光子流安全通信方法

1.本发明属于量子通信技术领域，具体涉及一种光子流安全通信方法(photon steam secure communication,pssc)。


背景技术：

2.量子通信的保密手段是使用密码，其安全性取决于量子纠缠的不可克隆定理、不确定性原理和非定域关联特性。自1984年提出第一个量子通信方案，即bb84协议以来，迄今已发展出多种通信模式。典型的模式有量子密钥分配(quantumkeydistribution，qkd)、量子隐形传态(quantum teleportation，qt)和量子安全直接通信(quantum secure direct communication，qsdc)。量子通信的“硬”技术包括如量子密钥服务器、量子加密通信设备、经典信道共纤技术等等。量子通信的“硬”技术问题可以抽象为“技术安全漏洞”和“技术支撑不足”两类。例如，qkd需要利用经典信道交换信息，eve利用“拦截再发攻击”有75％的概率得到alice和bob创建的裸码，即没有进行后处理的编码，这种情形属于“技术安全漏洞”。同样以“拦截再发攻击”为例，eve之所以有攻击的机会，是因为qkd依赖的多项技术条件尚未成熟。
3.近几年qkd模式取得了显著的进展。如提出了测量设备无关量子密钥分发(measurement device independent qkd，mdi-qkd)协议、双场量子密钥分发(twin-field quantum qkd,tf-qkd)协议等。mdi-qkd可以使探测端信道免受攻击，但严格要求光源稳定可信，即需要“硬技术”的支持；tf-qkd旨在突破光纤信道传输距离对成码率的限制，同样需要“硬技术”的支持，例如需要实现两个独立激光源的高对比度干涉，以及对全局基矢相位的快速监测。中国率先在tf-qkd应用领域取得了突破，实现了833公里光纤信道量子密钥分发。这一成果基于一系列“硬技术”的突破，例如独立光源的超稳光学频率同步技术、高带宽信道相位补偿技术、高信噪比单光子探测信号甄别技术等。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于针对一些需要专线通信的应用场景，给出一种相对简单、现有技术可以支撑的模式，使之既能够充分利用量子通信的“原理性安全”优势，又能够弥补现有“硬”技术的不足，因此提供一种光子流安全通信方法即pssc，alice和bob之间的发送信道仅用于传输不携带信息的纠缠态光子。
5.本发明涉及一种光子流安全通信方法，其工作原理是：alice利用[发送信道]向bob发送偏振纠缠光子流，基于量子纠缠的非定域关联与隐形传态特性、借助工业级光电器件实现纠缠光子的非定域关联与隐形传态，籍此实现通信功能。
[0006]
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种光子流安全通信方法，实现如下：
[0007]
纠缠光子源连续输出偏振纠缠光子对形成光子流，纠缠光子对中的一路通过发送信道发送给bob，具体过程是首先经偏振器滤除垂直偏振线偏振光，再经发送信道、检偏器和光电探测器使bob得到编码信息；另一路进入alice侧，经延迟器、偏振方向旋转器后自行
湮灭；alice依据信息编码的需要，通过编码器控制偏振方向旋转器的偏振方向在0～90
°
范围内变化，将需要发送的信息调制加载到光路中：
[0008]
偏振方向旋转器的偏振方向为0
°
时，alice侧垂直偏振的纠缠光子的偏振方向为0
°
，发送信道中垂直偏振的纠缠光子经偏振器在发送信道入口处滤除，alice信道中相应的水平偏振纠缠光子坍缩；基于量子纠缠的非定域关联特性设置检偏器的偏振轴，使与alice侧垂直偏振纠缠光子相对应的bob侧的水平偏振纠缠光子完全通过检偏器，光电探测器探测到的光强最大，相应的信息编码为1；
[0009]
偏振方向旋转器的偏振方向为90
°
时，alice侧垂直偏振的纠缠光子的偏振方向旋转至90
°
，发送信道中垂直偏振的纠缠光子经偏振器在发送信道入口处滤除，alice信道中相应的水平偏振纠缠光子坍缩；基于量子纠缠的非定域关联特性设置检偏器的偏振轴，使与alice侧垂直偏振纠缠光子相对应的bob侧的水平偏振纠缠光子不能通过检偏器，光电探测器探测到的光强最小，相应的信息编码为0；
[0010]
光电探测器输出的电脉冲信号即为信息编码，籍此实现alice与bob之间的单端通信。
[0011]
在本发明一实施例中，alice控制偏振方向旋转器的偏振方向在0～90
°
的范围内变化，0
°
时对应的信息编码为1，90
°
时对应的信息编码为0，籍此将需要发送的信息调制加载到光路中。
[0012]
在本发明一实施例中，所述延迟器的作用是补偿发送信道的时延，使纠缠光子对中的一个光子在alice的光路中到达位置a时，纠缠光子对中的另一个光子在bob的光路中到达位置a’，以保证偏振方向旋转器的作用有效。
[0013]
在本发明一实施例中，所述量子纠缠的非定域关联的作用是将位置a之前的光路与位置a’之后的光路连接在一起，构成一个完整的通信光路；信息传送是通过aa’之间量子纠缠的非定域关联和隐形传态作用实现的，发送信道提供所需的纠缠光子流。
[0014]
以上方案同样适用于卫星保密通信。可以采用ii类自发参量下转换偏振纠缠光子源，以获得更大的发送功率；同时可以避开光纤信道的衰减与噪声，以获得更好的通信效果。
[0015]
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明及其优选方案当中光子不携带信息、不要求成码率、不需要单光子探测、不需要量子基操作等，因此对光源和信道的要求不高，易于实现。可以适用于专线通信，如政府、军队、公安、企业的保密专线或专网，异地数据中心的数据传输等。
附图说明
[0016]
图1是本发明光子流安全通信方法技术实施例方案示意图。
[0017]
图中包括：[纠缠光子源]、[偏振器]、[发送信道]，[检偏器]，[光电探测器]，[延迟器]，[偏振方向旋转器]，[编码器]。
具体实施方式
[0018]
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
[0019]
应该指出，以下详细说明都是示例性的，除非另有指明，以下说明使用的技术和科
学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0020]
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0021]
本发明实施例针对一些需要专线通信的应用场景，给出一种相对简单、现有技术可以支撑的模式，使之既能够充分利用量子通信的“原理性安全”优势，又能够弥补现有“硬”技术的不足。这一模式即pssc。alice和bob之间的发送信道仅用于传输不携带信息的纠缠态光子。具体技术方案如下：
[0022]
如图1所示，[纠缠光子源]连续输出偏振纠缠光子对形成光子流，纠缠光子对中的一路通过[发送信道]发送给bob，首先经[偏振器]滤除垂直偏振线偏振光，再经[发送信道]、[检偏器]和[光电探测器]使bob得到编码信息；另一路进入alice的信道，经[延迟器]、[偏振方向旋转器]后自行湮灭；alice依据信息编码的需要，通过[编码器]控制[偏振方向旋转器]的偏振方向在0～90
°
范围内变化，将需要发送的信息调制加载到光路中：[偏振方向旋转器]的偏振方向为0
°
时，alice侧垂直偏振的纠缠光子的偏振方向为0
°
，[发送信道]中垂直偏振的纠缠光子经[偏振器]在[发送信道]入口处滤除，alice信道中相应的水平偏振纠缠光子坍缩；基于量子纠缠的非定域关联特性设置[检偏器]的偏振轴，使与alice侧垂直偏振纠缠光子相对应的bob侧的水平偏振纠缠光子可以完全通过[检偏器]，[光电探测器]探测到的光强最大，相应的信息编码为1；[偏振方向旋转器]的偏振方向为90
°
时，alice侧垂直偏振的纠缠光子的偏振方向旋转至90
°
，[发送信道]中垂直偏振的纠缠光子经[偏振器]在[发送信道]入口处滤除，alice信道中相应的水平偏振纠缠光子坍缩；基于量子纠缠的非定域关联特性设置[检偏器]的偏振轴，使与alice侧垂直偏振纠缠光子相对应的bob侧的水平偏振纠缠光子不能通过[检偏器]，[光电探测器]探测到的光强最小，相应的信息编码为0；则[光电探测器]输出的电脉冲信号即为信息编码，籍此实现alice与bob之间的单端通信。
[0023]
pssc的量子模型如下：
[0024]
由偏振纠缠光子源产生的双光子偏振纠缠态为：
[0025][0026]
其中h，v分别代表水平偏振和垂直偏振，代表水平偏振与垂直偏振之间的相位差。
[0027]
当alice利用[编码器]控制[偏振方向旋转器]，使纠缠光子的偏振方向旋转了一个设定的角度θ，bob纠缠光子的偏振角度同时改变了θ，此时纠缠光子对之间的相位为α：
[0028][0029]
此时双光子偏振纠缠态为：
[0030][0031]
bob的光电探测相当于对光子偏振态的退相干操作，导致纠缠态坍缩，则有50％的概率坍缩为|h》态、50％的概率坍缩为|v》态，即：
[0032][0033]
pssc的光学模型如下：
[0034]
纠缠光子源输出线偏振光，琼斯矩阵为：
[0035][0036]
设置检偏器偏振轴的角度为β，则线偏振光经检偏后的出射光强为：
[0037]io
＝iicos2(β)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0038]
alice利用[编码器]控制[偏振方向旋转器]使alice端纠缠光子的偏振方向旋转θ＝0或90
°
，基于纠缠光子的非定域特性，bob端纠缠光子的偏振方向同时旋转了θ＝0
°
或90
°
，则出射光强为：
[0039]io
＝iicos2(β+θ)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
((7)
[0040]
设β＝0
°
，当θ＝0，根据式(7)得到出射光强为：
[0041]io
＝iiꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0042]
光电探测器探测到的光强最大。
[0043]
当β＝0
°
，θ＝90
°
，根据式(7)得到出射光强为:
[0044]io
＝0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0045]
光电探测器探测到的光强最小。
[0046]
由pssc的光学模型可见，alice依据信息编码的需要控制[偏振方向旋转器]，使纠缠光子的偏振方向发生变化。bob通过[检偏器]和[光电探测器]将光强的变化转换为电脉冲信号，最后得到信息编码，实现了alice与bob之间的通信。
[0047]
pssc的安全性分析如下：就保密通信而言，最安全的方式是“手对手”信息传递，pssc能够做到这一点。alice送出信息和bob收到信息是同一时刻发生的，甚至不存在“手对手”传递的时间。这就如同alice送给bob一台电脑，但是拿来的却是一盒空气，在bob打开盒子的瞬间alice把电脑隔空放了进去，实现了电脑馈送。这就是量子通信的神奇魅力。因此，pssc与其他量子通信模式一样，具有“原理性安全”优势。
[0048]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
[0049]
本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的光子流安全通信方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。

技术特征：
1.一种光子流安全通信方法，其特征在于，实现如下：纠缠光子源连续输出偏振纠缠光子对形成光子流，纠缠光子对中的一路通过发送信道发送给bob，具体过程是首先经偏振器滤除垂直偏振线偏振光，再经发送信道、检偏器和光电探测器使bob得到编码信息；另一路进入alice侧，经延迟器、偏振方向旋转器后自行湮灭；alice依据信息编码的需要，通过编码器控制偏振方向旋转器的偏振方向在0～90
°
范围内变化，将需要发送的信息调制加载到光路中：偏振方向旋转器的偏振方向为0
°
时，alice侧垂直偏振的纠缠光子的偏振方向为0
°
，发送信道中垂直偏振的纠缠光子经偏振器在发送信道入口处滤除，alice信道中相应的水平偏振纠缠光子坍缩；基于量子纠缠的非定域关联特性设置检偏器的偏振轴，使与alice侧垂直偏振纠缠光子相对应的bob侧的水平偏振纠缠光子完全通过检偏器，光电探测器探测到的光强最大，相应的信息编码为1；偏振方向旋转器的偏振方向为90
°
时，alice侧垂直偏振的纠缠光子的偏振方向旋转至90
°
，发送信道中垂直偏振的纠缠光子经偏振器在发送信道入口处滤除，alice信道中相应的水平偏振纠缠光子坍缩；基于量子纠缠的非定域关联特性设置检偏器的偏振轴，使与alice侧垂直偏振纠缠光子相对应的bob侧的水平偏振纠缠光子不能通过检偏器，光电探测器探测到的光强最小，相应的信息编码为0；光电探测器输出的电脉冲信号即为信息编码，籍此实现alice与bob之间的单端通信。2.根据权利要求1所述的光子流安全通信方法，其特征在于，alice控制偏振方向旋转器的偏振方向在0～90
°
的范围内变化，0
°
时对应的信息编码为1，90
°
时对应的信息编码为0，籍此将需要发送的信息调制加载到光路中。3.根据权利要求1所述的光子流安全通信方法，其特征在于，所述延迟器的作用是补偿发送信道的时延，使纠缠光子对中的一个光子在alice的光路中到达位置a时，纠缠光子对中的另一个光子在bob的光路中到达位置a’，以保证偏振方向旋转器的作用有效。4.根据权利要求3所述的光子流安全通信方法，其特征在于，所述量子纠缠的非定域关联的作用是将位置a之前的光路与位置a’之后的光路连接在一起，构成一个完整的通信光路；信息传送是通过aa’之间量子纠缠的非定域关联和隐形传态作用实现的，发送信道提供所需的纠缠光子流。

技术总结
本发明涉及一种光子流安全通信方法。其原理是：Alice利用[发送信道]向Bob发送偏振纠缠光子流，基于量子纠缠的非定域关联与隐形传态特性、借助工业级光电器件实现纠缠光子的非定域关联与隐形传态，籍此实现通信功能。本方法的光子不携带信息、不要求成码率、不需要单光子探测、不需要量子基操作、不需要经典信道等，因此纠缠对光子源和发送信道的要求不高，易于实现。实现。实现。


技术研发人员：徐启峰 黄奕钒
受保护的技术使用者：福州大学
技术研发日：2023.05.10
技术公布日：2023/8/4