专利名称：量子信息的多信道传输的制作方法
技术领域：
本发明涉及光通信设备，更具体地，涉及用于使用量子密码术传 输加密数据的设备。
背景技术：
通常使用密码术以增强的保密性或者甚至完美的保密性在两个 或更多节点(用户、站)之间交换消息。典型的加密方法使用公开宣 布的加密/解密算法，通过结合该算法使用的秘密密钥提供所传输信息 的机密性。通常，秘密密钥是随机选择的、足够长的比特序列。例如， 在对称加密方案中，发送站使用秘密密钥加密信息和将加密数据在公 共信道上发送给接收站。接收站随后使用相同密钥解密该加密和恢复 原始信息。
密钥越长则系统越安全，这是众所周知的。例如， 一种广泛使用 的加密系统-数据加密标准(DES)具有56比特的密钥长度。除了尝 试256种可能密钥值以破解DES外，没有更为有效的方法。然而，如 果窃听者具有强大的计算能力，依然可以破解DES。因此，为了实现 更高的安全性，可以使用单次片(one-time pad)(即与发送消息一 样长的密钥)。尽管使用单次片的通信系统相对于基于绝对计算能力
的攻击在理论上是安全的，但是这样一种系统必需处理所谓的密钥分 配问题，即安全地将密钥提供给发送/接收站的问题。
使用常规的(典型的)密钥传输方法，其可能被窃听者被动监视， 较难发送可确认的秘密密钥，和通常需要麻烦的物理安全措施。然而， 使用量子技术可以实现秘密密钥分配。更具体地，在量子加密术中， 通过特定量子信道发送秘密密钥，所述量子信道的安全性基于量子力 学原理。更具体地，适当选择的量子系统的任意测量不可避免地修改 系统的量子状态，这是众所周知的。因此，当窃听者试图通过执行测 量从量子信道获取信息时，合法用户可以检测到已经执行测量的事实， 其因此将丟弃所有危及安全的密钥。
实际上，可以使用下述方法建立量子信道，例如(i)通过光纤
传播的单光子序列，用光子的极化或相位编码的密钥比特，或者(ii) 相干光脉冲序列，分别包含少量(例如低于几百个)光子，用表征每 个脉冲的选定变量的正交值编码密钥比特。在2002年Reviews of Modern Physics内公开的第74巻第145-195页N. Gisin、G. Ribordy、 W. Tittel和H. Zbinden的标题为"Quantum Cryptography"的评论文 章内可以发现建立和使用典型量子信道的更多细节，其教导在此引用 作为参考。
尽管在开发用于量子信道的设备中已经取得一些成果，但是该设 备依然未达到性能目标，例如在量子密钥分配(QKD)速率和传输距 离上。例如，当前可商用的QKD系统提供在长度约25公里的单模光 纤上大约1.5kb/s的QKD速率。为了比较，代表性的经典通信系统在 长度约1000公里的光纤上提供大约10 Gb/s的数据传输速率。假定 QKD和经典系统的这些参数，可以发现需要在QKD速率和/或传输距 离上的显著改进。
发明内容
根据本发明的原理，通过适合于将波(频)分复用用于量子密钥 分配(QKD)的通信系统，解决现有技术中的问题。在一种实施例中，
本发明的通信系统包括经传输链路耦合到接收机的发射机。该发射机
包括(i)第一光频梳源(OFCS)，适合于生成第一组多个均匀间隔 的频率分量；和(ii)第一多信道光调制器，适合于独立地调制第一 组多个的每个分量以生成应用于传输链路的量子信息(QI)信号。接 收机包括(i)第二OFCS,适合于生成第二组多个均匀间隔的频率分 量；和(ii)第二多信道光调制器，适合于独立地调制第二组多个的 每个分量以生成本地振荡器(LO)信号。第一和第二光频梳源中的每 个独立地参考(reference)频率标准(例如Cs原子时钟)，以便由 这些梳源生成的频率分量具有基本上相同的频率。接收机使用多信道 零差检测器，适合于处理通过组合LO信号和QI信号生成的干扰信 号以确定由QI信号承栽的量子信息。有利地，可以配置本发明的通 信系统以具有与以太网比特率可比较的聚集(在所有信道上求和的) QKD速率。
根据一种实施例，本发明是一种用于传输量子信息的通信系统， 包括经传输链路耦合到接收机的发射机，其中该发射机包括耦合到 第一光调制器的第一光源，其中该第一光调制器适合于调制由第一光 源生成的光以生成提供给传输链路的量子信息(QI)信号；和接收机 包括耦合到第二光调制器的第二光源，其中该第二光调制器适合于 调制由第二光源生成的光以生成本地振荡器(LO)信号；和組合该 LO信号与经传输链路接收的QI信号以确定由QI信号承载的量子信 命
根据另一种实施例，本发明是在通信系统内用于量子信息传输的 发射机，该发射机包括耦合到第一光调制器的第一光源，其中该第一
光调制器适合于调制由第一光源生成的光以生成量子信息(QI)信号， 其中该通信系统包括经传输链路耦合到发射机的接收机；将QI信 号应用于传输链路；和接收机包括耦合到第二光调制器的第二光源， 其中第二光调制器适合于调制由第二光源生成的光以生成本地振荡 器(LO)信号；和组合该LO信号与经传输链路接收的QI信号以确 定由该QI信号承载的量子信息。
根据又一种实施例，本发明是在通信系统内用于量子信息传输的
接收机，该接收机包括耦合到第二光调制器的第二光源，其中该第 二光调制器适合于调制由第二光源生成的光以生成本地振荡器(LO) 信号；该通信系统包括经传输链路耦合到接收机的发射机，该发射机 包括耦合到第 一光调制器的第 一光源，其中第 一光调制器适合于调制 由第一光源生成的光以生成提供给传输链路的量子信息(QI)信号； 和组合该LO信号与由接收机经传输链路接收的QI信号以确定由该 QI信号承载的量子信息。
根据又一种实施例，本发明是一种传输量子信息的方法，包括 在通信系统的发射机上调制由第 一光源生成的光以生成量子信息 (QI)信号；经传输链路将该QI信号发送至所述通信系统的接收机； 在接收机上调制由第二光源生成的光以生成本地振荡器(LO)信号； 和组合该LO信号与经传输链路在接收机上接收的QI信号以确定由 该QI信号承载的量子信息。
根据下述详细描述、权利要求书和附图，本发明的其它方面、特
征和优点将变得更加显而易见，在附图中
图1示意地图示现有技术的量子密钥分配(QKD)系统。
图2A-B示意地图示分别用于图1所示QKD系统的代表性相位
调制格式和相应的零差检测统计；
图3示意地图示根据本发明一种实施例的QKD系统；
图4A-B图示可以在根据本发明一种实施例的图3的QKD系统
内使用的光频梳源(OFCS)的代表性特征；和
图5图示根据本发明一种实施例的测量图4所示OFCS的偏移频
率的方法。
具体实施例方式
在此所称的"一种实施例"或"实施例"是指在本发明的至少一种
实施例中可以包括的结合该实施例描述的具体特征、结构或特征。在 本说明书中各个部分中出现的短语"在 一种实施例中"并不必然全部指 相同实施例，分立或替代实施例也不相互排斥其它实施例。
图1示意地图示现有技术的量子密钥分配(QKD)系统100。更 具体地，系统100包括经光纤190耦合的发射机110 (艾丽丝)和接 收机150 (鲍勃)。设计系统100以使用相位调制和零差检测发送量 子信息。对于每个量子比特，发射机100通过适当地分割由激光二极 管(LD)生成的输出信号生成两个相关光脉冲(即较弱脉冲和较强脉 冲)。每个弱脉冲具有适合于QKD的量子强度等级(例如每脉沖若 干光子)和由脉冲调制器PM1进行相位调制。该弱(量子)脉沖的相 位调制有两个目的(1)选择用于相应量子比特的艾丽丝的基本集； 和(2)编码量子比特值。每个强脉冲具有典型的强度等级(例如每脉 冲大约106光子)，并不在发射机110内相位调制。这些脉冲相互延 时，例如如在图1内光纤190的输入耦合器188上图示的，弱(量子) 脉冲尾随强(经典)脉冲，并耦合到光纤内。
在光纤190的输出耦合器192上出现之后，这些脉冲进入接收机 150，其中反转在脉沖之间的延时，脉冲变成临时对准的。强(经典) 脉冲经由接收机150内的相位调制器PM2相位调制，该相位调制服务 于选择用于测量由相应弱(量子)脉冲承载的量子比特值的鲍勃的基 本集的目的。应当指出弱(量子)脉冲不在接收机150内相位调制。 在波束分割器160上空间地组合这些脉冲，波束分割器160随后将所 获得的光信号分割成两个(干扰)子信号和将每个子信号发送给光电 检测器170a-b中的相应之一。每个光电检测器170a-b测量所接收子 信号的强度和将结果电输出提供给微分放大器180。放大器180提取 两个输出的差值，予以放大，和将用于进一步处理的放大信号发送给 信号处理器(未图示)。
在接收机150上的波束分割器160、光电检测器170a-b和放大器 180在一起执行零差检测方案。该方案提供弱(量子)脉冲(量子信 息信号)的正交测量，根据该测量可以确定在该脉冲上编码的量子比 特值。应当指出在该测量中，将强(经典)脉冲用作本地振荡器(LO)。 在T.Hirano等人的论文Phys. Rev. A第68巻第42331页(2003 )中 可以发现在系统100内使用的附加硬件单元(例如极化器(POL)、 极化波束分割器(PBS)、衰减器(ATT)、部分镜子(HM)和半和 四分之一波板)及其它们相应功能的描述，其教导在此引用作为参考。
图2A-B图示分别用于系统100的代表性相位调制格式和相应的 零差检测统计。参见图2A，发射机100 (艾丽丝)使用相位调制器 PM1 (图l)通过从O、 90、 180和270度中随才几地选择用于相干状态 的相移a将量子比特值编码在弱(量子)脉冲上，其中0和90度的相 移与二进制"l"相关和180和270度的相移与二进制"O"相关。接收机 150 (鲍勃)从0和90度中随机地选择用于相位调制器PM2 (图1) 的相移，和将这些相移应用于强(经典)脉冲。因此，对于每对(量 子和经典)脉冲，系统100生成相对相移^ = ^-A，其中么和么分别是 艾丽丝和鲍勃的相移。
在无噪声经典脉冲零差检测(使用术语"经典"是指两个脉沖都具 有经典的强度等级)，类似于系统100的放大器180的放大器生成与 2&^。c。^成比例的确定性输出，其中Es和Elo分別是信息信号和本 地振荡器的电场。因而，对于^ = 0和180度，放大器生成分别具有标 准化值l和-l的输出。类似地，对于- = 90和270度，放大器生成具 有标准化值零的输出。
由于在系统100内用弱(量子)脉冲表示信息信号(而强(经典) 脉冲用作本地振荡器信号)的事实，放大器180的输出即使在没有噪 声的情况下也是不确定的，但是受可用适当概率分布函数描述的量子 波动影响。图2B图示当用于弱(量子)脉冲的光子平均数是每脉冲1 个光子时描述放大器180的输出的代表性概率分布函数。更具体地， 在图2B中，横轴X代表放大器180的标准化输出，而纵轴P代表输 出概率。曲线210是与- = 0。对应的概率分布函数；曲线220是与- = 90 和270。对应的概率分布函数；和曲线230是与- = 180°对应的概率分布 函数。每个概率分布函数具有高斯形状，并以相应的经典标准化值为
中心。
应当指出曲线220描述用于0 = 90和270。的概率分布函数。对于 这些相对相移，鲍勃不能确定由艾丽丝编码在量子信息信号上的量子 比特值，因为鲍勃已经选择错误的即与艾丽丝所选基本集不同的基本 集。然而，鲍勃可以区分^ = 0°与^ = 180。，因为曲线210和230是不同 的。在这种情况下，艾丽丝和鲍勃已经选择同一基本集。
由鲍勃执行的代表性信号处理可以包括设置两个阈值，X+和X-, 其中X+《X-。如果放大器180的标准化输出Xn大于X+，则鲍勃判断 - = 0°。如果Xn小于X-，则鲍勃判断^ = 180。。如果Xn介于X+和X. 之间，则鲍勃获取非决定性的结果和放弃该判断。应当指出因为曲线 210和230具有重叠区域，鲍勃的判断不总是正确的，并存在固有的 错误概率。该固有错误概率反映存在如下情况的非零概率的事实(i) 当鲍勃判断^ = 0。时，真正的-值是180。和(ii)当鲍勃判断- = 180°时， 真正的-值是0°。
在已经从艾丽丝向鲍勃发送适当数量的脉冲之后，鲍勃经已建立 的鉴权公共信道例如在常规电话或计算机网络上告知艾丽丝他的基本 集选择，艾丽丝告知鲍勃哪些选择提供用于确定量子比特值的正确基 本集。鲍勃随后丟弃与不正确基本集对应的测量结果和根据图2A的 调制格式解释剩余的测量结果。最后，艾丽丝和鲍勃使用解释数据执 行纠错和秘密放大程序以提取安全量子密钥。例如在(1 )F. Grosshans 和P. Grangier, Phys. Rev. Letters, 2002， Vol.88， N.5， p.057902; ( 2 ) F. Grosshans和P. Grangier, arXiv: quant-ph/0204127 vl， 22 Apr 2002;和(3 ) M. A. Nielsen和I. L. Chuang, "Quantum Computation and Quantum Information",剑桥大学出版社(2000) , pp.582-603 中可以发现与代表性错误校正和秘密放大程序相关的附加信息，其全 部教导在此引用作为参考。
再次参见图1,系统100的一个重要特征在于从发射机110沿着 光纤190向接收机150与信息信号(量子脉冲) 一起传输本地振荡器 信号(经典脉冲)。在经典通信中，从发射机向接收机传输LO信号
的已知替代方式是在接收机上提供可调光源以及锁相环(PLL),该 PLL被配置以将由光源生成的光信号频率和相位锁定到信息信号的频 率和相位。PLL通常通过(i)同时测量在通信(信息)信号和由可调 光源生成的信号之间的差频(beat frequency)和相移和(ii)将适当 的反馈提供给可调光源(其强制该光源将这些参数保持在规定界限 内)，来进行工作。然而，在可应用于普通量子通信和具体而言系统 100的量子限制中，同时测量频率和相位需要测量两个非交换 (non-commuting)正交(变量)，其被量子力学的基本原理禁止。
为了说明，差频测量类似于能量差值(AE )的测量，和相移测量类似 于时间间隔At的测量，其测量受海森堡不确定性关系AE"W控制，其
中h是普朗克常数。在系统100上的该基本不确定性关系的一个实际 影响在于在量子限制内，在接收机150上具有适当精确度的LO频率 和相位的同时锁定是不可能的。由于该基本限制，不能使用具有由常 规PLL驱动的独立(第二)光源的接收机实现系统100。如上文已经 解释的，相反地配置系统100以将LO信号从发射机110传输给接收 机150，所传输的LO信号由于从同一光源(图1中的LD)发出而相 位和频率锁定到量子信息信号。
此外，将本地振荡器信号从发射机110发送到接收机150的事实 使系统100基本上与多信道QKD传输不兼容。例如，假设系统100 支持在两个不同波长(频率)上工作的两个QKD信道。那么，光纤 190必需传输与每个信道对应的强(经典)LO脉冲。为了避免在光纤 l卯内的非线性光交互，例如在与不同QKD信道对应的LO脉冲之间， 在输入耦合器188上必需临时分割这些脉冲。然而，由于在光纤190 内的光速取决于波长的事实，与不同信道对应的脉沖以不同速度沿着 光纤传播。因此，即使一开始临时分割这些脉冲，由于光纤190的长 度较长(例如若干公里或者更长)，较快移动的脉冲最终可能赶上其 一开始在光纤内跟随的较慢移动的脉沖。当重叠脉冲沿着光纤190传 播时，例如经四波混合和交叉相位调制，该重叠脉冲于是非线性地交 互，该交互导致有害的信道间串扰。不利地，该串扰可能显著地增加
系统100的错误率，如果未完全破坏该系统的QKD性能。
图3示意地图示根据本发明一种实施例的QKD系统300。更具 体地，系统300包括经光纤390耦合的发射机310 (艾丽丝)和接收 机350 (鲍勃)。在一种实施例中，系统300适合于使用类似于图1 的系统100内使用的相位调制和零差检测发送量子信息。然而，在系 统100和300之间的一个区别在于前者使用同一光源(在发射机110 上的LD )生成量子信息和LO信号，而设计后者以使用两个分立光源， 即分别位于发射机310和接收机350上的光频梳源320a-b。更具体地， 在发射机310上使用光频梳源(OFCS) 320a生成一个或多个量子信 息信号，随后将其频率复用和耦合到光纤3卯内。在接收机350上使 用OFCS 320b以生成一个或多个本地振荡器信号，随后将其用于执行 由接收机经光纤390从发射机310接收的相应量子信息信号的零差检 测。因此，与系统100不同，系统300并不从艾丽丝向鲍勃传输本地 振荡器信号。
系统300能够避免系统100的(上面解释的)基本限制，因为每 个光频梳源320a-b能够生成具有如此精确度的光频，从而不再需要 OFCS 320b至OFCS 320a的常规频率锁定。例如，在一种实施例中， OFCS320提供频率梳，其中每个频率模式具有(i)大约10kHz或者 更窄的宽度和(ii)位于距离指定频率大约100Hz或者更少范围内的 中心频率。有利地，OFCS 320的这些特征支持系统300执行在接收 机350上的一个或多个量子信息信号的零差检测，而不从发射机310 向接收机传输一个或多个LO信号。此外，不从发射机310向接收机 350传输本地振荡器的事实使系统300可以执行多信道QKD传输。更 具体地，由于沿着其在同一光纤内传输在接收机350内的OFCS 320b 上始发的较强LO信号的距离较短(例如低于大约1米)，与在该系 统的单信道QKD配置内相比，在该光纤内这些信号之间的非线性光 交互并未显著地增加系统300的错误率。
图4A-B图示根据本发明一种实施例的OFCS 320的代表性特征。 更具体地，在图4所示的实施例中，OFCS 320是具有受控栽波包络
偏移(CEO)相位的模式锁定激光器。
图4A图示由这样一个使用CEO相位控制的代表性模式锁定激 光器生成的脉沖序列。更具体地，图示在该序列内的三个连续脉冲， 实线代表电场载波和虛线代表相应脉冲包络。在脉沖(r )之间的包
络峰峰间隔是l/frep，其中fVep是脉冲重复率。如图4A可以看出的，
在脉冲包络和底层电场载波的波峰之间的相对相位是不恒定的，并随
着脉冲而改变。例如，对于脉冲401，脉沖包络的波峰对准电场栽波 的波峰，即相对相位是零。然而，对于脉冲402，在脉冲包络的波峰 和电场载波的最近波峰之间的相对相位已经改变成A炉；和对于脉冲 403,该相对相位进一步增加A^变成2Ap。该脉冲至脉冲相位演变主 要由于该组和相位速度在模式锁定激光器腔内不同的事实。然而，有 利地，当前的千万亿分之一秒激光器技术支持CEO相位增量() 的有效控制和稳定性以生成可预测和可再生的相位演变。
图4B图示与图4A的脉冲序列对应的频谱。更具体地，纵实线 代表与图4A的脉冲序列对应的频率梳的模式，钟形曲线表示频率梳 包络。应当指出在频域内，CEO相位受控模式锁定激光器的输出基本 上等同于相关连续波(CW)激光器集合的组合输出，所述相关连续 波激光器分别生成频率梳的相应频率模式。图4B中的纵虚线图示频 率格栅nfrep，其中n是正整数。如图4B所示，由CEO相位受控模式 锁定激光器生成的频率梳不必与该频率格栅(grid)对准，但是通常
相对于该##偏移一个偏移频率，S = A#rep/2;r， 用下述等式(1)描述
频率梳内的各个频率(fn):
<formula>formula see original document page 14</formula> (1)
由等式(1)给出的关系的一个结果是相位增量()的控制提
供用于控制频率梳内光频绝对值的有效方式。例如在D.J.Jones等人 的Science第288巻第635页(2000 )内可以找到CEO相位受控才莫式 锁定激光器特征的附加细节，其教导在此引用作为参考。
本发明的其它实施例可以使用除了 CEO相位受控模式锁定激光 器之外的OFCS源，即使后者可以提供下述优点(i)自参考，即将未 锁定的光梳频率分配给特定物理光转换的性能；和(ii)由于八倍跨 越频谱，可用于QKD的较宽带宽。例如，在其频率梳内的一个分量 锁定到参考原子转换的模式锁定激光器是可接受的OFCS。类似地， 锁定到参考原子转换的单频激光器，由在较高(例如射频)频率上驱 动的光调制器正弦调制其输出，是另一个可接受的OFCS。
图5图示根据本发明一种实施例的测量偏移频率(5 )的方法。 图5的方法通常可应用八倍跨越频率梳，和例如可用于正确地参考和 控制相应CEO相位受控模式锁定激光器的输出。更具体地，根据图5 的方法，使用第二谐波生成(SHG)单元504对与从八倍跨越频率梳 502的低频侧开始的第m个模式(其中m是正整数)对应的光频率加 倍。所获得的第二谐波具有频率/5//=2/ ,=2<，+2入随后第二谐波与
自频率梳502的高频侧的第2m模式相互干扰，该第2m个模式具有
频率几=2<，"。该干扰生成具有差频/5//-/2 4的信号(拍音)。
因而，通过测量该拍音(beat note)的频率，可以监视CEO相位受 控模式锁定激光器的偏移频率。通过配置激光器以设置该激光器腔内 的组和相位速度，以便该频率梳相对于频率格栅正确地定位，可以调 整S的值。在一种实施例中，可以使用图5的方法使由不同光频梳源 生成的两个或更多频率梳502参考原子时钟以建立例如用于系统300 内的光频梳源320a-b的大约100Hz或者更好的对准精确度。例如在 R.Holzwarth等人的IEEE J.Quant. Electron第37巻第1493页(2001 ) 中可以发现关于CEO相位受控模式锁定激光器的原子时钟参考的更 多细节，其教导在此引用作为参考。
再次参见图3，在一种实施例中，每个光频梳源320a-b包括参考 选定原子时钟频率的CEO相位受控模式锁定激光器(未图示)，例 如如上所述。发射机310包括多信道相位调制器330，配置以具有与 来自由OFCS 320a生成的频率梳的一组频率对应的多个信道。调制器 330包括(I)可变复用器/解复用器(MUX/DMUX) 334，配置以 经光循环器332接收OFCS 320a的输出；和(II)相移器336，光耦 合到MUX/DMUX。 MUX/DMUX 334的一个功能是将由OFCS 320a 生成的梳频率解复用成分离波束和将这些波束发送给相移器336。 MUX/DMUX 334的另 一个功能是接收从相移器336返回的相移波束， 予以重新复用，和将结果信号提供给光循环器332。
在一种实施例中，相移器336包括可移动镜子的MEMS阵列， 例如类似于美国专利No.6876484中所^^开的，其在此全文引用作为参 考。更具体地，根据由控制器338提供的控制信号可以独立地转换在 该阵列内的每个镜子，以为由该镜子从MUX/DMUX 334接收的相应 波束引入期望的相移，该相移与该镜子相对于参考位置的移位成比例。 在代表性的配置中，相移器336适合于为每个波束引入与图2A的调 制格式对应的光相移。更具体地，根据来自控制器338的控制信号， 相移器336定位该镜子阵列中的每个镜子以便结果相移基本上是0、 90、 180和270度之一。对于每个时隙，从这些值中为每个波束随机 地选择相移以编码相应的比特值，并在该时隙的持续时间内保持稳定， 0和90度的相移与二进制"l"相关和180和270度的相移与二进制"O" 相关。选定的相移确定艾丽丝的用于相应量子比特的基本集选择。
应当指出在从光循环器332到相移器336的镜子阵列和反向的往 返行程中，与该梳频率对应的光信号两次经过MUX/DMUX 334。因 为MUX/DMUX 334是可变MUX/DMUX，可以配置其以将相应信道 内的每个光信号衰减期望量，而与在其它信道内引入的衰减无关。因 此，MUX/DMUX 334可以提供均衡光信号(例如将由OFCS 320a生 成的初始钟形频率梳包络转换成基本上平坦的形状)和将在每个信道 内的光强度衰减成适合于QKD传输的量子等级的附加功能。随后， 光循环器332将从MUX/DMUX 334接收的相移/衰减信号发送给脉冲 削整器340，其将这些信号整形成脉冲序列和将结果耦合到光纤390 内。适当地同步脉冲削整器340和相移器336,例如以便削整脉冲的 位置对应于相应时隙的中间点。在代表性的配置中，该时隙持续时间 大约是100纳秒，每个削整脉冲的宽度约为IO微微秒。
由脉冲削整器340生成的脉冲序列是具有与相位调制器330的信 道对应的多个分量的频率(波长)复用量子信息信号。选择在 MUX/DMUX 334内引入的衰减以便每分量每脉沖的光子数量适合于 在系统300内使用的QKD协议。例如，对于(在现有技术中公知的) BB84和B92协议，光子数量大约是每分量每脉冲1个光子。可替代 地，对于连续可变协议，光子数量是每分量每脉冲大约几百光子。
接收机350包括多信道相位调制器360，其基本上类似于发射机 310的多信道相位调制器330。更具体地，相位调制器360包括光循环 器362、 MUX/DMUX 364、相移器366、控制器368和脉冲削整器370， 其分别类似于相位调整器330的光循环器332、 MUX/DMUX334、相 移器336、控制器338和脉冲削整器340。然而，在相位调制器330 和360之间的一个差别在于后者还具有多信道极化控制器372。在相 位调制器360内包括极化控制器372的一个原因是由发射机310生成 的量子信息信号的极化可能随着信号在光纤390内的传播而改变。极 化控制器372用于对准在OFCS 320b上始发的每个LO分量的极化与 所接收的量子信息信号的相应分量的极化。
在一种配置中，为了确定用于极化控制器372的正确极化设置，
发射机310发送用于每个信道的具有已知量子比特序列的训练信号。
接收机350随后使用该训练信号调整每个信道的极化设置以正确地对
准LO分量的极化与相应的量子信息分量。例如，接收机350测量每
个脉冲的正交变量，而LO信号的相位逐个脉冲移位90度。如果7>知
的量子比特序列具有基本上相同的脉冲，则连续脉沖的测量正交变量 的平方和^^X,与其极化平行于LO场极化的量子信号的幅度成比
例。可以控制极化控制器372的每个频率分量以旋转LO场每个频率 分量的极化，从而对准相应频率的量子信号的极化。 一旦确定正确的 极化设置，则配置极化控制器372以在QKD对话的持续时间中固定 这些设置。根据需要可以随时重复该程序以保证良好和正确的极化对 准。
由OFCS 320b和相位调制器360生成的每个LO分量具有经典 的强度等级(例如由脉冲削整器370削整的每脉沖106个光子)。根 据由OFCS 320b生成的光功率，在相位调制器360内可能需要放大某
些或全部梳频率(与在相位调制器330内的衰减相对)。因此，相位 调制器360可以合并一个或多个光放大器(未图示)和包括配置以引 入尽可能4氐的衰减的MUX/DMUX 364。
当发射机310使用图2A所示的调制格式时，配置相位调制器360 内的相移器366以在其镜子阵列内定位每个镜子，以便结果相移基本 上是0和90度之一。对于每个时隙，为每个信道从这两个值中随机地 选择相移以提供鲍勃的用于确定由量子信息信号的相应分量在该时隙 内承载的比特值的基本集选择。因此，对于从发射机310接收的量子 信息信号的每个分量，相位调制器360输出适合于在接收机350上执 行基本上类似于在系统IOO内执行的零差检测方案的多分量LO信号。
如上文已经解释的，在光频梳源320a-b内光频生成的高精确度 使系统300不必执行LO信号到量子信息信号的频率锁定。然而，依 然需要在这些信号之间的相位锁定以支持相位调制器360准确地提供 用于LO信号的分量的0和90度的期望相移。由全局相位调制器354 和相移器366执行将LO信号相位锁定到量子信息信号的工作。例如， 为了将LO分量相位锁定到量子信息信号的相应分量，发射机310发 送用于每个信道的具有已知量子比特序列的训练信号。随后，接收机 350使用此训练信号调整相移器366内的镜子位置，以便对于每个信 号分量，在LO和量子信息信号之间的相对相位差例如是90度。
当系统300从训练序列传输切换到QKD传输时，接收机350使 用在训练序列过程中确定的镜子位置作为参考位置，相对于其生成适 当的镜子位移以生成确定量子比特值需要的相移。全局相位调制器 354是可有助于在使用相移器366实现初始化相位锁定之后维持该相 位锁定的可选单元。更具体地，因为不同的梳频率全部彼此相关，随 着时间可能出现的在信道之间的附加相位变化通常也是相关的和确定 的。因此，通过配置全局相位调制器354以引入公用于所有频率(信 道)的附加(全局)相移可以补偿这些附加相位变化。
将从发射机310经光纤390接收的量子信息信号和由OFCS 320b 和相位调制器360生成的LO信号提供给3dB耦合器352，其组合这
些信号，随后将结果分割成两个干扰子信号。随后，将每个干扰子信
号提供给解复用器374a-b中的相应之一，其将该干扰子信号解复用成 各个频镨分量。然后，使用具有相同频率的每对子信号分量执行基本 上类似于在系统100的接收机150 (图1)内执行的零差检测。更具体 地，接收机350包括耦合到电荷敏感放大器的阵列380的两个光电检 测器阵列376a-b。将在阵列376a-b内接收相同频率的光电检测器经具 有相反极性的光电检测器端子连接到阵列380内的相应放大器。因此， 该放大器有效地用作配置以放大光电检测器的信号差值的微分放大 器。将该放大的差分信号提供给信号处理器382以进一步处理。
在一种配置中，通过例如根据上文参考图2B描述的阈值方法解 释差信号，处理器382处理与每个频率对应的差信号。在约定数量的 量子信息传输时隙之后，鲍勃经鉴权公共信道告知艾丽丝他选择用于 每个频率的基本集，艾丽丝告知鲍勃哪些选择提供用于确定量子比特 值的正确基本集。随后，鲍勃丢弃与错误基本集对应的测量结果和根 据图2A的调制格式解释其余的测量结果。最后，艾丽丝和鲍勃执行 错误校正和秘密放大程序以从解释数据中提取安全量子密钥。
在一种实施例中，设计系统300以具有下述特征(i)大约lOGHz 的信道(频率)间隔；(ii)总共256个信道，对应于大约20nm的频 谱带宽；(iii)大约lOMHz的调制速度，对应于大约100ns的时隙持 续时间；(iv)大约lpW/信道的量子信息信号强度；和(v)大约lmW/ 信道的LO信号强度。当使用这些参数执行时，系统300支持高于 20Mb/s的QKD速率，其相对于由现有技术的QKD系统提供的速率 有显著改进。在另一种实施例中，其中系统300使用全八倍跨越光范 围(例如从1000至2000nm) ， lOGHz信道间隔，聚集QKD速率可 以达到大约lGb/s。有利地，该聚集QKD速率可以为在当前以太网速 度上工作的通信系统提供全面的加密支持。
虽然已经参考说明性实施例描述了本发明，但是该描述将不能解 释为限制含义的。例如，并不包括可变MUX/DMUX 334,可以使用 常规MUX/DMUX和耦合到该MUX/DMUX的分立多信道衰减器实现
相位调制器330。可替代地或者附加地，可以配置相移器336以衰减 信号分量，例如通过倾斜镜面或者改变其反射率和/或形状。此外，可 以用两个分立单元，配置以仅执行复用功能的MUX和配置以仅执行 解复用功能的DMUX，替代配置以同时执行复用和解复用功能的单个 MUX/DMUX (例如MUX/DMUX 334或MUX/DMUX 364 )。可以将 各个组件实施为波导电路或自由空间光单元。可替代地或者附加地， 可以将类似的修改应用于相位调制器360。可以使用除了基于MEMS 的调制器之外的光调制器，例如使用单个锂铌酸盐调制器单元、InP 波导调制器单元或者InP表面常规调制器单元的阵列实现的调制器。 可以配置系统300以使用各种QKD协议操作，例如没有任何限制的， BB84协议、B92协议或者连续可变协议。尽管已经参考相位调制描述 了本发明，但是本领域技术人员将理解也可以使用幅度调制或者相位 和幅度的同时调制实现本发明。可以灵活地和动态地分配使用光频梳 源可访问的QKD带宽资源以支持若干不同的发射机-接收机配置，例 如(i)耦合到一个接收机的一个发射机，如图3所示；(ii)耦合到 两个或多个接收机的一个发射机，配置该接收机以使用由该发射机使 用的梳频率的不同子集；(iii)耦合到单个接收机的一个或多个发射 机，配置该发射机以使用由该接收机使用的梳频率的不同子集；和(iv ) 耦合到多个接收机的多个发射机，在这些发射机和接收机之间适当地 分配梳频率。可以使用与CEO相位受控模式锁定激光器不同的OFCS 源。此外，可以使用光源实现本发明的某些实施例，所述光源适合于 生成单个频率(波长)，该频率适当地参考频率标准。在不脱离本发 明的范围和原理的情况下，可以使用各种频率标准(例如原子时钟类 型)。对于本发明涉及领域中的技术人员来说显而易见的所描述实施
围之内，如权利要求书中所述的。
为了该说明书的目的，MEMS设备是包含适合于相对移动的两 个或多个部件的设备，其中该移动基于任何适当的交互或者交互组合， 例如机械、热、电、磁、光和/或化学交互。使用可以包括但是并不必
需限制于下述技术的微小或者更小的制造技术(包括微型(nano)制 造技术)制造MEMS设备(1)自装配技术，使用例如自装配单层、 具有与期望化学物质高亲合力的化学涂层和悬摆化学粘结剂的制造和 浸润；和(2)使用例如平板印刷术、光学蒸镀、材料的图案绘制和选 择蚀刻以及表面的处理、成形、电镀和结构处理等的晶片/材料处理技 术。在MEMS设备内某些单元的尺寸/规模可以如此以允许量子效果 的显示。MEMS设备的例子包括但是并不限制于NEMS (微型电机械 系统)设备、MOEMS (微光电机械系统)设备、微机器、微系统和 使用微系统技术或微系统集成生成的设备。
尽管已经在MEMS设备实施的情况下描述了本发明，但是在理 论上可以在任何尺寸上实施本发明，包括大于微尺寸的尺寸。
尽管使用相应标志以特定顺序描述下述方法权利要求中的步骤， 如果存在的话，但是除非权利要求的描述暗示执行一些或全部步骤的 具体顺序，则不必将这些步骤限制为以该特定顺序执行。
权利要求
1.一种用于传输量子信息的通信系统，包括经传输链路耦合到接收机的发射机，其中所述发射机包括耦合到第一光调制器的第一光源，其中所述第一光调制器适合于调制由第一光源生成的光以生成应用于传输链路的量子信息(QI)信号；和所述接收机包括耦合到第二光调制器的第二光源，其中所述第二光调制器适合于调制由第二光源生成的光以生成本地振荡器(LO)信号；和组合所述LO信号与经传输链路接收的QI信号以确定由所述QI信号承载的量子信息。
2. 权利要求l的发明，其中 所述LO信号不经传输链路传输；和 所述接收机适合于将LO信号相位锁定到QI信号。
3. 权利要求1的发明，其中第一和第二光源中的每个参考频率标准。
4. 权利要求1的发明，其中第一光源包括适合于生成第一組多个均匀间隔的频率分量的第 一光频梳源(OFCS);所述第一光调制器适合于独立地调制第一组多个中的每个频率 分量以编码量子比特和提供用于所述发射机的基本集选择；和所述QI信号包括第一组多个中的调制频率分量的至少一个子集。
5. 权利要求4的发明，其中第二光源包括适合于生成第二组多个均匀间隔的频率分量的第 二 OFCS;所述第二光调制器适合于独立地调制第二组多个中的每个频率 分量以提供用于所述接收机的基本集选择；和 所述LO信号包括第二组多个中的调制频率分量的至少一个子集。
6. 权利要求5的发明，其中第一组多个中的调制频率分量和第二组多个中的调制频率分量 具有公共频率集；所述系统包括适合于通过组合LO信号和QI信号生成第一和第 二干扰信号的光耦合器；和所述接收机包括适合于处理干扰信号的多信道零差检测器，其中对于公共集中的每个频率，零差检测器适合于测量在第一和 第二干扰信号之间的强度差值，并将测量结果应用于信号处理器；和 所述信号处理器适合于根据测量结果生成量子密钥。
7. 权利要求6的发明，其中对于公共集中的每个频率，所述信 号处理器适合于在每个时隙内，根据由发射机和接收机为所述时隙选择的基本集 比较，接受或者拒绝相应的测量结果；和 根据所接受的结果编译所述量子密钥。
8. 权利要求5的发明，其中第一和第二光调制器中的每个包括 适合于解复用从相应OFCS接收的频率分量的复用器/解复用器(MUX/匪UX )和可移动镜子的MEMS阵列，其中在所述阵列中的每个镜子适合于接收解复用的频率分量，其 中所述镜子相对于参考位置的位置确定用于所述频率分量的相移；和 所述MUX/DMUX还适合于复用相移的频率分量以生成相 应的QI或LO信号。
9. 在用于传输量子信息的通信系统内， 一种包括耦合到第一光 调制器的第 一光源的发射机，其中所述第 一光调制器适合于调制由第 一光源生成的光以生成量子信息(QI)信号，其中所述通信系统包括经传输链路耦合到发射机的接收机； 将QI信号应用于传输链路；和所述接收机包括耦合到第二光调制器的第二光源，其中所述第二光调制器适合于调制由第二光源生成的光以生成 本地振荡器(LO)信号；和组合所述LO信号与经传输链路接收的QI信号以确定由所 述QI信号承载的量子信息。
10.在用于传输量子信息的通信系统内， 一种包括耦合到第二光 调制器的第二光源的接收机，其中第二光调制器适合于调制由第二光源生成的光以生成本地振荡 器(LO)信号；所述通信系统包括经传输链路耦合到接收机的发射机；所述发射机包括耦合到第一光调制器的第一光源，其中所述第一 光调制器适合于调制由第一光源生成的光以生成应用于传输链路的量 子信息(QI)信号；和由接收机组合所述LO信号与经传输链路接收的QI信号以确定 由所述QI信号承载的量子信息。
全文摘要
适合于将波(频)分复用用于量子密钥分布(QKD)的通信系统，包括经传输链路耦合到接收机的发射机。发射机包括(i)生成第一组多个均匀间隔的频率分量的第一光频梳源(OFCS)和(ii)独立地调制第一组多个中的每个分量以生成应用于传输链路的量子信息(QI)信号的第一多信道光调制器。接收机包括(i)生成第二组多个均匀间隔的频率分量的第二OFCS和(ii)独立地调制第二组多个的每个分量以生成本地振荡器(LO)信号的第二多信道光调制器。第一和第二光频梳源中均参考频率标准，以便由这些梳源生成的频率分量具有基本上相同的频率。该接收机使用适合于处理通过组合LO信号和QI信号生成的干扰信号以确定由QI信号承载的量子信息的多信道零差检测器。
文档编号H04L9/08GK101176297SQ200680016916
公开日2008年5月7日 申请日期2006年4月25日 优先权日2005年5月17日
发明者丹·马克·马罗姆, 克里斯托弗·J·多雷尔, 兰迪·克林顿·吉尔斯, 米哈拉·迪努, 英诺科·康 申请人:朗迅科技公司