一种量子密钥分发接收机的制作方法

[0001]
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接收机。


背景技术：

[0002]
量子密钥分发是量子通信领域的研究热点之一，量子密钥分发设备主要由发射机和接收机组成，其中，量子密钥分发接收机包括至少两个单光子探测器，两个或多个单光子探测器工作时需要保证它们的探测效率一致，即对于同样强度的光信号单光子探测器的计数需要保持一致，否则因为探测器探测效率不一致而引入安全性隐患，从而影响系统的安全成码率指标。现有技术中一般采用独立的检测单元对所有单光子探测器进行独立检测，检测单元与接收机的设计相互独立，导致检测效率较低，且结构复杂、成本较高。


技术实现要素：

[0003]
为了克服上述缺陷，本实用新型所要解决的技术问题是提供一种量子密钥分发接收机，其中的检测模块与接收机一体化设计，能够准确检测接收机中所有单光子探测器的探测效率是否一致，并且检测效率较高、结构简单、成本较低。
[0004]
一种量子密钥分发接收机，所述接收机包括：检测模块、第一分束器、不等臂干涉仪、第一单光子探测器、第二单光子探测器；所述第一分束器包含两个输入端与两个输出端，所述检测模块连接于所述第一分束器的一个输入端，所述第一分束器的一个输出端连接于所述不等臂干涉仪的输入端，所述不等臂干涉仪的输出端连接所述第一单光子探测器，所述第一分束器的另一个输出端连接所述第二单光子探测器。
[0005]
优选地，所述检测模块包括光源与光可变衰减器，所述光源与所述光可变衰减器依次串联，所述光可变衰减器的输出端连接于所述第一分束器的一个输入端。
[0006]
优选地，所述接收机还包括第三单光子探测器，所述不等臂干涉仪包含两个输出端，一个输出端连接于所述第一单光子探测器，另一个输出端连接于所述第三单光子探测器。
[0007]
优选地，所述接收机还包括第四单光子探测器与第四分束器，所述第四分束器包含一个输入端与两个输出端，一个输出端连接于所述第二单光子探测器，另一个输出端连接于所述第四单光子探测器，所述第四分束器的输入端连接于所述第一分束器的一个输出端。
[0008]
优选地，所述接收机还包括第三单光子探测器、第四单光子探测器与第四分束器，所述不等臂干涉仪包含两个输出端，所述不等臂干涉仪的一个输出端连接于所述第一单光子探测器，所述不等臂干涉仪的另一个输出端连接于所述第三单光子探测器，所述第四分束器包含一个输入端与两个输出端，所述第四分束器的一个输出端连接于所述第二单光子探测器，所述第四分束器的另一个输出端连接于所述第四单光子探测器，所述第四分束器的输入端连接于所述第一分束器的一个输出端。
[0009]
优选地，所述光源为脉冲光源。
[0010]
优选地，所述检测模块包括第二光源、第五分束器、第五单光子探测器；所述第五分束器包含两个输入端与两个输出端，所述第二光源连接于所述第五分束器的一个输入端，所述第五分束器的一个输出端连接所述第一分束器的一个输入端，所述第五分束器的另一个输出端连接所述第五单光子探测器。
[0011]
由以上本申请提供的技术方案可见，通过在接收机中设置光源与光可变衰减器串联组成的检测模块，可以帮助校验所有所连单光子探测器的探测效率是否一致，检测模块直接设置于接收机中在接收机接收工作量子信号之前提前检测可以提升检测的效率，此外，该检测模块仅由光源与光可变衰减器组成，结构简单、成本较低。另外，该检测装置还可以用于确定每个单光子探测器是否正常工作，也还可以用于调整单光子探测器的最优工作参数。
[0012]
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
[0013]
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。
[0014]
图1为本申请包含检测模块的接收机示意图；
[0015]
图2为本申请包含光可变衰减器与两个单光子探测器的接收机示意图；
[0016]
图3为本申请包含光可变衰减器与三个单光子探测器的接收机示意图；
[0017]
图4为本申请包含光可变衰减器与三个单光子探测器的另一种接收机示意图；
[0018]
图5为本申请包含光可变衰减器与四个单光子探测器的接收机示意图；
[0019]
图6为本申请包含第五分束器的接收机一种具体实施例示意图。
具体实施方式
[0020]
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。
[0021]
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。
[0022]
本申请提供一种量子密钥分发接收机，能够准确检测接收机中所有单光子探测器的探测效率是否一致，并且检测效率较高、结构简单、成本较低。
[0023]
本申请中的连接可以是指光学连接，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。
[0024]
参照图1所示，本申请提供的一种量子密钥分发接收机，接收机可以包括：检测模块、第一分束器bs1、不等臂干涉仪、第一单光子探测器d1、第二单光子探测器d2；第一分束器bs1包含两个输入端与两个输出端，检测模块连接于第一分束器bs1的一个输入端，第一分束器bs1的一个输出端连接于不等臂干涉仪的输入端，不等臂干涉仪的输出端连接第一单光子探测器d1，第一分束器bs1的另一个输出端连接第二单光子探测器d2。具体地，不等臂干涉仪包括第三分束器bs2、第三分束器bs3，第一分束器bs1的一个输出端具体连接于第二分束器bs2的输入端即不等臂干涉仪的输入端，第三分束器bs3的输出端即不等臂干涉仪的输出端连接于第一单光子探测器d1，第一分束器bs1、第二分束器bs2、第三分束器bs3的分束比优选地为50:50，具体地，上述分束器的分束比可以根据具体需要调整，本申请在此不做限制。
[0025]
通过上述方式，在接收机正常工作之前，检测模块先开始运行以检测所有单光子探测器的探测效率是否一致，检测模块用于发出检测用量子光，检测用量子光通过第一分束器bs1分束，经第一分束器bs1分束的两束量子光信号分别最终进入第一单光子探测器d1与第二单光子探测器d2，后续的处理单元可以根据第一单光子探测器d1与第二单光子探测器d2的计数统计计算第一单光子探测器d1与第二单光子探测器d2的探测效率是否一致。此外，该检测装置还可以用于根据每个单光子探测器的计数统计情况确定每个单光子探测器是否正常工作，也还可以用于根据单光子探测器的工作状态调整单光子探测器的最优工作参数。在检测完毕后，检测模块停止发射检测用量子光，在所有单光子探测器探测效率一致的情况下，接收机开始正常工作即接收机开始接收工作量子信号。
[0026]
一种可行的实施方式中，参照图2所示，第一分束器bs1包含两个输入端与两个输出端，一个输入端用于连接检测模块，另一个输入端用于输入量子密钥分发系统中的发射机发出的量子信号即接收机接收到的工作量子信号，上述检测模块包括光源与光可变衰减器att，光源与光可变衰减器att依次串联，具体地，光源的输出端连接于光可变衰减器att的输入端，光可变衰减器att的输出端即检测模块的输出端连接于第一分束器bs1的一个输入端。光源为脉冲光源，用于产生脉冲光信号，该脉冲光源发出光信号的波长与量子密钥分发系统(包括发射机与接收机)工作时使用量子光信号的波长一致；光可变衰减器att用以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，即从检测模块输出的光信号为量子光信号即检测用量子光。
[0027]
参照图3所示，在图2实施例的基础上，上述接收机还可以包括第三单光子探测器d3，不等臂干涉仪包含两个输出端，一个输出端连接于第一单光子探测器d1，另一个输出端
连接于第三单光子探测器d3。具体地，第三分束器bs3包括两个输出端，一个输出端连接第一单光子探测器d1，另一个输出端连接第三单光子探测器d3。
[0028]
参照图4所示，在图2实施例的基础上，上述接收机还可以包括第四单光子探测器d4与第四分束器bs4，第四分束器bs4的分束比优选地为50:50，第四分束器bs4包含一个输入端与两个输出端，一个输出端连接于第二单光子探测器d2，另一个输出端连接于第四单光子探测器d4，第四分束器bs4的输入端连接于第一分束器bs1的一个输出端。
[0029]
参照图5所示，在图2实施例的基础上，上述接收机还可以包括第三单光子探测器d3、第四单光子探测器d4与第四分束器bs4，不等臂干涉仪包含两个输出端，不等臂干涉仪的一个输出端连接于第一单光子探测器d1，不等臂干涉仪的另一个输出端连接于第三单光子探测器d3，具体地，第三分束器bs3包括两个输出端，一个输出端连接第一单光子探测器d1，另一个输出端连接第三单光子探测器d3；第四分束器bs4包含一个输入端与两个输出端，第四分束器bs4的一个输出端连接于第二单光子探测器d2，第四分束器的另一个输出端连接于第四单光子探测器d4，第四分束器bs4的输入端连接于第一分束器bs1的一个输出端。
[0030]
在另一种可行的实施例中，参照图6所示，第一分束器bs1包含两个输入端与两个输出端，一个输入端用于连接检测模块并且用于输入量子密钥分发系统中的发射机发出的量子信号即接收机接收到的工作量子信号，即检测模块的输出量子信号与接收机接收到的工作量子信号共用第一分束器bs1的同一个输入端。在接收机正常工作之前即接收机接收到工作量子信号之前，检测模块先开始运行以检测所有单光子探测器的探测效率是否一致，检测模块用于发出检测用量子光。具体地，该检测模块包括：第二光源、第五分束器bs5、第五单光子探测器d5，第五分束器bs5包含两个输入端与两个输出端，第二光源连接于第五分束器bs5的一个输入端，第五分束器bs5的另一个输入端用于输入量子密钥分发系统中的发射机发出的量子信号即接收机接收到的工作量子信号，第五分束器bs5的一个输出端连接第一分束器bs1的一个输入端，第五分束器bs5的另一个输出端连接第五单光子探测器d5。检测模块工作时，检测模块发出检测用量子光，具体地，第五分束器bs5的分束比为10:90，即第二光源发出的检测用光信号强度的10％形成检测用量子光，由第五分束器bs5输出至第一分束器bs1，第二光源发出的检测用光信号强度的90％由第五分束器bs5输出至第五单光子探测器d5，此时，第五单光子探测器d5用于检验第五单光子探测器d5是否存在工作故障，当第五单光子探测器d5能探测到分束光时，说明第五单光子探测器d5工作正常，当第五单光子探测器d5不能探测到分束光时，说明第五单光子探测器d5工作异常。在检测完毕后，检测模块停止发射检测用量子光，在所有单光子探测器探测效率一致的情况下，接收机开始正常工作即接收机开始接收工作量子信号，此时，第五分束器bs5的分束比为90:10，即接收机接收的工作量子信号强度的90％由第五分束器bs5输出至第一分束器bs1，接收机接收的工作量子信号强度的10％由第五分束器bs5输出至第五单光子探测器d5，此时，第五单光子探测器d5用于监测量子密钥分发系统是否受到了强光攻击，量子密钥分发系统中的强光攻击是指利用光强较强的光信号干扰或损坏量子密钥分发系统中的光学器件的攻击方式，例如激光损伤攻击、激光致盲攻击和木马攻击等。第五单光子探测器d5探测工作量子信号强度的10％的光强，若量子密钥分发系统受到了强光攻击，则攻击的光信号经过第五分束器bs5分束后，被第五单光子探测器d5探测到，由于攻击的光信号的光强大于量子密钥分
发系统工作时的量子光的光强，因此，监测第五单光子探测器d5对光强的探测结果可用于监测量子密钥分发系统是否受到强光攻击。在该实施例中，第二光源也为脉冲光源，用于产生脉冲光信号，该脉冲光源发出光信号的波长与量子密钥分发系统工作时使用量子光信号的波长一致。
[0031]
本领域技术人员能够认识到，本申请提供的检测模块不限制于基于时间-相位编码方式的接收机类型，也可以应用于基于时间编码方式、偏振编码方式等任意编码方式的量子密钥分发系统。
[0032]
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。
[0033]
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。