一种基于双Sagnac环的多用户MDI-QKD系统及方法

技术领域

本发明涉及量子信息及光纤通信的技术领域，具体涉及一种基于双Sagnac环的多用户MDI-QKD系统及方法。

背景技术

量子密钥分发(QKD)技术已经由量子力学原理证明了其安全性，而且测量设备无关量子密钥分发(MDI-QKD)协议完全免疫了针对探测器的侧信道攻击，大大提高了QKD技术的实用安全性。

目前，MDI-QKD协议多采用偏振编码的形式，而偏振编码装置的调制速率慢，调制质量差，不利于实用；而且大多数MDI-QKD协议只支持一对一的通信，难以扩展通信用户的数量。

现有技术中，如公开号为CN113676323A的专利，利用往返式相位调制偏振测量设备无关量子密钥分发系统，降低了系统的复杂度，提升了系统的稳定性和实用性，其采取的往返式虽然可以对偏振进行自动补偿但是会有相位漂移存在，且用户单一，扩展性差。

因此，需要对现有的MDI-QKD技术进行改进，提出一种用户数量可扩展的MDI-QKD方案。

发明内容

本发明为了解决现有的MDI-QKD技术难以扩展通信用户数量的问题，提供一种基于双Sagnac环的多用户MDI-QKD系统及方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种基于双Sagnac环的多用户MDI-QKD系统，包括发射单元、测量单元、分束器和2N个用户；N为正整数；

所述分束器和2N个用户形成第一Sagnac环；

发射单元发出的光脉冲经过分束器分为第一光脉冲和第二光脉冲，第一光脉冲顺时针依次经过2N个用户后回到分束器，第二光脉冲逆时针依次经过2N个用户后回到分束器；

其中，第n个用户包括偏振分束器PBS

第一光脉冲进入第n个用户后，经偏振分束器PBS

第二光脉冲进入第n个用户后，经偏振分束器PBS

最后，回到分束器的第一光脉冲和第二光脉冲产生双光子干涉后进入测量单元，得到测量结果，要通信的用户根据测量结果获取量子密钥。

优选的，前N-1个用户还分别包括法拉第旋转器FR

优选的，第1个用户还包括固定衰减器ATT

第一光脉冲先经过固定衰减器ATT

优选的，第N个用户还包括固定衰减器ATT

第二光脉冲先经过固定衰减器ATT

优选的，所述发射单元包括激光器和强度调制器；

所述激光器发出的光脉冲经强度调制器进行强度调制后进入分束器。

优选的，所述测量单元包括第一偏振分束器、第二偏振分束器、单光子探测器D1、单光子探测器D2、单光子探测器D3和单光子探测器D4；

所述单光子探测器D1用于探测被第一偏振分束器反射的垂直偏振光；

所述单光子探测器D2用于探测透射过第一偏振分束器的水平偏振光；

所述单光子探测器D3用于探测透射过第二偏振分束器的水平偏振光；

所述单光子探测器D4用于探测被第二偏振分束器反射的垂直偏振光；

所述测量单元对进入的光脉冲进行贝尔态测量，

当单光子探测器D1和单光子探测器D3或单光子探测器D2和单光子探测器D4同时响应时，则得到测量结果：进入的光脉冲为|ψ

当单光子探测器D1和单光子探测器D4或单光子探测器D2和单光子探测器D3同时响应时，则得到测量结果：进入的光脉冲为|ψ

优选的，当所述相位调制器PM

当所述相位调制器PM

当所述相位调制器PM

当所述相位调制器PM

优选的，当第1个用户或第N个用户加载0相位时，回到分束器的光脉冲为水平偏振态；

当第1个用户或第N个用户加载π相位时，回到分束器的光脉冲为垂直偏振态；

当第1个用户或第N个用户加载π/2相位时，回到分束器的光脉冲为45度偏振态；

当第1个用户或第N个用户加载3π/2相位时，回到分束器的光脉冲为135度偏振态。

优选的，还包括环形器；所述发射单元、第一偏振分束器分别通过环形器与分束器连接。

一种基于双Sagnac环的多用户MDI-QKD方法，通过所述的一种基于双Sagnac环的多用户MDI-QKD系统实现，包括以下步骤：

S1：确定要通信的用户A和用户B；

S2：发射单元发出光脉冲，光脉冲经分束器分为第一光脉冲和第二光脉冲；

S3：第一光脉冲在第一Sagnac环中顺时针传输，第二光脉冲在第一Sagnac环中逆时针传输；其中，

第一光脉冲、第二光脉冲经第n个用户的第二Sagnac环调制后产生新的偏振光；

S4：第一光脉冲和第二光脉冲回到分束器后产生双光子干涉，并通过测量单元得到测量结果；

S5：用户B根据用户A公布的选基情况舍去不一样的基对应的测量结果，以获得原始密钥；

S6：选取部分原始密钥并判断其误码率是否超过预设的阈值，

若是，则返回步骤S2；

若否，则根据原始密钥获取量子密钥。

本发明有益的技术效果：

本发明通过分束器和2N个用户形成第一Sagnac环，采用Sagnac环结构可以对系统中的相位漂移进行自动补偿，同时具有高度的扩展性，支持多个用户进行通信；通过第二Sagnac环改变偏振编码的形式，利用相位调制器来实现偏振编码，调制速度快，调制质量高。

附图说明

图1为本发明的整体框架示意图；

图2为本发明中第n(n＜N)个用户的结构示意图；

图3为本发明中第1个用户的结构示意图；

图4为本发明中第N个用户的结构示意图；

图5为本发明的技术方案实施步骤流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明，但本发明要求保护的范围并不局限于下述具体实施例。

实施例1

如图1-2所示，一种基于双Sagnac环的多用户MDI-QKD系统，包括发射单元、测量单元、分束器BS和2N个用户；N为正整数；

所述分束器BS和2N个用户形成第一Sagnac环；

发射单元发出的光脉冲经过分束器BS分为第一光脉冲和第二光脉冲，第一光脉冲顺时针依次经过2N个用户后回到分束器BS，第二光脉冲逆时针依次经过2N个用户后回到分束器BS；

其中，第n个用户包括偏振分束器PBS

第一光脉冲进入第n个用户后，经偏振分束器PBS

第二光脉冲进入第n个用户后，经偏振分束器PBS

最后，回到分束器BS的第一光脉冲和第二光脉冲产生双光子干涉后进入测量单元，得到测量结果，要通信的用户根据测量结果获取量子密钥。

更具体的，前N-1个用户还分别包括法拉第旋转器FR

更具体的，如图3所示，第1个用户还包括固定衰减器ATT

第一光脉冲先经过固定衰减器ATT

更具体的，如图4所示，第N个用户还包括固定衰减器ATT

第二光脉冲先经过固定衰减器ATT

更具体的，所述发射单元包括激光器Laser和强度调制器IM；

所述激光器Laser发出的光脉冲经强度调制器IM进行强度调制后进入分束器BS。

更具体的，所述测量单元包括第一偏振分束器、第二偏振分束器、单光子探测器D1、单光子探测器D2、单光子探测器D3和单光子探测器D4；

所述单光子探测器D1用于探测被第一偏振分束器反射的垂直偏振光；

所述单光子探测器D2用于探测透射过第一偏振分束器的水平偏振光；

所述单光子探测器D3用于探测透射过第二偏振分束器的水平偏振光；

所述单光子探测器D4用于探测被第二偏振分束器反射的垂直偏振光；

所述测量单元对进入的光脉冲进行贝尔态测量，

当单光子探测器D1和单光子探测器D3或单光子探测器D2和单光子探测器D4同时响应时，则得到测量结果：进入的光脉冲为|ψ

当单光子探测器D1和单光子探测器D4或单光子探测器D2和单光子探测器D3同时响应时，则得到测量结果：进入的光脉冲为|ψ

更具体的，当所述相位调制器PM

当所述相位调制器PM

当所述相位调制器PM

当所述相位调制器PM

更具体的，当第1个用户或第N个用户加载0相位时，回到分束器BS的光脉冲为水平偏振态；

当第1个用户或第N个用户加载π相位时，回到分束器BS的光脉冲为垂直偏振态；

当第1个用户或第N个用户加载π/2相位时，回到分束器BS的光脉冲为45度偏振态；

当第1个用户或第N个用户加载3π/2相位时，回到分束器BS的光脉冲为135度偏振态。

更具体的，还包括环形器Circle；所述发射单元、第一偏振分束器分别通过环形器Circle与分束器BS连接。

在具体实施过程中，根据要通信的用户，激光器Laser发射具有水平偏振态的光脉冲，光脉冲经过强度调制器IM进行强度调制(调制诱惑态)，然后通过环形器Circle进入到分束器BS，分束器BS将光脉冲分为两束等功率的水平偏振光，分别记为第一光脉冲和第二光脉冲；其中，

第一光脉冲在第一Sagnac环中顺时针传输，先在第1个用户中经过固定衰减器ATT

经过偏振分束器PBS

新的偏振光经法拉第旋转器FR

第二光脉冲在第一Sagnac环中逆时针传输，先在第N个用户中经过固定衰减器ATT

经过偏振分束器PBS

新的偏振光经法拉第旋转器FR

其中，相位调制器加载的相位

加载0相位时：

加载π相位时：

加载π/2相位时：

加载3π/2相位时：

水平偏振态可以表示为

偏振控制器对水平偏振态的光脉冲的作用可以用琼斯矩阵表示为

加载0相位时：

加载π相位时：

加载π/2相位时：

加载3π/2相位时：

以第一光脉冲为例，可以看出，当第1个用户加载0相位时，最后到达分束器BS处为水平偏振态；当加载π相位时，最后到达分束器BS处为垂直偏振态；当加载π/2相位时，最后到达分束器BS处为45度偏振态；当加载3π/2相位时，最后到达分束器BS处为135度偏振态。

两束光脉冲同时回到分束器BS后产生双光子干涉；由测量单元进行贝尔态测量(BSM)，BSM只能测量出两路信号经分束器BS合束后产生的偏振态|ψ

当测量到光脉冲的偏振态为|ψ

其中，|H>和|V>为Z基，|+>和|->为X基，当Alice和Bob所选的基不相同时，则认为其没有选对基，在这种情况下，在通信双方对基时会舍去，当通信双方同时选择X基或Z基中的一种时，通过测量单元的贝尔态测量，根据不同的单光子探测器的响应结果可以成码。

探测结果与成码结果对应关系如下表2所示：

实施例2

如图5所示，一种基于双Sagnac环的多用户MDI-QKD方法，通过所述的一种基于双Sagnac环的多用户MDI-QKD系统实现，包括以下步骤：

S1：确定要通信的用户A和用户B；

S2：发射单元发出水平偏振态的光脉冲，光脉冲经分束器分成功率相等的第一光脉冲和第二光脉冲；

S3：第一光脉冲在第一Sagnac环中顺时针传输，第二光脉冲在第一Sagnac环中逆时针传输；其中，

第一光脉冲、第二光脉冲经第n个用户的第二Sagnac环调制后产生新的偏振光；

S4：第一光脉冲和第二光脉冲回到分束器后产生双光子干涉，并通过测量单元得到测量结果；

S5：用户B根据用户A公布的选基情况舍去不一样的基对应的测量结果，以获得原始密钥；

S6：选取部分原始密钥并判断其误码率是否超过预设的阈值，

若是，则返回步骤S2；

若否，则根据原始密钥获取量子密钥。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。