CN113708932A - 用于量子密钥分发的相位编码装置及量子密钥分发系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于量子密钥分发的相位编码装置，包括第一激光器L1、第二激光器L2、不等臂偏振干涉仪、第一光路选择元件OS1、第二光路选择元件OS2以及四分之一波片QWP。第一光路选择元件OS1和第二光路选择元件OS2构成等臂马赫曾德尔干涉仪，四分之一波片QWP位于等臂马赫曾德尔干涉仪的其中一臂上，本发明还提供了一种量子密钥分发系统。与现有技术相比，本发明的一种相位编码装置，无需相位调制器，即可制备出4种BB84协议要求的相位编码态，并且两个时间模式的偏振相互垂直，易于通过偏振选择来消除非干涉分量，提高能量利用率。不仅可以降低编码装置的成本和复杂度，还能够提高量子密钥分发系统的安全成码率。

Description

用于量子密钥分发的相位编码装置及量子密钥分发系统

技术领域

本发明涉及量子相位编码技术领域，特别涉及一种用于量子密钥分发的相位编码装置及量子密钥分发系统。

背景技术

量子密钥分发（quantum key distribution，QKD）可以为远距离的通信双方提供无条件安全的密钥分发，其信息理论安全性由量子力学的基本原理来保障。目前，BB84协议量子密钥分发系统日益成熟，已走向实用化。BB84协议常用的编码方式为偏振编码和相位编码。由于光纤信道存在双折射效应，容易受环境影响导致光子偏振态随机变化，偏振编码方式不够稳定，因此多采用相位编码。如图1所示，常规的相位编码方案采用不等臂马赫曾德尔干涉仪或法拉第迈克尔逊干涉仪，在其中一臂加入相位调制器来随机调制长短臂的相位差，从而制备4种量子态。相位调制器存在较高的插入损耗和成本较高，且调节4种相位需要对其加载4种电压，增加了系统的成本和复杂度。

另外，由于在采用常规不等臂干涉仪的方案中，发射端光脉冲经过不等臂干涉仪之后分成前后两个子脉冲，到达接收端后经过一个相同的干涉仪进一步变成四个脉冲，不考虑器件损耗的情况下，每个脉冲的能量为总能量的1/4。其中两个脉冲经过的光程相同（走“长臂+短臂”和“短臂+长臂”的路径），会在接收端干涉仪第二个分束器进行干涉，另外两个脉冲分别走“长臂+长臂”和 “短臂+短臂”的路径不参与干涉而被舍弃。因此干涉峰的能量为总能量的1/2，即常规方案的光能量利用率为1/2，而最终的安全密钥率与其成正比。为了提高系统的安全密钥率，需要提高进一步干涉仪的能量利用率。

发明内容

针对现有技术存在以上缺陷，本发明提出一种用于量子密钥分发的相位编码装置及量子密钥分发系统，用以解决现有技术中量子密钥分发系统对相位调制器驱动电路要求高、成本和复杂度高等技术缺陷，以及采用偏振复用来提高干涉仪能量利用率，进而可以提高系统的安全成码率。

本发明提供一种用于量子密钥分发的相位编码装置及密钥分发系统如下：

本发明的技术方案是这样实现的：

一种用于量子密钥分发的相位编码装置，包括第一激光器L1、第二激光器L2、不等臂偏振干涉仪、第一光路选择元件OS1、第二光路选择元件OS2以及四分之一波片QWP，所述第一激光器L1和第二激光器L2分别与不等臂偏振干涉仪的第一端口、第二端口相连，所述不等臂偏振干涉仪的第三端口与第一光路选择元件OS1的第一端口相连，第一光路选择元件OS1和第二光路选择元件OS2构成等臂马赫曾德尔干涉仪，四分之一波片QWP位于等臂马赫曾德尔干涉仪的其中一臂上，所述第二光路选择元件OS2的第三端口作为相位编码装置的输出端口输出编码光脉冲，

所述第一激光器L1和第二激光器L2产生的光脉冲分别通过不等臂偏振干涉仪产生具有一定时间差的前后两个光脉冲，前一个光脉冲为水平偏振，后一个光脉冲为竖直偏振，第一激光器L1产生的前后两个光脉冲相位差为π，第二激光器L2产生的前后两个光脉冲相位差为0，四分之一波片QWP对竖直偏振引入额外的π⁄2相位，通过第一激光器L1和第二激光器L2是否触发，结合第二光路选择元件OS2、第三光路选择元件OS3的光路选择可以产生偏振相互垂直的前后两个脉冲，并且可制备相位编码所需的相位差0，π⁄2，π，3π⁄2。

优选地，所述不等臂偏振干涉仪包括第一分束器BS1和偏振合束器PBC，所述第一分束器BS1的两个输入端口作为不等臂偏振干涉仪的第一端口和第二端口，两个输出端口分别与偏振合束器PBC的两个输入端口相连成为不等臂偏振干涉仪的长短臂，所述偏振合束器PBC的输出端口作为不等臂偏振干涉仪的第三端口。

优选地，所述不等臂偏振干涉仪包括第二分束器BS2、第一起偏器POL1、第二起偏器POL2、第一反射镜M1、第二反射镜M2以及第一环形器CIR1。所述第二分束器BS2的第一端口与不等臂偏振干涉仪的第一端口之间的保偏光纤进行45°熔接，所述第一环形器CIR1的第一端口与不等臂偏振干涉仪第二端口之间的保偏光纤进行45°熔接，所述第一环形器CIR1的第二端口与第二分束器BS2的第二端口相连，所述第一环形器CIR1的第三端口作为不等臂偏振干涉仪的第三端口，所述第一起偏器POL1放置在第二分束器BS2的第三端口处，偏振方向与水平方向夹角为0°，所述第二起偏器POL2放置在第二分束器BS2的第四端口处，偏振方向与水平方向夹角90°，所述第一起偏器POL1、第二起偏器POL2分别通过保偏光纤与第一反射镜M1、第二反射镜M2连接，长度分别为S、L。

优选地，所述第一激光器L1和第二激光器L2由同一个种子激光器注入锁定，使第一激光器L1和第二激光器L2的波长保持一致，提高系统的安全性。

优选地，所述相位编码装置还包括第三激光器L3、第三分束器BS3、第二环形器CIR2、第三环形器CIR3，所述第三激光器L3作为种子激光器，与第三分束器BS3的输入端口相连，所述第三分束器BS3的两个输出端口分别与第二环形器CIR2、第三环形器CIR3的第一端口相连，所述第二环形器CIR2、第三环形器CIR3的第二端口分别连接第一激光器L1、第二激光器L2，所述第二环形器CIR2、第三环形器CIR3的第三端口分别与不等臂偏振干涉仪的第一端口、第二端口相连。

优选地，所述相位编码装置还包括第四激光器L4，所述偏振合束器PBC还包含第四端口，所述第四激光器L4作为种子激光器，与偏振合束器PBC的第四端口相连。

优选地，所述第一光路选择元件OS1为第一光开关OSW1，所述第二光路选择元件OS2为合束器BC。

优选地，所述第一光路选择元件OS1为第四分束器BS4，所述第二光路选择元件OS2为第二光开关OSW2。

优选地，所述不等臂偏振干涉仪还包括第四环形器CIR4和第四端口，所述第四环形器CIR4的第一端口与不等臂干涉仪第一端口之间的保偏光纤进行45°熔接，第四环形器CIR4的第二端口与第二分束器BS2的第一端口相连，所述第四环形器CIR4的第三端口作为不等臂偏振干涉仪的第四端口，连接四分之一波片QWP，并与第三光开关OSW3的第二端口相连，所述不等臂偏振干涉仪的第三端口与第三光开关OSW3的第一端口相连，省去了第一光路选择元件OS1，所述第二分束器BS2、第一环形器CIR1、第四环形器CIR4、四分之一波片QWP以及第三光开关OSW3构成等臂马赫曾德尔干涉仪，所述第三光开关OSW3的第三端口作为相位编码装置的输出端口输出编码光脉冲。

本发明还提供了一种相位编码量子密钥分发系统，包括通过光纤信道连接的发射端Alice以及接收端Bob，所述发射端Alice包括相位编码装置，所述接收端Bob包括不等臂偏振干涉仪。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

本发明提出一种相位编码装置，无需相位调制器，即可制备出4种BB84协议要求的相位编码态，并且两个时间模式的偏振相互垂直，易于通过偏振选择来消除非干涉分量，提高能量利用率。不仅可以降低编码装置的成本和复杂度，还能够提高量子密钥分发系统的安全成码率。

附图说明

图1为现有的典型相位编码量子密钥分发原理图；

图2为本发明一种用于量子密钥分发的相位编码装置的原理图；

图3为本发明第一实施例的原理图；

图4为本发明第二实施例的原理图；

图5为本发明第三实施例的原理图；

图6为本发明第四实施例的原理图；

图7为本发明一种相位编码量子密钥分发系统的结构图。

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2所示，一种用于量子密钥分发的相位编码装置（以下简称相位编码装置），包括第一激光器L1、第二激光器L2、不等臂偏振干涉仪、第一光路选择元件OS1、第二光路选择元件OS2以及四分之一波片QWP，所述第一激光器L1和第二激光器L2分别与不等臂偏振干涉仪的第一端口、第二端口相连，所述不等臂偏振干涉仪的第三端口与第一光路选择元件OS1的第一端口相连，第一光路选择元件OS1和第二光路选择元件OS2构成等臂马赫曾德尔干涉仪，四分之一波片位于等臂马赫曾德尔干涉仪的其中一臂上，所述第二光路选择元件OS2的第三端口作为相位编码装置的输出端口输出编码光脉冲。

具体相位编码过程如下：

所述第一激光器L1触发，第二激光器L2不触发时，产生水平偏振的光脉冲P1，进入不等臂偏振干涉仪，产生偏振相互垂直的两个子脉冲P11和P12，其中P11经过不等臂偏振干涉仪的短臂，从其第三端口输出时处于前一个时间窗口，偏振态为H，P12经过不等臂偏振干涉仪的长臂，从其第三端口输出时处于后一个时间窗口，偏振态为V。从不等臂偏振干涉仪输出的P11和P12之间相位差为π，且偏振相互垂直，随后P11和P12先后进入等臂马赫曾德尔干涉仪，当进入带有四分之一波片QWP的一臂时，由于四分之一波片QWP的光轴与保偏光纤慢轴对准，夹角为0°。四分之一波片QWP的琼斯矩阵为

水平偏振H和竖直偏振V分别经过QWP之后变为

也就是说，水平偏振经过四分之一波片QWP之后相位不变，而竖直偏振脉冲的相位会增加π⁄2，因此，P11和P12经过四分之一波片QWP之后相位差变为3π⁄2，当P11和P12进入等臂马赫曾德尔干涉仪中无四分之一波片QWP的一臂时，二者之间的相位差不发生变化，仍为π，可以看出，当第一激光器L1触发，第二激光器L2不触发时，可以输出的编码相位差为3π⁄2和π。

当第一激光器L1不触发，第二激光器L2触发时，产生水平偏振的光脉冲P2，进入不等臂偏振干涉仪，产生偏振相互垂直的两个子脉冲P21和P22，其中P21经过不等臂偏振干涉仪的短臂，从其第三端口输出时处于前一个时间窗口，偏振态为H。P22经过不等臂偏振干涉仪的长臂，从其第三端口输出时处于后一个时间窗口，偏振态为V，从不等臂偏振干涉仪输出的P21和P22之间相位差为0，且偏振相互垂直，随后P21和P22先后进入等臂马赫曾德尔干涉仪，当进入带有四分之一波片QWP的一臂时，P21和P22经过四分之一波片QWP之后相位差变为π⁄2。当P11和P12进入等臂马赫曾德尔干涉仪中无四分之一波片QWP的一臂时，二者之间的相位差不发生变化，仍为0。可以看出，当第一激光器L1不触发，第二激光器L2触发时，可以输出的编码相位差为π⁄2和0。

由上述分析可以看出，无需相位调制器，仅通过触发第一激光器L1或第二激光器L2，结合第一光路选择元件OS1和第二光路选择元件OS2即可制备BB84协议所要求的4种相位编码态。

如图3所示，本发明相位编码装置实施例一：

所述相位编码装置的结构为：所述不等臂偏振干涉仪包括第一分束器BS1、偏振合束器PBC，所述第一光路选择元件OS1为第一光开关OSW1，所述第二光路选择元件OS2为合束器BC，所述相位编码装置还包括第三激光器L3、第三分束器BS3、第二环形器CIR2、第三环形器CIR3。所述第三激光器L3作为种子激光器，与第三分束器BS3的输入端口相连，所述第三分束器BS3的两个输出端口分别与第二环形器CIR2、第三环形器CIR3的第一端口相连，所述第二环形器CIR2、第三环形器CIR3的第二端口分别连接第一激光器L1、第二激光器L2，所述第二环形器CIR2、第三环形器CIR3的第三端口分别与不等臂偏振干涉仪的第一端口、第二端口相连。

实施例一相位编码过程包括为：

所述第三激光器L3作为种子激光器通过第三分束器BS3、第二环形器CIR2以及第三环形器CIR3构成的光路对第一激光器L1和第二激光器L2进行注入锁定。当第一激光器L1触发，第二激光器L2不触发时，产生水平偏振的光脉冲P1，经第二环形器CIR2进入第一分束器BS1，被分成幅度相等的两个脉冲分量P11和P12，偏振态仍为水平偏振，其中脉冲分量P11从第一分束器BS1透射，在不等臂偏振干涉仪的短臂沿保偏光纤慢轴传播，到达偏振合束器PBC后透射，从偏振合束器PBC的第三端口输出，为水平偏振，处于前一个时间窗口；脉冲分量P12被第一分束器BS1反射，在不等臂偏振干涉仪的长臂沿保偏光纤慢轴传播，到达偏振合束器PBC后反射，从偏振合束器PBC的第三端口输出，为竖直偏振，处于后一个时间窗口。由于P11在第一分束器BS1和偏振合束器PBC处为两次透射，不存在相位突变，而P12在第一分束器BS1和偏振合束器PBC处为两次反射，存在两次π⁄2的相位突变，二者之间的相位差变为π。当切换第一光开关OSW1的状态为0时，P11和P12进入等臂马赫曾德尔干涉仪中带有四分之一波片QWP的一臂，二者相位差变为3π⁄2，经合束器BC输出。当切换第一光开关OSW1的状态为1时，P11和P12进入等臂马赫曾德尔干涉仪中无四分之一波片QWP的一臂，二者之间的相位差仍为π，最后也从合束器BC输出。也就是说，当第一激光器L1触发，第二激光器L2不触发时，通过切换第一光开关OSW1的状态可以输出的编码相位差为3π⁄2和π。

当第一激光器L1不触发，第二激光器L2触发时，产生水平偏振的光脉冲P2，经第三环形器CIR3进入第一分束器BS1，被分成幅度相等的两个脉冲分量P21和P22，偏振态仍为水平偏振，其中脉冲分量P21从第一分束器BS1反射，在不等臂偏振干涉仪的短臂沿保偏光纤慢轴传播，到达偏振合束器PBC后透射，从偏振合束器PBC的第三端口输出，为水平偏振，处于前一个时间窗口；脉冲分量P22被第一分束器BS1透射，在不等臂偏振干涉仪的长臂沿保偏光纤慢轴传播，到达偏振合束器PBC后被反射，从偏振合束器PBC的第三端口输出，为竖直偏振，处于后一个时间窗口。由于P21在第一分束器BS1处反射，在偏振合束器PBC处透射，存在π⁄2的相位突变，而P22在第一分束器BS1透射，在偏振合束器PBC处为反射，也存在π⁄2的相位突变，因此二者之间的相位差为0。当切换第一光开关OSW1的状态为0时，P21和P22进入等臂马赫曾德尔干涉仪中带有四分之一波片QWP的一臂，二者相位差变为π⁄2，经合束器BC输出。当切换第一光开关OSW1的状态为1时，P21和P22进入等臂马赫曾德尔干涉仪中无四分之一波片QWP的一臂，二者之间的相位差仍为0，最后也从合束器BC输出。也就是说，当第一激光器L1不触发，第二激光器L2触发时，通过切换第一光开关OSW1的状态可以输出的编码相位差为π⁄2和0。

在进行量子态编码时，第一激光器L1和第二激光器L2不同时触发，用on表示触发，off表示不触发，0表示第一光开关OSW1切换到光脉冲只能走等臂马赫曾德尔干涉仪中有四分之一波片QWP的一臂，1表示第一光开关OSW1切换到光脉冲只能走等臂马赫曾德尔干涉仪中无四分之一波片QWP的一臂。相位编码装置实施例一的编码如表1所示。

表1：相位编码装置实施例一的编码表

当编码装置按照表1随机进行相位编码时，可以获得相应的4种量子态，实现稳定的相位编码。

如图4所示，本发明相位编码装置实施例二：

所述相位编码装置的结构为：所述不等臂偏振干涉仪包括第一分束器BS1、偏振合束器PBC，所述第一光路选择元件OS1为第四分束器BS4，所述第二光路选择元件OS2为第二光开关OSW2，所述偏振合束器PBC包含四个端口，所述相位编码装置还包括第四激光器L4，并与偏振合束器PBC的第四端口相连。

实施例二相位编码过程包括为：

所述第四激光器L4作为种子激光器，通过偏振合束器PBC从反方向经过不等臂偏振干涉仪的短臂进入第一激光器L1和第二激光器L2，分别对二者进行注入锁定。所述第一激光器L1触发，第二激光器L2不触发时，产生水平偏振的光脉冲P1，经过不等臂偏振干涉仪的过程与实施例一相同，即从偏振合束器PBC输出P11和P12，二者偏振相互垂直，相位差为π。然后经第四分束器BS4分成幅度相同的分量同时进入等臂马赫曾德尔干涉仪的两臂。其中经过带有四分之一波片QWP的分量相位差变为3π⁄2，经过无四分之一波片QWP的分量相位差仍为π。当切换第二光开关OSW2的状态为0时，只有等臂马赫曾德尔干涉仪中带有四分之一波片QWP一臂的分量可以从第二光开关OSW2输出，即输出脉冲之间的相位差为3π⁄2。当切换第二光开关OSW2的状态为1时，只有等臂马赫曾德尔干涉仪中无四分之一波片QWP一臂的分量可以从第二光开关OSW2输出，即输出脉冲之间的相位差为π。

所述第一激光器L1不触发，第二激光器L2触发时，产生水平偏振的光脉冲P2，经过不等臂偏振干涉仪的过程与实施例一相同，即从偏振合束器PBC输出P21和P22，二者偏振相互垂直，相位差为0。然后经第四分束器BS4分成幅度相同的分量同时进入等臂马赫曾德尔干涉仪的两臂。其中经过带有四分之一波片QWP的分量相位差变为π⁄2，经过无四分之一波片QWP的分量相位差仍为0。当切换第二光开关OSW2的状态为0时，只有等臂马赫曾德尔干涉仪中带有四分之一波片QWP一臂的分量可以从第二光开关OSW2输出，即输出脉冲之间的相位差为π⁄2。当切换第二光开关OSW2的状态为1时，只有等臂马赫曾德尔干涉仪中无四分之一波片QWP一臂的分量可以从第二光开关OSW2输出，即输出脉冲之间的相位差为0。

在进行量子态编码时，第四激光器L4对第一激光器L1和第二激光器L2进行注入锁定，第一激光器L1和第二激光器L2不同时触发，用on表示触发，off表示不触发，0表示第二光开关OSW2切换到只有走不等臂马赫曾德尔干涉仪中有四分之一波片QWP一臂的光脉冲可以输出，1表示第二光开关OSW2切换到只有走不等臂马赫曾德尔干涉仪中无四分之一波片QWP一臂的光脉冲可以输出。相位编码装置实施例二的编码与表1相同。

如图5所示，本发明相位编码装置实施例三：

所述相位编码装置的结构为：所述不等臂偏振干涉仪包括第二分束器BS2、第一起偏器POL1、第二起偏器POL2、第一反射镜M1、第二反射镜M2以及第一环形器CIR1。所述第二分束器BS2的第一端口与第一激光器L1之间的保偏光纤进行45°熔接，所述第一环形器CIR1的第一端口与第二激光器L2之间的保偏光纤进行45°熔接，所述第一环形器CIR1的第二端口与第二分束器BS2的第二端口相连，所述第一环形器CIR1的第三端口作为不等臂偏振干涉仪的第三端口，所述第一起偏器POL1放置在第二分束器BS2的第三端口处，偏振方向与水平方向夹角为0°，所述第二起偏器POL2放置在第二分束器BS2的第四端口处，偏振方向与水平方向夹角90°，所述第一起偏器POL1、第二起偏器POL2分别通过保偏光纤与第一反射镜M1、第二反射镜M2连接，长度分别为S、L。

实施例三相位编码过程包括为：

所述第一激光器L1触发，第二激光器L2不触发时，产生水平偏振的光脉冲P1，经45°旋转之后变为45°偏振态，包含水平偏振分量H和竖直偏振分量V，随后经第二分束器BS2分成幅度相同的两路光脉冲P11和P12，二者的偏振态均为45°。其中P11经第二分束器BS2透射，由于第一起偏器POL1与水平方向平行，只能透过水平偏振分量，因此透过第一起偏器POL1之后沿长度为S的保偏光纤慢轴传播，被第一反射镜M1反射后再次通过第一起偏器POL1，偏振态为水平偏振，一半的光强被第二分束器BS2反射到第一环形器CIR1出射。P12经第二分束器BS2反射，由于第二起偏器POL2与水平方向夹角为90°，只能透过竖直偏振分量，因此透过第二起偏器POL2之后沿长度为L的保偏光纤慢轴传播，被第二反射镜M2反射后再次通过第二起偏器POL2，偏振态为竖直偏振，一半的光强被第二分束器BS2透射到第一环形器CIR1进行输出。由于P11与P12走过的光程不同，光程差为2（L-S），所以P11从第一环形器CIR1输出时为水平偏振，处于前一个时间窗口，P12从第一环形器CIR1输出时为竖直偏振，处于后一个时间窗口。由于P11在第二分束器BS2处先透射后反射，存在π⁄2的相位突变，而P12在第二分束器BS2处先反射后透射，也存在π⁄2的相位突变，因此二者之间的相位差为0。当切换第一光开关OSW1的状态为0时，P11和P12进入等臂马赫曾德尔干涉仪中带有四分之一波片QWP的一臂，二者相位差变为π⁄2，经合束器BC输出。当切换第一光开关OSW1的状态为1时，P11和P12进入等臂马赫曾德尔干涉仪中无四分之一波片QWP的一臂，二者之间的相位差仍为0，最后也从合束器BC输出。也就是说，当第一激光器L1触发，第二激光器L2不触发时，通过切换第一光开关OSW1的状态可以输出的编码相位差为π⁄2和0。

当第一激光器L1不触发，第二激光器L2触发时，产生水平偏振的光脉冲P2，经45°旋转之后变为45°偏振态，包含水平偏振分量H和竖直偏振分量V，随后通过第一环形器CIR1被第二分束器BS2分成幅度相同的两路光脉冲P21和P22，二者的偏振态均为45°。其中P21经第二分束器BS2反射，其水平偏振分量通过第一起偏器POL1之后沿长度为S的保偏光纤慢轴传播，被第一反射镜M1反射后再次通过第一起偏器POL1，偏振态为水平偏振，一半的光强被第二分束器BS2反射到第一环形器CIR1出射。P22经第二分束器BS2透射，其竖直偏振分量通过第二起偏器POL2之后沿长度为L的保偏光纤慢轴传播，被第二反射镜M2反射后再次通过第二起偏器POL2，偏振态为竖直偏振，一半的光强被第二分束器BS2透射到第一环形器CIR1进行输出。P21与P22走过的光程差为2（L-S），所以P21从第一环形器CIR1输出时为水平偏振，处于前一个时间窗口，P22从第一环形器CIR1输出时为竖直偏振，处于后一个时间窗口。由于P21在第二分束器BS2处经过两次反射，存在2次π⁄2的相位突变，而P22在第二分束器BS2处经过两次透射，不存在相位突变，因此二者之间的相位差为π。当切换第一光开关OSW1的状态为0时，P21和P22进入等臂马赫曾德尔干涉仪中带有四分之一波片QWP的一臂，二者相位差变为3π⁄2，经合束器BC输出。当切换第一光开关OSW1的状态为1时，P21和P22进入等臂马赫曾德尔干涉仪中无四分之一波片QWP的一臂，二者之间的相位差仍为π，最后也从合束器BC输出。也就是说，当第一激光器L1不触发，第二激光器L2触发时，通过切换第一光开关OSW1的状态可以输出的编码相位差为3π⁄2和π。

在进行量子态编码时，第一激光器L1和第二激光器L2不同时触发，用on表示触发，off表示不触发，0表示第一光开关OSW1切换到光脉冲只能走等臂马赫曾德尔干涉仪中有四分之一波片QWP的一臂，1表示第一光开关OSW1切换到光脉冲只能走等臂马赫曾德尔干涉仪中无四分之一波片QWP的一臂。相位编码装置实施例三的编码如表2所示。

表2：相位编码装置实施例三的编码表

当编码装置按照表2随机进行相位编码时，可以获得相应的4种量子态，实现稳定的相位编码。

如图6所示，本发明相位编码装置实施例四：

所述相位编码装置的结构为：所述不等臂偏振干涉仪还包括，所述第四环形器CIR4的第一端口与不等臂干涉仪第一端口之间的保偏光纤进行45°熔接，第四环形器CIR4的第二端口与第二分束器BS2的第一端口相连，所述第四环形器CIR4的第三端口作为

所述不等臂偏振干涉仪具有第一端口、第二端口、第三端口、第四端口，包括第二分束器BS2、第一起偏器POL1、第二起偏器POL2、第一反射镜M1、第二反射镜M2、第一环形器CIR1以及第四环形器CIR4。所述第四环形器CIR4的第一端口与第一激光器L1之间的保偏光纤进行45°熔接，所述第一环形器CIR1的第一端口与第二激光器L2之间的保偏光纤进行45°熔接，所述第一环形器CIR1的第二端口与第二分束器BS2的第二端口相连，所述第一环形器CIR1的第三端口作为不等臂偏振干涉仪的第三端口，所述第四环形器CIR4的第二端口与第二分束器BS2的第一端口相连，所述第四环形器CIR4的第三端口作为不等臂偏振干涉仪的第四端口。所述第一起偏器POL1放置在第二分束器BS2的第三端口处，偏振方向与水平方向夹角为0°，所述第二起偏器POL2放置在第二分束器BS2的第四端口处，偏振方向与水平方向夹角90°，所述第一起偏器POL1、第二起偏器POL2分别通过保偏光纤与第一反射镜M1、第二反射镜M2连接，长度分别为S、L。所述不等臂偏振干涉仪的第四端口，连接四分之一波片QWP，并与第三光开关OSW3的第二端口相连，所述不等臂偏振干涉仪的第三端口与第三光开关OSW3的第一端口相连，与实施例三相比，省去了第一光路选择元件OS1，所述第二分束器BS2、第一环形器CIR1、第四环形器CIR4、四分之一波片QWP以及第三光开关OSW3构成等臂马赫曾德尔干涉仪，所述第三光开关OSW3的第三端口作为相位编码装置的输出端口输出编码光脉冲。

实施例四相位编码过程包括为：

所述第一激光器L1触发，第二激光器L2不触发时，产生水平偏振的光脉冲P1，经45°旋转之后变为45°偏振态，包含水平偏振分量H和竖直偏振分量V，经第四环形器CIR4后被第二分束器BS2分成幅度相同的两路光脉冲P11和P12，二者的偏振态均为45°。其中P11经第二分束器BS2透射，通过第一起偏器POL1之后沿长度为S的保偏光纤慢轴传播，被第一反射镜M1反射后再次通过第一起偏器POL1，偏振态为水平偏振，随后被第二分束器BS2分成幅度相同的脉冲P111和P112，且均为水平偏振。其中P111被第二分束器BS2反射到第一环形器CIR1出射，P112被第二分束器BS2透射到第四环形器CIR4出射。P12经第二分束器BS2反射，通过第二起偏器POL2之后沿长度为L的保偏光纤慢轴传播，被第二反射镜M2反射后再次通过第二起偏器POL2，偏振态为竖直偏振，随后被第二分束器BS2分成幅度相同的脉冲P121和P122，且均为竖直偏振。其中P121被第二分束器BS2透射到第一环形器CIR1出射，P122被第二分束器BS2反射到第四环形器CIR4出射。由于P11与P12走过的光程不同，光程差为2（L-S），所以P111和P112分别从第一环形器CIR1和第四环形器CIR4输出时为水平偏振，处于前一个时间窗口；P121和P122分别从第一环形器CIR1和第四环形器CIR4输出时为竖直偏振，处于后一个时间窗口。并且P111和P121之间的相位差为0，经过四分之一波片QWP之后二者相位差变为π⁄2。P112和P122之间的相位差为π。当切换第三光开关OSW3的状态为0时，P111和P121从第三光开关OSW3的第三端口输出。当切换第三光开关OSW3的的状态为1时，P112和P122之间的相位差不变，直接从第三光开关OSW3的输出。也就是说，当第一激光器L1触发，第二激光器L2不触发时，通过切换第三光开关OSW3的状态可以输出的编码相位差为π⁄2和π。

当第一激光器L1不触发，第二激光器L2触发时，分析方法类似，通过切换第三光开关OSW3的状态可以输出的编码相位差为3π⁄2和0。

在进行量子态编码时，第一激光器L1和第二激光器L2不同时触发，用on表示触发，off表示不触发，0表示第三光开关OSW3的第二端口到第三端口为通路，1表示第三光开关OSW3的第一端口到第三端口为通路。相位编码装置实施例四的编码如表3所示。

表3：相位编码装置实施例四的编码表

当编码装置按照表3随机进行相位编码时，可以获得相应的4种量子态，实现稳定的相位编码。

如图7所示，本发明还公开了一种相位编码量子密钥分发系统，包括发射端Alice以及接收端Bob，发射端Alice中可以包括上述相位编码装置中的任何一种，所述发射端Alice中，第四激光器通过强度调制器IM连接偏振合束器PBC的第四端口，所述第二光开关OSW2通过可调衰减器VOA连接接收端Bob。所述接收端Bob包括不等臂偏振干涉仪，可以消除非干涉分量，提高干涉仪能量利用率，进而提高系统的安全成码率。

综合本发明各个实施例可知，本发明提出一种相位编码装置，无需相位调制器，即可制备出4种BB84协议要求的相位编码态，并且两个时间模式的偏振相互垂直，易于通过偏振选择来消除非干涉分量，将光脉冲的能量利用率提高1倍。不仅可以降低编码装置的成本和复杂度，还能够提高量子密钥分发系统的安全成码率。

Claims (10)

1.一种用于量子密钥分发的相位编码装置，其特征在于，包括第一激光器L1、第二激光器L2、不等臂偏振干涉仪、第一光路选择元件OS1、第二光路选择元件OS2以及四分之一波片QWP，所述第一激光器L1和第二激光器L2分别与不等臂偏振干涉仪的第一端口、第二端口相连，所述不等臂偏振干涉仪的第三端口与第一光路选择元件OS1的第一端口相连，第一光路选择元件OS1和第二光路选择元件OS2构成等臂马赫曾德尔干涉仪，四分之一波片QWP位于等臂马赫曾德尔干涉仪的其中一臂上，所述第二光路选择元件OS2的第三端口作为相位编码装置的输出端口输出编码光脉冲，

所述第一激光器L1和第二激光器L2产生的光脉冲分别通过不等臂偏振干涉仪产生具有一定时间差、偏振态相互垂直的前后两个光脉冲，第一激光器L1产生的前后两个光脉冲相位差为π，第二激光器L2产生的前后两个光脉冲相位差为0，四分之一波片QWP对竖直偏振的脉冲引入额外的π/2相位，通过第一激光器L1和第二激光器L2是否触发，并结合第一光路选择元件OS1、第二光路选择元件OS2的光路选择可以产生偏振相互垂直的前后两个脉冲，并且可制备相位编码所需的相位差0，π⁄2，π，3π⁄2。

2.如权利要求1所述的用于量子密钥分发的相位编码装置，其特征在于，所述不等臂偏振干涉仪包括第一分束器BS1和偏振合束器PBC，所述第一分束器BS1的两个输入端口作为不等臂偏振干涉仪的第一端口和第二端口，两个输出端口分别与偏振合束器PBC的两个输入端口相连成为不等臂偏振干涉仪的长短臂，所述偏振合束器PBC的输出端口作为不等臂偏振干涉仪的第三端口。

3.如权利要求1所述的用于量子密钥分发的相位编码装置，其特征在于，所述不等臂偏振干涉仪包括第二分束器BS2、第一起偏器POL1、第二起偏器POL2、第一反射镜M1、第二反射镜M2以及第一环形器CIR1，所述第二分束器BS2的第一端口与不等臂偏振干涉仪的第一端口之间的保偏光纤进行45°熔接，所述第一环形器CIR1的第一端口与不等臂偏振干涉仪第二端口之间的保偏光纤进行45°熔接，所述第一环形器CIR1的第二端口与第二分束器BS2的第二端口相连，所述第一环形器CIR1的第三端口作为不等臂偏振干涉仪的第三端口，所述第一起偏器POL1放置在第二分束器BS2的第三端口处，偏振方向与水平方向夹角为0°，所述第二起偏器POL2放置在第二分束器BS2的第四端口处，偏振方向与水平方向夹角90°，所述第一起偏器POL1、第二起偏器POL2分别通过保偏光纤与第一反射镜M1、第二反射镜M2连接，长度分别为S、L。

4.如权利要求1-3任一种所述的用于量子密钥分发的相位编码装置，其特征在于，所述第一激光器L1和第二激光器L2由同一个种子激光器注入锁定。

5.如权利要求4所述的用于量子密钥分发的相位编码装置，其特征在于，还包括第三激光器L3、第三分束器BS3、第二环形器CIR2、第三环形器CIR3，所述第三激光器L3作为种子激光器，与第三分束器BS3的输入端口相连，所述第三分束器BS3的两个输出端口分别与第二环形器CIR2、第三环形器CIR3的第一端口相连，所述第二环形器CIR2、第三环形器CIR3的第二端口分别连接第一激光器L1、第二激光器L2，所述第二环形器CIR2、第三环形器CIR3的第三端口分别与不等臂偏振干涉仪的第一端口、第二端口相连。

6.如权利要求4所述的用于量子密钥分发的相位编码装置，其特征在于，还包括第四激光器L4，所述偏振合束器PBC还包含第四端口，所述第四激光器L4作为种子激光器，与偏振合束器PBC的第四端口相连。

7.如权利要求6所述的任一种用于量子密钥分发的相位编码装置，其特征在于，所述第一光路选择元件OS1为第一光开关OSW1，所述第二光路选择元件OS2为合束器BC。

8.如权利要求6所述的任一种用于量子密钥分发的相位编码装置，其特征在于，所述第一光路选择元件OS1为第四分束器BS4，所述第二光路选择元件OS2为第二光开关OSW2。

9.如权利要求3所述的用于量子密钥分发的相位编码装置，其特征在于，所述不等臂偏振干涉仪还包括第四环形器CIR4和第四端口，所述第四环形器CIR4的第一端口与不等臂干涉仪第一端口之间的保偏光纤进行45°熔接，第四环形器CIR4的第二端口与第二分束器BS2的第一端口相连，所述第四环形器CIR4的第三端口作为不等臂偏振干涉仪的第四端口，连接四分之一波片QWP，并与第三光开关OSW3的第二端口相连，所述不等臂偏振干涉仪的第三端口与第三光开关OSW3的第一端口相连，省去了第一光路选择元件OS1，所述第二分束器BS2、第一环形器CIR1、第四环形器CIR4、四分之一波片QWP以及第三光开关OSW3构成等臂马赫曾德尔干涉仪，所述第三光开关OSW3的第三端口作为相位编码装置的输出端口输出编码光脉冲。

10.一种相位编码量子密钥分发系统，其特征在于，包括通过光纤信道连接的发射端Alice以及接收端Bob，所述发射端Alice包括相位编码装置，所述接收端Bob包括不等臂偏振干涉仪。

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