HD-QKD的量子态制备方法、分发方法及装置转让专利
申请号 : CN202110132730.7
文献号 : CN112511301B
文献日 : 2021-07-02
发明人 : 姚海涛 , 刘鹏
申请人 : 北京中创为南京量子通信技术有限公司
摘要 :
权利要求 :
1.一种HD‑QKD的量子态制备方法,其特征在于,所述制备方法包括:Alice端每次随机选择Z基矢或者X基矢可制备的量子态中的一种量子态进行制备,具体步骤如下:
若选择Z基矢时,则等几率随机的制备出d种量子态|Zm〉,其中m用于表示Z基矢量子态的种类,d为高维量子密钥分发系统的维度;
若选择X基矢时,则只制备出一种量子态|X〉。
2.根据权利要求1‑ 所述的HD‑QKD的量子态制备方法,其特征在于,所述高维量子密钥分发系统的维度为大于等于4维的任意一种维度。
3.根据权利要求2所述的HD‑QKD的量子态制备方法,其特征在于,所述Z基矢用于制备时间态,所述X基矢用于制备相位态。
4.根据权利要求3所述的HD‑QKD的量子态制备方法,其特征在于,所述若选择Z基矢时,则等几率随机的制备出d种量子态|Zm〉包括:将光源发出的脉冲通过强度调制器将d‑1个时间间隔内的脉冲强度调制为0,剩余的一个时间间隔的强度不调制从而得到Z基矢的量子态;
若选择X基矢时,则只制备出一种量子态|X〉,包括:将光源发出的脉冲通过强度调制器调制出d个等时间间隔的脉冲从而制备出量子态|X〉。
5.一种HD‑QKD的量子态制备装置,其特征在于,Alice端包括处理模块以及态制备模块:
所述处理模块,用于每次随机选择Z基矢或者X基矢可制备的量子态中的一种量子态进行制备,具体步骤如下:
若选择Z基矢时,则控制态制备模块等几率随机的制备出d种量子态|Zm〉,其中m用于表示Z基矢量子态的种类,d为高维量子密钥分发系统的维度;
若选择X基矢时,则控制态制备模块只制备出一种量子态|X〉。
6.一种HD‑QKD的分发方法,其特征在于,S1:Alice端按照权利要求1‑4任意一项所述的量子态制备方法进行量子态制备,并将制备完成的量子态发送至Bob端;
S2:Bob端对接收的量子态进行测量;
S3:Alice端和Bob端进行基矢比对、纠错以及隐私放大;
重复步骤S3,得到绝对安全的量子密钥,完成量子密钥的分发。
7.一种HD‑QKD的分发设备,所述分发设备包括Alice端和Bob端,其特征在于,Alice端和Bob端按照权利要求6所述的分发方法进行量子密钥分发。
8.根据权利要求7所述的HD‑QKD的分发设备,其特征在于,所述Alice端包括处理模块、光源模块以及态制备模块,所述处理模块用于控制光源模块发出光脉冲,以及控制所述态制备模块根据选择的Z基矢或者X基矢制备量子态,其中X基矢只制备一种量子态;
所述Bob端包括光分束模块、Z基矢探测模块和X基矢探测模块,所述光分束模块分别连Z基矢探测模块和X基矢探测模块,其中Z基矢探测模块为一只光电探测器;X基矢探测模块,由X基矢解码单元和一只光电探测器构成。
说明书 :
HD‑QKD的量子态制备方法、分发方法及装置
技术领域
背景技术
未知量子态不可克隆原理来发现窃听的存在,理论上确保了信息的无条件安全性。在实际
应用中,QKD利用这一原理,可使事先没有共享秘密信息的双建立通信密钥,再采用香农已
证明的“一次一密”密码通信,即可保证双方的通信安全。
携带多个比特的信息,从而码率将得以提升,也被称为高维量子密钥分发(HD‑QKD)。现有的
高维量子密钥分发技术实用化发展的核心问题是高维量子态的制备和测量,常规高维量子
密钥分发如下:
位的4维编码为例:
码请参考图1所示的示意图:相位调制器不调制时,通过强度调制器对脉冲组中的脉冲等几
率随机将相应三个时间间隔内的脉冲强度调制为0,剩余的一个脉冲的强度不调制得到Z基
矢的编码,剩余的一个脉冲的强度进行调制得到Z基矢的诱骗态编码;通过相位调制器对脉
冲组中的脉冲的相位进行调制,且等几率随机调制出4种相位,强度调制器不调制得到X基
矢的编码,强度调制器参与调制得到X基矢的诱骗态编码。Alice端完成高维编码,将其通过
光纤发送给Bob端。Bob端通过分束器(BS)分别连接有Z基矢解码装置和X基矢解码装置,其
中Z基矢解码装置通常为一只光电探测器,根据在哪个时间间隔内有响应来判断编码信息,
从而确定比特值;X基矢的解码装置,由三个不等臂干涉仪和四个单光子探测器构成,具体
结构请参见图2所示的示意图,X基矢的测量步骤及方法可以参考现有利用图2结构解码X基
矢的方法,Bob根据上述测量装置完成信号的测量和记录工作。
此对Alice端的制备要求很高。此外Bob端的X基矢的解码结构相对复杂的多,每增加一个维
度,则不等臂干涉仪的数量和光电探测器的数量则需要是上一维度数量的两倍。因此,现有
的HD‑QKD系统不仅编解码方法非常复杂繁琐,而且X基矢解码装置的结构也非常复杂,需要
较多的不等臂干涉仪以及光电探测器,这就导致不等臂干涉仪的两臂误差要非常精确才能
实现X基矢的解码,另外较多的不等臂干涉仪也会导致解码出的X基矢信号强度非常低而致
使光电探测器探测困难,最后较多的不等臂干涉仪以及光电探测器等器件数量的增加也会
大大提高HD‑QKD系统的成本。因此需要一种具有较为简单的编解码方法、简单的装置结构
以及低廉成本的HD‑QKD系统。
发明内容
子态,其中X基矢只制备1个量子态;
模块,由X基矢解码单元和一只光电探测器构成。
量子的难度。
低了设备的成本。
探测模块的制造难度,且减小了设备的体积。
附图说明
可以根据这些附图获得其他的附图。
具体实施方式
而不是全部的实施例。基于本发明的实施例,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,都属于本发明的保护范围。
若选择Z基矢时,则等几率随机的制备出d种量子态|Zm〉,其中m用于表示Z基矢量子态的种
类,如量子态|Z1〉、量子态|Z2〉…等,d为高维量子密钥分发系统的维度。其中本申请以X基矢
具有几个本征态作为HD‑QKD系统的维度,现有技术中也有用一个光子可以携带的比特数表
d
示HD‑QKD系统的维度,即用2 中的d表示,此时d=2时和本申请所说的4维表示的维度相同。
接下来本申请以4维为例具体说明,若选择Z基矢时,则可将光源发出的每四个脉冲组成一
组脉冲组,通过强度调制器等几率随机将脉冲组中相应三个时间间隔内的脉冲强度调制为
0,剩余的一个时间间隔的强度不调制得到Z基矢的量子态。例如,脉冲组中第一个时间间隔
的强度不调制,将之后的三个时间间隔的光脉冲强度调制为0,则制备出量子态|Z1〉,量子
态|Z2〉、量子态|Z3〉以及量子态|Z4〉的制备方法与量子态|Z1〉类似,不在赘述。除此之外还
可将光源发出的每个脉冲通过强度调制器等几率随机将相应三个时间间隔内的脉冲强度
调制为0,剩余的一个时间间隔的强度调制且不等于0则制备出Z基矢量子态的诱骗态。当然
也按照考图3中(a)所示的示意图制备量子态|Z1〉、量子态|Z2〉、量子态|Z3〉以及量子态|
Z4〉,将光源发出的脉冲通过强度调制器进行斩波得到相应三个时间间隔内的脉冲强度调
制为0,剩余的一个时间间隔的强度不调制从而得到Z基矢的量子态,或者将剩余的一个时
间间隔的强度调制且不等于0则制备出Z基矢量子态的诱骗态。除此之外,将剩余的一个时
间间隔的强度也调制为0则制备出真空态。
当然也可按照图3中(b)所示的示意图进行制备量子态|X〉,则可将光源发出的脉冲通过强
度调制器调制出四个等时间间隔的脉冲,从而制备出量子态|X〉。由此可知本申请的X基矢
制备的量子态种类只有一种,远小于现有技术中需要制备d个量子的难度,除此之外,由于
只制备出一种量子态|X〉可通过强度调制器进行制备得到,因此可以不使用相位调制器,简
化了Alice端的结构,降低了Alice端的成本。
态,也可以是奇数维度的量子态,例如可以制备5维、6维、7维、8维等,无论是多少维度,X基
矢只制备一种量子态,z基矢制备的量子态种类与维度相同。现有技术中X基矢需要制备d种
量子态,这就导致需要使用到强度调制器和相位调制器,会受到Alice端中强度调制器和相
位调制器等器件的性能制约。不仅如此,也受到Bob端解码、探测以及成本的制约,解码时维
度越高所使用的不等臂干涉仪数量以及光电探测器数量也越多,不仅需要不等臂干涉仪之
间的臂长差的误差就需要约精确,而且还会导致Bob端结构非常复杂体积巨大,制造成本非
常高。因此,本申请X基矢只制备一种量子态,不需要使用相位调制器或者强度调制器,因此
能够调制的维度只受到其中一个器件性能的制约,另外,由于X基矢只制备一种量子态,Bob
端的解码模块结构简单且只使用一只光电探测器即可完成对量子态|X〉的探测,因此,
Alice端能够制备的维度受到Bob端解码、探测以及成本的制约的程度较小。
等制备方式,无论哪种制备方式目前均不如时间相位制备简单、密钥分发效果好。本申请提
供一种时间相位制备方法,具体步骤如下:
间隔的强度不调制从而得到Z基矢的量子态;若选择X基矢制备量子态时,则只制备出一种
量子态|X〉,包括:将光源发出的脉冲通过强度调制器调制出d个等时间间隔的脉冲从而制
备出量子态|X〉。
量子态用于系统成码,X基矢制备的量子态用于错误率估计,因此选择Z基矢的概率大于选
择X基矢的概率。具体步骤如下:若选择Z基矢时,则控制态制备模块等几率随机的制备出d
种量子态|Zm〉,其中m用于表示Z基矢量子态的种类,d为高维量子密钥分发系统的维度;若
选择X基矢时,则控制态制备模块只制备出一种量子态|X〉。
态发送给Bob端。本申请以4维为例,若选择Z基矢制备量子态,则Alice端单位时间内等几率
随机的制备量子态|Z1〉、量子态|Z2〉、量子态|Z3〉以及量子态|Z4〉中的一种发送给Bob端,若
选择X基矢制备量子态,则Alice端单位时间内制备量子态|X〉发送给Bob端。
X基矢只制备出一种量子态|X〉,而现有技术中由于X基矢需要制备出d种量子态。
块、光源模块以及态制备模块,所述处理模块用于控制光源模块发出光脉冲,以及控制所述
态制备模块根据选择的Z基矢或者X基矢制备量子态,其中X基矢只制备1个量子态;所述Bob
端包括光分束模块、Z基矢探测模块和X基矢探测模块,其结构可以参考图5所示的示意图,
其中所述光分束模块分别连Z基矢探测模块和X基矢探测模块,其中Z基矢探测模块为一只
光电探测器;X基矢探测模块,由X基矢解码单元和一只光电探测器构成。其中X基矢解码单
元包括第一不等臂干涉仪和第二不等臂干涉仪,且第一不等臂干涉仪的输出端与第二不等
臂干涉仪的输入端共用一个分束器,第一不等臂干涉仪的短臂透射的光信号进入到第二不
等臂干涉仪的短臂,第一不等臂干涉仪的长臂透射的光信号进入到第二不等臂干涉仪的长
臂,第一不等臂干涉仪的短臂反射的光信号进入到第二不等臂干涉仪的长臂,第一不等臂
干涉仪的长臂反射的光信号进入到第二不等臂干涉仪的短臂。
调制器后制备出符合要求的量子态,光衰减器(ATT)将经过的光脉冲衰减至单光子强度后
发送给Bob端,Alice端的处理模块用于控制第一激光器、第二激光器以及强度调制器的工
作状态,通常处理模块为FPGA,也可以是CPU、GPU等具有运算控制功能的芯片。Bob端中分束
模块通常为光分数器(BS),BS的透射端与X基失探测模块连接,BS的反射端与Z失探测模块
连接,其中X基失探测模块包括X基失解码单元。
可以对本申请技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进,这些均落入本申请
的范围内。本申请的保护范围以所附权利要求为准。