专利名称：位相调制偏振态的量子编码器和解码器及其应用方法
技术领域：
本发明涉及通信领域中的量子保密通信的专用设备及其应用方法，具体地是位相调制偏振态的量子编码器和解码器及其在量子保密通信中的应用方法。
背景技术：
在现有量子保密通信技术中，有BB84协议、B92协议和E91协议等三大类协议，有二态编码、四态编码和六态编码等三种编码方式。BB84协议属于四态编码方式，而B92协议和E91协议属于二态编码方式，四态编码方式的效率比较高，而二态编码方式的效率减半。
BB84协议通常采用相位调制的编码方式，即采用两个完全相同的Mach-Zehnder干涉仪作为编码和解码器，这种编码方式的误码率除电噪声外主要由Mach-Zehnder干涉仪的干涉对比度决定，而于涉对比度由光的相干性决定，由于光的相干性在调制和传输过程中不可避免地受到破坏，而相干性一旦受到破坏，就无法补偿，因此，这种编码方式的误码率比较高。
虽然BB84协议还可采用四个非正交线偏振态或两个线偏振加两个圆偏振态的四态编码方式来实现，但目前在技术上还不能突破。
B92协议通常有相位调制和偏振调制两种方式，相位调制编码方式与BB84协议基本相同，只是B92协议采用二态编码，效率减半；而偏振调制编码方式通常采用光子的两个线偏振态进行编码，即利用电光晶体(如KD*P、LiNbO3等)或Pockels池对光子的两个线偏振态进行调制编码，由于电光晶体或Pockels池的半波电压很高(几千伏)，使用很不方便，而且很难实现高速编码，尤其是光的偏振态在传输过程中易受光纤中的应力双折射和偏振模色散等因素的影响以及环境的干扰，因此，误码率也比较高。
E91协议是采用纠缠态光子进行编码，由于纠缠态光子产生比较困难，所需设备比较昂贵，很难推广应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种位相调制偏振态的量子编码器和解码器，采用位相调制偏振态的方法，制造位相调制偏振态的量子编码器和解码器，并用所述编码器随机地制备六种偏振态的光子，即0°、45°、90°、135°的线偏振以及左旋和右旋圆偏振等六种非正交偏振态的光子，还可用所述解码器随机地产生六种非正交偏振态测量基，对六种非正交偏振态的光子进行检测和解码；所述编码器和解码器可用于BB84协议、B92协议的二态、四态和六态编码的量子保密通信。
本发明的目的还在于提供所述位相调制偏振态的量子编码器和解码器在量子保密通信的应用方法。
本发明的位相调制偏振态的量子编码器和解码器包括四态量子编码器和解码器和六态量子编码器和解码器。
所述四态量子编码器由一个位相—偏振控制器和一个真随机发生器组成，光路如图2所示，当位相—偏振控制器中的位相调制器4的输入电压分别为0、V0/2、V0、3V0/2伏四种电压(V0为半波电压)时，相位调制器4分别产生0、π/2、π、3π/2的位相变化，因此，位相—偏振控制器的输出光的偏振态分别为45°线偏振、右旋圆偏振、135°线偏振、左旋圆偏振等四种非正交偏振态。位相调制器4的输入电压由真随机发生器7提供，真随机发生器7可随机地产生0、V0/2、V0、3V0/2伏四种输出电压。这样，我们研制成由位相—偏振控制器和真随机发生器组成的四态量子编码器，该四态量子编码器随机地制备四种非正交偏振态的光子，即45°线偏振、右旋圆偏振、135°线偏振以及左旋圆偏振等四种非正交偏振态的光子。
所述位相—偏振控制器由偏振分束器、位相调制器和保偏光纤组成，光路如图1所示，一束线偏振光入射到偏振分束器1，分成两束偏振方向相互垂直的线偏振光I和II，光束I经保偏光纤2、位相调制器4以及保偏光纤5进入偏振分束器6，光束II经保偏光纤3进入偏振分束器6，当光束I与光束II的光程满足n1L3＝n1L2+n1L5+n2L4时，(n1、n2分别为保偏光纤和位相调制器的折射率，L2、L3、L5分别为保偏光纤2、3、5的长度，L4为位相调制器4的长度)，光束I与光束II在偏振分束器6处发生偏振干涉，其输出光的偏振态由这两束光的位相差决定，而位相差的大小由位相调制器4控制，当位相调制器4的输入电压分别从0--2V0伏(V0为相位调制器的半波电压，10伏左右)连续变化时，相位调制器4可以产生从0--2π的位相变化，因此，相应的输出光的偏振态可以从45°线偏振--右旋椭圆偏振--右旋圆偏振--135°线偏振--左旋椭圆偏振--左旋圆偏振连续变化。
所述四态量子解码器由一个位相—偏振控制器和一个真随机发生器组成，用于随机地产生四组非正交偏振态测量基，并用这四组测量基对四种非正交偏振态光子进行检测和解码，这四组非正交偏振态测量基分别是45°线偏振、右旋圆偏振、135°线偏振、左旋圆偏振，它们分别对应于位相调制器4的输入电压0、V0/2、V0、3V0/2伏。也就是说，当真随机发生器7随机地产生0、V0/2、V0、3V0/2伏四种输出电压时，四态量子解码器可以随机地产生四组非正交偏振态测量基。
用四态量子编码器和解码器进行BB84协议的量子保密通信的方法是实现“两个线偏振态加两个圆偏振态”4态编码的BB84协议量子保密通信。光路如图3所示，方法如下Alice用四态量子编码器随机地制备四种非正交偏振态的光子，通过光纤传输给Bob，Bob用四态量子解码器随机地产生四组非正交偏振态测量基，对Alice发送的四种非正交偏振态光子进行检测，在探测到光子的情况下，Bob将所用的测量基通过公共信道发送给Alice，Alice告诉Bob那些测量基选对了，然后Alice和Bob保留基一致时对应的比特，放弃其他数据，Bob随便公布某些比特，供Alice确认有无错误，最后经Alice确认无误、可认定无人窃听之后，剩下的比特序列留作密码本。
所述六态量子编码器由两个位相—偏振控制器和一个同步触发器组成，光路如图4所示，方法如下将这两个位相--偏振控制器旋转45°角，使它们的偏振分束器的偏振方向成45°，这样一来，第一个位相—偏振控制器输出的45°、135°线偏振光对第二个位相—偏振控制器来说，就成了0°和90°的线偏振光，而第一个位相—偏振控制器输出的左旋和右旋圆偏振光对第二个位相—偏振控制器来说仍然是左旋和右旋圆偏振光，因此，对第二个位相—偏振控制器来说，有四种偏振态的输入光子，即0°、90°的线偏振和左旋、右旋圆偏振，当第二个位相—偏振控制器的位相调制器的输入电压分别为0、V0/2、V0、3V0/2伏时，其输出的光子的偏振态可能是0°、45°、90°、135°的线偏振和左旋、右旋圆偏振等六种非正交偏振态之一。输出光子的偏振态与两个位相调制器的输入电压的关系如表1所示。表1 输出光子的偏振态与两个位相调制器输入电压的关系表 由表1可见，输出光子的偏振态由两个位相—偏振控制器中的两个位相调制器的输入电压控制，当两个位相调制器的输入电压随机地选择0、V0/2、V0、3V0/2伏时，可以随机地产生0°、45°、90°、135°的线偏振和左旋、右旋圆偏振等六种非正交偏振态的光子。这样，我们研制成了由两个位相—偏振控制器和一个同步触发器组成六态量子编码器。
所述六态量子解码器的结构与六态量子编码器完全一样，它的作用是随机地产生六组非正交偏振态测量基，对六种非正交偏振态光子进行检测和解码，这六组非正交偏振态测量基分别是0°、45°、90°、135°线偏振测量基和左旋、右旋圆偏振测量基。由表1可见，当真随机发生器7随机地产生0、V0/2、V0、3V0/2伏四种输出电压时，六态量子解码器可以随机地产生六组非正交偏振态测量基。
用六态量子编码器和解码器进行BB84协议的量子保密通信的方法是光路如图5所示，Alice用六态量子编码器随机地制备六种非正交偏振态的光子，通过光纤传输给Bob，Bob用六态量子解码器随机地产生六种非正交偏振态测量基，对Alice发送的六种非正交偏振态光子进行检测，在探测到光子的情况下，将所用的测量基通过公共信道发送给Alice，Alice告诉Bob那些测量基选对了，然后Alice和Bob保留基一致时对应的比特，放弃其他数据，Bob随便公布某些比特，供Alice确认有无错误，最后经Alice确认无误、可认定无人窃听之后，剩下的比特序列留作密码本。本发明与现有技术相比具有如下优点(1)用我们发明的六态量子编码器和解码器首次在实验上实现了六态编码的量子保密通信，而且，用我们发明的四态量子编码器和解码器首次实现了用“两个线偏振态加两个圆偏振态”4态编码的BB84协议的量子保密通信；
(2)用位相调制偏振态的方法进行偏振调制，调制电压低，只需0-10伏，而利用电光晶体进行偏振调制，半波电压需几千伏；(3)用位相调制偏振态的方法进行编码和解码，可以进行高精度的偏振补偿，有效地降低误码率。
图1是位相--偏振控制器框图；其中1、6—偏振分束器，2、3、5—保偏光纤，4—位相调制器。
图2是四态量子编码器的框图；其中1、6—偏振分束器，2、3、5—保偏光纤，4—位相调制器，7—真随机发生器；图3是四态量子保密通信线路框图；其中1、6—偏振分束器，2、3、5—保偏光纤，4—位相调制器，7—真随机发生器，8—传输光纤；图4是六态量子编码器的框图；其中1、6—偏振分束器，11、16—偏振方向旋转45°后的偏振分束器，2、3、5、12、13、15—保偏光纤，4、14—位相调制器，7、9—真随机发生器，8—触发器，10—单模光纤；图5是六态量子保密通信线路的框图；其中1、6—偏振分束器，11、16—偏振方向旋转45°后的偏振分束器，2、3、5、12、13、15—保偏光纤，4、14—位相调制器，7、9—真随机发生器，8—触发器，10—单模光纤，17—传输光纤。
具体实施例方式
实施例1用四态量子编码器和解码器进行BB84协议的量子保密通信我们首次在实验上实现了用“两个线偏振态加两个圆偏振态”的4态编码方式进行BB84协议的量子保密通信。光路如图3所示，方法如下Alice用四态量子编码器随机地制备四种非正交偏振态的光子，通过光纤传输给Bob，Bob用四态量子解码器随机地产生四组非正交偏振态测量基，对Alice发送的四种非正交偏振态光子进行检测，在探测到光子的情况下，Bob将所用的测量基通过公共信道发送给Alice，Alice告诉Bob那些测量基选对了，然后Alice和Bob保留测量基一致时对应的比特，放弃其他数据，Bob随便公布某些比特，供Alice确认有无错误，最后经Alice确认无误、可认定无人窃听之后，剩下的比特序列留作密码本。
实施例2用六态量子编码器和解码器进行六态编码的量子保密通信。
我们首次用六态编码方式进行了六态量子保密通信，光路如图5所示，Alice用六态量子编码器随机地制备六种非正交偏振态的光子，通过光纤传输给Bob，Bob用六态量子解码器随机地产生六种非正交偏振态测量基，对Alice发送的六种非正交偏振态光子进行检测，在探测到光子的情况下，Bob将所用的测量基通过公共信道发送给Alice，Alice告诉Bob那些测量基选对了，然后Alice和Bob保留测量基一致时对应的比特，放弃其他数据，Bob随便公布某些比特，供Alice确认有无错误，最后经Alice确认无误、可认定无人窃听之后，剩下的比特序列留作密码本。
权利要求
1.一种四态量子编码器，其特征在于由一个位相—偏振控制器和一个真随机发生器组成，其光路如下当位相—偏振控制器中的位相调制器4的输入电压分别为0、V0/2、V0、3V0/2伏四种电压时，所述V0为半波电压，相位调制器4分别产生0、π/2、π、3π/2的位相变化，因此，位相—偏振控制器的输出光的偏振态分别为45°线偏振、右旋圆偏振、135°线偏振、左旋圆偏振等四种非正交偏振态。位相调制器4的输入电压由真随机发生器7提供，真随机发生器7可随机地产生0、V0/2、V0、3V0/2伏四种输出电压。
2.根据权利要求1所述的四态量子编码器，其特征在于所述位相—偏振控制器由偏振分束器、位相调制器和保偏光纤组成，其光路如下一束线偏振光入射到偏振分束器(1)，分成两束偏振方向相互垂直的线偏振光I和II，光束I经保偏光纤(2)、位相调制器(4)以及保偏光纤(5)进入偏振分束器(6)，光束II经保偏光纤(3)进入偏振分束器(6)，当光束I与光束II的光程满足n1L3＝n1L2+n1L5+n2L4时，光束I与光束II在偏振分束器6处发生偏振干涉，其输出光的偏振态由这两束光的位相差决定，而位相差的大小由位相调制器4控制，所述n1、n2分别为保偏光纤和位相调制器的折射率，L2、L3、L5分别为保偏光纤(2、3、5)的长度，L4为位相调制器(4)的长度；当位相调制器(4)的输入电压分别从0--2V0伏连续变化时，相位调制器(4)可以产生从0--2π的位相变化，所述V0为相位调制器的半波电压；因此，相应的输出光的偏振态可以从45°线偏振--右旋椭圆偏振--右旋圆偏振--135°线偏振--左旋椭圆偏振--左旋圆偏振连续变化。
3.一种四态量子解码器，其特征在于由一个位相—偏振控制器和一个真随机发生器组成，用于随机地产生四组非正交偏振态测量基，并用这四组测量基对四种非正交偏振态光子进行检测和解码，这四组非正交偏振态测量基分别是45°线偏振、右旋圆偏振、135°线偏振、左旋圆偏振，它们分别对应于位相调制器4的输入电压.0、V0/2、V0、3V0/2伏。
4.权利要求1或2和3所述的四态量子编码器和解码器用于BB84协议的量子保密通信的方法，其特征在于Alice用四态量子编码器随机地制备四种非正交偏振态的光子，通过光纤传输给Bob，Bob用四态量子解码器随机地产生四组非正交偏振态测量基，对Alice发送的四种非正交偏振态光子进行检测，在探测到光子的情况下，Bob将所用的测量基通过公共信道发送给Alice，Alice告诉Bob那些测量基选对了，然后Alice和Bob保留基一致时对应的比特，放弃其他数据，Bob随便公布某些比特，供Alice确认有无错误，最后经Alice确认无误、可认定无人窃听之后，剩下的比特序列留作密码本。
5.一种六态量子编码器或解码器，其特征在于由两个位相—偏振控制器和一个同步触发器组成，其光路如下将这两个位相--偏振控制器旋转45°角，使它们的偏振分束器的偏振方向成45°，第一个位相—偏振控制器输出的45°、135°线偏振光对第二个位相—偏振控制器来说，就成了0°和90°的线偏振光，而第一个位相—偏振控制器输出的左旋和右旋圆偏振光对第二个位相—偏振控制器来说仍然是左旋和右旋圆偏振光，因此，对第二个位相—偏振控制器来说，有四种偏振态的输入光子，即0°、90°的线偏振和左旋、右旋圆偏振，当第二个位相—偏振控制器的位相调制器的输入电压分别为0、V0/2、V0、3V0/2伏时，其输出的光子的偏振态可能是0°、45°、90°、135°的线偏振和左旋、右旋圆偏振等六种非正交偏振态之一。
6.权利要求5所述的一种六态量子解码器，其特征在于其随机地产生六组非正交偏振态测量基，对六种非正交偏振态光子进行检测和解码，这六组非正交偏振态测量基分别是0°、45°、90°、135°线偏振测量基和左旋、右旋圆偏振测量基。
7.权利要求5和6所述的六态量子编码器和解码器用于BB84协议的量子保密通信的方法，其特征在于光路如下Alice用六态量子编码器随机地制备六种非正交偏振态的光子，通过光纤传输给Bob，Bob用六态量子解码器随机地产生六种非正交偏振态测量基，对Alice发送的六种非正交偏振态光子进行检测，在探测到光子的情况下，将所用的测量基通过公共信道发送给Alice，Alice告诉Bob那些测量基选对了，然后Alice和Bob保留基一致时对应的比特，放弃其他数据，Bob随便公布某些比特，供Alice确认有无错误，最后经Alice确认无误、可认定无人窃听之后，剩下的比特序列留作密码本。
全文摘要
本发明涉及位相调制偏振态的量子编码器和解码器及其在量子保密通信中的应用方法；四态量子编码器或解码器由一个位相—偏振控制器和一个真随机发生器组成；可实现用“两个线偏振态加两个圆偏振态”4态编码的BB84协议的量子保密通信；六态量子编码器或解码器由两个位相—偏振控制器和一个同步触发器组成；可实现六态编码的量子保密通信。
文档编号H04K1/00GK1477808SQ03139638
公开日2004年2月25日 申请日期2003年6月30日 优先权日2003年6月30日
发明者唐志列, 廖常俊, 刘颂豪 申请人:华南师范大学