本發(fā)明涉及通信領(lǐng)域，涉及包括量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的用戶端，特別涉及MDI-QKD系統(tǒng)，以及光纖傳輸量子保密通信技術(shù)領(lǐng)域和量子保密通信中的密鑰分發(fā)方法。

背景技術(shù)：

2012年Lo等人提出了測量設(shè)備無關(guān)的量子密鑰分配(measurement-device-independent QKD，MDI-QKD)協(xié)議，在協(xié)議中Alice和Bob將編碼后光脈沖發(fā)送至非可信第三方Charlie進行Bell態(tài)測量，可免疫任何探測器邊信道的攻擊，大大提高了QKD系統(tǒng)的現(xiàn)實安全性。

基于相位編碼的MDI-QKD系統(tǒng)，因光脈沖的相位調(diào)制在光纖中傳輸抗干擾能力強，系統(tǒng)可以得到穩(wěn)定的探測結(jié)果和較高的成碼率，所以非常適合長距離雙方的安全通信。MDI-QKD系統(tǒng)中光脈沖相位編碼的主要實現(xiàn)方式是使用相位調(diào)制器進行外部調(diào)制，常見基于LiNbO3晶體的相位調(diào)制器。在光脈沖到達的瞬間，相位調(diào)制器加上一個脈沖電壓，通過電場改變電光材料的折射率以此來改變光脈沖的不同相位，脈沖電壓的高低決定了調(diào)制的相位值。量子密鑰分配具有GHz高速的光脈沖發(fā)射，要求相位調(diào)制器脈沖電壓同樣具有納秒級窄的脈沖帶寬，而相位調(diào)制器本身需要較高半波電壓，因此在使用LiNbO3晶體的相位調(diào)制器時，系統(tǒng)需要設(shè)計復(fù)雜的電路進行驅(qū)動控制。受驅(qū)動電路中模擬開關(guān)、延時芯片等關(guān)鍵器件的性能限制，相位調(diào)制器很難達到即高速又高電壓值的理想調(diào)制效果，實際能達到的脈沖電壓帶寬限制了系統(tǒng)的高速應(yīng)用，且生成的脈沖電壓其波紋現(xiàn)象對最終成碼率具有不可忽視的影響。復(fù)雜的驅(qū)動電路也造成用戶端結(jié)構(gòu)的笨重、增加了系統(tǒng)的設(shè)計成本。

無論在理論論述還是在實際操作中，基于相位編碼的MDI-QKD協(xié)議通常與誘騙態(tài)思想結(jié)合使用，以同時抵御竊聽者對測量端和光源端的攻擊。誘騙態(tài)方案需要使用強度調(diào)制器對光脈沖強進行調(diào)制，常見基于LiNbO3晶體的Mach-Zehnder電光調(diào)制器。強度調(diào)制器同樣只能接收脈沖電壓的調(diào)制和需要較高的半波電壓，其復(fù)雜的驅(qū)動電路與相位調(diào)制器的驅(qū)動電路具有相似的缺點。且Mach-Zehnder電光調(diào)制器具有周期性的傳輸函數(shù)，為避免信號失真，必須使調(diào)制器工作在最佳偏置點，即在量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的應(yīng)用中需時時控制強度調(diào)制器的偏置點。但由于受時間漂移、環(huán)境溫度、系統(tǒng)激光器功率即光纖插入和耦合損耗等諸多因素影響，實際很難控制偏置點穩(wěn)定，導(dǎo)致強度調(diào)制器輸出信號劣化。偏置點控制也進一步增加了用戶端的結(jié)構(gòu)負擔。

在基于相位編碼的MDI-QKD系統(tǒng)中，除了上述調(diào)制器帶來問題外，系統(tǒng)還面臨著單個用戶端發(fā)出的前后兩光脈沖相位基矢校準的難題。在系統(tǒng)中，相位編碼過程一般使用一個非平衡馬赫增德爾干涉儀(AMZI)將一個光脈沖一分為二，生成前后兩個子光脈沖，并使用相位調(diào)制器對其中的一個子脈沖進行相位調(diào)制實現(xiàn)編碼過程。但是AMZI的臂長差在其輸出的前后兩個子脈沖間造成了額外的傳輸相位差，且干涉儀臂長差易受環(huán)境溫度、應(yīng)力等因素的影響而發(fā)生變化，造成兩子脈沖間傳輸相位差的漂移。傳輸相位差的存在破壞了兩子脈沖相位基準的一致性，影響到公共測量端的干涉對比度和探測結(jié)果。為了控制傳輸相位差的漂移并將其穩(wěn)定在0值，需要人為干預(yù)環(huán)境因素進行穩(wěn)定，如將干涉儀密封在狹小空間，使用內(nèi)部高導(dǎo)熱、外部隔熱材料對干涉儀進行隔離；或需要通過在系統(tǒng)中添加主動反饋模塊來進行控制，如在干涉儀的一個臂中插入移相器及其附屬的反饋系統(tǒng)，通過慢變的反饋信號改變移相器電壓，以保證穩(wěn)定的0值相位傳輸差。同樣，對單個用戶端發(fā)出的前后脈沖相位基準一致性的控制使MDI-QKD系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，設(shè)計成本更高。

綜上，現(xiàn)有技術(shù)中存在以下缺陷：

1.現(xiàn)有的MDI-QKD系統(tǒng)光脈沖相位編碼需要相位調(diào)制器、光強調(diào)制需要強度調(diào)制器，兩種調(diào)制器件的使用不僅限制了系統(tǒng)的高速應(yīng)用，而且兩者復(fù)雜的驅(qū)動電路使用戶端結(jié)構(gòu)笨重、成本增加，不利于MDI-QKD的網(wǎng)絡(luò)化擴展。

2.現(xiàn)有的MDI-QKD系統(tǒng)單個用戶端發(fā)出的前后光脈沖的相位基準一致性需要有相位反饋系統(tǒng)來保證，網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)中設(shè)計工程龐大。

上述兩大缺陷制約了基于相位編碼的MDI-QKD系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化的應(yīng)用，尤其涉及同時保證多用戶間光脈沖相位基準一致性的問題時，整個網(wǎng)絡(luò)的相位反饋系統(tǒng)的將是一個浩大的工程設(shè)計。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中的用戶端，該用戶端簡化了傳統(tǒng)相位調(diào)制激光器和脈沖產(chǎn)生激光器的結(jié)構(gòu)，無需設(shè)置相位反饋系統(tǒng)，節(jié)約了成本。

為此，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

所述用戶端包括調(diào)制光源，所述調(diào)制光源包括：

相位制備激光器、光纖環(huán)形器及脈沖產(chǎn)生激光器。

所述相位制備激光器通過相位預(yù)調(diào)制后產(chǎn)生光脈沖；

所述光纖環(huán)行器第一端口連接所述相位制備激光器，與第一端口臨近的第二端口連接脈沖產(chǎn)生激光器，所述相位制備激光器調(diào)制的光脈沖通過所述光纖環(huán)形器的第二端口注入所述脈沖產(chǎn)生激光器，

特別的，所述脈沖產(chǎn)生激光器受注入的相位制備激光器產(chǎn)生的光脈沖激發(fā)及其自身強度調(diào)制產(chǎn)生光脈沖，所述調(diào)制光源輸出相位調(diào)制與強度調(diào)制后的光脈沖。至此，在調(diào)制光源內(nèi)部完成了光脈沖的相位編碼及強度調(diào)制。

優(yōu)選的，所述強度調(diào)制包括時間編碼調(diào)制或/和誘騙態(tài)調(diào)制。

所述誘騙態(tài)信號中包括信號態(tài)脈沖、誘騙態(tài)脈沖及真空態(tài)脈沖，并設(shè)置不同強度光脈沖的占空比。

本發(fā)明又提供了一種基于光注入的MDI-QKD系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現(xiàn)了光源和相位調(diào)制器、強度調(diào)制器的集成結(jié)構(gòu)，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，解除了相位調(diào)制器、強度調(diào)制器對系統(tǒng)高速應(yīng)用的限制；調(diào)制光源可直接生成具有純凈相位差信息的光脈沖，無需相位反饋系統(tǒng)，可實現(xiàn)多用戶間光脈沖相位基準一致性控制。

為此，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

所述MDI-QKD系統(tǒng)包括用戶端及公共測量端，所述用戶端包括Alice端和Bob端，所述公共測量端為Charlie端，所述Alice端和Bob端均包括調(diào)制光源，所述調(diào)制光源包括：

相位制備激光器，所述相位制備激光器通過相位預(yù)調(diào)制后產(chǎn)生光脈沖；

光纖環(huán)形器，所述光纖環(huán)行器第一端口連接所述相位制備激光器，與第一端口臨近的第二端口連接

脈沖產(chǎn)生激光器，所述相位制備激光器調(diào)制的光脈沖通過所述光纖環(huán)形器的第二端口注入所述脈沖產(chǎn)生激光器，所述脈沖產(chǎn)生激光器受注入的相位制備激光器產(chǎn)生的光脈沖激發(fā)，使調(diào)制光源輸出相位調(diào)制后的光脈沖；所述脈沖產(chǎn)生激光器受注入的相位制備激光器產(chǎn)生的光脈沖激發(fā)及其自身強度調(diào)制，使調(diào)制光源輸出強度調(diào)制后的光脈沖；所述調(diào)制光源輸出的光脈沖通過所述光纖環(huán)行器的與第二端口臨近的第三端口輸出并經(jīng)由量子信道傳輸至所述Charlie端，所述Charlie端作為貝爾態(tài)測量設(shè)備；所述光纖環(huán)形器的傳輸方向為第一端口到第二端口，第二端口到第三端口。

優(yōu)選的，所述Charlie端作為貝爾態(tài)測量設(shè)備，其包括：

偏振控制單元組，用于分別接收由Alice端和Bob端的量子信道傳輸?shù)墓饷}沖并統(tǒng)一和穩(wěn)定兩路光脈沖的偏振態(tài)；

保偏光纖耦合器，用于接收由偏振控制單元輸出的光脈沖并形成干涉；及兩個單光子探測器，用于對所述保偏光纖耦合器內(nèi)的光脈沖所形成的干涉結(jié)果進行不同的響應(yīng)。

優(yōu)選的，所述脈沖產(chǎn)生激光器的強度調(diào)制包括時間編碼調(diào)制或/和誘騙態(tài)調(diào)制

優(yōu)選的，所述相位制備激光器和脈沖產(chǎn)生激光器通過光纖環(huán)形器形成傳輸通道。

優(yōu)選的，所述光纖環(huán)形器設(shè)有三個端口，所述相位制備激光器連接第一端口，所述脈沖產(chǎn)生激光器連接第二端口，所述第三端口連接量子信道。

優(yōu)選的，所述Alice端和所述Bob端在脈沖產(chǎn)生激光器的輸出端上設(shè)置強度衰減器，用于將編碼后的光脈沖衰減到單光子水平。所述用戶端通過同步模塊使兩路光脈沖同時到達Charlie端。

優(yōu)選的，所述相位制備激光器及脈沖產(chǎn)生激光器產(chǎn)生的光脈沖包括信號態(tài)、誘騙態(tài)及真空態(tài)，并設(shè)置不同強度光脈沖的占空比。

優(yōu)選的，所述Alice端和Bob端設(shè)置有隨機數(shù)發(fā)生器，各產(chǎn)生一組隨機數(shù)序列作為兩者的隨機比特值，并各生成另一組隨機序列用于選擇編碼基矢，其中0代表相位編碼基矢，1代表時間編碼基矢。

優(yōu)選的，所述Alice端和Bob端通過同步模塊使兩路光脈沖同時到達Charlie端。所述同步模塊包括設(shè)置在Alice端和Bob端在強度衰減器后設(shè)置的路徑選擇模塊及與相位制備激光器和脈沖產(chǎn)生激光器同時相連的時間同步模塊，所述路徑選擇模塊與強度衰減器之間設(shè)置一波分復(fù)合器，所述波分復(fù)合器通過一光電探測器與所述時間同步模塊相連，所述Alice端的路徑選擇模塊與Bob端的路徑選擇模塊相連；

所述Charlie端在一路保偏光纖耦合器至一個單光子探測器傳輸線上另設(shè)置第二光纖環(huán)形器，第二光纖環(huán)形器分別依次與保偏光纖耦合器、單光子探測器及同步光光源連接，所述第二光纖環(huán)行器的輸出方向為同步光光源向保偏光纖耦合器方向、保偏光纖耦合器向單光子探測器方向；所述同步光光源產(chǎn)生的光脈沖通過第二光纖環(huán)形器經(jīng)保偏光纖耦合器分別傳輸至Alice端和Bob端的路徑選擇模塊，所述路徑選擇模塊將該光脈沖轉(zhuǎn)向傳輸至對方路徑選擇模塊后再到各自的時間同步模塊實現(xiàn)同步；

所述路徑選擇模塊在輸出調(diào)制光源發(fā)出的光脈沖時直接向公共端Charlie輸出，在傳輸同步光光源的光脈沖時將到達的光脈沖向另一路徑選擇模塊傳輸，另一路徑選擇模塊再將該脈沖信號通過波分復(fù)用器傳輸至光電探測器，光電探測器再將信號傳輸至時間同步模塊，時間同步模塊根據(jù)信號觸發(fā)相位制備激光器與脈沖產(chǎn)生激光器工作，完成同步設(shè)置。

本發(fā)明還需解決的技術(shù)問題是提供上述基于光注入的MDI-QKD系統(tǒng)的密鑰分發(fā)方法，它包括以下步驟：

S101Alice端和Bob端的相位制備激光器通過相位預(yù)調(diào)制后產(chǎn)生光脈沖，并經(jīng)過光纖環(huán)形器注入脈沖產(chǎn)生激光器；

S102所述脈沖產(chǎn)生激光器受注入的相位制備激光器產(chǎn)生的光脈沖激發(fā)，使調(diào)制光源輸出相位調(diào)制后的光脈沖；所述脈沖產(chǎn)生激光器受注入的相位制備激光器產(chǎn)生的光脈沖激發(fā)及其自身強度調(diào)制，使調(diào)制光源輸出強度調(diào)制后的光脈沖，，至此，調(diào)制光源產(chǎn)生的光脈沖經(jīng)光纖環(huán)形器輸出，并經(jīng)過強度衰減器衰減到單光子水平，Alice端和Bob端的光脈沖通過同步模塊經(jīng)量子信道同時傳輸至Charlie端的偏振控制單元組；

S103所述偏振控制單元組分別將來自Alice端和Bob端的光脈沖的偏振態(tài)進行統(tǒng)一和穩(wěn)定，并統(tǒng)一傳輸至保偏光纖耦合器中形成高對比度干涉，不同的干涉結(jié)果將引起兩個單光子探測器的不同響應(yīng)，以判斷是否產(chǎn)生了合法的貝爾態(tài)；

S104 Charlie將合法的貝爾態(tài)信息通過公開的經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至Alice和Bob，Alice和Bob根據(jù)MDIQKD協(xié)議內(nèi)容的處理產(chǎn)生最終的安全密鑰。

進一步的，所述步驟S101中，相位制備激光器進行相位預(yù)調(diào)制過程：

相位制備激光器調(diào)制觸發(fā)電信號，在電信號的中間位置一持續(xù)時間內(nèi)引入ΔU的電信號擾動，導(dǎo)致光脈沖前后未被調(diào)制的部分形成相位相差為Δφ，完成相位預(yù)調(diào)制，且相位制備激光器發(fā)射的光脈沖，其中間相位預(yù)調(diào)制的部分在光注入時對應(yīng)脈沖產(chǎn)生激光器的觸發(fā)電信號間隔，只有其前后未被調(diào)制的部分對脈沖產(chǎn)生激光器發(fā)生光注入作用。

進一步的，所述步驟S101和步驟S102中，所述Alice端和Bob端設(shè)置有隨機數(shù)發(fā)生器，各產(chǎn)生一組隨機數(shù)序列作為兩者的隨機比特值，并各生成另一組隨機序列用于選擇編碼基矢，其中0代表相位編碼基矢，1代表時間編碼基矢。

更進一步的，所述相位制備激光器在相位預(yù)調(diào)制過程中：

當系統(tǒng)選擇用相位編碼基矢編碼比特值時，相位編碼基矢為X＝[0,π]，相位基矢X包含兩種相位態(tài)|0>和|π>，|0>相位態(tài)編碼比特值0，|π>相位態(tài)編碼比特值1，Δφ＝0對應(yīng)|0>相位態(tài)，Δφ＝π對應(yīng)|π>相位態(tài)，使相位制備激光器的觸發(fā)電信號具有ΔU₁＝0和ΔU₂＝U_π的電信號擾動，分別形成具有Δφ＝0或Δφ＝π相位預(yù)調(diào)制信息的光脈沖，注入脈沖產(chǎn)生激光器。

當系統(tǒng)選擇用時間編碼基矢編碼比特值時，相位制備激光器的觸發(fā)電信號具有ΔU₁＝0的電信號擾動，形成具有Δφ＝0的光脈沖。

更進一步的，所述脈沖產(chǎn)生激光器在強度調(diào)制過程中：

當系統(tǒng)選擇用相位編碼基矢編碼比特值時，脈沖產(chǎn)生激光器正常提供前后兩脈沖的觸發(fā)電信號；

當系統(tǒng)選擇用時間編碼基矢編碼比特值時，脈沖產(chǎn)生激光器進行時間編碼調(diào)制，時間編碼基矢Z，基矢Z包含了兩種脈沖產(chǎn)生激光器發(fā)射光脈沖對的強度分布態(tài)0或1，調(diào)制脈沖產(chǎn)生激光器的觸發(fā)電信號，當對比特值0的編碼時，關(guān)閉時序分布前面的光脈沖的觸發(fā)電信號，使其光強為0，正常提供后面的光脈沖的觸發(fā)電壓信號，使其光強為正常值；當對比特值1的編碼時，關(guān)閉時序分布后面的光脈沖的觸發(fā)電信號，使其光強為0，正常提供前面的光脈沖的觸發(fā)電壓信號，使其光強為正常值。

當系統(tǒng)進行誘騙態(tài)調(diào)制時，對于脈沖產(chǎn)生激光器作用的相位編碼基矢編碼和時間編碼基矢編碼的光脈沖，在所有發(fā)光的時序位置上，調(diào)制脈沖產(chǎn)生激光器的觸發(fā)電信號，使其具有不同的強度值，以形成與誘騙態(tài)方案中各態(tài)相應(yīng)強度的光脈沖。

進一步的，本發(fā)明所述同步模塊包括設(shè)置在Alice端和Bob端在強度衰減器后設(shè)置的路徑選擇模塊及與相位制備激光器和脈沖產(chǎn)生激光器同時相連的時間同步模塊，所述路徑選擇模塊與強度衰減器之間設(shè)置一波分復(fù)合器，所述波分復(fù)合器通過一光電探測器與所述時間同步模塊相連，所述Alice端路徑選擇模塊與Bob端的路徑選擇模塊相連；

所述Charlie端在一路保偏光纖耦合器至單光子探測器傳輸線上另設(shè)置第二光纖環(huán)形器，第二光纖環(huán)形器與保偏光纖耦合器、單光子探測器相連，并連接一同步光光源，所述第二光纖環(huán)形器傳輸方向從同步光光源至保偏光纖耦合器、從保偏光纖耦合器至單光子探測器；所述路徑選擇模塊在輸出調(diào)制光源發(fā)出的光脈沖時直接向公共端Charlie輸出，在傳輸同步光光源的脈沖時將到達的光脈沖向另一路徑選擇模塊傳輸，另一路徑選擇模塊再將該脈沖信號通過波分復(fù)用器傳輸至光電探測器，光電探測器再將信號傳輸至時間同步模塊，時間同步模塊根據(jù)信號觸發(fā)相位制備激光器與脈沖產(chǎn)生激光器工作。

更進一步的，兩個單光子探測器分別對探測的時間位置進行判斷，如果兩個探測器都有響應(yīng)，且在同一個時間周期，且一個單光子探測器探測到時間位置為0，一個單光子探測器探測到時間位置為1，則認為此時為一個合法的貝爾態(tài)。

所述步驟S101和步驟S102中，相位制備激光器及脈沖產(chǎn)生激光器產(chǎn)生的光脈沖包括信號態(tài)、誘騙態(tài)及真空態(tài)，并設(shè)置不同強度光脈沖的占空比。

本發(fā)明最后需要解決的技術(shù)問題是提供一種基于光注入的網(wǎng)絡(luò)化MDI-QKD系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括2個及2個以上用戶端及一個公共測量端，每個用戶端包括調(diào)制光源，所述調(diào)制光源包括：

相位制備激光器，所述相位制備激光器通過相位預(yù)調(diào)制后產(chǎn)生光脈沖；

光纖環(huán)形器，所述光纖環(huán)行器第一端口連接所述相位制備激光器，與第一端口臨近的第二端口連接脈沖產(chǎn)生激光器，所述相位制備激光器調(diào)制的光脈沖通過所述光纖環(huán)形器的第二端口注入

脈沖產(chǎn)生激光器，所述脈沖產(chǎn)生激光器受注入的相位制備激光器產(chǎn)生的光脈沖激發(fā)，使調(diào)制光源輸出相位調(diào)制后的光脈沖；所述脈沖產(chǎn)生激光器受注入的相位制備激光器產(chǎn)生的光脈沖激發(fā)及其自身強度調(diào)制，使調(diào)制光源輸出強度調(diào)制后的光脈沖，所述調(diào)制光源輸出相位調(diào)制與強度調(diào)制后的光脈沖至

公共測量端，所述公共測量端作為貝爾態(tài)測量設(shè)備，所述公共測量端在用戶端的傳輸線上依次設(shè)置有光開關(guān)及濾波器，濾波器后設(shè)置偏振控制單元，所述光開關(guān)用于選擇需要接通至公共測量端的用戶端。

進一步的，所述公共測量端包括：

偏振控制單元組，用于分別接收由用戶端的量子信道傳輸?shù)墓饷}沖并統(tǒng)一和穩(wěn)定兩路光脈沖的偏振態(tài)；

保偏光纖耦合器，用于接收由偏振控制單元輸出的光脈沖并形成干涉；及

兩個單光子探測器，用于對所述保偏光纖耦合器內(nèi)的光脈沖所形成的干涉結(jié)果進行不同的響應(yīng)。

進一步的，所述脈沖產(chǎn)生激光器輸出的光脈沖經(jīng)過強度衰減器衰減至單光子水平再傳輸至公共測量端；所述公共測量端在量子信道后的傳輸線路上依次設(shè)置有光開關(guān)、濾波器，濾波器后設(shè)置偏振控制單元。

特別的，所述公共測量端在使用時只允許兩路用戶端接入。

進一步的，所述用戶端還設(shè)置有同步模塊，其包括時間同步模塊與路徑選擇模塊，所述時間同步模塊與相位制備激光器和脈沖產(chǎn)生激光器相連，并設(shè)置一波分復(fù)合器，所述波分復(fù)合器一路連接調(diào)制光源，另一路通過一光子探測器與時間同步模塊連接，復(fù)合后連接路徑選擇模塊，所述路徑選擇模塊再與量子信道連接；

所述公共測量端在一路保偏光纖耦合器至一個單光子探測器傳輸線上另設(shè)置第二光纖環(huán)形器，第二光纖環(huán)形器分別依次與保偏光纖耦合器、單光子探測器及同步光光源連接，所述第二光線環(huán)行器的輸出方向為同步光光源向保偏光纖耦合器方向、保偏光纖耦合器向單光子探測器方向；所述同步光光源產(chǎn)生的光脈沖通過光纖環(huán)形器經(jīng)保偏光纖耦合器分別傳輸至用戶端的路徑選擇模塊，所述路徑選擇模塊將該光脈沖轉(zhuǎn)向傳輸至通信對方的路徑選擇模塊后再到各自的時間同步模塊實現(xiàn)同步。

進一步的，用戶端的路徑選擇模塊同時連接至一選通模塊，所述選通模塊接通對應(yīng)光開關(guān)接通的需要連接至公共測量端的兩路用戶端的路徑選擇模塊。

本發(fā)明最后提供了一種一種基于光注入的網(wǎng)絡(luò)化MDI-QKD系統(tǒng)的密鑰分發(fā)方法，所述量子密鑰分發(fā)方法包括以下步驟：

S101相位制備激光器通過相位預(yù)調(diào)制后產(chǎn)生光脈沖，并經(jīng)過光纖環(huán)形器注入脈沖產(chǎn)生激光器；

S102所述脈沖產(chǎn)生激光器受注入的相位制備激光器產(chǎn)生的光脈沖激發(fā)，使調(diào)制光源輸出相位調(diào)制后的光脈沖；所述脈沖產(chǎn)生激光器受注入的相位制備激光器產(chǎn)生的光脈沖激發(fā)及其自身強度調(diào)制，使調(diào)制光源輸出強度調(diào)制后的光脈沖，至此，調(diào)制光源產(chǎn)生的光脈沖經(jīng)光纖環(huán)形器輸出，并經(jīng)過強度衰減器衰減到單光子水平，用戶端的光脈沖通過同步模塊經(jīng)量子信道同時傳輸至公共測量端的偏振控制單元；

S103所述偏振控制單元組分別將來自用戶端的光脈沖的偏振態(tài)進行統(tǒng)一和穩(wěn)定，并統(tǒng)一傳輸至保偏光纖耦合器中形成高對比度干涉，不同的干涉結(jié)果將引起兩個單光子探測器的不同響應(yīng)，以判斷是否產(chǎn)生了合法的貝爾態(tài)；

S104公共測量端將合法的貝爾態(tài)信息通過公開的經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至用戶端，用戶端根據(jù)MDIQKD協(xié)議內(nèi)容的處理產(chǎn)生最終的安全密鑰。

進一步的，所述用戶端與公共測量端的傳輸線上設(shè)置有光開關(guān)，用以控制用戶端是否接入公共測量端，所述公共測量端在使用時只允許兩路用戶端接入。

進一步的，所述同步光光源產(chǎn)生的光脈沖通過第二光纖環(huán)形器經(jīng)保偏光纖耦合器分別傳輸至由選通模塊接通的對應(yīng)光開關(guān)接通的需要連接至公共測量端的兩路用戶端的路徑選擇模塊，所述路徑選擇模塊將該光脈沖轉(zhuǎn)向傳輸至對方的路徑選擇模塊后再到各自的時間同步模塊實現(xiàn)同步。

本發(fā)明結(jié)合調(diào)制光源和時間-相位編碼方案兩者的優(yōu)點，省略對相位調(diào)制器和強度調(diào)制器的使用，也不需要使用相位反饋系統(tǒng)保證前后脈沖的相位基準一致性，盡可能的簡化點對點MDI-QKD系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和節(jié)約設(shè)計成本，同時保證點對點MDI-QKD系統(tǒng)具有高對比度的調(diào)制信號，最終使MDI-QKD系統(tǒng)可以更接近網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用實用，同時，實現(xiàn)相位調(diào)制和強度調(diào)制需要的半波電壓較低，有利于系統(tǒng)的高速應(yīng)用。本發(fā)明的點對點MDI-QKD系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)化MDI-QKD系統(tǒng)中可以省去此部分涉及的龐大工程設(shè)計，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)得到了極大的簡化，最終目的為推動MDI-QKD的網(wǎng)絡(luò)化、實用化發(fā)展。

附圖說明

圖1的(a)-(e)部分分別為相位制備激光器的脈沖觸發(fā)電信號、相位制備激光器發(fā)射的長脈沖、長脈沖的光相位演變過程、脈沖產(chǎn)生激光器的觸發(fā)電信號、脈沖產(chǎn)生激光器發(fā)射的短脈沖。

圖2的(a)-(c)部分分別為相位制備激光器的觸發(fā)電信號、脈沖產(chǎn)生激光器的觸發(fā)電信號、調(diào)制光源輸出的經(jīng)相位調(diào)制的短脈沖序列。

圖3為基于光注入的點對點MDI-QKD系統(tǒng)光路圖。

圖4的(a)-(c)部分分別為相位制備激光器的觸發(fā)電信號、脈沖產(chǎn)生激光器的觸發(fā)電信號、調(diào)制光源輸出的經(jīng)時間-相位編碼后的短脈沖序列。

圖5的(a)-(c)部分分別為相位制備激光器的觸發(fā)電信號、脈沖產(chǎn)生激光器的觸發(fā)電信號、調(diào)制光源進行時間-相位編碼和誘騙態(tài)方案疊加調(diào)制的短脈沖序列結(jié)果。

圖6為實施例一中貝爾態(tài)的選擇示意圖。

圖7為實施例一的時間同步方案示例圖。

圖8為實施例二所述路徑選擇模塊的優(yōu)選方案，即利用三個光纖環(huán)形器構(gòu)造此模塊。

圖9為基于光注入的網(wǎng)絡(luò)化MDI-QKD系統(tǒng)光路圖。

圖10為實施例三基于光注入的網(wǎng)絡(luò)化MDI-QKD系統(tǒng)的同步方案。

圖11為所述選通模塊的優(yōu)選方案。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步闡述。

實施例一：

本發(fā)明的首要內(nèi)容是對調(diào)制光源的使用。如圖3所示，調(diào)制光源由兩個激光器LD1、LD2和連接兩激光器的光纖環(huán)形器1/6構(gòu)成。兩激光器分別作為相位制備激光器和脈沖產(chǎn)生激光器。相位制備激光器輸出的光脈沖經(jīng)光纖環(huán)形器1/6注入脈沖產(chǎn)生激光器，脈沖產(chǎn)生激光器輸出的光脈沖經(jīng)光纖環(huán)形器向外輸出。調(diào)制光源的輸出實質(zhì)為脈沖產(chǎn)生激光器的輸出結(jié)果。

特別的，當相位制備激光器和脈沖產(chǎn)生激光器獨立工作時，調(diào)制兩激光器的觸發(fā)電信號，使兩激光器各自發(fā)射等間隔的均勻脈沖序列，并調(diào)整兩種脈沖序列的周期，使相位制備激光器發(fā)出的每個長脈沖在周期上都包含脈沖產(chǎn)生激光器發(fā)出的一對短脈沖周期。兩種脈沖序列中的任意相鄰脈沖都具有隨機相位關(guān)系。

具體的，調(diào)制光源的核心思想為光注入，將相位制備激光器預(yù)調(diào)Δφ相位差的長脈沖注入脈沖產(chǎn)生激光器，可激發(fā)脈沖產(chǎn)生激光器，使脈沖產(chǎn)生激光器發(fā)射的一對短脈沖相位差為Δφ。

調(diào)制光源的調(diào)相過程如圖1所示。

圖1的(a)-(e)部分分別為相位制備激光器的脈沖觸發(fā)電信號、相位制備激光器發(fā)射的長脈沖、長脈沖的光相位演變過程、脈沖產(chǎn)生激光器的觸發(fā)電信號、脈沖產(chǎn)生激光器發(fā)射的短脈沖。

如圖1的(a)部分所示，調(diào)制相位制備激光器的脈沖觸發(fā)電信號，在脈沖觸發(fā)電信號的中間位置一持續(xù)時間Δt內(nèi)引入ΔU的擾動，此調(diào)制的脈沖觸發(fā)電信號觸發(fā)相位制備激光器發(fā)射如圖1的(b)部分所示的長脈沖。觸發(fā)電信號的擾動ΔU改變了相位制備激光器增益介質(zhì)載流子的濃度，引起增益介質(zhì)折射率的變化，由此改變了激光器輸出光的頻率，對于產(chǎn)生的長脈沖此位置光頻率的變化對其相位演變的線性影響如圖1的(c)部分所示，即光頻差導(dǎo)致長脈沖前后未被調(diào)制的部分相位相差Δφ。從圖1的(b)部分可以看出，觸發(fā)電信號的擾動同樣改變了長脈沖此位置的幅值。為避免調(diào)相時長脈沖頻率、相位、幅值波動等寄生效應(yīng)對光注入所激發(fā)的短脈沖的影響，如圖1的(d)部分所示，將相位制備激光器觸發(fā)電信號擾動ΔU的持續(xù)時間Δt對準脈沖產(chǎn)生激光器的觸發(fā)電信號間隔，即關(guān)閉脈沖產(chǎn)生激光器對長脈沖此處的增益，使最終只有長脈沖前后未被調(diào)制的部分在光注入脈沖產(chǎn)生激光器時起到激發(fā)作用，在脈沖產(chǎn)生激光器內(nèi)激發(fā)出兩個不可分辨的短脈沖，并將純凈的相位差Δφ傳遞到兩個短脈沖間。最終調(diào)制光源發(fā)射的經(jīng)相位調(diào)制的兩個短脈沖如圖1的(e)部分所示。在MDI-QKD系統(tǒng)，使用調(diào)制光源直接生成相位純凈的前后兩短脈沖，首先避免了對相位調(diào)制器的使用，其次不需要再考慮借助AMZI和相位調(diào)制器進行相位外調(diào)制帶來的前后兩脈沖相位基準不一致的問題。相位編碼后前后兩脈沖將經(jīng)歷相同的路徑到達公共測量端。

Δφ與ΔU間呈線性關(guān)系，通過設(shè)置ΔU可將Δφ調(diào)制為任意值。圖2為調(diào)制光源僅進行調(diào)相時兩激光器發(fā)光示例圖，圖2的(a)-(c)部分分別為相位制備激光器的觸發(fā)電信號、脈沖產(chǎn)生激光器的觸發(fā)電信號、調(diào)制光源輸出的經(jīng)相位調(diào)制的短脈沖序列。圖2中ΔU對應(yīng)Δφ＝π，而當相位制備激光器的觸發(fā)電信號擾動為0時，光注入后脈沖產(chǎn)生激光器發(fā)射一對相位差為0的短脈沖。從圖2的(c)部分可見調(diào)相后相鄰的兩對短脈沖間仍具有隨機相位。調(diào)制光源的半波電壓ΔU＝0.35伏特，即U_π＝0.35伏特，遠遠小于LiNbO3晶體相位調(diào)制器的半波電壓水平(U_π≈4伏特)。調(diào)制光源較低的半波電壓有利于實現(xiàn)高速、高效的量子密鑰分發(fā)，且它對光源與相位調(diào)制器的集成簡化了用戶端的結(jié)構(gòu)。

如上所述，通過調(diào)制相位制備激光器的觸發(fā)電信號，可實現(xiàn)調(diào)制光源的調(diào)相過程。而當調(diào)制脈沖產(chǎn)生激光器的觸發(fā)電信號，使脈沖產(chǎn)生激光器輸出不同強度的短脈沖時，便實現(xiàn)了調(diào)制光源對光強的調(diào)制過程，光源與強度調(diào)制器的集成同樣有利于實現(xiàn)高速、高效的量子密鑰分發(fā)和簡化了用戶端的結(jié)構(gòu)。

圖3為基于光注入的點對點MDI-QKD系統(tǒng)光路圖，圖中共有三個節(jié)點：用戶端Alice、用戶端Bob和公共測量端Charlie。Alice和Bob到Charlie的兩路具有相同的光路結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)通過同步模塊(如圖7所示)控制Alice和Bob發(fā)出的光脈沖可同時到達Charlie的貝爾態(tài)測量設(shè)備。

本發(fā)明采用基于時間-相位編碼的量子密鑰分發(fā)方案。此方案不要求保證測量端相對于用戶端基矢基準的一致性，便可生成高對比度的探測信號，提供了較高的成碼率和簡單的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。本發(fā)明即利用了此方案的優(yōu)點，并結(jié)合調(diào)制光源的優(yōu)勢，構(gòu)造結(jié)構(gòu)更為簡單的MDI-QKD系統(tǒng)。

在本發(fā)明中，用戶端Alice和Bob采用了相位制備激光器LD1、脈沖產(chǎn)生激光器LD2和光纖環(huán)形器1/6構(gòu)成的調(diào)制光源，用于產(chǎn)生光脈沖并進行光脈沖的相位編碼和時間編碼。調(diào)制光源的輸出端連接強度衰減器ATT，用于將編碼后的光脈沖衰減到單光子水平。2和7為量子信道，用于將ATT衰減后的光脈沖從Alice和Bob傳輸?shù)紺harlie。Charlie端作為貝爾態(tài)測量設(shè)備，在Charlie中光脈沖進入偏振控制單元PC，以統(tǒng)一和穩(wěn)定兩路光脈沖的偏振態(tài)，經(jīng)過偏振控制單元PC調(diào)節(jié)的兩路光脈沖在保偏光纖耦合器3中將形成高對比度干涉，保偏光纖耦合器3的兩輸出端分別連接單光子探測器4/5，不同的干涉結(jié)果將引起單光子探測器4和5的不同響應(yīng)。

選擇相位編碼基矢X＝[0，π](或Y＝[π/2，3π/2]，此實施例選基矢X),兩種相位態(tài)與比特值間的對應(yīng)關(guān)系可設(shè)為：|0>相位態(tài)編碼比特值0，|π>相位態(tài)編碼比特值1。系統(tǒng)的相位編碼過程實質(zhì)是調(diào)制光源選擇輸出的一對短脈沖相位差值Δφ是多少的過程，Δφ＝0對應(yīng)|0>相位態(tài)，Δφ＝π對應(yīng)|π>相位態(tài)。根據(jù)Δφ與ΔU的對應(yīng)關(guān)系,設(shè)置兩種相位制備激光器的觸發(fā)電信號，使其分別具有ΔU₁＝0和ΔU₂＝U_π的擾動，此兩種觸發(fā)電信號分別對應(yīng)調(diào)制光源輸出的|0>相位態(tài)和|π>相位態(tài)短脈沖對。

選擇時間編碼基矢為Z,基矢Z包含了兩種短脈沖對的強度分布態(tài)。時序分布上前面的短脈沖強度為0，后面的短脈沖強度不變，此強度分布態(tài)編碼比特值0；前面的短脈沖強度不變，后面的短脈沖強度為0，此強度分布態(tài)編碼比特值1。系統(tǒng)的時間編碼實質(zhì)為調(diào)制光源對脈沖產(chǎn)生激光器觸發(fā)電信號的調(diào)制過程，時間編碼時相位制備激光器觸發(fā)電信號擾動為0。調(diào)制脈沖產(chǎn)生激光器的觸發(fā)電信號，當對比特值0的編碼時，關(guān)閉時序分布上前面的短脈沖的觸發(fā)電信號，使其光強為0，正常提供后面的短脈沖的觸發(fā)電壓信號；當對比特值1的編碼時，關(guān)閉時序分布上后面的短脈沖的觸發(fā)電信號，使其光強為0，正常提供前面的短脈沖的觸發(fā)電壓信號。

在本發(fā)明中，時間-相位編碼的MDIQKD方案的貝爾態(tài)后選擇可以是：貝爾態(tài)測量設(shè)備中的2個探測器4/5分別對探測的時間位置進行判斷，如果2個探測器都有響應(yīng)，且在同一個時間周期，且一個探測是在時間位置0，一個探測是在時間位置1(位置0和位置1的時間差對應(yīng)調(diào)制光源輸出前后兩短脈沖時間間隔)，則認為此時為一個合法的貝爾態(tài)。

在Alice和Bob內(nèi)部，隨機數(shù)發(fā)生器(圖3中未畫出)各產(chǎn)生一組隨機數(shù)序列作為兩者的隨機比特值，并各生成另一組隨機序列用于選擇編碼基矢，其中0代表X基矢，1代表Z基矢。

如圖4的頂部表格所示，設(shè)Alice生成0110的隨機比特串，并依次選擇Z、X、Z、X基矢對隨機比特串進行編碼。圖4的(a)-(c)部分展示了Alice調(diào)制光源的時間-相位編碼過程，圖4的(a)-(c)部分分別為相位制備激光器的觸發(fā)電信號、脈沖產(chǎn)生激光器的觸發(fā)電信號、調(diào)制光源輸出的經(jīng)時間-相位編碼后的短脈沖序列。如圖4的(a)部分所示，當Alice使用Z基矢編碼第一個比特值0時，相位制備激光器觸發(fā)電信號擾動為0；如圖4的(b)部分所示，長脈沖光注入后，脈沖生成激光器根據(jù)與比特值0對應(yīng)的強度分布態(tài)調(diào)制觸發(fā)電信號，使時序分布上靠前的如a'位置處的觸發(fā)電信號為0，時序分布上靠后的如b″位置處的觸發(fā)電信號為正常值。光注入及兩個觸發(fā)電信號對脈沖產(chǎn)生激光器的作用結(jié)果如圖4的(c)部分所示，對應(yīng)時序分布上靠前的如a″位置處短脈沖強度為0，時序分布上靠后的如b″位置處短脈沖強度為正常值。當Alice使用Z基矢編碼第三個比特值1時，相位制備激光器觸發(fā)電信號擾動為0，調(diào)制脈沖產(chǎn)生激光器觸發(fā)電信號的方法與編碼第一個比特值0時相反，如圖4的(b)部分中e'、f'位置處觸發(fā)電信號所示，生成光脈沖的結(jié)果也與之相反，光脈沖結(jié)果如圖4的(c)部分中e″、f″位置處的短脈沖對所示。Z基矢編碼后的一對短脈沖與相鄰短脈沖具有隨機的相位關(guān)系。

如圖4的(a)和(b)部分所示，當Alice使用X基矢編碼第二個比特值1時，給相位制備激光器帶有擾動ΔU₂的觸發(fā)電信號，給脈沖產(chǎn)生激光器對應(yīng)時序位置c'd'處稍低于正常的觸發(fā)電信號。則經(jīng)過相位制備激光器預(yù)調(diào)Δφ₂相位的長脈沖，注入脈沖產(chǎn)生激光器后在c″d″位置激發(fā)出相位差為π的一對短脈沖，結(jié)果如圖4的(c)部分所示。當Alice使用X基矢編碼第四個比特值0時，如圖4的(a)和(b)部分所示，給相位制備激光器帶有擾動ΔU₁的觸發(fā)電信號，給脈沖產(chǎn)生激光器對應(yīng)時序位置g'h'上兩個稍低于正常的觸發(fā)電信號，結(jié)果如圖4的(c)部分所示，時序位置g″h″上脈沖產(chǎn)生激光器輸出相位差Δφ₁＝0的一對短脈沖。在本發(fā)明的編碼方式中，X基矢編碼下單個短脈沖強度為Z基矢編碼下單個短脈沖強度的一半，這與單光子量子態(tài)的分布概率有關(guān)，此處不做詳解。圖4的(c)部分整體展示了Alice的調(diào)制光源對0110隨機比特的編碼結(jié)果。

Bob調(diào)制光源的時間-相位編碼過程原理與Alice相同，此處不再舉例復(fù)述。Alice和Bob內(nèi)，經(jīng)過時間-相位編碼的短脈沖序列從調(diào)制光源輸出，沿著光纖向前傳輸?shù)竭_強度衰減器ATT，強度衰減器ATT將到達的短脈沖衰減到單光子水平，衰減后的短脈沖序列分別在量子信道2/9內(nèi)繼續(xù)傳輸并到達Charlie。

本實施例中，上述光脈沖的時間-相位編碼過程沒有結(jié)合誘騙態(tài)思想，為了使系統(tǒng)能夠同時抵御竊聽者對不完美光源的漏洞攻擊，往往將MDI-QKD和誘騙態(tài)思想結(jié)合使用。此時，調(diào)制光源需要輸出不同強度的光脈沖：信號態(tài)、誘騙態(tài)和真空態(tài)，并設(shè)置不同強度光脈沖的時間占空比。我們以對Z基矢編碼和X基矢編碼下的兩種短脈沖設(shè)置相同的信號態(tài)和誘騙態(tài)，此外制備真空態(tài)脈沖并不使用任何基矢編碼為例，來說明系統(tǒng)時間-相位編碼與誘騙態(tài)方案的疊加調(diào)制過程。設(shè)信號態(tài)、誘騙態(tài)和真空態(tài)的脈沖時間比為p_μ:p_v:p₀(p_μ+p_v+p₀＝1)、經(jīng)強度衰減器ATT衰減后三種態(tài)的脈沖平均光子數(shù)分別為μ、v、0。

如前所述，調(diào)制脈沖產(chǎn)生激光器的觸發(fā)電信號，使脈沖產(chǎn)生激光器輸出不同強度的短脈沖，以實現(xiàn)調(diào)制光源對光強的調(diào)制。設(shè)置Z基矢編碼下信號態(tài)短脈沖對、誘騙態(tài)短脈沖對的脈沖產(chǎn)生激光器觸發(fā)電信號對應(yīng)的兩種值U_μZ、U_vZ，使在觸發(fā)電信號U_μZ的觸發(fā)下，脈沖產(chǎn)生激光器發(fā)射的信號態(tài)短脈沖對經(jīng)強度衰減器ATT可衰減至μ水平，在觸發(fā)電信號U_vZ的觸發(fā)下，脈沖產(chǎn)生激光器發(fā)射的誘騙態(tài)短脈沖對經(jīng)強度衰減器ATT可衰減至v水平；同時設(shè)置X基矢編碼下信號態(tài)、誘騙態(tài)的脈沖產(chǎn)生激光器觸發(fā)電信號對應(yīng)的兩種值U_μX、U_vX，使在觸發(fā)電信號U_μX的觸發(fā)下，脈沖產(chǎn)生激光器發(fā)射的信號態(tài)短脈沖對經(jīng)強度衰減器ATT同樣可衰減至μ水平，在觸發(fā)電信號U_vX的觸發(fā)下，脈沖產(chǎn)生激光器發(fā)射的誘騙態(tài)短脈沖對經(jīng)強度衰減器ATT同樣可衰減至v水平；真空態(tài)時，相位制備激光器具有0擾動的觸發(fā)電信號，而脈沖產(chǎn)生激光器不工作，短脈沖對強度為0。

圖5為在圖4的基礎(chǔ)上添加誘騙態(tài)方案調(diào)制時調(diào)制光源的編碼過程。在圖5中我們添加新的比特值1，用以描述真空態(tài)的調(diào)制過程。圖5的(a)-(c)部分分別為相位制備激光器的觸發(fā)電信號、脈沖產(chǎn)生激光器的觸發(fā)電信號、調(diào)制光源進行時間-相位編碼和誘騙態(tài)方案疊加調(diào)制的短脈沖序列結(jié)果。

如圖5的頂部表格所示，對比特01101依次選擇Z、X、Z、X、(不選擇基矢)基矢編碼和信號態(tài)、信號態(tài)、誘騙態(tài)、誘騙態(tài)、真空態(tài)的強度調(diào)制。如圖5的(a)部分所示在時間-相位編碼和誘騙態(tài)方案的疊加調(diào)制中，相位制備激光器的調(diào)制不受誘騙態(tài)方案的影響，與前述未加誘騙態(tài)方案時相同，并在真空態(tài)調(diào)制提供0擾動的觸發(fā)電信號。如圖5的(b)部分所示在時間-相位編碼和誘騙態(tài)方案的疊加調(diào)制中，當進行信號態(tài)調(diào)制時，脈沖產(chǎn)生激光器在Z基矢編碼和X基矢編碼發(fā)光的時序位置(例如b'點和c'、d'兩點)上分別具有U_μZ和U_μX的觸發(fā)電信號，在不發(fā)光的時序位置(例如a'點)上觸發(fā)電信號仍為0；當進行誘騙態(tài)的調(diào)制時，脈沖產(chǎn)生激光器在發(fā)光的時序位置(例如e'點和g'、h'兩點)上分別具有U_vZ和U_vX的觸發(fā)電信號，在不發(fā)光的時序位置(例如f'點)上觸發(fā)電信號仍為0；當進行真空態(tài)的調(diào)制時，脈沖產(chǎn)生激光器在的兩個時序位置(例如i'、j'點)上觸發(fā)電信號都為0。圖5的(c)部分為得出的加誘騙態(tài)后調(diào)制光源的輸出光脈沖序列。經(jīng)過強度衰減器ATT的衰減作用，Z基矢編碼和X基矢編碼下信號態(tài)、誘騙態(tài)以及真空態(tài)的短脈沖對分別被衰減為μ、v和0水平。衰減后的短脈沖序列在量子信道2/9內(nèi)繼續(xù)傳輸并到達Charlie。

本發(fā)明的誘騙態(tài)方案不局限于此，此實施例僅為說明誘騙態(tài)方案中脈沖強度的調(diào)制方式，利用此方式可實施其他種類成碼率更高、安全性更高的誘騙態(tài)方案。

在Charlie中，Alice和Bob兩路光脈沖首先進入偏振控制單元PC，PC調(diào)節(jié)兩路光脈沖的偏振態(tài)使兩者偏振態(tài)統(tǒng)一，并借助內(nèi)部反饋系統(tǒng)(圖3未畫出)保證穩(wěn)定的光脈沖偏振態(tài)調(diào)節(jié)。經(jīng)過統(tǒng)一偏振態(tài)的Alice和Bob兩路光脈沖在保偏光纖耦合器3上發(fā)生干涉，干涉結(jié)果輸入單光子探測器4/5進行探測響應(yīng)。對單光子探測器4/5響應(yīng)的時間位置進行分析，以判斷是否產(chǎn)生了合法的貝爾態(tài)。以調(diào)制光源編碼時產(chǎn)生的兩前后短脈沖時間間隔為一個周期值，并取Alice和Bob發(fā)出的兩對短脈沖在保偏光纖耦合器3上發(fā)生的前后兩次相遇對應(yīng)的單光子探測器4/5探測時序位置分別為t₀、t₁，則如圖6貝爾態(tài)測量設(shè)備的后選擇所示，如果單光子探測器4/5在同一個周期內(nèi)都有響應(yīng)，且一個探測器是在時間位置t₀上發(fā)生響應(yīng)，另一個探測器是在時間位置t₁上發(fā)生響應(yīng)，則認為此時為一個合法的貝爾態(tài)。隨后，Charlie將合法的貝爾態(tài)信息通過公開的經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給Alice和Bob，Alice和Bob根據(jù)MDIQKD協(xié)議內(nèi)容的數(shù)據(jù)后處理流程對這些貝爾態(tài)進行基矢比對、糾錯和隱私放大等操作，產(chǎn)生最終的安全密鑰。

實施例二：

實施例一中系統(tǒng)通過同步模塊(圖3中未畫出)控制Alice和Bob發(fā)出的光脈沖可同時到達Charlie的貝爾態(tài)測量設(shè)備。本實施例給出了此同步模塊的示例，如圖7所示。因為Alice和Bob兩路信號光的同步主要受制于兩長距離的分離量子信道2和7的差異影響，利用量子信道2和量子信號7為主要路徑構(gòu)造環(huán)形路徑，使用戶端Alice的同步光和信號光兩者路徑之和與此環(huán)形路徑重疊，使用戶端Bob的同步光和信號光兩者路徑之和同樣與此環(huán)形路徑重疊，即Alice和Bob的光路都為此環(huán)形路徑，則可以擺脫兩者路徑差異對同步造成的影響。

圖7為實施例一的時間同步方案示例圖。利用光纖環(huán)形器14將同步光光源LD3接入公共測量端Charlie，光源LD3發(fā)出的同步光經(jīng)光纖環(huán)形器14傳輸至保偏光纖耦合器3。為了防止此過程同步光經(jīng)光纖環(huán)形器14泄露進單光子探測器5、經(jīng)保偏光纖耦合器3泄露進單光子探測器4，在光纖環(huán)形器14和單光子探測器5之間、保偏光纖耦合器3和單光子探測器4之間分別添加可濾除同步光的帶通濾波器BPF。

Alice的環(huán)形路徑：同步光光源LD3發(fā)射的同步光在到達保偏光纖耦合器3后被分為兩路，一路經(jīng)偏振控制單元PC2(此時不工作)、量子信道7后進入用戶端Bob。此同步光依次經(jīng)用戶端Bob路徑選擇模塊B的B1端口、B2端口和用戶端Alice路徑選擇模塊A的A2端口、A3端口到達Alice波分復(fù)用器10的公共端口。經(jīng)波分復(fù)用器10的一個輸出端進入光電探測器8，光電探測器8對此同步光響應(yīng)并啟動Alice的時間同步模塊工作，時間同步模塊產(chǎn)生系統(tǒng)時鐘，觸發(fā)Alice的相位制備激光器LD1和脈沖產(chǎn)生激光器LD2的工作，相位制備激光器LD1和脈沖產(chǎn)生激光器LD2的工作過程與實施例一相同，此處不再復(fù)述。Alice調(diào)制光源產(chǎn)生的光脈沖即信號光經(jīng)強度衰減器ATT的衰減后進入波分復(fù)用器10的另一個輸出端，并由波分復(fù)用器10的公共端口輸出至路徑選擇模塊A。經(jīng)路徑選擇模塊A的A3端口和A1端口后進入量子信道2，并進入Charlie。在偏振控制單元PC1處被調(diào)整偏振態(tài)，然后傳輸至保偏光纖耦合器3。

Bob光信號的環(huán)形路徑：LD3發(fā)射的同步光被保偏光纖耦合器3分出的另一路，經(jīng)偏振控制單元PC1(此時不工作)、量子信道2后進入用戶端Alice。此同步光依次經(jīng)用戶端Alice路徑選擇模塊A的A1端口、A2端口和用戶端Bob路徑選擇模塊B的B2端口、B3端口到達Bob波分復(fù)用器11的公共端口。經(jīng)波分復(fù)用器11的一個輸出端進入光電探測器9，光電探測器9對此同步光響應(yīng)并啟動Bob的時間同步模塊工作，時間同步模塊產(chǎn)生系統(tǒng)時鐘，觸發(fā)Bob的相位制備激光器LD1和脈沖產(chǎn)生激光器LD2的工作，相位制備激光器LD1和脈沖產(chǎn)生激光器LD2的工作過程與實施例一相同，此處不再復(fù)述。Bob調(diào)制光源產(chǎn)生的光脈沖即信號光經(jīng)強度衰減器ATT的衰減后進入波分復(fù)用器11的另一個輸出端，并由波分復(fù)用器11的公共端口輸出至路徑選擇模塊B。經(jīng)路徑選擇模塊B的B3端口和B1端口的進入量子信道7，并進入Charlie。在偏振控制單元PC2處被調(diào)整偏振態(tài)，然后傳輸至保偏光纖耦合器3。

Alice和Bob的同步光和信號光走過相同的環(huán)形路徑，兩者的光脈沖在保偏光纖耦合器3相遇以進行Bell態(tài)的測量。與兩長距離量子信道2和7間的差異相比，此處可忽略同步光和信號光在Alice和Bob內(nèi)部行走路徑差異造成時間差影響。

圖8為本實施例所述路徑選擇模塊的優(yōu)選方案，即利用三個光纖環(huán)形器構(gòu)造此模塊。在本優(yōu)選方案中，路徑選擇模塊A中的三個光纖環(huán)形器121、122、123和路徑選擇模塊B中的三個光纖環(huán)形器131、132、133都具有三個端口P1、P2和P3，對于此六個光纖環(huán)形器，光在其中的行走方向都為：P1→P2、P2→P3兩種。

光纖環(huán)形器的連接方式為：在路徑選擇模塊A中，光纖環(huán)形器121的P1端口、光纖環(huán)形器123的P3端口分別與光纖環(huán)形器122的P3端口、P1端口連接，光纖環(huán)形器121的P3端口與光纖環(huán)形器123的P1端口相連，光纖環(huán)形器121的P2端口、光纖環(huán)形器123的P2端口分別作為路徑選擇模塊A的A3端口、A1端口，光纖環(huán)形器122的P2端口作為路徑選擇模塊A的A2端口；路徑選擇模塊B中，光纖環(huán)形器131的P1端口、光纖環(huán)形器133的P3端口分別與光纖環(huán)形器132的P3端口、P1端口連接，光纖環(huán)形器131的P3端口與光纖環(huán)形器133的P1端口相連，光纖環(huán)形器131的P2端口、光纖環(huán)形器133的P2端口分別作為路徑選擇模塊B的B3端口、B1端口，光纖環(huán)形器132的P2端口作為路徑選擇模塊B的B2端口；光纖環(huán)形器132的P2端口與光纖環(huán)形器122的P2端口相連。根據(jù)光纖環(huán)形器121-123和光纖環(huán)形器131-133的P1→P2、P2→P3的行走方向，即可以實現(xiàn)本實施所述的Alice的環(huán)形路徑和Bob的環(huán)形路徑。

為了減小波分復(fù)用器10/11、路徑選擇模塊A/B內(nèi)光纖環(huán)形器等光學(xué)器件插入損耗等對強度衰減器ATT輸出的單光子水平光脈沖的影響，可將Alice和Bob兩路的強度衰減器ATT分別放置在光纖環(huán)形器121的P3端口和光纖環(huán)形器123的P1端口間的連接線上、光纖環(huán)形器131的P3端口和光纖環(huán)形器133的P1端口間的連接線上，使強度衰減器ATT輸出的單光子水平光脈沖經(jīng)過更少的光學(xué)器件。

實施例三：

圖9為基于光注入的網(wǎng)絡(luò)化MDI-QKD系統(tǒng)光路圖。本實施例為在實施例一點對點的系統(tǒng)基礎(chǔ)上進行的網(wǎng)絡(luò)化擴展，各用戶端具有相同的設(shè)備組成和連接方式。用戶端和公共測量端Charlie的結(jié)構(gòu)、光脈沖的產(chǎn)生、編碼、誘騙態(tài)調(diào)制、探測方法等與實施例一基本相同，合法Bell態(tài)的選擇與實施例一相同。不同之處在于在Charlie偏振控制單元PC之前加入光開關(guān)15和濾波器BPF(16/17)，光開關(guān)15的切換使需要的兩用戶端被接入測量端Charlie，Charlie內(nèi)兩路濾波器BFP(16/17)用于濾除兩接入用戶光脈沖中的雜散光。

實施例四：

圖10為實施例三基于光注入的網(wǎng)絡(luò)化MDI-QKD系統(tǒng)的同步方案，其同步思想與實施例二中的同步思想相同，以兩通信用戶與公共測量端Charlie間的量子信道為主要路徑構(gòu)造環(huán)形路徑，使兩通信用戶的同步光與信號光所走光路之和與此環(huán)形路徑重疊，使兩通信用戶的光路都為此環(huán)形路徑，以此擺脫兩通信用戶路徑差異對同步造成的影響。

此網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的同步方案中用戶端的組成如下：為了方便描述，我們將實施例三中用戶端Alice的調(diào)制光源(LD1、環(huán)形器1和LD2)、強度衰減器ATT、波分復(fù)用器10、光電探測器8和與之相連的時間同步模塊設(shè)為發(fā)送模塊，本實施例的每個用戶端組成除此發(fā)送模塊外還有與之相連的路徑選擇模塊。

因為實施例二中的路徑選擇模塊A和路徑選擇模塊B實為對稱的結(jié)構(gòu)，所以本實施例中的路徑選擇模塊可任選其一，且選用對應(yīng)的連接方式，即路徑選擇模塊的一號端口(如實施例二中的A1/B1)連接用戶端對應(yīng)的量子信道，路徑選擇模塊的三號端口(如實施例二中的A3/B3)連接用戶端發(fā)送模塊內(nèi)波分復(fù)用器的公共端口。在本實施例的整個用戶端側(cè)，設(shè)置一個選通模塊以接入所有用戶端路徑選擇模塊的二號端口(如實施例二中的A2/B2)，功能為根據(jù)需要連通兩個用戶端路徑選擇模塊的二號端口，使兩個用戶端間的環(huán)形路徑可以連通以發(fā)生環(huán)路作用，同時切斷其他用戶端路徑選擇模塊二端口的連通，所述根據(jù)需要連通的兩個用戶端即為實施例四中光開關(guān)15切入公共測量端Charlie的兩用戶端。

圖11為上述選通模塊的優(yōu)選方案，即為一個n*2光開關(guān)。n*2光開關(guān)的1～n輸入端口依次連接1～n用戶端路徑選擇模塊的二號端口(如實施例二中的A2/B2端口)，n*2光開關(guān)的輸出端口P1、P2相互連接。發(fā)生作用時，n*2光開關(guān)受系統(tǒng)控制使其某兩個輸入端口分別與兩輸出端口P1、P2連通，因為P1、P2相互連接，所以與n*2光開關(guān)開啟的兩輸入端口分別連接的兩用戶端間環(huán)形路徑被連通，便可以實現(xiàn)如實施例二中兩通信用戶端的同步方案，所述分別與兩輸出端口P1、P2連通的某兩個輸入端口即為實施例四中光開關(guān)15切入公共測量端Charlie的兩用戶端的對應(yīng)端口。

盡管上面已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例性的，不能理解為對本發(fā)明的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以對上述實施例進行變化、修改、替換和變型。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。