一种多用户TF-QKD网络系统及实现方法

技术领域

本申请涉及量子保密通信及光通信技术领域，具体涉及一种多用户TF-QKD网络系统及实现方法。

背景技术

QKD(Quantum Key Distribution，量子密钥分发)是量子通信发展的核心领域，具有相对成熟的理论体系。QKD是指合法用户利用量子力学原理，通过开放的量子通道获取加载在量子态上的信息的过程。在合法用户通信过程中，即使有窃听行为，也可以通过留下足迹来检测，从而保证信息传输的安全性，理论上可以达到绝对安全的通信方式。

历史上第一个QKD协议BB84协议，证明了QKD的安全性。随后又提出了的双场(Twin-field，TF)QKD协议，可在没有量子中继器的情况下突破PLOB界限，大大提高了通信的成码率，并且该协议可以免疫所有针对测量设备的攻击。

但是，现有的TF-QKD网络往往采用环状结构，用户双方的路径相同，损耗共享，这种环状结构限制了其只能在短距离上进行多用户通信。

发明内容

本申请提供一种多用户TF-QKD网络系统及实现方法，其采用时分复用的方式实现了多用户的TF-QKD，在远距离量子通信中具有较高的成码率。

第一方面，本申请实施例提供一种多用户TF-QKD网络系统，所述多用户TF-QKD网络系统包括测量端以及多个与测量端直接独立连接的用户端；

所述测量端用于统计所述用户端发出的通信申请以确定干涉配对，并根据所述干涉配对分配时间窗口至对应用户端；

所述用户端根据测量端分配的时间窗口进行脉冲的频率和延时调整，对信号调制，并发送调制后的单光子级量子信号至所述测量端；

所述测量端还用于在对应的时间窗口内进行单光子级量子信号干涉，并根据响应情况成码。

结合第一方面，在一种实施方式中，所述测量端包括：

测量端中继设备，其用于统计所述用户端发出的通信申请以确定干涉配对，并根据所述干涉配对分配时间窗口至对应用户端；

多端口干涉仪，其用于接收所述用户端发送的单光子级量子信号，并在对应的时间窗口内进行单光子级量子信号干涉；

两个单光子探测器，其均与所述多端口干涉仪相连，用于响应单光子级量子信号的干涉，并根据响应情况成码。

结合第一方面，在一种实施方式中，所述测量端中继设备根据干涉配对的数量对时间窗口进行平均分配。

结合第一方面，在一种实施方式中，所述用户端包括：

激光器，其用于输出光载波；

强度调制器，其基于所述光载波对信号进行强度调制并制备诱骗态；

相位调制器，其用于对所述强度调制器输出的信号进行调制，以调制出携带比特相位信息和基矢相位信息的光信号；

可调光衰减器，其用于将所述相位调制器输出的光信号衰减到单光子级别。

结合第一方面，在一种实施方式中，所述多用户TF-QKD网络系统包括5个用户端。

第二方面，本申请实施例提供一种多用户TF-QKD网络实现方法，所述多用户TF-QKD网络实现方法包括：

测量端统计多个与测量端直接独立连接的用户端发出的通信申请以确定干涉配对，并根据所述干涉配对分配时间窗口至对应用户端；

用户端根据测量端分配的时间窗口进行脉冲的频率和延时调整，对信号调制，并发送调制后的单光子级量子信号至所述测量端；

测量端在对应的时间窗口内进行单光子级量子信号干涉，并根据响应情况成码。

结合第二方面，在一种实施方式中，利用测量端中继设备统计所述用户端发出的通信申请以确定干涉配对，并根据所述干涉配对分配时间窗口至对应用户端；

利用多端口干涉仪接收所述用户端发送的单光子级量子信号，并在对应的时间窗口内进行单光子级量子信号干涉；

利用两个均与所述多端口干涉仪相连的单光子探测器响应单光子级量子信号的干涉，并根据响应情况成码。

结合第二方面，在一种实施方式中，所述测量端中继设备根据干涉配对的数量对时间窗口进行平均分配。

结合第二方面，在一种实施方式中，所述用户端调制单光子级量子信号包括：

利用激光器输出光载波；

利用强度调制器基于所述光载波对信号进行强度调制并制备诱骗态；

利用相位调制器对所述强度调制器输出的信号进行调制，以调制出携带比特相位信息和基矢相位信息的光信号；

利用可调光衰减器将所述相位调制器输出的光信号衰减到单光子级别。

结合第二方面，在一种实施方式中，所述用户端的数量为5个。

本申请实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

本申请中的多用户TF-QKD网络系统，其包括测量端以及多个与测量端直接独立连接的用户端；测量端用于统计用户端发出的通信申请以确定干涉配对，并根据干涉配对分配时间窗口至对应用户端；用户端用于在分配的时间窗口进行信号调制，并发送调制后的单光子级量子信号至测量端；测量端还用于在对应的时间窗口内进行单光子级量子信号干涉，并根据响应情况成码。

本申请采用时分复用的方式实现了一种多用户的TF-QKD网络系统，在远距离量子通信中具有较高的成码率。本申请中的方案具有结构简单的优点，以现有技术基础容易实现，实用性较强；其次，该系统为测量无关系统，可抵抗针对测量设备的攻击；且该系统还可同时进行多组TF-QKD协议，极大地节省了网络资源。

附图说明

图1为本申请多用户TF-QKD网络实现方法一实施例的流程示意图。

图2为本申请多用户TF-QKD网络系统一实施例的结构框图；

图3为本申请用户端的结构框图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。术语“第一”、“第二”和“第三”等描述，是用于区分不同的对象等，其不代表先后顺序，也不限定“第一”、“第二”和“第三”是不同的类型。

在本申请实施例的描述中，“示例性的”、“例如”或者“举例来说”等用于表示作例子、例证或说明。本申请实施例中被描述为“示例性的”、“例如”或者“举例来说”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其它实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”、“例如”或者“举例来说”等词旨在以具体方式呈现相关概念。

在本申请实施例的描述中，除非另有说明，“/”表示或的意思，例如，A/B可以表示A或B；文本中的“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况，另外，在本申请实施例的描述中，“多个”是指两个或多于两个。

在本申请实施例描述的一些流程中，包含了按照特定顺序出现的多个操作或步骤，但是应该理解，这些操作或步骤可以不按照其在本申请实施例中出现的顺序来执行或并行执行，操作的序号仅用于区分开各个不同的操作，序号本身不代表任何的执行顺序。另外，这些流程可以包括更多或更少的操作，并且这些操作或步骤可以按顺序执行或并行执行，并且这些操作或步骤可以进行组合。

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施方式作进一步地详细描述。

第一方面，本申请实施例提供一种多用户TF-QKD网络实现方法。

一实施例中，参照图1，图1为本申请多用户TF-QKD网络实现方法一实施例的流程示意图。如图1所示，多用户TF-QKD网络实现方法包括：

S1、测量端统计多个与测量端直接独立连接的用户端发出的通信申请以确定干涉配对，并根据所述干涉配对分配时间窗口至对应用户端；

S2、用户端根据测量端分配的时间窗口进行脉冲的频率和延时调整，对信号调制，并发送调制后的单光子级量子信号至所述测量端；

S3、测量端在对应的时间窗口内进行单光子级量子信号干涉，并根据响应情况成码。

值得说明的是，现有的TF-QKD网络往往采用环状结构，用户双方的路径相同，损耗共享，这种环状结构限制了其只能在短距离上进行多用户通信。在本实施例中，参见图2所示，每个用户端直接与测量端独立连接，类似于星型通信结构。通信双方路径不同，可以拓宽通信距离。

具体实现时，可以利用测量端中继设备统计所述用户端发出的通信申请以确定干涉配对，并根据所述干涉配对分配时间窗口至对应用户端；然后利用多端口干涉仪接收所述用户端发送的单光子级量子信号，并在对应的时间窗口内进行单光子级量子信号干涉；再利用两个均与所述多端口干涉仪相连的单光子探测器响应单光子级量子信号的干涉，并根据响应情况成码。

通常来说，在没有通信用户申请占用更多网络资源的情况下，测量端中继设备默认根据干涉配对的数量对时间窗口进行平均分配，这里的测量端中继设备可以是计算机或者是其他设备。

对于用户端，主要用于发出信号，进行调制编码(遵循TF-QKD协议)，参见图3所示，包括依次连接的激光器LASER、强度调制器IM、相位调制器PM(本实施例中采用了两个PM)和可调光衰减器VOA。

用户端发出单光子级量子信号主要流程如下：

利用激光器输出光载波；利用强度调制器基于所述光载波对信号进行强度调制并制备诱骗态；利用相位调制器对所述强度调制器输出的信号进行调制，以调制出携带比特相位信息和基矢相位信息的光信号；利用可调光衰减器将所述相位调制器输出的光信号衰减到单光子级别。

测量端按照网络的满载频率划分时间窗口，并且将每个时间窗口分配给两个不同的用户进行干涉。每个用户发送单光子级量子信号到分配的对应时间窗口，进行干涉，根据探测器的响应情况进行成码。

值得说明的是，在TF-QKD协议中，通信双方Alice和Bob，发送的态分别是：

其中，|0>和|1>分别为真空态和单光子态，

其中，Q

下面以一个具体的例子来进行进一步说明：

本实施例设计如图2所示的多用户TF-QKD网络系统结构，用于通信双方进行TF-QKD过程，包括通过双向信道相连的N个用户端(本例中N＝5)和一个测量端，测量端包括一个多端口干涉仪U和两台单光子探测器DET，其中任意两个用户端都可以是通信双方。

1、假设测量端的满载频率为f；

2、制定测量端发生干涉的时间窗口规则：

规则：通信双方先向测量端中继设备提出通信申请，测量端中继设备统合全部的通信申请并根据申请向对应的用户分配时间窗口，用户根据被分配的时间窗口协商光脉冲的发送时间。

本实施例中，所有想要进行通信的用户向测量端中继设备发出申请，测量端中继设备统计用户的全部申请情况，比如：用户1分别和用户4、用户5通信，用户4分别和用户1和用户2通信，用户3和用户5通信，此时网络中同时存在4组干涉配对，干涉配对1：用户1和用户4通信；干涉配对2：用户1和用户5通信；干涉配对3：用户2和用户4通信；干涉配对4：用户3和用户5通信。

在没有通信用户申请占用更多网络资源的情况下，测量端中继设备默认根据干涉配对的数量对时间窗口进行平均分配，这样每组干涉配对都被分配到1/4的时间窗口，根据干涉配对分配的时间窗口，用户1、用户4、用户5占用1/2的时间窗口，用户2、3占用1/4的时间窗口。

3、用户按照协商好的时间窗口进行调制信号，然后发送调制好的光脉冲；

4、经通信双方调制的信号进入测量端多端口干涉仪在对应的时间窗口发生单光子干涉，根据探测器的响应情况成码。

5、通信双方进行后处理过程。

从而可以知道的是，在本实施例中，多用户TF-QKD网络系统可同时支持N组TF-QKD的进行，任一用户所发送的量子信号可到达量子网络的测量端，可实现一个用户与多个用户进行通信。

综上所述，本申请中的多用户TF-QKD网络实现方法，其通过测量端统计多个与测量端直接独立连接的用户端发出的通信申请以确定干涉配对，并根据所述干涉配对分配时间窗口至对应用户端；用户端在分配的时间窗口进行信号调制，并发送调制后的单光子级量子信号至所述测量端；测量端在对应的时间窗口内进行单光子级量子信号干涉，并根据响应情况成码。

本申请采用时分复用的方式实现了一种多用户的TF-QKD网络系统，在远距离量子通信中具有较高的成码率。本申请中的方案具有结构简单的优点，以现有技术基础容易实现，实用性较强；其次，该系统为测量无关系统，可抵抗针对测量设备的攻击；且该系统还可同时进行多组TF-QKD协议，极大地节省了网络资源。

第二方面，本申请实施例提供一种多用户TF-QKD网络系统。

一实施例中，参照图2，图2为本申请多用户TF-QKD网络系统一实施例的结构框图。如图2所示，多用户TF-QKD网络系统包括：测量端以及多个与测量端直接独立连接的用户端。

所述测量端用于统计所述用户端发出的通信申请以确定干涉配对，并根据所述干涉配对分配时间窗口至对应用户端。所述用户端根据测量端分配的时间窗口进行脉冲的频率和延时调整，对信号调制，并发送调制后的单光子级量子信号至所述测量端。所述测量端还用于在对应的时间窗口内进行单光子级量子信号干涉，并根据响应情况成码。

进一步地，一实施例中，所述测量端包括：

测量端中继设备，其用于统计所述用户端发出的通信申请以确定干涉配对，并根据所述干涉配对分配时间窗口至对应用户端；

多端口干涉仪，其用于接收所述用户端发送的单光子级量子信号，并在对应的时间窗口内进行单光子级量子信号干涉；

两个单光子探测器，其均与所述多端口干涉仪相连，用于响应单光子级量子信号的干涉，并根据响应情况成码。

进一步地，一实施例中，所述测量端包括：所述测量端中继设备根据干涉配对的数量对时间窗口进行平均分配。

进一步地，一实施例中，参见图3所示，所述用户端包括：

激光器，其用于输出光载波；

强度调制器，其基于所述光载波对信号进行强度调制并制备诱骗态；

相位调制器，其用于对所述强度调制器输出的信号进行调制，以调制出携带比特相位信息和基矢相位信息的光信号；

可调光衰减器，其用于将所述相位调制器输出的光信号衰减到单光子级别。

进一步地，一实施例中，所述多用户TF-QKD网络系统包括5个用户端。

其中，上述多用户TF-QKD网络系统中各个设备的功能实现与上述多用户TF-QKD网络实现方法实施例中各步骤相对应，其功能和实现过程在此处不再一一赘述。

综上所述，本申请中的多用户TF-QKD网络系统，其包括测量端以及多个与测量端直接独立连接的用户端；测量端用于统计用户端发出的通信申请以确定干涉配对，并根据干涉配对分配时间窗口至对应用户端；用户端用于在分配的时间窗口进行信号调制，并发送调制后的单光子级量子信号至测量端；测量端还用于在对应的时间窗口内进行单光子级量子信号干涉，并根据响应情况成码。

本申请采用时分复用的方式实现了一种多用户的TF-QKD网络系统，在远距离量子通信中具有较高的成码率。本申请中的方案具有结构简单的优点，以现有技术基础容易实现，实用性较强；其次，该系统为测量无关系统，可抵抗针对测量设备的攻击；且该系统还可同时进行多组TF-QKD协议，极大地节省了网络资源。

以上仅为本申请的优选实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。