一种集成量子随机数发生器的量子密钥分发发送端的制作方法

1.本发明涉及保密通信技术领域，特别涉及一种集成量子随机数发生器的量子密钥分发发送端。


背景技术：

2.量子密钥分发（quantum key distribution，qkd）可以为远距离的通信双方提供无条件安全的密钥分发，其信息理论安全性由量子力学的基本原理来保障。目前，bb84协议量子密钥分发系统日益成熟，已走向实用化。现有的qkd系统的发送端一般都采用独立的随机数发生器来产生用于诱骗态、量子态选择的随机数。其中一类常用的是各种物理随机数源，其速率较高，但是安全性差。若采用更高安全性的高速量子随机数发生器（quantum random number generator，qrng），则需要额外的激光器、干涉仪或其他光器件以及独立的数据采集处理模块，大大增加了qkd系统的复杂度和成本。
3.为了解决上述问题，专利cn112994877b提供了一种基于光开关切换量子随机数产生和量子密钥分发过程的方案，然而该方案中两个过程不能同时进行，并且仅复用了激光器来进行量子随机数产生，另外其采用的是光子到达时间的量子随机数生成方案，需要采用时间数字转换器和单光子雪崩二极管，具有速率低、复杂度高等缺点。专利cn113037468b和cn112968768b则在qkd发送端集成了基于真空涨落的qrng，然而该方案需要达到散粒噪声极限的零差探测器，难以满足高速需求。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在以上缺陷，本发明提出一种集成量子随机数发生器的量子密钥分发发送端。
5.本发明的技术方案是这样实现的：一种集成量子随机数发生器的量子密钥分发发送端，包括激光器ld、分束模块、光强调制模块、由第一分束器bs1和第二分束器bs2构成的不等臂干涉仪、第一调相器 pm1、可调光衰减器 voa、光电探测器和主控模块；激光器ld用于产生周期为t的具有随机相位的光脉冲；分束模块用于将光脉冲分束成第一分量和第二分量；光强调制模块用于将第一分量调制为信号态或诱骗态，并使其周期变为2t；不等臂干涉仪的长短臂延时差为t，用于使从第一分束器bs1一个输入端口入射的第一分量产生出从第二分束器bs2一个输出端口出射且时间间隔为t的两个时间模式；以及用于使从第二分束器bs2另一个输出端口入射的第二分量的前后脉冲进行干涉，产生从第一分束器bs1另一个输入端口出射的随机光强信号；第一调相器pm1用于调制第一分量中两个时间模式之间的相位差，以实现相位编码；可调光衰减器voa用于将经过相位编码的第一分量衰减到单光子量级，产生量子
态；光电探测器用于将随机光强信号转换为随机电信号；主控模块用于触发激光器ld；并用于将随机电信号进行模数转换并采样，产生初始随机比特后通过后处理算法得到量子随机数；以及用于根据产生的量子随机数给光强调制模块和第一调相器pm1提供驱动电压优选地，所述分束模块为第三分束器bs3。
6.优选地，所述分束模块为第一偏振分束器pbs1，第一偏振分束器pbs1输入端口的保偏光纤慢轴与水平偏振方向夹角为45
°
。
7.优选地，所述光强调制模块为强度调制器im。
8.优选地，所述光强调制模块包括环形器cir、第四分束器bs4和第二调相器pm2，第四分束器bs4的两个输出端口分别通过不等长的保偏光纤连接第二调相器pm2的两端，构成第一环形结构；环形器cir的第一端口、第二端口、第三端口分别对应地与分束模块的一个输出端口、第四分束器bs4的输入端口、第一分束器bs1的一个输入端口相连。
9.优选地，所述光强调制模块包括第二偏振分束器pbs2、第三调相器pm3和起偏器pol，第二偏振分束器pbs2两个输入端口的保偏光纤慢轴均与水平偏振方向夹角为45
°
；第二偏振分束器pbs2的两个输出端口分别通过不等长的保偏光纤连接第三调相器pm3的两端，构成第二形结构；第二偏振分束器pbs2的两个输入端口分别对应地与分束模块的一个输出端口、起偏器pol的输入端口相连；起偏器pol的输出端口与第一分束器bs1的一个输入端口相连。
10.优选地，所述后处理算法为基于快速傅里叶变换的toeplitz矩阵算法：构toeplitz矩阵，将其与原始随机序列相乘，得到提取后的量子随机数。
11.优选地，第一调相器pm1位于第二分束器bs2的一个输出端口。
12.优选地，第一调相器pm1位于不等臂干涉仪的长臂上。
13.与现有技术相比，本发明有以下有益效果：本发明提出一种集成量子随机数发生器的量子密钥分发发送端，通过复用激光器和干涉仪，并将随机数信号采集处理模块与qkd主控模块集成，可以实现量子随机数和量子密钥分发同时进行，降低了系统的复杂度和成本。另外，采用光电探测器可实现高速量子随机数产生，能够满足量子密钥分发诱骗态调制和量子态编码的需求。
附图说明
14.图1为本发明集成量子随机数发生器的量子密钥分发发送端的原理框图；图2为本发明集成量子随机数发生器的量子密钥分发发送端中第一分量的演化示意图；图3为本发明集成量子随机数发生器的量子密钥分发发送端中第二分量的演化示意图；图4为本发明集成量子随机数发生器的量子密钥分发发送端的第一实施例原理框图；图5为本发明集成量子随机数发生器的量子密钥分发发送端的第二实施例原理框图；
图6为本发明集成量子随机数发生器的量子密钥分发发送端的第三实施例原理框图。
具体实施方式
15.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明进行清楚、完整地描述。
16.如图1所示，一种集成量子随机数发生器的量子密钥分发发送端，包括激光器ld、分束模块、光强调制模块、由第一分束器bs1和第二分束器bs2构成的不等臂干涉仪、第一调相器pm1、可调光衰减器voa、光电探测器和主控模块；激光器ld用于产生周期为t的具有随机相位的光脉冲；分束模块用于将光脉冲分束成第一分量和第二分量；光强调制模块用于将第一分量调制为信号态或诱骗态，并使其周期变为2t；不等臂干涉仪的长短臂延时差为t，用于使从第一分束器bs1一个输入端口入射的第一分量产生出从第二分束器bs2一个输出端口出射且时间间隔为t的两个时间模式；以及用于使从第二分束器bs2另一个输出端口入射的第二分量的前后脉冲进行干涉，产生从第一分束器bs1另一个输入端口出射的随机光强信号；第一调相器pm1用于调制第一分量中两个时间模式之间的相位差，以实现相位编码；可调光衰减器voa用于将经过相位编码的第一分量衰减到单光子量级，产生量子态；光电探测器用于将随机光强信号转换为随机电信号；主控模块用于触发激光器ld；并用于将随机电信号进行模数转换并采样，产生初始随机比特后通过后处理算法得到量子随机数；以及用于根据产生的量子随机数给光强调制模块和第一调相器pm1提供驱动电压。
17.后处理算法为基于快速傅里叶变换的toeplitz矩阵算法：构toeplitz矩阵，将其与原始随机序列相乘，得到提取后的量子随机数。
18.第一调相器pm1位于第二分束器bs2的一个输出端口。
19.具体工作原理如下：主控模块触发激光器ld产生周期为t的具有随机相位的光脉冲，光脉冲经分束模块分束成第一分量和第二分量。
20.如图2所示，第一分量经光强调制模块调制为信号态或诱骗态，并使其周期变为2t，即光强调制模块对第一分量的每个脉冲进行强度调制，将序号为奇数（或偶数）的脉冲强度随机调制为信号态所需的光强或诱骗态所需的光强，并将序号为偶数（或奇数）的脉冲强度调为0，使得输出的第一分量的脉冲周期变为2t，且每个脉冲被调制成信号态或诱骗态。
21.随后第一分量从第一分束器bs1的一个输入端口入射至不等臂干涉仪，其每个脉冲被分束成两路分别沿不等臂干涉仪长短臂传播的脉冲，最后从第二分束器bs2的一个输出端口出射时间间隔为t的两个子脉冲，分别作为前一个时间模式和后一个时间模式；其中后一个时间模式经过第一调相器pm1调制相位φ，经可调光衰减器voa衰减到单
光子量级后可得编码量子态为
22.如图3所示，第二分量从第二分束器bs2的另一个输出端口入射至不等臂干涉仪，其中前一个脉冲反向经过不等臂干涉仪的长臂，后一个脉冲经过不等臂干涉仪的短臂后同时到达第一分束器bs1进行干涉，由于激光器ld产生的每一个光脉冲的相位是随机的，因此干涉产生随机光强信号，从第一分束器bs1的另一个输入端口出射。
23.脉冲激光器ld产生含有随机相位的水平偏振态的光脉冲信号，其电场可写为
24.其中，分别为光脉冲信号的幅度、频率、相位。
[0025][0026]
经光电探测器探测并滤除直流分量后产生的随机电信号为
[0027]
其中，为光电探测器的探测效率，为不同光脉冲信号之间的相位差。
[0028]
通过模数转换模块将随机电信号转换为数字信号，即为原始随机比特，随后根据后处理算法，如托普利兹矩阵乘法等，对随机原始随机比特的随机性进行提取，最终输出具有真随机性的量子随机数。
[0029]
产生的量子随机数转换为相应的驱动电压用于强度调制器im进行信号态或诱骗态随机调制，以及第一调相器pm1进行随机相位调制。
[0030]
如图4所示，实施例一：分束模块为第三分束器bs3，光强调制模块为强度调制器im，第一调相器pm1位于第二分束器bs2的一个输出端口。
[0031]
实施例一具体工作过程包括为：主控模块触发激光器ld产生周期为t的具有随机相位的光脉冲，光脉冲经第三分束器bs3分束成第一分量和第二分量。
[0032]
第一分量经强度调制器im调制光强，对其每个脉冲进行强度调制，将序号为奇数（或偶数）的脉冲强度随机调制为信号态所需的光强或诱骗态所需的光强，并将序号为偶数（或奇数）的脉冲强度调为0，使得输出的第一分量的脉冲周期变为2t，且每个脉冲被调制成信号态或诱骗态。
[0033]
随后第一分量从第一分束器bs1的一个输入端口入射至不等臂干涉仪，其每个脉
冲被分束成两路分别沿不等臂干涉仪长短臂传播的脉冲，最后从第二分束器bs2的一个输出端口出射时间间隔为t的两个子脉冲，分别作为前一个时间模式和后一个时间模式；其中后一个时间模式经过第一调相器pm1调制相位φ，经可调光衰减器voa衰减到单光子量级后可得编码量子态为
[0034]
第二分量从第二分束器bs2的另一个输出端口入射至不等臂干涉仪，其中前一个脉冲反向经过不等臂干涉仪的长臂，后一个脉冲经过不等臂干涉仪的短臂后同时到达第一分束器bs1进行干涉，由于激光器ld产生的每一个光脉冲的相位是随机的，因此干涉产生随机光强信号，从第一分束器bs1的另一个输入端口出射。
[0035]
脉冲激光器ld产生含有随机相位的水平偏振态的光脉冲信号，其电场可写为
[0036]
其中，分别为光脉冲信号的幅度、频率、相位。
[0037][0038]
经光电探测器探测并滤除直流分量后产生的随机电信号为
[0039]
其中，为光电探测器的探测效率，为不同光脉冲信号之间的相位差。
[0040]
通过模数转换模块将随机电信号转换为数字信号，即为原始随机比特，随后根据后处理算法，如托普利兹矩阵乘法等，对随机原始随机比特的随机性进行提取，最终输出具有真随机性的量子随机数。
[0041]
产生的量子随机数转换为相应的驱动电压用于强度调制器im进行信号态或诱骗态随机调制，以及第一调相器pm1进行随机相位调制。
[0042]
如图5所示，实施例二：分束模块为第一偏振分束器pbs1，第一偏振分束器pbs1输入端口的保偏光纤慢轴与水平偏振方向夹角为45
°
。
[0043]
光强调制模块包括环形器cir、第四分束器bs4和第二调相器pm2，第四分束器bs4的两个输出端口分别通过不等长的保偏光纤连接第二调相器pm2的两端，构成第一环形结构；环形器cir的第一端口、第二端口第三端口分别对应地与分束模块的一个输出端口、第四分束器bs4的输入端口、第一分束器bs1的一个输入端口相连。
[0044]
第一调相器pm1位于第二分束器bs2的一个输出端口。
[0045]
实施例二具体工作过程包括为：主控模块触发激光器ld产生周期为t的具有随机相位的光脉冲，光脉冲进入第一偏振分束器pbs1，由于其输入端口的保偏光纤慢轴与水平偏振方向夹角为45
°
，因此光脉冲被旋转为45
°
偏振，被其偏振分束成第一分量和第二分量。
[0046]
第一分量从第一偏振分束器pbs1透射，为水平偏振，经环形器cir进入第四分束器bs4的输入端口，随后被分束成两个幅度和偏振均相同的分量，分别沿顺时针和逆时针在第一环形结构中传播。由于第二调相器pm2两端的保偏光纤长度不等，这两个分量经过第二调相器pm2的时间不同，可以用第二调相器pm2对二者调制不同的相位。由于二者在第一环形结构中经历了相同的光程，除了被第二调相器pm2调制不同的相位，因此二者在同时回到第四分束器bs4的两个输出端口进行干涉时，被第二调相器pm2调制的不同相位之差即为二者的相位差θ。调节不同的相位差θ可以从第四分束器bs4分别输出信号态、诱骗态或0。因此，对第一分量每个脉冲进行强度调制，将序号为奇数（或偶数）的脉冲强度随机调制为信号态所需的光强或诱骗态所需的光强，并将序号为偶数（或奇数）的脉冲强度调为0，使得输出的第一分量的脉冲周期变为2t，且每个脉冲被调制成信号态或诱骗态。
[0047]
随后第一分量经环形器cir从第一分束器bs1的一个输入端口入射至不等臂干涉仪，其每个脉冲被分束成两路分别沿不等臂干涉仪长短臂传播的脉冲，最后从第二分束器bs2的一个输出端口出射时间间隔为t的两个子脉冲，分别作为前一个时间模式和后一个时间模式；其中后一个时间模式经过第一调相器pm1调制相位φ，经可调光衰减器voa衰减到单光子量级后可得编码量子态为
[0048]
第二分量从第一偏振分束器pbs1反射，为竖直偏振，从第二分束器bs2的另一个输出端口入射至不等臂干涉仪，其中前一个脉冲反向经过不等臂干涉仪的长臂，后一个脉冲经过不等臂干涉仪的短臂后同时到达第一分束器bs1进行干涉，由于激光器ld产生的每一个光脉冲的相位是随机的，因此干涉产生随机光强信号，从第一分束器bs1的另一个输入端口出射。
[0049]
脉冲激光器ld产生含有随机相位的水平偏振态的光脉冲信号，其电场可写为
[0050]
其中，分别为光脉冲信号的幅度、频率、相位。
[0051][0052]
经光电探测器探测并滤除直流分量后产生的随机电信号为
[0053]
其中，为光电探测器的探测效率，为不同光脉冲信号之间的相位差。
[0054]
通过模数转换模块将随机电信号转换为数字信号，即为原始随机比特，随后根据后处理算法，如托普利兹矩阵乘法等，对随机原始随机比特的随机性进行提取，最终输出具有真随机性的量子随机数。
[0055]
产生的量子随机数转换为相应的驱动电压用于光强调制模块进行信号态或诱骗态随机调制，以及第一调相器pm1进行随机相位调制。
[0056]
如图6所示，实施例三：分束模块为第一偏振分束器pbs1，第一偏振分束器pbs1输入端口的保偏光纤慢轴与水平偏振方向夹角为45
°
。
[0057]
光强调制模块包括第二偏振分束器pbs2、第三调相器pm3和起偏器pol，第二偏振分束器pbs2两个输入端口的保偏光纤慢轴均与水平偏振方向夹角为45
°
；第二偏振分束器pbs2的两个输出端口分别通过不等长的保偏光纤连接第三调相器pm3的两端，构成第二形结构；第二偏振分束器pbs2的两个输入端口分别对应地与分束模块的一个输出端口、起偏器pol的输入端口相连；起偏器pol的输出端口与第一分束器bs1的一个输入端口相。
[0058]
第一调相器pm1位于不等臂干涉仪的长臂上。
[0059]
实施例三具体工作过程包括为：主控模块触发激光器ld产生周期为t的具有随机相位的光脉冲，光脉冲进入第一偏振分束器pbs1，由于其输入端口的保偏光纤慢轴与水平偏振方向夹角为45
°
，因此光脉冲被旋转为45
°
偏振，被其偏振分束成第一分量和第二分量。
[0060]
第一分量从第一偏振分束器pbs1透射，为水平偏振，进入第二偏振分束器pbs2的输入端口，偏振旋转45
°
后被其偏振分束成两个幅度相等、偏振相互垂直分量，分别沿顺时针和逆时针在第二环形结构中传播。由于第三调相器pm3两端的保偏光纤长度不等，这两个分量经过第三调相器pm3的时间不同，可以用第三调相器pm3对二者调制不同的相位。由于二者在第二环形结构中经历了相同的光程，除了被第三调相器pm3调制不同的相位，因此二者在同时回到第二偏振分束器pbs2的两个输出端口进行偏振合束时，被第三调相器pm3调制的不同相位之差即为二者的相位差θ。二者偏振合束后被旋转45
°
，相应的偏振态为
[0061]
随后经起偏器pol只通过水平偏振态，相应的归一化光强为 。即调节不同的相位差θ可以从起偏器pol分别输出信号态、诱骗态或0。因此，对第一分量每个脉冲进行强度调制，将序号为奇数（或偶数）的脉冲强度随机调制为信号态所需的光强或诱骗态所需的光强，并将序号为偶数（或奇数）的脉冲强度调为0，使得输出的第一分量的脉冲
周期变为2t，且每个脉冲被调制成信号态或诱骗态。
[0062]
随后第一分量从第一分束器bs1的一个输入端口入射至不等臂干涉仪，其每个脉冲被分束成两路分别沿不等臂干涉仪长短臂传播的脉冲，最后从第二分束器bs2的一个输出端口出射时间间隔为t的两个子脉冲，分别作为前一个时间模式和后一个时间模式；其中后一个时间模式经过第一调相器pm1调制相位φ，经可调光衰减器voa衰减到单光子量级后可得编码量子态为
[0063]
第二分量从第一偏振分束器pbs1反射，为竖直偏振，从第二分束器bs2的另一个输出端口入射至不等臂干涉仪，其中前一个脉冲反向经过不等臂干涉仪的长臂，后一个脉冲经过不等臂干涉仪的短臂后同时到达第一分束器bs1进行干涉，由于激光器ld产生的每一个光脉冲的相位是随机的，因此干涉产生随机光强信号，从第一分束器bs1的另一个输入端口出射。
[0064]
脉冲激光器ld产生含有随机相位的水平偏振态的光脉冲信号，其电场可写为
[0065]
其中，分别为光脉冲信号的幅度、频率、相位。
[0066][0067]
经光电探测器探测并滤除直流分量后产生的随机电信号为
[0068]
其中，为光电探测器的探测效率，为不同光脉冲信号之间的相位差。
[0069]
通过模数转换模块将随机电信号转换为数字信号，即为原始随机比特，随后根据后处理算法，如托普利兹矩阵乘法等，对随机原始随机比特的随机性进行提取，最终输出具有真随机性的量子随机数。
[0070]
产生的量子随机数转换为相应的驱动电压用于光强调制模块进行信号态或诱骗态随机调制，以及第一调相器pm1进行随机相位调制。
[0071]
综合本发明各个实施例可知，本发明提出一种集成量子随机数发生器的量子密钥分发发送端，通过复用激光器和干涉仪，并将随机数信号采集处理模块与qkd主控模块集成，可以实现量子随机数和量子密钥分发同时进行，降低了系统的复杂度和成本。另外，采用光电探测器可实现高速量子随机数产生，能够满足量子密钥分发诱骗态调制和量子态编
码的需求。

技术特征：
1.一种集成量子随机数发生器的量子密钥分发发送端，其特征在于，包括激光器ld、分束模块、光强调制模块、由第一分束器bs1和第二分束器bs2构成的不等臂干涉仪、第一调相器 pm1、可调光衰减器 voa、光电探测器和主控模块；激光器ld用于产生周期为t的具有随机相位的光脉冲；分束模块用于将光脉冲分束成第一分量和第二分量；光强调制模块用于将第一分量调制为信号态或诱骗态，并使其周期变为2t；不等臂干涉仪的长短臂延时差为t，用于使从第一分束器bs1一个输入端口入射的第一分量产生出从第二分束器bs2一个输出端口出射且时间间隔为t的两个时间模式；以及用于使从第二分束器bs2另一个输出端口入射的第二分量的前后脉冲进行干涉，产生从第一分束器bs1另一个输入端口出射的随机光强信号；第一调相器pm1用于调制第一分量中两个时间模式之间的相位差，以实现相位编码；可调光衰减器voa用于将经过相位编码的第一分量衰减到单光子量级，产生量子态；光电探测器用于将随机光强信号转换为随机电信号；主控模块用于触发激光器ld；并用于将随机电信号进行模数转换并采样，产生初始随机比特后通过后处理算法得到量子随机数；以及用于根据产生的量子随机数给光强调制模块和第一调相器pm1提供驱动电压。2.根据权利要求1所述的集成量子随机数发生器的量子密钥分发发送端，其特征在于，所述分束模块为第三分束器bs3。3.根据权利要求1所述的集成量子随机数发生器的量子密钥分发发送端，其特征在于，所述分束模块为第一偏振分束器pbs1，第一偏振分束器pbs1输入端口的保偏光纤慢轴与水平偏振方向夹角为45
°
。4.根据权利要求1或2或3所述的集成量子随机数发生器的量子密钥分发发送端，其特征在于，所述光强调制模块为强度调制器im。5.根据权利要求1或2或3所述的集成量子随机数发生器的量子密钥分发发送端，其特征在于，所述光强调制模块包括环形器cir、第四分束器bs4和第二调相器pm2，第四分束器bs4的两个输出端口分别通过不等长的保偏光纤连接第二调相器pm2的两端，构成第一环形结构；环形器cir的第一端口、第二端口、第三端口分别对应地与分束模块的一个输出端口、第四分束器bs4的输入端口、第一分束器bs1的一个输入端口相连。6.根据权利要求1或2或3所述的集成量子随机数发生器的量子密钥分发发送端，其特征在于，所述光强调制模块包括第二偏振分束器pbs2、第三调相器pm3和起偏器pol，第二偏振分束器pbs2两个输入端口的保偏光纤慢轴均与水平偏振方向夹角为45
°
；第二偏振分束器pbs2的两个输出端口分别通过不等长的保偏光纤连接第三调相器pm3的两端，构成第二形结构；第二偏振分束器pbs2的两个输入端口分别对应地与分束模块的一个输出端口、起偏器pol的输入端口相连；起偏器pol的输出端口与第一分束器bs1的一个输入端口相连。7.根据权利要求1所述的集成量子随机数发生器的量子密钥分发发送端，其特征在于，所述后处理算法为基于快速傅里叶变换的toeplitz矩阵算法：构toeplitz矩阵，将其与原始随机序列相乘，得到提取后的量子随机数。8.根据权利要求1所述的集成量子随机数发生器的量子密钥分发发送端，其特征在于，第一调相器pm1位于第二分束器bs2的一个输出端口。
9.根据权利要求1所述的集成量子随机数发生器的量子密钥分发发送端，其特征在于，第一调相器pm1位于不等臂干涉仪的长臂上。

技术总结
本发明属于保密通信技术领域，公开了一种集成量子随机数发生器的量子密钥分发发送端，包括激光器LD、分束模块、光强调制模块、由第一分束器BS1和第二分束器BS2构成的不等臂干涉仪、第一调相器PM1、可调光衰减器VOA、光电探测器和主控模块。与现有技术相比，本发明提出一种集成量子随机数发生器的量子密钥分发发送端，通过复用激光器和干涉仪，并将随机数信号采集处理模块与QKD主控模块集成，可以实现量子随机数和量子密钥分发同时进行，降低了系统的复杂度和成本。另外，采用光电探测器可实现高速量子随机数产生，能够满足量子密钥分发诱骗态调制和量子态编码的需求。骗态调制和量子态编码的需求。骗态调制和量子态编码的需求。


技术研发人员：赵义博 王东 冯小青 赵志远 屈秀秀
受保护的技术使用者：北京中科国光量子科技有限公司
技术研发日：2023.08.25
技术公布日：2023/9/22