高成码率点对点QKD系统以及发射端、接收端和QKD方法与流程

本发明涉及点对点的QKD技术，具体涉及一种高成码率的点对点QKD系统以及发射端、接收端和QKD方法。

背景技术：

量子通信是结合了量子力学和密码分析的一项新技术，它的安全性由量子力学基本原理——海森堡测不准原理和量子不可克隆定理保证，能够确保密钥分配和传输的安全性，因此受到了各国政府和军事部门的高度重视，许多研究机构开展很多量子通信的研究。量子通信研究包含了量子密钥分发(QKD)、量子存储和中继、量子数字签名、量子编码、量子秘密共享、量子安全计算协议等方向，其中QKD是核心研究内容，也是量子保密通信获得实际应用最早的研究领域。

QKD能够实现通信双方生成相同的密钥，其密钥生成速率即成码率是衡量系统性能优劣的重要指标，高的成码率可以加密更多的数据，形成更复杂的加密体系，自1991年诞生了世界上第一个QKD系统后，提高成码率一直是QKD系统改进和完善的方向。但是目前报道的QKD系统成码率都不高，2014年《APPLIED PHYSICS LETTERS》中文献“Room temperature single-photon detectors for high bit rate quantum key distribution”报道了目前最好的QKD成码率，在50km光纤达到1.2Mbps，但是到了100km成码率为1.2kbps，较低的成码率限制了QKD系统大规模商用，如分布式存储网络、银行间的大数据容灾备份转移以及更多用户的接入等需求都需要对大量传输的数据进行一次一密的无条件安全加密，因此急需更高成码率的QKD系统。

目前已有多种提高成码率的方法，2014年《APPLIED PHYSICS LETTERS》中文献“Room temperature single-photon detectors for high bit rate quantum key distribution”采用了改善单光子探测器性能的方法，使单光子探测器工作在室温状态下也能得到较高的成码率；申请号200610170557.5的中国专利申请公开了一种相位编码偏振检测的QKD系统，克服了之前QKD系统中单光子的路径随机选择导致的成码率低的缺点，提高了系统的抗干扰能力及单光子的利用效率；申请号201020112228.7的中国专利申请公开了一种双向密钥产生接收端，通过在QKD上光路增加光路径选择器，实现密钥双向分配，实现了成码率更高、更加安全的QKD系统；申请号201310434795.2的中国专利申请公开了一种QKD系统的同步装置，在发送信号的频率远大于同步信号频率的时候，能够减小同步光对信号光的影响，有利于提高系统的工作频率，有效提高QKD系统成码率。综上所述，提高QKD系统成码率主要方法为改善单光子探测器的性能、改进QKD光路系统、提高QKD系统工作频率等，这些方法都是针对单个QKD系统的改善，而单个QKD系统内激光器、单光子探测器等器件的工作频率、工作效率都是有限制的，因此成码率改善有限。

目前已有许多关于采用波分复用器用于多用户接入的QKD系统的报道，如专利申请号201410337054.7的中国专利申请公开了一种多用户波分复用量子密钥分发网络系统及其密钥分发与共享的方法，实现1个Alice与多个Bob之间的密钥分发。申请号200680022303.7的中国专利申请公开了一种用波分复用链路在发射机和接收机之间实现量子密钥分配的系统和方法，实现多个量子发射单元和多个量子接收单元的密钥分发。上述两专利的量子密钥分发线路皆使用了基于相位编码的即插即用QKD系统方案，由于受发射端和接收端两相位调制器的调制精度限制，解码模块上信号光干涉对比度不够高，这影响了探测器的测量结果，降低了系统的成码率低。

现有技术存在的问题：

单个QKD系统内激光器、单光子探测器等器件的工作频率、工作效率都有限制，因此成码率改善有限。

现有的一对多、多对多QKD复用网络使用的基于相位编码的即插即用系统方案，其成码率受限于发收两端相位调制器的调制精度。

技术实现要素：

本发明提供一种QKD系统，包括有相互匹配的发射端和接收端，本发明QKD系统融合分束器技术、波分复用技术与多芯光纤技术，通过拓展量子密钥分发线路数量提升点对点QKD系统的成码率，当采用时间-相位非平衡基矢编码时，降低了线路的插入损耗且探测结果不受器件调制精度限制，实现了高对比度编码，还可以根据需要利用光路径选择器件构建双向通信的QKD系统，进一步提高成码率。一种高成码率点对点QKD系统的发射端，沿光信号传输方向依次包括光源模块、编码器、波分复用器和光纤接口，还设有用于向编码器发送控制信号的主控逻辑模块，所述光源模块包括多个光源且分别具有不同发射波长，每个光源的输出端对应连接有一个分束器，分束器将对应光源的输出分成多路光信号输出至编码器分别进行编码；所述光纤接口为多芯光纤接口，用于将来自波分复用器的光信号转接至多芯光纤以向接收端发射。

本发明QKD系统的发射端可利用分束器大幅提高量子密钥分发线路数量，例如设置有n个不同波长的光源(激光器)，所有光源可以集成在一块激光板上，各光源所对应的分束器将出射光分成m条量子密钥分发线路，此时系统可容纳n*m条量子密钥分发线路，成码率是原来的单套QKD系统的n*m倍。当系统双向通信时，成码率可以提高约2n*m倍。

由于量子通信所选用的光波段有一定限制，因此如何充分利用可选波段也是现有技术存在的问题之一，在有限的波段范围内不同发射波长的光源数量也相应受限，本发明通过分束器将同一光源的输出分成多条量子密钥分发线路，可解决光波段充分利用的问题，在硬件上也尽可能的减少了光源的数量，降低成本和能耗。

本发明中由于构建的量子密钥分发线路数量较多，为了提高设备的集成度，充分利用硬件资源，作为优选，所述编码器中具有与各路光信号一一对应的编码模块，所述主控逻辑模块中针对每路编码模块配置有相应的信号调制器，所有信号调制器共用主控逻辑模块中的同一随机数发生器。

尽管每条量子密钥分发线路的光信号需要分别编码，每个编码模块都需要信号调制器，但各信号调制器所利用的随机数可采用主控逻辑模块中现有的随机数发生器统一派发(分别派发不同的随机数)，无需为各个信号调制器分别配置随机数发生器，减小了硬件开销。

在编码方式上，可采用现有协议，本发明中作为优选，所述编码器为基于时间-相位编码的信号光编码模组，即优选采用基于时间-相位编码方案。

所述的信号光编码模组具有与各路信号光对应的编码模块。例如当光源模组中具有n个光源，每个分束器分为m路，则一共有n*m路信号光，相应的信号光编码模组中设有n*m个编码模块。

采用时间-相位编码时，每个编码模块为时间相位编码模块，具体包括时间编码子模块和相位编码子模块。

时间编码子模块进行时间编码过程通过强度调制器对线路(即量子密钥分发线路)中前后两个光脉冲的强度进行调制，随机将其中一个光脉冲的光强调制为接近于零的真空态，产生只有第一个光脉冲或者只有第二个光脉冲的双脉冲序列来实现编码。

所述的相位编码子模块为X基矢相位编码子模块或Y基矢相位编码子模块。进行相位编码时，通过相位调制器PM对线路上两光脉冲中的一个进行调制形成两个光脉冲的有效相位差为0或π来实现编码(即X基矢相位编码)，或通过调制形成两个光脉冲的有效相位差为π/2或3π/2(即Y基矢相位编码)。相位解码过程不需要相位调制器，因此降低了线路的插入损耗，且探测结果不受调制器件精度限制，可实现高对比度编码，此两方面提升了系统的成码率。控制时间、相位两组基矢的选择比例，使用非平衡基矢对信号光进行编解码可进一步提升系统的成码率。

关于非平衡基矢方案对QKD成码率影响的讨论可参考2005年《Journal of Cryptology》的文献“Efficient quantum key distribution scheme and a proof of its unconditional security”。

作为优选，所述分束器为多个，且各光源一一对应，所述波分复用器为多个，每一波分复用器的输入端接各分束器的其中一路输出，每一波分复用器的输出端接入多芯光纤接口并对应其中一个纤芯。

由于波分复用器的输入要求为波长不同光信号，因此仅接收各分束器的其中一路输出，本发明的重点之一是采用多芯光纤，多芯光纤的不同纤芯在空间分离，可实现若干路相同光信号的平行传输，拓展了发射端与接收端间公共传输信道的数量，提高了系统可容纳量子密钥分发线路的数量，实现了系统成码率的提升，各波分复用器的输出通过多芯光纤接口进一步提高集成度，所述多芯光纤接口可以采用光纤扇形输出器，这样就可以在QKD系统的接收端和发射端之间通过多芯光纤进行信号传输。

作为优选，各分束器的分束数量相同，且等于波分复用器的个数。这样可以提高器件的标准化。

本发明发射端中还设有同步光光源以及相应的同步光发射线路，其中同步光光源接入任一波分复用器的输入端。

为了进一步提高成码率，本发明的发射端也可以通过增加光路径选择器件实现双向通信，作为优选，在所述编码器和波分复用器之间的每一条光信号传输路径上，分别设有光路径选择器件，所述发射端还设有信号接收模块，该信号接收模块通过各光路径选择器件耦合入相应的光信号传输路径。

光路径选择器件可以采用光纤环形器。

接收模块的构成与发射部分相匹配，包括接收各路光信号并进行相应处理的解码器和探测器。

本发明还提供一种高成码率点对点QKD系统的接收端，沿光信号传输方向依次包括光纤接口、波分复用器、解码器和探测器，所述光纤接口为用于接收发射端信号的多芯光纤接口，多芯光纤的每个纤芯对应波分复用器的一路输入。

与发射端同理，通过波分复用器对波分复用信号的解复用，可以获得n*m条量子密钥分发线路，成码率是原来的单套QKD系统的n*m倍。当系统双向通信时，成码率可以提高约2n*m倍。

接收端在解码方式上与发射端相适应，作为优选，所述解码器为基于时间-相位解码的信号光解码模组。

为了实现双向通信，作为优选，在波分复用器和解码器之间的每一条光信号传输路径上，分别设有光路径选择器件，所述接收端还设有信号发射模块，该信号发射模块通过各光路径选择器件耦合入相应的光信号传输路径。

光路径选择器件可以采用光纤环形器。

发射模块的构成与接收部分相匹配，可以采用本发明发射端中对应的部分，在此不再赘述。

本发明还提供一种高成码率点对点QKD系统，包括相互匹配的发射端和接收端，所述发射端为本发明的高成码率点对点QKD系统的发射端，发射端和接收端之间通过连接在光纤接口之间的多芯光纤通信。

作为优选，所述接收端为本发明所述的高成码率点对点QKD系统的接收端。

基于本发明的高成码率点对点QKD系统，本发明还提供一种高成码率点对点QKD方法，在发射端生成不同波长的多路光信号，将每路光信号进行分束并分别进行编码，编码后进行波分复用处理再经多芯光纤进行发射；在接收端接收信号并依次进行解复用、解码、探测和后处理。

本发明的有益效果如下：

1、系统设置有n个不同波长的光源、m芯多芯光纤时，可容纳n*m条量子密钥分发线路，成码率是原来的单套QKD系统的n*m倍。

2、基于时间-相位非平衡基矢编码的QKD系统方案，降低了线路的插入损耗且探测结果不受调制器件精度限制，实现了高对比度编码，因此提升了系统的成码率；控制两组基矢的选择比例，使用非平衡基矢对信号光进行编解码可进一步提升系统的成码率。

3、利用光纤环形器作为光路径选择器件改进的双向通信QKD系统，Alice和Bob可以同时发射和接收量子信息，系统成码率提升至约2n*m倍。

附图说明

图1为本发明高成码率点对点QKD系统的示意图；

图2为单支量子密钥分发线路上基于时间-相位的编解码工作原理图；

图3为图1中QKD系统的针对每个光源进行四路功分复用的示意图；

图4为本发明高成码率点对点QKD系统双向通信的示意图。

图5为图4中QKD系统的针对每个光源进行四路功分复用的示意图。

具体实施方式

实施例1单向通信

如图1所示，本发明的一种高成码率点对点QKD系统包括相互匹配的发射端(Alice)和接收端(Bob)，发射端和接收端之间通过多芯光纤104通信。

发射端中包括光源模块(具体采用激光板)、多个分束器(例如分束器101)、编码器(信号光编码模组)、多个波分复用器(例如波分复用器102)、作为多芯光纤接口的光纤扇形输出器103。

另外还设置有主控逻辑模块，即图1中Alice的电子设备，用以控制激光板和同步光光源发光以及产生对信号光编码模组的调制信号等。

Alice的电子设备中的逻辑控制单元控制随机数发生器产生随机信号发送至信号发生器和信号调制器，信号发生器控制激光板发出与随机信号对应的信号光，同时控制同步光光源发出与信号光相应的同步光，信号调制器接收随机信号后产生相应调制信号，控制信号光编码模组对光信号进行编码。

接收端中包括作为多芯光纤接口的光纤扇形输出器105、多个波分复用器(例如波分复用器106)、解码器(信号光解码模组)、探测器(信号光探测模组)。

另外还设置有数据记录单元以及辅助电路，即图1中Bob的电子设备，用以采集接收端的测量结果。同步光经同步光探测器接收并处理后变为同步光信号，同步光信号经延时控制单元延时处理，以作为探测器模组的触发信号来开启对信号光的探测，数据记录单元记录探测器模组响应、信号光到达时间、同步光到达时间，根据信号光和同步光的时间差获得信号光的位置信息，探测器模组响应和信号光位置信息作为接收端的测量结果。

如图1中所有量子密钥分发线路由一个同步光信号进行线路两端发收装置的同步控制，其中同步光光源位于发射端，同步光探测器位于接收端。图1中Alice的电子设备和Bob的电子设备均可以采用现有技术，本实施例中各条量子密钥分发线路为工作原理和结构相同的线路，所有线路同时同步工作，所有线路由共同的一路电子设备驱动控制。

激光板上设有n个不同波长的光源，光源1～光源n，各光源的波长分别对应λ1～λn，每个光源对应一个分束器，可将光源进行多路复用，1*m分束器可将每个光源的出射光功分至m条量子密钥分发线路，若系统具有n个不同波长的光源则可以拓展出n*m条量子密钥分发线路，这在提升系统光源的利用率的同时，提升了系统的成码率。

波分复用器(例如波分复用器102或波分复用器106)可将编码器不同光波长的输出端或解码器不同波长的输入端集成为一根光纤，如图1所示，此光纤作为光纤扇形输出器103的某一输入或光纤扇形输出器105某一输出。波分复用器的应用可在缩减系统尺寸的同时，降低复用系统对光纤扇形输出器分支数量的需求(现有光纤扇形输出器分支数量有限，通常为4分支和7分支)。波分复用器的分支数量与系统不同光波长的光源数量相同，当系统具有n个不同波长的光源时，波分复用器具有n个分支，每个分支连接至不同的光源。波分复用器的数量由每个光源经分束器分出的量子密钥分发线路数量决定，当利用分束器对每个光源进行m路复用时，则在发射端需要m个波分复用器以将m组不同光波长的混合光输入复用至一根光纤，同样在系统的接收端需要m个相同的波分复用器进行混合光的解复用，如上述，此时系统共需要2m个1*n分支的波分复用器。

光纤扇形输出器103和光纤扇形输出器105是在波分复用器(例如波分复用器102和波分复用器106)基础上对系统光路的进一步集成，系统中光纤扇形输出器103和光纤扇形输出器105为对称相同的器件。光纤扇形输出器为多根单模光纤和一根多芯光纤的组成器件，各单模光纤的纤芯对准多芯光纤的不同纤芯，各单模光纤内传输的光沿着多芯光纤对应纤芯继续独立平行地传输，实现了光的空间复用或解复用。当使用m芯多芯光时，光纤扇形输出器内具有m条独立平行的光路，相应具有m根单模光纤输入或输出。Alice端，每个波分复用器集成的n个波长的输入构成一个混合光组(λ₁、λ₂、...λ_n)输出，并将混合光组传输进光纤扇形输出器103的一个输入端。m个波分复用器构成了m组相同的混合光组(λ₁、λ₂、...λ_n)，为了避免同波长光信号间的串扰，m个混合光组(λ₁、λ₂、...λ_n)独立平行地在光纤扇形输出器103的不同光路内传输。系统两端对称的波分复用器(例如波分复用器102和波分复用器106)、对称的光纤扇形输出器(光纤扇形输出器103和光纤扇形输出器105)及多芯光纤104共同组成了集约型的光路，进行编码器和解码器间的光信息传输。

同步光光源使用与信号光不同的光波长λ_n+1，其光纤传输线路经系统左端波分复用器107、光纤扇形输出器103与Alice端的量子密钥分发线路集成，最后经Bob端对称的波分复用器108解复用后与信号光分离，并输入同步光探测器生成同步信号。

综上所述，在点对点QKD系统中将n个不同的光源经分束器分别进行m路功分复用时，借助波分复用器、光纤扇形输出器、m芯多芯光纤组成的集约型光路，即可实现n*m条量子密钥分发线路的拓展，将点对点QKD系统的成码率提升了n*m倍。

图2为本实施例单支量子密钥分发线路的工作原理图，其在双不等臂MZ干涉仪结构上对信号光进行基于时间-相位编解码过程。单支量子密钥分发线路主要包括发射端(Alice)、单模光纤传输通道206、接收端(Bob)三部分。发射端(Alice)由光源1、编码模块(相当于信号光编码模组的一部分)和主控逻辑模块(Alice的电子设备)构成，其中保偏分束器201、相位调制器PM、光纤延迟线圈202、保偏偏振分束器203、强度调制器204、强度衰减器205组成了编码模块。接收端(Bob)由解码模块(相当于信号光解码模组的一部分)、探测模块(相当于探测模组的一部分)和数据记录单元构成，其中分束器207、90°偏振旋转器208、保偏偏振分束器209、光纤延迟线圈210、保偏分束器211组成了解码模块。探测器模块由三个单光子探测器组成，探测器D1、探测器D2用于测量相位解码输出的单光子脉冲，探测器D3用于测量时间解码输出的单光子脉冲。各探测器的响应值被数据记录单元采集和处理。

编码模块、解码模块中，保偏分束器201和保偏偏振分束器203间以及保偏偏振分束器209和保偏分束器211间的上下两光路组成了不等臂MZ干涉仪结构，上光路为MZ干涉仪的长臂，下光路MZ干涉仪的短臂，量子密钥分发线路两端两不等臂MZ干涉仪的长短臂间光程差相等。发射端(Alice)和接收端(Bob)所有的器件和光纤都是保偏的。量子密钥分发线路中各器件均为成熟现有技术，在具体实施例中可以使用功能相同的其他器件进行代替。

光源1发射强线性偏振的脉冲光。相位调制器PM为信号光的相位编码单元，其对经过的光脉冲随机地进行0或π相位调制。强度调制器204为信号光的时间编码单元，其对线路左端MZ干涉仪长短臂输出的两个光脉冲进行强度调制，随机地将其中一个光脉冲强度衰减为接近于0的真空态。

图2中Alice的电子设备里各器件发挥与图1中相同的作用，其中信号调制器根据随机数发生器产生的随机信号，随机地选择相位调制器PM或强度调制器204，并控制相位调制器PM或强度调制器204对信号光的随机编码过程。

在图1中Alice的电子设备里，对于信号光编码模组的每一个编码模块都有单独的信号调制器与之连接，并实现与图2相同的功能，所有信号调制器受共同的随机数发生器控制。

光纤延迟线圈202和光纤延迟线圈210用于增加MZ干涉仪长臂光程，以在MZ干涉仪长短臂间形成光程差。

保偏分束器201在保持输入光原有偏振态的前提下，实现光波功率的分束.

保偏分束器211在保持输入光原有偏振态的前提下，实现光波功率的合束和分束。

保偏偏振分束器203和保偏偏振分束器209在线路中分别实现偏振光合束和偏振光分束的功能，并且实现对固定支路光偏振方向进行90°改变。

强度衰减器205用于将输入光衰减为单光子级别的光脉冲。

分束器207为普通1*2光功率分束器，其两路输出中一路连接信号光相位解码单元(90°偏振旋转器208和线路右端的不等臂MZ干涉仪结构)，另一路连接信号光时间解码的探测器单元D3。分束器207分束比根据需要而定，其在线路中不受电子设备的主动调制，即为被动调制器件(与电子设备控制的主动调制器件相比，被动调制器件成本较低)，当分束比为50：50以外的值时，形成了基于时间-相位非平衡基矢的编解码方案。系统在此以不同的比率选择相位基矢或时间基矢进行信号光的解码及探测过程。90°偏振旋转器208用于将入射光的偏振方向旋转90°，如将垂直偏振光(V)变为水平偏振光(H)或相反过程。

在相位编解码过程中，如图2中所示，在Alice发射端，光源1发出强线性偏振光脉冲(H)，经保偏分束器201分束后在线路左端MZ干涉仪短臂和长臂中形成两束相同的水平线偏光(H_a、H_b)，a、b分别代表了保偏分束器201的两个输出端，也分别代表了线路左端MZ干涉仪的短臂和长臂。

短臂中光脉冲(H_a)经保偏光纤传输直接输入保偏偏振分束器203，长臂中光脉冲(H_b)被相位调制器PM随机进行0或π的相位调制，经光纤延迟线圈202的延时传输后输入保偏偏振分束器203。上述两光脉冲前后经过保偏偏振分束器203，保偏偏振分束器203根据输入端口的不同选择性地改变光脉冲(H_b)的偏振方向，将其旋转90°后变为光脉冲(V_b)；光脉冲(H_a)的偏振方向未改变。保偏偏振分束器203最终输出前后两偏振方向正交的光脉冲(H_a、V_b)，并且两光脉冲(H_a、V_b)经过强度衰减器后被衰减为单光子级别。

两光脉冲经单模光纤传输通道206到达Bob接收端。在Bob接收端，经分束器207后进入90°偏振旋转器208，90°偏振旋转器208改变前后两光脉冲(H_a、V_b)的偏振方向为两光脉冲(V_a、H_b)，保偏偏振分束器209将光脉冲(V_a)偏振方向改变90°并输入线路右端MZ干涉仪的长臂中，将光脉冲(H_b)直接送入干涉仪短臂中。至此，之前分别在线路左端MZ干涉仪的短臂和长臂中传输的光脉冲(H_a、H_b)经过同一根单模光纤传输通道206后，在线路右端MZ干涉仪的短臂和长臂中进行了交叉传输，即线路右端MZ干涉仪的短臂和长臂分别传输光脉冲(H_b、H_a)。

因为两端MZ干涉仪长短臂间的光程差相同，两光脉冲经过同一根光纤传输信道206，因此两光脉冲的光程相同，即两光脉冲同时到达保偏分束器211。因为两光脉冲(H_a、H_b)为同频率光、光偏振方向相同、具有相位调制器PM调制的稳定相位差0或π，即满足光干涉条件，因此两光脉冲(H_a、H_b)在保偏分束器211上干涉。当相位调制器PM随机选择了0相位调制时，探测器D1响应；当相位调制器PM随机选择了π相位调制时，探测器D2响应。

在时间的编解码过程中，如图2中所示，与相位编解码过程相同，光源1发出的强线性偏振光脉冲(H)经过线路左端的MZ干涉仪后，以前后两个光脉冲(H_a、V_b)形式输出。此时相位调制器204随机将其中一个光脉冲调制为真空态，强度衰减器205将两个光脉冲(H_a、V_b)衰减为单光子级别，并经过单模光纤传输通道206传输到达Bob接收端。两个光脉冲(H_a、V_b)经过分束器207后进入探测器单元D3，探测器D3通过与Alice发射端的同步工作，对两光脉冲进行时间分辨捕捉，并测量前后两脉冲的光强值，最终得出时间解码的量子态。

相位编解码获得量子态和时间编解码获得的量子态一起组成了Bob接收端的量子态序列。通过Alice与Bob基矢比对后，双方得到了原始密钥，再经纠错、隐私放大等数据后处理操作，双方最终得到相同的安全密钥。关于基矢比对等数据后处理过程可参考Christian Kollmitzer等编著的《Appliced Quantum Cryptography》一书中第三章关于量子密钥分发的相关描述。

图3为对系统光源进行4路功分复用时，本发明的结构示意简图。图中仅画出了点对点QKD系统的量子密钥分发线路，同步光发收线路与图1相同，即所有量子密钥分发线路共同使用一个同步光信号，同步光光路在发射端被某一波分复用器并入相应光组内传输，并与此光组传输在光纤扇形输出器的同一纤芯中，最终被接收端对称的波分复用器解复用，由同步光探测器探测处理并生成同步光信号，作用于接收端的探测模块。

本实施例中激光板集成了5个不同波长的脉冲光源，外部电子设备控制5个脉冲光源同步工作。采用1*4分束器对每个脉冲光源的出射光进行4路功分复用，分别引出4条量子密钥分发线路。此时系统将使用8个1*5波分复用器、2个1*4端口的光纤扇形输出器和四芯光纤组成集约型的光路，进行信号光编码模组和信号光解码模组间的光信息传输。本实施例将5个不同波长的光源经分束器分别进行4路功分复用，借助上述集约型光路，可实现5*4条量子密钥分发线路的拓展，将点对点QKD系统的成码率提升了5*4倍。

在图3中以对光源1引出的4条量子密钥分发线路为例，来说明系统进行5*4条量子密钥分发线路拓展和信号光的编解码及探测过程。光源1通过1*4分束器301引入4条量子密钥分发线路。在第1条量子密钥分发线路上，保偏分束器302、相位调制器PM、光纤延迟线圈303、保偏偏振分束器304、强度调制器305、强度衰减器306构成了编码模块，其他3条量子密钥分发线路的编码模块组成与之相同。4条量子密钥分发线路上的信号光经编码模块编码后分别进入4个相同的1*5波分复用器(例如波分复用器307)，第1条量子密钥分发线路的信号光进入波分复用器307的一个输入端。当系统启用其他4个光源(光源2至光源5)进行量子密钥分发线路的拓展时，其他4个光源(光源2至光源5)以同样的方式各自引入4条新的量子密钥分发线路，并且同一光源引入的4条量子密钥分发线路在经编码模块后分别进入上述4个1*5波分复用器(例如波分复用器307)。外部电子设备同时控制所有量子密钥分发线路的相位编码单元(相位调制器PM)或时间编码单元(强度调制器)，即Alice的电子设备中各信号调制器同时控制各相位调制器PM或各强度调制器对信号光的随机调制过程。在1*5波分复用器(例如波分复用器307)内五种输入光波长经合束后以混合光组的形式在一根光纤内继续传输，Alice的4个1*5波分复用器(例如波分复用器307)输出4个光组。经过光纤扇形输出器308的耦合作用，4个光组分别在四芯光纤309的不同纤芯内独立传输，并由一对称光纤扇形输出器310的耦合输出后进入4根不同的单模光纤继续传输。4个光组分别传输进Bob的4个1*5波分复用器(例如波分复用器311)，在此将进行五种光波长的分束过程。在光源1引入的第1条量子密钥分发线路上，分束器312、90°偏振旋转器313、保偏偏振分束器314、光纤延迟线圈315、保偏分束器316组成了解码模块，探测器D1、探测器D2、探测器D3组成了探测模块，系统中其他量子密钥分发线路相关模块组成与之相同。Bob的4个1*5波分复用器(例如波分复用器311)的每个输出端都连接着信号光的解码模块及探测模块，量子密钥分发线路将在此完成信号光的解码和探测过程。

实施例2双向通信

图4为可双向通信的高成码率点对点QKD系统。其为实施例1的改进方案，利用光纤环形器(例如光纤环形器401和光纤环形器407)在实施例1的Alice发射端和Bob接收端分别添加与原复用系统对称的器件：信号光解码模组2、信号光探测模组2和激光板2、信号光编码模组2，使正反两方向的量子通信共用波分复用器(例如波分复用器402和波分复用器406)、光纤扇形输出器(光纤扇形输出器403和光纤扇形输出器405)和多芯光纤404组成的集约型的光路，同时在系统中增添一支Bob端至Alice端的同步光发收线路(同步光光源2至同步光探测器2)。光纤环形器(例如光纤环形器401和光纤环形器407)作为光输出的路径选择器件光信号1从端口1入射，经过环形器的路径选择由端口2出射，光信号2从端口2入射，经过环形器的路径选择由端口3出射。

通过添加与原复用系统对称的主控逻辑模块和数据记录单元及辅助电路可以同时驱动控制Alice端和Bob端的量子信息发收过程，同步光光源1和同步光探测器1构成同步光发收线路1，用于控制正向通信时发射端Alice和接收端Bob的同步；同步光光源2和同步光探测器2构成同步光发收线路2，用于控制反向通信时发射端Bob和接收端Alice的同步。如上述，Alice和Bob可以同时发送和接受量子信息，因此系统成码率提高至约2n*m倍。

双向通信系统的单支量子密钥分发线路仍使用实施例1(图2中)的基于时间-相位编码方案的QKD结构，此处不再复述。系统两种方向的通信具有各自独立的编解码和探测等器件，两者仅复用上述的集成光路。

图5为对系统光源进行4路功分复用时，本发明的结构示意简图。两端光源发出的信号光经过两端编码模块编码，编码的信号光在各端光纤环形器(例如光纤环形器501)处发生路径选择，对于发射端，信号光由端口1输入并由端口2输出，所有光源(光源1至光源5)发出的信号光在波分复用器(例如波分复用器502和波分复用器503)处以相同光组(λ1、λ2、...λ5)的形式进入波分复用器(例如波分复用器502和波分复用器507)、光纤扇形输出器(光纤扇形输出器504和光纤扇形输出器506)、多芯光纤505组成的集约型的光路，并在集约型光路的另一端解复用，各分离的信号光在系统另一端的光纤环形器(例如光纤环形器508)处又发生路径选择，对于接收端，信号光由端口2输入并由端口3输出，输出的信号光经过各解码模块解码后被相应探测器探测。Alice和Bob可同时发送量子信息，经过同时编解码，在两端同时接收，此时系统的成码率为2*4*5倍。系统中光纤分束器、编码模块、解码模块、探测模块与实施例一图3中组成及功能相同，此处不再一一描述。