本實用新型涉及量子通信領(lǐng)域，尤其涉及一種MDI-QKD系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

量子密鑰分發(fā)(QKD)原則上提供了基于量子物理定律而不是計算復(fù)雜度的無條件安全性，然而由于安全證明的理論假設(shè)和現(xiàn)實條件之間的差距，實際QKD系統(tǒng)易受各種攻擊。測量子系統(tǒng)是QKD系統(tǒng)最脆弱的部分，其中解碼模塊、單光子探測器等復(fù)雜測量器件上，與編碼維度關(guān)聯(lián)的其他若干維度可作為邊信道將信息泄露出去。2012年，加拿大的Hoi-Kwong Lo小組于提出了測量設(shè)備無關(guān)的量子密鑰分發(fā)(MDI-QKD)協(xié)議，很好地關(guān)閉了測量子系統(tǒng)的所有漏洞，并使安全通信的距離提高了一倍。

MDI-QKD系統(tǒng)利用時間反演的基于糾纏分發(fā)的協(xié)議，把測量裝置放在不受信任的第三方Charlie，通信雙方Alice和Bob各自隨機選擇基矢編碼比特信息和制備光子態(tài)，光子態(tài)被發(fā)送給Charlie進行Bell態(tài)測量，并選擇正確的測量結(jié)果。

為了實現(xiàn)Charlie內(nèi)兩光子態(tài)良好的干涉效果，系統(tǒng)需要對影響干涉的各種參數(shù)進行嚴格的校準和反饋，包括時間模式、偏振模式以及光譜模式等等。在一般的MDI-QKD系統(tǒng)中，Alice和Bob兩者采用獨立的激光器，系統(tǒng)需要波長校準模塊以保證兩者的波長高度一致。在文獻Phys.Rev.Lett.111,130501(2013)中，用戶端使用移頻器每間隔30分鐘對兩路激光頻率差進行校準，保證其低于10MHz水平；文獻PHYSICAL REVIEWA 92,012333(2015)在Alice和Bob邊緣放置窄帶濾波器，使來自Charlie的光脈沖只有單個光譜模式進入二者的編碼模塊；文獻PHYSICAL REVIEW A 93,042308(2016)里，作者采用半導(dǎo)體激光器穩(wěn)頻技術(shù)，借助分別集成到Alice和Bob光源內(nèi)部的乙炔氣池，將兩路光波長鎖定在1542.38nm處，確保了10MHz以內(nèi)的頻率差，保證了兩路光譜的不可分辨性。但是移頻器時分復(fù)用的方式降低了系統(tǒng)的成碼速率；目前的濾波技術(shù)還不能達到1pm量級精度的理想濾波；半導(dǎo)體激光器穩(wěn)頻技術(shù)在建立外部參考基準時，不僅需要吸收物質(zhì)，還需要復(fù)雜的反饋控制系統(tǒng)(包括分束模塊、光電探測模塊、頻率伺服系統(tǒng)等)。

MDI-QKD協(xié)議雖然解決了測量系統(tǒng)的黑客漏洞，但是仍有源端攻擊需要考慮，主要包括特洛伊木馬攻擊、光子數(shù)分離攻擊等。誘騙態(tài)方案彌補了光子數(shù)分離攻擊的漏洞，而針對特洛伊木馬攻擊的抵御方案主要依賴于光學(xué)器件的性能和對光學(xué)器件的復(fù)雜控制，因此抵御性能有限。

在特洛伊木馬攻擊中，竊聽者在開放的量子信道上向系統(tǒng)發(fā)送端或接收端輸入木馬光束，木馬光束經(jīng)過量子態(tài)制備或解調(diào)的外部調(diào)制器件后，攜帶上編碼或解碼信息，在發(fā)送端的光源或接收端的探測器端面被反射回來，竊聽者分析返回光束的攜帶信息從而得到密鑰信息。

現(xiàn)有MDI-QKD系統(tǒng)對Alice和Bob兩路光波長校準技術(shù)實現(xiàn)復(fù)雜或受限于器件性能水平；在量子態(tài)制備過程和誘騙態(tài)方案的實施通過外部調(diào)制器件實現(xiàn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，高速編碼應(yīng)用受外部調(diào)制器件限制；現(xiàn)有MDI-QKD系統(tǒng)還存在特洛伊木馬攻擊漏洞。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型提供一種MDI-QKD系統(tǒng)，借助光注入鎖定的思想使Alice和Bob的激光器產(chǎn)生關(guān)聯(lián)，兩者的光源在產(chǎn)生光脈沖的同時即實現(xiàn)了光波長的內(nèi)部校準，相比于移頻器等外部波長校準模塊，在不影響系統(tǒng)正常成碼的情況下，實現(xiàn)更為簡單。

本實用新型一種MDI-QKD系統(tǒng)，包括兩用戶端以及公共測量端，所述公共測量端設(shè)有主激光器，兩用戶端分別設(shè)有與所述主激光器相應(yīng)的從激光器，在公共測量端還設(shè)有用于接收來自各從激光器光信號的探測模塊。

本實用新型的量子態(tài)制備過程為基于光注入鎖定思想使用主從兩個激光器共同實現(xiàn)的內(nèi)調(diào)制過程，不僅減少了外部調(diào)制器件的使用，而且對于特洛伊木馬攻擊具有本質(zhì)的抵御能力。特洛伊木馬攻擊實現(xiàn)的首要條件為QKD系統(tǒng)量子態(tài)制備的各調(diào)制器件獨立于光源為外部調(diào)制器件，而本實用新型的量子態(tài)制備過程不需外部調(diào)制器件，在光源內(nèi)部即可實現(xiàn)，這破壞了特洛伊木馬攻擊的實現(xiàn)條件。

所述探測模塊包括：

分束器，兩用戶端的從激光器所發(fā)送的光信號經(jīng)由該分束器發(fā)生干涉；

兩個單光子探測器，分別接收和探測來自所述分束器的兩路干涉結(jié)果。

兩從激光器所發(fā)送的光信號經(jīng)干涉后，進入所述兩個單光子探測器，根據(jù)各單光子探測器的信號響應(yīng)，再進行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理，完成量子密鑰的分發(fā)。

作為優(yōu)選，主激光器發(fā)送的光信號經(jīng)由所述分束器分為兩路，分別進入對應(yīng)的從激光器。主激光器發(fā)送的光信號以及從激光器返回的光信號均通過該分束器，可實現(xiàn)光路的簡化。

作為優(yōu)選，用戶端中，所述從激光器的輸出端連接有可調(diào)光衰減器。從激光器輸出的光信號通過可調(diào)光衰減器調(diào)控到適宜的強度。

作為優(yōu)選，公共測量端中設(shè)有兩個偏振控制器，兩從激光器光信號分別經(jīng)對應(yīng)的偏振控制器后進入所述分束器。這樣可以保證來自兩從激光器光信號在發(fā)生干涉前偏振方向一致。

作為優(yōu)選，公共測量端中設(shè)有光纖環(huán)形器，兩個單光子探測器中的一者與所述主激光器通過該光纖環(huán)形器接入所述分束器的同一端口。

主激光器發(fā)送光信號時，通過光纖環(huán)形器進入分束器進而分為兩路，而兩從激光器返回的光信號，在分束器處干涉后，一路進入其中一單光子探測器，另一路經(jīng)由光纖環(huán)形器進入另一單光子探測器。

作為優(yōu)選，MDI-QKD系統(tǒng)中還設(shè)有同步環(huán)路，相對于公共測量端與任一用戶端之間，該同步環(huán)路通過兩個光路節(jié)點分成第一光路和第二光路，主激光器發(fā)送的光信號經(jīng)由第一光路進入從激光器，從激光器發(fā)送的光信號經(jīng)由第二光路返回主激光器側(cè)。

光信號在往返于公共測量端與任一用戶端之間，其路程可近似為第一光路與第二光路之和，即為完整的同步環(huán)路，這樣可以保證兩用戶端從激光器發(fā)送的光信號可同時到達公共測量端的分束器以發(fā)生干涉。

為了簡化光路，作為優(yōu)選，所述光路節(jié)點包括：

位于公共測量端中的所述分束器；

位于各用戶端中的路徑選擇模塊；

兩用戶端的路徑選擇模塊之間通過同步支路相連。

作為優(yōu)選，同一用戶端中，路徑選擇模塊設(shè)置在可調(diào)光衰減器的輸出端一側(cè)。

通過以上設(shè)置可見，在所述分束器以及兩個路徑選擇模塊之間構(gòu)成同步環(huán)路，就某一用戶端而言：

當(dāng)前用戶端的路徑選擇模塊與分束器之間作為第一光路；

當(dāng)前用戶端的其路徑選擇模塊、同步支路、另一用戶端的路徑選擇模塊與分束器之間作為第二光路。

由于公共測量端與任一用戶端之間，往返的光信號都要歷經(jīng)完整的同步環(huán)路，因此第一光路和第二光路之間的長短關(guān)系并沒有嚴格限制。

同理，就某一用戶端而言：

當(dāng)前用戶端的路徑選擇模塊與分束器之間作為第二光路；

當(dāng)前用戶端的其路徑選擇模塊、同步支路、另一用戶端的路徑選擇模塊與分束器之間作為第一光路。

就光信號的單程而言，第二光路和第一光路是可以互換的，因為并不影響整個同步環(huán)路的行程。

作為優(yōu)選，所述路徑選擇模塊包括三個外接端口，分別與所述第二光路、第一光路以及所在用戶端的從激光器相連。

在沒有特殊說明下，本實用新型中的連接包括直接相連和間接相連；直接相連可理解為中間不設(shè)置其他部件，間接連接可理解為經(jīng)由至少一個其他部件相連，例如從激光機輸出端經(jīng)由可調(diào)光衰減器在與路徑選擇模塊的其中一個外接端口相連，這里就可以理解為間接相連。

作為優(yōu)選，所述路徑選擇模塊包括依次連接的三個光纖環(huán)形器，每個光纖環(huán)形器均具有三個端口，其中：

第一光纖環(huán)形器的三個端口分別接從激光器、第二光纖環(huán)形器和第三光纖環(huán)形器；

第二光纖環(huán)形器的三個端口分別接第一光纖環(huán)形器、同步支路和第三光纖環(huán)形器；

第三光纖環(huán)形器的三個端口分別接第一光纖環(huán)形器、第二光纖環(huán)形器和公共測量端。

當(dāng)然為了實現(xiàn)兩用戶端在同步光路上的切換，還可以有其他光路布置形式，但總的來說，都是為了實現(xiàn)光信號行程的一致性。

在編碼方式上，可選的，通過從激光器的內(nèi)調(diào)制進行時間編碼，或在從激光器的輸出端一側(cè)設(shè)置相位調(diào)制器并結(jié)合相位編碼。

作為優(yōu)選，從激光器與可調(diào)光衰減器之間設(shè)有相位調(diào)制器。

本實用新型還提供一種MDI-QKD方法，實施在包括兩用戶端以及公共測量端的MDI-QKD系統(tǒng)中，包括：

公共測量端利用主激光器激發(fā)兩用戶端內(nèi)各自的從激光器，并在各用戶端生成編碼后的光信號發(fā)送至公共測量端；

公共測量端接收來自各用戶端的光信號并進行探測，用以生成量子密鑰。

本實用新型中，在公共測量端接收光信號并進行探測，以及量子密鑰的生成運算可采用現(xiàn)有技術(shù)。優(yōu)選實施在本實用新型所述的MDI-QKD系統(tǒng)。

本實用新型在相同的注入鎖定條件下可保證Alice和Bob兩路短脈沖光波長模式相同，這種波長模式的內(nèi)部校準避免了對外部波長模式校準模塊的使用；在從激光器中實現(xiàn)的脈沖強度內(nèi)調(diào)制避免了對外部強度調(diào)制模塊的使用，從這兩方面對MDI-QKD系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進行了簡化。

本實用新型的量子態(tài)制備過程為基于光注入鎖定思想使用主從兩個激光器共同實現(xiàn)的內(nèi)調(diào)制過程，破壞了特洛伊木馬攻擊的實現(xiàn)條件，對于特洛伊木馬攻擊具有本質(zhì)的抵御能力。

本實用新型利用路徑選擇模塊構(gòu)造環(huán)形光路，兩用戶光信號的產(chǎn)生、量子態(tài)的制備、Bell態(tài)測量都在同一環(huán)路內(nèi)進行，自動補償了路徑差異對同步的影響，不再需要復(fù)雜的同步系統(tǒng)實現(xiàn)兩路光信號的同步。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有主從式注入鎖定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實用新型實施例1中MDI-QKD系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本實用新型實施例1中主從激光器編碼示意圖；

圖4為本實用新型實施例1中誘騙態(tài)方案下的主從激光器編碼示意圖；

圖5為本實用新型實施例2中MDI-QKD系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本實用新型實施例2中四種量子態(tài)制備過程示意圖；

圖7為本實用新型實施例3中MDI-QKD系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8為本實用新型實施例3中路徑選擇模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖9為本實用新型實施例4中MDI-QKD系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

實施例1：

本實用新型是借助注入鎖定的半導(dǎo)體激光器理論，注入鎖定的概念是R.Adler在1946年首次提出，之后K.Kurokawa對注入鎖定的物理模型和數(shù)學(xué)理論進行了解釋。一個振蕩器被一個基準信號注入時，當(dāng)注入的基準信號的功率和頻率與振蕩器的本征頻率之間滿足一定的條件時，注入的基準信號使振蕩器發(fā)生受激輻射，受激輻射消耗振蕩器諧振腔內(nèi)載流子使諧振腔內(nèi)光增益達到飽和，振蕩器的本征激射受到抑制，出射光的頻率變?yōu)槭芗ぽ椛涔獾念l率，即振蕩器的頻率因基準信號的注入而重新穩(wěn)定在注入信號的頻率上，而且振蕩信號和基準參考信號之間的相位之差保持不變，這就是注入鎖定現(xiàn)象。

以半導(dǎo)體為注入對象的系統(tǒng)分為外腔式注入鎖定和主從式注入鎖定。在主從式注入鎖定方式中，主激光器發(fā)射基準信號，從激光器作為被注入的振蕩器。圖1為主從式注入鎖定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，光從主激光器輸出，通過隔離器、偏振控制器PC、可調(diào)光衰減器VOA和光纖環(huán)形器到達從激光器。當(dāng)主從激光器的頻率失諧在鎖定帶寬內(nèi)時，從激光器處于鎖定態(tài)，即從激光器輸出頻率與從激光器一致。鎖定帶寬的表達式為

其中Δω＝ω_m-ω_s為主從激光器的角頻率之差(ω_m和ω_s分別為主激光器和自由運轉(zhuǎn)時從激光器的角頻率)，f_d為從激光器的模式間隔，I_i為從激光器的光注入功率，I為鎖定后從激光器的輸出功率，α為譜線增寬因子。在給定從激光器的偏置電流和溫度固定時，f_d、α值是不變的，調(diào)節(jié)主從激光器的光功率比值即可調(diào)整注入鎖定范圍。即以簡單的方式、在很大的頻率失諧范圍內(nèi)可實現(xiàn)從激光器的注入鎖定。

在本實用新型的MDI-QKD系統(tǒng)中，將Alice和Bob兩路的激光器設(shè)置為兩個相同的從激光器，當(dāng)使用放置在Charlie端的一個主激光器同時對這兩個從激光器進行同樣的注入鎖定時，二者將輸出相同頻率的光，此相同頻率等于主激光器的輸出頻率。這種波長模式校準的實現(xiàn)方式非常簡單，避免對外部波長校準模塊的使用，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制。

QKD系統(tǒng)中實現(xiàn)光脈沖強度調(diào)制的一般方式為在光源外部使用強度調(diào)制器，常用強度調(diào)制器為基于LiNbO3晶體的Mach-Zehnder電光調(diào)制器。強度調(diào)制器只能接收脈沖電壓的調(diào)制，且需要較高的半波電壓，因此需要復(fù)雜的驅(qū)動控制電路。且Mach-Zehnder電光調(diào)制器具有周期性的傳輸函數(shù)，為避免信號失真，必須使調(diào)制器工作在最佳偏置點，即在QKD系統(tǒng)的應(yīng)用中需時刻控制強度調(diào)制器的偏置點。但由于受時間漂移、環(huán)境溫度、系統(tǒng)激光器功率即光纖插入和耦合損耗等諸多因素影響，實際很難控制偏置點穩(wěn)定，導(dǎo)致強度調(diào)制器輸出信號劣化。

在本實用新型的MDI-QKD系統(tǒng)中，在主從式注入鎖定的理論基礎(chǔ)上調(diào)整主從激光器的觸發(fā)周期，使主從激光器發(fā)射均勻脈沖序列，并且主激光器發(fā)出的每個長脈沖在周期上都包含從激光器輸出的一對短脈沖，主從激光器相互獨立工作時，兩種脈沖序列中的任意相鄰脈沖都具有隨機相位關(guān)系，而當(dāng)長脈沖注入后激發(fā)的為一對相位差為0的不可分辨的短脈沖。此理論依據(jù)可參考文獻PHYSICAL REVIEW X 6,031044(2016)。這提高了Bell態(tài)測量時Alice和Bob兩路量子態(tài)在編解碼基矢外其他自由度上的不可分辨性，有利于實施獨特的編碼方案。并且，直接調(diào)節(jié)從激光器的觸發(fā)電信號可以調(diào)制短脈沖的強度，設(shè)置不同強度的觸發(fā)電信號以對應(yīng)不同強度的短脈沖輸出，通過這種方式還實現(xiàn)了誘騙態(tài)信號的產(chǎn)生。這種光強的內(nèi)調(diào)制方式結(jié)構(gòu)和操作方法都比較簡單，同樣是對整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制的簡化。

圖2為本實施例利用主從式注入鎖定光源的MDI-QKD系統(tǒng)示意圖。包括用戶端Alice、用戶端Bob和公共測量端Charlie，Alice和Bob到Charlie的兩路具有相同的光路結(jié)構(gòu)，分束器3和單光子探測器5、單光子探測器6組成了Bell態(tài)測量設(shè)備。設(shè)置Alice和Bob內(nèi)激光器LD1和LD2為從激光器，Charlie內(nèi)激光器LD3為主激光器。系統(tǒng)通過同步模塊(圖2中未畫出)控制兩個從激光器LD1和LD2激發(fā)的短脈沖對可同時到達分束器3進行干涉，這兩者激發(fā)的短脈沖對來自主激光器LD3同一個長脈沖的光注入。

選取時間編碼的QKD方案，從激光器不僅作為系統(tǒng)傳輸信息的光源，也作為系統(tǒng)的時間編碼模塊，調(diào)制從激光器的觸發(fā)電信號，使用短脈沖對中兩短脈沖的三種強度分布態(tài)來編碼信息，分別為Z基矢下兩種強度分布態(tài)|01>、|10>，對應(yīng)比特值0、1；X基矢下的一種強度分布態(tài)對應(yīng)比特值0，三種強度分布態(tài)的制備比率為P_0Z:P_1Z:P_0X,其中P_0Z+P_1Z+P_0X＝1。編碼時基矢選擇與比特值的對應(yīng)關(guān)系如表1所示，即對于隨機比特值0，系統(tǒng)以P_0Z:P_0X的概率比選擇Z基矢或X基矢編碼；對于隨機比特值1，系統(tǒng)使用Z基矢編碼。

表1 編碼時基矢選擇與比特值的對應(yīng)關(guān)系

主從激光器進行時間編碼的量子態(tài)制備過程參照圖3所示。圖3的(a)-(b)部分分別為主激光器觸發(fā)電信號、從激光器觸發(fā)電信號、從激光器發(fā)射的時間編碼光脈沖。

時間編碼的量子態(tài)制備的具體過程描述如下:在上述各量子態(tài)制備的過程中，周期電信號持續(xù)觸發(fā)主激光器使其發(fā)射均勻的長脈沖，長脈沖注入從激光器，從激光器則選擇不同的觸發(fā)電信號狀態(tài)，以生成不同的短脈沖對強度分布態(tài)。

在Z基矢下，比特值0代表主激光器長脈沖在從激光器內(nèi)激發(fā)的一對短脈沖中，時序位置靠前的如a”位置短脈沖光強為0，靠后的如b”位置短脈沖光強為調(diào)制值，調(diào)節(jié)從激光器的觸發(fā)電信號，使對應(yīng)時序位置a'、b'上的觸發(fā)電信號分別為0和預(yù)設(shè)值，即可以實現(xiàn)此Z基矢對比特值0的編碼；

在Z基矢下，比特值1代表主激光器長脈沖在從激光器內(nèi)激發(fā)的一對短脈沖中，時序位置靠前的如c”位置短脈沖光強為調(diào)制值，靠后的如d”位置短脈沖光強為0，調(diào)節(jié)從激光器的觸發(fā)電信號，使對應(yīng)時序位置c'、d'上的觸發(fā)電信號分別為預(yù)設(shè)值和0，即可以實現(xiàn)此Z基矢對比特值1的編碼；

在X基矢下，比特值0代表主激光器長脈沖在從激光器內(nèi)激發(fā)的一對短脈沖中，時序位置靠前的如e”位置短脈沖光強為調(diào)制值，靠后的如f”位置短脈沖光強也為調(diào)制值，調(diào)節(jié)從激光器的觸發(fā)電信號，使對應(yīng)時序位置e'、f'上的觸發(fā)電信號都為預(yù)設(shè)值,即可以實現(xiàn)此X基矢對比特值0的編碼。

圖3的(c)部分三個短脈沖對分別為用戶端三種量子態(tài)|01>、|10>、的制備結(jié)果。從激光器發(fā)射的時間編碼光脈沖相位關(guān)系如圖3的(c)部分所示，兩種基矢編碼的短脈沖對與相鄰短脈沖具有隨機的相位關(guān)系，X基矢編碼的短脈沖對中兩短脈沖相位相同。

系統(tǒng)實現(xiàn)量子密鑰分發(fā)具體過程如下：首先在Charlie端，主激光器發(fā)射一個長脈沖，經(jīng)過光纖環(huán)形器4到達分束比為50:50的分束器3，被分束器3分為相同的兩份，這兩個長脈沖分別從分束器3兩個端口輸出，經(jīng)偏振控制單元PC后離開Charlie進入量子信道1和量子信道2，設(shè)計偏振控制單元PC僅控制從Alice和Bob到Charlie傳輸方向的光偏振態(tài)，因此此過程偏振控制單元PC不工作。

長脈沖經(jīng)量子信道1和量子信道2進入Alice和Bob，在其內(nèi)部經(jīng)可調(diào)光衰減器VOA后注入從激光器LD1和LD2，設(shè)計可調(diào)光衰減器VOA僅調(diào)節(jié)從Alice和Bob到Charlie傳輸方向的光強度，因此此過程可調(diào)光衰減器VOA不工作。

Alice和Bob兩個用戶端內(nèi)隨機數(shù)發(fā)生器(圖2中未畫出)各生成一串隨機比特值，在長脈沖注入從激光器LD1和LD2時，Alice和Bob分別調(diào)制從激光器LD1和LD2的觸發(fā)電信號，根據(jù)表1的概率分布制備與比特值對應(yīng)的短脈沖對強度分布態(tài)。光注入激發(fā)并強度調(diào)制的一對前后短脈沖由從激光器LD1出射進入可調(diào)光衰減器VOA，而光注入激發(fā)并強度調(diào)制的另一對前后短脈沖由從激光器LD2出射進入可調(diào)光衰減器VOA，兩路短脈沖被可調(diào)光衰減器VOA衰減為單光子水平，之后離開Alice和Bob分別由量子信道1和量子信道2傳輸至Charlie。

在Charlie內(nèi)，兩路短脈沖信號被偏振控制單元PC統(tǒng)一偏振態(tài)后發(fā)送至分束器3的兩個端口并發(fā)生干涉。

時間模式、偏振模式和光譜模式相同的兩路短脈沖在分束器3內(nèi)進行干涉。上下兩路的兩對短脈沖中，時序上靠前的短脈沖同時到達分束器3，時序上靠后的短脈沖同時到達分束器3，相遇后的結(jié)果進入單光子探測器5和/或經(jīng)過光纖環(huán)形器4進入單光子探測器6，引起單光子探測器的不同響應(yīng)。

在本實用新型中，時間編碼的MDIQKD方案的Bell態(tài)后選擇可以是：Bell態(tài)測量設(shè)備中的2個單光子探測器分別對探測的時間位置進行判斷，如果2個單光子探測器都有響應(yīng)，且在同一個時間周期如短脈沖對的周期，且一個探測是在時間位置0，一個探測是在時間位置1(位置0和位置1的時間差對應(yīng)短脈沖對內(nèi)兩短脈沖的時間間隔如b”-a”)，則認為此時為一個合法的貝爾態(tài)。

表2 誘騙態(tài)方案參數(shù)表

上述時間編碼的量子態(tài)制備過程沒有結(jié)合誘騙態(tài)思想，為了使系統(tǒng)能夠同時抵御竊聽者對不完美光源的漏洞攻擊，往往將MDI-QKD和誘騙態(tài)思想結(jié)合使用。此時從激光器LD1和LD2在對短脈沖對進行時間編碼的同時，還需要進一步調(diào)制觸發(fā)電信號，使發(fā)射的短脈沖對具有不同的強度：信號態(tài)、誘騙態(tài)和真空態(tài)，并設(shè)置三種態(tài)的時間占空比。

以如下誘騙態(tài)方案為例說明使用本實用新型從激光器調(diào)制產(chǎn)生各態(tài)的過程：

對Z基矢編碼和X基矢編碼下的兩種短脈沖設(shè)置相同的信號態(tài)和誘騙態(tài)，此外制備真空態(tài)脈沖，不使用任何基矢編碼，如表2所示令經(jīng)可調(diào)光衰減器VOA衰減后信號態(tài)、誘騙態(tài)和真空態(tài)的短脈沖對平均光子數(shù)分別為μ、ν和0，三種強度的短脈沖對時間占空比為P_μ:P_v:P₀，其中P_μ+P_v+P₀＝1，此誘騙態(tài)方案選擇Z基矢下編解碼的量子態(tài)用于生成量子密鑰。

按照前述制備短脈沖對強度分布態(tài)各量子態(tài)的方式實施誘騙態(tài)方案，周期電信號持續(xù)觸發(fā)主激光器使其發(fā)射均勻的長脈沖，設(shè)置Z基矢編碼下信號態(tài)短脈沖對、誘騙態(tài)短脈沖對的從激光器觸發(fā)電信號對應(yīng)的兩種預(yù)設(shè)值U_μZ、U_vZ，使在預(yù)設(shè)值電信號U_μZ的觸發(fā)下，從激光器發(fā)射的信號態(tài)短脈沖對經(jīng)可調(diào)光衰減器VOA可衰減至μ水平，在預(yù)設(shè)值電信號U_vZ的觸發(fā)下，從激光器發(fā)射的誘騙態(tài)短脈沖對經(jīng)可調(diào)光衰減器VOA可衰減至v水平；同時設(shè)置X基矢編碼下信號態(tài)、誘騙態(tài)的從激光器觸發(fā)電信號對應(yīng)的兩預(yù)設(shè)值U_μX、U_vX，使在預(yù)設(shè)值電信號U_μX的觸發(fā)下，從激光器發(fā)射的信號態(tài)短脈沖對經(jīng)可調(diào)光衰減器VOA同樣可衰減至μ水平，在預(yù)設(shè)值電信號U_vX的觸發(fā)下，從激光器發(fā)射的誘騙態(tài)短脈沖對經(jīng)可調(diào)光衰減器VOA同樣可衰減至v水平；真空態(tài)時，主激光器正常工作而從激光器不工作，短脈沖對強度為0。

在圖3主從激光器的編碼的基礎(chǔ)上，添加編碼示例并對從激光器的觸發(fā)電信號添加上述各預(yù)設(shè)值的調(diào)制來說明誘騙態(tài)的實施過程，得到的誘騙態(tài)方案下主從激光器進行時間編碼的量子態(tài)制備過程如圖4所示。圖4的(a)-(b)部分分別為誘騙態(tài)方案下主激光器觸發(fā)電信號、誘騙態(tài)方案下從激光器觸發(fā)電信號、誘騙態(tài)方案下從激光器發(fā)射的時間編碼光脈沖。

誘騙態(tài)方案下時間編碼的量子態(tài)制備的具體過程描述如下：

在誘騙態(tài)方案下各量子態(tài)制備的過程中，周期電信號持續(xù)觸發(fā)主激光器使其發(fā)射均勻的長脈沖，長脈沖注入從激光器，從激光器則選擇不同的觸發(fā)電信號狀態(tài)，以生成不同的短脈沖對強度分布態(tài)，在誘騙態(tài)方案下Z基矢量子態(tài)制備中，當(dāng)進行信號態(tài)調(diào)制時，從激光器在發(fā)光的時序位置例如圖4的(b)部分中時序位置b'上具有U_μZ的觸發(fā)電信號，在不發(fā)光的時序位置例如圖4的(b)部分中時序位置a'上觸發(fā)電信號仍為0；

當(dāng)進行誘騙態(tài)的調(diào)制時，從激光器在發(fā)光的時序位置例如圖4的(b)部分中時序位置c'上具有U_vZ的觸發(fā)電信號，在不發(fā)光的時序位置例如圖4的(b)部分中時序位置d'上觸發(fā)電信號仍為0。

誘騙態(tài)方案下Z基矢編碼的量子態(tài)制備中，短脈沖對強度分布態(tài)|01的信號態(tài)、短脈沖對強度分布態(tài)|10>的誘騙態(tài)制備結(jié)果如圖4的(c)部分中a”、b”和c”、d”時序位置上兩短脈沖對所示，兩種量子態(tài)其他誘騙態(tài)方案各態(tài)的制備思想如本段所述，此處不再贅述。

在誘騙態(tài)方案下X基矢量子態(tài)制備中，當(dāng)進行信號態(tài)調(diào)制時，從激光器在短脈沖對兩時序位置例如圖4的(b)部分中時序位置e'、f'上具有相同的U_μX的觸發(fā)電信號；當(dāng)進行誘騙態(tài)的調(diào)制時，從激光器在短脈沖對兩時序位置例如圖4的(b)部分中時序位置g'、h'上具有相同的U_vX的觸發(fā)電信號。誘騙態(tài)方案下X基矢編碼的量子態(tài)制備中，短脈沖對強度分布態(tài)的信號態(tài)、誘騙態(tài)制備結(jié)果如圖4的(c)部分中e”、f”和g”、h”時序位置上的兩短脈沖對所示。

在誘騙態(tài)方案的真空態(tài)制備中，主激光器正常工作，從激光器在短脈沖對兩時序位置例如圖4的(b)部分中時序位置i'、j'上觸發(fā)電信號都為0，真空態(tài)的制備結(jié)果如圖4的(c)部分中i”、j”時序位置上的強度為0的短脈沖對所示。

在系統(tǒng)實現(xiàn)量子密鑰分發(fā)具體過程中，來自Charlie的兩路長脈沖經(jīng)前述同樣路徑后分別注入Alice和Bob內(nèi)的從激光器LD1和LD2，兩個從激光器進行時間編碼和誘騙態(tài)方案的疊加調(diào)制，Alice和Bob時間編碼過程與前述相同，以P_0Z:P_1Z:P_0X的概率制備|01>、|10>、三種短脈沖對強度分布態(tài)，同時采用誘騙態(tài)方案，調(diào)制從激光器的觸發(fā)電信號，根據(jù)表2的參數(shù)設(shè)置以P_μ:P_v:P₀的概率對各短脈沖對強度分布態(tài)中的發(fā)光短脈沖進行強度調(diào)制，誘騙態(tài)方案下時間編碼的短脈沖對制備結(jié)果如圖4的(c)部分所示例。從激光器LD1和LD2激發(fā)的短脈沖對進入可調(diào)光衰減器VOA，時間編碼的信號態(tài)、誘騙態(tài)、真空態(tài)短脈沖對分別被衰減至μ、ν和0的單光子水平，之后離開Alice和Bob分別由量子信道1和2傳輸至Charlie。在Charlie內(nèi)短脈沖對的經(jīng)歷與前述相同，此處不再復(fù)述。

本實施例的誘騙態(tài)方案不局限于此，此實施例僅為說明誘騙態(tài)方案中脈沖強度的調(diào)制方式，利用此方式可實施其他種類成碼率更高、安全性更高的誘騙態(tài)方案。

實施例2：

實施例1采用三態(tài)的MDI-QKD協(xié)議，本實施例中將四態(tài)的相位-時間編碼應(yīng)用到MDI-QKD協(xié)議中，具體如下：

本實施例的MDI-QKD系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(如圖5所示)與實施例1基本相同，不同之處在于用戶端從激光器LD1/LD2和可調(diào)光衰減器VOA之間添加了相位調(diào)制器PM，用于相位編碼量子態(tài)的制備。其他器件實現(xiàn)的功能與實施例1相同。

本實施例的MDI-QKD系統(tǒng)制備的四種量子態(tài)包含實施例1中的|01>、|10>兩種短脈沖對強度分布態(tài)，其與比特值0、1的對應(yīng)關(guān)系與實施例1相同，制備過程也與實施例1相同；另還包含|0>、|π>兩種短脈沖對內(nèi)部相位差的量子態(tài)，|0>代表短脈沖對中兩短脈沖相位差為0，|π>代表短脈沖對中兩短脈沖相位差為π，分別與比特值0、1對應(yīng)，這兩種量子態(tài)是相位調(diào)制器PM對實施例1中從激光器生成的Δφ＝0的短脈沖對進行外部相位調(diào)制的結(jié)果。

本實施例設(shè)置上述兩種短脈沖對強度分布態(tài)為Z基矢編碼(時間編碼)下的量子態(tài)，設(shè)置上述兩種短脈沖對內(nèi)部相位差的態(tài)為X基矢編碼(相位編碼)下的量子態(tài)。由上面描述可知，Z基矢編碼發(fā)生在從激光器LD1/LD2內(nèi)，X基矢編碼發(fā)生相位調(diào)制器PM處?？墒褂闷胶饣阜桨富蚍瞧胶饣阜桨笇幋a時兩種基矢的選擇概率P_Z和P_X進行設(shè)置(P_Z+P_X＝1)，編碼時基矢選擇與量子態(tài)的對應(yīng)關(guān)系如表3所示。

表3 編碼時基矢選擇與所制備量子態(tài)的對應(yīng)關(guān)系

本實施例中四種量子態(tài)制備過程參照圖6所示。圖6的(a)-(d)部分分別為主激光器觸發(fā)電信號、從激光器觸發(fā)電信號、從激光器發(fā)射的部分Z基矢編碼后的光脈沖、相位調(diào)制器PM進行部分X基矢編碼后的光脈沖，圖6的(d)部分同樣展示了用戶端四種量子態(tài)的制備結(jié)果。

本實施例的量子態(tài)制備的具體過程描述如下：

周期電信號持續(xù)觸發(fā)主激光器使其發(fā)射均勻的長脈沖，長脈沖注入從激光器，從激光器則選擇不同的觸發(fā)電信號狀態(tài)，以進行Z基矢編碼生成不同短脈沖對強度分布態(tài)，Z基矢編碼過程、結(jié)果與實施例1相同，結(jié)果如圖6的(c)部分中兩短脈沖對a”、b”和c”、d”所示；或不進行任何基矢編碼只生成實施例1所述Δφ＝0的短脈沖對，此過程、結(jié)果與實施1相同，結(jié)果如6的(c)部分中兩短脈沖對e”、f”和g”、h”所示。

在X基矢編碼過程，相位調(diào)制器PM受系統(tǒng)控制，不調(diào)制Z基矢編碼后的短脈沖對，如圖6的(d)部分中兩短脈沖對a₁、b₁和c₁、d₁所示；對經(jīng)過的Δφ＝0的短脈沖對進行相位調(diào)制，制備與隨機比特值對應(yīng)的|0>或|π>短脈沖對內(nèi)部相位差的量子態(tài)，如圖6的(d)部分中兩短脈沖對e₁、f₁和g₁、h₁所示。圖6的(d)部分四個短脈沖對分別為用戶端四種量子態(tài)|01>、|10>、|0>、|π>的制備結(jié)果。Z、X兩種基矢編碼的短脈沖對與相鄰短脈沖具有隨機的相位關(guān)系。

在系統(tǒng)實現(xiàn)量子密鑰分發(fā)的具體過程中，主激光器LD3發(fā)射的長脈沖經(jīng)過與實施例1相同的過程注入Alice和Bob的從激光器LD1和LD2。Alice和Bob兩個用戶端內(nèi)隨機數(shù)發(fā)生器(圖5中未畫出)各生成一串隨機比特值，在長脈沖注入從激光器LD1和LD2時，Alice和Bob根據(jù)表3的概率分布選擇Z基矢編碼，否則根據(jù)表3中X基矢的選擇概率，先制備好實施例1所述Δφ＝0的短脈沖對。光注入激發(fā)并Z基矢編碼或不經(jīng)編碼的一對前后短脈沖由從激光器LD1和LD2出射進入相位調(diào)制器PM，相位調(diào)制器PM受系統(tǒng)控制進行X基矢編碼，經(jīng)過Z基矢編碼和X基矢編碼的短脈沖對進入可調(diào)光衰減器VOA，被衰減為單光子水平，之后離開Alice和Bob并分別由量子信道1和量子信道2傳輸至Charlie。

在Charlie內(nèi)，Alice和Bob兩路短脈沖對經(jīng)歷了與實施1相同的過程。Bell態(tài)后選擇也與實施例1相同。此處不再復(fù)述。

本實施例的MDI-QKD系統(tǒng)誘騙態(tài)方案調(diào)制方法與實施例1基本相同，其中|01>、|10>短脈沖對強度分布態(tài)，即Z基矢編碼的短脈沖對，其誘騙態(tài)方案的調(diào)制方法與實施例1中Z基矢編碼的短脈沖對相同；|0>、|π>短脈沖對內(nèi)部相位差的量子態(tài)，即X基矢編碼的短脈沖對，其誘騙態(tài)方案的調(diào)制方法與實施例1中X基矢編碼的短脈沖對相同。本實施例仍優(yōu)選Z基矢下編解碼的量子態(tài)用于生成量子密鑰，并根據(jù)成碼率公式優(yōu)化表2中的各參數(shù)取值。

實施例3：

實施例1中系統(tǒng)通過同步模塊(圖2中未畫出)控制兩個從激光器LD1和LD2激發(fā)的短脈沖對可同時到達分束器3進行干涉，本實施例給出了此同步模塊的示例，如圖7所示。因為Alice和Bob兩路光信號的同步主要受制于兩長距離的分離量子信道1和量子信道2的差異影響，而構(gòu)造環(huán)形路徑即同步環(huán)路，使用戶端Alice的光信號經(jīng)過量子信道1和2、用戶端Bob的光信號同樣經(jīng)過量子信道1和量子信道2，則可以擺脫此路徑差異對同步造成的影響。

如圖7所示，在用戶端Alice和Bob內(nèi)分別添加路徑選擇模塊A和路徑選擇模塊B，用于將注入光與光注入后的短脈沖兩者的行走路徑相連構(gòu)造環(huán)形路徑。在Charlie內(nèi)主激光器LD3發(fā)射長脈沖，經(jīng)過環(huán)形器4到達分束器3，被分束器3均分為兩份：

Alice光信號的環(huán)形路徑：一路經(jīng)偏振控制單元PC2(此時不工作)、量子信道2后進入用戶端Bob，此注入光依次經(jīng)用戶端Bob路徑選擇模塊B的B1端口、B2端口和用戶端Alice路徑選擇模塊A的A2端口、A3端口及可調(diào)光衰減器VOA(此時不工作)后注入用戶端Alice的從激光器LD1。Alice內(nèi)從激光器LD1制備量子態(tài)并發(fā)射，量子態(tài)中短脈沖被可調(diào)光衰減器VOA衰減為單光子水平，經(jīng)路徑選擇模塊A的A3端口和A1端口的進入量子信道1，并進入Charlie，在偏振控制單元PC1處被調(diào)整偏振態(tài)，然后傳輸至分束器3。

Bob光信號的環(huán)形路徑：LD3發(fā)射的長脈沖被分束器3均分后的另一路，經(jīng)偏振控制單元PC1(此時不工作)、量子信道1后進入用戶端Alice，此注入光依次經(jīng)用戶端Alice路徑選擇模塊A的A1端口、A2端口和用戶端Bob路徑選擇模塊B的B2端口、B3端口及可調(diào)光衰減器VOA(此時不工作)后注入用戶端Bob的從激光器LD2。Bob內(nèi)從激光器LD2制備量子態(tài)并發(fā)射，量子態(tài)中短脈沖被可調(diào)光衰減器VOA衰減為單光子水平，經(jīng)路徑選擇模塊B的B3端口和B1端口的進入量子信道2，并進入Charlie，在偏振控制單元PC2處被調(diào)整偏振態(tài)，然后傳輸至分束器3。

兩路光信號走過相同的環(huán)形路徑兩路量子態(tài)在分束器3相遇，然后進行Bell態(tài)的測量。與兩長距量子信道1和量子信道2間的差異相比，此處可忽略光信號在Alice和Bob內(nèi)部行走路徑差異造成時間差影響。

圖8為本實施例的優(yōu)選方案，即采用光纖環(huán)形器構(gòu)造路徑選擇模塊。在本優(yōu)選方案中，路徑選擇模塊A中的三個光纖環(huán)形器(光纖環(huán)形器9、光纖環(huán)形器10和光纖環(huán)形器11)和路徑選擇模塊B中的三個光纖環(huán)形器(光纖環(huán)形器12、光纖環(huán)形器13和光纖環(huán)形器14)都具有三個端口P1、P2和P3，對于此六個光纖環(huán)形器，光在其中的行走方向都為：P1→P2、P2→P3兩種。

它們的連接方式為：在路徑選擇模塊A中，光纖環(huán)形器9的P1端口、光纖環(huán)形器11的P3端口分別與光纖環(huán)形器10的P3端口、P1端口連接，光纖環(huán)形器9的P3端口與光纖環(huán)形器11的P1端口相連，光纖環(huán)形器9的P2端口、光纖環(huán)形器11的P2端口分別作為在路徑選擇模塊A的A3端口、A1端口，光纖環(huán)形器10的P2端口作為路徑選擇模塊A的A2端口；路徑選擇模塊B中，光纖環(huán)形器12的P1端口、光纖環(huán)形器14的P3端口分別與光纖環(huán)形器13的P3端口、P1端口連接，光纖環(huán)形器12的P3端口與光纖環(huán)形器14的P1端口相連，光纖環(huán)形器12的P2端口、光纖環(huán)形器14的P2端口分別作為在路徑選擇模塊B的B3端口、B1端口，光纖環(huán)形器13的P2端口作為路徑選擇模塊B的B2端口；光纖環(huán)形器13的P2端口與光纖環(huán)形器10的P2端口相連。根據(jù)光纖環(huán)形器9-14的P1→P2、P2→P3的行走方向，即可以實現(xiàn)本實施所述的Alice光信號的環(huán)形路徑和Bob光信號的環(huán)形路徑。

為了減小光纖環(huán)形器插入損耗等對單光子水平光信號的影響，并簡化可調(diào)光衰減器VOA的調(diào)制過程，可將Alice和Bob兩路的可調(diào)光衰減器VOA分別放置在光纖環(huán)形器9的P3端口和光纖環(huán)形器11的P1端口間的連接線上、光纖環(huán)形器12的P3端口和光纖環(huán)形器14的P1端口間的連接線上，使僅有用戶端向公共測量端Charlie傳輸?shù)墓庑盘柦?jīng)過可調(diào)光衰減器VOA，且光信號經(jīng)可調(diào)光衰減器VOA衰減為單光子水平后經(jīng)過更少的光纖環(huán)形器。

實施例4：

實施例3的同步方案思想同樣適用于本實用新型的實施例2，實施例2的同步方案，如圖9所示，實施例3的同步方案的優(yōu)選方案同樣適用于本實施例。圖9中路徑選擇模塊A和路徑選擇模塊B的結(jié)構(gòu)、連接方式和工作過程與實施例3種所述相同，此處不再復(fù)述。

為了減小光纖環(huán)形器插入損耗等對單光子水平光信號的影響，并簡化相位調(diào)制器PM、可調(diào)光衰減器VOA的調(diào)制過程，可將Alice和Bob兩路的相位調(diào)制器PM和可調(diào)光衰減器VOA一起分別放置在光纖環(huán)形器9的P3端口和光纖環(huán)形器11的P1端口間的連接線上、光纖環(huán)形器12的P3端口和光纖環(huán)形器14的P1端口間的連接線上，使僅有用戶端向公共測量端Charlie傳輸?shù)墓庑盘柦?jīng)過相位調(diào)制器PM、可調(diào)光衰減器VOA，且光信號經(jīng)可調(diào)光衰減器VOA衰減為單光子水平后經(jīng)過更少的光纖環(huán)形器。

以上公開的僅為本實用新型的具體實施例，但是本實用新型并非局限于此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本實用新型進行各種改動和變型而不脫離本實用新型的精神和范圍。顯然這些改動和變型均應(yīng)屬于本實用新型要求的保護范圍保護內(nèi)。此外，盡管本說明書中使用了一些特定的術(shù)語，但這些術(shù)語只是為了方便說明，并不對本實用新型構(gòu)成任何特殊限制。