一种结构简化的用于量子密钥分发的发送端设备

技术领域

本发明涉及量子保密通信领域，尤其涉及一种结构简化的用于量子密钥分发的发送端设备。

背景技术

为实现量子密钥分发过程，发送端设备需要对量子光信号、同步光信号、协商信号、量子密钥、密钥管理信息及设备状态信息等各类信号进行通信。为此，现有发送端设备中通常设置有多种硬件接口，以用作相应的数据接口。如图1所示，现有的一种典型发送端设备中设置有五个硬件接口，即用于输出量子密钥的密钥输出接口、用于收发密钥管理数据的密钥管理接口、用于收发密钥协商数据的密钥协商接口、用于收发网络管理数据的网络管理接口、以及用于量子光信号/同步光信号的光学接口。这种复杂的硬件接口结构不仅要求更大的设备尺寸，而且难以满足不同类型的经典设备对于硬件接口的适配要求，使得目前的发送端设备在便携性和适配性方面存在不足。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明公开了一种用于量子密钥分发的发送端设备，其中，通过设置经典协商单元、经典量子波分复用模块，以及对控制单元的优化设计，使得只需一个通用接口和一个光学接口即可实现发送端设备所需要的数据通道，极大简化设备的外设接口配置，进一步地减小发送端设备的尺寸。同时，还可以对外提供高的数据通信速率和强的扩展性，允许发送端设备方便地与其他经典设备进行融合，增强发送端设备的适用性。

具体而言，该用于量子密钥分发的发送端设备包括发送端模块、经典量子波分复用模块和信号接口；

所述信号接口仅包括一个用于与外部进行数字信号通信的通用接口，以及一个用于与外部进行光学信号通信的光学接口；

所述发送端模块被设置用于生成和输出量子光信号、同步光信号和协商光信号，以及协商生成和输出量子密钥；

所述经典量子波分复用模块设于所述发送端模块和光学接口之间，用于对所述量子光信号、同步光信号和协商光信号进行波分复用。

进一步地，所述发送端模块被设置成允许将不同类型的数据形成于同一数字信号中，且所述不同类型的数据具有不同的协议帧格式。

其中，所述数据的类型可以包括量子密钥、密钥管理数据、网络管理数据和/或设备状态信息数据。

进一步地，所述发送端模块包括随机数发生单元、量子光信号生成单元、同步光信号生成单元、经典协商单元和控制单元；

所述随机数发生单元用于生成随机数；

所述量子光信号生成单元用于生成所述量子光信号；

所述同步光信号生成单元用于生成所述同步光信号；

所述控制单元用于对所述量子光信号生成单元和同步光信号生成单元进行驱动控制，以及协商生成所述量子密钥并对其进行管理；

所述经典协商单元设于所述控制单元和经典量子波分复用模块之间，用于在所述控制单元的直接驱动下，通过光电转换过程生成所述协商光信号。

更进一步地，所述随机数发生单元包括随机数芯片；以及/或者，所述经典协商单元包括光电转换器。

更进一步地，所述控制单元包括处理器和存储器。其中，所述处理器可以借助分离的CPU和FPGA实现，或者借助具有集成驱动功能的处理器实现。

更进一步地，所述量子光信号生成单元包括信号光驱动器、信号光源和光学芯片；

所述信号光驱动器用于基于所述控制单元的控制，向所述信号光源输出信号光驱动信号；

所述信号光源用于根据所述信号光驱动信号生成信号光；

所述光学芯片用于对所述信号光进行编码，生成所述量子光信号。

更进一步地，所述同步光信号生成单元包括同步光驱动器和同步光源；

所述同步光驱动器用于基于所述控制单元的控制，向所述同步光源输出同步光驱动信号；

所述同步光源用于根据所述同步光驱动信号，生成所述同步光信号。

优选地，该发送端设备可以具有不大于120mm*220mm的二维平面尺寸。

优选地，所述经典量子波分复用模块包括波分复用器。

优选地，所述通用接口为PCIE接口。

优选地，所述光学接口为LC/UPC接口。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图来获得其他的附图。

图1示出了现有技术的发送端设备的一种典型结构;

图2示出了根据本发明的用于量子密钥分发的发送端设备的一种示例性实施方式。

具体实施方式

在下文中，本发明的示例性实施例将参照附图来详细描述。下面的实施例以举例的方式提供，以便充分传达本发明的精神给本发明所属领域的技术人员。因此，本发明不限于本文公开的实施例。

图2示出了根据本发明的用于量子密钥分发的发送端设备的一种示例性实施方式。

本发明的发送端设备可以包括发送端模块和经典量子波分复用模块。

发送端模块用于生成和输出量子光信号、同步光信号及协商光信号，以及经协商生成并输出量子密钥。

经典量子波分复用模块与发送端模块形成光路连接，用于将发送端模块输出的量子光信号、同步光信号和协商光信号进行波分复用，以允许量子光信号、同步光信号及协商光信号共用一个光学传输信道(例如单根光纤信道)。

作为优选示例，经典量子波分复用模块可以包括波分复用器。

如图2所示，发送端模块包括随机数发生单元、量子光信号生成单元、同步光信号生成单元、经典协商单元和控制单元。

随机数发生单元用于生成随机数，例如量子随机数。

作为示例，随机数发生单元可以包括随机数芯片。

控制单元生成控制信号，用于控制量子光信号生成单元和同步光信号生成单元生成量子光信号和同步光信号，直接驱动经典协商单元生成协商光信号，以及经协商(进行基矢比对、纠错、隐私放大等)生成量子密钥，并对量子密钥进行管理。

作为示例，控制单元可以基于随机数生成控制信号，用于控制量子光信号生成单元生成量子光信号。

作为示例，控制单元可以包括处理器和存储器，如图2所示那样。

在本发明中，处理器可以借助分离的CPU和FPGA来实现，也可以借助具有集成驱动功能的处理器(例如ZYNQ)来实现。

存储器可以用于数据的缓存。

量子光信号生成单元用于生成量子光信号，可以包括信号光驱动器、信号光源和光学芯片。

信号光驱动器用于根据控制单元的控制信号，向信号光源发送信号光驱动信号。

信号光源用于根据信号光驱动信号，生成信号光。作为示例，信号光源可以为激光器，例如信号光激光器。

光学芯片用于对信号光进行编码，生成量子光信号，其将被发送至经典量子波分复用模块。

同步光信号生成单元用于生成同步光信号，可以包括同步光驱动器和同步光源。

同步光驱动器用于根据控制单元的控制信号，向同步光源发送同步光驱动信号。

同步光源用于根据同步光驱动信号，生成同步光信号，其将被发送至经典量子波分复用模块。作为示例，同步光源可以为激光器，例如同步光激光器。

经典协商单元设置于控制单元和经典量子波分复用模块之间，用于例如由控制单元中的CPU直接驱动，借助光电转换过程生成协商光信号。

作为示例，经典协商单元可以包括光电转换器，以便基于CPU的直接驱动生成协商光信号。

因此，在本发明的发送端设备中，通过设置经典量子波分复用模块，使得允许发送端设备中的多路不同的光信号能够复用同一光路来实现信号的传输，同时通过经典协商单元，借助简单的光电转换作用直接由控制单元驱动生成协商光信号来承载用于量子密钥分发过程的协商数据，因此，可以在发送端设备上设置一个光学接口以连接经典量子波分复用模块，即可满足量子光信号、同步光信号及协商信号等光信号的通信需求，从而允许减少该设备的对外通信接口而避免设置接口所需要的设备空间，同时还可以有效减少例如量子光信号、同步光信号等各种光信号分别与其光学接口连接所需要的光路占据的设备内部空间，最终允许以减小的尺寸实现该发送端设备，使其得以实现尺寸小型化和高集成度。此外，该发送端设备因仅需要单个光纤信道，因此还可以极大节省光纤资源，且使用更为方便。

此外，控制单元还可以将设备运行过程中产生的各种类型的数据，形成于同一数字信号上，以便允许在发送端设备上设置一个通用接口，来满足各种类型的数字数据的通信需求，从而允许减少该设备的对外通信接口(例如密钥输出接口、密钥管理接口、网络管理接口等)，避免设置接口所需要的设备空间。同时，通过设置单一通用接口作为设备数字数据的统一接口，还允许方便地将该小型化的发送端设备与经典设备进行对接，以形成同时具备量子密钥分发和加解密功能的一体机设备。

具体而言，在本发明中，控制单元可以为不同类型的数据定义相应的协议帧格式，使不同类型的数据借助同一数字信号，经由同一通用接口向外发送至宿主设备。宿主设备在接收到该数字信号后，可以通过不同协议帧格式进行解帧，从同一数字信号中将不同类型的数据分离出来，并开展相对应的响应。

作为优选示例，通用接口可以为PCIE接口，由此允许发送端设备以灵活的方式快速与各类经典设备进行接口适配。其中，通用接口可以但不限于用于实现有关量子密钥、密钥管理数据、网络管理数据及各种设备状态数据(例如温度、异常信息等)等数字信号的通信。

作为优选示例，光学接口可以为LC/UPC接口，由此允许发送端设备快速地连接外部光纤信道，以使量子光信号、同步光信号及协商光信号能够复用该光纤信道。

由此可见，相比于现有技术中通常需要为发送端设备配置多个光学和数据接口(例如密钥协商接口、量子光信号/同步光接口、密钥输出接口、密钥管理接口、网络管理接口等)，本发明所提出的发送端设备通过设置经典协商单元、经典量子波分复用模块，以及对控制单元的优化设计，使得只需一个通用接口和一个光学接口即可实现发送端设备所需要的数据通道，极大简化设备的外设接口配置，进一步地减小发送端设备的尺寸，例如，可以将发送端设备的二维平面尺寸(长/宽)进一步缩小为120mm*220mm。同时，还可以对外提供高的数据通信速率和强的扩展性，允许发送端设备方便地与其他经典设备进行融合，增强发送端设备的适用性。

尽管前面结合附图通过具体实施例对本发明进行了说明，但是，本领域技术人员容易认识到，上述实施例仅仅是示例性的，用于说明本发明的原理，其并不会对本发明的范围造成限制，本领域技术人员可以对上述实施例进行各种组合、修改和等同替换，而不脱离本发明的精神和范围。