一种外调制的高速诱骗态量子光源的装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及量子保密通信领域，用作其中高速量子密钥分发系统中的量子态光源，具体地说是一种外调制的高速诱骗态量子光源的装置。
【背景技术】
[0002]量子力学自上世纪初建立，大大推动了物理学的发展，不仅如此，人们发现量子力学与信息学科进行结合，发展出的量子信息学科可以完成经典信息学科无法完成的任务，如量子密钥分发(QKD)，其安全性是由物理学基本原理保证的，故这种通信方式具有无法被破解的绝对安全性。
[0003]目前在国际上获得广泛认可的量子密钥分发方案包括相位编码方案、偏振编码方案、纠缠态方案等。基于纠缠光子对的QKD系统目前还停留在实验室阶段，离实用化还有一段距离。相位编码方案核心是测量干涉仪中的单光子路径，根据不同相位下的光子干涉情况筛选密钥。但是相位编码方案在实际系统中需要对光程进行精确控制以保持干涉可见度，并且单向系统中还需要保证偏振稳定，系统需主动控制的单元模块较多。针对这一问题，由Gisin小组提出的双向的“plug-play”系统利用法拉第反射镜实现了自动的路径和偏振补偿，具有很强的抗干扰能力，无需主动控制就可以达到较高的单光子干涉稳定性，但此方案是一种双向的相位编码方式，量子态光源和单光子探测器在接收端，相位调制位于发送端，为克服相位调制器的偏振相关性，须对通过法拉第反射镜前后的二个正交偏振方向实施调制，加载在相位调制器上的脉冲至少需覆盖法拉第反射镜和相位调制器之间的来回光程，导致信息加载时序的速度受限，另外，从接受端向发送端发送的强光脉冲在光纤回路中产生的回光散射覆盖一定的时间宽度，对接受端的单光子探测产生不利影响，且单光子探测器也具有一定的时间抖动，故此种方案不适用于GHz以上的高速QKD系统。
[0004]偏振编码的方案则是利用光子极性进行量子保密通信，历史上第一次量子通信的实验也是利用这种编码方式。与相位系统相比，偏振编码可以使用被动的调制和解调器件，无需主动控制，其器件的插入损耗也比较小。因偏振编码的QKD方案中量子光源和单光子探测器位于信道两端，故不存在“plug-play”方案中存在的问题，故适用于GHz以上的高速QKD系统。
[0005]现实中由于实验设备的限制，无法产生严格的单光子源，所使用的量子光源一般为经过衰减之后的弱相干光，光源中由于无法避免的多光子脉冲导致窃听者Eve可以采用光子数分离(PNS)进行攻击，在通信双方没觉察的情况下拦截光子，这种缺陷导致了密钥率和最大安全距离都受到影响。在通信过程中，如果双方能够获知单光子脉冲的比率，通过协同进行保密放大，可以压缩密钥使Eve没法得到任何信息。这样，通过后续过程的操作就能保证系统的安全性。单光子比率估计的准确率直接影响保密放大的效率，所以对光源发出的脉冲中的单光子脉冲比率的准确估计是量子密钥分配的关键。2003年，Hwang提出采用诱骗态方法来更好的估计脉冲中的单光子比率，这使得QKD系统的密钥率和最大安全距离都有显著提高。2005年，Wang和Lo分别提出了完整的诱骗态QKD方案，2007年，中国的研宄小组联合试验，完成诱骗态QKD方案的实验验证。随后，众多QKD方案和实验有世界各地的研宄者完成，并已被证明是抵抗PNS攻击的最有效方案。而在相位编码方案中由于强度调制器的偏振相关性，即对不同偏振态光强度调制结果不同，故实现高速的诱骗态光源是很困难的。
[0006]诱骗态方案的基本想法是:Alice用强度不同的诱骗态脉冲代替一部分信号态脉冲。诱骗态和信号态在物理本质上是完全相同的，它们都是由光源发出的弱相干态，只是强度不同而已，即具有不同的平均光子数。Eve无法区分诱骗态和信号态，在进行PNS攻击时对两种信号一视同仁。然而由于诱骗态和信号态强度不同，故通过率和错误率会不同。
[0007]目前在大多数偏振编码QKD方案中，要用四个半导体激光器通过偏振控制器来手动调节出四种偏振态，即一对线偏基(45°线偏光和135°线偏光)和一对圆偏基(左旋圆偏振光和右旋圆偏振光)共四种偏振态。若要实现诱骗态光源，还需将每个激光器输出的光通过分束来分别实现诱骗态和信号态，这无疑增加了系统的冗余和成本，不利于系统的集成；而且由于不同激光二极管的中心波长和线宽等都存在一定差异，会给整个系统带来漏洞。
[0008]也可以使用内调制方法制备诱骗态中三种不同每脉冲平均光子数的量子态，即通过控制驱动激光二极管的电脉冲信号幅值来控制输出激光脉冲的幅值大小，此种方法驱动激光二极管的电脉冲信号为超短电脉冲，并且为交流信号，存在一定的负向偏置电压，在中低频段时可以使用，但在高频，特别是频率达到GHz以上时，这种存在负向偏置的电脉冲信号会造成输出激光脉冲的形状、幅值、脉宽等一系列的不一致性问题，会造成通信过程中的安全漏洞。
【实用新型内容】
[0009]本实用新型的目的是针对现有技术存在的问题而提供的一种外调制的方法产生偏振编码诱骗态量子光源的装置，该装置采用外调制的方式调制光脉冲的强度，调制出的不同量子态的光脉冲具有很好的一致性，克服了内调制由于光脉冲形状、幅值、脉宽不一致造成安全漏洞的问题。
[0010]本实用新型的目的是这样实现的:
[0011]一种外调制的高速诱骗态量子光源的装置，特点是该装置由超短脉冲激光器、高速光强度调制模块、偏振态产生光路、高速光相位调制模块、光衰减器和高速逻辑控制芯片组成；其中，超短脉冲激光器连接高速光强度调制模块，高速光强度调制模块连接偏振态产生光路，偏振态产生光路一端连接高速光相位调制模块，一端连接光衰减器，高速逻辑控制芯片分别连接超短脉冲激光器、高速光强度调制模块及高速光相位调制模块。
[0012]所述的超短脉冲激光器为电脉冲驱动的半导体激光二极管，发出的激光脉冲的重复频率可达GHz，光脉冲宽度为皮秒量级。
[0013]所述的高速光强度调制模块，由高速光强度调制器和其驱动电路组成，通过光纤与所述超短脉冲激光器相连，对其产生的超短光脉冲进行强度调制，所述的高速光强度调制器为基于电光效应的光强度调制器，消光比要求较高；所述的驱动电路由两路构成，每个时钟周期由高速逻辑控制芯片选择随机驱动一路或两路均不触发，分别产生Ip I2.0三种光强，其中I1 = I2= 3:1，分别对应信号态和诱骗态。
[0014]所述的偏振态产生光路由光纤器件组成，可以为萨格奈克(Sagnac)干涉环或基于“plug-play”等的光路，该光路可以将入射光分为两束线偏振光进行相互干涉，其中一路线偏振光通过相位调制器，与另一线偏振光产生相位差，两束光通过干涉后调制出线偏基(45°线偏光和135°线偏光)和圆偏基(左旋圆偏振光和右旋圆偏振光)共四种偏振态。
[0015]所述的高速光相位调制模块由高速相位调制器和其驱动电路组成，所述的相位调制器为基于电光效应的调制器，调制器所用的晶体可以为KDP晶体或铌酸锂晶体等，当外加在晶体上的电场改变时，晶体介质折射率随之线性变化，从而实现对光的调制；所述的驱动电路由四路构成(分别对应0、31 /2、31 ,3 31/2的相移)，由高速逻辑控制芯片随机驱动任意一路。
[0016]所述的高速逻辑控制芯片可以为现场可编程门阵列(Field Programmable GateArray,FPGA)或集成电路 ASIC(Applicat1n Specific Integrated Circuits，ASIC)等逻辑单元，所述的ASIC芯片为按系统要求加工制作的集成电路，因其可以量身定制故比同等工艺的FPGA执行速度块，由于可以节省在FPGA中的一些没有使用的逻辑资源故大规模生产时成本很低。
[0017]所述的光衰减器为一种衰减可调的光纤器件，通过保偏光纤与偏振态产生光路连接，将调制后的光脉冲信号衰减到量子态水平，产生共九种量子态:三种强度光脉冲，平均每脉冲光子数分别为μ = O、μ = 0.2、μ = 0.6，即零光子态、诱骗态和信号态(数量比为1:1:3);其中平均每脉冲光子数为μ =0.2、μ =0.6的两种光脉冲信号又分别包含四种偏振态(45°线偏光、135°线偏光、左旋圆偏振光和右旋圆偏振光)。
[0018]本实用新型的有益效果:
[0019]⑴、本实用新型采用一个激光二极管调制出九种量子态，有利于工程的集成化。
[0020]⑵、本实用新型采用外调制的方法调制光脉冲的强度，调制出的不同量子态的光脉冲具有很好的一致性，克服了内调制由于光脉冲形状、幅值、脉宽不一致造成安全漏洞的冋题。
[0021]⑶、本实用新型采用的量子态产生方案易于控制和同步，在高频段如GHz甚至超高频同样适用。
[0022]⑷、本实用新型采用高速逻辑控制芯片作为主控制器使系统具有高度的可靠性和稳定性。
[0023](5)、本实用新型采用先对光脉冲进行强度调制再经过偏振态产生光路产生四种偏振态的方法，避免了强度调制器