一种编码方式可优化的量子密钥分发系统

合肥量芯科技股份有限公司 宋红岩

本文提出了一种相位与偏振编码可切换的量子密钥分发系统，两种编码方式分别具有抗偏振扰动和抗相位扰动的能力。实验证实了震动环境对于偏振相位码率和误码率的影响，通过切换到相位协议，将系统误码率降低至平均1%以下，安全码率12.49kbps。本实验提出的可切换的双编码方式，可根据对误码率主要贡献的系统环境因素评估，择优选择编码方式，实现系统高稳定性高性能运行。

对现役密码体系，其安全性主要基于计算复杂度，随着量子计算机的发展，其计算能力将突破性进展，严重威胁现役密码体系的安全性。量子物理学给出了一种可抵抗计算能力提升的保密通信方式：使用量子密钥分发技术，使相距很远的双方共享安全随机的量子密钥，结合经典信道传输的信息，并使用一次一密技术，可实现信息论安全的量子保密通信。

现阶段，信息编码物理量主要是光子的相位和光子偏振。基于光子相位编码的量子密钥分发系统可以抵抗系统偏振态的变化，但是对温度等影响相位变化物理量敏感，而偏振编码系统，对于偏振扰动敏感，但是偏振分量之间的相位差恒定，具有抗相位扰动稳定性。本系统结合了两种编码方案，设计出一种编码方式可切换的量子密钥分发系统，验证了环境变化条件下，切换编码方式带来的性能和稳定性提升，提出可以根据实际环境条件，择优选择编码方式，实现系统高稳定性运行。

1 系统方案

系统总光路如图所示，本光学系统兼容相位编码和偏振编码两种QKD协议。在光路主体结构中，相位编码和偏振编码复用激光器，波分复用，衰减器等器件，切换协议时，只需切换对应编解码干涉环模块即可。

系统采用波分复用的方式，实现收发两端时钟同步。同步光和量子光激光器LD_S（LD-Synchrotron）和LD_Q（LD-quantum）输出光分别是1550.12nm和1549.32nm，两激光器受同一信号源调制，时间上同步。两束光通过波分复用器DWDM耦合进入信道，传输至接收Bob端。Bob端的DWDM用以解复用，将量子光和同步光分离，同步光接入光电探测器pin2，转换成同步时钟，量子光进入解码模块，实现密钥分发。

图1 系统光路结构图

强度调制器IM1用以实现诱骗态和信号态的调制。电动偏振控制器EPC1用以实现偏振态的调制，其输出端接环形器，进而连接可选择的编码干涉环。量子光路采用固定衰减器ATT（约30dB）与可调衰减器VOA组合，用以实现将量子光强度衰减至单光子量级。

在相位编码QKD系统收发系统中，编码干涉环由不等臂FM环成。长短臂长差为2ns，且长臂被相位调制器PM调制，实现相位编码。5:5分束器的另外一个输出端用作测试端口。接收端解码的FM环结构与发射端结构相同，臂长差差异小于5ps。接收端的FM环中的分束器BS，其一端连接单光子探测器SPD1，另一端通过环形器接入另一个SPD2，进行单光子探测。通过对基和后处理，系统获得安全量子密钥。

在偏振编码QKD系统中，电动偏振控制器EPC1用以实现45°线偏振光调制。线偏光经过环形器连接不等臂Sagnac环。Sagnac环由偏振分束器PBS和相位调制器PM1、PM2构成，为系统相位调制模块。45°线偏振光光经过PBS，分成互相垂直且等强度的水平H和竖直V偏振分量，PM左右两端距离PBS距离不相等，差值为10ns，固H、V分量在不同时到达PM，只有一个分量会被调制，进而在两分量间引入相位差，实现光的偏振态调制。调制后的H和V分量在PBS处合束，从环形器端口3输出。

接收端电动偏振控制器EPC2用以实现收发两端偏振坐标轴校准。矫正信道中偏振态旋转和退化作用。接收端的sagnac环结构用以实现相位调制的解码功能，其与发射端PM调制关联，用以实现偏振态的调制与解调。

2 实验结果

系统重复频率为50MHz，采用BB84诱骗态协议进行量子密钥分发，探测器为门控模式单光子探测器，探测效率20%左右，系统通信光纤长度约25km，实测损耗值5.1dB。

本实验测试了机柜条件下系统运行情况。如图2所示，初始误码率维持在2%左右，但是随着环境震动影响，偏振态持续变化，系统误码缓慢上升，最终突破3%甚至达到5%。系统软件设置了初始化条件，即误码率大于3%，系统暂停量子密钥传输，重新矫正偏振系统坐标基准，在每次矫正偏振态之后，系统误码率显著降低。所以在2.5h范围内，可以看到误码率曲线遵循缓慢上升，然后急剧下降的趋势。

图2 环境震动条件下，系统2.5h运行时间内误码率曲线

针对这种环境震动显著影响系统误码进而影响码率的条件，通过切换光路的方式，我们选择进行相位编码量子密钥分发系统，系统运行误码率及码率如图3所示。可见系统在近10h时间范围内，误码和码率相对稳定，平均误码0.94%，平均码率12.49kbps。

图3 环境震动条件下，系统近10h运行误码率和安全码率曲线

以上只是演示了对于环境存在震动的条件下，使用可抗偏振扰动的相位编码系统，可以带来系统性能和稳定性提升，此方案适用于架空光缆，交通线路下的地埋光缆等实际应用场所。同理，对于温度急剧变化的实验条件，会对相位造成快速强扰动，此种情况下，通过切换编码方式也可实现系统稳定高性能工作，此种方案适用于环境温差变化剧烈的室外环境及空间光学系统中。

总结：本文提出了一种相位与偏振编码可切换的量子密钥分发系统，两种编码方式分别具有抗偏振扰动和抗相位扰动的能力。实验证实了震动环境对于偏振相位码率和误码率的影响，通过切换到相位协议，将系统误码率降低至平均1%以下，安全码率12.49kbps。本实验提出的可切换的双编码方式，可根据对误码率主要贡献的系统环境因素评估，择优选择编码方式，实现系统高稳定性高性能运行。同时，本双编码方案复用了激光器、探测器及单光子制备光路，大大减少了搭建两系统的成本，使其更具有实地部署的价值。