一种量子密钥分配系统

摘要

本发明公开一种量子密钥分配系统。所述系统包括发射端、接收端、量子信道和经典信道；发射端包括第一PCI板卡、第一计算机、开关电路、激光二极管、与激光二极管对应的窄带干涉滤光片、第一偏振分束器、第二偏振分束器、第一半波片、第一分束器、针孔以及第一多级干涉滤光片，系统中采用的光学器件均为线性光学元件，有利于系统的稳定和集成；同时发射端产生的时钟信号和计算机产生的随机数利用开关电路驱动不同的激光二极管发光，从而产生四种偏振态光子，因此激光二极管之间的切换只需利用简单的开关电路就可以实现，省去了电光晶体或更多的光学元件以及复杂的电路设计，提高了系统的稳定性和抗干扰能力，并大大降低了系统成本。

权利要求

1.一种量子密钥分配系统，其特征在于，所述量子密钥分配系统包括：发射端、接收端、量子信道和经典信道；

所述发射端包括第一PCI板卡、第一计算机、开关电路、第一激光二极管、第二激光二极管、第三激光二极管、第四激光二极管、第一窄带干涉滤波片、第二窄带干涉滤波片、第三窄带干涉滤波片、第四窄带干涉滤波片、第一偏振分束器、第二偏振分束器、第一半波片、第一分束器、针孔以及第一多级干涉滤光片；

所述第一PCI板卡用于产生主频；所述第一PCI板卡安装在所述第一计算机上；所述第一计算机控制所述第一PCI板卡产生分频从而生成时钟信号；所述第一计算机还用于产生一个随机数串，将所述随机数串和所述时钟信号一同连入所述开关电路；所述第一计算机通过所述开关电路控制驱动四个激光二极管以脉冲方式发光，按照随机顺序发射不同偏振态的光子；

所述第一窄带干涉滤波片设置在所述第一激光二极管的出射光路上；所述第一激光二极管产生的第一激光束通过第一窄带干涉滤波片入射到所述第一偏振分束器的一端，用于产生水平偏振态激光；所述第二窄带干涉滤波片设置在所述第二激光二极管的出射光路上；所述第二激光二极管产生的第二激光束通过第二窄带干涉滤波片入射到所述第一偏振分束器的另一端，用于产生垂直偏振态激光；所述第三窄带干涉滤波片设置在所述第三激光二极管的出射光路上；所述第四窄带干涉滤波片设置在所述第四激光二极管的出射光路上；所述第二偏振分束器设置在所述第三窄带干涉滤波片和所述第四窄带干涉滤波片的出射光路上；所述第三激光二极管产生的第三激光束通过所述第三窄带干涉滤波片入射到所述第二偏振分束器的一端；所述第四激光二极管产生的第四激光束通过所述第四窄带干涉滤波片入射到所述第二偏振分束器的另一端；所述第一半波片设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轴方向与水平方向成22.5°角，用于产生+45°和-45°的偏振态激光；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；

所述水平偏振态激光、所述垂直偏振态激光以及所述+45°和-45°的偏振态激光通过所述第一分束器后，产生两路信号光脉冲信号，分别为第一路信号光和第二路信号光；所述针孔、所述第一多级干涉滤光片依次设置在所述第一分束器的出射光路上；所述第一路信号光依次经过所述针孔和所述第一多级干涉滤光片的衰减后，经由所述量子信道发送给所述接收端；所述量子信道为自由空间，即大气；所述针孔调整视场大小，以便滤除视场外的杂散光；

所述第一多级干涉滤光片由窄带干涉滤光片组成；

所述接收端包括：第一探测器、第二探测器、第三探测器、第四探测器、第二多级干涉滤光片、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；

所述第二分束器设置在所述第二多级干涉滤光片的出射光路上；所述第一路信号光依次通过所述第二多级干涉滤光片和所述第二分束器后产生两路光子，分别为第一路光子和第二路光子；所述第三偏振分束器设置在所述第二分束器的第一出射光路上；所述第一探测器设置在所述第三偏振分束器的第一出射光路上；所述第二探测器设置在所述第三偏振分束器的第二出射光路上；所述第一路光子经过所述第三偏振分束器后分别入射至所述第一探测器和所述第二探测器；所述第二半波片设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设置在所述第二半波片的出射光路上；所述第三探测器设置在所述第四偏振分束器的第一出射光路上；所述第四探测器设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经过所述第二半波片和所述第四偏振分束器后分别入射至所述第三探测器和所述第四探测器；

所述接收端还包括：第二PCI板卡和第二计算机；

所述第一探测器、所述第二探测器、所述第三探测器和所述第四探测器分别与所述第二PCI板卡连接；所述第二PCI板卡与所述第二计算机连接；所述第二PCI板卡采集所述第一探测器、所述第二探测器、所述第三探测器和所述第四探测器的探测光信号，并对所述探测光信号中光子的偏振态进行分析和测量，将分析测量结果以TTL形式存储到所述第二计算机中；

所述第一计算机与所述第二计算机通过所述经典信道进行数据筛选、数据纠错和保密增强操作，完成安全密钥串的建立；

所述第一计算机根据所述安全密钥串对所要传输的明文进行加密，并将加密后的明文通过所述经典信道传输给所述第二计算机；所述第二计算机根据所述安全密钥串解密重新得到所述明文，完成保密通信；

所述经典信道为所述第一计算机和所述第二计算机所构成的局域网；

所述发射端还包括光子监测装置，所述光子监测装置包括准直红激光器、半反半透镜、单光子探测器和计数器；

所述准直红激光器、所述半反半透镜和所述单光子探测器依次设置在所述第一分束器的出射光路上；所述第二路信号光经过所述准直红激光器和所述半反半透镜进行准直后，被所述单光子探测器接收；所述计数器与所述单光子探测器连接，用于对进入所述单光子探测器的光子进行计数；

所述量子密钥分配系统还包括光信号同步装置，所述光信号同步装置包括：外置激光器、声光调制器、第三多级干涉滤光片和光电倍增管；

所述声光调制器与所述第一PCI板卡连接；所述声光调制器设置在所述外置激光器的出射光路上；所述第一PCI板卡用于发送基频时钟信号；所述声光调制器被所述基频时钟信号驱动后，将所述外置激光器产生的连续激光分割成周期光脉冲序列，并作为同步光信号经过所述量子信道发送至所述接收端；

所述第三多级干涉滤光片和所述光电倍增管依次设置在所述声光调制器的出射光路上；所述同步光信号依次经过所述第三多级干涉滤光片和所述光电倍增管，生成一个上升沿与所述发射端严格同步的同步信号；所述第二PCI板卡与所述光电倍增管连接，用于以所述同步信号作为所述接收端的时基标准，进行单光子计数；

所述第一探测器、所述第二探测器、所述第三探测器和所述第四探测器均为单光子探测器；当探测器输出高电平且所述同步信号处于高电平时，所述接收端的第二PCI板卡和第二计算机对探测结果进行记录；当探测器输出高电平而所述同步信号处于低电平时，认为是由探测器暗计数或者杂散光造成的，这种情况接收端明确分辨并加以去除，不记录探测结果；当所述同步信号处于高电平，探测器输出低电平，则是由于光脉冲为空脉冲或是由光子损耗或基的选择不匹配造成的，同样不记录探测结果。

2.根据权利要求1所述的量子密钥分配系统，其特征在于，所述第一分束器为50：50非极化分束器。

说明书

一种量子密钥分配系统

技术领域

[0001] 本发明涉及量子保密通信技术领域，特别是涉及一种量子密钥分配系统。

背景技术

[0002] 信息安全是现代通信中人们最为关注的问题。传统的保密通信技术借助加/解密的数学复杂度可以提供有限的安全性，然而随着量子计算机的出现，攻击者的计算能力迅速提升，极大地降低了破解经典密码的难度，这对于信息的安全来说是一个严峻的挑战。

[0003] 量子保密通信利用微观粒子携带的状态信息作为加密和解密所使用的密钥，密钥的安全性不再由数学计算提供，而是由微观粒子所遵循的物理规律来保证，保证了加密信息的绝对安全。1984年物理学家Bennett和密码学家Bra ssard提出了量子密钥分配(Quantum Key Distribution，QKD)及一套完整的量子通信协议，简称为BB84协议。将量子密钥分配与“一次一密”(one-ti mepad，OTP)加密体制相结合，可实现信息的无条件安全性，成为业界的研究热点。

[0004] 量子保密通信最早使用光纤信道，但由于单模光纤中存在双折射效应以及光纤损耗，信号光的偏振态会有较大变化，从而导致安全密钥的丢失。自由空间信道即大气信道对光信号偏振影响较小，自由空间量子密钥分配系统常采用偏振编码，但目前自由空间量子密钥分配系统多采用电光晶体或更多的光学元件以及复杂的电路设计，系统装置复杂、成本高、抗干扰能力差且稳定性低。

发明内容

[0005] 本发明的目的是提供一种量子密钥分配系统，系统中所有的光学器件均采用线性光学元件，有利于系统的稳定和集成，同时发射端的结构设计使其外部电路简单，省去了电光晶体或更多的光学元件以及复杂的电路设计，能够提高系统的稳定性和抗干扰能力，并降低成本。

[0006] 为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

[0007] 一种量子密钥分配系统，所述量子密钥分配系统包括：发射端、接收端、量子信道和经典信道；

[0008] 所述发射端包括第一PCI板卡、第一计算机、开关电路、第一激光二极管、第二激光二极管、第三激光二极管、第四激光二极管、第一窄带干涉滤波片、第二窄带干涉滤波片、第三窄带干涉滤波片、第四窄带干涉滤波片、第一偏振分束器、第二偏振分束器、第一半波片、第一分束器、针孔以及第一多级干涉滤光片；

[0009] 所述第一PCI板卡用于产生主频；所述第一板卡安装在所述第一计算机上；所述第一计算机控制所述第一PCI板卡产生分频从而生成时钟信号；所述第一计算机还用于产生一个随机数串，将所述随机数串和所述时钟信号一同连入所述开关电路；所述第一计算机通过所述开关电路控制驱动四个激光二极管以脉冲方式发光，按照随机顺序发射不同偏振态的光子；

[0010] 所述第一窄带干涉滤波片设置在所述第一激光二极管的出射光路上；所述第一激光二极管产生的第一激光束通过第一窄带干涉滤波片入射到所述第一偏振分束器的一端，用于产生水平偏振态激光；所述第二窄带干涉滤波片设置在所述第二激光二极管的出射光路上；所述第二激光二极管产生的第二激光束通过第二窄带干涉滤波片入射到所述第一偏振分束器的另一端，用于产生垂直偏振态激光；所述第三窄带干涉滤波片设置在所述第三激光二极管的出射光路上；所述第四窄带干涉滤波片设置在所述第四激光二极管的出射光路上；所述第二偏振分束器PBS2设置在所述第三窄带干涉滤波片和所述第四窄带干涉滤波片的出射光路上；所述第三激光二极管产生的第三激光束通过所述第三窄带干涉滤波片入射到所述第二偏振分束器的一端；所述第四激光二极管产生的第四激光束通过所述第四窄带干涉滤波片入射到所述第二偏振分束器的另一端；所述第一半波片设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轴方向与水平方向成22.5°角，用于产生+45°和-45°的偏振态激光；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；所述水平偏振态激光、所述垂直偏振态激光以及所述+45°和-45°的偏振态激光通过所述第一分束器BS1后，产生两路信号光脉冲信号，分别为第一路信号光和第二路信号光；所述针孔、所述第一多级干涉滤光片依次设置在所述第一分束器的出射光路上；所述第一路信号光依次经过所述针孔和所述第一多级干涉滤光片的衰减后，经由所述量子信道发送给所述接收端。

[0011] 可选的，所述第一分束器为50：50非极化分束器。

[0012] 可选的，所述接收端包括：第一单光子探测器、第二单光子探测器、第三单光子探测器、第四单光子探测器、第二多级干涉滤光片、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；

[0013] 所述第二分束器设置在所述第二多级干涉滤光片的出射光路上；所述第一路信号光依次通过所述第二多级干涉滤光片和所述第二分束器后产生两路光子，分别为第一路光子和第二路光子；所述第三偏振分束器设置在所述第二分束器的第一出射光路上；所述第一探测器设置在所述第三偏振分束器的第一出射光路上；所述第二探测器设置在所述第三偏振分束器的第二出射光路上；所述第一路光子经过所述第三偏振分束器后分别入射至所述第一探测器和所述第二探测器；所述第二半波片设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设置在所述第二半波片的出射光路上；所述第三探测器设置在所述第四偏振分束器的第一出射光路上；所述第四探测器设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经过所述第二半波片和所述第四偏振分束器后分别入射至所述第三探测器和所述第四探测器。

[0014] 可选的，所述接收端还包括：第二PCI板卡和第二计算机；

[0015] 所述第一探测器、所述第二探测器、所述第三探测器和所述第四探测器分别与所述第二PCI板卡连接；所述第二PCI板卡与所述第二计算机连接；所述第二PCI板卡采集所述第一探测器、所述第二探测器、所述第三探测器和所述第四探测器的探测光信号，并对所述探测光信号中光子的偏振态进行分析和测量，将分析测量结果以TTL形式存储到所述第二计算机中；

[0016] 所述第一计算机与所述第二计算机通过所述经典信道进行数据筛选、数据纠错和保密增强操作，完成安全密钥串的建立。

[0017] 可选的，所述第一计算机根据所述安全密钥串对所要传输的明文进行加密，并将加密后的明文通过所述经典信道传输给所述第二计算机；所述第二计算机根据所述安全密钥串解密重新得到所述明文，完成保密通信。

[0018] 可选的，所述经典信道为所述第一计算机和所述第二计算机所构成的局域网。

[0019] 可选的，所述发射端还包括光子监测装置，所述光子监测装置包括准直红激光器、半反半透镜、单光子探测器和计数器；

[0020] 所述准直红激光器、所述半反半透镜和所述单光子探测器依次设置在所述第一分束器的出射光路上；所述第二路信号光经过所述准直红激光器和所述半反半透镜进行准直后，被所述单光子探测器接收；所述计数器与所述单光子探测器连接，用于对进入所述单光子探测器的光子进行计数。

[0021] 可选的，所述量子密钥分配系统还包括光信号同步装置，所述光信号同步装置包括：外置激光器、声光调制器、第三多级干涉滤光片和光电倍增管；

[0022] 所述声光调制器与所述第一PCI板卡连接；所述声光调制器设置在所述外置激光器的出射光路上；所述第一PCI板卡用于发送基频时钟信号；所述声光调制器被所述基频时钟信号驱动后，将所述外置激光器产生的连续激光分割成周期光脉冲序列，并作为同步光信号经过所述量子信道发送至所述接收端。

[0023] 可选的，所述第三多级干涉滤光片和所述光电倍增管依次设置在所述声光调制器的出射光路上；所述同步光信号依次经过所述第三多级干涉滤光片和所述光电倍增管，生成一个上升沿与所述发射端严格同步的同步信号；所述第二PCI板卡与所述光电倍增管连接，用于以所述同步信号作为所述接收端的时基标准，进行单光子计数。

[0024] 根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

[0025] 本发明提供一种量子密钥分配系统，所述量子密钥分配系统包括发射端、接收端、量子信道和经典信道；所述发射端包括第一PCI板卡、第一计算机、开关电路、四个激光二极管、与四个激光二极管相对应的四个窄带干涉滤光片、第一偏振分束器、第二偏振分束器、第一半波片、第一分束器、针孔以及第一多级干涉滤光片，系统中采用的以上所有光学器件均为线性光学元件，有利于系统的稳定和集成；同时发射端产生的时钟信号和计算机产生的随机数利用开关电路驱动不同的激光二极管发光，从而产生四种偏振态光子，激光二极管之间的切换只需利用简单的开关电路就可以实现，省去了电光晶体或更多的光学元件以及复杂的电路设计，提高了系统的稳定性和抗干扰能力，并大大降低了系统成本。

[0026] 此外，本发明提供了的量子密钥分配系统的接收端还包括第二PCI板卡和第二计算机，所述发射端和接收端不仅可以完成量子密钥分配，更可以利用得到的安全密钥串在经典信道进行保密通信，提高了量子保密通信系统的安全性。

附图说明

[0027] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0028] 图1为本发明提供的一种量子密钥分配系统实施例一的结构示意图；

[0029] 图2为本发明提供的量子密钥分配系统的发射端的工作原理示意图；

[0030] 图3为本发明提供的一种量子密钥分配系统实施例二的结构示意图；

[0031] 图4为本发明提供的一种量子密钥分配系统实施例三的结构示意图；

[0032] 图5为本发明提供的一种量子密钥分配系统实施例三的工作过程示意图。

具体实施方式

[0033] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0034] 本发明的目的是提供一种量子密钥分配系统，系统中所有的光学器件均采用线性光学元件，有利于系统的稳定和集成，同时发射端的结构设计使其外部电路简单，省去了电光晶体或更多的光学元件以及复杂的电路设计，能够提高系统的稳定性和抗干扰能力，并降低成本。

[0035] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

[0036] 图1为本发明提供的一种量子密钥分配系统实施例一的结构示意图。本发明提供的量子密钥分配系统利用简单的实验装置在通信收发双方之间高速稳定地建立起一个适用于“一次一密”(One Time Pad)体制的安全密钥串，并利用此密钥尝试进行保密通信。

[0037] 参见图1，本发明提供的一种量子密钥分配系统包括发射端1、接收端2、量子信道3和经典信道4。所述发射端1与所述接收端2通过所述量子信道3连接。量子信息的载体即光子是在大气中传输的，大气就是量子信道。同时在两台计算机之间架设了局域网，经典通信是通过局域网完成的，局域网就是经典信道。

[0038] 所述发射端1包括第一PCI板卡PCI Card 1、第一计算机Computer 1、开关电路(图中未示出)、第一激光二极管LD1、第二激光二极管LD2、第三激光二极管LD3、第四激光二极管LD4、与四个激光二极管LD1-LD4相对应的四个窄带干涉滤光片F1-F4、第一偏振分束器PBS1、第二偏振分束器PBS2、第一半波片HWP1、第一分束器BS1、针孔PH以及第一多级干涉滤光片IF1。

[0039] 图2为本发明提供的量子密钥分配系统的发射端的工作原理示意图。参见图2，本发明采用的PCI(Peripheral Component Interconnect，外设组件互连标准)板卡是一种高速数字输入输出设备，它可以产生主频，并以TTL形式输出。所述第一PCI板卡直接安装在所述第一计算机上，用于产生主频。所述第一PCI板卡由软件编程进行控制，降低了系统的复杂性，使整个系统更为整合，操作也更为简便。所述第一计算机控制所述第一PCI板卡产生分频，可以依据需求对基频信号进行分频产生占空比不同的脉冲信号，从而生成时钟信号。

[0040] 同时所述第一计算机通过计算机程序产生一个随机数串，将所述随机数串和所述时钟信号一同连入所述开关电路，通过所述开关电路控制激光驱动器驱动四个激光二极管以脉冲方式发光，按照随机顺序发射不同偏振态的光子。系统要求产生四种偏振态的光子，分别是水平偏振H、垂直偏振V以及±45°偏振。使用四个同型号激光二极管作为光源，即第一激光二极管LD1、第二激光二极管LD2、第三激光二极管LD3和第四激光二极管LD4，分别对应四种偏振态H(水平偏振)、V(垂直偏振)、+45和-45。

[0041] 其中，产生水平偏振和垂直偏振的光子，只需要将第一激光二极管LD1和第二激光二极管LD2通过一个滤光片连接到第一偏振分束器PBS1上，具体为：

[0042] 所述第一激光二极管LD1产生的第一激光束通过第一窄带干涉滤波片F1入射到所述第一偏振分束器PBS1的一端，用于产生偏振态H的激光。所述第二激光二极管LD2产生的第二激光束通过第二窄带干涉滤波片F2入射到所述第一偏振分束器PBS1的另一端，用于产生偏振态V的激光。

[0043] 产生+45和-45偏振态，本发明的方法是：使两个光源LD3、LD4分别发射水平偏振和垂直偏振的光子，而在第二偏振分束器PBS2后的光路上放置半波片HWP1，这样由PBS2出射的水平或垂直偏振的光子经过半波片后其偏振方向发生旋转，分别变为+45和-45偏振光子，具体为：

[0044] 所述第三激光二极管LD3产生的第三激光束通过第三窄带干涉滤波片F3入射到所述第二偏振分束器PBS2的一端。所述第四激光二极管LD4产生的第四激光束通过第四窄带干涉滤波片F4入射到所述第二偏振分束器PBS2的另一端。所述第一半波片HWP1设置在所述第二偏振分束器PBS2的出射光路上，并标定所述第一半波片HWP1的快轴方向与水平方向成22.5°角，这样由所述第二偏振分束器PBS2出射的水平或垂直偏振的光子经过所述第一半波片HWP1后其偏振方向发生旋转，分别变为+45和-45偏振光子，从而使所述第三激光二极管LD3和所述第四激光二极管LD4产生的信号光分别变为+45°和-45°的偏振态激光。

[0045] 至此，得到了两组基(直线基“+”和对角基“×”)以及水平偏振(H)、垂直偏振(V)以及±45°偏振四个光子偏振态。

[0046] 所述第一分束器BS1位于所述第一偏振分束器PBS1和所述第一半波片HWP1的出射光路上。所述第一分束器BS1为50：50非极化分束器。所述偏振态H的激光、所述偏振态V的激光以及所述+45°和-45°的偏振态激光通过所述第一分束器BS1后，产生两路信号光脉冲信号，分别为第一路信号光和第二路信号光。

[0047] 本发明采用强衰减激光脉冲法模拟单光子源，通过调节激光二极管的驱动电路减小输入电流使其发出的激光变暗，然后再在光路上放置针孔PH和多级干涉滤光片IF1组成衰减器件，对激光脉冲进行衰减。具体为：

[0048] 所述针孔PH、所述第一多级干涉滤光片IF1依次设置在所述第一分束器BS1的出射光路上。所述第一路信号光依次经过所述针孔PH和所述第一多级干涉滤光片IF1的衰减后，经由量子信道3发送给所述接收端2。

[0049] 所述量子信道3为自由空间，即大气。所述针孔PH可以调整视场大小，以便滤除视场外的杂散光。各所述多级干涉滤光片由窄带干涉滤光片组成，窄带干涉滤光片的衰减效果好，同时还可以屏蔽背景杂散光的干扰。

[0050] 所述接收端2包括第一单光子探测器D1、第二单光子探测器D2、第三单光子探测器D3、第四单光子探测器D4、第二多级干涉滤光片IF2、第三偏振分束器PBS3、第四偏振分束器PBS4、第二半波片HWP2以及第二分束器BS2。

[0051] 所述第二分束器BS2设置在所述第二多级干涉滤光片IF2的出射光路上。信号光在量子信道3传输后到达接收端2。所述第一路信号光依次通过所述第二多级干涉滤光片IF2和所述第二分束器BS2后产生两路光子，分别为第一路光子和第二路光子。

[0052] 所述第二分束器BS2将接收到的光子分为两路，每个光子以相同的概率由BS2的两个出射面出射，实现了测量基的选择；然后经过第三偏振分束器PBS3、第四偏振分束器PBS4和第二半波片HWP2的作用，光子根据不同的偏振态进入不同的单光子探测器D1、D2、D3和D4。具体为：

[0053] 所述第三偏振分束器PBS3设置在所述第二分束器BS2的第一出射光路上。所述第一探测器D1设置在所述第三偏振分束器PBS3的第一出射光路上。所述第二探测器D2设置在所述第三偏振分束器PBS3的第二出射光路上。所述第一路光子经过所述第三偏振分束器PBS3后分别入射至所述第一探测器D1和所述第二探测器D2。

[0054] 所述第二半波片HWP2设置在所述第二分束器BS2的第二出射光路上。所述第四偏振分束器PBS4设置在所述第二半波片HWP2的出射光路上。所述第三探测器D3设置在所述第四偏振分束器PBS4的第一出射光路上。所述第四探测器D4设置在所述第四偏振分束器PBS4的第二出射光路上。所述第二路光子依次经过所述第二半波片HWP2和所述第四偏振分束器PBS4后分别入射至所述第三探测器D3和所述第四探测器D4。

[0055] 所述接收端2还包括第二PCI板卡PCI Card 2和第二计算机Computer 2。单光子探测器探测出光信号，发送给接收端2的所述第二PCI板卡PCI Card 2。具体为：

[0056] 所述第一探测器D1、所述第二探测器D2、所述第三探测器D3和所述第四探测器D4分别与所述第二PCI板卡PCI Card 2连接。所述第二PCI板卡PCI Card 2与所述第二计算机Computer 2连接。所述第二PCI板卡采集所述第一探测器D1、所述第二探测器D2、所述第三探测器D3和所述第四探测器D4的探测光信号，并对所述探测光信号中光子的偏振态进行分析和测量，将分析测量结果以TTL形式存储到所述第二计算机中。

[0057] 所述第一计算机Computer 1与所述第二计算机Computer 2通过经典信道4进行数据筛选、数据纠错和保密增强操作，完成安全密钥串的建立。所述经典信道4为所述第一计算机和所述第二计算机所构成的局域网。

[0058] 所述第一计算机根据所述安全密钥串对所要传输的明文进行加密，并将加密后的明文通过所述经典信道4传输给所述第二计算机。所述第二计算机根据所述安全密钥串解密重新得到所述明文，完成保密通信。

[0059] 可见，本发明提供的一种自由空间量子密钥分配系统，不仅可以完成量子密钥分配，更可以利用得到的安全密钥串在经典信道进行保密通信，只要指定了明文和加密算法，系统就会首先根据明文大小确定密钥个数，自动完成量子密钥串的建立，进而进行数据筛选、数据纠错等操作完成整个量子密钥分配过程，产生数量足够、绝对安全的密钥。然后用指定的加密算法进行明文加密、密文传输、解密等过程最终完成整个保密通信过程。

[0060] 本发明提供的一种自由空间量子密钥分配系统全部采用了线性光学元件，有利于系统的稳定和集成，同时外部电路简单、成本低、操作简单。所述时钟信号和计算机产生的随机数利用开关电路驱动不同的激光二极管发光，从而产生四种偏振态光子。激光二极管之间的切换只需利用简单的开关电路就可以实现。所有的光学器件都是线性光学器件，同时发射端的外部电路设计简单，省去了电光晶体或更多的光学元件以及复杂的电路设计，从而增加了系统的稳定性和抗干扰能力，并降低了成本。

[0061] 本发明提供的量子密钥分配系统所使用的光源是单光子源，但在实际中单光子实验相当困难，当模拟单光子源进行实验时，发送光脉冲时需要将光子数水平降低到单光子水平。考虑到环境和实验仪器的影响，在实验过程中平均光子数有可能发生改变，因此本发明提供的量子密钥分配系统中还加入了线性光学部件用于实时监测。为了保证量子密钥分配过程中的平均光子数保持在正常水平，本发明在发射端1的光脉冲出射处设置了一个光子监测装置，随时监测出射光的平均光子数水平，当光子数发生偏差时，调整驱动电流大小使平均光子数保持在正常水平。图3为本发明提供的一种量子密钥分配系统实施例二的结构示意图。本发明提供的量子密钥分配系统实施例二与实施例一的不同之处在于，所述发射端1增加了所述光子监测装置，所述光子监测装置包括准直红激光器Laser2、半反半透镜M、单光子探测器D’和计数器Counter，其余部分完全相同。

[0062] 参见图3，本发明提供的一种量子密钥分配系统的所述发射端1还包括：准直红激光器Laser2、半反半透镜M、单光子探测器D’和计数器Counter。

[0063] 本发明所述的量子密钥分配系统所使用的光源为850nm的半导体激光器，处于不可见光波段，因此本发明选择所述红激光器Laser2作为准直光源，首先放置好通信双方的光学器件后，再借助准直红激光器Laser2在相应位置设置激光二极管。

[0064] 所述准直红激光器Laser2、所述半反半透镜M和所述单光子探测器D’依次设置在所述第一分束器BS1的出射光路上。所述水平偏振态激光、所述垂直偏振态激光以及所述+45°和-45°偏振态激光通过所述第一分束器BS1后，产生两路信号光脉冲信号，分别为第一路信号光和第二路信号光。

[0065] 所述第二路信号光经过所述准直红激光器Laser2和所述半反半透镜M进行准直后，被所述单光子探测器D’接收。所述计数器Counter与所述单光子探测器D’连接，用于对进入所述单光子探测器D’的光子进行计数。

[0066] 本发明所述的量子密钥分配系统的光子检测系统监测光子数的方法是：所述第一分束器BS1将发射端1出射的光脉冲分为光子数水平相同的两路，其中一路光脉冲经由量子信道3正常发送给接收端2，而另一路则通过红激光器Laser2和半反半透镜M准直后发送给单光子探测器D’，探测器D’接收后传送到计数器Counter进行光子计数。通过该光子监测装置对平均光子数进行实时监控，当光子数发生偏差时，调整驱动电流大小使平均光子数保持在正常水平。对系统进行检测时，这些设计使得排查和纠错更方便，因此系统的稳定性更高。

[0067] 信号的同步性越好，则单光子计数越准确，量子密钥分配系统的性能就越好，为了使接收端2的测量结果的时序与发射端1发送信号的时序保持一致，本发明采用外置光信号来解决信号同步问题。在发射端利用声光调制器将外置激光器的连续激光分割成周期光脉冲序列，并作为同步光信号发送给接收端。接收端采用光电倍增管接收同步光脉冲信号，生成一个与发送端严格同步的信号，以此作为接收端的时基标准来进行单光子计数。图4为本发明提供的一种量子密钥分配系统实施例三的结构示意图。本发明提供的量子密钥分配系统实施例三与实施例二的不同之处在于，所述发射端1和接收端2还增加了光信号同步装置，所述光信号同步装置包括外置激光器Laser1、声光调制器AOM、第三多级干涉滤光片IF3和光电倍增管PMT。

[0068] 参见图4，本发明提供的一种量子密钥分配系统的所述发射端1还包括：外置激光器Laser1和声光调制器AOM。

[0069] 所述声光调制器AOM与所述第一PCI板卡连接。所述声光调制器AOM设置在所述外置激光器Laser1的出射光路上。所述第一PCI板卡用于发送基频时钟信号。所述声光调制器AOM被所述基频时钟信号驱动后，将所述外置激光器Laser1产生的连续激光分割成周期光脉冲序列，并作为同步光信号经过所述量子信道3发送至所述接收端2。

[0070] 所述接收端2还包括：第三多级干涉滤光片IF3和光电倍增管PMT。

[0071] 所述第三多级干涉滤光片IF3和所述光电倍增管PMT依次设置在所述声光调制器AOM的出射光路上。所述同步光信号依次经过所述第三多级干涉滤光片IF3和所述光电倍增管PMT，生成一个上升沿与所述发射端1严格同步的同步信号。所述第二PCI板卡与所述光电倍增管PMT连接，用于以所述同步信号作为接收端的时基标准，进行单光子计数。

[0072] 所述第二PCI板卡采集所述第一探测器D1、所述第二探测器D2、所述第三探测器D3和所述第四探测器D4的探测光信号，并对所述探测光信号中光子的偏振态进行分析和测量，将分析测量结果以TTL形式存储到所述第二计算机中。

[0073] 所述第一探测器D1、所述第二探测器D2、所述第三探测器D3和所述第四探测器D4均为单光子探测器。当单光子探测器的探测信号和同步时钟信号(即所述同步信号)都处于高电平时，所述接收端2的第二PCI板卡和第二计算机对探测结果进行记录。当探测器输出高电平而所述同步信号处于低电平时，认为是由探测器暗计数或者杂散光造成的，这种情况接收端可以明确分辨并加以去除。当同步信号处于高电平，探测器输出低电平，则是由于光脉冲为空脉冲或是由光子损耗或基的选择不匹配造成的，同样不记录。只要采样周期内存在TTL高电平，即当两个信号的高电平有部分重合时，数据就会记录下来，记为一个光子。

[0074] 所述第一计算机与所述第二计算机根据记录到的探测结果，通过经典信道进行数据筛选、数据纠错和保密增强操作，完成安全密钥串的建立。

[0075] 在传输过程中，发射端按照一定时序向接收端发送光脉冲，为了使接收端的测量结果的时序与发射端发送信号的时序保持一致，并减少杂散光及探测器暗计数的影响，降低误码率，需要对通信双方进行同步协调。本发明通过在所述量子密钥分配系统中设置所述光信号同步装置，利用外置光信号解决了信号同步问题。在发射端利用声光调制器将外置激光器的连续激光分割成周期光脉冲序列，并作为同步光信号在自由空间中发送给接收端；接收端采用光电倍增管接收同步光脉冲信号，生成一个与发射端严格同步的信号，以此作为接收端的时基标准来进行单光子计数。所述光信号同步装置保证了发射端和接收端以长距离无线方式连接时，可以使发射端和接收端保持时序一致，让通信双方取得一定精度的同步，同时便于故障分析，降低系统复杂度，也方便对时序信号进行微调修正。

[0076] 图5为本发明提供的一种量子密钥分配系统实施例三的工作过程示意图。参见图5，本发明提供的一种自由空间量子密钥分配系统的工作过程包括以下步骤：

[0077] 激光器触发：所述第一PCI板卡产生主频，所述第一PCI板卡直接装在所述第一计算机上，利用计算机控制板卡产生可以分频，同时程序产生一个随机数串，通过开关电路控制驱动不同激光二极管以脉冲方式发光，按照随机顺序发射不同偏振态的光子。

[0078] 光子偏振态编码：系统要求产生四种偏振态的光子，分别是水平偏振、垂直偏振以及±45°偏振。使用四个同型号激光二极管作为光源，即第一激光二极管LD1、第二激光二极管LD2、第三激光二极管LD3和第四激光二极管LD4，分别对应四种偏振态H、V、+45和-45。

[0079] 其中，产生水平偏振和垂直偏振的光子相对简单，只需要将第一激光二极管LD1和第二激光二极管LD2通过一个窄带滤光片连接到第一偏振分束器PBS1上。产生+45和-45偏振态相对复杂一些，本发明采取的方法是：按照前面的方法仍使两个光源LD3、LD4分别发射水平偏振和垂直偏振的光子，而在第二偏振分束器PBS2后的光路上放置一个半波片HWP1，并标定半波片的快轴方向与水平方向成22.5°角。这样由PBS2出射的水平或垂直偏振的光子经过半波片后其偏振方向发生旋转，分别变为+45和-45偏振光子，即得到了两组基(直线基“+”和对角基“×”)以及四个光子偏振态。

[0080] 对激光脉冲进行衰减：采用强衰减激光脉冲模拟单光子源，通过减小激光二极管的驱动电流使其发出的激光变暗，然后在信号光的出射光路上放置由针孔PH和第一多级干涉滤光片IF1所组成的衰减器件。

[0081] 监测平均光子数：为了监测光子数在整个密钥分配过程中是否始终保持同一水平，本发明在发射端1的激光出射处设置了一个光子监测装置，包括第一分束器BS1、准直红激光器Laser2、半反半透镜M、单光子探测器D’和计数器Counter。

[0082] 本发明提供的光子监测装置对平均光子数进行监测的方法是：放置一个比例为50:50非极化分束器BS1，将发射端1出射光脉冲分为光子数水平相同的两路，其中一路光脉冲经由量子信道3正常发送给接收端2，而另一路则通过红激光器Laser2和半反半透镜M准直后发送给单光子探测器D’，探测器接收后传送到计数器Counter进行光子计数。通过该光子监测装置对平均光子数进行实时监控，当光子数发生偏差时，调整驱动电流大小使平均光子数保持在正常水平。

[0083] 信号光和同步光通过量子信道传输：量子信道3为自由空间，即大气。在传输过程中，发射端按照一定时序向接收端发送光脉冲，为了使接收端的测量结果的时序与发射端发送信号的时序保持一致，并减少杂散光及探测器暗计数的影响，降低误码率，需要对通信双方进行同步协调。

[0084] 为了保证发射端和接收端的时序保持一致，本发明所述的量子密钥分配系统还增加了光信号同步装置，所述光信号同步装置包括外置激光器Laser1、声光调制器AOM、第三多级干涉滤光片IF3和光电倍增管PMT。

[0085] 偏振分束器分束：首先通过第二分束器BS2将接收到的信号光分为两路，每个光子以相同的概率由BS2的两个出射面出射，从而实现了测量基的选择。然后同样经过第三偏振分束器PBS3、第四偏振分束器PBS4和半波片HWP2的作用，光子根据不同的偏振态进入不同的单光子探测器D1、D2、D3和D4。

[0086] 接收端分析和测量：单光子探测器探测出光信号，发送给接收端的第二PCI板卡，并对接收到的光子的偏振态进行分析和测量，将结果以TTL形式存储到接收端的第二计算机上。

[0087] 当单光子探测器的探测信号和同步时钟信号都处于高电平时，接收端对结果进行记录；当探测器输出高电平而同步信号处于低电平时，认为是由探测器暗计数或者杂散光造成的，这种情况接收端可以明确分辨并加以去除；当同步信号处于高电平，探测器输出低电平，则是由于光脉冲为空脉冲或是由光子损耗或基的选择不匹配造成，同样不记录。只要采样周期内存在TTL高电平，即当两个信号的高电平有部分重合时，数据就会记录下来，记为一个光子。

[0088] 经典信道后处理过程：双方通过经典信道进行数据筛选、数据纠错和保密增强等操作，完成安全密钥串的建立。

[0089] 发射端和接收端通过经典信道进行保密通信：发射端用实验得到的安全密钥串对所要传输的明文进行加密并通过经典信道传输给接收端，接收端再根据密钥解密重新得到明文，完成保密通信。

[0090] 可见，本发明提供的量子密钥分配系统不仅可以完成量子信道的量子密钥分配，还可以利用得到的安全密钥在经典信道进行保密通信。通过设置所述光信号同步装置，使发射端和接收端的时序保持一致，让通信双方取得一定精度的同步。同时，在发射端加入光子监测装置用于实时监测，并将各个激光器分路驱动，有利于整个系统的检测和维护，提高了系统安全性和稳定性。

[0091] 本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

[0092] 本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。