CN100376926C

CN100376926C - 位相调制偏振态的量子编码器和解码器及其应用

Info

Publication number: CN100376926C
Application number: CNB2005100705060A
Authority: CN
Inventors: 唐志列; 廖常俊; 刘颂豪
Original assignee: South China Normal University
Current assignee: South China Normal University
Priority date: 2003-06-30
Filing date: 2003-06-30
Publication date: 2008-03-26
Anticipated expiration: 2023-06-30
Also published as: CN1721917A; CN1224210C; CN1477413A

Abstract

本发明涉及通信领域中的量子保密通信的专用设备及其应用方法，具体是位相调制偏振态的六态量子编码器和解码器及其用于量子保密通信中的偏振补偿方法；六态量子编码器和解码器由两个位相一偏振控制器和一个同步触发器组成；在量子密码通信中通过位相调制偏振态的量子编码器和解码器，对信号传输过程中引起的偏振态畸变进行有效的补偿，大大地降低误码率至10^-5，调制速度从几十赫兹到几G赫兹。

Description

位相调制偏振态的量子编码器和解码器及其应用

技术领域

本发明涉及通信领域中的量子保密通信的专用设备及其应用方法，具体是位相调制偏振态的量子编码器和解码器及其用于量子保密通信中的偏振补偿方法。本发明是中国专利申请CN03139636.4的分案申请。

背景技术

在现有量子密码通信技术中，有BB84协议、B92协议和E91协议等三大类协议，有二态编码、四态编码和六态编码等三种编码方式。BB84协议属于四态编码方式，而B92协议和E91协议属于二态编码方式，四态编码方式的效率比较高，而二态编码方式的效率减半。

BB84协议通常采用位相调制的编码方式，即采用两个完全相同的Mach-Zehnder干涉仪作为编码和解码器，这种编码方式的误码率除电噪声外主要由Mach-Zehnder干涉仪的干涉对比度决定，而干涉对比度由光的相干性决定，由于光的相干性在调制和传输过程中不可避免地受到破坏，而相干性一旦受到破坏，就无法补偿，因此，这种编码方式的误码率比较高。

虽然BB84协议还可采用四个非正交线偏振态或两个线偏振加两个圆偏振态的四态编码方式来实现，但目前在技术上还不能突破。

B92协议通常有位相调制和偏振调制两种方式，位相调制编码方式与BB84协议基本相同，只是B92协议采用二态编码，效率减半；而偏振调制编码方式通常采用光子的两个线偏振态进行编码，即利用电光晶体(如KD^*P、LiNbO₃等)或Pockels池对光子的两个线偏振态进行调制编码，由于电光晶体或Pockels池的半波电压很高(几千伏)，使用很不方便，而且很难实现高速编码，尤其是光的偏振态在传输过程中易受光纤中的应力双折射和偏振模色散等因素的影响以及环境的干扰，因此，误码率也比较高。

E91协议是采用纠缠态光子进行编码，由于纠缠态光子产生比较困难，所需设备比较昂贵，很难推广应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种位相调制偏振态的量子编码器和解码器，采用位相调制偏振态的方法，制造位相调制偏振态的量子编码器和解码器，并用所述编码器随机地制备六种偏振态的光子，即0°、45°、90°、135°的线偏振以及左旋和右旋圆偏振等六种非正交偏振态的光子，还可用所述解码器随机地产生六种非正交偏振态测量基，对六种非正交偏振态的光子进行检测和解码；所述编码器和解码器可用于BB84协议、B92协议的二态、四态和六态编码的量子密码通信。本发明的位相调制偏振态的量子编码器和解码器是指六态量子编码器和解码器。

本发明的目的在于提供所述位相调制偏振态的量子编码器和解码器用于量子保密通信中的偏振补偿的方法，采用位相调制偏振态技术，对信号传输过程中引起的偏振态畸变进行有效的补偿，大大地降低误码率，误码率可以降低到10^-5，调制速度从几十赫兹到几G赫兹，可用于BB84协议、B92协议的量子密码通信。

所述六态量子编码器由两个位相--偏振控制器和一个同步触发器组成，光路如图1所示，方法如下：将这两个位相--偏振控制器旋转45°角，使它们的偏振分束器的偏振方向成45°，这样一来，第一个位相--偏振控制器输出的45°、135°线偏振光对第二个位相--偏振控制器来说，就成了0°和90°的线偏振光，而第一个位相--偏振控制器输出的左旋和右旋圆偏振光对第二个位相--偏振控制器来说仍然是左旋和右旋圆偏振光，因此，对第二个位相--偏振控制器来说，有四种偏振态的输入光子，即0°、90°的线偏振和左旋、右旋圆偏振，当第二个位相--偏振控制器的位相调制器的输入电压分别为：0、V₀/2、V₀、3V₀/2伏时，V₀是半波电压，其输出的光子的偏振态可能是：0°、45°、90°、135°的线偏振和左旋、右旋圆偏振等六种非正交偏振态之一。输出光子的偏振态与两个位相调制器的输入电压的关系如表1。

表1

由表1可见，输出光子的偏振态由两个位相--偏振控制器中的两个位相调制器的输入电压控制，当两个位相调制器的输入电压随机地选择0、V₀/2、V₀、3V₀/2伏时，可以随机地产生0°、45°、90°、135°的线偏振和左旋、右旋圆偏振等六种非正交偏振态的光子。这样，我们研制成了由两个位相--偏振控制器和一个同步触发器组成六态量子编码器。

所述六态量子解码器的结构与六态量子编码器完全一样，它的作用是随机地产生六组非正交偏振态测量基，对六种非正交偏振态光子进行检测和解码，这六组非正交偏振态测量基分别是：0°、45°、90°、135°线偏振测量基和左旋、右旋圆偏振测量基。由表1可见，当真随机发生器7随机地产生：0、V₀/2、V₀、3V₀/2伏四种输出电压时，六态量子解码器可以随机地产生六组非正交偏振态测量基。

用六态量子编码器和解码器进行BB84协议的量子密码通信的方法是：光路如图2所示，发送方用六态量子编码器随机地制备六种非正交偏振态的光子，通过光纤传输给接收方，接收方用六态量子解码器随机地产生六种非正交偏振态测量基，对发送方发送的六种非正交偏振态光子进行检测，在探测到光子的情况下，将所用的测量基通过公共信道发送给发送方，发送方告诉接收方那些测量基选对了，然后发送方和接收方保留基一致时对应的比特，放弃其他数据，接收方随便公布某些比特，供发送方确认有无错误，最后经发送方确认无误、可认定无人窃听之后，剩下的比特序列留作密码本。

位相调制偏振态的量子编码器和解码器用于偏振补偿的方法是：当发送方发送的45°线偏振态的光子在传输过程中由于受光纤中的应力双折射的影响而变成右旋或左旋椭圆偏振光，这时，接收方可以通过改变位相调制器的输入电压，使其在

范围内进行微调，ΔV为补偿电压，使右旋或左旋椭圆偏振光准确恢复成45°线偏振态的光子，实现退偏振的补偿。

用位相调制偏振态的方法进行偏振补偿，有效地降低误率。由于光的偏振态在传输过程中不可避免地会受到光纤中的应力双折射和偏振模色散以及环境的影响而发生退偏现象，从而产生误码。因此，需要采用偏振补偿技术进行纠偏。

为了实现采用位相调制偏振态的方法，对光的偏振态进行更准确的补偿，位相调制偏振态的量子编码器和解码器用于偏振补偿的更具体的方法如下：发送方发送一个标准的45°线偏振态光子给接收方，接收方用135°线偏振测量基进行检测(根据表1，V₁＝V₀/2，V₂＝V₀/2，即可产生这种测量基)，如果光子在传输过程中其偏振态没有改变，那么，接收方就测量不到光子，如果光子在传输过程中发生退偏振，变成了右旋椭圆偏振光，那么，接收方就能测量到光子，这时，接收方只需改变V₁的电压，使其在

范围内进行微调，直到完全测量不到光子为止，这样，光子就恢复成标准的45°线偏振态。

同理，如果发送方发送一个标准的右圆偏振态光子给接收方，接收方用左圆偏振测量基进行检测(根据表1，V₁＝V₀/2，V₂＝V₀，即可产生这种测量基)，在没有发生退偏振情况下，则接收方就测量不到光子，如果光子在传输过程中发生退偏振，接收方就能测量到光子，这时，接收方只需改变V₁的电压，使其在范围内进行微调，直到完全测量不到光子为止，这样，光子就恢复成标准的右圆偏振态。由于这种偏振补偿技术是采用电压调制位相方法来实现，补偿的精度非常高，偏振度可以达到10^-5，也就是说，由传输过程中的退偏振所引起的误码率可以控制在10^-5

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)首次在实验上实现了六态编码的量子密码通信；

(2)用位相调制偏振态的方法进行偏振调制，调制电压低，只需0-10伏，而利用电光晶体进行偏振调制，半波电压需几千伏；

(3)用位相调制偏振态的方法进行编码和解码，可以进行高精度的偏振补偿，有效地降低误码率。

附图说明

图1是本发明六态量子编码器的结构框图；图中：1、6-偏振分束器，11、16-偏振方向旋转45°后的偏振分束器，2、3、5、12、13、15-保偏光纤，4、14-位相调制器，7、9-真随机发生器，8-触发器，10-单模光纤。

图2是本发明六态量子密码通信线路的结构框图；其中：1、6-偏振分束器，11、16-偏振方向旋转45°后的偏振分束器，2、3、5、12、13、15-保偏光纤，4、14-位相调制器，7、9-真随机发生器，8-触发器，10-单模光纤，17-传输光纤。

具体实施方式

实施例1：用六态量子编码器和解码器进行六态编码的量子密码通信

我们首次用六态编码方式进行了六态量子密码通信，光路如图2所示，发送方用六态量子编码器随机地制备六种非正交偏振态的光子，通过光纤传输给接收方，接收方用六态量子解码器随机地产生六种非正交偏振态测量基，对发送方发送的六种非正交偏振态光子进行检测，在探测到光子的情况下，接收方将所用的测量基通过公共信道发送给发送方，发送方告诉接收方那些测量基选对了，然后发送方和接收方保留测量基一致时对应的比特，放弃其他数据，接收方随便公布某些比特，供发送方确认有无错误，最后经发送方确认无误、可认定无人窃听之后，剩下的比特序列留作密码本。

实施例2：用位相调制偏振态的方法进行偏振补偿

用位相调制偏振态的方法对图1、图2所示通信线路进行偏振补偿实验：发送方发送一个标准的45°线偏振态光子给接收方，接收方用135°线偏振测量基进行检测(根据表1，V₁＝V₀/2，V₂＝V₀/2，即可产生这种测量基)，如果光子在传输过程中其偏振态没有改变，那么，接收方就测量不到光子，如果光子在传输过程中发生退偏振，譬如变成右旋椭圆偏振光，那么，接收方就可能测量到光子，这时，接收方只需改变V₁的电压，使其在

范围内进行微调，直到完全测量不到光子为止，这样，光子就恢复成标准的45°线偏振态。同理，如果发送方发送一个标准的右圆偏振态光子给接收方，接收方用左圆偏振测量基进行检测(根据表1，V₁＝V₀/2，V₂＝V₀，即可产生这种测量基)，在没有发生退偏振情况下，则接收方就测量不到光子，如果光子在传输过程中发生退偏振，接收方就可能测量到光子，这时，接收方只需改变V₁的电压，使其在

范围内进行微调，直到完全测量不到光子为止，这样，光子就恢复成标准的右圆偏振态。由于这种偏振补偿技术采用电压调制位相方法来实现，补偿的精度非常高，偏振度可以达到10^-5，即由传输过程中的退偏振所引起的误码率可以控制在10^-5以下。

Claims

1.一种六态量子编码器和解码器用于量子保密通信中的偏振补偿方法，其特征在于当编码器发送的45°线偏振态的光子在传输过程中由于受光纤中的应力双折射的影响而变成右旋或左旋椭圆偏振光，这时，解码器通过改变位相调制器的输入电压，使其在

范围内进行微调，V₀是半波电压，ΔV为补偿电压，使右旋或左旋椭圆偏振光准确恢复成45°线偏振态的光子，实现退偏振的补偿；所述六态量子编码器和解码器分别由两个位相--偏振控制器和一个同步触发器组成，其光路如下：将这两个位相--偏振控制器旋转45°角，使它们的偏振分束器的偏振方向成45°，第一个位相--偏振控制器输出的45°、135°线偏振光对第二个位相--偏振控制器来说，就成0°和90°的线偏振光，而第一个位相--偏振控制器输出的左旋和右旋圆偏振光对第二个位相--偏振控制器来说仍然是左旋和右旋圆偏振光，因此，对第二个位相--偏振控制器来说，有四种偏振态的输入光子，即0°、90°的线偏振和左旋、右旋圆偏振，当第二个位相--偏振控制器的位相调制器的输入电压分别为：0、V₀/2、V₀、3V₀/2伏时，其输出的光子的偏振态是：0°、45°、90°、135°的线偏振和左旋、右旋圆偏振六种非正交偏振态之一。

2.根据权利要求1所述的六态量子编码器和解码器用于量子保密通信中的偏振补偿方法，其特征在于编码器发送一个标准的45°线偏振态光子给解码器，解码器用135°线偏振测量基进行检测，如果光子在传输过程中其偏振态没有改变，那么，解码器就测量不到光子，如果光子在传输过程中发生退偏振，变成椭圆偏振光，那么，解码器就能测量到光子，这时，解码器只需改变其位相调制器的输入电压，使其在

范围内进行微调，直到完全测量不到光子为止，光子就恢复成标准的45°线偏振态。

3.根据权利要求1所述的六态量子编码器和解码器用于量子保密通信中的偏振补偿方法，其特征在于编码器发送一个标准的右圆偏振态光子给解码器，解码器用左圆偏振测量基进行检测，在没有发生退偏振情况下，则解码器就测量不到光子，如果光子在传输过程中发生退偏振，解码器就能测量到光子，这时，解码器只需改变其位相调制器的输入电压V₁，使其在

范围内进行微调，直到完全测量不到光子为止，光子就恢复成标准的右圆偏振态。