一种基于偏振编码的量子密钥分发系统的制作方法

本技术涉及量子密码与光通信，具体涉及一种基于偏振编码的量子密钥分发系统。

背景技术：

1、量子密钥分发(quantum key distribution,qkd)是二十世纪八十年代兴起的一种新的密码编码和分发的技术，与传统的以数学复杂度为原理的密码技术不同的是，量子密钥分发是基于物理学原理，具有绝对的安全性。目前量子密钥分发技术在两个方面发展，一方面是光纤qkd，另一方面是自由空间qkd。在qkd技术中，一般采用光子的偏振态、相位、轨道角动量等特性来加载信息。在光纤qkd中，由于光纤的弯曲和压缩以及温度的因素等导致光子偏振态在传输过程中的不稳定，在长距离通信过程中误码率较高，所以一般不采用偏振编码的方案。为了解决上述问题，人们发现光子的相位信息在光纤传输中较稳定，开始采用相位编码的方案。利用相位编码一般需要用到马赫-曾德尔干涉仪，用两束相干光脉冲在马赫-曾德尔干涉仪中进行干涉，最终由干涉结果解码出编码信息。相位编码较好地克服了量子信息在光纤传输中容易受到环境干扰的缺点，但是这种相干性在信息的编码和解码中会受到器件的制约，想要达到较低的误码率需要极高的干涉对比度，因此这种方案也受到了一定的限制。后来通过研究发现，除了可以利用光子的偏振和相位信息外，光子还可以携带轨道角动量信息。携带轨道角动量的光束具有螺旋型波前和光学奇点，并具有独特的轨道角动量的量子拓扑结构特性，不同的轨道角动量具有正交特性，具有高维量子比特编码的潜力，因此在量子通信中具有极大的研究价值。但目前在轨道角动量的实验中所用到的空间光调制器的调制效率并不高，有的方案中用到的器件q-plate也还在研发阶段，其功能并不是很理想。

2、在自由空间qkd中，极大地克服了距离的限制，但是光子的相位信息在自由空间的传输中相位漂移及其严重，而光子的偏振态几乎不受影响，因此在自由空间qkd中一般采用偏振编码。现有的一些偏振编码系统中往往采用多个光源，由于器件的不理想性，很难抵御边信道攻击。量子纠缠是一种量子力学现象，其定义上描述复合系统中一类特殊的量子态，此量子态无法分解为成员系统各自量子态的张量积，指可分离的多个子系量子系统之间的非局域关联，对一个子系统的测量结果是无法独立于其它子系统的测量参数的，即对其中一个子系统的测量会对另外一个子系统产生影响，使得量子密钥分发的效率低且不稳定。

3、因此，有待对现有技术的不足进行改进，提出一种基于偏振编码的量子密钥分发系统。

技术实现思路

1、本实用新型的目的是为了克服已有技术的缺陷，为了解决，提出了一种利用光子的纠缠特性，采用偏振编码的方式的基于偏振编码的量子密钥分发系统。

2、本实用新型通过下述技术方案实现的：

3、一种基于偏振编码的量子密钥分发系统，所述系统包括用户端alice和用户端bob，所述用户端alice设置有包括信号产生单元和信号调制单元，所述用户端bob设置有信号解调单元；

4、所述信号产生单元的输出端口分别与信号调制单元、信号解调单元的输入端口连接，所述信号调制单元的输出端口与信号解调单元的输入端口的连接；

5、所述信号产生单元用于产生信号光子和闲置光子两路信号并分别输入到信号调制单元和信号解调单元；

6、所述信号调制单元用于对信号产生单元输入的信号光子进行偏振调制后发送到信号解调单元中探测；

7、所述信号解调单元用于对信号产生单元输入的闲置光子依次进行偏振调制和探测后，与信号调制单元进行编码基与测量基的比对；

8、所述信号解调单元包括第二偏振调制器、第二计算机、第二反射镜、第三反射镜、第一单光子探测器、符合计数器、第二单光子探测器和第四反射镜；

9、所述第二偏振调制器的输出端口和第二反射镜、第三反射镜、第一单光子依探测器依次连接，所述第一单光子探测器的输出端口与符合计数器的输入端口连接，所述符合计数器的输入端口还与第二单光子探测的输出端口连接，所述第二单光子探测的输入端口与第四反射镜连接；所述第二计算机的输入端口分别与第二偏振调制器、符合计数器的输出端口相连。

10、优选地，所述信号产生单元包括依次连接的激光器、聚焦透镜、bbo晶体和分束器。

11、优选地，所述激光器产生高斯光发送到聚焦透镜；所述聚焦透镜聚焦所述高斯光形成一束光信号并输入到bbo晶体；bbo晶体对所述光信号进行参量转换得到一对纠缠光子并发送到分束器；所述分束器将接收到的一对纠缠光子分束成信号光子和闲置光子，所述信号光子和闲置光子分别输入到信号调制单元和信号解调单元。

12、优选地，所述信号光子和闲置光子的偏振纠缠态为：

13、|φ>＝∑lcl|h>a|v>b；

14、其中a和b分别表示信号光子和闲置光子，l表示基矢数量。

15、优选地，所述信号调制单元包括第一偏振调制器、第一反射镜和第一计算机；

16、所述第一偏振调制器的输出端口分别与第一反射镜和第一计算机的输入端口连接，所述第一反射镜和第一计算机的输出端口分别与信号解调单元连接。

17、优选地，所述第一计算机控制第一偏振调制器对信号光子进行偏振态调制，输出具有偏振态的光子进入第一反射镜；所述第一反射镜反射所述具有偏振态的光子通过自由空间反射到信号解调单元。

18、优选地，所述第一偏振调制器进行偏振态调制随机选择四种偏振态对信号光子进行偏振态调制；

19、所述四种偏振态包括|ψ11>＝|h>+|v>、|ψ12>＝|h>-|v>和|ψ21>＝|h>+i|v>、|ψ22>＝|h>-i|v>；

20、其中，|ψ11>和|ψ12>相互正交，组成第一对正交归一基矢；

21、|ψ21>和|ψ22>相互正交，组成第二对正交归一基矢。

22、优选地，所述具有偏振态的光子通过自由空间反射到信号解调单元后，传输到第四反射镜，通过所述第四反射镜传输到第二单光子探测器进行探测，所述第二单光子探测器将探测结果发送到符合计数器进行计数。

23、优选地，所述信号产生单元产生的闲置光子输入到信号解调单元后，首先所述闲置光子进入第二偏振调制器；第二计算机通过控制所述第二偏振调制器对输入的闲置光子进行偏振态调制后输出具有偏振态的光子，所述具有偏振态的光子依次经过第二反射镜和第三反射镜反射后进入第一单光子探测器探测；最后所述第一单光子探测器将探测结果发送到符合计数器进行计数。

24、优选地，所述第二偏振调制器随机选择以下四种偏振态对信号光子进行偏振态调制；

25、所述四种偏振态包括：

26、|ψ11>＝|h>+|v>、|ψ12>＝|h>-|v)、|ψ21>＝|h>+i|v>和|ψ22>＝|h>-i|v>；

27、其中，|ψ11>和|ψ12>相互正交，组成第一对正交归一基矢；

28、|ψ21>和|ψ22>相互正交，组成第二对正交归一基矢。

29、优选地，当信号光子调制偏振态为|ψm，i>，且闲置光子调制偏振态为|ψn，j>时，

30、符合计数函数为：c(m，i，n，j)＝<φ|.|ψm，i>|ψn，j>；其中：m，i，n，j为正数。

31、优选地，所述信号解调单元中的第二计算机获取符合计数器数值后，与信号调制单元的第一计算机通过公共信道对编码基和测量基进行比对是否一致；

32、所述第二计算机根据符合计数器判断信号光子和闲置光子的编码基和测量基是否一致，若一致则保留符合计数器的计数结果；若不一致，则舍弃符合计数器的计数结果。

33、优选地，判断信号光子和闲置光子的编码基和测量基是否一致的原理和过程如下：

34、若符合计数结果为“0”，则信号光子的偏振态与闲置光子的偏振态之间相互正交，且信号光子和闲置光子的编码基和测量基一致；

35、若符合计数结果为“0.5”，则信号光子的偏振态与闲置光子的偏振态相同，且信号光子和闲置光子的编码基和测量基一致；

36、若符合计数结果为“0.25”，信号光子和闲置光子的编码基和测量基不一致，且无法获得信号光子的偏振态。

37、本实用新型的有益效果为：

38、1、本实用新型采用偏振纠缠态作为信息编码的载体，并采用符合计数的方法进行解码，使得本实用新型的系统在密钥分发过程中抵抗环境变化能力更强，且实现了稳定的和高码率的量子密钥分发。

39、2、本实用新型的量子编码、测量及公共信道的通信过程功能高度集成，可以方便地进行信息的实时发送和接收，且操作性强。

40、3、本实用新型利用bell-chsh不等式的违背验证可以对窃听者的窃听行为进行实时判定，提出了高度安全的基于偏振编码的量子密钥分发系统及方法。