(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202011583323.X
(22)申请日 2020.12.28
(71)申请人 华南师范大学
地址 510000 广东省广州市番禺区外环西
路378号华南师范大学信息光电子科
技学院
(72)发明人 郭邦红 华希铭 胡敏
(74)专利代理机构 广州圣理华知识产权代理有
限公司 44302
代理人 顿海舟 李唐明
(51)Int.Cl.
H04L 9/08(2006.01)
H04B 10/70(2013.01)
(54)发明名称
一种多用户TF-QKD网络系统及方法
(57)摘要
本发明公开了一种多用户TF ‑QKD网络系统
及方法，该系统包括N个发送端，N个测量端，N个
测量端及N个光路选择模块通过所述环形量子网
制器，光衰减器；所述测量端配置为发射单光子
干涉，包含两个单光子探测器和一个分束器；其
实现了多用户同时进行多组TF ‑QKD协议的方案，
在长距离量子通信下具有较高的成码率，能抵御
对测量端的攻击，并具有拓展性，可不断增加用
户，并实现任意两用户的量子信息能在任意一测
量端进行探测的功能，大大提高了量子网络资源
的利用率，
同时节省了大量的量子网络资源。权利要求书2页 说明书5页 附图4页CN 112688776 A 2021.04.20
C N 112688776
A
1.一种多用户TF ‑QKD网络系统，其特征在于，包括N个发送端，N个测量端，N个光路选择模块及环形量子网络；N个发送端，N个测量端及N个光路选择模块通过所述环形量子网络相连；其中，N≥2；
所述发送端包含激光器，强度调制器，两个相位调制器，光衰减器；其中，所述激光器配置为发射相干光源；所述强度调制器配置为制备诱惑态，所述两个相位调制器配置为对单光子态进行相位编码及相位随机化；所述光衰减器配置为将激光器的脉冲强度衰减至单光子级别；
所述测量端配置为发生单光子干涉，其包含两个单光子探测器和一个分束器；
所述光路选择模块设有五个端口，五个端口配置为输入、输出或双向端口；其中，光路选择模块一侧具有两个端口，分别为第一双向端口和第一输出端口；其另一侧具有三个端口，分别为第一输入端口、第二双向端口和第二输出端口；所述第一输出端口、第二输出端口均与测量端相连，第一双向端口、第一 输入端口均与环形量子网络相连，第二双向端口连接有法拉第镜，所述法拉第镜配置为将输出的量子信号反射后，以相反方向重新输入光路选择模块。
2.如权利要求1所述的多用户TF ‑QKD网络系统，其特征在于，所述光路选择模块配置为对输入的信号选择不同的端口输出，由第一双向端口输入的信号可以从第二输出端口或第二双向端口输出，由第一输入端口、第二双向端口输入的信号可以从第一双向端口或第一输出端口输出。
3.如权利要求1所述的多用户TF ‑QKD网络系统，其特征在于，所述环形量子网络为双向结构，即量子信号在环形网络中沿顺时针传输或沿逆时针传输。
4.如权利要求1所述的多用户TF ‑QKD网络系统，其特征在于，所述多用户TF ‑QKD网络系统增加用户数时，每增加一个用户，则增加一组发送端、光路选择模块及测量端。
5.如权利要求1所述的多用户TF ‑QKD网络系统，其特征在于，所述多用户TF ‑QKD网络系统配置为同时支持N组TF ‑QKD进行，任一用户所发送的量子信号可到达环形量子网络的任一测量端，实现一个用户与多个用户进行通信。
6.如权利要求1所述的多用户TF ‑QKD网络系统，其特征在于，在所述多用户TF ‑QKD网络系统中，TF ‑QKD的成码率为
其中，Q μ是总增益，E μ是错误率，为单光子增益下限，为单光子错误率上限。
7.一种多用户TF ‑QKD网络系统的方法，其特征在于，应用于如权利要求1～6任一项所述多用户TF ‑QKD网络系统；所述方法包括以下步骤：
步骤一：通信双方通过发射端将经过强度调制器、两个相位调制器、光衰减器后的量子信号发送到量子网络中；
步骤二：通信双方的量子信号沿逆时针进入与其距离最近的光路选择模块；
步骤三：根据双方协商一致的测量端位置，通信双方的量子信号进入光路选择模块，并从该光路选择模块的第二输出端口输出至测量端；或该量子信号从该光路选择模块的第二双向端口输出至法拉第镜内且经反射后再次进入光路选择模块，随后从该光路选择模块的
第一输出端口输出至测量端或从第一双向端口进入环路；
步骤四：通信双方的量子信号在同一光路选择模块分别从第一输出端口及第二输出端口输出至测量端；
步骤五：通信双方的量子信号在测量端发生单光子干涉，根据单光子探测器的情况进行成码；
步骤六：通信双方进行后处理操作。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述后处理操作包括误码估计、纠错和隐私放大。
一种多用户TF‑QKD网络系统及方法
技术领域
[0001]本发明涉及量子保密通信及光通信领域，具体涉及一种多用户TF‑QKD网络系统及方法。
背景技术
[0002]量子通信是基于量子力学的一种在理论上无条件安全的通信方式，使得通信双方(一般称为发送方Alice、接收方Bob)能在窃听者(Eve)存在的情况下实现安全通信。量子密钥分发(Quantum Key Distribution，QKD)作为量子通信的核心技术之一，始终是量子通信领域的研究重点。然而实际的QKD系统受环境、现有技术等的制约，存在着各种各样的安全漏洞；同时由于量子通信是处于单光子级别，因此受环境噪声、传输损耗等的影响，量子通信的距离和成码率也受到了很大的限制。从1984年，由Bennett和Brassard提出的历史上的第一个QKD协议——BB84协议，到后来2012年，由Lo等人提出的能
抵御测量端攻击的测量设备无关(Measurement Device Independent,MDI)‑QKD协议，研究人员一直在致力于提高QKD的安全性，传输距离，成码率等，以期能获得一个尽可能更优异的QKD系统。
[0003]2017年，由Stefano Pirandola等人提出了无中继情况下，点对点量子通信成码率的极限值R，即PLOB界，它与信道传输率η的关系如下
[0004]R≤‑log
(1‑η)
2
[0005]在文章中提到，通过量子中继有可能打破这个理论限制，然而以目前的技术水平暂时无法实现量子中继。到2018年，在相位调制MDI‑QKD基础上，Lucamarini等人提出了基于单光子干涉的双场(Twin‑Field,TF)‑QKD协议。TF‑QKD协议在保留了MDI‑QKD的免疫探测器攻击的优点下，突破了PLOB界，提高了量子密钥速率，大大提高了远距离无中继量子通信情况下的成码率。
[0006]但是，目前的TF‑QKD只能实现一对一的量子通信。然而，随着量子通信的发展，网络化已经是必然的趋势，一对一量子通信已经不能满足量子网络多节点、多用户的需求，2015年，富尧等人就提出了一种基于GHZ纠缠态后选择的多方MDI‑QKD方案，同年，徐飞虎等人提出了一种基于W态的多方MDI
‑QKD方案。但是这些方案都只是基于MDI‑QKD协议的方案，目前所实现的最长距离MDI‑QKD实验(404km)的成码率仅仅只有10‑12数量级。在大面积覆盖的量子网络中，需要进行远距离量子通信时，这样的成码率显然是远远不够的。
发明内容
[0007]为了解决上述存在的技术问题，本发明提出了一种多用户TF‑QKD网络系统及方法。
[0008]为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
[0009]一种多用户TF‑QKD网络系统，包括N个发送端，N个测量端，N个光选择模块及量子信道，其中：TF‑QKD是一种基于相位调制的QKD协议，其本质是单光子干涉，通过将两个相干态的相位进行匹配，将信息编码在整体相位上，从而使得成码率具体说明如下，
在原始的TF ‑QKD协议中，通信双方(分别为发送方Alice与接收方Bob)发送的态如下：
[0010]
[0011]
[0012]其中，|0＞和|1＞分别为真空态和单光子态，和
为所制备的单光子态相位，
且当选择X基进行编码时当选择Y基编码时当发送方Alice与接收方Bob的量子态在测量端发生干涉时，演化为
[0013]
[0014]其中,SPD0和SPD1是测量端的两个单光子探测器，则当时，SPD0和SPD1有且仅有一个会相应，且响应概率为
[0015]
[0016]
[0017]可知干涉结果与发送方Alice和接收方Bob的相位差有关，而不单独与发送方Alice和接收方Bob所调节相位相关。因此TF ‑QKD实际上是单光子干涉，信息的编码是整体的相位，也即测量端没有办法判断，该单光子是来自于发送方Alice还是接收方Bob。TF ‑QKD 的成码率为
[0018]
[0019]
其中Q μ是总增益，E μ是错误率，为单光子增益下限，为单光子错误率上限。[0020]具体的，上述的一种多用户TF ‑QKD网络系统，包括N个发送端，
N个测量端，N个光路选择模块及环形量子网络；N个发送端，N个测量端及N个光路选择模块通过所述环形量子网络相连；其中，N≥2；
[0021]所述发送端包含激光器，强度调制器，两个相位调制器，光衰减器；其中，所述激光
器配置为发射相干光源；
所述强度调制器配置为制备诱惑态，两个相位调制器配置为对单光子态进行相位编码及相位随机化；所述光衰减器配置为将激光器的脉冲强度衰减至单光子级别；
[0022]所述测量端发射的是单光子干涉，包含两个单光子探测器(DET)和一个分束器(BS)；
[0023]所述光路选择模块设有五个端口，五个端口配置为输入、输出或双向端口(即该双向端口既可以输入，亦可以输出)；其中，光路选择模块一侧具有两个端口，分别为第一双向端口和第一输出端口；其另一侧具有三个端口，分别为第一输入端口、第二双向端口和第二
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