一種編碼方式可優(yōu)化的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)

合肥量芯科技股份有限公司 宋紅巖

本文提出了一種相位與偏振編碼可切換的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)，兩種編碼方式分別具有抗偏振擾動和抗相位擾動的能力。實驗證實了震動環(huán)境對于偏振相位碼率和誤碼率的影響，通過切換到相位協(xié)議，將系統(tǒng)誤碼率降低至平均1%以下，安全碼率12.49kbps。本實驗提出的可切換的雙編碼方式，可根據(jù)對誤碼率主要貢獻的系統(tǒng)環(huán)境因素評估，擇優(yōu)選擇編碼方式，實現(xiàn)系統(tǒng)高穩(wěn)定性高性能運行。

對現(xiàn)役密碼體系，其安全性主要基于計算復雜度，隨著量子計算機的發(fā)展，其計算能力將突破性進展，嚴重威脅現(xiàn)役密碼體系的安全性。量子物理學給出了一種可抵抗計算能力提升的保密通信方式：使用量子密鑰分發(fā)技術，使相距很遠的雙方共享安全隨機的量子密鑰，結合經典信道傳輸?shù)男畔?，并使用一次一密技術，可實現(xiàn)信息論安全的量子保密通信。

現(xiàn)階段，信息編碼物理量主要是光子的相位和光子偏振?；诠庾酉辔痪幋a的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)可以抵抗系統(tǒng)偏振態(tài)的變化，但是對溫度等影響相位變化物理量敏感，而偏振編碼系統(tǒng)，對于偏振擾動敏感，但是偏振分量之間的相位差恒定，具有抗相位擾動穩(wěn)定性。本系統(tǒng)結合了兩種編碼方案，設計出一種編碼方式可切換的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)，驗證了環(huán)境變化條件下，切換編碼方式帶來的性能和穩(wěn)定性提升，提出可以根據(jù)實際環(huán)境條件，擇優(yōu)選擇編碼方式，實現(xiàn)系統(tǒng)高穩(wěn)定性運行。

1 系統(tǒng)方案

系統(tǒng)總光路如圖所示，本光學系統(tǒng)兼容相位編碼和偏振編碼兩種QKD協(xié)議。在光路主體結構中，相位編碼和偏振編碼復用激光器，波分復用，衰減器等器件，切換協(xié)議時，只需切換對應編解碼干涉環(huán)模塊即可。

系統(tǒng)采用波分復用的方式，實現(xiàn)收發(fā)兩端時鐘同步。同步光和量子光激光器LD_S（LD-Synchrotron）和LD_Q（LD-quantum）輸出光分別是1550.12nm和1549.32nm，兩激光器受同一信號源調制，時間上同步。兩束光通過波分復用器DWDM耦合進入信道，傳輸至接收Bob端。Bob端的DWDM用以解復用，將量子光和同步光分離，同步光接入光電探測器pin2，轉換成同步時鐘，量子光進入解碼模塊，實現(xiàn)密鑰分發(fā)。

圖1 系統(tǒng)光路結構圖

強度調制器IM1用以實現(xiàn)誘騙態(tài)和信號態(tài)的調制。電動偏振控制器EPC1用以實現(xiàn)偏振態(tài)的調制，其輸出端接環(huán)形器，進而連接可選擇的編碼干涉環(huán)。量子光路采用固定衰減器ATT（約30dB）與可調衰減器VOA組合，用以實現(xiàn)將量子光強度衰減至單光子量級。

在相位編碼QKD系統(tǒng)收發(fā)系統(tǒng)中，編碼干涉環(huán)由不等臂FM環(huán)成。長短臂長差為2ns，且長臂被相位調制器PM調制，實現(xiàn)相位編碼。5:5分束器的另外一個輸出端用作測試端口。接收端解碼的FM環(huán)結構與發(fā)射端結構相同，臂長差差異小于5ps。接收端的FM環(huán)中的分束器BS，其一端連接單光子探測器SPD1，另一端通過環(huán)形器接入另一個SPD2，進行單光子探測。通過對基和后處理，系統(tǒng)獲得安全量子密鑰。

在偏振編碼QKD系統(tǒng)中，電動偏振控制器EPC1用以實現(xiàn)45°線偏振光調制。線偏光經過環(huán)形器連接不等臂Sagnac環(huán)。Sagnac環(huán)由偏振分束器PBS和相位調制器PM1、PM2構成，為系統(tǒng)相位調制模塊。45°線偏振光光經過PBS，分成互相垂直且等強度的水平H和豎直V偏振分量，PM左右兩端距離PBS距離不相等，差值為10ns，固H、V分量在不同時到達PM，只有一個分量會被調制，進而在兩分量間引入相位差，實現(xiàn)光的偏振態(tài)調制。調制后的H和V分量在PBS處合束，從環(huán)形器端口3輸出。

接收端電動偏振控制器EPC2用以實現(xiàn)收發(fā)兩端偏振坐標軸校準。矯正信道中偏振態(tài)旋轉和退化作用。接收端的sagnac環(huán)結構用以實現(xiàn)相位調制的解碼功能，其與發(fā)射端PM調制關聯(lián)，用以實現(xiàn)偏振態(tài)的調制與解調。

2 實驗結果

系統(tǒng)重復頻率為50MHz，采用BB84誘騙態(tài)協(xié)議進行量子密鑰分發(fā)，探測器為門控模式單光子探測器，探測效率20%左右，系統(tǒng)通信光纖長度約25km，實測損耗值5.1dB。

本實驗測試了機柜條件下系統(tǒng)運行情況。如圖2所示，初始誤碼率維持在2%左右，但是隨著環(huán)境震動影響，偏振態(tài)持續(xù)變化，系統(tǒng)誤碼緩慢上升，最終突破3%甚至達到5%。系統(tǒng)軟件設置了初始化條件，即誤碼率大于3%，系統(tǒng)暫停量子密鑰傳輸，重新矯正偏振系統(tǒng)坐標基準，在每次矯正偏振態(tài)之后，系統(tǒng)誤碼率顯著降低。所以在2.5h范圍內，可以看到誤碼率曲線遵循緩慢上升，然后急劇下降的趨勢。

圖2 環(huán)境震動條件下，系統(tǒng)2.5h運行時間內誤碼率曲線

針對這種環(huán)境震動顯著影響系統(tǒng)誤碼進而影響碼率的條件，通過切換光路的方式，我們選擇進行相位編碼量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)，系統(tǒng)運行誤碼率及碼率如圖3所示?？梢娤到y(tǒng)在近10h時間范圍內，誤碼和碼率相對穩(wěn)定，平均誤碼0.94%，平均碼率12.49kbps。

圖3 環(huán)境震動條件下，系統(tǒng)近10h運行誤碼率和安全碼率曲線

以上只是演示了對于環(huán)境存在震動的條件下，使用可抗偏振擾動的相位編碼系統(tǒng)，可以帶來系統(tǒng)性能和穩(wěn)定性提升，此方案適用于架空光纜，交通線路下的地埋光纜等實際應用場所。同理，對于溫度急劇變化的實驗條件，會對相位造成快速強擾動，此種情況下，通過切換編碼方式也可實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定高性能工作，此種方案適用于環(huán)境溫差變化劇烈的室外環(huán)境及空間光學系統(tǒng)中。

總結：本文提出了一種相位與偏振編碼可切換的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)，兩種編碼方式分別具有抗偏振擾動和抗相位擾動的能力。實驗證實了震動環(huán)境對于偏振相位碼率和誤碼率的影響，通過切換到相位協(xié)議，將系統(tǒng)誤碼率降低至平均1%以下，安全碼率12.49kbps。本實驗提出的可切換的雙編碼方式，可根據(jù)對誤碼率主要貢獻的系統(tǒng)環(huán)境因素評估，擇優(yōu)選擇編碼方式，實現(xiàn)系統(tǒng)高穩(wěn)定性高性能運行。同時，本雙編碼方案復用了激光器、探測器及單光子制備光路，大大減少了搭建兩系統(tǒng)的成本，使其更具有實地部署的價值。