阅读说明：本技术 对qkd网络架构的改进 (Improvements to QKD network architecture ) 是由 安德鲁·洛德 于 2020-03-11 设计创作，主要内容包括：本文公开了一种用于进行量子密钥分发的系统,该系统包括用于发送多个光脉冲的发送器、第一接收器、第二接收器、光开关,该光开关具有与发送器光通信的输入端,该开关可在第一切换位置和第二切换位置之间切换,在第一切换位置,输入端与第一接收器光连接,在第二切换位置,输入端与第二接收器光连接,该系统还包括引导器,引导器用于将多个光脉冲的一部分经由绕过光开关的光路引导到第一接收器。(Disclosed herein is a system for quantum key distribution, the system comprising a transmitter for transmitting a plurality of optical pulses, a first receiver, a second receiver, an optical switch having an input in optical communication with the transmitter, the switch being switchable between a first switching position in which the input is optically connected to the first receiver and a second switching position in which the input is optically connected to the second receiver, the system further comprising a director for directing a portion of the plurality of optical pulses to the first receiver via an optical path that bypasses the optical switch.)

具体实施方式

，在附图中：

图1是包括单个Alice和单个Bob的基本QKD架构的示意图；

图2是包括单个Alice和多个Bob的已知QKD架构的示意图；

图3是本发明的实施方式的示意图。

本发明涉及量子密钥分发(QKD)的改进。QKD是涉及将加密密钥从第一量子节点(称为Alice)分发到第二量子节点(称为Bob)的加密方法。图1示出了简化的QKD装置的示意图，其中Alice示出为100，Bob示出为200。虽然使用多个QKD协议，但是本说明涉及通常使用的BB84协议。特别地，本说明涉及以下类型的BB84：其中使用偏振对脉冲应用调制。根据该协议，Alice 100随机生成比特(0或1)并且还随机选择直线基和对角基这两个偏振基中的一个。Alice 100然后经由诸如光纤的量子通道300向Bob 200发送已经用所选择的比特和所选择的偏振基编码的光子。Bob200随机选择两个偏振基中的一个，并使用其选择的基来测量光子。如果Bob 200使用与Alice 100相同的基，则由Bob 200测量到的比特值将匹配由Alice 100应用到光子的比特值。在用大量光子重复该过程之后，Alice 100和Bob 200执行密钥协商阶段。具体地，Alice 100通过非量子通信通道400(例如铜缆)通知Bob 200，Alice100中将两个基的哪个基应用于相应光子，以及Alice 100发送相应光子的时间。然后Bob200通知Alice 100Bob 200在测量各个光子时使用的两个基中的哪个基以及Bob 200接收到各个光子时的时间。然后Alice 100和Bob 200丢弃Alice 100和Bob 200使用了不同基的比特值，并保留其余的比特值。其余的比特值构成Alice 100和Bob 200都具有的秘密密钥，并且可以被Alice 100和Bob 200用来对两者之间通过非量子通道400传送的消息进行加密。

图2示出了已知的QKD架构。具体地，Alice 2连接到四个不同的Bob 3、4、5、6。在从Alice 2到四个Bob 3、4、5、6的光路中设置有划分器7。Alice 2通过光纤10连接到划分器7。四个Bob 3、4、5、6均通过相应的光纤50连接到划分器7。Bob3、4、5、6均还通过其自己的传统(即非量子)通道(未示出)连接到Alice 2。

在使用中，Alice 2向划分器7发送一系列光子，各个光子已经用如上所述的随机比特和随机偏振基进行了编码。各个光子通过划分器7并且到达Bob 3、4、5、6之一。划分器7随机地将各个光子传递到Bob 3、4、5、6中的一个Bob。因此，平均起来，25％指向四个Bob中的各个Bob。各个Bob使用随机选择的偏振基来测量光子，并且在其已经接收到足够的光子以使得能够与Alice 2建立秘密共享密钥，则其使用上述密钥协商阶段来这样做。密钥协商阶段涉及Alice 2与Bob 3、4、5、6中的各个Bob交换其各自的偏振基列表，并且在传统通道上进行。Alice 2和各个Bob使用列表来建立共享秘密密钥，该共享秘密密钥可用于加密它们之间的通信。

如在图2中可见，Bob 6比其它Bob 3、4、5离划分器7远。在发送到Bob 6的光子比发送到其它Bob 3、4、5的光子行进得远的情况下，发送到Bob 6的光子遭受较大的衰减。因此，Alice与Bob 6之间的密钥交换率会低于Alice与其它Bob 3、4、5之间的密钥交换率。这是不希望的，因为其减慢了Bob 6与Alice 2之间的安全通信链路的建立。此外，如果Bob 6处的光子接收率下降到阈值率以下，则必须重新启动连接，重新启动连接是耗时的。

图2的装置的另一缺点是，其中一个Bob，例如Bob 4，与其它Bob相比，需要在给定时间段上连通Alice建立较多的密钥。由于划分器近似相等地划分光子，因此会花费长时间在Bob 4处建立所有密钥，而其它Bob在已经完成建立其密钥之后还被不必要地发送光子。

图3示出了根据本发明的装置。在该装置中，Alice 2与划分器12光连接。划分器12以10/90的划分比划分其从Alice 2接收的光子流，使得向划分器13引导传入光子的10％，而向光开关14引导传入光子的其余90％。

划分器13通过各自的光纤与四个光组合器23-26光连接。划分器13被配置成将其从划分器12接收的输入光子流均等地分成四个流，并将四个流中的各个流输出到相应的组合器23-26。当划分器13从划分器12接收光子的1/10并且划分器13向各个组合器23-26提供从划分器12接收的光子的1/4时，划分器13向各个组合器23-26输出由划分器12从Alice 2接收的光子流的1/10×1/4＝1/40。

开关14也通过各自的光纤与四个光组合器23-26光连接。在任一时刻，开关14将发送器连接到组合器23-26中的仅一个组合器。可以调整开关14的切换位置，以切换到组合器23-26中不同的一个。当开关14从划分器12接收9/10的光子并且开关14向各个组合器23-26提供从划分器12接收的所有光子时，开关14向其所连接的组合器23-26输出由划分器12从Alice 2接收的光子流的9/10。

各个组合器23-26使用50/50组合比来组合其接收的光子流。如果开关14的位置是假设开关14连接到组合器23，则组合器23组合其从划分器13和开关14接收的输入流，并向Bob 3输出组合后的流。到达各个组合器23-26的各个光子流的一半功率在组合过程中损失。通过组合器23的组合光子流输出因此包括：

(i)来自划分器13，由划分器12接收的光子流的功率的1/80；以及

(ii)来自开关14，由划分器12接收的光子流的功率的9/20。

这得到由划分器12接收的流的总功率的0.4625。该功率由组合器23输出到Bob3。Bob 4、5和6中的各个Bob类似地分别连接到组合器24、25和26的输出。当开关14切换到组合器23时，这意味着组合器24、25和26从开关14接收零功率。类似于组合器23，组合器24-26中的各个组合器从划分器13接收由划分器12接收的流的功率的1/40。因此，各个组合器24-26向其各自的Bob 4、5和6输出由划分器12接收的流的功率的1/80(即0.0125)。

由于类似的原因，当开关14被切换以连接到其它组合器24-26中的各个组合器时，其相应的Bob 4-6也接收由划分器12接收的流的功率的0.4625，并且其余的组合器分别接收由划分器12接收的流的功率的0.0125。

这种装置为各个Bob 3-6提供了连续的光子流。这意味着Alice 2和Bob 3-6中的每一者之间的会话将保持持续活动，避免了对耗时的重新启动过程的需要。此外，如果多个Bob中的一个Bob位于远离Alice 2的位置或者与其他Bob相比需要较大的光子流(例如，因为其需要生成较多的密钥)，则可以调整开关以在额外的需求持续的同时连接到该特定的Bob。

开关14的位置由控制器60电子控制。控制器60连接到各个Bob 3-6以及开关14。各个Bob 3-6向控制器60发送其当前接收的光子功率是否足够的指示。如果多个Bob中的一个Bob向控制器60发送关于功率不足的指示，则控制器60电子地调节开关14，以将其连接到与该Bob相关联的组合器。控制器60连续地监测对Bob 3-6中的Bob的光子功率源的适合性，并对开关14的位置进行相应的调整。