，帶寬為1GHz以上。
[0016]進(jìn)一步地，所述濾波-積分模塊具有對光電探測器輸出的電信號進(jìn)行濾波、放大、積分的功能，并能輸出峰值在10mV以上的信號。
[0017]進(jìn)一步地，所述雙閾值比較模塊能預(yù)先設(shè)定比較閾值，與前級信號的峰值進(jìn)行比較，并且誤差小于1%，其輸出值為TTL邏輯電平。
[0018]本發(fā)明的另一目的在于提供一種利用上述裝置實(shí)現(xiàn)對量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的光源進(jìn)行監(jiān)控的方法，包括以下步驟:
[0019]I)系統(tǒng)的光源產(chǎn)生的光信號通過分束片分為兩路，一路用以進(jìn)行正常的量子密鑰分發(fā)，一路用以進(jìn)行信源監(jiān)控；
[0020]2)將用以進(jìn)行信源監(jiān)控的一路信號通過光纖注入一光電探測器中，由光電探測器將光信號轉(zhuǎn)換為模擬電信號；
[0021]3)將所述模擬電信號注入一濾波-積分模塊，在這一 O塊中，信號首先通過濾波，再經(jīng)過放大后，通過一積分器，得到輸出結(jié)果，然后注入后級雙閾值比較模塊；
[0022]4)雙閾值比較模塊將上級信號的峰值與預(yù)設(shè)的閾值進(jìn)行比較，當(dāng)處于兩個閾值之間時，輸出邏輯電平“11”，代表信號是一個“Untagged Bit”(即n e [Nmin, Nmax])；
[0023]5)數(shù)據(jù)處理模塊接收所述雙閾值比較模塊的輸出信號，通過統(tǒng)計(jì)信號“11”的數(shù)目，計(jì)算出“Untagged Bit”的概率。
[0024]如上述，光源為量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中普遍使用的激光器，其經(jīng)過分束器和光電探測器后轉(zhuǎn)換為模擬電信號，這一模擬電信號的電壓值，就代表了光源的光強(qiáng)。通過濾波-積分模塊，這一模擬電信號能轉(zhuǎn)化為另一個可以近似代表光源信號能量的模擬電信號，也就能夠代表光源的光子數(shù)。通過雙閾值比較模塊，能夠判斷這一電信號是否處在某兩個預(yù)設(shè)的閾值之間，也就是說，能夠?qū)崿F(xiàn)判斷光源光子數(shù)n e [Nfflin,NfflaJ的功能。利用數(shù)據(jù)處理模塊對每次探測的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，就能完成最終目標(biāo)，即得到光源的“Untagged Bit”概率。由于這一結(jié)構(gòu)對每個由光源發(fā)出的信號都能做出探測，因此監(jiān)控是實(shí)時的。
[0025]本發(fā)明采用一些簡單的光學(xué)器件和電路器件的組合，能夠?qū)崿F(xiàn)對光源的實(shí)時監(jiān)控，具有實(shí)時性和結(jié)構(gòu)簡易的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明利用濾波與積分相結(jié)合的辦法，通過濾波對輸入信號的脈寬進(jìn)行了大幅展寬，這大大降低了積分的難度，使得原來的高速積分器的設(shè)計(jì)難度大大降低，對信源監(jiān)控的實(shí)用化具有很大作用。從理論上可以證明，用這種方法得到的結(jié)果，相比于理想的積分方案，誤差很小(相比于其他電路噪聲等可以忽略)，因此在降低應(yīng)用難度的同時，保證了信源監(jiān)控的高精度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1為本發(fā)明實(shí)施例中信源監(jiān)控裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖2為本發(fā)明實(shí)施例中信源監(jiān)控方法的的步驟流程圖。
[0028]圖中:1.光源，2.1x2分束片，3.光電探測器，4.濾波-積分模塊，5.雙閾值比較模塊，6.數(shù)據(jù)處理模塊。

【具體實(shí)施方式】
[0029]為使本發(fā)明的上述特征和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉實(shí)施例，并配合所附圖作詳細(xì)說明。
[0030]圖1為本實(shí)施例的信源監(jiān)控裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為采用該裝置進(jìn)行信源監(jiān)控的方法流程圖。如圖1所示，光源I為中心波長為1550nm的激光器，用以發(fā)出光信號進(jìn)行量子密鑰分發(fā)。本發(fā)明是對光源I進(jìn)行監(jiān)控的一種方法。
[0031]如圖1及圖2所示，光信號通過光纖器件注入分束片2，被分為兩路。其中一路用以進(jìn)行正常的通信，而另一路進(jìn)行信源監(jiān)控，注入光電探測器3。此處的光電探測器的中心波長也對應(yīng)為1550nm，其帶寬選為16GHz，以便探測光源發(fā)出的窄脈沖信號。光電探測器3用以將隨機(jī)光信號轉(zhuǎn)化為模擬電信號，并將其輸出的模擬電信號注入濾波-積分模塊4。
[0032]濾波-積分模塊4用于對電信號進(jìn)行濾波、放大及積分處理。為了得到更好的結(jié)果，濾波部分選用一階RC低通濾波器，截止頻率設(shè)計(jì)為50MHz，這樣脈沖的寬度大大增加了。這里截止頻率的選取與整個量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的信號重復(fù)頻率有直接關(guān)系，對于本發(fā)明的方法，通常需要大于重復(fù)頻率的2倍。對于重復(fù)頻率為5MHz的系統(tǒng)，經(jīng)過嘗試選擇截止頻率為50MHz時效果較好。放大部分用以將濾波后的信號進(jìn)行整體放大，使得積分器能夠正常工作，并且能輸出峰值大于10mV的信號，以便比較器工作。積分部分對脈寬展寬后的信號進(jìn)行積分，得到一個近似正比于原始光信號能量的模擬電信號。
[0033]雙閾值比較模塊5將前級信號的峰值與預(yù)先設(shè)定的閾值進(jìn)行比較。這里閾值的設(shè)定與實(shí)驗(yàn)條件有關(guān)，由于系統(tǒng)的光源存在抖動，閾值一般需要根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)中，調(diào)節(jié)的精度為lmV，閾值通常在200mV-500mV之間變化，雙閾值的間隔通常在10mV-30mV。當(dāng)輸入信號在兩個閾值之間時，會輸出邏輯電平“ 11”表示判斷結(jié)果。雙閾值比較器輸出的信號注入數(shù)據(jù)處理模塊6中，通過統(tǒng)計(jì)分析就能得到最終結(jié)果。綜合各級噪聲的影響，這一方法的總體誤差可控制在3%以內(nèi)，對系統(tǒng)最終的安全碼率影響不大。
[0034]經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證:本發(fā)明可以實(shí)時判斷光源的光子數(shù)η是否處在區(qū)間[Nmin，NfflaJ之內(nèi)，總體誤差在5%以內(nèi)，從而能夠較好地實(shí)施信源監(jiān)控。
[0035]在其它實(shí)施例中，對于雙閾值比較模塊5，可以采用高速AD采樣的方法替代上文中所述的比較部分。具體來說，這種變形方案直接利用一個高速AD采樣芯片，對濾波-積分模塊4中輸出的信號進(jìn)行AD采樣。通過調(diào)整時序，保證在采樣過程中能夠采到前級信號的峰值，然后直接將每次采樣的結(jié)果中的最大值，與所定閾值進(jìn)行比較。這部分的功能都可以由數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)，因此可以集成在數(shù)據(jù)處理模塊6中。此時可以去掉雙閾值比較模塊，直接將模塊4與模塊6相連。
[0036]以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對其進(jìn)行限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明的精神和范圍，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以權(quán)利要求所述為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中的信源監(jiān)控裝置，其特征在于，包括: 一分束片，用以將光源發(fā)出的信號分出一束，用以進(jìn)行信源監(jiān)控； 與所述分束片連接的一光電探測器，用以將光信號轉(zhuǎn)換為模擬電信號； 與所述光電探測器連接的一濾波-積分模塊，用以將所述模擬電信號進(jìn)行濾波，放大，再進(jìn)行積分； 與所述濾波-積分模塊連接的雙閾值比較模塊，包括兩個可以調(diào)節(jié)的閾值，用以對前級結(jié)果進(jìn)行雙閾值比較； 與所述雙閾值比較模塊連接的數(shù)據(jù)處理模塊，用以對比較后的結(jié)果進(jìn)行處理，統(tǒng)計(jì)1)111:81886^ 811:的概率。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于:所述分束片與光源之間、光電探測器與分束片之間通過光纖器件連接，其余模塊之間通過3嫩線連接。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于:所述分束片的反射-透射比約為(9?10):1。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于:所述光電探測器選用型高速光電探測器，其探測中心波長與光源的中心波長對應(yīng)，帶寬為10(--以上。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于:所述濾波-積分模塊的濾波部分選用一階%低通濾波器，截止頻率設(shè)計(jì)為50冊12 ；放大部分能夠輸出峰值大于100^的信號；積分部分對脈寬展寬后的信號進(jìn)行積分，得到一個近似正比于原始光信號能量的模擬電信號。
6.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于:所述雙閾值比較模塊能預(yù)先設(shè)定比較閾值，與前級信號的峰值進(jìn)行比較，并且誤差小于1%，其輸出值為邏輯電平。
7.一種采用權(quán)利要求1所述裝置的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中的信源監(jiān)控方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)系統(tǒng)的光源產(chǎn)生的光信號通過分束片分為兩路，一路用以進(jìn)行正常的量子密鑰分發(fā)，一路用以進(jìn)行信源監(jiān)控； 2)將用以進(jìn)行信源監(jiān)控的一路信號通過光纖注入一光電探測器中，由光電探測器將光信號轉(zhuǎn)換為模擬電信號； 3)將所述模擬電信號注入一濾波-積分模塊，在這一模塊中，信號首先通過濾波，再經(jīng)過放大后，通過一積分器，得到輸出結(jié)果，然后注入后級雙閾值比較模塊； 4)雙閾值比較模塊將上級信號的峰值與預(yù)設(shè)的閾值進(jìn)行比較，當(dāng)處于兩個閾值之間時，輸出邏輯電平“11”，代表信號是一個此仏狀乂 81七； 5)數(shù)據(jù)處理模塊接收所述雙閾值比較模塊的輸出信號，通過統(tǒng)計(jì)信號“11 ”的數(shù)目，計(jì)算出811:的概率。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于:根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件設(shè)定步驟4)所述的閾值，閾值的調(diào)節(jié)精度為0.1—，閾值的范圍為2001^-500—。
9.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于:所述濾波-積分模塊的濾波部分選用一階%低通濾波器，截止頻率設(shè)計(jì)為50冊12 ；放大部分能夠輸出峰值大于100^的信號；積分部分對脈寬展寬后的信號進(jìn)行積分，得到一個近似正比于原始光信號能量的模擬電信號。
10.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于:利用高速仙采樣芯片對濾波-積分模塊中輸出的信號進(jìn)行仙采樣，通過調(diào)整時序保證在采樣過程中能夠采到前級信號的峰值，然后直接將每次采樣的結(jié)果中的最大值，與所定閾值進(jìn)行比較，以代替雙閾值比較模塊中的比較部分。
【文檔編號】H04L9/08GK104506305SQ201410743684
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月8日
【發(fā)明者】郭弘, 彭翔, 羅斌, 李政宇, 喬宇澄 申請人:北京大學(xué)