CN110198189B - 基于芯片集成光路的高维复用量子通信方法、系统及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于芯片集成光路的高维复用量子通信方法，在量子信息编码过程中，将光量子的多个光学自由度依次复用，并在每个光学自由度基础上实现多位量子比特编码；通过多芯光纤或多纤光缆进行高维复用量子信息的传输；通过相应的高维复用量子信息解码系统进行解码并通过单光子探测器阵列实现量子信息的探测分析。在实现高维复用量子通信系统的过程中，采用芯片集成光路的技术方案，利用芯片集成光路的低功耗、低损耗、高稳定性、高光学性能等优点，实现高维复用量子通信系统的全芯片集成。本发明利用了光学自由度之间的相对独立性和单个光学自由度可密集编码特性，在传统单维量子通信系统的基础上实现了量子信息速率的提升，有望推动量子通信技术的小型化、普及化、高速化工程应用。

Description

基于芯片集成光路的高维复用量子通信方法、系统及存储 介质

技术领域

本发明属于微纳光电子、量子通信技术领域，具体是指一种利用芯片大规模集成光路实现高维复用量子通信协议的量子通信方法、系统及存储介质。

背景技术

量子通信技术，基于海森堡测不准原理、量子态不可复制原理、量子态不可分离原理，是目前公认的能够实现“无条件安全”的通信技术。量子通信技术按照工作原理可分为量子隐形传态通信技术和量子密钥分配技术。量子隐形传态通信技术是指利用纠缠量子态的超距作用实现信息的瞬间安全传输，其基本原理可概述为：通信双方共享一组纠缠量子态并进行测量；通信双方在公开信道上公布测量结果；通过测量结果匹配确定通信内容；窃听者无法知悉双方的测量结果，因而无法窃听信息内容。量子密钥分配技术是指通过量子态的随机特性定义一组量子密钥，对经典通信信号进行加密/解密以实现信息安全传输的技术，其基本原理可概述为：通信发送方通过量子信道将量子密钥母本传送给接收方；接收方通过测量确定有效密钥并将测量手段等信息(并非密钥内容)回传给发送方；发送方利用有效密钥对经典通信信号进行加密并通过经典信道传送给接收方；接收方利用有效密钥对经典通信信号进行解密并获得信息内容；窃听者可以截获加密经典通信信号，但因无法知悉有效密钥的具体内容而无法获取具体信息。

受限于高速率纠缠量子态制备等因素，量子隐形传态通信技术目前尚处于初级研究阶段；受限于高速量子态制备等因素，量子密钥分配技术普遍采用的技术路线是：通过量子态随机特性定义量子密钥池，使用量子密钥加密经典密钥，通过经典密钥和经典通信信号的逐位异或实现信息的加密传输，上述过程也可称为通信信号的电域变换。由此可以看出，量子隐形传态通信技术、量子密钥同经典信号直接逐位异或的全量子变换技术都受限于量子信息速率瓶颈。以基于单光子的量子密钥分配为例，量子信息速率受到单光子光源重复频率、量子信息编码效率、量子信道传输效率、量子信息解码效率、单光子探测效率等各方面因素制约，很难同时兼顾大容量、高安全、长距离无中继等通信需求。

现阶段研究结果显示，进一步大幅提升单光子光源重复频率、单光子探测器探测效率的技术难度较大，同时，特定距离量子信道的传输效率很难有更大程度上的提升。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，解决现阶段普遍采用的单一自由度、低维量子通信协议面临的量子信息速率瓶颈，通过多自由度复用、高维编码量子通信协议成倍提升量子信息速率；针对实现高维复用量子通信协议所需光路对复杂度、稳定性、高效性等方面的严苛需求，提出利用芯片大规模集成光路和光电混合集成技术实现全芯片量子通信系统的技术路线。

为了解决上述问题，本发明提出了一种基于芯片集成光路的高维复用量子通信方法，包括：

步骤一、在量子信息编码和解码过程中，单个光量子的多个光学自由度均作为编码内容参与编码，且在同一光学自由度上编译多位量子比特；

步骤二、采用芯片集成光路的技术路线实现量子信息解码；

步骤三、采用多芯光纤或多纤光缆进行量子信息的传输。

优选的，上述步骤二通过芯片集成光子器件构建光学系统，实现量子光源、光学分束器、光学延迟线、可调谐衰减器、波分复用器、偏振分束器、偏振控制器、移相器等光学器件的单芯片集成，并通过光电混合集成技术将集成电路与集成光路制备于同一芯片上，通过集成电路的电平分布控制集成光路的器件性能，实现高维复用量子信息编码功能。

优选的，上述步骤二还包括通过集成电路的电平分布控制集成光路的器件性能，实现高维复用量子信息解码功能；将量子信息解码系统与低温超导硅基纳米线分别进行光学层面和电学层面的兼容适配，实现整芯片封装的量子信息解码系统，降低插入损耗和空间环境带来的噪声。

优选的，上述步骤三中多芯光纤是在同一根光纤内具备多个纤芯的一种特殊光纤；多纤光缆是在同一根光缆内具备多根光纤，在各光纤内独立传播空间分离的量子信息。

优选的，上述方法采用全光纤光路或空间光路方式实现或采用多材料芯片集成光路技术方案。

优选的，上述多个光学自由度主要包括波长、偏振、路径、相位、到达时间。

优选的，上述在同一光学自由度上编译多位量子比特即同一光学自由度的比特数量超过2。

一种实现基于芯片集成光路的高维复用量子通信方法的系统，包括芯片集成光子器件、量子光源、光学分束器、光学延迟线、可调谐衰减器、波分复用器、偏振分束器、偏振控制器以及移相器，所述芯片集成光子器件构建光学系统，实现量子光源、光学分束器、光学延迟线、可调谐衰减器、波分复用器、偏振分束器、偏振控制器、移相器的单芯片集成，并通过光电混合集成技术将集成电路与集成光路制备于同一芯片上，通过集成电路的电平分布控制集成光路的器件性能。

优选的，上述系统采用芯片集成光路实现高维复用量子通信系统构建时，不限定芯片材料的种类和性能，采用单一材料芯片集成光路技术方案。

优选的，上述单一材料为晶体硅、非晶硅、高折射率石英、氮化硅、碳化硅、硫系波导、铝镓砷中的一种。

优选的，上述系统多自由度的复用顺序、各自由度编码的维度和整个光学系统构建满足高维复用量子通信协议的实际需求，做到编码系统-解码系统一一对应，并在传统单维量子通信系统的基础上成倍提升量子信息速率。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。

与现有技术相比，本发明在实现高维复用量子通信系统的过程中，采用芯片集成光路的技术方案，利用芯片集成光路的低功耗、低损耗、高稳定性、高光学性能等优点，实现高维复用量子通信系统的全芯片集成。本发明利用了光学自由度之间的相对独立性和单个光学自由度可密集编码特性，在传统单维量子通信系统的基础上实现了量子信息速率的提升，有望推动量子通信技术的小型化、普及化、高速化工程应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了基于弱相干脉冲光源的高维复用量子通信系统结构示意图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本发明，并不被配置为限定本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本发明从提升量子信息编码/解码效率的角度出发，提出一种高维复用量子通信协议的技术路线，对单个光子的多个光学自由度进行复用，并在每个自由度基础上实现高维编码，赋予单光子多位量子比特，实现量子信息速率的成倍提升。上述技术路线不仅能够提升单光子携带的量子比特数量，还能实现两个光子之间多个自由度的高维纠缠，推动全量子变换量子密钥分配技术和量子隐形传态通信技术的进一步发展。此外，上述技术路线还可用于提升量子计算系统的量子比特率，提高量子计算系统并行运算速度，推动量子光学的发展。

需要注意的是，本发明提出的高维复用量子通信协议技术需要对单光子进行多个自由度的操控，每个自由度又需精准量化实现高维控制。考虑到分立器件性能和互联损耗对全光学系统性能的巨大影响，本发明采用芯片大规模集成光路实现高维复用量子通信协议。芯片集成光路具有小尺寸、低功耗、高稳定性等优点，并同大规模集成电路高度兼容，实现模块化芯片集成量子通信功能。基于绝缘体上硅工艺制备的光子器件具有同空间光路分立器件接近的光学性能，并具有更强的环境稳定性和更低的互联损耗；芯片集成光路兼具了全光纤光路的集成特性，在尺寸更小的基础上可以实现稳定的偏振态和模式控制。因此，本发明将着重考虑芯片大规模集成光路作为高维复用量子通信系统的实现方式。

本实施例采用的技术方案是，对单光子偏振、相位、频率、路径、到达时间等自由度进行复用，并在每个自由度上实现高维编码，使量子信息速率成倍提升。本发明所采用的技术方案可同时应用于理想单光子光源、弱相干脉冲光源以及纠缠单光子对光源。

本实施例提供了一种基于芯片集成光路的高维复用量子通信方法，包括：

步骤一、在量子信息编码和解码过程中，单个光量子的多个光学自由度均作为编码内容参与编码，且在同一光学自由度上编译多位量子比特；

步骤二、采用芯片集成光路的技术路线实现量子信息解码；

步骤三、采用多芯光纤或多纤光缆进行量子信息的传输。

在一些实施例中，步骤二通过芯片集成光子器件构建光学系统，实现量子光源、光学分束器、光学延迟线、可调谐衰减器、波分复用器、偏振分束器、偏振控制器、移相器等光学器件的单芯片集成，并通过光电混合集成技术将集成电路与集成光路制备于同一芯片上，通过集成电路的电平分布控制集成光路的器件性能，实现高维复用量子信息编码功能。

在一些实施例中，步骤二还包括通过集成电路的电平分布控制集成光路的器件性能，实现高维复用量子信息解码功能；将量子信息解码系统与低温超导硅基纳米线分别进行光学层面和电学层面的兼容适配，实现整芯片封装的量子信息解码系统，降低插入损耗和空间环境带来的噪声。

在一些实施例中，步骤三中多芯光纤是在同一根光纤内具备多个纤芯的一种特殊光纤；多纤光缆是在同一根光缆内具备多根光纤，在各光纤内独立传播空间分离的量子信息。

在一些实施例中，方法采用全光纤光路或空间光路方式实现或采用多材料芯片集成光路技术方案。

在一些实施例中，多个光学自由度主要包括波长、偏振、路径、相位、到达时间。

在一些实施例中，在同一光学自由度上编译多位量子比特即同一光学自由度的比特数量超过2。

在一些实施例中，一种实现如上述基于芯片集成光路的高维复用量子通信方法的系统，包括芯片集成光子器件、量子光源、光学分束器、光学延迟线、可调谐衰减器、波分复用器、偏振分束器、偏振控制器以及移相器，所述芯片集成光子器件构建光学系统，实现量子光源、光学分束器、光学延迟线、可调谐衰减器、波分复用器、偏振分束器、偏振控制器、移相器的单芯片集成，并通过光电混合集成技术将集成电路与集成光路制备于同一芯片上，通过集成电路的电平分布控制集成光路的器件性能。

在一些实施例中，系统采用芯片集成光路实现高维复用量子通信系统构建时，不限定芯片材料的种类和性能，采用单一材料芯片集成光路技术方案。

在一些实施例中，单一材料为晶体硅、非晶硅、高折射率石英、氮化硅、碳化硅、硫系波导、铝镓砷中的一种。

在一些实施例中，系统多自由度的复用顺序、各自由度编码的维度和整个光学系统构建满足高维复用量子通信协议的实际需求，做到编码系统-解码系统一一对应，并在传统单维量子通信系统的基础上成倍提升量子信息速率。

在一些实施例中，一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。

在一些实施例中，一种典型的、基于弱相干脉冲光源的高维复用量子通信系统结构如图1所示。弱相干脉冲由宽谱光源产生，宽谱光源的时域特性(脉宽、重复频率等)决定了弱相干脉冲的时域特性；宽谱光源输出脉冲各波长分量经波分复用器分离至不同路径，由可调谐衰减器调节平均功率。此时，不同中心波长的弱相干脉冲序列按照L₁-L₄的顺序空间分离，并由可调谐衰减器控制分别获得不同的单脉冲平均光子数，即实现了波长量子密钥编码。当单脉冲平均光子数小于1时，空脉冲(不包含光子)和非空脉冲(包含光子)在时间序列上的出现位置呈现一定的随机特性，不同波长的弱相干脉冲序列亦可独立实现诱骗态的吵闹声和控制。不同波长的弱相干脉冲序列偏振态经偏振控制器独立调控，可实现基于偏振方向的量子密钥编码，最简单的二维编码即对水平方向(H)和垂直方向(V)两个正交偏振态进行赋值。通过光学分束器、光学移相器和50％-50％定向耦合器构成的等臂干涉仪，可实现基于路径选择的量子密钥编码，即通过控制移相器引入的两臂相位差可控制弱相干脉冲序列沿照P₁或P₂路径传输。通过光学移相器，可实现基于相对相位的量子密钥编码，以相邻两个脉冲之间的相对相位差为编码变量，常用的正交基分别为0相位和π相位。利用可调谐光学延迟线，可实现基于到达时间的量子密钥编码，即通过对相对时延0或T进行赋值实现到达时间编码，需要注意的是，此时的相对时延T不同于弱相干脉冲序列周期。通过波分复用器，可将波长不同的弱相干脉冲序列按组集总到同一路径中，并经由多芯光纤或多纤光缆传输，构建高维复用量子信息发送系统。

需要注意的是，上述高维复用量子通信系统传输了两组量子信息，分别编组为P₁和P₂，对应的是路径选择量子密钥编码过程中的P₁和P₂。在实际应用中，也可提高路径选择量子密钥编码的维度，并通过多芯光纤或多纤光缆集总传输。路径选择量子密钥可直接由传输通道位置区别解码；经过偏振分束器后，按照水平方向偏振的弱相干脉冲由H路径传输，按照垂直方向偏振的弱相干脉冲由V路径传输，实现偏振量子密钥解码；通过波分复用器，可将不同波长的弱相干脉冲序列分离至不同路径，实现波长量子密钥解码；通过不等臂干涉仪，可判断相邻脉冲之间的相位差，由单光子探测器的同步响应实现相位量子密钥解码；最后，通过单光子探测系统中的时域分析仪分析单光子探测器响应时间，即可实现到达时间量子密钥解码。

上述高维复用量子通信系统可实现多位量子密钥编码。以波长作为第一位和第二位编码内容，则有对应关系，L₁→00，L₂→01，L₃→10，L₄→11；以偏振作为第三位编码内容，则有对应关系，V→0，H→1；以相位作为第四位编码内容，则有对应关系，0→0，π→1；以到达时间为第五位编码内容，则有对应关系，0→0，T→1；以路径为第六位编码内容，则有对应关系，P₁→0，P₂→1。上述高维复用编码量子密钥具有六倍于单维无复用量子密钥的信息速率，编码表如表1所示。

表1高维复用量子密钥编码表

需要注意的是，图1主要描述了量子密钥分配过程中的多自由度复用问题。事实上，在同一自由度上的高维编码，亦可成倍提升量子信息速率。宽谱光源的有效发光带宽和波分复用器的波长间隔决定了波长编码量子密钥分配的维度；偏振方向控制的精度决定了偏振编码量子密钥分配的维度(通常约为四维)，移相器的精度决定了相对相位编码量子密钥分配的维度(可达到四维)，在时间尺度上的控制精度和探测精度决定了到达时间编码量子密钥分配的维度，最后，通过等臂干涉仪、光学分束器的级联，可实现呈二次指数增长的路径选择编码量子密钥分配维度提升。通过高维编码和多自由度复用，最终生成的量子信息速率将具备多个数量级提升的发展潜力。

在一些实施例中，根据量子信息编码系统和量子信息解码系统所采用的器件类型，可将高维复用量子通信系统分为空间光路型、全光纤型和芯片集成光路型三类。以低成本、低损耗、高稳定性、高可行性为评价指标，采用芯片集成光路实现本发明所述高维复用量子通信协议是最优方案，主要原因包括：芯片集成光电器件具有尺寸小、功耗低、成本低、稳定性强等优点，特别适合于构建大规模光路实现高维复用量子通信协议；芯片集成光路具有较低的插入损耗和传输损耗，并可在光电混合集成技术的支持下实现与大规模集成电路的兼容制备，有望实现光电一体化量子通信系统；芯片集成光路各自由度特别是偏振方向对环境具有高度容忍性，通过芯片集成光路有望实现小型化、便携化量子通信系统；目前，低温超导硅基纳米线单光子探测器是目前性能最佳的一种单光子探测器，该探测器有望同量子信息处理系统集成，进一步降低由互联光纤引入的探测损耗和环境光干扰。

与现有技术相比，本发明取得了以下显著效果：在量子信息领域特别是量子通信领域，提升量子信息速率一直是研究的关键和难点。受限于量子光源产生速率以及其在长距离传输过程中不可避免的损耗问题，量子通信始终处于低速率状态。提升量子信息速率的技术手段可概括为“开源节流”两类，其中，“节流”的技术手段主要包括低插入损耗光学器件的开发设计和互联集成；低损耗大容量传输光纤的开发制备；高探测效率、低噪声干扰、高重复频率单光子探测器的开发制备等。然而，光学器件、传输光纤等器件工艺已臻于成熟，很难再有巨大的技术突破；单光子探测器性能指数的成倍提升目前也面临严重的壁垒。因此，本发明采用“开源”技术手段，利用宽谱光源在产生多波长弱相干脉冲序列方面的技术潜力，通过多自由度复用、单自由度高维编码的方式，在使用特定重复频率量子光源的前提下，可成倍提升量子信息生成速率。同时，高维复用量子信息可通过大规模光路实现并行探测处理，将单光子探测器在时间域面临的技术难题转移到数量域，进一步推动了量子信息处理系统特别是量子通信系统的工程落地。此外，本发明提出基于芯片集成光路的高维复用量子通信协议，该协议可应用于高速量子通信研究领域，在提升量子信息速率方面具有广阔的应用前景，在推动量子信息系统工程化方面具有重要的意义。

为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

本申请可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本申请，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。

内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。内存是计算机可读介质的示例。

计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (11)

1.一种基于芯片集成光路的高维复用量子通信方法，其特征在于所述方法包括：

步骤一、在量子信息编码和解码过程中，单个光量子的多个光学自由度均作为编码内容参与编码，且在同一光学自由度上编译多位量子比特；

步骤二、采用芯片集成光路的技术路线实现量子信息解码，通过芯片集成光子器件构建光学系统，当弱相干脉冲由宽谱光源产生，宽谱光源的时域特性决定了弱相干脉冲的时域特性；宽谱光源输出脉冲各波长分量经波分复用器分离至不同路径，由可调谐衰减器调节平均功率，不同中心波长的弱相干脉冲序列按照L₁-L₄的顺序空间分离，并由可调谐衰减器控制分别获得不同的单脉冲平均光子数，即实现了波长量子密钥编码；当单脉冲平均光子数小于1时，不包含光子的空脉冲和包含光子的非空脉冲在时间序列上的出现位置呈现一定的随机特性，不同波长的弱相干脉冲序列亦可独立实现诱骗态的吵闹声和控制；不同波长的弱相干脉冲序列偏振态经偏振控制器独立调控，可实现基于偏振方向的量子密钥编码，最简单的二维编码即对水平方向和垂直方向两个正交偏振态进行赋值；通过光学分束器、光学移相器和50％-50％定向耦合器构成的等臂干涉仪，可实现基于路径选择的量子密钥编码，即通过控制移相器引入的两臂相位差可控制弱相干脉冲序列沿照P₁或P₂路径传输；通过光学移相器，可实现基于相对相位的量子密钥编码，以相邻两个脉冲之间的相对相位差为编码变量，常用的正交基分别为0相位和π相位；利用可调谐光学延迟线，可实现基于到达时间的量子密钥编码，即通过对相对时延0或T进行赋值实现到达时间编码；通过波分复用器，可将波长不同的弱相干脉冲序列按组集总到同一路径中，并经由多芯光纤或多纤光缆传输，构建高维复用量子信息发送系统；实现量子光源、光学分束器、光学延迟线、可调谐衰减器、波分复用器、偏振分束器、偏振控制器、移相器的单芯片集成，并通过光电混合集成技术将集成电路与集成光路制备于同一芯片上，通过集成电路的电平分布控制集成光路的器件性能，实现高维复用量子信息编码功能；

步骤三、采用多芯光纤或多纤光缆进行量子信息的传输。

2.根据权利要求1所述的基于芯片集成光路的高维复用量子通信方法，其特征在于，所述步骤二还包括通过集成电路的电平分布控制集成光路的器件性能，实现高维复用量子信息解码功能；将量子信息解码系统与低温超导硅基纳米线分别进行光学层面和电学层面的兼容适配，实现整芯片封装的量子信息解码系统，降低插入损耗和空间环境带来的噪声。

3.根据权利要求1所述的基于芯片集成光路的高维复用量子通信方法，其特征在于，所述步骤三中多芯光纤是在同一根光纤内具备多个纤芯的一种特殊光纤；多纤光缆是在同一根光缆内具备多根光纤，在各光纤内独立传播空间分离的量子信息。

4.根据权利要求1所述的基于芯片集成光路的高维复用量子通信方法，其特征在于，所述方法采用全光纤光路或空间光路方式实现或采用多材料芯片集成光路的方式来实现。

5.根据权利要求1所述的基于芯片集成光路的高维复用量子通信方法，其特征在于，所述多个光学自由度主要包括波长、偏振、路径、相位、到达时间。

6.根据权利要求1所述的基于芯片集成光路的高维复用量子通信方法，其特征在于，所述在同一光学自由度上编译多位量子比特即同一光学自由度的比特数量超过2。

7.一种实现如权利要求1-6之一所述基于芯片集成光路的高维复用量子通信方法的系统，其特征在于，所述系统包括芯片集成光子器件、量子光源、光学分束器、光学延迟线、可调谐衰减器、波分复用器、偏振分束器、偏振控制器以及移相器，所述芯片集成光子器件构建光学系统，实现量子光源、光学分束器、光学延迟线、可调谐衰减器、波分复用器、偏振分束器、偏振控制器、移相器的单芯片集成，并通过光电混合集成技术将集成电路与集成光路制备于同一芯片上，通过集成电路的电平分布控制集成光路的器件性能，通过芯片集成光子器件构建光学系统，当弱相干脉冲由宽谱光源产生，宽谱光源的时域特性决定了弱相干脉冲的时域特性；宽谱光源输出脉冲各波长分量经波分复用器分离至不同路径，由可调谐衰减器调节平均功率，不同中心波长的弱相干脉冲序列按照L₁-L₄的顺序空间分离，并由可调谐衰减器控制分别获得不同的单脉冲平均光子数，即实现了波长量子密钥编码；当单脉冲平均光子数小于1时，不包含光子的空脉冲和包含光子的非空脉冲在时间序列上的出现位置呈现一定的随机特性，不同波长的弱相干脉冲序列亦可独立实现诱骗态的吵闹声和控制；不同波长的弱相干脉冲序列偏振态经偏振控制器独立调控，可实现基于偏振方向的量子密钥编码，最简单的二维编码即对水平方向和垂直方向两个正交偏振态进行赋值；通过光学分束器、光学移相器和50％-50％定向耦合器构成的等臂干涉仪，可实现基于路径选择的量子密钥编码，即通过控制移相器引入的两臂相位差可控制弱相干脉冲序列沿照P₁或P₂路径传输；通过光学移相器，可实现基于相对相位的量子密钥编码，以相邻两个脉冲之间的相对相位差为编码变量，常用的正交基分别为0相位和π相位；利用可调谐光学延迟线，可实现基于到达时间的量子密钥编码，即通过对相对时延0或T进行赋值实现到达时间编码；通过波分复用器，可将波长不同的弱相干脉冲序列按组集总到同一路径中，并经由多芯光纤或多纤光缆传输，构建高维复用量子信息发送系统。

8.根据权利要求7所述的系统，所述系统采用芯片集成光路实现高维复用量子通信系统构建时，不限定芯片材料的种类和性能，采用单一材料芯片集成光路技术方案。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述单一材料为晶体硅、非晶硅、高折射率石英、氮化硅、碳化硅、硫系波导、铝镓砷中的一种。

10.根据权利要求8或9所述的系统，其特征在于，所述系统多自由度的复用顺序、各自由度编码的维度和整个光学系统构建满足高维复用量子通信协议的实际需求，做到编码系统-解码系统一一对应，并在传统单维量子通信系统的基础上成倍提升量子信息速率。

11.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现权利要求1-6任一项所述方法的步骤。

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