採用望遠鏡系統的空間量子密鑰的多通道傳輸裝置的製作方法

2023-10-21 18:35:52 2

專利名稱：採用望遠鏡系統的空間量子密鑰的多通道傳輸裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及自由空間中量子密鑰的遠距離傳輸，特別是一種採用望遠鏡系統的空間量子密鑰的多通道傳輸裝置，它利用偏振編碼，通信雙方採用望遠鏡系統進行收發光子，從而進行多通道的量子密鑰傳輸，能極大地提高量子密碼通信的效率。
背景技術：
現行的經典密碼通信是基於經典信道的安全或對某種數學難題的求解，其安全性是相對的。隨著計算機科學技術的不斷發展，其安全性日益受到挑戰。量子密碼通信的出現為人們提供了一種全新且安全的密碼通信系統。量子密碼通信實際是一個量子態作為密鑰載體進行分配的過程，它是用一個單光子攜帶一個比特信息來進行密碼傳輸的，其安全性依賴於量子力學中的Heisenberg不確定性原理、量子不可克隆定理和量子不可分割性。目前，量子密鑰分配通信方案廣泛採用的是BB84協議和B92協議。在自由空間光量子密碼通信中，一般採用BB84協議。
BB84協議採用四個非正交態作為量子信息態，且這四個態分屬於兩組共軛基，每組基內的兩個態是相互正交的，一般取四種不同的偏振態「→」、 「↑」和 其操作步驟如下(A)發送者Alice隨機地選擇以上四種偏振態中的任一種偏振態的光子並發送給接收者Bob；(B)接收Bob隨機地選擇兩種偏振基(「+」和「×」)來測量接收光子的偏振態；(C)Bob公布他實際檢測到態(只有Bob自己知道，其中一些態未被檢測到)時所採用的測量基，但不公布測量到哪個偏振態，Alice告訴Bob哪些測量基是正確的並保留下來，其餘的丟棄掉；
(D)Alice僅保留相同基時的態，並按約定的規則轉化為二進位序列(「→」和 代表0，「↑」和 代表1)。
BB84協議中發送者Alice所選用的發射源是單光子源或經過強衰減的雷射脈衝，後者近似為單光子源。從安全性方面考慮，光源脈衝中的光子數應該服從泊松分布，使每個弱的光脈衝中僅含有一個單光子，含有兩個或兩個以上光子的脈衝數越多，越容易受到潛在的第三者的分流攻擊，其通信的安全性就越低。由於一個脈衝僅含有一個單光子這樣的理想狀態很難實現，實際的做法是讓光束中每個脈衝含有兩個及兩個以上光子數機率很小，通常控制在5％左右，這樣衰減後的雷射就可以達到平均每個脈衝中只含0.1個左右的光子數。例如，美國Los Alamos實驗室的量子密鑰通信實驗使用了類似的衰減裝置，在通信距離為205m的室內實驗中，衰減後的雷射中平均每脈衝含光子數0.7個，這就意味著含1個光子的脈衝佔總脈衝數的34.8％，含2個光子的脈衝佔12.3％，含3個光子的脈衝佔2.84％，空脈衝佔50.06％；而在通信距離為1km的夜間實驗中，平均每脈衝含光子數0.1個，含2個及2個以上光子的脈衝僅佔＜6％。
目前基於BB84協議的量子密鑰通信方案，一般均採用光纖作為傳輸信道，這就決定了發收雙方在某一工作時間內只能進行單一通道的密鑰傳輸。此外，在已見報導的少數將自由空間作為傳輸信道的量子密鑰通信方案中，也僅僅採用了單一光通道的方式，即發送端用單一的光源進行發送，接收端也對此進行單一的接收。由於光纖信道並不能應用於衛星通信等領域，所以自由空間已成為空間加密光通信的主要傳輸信道，但是從上面的分析數字來看，在已進行的自由空間方案的實驗中被衰減後的平均脈衝所含光子數都控制在很小的範圍，大部分脈衝都是不含光子的空脈衝，且現行一些方案中的自由空間傳輸過程還存在來自大氣湍流所引起的損耗，這就嚴重降低了量子密鑰分發系統的傳輸效率，加之在接收端的單光子探測器存在一定的量子效率以及協議自身算法的內稟效率(對於BB84協議該內稟效率為1/2)，因此在這種損耗本來就很大的情況下，再採用單一通道傳輸單光子就會使傳輸效率極其低下，從而直接影響整個系統的工作效率。

發明內容
本發明的目的是克服BB84協議算法的傳統方案中用單一信道傳輸單光子的效率低下問題，提供一種採用望遠鏡系統的空間量子密鑰的多通道傳輸裝置。
本發明的技術方案如下一種採用望遠鏡系統的空間量子密鑰的多通道傳輸裝置，通信雙方均採用望遠鏡系統進行光子的收發，發送端採用多個列陣排布的雷射光源輸出多束列陣水平光脈衝，經衰減、隨機起偏，由發射望遠鏡發射，進行自由空間中量子密鑰的多通道傳輸，接收端經濾波、接收望遠鏡接收呈像點列陣，該列陣中各像點經陣列微透鏡聚焦在偏振分光計上，經檢偏後到達相應的單光子計數探測器，結果通過計算機按BB84協議約定進行數據處理。本發明能極大地提高系統中發送雙方之間的光子傳輸效率，有效地解決了傳統方案中單通道傳輸光子效率低下的問題。以上為本發明的技術方案，本發明中多通道密鑰通信協議的算法將在實施方式中採用具體的實施例進行闡述。
對於技術效果，若發射天線孔徑為D1，則其發射光束在自由空間中的衍射擴展角為2=1.22D1---(1)]]>若傳送距離為d，則到達接收天線的光束展寬為w≈D1+d·2θ (2)傳送過程中大氣傳輸效率為T，若接收透鏡的直徑為D2，光束經過接收透鏡時的幾何損耗為LgLgD22w2---(3)]]>則傳送過程中路程損耗(Range loss)為LR，實驗中常寫為dB形式LR＝-10log(T·Lg) (4)預期光子傳送率為
K＝RMTLgη/2 (5)其中R為雷射光源的脈衝工作頻率，M為平均每脈衝的光子數，η為探測系統總的工作效率，1/2為BB84協議的內稟效率。經過糾錯和保密放大後的密鑰約為初始密鑰(raw key)的10％～15％。
取大氣傳送中衍射擴散程度較小的650nm為工作波長，發射天線孔徑D1和接收天線孔徑D2均取值30cm，在傳送距離d分別為1km、10km、100km和500km的情況下，取T為65％，光源的脈衝工作頻率為1MHz，平均光子數為0.1，探測系統總的工作效率η為30％，則將上述參數代入以上各式，計算結果詳見表1。

表1.量子密鑰傳送過程的傳送效率及損耗表1中所給出的單位時間內的K的傳輸光子bit數是在一個輸出光源情況下實現的傳輸光子數，當發送光源擴展到m×n陣列，則在單位工作時間內所傳輸的光子數就是K的m×n倍。由此可以看出，本發明採用多通道並發傳輸，其光子傳輸率遠遠超出傳統方案中單一信道傳輸光子的效率，並且大大減少了在公開信道討論的數據量，同時也減少了Eve獲取信息的機會。


圖1.具體實施例中發送端光路示意圖。
圖2.具體實施例中接收端接收檢測示意圖。
圖中1-雷射光源；2-幹涉濾波器；3-雷射衰減器；4-隨機起偏器(4×1)；5-發射望遠鏡(L1和L2間距為二者焦距之和)；6-自由空間；6-自由空間；7-幹涉濾波器；8-接收望遠鏡(L3和L4之間距離為二者焦距之和)；；9-像點陣列(從上至下依次為A′、B′、C′、D′)；10-微透鏡陣列；11-偏振分光計；12-檢偏器；13-單光子記數探測器。
具體實施例方式
下面就結合附圖和具體的實施例說明本發明裝置。先請參閱圖1和圖2，一種採用望遠鏡系統的空間量子密鑰的多通道傳輸裝置的結構是發送端沿光束前進方向依次是(m×n＝4×1)列陣排布的雷射光源1、幹涉濾波器2、雷射衰減器3、隨機起偏器4和發射望遠鏡5；接收端沿光束方向依次是幹涉濾波器7、接收望遠鏡8，經接收望遠鏡8輸出(4×1)像點列陣9，在(4×1)像點列陣9處設置(4×1)微透鏡陣列10，在微透鏡陣列10每一微透鏡相應的焦點上設一臺偏振分光計11，在所述偏振分光計11後有相應的檢偏器12和單光子計數探測器13，通信數據由計算機按BB84協議進行處理。
在圖1中發送端選用4×1陣列，工作頻率在1M～100M範圍內的脈衝雷射光源1，從上至下依次命名為A、B、C和D；出射的雷射先通過幹涉濾波器2，濾波窗口小於0.1nm，它對4個平行光源所發出的脈衝雷射在波段上進行選擇過濾，使波長在大氣窗口內的工作波長通過，減少系統的損耗；然後通過雷射衰減器3，其作用是對脈衝雷射進行衰減，從而使脈衝中所含有的平均光子數滿足泊松分布(n≈0.1)，減少潛在的竊聽者Eve對光子流進行分流竊聽的可能性，提高傳送過程中的安全性；再通過隨機起偏器4，偏振基的選擇遵守事先約定共享的偽隨機序列，對陣列雷射進行偏振基「+」和「×」的偽隨機選擇，在選擇基的同時隨機地加載隸屬於該基的2個正交的偏振方向，從而對4×1陣列的4通道單光子流進行隨機地偏振調製；最後由發射望遠鏡5到自由空間6；在圖2中多通道的調製雷射經過自由空間6信道後到達接收端，經濾波器7濾去雜項波長的光，減少背景噪聲的影響；然後被接收望遠鏡8接收；輸出像點陣列9，從上至下依次為A′、B′、C′、D′；在(4×1)像點列陣9處設置(4×1)微透鏡陣列10，則各像點通過微透鏡陣列10中的各個微透鏡聚焦後面相應的焦點上，並被偏振分光計11接收，具有正交偏振態的光子束由偏振分光計11分出兩束具有相互正交偏振方向的光分別通過各自光路上的檢偏器12和單光子計數探測器13，其中檢偏器12方向的選取也是按照事先約定的偽隨機序列對各束接收光進行偏振基的選擇。通過檢偏器12的被單光子計數探測器13記錄，通信數據由計算機按BB84協議進行處理。
針對該實施例中雙方進行初始密鑰傳輸以及後續的公開信道討論等算法具體闡述如下。若發送端在某一工作時刻對四束光所選擇的偏振序列從上到下依次為「+」、「×」、「×」和「+」，則此時刻A、B、C、D出射光的偏振方向是隨機分布的，在某一工作時間，4個通道的雷射所被調製的偏振態會是(→ ↑)、(↑ →).......等16種隨機序列中的一種，括號內各個偏振方向是分別隸屬於A、B、C、D出射光的。接收端在接收時也相應地選用「+」、「×」、「×」和「+」的偏振基進行接收。
具有 和 方向的隨機偏振態的光子，經偏振分束器分束後通過了 方向的檢偏器併到達其後的單光子探測器記為「0」；若光子通過了 方向的檢偏器併到達其後的單光子探測器記為「1」。同理，具有「→」和「↑」方向的隨機偏振態的光子，經分束後通過「→」方向的檢偏器併到達其後的單光子探測器記為「0」；若光子通過「↑」方向的檢偏器併到達其後的單光子探測器記為「1」。
理想情況下，某一時刻發送端A、B、C、D各發送一個單光子，該組4×1光子序列經過一個理想的傳送過程，順利到達接收端A′、B′、C′、D′並通過其後的微透鏡陣列被其後的探測器探測到。實際操作中，探測器在某一時刻會同時接收到2個或2個以上光子，多接收到的光子可能是來自相鄰通道中的光子，這就給在一定程度上提高了接收端的錯誤率。對於這種「串擾」情況，可以通過通信雙方量子密鑰傳輸過程後期的糾錯和保密放大過程進行處理。
如果信道中存在竊聽者Eve，當Eve採用截取、重發或者分流的竊聽方式，則某時刻發送的一組4×1光子序列將不能完全的傳送到接收端，對於這種同樣接收不完全的情況，通信雙方在公開信道討論時約定丟棄該組光子序列，從而最大限度地降低了Eve的竊聽給通信安全帶來的破壞。
雙方進行公開信道討論，按照本發明算法共同丟棄接收不完全的4×1通道光子序列，保留那些符合約定要求的光子序列組，轉換為二進位序列，作為共享的初始密鑰保存下來。至此，雙方完成量子密鑰傳輸的傳送過程。然後雙方通過糾錯、保密放大等過程對初始密鑰進行詳審，進而得到最終安全的量子密鑰。
顯然，在單位工作時間(假定為1s)內，4通道方案中成功被Bob探測到並作為初始密鑰(raw key)保存下來的光子數明顯比單通道方案中所探測到的光子數多(約為4倍)。推廣到m×n方案，可以實現自由空間中量子密鑰的m×n通道傳輸。這樣在工作時間一定的情況下成功傳輸的光子數就是在先方案中單通道成功傳輸光子數的m×n倍，從而使量子密鑰的傳輸效率大為增加。
權利要求
1.一種採用望遠鏡系統的空間量子密鑰的多通道傳輸裝置，特徵在於其結構是發送端沿光束前進方向依次是(m×n)列陣排布的雷射光源(1)、幹涉濾波器(2)、雷射衰減器(3)、隨機起偏器(4)和發射望遠鏡(5)；接收端沿光束方向依次是幹涉濾波器(7)、接收望遠鏡(8)，經接收望遠鏡(8)輸出(m×n)像點列陣(9)，在(m×n)像點列陣(9)處設置(m×n)微透鏡陣列(10)，在微透鏡陣列(10)每一微透鏡相應的焦點上設一臺偏振分光計(11)，在所述偏振分光計(11)後有相應的檢偏器(12)和單光子計數探測器(13)，通信數據由計算機按BB84協議進行處理。
全文摘要
一種採用望遠鏡系統的空間量子密鑰的多通道傳輸裝置，通信雙方均採用望遠鏡系統進行光子的收發，發送端採用多個列陣排布的雷射光源輸出多束列陣水平光脈衝，經衰減、隨機起偏，由發射望遠鏡發射，進行自由空間中量子密鑰的多通道傳輸，接收端經濾波、接收望遠鏡接收呈像點列陣，該列陣中各像點經陣列微透鏡聚焦在偏振分光計上，經檢偏後到達相應的單光子計數探測器，結果通過計算機按BB84協議約定進行數據處理。本發明極大地提高系統中發送雙方之間的光子傳輸效率，有效地解決了傳統方案中單通道傳輸光子效率低下的問題。
文檔編號H04L9/08GK1633064SQ20051002320
公開日2005年6月29日 申請日期2005年1月10日 優先權日2005年1月10日
發明者魯偉, 劉立人, 潘衛清, 曲偉娟 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所