[發(fā)明專利]單片硅基集成芯片及量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201911348182.0
• 申請日: 2019-12-24
• 公開（公告）號: CN113037468B
• 公開（公告）日: 2023-04-28
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 龔攀;劉建宏;馮斯波;劉軍
• 申請（專利權(quán)）人: 山東國迅量子芯科技有限公司
• 主分類號: H04L9/08
• 分類號: H04L9/08;H04B10/70
• 代理公司: 濟南圣達知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 37221
• 代理人: 張慶騫

本發(fā)明提供了一種單片硅基集成芯片及量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)。其中，單片硅基集成芯片包括：第一分束器，其用于接收激光信號并分成上光路信號和下光路信號；誘騙態(tài)調(diào)制單元，其用于將上光路信號進行隨機誘騙態(tài)調(diào)制；編碼單元，其用于將隨機誘騙態(tài)調(diào)制后的信號進行隨機信息編碼；第一光強衰減單元，其用于將隨機信息編碼后信號衰減至單光子量級并輸出；隨機數(shù)產(chǎn)生單元，其用于接收下光路信號并處理得到差分電流；其中，差分電流經(jīng)處理后產(chǎn)生量子隨機數(shù)，進而由量子隨機數(shù)對應(yīng)的隨機數(shù)字電壓信號來驅(qū)動誘騙態(tài)調(diào)制單元和編碼單元工作。本發(fā)明的單片硅基集成芯片集成了量子密鑰分發(fā)及量子隨機數(shù)產(chǎn)生的功能，減少了量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的體積、成本和功耗。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于量子通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種單片硅基集成芯片及量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)。

背景技術(shù)

本部分的陳述僅僅是提供了與本發(fā)明相關(guān)的背景技術(shù)信息，不必然構(gòu)成在先技術(shù)。

隨機數(shù)是一種廣泛使用的基礎(chǔ)資源，而隨機數(shù)發(fā)生器就是用來產(chǎn)生隨機數(shù)序列的一種器件。性能良好的隨機數(shù)發(fā)生器在眾多領(lǐng)域比如量子通信、密碼學(xué)、博彩業(yè)、蒙特卡洛模擬、數(shù)值計算、隨機抽樣等都有廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)有的量子隨機數(shù)發(fā)生器方案中，基于單光子路徑選擇的方案，其比特率達到1Mbps量級；而基于光子到達時間的方案，其比特率達到了100Mbps量級。對于下一代高速量子通信系統(tǒng)，需要的隨機數(shù)應(yīng)達到10Gbps以上，這就需要新的技術(shù)方案來滿足對比特率的需求。

為滿足人們?nèi)找嬖鲩L的帶寬需求，在現(xiàn)代高速大容量的光傳輸技術(shù)中普遍采用多進制調(diào)制方式以提高光譜利用率。在多進制調(diào)制信號的處理方面相干光接收技術(shù)也成為光通信領(lǐng)域研究發(fā)展的熱點。相干光通信系統(tǒng)的接收機靈敏度高，傳輸?shù)闹欣^距離長，更有利于充分利用光纖的帶寬，提高通信質(zhì)量。

現(xiàn)有量子密鑰分發(fā)(QKD)系統(tǒng)工作原理如圖1所示，激光器在脈沖驅(qū)動下輸出較弱的脈沖光，此脈沖光輸入誘騙態(tài)調(diào)制單元進行誘騙態(tài)調(diào)制，通常誘騙態(tài)調(diào)制單元為強度調(diào)制器，經(jīng)過誘騙態(tài)調(diào)制后的光輸入到編碼單元中進行信息編碼，編碼單元通常是基于光子相位信息、光子偏振態(tài)信息或者光子(間)時間相位信息等進行信息編碼，誘騙態(tài)調(diào)制單元和編碼單元需在隨機數(shù)源的驅(qū)動下分別進行隨機誘騙態(tài)調(diào)制和隨機信息編碼，經(jīng)過信息編碼后的光經(jīng)過光強衰減單元后衰減至單光子水平并輸出。圖1中的激光器、誘騙態(tài)調(diào)制單元、編碼單元和光強衰減單元通過光纖連接，脈沖驅(qū)動輸出電信號至激光器，隨機數(shù)源輸出數(shù)字信號至誘騙態(tài)調(diào)制單元和編碼單元。其中，如圖1所示的隨機數(shù)源是通過FPGA基于振蕩環(huán)的非相干時間采樣或基于FPGA的熱噪聲產(chǎn)生并輸出數(shù)字信號。

發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有隨機數(shù)源是物理隨機數(shù)而非量子隨機數(shù)源，這樣使得量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)仍存在安全性問題；另外，現(xiàn)有的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)均是由分立器件搭建而成，因此，存在體積龐大，成本高昂且功耗高的問題。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決上述問題，本發(fā)明的第一個方面提供一種單片硅基集成芯片，其集成量子密鑰分發(fā)及量子隨機數(shù)產(chǎn)生的功能，能夠減少量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的體積、成本和功耗。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種單片硅基集成芯片，包括：

第一分束器，其用于接收激光信號并分成上光路信號和下光路信號；

誘騙態(tài)調(diào)制單元，其用于將上光路信號進行隨機誘騙態(tài)調(diào)制；

編碼單元，其用于將隨機誘騙態(tài)調(diào)制后的信號進行隨機信息編碼；

第一光強衰減單元，其用于將隨機信息編碼后信號衰減至單光子量級并輸出；

隨機數(shù)產(chǎn)生單元，其用于接收下光路信號并處理得到差分電流；其中，差分電流經(jīng)處理后產(chǎn)生量子隨機數(shù)，進而由量子隨機數(shù)對應(yīng)的隨機數(shù)字電壓信號來驅(qū)動誘騙態(tài)調(diào)制單元和編碼單元工作。

作為一種實施方式，所述隨機數(shù)產(chǎn)生單元，包括：