一种量子密钥分发系统的制作方法

本申请涉及量子通信技术领域，具体涉及一种量子密钥分发系统。

背景技术：

量子密钥分发是量子通信领域的研究热点之一，目前主流的量子密钥分发编码方案主要有三种，分别是：偏振编码、相位编码和时间比特-相位编码。

偏振编码方案最早于1984年提出，优点在于，接收端插损低、成本低且结构简单，但是缺点也很明显，光纤偏振扰动对偏振系统的影响较大，会直接影响误码率。实际应用中，在架空光缆环境下，需要频繁起动偏振反馈机制或者增设快偏模块来控制误码率以达到正常水平，这样才能保证成码，然而，增加的结构和机制同时也带来了时间上的浪费以致成码率降低或者不稳定。

相位编码方案使用不等臂干涉仪制备光脉冲，通过对前后两个光脉冲增加相对相位差来承载信息。优点在于，相位编码方案受光纤偏振变化的影响较小，即使偏振发生变化而导致接收的计数率下降，也不会导致光学误码率上升，因此，相位编码方案更适合于偏振变化比较剧烈的情形。该编码方案的缺点在于传统相位系统的接收端插损很大，比偏振编码系统的接收端插损增加至少3db，当外界环境恶劣时，接收端损耗还会增加，导致成码率以及最远成码距离偏低。

在上述两个编码方案的基础上，出现了时间比特-相位编码的方案，该方案结合了时间基矢和相位基矢。优点在于，时间基矢比偏振和相位要稳定得多，所以在一定程度上提高了成码率，此外，相位基矢可以适当摆脱系统对偏振的影响以适应复杂的外界环境。然而由于存在相位基矢，该方案并未完全克服相位编码方案的缺陷，即相位基矢接收端插损大且非干涉部分存在3db固有损耗，导致最终成码率的提高有限。

此外，目前主流的量子密钥分发编码方案是基于bb84协议，bb84协议需要四种编码状态，实现复杂性较高。已经提出的bb84协议的更简单版本是所谓的“三态协议(three-stateprotocal)”，进一步的理论研究表明，三态协议是具有丢失容忍性的，这意味着即使在光源不完善的情况下三态协议也可以在长距离上操作，最重要的是，最新研究表明，三态协议的性能与bb84协议完全相同，这意味着bb84协议中的第四种状态是多余的。

技术实现要素：

本申请提供一种量子密钥分发系统，以解决现有量子密钥分发的编码、解码系统实现复杂度高、插损大、成码率低的问题。

一种量子密钥分发系统，包括发射机和接收机；所述发射机包括：光源、相位编码及偏振选择模块、强度调制器、光可变衰减器；所述接收机包括：第二不等臂干涉仪、第一光电探测器；所述光源、所述相位编码及偏振选择模块、所述强度调制器以及所述光可变衰减器依次串联，所述第二不等臂干涉仪与所述第一光电探测器依次串联；所述第二不等臂干涉仪包括长臂、短臂、第二偏振分束器和第二分束器，所述第二不等臂干涉仪的输入端连接所述第二偏振分束器，所述第二不等臂干涉仪的输出端连接所述第二分束器；所述相位编码及偏振选择模块包括一个具有长臂和短臂的不等臂干涉仪，所述相位编码及偏振选择模块中不等臂干涉仪的臂长差与所述第二不等臂干涉仪的臂长差相同。

优选地，所述相位编码及偏振选择模块中的不等臂干涉仪为第一不等臂干涉仪，所述第一不等臂干涉仪包括一个第一分束器和一个第一偏振分束器，所述第一不等臂干涉仪的输入端连接所述第一分束器，所述第一不等臂干涉仪的输出端连接所述第一偏振分束器，所述第一不等臂干涉仪的臂长差与所述第二不等臂干涉仪的臂长差相同。

优选地，所述相位编码及偏振选择模块中的不等臂干涉仪为第三不等臂干涉仪，所述第三不等臂干涉仪包括一个第一分束器和一个第四分束器，所述第三不等臂干涉仪的输入端连接所述第一分束器，所述第三不等臂干涉仪的输出端连接所述第四分束器，所述第三不等臂干涉仪的臂长差与所述第二不等臂干涉仪的臂长差相同，所述相位编码及偏振选择模块还包括一个偏振调制器，所述偏振调制器的输入端连接所述第三不等臂干涉仪的输出端，所述偏振调制器的输出端连接所述强度调制器的输入端。

优选地，所述接收机还包括第三分束器和第二光电探测器，所述第三分束器的一个输出端连接于所述第二不等臂干涉仪的输入端，所述第三分束器的另一个输出端连接于所述第二光电探测器。

优选地，所述接收机还包括第三分束器、第三偏振分束器、第二光电探测器以及第三光电探测器；所述第三分束器的一个输出端连接于所述第二不等臂干涉仪的输入端，所述第三分束器的另一个输出端连接于所述第三偏振分束器；所述第三偏振分束器的一个输出端连接于所述第二光电探测器，所述第三偏振分束器的另一个输出端连接于所述第三光电探测器。

优选地，所述接收机还包括第三分束器、第三偏振分束器、第二光电探测器、第三光电探测器以及第四光电探测器；所述第三分束器的一个输出端连接于所述第二不等臂干涉仪的输入端，所述第三分束器的另一个输出端连接于所述第三偏振分束器；所述第三偏振分束器的一个输出端连接于所述第二光电探测器，所述第三偏振分束器的另一个输出端连接于所述第三光电探测器；所述第二分束器还包括另一个输出端口，所述第二分束器的一个输出端口连接于所述第一光电探测器，所述第二分束器的另一个输出端口连接于所述第四光电探测器。

优选地，所述接收机还包括电控偏振控制器，所述电控偏振控制器连接于所述第三分束器的输出端与所述第二不等臂干涉仪的输入端之间。

优选地，所述发射机还包括电控偏振控制器，所述电控偏振控制器连接于所述发射机的输出端。

优选地，所述接收机还包括电控偏振控制器，所述电控偏振控制器连接于所述接收机的输入端。

优选地，所述发射机包括两个光可变衰减器，所述相位编码及偏振选择模块中不等臂干涉仪的长臂上包含一个光可变衰减器，所述相位编码及偏振选择模块中不等臂干涉仪的短臂上包含一个光可变衰减器。

优选地，所述光源为斩波式光源、单激光器、脉冲注入锁定激光器与电吸收调制激光器中的一种。

由以上本申请提供的技术方案可见，通过设置光源、相位编码及偏振选择模块、强度调制器、光可变衰减器可以实现三态编码以及诱骗态和量子态的制备，大大降低了系统实现的复杂度；此外，通过在发射机与接收机中设置相位编码及偏振选择模块、偏振分束器以及电控偏振控制器，可以使最终的光脉冲发生完全干涉，减少了系统的插损，消除了相位基矢接收端非干涉部分存在的3db固有损耗，可以解决现有量子密钥分发的编码、解码系统插损大、成码率低的问题。

参照后文的说明和附图，详细公开了本实用新型的特定实施方式，指明了本实用新型的原理可以被采用的方式。应该理解，本实用新型的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本实用新型的实施方式包括许多改变、修改和等同。针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

附图说明

在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本实用新型公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本实用新型的理解，并不是具体限定本实用新型各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本实用新型的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本实用新型。

图1为本申请的量子密钥分发系统示意图；

图2为本申请接收机另外两种实施例即2a部分、2b部分示意图；

图3为本申请接收机又一种实施例示意图；

图4为本申请接收机中包含电控偏振控制器的三种实施例即4a部分、4b部分、4c部分示意图；

图5为本申请接收机中包含电控偏振控制器的另外三种实施例即5a部分、5b部分、5c部分示意图；

图6为本申请发射机包含电控偏振控制器的一种实施例示意图；

图7为本申请发射机另外一种实施例示意图；

图8为本申请发射机包含两个光可变衰减器的一种实施例示意图。

具体实施方式

结合附图和本实用新型具体实施方式的描述，能够更加清楚地了解本实用新型的细节。但是，在此描述的本实用新型的具体实施方式，仅用于解释本实用新型的目的，而不能以任何方式理解成是对本实用新型的限制。在本实用新型的教导下，技术人员可以构想基于本实用新型的任意可能的变形，这些都应被视为属于本实用新型的范围。需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，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的具体含义。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本申请提供一种量子密钥分发系统，能够以三种编码状态进行安全、长距离的量子密钥分发，实现复杂度低、插损小、成码率高。

本申请中光学连接是指两个或多个光学器件之间通过光纤或者保偏光纤相连接，当然通过其他光学方式将光学器件连接起来也称为光学连接。

参照图1所示，本申请实施方式中提供的一种量子密钥分发系可以包括发射机和接收机，发射机可以包括：光源、相位编码及偏振选择模块、强度调制器im、光可变衰减器att；接收机可以包括：第二不等臂干涉仪、第一光电探测器d1；光源、相位编码及偏振选择模块、强度调制器im以及光可变衰减器att依次串联，第二不等臂干涉仪与第一光电探测器d1依次串联，具体地，相位编码及偏振选择模块的输入端与光源的输出端光学连接，相位编码及偏振选择模块的输出端与强度调制器im的输入端光学连接，光可变衰减器att的输入端与强度调制器im的输出端光学连接，第二不等臂干涉仪的输出端与第一光电探测器d1的输入端光学连接。第二不等臂干涉仪包括长臂、短臂、第二偏振分束器pbs2和第二分束器bs2，第二不等臂干涉仪的输入端连接第二偏振分束器pbs2，第二不等臂干涉仪的输出端连接第二分束器bs2。相位编码及偏振选择模块包括一个具有长臂和短臂的不等臂干涉仪，相位编码及偏振选择模块中不等臂干涉仪的臂长差与第二不等臂干涉仪的臂长差相同。光源产生的一束光脉冲输入到相位编码及偏振选择模块中的不等臂干涉仪后一束光脉冲变成两束子光脉冲，经过相位编码及偏振选择模块中不等臂干涉仪长臂的光脉冲经过第二不等臂干涉仪的短臂，经过相位编码及偏振选择模块中不等臂干涉仪短臂的光脉冲经过第二不等臂干涉仪的长臂。

光源可以采用传统的单激光器，用于产生相位随机的光脉冲，但是本领域技术人员能够认识到，任何能够满足编码需求的光源均可以被使用，例如可以采用斩波式光源(激光器、强度调制器、相位调制器依次串联组成斩波式光源)，也可以采用脉冲注入锁定激光器等其他激光器的结构，此外，还可以采用具有内调制功能的光源例如电吸收调制激光器，内调制光源发出的光脉冲强度已经进行了部分强度调制，可以取消实施例中的强度调制器im，也可以不取消强度调制器im，以便两者结合调制光脉冲强度。

在发射机的一种可行实施例中，参照图1所示，相位编码及偏振选择模块中的不等臂干涉仪为第一不等臂干涉仪，第一不等臂干涉仪包括一个第一分束器bs1和一个第一偏振分束器pbs1，第一不等臂干涉仪的输入端连接第一分束器bs1，第一不等臂干涉仪的输出端连接第一偏振分束器pbs1；第二不等臂干涉仪包括一个第二偏振分束器pbs2和一个第二分束器bs2，第二不等臂干涉仪的输入端连接第二偏振分束器pbs2，第二不等臂干涉仪的输出端连接第二分束器bs2；第一不等臂干涉仪中长臂和短臂的臂长差与第二不等臂干涉仪中长臂和短臂的臂长差相同。

第一不等臂干涉仪的输出端与强度调制器im的输入端光学连接。第一不等臂干涉仪中的第一分束器bs1用于将光源发出的光脉冲分为两束第一子光脉冲并通过不同光路输出，且第一分束器bs1将光脉冲分为两束能量相等的第一子光脉冲。在该示例性实施例中，第一分束器bs1的分束比为1:1(实际上可在1:1附近微调)。具体如图1所示，该分束器bs1包括三个端口，一个用于接收光源输出的光脉冲，另两个为输出端口，分别将分束得到的两束第一子光脉冲输出到不同光路上。第一不等臂干涉仪中的第一偏振分束器pbs1也包括三个端口，两个输入端口分别连接于第一不等臂干涉仪中的两路光路上，一个输出端口与强度调制器im的输入端光学连接；光源发出的线性偏振的光脉冲经过第一分束器bs1分束形成两路偏振信息相同的第一子光脉冲并经由不同光路到达第一偏振分束器pbs1的两个输入端口，两路子光脉冲经过第一偏振分束器pbs1的透射和反射进行合路，并得到两束偏振互相垂直的光脉冲并从第一偏振分束器pbs1的输出端口输出。

发射机中强度调制器im的输出端与光可变衰减器att的输入端光学连接，实施例中将强度调制器im设置在合路后的光路上，将合路后的光脉冲发送给强度调制器im进行强度调制，此时，经强度调制器im调制后的光脉冲发送给光可变衰减器att。

发射机中的光可变衰减器att将整体信号强度减小至每个脉冲的最优平均光子数以实现量子态的制备，即在编码之后，每个脉冲的平均光子数由光可变衰减器att设置，在此之后，经由量子信道发送至接收机。

接收机中第二不等臂干涉仪的输出端与第一光电探测器d1的输入端光学连接。第二不等臂干涉仪中的第二偏振分束器pbs2用于将接收到的合为一路的两束第一子光脉冲分为两路第二子光脉冲并通过不同光路输出，该实施例中第二偏振分束器pbs2设有三个端口，其中一个为输入端口，另外两个为输出端口分并将接收到的光脉冲分为两路后输出；第二分束器bs2用于将第二偏振分束器pbs2分出的两路第二子光脉冲合束以发生全部干涉，并将干涉结果输出，干涉结果指两路第二子光脉冲的相位差(相应的第一子光脉冲的相位差)为0或π时干涉的结果。参照图1所示，该实施例中第二分束器bs2的分束比为1:1，设有三个端口，其中两个为输入端口，另一个为输出端口，输出全部干涉结果。

接收机接到的光脉冲为两束偏振态相互垂直的第一子光脉冲，第二不等臂干涉仪中的第二偏振分束器pbs2根据偏振态对接收到的光脉冲进行透射和反射，进而使两束第一子光脉冲分开并分别在不同的光路中传输即得到两路第二子光脉冲(两路第二子光脉冲分别对应于两束第一子光脉冲)，第一不等臂干涉仪与第二不等臂干涉仪的臂长差相同即光路差相同，经过第一不等臂干涉仪长臂的光脉冲通过第二不等臂干涉仪的短臂，经过第一不等臂干涉仪短臂的光脉冲通过第二不等臂干涉仪的长臂，进而能够在第二分束器bs2处干涉，且为完全干涉，因此，减少了接收机的插损，即消除了相位基矢接收端非干涉部分存在的3db固有损耗。

接收机中第一光电探测器d1用于对第二分束器bs2输出的干涉结果进行测量。在该示例性实施例中，参照图1所示，仅设有一个光电探测器对全部的输出结果进行强度测量，配合第二不等臂干涉仪实现路径解码，第一光电探测器d1既进行时间基矢测量也进行相位基矢测量。在一种可行的实施例中，第二分束器bs2也可以包括两个输出端口，一个输出端口连接于第一光电探测器d1，另一个输出端口连接于另一个光电探测器，此时，与第二分束器bs2两个输出端口连接的上述两个光电探测器既可以进行时间基矢测量也可以进行相位基矢测量，以提高接收机的测量效率及测量性能。

在接收机的一种可行实施例中，参照图2中的2b部分所示，在图1接收机实施例的基础上，接收机还包括第三分束器bs3和第二光电探测器d2。第三分束器bs3的分束比为1:1，设有一个输入端口和两个输出端口，其中的一个输出端口连接于第二不等臂干涉仪中第二偏振分束器pbs2的输入端口，另一个输出端口连接于第二光电探测器d2。第二光电探测器d2可以进行时间基矢测量，实现另一路径解码，以提高接收机的测量效率及测量性能，由于第二光电探测器d2这一路不存在相位基矢测量，因此不会增加接收机固有损耗。

在接收机的另一种可行实施例中，参照图2中的2a部分所示，在图1接收机实施例的基础上，接收机还包括第三分束器bs3、第三偏振分束器pbs3、第二光电探测器d2以及第三光电探测器d3；第三分束器bs3的分束比为1:1，设有一个输入端口和两个输出端口，其中的一个输出端口连接于第二不等臂干涉仪中第二偏振分束器pbs2的输入端口，另一个输出端口连接于第三偏振分束器pbs3的输入端口；第三偏振分束器pbs3的一个输出端口连接于所述第二光电探测器d2，第三偏振分束器pbs3的另一个输出端口连接于第三光电探测器d3。第二光电探测器d2和第三光电探测器d3可以进行时间基矢测量，实现又一路径解码，以提高测量效率和测量性能。

在接收机的又一种可行的实施例中，参照图3所示，接收机还包括第三分束器bs3、第三偏振分束器pbs3、第二光电探测器d2、第三光电探测器d3以及第四光电探测器d4，第三分束器bs3的分束比为1:1，设有一个输入端口和两个输出端口，其中的一个输出端口连接于第二不等臂干涉仪中第二偏振分束器pbs2的输入端口，另一个输出端口连接于第三偏振分束器pbs3的输入端口；第三偏振分束器pbs3的一个输出端口连接于所述第二光电探测器d2，第三偏振分束器pbs3的另一个输出端口连接于第三光电探测器d3，此时，第二分束器bs2具有四个端口，两个输入端口和两个输出端口，其中，第二分束器bs2的一个输出端口连接于第一光电探测器d1，另一个输出端口连接于第四光电探测器d4。第二光电探测器d2和第三光电探测器d3可以进行时间基矢测量，第一光电探测器d1和第四光电探测器d4可以进行时间基矢测量和相位基矢测量，实现又一路径解码，以提高测量性能。

在一种可行的实施例中，参照图4中的4a部分、4b部分以及4c部分所示，接收机还包括电控偏振控制器epc，电控偏振控制器epc连接于第三分束器bs3的输出端口与第二不等臂干涉仪的输入端口之间，电控偏振控制器epc能够对光脉冲在传输过程中可能会出现的偏振变化进行补偿，提高最终成码率。由于电控偏振控制器epc本身会引入一部分插损，如图4中的4a部分、4b部分以及4c部分所示，将电控偏振控制器epc设置于第三分束器bs3与第二不等臂干涉仪之间，第二光电探测器d2和/或第三光电探测器d3的测量不受影响，由此可以实现时间基矢下的无损解码。

在另一种可行的实施例中，参照图5中的5a部分、5b部分以及5c部分所示，电控偏振控制器epc当然也可以直接连接于接收机的输入端。

还可以将电控偏振控制器epc设置于发射机中，参照图6所示，电控偏振控制器epc连接于所述发射机的输出端。

在发射机的另一种可行实施例中，参照图7所示，将第一不等臂干涉仪换成第三不等臂干涉仪，第三不等臂干涉仪相当于将第一不等臂干涉仪中的第一偏振分束器pbs1换成第四分束器bs4，同时在第三不等臂干涉仪与强度调制器im之间增加一个偏振调制器polm，即相位编码及偏振选择模块由第三不等臂干涉仪与偏振调制器polm串联组成。第三不等臂干涉仪包括一个第一分束器bs1和一个第四分束器bs4，第三不等臂干涉仪的输入端连接第一分束器bs1，第三不等臂干涉仪的输出端连接第四分束器bs4，第三不等臂干涉仪的臂长差与第二不等臂干涉仪的臂长差相同。第四分束器bs4的分束比为1:1，设有两个输入端口和一个输出端口，其中输出端口与偏振调制器polm的输入端光学连接；偏振调制器polm的输出端与强度调制器im的输入端光学连接。偏振调制器polm是使光的偏振状态按一定规律变化的光调制器，如图7所示，偏振调制器polm与第三不等臂干涉仪中的第四分束器bs4结合所起的作用与图1所示实施例中的第一偏振分束器pbs1所起的作用相同，即两路子光脉冲经过第四分束器bs4的透射和反射进行合路，然后经过偏振调制器polm得到两束偏振互相垂直的光脉冲，并从偏振调制器polm的输出端口输出。此外，由于偏振调制器polm也能起到对光脉冲在传输过程中可能会出现的偏振变化进行补偿的作用，因此在增加偏振调制器polm的同时可以取消电控偏振控制器epc以降低成本。

在发射机的又一种可行实施例中，参照图8所示，可以将光可变衰减器att移到第一不等臂干涉仪的两臂中，即发射机中包括两个光可变衰减器att，相位编码及偏振选择模块中不等臂干涉仪的长臂上包含一个光可变衰减器att，相位编码及偏振选择模块中不等臂干涉仪的短臂上包含另一个光可变衰减器att，可以直接在不等臂干涉仪中实现量子态制备，可以缩小系统体积。

具体地，参照图1所示实施例，量子密钥分发系统的实施方案如下：

光源产生相位随机的光脉冲。

光源产生的一束光脉冲通过相位编码及偏振选择模块变成两束正交偏振的第一子光脉冲。经由第一分束器bs1分为两束第一子光脉冲分别通过相位编码及偏振选择模块中不等臂干涉仪的长臂和短臂，使二者之间的相位差为0或π即完成相位编码。

通过强度调制器单独地改变相位编码及偏振选择模块中不等臂干涉仪产生的两束第一子光脉冲的强度来编码所述两束光脉冲，进行时间编码和诱骗态制备，实现三态编码即两种时间态和一种相位态；强度调制器通过对两束第一子光脉冲的任意一个进行消光，达到选择前后两个时间窗口的目的，从而实现时间编码，共得到两种时间编码状态。强度调制器通过改变两束第一子光脉冲中的强度，实现诱骗态制备。经过强度调制器的调制后，可以得到两种时间态和一种相位态的信号态即所谓的三态编码。

通过光可变衰减器将所述强度调制器输出的整体信号强度减至每个脉冲的最优光子数，即达到单光子状态以实现量子态制备。

通过含有第二偏振分束器的第二不等臂干涉仪后光脉冲完全干涉；通过第二偏振分束器将含有正交线偏振光的单一输出分别耦合到两条光路输出，相位编码及偏振选择模块中不等臂干涉仪与第二不等臂干涉仪的臂长差相同，经过相位编码及偏振选择模块中不等臂干涉仪长臂的光脉冲通过第二不等臂干涉仪的短臂，经过相位编码及偏振选择模块中不等臂干涉仪短臂的光脉冲通过第二不等臂干涉仪的长臂，光脉冲经过第二分束器后全部干涉。

通过第一光电探测器进行光信号探测。

本领域技术人员能够认识到，本申请提供的量子密钥分发系统同样适用于简化的bb84协议(simplifiedbb84protocal)，包括但不限于基于三态协议、变种三态协议(thevariantofthree-stateprotocal)、简化的bb84协议的编码、解码方案。

需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的和区别类似的对象，两者之间并不存在先后顺序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本申请进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本申请的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本申请精神和范围的情况下，可以对本申请技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本申请的范围内。本申请的保护范围以所附权利要求为准。