CN205647538U - 一种高效稳定的差分相位与偏振编码复合量子密钥分发系统 - Google Patents

Abstract

一种高效稳定的差分相位与偏振编码复合量子密钥分发系统，它包括依次设置在发送端的光源、编码单元、差分脉冲生成模块和衰减器，传输光纤以及设置在接收端的解码单元和探测器；所述的编码单元包括用于偏振编码的动态偏振调制器和用于相位编码的相位调制器，所述的解码单元包括一个偏振解码模块和两个相位解码模块。本实用新型方案同时采用偏振编码和差分相位编码，且理论上后者效率达100％，因此，系统效率可提升至3/2。同时改进了系统结构，改善了稳定性，减小了误码率。相比现有方案，系统性能有了较大的提高。

Description

一种高效稳定的差分相位与偏振编码复合量子密钥分发系统

技术领域

本实用新型是一种复合的量子密钥分发系统方案，该方案结合了差分相位编码与偏振态编码，通过引入法拉第镜结构，并改进传统系统结构，实现了系统效率更高，稳定性更好。

背景技术

基于量子力学规律——海森堡不确定性原理、量子不可克隆定律和测量塌缩理论的量子密钥分发(Quantum key distribution,QKD)不同于基于计算复杂性的经典密码体系，从物理原理上可提供无条件安全性，进而结合一次一密密码本加密协议实现安全通信。自1984年Bennett等人提出BB84协议以来，QKD在理论和实验上不断发展，已经成为量子信息最成熟的研究领域。

在实际的光纤通信中数据是高速、大量的，然而实际QKD的密钥生成率远低于通信速率，密钥速率与数据速率的不匹配使得QKD技术难以普及实用，为此实现量子密钥分发的高效、稳定、安全的长距离传输是亟待研究的问题。

典型的BB84协议效率为1/2，而其相位编码的协议效率仅为1/4，此外由于光纤传输损耗等因素的影响，系统的密钥生成率进一步降低。为提高QKD密钥生成率，须考虑改善协议效率。

差分相位编码(Differential phase shift,DPS)在效率上对相位编码有所改进。另一方面，结合偏振与相位两个维度编码的复合系统使系统效率以各维度效率之和的方式增加。华南师范大学王金东教授提出将差分相位方案与BB84偏振编码方案相结合，使得系统协议效率提高至7/6。然而，该方案并未考虑系统稳定性问题，且接收端使用8个探测器，可能引入更大的误码率，同时在效率方面还有提升空间。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对上述存在的问题，提出一种新的差分相位与偏振编码复合QKD方案，通过引入法拉第镜结构，并改进现有系统结构，减少探测器数目，实现了系统效率更高，稳定性更好。

本实用新型的技术方案是：

一种高效稳定的差分相位与偏振编码复合量子密钥分发系统，它包括依次设置在发送端的光源、编码单元、差分脉冲生成模块和衰减器，传输光纤以及设置在接收端的解码单元和探测器；

所述的编码单元包括用于偏振编码的动态偏振调制器和用于相位编码的相位调制器，所述的动态偏振调制器作为编码单元的信号输入端与光源的信号输出端相连，动态偏振调制器信号输出端与差分脉冲生成模块的信号输入端相连，用于相位编码的相位调制器的信号输入端与差分脉冲生成模块的信号输出端相连，相位调制器的信号输出端与衰减器的信号输入端相连，所述编码单元先进行偏振编码，再进行差分相位编码；

所述差分脉冲生成模块串接在动态偏振调制器的信号输出端和相位调制器的信号输入端之间，用于将一个输入脉冲分成三个等间隔的等幅脉冲；

所述的衰减器串接在相位调制器的后端，经过衰减器后变成单光子的三个等概率幅的脉冲，通过传输光纤发送至接收端(概率幅是量子力学中的概念，用于描述粒子的量子行为。这里意思是：在信道传输之前，需要使用衰减器将光信号衰减至单光子水平，使信道中传输的是三个不同时刻光信号之一，在探测之前三个时刻都可能存在信号且概率相同，但只可能在一个时刻引起探测器响应)；

所述的解码单元包括一个偏振解码模块和两个相位解码模块，所述的偏振解码模块的信号输入端与传输光纤输出端相连，其信号输出端分别与两相位解码模块的信号输入端相连，前述偏振解码模块用于进行偏振测量基的选择，并能够按偏振方向输出到对应相位解码模块的端口；

所述相位解码模块的信号输入端与偏振解码模块的信号输出端相连，其信号输出端与探测器的信号输入端相连，所述的相位解码模块通过改变偏振解码模块输出脉冲的偏振方向，调控脉冲路由，使得全部差分脉冲参与干涉，差分相位编码部分效率达到100％。

本实用新型的探测器是单光子探测器。

本实用新型的差分脉冲生成模块包括三个50/50耦合器、法拉第镜以及三条不等长支路，所述的差分脉冲生成模块将一个输入脉冲分成三个等间隔的等幅脉冲，其中由于法拉第镜的反射，往返光路中的偏振漂移得以补偿。

本实用新型的差分脉冲生成模块中三条支路的长度与各相位解码模块中干涉环三条支路的长度均满足下述关系：

即差分脉冲生成模块中三条支路各自的往返长度服从等差数列，且其公差等于相位解码模块中间支路与最短支路的差，而相位解码模块中最长支路与中间支路的差等于前述公差的两倍。

本实用新型的偏振解码模块包括偏振控制器和偏振分束器，所述相位解码模块为两组，均包括偏振控制器、法拉第旋光器和由偏振分束器、不等长支路与耦合器构成的干涉环。

本实用新型的相位解码模块分为上下两个分支，对应于不同的偏振编码值，其中上分支偏振分束器0°端口支路最短，90°端口支路最长，下分支偏振分束器90°端口支路最短，0°端口支路最长。

本实用新型的有益效果：

本实用新型提出了一种高效稳定的差分相位与偏振编码复合QKD系统方案。该方案引入了法拉第镜结构，并通过改变偏振方向，调控脉冲路由，改进了传统系统结构，减少了探测器数目。相比现有方案，系统的效率和稳定性明显得到提高与改善。

效率：若发送、接收双方选基一致，则可得偏振码值，且差分相位编码值在三个时隙之一获得，则此部分协议效率为若选基不同，则仅差分相位编码有效，且探测器会在某一时隙某一支路响应，则此时因此总的系统效率为

所述的效率指每次通信最终产生的平均密钥位数，不考虑系统损耗、探测器效率等。传统BB84方案最佳效率仅50％，经典DPS方案效率为N为单光子分裂的概率幅脉冲个数。单比特编码方案效率极限为100％，而目前复合编码系统较高的效率为相较而言，本实用新型效率具有明显优势。

稳定性：引入了法拉第镜结构，发送端每路差分信号的产生都经过FM反射，自动消除了往返光路中的双折射效应和偏振相关损耗，输出信号是标准的编码态，同时各脉冲偏振态没有相对偏差，很好地改善了差分脉冲的干涉可见度，提高了稳定性。

大幅减少了探测器数目，现有方案8个探测器每次通信在32个时隙等待测量,而本实用新型方案仅4个探测器每次通信在12个时隙等待测量，因此由探测器暗计数引起的误码率大幅减小，使系统更加稳定。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图2是本实用新型的具体结构示意图。

LD:激光器；APM:动态偏振调制器；PM:相位调制器；VOA：可调光衰减器；BS/SW:beam splitter/switch；FM_i:法拉第镜；C_i:耦合器；PC_i:偏振控制器；PBS_i:偏振分束器；FR_i:90°法拉第旋光器；A₁:差分生成模块；A₂:编码模块；B₁:偏振解码模块；B₂:相位解码模块。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。

图1是本实用新型的方案示意图，描述了所述系统的模块结构关系和QKD方案的整体流程。图2是本实用新型的详细系统结构示意图，描述了各模块的具体构造。表1描述了响应探测器与密钥生成的关系。

表1密钥生成规则(响应探测器与生成密钥关系，？表示舍弃该位)

具体的通信方案如下所述：

假设{A_k}、{B_k}、{C_k}、{D_k}、{E_k}、{F_k}都是随机的二进制序列。

(1)激光器LD发出光脉冲，动态偏振调制器APM按照随机序列{A_kB_k}调制每个脉冲。若A_k＝0，选择R基，否则选择D基；而B_k是要编码的数据。

(2)脉冲进入差分脉冲生成模块，经过FM镜的反射，往返通过l_a、l_b、l_c，分裂成三个前后时延差T的等幅脉冲。其中l_al_bl_c的长度满足以下关系，l₁l₂l₃为图2中相应光纤支路的长度。

(3)每次通信，相位调制器PM按照随机序列{C_kD_kE_k}依次调制差分脉冲。若C_k＝0，调制第一个相位为0，否则调相π；同理，分别按D_kE_k调制后两个脉冲。因此差分编码的数据分别为

(4)经衰减器ATT衰减后，输出到传输光纤，要求ATT衰减后的输出信号E_AO满足：

即输出单光子的三个等概率脉冲，其中E₀为单光子振幅，θ为偏振调制角度，+90°是由于法拉第镜的反射，为相位调制角度，k为传播相位常数。不考虑传输光纤中增加的相位。

(5)偏振控制器PC₁按照随机序列{F_k}选择偏振测量基，旋转脉冲偏振方向。若F_k＝0，选择R基，否则按照D基旋转角度。当A_k＝F_k时，见步骤(6～8)，否则见步骤(9)。

(6)A_k＝F_k时，若B_k＝0(B_k＝1)，则每组差分脉冲偏振均变为0°(90°)，从偏振分束器PBS₁的0°(90°)端口出射。两种情况过程类似，以B_k＝0为例叙述如下。

(7)耦合器C₄将三个概率幅等概率分束，中间支路l₃中有0°0°0°。而经过偏振控制器PC₂时，PC₂通过选择时间窗口，只将其中第一个脉冲偏振旋转90°。因此偏振分束器PBS₂分束后，长支路l₁只有90°，短支路l₂有0°0°。此时信号场为

(8)l₁支路的法拉第旋光器FR将90°偏振旋转为0°，再由BS/SW、C₆合束，此时

其中L₁、L₂、L₃各自对应的两条路径发生干涉，干涉结果为

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{L_i,1}=\frac{1}{3}{E_0}^2{\sin }^2\frac{{\mathrm{\Δ\φ}}_i}{2}\\ I_{L_i,0}=\frac{1}{3}{E_0}^2{\cos }^2\frac{{\mathrm{\Δ\φ}}_i}{2}\end{array}\right.,i=1,2,3---\left(5\right)$

即单光子探测器D₀₁和D₀₀在L_i对应时刻响应概率均为其中

(9)当A_k≠F_k时，脉冲偏振会变为±45°，将从PBS₁两端口等概率出射。各路径的操作与(6)(7)(8)基本一致，只是各处概率幅变为倍，干涉结果则变为

$\left\{\begin{array}{c}{D}_{01}:I_{L_i,1}=\frac{1}{6}{E_0}^2{\sin }^2\frac{{\mathrm{\Δ\φ}}_i}{2}\\ D_{00}:I_{L_i,0}=\frac{1}{6}{E_0}^2{\cos }^2\frac{{\mathrm{\Δ\φ}}_i}{2}\\ D_{11}:I_{L_i,1}=\frac{1}{6}{E_0}^2{\sin }^2\frac{{\mathrm{\Δ\φ}}_i}{2}\\ D_{10}:I_{L_i,0}=\frac{1}{6}{E_0}^2{\cos }^2\frac{{\mathrm{\Δ\φ}}_i}{2}\end{array}\right.,i=1,2,3---\left(6\right)$

(10)接收端记录响应的探测器D_mn及其响应时刻，并将探测器的响应时刻和序列{F_k}告知发送端。发送端则将序列{A_k}告知接收端。

(11)收发双方比较序列{a_k|与{F_k}，若A_k＝F_k则发方保留B_k，收方保留m；否则舍弃相应位数据。发方根据探测器响应时刻，可以获得相应的编码数据或即收方测量值n。后续再进行窃听检测、密性放大等标准QKD协议步骤，这样就实现了双方安全的密钥分发。

本实用新型方案同时采用偏振编码和差分相位编码，且理论上后者效率达100％，因此效率大大提高。同时改进了系统结构，改善了稳定性，减小了误码率。相比现有方案，系统性能有了较大的提高。

本实用新型未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (6)

1.一种高效稳定的差分相位与偏振编码复合量子密钥分发系统，其特征在于：它包括依次设置在发送端的光源、编码单元、差分脉冲生成模块和衰减器，传输光纤以及设置在接收端的解码单元和探测器；

所述的编码单元包括用于偏振编码的动态偏振调制器和用于相位编码的相位调制器，所述的动态偏振调制器作为编码单元的信号输入端与光源的信号输出端相连，动态偏振调制器信号输出端与差分脉冲生成模块的信号输入端相连，用于相位编码的相位调制器的信号输入端与差分脉冲生成模块的信号输出端相连，相位调制器的信号输出端与衰减器的信号输入端相连，所述编码单元先进行偏振编码，再进行差分相位编码；

所述差分脉冲生成模块串接在动态偏振调制器的信号输出端和相位调制器的信号输入端之间，用于将一个输入脉冲分成三个等间隔的等幅脉冲；

所述的衰减器串接在相位调制器的后端，经过衰减器后变成单光子的三个等概率幅的脉冲，通过传输光纤发送至接收端；

所述的解码单元包括一个偏振解码模块和两个相位解码模块，所述的偏振解码模块的信号输入端与传输光纤输出端相连，其信号输出端分别与两相位解码模块的信号输入端相连，前述偏振解码模块用于进行偏振测量基的选择，并能够按偏振方向输出到对应相位解码模块的端口；

所述相位解码模块的信号输入端与偏振解码模块的信号输出端相连，其信号输出端与探测器的信号输入端相连，所述的相位解码模块通过改变偏振解码模块输出脉冲的偏振方向，调控脉冲路由，使得全部差分脉冲参与干涉，差分相位编码部分效率达到100％。

2.根据权利要求1所述的高效稳定的差分相位与偏振编码复合量子密钥分发系统，其特征在于：所述的探测器是单光子探测器。

3.根据权利要求1所述的高效稳定的差分相位与偏振编码复合量子密钥分发系统，其特征在于：所述的差分脉冲生成模块包括三个50/50耦合器、法拉第镜以及三条不等长支路，所述的差分脉冲生成模块将一个输入脉冲分成三个等间隔的等幅脉冲，其中由于法拉第镜的反射，往返光路中的偏振漂移得以补偿。

4.根据权利要求3所述高效稳定的差分相位与偏振编码复合量子密钥分发系统，其特征在于：所述差分脉冲生成模块中三条支路的长度与各相位解码模块中干涉环三条支路的长度均满足下述关系：

即差分脉冲生成模块中三条支路各自的往返长度服从等差数列，且其公差等于相位解码模块中间长度支路与最短支路的差，而相位解码模块中最长支路与中间长度支路的差等于前述公差的两倍。

5.根据权利要求1所述的高效稳定的差分相位与偏振编码复合量子密钥分发系统，其特征在于：所述偏振解码模块包括偏振控制器和偏振分束器，所述相位解码模块为两组，均包括偏振控制器、法拉第旋光器和由偏振分束器、不等长支路与耦合器构成的干涉环。

6.根据权利要求1或5所述的高效稳定的差分相位与偏振编码复合量子密钥分发系统，其特征在于：所述相位解码模块分为上下两个分支，对应于不同的偏振编码值，其中上分支偏振分束器0°端口支路最短，90°端口支路最长，下分支偏振分束器90°端口支路最短，0°端口支路最长。