[发明专利]一种基于量子光源的量子密码实现方法

说明书

本发明公开了一种基于量子光源的量子密码实现方法，该方法经PDC过程产生标记单光子源，信号光发送给接收端，休闲光用于本地探测。发送端的本地探测包含一个分束器(BS)和两个探测器(D1、D2)，休闲光经过分束器后触发两个探测器，产生四种不同的响应事件，记录并利用这四种不同的响应事件对接收端接收的信号进行估计和处理，提取密钥。由于使用了新型被动式诱骗态方法，单光子的响应率和误码率能够被准确估计；此外由于使用低损耗的不等臂MZ干涉仪，系统自身损耗得到大幅度降低；然后使用单模标准商用光线实现了超过200km的基于量子光源的QKD系统传输距离，最终的密钥提取率比之前使用量子光源的QKD系统高出两个数量级。

技术领域

本发明涉及一种基于量子光源的量子密码实现方法，具体涉及一种量子光源，适用于量子通信、量子密码等应用技术领域。

背景技术

基于量子力学理论，QKD(Quantum Key Distribution，量子密钥分配)能够以无条件安全的方式在合法通信双方(Alice和Bob)之间发送密钥，再结合现代密码体制中的一次一密算法，从而能够实现无条件安全的保密信息传输。但是实际上，由于光源、设备、传输信道等的不理想，窃听者(Eve)可以利用这些缺点采取相应的攻击，因而并不能实现量子力学所赋予的绝对安全。针对以上缺点已出现时移攻击、光子数分离攻击和特洛伊木马攻击等，同时各种协议和方案也被提出以抵抗这些攻击。其中，诱骗态方法成为实现QKD系统的首选，它能有效提升量子密码的实际性能。

目前为止，关于诱骗态QKD系统已进行了大量理论研究和实验研究。理论上，与WCS(Weak Coherent Source，弱相干光源)相比，使用PDC(Parametric-Down Conversion，参量下转换)过程产生HSPS(Heralded Single-Photon Source，标记单光子光源)和量子点或NV色心产生SPS(Single-Photon Source，单光子光源)都拥有较高概率的单光子，因而似乎更适合量子密钥传输。但在实际的量子密码方案中，由于以往的基于量子光源的协议和系统存在一些缺陷，实际性能较差，因而大多数QKD系统中使用的是WCS。

在产生HSPS的常规方案中，常用SAPD(Silicon Avalanche Photo-Diode，硅雪崩二极管)作为单光子探测器进行本地探测，而探测器的饱和阈值会限制泵浦功率和信号光的强度，因而最优强度的信号态的不能达到。此外，使用目前的技术，由于耦合效率和探测效率的不理想，经PDC过程产生的光子对具有较低的符合率，导致HSPS的标记效率较低，这显然会降低使用HSPS协议的密钥提取率。而且在使用相位编码的QKD系统中，信号光需要通过Mach-Zehnder(MZ)或Faraday-Michslson干涉仪，通常会有较大的系统损耗，当使用量子光源时影响尤为严重。因此，迄今基于量子光源的QKD实验还很少，而且大部分与WCS相比性能较差。

发明内容

本发明目的在于针对上述现有技术的不足，提出了一种基于量子光源的量子密码实现方法，该方法应用于QKD传输系统中，经PDC过程产生标记单光子源，信号光发送给接收端，休闲光用于本地探测。发送端的本地探测包含一个分束器(BS)和两个探测器(D1、D2)，休闲光经过分束器后触发两个探测器，产生四种不同的响应事件，记录并利用这四种不同的响应事件对接收端接收的信号进行估计和处理，提取密钥。由于使用了新型被动式诱骗态方法，单光子的响应率和误码率能够被准确估计；此外由于使用低损耗的不等臂MZ干涉仪，系统自身损耗得到大幅度降低；然后使用单模标准商用光线实现了超过200km的基于量子光源的QKD系统传输距离，最终的密钥提取率比之前使用量子光源的QKD系统高出两个数量级。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种基于量子光源的量子密码实现方法，该方法主要包括如下步骤：