一种量子通信系统的制作方法

本发明涉及量子通信技术领域，更具体地说，涉及一种量子通信系统。

背景技术：

量子通信具有通信速度快、信噪比要求低、窃读可知性以及通信保密性好等特点，在国家机关、军事国防以及金融证券等诸多领域有着重要的应用。

目前量子通信系统主要是由独立的光纤器件在光学平台上搭建而成，系统通常存在体积大、能耗高、通信距离短、信息易泄露、编解码速度慢、成码率低以及稳定性差等不足，不适于未来量子通信的发展。

虽然采用硅基光电子集成技术将分离器件集成为量子通信芯片可以使系统在体积、能耗、安全性以及稳定性等方面得到极大的优化；但是，目前量子通信系统仍普遍存在着单个信息比特携带信息量少、通信效率低的缺点以及相邻脉冲相对相位控制难度大、有效通信距离短的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种量子通信系统，以提高量子通信的通信效率、有效通信距离。

技术方案如下：

一种量子通信系统，包括：发送方通信模块和接收方通信模块，所述发送方通信模块包括光源模块以及与所述光源模块相连的发送方编码模块，所述接收方通信模块包括用于与所述发送方编码模块光纤通信的接收方解码模块以及与所述接收方解码模块相连的接收方数据读取模块，其中：

所述光源模块用于发出含有多个不同频率成份的脉冲；

所述发送方编码模块用于将处于同一工作频率的脉冲分为待编码脉冲和参考脉冲，并对所述待编码脉冲进行相位编码，得到编码脉冲；并将工作脉冲传输至所述接收方解码模块，所述工作脉冲包括所述参考脉冲以及编码脉冲；

所述接收方解码模块用于对所述工作脉冲中的编码脉冲进行相位解码，得到解码脉冲，并将所述解码脉冲以及所述参考脉冲传输至所述接收方数据读取模块；

所述接收方数据读取模块用于对所述解码脉冲以及所述参考脉冲进行同频率脉冲干涉，并基于干涉结果得到通信数据。

优选的，所述发送方编码模块包括用于与所述光源模块依次相连的第一分频延时移相器、强度调制器、分束器和第二分频延时移相器，其中：

所述第一分频延时移相器用于确定至少两个工作频率，从所述光源发出的具有不同频率成份的脉冲中分离出具有所述工作频率的脉冲；以及，控制不同工作频率的脉冲依次输出，且任意两个相邻输出的脉冲之间的输出时间间隔为预设时间间隔；

所述强度调制器用于对所述第一分频延时移相器输出的脉冲的光强进行调节，保证从同一脉冲中分离出来的各工作频率的脉冲具有相同的平均光子数，并实现信号态以及诱骗态的制备；

所述分束器用于分别将所述强度调制器输出的每个工作频率的脉冲分为待编码脉冲和参考脉冲；

所述第二分频延时移相器与所述分束器用于输出所述待编码脉冲的第一端口相连，所述第二分频延时移相器用于接收所述待编码脉冲，对所述待编码脉冲中特定频率的脉冲进行相位调制，得到编码脉冲；所述编码脉冲和所述分束器用于输出所述参考脉冲的第二端口输出的所述参考脉冲构成工作脉冲。

优选的，所述接收方解码模块，包括：用于与所述第二分频延时移相器光纤连接的第三分频延时移相器，所述第三分频延时移相器用于：

接收所述第二分频延时移相器输出的编码脉冲，对所述编码脉冲中特定频率的脉冲进行相位调制，得到解码脉冲，输出所述解码脉冲；所述解码脉冲包括所述编码脉冲中被进行相位调制的特定频率的脉冲以及所述编码脉冲中未被进行相位调制的脉冲。

优选的，其特征在于，

所述第二分频延时移相器，还用于控制所述编码脉冲中各工作频率的脉冲同时输出；

所述第三分频延时移相器，还用于控制所述解码脉冲中不同工作频率的脉冲依次输出，任意两个相邻输出的脉冲之间的输出时间间隔为所述预设时间间隔，且所述解码脉冲中各个工作频率的脉冲与所述分束器中的所述参考脉冲中相同工作频率的脉冲同时到达数据读取模块。

优选的，所述发送方编码模块还包括用于与所述分束器的第二端口相连的第四分频延时移相器，所述接收方解码模块还包括用于与所述第四分频延时移相器相连的第五分频延时移相器，其中：

所述第四分频延时移相器，用于控制所述参考脉冲中各工作频率的脉冲同时输出；

所述第五分频延时移相器，用于控制所述参考脉冲中不同工作频率的脉冲依次输出，任意两个相邻输出的脉冲之间的输出时间间隔为所述预设时间间隔，且所述参考脉冲中各个工作频率的脉冲与所述第三分频延时移相器中的所述解码脉冲中相同工作频率的脉冲同时输出。

优选的，所述发送方编码模块还包括第一可变光衰减器，

所述可变光衰减器用于调整所述分束器输出的具有同一工作频率的待编码脉冲和参考脉冲的光强相同。

优选的，所述接收方解码模块还包括第二可变光衰减器，

所述第二可变光衰减器用于保证具有同一工作频率的解码脉冲和参考脉冲输入至所述接收方数据读取模块时的光子数相同。

优选的，所述接收方数据读取模块包括干涉仪，以及与所述干涉仪相连用于基于所述干涉结果读取所述通信数据的第一单光子探测器。

优选的，所述第一分频延时移相器、第二分频延时移相器、第三分频延时移相器、第四分频延时移相器和第五分频延时移相器由分频延时移相器构成，所述分频延时移相器包括：

阵列波导光栅和相位调制器，所述阵列波导光栅具有与不同频率脉冲匹配的不同子信道，各个所述子信道的延时线的长度呈等差数列分布，每条所述子信道上集成一个所述相位调制器；

或者，

循环器、与所述循环器相连的布喇格反射器和相位调制器；所述布喇格反射器用于将不同频率的脉冲分发到不同的时间比特，任意相邻的两个时间比特之间的时间间隔与其他任意相邻的两个时间比特之间的时间间隔相同。

优选的，所述第一单光子探测器还可用于测量所述干涉结果脉冲的平均光子数确定所述系统是否受到第一攻击，所述第一攻击指示光子数分离攻击，

所述接收方数据读取模块还包括与所述干涉仪相连的第二单光子探测器，所述第二单光子探测器用于基于所述干涉结果确定所述系统是否受到第二攻击，所述第二攻击指示相位调制攻击。

本申请提供一种量子通信系统，包括：光源模块用于发出含有多个不同频率成份的脉冲，发送方编码模块用于将处于同一工作频率的脉冲分为待编码脉冲和参考脉冲，对待编码脉冲进行相位编码得到编码脉冲；并将参考脉冲以及编码脉冲传输至接收方解码模块；接收方解码模块用于对编码脉冲进行相位解码，得到解码脉冲；接收方数据读取模块用于对解码脉冲以及参考脉冲进行同频率脉冲干涉，并基于干涉结果得到通信数据。本申请由于引入不同频率的脉冲作为信息载体，使得单个信息比特所携带的信息量得到了有效增加，提高了通信效率，并弱化了量子通信系统对相邻脉冲相对相位的敏感性，使得有效通信的距离得到了明显增加。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种量子通信系统的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种发送方编码模块的详细结构示意图；

图3为本申请实施例提供的一种接收方解码模块的详细结构示意图；

图4为本申请实施例提供的另一种量子通信系统的结构示意图；

图5为本申请实施例提供的又一种量子通信系统的结构示意图；

图6为本申请实施例提供一种接收方数据读取模块的详细结构示意图；

图7为本申请实施例提供的一种干涉仪的详细结构示意图；

图8(a)-(b)为本申请实施例提供的一种分频延时移相器的结构示意图；

图9(a)-(b)为本申请实施例提供的另一种分频延时移相器的结构示意图；

图10为本申请实施例提供的又一种分频延时移相器的结构示意图；

图11为本申请实施例提供的另一种接收方数据读取模块的结构示意图；

图12为本申请实施例提供的又一种量子通信系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本申请实施例提供的一种量子通信系统的结构示意图。

如图1所示，该系统包括：发送方通信模块11和接收方通信模块12；发送方通信模块11包括光源模块111以及与光源模块111相连的发送方编码模块112，接收方通信模块12包括用于与发送方编码模块112光纤通信的接收方解码模块121以及与接收方解码模块121相连的接收方数据读取模块122。

其中，光源模块用于发出含有多个不同频率成份的脉冲；

在本申请实施例中，光源模块用于发出的脉冲中含有多个不同频率的脉冲。

发送方编码模块用于将处于同一工作频率的脉冲分为待编码脉冲和参考脉冲，并对待编码脉冲进行相位编码，得到编码脉冲；并将工作脉冲传输至接收方解码模块，工作脉冲包括参考脉冲以及编码脉冲；

在本申请实施例中，发送方编码模块接收光源发出的脉冲后，可以从该脉冲中确定处于工作频率的脉冲。比如，光源发出的脉冲中含有3种频率的脉冲，分别为第一频率脉冲、第二频率脉冲和第三频率脉冲；若工作频率为第一频率和第三频率，则发送方编码模块从光源发出的脉冲中确定第一频率脉冲为处于工作频率的脉冲，确定第三频率脉冲为处于工作频率的脉冲。

相应的，发送方编码模块将第一频率脉冲分为待编码脉冲和参考脉冲；以及，将第三频率脉冲分为待编码脉冲和参考脉冲。

其中，发送方编码模块对处于同一工作频率的脉冲分为待编码脉冲和参考脉冲的方式为：将处于同一工作频率的脉冲的光子数平均分成两份，一份作为待编码脉冲，另一份作为参考脉冲。

在本申请实施例中，发送方编码模块在确定各个处于工作频率的脉冲后，可以针对每个处于同一工作频率的脉冲执行以下过程：将该处于同一工作频率的脉冲分为待编码脉冲和参考脉冲。

相应的，发送方编码模块可以对待编码脉冲进行相位编码，得到编码脉冲；并将编码脉冲和参考脉冲作为工作脉冲，发送给接收方解码模块。

接收方解码模块用于对工作脉冲中的编码脉冲进行相位解码，得到解码脉冲，并将解码脉冲以及参考脉冲传输至接收方数据读取模块；

接收方数据读取模块用于对解码脉冲以及参考脉冲进行同频率脉冲干涉，并基于干涉结果得到通信数据。

为了便于对本申请实施例提供的一种量子通信系统的理解，现提供一种发送方编码模块的详细结构示意图，具体请参加图2。

如图2所示，发送方编码模块包括：用于与光源模块依次相连的第一分频延时移相器1121、强度调制器1122、分束器1123和第二分频延时移相器1124；其中：

第一分频延时移相器1121用于确定至少两个工作频率，从光源发出的具有不同频率成份的脉冲中分离出具有工作频率的脉冲；以及，控制不同工作频率的脉冲依次输出，且任意两个相邻输出的脉冲之间的输出时间间隔为预设时间间隔；

比如，若光源发出的脉冲中含有3种频率的脉冲，分别为第一频率脉冲(第一频率脉冲的频率为第一频率)、第二频率脉冲(第二频率脉冲的频率为第二频率)和第三频率脉冲(第三频率脉冲的频率为第三频率)；第一分频延时移相器用于输出确定至少两个工作频率，若此时第一分频延时移相器确定了两个工作频率，分别为第一频率和第三频率时，第一分频延时移相器从光源发出的具有不同频率成份的脉冲中分离出第一工作频率脉冲和第三工作频率脉冲，并且控制第一频率脉冲和第三频率脉冲依次输出，并且，第一频率脉冲和第三频率脉冲之间的输出时间间隔为预设时间间隔。比如，可以先输出第一频率脉冲再输出第三频率脉冲，也可以先输出第三频率脉冲再输出第一频率脉冲，但是，需要保证第一频率脉冲的输出时间与第三频率脉冲的输出时间之间的时间间隔为预设时间间隔。

强度调制器1122用于对第一分频延时移相器1121输出的脉冲的光强进行调节，保证从同一脉冲中分离出来的各工作频率的脉冲具有相同的平均光子数，并实现信号态以及诱骗态的制备；

在本申请实施例中，强度调制器用于对第一分频延时移相器1121输出的脉冲的光强进行调节，保证从同一脉冲中分离出来的各工作频率的脉冲(该脉冲为弱相干脉冲)具有相同的平均光子数，并实现信号态以及诱骗态的制备。

如上，强度调制器用于接收第一分频延时移相器输出的第一频率脉冲和第三频率脉冲，并对第一频率脉冲和第三频率脉冲的光强进行调节，以输出具有相同的平均光子数的第一频率脉冲和第三频率脉冲。

进一步的，强度调制器还用于实现信号态及诱骗态的制备。

分束器1123用于分别将强度调制器输出的每个工作频率的脉冲分为待编码脉冲和参考脉冲；

在本申请实施例中，分束器用于将强度调制器输出的每个工作频率的脉冲分为待编码脉冲和参考脉冲。如上，分束器接收第一频率脉冲和第三工作频率脉冲，将第一频率脉冲分为待编码脉冲和参考脉冲，将第三频率脉冲分为待编码脉冲和参考脉冲。

分束器具有两个端口，分别为第一端口和第二端口，其中，第一端口用于输出待编码脉冲(如上，从第一端口中输出的待编码脉冲包括从第一频率脉冲中分出的待编码脉冲以及从第三频率脉冲中分出的待编码脉冲)，第二端口用于输出参考脉冲(如上，从第二端口中输出的参考脉冲包括从第一频率脉冲中分出的参考脉冲以及从第三频率脉冲中分出的参考脉冲)。

第二分频延时移相器1124与分束器1123用于输出待编码脉冲的第一端口相连，第二分频延时移相器用于接收待编码脉冲，对待编码脉冲中特定频率的脉冲进行相位调制，得到编码脉冲；编码脉冲和分束器用于输出参考脉冲的第二端口输出的参考脉冲构成工作脉冲。

在本申请实施例中，第二分频延时移相器与分束器的第一端口相连，用于接收分束器输出的待编码脉冲，并对待编码脉冲中特定频率的脉冲进行相位调制，得到编码脉冲。如上，在工作频率为第一频率和第三频率时，特定频率可以为第一频率或第三频率。比如，第二分频延时移相器可以对第一频率脉冲分出的待编码脉冲进行编码以得到编码脉冲(此时，编码脉冲除了包括第一频率脉冲中被编码后的待编码脉冲，还包括第三频率脉冲被分出的待编码脉冲)，也可以对第三频率脉冲分出的待编码脉冲进行编码以得到编码脉冲(此时，编码脉冲除了包括第三频率脉冲中被编码后的待编码脉冲，还包括第一频率脉冲被分出的待编码脉冲)。

在本申请实施例中，可以将第二分频延时移相器输出的编码脉冲和分束器的第二端口输出的参考脉冲，看成是工作脉冲，以由接收方通信模块基于该工作脉冲得到通信数据。

进一步的，本申请实施例为了更加清楚的对量子通信系统进行说明，在此提供一种接收方解码模块的详细结构示意图。

如图3所示，接收方解码模块121包括用于与第二分频延时移相器光纤连接的第三分频延时移相器1211。

其中，第三分频延时移相器1211用于接收第二分频延时移相器输出的编码脉冲，对编码脉冲中特定频率的脉冲进行相位调制，得到解码脉冲，输出解码脉冲；解码脉冲包括编码脉冲中被进行相位调制的特定频率的脉冲以及编码脉冲中未被进行相位调制的脉冲。

进一步的，在本申请实施例提供的一种量子通信系统中，如果第二分频延时移相器还用于控制编码脉冲中各工作脉冲的脉冲同时输出；相应的，该量子通信系统中的第三分频延时移相器，还用于控制解码脉冲中不同工作频率的脉冲依次输出，任意两个相邻输出的脉冲之间的输出时间间隔为预设时间间隔，且解码脉冲中各个工作频率的脉冲与分束器中的参考脉冲中相同工作频率的脉冲同时输出。

比如，如果光源发出的脉冲中包括第一频率脉冲(第一频率脉冲的频率为第一频率)、第二频率脉冲(第二频率脉冲的频率为第二频率)和第三频率脉冲(第三频率脉冲的频率为第三频率)；第一分频延时移相器确定的工作频率为第一频率和第三频率时，第一分频延时移相器从光源发出的脉冲中分出具有第一频率的脉冲(第一频率脉冲)和具有第三频率的脉冲(第三频率脉冲)，并控制第一频率脉冲和第三频率脉冲依次输出；相应的，分束器也是依次接收到第一频率脉冲和第三频率脉冲，并将第一频率脉冲分为第一待编码脉冲和第一参考脉冲，将第三频率脉冲分为第三待编码脉冲和第三参考脉冲；相应的，第二分频延时移相器也是依次接收到第一待编码脉冲和第三待编码脉冲(第一待编码脉冲和第三待编码脉冲构成待编码脉冲)，第二分频延时移相器对特定频率的脉冲(该特定频率的脉冲为第一待编码脉冲或第三待编码脉冲)进行相位调制后，得到编码脉冲，并输出该编码脉冲；也就是说，第二分频延时移相器中的编码脉冲中包括两种不同工作频率的脉冲。

若第二分频延时移相器未对这两种不同工作频率的脉冲的输出时间进行同步控制，则编码脉冲中这两种工作频率的脉冲依次输出，相应的，第三分频延时移相器在对编码脉冲中特定频率的脉冲进行相位调制得到解码脉冲后，也是控制解码脉冲中第一频率的脉冲和第三频率的脉冲依次输出。此时，需要注意的是：需要控制第三分频延时移相器输出解码脉冲中的第一频率脉冲与分束器第二端口输出的第一参考脉冲同时到达数据读取模块，第三分频延时移相器输出解码脉冲中的第三频率脉冲与分束器第二端口输出的第三参考脉冲同时到达数据读取模块，第三分频延时移相器输出解码脉冲中的第一频率脉冲与第三分频延时移相器输出解码脉冲中的第三频率脉冲到达数据读取模块的时间不同。

而若是第二分频延时移相器还用于控制编码脉冲中这两种不同工作频率的脉冲同时输出，则第三分频延时移相器还需用于控制解码脉冲中这两个工作频率的脉冲依次输出，并且需要控制解码脉冲中每个工作频率的脉冲与分束器的第二端口输出的该工作频率的参考脉冲同时到达数据读取模块。

例如，若第二分频延时移相器控制编码脉冲中第一频率的脉冲和第三频率的脉冲同时输出，则第三分频延时移相器需要控制解码脉冲中第一频率的脉冲和第三频率的脉冲依次输出，并且，第三分频延时移相器输出解码脉冲中的第一频率脉冲与分束器的第二端口输出的第一参考脉冲同时到达数据读取模块，第三分频延时移相器输出解码脉冲中的第三频率脉冲与分束器的第二端口输出的第三参考脉冲同时到达数据读取模块，第三分频延时移相器输出解码脉冲中的第一频率脉冲与第三分频延时移相器输出解码脉冲中的第三频率脉冲到达数据读取模块的时间不同。

本申请实施例还提供另一种量子通信系统的结构示意图，详细请参见图4。

如图4所示，本申请实施例提供的另一种量子通信系统的发送方编码模块中进一步包括用于与分束器的第二端口相连的第四分频延时移相器1125，接收方解码模块还包括用于与第四分频延时移相器相连的第五分频延时移相器1212。

在本申请实施例中，第四分频延时移相器，用于控制参考脉冲中各工作频率的脉冲同时输出；

如上，在分束器的第二端口依次输出第一参考脉冲和第三参考脉冲后，第四分频延时移相器用于接收分束器的第二端口依次输出的第一参考脉冲和第三参考脉冲，并控制第一参考脉冲和第三参考脉冲从该第四分频延时移相器同时输出。

第五分频延时移相器，用于控制参考脉冲中不同工作频率的脉冲依次输出，任意两个相邻输出的脉冲之间的输出时间间隔为预设时间间隔，且参考脉冲中各个工作频率的脉冲与第三分频延时移相器中的解码脉冲中相同工作频率的脉冲同时输出。

比如，第五分频延时移相器在接收到第四分频延时移相器同时输出的第一参考脉冲和第三参考脉冲后，控制第一参考脉冲和第三参考脉冲依次从该第五分频延时移相器输出，并且第五分频延时移相器输出第一参考脉冲的时间与第三分频延时移相器输出的解码脉冲中第一频率的脉冲的时间相同，第五分频延时移相器输出第三参考脉冲的时间与第三分频延时移相器输出的解码脉冲中第三频率的脉冲的时间相同。

本申请实施例还提供又一种量子通信系统的结构示意图，详细请参见图5。

如图5所示，本申请实施例提供的又一种量子通信系统的发送方编码模块中进一步包括第一可变光衰减器1126，该第一可变光衰减器1126用于调整分束器输出的具有同一工作频率的待编码脉冲和参考脉冲的光强相同。

如图5所示，该第一可变光衰减器1126可以设置于分束器的第一端口与第二分频延时移相器之间。

以上仅仅是本申请实施例提供的第一可变光衰减器的设置位置的优选方式，发明人还可以将该第一可变光衰减器1126设置于分束器的第二端口与第四分频延时移相器之间，或者，设置两个第一可变光衰减器1126，其中一个第一可变光衰减器1126可以设置于分束器的第一端口与第二分频延时移相器之间，另一个第一可变光衰减器1126可以设置于分束器的第二端口与第四分频延时移相器之间。

如图5所示，本申请实施例提供的又一种量子通信系统的接收方解码模块还包括第二可变光衰减器1213。

其中，第二可变光衰减器用于保证具有同一工作频率的解码脉冲和参考脉冲输入至接收方数据读取模块时的光子数相同。

如图5所示，该第二可变光衰减器1213可以设置于分束器的第二分频延时移相器与第三分频延时移相器之间。

以上仅仅是本申请实施例提供的第二可变光衰减器的设置位置的优选方式，发明人还可以将该第二可变光衰减器设置于第四分频延时移相器与第五分频延时移相器之间，或者，设置两个第二可变光衰减器，其中一个第二可变光衰减器可以设置于第二分频延时移相器与第三分频延时移相器之间，另一个第二可变光衰减器可以设置于第四分频延时移相器与第五分频延时移相器之间。

为了实现对通信数据的读取，本申请实施例提供一种接收方数据读取模块的详细结构示意图。

在本申请实施例中，优选的，接收方数据读取模块122包括干涉仪1221，以及与干涉仪1221相连用于基于干涉结果读取通信数据的第一单光子探测器1222。

在本申请实施例提供的如图3所示的量子通信系统中，干涉仪用于分别与第三分频延时移相器和分束器的第二端口相连。

在本申请实施例提供的如图4-5所示的量子通信系统中，干涉仪用于分别与第三分频延时移相器和第五分频延时移相器相连。

为了便于对本申请实施例提供的一种量子通信系统的工作原理的理解，现以干涉仪为马赫-增德尔干涉仪为例进行说明，有关马赫-增德尔干涉仪的结构请参见图7。

马赫-增德尔干涉仪的两端为50:50的定向耦合器，上臂集成的热光型相位调制器(topm)用于保证干涉仪上下两臂的相位差严格为90°；马赫-增德尔干涉仪用于对上下两路的同频脉冲进行干涉，并将干涉后产生的新脉冲从该干涉仪的上臂、下臂输出。相应的，干涉仪的上臂可连接单光子探测器，下臂也可连接单光子探测器，单光子探测器用于将探测到的光脉冲信号转化为电信号，实现信号的转换与读取。

在本申请实施例中，第一单光子探测器可用于与干涉仪的下臂连接，以实现对干涉仪下臂输出的脉冲的检测。

当第一单光子探测器连接在干涉仪的下臂时，本申请实施例提供的一种量子通信系统的原理可如下：

发送方通信模块的光源发出的脉冲中包括第一频率脉冲(第一频率脉冲的频率为第一频率)、第二频率脉冲(第二频率脉冲的频率为第二频率)和第三频率脉冲(第三频率脉冲的频率为第三频率)；第一分频延时移相器确定的工作频率为第一频率和第三频率时，第一分频延时移相器从光源发出的脉冲中分出具有第一频率的脉冲(第一频率脉冲)和具有第三频率的脉冲(第三频率脉冲)，并控制第一频率脉冲和第三频率脉冲依次输出。

相应的，分束器也是依次接收到第一频率脉冲和第三频率脉冲，并将第一频率脉冲分为第一待编码脉冲(暂称为脉冲1)和第一参考脉冲(暂称为脉冲3)，将第三频率脉冲分为第三待编码脉冲(暂称为脉冲2)和第三参考脉冲(暂称为脉冲4)。

相应的，第二分频延时移相器也是依次接收到第一待编码脉冲(脉冲1)和第三待编码脉冲(脉冲2)，第二分频延时移相器对特定频率的脉冲进行相位调制后(如果发送方通信模块想要发送数据0时，可以将第一频率作为特定频率，对脉冲1进行相位调制，以将脉冲1的相位调制90度)，得到编码脉冲(该编码脉冲为相位被调制90度后的脉冲1和相位未被调制的脉冲2)，并输出该编码脉冲。

相应的，接收方解码模块中的第三分频延时移相器用于接收第二分频延时移相器输出的编码脉冲，该第三分频延时移相器中存在两种解码基组，分别为解码基组1和解码基组2，解码基组1是对脉冲1的相位调制90度，解码基组2是对脉冲2的相位调制90度。

此时，接收方解码模块中的第三分频延时移相器在接收到第二分频延时移相器输出的编码脉冲后，若选择的是解码基组1，将第一频率作为特定频率，对编码脉冲中的脉冲1的相位调制90度(此时，经过第二分频延时移相器和第三分频延时移相器的调制，脉冲1的相位一共被调制了180度)，不对脉冲2的相位进行调制。

以第三分频延时移相器先输出脉冲1再输出脉冲2为例，第三分频延时移相器输出的脉冲1和分束器中输出的脉冲3同时先达到干涉仪，第三分频延时移相器输出的脉冲2和分束器输出的脉冲4再同时达到干涉仪(比如，假设t1时刻第三分频延时移相器输出的脉冲1和分束器输出的脉冲3同时到达干涉仪，t2时刻第三分频延时移相器输出的脉冲2和分束器输出的脉冲4同时到达干涉仪，t2晚于t1)；在t1时刻干涉仪接收到相位被调制了180度的脉冲1和相位未被调制的脉冲3，相位被调制了180度的脉冲1和相位未被调制的脉冲3之间的相位差为180度，经过干涉仪干涉后，干涉仪从下臂输出脉冲，此时第一单光子探测器被点亮；而在t2时刻干涉仪接收到相位未被调制的脉冲2和相位未被调制的脉冲4，相位未被调制的脉冲2和相位未被调制的脉冲4之间的相位差为0度，经过干涉仪干涉后，干涉仪从上臂输出脉冲，此时第一单光子探测器未被点亮。

进一步的，接收方解码模块中的第三分频延时移相器在接收到第二分频延时移相器输出的编码脉冲后，若选择的是解码基组2，则将第二频率作为特定频率，对编码脉冲中的脉冲2的相位调制90度，不对脉冲1的相位进行调制。

以第三分频延时移相器先输出脉冲1再输出脉冲2为例，第三分频延时移相器输出的脉冲1和分束器中输出的脉冲3同时先达到干涉仪，第三分频延时移相器输出的脉冲2和分束器输出的脉冲4再同时达到干涉仪(比如，假设t1时刻第三分频延时移相器输出的脉冲1和分束器输出的脉冲3同时到达干涉仪，t2时刻第三分频延时移相器输出的脉冲2和分束器输出的脉冲4同时到达干涉仪，t2晚于t1)；在t1时刻干涉仪接收到相位被调制了90度的脉冲1和相位未被调制的脉冲3，相位被调制了90度的脉冲1和相位未被调制的脉冲3之间的相位差为90度，经过干涉仪干涉后，干涉仪从上臂和下臂均输出脉冲，此时第一单光子探测器被点亮；而在t2时刻干涉仪接收到相位被调制了90度的脉冲2和相位未被调制的脉冲4，相位被调制了90度的脉冲2和相位未被调制的脉冲4之间的相位差为90度，经过干涉仪干涉后，干涉仪从上臂和下臂均输出脉冲，此时第一单光子探测器被点亮。

在本申请实施例中，接收方通信模块可以基于t1时刻第一单光子探测器被点亮、t2时刻第一单光子探测器未被点亮的结果，确定发送方通信模块此时发送的是数据0；接收方通信模块在t1时刻和t2时刻第一单光子探测器均被点亮时，不能明确确定发送方通信模块此时发送的数据是0还是1。

需要注意的是，若在干涉仪的上臂也连接有单光子探测器的情况下，如果干涉仪从上臂输出脉冲，连接在该干涉仪上臂的单光子探测器也是可以被点亮的。

更进一步的，第二分频延时移相器在依次接收到第一待编码脉冲(脉冲1)和第三待编码脉冲(脉冲2)，第二分频延时移相器对特定频率的脉冲进行相位调制后(如果发送方通信模块想要发送数据1时，将第二频率作为特定频率，对脉冲2进行相位调制，以将脉冲2的相位调制90度)，得到编码脉冲(该编码脉冲包括相位未被调制的脉冲1和相位被调制90度的脉冲2)，并输出该编码脉冲。

相应的，接收方解码模块中的第三分频延时移相器用于接收第二分频延时移相器输出的编码脉冲，该第三分频延时移相器中存在两种解码基组，分别为解码基组1和解码基组2，解码基组1是对脉冲1的相位调制90度，解码基组2是对脉冲2的相位调制90度。

此时，接收方解码模块中的第三分频延时移相器在接收到第二分频延时移相器输出的编码脉冲后，若选择的是解码基组2，则将第二频率作为特定频率，对编码脉冲中的脉冲2的相位调制90度(此时，经过第二分频延时移相器和第三分频延时移相器的相位调制，脉冲2的相位被调制了180度)，不对脉冲1的相位进行调制。

以第三分频延时移相器先输出脉冲1再输出脉冲2为例，第三分频延时移相器输出的脉冲1和分束器中输出的脉冲3同时先达到干涉仪，第三分频延时移相器输出的脉冲2和分束器输出的脉冲4再同时达到干涉仪(比如，假设t1时刻第三分频延时移相器输出的脉冲1和分束器输出的脉冲3同时到达干涉仪，t2时刻第三分频延时移相器输出的脉冲2和分束器输出的脉冲4同时到达干涉仪，t2晚于t1)；在t1时刻干涉仪接收到相位未被调制的脉冲1和相位未被调制的脉冲3，相位未被调制的脉冲1和相位未被调制的脉冲3之间的相位差为0度，经过干涉仪干涉后，干涉仪从上臂输出脉冲，第一单光子探测器未被点亮；而在t2时刻干涉仪接收到相位被调制180度后的脉冲2和相位未被调制的脉冲4，相位被调制180度后的脉冲2和相位未被调制的脉冲4之间的相位差为180度，经过干涉仪干涉后，干涉仪从下臂输出脉冲，此时第一单光子探测器被点亮。

进一步的，接收方解码模块中的第三分频延时移相器在接收到第二分频延时移相器输出的编码脉冲后，若选择的是解码基组1，则将第一频率作为特定频率，对编码脉冲中的脉冲1的相位调制90度，不对脉冲2的相位进行调制。

以第三分频延时移相器先输出脉冲1再输出脉冲2为例，第三分频延时移相器输出的脉冲1和分束器中输出的脉冲3同时先达到干涉仪，第三分频延时移相器输出的脉冲2和分束器输出的脉冲4再同时达到干涉仪(比如，假设t1时刻第三分频延时移相器输出的脉冲1和分束器输出的脉冲3同时到达干涉仪，t2时刻第三分频延时移相器输出的脉冲2和分束器输出的脉冲4同时到达干涉仪，t2晚于t1)；在t1时刻干涉仪接收到相位被调制90度的脉冲1和相位未被调制的脉冲3，相位被调制90度的脉冲1和相位未被调制的脉冲3之间的相位差为90度，经过干涉仪干涉后，干涉仪从上臂和下臂均输出脉冲，此时第一单光子探测器被点亮；而在t2时刻干涉仪接收到相位被调制90度的脉冲2和相位未被调制的脉冲4，相位被调制90度的脉冲2和相位未被调制的脉冲4之间的相位差为90度，经过干涉仪干涉后，干涉仪从上臂和下臂均输出脉冲，此时第一单光子探测器被点亮。

在本申请实施例中，接收方通信模块可以基于t1时刻第一单光子探测器未被点亮、t2时刻第一单光子探测器被点亮的结果，确定发送方通信模块此时发送的是数据1；接收方通信模块在t1时刻和t2时刻第一单光子探测器均被点亮时，不能明确确定发送方通信模块此时发送的数据是0还是1。

在本申请实施例中，接收方通信模块在t1时刻和t2时刻第一单光子探测器均被点亮，不能明确确定发送方通信模块发送的数据是0还是1时，可以记录该数据的存储位置，以便于在公开信道中公布这些存储位置，之后通信双方(发送方通信模块和接收方通信模块)同时将这些位置的数据删除，以保证发送方通信模块发送的数据和接收方通信模块接收的数据的一致性。

针对一次通信过程，在发送方通信模块会存在一组二进制序列(为了便于区分，暂时将该二进制序列称为二进制序列1)，发送方通信模块将该组二进制序列中的各个二进制数依次发送给接收方通信模块后，接收方通信模块会得到一组二进制序列(为了便于区分，暂时将该二进制序列称为二进制序列2)。并且，接收方通信模块还可以在公开信道中公布无法确定发送方通信模块发送的数据是0还是1的数据的存储位置，发送方通信模块将二进制序列1中该存储位置的数据删除，得到二进制序列3，接收方通信模块将二进制序列2中该存储位置的数据删除，得到二进制序列4。

进一步的，为了验证是否有人窃听，通信双方还可以在公开信道中同时公开自己手中的一部分密钥，通信双方公开的是位置相同的密钥。利用这些密钥进行判断有无窃听。理论上位置相同的密钥应该相同，如果有窃听的话则会出现彼此不同的密钥，则可以判断有窃听者存在。进一步的，考虑到实际通信过程总不可能完全理想化，所以最后通信双方公布的密钥不可能完全一样，但是经过理论计算得到未被窃听的情况下双方通信误码率有一个上界，如果通信双方公布的密钥误码率超过此上界，则认为是被窃听的，如果通信双方公布的密钥误码率未超过此上界，则认为是未被窃听的。

在本申请实施例中，可以将二进制序列1看成是发送方通信模块的密钥，将二进制序列2看成是接收方通信模块的密钥；也可以将二进制序列3看成是发送方通信模块的密钥，二进制序列4看成是接收方通信模块的密钥。

在本申请实施例中，如果发现没有窃听者窃听，则可以将未被公开的二进制序列作为最终密钥用于保密通信，而这最终密钥仅能通信双方知道，不能被窃听者窃取。

进一步的，第一分频延时移相器、第二分频延时移相器、第三分频延时移相器、第四分频延时移相器和第五分频延时移相器由分频延时移相器构成，该分频延时移相器可以实现对不同频率的脉冲的分频的作用。

图8(a)-(b)为本申请实施例提供的一种分频延时移相器的结构示意图。

如图8(a)-(b)所示，该分频延时移相器包括：阵列波导光栅和相位调制器，阵列波导光栅具有与不同频率脉冲匹配的不同子信道81，各个子信道的延时线的长度呈等差数列分布，每条子信道上集成一个相位调制器82。

如图8(a)-(b)所示的分频延时移相器，因不同频率脉冲从不同子信道传输，通过设置不同频率脉冲对应的子信道的延时线长度的不同，可以控制不同频率脉冲通过子信道的时间不同，进而可以达到分频的作用。

如图8(a)-(b)所示的每个子信道中设置有一个相位调制器，通过对子信道中的相位调制器进行相位调制，可以实现对在该子信道中传输的脉冲的编码/解码。如图8(a)-(b)所示的子信道中延时线长度越长，该子信道中的脉冲的输出时间越晚。

图9(a)-(b)为本申请实施例提供的另一种分频延时移相器的结构示意图。

如图9(a)-(b)所示，该分频延时移相器包括：循环器91、与循环器91相连的布喇格反射器92和相位调制器93；布喇格反射器用于将不同频率的脉冲分发到不同的时间比特，任意相邻的两个时间比特之间的时间间隔与其他任意相邻的两个时间比特之间的时间间隔相同。

如图9(a)-(b)所示的分频延时移相器通过将不同频率的脉冲信号分发到不同的时间比特，且通过设置任意相邻的两个时间比特之间的时间间隔与其他任意相邻的两个时间比特之间的时间间隔相同的方式，可以达到分频的作用；并且时间比特在布喇格反射器中的位置越高，说明分发到该时间比特中的脉冲的输出时间越晚。

图10为本申请实施例提供的又一种分频延时移相器的结构示意图。

如图10所示的分频延时移相器是对如图9所示的分频延时移相器的变形，如图10所示的分频延时移相器包括多个单元101，高速光开关(hos)一次性将从一个激光脉冲中分离出来的不同工作频率的脉冲送入一个单元101，不同的单元101用于选择不同工作频率的脉冲进行相位调制，每个单元101中被选中的调制脉冲与未被选中的其余频率的工作脉冲所走的路程相同，使得从一个激光脉冲中分离出来的不同工作频率的脉冲同时汇聚到输出点102。

如上述实施例的接收方数据读取模块中的第一单光子探测器还可以用于：测量干涉结果脉冲的平均光子数确定系统是否受到第一攻击，第一攻击指示光子数分离攻击。

图11为本申请实施例提供的另一种接收方数据读取模块的结构示意图。

如图11所示，该接收方数据读取模块还可以包括与干涉仪相连的第二单光子探测器1223，第二单光子探测器用于基于干涉结果确定系统是否受到第二攻击，第二攻击指示相位调制攻击。

在本申请实施例中，优选的，在干涉仪为马赫-增德尔干涉仪时，第二单光子探测器用于与干涉仪的上臂连接。

以上为本申请实施例对量子通信系统的详细结构的介绍，上述实施例提供的量子通信系统中发放方通信模块仅能实现信息的发送并不能实现信息的接收，而接收方通信模块也仅能实现信息的接收但不能实现信息的发送，为了实现发送方和接收方的信息交互，本申请实施例还提供又一种量子通信系统的结构示意图，具体请参见图12。

如图12所示，该量子通信系统包括发送方通信模块11和接收方通信模块12，接收方通信模块12除了包括上述实施例提供的接收方解码模块121以及与接收方解码模块121相连的接收方数据读取模块122以外，还可以包括接收方光源模块123和与接收方光源模块123相连的接收方编码模块124；同样，发送方通信模块11除了包括上述实施例提供的光源模块111(这里为了便于与接收方通信模块中的接收方光源模块123进行区分，可以将该光源模块111暂称为发送方光源模块111)以及与光源模块111相连的发送方编码模块112以外，还可以包括发送方解码模块113和与发送方解码模块113连接的发送方数据读取模块114；并且，接收方编码模块124与发送方解码模块123相连。

在本申请实施例提供的量子通信系统中，处理可以通过发送方光源模块、发送方编码模块、接收方解码模块和接收方数据读取模块实现发送方向接收方的信息传输，还可以通过接收方光源模块、接收方编码模块、发送方解码模块和发送方数据读取模块实现接收方向发送方的信息传输，以使得该量子通信系统可以实现半双工通信。

本申请实施例中，接收方光源模块、接收方编码模块、发送方解码模块和发送方数据读取模块实现接收方向发送方的信息传输的方式，请参见上述实施例提供的基于发送方光源模块、发送方编码模块、接收方解码模块和接收方数据读取模块实现发送方向接收方的信息传输方式，在此不做赘述。

更进一步的，本申请实施例提供的接收方向发送方的信息传输方式，可以依据上述实施例提供的发送方向接收方传输信息的方式进行改进，在此不做赘述。

本申请提供一种量子通信系统，包括：光源模块用于发出含有多个不同频率成份的脉冲，发送方编码模块用于将处于同一工作频率的脉冲分为待编码脉冲和参考脉冲，对待编码脉冲进行相位编码得到编码脉冲；并将参考脉冲以及编码脉冲传输至接收方解码模块；接收方解码模块用于对编码脉冲进行相位解码，得到解码脉冲；接收方数据读取模块用于对解码脉冲以及参考脉冲进行同频率脉冲干涉，并基于干涉结果得到通信数据。本申请由于引入不同频率的脉冲作为信息载体，使得单个信息比特所携带的信息量得到了有效增加，提高了通信效率，并弱化了量子通信系统对相邻脉冲相对相位的敏感性，使得有效通信的距离得到了明显增加。

以上对本发明所提供的一种量子通信系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素，或者是还包括为这些过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。