專利名稱：量子密鑰多通道傳輸方法
技術領域：
本發明涉及自由空間中的量子密鑰傳輸領域，特別是一種利用偏振編碼進行多通道的量子密鑰多通道傳輸方法。
背景技術：
現行的經典密碼通信是基于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，其安全性依賴于量子力學中的海森堡不確定性原理、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采用的是BB84協議和B92協議。在自由空間光量子密碼通信中，一般采用BB84協議。
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激光脈沖，后者近似為單光子源。從安全性方面考慮，光源脈沖中的光子數應該服從泊松分布，使得每個弱的光脈沖中僅含有一個單光子，含有兩個或兩個以上光子的脈沖數越多，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。由于一個脈沖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沖含有兩個及兩個以上光子數幾率很小，通常控制在5％左右，這樣衰減后的激光就可以達到平均每個脈沖中只含0.1個光子數以下。例如，美國洛斯阿拉莫斯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，衰減后的激光中平均每脈沖含光子數0.7個，這就意味著含1個光子的脈沖占總脈沖數的34.8％，含2個光子的脈沖占12.3％，含3個光子的脈沖占2.84％，空脈沖占50.06％；而在通信距離為1km的夜間實驗中，平均每脈沖含光子數0.1個，含2個及2個以上光子的脈沖僅占＜6％。
從上面的數字來看，實驗中衰減后的平均脈沖所含光子數控制在很小的范圍，由于現行的單通道傳輸過程中存在來自大氣湍流所引起的損耗，而且大部分脈沖都是不含光子的空脈沖，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，傳輸過程中單光子傳輸效率的低下就會直接影響整個系統的工作效率。

發明內容
本發明的目的在于提供一種量子密鑰多通道傳輸方法，以克服上述現有技術的不足，在BB84協議算法的基礎上，利用成像光路進行自由空間中量子密鑰的多通道傳輸。
為實現上述目的，本發明提供一種量子密鑰多通道傳輸方法，包括以下步驟a.發送方對發射光束隨機地進行4種偏振態的調制；b.光束經過透鏡組合以及二者之間的自由空間在接收方的像方焦面上成像；c.使各個成像的光束通過透鏡陣列，轉換為平行光束，經偏振分光計分束后，由具有不同偏振方向的檢偏器接收；d.接收方接收到光子序列后，通過公開信道進行討論，雙方共同丟棄接收不完全的4×1通道光子序列，并將剩余光子序列按事先約定轉化為二進制序列。
其中，所述的方法還包括對二進制序列進行密碼糾錯和保密放大。
所述的發射光束為工作頻率一般在1M～100M范圍內的脈沖激光。該脈沖激光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。脈沖激光經過衰減，使脈沖中所含有的平均光子數滿足泊松分布(n≈0.1)。
進一步的，發射光束偏振態的調制由一個起偏器實現。該起偏器具有4×1陣列的起偏孔徑，上面兩個取“×”偏振基，下面兩個取“+”偏振基。起偏器與計算機相連，由計算機等相關控制電路產生的偽隨機序列，在上、下兩組基內對各自的孔徑進行隨機地改變偏振方向。
本發明在BB84協議算法的基礎上進行了改良，提出一種利用成像光路進行自由空間中量子密鑰的多通道傳輸方式，該方案能極大地提高系統中發送雙方之間的光子傳輸效率，有效解決傳統方案中單光子傳輸效率低下的問題。并且大大減少了在公開信道討論的數據量，同時也減少了竊聽者獲取信息的機會。
以下結合附圖與實施例對本發明作進一步的說明。


圖1為本發明的發射端光路圖。
圖2為本發明的空間中傳輸的成像光路圖。
圖3為本發明的裝置結構示意圖。
具體實施例方式有關本發明的詳細說明及技術內容，現就結合

如下首先請參照圖1，圖1為本發明的發射端光路圖。由于是進行自由空間的多通道密鑰傳輸，為簡單起見，本發明以一維的激光光源陣列(4×1)為例進行說明。圖1中激光光源1發出的光線經.干涉濾波器2和激光衰減器3處理后，穿過準直透鏡4到達起偏器5。起偏器(4×1)5的上面兩個偏振基為“×”，下面兩個偏振基為“+”。起偏器5后面是信源孔徑陣列板6，其從上至下依次為A、B、C、D；從信源孔徑陣列板6射出的光線穿過發射透鏡7到達自由空間8。
對于發送者Alice，激光光源陣列1位于透鏡4的物方焦平面上，隨機地對它們進行4種偏振態的調制，每個點光源1發出的光束經過透鏡組合以及二者之間的自由空間8在接收方的像方焦面上成像，接收者Bob完成對調制有偏振信息光束的接收。在成像面后，使各個成像的光束通過透鏡陣列，轉換為平行光束，經偏振分光計分束后，由具有不同偏振方向的檢偏器接收，結果通過計算機控制系統記錄下來。在整個傳送過程中，由于是非相干光，所以各光束在同一個空間傳輸通道上互不干擾，相當于在一個空間通道中進行4通道的傳輸。Bob接收到光子序列后，通過公開信道進行討論，雙方將討論后的剩余光子序列按事先約定轉化為二進制序列，即可作為量子通信的初始密碼(raw key)進行保存，然后經過密碼糾錯和保密放大等過程，最終得到Alice和Bob雙方共享的安全密鑰，實現了自由空間內量子密鑰的多通道傳送。
假定將圖2中4×1陣列的點光源從上至下依次命名為A、B、C和D，則在接收方像面上的成像點從上至下依次為D′、C′、B′和A′。此處，發送端的4個起偏孔徑和接收端的4個檢偏探測器都定義為上、下兩組(記為up和down)，發送方擴展光源中的up組(A、B)成像在接收方像面的down組(A′、B′)，反之亦然。令A、B點光源的調制偏振基為“×”，C、D點光源的調制偏振基為“+”。確定偏振基后隨機地選擇各自基內的偏振態，對A、B隨機地選擇“□”、“□”偏振方向，對C、D隨機地選擇“→”、“↑”偏振方向。具有隨機偏振態的各擴展光源經透鏡7和9后，成像在接收方的像面上，再經由其后的微透鏡陣列作用呈平行光束到達偏振分束器。分束后，各束具有不同偏振方向的光子流到達檢偏器及單光子記數探測器。
由于A、B成像在A′、B′，所以到達A′、B′點的光分別具有“□”和“□”方向的隨機偏振態，則取A′、B′后檢偏器方向分別為“□”和“□”。經偏振分束器分束后的光子通過了“□”方向的檢偏器并到達其后的單光子探測器則記為“0”，反之，若光子通過了“□”方向的檢偏器并到達其后的單光子探測器則記為“1”。同理，C、D成像在C′、D′，到達C′、D′的光分別具有“→”和“↑”方向的隨機偏振態，取C′、D′后的檢偏器方向分別為“→”和“↑”。經分束后光子通過了“→”方向的檢偏器并到達其后的單光子探測器則記為“0”，反之，若光子通過了“↑”方向的檢偏器并到達其后的單光子探測器則記為“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′并被其后的探測器探測到。實際操作中，C′和D′端(up組)在某一時刻會同時接收到3個或3個以上光子，即發生“串擾”。所謂“串擾”問題，是指發送端點光源所發射的光經過透鏡后，由于衍射作用，各光束場型到達像方時呈高斯分布。如果接受端成像分辨率不高或者系統瞄準精度不高，則A′或B′端(down組)的成像分布中會有光子進入C′和D′端探測器，由于A′、B′和C′、D′的偏振基不正交，使得這些光子有50％的幾率被C′和D′端探測器探測到。“串擾”會導致A′和B′端僅接收到N＜2的光子，而C′和D′端會接收到N＞2的光子。同理，C′或D′端的成像分布中也可能會有光子進入A′或B′端的探測器。這種接收不完全的情況，會造成通信雙方傳輸初始密鑰過程中的誤碼。Alice和Bob約定當up和down組中任何一組所連接的偏振探測器不能接收到兩個光子(即Nup、Ndown□3或Nup、Ndown＜2)都將該組光子序列丟棄。
當C′和D′之間發生“串擾”，本應到達C′的光子有可能到達D′，由于二者偏振基相同，這些光子會通過檢偏器并被探測到。這時C′沒接收到光子，而D′卻接收到2個光子。如果2個光子在發送時刻的偏振方向是相同的，即D′端的其中一個探測器接收到2個光子，則只需將其偏振方向作為結果記錄即可，不需要區分2個光子的來源；如果2個光子在發送時刻的偏振方向不同，即D′端的2個探測器各接收到一個光子，則在不區分二者來源(即光子是來自C還是D)的情況下接收方的記錄結果也有50％的幾率與發送方要發送的原始光子序列相同，這時我們保存該組光子序列并記錄到初始密鑰中去。對于另外幾率為50％的錯誤，我們可以通過通信雙方量子密鑰傳輸過程后期的糾錯和保密放大過程進行相關處理。同理，對于A′和B′之間也存在同樣的分析。對于這類串擾問題，可以通過提高接收端的成像分辨率進行效地改善系統的性能。
如果信道中存在竊聽者Eve，當Eve采用截取/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，對于這種同樣接收不完全的情況的處理我們等同于“串擾”問題的處理方式，即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。
對于直徑為D1的發射透鏡，其發射光束在自由空間中的衍射擴展角為2θ=1.8λD1---(1)]]>若傳送距離為d，則到達接收透鏡的光束展寬為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LgLg≈D22w2---(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為激光光源的脈沖工作頻率，M為平均每脈沖的光子數，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后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，發射透鏡直徑D1和接收透鏡直徑D2分別取值30cm和10cm，在傳送距離d分別為1km和10km的情況下，取T為65％，光源的脈沖工作效率為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。由計算結果可以看到，當發射天線和接收天線的透鏡直徑均取30cm和均取10cm時，當傳送距離為短程(d＝1km或10km)的情況下，傳程損耗與預期光子傳送率都比較理想。考慮到系統的有效負載，取二者孔徑直徑均設置為10cm。
量子密鑰傳送過程的傳送效率及損耗見下表

再請參閱圖3，圖3是本發明自由空間量子密鑰多通道傳輸方案總裝置的示意圖，由圖中可知，本發明方案中裝置分別包括發送端Alice和接收端Bob的裝置。圖3中從左至右依次為發送端、自由空間8和接收端裝置。其中激光光源1為工作頻率一般在1M～100M范圍內的脈沖激光；干涉濾波器2(＜0.1nm)，對光源1所發出的脈沖激光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；衰減板3，其作用是對脈沖激光進行衰減，從而使脈沖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；還具有準直透鏡4；起偏器5，有4×1陣列的起偏孔徑，上面兩個取“×”偏振基，下面兩個取“+”偏振基，起偏器與計算機相連，由計算機等相關控制電路產生的偽隨機序列，在上、下兩組基內對各自的孔徑進行隨機地改變偏振方向，從而對通過4×1陣列的4通道單光子流進行隨機地偏振調制；信源孔徑陣列板6，從上至下依次為A、B、C、D。被調制的偏振光入射到緊貼起偏器的陣列板，從孔徑處通過，成擴展光源向前方出射，可視為發送方的陣列擴展光源；發射天線7(透鏡)，孔徑陣列板放在發射透鏡的物方焦面上，從板上發出的光經過發射天線的作用呈水平光束入射到自由空間8；接收天線9(透鏡)，由光照度學知識可知，要提高像方的成像效果即提高像方接收光子的效率，一般采用大孔徑小視場；濾波器10，濾去雜項波長的光，減少背景噪聲的影響；像點陣列11，表示成像點位置，從上至下依次為D′、C′、B′、A′；透鏡陣列12，放在像點陣列的后面，二者之間的距離等于微透鏡的焦距，使各束具有不同隨機偏振態的光束由微透鏡呈水平方向入射到偏振分光計13，由分光計12分出的兩束具有相互正交偏振方向的兩束光分別通過其光路上的檢偏板14后到達相應的單光子計數探測器15，計算機將記錄的光子序列結果轉換成二進制序列。
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，轉換為二進制序列，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。然后雙方通過糾錯、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探測到并作為初始密鑰(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N×M方案，可以實現自由空間中量子密鑰的N×M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N×M倍，從而使量子密鑰的傳輸效率大為增加。
以上所介紹的，僅僅是本發明的較佳實施例而已，不能以此來限定本發明實施的范圍，即本技術領域內的一般技術人員根據本發明所作的等同的變化，以及本領域內技術人員熟知的改進、變化，都應仍屬于本發明專利涵蓋的范圍。
權利要求
1.一種量子密鑰多通道傳輸方法，其特征在于它包括以下步驟a.發送方對發射光束隨機地進行4種偏振態的調制；b.光束經過透鏡組合以及二者之間的自由空間在接收方的像方焦面上成像；c.使各個成像的光束通過透鏡陣列，轉換為平行光束，經偏振分光計分束后， 由具有不同偏振方向的檢偏器接收；d.接收方接收到光子序列后，通過公開信道進行討論，雙方共同丟棄接收不完全的4×1通道光子序列，并將剩余光子序列按事先約定轉化為二進制序列。
2.如權利要求1所述的量子密鑰多通道傳輸方法，其特征在于所述的方法還包括步驟e.對二進制序列進行密碼糾錯和保密放大。
3.如權利要求1所述的量子密鑰多通道傳輸方法，其特征在于所述的發射光束為工作頻率一般在1M～100M范圍內的脈沖激光。
4.如權利要求3所述的量子密鑰多通道傳輸方法，其特征在于所述的脈沖激光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。
5.如權利要求3所述的量子密鑰多通道傳輸方法，其特征在于所述的脈沖激光經過衰減，使脈沖中所含有的平均光子數滿足泊松分布(n≈0.1)。
6.如權利要求1所述的量子密鑰多通道傳輸方法，其特征在于所述的步驟a由一個起偏器實現。
7.如權利要求6所述的量子密鑰多通道傳輸方法，其特征在于所述的起偏器具有4×1陣列的起偏孔徑，上面兩個取“×”偏振基，下面兩個取“+”偏振基。
8.如權利要求7所述的量子密鑰多通道傳輸方法，其特征在于所述的起偏器與計算機相連，由計算機等相關控制電路產生的偽隨機序列，在上、下兩組基內對各自的孔徑進行隨機地改變偏振方向。
全文摘要
一種量子密鑰多通道傳輸方法，包括以下步驟a.發送方對發射光束隨機地進行4種偏振態的調制；b.光束經過透鏡組合以及二者之間的自由空間在接收方的像方焦面上成像；c.使各個成像的光束通過透鏡陣列，轉換為平行光束，經偏振分光計分束后，由具有不同偏振方向的檢偏器接收；d.接收方接收到光子序列后，通過公開信道進行討論，雙方共同丟棄接收不完全的4×1通道光子序列，并將剩余光子序列按事先約定轉化為二進制序列。本發明同時提高了密鑰傳輸的傳輸效率和安全性。
文檔編號H04B10/10GK1642071SQ20051002320
公開日2005年7月20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 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所