双边带干涉的相位编码量子密钥分发系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于通信领域，涉及量子保密通信技术，具体是一种利用单光子相位编码的量子密钥分发系统，通过对激光调制产生单光子边带，通信双方利用相位的差异实现单光子边带的干涉，从而实现双边带干涉的相位编码量子密钥分发的方法。
【背景技术】
[0002]基于相位编码的量子密钥分发是在单光子的相位维度上加载信息。相位编码密钥分发的基本装置是马赫-曾德尔干涉仪，发送方、接收方各有一个相位调制器放置于干涉仪的一个臂上，发送方光脉冲被分为两束，经过两个臂时分别被两个调制器调制后到达接收方发生干涉，干涉结果携带相位信息，从而双方可以共享安全密钥。之后，发展了可实际使用的即插即用系统和差分相移系统等。即插即用系统利用法拉第镜使光脉冲在相同光纤中来回往返两次，有效补偿了偏振漂移，但是即插即用系统由于其往返传输的特性，导致成码效率为单向系统的一半。差分相移装置则是利用前后两个光脉冲来编码。这些装置由于效率低从而限制了其在实际保密通信网络中的应用。
【发明内容】
[0003]本发明为了解决已有相位编码量子密钥分发存在效率低的问题，提供了一种双通道复用的相位编码量子密钥分发系统及方法。
[0004]本发明是采用如下技术方案实现的:
一种双边带干涉的相位编码量子密钥分发方法，包括如下步骤:
发送方激光器发出单频脉冲光，利用调制器加载具有多个相位独立的射频调制信号，产生相应正负一阶调制边带，由数字移相器控制射频信号的相位实现单光子的相位编码，调节边带光强达到单光子量级，之后经过光纤传输后到达接收方。
[0005]接收方利用调制器加载同频的相位独立的射频调制信号，产生对应的正负一阶调制边带，由数字移相器控制射频信号的相位实现单光子的相位编码。那么发送与接收双方在边带位置的干涉结果由双方的相位差决定，当相位差为0°时，干涉相长的单光子存在于右边带；当相位差为180°时，干涉相长的单光子存在于左边带；当相位差为90°时，单光子分别以50%的概率随机地落在左边带或右边带，但最终只存在于一个边带。接收方利用窄带可调谐光栅选择边带并用单光子探测器分别进行探测，测到光子时通信双方把对应的相位信息按照约定转化为比特信息，即可共享安全密钥。
[0006]边带干涉结果只依赖于射频信号的相位，在实际中可通过数字移相器精确控制；而且基于复载波技术可以实现多边带同时分发密钥，不同用户可以利用不同的边带进行通信，成码效率成倍提高。尤其适用于短距离的城域网络，从而极大地提高了光纤网络的工作效率。
[0007]基于上述方法，提供了一种双边带干涉的相位编码量子密钥分发系统，包括发送方和接收方。
[0008]发送方包括第一 FPGA (可编程门阵列)，所述第一 FPGA的一输出端与DG645外触发端口连接，所述DG645的输出端口与第一强度调制器的控制端连接，所述第一强度调制器的输入端与信号光激光器的输出端连接。
[0009]所述第一 FPGA的二输出端与第一开关的控制端连接，所述第一开关的输入端与第一射频信号源的输出端连接，所述第一开关的两输出端分别与第一移相器的输入端和第二移相器的输入端连接，第一移相器的输出端和第二移相器的输出端通过第一合束器合在一起后与第一电衰减器连接。
[0010]所述第一 FPGA的三输出端与第二开关的控制端连接，所述第二开关的输入端与第二射频信号源的输出端连接，所述第二开关的两输出端分别与第三移相器的输入端和第四移相器的输入端连接，第三移相器的输出端和第四移相器的输出端通过第二合束器合在一起后与第二电衰减器连接。
[0011]第一电衰减器的输出端和第二电衰减器的输出端通过第三合束器连接到第二强度调制器的控制端；所述第二强度调制器的输入端与第一强度调制器的输出端连接，所述第二强度调制器的输出端与光衰减器的输入端连接。
[0012]所述第一 FPGA的四输出端与第三强度调制器的控制端连接；第三强度调制器的输入端与同步激光器的输出端连接；所述光衰减器的输出端和第三强度调制器的输出端与第一波分复用器的两输入端分别连接，所述第一波分复用器的输出端与光纤的输入端连接。
[0013]光纤的输出端与第二波分复用器的输入端连接，所述第二波分复用器的一输出端与偏振控制器的输入端连接；所述第二波分复用器的二输出端与光电探测器的输入端连接，所述光电探测器的输出端与放大器的输入端连接，所述放大器的输出端与第二 FPGA的一输入端、第一单光子探测器的触发端、第二单光子探测器的触发端和第三单光子探测器的触发端分别连接。
[0014]所述偏振控制器的输出端与相位调制器的输入端连接，所述相位调制器的输出端与第一环形器的一号端口连接，所述第一环形器的二号端口与第一光栅的输入端连接，所述第一光栅的输出端与第一单光子探测器的输入端连接；所述第一环形器的三号端口与第二环形器的一号端口连接，所述第二环形器的二号端口与第二光栅的输入端连接，所述第二光栅的输出端与第二单光子探测器的输入端连接；所述第二环形器的三号端口与第三环形器的一号端口连接，所述第三环形器的二号端口与第三光栅的输入端连接，所述第三光栅的输出端与第三单光子探测器的输入端连接。
[0015]第一单光子探测器的输出端、第二单光子探测器的输出端、第三单光子探测器的输出端分别与第二 FPGA的二输入端、三输入端、四输入端连接。
[0016]所述第二 FPGA的一输出端与第三开关的控制端连接，所述第三开关的输入端与第三射频信号源的输出端连接，所述第三开关的两输出端分别与第五移相器的输入端、第六移相器的输入端连接，第五移相器的输出端和第六移相器的输出端通过第四合束器合在一起后与第三电衰减器连接。
[0017]所述第二 FPGA的二输出端与第四开关的控制端连接，所述第四开关的输入端与第四射频信号源的输出端连接，所述第四开关的两输出端分别与第七移相器的输入端、第八移相器的输入端连接，第七移相器的输出端和第八移相器的输出端通过第五合束器合在一起后与第四电衰减器连接。
[0018]第三电衰减器的输出端和第四电衰减器的输出端通过第六合束器连接到相位调制器的控制端。
[0019]上述系统中总体上分为信号光路和同步光路。
[0020]信号光一路包括信号光激光器，信号光激光器输出激光依次经过第一强度调制器、第二强度调制器、光衰减器、第一波分复用器、光纤、第二波分复用器、偏振控制器、相位调制器、第一环形器、第一光栅、第一单光子探测器、第二环形器、第二光栅、第二单光子探测器、第三环形器、第三光栅和第三单光子探测器。
[0021]同步光一路包括同步光激光器，同步光激光器输出激光依次经过第三强度调制器、第一波分复用器、光纤、第二波分复用器、探测器、放大器。
[0022]工作时，信号光激光器输出单频线偏振的激光进入第一强度调制器，第一 FPGA触发DG645产生数字信号，使得第一强度调制器把连续信号光斩成窄脉冲光，同时第一 FPGA控制第一开关和第二开关，例如，使得2.6GHz,6.0GHz的两个射频信号各自经过两组移相器中的一路，实现随机移相，最终这两个射频信号经过衰减器和合束器加载到第二强度调制器，第二强度调制器对信号光进行调制同时产生+/-2.6GHz、+/-6.0GHz的四个调制边带，之后经过衰减器边带光强衰减到单光子量级，与第一 FPGA触发第三强度调制器生成的同步光脉冲经过第一波分复用器合在一起进入光纤。光脉冲经过光纤后到达第二波分复用器，分两个通道输出，同步光脉冲首先进入光电探测器转化为电信号，之后被放大器放大后，分别触发第二 FPGA和三个单光子探测器。信号光经过偏振控制器调节偏振对准相位调制器的光轴，之后第二 FPGA控制第三开关和第四开关，使得2.6GHz,6.0GHz的两个射频信号各自经过两组移相器中的一路，实现随机移相，最终这两个射频信号经过衰减器和合束器加载到相位调制器，相位调制器调制信号光同时产生+/-2.6GHz、+/-6.0GHz的四个边带，最后经过环形器和65MHz超窄带宽的光栅选择主峰和+2.6GHz、+6.0GHz边带分别被三个单光子探测器单独探测，第二 FPGA记录干涉结果，经过数据处理后双方即可建立安全密钥。
[0023]本发明利用通信双方对单光子加载调制相位的差异，实现单光子的干涉，从而进行量子密钥分发的系统及方法。发送方对单频激光进行调制，产生两个调制边带，经过光纤传输后到达接收方，接收方进行同频解调，也产生对应的两个调制边带，边带干涉结果由双方的相位差决定，利用光栅和单光子探测器测量干涉结果，从而通信双方可以共享安全密钥。这种装置可以基于载波调制使得多边带同时分发密钥，不同用户可以利用不同的边带进行保密通信。解决了传统相位调制系统使用效率低的问题，尤其适用于短距离的城域网络，提