[發明專利]一種量子密鑰分配系統

有效

• 申請號: 201810110087.6
• 申請日: 2018-02-05
• 公開（公告）號: CN108199840B
• 公開（公告）日: 2020-08-28
• 發明（設計）人: 翟明岳;馬茹昕
• 申請（專利權）人: 華北電力大學
• 主分類號: H04L9/08
• 分類號: H04L9/08;H04B10/40;H04B10/61;H04B10/70
• 代理公司: 北京高沃律師事務所 11569
• 代理人: 王戈

1.一種量子密鑰分配系統，其特征在于，所述量子密鑰分配系統包括：發射端、接收端、量子信道和經典信道；

所述發射端包括第一PCI板卡、第一計算機、開關電路、第一激光二極管、第二激光二極管、第三激光二極管、第四激光二極管、第一窄帶干涉濾波片、第二窄帶干涉濾波片、第三窄帶干涉濾波片、第四窄帶干涉濾波片、第一偏振分束器、第二偏振分束器、第一半波片、第一分束器、針孔以及第一多級干涉濾光片；

所述第一PCI板卡用于產生主頻；所述第一PCI板卡安裝在所述第一計算機上；所述第一計算機控制所述第一PCI板卡產生分頻從而生成時鐘信號；所述第一計算機還用于產生一個隨機數串，將所述隨機數串和所述時鐘信號一同連入所述開關電路；所述第一計算機通過所述開關電路控制驅動四個激光二極管以脈沖方式發光，按照隨機順序發射不同偏振態的光子；

所述第一窄帶干涉濾波片設置在所述第一激光二極管的出射光路上；所述第一激光二極管產生的第一激光束通過第一窄帶干涉濾波片入射到所述第一偏振分束器的一端，用于產生水平偏振態激光；所述第二窄帶干涉濾波片設置在所述第二激光二極管的出射光路上；所述第二激光二極管產生的第二激光束通過第二窄帶干涉濾波片入射到所述第一偏振分束器的另一端，用于產生垂直偏振態激光；所述第三窄帶干涉濾波片設置在所述第三激光二極管的出射光路上；所述第四窄帶干涉濾波片設置在所述第四激光二極管的出射光路上；所述第二偏振分束器設置在所述第三窄帶干涉濾波片和所述第四窄帶干涉濾波片的出射光路上；所述第三激光二極管產生的第三激光束通過所述第三窄帶干涉濾波片入射到所述第二偏振分束器的一端；所述第四激光二極管產生的第四激光束通過所述第四窄帶干涉濾波片入射到所述第二偏振分束器的另一端；所述第一半波片設置在所述第二偏振分束器的出射光路上，所述第一半波片的快軸方向與水平方向成22.5°角，用于產生+45°和-45°的偏振態激光；所述第一分束器位于所述第一偏振分束器和所述第一半波片的出射光路上；所述水平偏振態激光、所述垂直偏振態激光以及所述+45°和-45°的偏振態激光通過所述第一分束器后，產生兩路信號光脈沖信號，分別為第一路信號光和第二路信號光；所述針孔、所述第一多級干涉濾光片依次設置在所述第一分束器的出射光路上；所述第一路信號光依次經過所述針孔和所述第一多級干涉濾光片的衰減后，經由所述量子信道發送給所述接收端；所述量子信道為自由空間，即大氣；所述針孔調整視場大小，以便濾除視場外的雜散光；所述第一多級干涉濾光片由窄帶干涉濾光片組成；

所述接收端包括：第一探測器、第二探測器、第三探測器、第四探測器、第二多級干涉濾光片、第三偏振分束器、第四偏振分束器、第二半波片以及第二分束器；

所述第二分束器設置在所述第二多級干涉濾光片的出射光路上；所述第一路信號光依次通過所述第二多級干涉濾光片和所述第二分束器后產生兩路光子，分別為第一路光子和第二路光子；所述第三偏振分束器設置在所述第二分束器的第一出射光路上；所述第一探測器設置在所述第三偏振分束器的第一出射光路上；所述第二探測器設置在所述第三偏振分束器的第二出射光路上；所述第一路光子經過所述第三偏振分束器后分別入射至所述第一探測器和所述第二探測器；所述第二半波片設置在所述第二分束器的第二出射光路上；所述第四偏振分束器設置在所述第二半波片的出射光路上；所述第三探測器設置在所述第四偏振分束器的第一出射光路上；所述第四探測器設置在所述第四偏振分束器的第二出射光路上；所述第二路光子依次經過所述第二半波片和所述第四偏振分束器后分別入射至所述第三探測器和所述第四探測器；

所述接收端還包括：第二PCI板卡和第二計算機；

所述第一探測器、所述第二探測器、所述第三探測器和所述第四探測器分別與所述第二PCI板卡連接；所述第二PCI板卡與所述第二計算機連接；所述第二PCI板卡采集所述第一探測器、所述第二探測器、所述第三探測器和所述第四探測器的探測光信號，并對所述探測光信號中光子的偏振態進行分析和測量，將分析測量結果以TTL形式存儲到所述第二計算機中；

所述第一計算機與所述第二計算機通過所述經典信道進行數據篩選、數據糾錯和保密增強操作，完成安全密鑰串的建立；

所述第一計算機根據所述安全密鑰串對所要傳輸的明文進行加密，并將加密后的明文通過所述經典信道傳輸給所述第二計算機；所述第二計算機根據所述安全密鑰串解密重新得到所述明文，完成保密通信；

所述經典信道為所述第一計算機和所述第二計算機所構成的局域網；

所述發射端還包括光子監測裝置，所述光子監測裝置包括準直紅激光器、半反半透鏡、單光子探測器和計數器；

所述準直紅激光器、所述半反半透鏡和所述單光子探測器依次設置在所述第一分束器的出射光路上；所述第二路信號光經過所述準直紅激光器和所述半反半透鏡進行準直后，被所述單光子探測器接收；所述計數器與所述單光子探測器連接，用于對進入所述單光子探測器的光子進行計數；

所述量子密鑰分配系統還包括光信號同步裝置，所述光信號同步裝置包括：外置激光器、聲光調制器、第三多級干涉濾光片和光電倍增管；

所述聲光調制器與所述第一PCI板卡連接；所述聲光調制器設置在所述外置激光器的出射光路上；所述第一PCI板卡用于發送基頻時鐘信號；所述聲光調制器被所述基頻時鐘信號驅動后，將所述外置激光器產生的連續激光分割成周期光脈沖序列，并作為同步光信號經過所述量子信道發送至所述接收端；

所述第三多級干涉濾光片和所述光電倍增管依次設置在所述聲光調制器的出射光路上；所述同步光信號依次經過所述第三多級干涉濾光片和所述光電倍增管，生成一個上升沿與所述發射端嚴格同步的同步信號；所述第二PCI板卡與所述光電倍增管連接，用于以所述同步信號作為所述接收端的時基標準，進行單光子計數；

所述第一探測器、所述第二探測器、所述第三探測器和所述第四探測器均為單光子探測器；當探測器輸出高電平且所述同步信號處于高電平時，所述接收端的第二PCI板卡和第二計算機對探測結果進行記錄；當探測器輸出高電平而所述同步信號處于低電平時，認為是由探測器暗計數或者雜散光造成的，這種情況接收端明確分辨并加以去除，不記錄探測結果；當所述同步信號處于高電平，探測器輸出低電平，則是由于光脈沖為空脈沖或是由光子損耗或基的選擇不匹配造成的，同樣不記錄探測結果。

2.根據權利要求1所述的量子密鑰分配系統，其特征在于，所述第一分束器為50：50非極化分束器。