基于sagnac环的相位调制偏振编码的QKD系统的制作方法

本实用新型涉及一种基于光量子的偏振特性的量子密钥分配系统，尤其涉及基于sagnac环的相位调制偏振编码的QKD系统。

背景技术：

量子密码技术基于海森堡测不准原理以及单个量子无法克隆的定理在物理上证明能达到绝对安全的一种加密技术。基于其绝对安全性，这项技术在军事，商务以及银行系统等方面有很好的应用前景。偏振是光量子的基本物理量之一，是可以用于实现量子信息技术的重要资源，实现对其有效利用，对量子信息技术的发展具有重要的意义。基于光量子的偏振特性的量子密钥分配系统(QKD)也是当前很常用且在不断改进创新的量子密码系统。

目前量子密码技术已经进入实用化阶段，量子密码系统的稳定性，集成性以及经济性是当前需要关注和解决的问题。稳定性包括考虑系统运行中的各模块的稳定性(温漂，震动，偏振态的改变等等)，集成性和经济性考虑的是系统中发射端和接收端所使用的成本较高的光学器件和硬件控制模块，可以不改变原理及安全性的前提下，努力做到使用较为节约的成本且使系统更加稳定，轻便。

技术实现要素：

本实用新型的目的是针对上述现有技术的不足提供一种基于sagnac环的相位调制偏振编码的QKD系统，本基于sagnac环的相位调制偏振编码的QKD系统稳定性好、结构简单、成本低。

为实现上述技术目的，本实用新型采取的技术方案为：基于sagnac环的相位调制偏振编码的QKD系统；包括发射端Alice和接收端Bob；发射端Alice和接收端Bob之间通过光纤信道欧连接；其特征在于：发射端Alice包括激光器Laser_Q、激光器Laser_S、偏振控制器PC1、光环形器Cir1、光衰减器VOA、波分复用器WDM和发射端sagnac环；发射端sagnac环包括偏振分束器PBS1、相位调制器PMA、光旋转器rotator1和延时器Delay1；偏振分束器PBS1、相位调制器PMA、光旋转器rotator1和延时器Delay1之间依次采用保偏光纤串联，延时器Delay1和偏振分束器PBS1之间也采用保偏光纤连接；相位调制器PMA用于调节单偏振；激光器Laser_Q和激光器Laser_S用于产生脉冲光,激光器Laser_Q产生的脉冲光作为量子信号用于系统编码，以生成密钥；激光器Laser_S产生的脉冲光作为同步光，用于系统两端信号同步；偏振控制器PC1用于将量子光信号变成为45°线偏振光并入射到偏振分束器PBS1中；偏振分束器PBS1用于将45°线偏振光分为水平偏振光和垂直偏振光，水平偏振光和垂直偏振光分别沿顺时针和逆时针在保偏光纤中传播；水平偏振光依次经过相位调制器PMA、延时器Delay1和光旋转器rotator1到达偏振分束器PBS1；垂直偏振光依次经过光旋转器rotator1、延时器Delay1和相位调制器PMA到达偏振分束器PBS1；光旋转器rotator1用于将沿顺时针传播的水平偏振光旋转90°成垂直偏振光，将沿逆时针传播的垂直偏振光的偏振旋转90°成水平偏振光；延时器Delay1用于延时等待时间，所述等待时间是用于调制相位时所需求的顺时针和逆时针传播的偏振光只调制顺时针或逆时针方向上的相位，而在另一个方向需要的等待时间；相位调制器PMA用于调制顺时针或逆时针方向上的偏振光的相位，；水平偏振光和垂直偏振光在PBS1汇合后经过光环形器Cir1出射至光衰减器VOA并被光衰减器VOA衰减至设定的光强，之后与激光器Laser_S发出的光经过波分复用器WDM复用合路至公共信道，然后通过光纤信道传输到达接收端Bob；

接收端Bob包括强光探测器Detector、波分复用器DWDM、单光子探测器SPD、偏振控制器PC2、偏振控制器PC3、光环形器Cir2、偏振分束器PBS3、和接收端sagnac环；接收端sagnac环包括偏振分束器PBS2、相位调制器PMB、光旋转器rotator2和延时器Delay2；光脉冲到达接收端Bob后由波分复用器DWDM解复用后即分光后，同步光与量子光分别沿不同的路径传播，同步光由强光探测器Detector探测实现光电的转换用于系统同步；量子光脉冲经过偏振控制器PC2纠偏后由环形器Cir2进入接收端Bob的sagnac环，接收端Bob的sagnac环内的各光学器件的工作模式同发射端Alice，经过接收端Bob的sagnac环调制后的量子光脉冲经过偏振控制器PC3选基后，再经过偏振分束器PBS3分出偏振方向正交的两组基，然后通过电光紫探测器探测计数。

作为本实用新型进一步改进的技术方案，在双探测器模式下时，单光子探测器为两组基上的单光子探测器探SPD1和单光子探测器SPD2。

作为本实用新型进一步改进的技术方案，在单探测器模式下时，单光子探测器为单光子探测器SPD3；一组基经过延时器Delay3接连至50:50分束器BS，另外一组基直接连接50:50分束器BS，两路由分束器BS合路至单光子探测器SPD3探测计数。

作为本实用新型进一步改进的技术方案，延时器Delay3的延时值为D，D＝T/2,T为系统周期。

作为本实用新型进一步改进的技术方案，设定的光强为单光子水平的光强。

作为本实用新型进一步改进的技术方案，顺时针传播的水平偏振光的光脉冲为通过调节相位调制器后变为经过保偏光纤再回到偏振分束器PBS1时变为逆时针传播的垂直偏振光回到偏振分束器PBS1时的光脉冲的量子态为

作为本实用新型进一步改进的技术方案，光脉冲经过Bob端的sagnac环后的矩阵表示如下：略去共同的相位因子，通过调节两端的相位差就可以产生各个偏振态。当水平偏振光和垂直偏振光被光衰减器VOA衰减后经过光纤信道传输到达Bob端时，水平偏振光和垂直偏振光均附加一个共同的相位因子此时水平偏振光和垂直偏振光的光脉冲在矩阵表示下为：

本实用新型的编码原理是相位调制偏振态实现偏振编码量子密钥分配，这种原理的方案已有人提出并证实可用，但是在那些方案中，光脉冲需要在通信双方中绕一圈回到发射端，这就使得相位编码干涉测量的sagnac环在实现长距离通信中受限。本方案利用环式的单偏振调相法，简单来说就是双方通过调节相位来编码，Bob端进行偏振测量，在信道中传输的是偏振态，本实用新型结构简单，实现上更加方便，理论上也具有可行性。本实用新型结构简单，成本低，电调节控制偏振优于机械控制，系统稳定性好，可高速运转，未来可通过集成光学技术实现微小尺寸的封装；接收端Bob采用分时复用技术时，使用一只探测器，并且通过相应的算法达到理论上安全的探测，从而达到节约系统成本的目的。如图1所示，一束光入射到偏振分束器PBS1后成为互相正交的两束光，再分别沿相同路径的两个方向传播，经过相位调制器PMA调相后，可在偏振分束器PBS1的出射端形成光的各个偏振态。接收端Bob可以通过调节相位来实现主动选基测量，克服了被动选基下针对不完美BS的攻击。总之，本实用新型稳定性好、结构简单、成本低。

附图说明

图1为本实用新型的结构原理示意图。

图2为实施例2的结构原理示意图。

图3是相位差与偏振态映射表。

图4是表格图3中密钥生成矩阵图。

具体实施方式

实施例1

参见图1，本基于sagnac环的相位调制偏振编码的QKD系统；包括发射端Alice和接收端Bob；发射端Alice和接收端Bob之间通过光纤信道连接；其特征在于：发射端Alice包括激光器Laser_Q、激光器Laser_S、偏振控制器PC1、光环形器Cir1、光衰减器VOA、波分复用器WDM和发射端sagnac环；发射端sagnac环包括偏振分束器PBS1、相位调制器PMA、光旋转器rotator1和延时器Delay1；偏振分束器PBS1、相位调制器PMA、光旋转器rotator1和延时器Delay1之间依次采用保偏光纤串联，延时器Delay1和偏振分束器PBS1之间也采用保偏光纤连接；相位调制器PMA用于调节单偏振；激光器Laser_Q和激光器Laser_S用于产生脉冲光,激光器Laser_Q产生的脉冲光作为量子信号用于系统编码，以生成密钥；激光器Laser_S产生的脉冲光作为同步光，用于系统两端信号同步；偏振控制器PC1用于将量子光信号变成为45°线偏振光并入射到偏振分束器PBS1中；偏振分束器PBS1用于将45°线偏振光分为水平偏振光和垂直偏振光，水平偏振光和垂直偏振光分别沿顺时针和逆时针在保偏光纤中传播；水平偏振光依次经过相位调制器PMA、延时器Delay1和光旋转器rotator1到达偏振分束器PBS1；垂直偏振光依次经过光旋转器rotator1、延时器Delay1和相位调制器PMA到达偏振分束器PBS1；光旋转器rotator1用于将沿顺时针传播的水平偏振光旋转90°成垂直偏振光，将沿逆时针传播的垂直偏振光的偏振旋转90°成水平偏振光；延时器Delay1用于延时等待时间，所述等待时间是用于调制相位时所需求的顺时针和逆时针传播的偏振光只调制顺时针或逆时针方向上的相位，而在另一个方向需要的等待时间；相位调制器PMA用于调制顺时针或逆时针方向上的偏振光的相位，；水平偏振光和垂直偏振光在PBS1汇合后经过光环形器Cir1出射至光衰减器VOA并被光衰减器VOA衰减至设定的光强，之后与激光器Laser_S发出的光经过波分复用器WDM复用合路至公共信道，然后通过光纤信道传输到达接收端Bob；

接收端Bob包括强光探测器Detector、波分复用器DWDM、单光子探测器SPD、偏振控制器PC2、偏振控制器PC3、光环形器Cir2、偏振分束器PBS3、和接收端sagnac环；接收端sagnac环包括偏振分束器PBS2、相位调制器PMB、光旋转器rotator2和延时器Delay2；光脉冲到达接收端Bob后由波分复用器DWDM解复用后即分光后，同步光与量子光分别沿不同的路径传播，同步光由强光探测器Detector探测实现光电的转换用于系统同步；量子光脉冲经过偏振控制器PC2纠偏后由环形器Cir2进入接收端Bob的sagnac环，接收端Bob的sagnac环内的各光学器件的工作模式同发射端Alice，经过接收端Bob的sagnac环调制后的量子光脉冲经过偏振控制器PC3选基后，再经过偏振分束器PBS3分出偏振方向正交的两组基，然后通过电光紫探测器探测计数。

在双探测器模式下时，单光子探测器为两组基上的单光子探测器探SPD1和单光子探测器SPD2；单光子探测器探SPD1和单光子探测器SPD2用于探测计数。延时器Delay3的延时值为D，D＝T/2,T为系统周期。设定的光强为单光子水平的光强。顺时针传播的水平偏振光的光脉冲为通过调节相位调制器后变为经过保偏光纤再回到偏振分束器PBS1时变为逆时针传播的垂直偏振光回到偏振分束器PBS1时的光脉冲的量子态为当水平偏振光和垂直偏振光被光衰减器VOA衰减后经过光纤信道传输到达Bob端时，水平偏振光和垂直偏振光均附加一个共同的相位因子此时水平偏振光和垂直偏振光的光脉冲在矩阵表示下为：

如图1所示，激光器Laser1产生脉冲光后，经过偏振控制器PC1的作用使之成为45°线偏振光，并入射到偏振分束器PBS1中，这时会被偏振分束器PBS1分为水平偏振光和垂直偏振光，这两束光分别沿顺时针和逆时针在保偏光纤中传播。发射端Alice通过调节单偏振的相位调制器PMA来调节顺时针传播的光脉冲。而对于逆时针传播的光脉冲，首先经过一个光旋转器rotator1使之偏振旋转90°，接着再经过延时器Delay1一定的延时，才到达相位调制器PMA，此时相位调制器PMA的电压已经退去。如果用表示顺时针传播的光脉冲，通过调节相位调制器PMA后变为经过保偏光纤再回到偏振分束器PBS1时变为相应的，逆时针传播的光脉冲的量子态最终变为两束光脉冲在偏振分束器PBS1汇合，经过光环形器Cir1首先被光衰减器VOA1衰减至一定的光强，接着经过光纤信道传输到达接收端Bob，此时两束光脉冲会附加一个共同的相位因子此时光脉冲在矩阵表示下为：

接收端sagnac环与发射端sagnac环完全相同，接收端Bob通过调节相位调制器PMB来实现编码。从偏振分束器PBS2出来的光脉冲的量子态此时变为略去共同的相位因子，我们知道通过调节相位差就可以产生各个偏振态。

本实用新型的另一个优势就是Bob端可以通过调节相位来实现主动选基测量，克服了被动选基下针对不完美BS的攻击。两端相位差与调制偏振态的关系如图3所示：我们规定相位0，π代表“0”基，代表“1”基，Alice随机调制相位：0，π，Bob也随机地调制相位：0，π，Bob端相当于选基测量。如Alice调制的为“0”基上的相位时，Bob调制的为0，π，即“0”基的相位时，我们认为其选对了基，通过探测可以成码，若Bob选择了即“1”基上的相位时，我们认为其没有选对基，这种情况下，在通信双方对基时会被舍弃掉。通信密钥量形成规律如图4所示，其中表示探测器有50％的概率能探测到，1(SPD1)表示SPD1探测器100％探测到，1(SPD2)表示SPD2探测器100％探测到SPD1，SPD2接收端的两个单光子探测器。

实施例2

如图2所示，本基于sagnac环的相位调制偏振编码的QKD系统的接收端Bob时分复用一个探测器，即单探头sagnac环系统，即为在单探测器模式，单光子探测器为单光子探测器SPD3；一组基经过延时器Delay3接连至50:50分束器BS，另外一组基直接连接50:50分束器BS，两路由分束器BS合路至单光子探测器SPD3探测计数。此时需考虑两组基的等概率性，从而做到理论上的绝对安全。其他部分和实施例1相同不再详述。