CN210490895U

CN210490895U - 一种相位与偏振复合编码的量子密钥分发系统

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Publication number: CN210490895U
Application number: CN201921772052.5U
Authority: CN
Inventors: 王东; 赵义博; 曹兆龙
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-10-22
Filing date: 2019-10-22
Publication date: 2020-05-08
Anticipated expiration: 2029-10-22

Abstract

一种相位与偏振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、相位编码模块、偏振编码模块以及衰减器，所述接收端包括依次连接的纠偏模块、偏振解码模块、相位解码模块以及单光子探测器，所述发送端与接收端通过衰减器与纠偏模块连接而连接。与现有技术相比，本实用新型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，且减少系统的复杂度，而且提高了系统的安全性；采用相位和偏振复合编码方式，在一种方式宕机的情况下，系统可用另一种方式工作，在一定程度上提供了系统工作的稳定性。

Description

一种相位与偏振复合编码的量子密钥分发系统

技术领域

本实用新型涉及量子偏振编码技术领域，特别涉及一种相位与偏振复合编码的量子密钥分发系统。

背景技术

量子密钥分发(Quantum key distribution，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。

实用新型内容

针对现有技术存在以上缺陷，本实用新型提供一种相位与偏振复合编码的量子密钥分发系统如下：

本实用新型的技术方案是这样实现的：

一种相位与偏振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、相位编码模块、偏振编码模块以及衰减器，所述接收端包括依次连接的纠偏模块、偏振解码模块、相位解码模块以及单光子探测器，所述发送端与接收端通过衰减器与纠偏模块连接而连接。

优选地，所述相位编码模块为不等臂MZ干涉仪，所述偏振编码模块包括依次连接的编码环形器、编码相位调制器以及编码法拉第旋转镜，所述不等臂MZ干涉仪的光出口连接编码环形器一端口，编码环形器的二端口连接编码相位调制器，编码环形器的三端口连接衰减器；所述偏振解码模块包括解码环形器、解码相位调制器以及解码法拉第旋转镜，所述解码环形器一端口连接纠偏模块，二端口依次连接解码相位调制器、解码法拉第旋转镜，所述相位解码模块包括偏振分束器以及两路不等臂MZ干涉仪，该两路不等臂MZ干涉仪输入端均通过偏振分束器连接解码环形器三端口，输出端均连接两路单光子探测器。

优选地，所述相位编码模块为不等臂MZ干涉仪，所述偏振编码模块包括依次连接的编码环形器、编码相位调制器以及编码法拉第旋转镜，所述不等臂MZ干涉仪的光出口连接编码环形器一端口，编码环形器的二端口连接编码相位调制器，编码环形器的三端口连接衰减器；所述偏振解码模块包括解码环形器、解码相位调制器以及解码法拉第旋转镜，所述解码环形器一端口连接纠偏模块，二端口依次连接解码相位调制器、解码法拉第旋转镜，所述相位解码模块包括偏振分束器以及不等臂MZ干涉仪，该不等臂MZ干涉仪输入端分别通过长臂光纤、短臂光纤连接偏振分束器一端，且长臂光纤上设置有延时线，偏振分束器另一端连接编码环形器的三端口，该不等臂MZ干涉仪输出端连接两路单光子探测器。

与现有技术相比，本实用新型有以下有益效果：

1、本实用新型的相位与偏振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、采用接收端先偏振后相位的解码方式，由于在偏振解码前已进行偏振补偿，在相位解码时偏振态是稳定的，因此可直接使用MZI，同样可以实现稳定的干涉，从而使得相位解码非常稳定，而且MZI结构简单，易于制作；

4、采用相位和偏振复合编码方式，在一种方式宕机的情况下，系统可用另一种方式工作，在一定程度上提供了系统工作的稳定性。

附图说明

图1为本实用新型一种相位与偏振复合编码的量子密钥分发系统的原理框图；

图2为本实用新型实施例一的原理框图；

图3为本实用新型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，相位编码模块130，偏振编码模块140，编码环形器141，编码相位调制器142，编码法拉第旋转镜143，衰减器150，接收端200，纠偏模块210，偏振解码模块220，解码环形器221，解码相位调制器222，解码法拉第旋转镜223，相位解码模块230，偏振分束器231，单光子探测器240。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型进行清楚、完整地描述。

如图1所示，一种相位与偏振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、相位编码模块130、偏振编码模块140以及衰减器150，所述接收端200包括依次连接的纠偏模块210、偏振解码模块220、相位解码模块230以及单光子探测器240，所述发送端100与接收端200通过衰减器150与纠偏模块210连接而连接。

实施例一，如图2所示，所述相位编码模块130为不等臂MZ干涉仪，所述偏振编码模块140包括依次连接的编码环形器141、编码相位调制器142以及编码法拉第旋转镜143，所述不等臂MZ干涉仪的光出口连接编码环形器141一端口，编码环形器141的二端口连接编码相位调制器142，编码环形器141的三端口连接衰减器150；所述偏振解码模块220包括解码环形器221、解码相位调制器222以及解码法拉第旋转镜223，所述解码环形器221一端口连接纠偏模块210，二端口依次连接解码相位调制器222、解码法拉第旋转镜223，所述相位解码模块230包括偏振分束器231以及两路不等臂MZ干涉仪，该两路不等臂MZ干涉仪输入端均通过偏振分束器231连接解码环形器221三端口，输出端均连接两路单光子探测器240。

实施例二，如图3所示，所述相位编码模块130为不等臂MZ干涉仪，所述偏振编码模块140包括依次连接的编码环形器141、编码相位调制器142以及编码法拉第旋转镜143，所述不等臂MZ干涉仪的光出口连接编码环形器141一端口，编码环形器141的二端口连接编码相位调制器142，编码环形器141的三端口连接衰减器150；所述偏振解码模块220包括解码环形器221、解码相位调制器222以及解码法拉第旋转镜223，所述解码环形器221一端口连接纠偏模块210，二端口依次连接解码相位调制器222、解码法拉第旋转镜223，所述相位解码模块230包括偏振分束器231以及不等臂MZ干涉仪，该不等臂MZ干涉仪输入端分别通过长臂光纤、短臂光纤连接偏振分束器231一端，且长臂光纤上设置有延时线，偏振分束器231另一端连接编码环形器141的三端口，该不等臂MZ干涉仪输出端连接两路单光子探测器240。

实施例一的复合编码单元工作原理如下：发送端包括激光器，强度调制器IM，不等臂MZ干涉仪(Mach-Zehnder Interferometer)作为相位编码模块，由编码环形器CIR、编码相位调制器PMA2、编码法拉第旋转镜FM组成的偏振编码模块，以及电可调衰减器EVOA。其中编码环形器CIR二端口的光纤与编码相位调制器PMA2的输入端间进行45°熔接。激光器发出的光脉冲经强度调制器IM调制强度之后，进入不等臂MZ干涉仪分成2个子脉冲，通过相位调制器PMA1随机调制2个子脉冲之间的相位差为0，π/2，π，3π/2。然后光脉冲进入编码环形器CIR，偏振态旋转45°，此时会分成两个垂直的偏振分量|H〉、|V〉进入编码相位调制器PMA2，经编码法拉第旋转镜FM反射后会再次经过编码相位调制器PMA2，通过调制编码相位调制器PMA2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

最后光脉冲经过电可调衰减器衰减到单光子量级。

接收端包括电控偏振控制器EPC(纠偏模块)，由解码环形器CIR、解码相位调制器PMB1以及解码法拉第旋转镜FM组成的偏振解码器，两个不等臂MZ干涉仪组成的相位解码器以及4个单光子探测器。光脉冲经过信道进入接收端后，首先需要经过纠偏模块，即通过电控偏振控制器EPC结合偏振补偿算法恢复被信道扰乱的偏振态。然后经过一个与发送端相同的偏振解码器进行解码，通过调节解码相位调制器PMB1的电压，使两个分量之间的相位差为

随后偏振态旋转45°进入偏振分束器PBS，偏振分束器PBS的两个出射端口分别连接1个不等臂MZ干涉仪进行相位解码，相应的相位调制器PMB2和相位调制器PMB3同时调制相位差为0，π/2，π，3π/2，最后的干涉结果进入单光子探测器进行探测。

实施例一具体工作过程如下：

1.激光器触发：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(IM)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相位编码模块，由相位调制器PMB1进行随机相位调制，使得从相位编码模块输出的两个脉冲之间的相位差分别为0，π/2，π，3π/2。随后光脉冲经过偏振编码模块进行编码，产生偏振态分别为|+>，|->，|R>，|L>；

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，先通过纠偏模块补偿偏振变化，然后依次进入偏振解码器和相位解码器完成解码过程；

6.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。

实施例二与实施例的区别仅在于：

接收端采用时分复用，可以减少1个不等臂MZ干涉仪和2个单光子探测器，降低了系统的复杂度和成本。

综合本实用新型的结构与原理可知，本实用新型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；采用接收端先偏振后相位的解码方式，由于在偏振解码前已进行偏振补偿，在相位解码时偏振态是稳定的，因此可直接使用MZI，同样可以实现稳定的干涉，从而使得相位解码非常稳定，而且MZI结构简单，易于制作；采用相位和偏振复合编码方式，在一种方式宕机的情况下，系统可用另一种方式工作，在一定程度上提供了系统工作的稳定性。

Claims

1.一种相位与偏振复合编码的量子密钥分发系统，包括发送端与接收端，其特征在于，所述发送端包括依次连接的激光器、强度调制器、相位编码模块、偏振编码模块以及衰减器，所述接收端包括依次连接的纠偏模块、偏振解码模块、相位解码模块以及单光子探测器，所述发送端与接收端通过衰减器与纠偏模块连接而连接。

2.如权利要求1所述相位与偏振复合编码的量子密钥分发系统，其特征在于，所述相位编码模块为不等臂MZ干涉仪，所述偏振编码模块包括依次连接的编码环形器、编码相位调制器以及编码法拉第旋转镜，所述不等臂MZ干涉仪的光出口连接编码环形器一端口，编码环形器的二端口连接编码相位调制器，编码环形器的三端口连接衰减器；所述偏振解码模块包括解码环形器、解码相位调制器以及解码法拉第旋转镜，所述解码环形器一端口连接纠偏模块，二端口依次连接解码相位调制器、解码法拉第旋转镜，所述相位解码模块包括偏振分束器以及两路不等臂MZ干涉仪，该两路不等臂MZ干涉仪输入端均通过偏振分束器连接解码环形器三端口，输出端均连接两路单光子探测器。

3.如权利要求1所述相位与偏振复合编码的量子密钥分发系统，其特征在于，所述相位编码模块为不等臂MZ干涉仪，所述偏振编码模块包括依次连接的编码环形器、编码相位调制器以及编码法拉第旋转镜，所述不等臂MZ干涉仪的光出口连接编码环形器一端口，编码环形器的二端口连接编码相位调制器，编码环形器的三端口连接衰减器；所述偏振解码模块包括解码环形器、解码相位调制器以及解码法拉第旋转镜，所述解码环形器一端口连接纠偏模块，二端口依次连接解码相位调制器、解码法拉第旋转镜，所述相位解码模块包括偏振分束器以及不等臂MZ干涉仪，该不等臂MZ干涉仪输入端分别通过长臂光纤、短臂光纤连接偏振分束器一端，且长臂光纤上设置有延时线，偏振分束器另一端连接编码环形器的三端口，该不等臂MZ干涉仪输出端连接两路单光子探测器。