一种基于偏振信标跟踪补偿的量子密钥分配装置制造方法
【专利摘要】一种基于偏振信标跟踪补偿的量子密钥分配装置，涉及量子密钥分配中的偏振跟踪技术。它为了解决自由空间量子密钥分配中的偏振跟踪问题。本实用新型在常规BB84协议量子密钥分配装置的发射机内设置信标光，信标光与四路信号光并束后通过自由空间入射至接收机，在接收机内被第五光束分离器分成两束光，反射光依次经过第一干涉滤波器和第六偏振片后，入射至第五探测器，透射光依次经过第二干涉滤波器和半波片后，入射至第六光束分离器。通过接收机探测发射机的偏振信标，以跟踪发射机和接收机偏振基准间的角度偏差，通过旋转半波片实现偏振补偿。本实用新型结合卫星光通信中的瞄准捕获跟踪技术，能够用于实现低轨卫星与地面站间的量子密钥分配。
【专利说明】一种基于偏振信标跟踪补偿的量子密钥分配装置【技术领域】
[0001]本实用新型涉及量子密钥分配中的偏振跟踪技术。
【背景技术】
[0002]在快速发展的量子信息领域，基于光子偏振态的自由空间点对点量子密钥分配已经被成功的演示。Hughes等人完成了白天和夜晚大气光路IOkm的自由空间量子密钥分配实验。该实验采用Bennett-Brassardl984 (BB84)协议，发射机脉冲重复率为1MHz，密钥率约为600Hzo发射机Alice位于Los Alamos的Pajarito山，海拔2760m ;接收机Bob位于Los Alamos国家实验室附近，海拔2153m。Kurtsiefer等人完成了夜晚室外23.4km的自由空间量子密钥分配实验。该实验采用BB84协议，发射机脉冲重复率为10MHz，光损耗约为18dB。Schmitt-Manderbach等人完成了夜晚室外144km的自由空间量子密钥分配实验。发射机位于La Palma的Canary岛,海拔2400m ;接收机位于Tenerife的光学地面站(OGS),海拔2400m, Richey-Chretien/Coude望远镜口径为lm。该实验米用BB84协议,发射机脉冲重复率为10MHz，光损耗约为35dB。单光子源采用弱相干脉冲，波长为850nm，带宽为1.5nm。为了保证量子密钥分配的安全性，实验采用了诱骗态分析。链路的建立采用双向主动望远镜跟踪系统，分别由两个步进电机和CCD组成。信标光波长为532nm，跟踪系统带宽为1Hz。闭环跟踪系统控制望远镜的瞄准方向以补偿慢光束漂移。
[0003]自由空间点对点量子密钥分配受限于通信双方间的视线距离。为了实现全球任意两点间的保密通信，建立天基量子通信网络系统，需要通过卫星进行量子密钥分配。目前，卫星量子密钥分配研究主要集中在可行性论证方面。Rarity等人针对低轨卫星-地面站间量子密钥分配，提出三种系统模型:(I)激光器和编码在地面站，探测器在卫星上；(2)激光器和编码在卫星上，探测器在地面站；(3)激光器和探测器在地面站，回射器和偏振调制在卫星上。Miao等人研究了背景光对星地量子密钥分配的影响，通过比较每个脉冲噪声光子数和信号光子数，对实际系统的技术需求进行了评估，结果表明在夜晚条件下星地量子密钥分配是可行的。Bonato等人研究了卫星运动对星地量子密钥分配中偏振量子比特的影响。将瞄准系统简化为二镜模型，理论分析了二镜模型系统对S偏振分量传输的影响，对补偿方案进行了可行性分析和讨论。Villoresi等人通过实验证实了星地量子信道的可行性。该实验模拟了卫星上的单光子源，开发了意大利空间局Matera激光测距观测站的望远镜以探测单光子。弱激光脉冲由地面站发射，通过卫星反射回地面站接收机。被反射回的脉冲平均每个脉冲少于一个光子。实验能够探测到由低地轨道卫星Ajisai反射回的光子，该卫星近地点轨道高度为1485km。
[0004]偏振跟踪是卫星量子密钥分配中的关键技术之一。在偏振编码卫星量子密钥分配中，发射机和接收机需要具有共同的偏振基准，这样才能完成量子密钥分配协议。但是，由于发射机或接收机处于太空中，两者具有共同的偏振基准难以得到保证。而且，当发射机和接收机进入闭环锁定跟踪状态之后，由于卫星动力学过程，发射机和接收机沿其共同中心连线有可能发生相对旋转，使得偏振基准发生改变。为了实现量子密钥分配协议，需要对偏振基准进行补偿即偏振跟踪(Polarization Tracking)。Nordholt等人针对星地量子密钥分配首先提出了偏振跟踪思想。偏振零方向由来自于发射机或接收机的信标进行定义，通过旋转地面站的半波片进行补偿。Ma等人发展了这一思想，建立了基于半波片的偏振跟踪理论模型。Toyoshima等人提出了采用偏振旋转器的偏振跟踪方法，但目前还没有出现用于卫星的基于偏振信标跟踪补偿的量子密钥分配装置。
实用新型内容
[0005]本实用新型的目的是为了解决自由空间量子密钥分配中的偏振跟踪问题，提供一种基于偏振信标跟踪补偿的量子密钥分配装置。
[0006]本实用新型所述的一种基于偏振信标跟踪补偿的量子密钥分配装置，包括发射机和接收机；
[0007]所述发射机包括第一激光二极管LD1、第二激光二极管LD2、第三激光二极管LD3、第四激光二极管LD4、第一可变光衰减器0A1、第二可变光衰减器0A2、第三可变光衰减器0A3、第四可变光衰减器0A4、第一偏振片P1、第二偏振片P2、第三偏振片P3、第四偏振片P4、第一光束分离器BSl、第二光束分离器BS2和第三光束分离器BS3 ；
[0008]第一激光二极管LDl产生的信号光依次经过第一可变光衰减器OAl和第一偏振片Pl后，入射至第一光束分离器BS1，经所述第一光束分离器BSl透射，第二激光二极管LD2产生的信号光依次经过第二可变光衰减器0A2和第二偏振片P2后，入射至第一光束分离器BS1，经所述第一光束分离器BSl反射后，与第一激光二极管LDl发出的、经所述第一光束分离器BSl透射的信号光合成一束光，即第一合成光束；
[0009]第三激光二极管LD3产生的信号光依次经过第三可变光衰减器0A3和第三偏振片P3后，入射至第二光束分离器BS2，经所述第二光束分离器BS2透射，第四激光二极管LD4产生的信号光依次经过第四可变光衰减器0A4和第四偏振片P4后，入射至第二光束分离器BS2，经所述第二光束分离器BS2反射后，与第三激光二极管LD3发出的、经所述第二光束分离器BS2透射的信号光合成一束光，即第二合成光束；
[0010]第一合成光束经第三光束分离器BS3反射,第二合成光束经第三光束分离器BS3透射，经第三光束分离器BS3反射后的光束与经第三光束分离器BS3透射后的光束合成一束光，即第三合成光束；
[0011]接收机包括第六光束分离器BS6、第一偏振控制器PCl、第二偏振控制器PC2、第一偏振光束分离器PBS1、第二偏振光束分离器PBS2、第一探测器D1、第二探测器D2、第三探测器D3和第四探测器D4;
[0012]第六光束分离器BS6将接收到的光分成反射光和透射光两路；
[0013]所述反射光经过第一偏振控制器PCl后入射至第一偏振光束分离器PBSl，并被所述第一偏振光束分离器PBSl分成透射光和反射光两路，所述透射光和反射光分别入射至第一探测器Dl的光接收面和第二探测器D2的光接收面；
[0014]经第六光束分离器BS6透射的光经过第二偏振控制器PC2后入射至第二偏振光束分离器PBS2，并被所述第二偏振光束分离器PBS2分成透射光和反射光两路，所述透射光和反射光分别入射至第三探测器D3的光接收面和第四探测器D4的光接收面；
[0015]所述的第一偏振片Pl的偏振方向为O度,该偏振方向是发射机的偏振基准,第二偏振片P2的偏振方向为90度,第三偏振片P3的偏振方向为45度,第四偏振片P4偏振方向为135度；
[0016]所述的发射机还包括第五激光二极管LD5、第五偏振片P5和第四光束分离器BS4，从第三光束分离器BS3出射的第三合成光束入射至第四光束分离器BS4，并经第四光束分离器BS4透射；第五激光二极管LD5发出的光经过第五偏振片P5后入射至第四光束分离器BS4，并经第四光束分离器BS4反射，经第四光束分离器BS4反射后的光束与经第四光束分离器BS4透射后的光束合成一束光，作为发射机的发射信号进入自由空间，并被接收机接收，所述的第五偏振片P5的偏振方向为O度；
[0017]所述的接收机还包括第五光束分离器BS5、第一干涉滤波器IF1、第二干涉滤波器IF2、第六偏振片P6、半波片HWP和第五探测器D5，发射机的发射信号入射至第五光束分离器BS5后，被所述第五光束分离器BS5分成反射光和透射光两路，所述反射光依次经过第一干涉滤波器IFl和第六偏振片P6后，入射至第五探测器D5的光接收面，所述透射光依次经过第二干涉滤波器IF2和半波片HWP后，入射至第六光束分离器BS6。
[0018]本实用新型所述的一种基于偏振信标跟踪补偿的量子密钥分配装置的单光子源采用高度衰减激光脉冲，量子信息态采用单光子偏振态，量子密钥分配协议采用现有的BB84协议。装置采用偏振跟踪技术，通过接收机探测来自于发射机的偏振信标，以跟踪发射机和接收机偏振基准间的角度偏差，通过旋转接收机的半波片实现偏振补偿。本实用新型给出的偏振跟踪技术结合卫星光通信中的瞄准捕获跟踪技术，能够用于实现低轨卫星与地面站间的量子密钥分配。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为本实用新型所述的一种基于偏振信标跟踪补偿的量子密钥分配装置的原理图。
【具体实施方式】
[0020]【具体实施方式】一:结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于偏振信标跟踪补偿的量子密钥分配装置包括发射机和接收机；
[0021]所述发射机包括第一激光二极管LD1、第二激光二极管LD2、第三激光二极管LD3、第四激光二极管LD4、第一可变光衰减器0A1、第二可变光衰减器0A2、第三可变光衰减器0A3、第四可变光衰减器0A4、第一偏振片P1、第二偏振片P2、第三偏振片P3、第四偏振片P4、第一光束分离器BSl、第二光束分离器BS2和第三光束分离器BS3 ；
[0022]第一激光二极管LDl产生的信号光依次经过第一可变光衰减器OAl和第一偏振片Pl后，入射至第一光束分离器BS1，经所述第一光束分离器BSl透射，第二激光二极管LD2产生的信号光依次经过第二可变光衰减器0A2和第二偏振片P2后，入射至第一光束分离器BS1，经所述第一光束分离器BSl反射后，与第一激光二极管LDl发出的、经所述第一光束分离器BSl透射的信号光合成一束光，即第一合成光束；
[0023]第三激光二极管LD3产生的信号光依次经过第三可变光衰减器0A3和第三偏振片P3后，入射至第二光束分离器BS2，经所述第二光束分离器BS2透射，第四激光二极管LD4产生的信号光依次经过第四可变光衰减器0A4和第四偏振片P4后，入射至第二光束分离器BS2，经所述第二光束分离器BS2反射后，与第三激光二极管LD3发出的、经所述第二光束分离器BS2透射的信号光合成一束光，即第二合成光束；
[0024]第一合成光束经第三光束分离器BS3反射,第二合成光束经第三光束分离器BS3透射，经第三光束分离器BS3反射后的光束与经第三光束分离器BS3透射后的光束合成一束光，即第三合成光束；
[0025]接收机包括第六光束分离器BS6、第一偏振控制器PCl、第二偏振控制器PC2、第一偏振光束分离器PBS1、第二偏振光束分离器PBS2、第一探测器D1、第二探测器D2、第三探测器D3和第四探测器D4;
[0026]第六光束分离器BS6将接收到的光分成反射光和透射光两路；
[0027]所述反射光经过第一偏振控制器PCl后入射至第一偏振光束分离器PBSl，并被所述第一偏振光束分离器PBSl分成透射光和反射光两路，所述透射光和反射光分别入射至第一探测器Dl的光接收面和第二探测器D2的光接收面；
[0028]经第六光束分离器BS6透射的光经过第二偏振控制器PC2后入射至第二偏振光束分离器PBS2，并被所述第二偏振光束分离器PBS2分成透射光和反射光两路，所述透射光和反射光分别入射至第三探测器D3的光接收面和第四探测器D4的光接收面；
[0029]所述的第一偏振片Pl的偏振方向为O度,该偏振方向是发射机的偏振基准,第二偏振片P2的偏振方向为90度,第三偏振片P3的偏振方向为45度,第四偏振片P4偏振方向为135度；
[0030]所述的发射机还包括第五激光二极管LD5、第五偏振片P5和第四光束分离器BS4，从第三光束分离器BS3出射的第三合成光束入射至第四光束分离器BS4，并经第四光束分离器BS4透射；第五激光二极管LD5发出的光经过第五偏振片P5后入射至第四光束分离器BS4，并经第四光束分离器BS4反射，经第四光束分离器BS4反射后的光束与经第四光束分离器BS4透射后的光束合成一束光，作为发射机的发射信号进入自由空间，并被接收机接收，所述的第五偏振片P5的偏振方向为O度；
[0031]所述的接收机还包括第五光束分离器BS5、第一干涉滤波器IF1、第二干涉滤波器IF2、第六偏振片P6、半波片HWP和第五探测器D5，发射机的发射信号入射至第五光束分离器BS5后，被所述第五光束分离器BS5分成反射光和透射光两路，所述反射光依次经过第一干涉滤波器IFl和第六偏振片P6后，入射至第五探测器D5的光接收面，所述透射光依次经过第二干涉滤波器IF2和半波片HWP后，入射至第六光束分离器BS6。
[0032]发射机中的第一激光二极管LDl、第二激光二极管LD2、第三激光二极管LD3、第四激光二极管LD4为信号光源，波长为850nm。四路信号光分别经过第一可变光衰减器0A1、第二可变光衰减器0A2、第三可变光衰减器0A3和第四可变光衰减器0A4衰减后，每个脉冲的平均光子数为0.1，再分别经过第一偏振片P1、第二偏振片P2、第三偏振片P3和第四偏振片P4后得到偏振方向分别为O度、90度、45度、135度的光子偏振态，其中O度偏振方向为发射机的偏振基准。第五激光二极管LD5产生的激光为信标光源,波长为532nm。信标光经过第五偏振片P5起偏后得到O度偏振方向的偏振信标。四路信号光和信标光经过四个光束分离器并束后进入自由空间，然后被接收机接收。其中五个偏振片的消光比均为1:1000。四个光束分离器的分光比均为50/50。
[0033]来自于发射机的光束经过50/50的第五光束分离器BS5分束后得到反射光束和透射光束。经第五光束分离器BS5的反射光束通过中心波长为532nm、带宽为IOnm的第一干涉滤波器IFl滤波后，经过消光比为1:1000的第六偏振片P6检偏后由第五探测器D5接收。经第五光束分离器BS5的透射光束通过中心波长为850nm、带宽为IOnm的第二干涉滤波器IF2滤波后，经过半波片HWP由50/50的第六光束分离器BS6分束后得到反射光束和透射光束。经第六光束分离器BS6的反射光束通过第一偏振控制器PCl和第一偏振光束分离器PBSl后分成两束光，分别由第一探测器Dl和第二探测器D2接收。经第六光束分离器BS6的透射光束通过第二偏振控制器PC2和第二偏振光束分离器PBS2后分成两束光，分别由第三探测器D3和第四探测器D4接收。
[0034]使用时，通过旋转第六偏振片P6来跟踪发射机和接收机偏振基准间的角度偏差，通过旋转半波片HWP来实现偏振补偿。第一探测器Dl和第二探测器D2分别用于接收O度和90度偏振态的光子，第三探测器D3和第四探测器D4分别用于接收45度和135度偏振态的光子。
[0035]本实施方式所述的一种基于偏振信标跟踪补偿的量子密钥分配装置的单光子源采用高度衰减激光脉冲，量子信息态采用单光子偏振态，量子密钥分配协议采用现有的BB84协议。装置采用偏振跟踪技术，通过接收机探测来自于发射机的偏振信标，以跟踪发射机和接收机偏振基准间的角度偏差，通过旋转接收机的半波片HWP实现偏振补偿。本实施方式给出的偏振跟踪技术结合卫星光通信中的瞄准捕获跟踪技术，能够用于实现低轨卫星与地面站间的量子密钥分配。
[0036]【具体实施方式】二:本实施方式是对实施方式一所述的一种基于偏振信标跟踪补偿的量子密钥分配装置的进一步限定，本实施方式中，所述的第一探测器Dl、第二探测器D2、第三探测器D3和第四探测器D4均采用SPCM-AQR-13-FC型单光子计数器。
【权利要求】
1.一种基于偏振信标跟踪补偿的量子密钥分配装置，包括发射机和接收机； 所述发射机包括第一激光二极管(LD1)、第二激光二极管(LD2)、第三激光二极管(LD3)、第四激光二极管(LD4)、第一可变光衰减器(0A1)、第二可变光衰减器(0A2)、第三可变光衰减器(0A3)、第四可变光衰减器(0A4)、第一偏振片(P1)、第二偏振片(P2)、第三偏振片(P3)、第四偏振片(P4)、第一光束分离器(BS1)、第二光束分离器(BS2)和第三光束分离器(BS3)； 第一激光二极管(LDl)产生的信号光依次经过第一可变光衰减器(OAl)和第一偏振片(Pl)后，入射至第一光束分离器(BS1)，经所述第一光束分离器(BSl)透射，第二激光二极管(LD2)产生的信号光依次经过第二可变光衰减器(0A2)和第二偏振片(P2)后，入射至第一光束分离器(BS1),经所述第一光束分离器(BSl)反射后，与第一激光二极管(LDl)发出的、经所述第一光束分离器(BSl)透射的信号光合成一束光，即第一合成光束； 第三激光二极管(LD3)产生的信号光依次经过第三可变光衰减器(0A3)和第三偏振片(P3)后，入射至第二光束分离器(BS2)，经所述第二光束分离器(BS2)透射，第四激光二极管(LD4)产生的信号光依次经过第四可变光衰减器(0A4)和第四偏振片(P4)后，入射至第二光束分离器(BS2)，经所述第二光束分离器(BS2)反射后，与第三激光二极管(LD3)发出的、经所述第二光束分离器(BS2)透射的信号光合成一束光，即第二合成光束； 第一合成光束经第三光束分离器(BS3)反射，第二合成光束经第三光束分离器(BS3)透射，经第三光束分离器(BS3)反射后的光束与经第三光束分离器(BS3)透射后的光束合成一束光，即第三合成光束； 接收机包括第六光束分离器(BS6)、第一偏振控制器(PCl )、第二偏振控制器(PC2)、第一偏振光束分离器(PBS1)、第二偏振光束分离器(PBS2)、第一探测器(D1)、第二探测器(D2)、第三探测器(D3)和第四探测器(D4)； 第六光束分离器(BS6)将接收到的光分成反射光和透射光两路； 所述反射光经过第一偏振控制器(PCl)后入射至第一偏振光束分离器(PBS1)，并被所述第一偏振光束分离器(PBS1)分成透射光和反射光两路，所述透射光和反射光分别入射至第一探测器(Dl)的光接收面和第二探测器(D2)的光接收面； 经第六光束分离器(BS6)透射的光经过第二偏振控制器(PC2)后入射至第二偏振光束分离器(PBS2)，并被所述第二偏振光束分离器(PBS2)分成透射光和反射光两路，所述透射光和反射光分别入射至第三探测器(D3)的光接收面和第四探测器(D4)的光接收面； 所述的第一偏振片(Pl)的偏振方向为O度,该偏振方向是发射机的偏振基准,第二偏振片(P2)的偏振方向为90度,第三偏振片(P3)的偏振方向为45度,第四偏振片(P4)偏振方向为135度； 其特征在于:所述的发射机还包括第五激光二极管(LD5)、第五偏振片(P5)和第四光束分离器(BS4)，从第三光束分离器(BS3)出射的第三合成光束入射至第四光束分离器(BS4)，并经第四光束分离器(BS4)透射；第五激光二极管(LD5)发出的光经过第五偏振片(P5)后入射至第四光束分离器(BS4)，并经第四光束分离器(BS4)反射，经第四光束分离器(BS4)反射后的光束与经第四光束分离器(BS4)透射后的光束合成一束光,作为发射机的发射信号进入自由空间，并被接收机接收，所述的第五偏振片(P5)的偏振方向为O度； 所述的接收机还包括第五光束分离器(BS5)、第一干涉滤波器(IF1)、第二干涉滤波器(IF2)、第六偏振片(P6)、半波片(HWP)和第五探测器(D5)，发射机的发射信号入射至第五光束分离器(BS5)后，被所述第五光束分离器(BS5)分成反射光和透射光两路，所述反射光依次经过第一干涉滤波器(IFl)和第六偏振片(P6)后，入射至第五探测器(D5)的光接收面，所述透射光依次经过第二干涉滤波器(IF2)和半波片(HWP)后，入射至第六光束分离器(BS6)。
2.根据权利要求1所述的一种基于偏振信标跟踪补偿的量子密钥分配装置，其特征在于:所述的第一探测器(D1)、第二探测器(D2)、第三探测器(D3)和第四探测器(D4)均采用SPCM-AQR-13-FC型单光子计数器。
【文档编号】H04B10/85GK203761414SQ201420188326
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年4月17日 优先权日:2014年4月17日
【发明者】张光宇, 张成龙, 杨哲, 赵鹏飞, 刘宁, 李姗, 刘佳宝, 张昊, 姬广举, 王振华, 杨玉强 申请人:哈尔滨理工大学