用于量子密码通信的编码器和解码器的制造方法
【专利摘要】本发明提出了用于量子密码通信的编码器和解码器，可以实现BB84协议的编码和解码功能。根据本发明，在发射端使用光学开关器件使光脉冲随机通过多个干涉仪，干涉仪的长短臂之间的相位差依次相差k·2π+π/2，从而实现BB84协议所需的编码功能；在接收端通过光学分束器被动地随机选择测量基，通过两个长短臂之间的相位差相差k·2π+π/2的干涉仪完成解码功能。通过使用多个干涉仪，无需在干涉仪中使用高速的相位调制器件，解决了往返时间对速度的限制，而且调相驱动电路可以使用低速设计方案和器件实现，大大降低了高速量子密码通信系统实现的难度，非常适用于实现高速量子密码通信。如果使用采用法拉第反射镜的迈克尔逊干涉仪(F-M)结构，则可以进一步具有对光路中偏振扰动的自适应补偿能力。
【专利说明】用于量子密码通信的编码器和解码器
【技术领域】
[0001]本发明属于量子密码通信【技术领域】，特别涉及用于量子密码通信的编码器和解码器。
【背景技术】
[0002]量子密码通信结合了量子物理原理和现代通信技术。量子密码通信藉由物理原理保障异地密钥协商过程和结果的安全性，与“一次一密”加密技术结合，可以实现不依赖算法复杂度的保密通信。
[0003]目前，量子密码技术的主要用光量子作为实现载体，通过自由空间或光纤信道进行分发。经典随机比特通过偏振编码、相位编码等方式加载到光量子的偏振、相位等物理量之上。现今，光纤通信已经成为现代信息传输的基础架构和发展趋势，在光纤信道中进行量子密码通信具有非常重要的意义和应用前景。在光纤信道中传输光量子信号时，其偏振状态会受到光纤自身固有的双折射特性的影响，而光路和信道中的双折射特性会受到外界环境的影响而发生变化，因此为了保证偏振编码量子密码系统的稳定性，需要使用偏振反馈装置。当系统受到的干扰变化较快时，反馈过程将变得更加耗时，保持系统稳定运行的难度也将大大增加。
[0004]密钥生成速率是量子密码通信系统的核心指标之一。因此，高工作频率的量子密码系统是量子密码通信技术发展的一个重要方向。随着系统工作频率的提高，系统需要使用高带宽的相位调制器，由此会对系统实现会带来几方面的困难:
[0005](I)要求偏振态相互垂直的光子均能够在调相器中以较低损耗传输，而常规光通信等应用中使用的调相器大多只允许单一偏振态通过，与其垂直的偏振态在其中传输将具有较大损耗，因此对调相器设计的工艺和实现技术提出了特殊的要求；
[0006](2)高带宽的电光相位调制器件一般需要以低阻抗电阻进行匹配，因此需要驱动电路提供较大的驱动电流，并且长时间工作有可能产生热量，对系统稳定性造成影响；
[0007](3)为了调制光子，使其获得稳定而精确的相位，需要调制驱动电压在光子到达的时刻保持稳定，而往返式结构会使这一时间延长，从而有可能限制系统工作速率的提高；
[0008](4)为了获得高带宽、稳定、精确可调、且具有较大驱动能力的调相器驱动信号，对系统的驱动电路提出了更高的要求；
[0009](5)收发双发都需要主动控制相位，因此，收发双方都需要有真随机数驱动源。
【发明内容】
[0010]本发明提出了用于量子密码通信的编码器和解码器，可以实现BB84协议的编码和解码功能。本发明的特点在于:在发射端使用光学开关器件使光脉冲随机通过多个干涉仪，干涉仪的长短臂之间的相位差依次相差k.2 π + π /2，从而可以完成ΒΒ84协议所需的编码功能；在接收端通过光学分束器被动的随机选择测量基，通过两个长短臂之间的相位差相差k.2 π + π /2的干涉仪完成解码功能。通过使用多个干涉仪，可以无需在干涉仪中使用高速的相位调制器件，从而解决了往返时间对速度的限制，并且调相驱动电路可以使用低速设计方案和器件实现，大大降低了高速量子密码通信系统实现的难度，因此非常适合用于实现高速量子密码通信。如果使用采用法拉第反射镜的迈克尔逊干涉仪(F-M)结构，则可以具有对光路中偏振扰动的自适应补偿能力。
[0011]根据本发明的一个方案，提出了一种用于量子密码通信的编码器，包括:由第一光学开关元件和第一编码干涉仪构成的第一分支；由第二光学开关元件和第二编码干涉仪构成的第二分支；由第三光学开关元件和第三编码干涉仪构成的第三分支；由第四光学开关元件和第四编码干涉仪构成的第四分支；一分四分光器，与输入端、所述第一分支、所述第二分支、所述第三分支和所述第四分支相连，用于将输入光脉冲分为四个光脉冲，分别输入到所述第一分支、所述第二分支、所述第三分支和所述第四分支；四合一合光器，与所述第一分支、所述第二分支、所述第三分支、所述第四分支和输出端相连，用于将所述第一分支、所述第二分支、所述第三分支和所述第四分支输出的编码后的光脉冲合为一路从输出端输出，其中，所述第一编码干涉仪对光脉冲进行干涉后生成的前后两个波包之间的相位
差为第一预定相位(Δ%Να )，所述第二编码干涉仪对光脉冲进行干涉后生成的前后两个波包之间的相位差为所述第一预定相位+k.2 + Ji /2 ( Δ^ΚΝ(:2 = Δζ3ΚΝα +k-Ιπ + πΙΙ )，所述第三编码干涉仪对光脉冲进行干涉后生成的前后两个波包之间的相位差为所述第一预定相位+k.2 π + Ji ( A^enc3 = Δζ3ΕΝ01 +Η.2π + π )，所述第四编码干涉仪对光脉冲进行干涉后生成的前后两个波包之间的相位差为所述第一预定相位+k.2 +3 Ji /2 ( Δζ3ΕΝ04 = A^knci +Κ.2π + 1>πH )，其中 k 是整数。
[0012]优选地，所述编码器还可以包括:光学开关元件驱动电路，用于根据随机信号，随机导通所述第一光学开关元件、所述第二光学开关元件、所述第三光学开关元件和所述第四光学开关兀件之一。
[0013]优选地，所述编码器还可以包括:随机光强调制器，连接在所述输入端与所述一分四分光器之间，用于对所述输入光脉冲进行随机光强调制。更优选地，所述随机光强调制器可以选用波导型电光强度调制器，所述输入端至所述一分四分光器之间可以采用保偏型单模光纤。
[0014]优选地，所述编码器还可以包括:衰减器，连接在所述四合一合光器与所述输出端之间，用于对输出光脉冲进行光强控制，使光脉冲达到单光子量级。
[0015]优选地，所述编码器还可以包括:随机光强调制器，连接在所述四合一合光器与所述输出端之间，用于对输出光脉冲进行随机光强调制，实现诱骗态协议。
[0016]优选地，所述编码器还可以包括:衰减器，连接在所述四合一合光器与所述随机光强调制器之间，或连接在随机光强调制器与所述输出端之间，用于对输出光脉冲进行光强控制，使光脉冲达到单光子量级。
[0017]优选地，所述一分四分光器将输入光脉冲等分为四个光脉冲，分别输入到所述第一分支、所述第二分支、所述第三分支和所述第四分支。更优选地，所述一分四分光器的输入选用保偏型单模光纤。
[0018]优选地，所述第一光学开关元件、所述第二光学开关元件、所述第三光学开关元件和所述第四光学开关兀件是电光强度调制器、微光机电系统光开关、基于非线性效应的全光开关(NOLM和SOA)、或机械型光学开关元件。更优选地，所述第一光学开关元件、所述第二光学开关元件、所述第三光学开关元件和所述第四光学开关元件是波导型电光强度调制器。
[0019]优选地，所述第一编码干涉仪、所述第二编码干涉仪、所述第三编码干涉仪和所述第四编码干涉仪是使用法拉第反射镜的迈克尔逊干涉仪或Mach-Zehnder型干涉仪。
[0020]优选地，所述第一光学开关元件连接在所述一分四分光器与所述第一编码干涉仪之间，或者连接在所述第一编码干涉仪与所述四合一合光器之间；所述第二光学开关元件连接在所述一分四分光器与所述第二编码干涉仪之间，或者连接在所述第二编码干涉仪与所述四合一合光器之间；所述第三光学开关元件连接在所述一分四分光器与所述第三编码干涉仪之间，或者连接在所述第三编码干涉仪与所述四合一合光器之间；所述第四光学开关元件连接在所述一分四分光器与所述第四编码干涉仪之间，或者连接在所述第四编码干涉仪与所述四合一合光器之间。
[0021]根据本发明的另一方案，提出了一种用于量子密码通信的解码器，包括:由第一解码干涉仪和第一单光子探测器、第二单光子探测器构成的第一分支；由第二解码干涉仪和第三单光子探测器、第四单光子探测器构成的第二分支；一分二分光器，与输入端、所述第一分支和所述第二分支相连，用于将输入光脉冲分为两个光脉冲，分别输入到所述第一分支和所述第二分支，其中，所述第一解码干涉仪和所述第二解码干涉仪各自输出的前后两个波包之间的相位差均为η，所述第一解码干涉仪和所述第二解码干涉仪中随机的一个解码干涉仪对应于{0，π}的一组基，所述第一解码干涉仪和所述第二解码干涉仪中的另一个解码干涉仪对应于{> /2，3 π /2}的一组基。
[0022]优选地，所述一分二分光器是波长不敏感型器件，S卩，对不同波长的输入光，分光比实质上一致。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]通过下面结合【专利附图】
【附图说明】本发明的优选实施例，将使本发明的上述及其它目的、特征和优点更加清楚，其中:
[0024]图1是根据本发明的光学编码器1000的示意方框图；
[0025]图2是根据本发明实施例的光学编码器1100的示意方框图；
[0026]图3是根据本发明一个实施例的编码干涉仪1140-1的示意方框图；
[0027]图4是根据本发明另一实施例的编码干涉仪1140-2的示意方框图；
[0028]图5是根据本发明的光学解码器2000的示意方框图；以及
[0029]图6是根据本发明实施例的光学编码器2100的示意方框图。
【具体实施方式】
[0030]下面参照附图对本发明的优选实施例进行详细说明，在描述过程中省略了对于本发明来说是不必要的细节和功能，以防止对本发明的理解造成混淆。
[0031]首先，将结合图1，对根据本发明的光学编码器1000进行详细说明，图1是根据本发明的光学编码器1000的示意方框图。[0032]如图1所示，光学编码器1000包括:由第一光学开关元件IOSO1和第一编码干涉仪KMO1构成的第一分支；由第二光学开关元件10302和第二编码干涉仪10402构成的第二分支；由第三光学开关元件10303和第三编码干涉仪10403构成的第三分支；由第四光学开关元件10304和第四编码干涉仪10404构成的第四分支；一分四分光器1010，与输入端IN和第一~第四分支相连，用于将输入光脉冲分为四个光脉冲(可以是等比例或不等比例的)，分别输入到第一~第四分支；四合一合光器1020，与第一~第四分支和输出端OUT相连，用于将第一~第四分支输出的编码后的光脉冲合为一路从输出端OUT输出。
[0033]第一光学开关元件IOSO1可以连接在一分四分光器1010与第一编码干涉仪KMO1之间，或者连接在第一编码干涉仪KMO1与四合一合光器1020之间；第二光学开关元件10302可以连接在一分四分光器1010与第二编码干涉仪10402之间，或者连接在第二编码干涉仪10402与四合一合光器1020之间；第三光学开关元件10303可以连接在一分四分光器1010与第三编码干涉仪10403之间，或者连接在第三编码干涉仪10403与四合一合光器1020之间；第四光学开关元件10304可以连接在一分四分光器1010与第四编码干涉仪10404之间，或者连接在第四编码干涉仪10404与四合一合光器1020之间。
[0034]光学编码器1000还可以包括:光学开关元件驱动电路(未示出)，用于根据随机信号，随机导通第一~第四光学开关元件IOSO1~10304之一。由此，可以选择第一~第四编码干涉仪KMO1~10404之一对输入光脉冲进行调制，即，只有一个分支起到调制编码的作用。
[0035]—分四分光器1010可以将输入光脉冲等分为四个光脉冲，分别输入到所述第一分支、所述第二分支、所述第三分支和所 述第四分支。
[0036]第一~第四编码干涉仪KMO1~10404可以是使用法拉第反射镜的迈克尔逊干涉仪或Mach-Zehnder型干涉仪。光脉冲经过干涉仪后，被分为前后两个波包，前后波包相差
的相位由干涉仪的长短臂光路长度差Λ L和其中的调相器件调制的相位Δ%μ决定。
例如，相位差可以满足以下公式:
[0037]
【权利要求】
1.一种用于量子密码通信的编码器，包括: 由第一光学开关兀件和第一编码干涉仪构成的第一分支； 由第二光学开关元件和第二编码干涉仪构成的第二分支； 由第三光学开关元件和第三编码干涉仪构成的第三分支； 由第四光学开关元件和第四编码干涉仪构成的第四分支； 一分四分光器，与输入端、所述第一分支、所述第二分支、所述第三分支和所述第四分支相连，用于将输入光脉冲分为四个光脉冲，分别输入到所述第一分支、所述第二分支、所述第三分支和所述第四分支； 四合一合光器，与所述第一分支、所述第二分支、所述第三分支、所述第四分支和输出端相连，用于将所述第一分支、所述第二分支、所述第三分支和所述第四分支输出的编码后的光脉冲合为一路从输出端输出， 其中，所述第一编码干涉仪对光脉冲进行干涉后生成的前后两个波包之间的相位差为第一预定相位，所述第二编码干涉仪对光脉冲进行干涉后生成的前后两个波包之间的相位差为所述第一预定相位+k.2 π + π /2，所述第三编码干涉仪对光脉冲进行干涉后生成的前后两个波包之间的相位差为所述第一预定相位+k.2 π + Ji，所述第四编码干涉仪对光脉冲进行干涉后生成的前后两个波包之间的相位差为所述第一预定相位+k.2 +3 Ji /2,其中k是整数。
2.根据权利要求1所述的编码器，还包括: 光学开关元件驱动电路，用于根据随机信号，随机导通所述第一光学开关元件、所述第二光学开关元件、所述第三光学开关元件和所述第四光学开关元件之一。
3.根据权利要求1所述的编码器，还包括: 随机光强调制器，连接在所述输入端与所述一分四分光器之间，用于对所述输入光脉冲进行随机光强调制。
4.根据权利要求1所述的编码器，还包括: 衰减器，连接在所述四合一合光器与所述输出端之间，用于对输出光脉冲进行光强控制，使光脉冲达到单光子量级。
5.根据权利要求1所述的编码器，还包括: 随机光强调制器，连接在所述四合一合光器与所述输出端之间，用于对所述输出光脉冲进行随机光强调制。
6.根据权利要求5所述的编码器，还包括: 衰减器，连接在所述四合一合光器与所述随机光强调制器之间，或连接在所述随机光强调制器与所述输出端之间，用于对输出光脉冲进行光强控制，使光脉冲达到单光子量级。
7.根据权利要求1所述的编码器，其中，所述一分四分光器将输入光脉冲等分为四个光脉冲，分别输入到所述第一分支、所述第二分支、所述第三分支和所述第四分支。
8.根据权利要求1所述的编码器，其中，所述第一光学开关元件、所述第二光学开关元件、所述第三光学开关兀件和所述第四光学开关兀件是电光强度调制器、微光机电系统光开关、基于非线性效应的全光开关、或机械型光学开关元件。
9.根据权利要求8所述的编码器，其中，所述第一光学开关元件、所述第二光学开关元件、所述第三光学开关元件和所述第四光学开关元件是波导型电光强度调制器。
10.根据权利要求1所述的编码器，其中，所述第一编码干涉仪、所述第二编码干涉仪、所述第三编码干涉仪和所述第四编码干涉仪是使用法拉第反射镜的迈克尔逊干涉仪或Mach-Zehnder 型干涉仪。
11.根据权利要求1所述的编码器，其中， 所述第一光学开关元件连接在所述一分四分光器与所述第一编码干涉仪之间，或者连接在所述第一编码干涉仪与所述四合一合光器之间； 所述第二光学开关元件连接在所述一分四分光器与所述第二编码干涉仪之间，或者连接在所述第二编码干涉仪与所述四合一合光器之间； 所述第三光学开关元件连接在所述一分四分光器与所述第三编码干涉仪之间，或者连接在所述第三编码干涉仪与所述四合一合光器之间； 所述第四光学开关元件连接在所述一分四分光器与所述第四编码干涉仪之间，或者连接在所述第四编码干涉仪与所述四合一合光器之间。
12.一种用于量子密码通信的解码器，包括: 由第一解码干涉仪和第一单光子探测器、第二单光子探测器构成的第一分支； 由第二解码干涉仪和第三单光子探测器、第四单光子探测器构成的第二分支； 一分二分光器，与输入端、所述第一分支和所述第二分支相连，用于将输入光脉冲分为两个光脉冲，分别输入到所述第一分支和所述第二分支， 其中，所述第一解码干涉仪和所述第二解码干涉仪各自输出的前后两个波包之间的相位差均为η，所述第一解码干涉仪和所述第二解码干涉仪中随机的一个解码干涉仪对应于{0，π}的一组基，所述第一解码干涉仪和所述第二解码干涉仪中的另一个解码干涉仪对应于{π/2,3π/2}的一组基。
13.根据权利要求12所述的解码器，其中所述一分二分光器是波长不敏感型器件，SP，对不同波长的输入光，分光比实质上一致。
【文档编号】H04L9/08GK103546280SQ201310516971
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2013年10月28日 优先权日:2013年10月28日
【发明者】陈巍, 王双, 周政, 李玉虎, 银振强, 何德勇, 韩正甫, 郭光灿 申请人:中国科学技术大学