一种偏振与相位复合编码的量子密钥分发系统的制作方法

本发明涉及量子偏振编码技术领域，特别涉及一种偏振与相位复合编码的量子密钥分发系统。

背景技术：

量子密钥分发(quantumkeydistribution，qkd)可以保证远距离的通信双方进行无条件安全的密钥分发，是由量子力学的基本原理来保障其信息理论安全性。经过30多年的研究与发展，量子密钥分发已逐步实现实用化。其中，bb84qkd协议在当前技术最为成熟，应用最为广泛，典型的bb84协议仅仅将比特信息编码在单光子的一个维度上，比如相位、偏振或者频率等，通过对单光子进行扩展编码，即将比特信息编码在单光子的多个维度上，使单光子携带多比特信息，再对这些维度分别解码，即可以提高安全码率，从而提升系统的整体效率。然而目前qkd系统的密钥产生速率较低，无法满足现有传统光纤通信的加密需求，有一些解决方案中，是在发送端增加一个消偏器，在光子进入光纤信道之前进行偏振态随机化，这样可以消除光纤双折射效应以及环境扰动对偏振态的影响，在接收端增加一个偏振分束器进行起偏，可以获得稳定的干涉结果。但是这个方案会增加一倍的损耗，使系统的效率降低了一半。

技术实现要素：

针对现有技术存在以上缺陷，本发明提供一种偏振与相位复合编码的量子密钥分发系统如下：

本发明的技术方案是这样实现的：

一种偏振与相位复合编码的量子密钥分发系统，包括发送端与接收端，所述发送端包括依次连接的激光器、强度调制器、偏振编码模块、相位编码模块以及电可调衰减器，所述接收端包括依次连接相位解码模块、偏振解码模块以及单光子探测器，所述发送端与接收端通过单模光纤连接。

优选地，所述偏振编码模块包括依次连接的第一环形器、第一相位调制器以及第一法拉第旋转镜，所述相位编码模块包括第一光纤分束器、2x2偏振分束器、第二相位调制器以及法拉第旋转器，所述第一光纤分束器的三端口、四端口分别通过长短臂光纤连接2x2偏振分束器的一端口、二端口，所述2x2偏振分束器的三端口、四端口分别通过保偏光纤连接法拉第旋转器以及第二相位调制器，且第二相位调制器与法拉第旋转器之间通过保偏光纤相连，第一光纤分束器一端口连接第一环形器三端口，二端口连接电可调衰减器；所述相位解码模块的结构与相位编码模块一致，所述偏振解码模块包括第二环形器与第二光纤分束器，所述第二环形器一端口通过光纤连接发送端的电可控衰减器，二端口连接相位解码模块中第一光纤分束器一端口，三端口通过延时线连接第二光纤分束器的二端口，相位解码模块中第一光纤分束器二端口连接第二光纤分束器一端口、第二光纤分束器的三端口、四端口均连接一路1x2偏振分束器一端口，两路1x2偏振分束器均设置有纠偏模块，两路1x2偏振分束器的二端口、三端口均连接有单光子探测器，所述第一光纤分束器、第二光纤分束器均为2x2单模光纤分束器。

优选地，所述偏振编码模块包括依次连接的第一环形器、第一相位调制器以及第一法拉第旋转镜，所述相位编码模块包括第一光纤分束器、2x2偏振分束器、第二相位调制器以及法拉第旋转器，所述第一光纤分束器的三端口、四端口分别通过长短臂光纤连接2x2偏振分束器的一端口、二端口，所述2x2偏振分束器的三端口、四端口分别通过保偏光纤连接法拉第旋转器以及第二相位调制器，且第二相位调制器与法拉第旋转器之间通过保偏光纤相连，第一光纤分束器一端口连接第一环形器三端口，二端口连接电可调衰减器；所述相位解码模块的结构与相位编码模块一致，所述偏振解码模块包括第二环形器、第三环形器以及第四环形器，所述第二环形器一端口通过光纤连接发送端的电可控衰减器，二端口连接相位解码模块中第一光纤分束器一端口，三端口通过延时线连接第三环形器的一端口，相位解码模块中第一光纤分束器二端口连接第四环形器一端口，第三环形器、第四环形器一端口前端均设置有纠偏模块，所述第三环形器二端口依次连接有第三相位调制器、第二法拉第旋转镜，所述第四环形器二端口依次连接有第四相位调制器、第三法拉第旋转镜，所述第三环形器三端口、第四环形器三端口均连接一路1x2偏振分束器一端口，两路1x2偏振分束器的二端口、三端口均连接有单光子探测器，所述第一光纤分束器为2x2单模光纤分束器。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

1、本发明的偏振与相位复合编码的量子密钥分发系统，通过对单光子比特进行相位和偏振复合编码，可以提高协议的效率，采用偏选基的方式可将效率提升至原始协议的4倍；

2、偏振编码和解码结构简单，性能稳定，与传统多激光器编码和被动选基解码相比没有侧信道量子态制备和测量信息泄露，不仅减少系统的复杂度，而且提高了系统的安全性；

3、相位编码以及解码模块具有偏振无关的特性，因此不会与偏振编码相互影响，而且不受信道扰动的影响，使得相位编解码过程非常稳定，增加整体系统的稳定性。

附图说明

图1为本发明一种偏振与相位复合编码的量子密钥分发系统的原理框图；

图2为本发明实施例一的原理框图；

图3为本发明实施例二的原理框图。

图中：发送端100，激光器110，强度调制器120，偏振编码模块130，第一环形器131，第一相位调制器132，第一法拉第旋转镜133，相位编码模块140，第一光纤分束器141，2x2偏振分束器142，第二相位调制器143，法拉第旋转器144，电可调衰减器150，接收端200，纠偏模块210，相位解码模块220，偏振解码模块230，第二环形器231，第二光纤分束器232，1x2偏振分束器233，第三环形器234三端口，第四环形器235，第三相位调制器236、第二法拉第旋转镜237，第四相位调制器238，第三法拉第旋转镜239，单光子探测器240。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明进行清楚、完整地描述。

如图1所示，一种偏振与相位复合编码的量子密钥分发系统，包括发送端100与接收端200，所述发送端100包括依次连接的激光器110、强度调制器120、偏振编码模块130、相位编码模块140以及电可调衰减器150，所述接收端200包括依次连接的相位解码模块220、偏振解码模块230以及单光子探测器240，所述发送端100与接收端200通过单模光纤连接。

如图2所示，实施例一，所述偏振编码模块130包括依次连接的第一环形器131、第一相位调制器132以及第一法拉第旋转镜133，所述相位编码模块140包括第一光纤分束器141、2x2偏振分束器142、第二相位调制器143以及法拉第旋转器144，所述第一光纤分束器141的三端口、四端口分别通过长短臂光纤连接2x2偏振分束器142的一端口、二端口，所述2x2偏振分束器142的三端口、四端口分别通过保偏光纤连接法拉第旋转器144以及第二相位调制器143，且第二相位调制器143与法拉第旋转器144之间通过保偏光纤相连，第一光纤分束器141一端口连接第一环形器131三端口，二端口连接电可调衰减器150；所述相位解码模块220的结构与相位编码模块140一致，所述偏振解码模块230包括第二环形器231与第二光纤分束器232，所述第二环形器231一端口通过光纤连接发送端100的电可控衰减器150，二端口连接相位解码模块220中第一光纤分束器141一端口，三端口通过延时线连接第二光纤分束器232的二端口，相位解码模块220中第一光纤分束器141二端口连接第二光纤分束器232一端口、第二光纤分束器232的三端口、四端口均连接一路1x2偏振分束器233一端口，两路1x2偏振分束器233均设置有纠偏模块210，两路1x2偏振分束器233的二端口、三端口均连接有单光子探测器240，所述第一光纤分束器141、第二光纤分束器232均为2x2单模光纤分束器。

具体实施过程：

第一环形器131第二端口的光纤与第一相位调制器132的输入端间进行45°熔接。激光器110发出的光脉冲经强度调制器120调制强度之后进入第一环形器131第一端口，偏振态旋转45°，此时会分成两个相互垂直的偏振分量|h〉、|v〉进入第一相位调制器132，经第一法拉第旋转镜133反射后会再次经过第一相位调制器132，通过调制第一相位调制器132的电压可以改变|h〉、|v〉之间的相位差从而产生的偏振态为当相位差时，所对应的4种偏振态如表1所示

表1：发送端产生的4种偏振态

光脉冲经过偏振编码之后进入相位编码模块140(mzsi)，进行相位编码。相位编码模块140(mzsi)由一个2x2的单模光纤分束器bs、一个2x2的偏振分束器pbs、一个相位调制器pm和1个法拉第旋转器fr组成。可以看出，mzsi实质上是由一个不等臂mach-zehnder(mz)干涉仪和一个sagnac环组成。其中，不等臂mz干涉仪的长臂(l)有一段延时线(dl)，保证其与短臂(s)之间的臂长差为δl。sagnac环内的光纤为保偏光纤，其余为单模光纤，并且要求第二相位调制器143允许tm偏振光和te偏振光两个分量通过(如商用钛扩散相位调制器)，法拉第旋转器144引入法拉第效应，可将光偏振态旋转90°。经过偏振编码后的光脉冲进入2x2光纤分束器被分成两个光脉冲，其中脉冲p1经过不等臂mz干涉仪的长臂，脉冲p2经过不等臂mz干涉仪的短臂。长臂的脉冲p1被偏振分束器pbs分解为两个相互正交的偏振态光脉冲p1x和p1y，这两个偏振态光脉冲分别沿顺时针和逆时针经过sagnac环结构，最后同时返回偏振分束器并合成为一个脉冲p11，并且回到不等臂mz干涉仪的长臂。由于脉冲p1x和p1y从相反的方向在同一时刻到达相位调制器，因此被调制了相同的相位θl，且最后合成的光脉冲p11的偏振态与入射光脉冲p1的偏振态相互垂直。光脉冲p11返回长臂后，再次经过光纤分束器bs分成两束光脉冲输出。类似地，经过不等臂mz干涉仪短臂的光脉冲p2也会被偏振分束器pbs分解成两个相互正交的偏振态光脉冲p2x和p2y，二者经过sagnac环同时到达相位调制器然后被调制相位θs，接着在偏振分束器pbs处合成为1个光脉冲p22，其偏振态与p2相互垂直，最后返回不等臂mz干涉仪的短臂，并被光纤分束器bs分成两束光脉冲输出。最终，从相位编码器输出两个时间间隔为2δl/v(其中v为光在光纤中的传播速度)，相位差为的前后两个光脉冲。通过调节相位调制器pm随机控制相位差为0，π/2，π，3π/2即可进行相位编码。最后光脉冲经过电可调衰减器衰减到单光子量级。

光脉冲经过信道进入接收端200后，首先需要经过第二环形器231进入相位解码模块220，经过解码之后出来的脉冲会分别进入分束器的两个输入端口，其中从环形器第3端口出射的光脉冲经过一段延时dl，相当于两路信号进行时分复用。分束器的两个输出端口分别于偏振控制器连接，通过偏振控制器结合偏振补偿算法恢复被信道扰乱的偏振态，最后分别经过一个偏振分束器进行偏振分析，最后进入单光子探测器进行探测。

此量子密钥分发系统工作流程归纳如下：

1.激光器触发：脉冲激光器通过触发信号以一定重复频率产生一系列的脉冲光；

2.诱骗态调制：光脉冲通过强度调制器被其进行随机强度调制，成为信号态、诱骗态或者真空态；

3.发送端编码：经过强度调制器调制过的光脉冲进入偏振编码模块进行编码，产生偏振态分别为|+>，|->，|r>，|l>，随后光脉冲经过相位编码模块mzsi，由相位调制器进行随机相位调制，使得从mzsi输出的两个脉冲之间的相位差分别为0，π/2，π，3π/2；

4.电控可调衰减器(evoa)：evoa将光脉冲衰减至单光子量级；

5.接收端解码：光信号通过光纤信道传输之后进入接收端依次进入相位解码单元和偏振解码单元完成解码过程，其中相位解码pm调制相位0，π/2，π，3π/2，偏振解码pm调制相位0，π/2；

测量：用单光子探测器测量系统结果，用于后续处理产生安全密钥。

如图3所示，实施例二，所述偏振编码模块130包括依次连接的第一环形器131、第一相位调制器132以及第一法拉第旋转镜133，所述相位编码模块140包括第一光纤分束器141、2x2偏振分束器142、第二相位调制器143以及法拉第旋转器144，所述第一光纤分束器141的三端口、四端口分别通过长短臂光纤连接2x2偏振分束器142的一端口、二端口，所述2x2偏振分束器142的三端口、四端口分别通过保偏光纤连接法拉第旋转器144以及第二相位调制器143，且第二相位调制器143与法拉第旋转器144之间通过保偏光纤相连，第一光纤分束器141一端口连接第一环形器131三端口，二端口连接电可调衰减器150；所述相位解码模块220的结构与相位编码模块140一致，所述偏振解码模块230包括第二环形器231、第三环形器234以及第四环形器235，所述第二环形器231一端口通过光纤连接发送端100的电可控衰减器150，二端口连接相位解码模块220中第一光纤分束器141一端口，三端口通过延时线连接第三环形器234的一端口，相位解码模块220中第一光纤分束器141二端口连接第四环形器235一端口，第三环形器234、第四环形器235一端口前端均设置有纠偏模块210，所述第三环形器234二端口依次连接有第三相位调制器236、第二法拉第旋转镜237，所述第四环形器235二端口依次连接有第四相位调制器238、第三法拉第旋转镜239，所述第三环形器234三端口、第四环形器235三端口均连接一路1x2偏振分束器233一端口，两路1x2偏振分束器233的二端口、三端口均连接有单光子探测器240，所述第一光纤分束器141为2x2单模光纤分束器。

实施例二采用主动选基的方式，避免了被动选基造成的安全性问题，

综合本发明的结构与原理可知，本发明的偏振与相位复合编码的量子密钥分发系统，通过对单光子比特进行相位和偏振复合编码，可以提高协议的效率，采用偏选基的方式可将效率提升至原始协议的4倍；偏振编码和解码结构简单，性能稳定，与传统多激光器编码和被动选基解码相比没有侧信道量子态制备和测量信息泄露，不仅减少系统的复杂度，而且提高了系统的安全性；相位编码以及解码模块具有偏振无关的特性，因此不会与偏振编码相互影响，而且不受信道扰动的影响，使得相位编解码过程非常稳定，增加整体系统的稳定性。