一种稳定的双场量子密钥分发系统的制作方法

1.本实用新型涉及量子保密通信领域，尤其涉及一种稳定的双场量子密钥分发系统。


背景技术：

2.理想bb84qkd协议的安全性基于一些基本假设，若现实设备不能够完美的满足这些假设就会产生安全漏洞。例如，理想的bb84qkd协议使用单光子源，利用单光子不可克隆原理保证通信安全，然而，真正的单光子源现实中还无法实现。2005年提出的诱骗态量子密钥分发(qkd)协议使用弱相干光源代替单光子源，可解决现实设备光源端不完美问题。探测系统是qkd实现中最脆弱的部分，众多攻击都是针对探测器端设备的安全漏洞实施的攻击，包括典型的强光致盲攻击、时移攻击等。为抵抗探测器端攻击，除了使用安全补丁方法、将设备参数模型化后包含在安全性证明中，还有一种方法是采用测量设备无关类qkd(mdi-qkd)。最早于2012年由h-klo小组提出基于纠缠交换技术和时间反演epr方案的测量设备无关量子密钥分发协议(原始mdi-qkd协议)，可消除所有的探测器端侧信道，进一步地在2018年，东芝欧洲研究中心a.j.shields研究团队提出双场量子密钥分发协议(tf-qkd协议)，该协议继承了mdi-qkd的测量设备无关的安全性并具有更远的安全距离，引起了国内外广泛关注。
3.tf-qkd协议不同于原始的mdi-qkd协议，主要技术难点在于如何实现两个独立的激光源的高对比度干涉，同时，还需要对全局相位差进行快速监测，无相位后选择的qkd(npp-qkd)还需要进一步进行快速相位反馈补偿。这里的全局相位差对应光程差的控制要求在亚波长量级，而相位差的贡献除了alice、bob的光源本身频率和波长差异导致的差异，还包括量子光传输信道中引入的相位扰动，该扰动在10rad/ms量级，变化非常剧烈，需要快速监测。
4.现有技术通常存在两类快速监测信道相位扰动的方法：一是对信号光进行快速的时分复用，将其中一部分光作为相位参考光，用于监测和估计光纤的相对相位快速漂移；二是采用不同波长的参考光进行波分复用，通过监测参考光的相位扰动来体现信号光的相位扰动，此时，可以通过提高参考光功率来支持更高的相位扰动监测的精度和远距离程度。
5.在现有采用波分复用技术快速监测信道相位扰动的方案中，在charlie端将锁频光l1(波长λ1)和相位参考光l2(波长λ2)进行波分复用，以共用同一光纤信道发给alice(通过分束器另一束发给bob)。l1和l2在alice(bob)端解波分复用，并利用l1对alice(bob)本地的l1a(l1b)信号光进行锁频锁相，因此信号光l1a(l1b)将在相位上与l1形成关联。在发送端，再将l2和l1a(l1b)进行波分复用，以共用同一光纤发给charlie端。charlie端对信号光和参考光都进行干涉，干涉后通过解波分复用分出参考光的干涉信号给d2探测器，分出信号光的干涉信号给d0、d1探测器。
6.然后，这种方案需要实现波长不同的信号光和参考光的偏振一致性耦合及偏振补偿。图1a-1b示出了现有技术中的一种用于实现偏振一致性耦合及偏振补偿的光路结构。如
图1a所示，发送端的l1a(波长λ1)通过第一个epc调节偏振，以便和l2(波长λ2)耦合在一起后偏振一致，实现偏振一致性耦合；之后，再经过发送端的第二个epc实现偏振预补偿。此时，如图1b所示，接收端则在两臂(分别对应alice和bob过来的光)各放置一个偏振分束器pbs，pbs的反射端耦合在一起进入dp探测器，该探测器的计数会通过经典网络交替发给alice和bob进行交替的偏振反馈以控制alice和bob的第二个epc，完成偏振补偿。
7.在例如图1a-1b所示的这种实现结构中，发送端的偏振一致性耦合和偏振补偿光路复杂，成本较高，实现困难，且稳定性较差需要配合人工标校。具体地，发送端有两个epc，且需要配备2个epc的高压控制电路，增加了电子学复杂度和发送端成本；且发送端在受到温度、振动等环境变化影响时，其内部的l1a或l2的偏振状态还会发生变化，导致l1a和l2耦合在一起的偏振并不完全一致，最终会使得接收端的两个光信号的偏振状态也不一致，则基于dp探测器的偏振反馈方案不能同时将两种波长的偏振态同时反馈到一致状态(如都为最大偏振消光比的状态)。因此，在受环境扰动影响时该方案还需结合人工标校，不利于进行工业化生产和设备自动化运行。
8.除此之外，在现有技术中，l1和l2在charlie端进行波分复用，然后共用同一光纤信道发给alice，但到alice之后未进行偏振补偿，会使得系统性能不稳定。一方面，该光纤信道的偏振扰动会导致l2的偏振发生变化，导致类似上述的结果：l1和l2耦合在一起的偏振并不完全一致，最终会使得接收端的两个光信号的偏振状态也不一致；另一方面，l1的偏振也发生变化，导致后续锁频(0pll)的锁频效果发生变化，最差情况是当偏振变化太大时opll可能完全失锁。


技术实现要素：

9.由此可见，现有技术中至少存在以下两个问题：一是偏振一致性耦合方案光路复杂，成本较高，实现困难，且稳定性较差需要配合人工标校；二是锁频光的偏振态不稳定，导致锁频效果不稳定。为此，本实用新型公开了一种稳定的双场量子密钥分发系统，用于解决上述技术问题中的至少一个。
10.具体而言，根据本实用新型的双场量子密钥分发系统可以包括第一发送端、第二发送端和接收端；
11.所述接收端包括具有第一波长的锁频参考光源、具有第二波长的相位参考光源和测量模块；
12.所述发送端包括信号光源和量子态制备模块，其中，所述信号光源用于利用锁频参考光以锁频方式生成光信号，所述量子态制备模块用于利用所述光信号制备量子光信号；
13.其特征在于：
14.所述接收端还包括第一分束器和保偏的第一波分复用器；
15.所述第一波分复用器具有分别连接所述锁频参考光源和相位参考光源的第一波长端和第二波长端，用于保偏地将锁频参考光和相位参考光波分耦合形成参考合束光，并通过公共端输出给所述第一分束器；
16.所述第一分束器用于将所述参考合束光分成两个参考合束光分量，并分别通过第一单模光纤信道发送给所述第一和第二发送端；
17.所述发送端还包括偏振一致性耦合模块，其具有保偏的第二波分复用器和保偏的第三波分复用器；
18.所述第二波分复用器具有公共端、第一波长端和第二波长端，用于所述参考合束光分量的解复用，其中，所述公共端用于接收所述参考合束光分量，所述第一波长端保偏连接所述信号光源，所述第二波长端保偏连接所述第三波分复用器的第二波长端；
19.所述第三波分复用器具有公共端、第一波长端和第二波长端，用于保偏地将所述量子光信号和相位参考光波分耦合形成信号合束光，其中，所述第一波长端保偏连接所述量子态制备模块，所述公共端通过第二单模光纤信道连接所述接收端；
20.所述测量模块包括保偏的第二分束器，其具有第一和第二输入端以及第一和第二输出端，用于允许所述第一和第二发送端的信号合束光发生干涉以生成干涉信号，其中，所述第一和第二输入端分别用于接收所述第一和第二发送端的信号合束光，所述第一和第二输出端分别用于输出所述干涉信号；
21.所述第二分束器的第一输出端连接一个波分复用器的公共端，且所述波分复用器的第一波长端和第二波长端分别连接有光电探测器；
22.所述第二分束器的第二输出端连接另一波分复用器的公共端，且所述波分复用器的第一波长端连接有光电探测器。
23.进一步地，所述第一和第二发送端中的至少一个还包括偏振监测补偿模块，其设在所述偏振一致性耦合模块之前，用于对所述参考合束光进行偏振态补偿并保偏地输出。其中，所述偏振监测补偿模块包括偏振控制器、偏振分束器和光电探测器。
24.进一步地，本发明的双场量子密钥分发系统在所述测量模块之前还设置有两个偏振监测补偿模块，分别用于对来自所述第一和第二发送端的信号合束光进行偏振态补偿。
25.更进一步地，所述两个偏振监测补偿模块中的第一个包括偏振控制器、偏振分束器和光电探测器，其中，所述偏振控制器设置在所述第一发送端或接收端，所述偏振分束器和光电探测器设置在所述接收端；
26.所述两个偏振监测补偿模块中的第二个包括偏振控制器、偏振分束器和光电探测器，其中，所述偏振控制器设置在所述第二发送端或接收端，所述偏振分束器和光电探测器设置在所述接收端。
27.可选地，所述两个偏振监测补偿模块通过分束器复用光电探测器；以及/或者，所述偏振控制器为电控偏振控制器。
28.进一步地，所述接收端还包括设于所述测量模块之前的慢速相位补偿模块和快速相位补偿模块；
29.所述慢速相位补偿模块被设置用于补偿所述信号合束光中量子光信号与相位参考光之间的相位扰动；
30.所述快速相位补偿模块被设置用于补偿所述第一和第二发送端的信号合束光之间的相位扰动。
31.更进一步地，所述慢速相位补偿模块包括保偏的第五波分复用器和保偏的第六波分复用器，所述快速相位补偿模块包括相位调制器；并且，
32.所述第五波分复用器和第六波分复用器均具有公共端、第一波长端和第二波长端；
33.所述第五波分复用器的公共端用于接收所述信号合束光，所述第五波分复用器的第一波长端通过第一臂连接所述第六波分复用器的第一波长端，所述第五波分复用器的第二波长端通过第二臂连接所述第六波分复用器的第二波长端，且所述第一和第二臂中的至少一个上设置有相移器。
34.可选地，所述信号光源基于注入锁定、光学锁相环或时频传输，利用所述锁频参考光生成所述光信号。
35.进一步地，所述量子态制备模块包括相位调制器、强度调制器和光衰减器。
36.可选地，所述第一发送端和第二发送端的总数量为n个，n为大于1的正整数；并且，所述接收端还设置有支持2：n端口的光开关，用于允许选择接入的第一发送端和/或第二发送端。
附图说明
37.下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明。
38.为了更清楚地说明本实用新型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使用的附图作简单地介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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，还可以根据这些附图来获得其他的附图。
39.图1a-1b示出了现有技术中用于双场量子密钥分发系统的偏振一致性耦合及偏振补偿结构的一种示例；
40.图2示出了根据本实用新型的稳定的双场量子密钥分发系统的一种示例；
41.图3示出了根据本实用新型的偏振监测补偿模块的一种示例；
42.图4示出了根据本实用新型的偏振一致性耦合模块的一种示例。
具体实施方式
43.在下文中，本实用新型的示例性实施例将参照附图来详细描述。下面的实施例以举例的方式提供，以便充分传达本实用新型的精神给本实用新型所属领域的技术人员。因此，本实用新型不限于本文公开的实施例。
44.图2示出了根据本实用新型的稳定的双场量子密钥分发系统的一种示例。
45.双场量子密钥分发系统可以包括第一发送端、第二发送端和接收端。
46.接收端可以包括锁频参考光源、相位参考光源、保偏的第一波分复用器(wdm)和第一分束器。
47.锁频参考光源具有第一波长，用于生成锁频参考光。
48.相位参考光源具有第二波长，用于生成相位参考光，其中，第一波长不同于第二波长。
49.第一波分复用器具有公共端、第一波长端和第二波长端。其中，第一波长端连接锁频参考光源，第二波长端连接相位参考光源，因此允许锁频参考光和相位参考光输入第一波分复用器中，以保偏的方式进行波分复用，并通过公共端输出参考合束光。
50.第一波分复用器的公共端例如可以通过单模或保偏光纤连接第一分束器，因此，可以通过第一分束器将参考合束光分成两个参考合束光分量。其中，第一分束器的一个输
出端通过第一单模光纤信道连接第一发送端，以允许将一个参考合束光分量发送给第一发送端；第一分束器的另一个输出端通过另一第一单模光纤信道连接第二发送端，以允许将另一个参考合束光分量发送给第二发送端。
51.如前所述，当参考合束光分量经例如第一单模光纤信道到达发送端时，其偏振态可能会发生变化。因此，在第一(第二)发送端中，可以设置偏振监测补偿模块，用于对到达发送端的这种偏振态不稳定的参考合束光分量进行偏振反馈补偿，使其具有预设的偏振态，从而输出偏振态稳定的参考合束光分量，其中，偏振监测补偿模块采用保偏输出方式。
52.图3示出了根据本实用新型的偏振监测补偿模块的一种示例。
53.如图3所示，偏振监测补偿模块可以包括偏振控制器、偏振分束器和光电探测器。
54.偏振控制器用于对参考合束光分量进行偏振补偿。例如，偏振控制器可以为电动偏振控制器(epc)。
55.偏振分束器和光电探测器构成偏振监测部分，其中，偏振分束器用于对经偏振补偿的参考合束光分量进行分光，因此，可以借助光电探测器对其中一路分光进行探测，获取参考合束光分量的偏振态，即获取关于预设偏振态的偏振偏差信息，从而允许根据该偏振偏差信息生成反馈控制信号，提供给偏振控制器，最终完成偏振闭环反馈控制。
56.继续参见图2，偏振监测补偿模块将具有稳定偏振态的参考合束光分量保偏输出给偏振一致性耦合模块，其用于将来自接收端的相位参考光和发送端中生成的量子光信号，在相同的偏振态下波分耦合形成信号合束光。
57.图4示出了根据本实用新型的偏振一致性耦合模块的一种示例。
58.如图4所示，偏振一致性耦合模块可以包括保偏的第二波分复用器和保偏的第三波分复用器。
59.第二和第三波分复用器同样可以具有公共端、第一波长端和第二波长端。
60.在第二波分复用器中，公共端作为偏振一致性耦合模块的双波长输入端1，用于接收(例如由偏振监测补偿模块保偏输出的)参考合束光分量，因此，允许将参考合束光分量中的锁频参考光和相位参考光进行解复用，并由第一波长端(其作为偏振一致性耦合模块的单波长输出端2)保偏输出锁频参考光，由第二波长端保偏输出相位参考光。
61.锁频参考光经第一波长端以保偏的方式输出后，将沿信道进入信号光源。信号光源利用例如(但不限于)注入锁定技术、光学锁相环opll技术、时频传输技术等，将其频率锁定在锁频参考光的第一波长上，从而输出其频率稳定在第一波长上的光信号。至此，本领域技术人员能够理解，通过事先利用偏振监测补偿模块对参考合束光分量进行偏振态补偿，使得到达第二波分复用器(即，偏振一致性耦合模块)的参考合束光分量具有稳定的偏振态，因此，经第二波分复用器解复用作用输出的锁频参考光和相位参考光可以具有稳定的光强。由于用于信号光源的锁频过程的锁频参考光具有稳定光强，因此其锁频效果也得以稳定，由此可以允许信号光源稳定地输出光信号，其将由量子态制备模块制备生成量子光信号，该量子光信号具有与锁频参考光一致的波长。
62.在第三波分复用器中，第一波长端(其作为偏振一致性耦合模块的单波长输入端3)以保偏的方式连接量子态制备模块，以接收量子光信号，第二波长端以保偏的方式连接第二波分复用器的第二波长端，以接收解复用的相位参考光，因此，允许以保偏的方式将量子光信号和相位参考光进行波分复用，并经公共端(其作为偏振一致性耦合模块的双波长
输出端4)向外输出信号合束光。如前所述，由于偏振监测补偿模块的设置，解复用的相位参考光也将具有稳定的光强，这有利于输出稳定的信号合束光。
63.综上可知，通过在接收端中设置保偏的第一波分复用器将相位参考光和锁频参考光以偏振一致的方式进行波分耦合形成参考合束光，同时在发送端设置由两个保偏的波分复用器构成的偏振一致性耦合模块，可以允许在无需epc参与和人工干预的情况下，仅借助光学器件本身固有的光学特性，在发送端实现量子光信号和相位参考光的偏振一致性耦合，这种偏振一致性的实现不会受到发送端温度、振动等环境影响，实现上更为稳定，且无需复杂控制，能够有效减低系统成本、提高系统集成度和稳定性。此外，采用epc实现偏振一致性耦合的现有方案只能实现量子光信号这一路上的偏振稳定，不能反馈稳定相位参考光这一路，其偏振反馈控制效果有限，而在本实用新型中，可以同时实现相位参考光的偏振态稳定效果，由此有效保证整个发送端光路的偏振稳定性。
64.作为示例，量子态制备模块可以包括相位调制单元、幅度调制单元和光衰减单元。
65.继续参见图2，由偏振一致性耦合模块输出的信号合束光可以借助第二单模光纤信道，传输至接收端。
66.类似地，信号合束光经例如第二单模光纤信道到达接收端时，其偏振态同样可能会发生变化。因此，还可以设置两个偏振监测补偿模块，分别用于对从第一和第二发送端到达接收端的两路信号合束光(其具有不稳定的偏振态)进行偏振反馈补偿，使其具有预设的偏振态，确保用于测量模块的信号合束光具有稳定的偏振态。
67.用于信号合束光的偏振监测补偿模块可以采用与发送端的偏振监测补偿模块相同的结构，因此在此不再赘述。需要说明的是，在用于信号合束光的偏振监测补偿模块中，用于偏振补偿的偏振控制器既可以设置在发送端中，也可以设置在接收端中(如图3所示)，用于偏振监测的偏振分束器和光电探测器可以设置在接收端。
68.在一种可选的示例中，用于信号合束光的这两个偏振监测补偿模块可以借助分束器共用一个光电探测器，以提高系统的集成度。其中，分束器可以被设置在光电探测器之前，将分别来自第一和第二发送端的信号合束光的分光耦合成一路，以允许借助一个光电探测器实现对两路信号合束光的探测。
69.进一步地，接收端还可以包括用于补偿同一信号合束光中量子光信号与相位参考光之间慢速相位扰动的慢速相位补偿模块，以及用于补偿分别来自第一和第二发送端的两路信号合束光之间快速相位扰动的快速相位补偿模块。
70.作为示例，快速相位补偿模块可以包括相位调制器。尽管在图2的示例中，仅在一路信号合束光(来自第二发送端的信号合束光)上设置有快速相位补偿模块，以实现对快速相位扰动的补偿，但是本领域技术人员容易理解，也可以在另一路信号合束光或者在两路信号合束光上设置快速相位补偿模块。
71.作为示例，慢速相位补偿模块可以包括保偏的第五波分复用器和保偏的第六波分复用器，两者同样均具有公共端、第一波长端和第二波长端。
72.第五和第六波分复用器的第一波长端之间通过第一臂连接，第五和第六波分复用器的第二波长端之间通过第二臂连接。
73.第五波分复用器的公共端被设置成接收信号合束光，因此允许将信号合束光进行波分解复用，并分别通过第一和第二波长端输出量子光信号和相位参考光，以使它们分别
沿第一和第二臂朝向第六波分复用器传输。
74.可以在第一和第二臂中的至少一个上设置相移器，以在量子光信号和相位参考光之间进行相位补偿。
75.量子光信号和相位参考光分别从第一和第二波长端进入第六波分复用器，并以保偏的方式发生波分耦合，再次形成信号合束光。此时，借助相移器的作用，信号合束光中量子光信号和相位参考光之间的慢速相位扰动已经得到了补偿。尽管在图2的示例中，仅在一路信号合束光(来自第一发送端的信号合束光)上设置有慢速相位补偿模块，但是本领域技术人员容易理解，也可以在另一路信号合束光或者在两路信号合束光上设置慢速相位补偿模块。
76.继续参见图2，经偏振监测补偿模块、慢速相位补偿模块或快速相位补偿模块作用后的两路信号合束光最终将进入测量模块，发生干涉作用以产生干涉信号，并实现对干涉信号的检测。
77.如图2所示，测量模块可以包括保偏的第二分束器，其具有第一和第二输入端，以及第一和第二输出端。
78.第一和第二输入端分别用于接收两路信号合束光，因此允许这两路信号合束光发生干涉以生成干涉信号，干涉信号将分别经由第一和第二输出端输出，进入第一检测光路和第二检测光路。本领域技术人员能够理解，此时的干涉信号包括量子光信号的干涉信号，以及相位参考光的干涉信号。
79.第一检测光路上设置有第四波分复用器，用于将干涉信号中具有第一波长的部分和具有第二波长的部分分开，以允许分别对量子光信号的干涉信号和相位参考光的干涉信号进行检测。
80.第四波分复用器同样可以具有公共端、第一波长端和第二波分端。其中，公共端可以连接第二分束器的第一输出端，第一波长端连接第一光电探测器，以允许对量子光信号的干涉信号进行检测，第二波长端连接第二光电探测器，以允许对相位参考光的干涉信号进行检测。
81.第二检测光路上也设置有一个第四波分复用器，其公共端连接第二分束器的第二输出端，且第一波长端连接第三光电探测器，以允许对量子光信号的干涉信号进行检测。
82.因此，可以利用相位参考光的干涉信号的检测结果，进行快速相位补偿模块的反馈控制；利用量子光信号的干涉信号的检测结果的一部分进行慢速相位补偿模块的反馈控制，利用另一部分进行量子密钥的生成。
83.进一步地，双场量子密钥分发系统可以包括n(n＞1)个用作发送端的用户端。因此，可以通过控制支持2：n端口的光开关，在n个用户端中切换2个用户端与接收端形成连接。
84.综上可知，在本实用新型中，通过接收端设置保偏的波分复用器将锁频参考光和相位参考光波分耦合在一起，同时在发送端设置由两个保偏的波分复用器形成的偏振一致性耦合模块，可以允许在不借助epc及人工干预的情况下，依靠光学器件本身的特性实现量子光信号和相位参考光的偏振一致性耦合，从而使系统光路及控制过程均得到简化，同时增强系统的稳定性，易于集成化设计。此外，还通过在偏振一致性耦合模块之前设置偏振监测补偿模块，可以保证用于信号光源的锁频参考光和用于偏振一致性耦合的相位参考光的
光强稳定，有利于实现稳定的锁频效果，以及接收端中快速相位补偿的实现及量子密钥的生成。
85.尽管前面结合附图通过具体实施例对本实用新型进行了说明，但是，本领域技术人员容易认识到，上述实施例仅仅是示例性的，用于说明本实用新型的原理，其并不会对本实用新型的范围造成限制，本领域技术人员可以对上述实施例进行各种组合、修改和等同替换，而不脱离本实用新型的精神和范围。