一种量子密钥分发系统的制作方法

本实用新型涉及量子通信领域，尤其涉及一种量子密钥分发系统。

背景技术：

保密通信是在发送端对所传输信息源的码流进行加密，在接收方进行解密认证，以防止信息被干扰或窃听的通信系统，可以保证通信双方所传输信息的安全性和完整性。目前保密通信普遍采用了RSA公钥体制，这种公钥体制的安全性是由算法的复杂性和计算机计算能力的有限性来保证的，但是现代不断提高的数学计算能力以及快速发展量子计算机一直威胁着现有的RSA公钥体制的安全性。量子密钥分发(QKD)作为一种可靠的密钥分发体制，其安全性是由量子力学中的海森堡测不准原理及不可克隆定理等量子特性来保证，结合一次一密的加密方法，就能够保证通信的绝对安全。

量子密钥分发(QKD)系统是基于一定的光学结构，并按照一定的协议工作的通信系统，其中协议是QKD系统的基础，其它的光学结构、电子学设计都是为实现协议而服务。自1984年提出第一个协议以来，寻找一种简单、高效的密钥分发协议一直是QKD重点研究内容，经过三十多年的发展，已提出了BB84协议、B92协议、E91协议、差分相位协议等多种QKD协议。但这些协议都需要在发送方Alice和接收方Bob之间共享参考系，例如在偏振编码QKD系统中，Alice发送一偏振态光子后，Bob需要接收到相同偏振态的光子，在相位编码QKD系统中，Alice发送一含有相位信息光子后，Bob需要接收到相同相位信息的光子。但是由于发射、接收装置以及量子通道的不稳定性，光子在传输过程中，偏振、相位的改变不可避免，因此这些协议需要有反馈装置来跟随这种量子态的变化，使到达Bob光子的偏振、相位与Alice发送的一致，即Alice和Bob参考系一致。量子态的反馈需要相位调制器、偏振控制器等器件来实现，需要比较庞大的一套系统，控制系统复杂且难以小型化。

由上可知，目前QKD系统的Alice通常由激光器和量子态编码器等器件组成，难以做到集成化、小型化，限制了其应用；特别是量子态编码器，为实现量子态编码，通常设置有相位调制器、强度调制器等器件，相位调制器、强度调制器正常工作时需要有高速电信号驱动，而且要求驱动电信号幅度要达到它的半波电压，在高速电子学领域，速度越高、幅度越大，电脉冲产生越困难，因此产生标准的高速驱动电脉冲信号对电子学提出了很高的要求，而且相位调制器、强度调制器受温度变化非常敏感，需要额外的反馈控制系统来补偿器件自身的温漂，增加系统的复杂程度。并且在相位编码的QKD系统中，Alice和Bob都采用了不等臂干涉仪，为实现良好的干涉，Alice的不等臂干涉仪的臂长差与Bob的不等臂干涉仪的臂长差要求完全一致，但在实际制作过程中，臂长差完全一致的不等臂干涉仪很难实现，系统中存在的臂长差不一致会造成QKD成码率、测量距离等性能下降。

技术实现要素：

为了解决上述的技术问题，本实用新型的目的是提供一种量子密钥分发系统，采用光注入半导体激光器产生具有编码信息的量子态，代替了传统的光源和量子态编码模块的方案。

为了达到上述的目的，本实用新型采用了以下的技术方案：

一种量子密钥分发系统，包括量子密钥编码端、量子密钥解码端，以及连接两者的量子密钥分发通道，量子密钥编码端设置有光注入式激光器，光注入式激光器包括第一激光器驱动器、脉冲产生激光器、第二激光器驱动器、相位制备激光器和第一三端口环形器；第一激光器驱动器控制脉冲产生激光器，第二激光器驱动器控制相位制备激光器，相位制备激光器、脉冲产生激光器和可调光衰减器依次分别接在第一三端口环形器的第一至第三端口上，可调光衰减器连接量子密钥分发通道；其中，第二激光器驱动器产生相位调制驱动电脉冲信号，该相位调制驱动电脉冲信号加载于相位制备激光器上，相位制备激光器产生相位调制光脉冲，相位调制光脉冲从第一三端口环形器的第一端口输入，从第一三端口环形器的第二端口输出，注入到脉冲产生激光器中，第一激光器驱动器控制脉冲产生激光器在相位调制光脉冲注入时产生具有编码信息的脉冲信号光，该脉冲信号光从第一三端口环形器的第二端口输入，从第一三端口环形器的第三端口输出至量子密钥分发通道；量子密钥解码端设置有第一分束器、非平衡干涉仪和若干个单光子探测器；第一分束器的输入端连接量子密钥分发通道，第一分束器的一个输出端连接单光子探测器，第一分束器的另一个输出端连接非平衡干涉仪，非平衡干涉仪的输出端连接单光子探测器。

作为优选，量子密钥编码端设置有可调光衰减器，脉冲信号光输入到可调光衰减器中，可调光衰减器将光信号衰减到单光子级别输入到量子密钥分发通道中。

作为优选，所述非平衡干涉仪为带偏振自动补偿功能的迈克尔逊干涉仪，非平衡干涉仪内设置有第二三端口环形器、第二分束器、第一法拉第旋转镜、第二法拉第旋转镜和相位调制器；在非平衡干涉仪内，脉冲信号光经过第二三端口环形器后到达第二分束器的端口a，分别从第二分束器的端口c、端口d分成两路输出，第二分束器的端口c连接干涉仪的短臂，经过第一法拉第旋转镜反射后又到达第二分束器，第二分束器的端口d连接干涉仪的长臂，经过第二法拉第旋转镜反射后又到达第二分束器；其中，在干涉仪的长臂上设有相位调制器，第二分束器的输出端口b连接单光子探测器。

作为优选，第一分束器的一个输出端连接一个单光子探测器，第二三端口环形器的第三端口连接另一个单光子探测器，第二分束器的输出端口b连接再一个单光子探测器。

进一步优选，量子密钥解码端还设有第三分束器，第一分束器的一个输出端连接一个单光子探测器，第二分束器的输出端口b与第三分束器的一个输入端口相连，第二三端口环形器的第三端口通过光纤延时线与第三分束器的另一个输入端口相连，第三分束器的输出端口与另一个单光子探测器相连。从光脉冲到达单光子探测器的时刻来区分探测结果，将相位解码测量的两个单光子探测器用一个单光子探测器代替，降低成本。

进一步优选，量子密钥解码端还设有第三分束器和第四分束器，第一分束器的一个输出端口通过第二光纤延时线与第四分束器的一个输入端口相连，第二分束器的输出端口b与第三分束器的一个输入端口相连，第二三端口环形器的第三端口通过第一光纤延时线与第三分束器的另一个输入端口相连，第三分束器的输出端口与第四分束器的另一个输入端口相连，第四分束器的输出端口与一个单光子探测器相连。所有单光子探测器用同一个单光子探测器代替，这样将进一步降低成本。

作为优选，所述非平衡干涉仪为不等臂MZ干涉仪(马赫-曾德尔干涉仪)，不等臂MZ干涉仪内设置有第二分束器、第三分束器，以及连接第二分束器与第三分束器的短臂、长臂，干涉仪的长臂上设置有相位调制器；在非平衡干涉仪内，脉冲信号光到达第二分束器的端口a，分别从第二分束器的端口b、端口c分成两路输出，第二分束器的端口b连接干涉仪的短臂，到达第三分束器的输入端口e；第二分束器的端口c连接干涉仪的长臂，经过相位调制器到达第三分束器的输入端口f，第三分束器的输出端口g连接一个单光子探测器，第三分束器的输出端口h连接另一个单光子探测器。

本实用新型由于采用了以上的技术方案，光子的时间及相位差信息由量子密钥编码端内的光注入半导体激光器产生，量子密钥编码端内的第一激光器驱动器、第二激光器驱动器、脉冲产生激光器，相位制备激光器、第一三端口环形器组成光注入式半导体激光器，第二激光器驱动器控制相位制备激光器将预调Δφ相位的长脉冲光注入脉冲产生激光器，可使第一激光器驱动器控制的脉冲产生激光器产生一对相位差为Δφ的短脉冲光，从而产生具有时间、相位编码信息的脉冲序列。本实用新型采用光注入半导体激光器产生具有编码信息的量子态，代替了传统的光源和量子态编码模块的方案。

这样，本实用新型具有下述有益效果：

1、提高成码率。相位编码所用的半波电压降低到1V以内，半波电压的降低可以降低电子学上高速电脉冲信号的产生的难度，有利于产生更高速度的电脉冲信号，提高了成码率。

2、增加稳定性。相位调制器、强度调制器通常由LiNbO₃晶体制作而成，这些器件的性能受环境温度影响，因此当不采用这些器件后，系统的环境适应性和稳定性会得到提高。

3、易于小型化。光注入半导体激光器由两个半导体激光器和一个环形器组成，有利于产品集成化、小型化。为了让相位调制器、强度调制器在不同温度下可以正常工作，通常需要反馈装置，在不采用这些器件后，系统的体积得到极大的缩小。

4、易于大规模生产。不需要制备完全一样的不等臂干涉仪，克服了规模化生产的难点，有利于大规模生产。

5、可以降低单光子探测器的使用数量。通信波段的单光子探测器价格非常贵，本实用新型通过单光子探测器时间上的复用降低单光子探测器的用量，降低成本。

附图说明

图1是本实用新型实施例1的结构示意图；

图2是实施例2量子密钥解码端的结构示意图；

图3是实施例3量子密钥解码端的结构示意图；

图4是实施例4量子密钥解码端的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

量子密钥编码端设置有光注入式激光器，光注入式激光器包括第一激光器驱动器、脉冲产生激光器、第二激光器驱动器、相位制备激光器和第一三端口环形器；第一激光器驱动器控制脉冲产生激光器，第二激光器驱动器控制相位制备激光器，相位制备激光器、脉冲产生激光器和可调光衰减器依次分别接在第一三端口环形器的第一至第三端口上，可调光衰减器连接量子密钥分发通道；其中，第二激光器驱动器产生相位调制驱动电脉冲信号，该相位调制驱动电脉冲信号加载于相位制备激光器上，相位制备激光器产生相位调制光脉冲，相位调制光脉冲从第一三端口环形器的第一端口输入，从第一三端口环形器的第二端口输出，注入到脉冲产生激光器中，第一激光器驱动器控制脉冲产生激光器在相位调制光脉冲注入时产生具有编码信息的脉冲信号光，该脉冲信号光从第一三端口环形器的第二端口输入，从第一三端口环形器的第三端口输出至量子密钥分发通道；

量子密钥解码端设置有第一分束器、非平衡干涉仪和若干个单光子探测器；第一分束器的输入端连接量子密钥分发通道，第一分束器的一个输出端连接单光子探测器，第一分束器的另一个输出端连接非平衡干涉仪，非平衡干涉仪的输出端连接单光子探测器。

对本实用新型的各实施例具体描述如下：

实施例1：

如图1所示的一种量子密钥分发系统，包括量子密钥编码端Alice、量子密钥解码端Bob，以及连接Alice和Bob的量子密钥分发通道。Alice内设置有第一激光器驱动器Drive1、脉冲产生激光器LD1，第二激光器驱动器Drive2、相位制备激光器LD2、第一三端口环形器CIR1、可调光衰减器VOA；Bob内置有第一分束器BS1、非平衡干涉仪、第一单光子探测器D1、第二单光子探测器D2、第三单光子探测器D3。非平衡干涉仪为带偏振自动补偿功能的迈克尔逊干涉仪干涉仪，非平衡干涉仪内设置有第二三端口环形器CIR2、第一分束器BS2、第一法拉第旋转镜FM1、第二法拉第旋转镜FM2、相位调制器PM。

在量子密钥编码端Alice，第二激光器驱动器Drive2产生相位调制驱动电脉冲信号，该相位调制驱动电脉冲信号加载于相位制备激光器LD2上，相位制备激光器LD2产生相位调制光脉冲，相位调制光脉冲从第一三端口环形器CIR1的第一端口1输入，从第一三端口环形器CIR1的第二端口2输出，注入到脉冲产生激光器LD1中，第一激光器驱动器Drive1控制脉冲产生激光器LD1在相位调制光脉冲注入时产生具有编码信息的脉冲信号光，该脉冲信号光从第一三端口环形器CIR1的第二端口2输入，从第一三端口环形器CIR1的第三端口3输出，输入到可调光衰减器VOA中，可调光衰减器VOA将光信号衰减到单光子级别输入到量子密钥分发通道中；

在量子密钥解码端Bob，脉冲信号光首先输入到第一分束器BS1，第一分束器BS1的一个输出端连接非平衡干涉仪的输入端，非平衡干涉仪与第一单光子探测器D1、第二单光子探测器D2一起组成一个相位解码测量装置；第一分束器BS1的另一个输出端连接第三单光子探测器D3一起组成一个时间解码测量装置；在非平衡干涉仪内，双脉冲信号光经过第二三端口环形器CIR2后到达第二分束器BS2的端口a，分别从第二分束器BS2的端口c、端口d分成两路输出。端口c连接干涉仪的短臂L_S，经过法拉第旋转镜反射FM1反射后又到达第二分束器BS2；端口d连接干涉仪的长臂L_L，经过法拉第旋转镜FM2反射后又到达BS2，由于臂长差的不同，此时经过短臂L_S的光脉冲率先返回到BS2，经过长臂L_L的光脉冲后返回到BS2，因此双脉冲信号光有四种可能的路径返回到BS2的端口c和d，分别是：前脉冲(A_前)经过短臂(L_S)，前脉冲(A_前)经过长臂(L_L)；后脉冲(A_后)经过短臂(L_S)，后脉冲(A_后)经过长臂(L_L)；

其中，经过前脉冲(A_前)经过短臂(L_S)最早返回到达BS2的端口c，后脉冲(A_后)经过长臂(L_L)的光子最后到达探测器，这两种情况都没有干涉现象。非平衡干涉仪的臂长差延时与前、后脉冲间隔时间相等，因此前脉冲(A_前)经过长臂(L_L)，后脉冲(A_后)经过短臂(L_S)同时到达BS2，是不可分辨的，会发生干涉现象。这个光子是到达第一单光子探测器D1还是第二单光子探测器D2，取决于这两条路径的相位差。在Alice内通过对相位制备激光器加载微扰电脉冲信号，在Bob内干涉仪长臂(L_L)中插入相位调制器PM，Alice和Bob双方通过调整相位差实现对光子相位的编码和解码。

实施例2：相位解码测量的两个单光子探测器用一个单光子探测器代替

一种量子密钥分发系统，其量子密钥解码端Bob如图2所示，本实施例与实施例1的不同之处仅在于对于Bob端的相位解码测量装置的探测模块进行改进，额外设置有第三分束器BS3，光纤延时线DL，取消了第二单光子探测器D2。第二分束器BS2的端口b与第三分束器的一个输入端口相连，第二三端口环形器CIR2的端口3通过光纤延时线DL与第三分束器的另一个输入端口相连，第三分束器的输出端口与第二单光子探测器D1相连。其他与实施例1相同。

本实施例与实施例1的不同之处在于对于Bob端的进行改进，从光脉冲到达单光子探测器的时刻来区分探测结果，将相位解码测量的两个单光子探测器用一个单光子探测器代替，降低成本。

实施例3：将所有单光子探测器用同一个单光子探测器代替

一种量子密钥分发系统，其量子密钥解码端Bob如图3所示，本实施例与实施例1的不同之处仅在于对Bob端的探测模块进行改进，额外设置有第三分束器BS3、第四分束器BS4、第一光纤延时线DL1和第二光纤延迟线DL2，取消了第二单光子探测器D2和第三单光子探测器D3。第一分束器BS1的一个输出端口通过第二光纤延时线DL2与第四分束器的一个输入端口相连，第二分束器BS2端口b与第三分束器的一个输入端口相连，第二三端口环形器的端口3通过第一光纤延时线DL1与第三分束器的另一个输入端口相连，第三分束器的输出端口与第四分束器BS4的另一个输入端口相连。其他与实施例1相同。

本实施例将所有单光子探测器用同一个单光子探测器代替，这样将进一步降低成本。

实施例4：

一种量子密钥分发系统，其量子密钥解码端Bob如图4所示，本实施例与实施例1的不同之处仅在于：非平衡干涉仪采用不等臂MZ干涉仪来实现，不等臂MZ干涉仪内设置有第二分束器BS2、第三分束器BS3，以及连接第二分束器BS2与第三分束器BS3的短臂L_S、长臂L_L，长臂L_L上设置有相位调制器PM。第二分束器BS2为1*2分束器，具有一个输入端口a、两个输出输出端口b、c；第三分束器BS3为2*2分束器，具有两个输入端口e、f，两个输出输出端口g、h；双脉冲信号光到达第二分束器BS2的端口a，分别从第二分束器BS2的端口b、端口c分成两路输出，端口b连接干涉仪的短臂L_S，到达第三分束器BS3的输入端口e；端口c连接干涉仪的长臂L_L，经过相位调制器PM到达第三分束器BS3的输入端口f，由于臂长差的不同，此时经过短臂L_S的光脉冲率先到达第三分束器BS3，经过长臂L_L的光脉冲后到达第三分束器BS3，因此，双脉冲信号光有四种可能的路径到达BS3，分别是：前脉冲(A_前)经过短臂(L_S)，前脉冲(A_前)经过长臂(L_L)；后脉冲(A_后)经过短臂(L_S)，后脉冲(A_后)经过长臂(L_L)；其中，经过前脉冲(A_前)经过短臂(L_S)最早返回到达BS3，后脉冲(A_后)经过长臂(L_L)的光子最后到达BS3，这两种情况都没有干涉现象。非平衡干涉仪的臂长差延时与前、后脉冲间隔时间相等，因此前脉冲(A_前)经过长臂(L_L)，后脉冲(A_后)经过短臂(L_S)同时到达BS3，是不可分辨的，形成脉冲干涉。

第三分束器BS3的输出端口g连接一个单光子探测器D2，第三分束器BS3的输出端口h连接另一个单光子探测器D1。这个光子是到达第一单光子探测器D1还是第二单光子探测器D2，取决于这两条路径的相位差。在Alice内通过对相位制备激光器加载微扰电脉冲信号，在Bob内干涉仪长臂(L_L)中插入相位调制器PM，Al ice和Bob双方通过调整相位差实现对光子相位的编码和解码。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。