[發明專利]一種量子密鑰分發系統的同步方法及裝置

有效

• 申請號: 201410472681.1
• 申請日: 2014-09-16
• 公開（公告）號: CN104202157B
• 公開（公告）日: 2018-01-02
• 發明（設計）人: 唐世彪;姚海濤;賈云
• 申請（專利權）人: 科大國盾量子技術股份有限公司
• 主分類號: H04L9/08
• 分類號: H04L9/08;H04J14/02;H04B10/25
• 代理公司: 合肥市浩智運專利代理事務所(普通合伙)34124
• 代理人: 丁瑞瑞

技術領域

本發明涉及量子保密通信領域，特別是提供了一種量子密鑰分發系統的同步方法以及基于該同步方法的雙工QKD系統。

背景技術

量子密鑰分發(Quantum Key Distribution，QKD)與經典密鑰體系的根本不同在于，其采用單個光子或糾纏光子對作為密鑰的載體，由量子力學的基本原理保證了該過程的不可竊聽、不可破譯性，從而提供了一種更為安全的密鑰體系。目前，利用糾纏光子對實現量子密鑰分發的技術還不是很成熟，距離實用還有相當的距離；而基于單光子實現的量子密鑰分發技術，則已經日臻成熟。

基于單光子實現的量子密鑰分發技術通常有兩種編碼方式：偏振編碼和相位編碼。以偏振編碼方式為例，量子密鑰分發的基本過程是：

1)系統發送方(約定稱為Alice)選用兩組基矢，隨機發送一串具有不同偏振態的光子；

2)系統接收方(約定稱為Bob)隨機選用測量基矢進行接收，由于探測效率和路徑衰減的問題，Bob不能探測到所有的光子，只能隨機的在一些位置上探測到光子；

3)Bob通知Alice他在探測到光子的位置上使用的是哪一種基矢；

4)Alice對比自己發送時使用的基矢和Bob測量時使用的基矢，若兩者在某位置處所使用的基矢一致，即Bob測量時使用的基矢正確，則保留該位置上的信息，并且告訴Bob他在哪些位置上使用的測量基矢是正確的；

5)Bob留下測量基矢正確的位置上的信息；

6)這樣Alice和Bob就共享了一串隨機的密鑰。

由上述過程可以看出，在量子密鑰分發的過程中，Alice和Bob需要進行基矢比對，即比對Alice在某一個位置上發送光子所使用的基矢和Bob在探測這一位置的光子時所使用的測量基矢是否是一致的。為了保證Alice和Bob在同一個位置上進行基矢比對，發送方和接收方之間需要精確的“位置”同步，否則，最終Alice和Bob兩端的密鑰會出現不一致的現象。所以，系統的同步方法就顯得尤其重要。

上述的“位置”，形象的描述就是一組光脈沖中的第幾個脈沖。在發送端，信號光的光脈沖是以固定頻率連續發送的，相鄰兩個光脈沖之間具有固定的時隙，而同步光的光脈沖是以比信號光發送頻率低得多的固定頻率連續發送的。在信號光和同步光同時發送時，兩個同步光脈沖之間發送的連續不斷的信號光即為一組光脈沖。接收端在接收連續不斷的信號光時，通過檢測出兩個同步光脈沖之間的信號光脈沖，可以確定一組光脈沖。所述“位置”信息，即可通過一組信號光脈沖中的第幾個脈沖信號得以確定。由于相鄰兩個信號光脈沖之間具有固定的時隙，上述“位置”也即時間信息。

圖1表示現有技術方案的同步方法。QKD系統同步的方法是，QKD設備的Alice發送同步光，Bob接收同步光完成甄別，產生同步信號。系統中的量子信道只有一根光纖，即信號光和同步光在同一根光纖中進行傳輸。

在QKD系統的實現上，Alice可能包含N個信號光激光器(具體數量視所采用的QKD編碼協議而定)和一個同步光激光器，信號光的波長為λ_signal，同步光的波長為λ_sync，且λ_signal≠λ_sync，將這兩種光耦合在同一根光纖中，通過光纖鏈路傳輸到Bob端。Bob端包含一個光濾波器件，例如密集型波分復用(DWDM)器件，其中心波長為λ_signal，可以將信號光和同步光分離開來，然后將分離出來的信號光做相應的后續處理，將分離出來的同步光送入同步光甄別器中甄別。甄別器甄別出來的信號作為同步信號，供信號光后續處理過程使用。

基于現有同步方式的單向(one-way)、雙工QKD系統如圖2所示，每臺設備均包含發送端Alice和接收端Bob，兩臺QKD設備之間可以同時建立兩條QKD鏈路。兩條QKD鏈路分別是：QKD設備_L的Alice與QKD設備_R的Bob建鏈；QKD設備_R的Alice與QKD設備_L的Bob建鏈。由QKD設備_L的Alice的同步光激光器所發出的同步光，經光纖鏈路傳輸之后，由QKD設備_R的Bob的同步光甄別器甄別；由QKD設備_R的Alice的同步光激光器所發出的同步光，經光纖鏈路傳輸之后，由QKD設備_L的Bob的同步光甄別器甄別。

從現有技術可以看出，傳統的基于同步的雙工QKD系統，其QKD設備_L的Alice和QKD設備_R的Alice所發出的同步光是波長相同的。