[发明专利]基于BB84协议的量子密码教学系统及其通信方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种量子保密通信装置，尤其是一种基于BB84协议的量子密码教学系统及其通信方法。

背景技术

现代密码学体系主要基于计算的单向性，其安全性仅有经验保证；量子计算机将使快速分解质因子算法成为可能，从而现有密码体系的基础不复存在。量子保密通信是不同于经典通信的保密通信方式，其具有理论上可被证明的绝对安全性。量子密钥分发（Quantum  Key Distribution）通过操纵和传送量子比特（Qubit）的方法，可在两地之间分发任意长度的一串相同的随机数，即密钥；可以使用该随机数对需要传输的信息进行加密。如果采用 “一次一密”（One-Time Pad）的方式加解密经典信息，则可以保证传输信息的无条件安全。

作为绝对安全的通信方式，量子信息的研究得到了业界广泛的关注，并将在未来得到广泛应用。为了使高校在校学生能熟悉量子通信的主流协议及掌握量子密钥分发的基本原理，有必要研发一套实验教学用的量子密码教学系统。

发明内容

本发明的首要目的在于提供一种能够让学生动手调试、便于学生理解和掌握密钥分发原理的基于BB84协议的量子密码教学系统。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种基于BB84协议的量子密码教学系统，包括用于发射量子信号的量子信号发射机、实验光路以及用于接收量子信号的量子信号接收机，量子信号发射机和量子信号接收机通过实验光路相连，所述的量子信号发射机包括第一FPGA控制器和第一、二、三、四激光器，所述的第一FPGA控制器的信号输出端分别与第一、二、三、四激光器相连，第一FPGA控制器通过接口配置芯片设置第一PC机接口，所述的第一、二、三、四激光器均与实验光路相连。

本发明还公开了一种基于BB84协议的量子密码教学系统的通信方法，该方法包括下列顺序的步骤：

（1）量子信号发射机选择H方向、V方向、+45°方向和-45°方向的偏振态，调整实验光路，使量子信号发射机出口处一个脉冲的平均光子数小于1；

（2）量子信号发射机准备的偏振态通过光纤信道传送至量子信号接收机，量子信号接收机选择HV水平垂直基矢和+45°、-45°基矢对光子进行接收，然后将所使用的基矢序列发送至量子信号发射机，量子信号发射机抛弃量子信号接收机使用错误测量基矢的位，生成原始密钥；

（3）随机选择部分原始密钥进行比对，计算量子信号发射机和量子信号接收机的错误率，若错误率低于设定值，则形成安全密钥，在量子信号发射机和量子信号接收机之间分发安全密钥。

由上述技术方案可知，本发明可以让学生亲自动手通过对实验光路的调试，完成量子密钥分发的过程，并通过加密传输一副图片直观的理解密钥分发与实际有错误出现的分发过程，从而掌握量子密钥分发的基本原理。学生可以选择对原始数据进行分析，自己完成原始数据到成码的后处理过程，加深对量子密钥分发过程的理解。

附图说明

图1是本发明的电路框图；

图2、3分别是本发明中第一、二主控板的电路框图；

图4是本发明的工作流程图。

具体实施方式

一种基于BB84协议的量子密码教学系统，包括用于发射量子信号的量子信号发射机、实验光路1以及用于接收量子信号的量子信号接收机，量子信号发射机和量子信号接收机通过实验光路1相连，如图1所示。

如图1、2所示，所述的量子信号发射机包括第一FPGA控制器2和第一、二、三、四激光器4、5、13、14，所述的第一FPGA控制器2的信号输出端分别与第一、二、三、四激光器4、5、13、14相连，第一FPGA控制器2通过接口配置芯片设置第一PC机接口6，所述的第一、二、三、四激光器4、5、13、14均与实验光路1相连。所述的第一FPGA控制器2焊接封装在第一主控板9上，所述的第一、二激光器4、5焊接封装在第一激光板11上，所述的第三、四激光器13、14焊接封装在第二激光板12上。

如图1、3所示，所述的量子信号接收机包括第二FPGA控制器3和单光子探测器7，所述的第二FPGA控制器3的信号输入端与单光子探测器7相连，单光子探测器7与实验光路1相连，第二FPGA控制器3通过接口配置芯片设置第二PC机接口8。 所述的第二FPGA控制器3焊接封装在第二主控板10上。