專利名稱：增強(qiáng)qkd安全的恒定調(diào)制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及量子加密技術(shù)領(lǐng)域，并且具有量子加密技術(shù)領(lǐng)域的工 業(yè)實(shí)用性，具體地說，本發(fā)明涉及以使得進(jìn)行竊聽更困難的方式在量 子密鑰交換(QKD)系統(tǒng)中操作調(diào)制器從而增強(qiáng)系統(tǒng)的安全性的方法， 并且具有關(guān)于該方法的工業(yè)實(shí)用性。
背景技術(shù)：
量子密鑰發(fā)布包括在發(fā)送者("Alice")和接收者("Bob")之間 通過使用在"量子信道"上發(fā)送的弱光信號(hào)(即平均0.1光子)或"量 子比特(qubit)"來建立密鑰。密鑰發(fā)布的安全性是基于量子力學(xué)原 理的在未知狀態(tài)下量子系統(tǒng)的任何的測(cè)量將改變其狀態(tài)。因而，嘗 試截取或測(cè)量量子比特的竊聽者("Eve")將引入錯(cuò)誤并且顯示她的 存在。
由Bennett和Brassard在他們的文章"Quantum Cryptography: Public key distribution and coin tossing", Proceedings of the International Conference on Computers, System and Signal Processing, Bangalore, India, 1984， pp. 175-179 (IEEE， New York, 1984)中首次闡述了量子加密的一般原理。Bennett的第5，307，410號(hào) 美國專利，以及C. H, Bennett的題為"Quantum Cryptography Using Any Two Non-Orthogonal States", Phys. Rev. Lett. 68 3121 (1992)的 文章中描述了具體的QKD系統(tǒng)。
在 Bouwmeester 等的書籍"The Physics of Quantum Information", Springer-Verlag 2001， in section 2.3， page 27-33中描述 了執(zhí)行QKD的一般過程。在QKD過程期間，Alice使用隨機(jī)數(shù)生成 器(RNG)來生成用于基準(zhǔn)的隨機(jī)比特("基準(zhǔn)比特，，)以及用于密鑰 的隨機(jī)比特("密鑰比特")，以(例如使用偏振或相位編碼)創(chuàng)建量 子比特，并將該量子比特發(fā)送到Bob。
上述Bennett的參考文獻(xiàn)都描述了 一種所謂的"單向"QKD系統(tǒng)， 其中，Alice在系統(tǒng)的一端對(duì)單光子的偏振或相位隨機(jī)地編碼，而Bob 在系統(tǒng)的另外一端隨機(jī)地測(cè)量光子的偏振或相位。在Bennett于1992 年的論文中描述的單向系統(tǒng)是以兩個(gè)光纖Mach-Zehnder干涉儀為基 礎(chǔ)的。Alice和Bob都可以接入干涉儀系統(tǒng)的各部分，從而均可以控 制干涉儀的相位。在發(fā)送期間，為了補(bǔ)償熱漂移，需要將干涉儀活動(dòng) 地穩(wěn)定在量子信號(hào)波長的一部分之內(nèi)。
Gisin的第6，438，234號(hào)美國專利公開了一種所謂的"雙向，，QKD 系統(tǒng)，其采用了自動(dòng)補(bǔ)償干涉儀，該自動(dòng)補(bǔ)償干涉儀是由德國Joachim Meier博士發(fā)明并通過1995(使用德文)"Stabile Interferometrie des nichtlinearen Brechzahl-Koefflzienten von Quarzglasfasern der optischen Nachrichtentechnik，" Joachim Meier. - Als Ms. gedr..-Diisseldorf: VDI-Verl.， Nr. 443， 1995 (ISBN 3誦18國344308-2)發(fā)表的。 因?yàn)镸eier干涉儀自動(dòng)補(bǔ)償偏振和熱變化，所以以其為基礎(chǔ)的雙向 QKD系統(tǒng)通常比單向系統(tǒng)更加不易受環(huán)境影響。
在'243專利的雙向QKD系統(tǒng)中，Alice包括光相位調(diào)制器和 Faraday鏡。該相位調(diào)制器配備有從一組調(diào)制中隨機(jī)選出的調(diào)制。所 述調(diào)制被定時(shí)為與來自Bob的兩個(gè)光脈沖中的一個(gè)的到達(dá)相一致。其 后，所述脈沖被發(fā)送回到Bob,其中所述脈沖中的一個(gè)已經(jīng)被調(diào)制。 剩下的脈沖信號(hào)同樣地在Bob處被調(diào)制。這些脈沖被干涉，并且得到 的干涉脈沖被檢測(cè)。重復(fù)該過程，并且采用通常的QKD協(xié)議和程序 在Alice和Bob之間建立安全密鑰。
必要的是，潛在的竊聽者(Eve)不能夠辨別Alice的相位調(diào)制器的
活動(dòng)。如果竊聽者獲知Alice的調(diào)制器的狀態(tài)，她將能夠推斷出所交 換的脈沖(量子比特)的值。僅當(dāng)活動(dòng)地調(diào)制量子比特時(shí)，Alice的調(diào)制器的活動(dòng)對(duì)于QKD 系統(tǒng)才由意義。當(dāng)在Alice的附近不存在量子比特時(shí)，調(diào)制器的值是 無意義的，這是因?yàn)闆]有東西被調(diào)制.因此，當(dāng)沒有量子比特出現(xiàn)時(shí)， 現(xiàn)在的QKD系統(tǒng)會(huì)讓調(diào)制器休息.然而，因?yàn)楦`聽者Eve可以關(guān)注 于調(diào)制器的狀態(tài)中的變化，所以這使得她的竊聽任務(wù)相當(dāng)容易。如果 Alice的調(diào)制器僅當(dāng)它在調(diào)制量子比特的時(shí)候才是活動(dòng)的，則如果竊 聽者Eve具有電磁干擾(EMI)測(cè)量能力或探測(cè)光束能力，則她僅需 要檢察相對(duì)少量的信息來確定如何調(diào)制量子比特。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的一方面是一種以使竊聽者更難獲得關(guān)于系統(tǒng)的調(diào)制器 狀態(tài)信息的方式操作具有調(diào)制器的QKD系統(tǒng)的方法。該方法包括 將與量子比特的預(yù)期到達(dá)時(shí)間關(guān)聯(lián)的選通間隔對(duì)應(yīng)的第一隨機(jī)調(diào)制 提供給調(diào)制器。該方法還包括在選通間隔之外，將第二隨機(jī)調(diào)制提 供給調(diào)制器。結(jié)果基本上是恒定調(diào)制被應(yīng)用于調(diào)制器(例如Alice的 調(diào)制器)，從而嘗試獲得關(guān)于調(diào)制器狀態(tài)的信息的竊聽者需要計(jì)算什 么調(diào)制器狀態(tài)是與編碼量子比特真正關(guān)聯(lián)的.通過將控制信號(hào)提供給調(diào)制器來實(shí)現(xiàn)在量子比特的預(yù)期到達(dá)時(shí) 間期間(即在"選通間隔"期間)調(diào)制器的激活。通過將"超時(shí)信號(hào) (jabber signal)"提供給調(diào)制器來實(shí)現(xiàn)在選通間隔之外調(diào)制器的激 活?？梢杂杀惶峁┯衼碜噪S機(jī)數(shù)生成器(RNG)的隨機(jī)數(shù)的電壓控制 器(調(diào)制器驅(qū)動(dòng)器)來生成所述控制信號(hào)和超時(shí)信號(hào)，其是從單個(gè) RNG或兩個(gè)不同RNG得到的。所提供的隨機(jī)數(shù)用于從與QKD協(xié)議 關(guān)聯(lián)的一組可用的調(diào)制器相位(例如^=+3"/4,-3"/4，"/4和—"4 )中隨 機(jī)選擇調(diào)制器相位。


圖l是適用于執(zhí)行本發(fā)明的方法的雙向QKD系統(tǒng)的示意圖；以
及
圖2是控制信號(hào)、超時(shí)信號(hào)和同步信號(hào)的時(shí)序示圖，示出控制 信號(hào)在各個(gè)同步信號(hào)附近的選通間隔期間如何激活調(diào)制器，以及超時(shí) 信號(hào)在選通間隔之外的時(shí)間間隔期間如何激活調(diào)制器。
具體實(shí)施例方式
圖1是雙向QKD系統(tǒng)10的示意圖，該系統(tǒng)具有兩個(gè)由光纖鏈 路FL鏈接的QKD站Bob和Alice。 Bob包括光學(xué)系統(tǒng)20,適用 于生成兩個(gè)相干光脈沖Pl和P2。光學(xué)系統(tǒng)20還包括相位調(diào)制器 MB、激光源LS和可變衰減器22B,相位調(diào)制器MB耦合到電壓控制 器VB，電壓控制器VB耦合到隨機(jī)數(shù)生成器單元RNG-B。 RNG-B 接著連接到控制器30B?？刂破?0B還耦合到光系統(tǒng)20。 Bob還包 括可操作地耦合到光系統(tǒng)20和控制器30的檢測(cè)器單元40。 檢測(cè)器 單元40包括兩個(gè)單光子探測(cè)器(SPD) 41和42.
Alice包括相位調(diào)制器MA，相位調(diào)制器MA在一端光耦合到光 纖鏈路FL，而在相對(duì)一端光耦合到Faraday鏡FM。 Alice還可選地 包括可變衰減器22A,位于調(diào)制器MA的上游。Alice還包括電壓 控制器VA，耦合到相位調(diào)制器MA;以及隨機(jī)數(shù)生成器RNG-A1， 耦合到電壓控制器。在示例實(shí)施例中，Alice還包括第二隨機(jī)信號(hào)生 成器RNG-A2，耦合到電壓控制器VA。 Alice還包括控制器30A，耦 合到隨機(jī)數(shù)生成器RNG-A1和RNG-A2。
Bob的控制器30B經(jīng)由同步信道(SC)(光學(xué)地或電子地)連 接到Alice的控制器30B，以經(jīng)由同步信號(hào)SS來同步對(duì)Alice和Bob 的操作。具體地說，相位調(diào)制器MA和MB的操作由控制器30A和 30B通過交換與待調(diào)制的量子比特(脈沖)的預(yù)期到達(dá)時(shí)間對(duì)應(yīng)的同 步信號(hào)SS來協(xié)調(diào)。
操作方法 在操作QKD系統(tǒng)10的示例實(shí)施例中，Bob的控制器30B經(jīng)由 激活信號(hào)SO來激活光系統(tǒng)20，以生成具有正交偏振的相關(guān)光脈沖PI 和P2。這些脈沖通過Bob的仍舊未激活的調(diào)制器MB,并且可選地 通過衰減脈沖信號(hào)的可變衰減器22。其后，所述脈沖信號(hào)經(jīng)由光纖鏈 路FL傳輸Alice。其后，脈沖PI和P2通過Alice的仍舊未激活的相位調(diào)制器MA。 所述脈沖通過Faraday鏡FM被反射，這使得脈沖的偏振旋轉(zhuǎn)90°。隨 著所述脈沖傳輸回去通過調(diào)制器MA, Alice讓第一脈沖PI未經(jīng)調(diào)制 地通過，但是對(duì)第二脈沖P2的相位進(jìn)行調(diào)制，(即對(duì)第二脈沖P2 施加相位偏移^)。在Alice處對(duì)脈沖P2的調(diào)制由控制器30A來實(shí)施，控制器30A 向隨機(jī)數(shù)生成器RNG-A1提供定時(shí)良好的信號(hào)Sl，隨機(jī)數(shù)生成器 RNG-A1向電壓控制器VA提供代表隨機(jī)數(shù)的信號(hào)S2。響應(yīng)于此，電 壓控制器VA將隨機(jī)選擇的電壓控制信號(hào)SA(例如 r[+k/4]^[-^"]，r[+w司或v[—W4])發(fā)送到調(diào)制器ma，以將相位調(diào)制設(shè)置為對(duì)應(yīng)的隨機(jī)選擇的相位偏移^ = +3"/4，-3^4,"喊。其后，兩個(gè)脈沖P1和P2通過衰減器22A，衰減器22A確保脈 沖是單光子級(jí)別(即統(tǒng)計(jì)上每個(gè)脈沖具有一個(gè)或更少的光子)。所述 脈沖傳輸回到Bob,在Bob處，脈沖P2無改變地通過調(diào)制器MB, 但是在Bob處，Bob將隨機(jī)選擇的相位偏移^施加到脈沖Pl。所述 調(diào)制由控制器30B實(shí)施，控制器30B向隨機(jī)數(shù)生成器RNG-B提供定 時(shí)良好的信號(hào)S3， RNG-B向電壓控制器VB提供代表隨機(jī)數(shù)的信號(hào) S4。響應(yīng)于此，電壓控制器VB將隨機(jī)選擇的電壓控制信號(hào)SB (即F[+;r"]或V[-;r"])發(fā)送到調(diào)制器MB，以將相位調(diào)制設(shè)置為對(duì)應(yīng)的值+ 7^74或一"/4 。此外，脈沖P1和P2進(jìn)入光系統(tǒng)20，在光系統(tǒng)20處，它們被重 新組合以進(jìn)行干涉。布置SPD 41和42， 從而由SPD 41檢測(cè)相長干 涉(H0 )，而由SPD42檢測(cè)相消干擾(Ht )。當(dāng)Bob施加與Alice相同的基本相位時(shí)，SPD 41中的計(jì)數(shù)指示
二進(jìn)制的0，而SPD42中的計(jì)數(shù)指示二進(jìn)制的1。然而，當(dāng)Bob的基 本相位不同于Alice的基本相位時(shí)，不存在相關(guān)性，SPD 41或42中 的計(jì)數(shù)以相同的概率結(jié)束(wind up)(也就是說，干涉的脈沖具有 50:50的機(jī)會(huì)在任一 SPD中被檢測(cè))。經(jīng)由檢測(cè)器信號(hào)S40把檢測(cè)單 元40中的得到的所檢測(cè)到的信號(hào)發(fā)送到控制器30B,其中所檢測(cè)到 的相位連同施加到調(diào)制器MB的調(diào)制狀態(tài)一起被保存起來。
恒定調(diào)制
迄今QKD系統(tǒng)10操作的描述的基本上是現(xiàn)有技術(shù)的操作，其 中，Alice的調(diào)制器將仍舊為禁用，除非它接收到被定時(shí)為與從 Faraday鏡FM反射的光脈沖P2的到達(dá)時(shí)間相一致的電壓信號(hào)SA。 然而，在現(xiàn)有技術(shù)方案中，能夠獲得關(guān)于相位調(diào)制器MA的調(diào)制狀態(tài) 信息的竊聽者僅需要關(guān)心測(cè)量，而不必關(guān)心所述測(cè)量是否和真實(shí)的量 子比特調(diào)制(即脈沖PI和P2的調(diào)制)有關(guān)。
因此，本發(fā)明通過即使當(dāng)不存在當(dāng)前待調(diào)制的量子比特時(shí)也激活 調(diào)制器MA來對(duì)現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)。在此情況下，竊聽者Eve將需要 篩選多得多的數(shù)據(jù)以找到真實(shí)地調(diào)制量子比特的短時(shí)間段。
圖2是示出與如同步信號(hào)SS所指示的量子比特的預(yù)期到達(dá)有關(guān) 的調(diào)制器MA的調(diào)制的時(shí)序圖。在示例實(shí)施例中，預(yù)期到達(dá)時(shí)間與同 步信號(hào)SS關(guān)聯(lián)的量子比特的調(diào)制按照前面的描述執(zhí)行。典型地，同 步信號(hào)SS的占空比非常低，例如在0.5。/。的量級(jí)上。這樣的低占空比 表示竊聽者可以"偵聽，，量子比特調(diào)制以獲得量子比特?cái)?shù)據(jù)的時(shí)間段 非常短。
因此，在被稱為"選通間隔"GI的預(yù)期到達(dá)時(shí)間附近的短時(shí)間段 內(nèi)，調(diào)制器MA被來自電壓控制器VA的控制信號(hào)SA所激活。這在 圖2中示出為在同步信號(hào)SS附近的選通間隔GI內(nèi)，控制信號(hào)SA 從0變?yōu)? (即從關(guān)閉變?yōu)榇蜷_)。在實(shí)踐中需要注意，信號(hào)SA具 有與待設(shè)置的相位對(duì)應(yīng)的電壓。
在選通間隔GI之外，控制器30A經(jīng)由激活信號(hào)S5來激活隨機(jī) 數(shù)生成器RNG-A2，以通過信號(hào)S6將隨機(jī)數(shù)發(fā)送到電壓控制器VA， 反過來，信號(hào)S6使得電壓控制器VA將"超時(shí)信號(hào)"SJ發(fā)送到調(diào)制器 MA。還應(yīng)注意，和控制信號(hào)SA—樣，實(shí)際中的超時(shí)信號(hào)SJ具有與 隨機(jī)選擇的相位對(duì)應(yīng)的電壓。還應(yīng)注意，優(yōu)選的是，超時(shí)信號(hào)SJ具 有和控制信號(hào)SJ相同的信號(hào)寬度，從而這兩個(gè)信號(hào)對(duì)于竊聽者是不 可辨別的。在圖2中，值"0"和"1"與是否啟動(dòng)特定模式(即量子比特調(diào)制模 式或者超時(shí)調(diào)制模式)對(duì)應(yīng)。為了示出的原因，還示出了控制信號(hào)(即 量子比特調(diào)制信號(hào))SA和超時(shí)信號(hào)SJ (未按比例繪制)?？刂菩盘?hào)SA和超時(shí)信號(hào)SJ的組合基本上導(dǎo)致調(diào)制器MA的恒 定隨機(jī)調(diào)制，而不是僅在與量子比特的預(yù)期到達(dá)關(guān)聯(lián)的短的選通間隔 期間(隨機(jī)地)激活調(diào)制器。超時(shí)信號(hào)SJ在超時(shí)模式期間隨機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)制器MA，這與控制信 號(hào)SA在量子比特調(diào)制模式期間隨機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)制器MA是一樣的，但在 超時(shí)模式下，不期望出現(xiàn)需要調(diào)制的量子比特。因此，傾向于辨別與 對(duì)量子比特進(jìn)行編碼關(guān)聯(lián)的調(diào)制器MA的調(diào)制狀態(tài)的竊聽者不再受益 于假設(shè)每次調(diào)制都是為了量子比特的情況?，F(xiàn)在，竊聽者的額外負(fù)擔(dān) 在于評(píng)估哪些調(diào)制事件真正與量子比特調(diào)制對(duì)應(yīng)，哪些調(diào)制事件只 是超時(shí)調(diào)制。在示例實(shí)施例中，由控制器30A中的FPGA或者其他一些這樣 的定時(shí)設(shè)備TD來確定在與"超時(shí)模式"對(duì)應(yīng)的選通間隔附近的時(shí)間 窗。具體地說，定時(shí)設(shè)備TD為可以出現(xiàn)量子比特調(diào)制的所有可能的 最差情況時(shí)間段附近的超時(shí)信號(hào)SJ建立時(shí)間窗。因此，如上所述， 定時(shí)設(shè)備TD確定何時(shí)經(jīng)由RNG-A2向調(diào)制器MA提供超時(shí)調(diào)制。注 意，在可選實(shí)施例中，Alice僅使用一個(gè)隨機(jī)數(shù)生成器(例如RNG-A1 ) 以創(chuàng)建控制調(diào)制和超時(shí)調(diào)制?？刂破?0A記錄在選通間隔期間將哪個(gè)相位調(diào)制應(yīng)用于調(diào)制器 MA，從而可以使用已知的QKD協(xié)議和程序在Alice和Bob之間建立 安全密鑰。
雖然已經(jīng)結(jié)合優(yōu)選實(shí)施例描述了本發(fā)明，但應(yīng)理解，本發(fā)明不僅 限于此。反之，本發(fā)明傾向于覆蓋可包括在所附權(quán)利要求中定義的精 神和范圍內(nèi)的所有替換、修改和等同物。
權(quán)利要求
1、一種操作具有調(diào)制器的QKD系統(tǒng)的方法，該方法包括以下步驟在選通間隔期間向調(diào)制器提供第一隨機(jī)調(diào)制，其中，每個(gè)選通間隔與量子比特的預(yù)期到達(dá)對(duì)應(yīng)；以及在所述選通間隔之外，向調(diào)制器提供第二隨機(jī)調(diào)制。
2、 如權(quán)利要求l所述的方法，其中，所述笫一隨機(jī)調(diào)制由來自 第一隨機(jī)數(shù)生成器的第一信號(hào)產(chǎn)生，而所述第二隨機(jī)調(diào)制由來自笫二 隨機(jī)數(shù)生成器的第二信號(hào)產(chǎn)生。
3、 如權(quán)利要求1所述的方法，包括步驟從單個(gè)隨機(jī)數(shù)生成器 提供所述第 一和笫二隨機(jī)調(diào)制。
4、 如權(quán)利要求1所述的方法，包括步驟提供所述第一和笫二 調(diào)制從而對(duì)所述調(diào)制器進(jìn)行恒定調(diào)制。
5、 一種提高具有調(diào)制器的QKD站的安全性的方法，該方法包 括以下步驟在與量子比特的各個(gè)預(yù)期到達(dá)時(shí)間關(guān)聯(lián)的選通間隔期間，隨機(jī)地 對(duì)調(diào)制器進(jìn)行調(diào)制；以及在選通間隔之外，隨機(jī)地對(duì)調(diào)制器進(jìn)行調(diào)制。
6、 如權(quán)利要求5所述的方法，包括步驟記錄在選通間隔期間 所進(jìn)行的調(diào)制，以在QKD系統(tǒng)的兩個(gè)QKD站之間建立安全密鑰。
7、 一種操作QKD系統(tǒng)中的調(diào)制器的方法，該方法包括以下步通過選擇調(diào)制，恒定地、隨機(jī)地對(duì)調(diào)制器進(jìn)行調(diào)制，而不管量子 比特是否預(yù)期會(huì)通過所述調(diào)制器；以及記錄實(shí)際對(duì)量子比特進(jìn)行調(diào)制的所述調(diào)制。
8、 如權(quán)利要求7所述的方法，包括步驟在調(diào)制器處使用與量 子比特的預(yù)期到達(dá)時(shí)間對(duì)應(yīng)的同步信號(hào)以識(shí)別將要記錄的所述調(diào)制。
全文摘要
公開了一種改進(jìn)QKD系統(tǒng)(10)安全性的方法。該方法包括以控制信號(hào)(SA)在選通間隔(GI)內(nèi)并以超時(shí)信號(hào)(SJ)在選通間隔之外隨機(jī)地調(diào)制QKD站Alice中的調(diào)制器(MA)，同時(shí)記錄在選通間隔期間所進(jìn)行的那些調(diào)制。這樣連續(xù)的調(diào)制防止竊聽者假設(shè)這些調(diào)制直接與量子比特調(diào)制對(duì)應(yīng)。因此，竊聽者具有附加的威懾的任務(wù)在她可以開始從已檢測(cè)到的調(diào)制器的調(diào)制狀態(tài)中提取信息之前，確定哪些調(diào)制與真正的量子比特調(diào)制對(duì)應(yīng)。
文檔編號(hào)H04L9/08GK101120535SQ200580041089
公開日2008年2月6日 申請(qǐng)日期2005年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月21日
發(fā)明者喬納?！? 哈里·維格, 小J·豪威爾·米查爾, 艾麗克塞·特里弗諾弗 申請(qǐng)人:Magiq技術(shù)公司