CN101150371A - 一种相位编码偏振检测的量子密钥分配系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种相位编码偏振检测的量子密钥分配系统，由发送方和接收方通过量子信道相连接；发送方与接收方均含有相同的四端口偏振分束合路器，所述四端口偏振分束合路器的反射口依次连接相位调制器和90°旋转法拉第镜形成长路，透射口与90°旋转法拉第镜连接形成短路。所述发送方的四端口偏振分束合路器的入射口连接单光子源，出射口与量子信道的一端连接；所述接收方的四端口偏振分束/合路器的入射口与量子信道的另一端连接，出射口依次连接到λ/2波片和三端口偏振分束/合路器的公共端口，所述三端口偏振分束/合路器的反射口和透射口分别连接单光子探测器。本发明具有结构简单、自动补偿光纤及器件双折射效应、强抗干扰能力等优点。

Description

一种相位编码偏振检测的量子密钥分配系统

技术领域

本发明涉及光传输保密通信技术领域，特别涉及量子密钥分配系统。

背景技术

量子信息科学是量子力学与信息科学相结合的产物，定将对人类社会产生重大影响的新兴前沿科学。量子密钥分发是量子信息科学中的重要分支，也是当前量子信息中最接近实用的领域。1992年，Bennett等人基于BB84协议，以强衰减的激光脉冲做单光子源，信息加载在单光子的偏振上，第一次成功地在自由空间完成了演示性实验，从而掀起了量子密钥分配实验研究的高潮。美国专利号5307410提出的基于双不等臂马赫-曾德尔(Mach-Zehnder，简称M-Z)干涉仪的量子密要分配系统，光子单向传输；该方案有效地制止了木马攻击，在通信双方各自的干涉仪内部光脉冲沿不同的路径传播。虽然后来的方案有偏振保持光纤的应用，但是两个光脉冲分别通过不等臂马赫-曾德尔干涉仪的不同臂，经历不同的光学器件，由于光纤、光学器件的双折射的影响，很难保证两个光脉冲偏振状态的确定关系。为克服上述方案的缺陷，如文献：A.Muller等人在1997年Appl.Phys.Lett.(Vol 70)发表了“Plug and play systems for quantum cryptography”，首次提出基于法拉第旋转镜的时分复用干涉仪的方案。该方案中采用了90°旋转法拉第反射镜，两个光脉冲在通信的双方传输一个来回，每个光脉冲经过所有的光路一次，它们的偏振就得到了自动的补偿，从而消除了光纤、光学器件的双折射的影响。方案中的另一个特点就是，解决了波导型相位调制器的偏振依赖工作特性。但是，该方案的缺陷是：采用理想的单光子源，由于光脉冲要在量子信道中来回两次，极限通信距离只有单向传输的一半。对于该方案通常采用的方法是去时利用强光、回程时衰减成单光子源，但是，光路中的回损又增加了误码率，而且不能有效的防止木马攻击。中国专利申请号：200410013996.6发明名称：“一种偏振控制编码方法、编码器和量子密钥分配系统”提出了以偏振控制编码器为核心组成的量子密钥分配系统，由于在通信的双方的安全区内部所采用的普通X型耦合器，单光子的路径的随机选择，会造成效率的降低。另外，上述的各种方法均采用的是相位编码、相干检测方案，该方案除了上述的不足，另外编码方式和探测方法单一，限制了量子密钥分发技术的发展。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种相位编码、偏振检测的量子密钥分配系统。

为了达到上述目的，本发明采取如下技术方案。

一种相位编码偏振检测的量子密钥分配系统，由发送方和接收方通过量子信道相连接；发送方包括第一偏振分束/合路器2，一单光子源1设置在所述第一偏振分束/合路器2的第一端口A处，所述第一偏振分束/合路器2的第二端口B处依次连接第一相位调制器3和第一90°旋转法拉第镜4形成发送方长路，第三端口C与第二90°旋转法拉第镜5连接形成发送方短路，第四端口D与量子信道14的一端连接；接收方包括第二偏振分束/合路器6，其所述第二偏振分束/合路器6的第一端口E与量子信道14的另一端连接，所述第二偏振分束/合路器6的第二端口F依次连接到第二相位调制器7、第三90°旋转法拉第镜8形成接收方长路，所述第二偏振分束/合路器6的第三端口G与第四90°旋转法拉第镜9连接形成接收方短路，所述第二偏振分束/合路器6的第四端口H依次连接到λ/2波片10和第三偏振分束/合路器11的第一端口，所述第三偏振分束/合路器11的第二端口连接到第一单光子探测器12，所述第三偏振分束/合路器11的第三端口连接到第二单光子探测器13。

在上述技术方案中，进一步地，所述第一偏振分束/合路器2的第二端口B和所述第二偏振分束/合路器6的第二端口F是相应偏振分束/合路器的反射光输出端口。

在上述技术方案中，进一步地，所述第一偏振分束/合路器2的第二端口B和所述第二偏振分束/合路器6的第二端口F是相应偏振分束/合路器的透射光输出端口。

在上述技术方案中，进一步地，所述发送方短路与接收方长路的光程之和与发送方长路与接收方短路的光程之和相等。

在上述技术方案中，进一步地，所述单光子源1可以是由衰减激光光脉冲而获得的单光子源或其它方法获得的单光子源。

在上述技术方案中，进一步地，在接收方的光路中，由第三和第四90°旋转法拉第镜反射的两个光脉冲返回到所述第二偏振分束/合路器6的第四端口H进行合束时，两个光脉冲的振幅相等。

在上述技术方案中，进一步地，在接收方的光路中，所述λ/2波片10的的快轴或慢轴方向应与所述第一偏振分束/合路器2和第二偏振分束/合路器6的两个偏振基中的任一偏振基成22.5°或-22.5°角。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

本发明提供的一种相位编码、偏振检测的量子密钥分配系统，接收方和发送方采用了四端口偏振分束/合路器、相位调制器、90°旋转法拉第镜的组合，结构简单，自动补偿光纤及器件的双折射效应，提高了量子密钥分配系统的抗干扰能力及单光子的利用效率。通信双方按照量子密钥协议的约定进行相位编码、偏振检测，进而建立它们的密码本，实现量子密钥的无条件安全分配系统。本发明可以用于保密通信，例如军事、政治、商业情报等领域。

附图说明

图1是本发明相位编码、偏振检测的量子密钥分配系统基本组成示意图。

图2是本发明一实施例的相位调制器所加电压与两单光子探测器的计数关系图。

图面说明：

1——单光子源，                2——第一偏振分束/合路器；

3——第一相位调制器，          4——第一90°旋转法拉第镜；

5——第二90°旋转法拉第镜，    6——第二偏振分束/合路器；

7——第二相位调制器，

8——第三90°旋转法拉第镜，    9——第四90°旋转法拉第镜；

10——λ/2波片，

11——第三偏振分束/合路器，

12 ——第一单光子探测器，      13——第二单光子探测器；

14——量子信道

A、B、C、D、E、F、G、H——相应偏振分束/合路器的各端口。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

如图1所示，相位编码、偏振检测的量子密钥分配系统，发送方的光路结构是由单光子源1发射的一个光脉冲通过输入端口A输入到一个四端口的第一偏振分束/合路器2后，被四端口偏振分束/合路器2的反射及透射而分成偏振相互垂直的两个光脉冲，分别耦合进四端口偏振分束/合路器2的第二输出端口B和第三输出端口C。其中，第三输出端口C直接与第二90°旋转法拉第镜5相连，定义为发送方短路；第二输出口B与第一相位调制器3、第一90°旋转法拉第镜4依次连接而成，定义为发送方长路。这两个偏振相互垂直的光脉冲分别经90°旋转法拉第镜反射后，返回到四端口偏振分束/合路器2合成一路，由其第四个端口D输出至量子信道14。接收方的光路是：来自于量子信道14偏振相互垂直的光脉冲通过第二偏振分束/合路器6的第一端口E耦合进四端口的第二偏振分束/合路器6而被分开，分别耦合进四端口偏振分束/合路器6的另外两个输出口，即第二端口F和第三端口G。其中，第三端口G直接与第四90°旋转法拉第镜9相连，定义为接收方短路，第二端口F与第二相位调制器7、第三90°旋转法拉第镜8依次连接，定义为接收方长路。这两个偏振相互垂直的光脉冲分别经90°旋转法拉第镜反射后，再次返回到四端口偏振分束/合路器6合成一路，由四端口偏振分束/合路器的第四个端口H输出，经λ/2波片10后输入到三端口的偏振分束/合路器11的第一端口即公共端口，其两个偏振输出口即第二端口和第三端口分别接第一单光子探测器12和第二单光子探测器13。

第一偏振分束/合路器2和第二偏振分束/合路器6对于从任一端口输入的光，总是分成偏振相互垂直的两个光脉冲，并且一个被反射，另一个透射。

在本实施例中，发送方的第一相位调制器3与接收方的第二相位调制器7分别同时放在第一偏振分束/合路器2和第二偏振分束/合路器6的反射光输出口B和反射光输出口F。实际上还可以这样设置：发送方的第一相位调制器3与接收方的第二相位调制器7分别同时放在第一偏振分束/合路器2和第二偏振分束/合路器6的透射光输出口C和透射光输出口G上。

使用一台输出中心波长在1310nm的脉冲激光器，输出光偏振态为+45°线偏振光，经衰减器衰减到平均每十个脉冲含有一个光子，这样可近似地看为单光子源1。输入到四端口的第一偏振分束/合路器2，被反射的光定义为垂直偏振光沿短路传输，P1，琼斯矩阵表示为 $|v\⟩=\left[\begin{array}{c}0\\ 1\end{array}\right];$ 透射的光定义为水平偏振光沿长路传输，P2，琼斯矩阵表示为 $|h\⟩=\left[\begin{array}{c}1\\ 0\end{array}\right].$ 垂直偏振光，P1，经相位调制器到达90°旋转法拉第镜而被原路返回，同时，偏振态也变为水平偏振。两次经过相位调制器，且通过时的偏振方向相互垂直，给相位调制器所加的电脉冲宽度大于来回两次经过的时间，从而解决了波导型相位调制器的单偏振工作模式，同时将要调制的信息也加载在了光脉冲上。透射的为水平偏振光，P2，直接被90°旋转法拉第镜被反射，沿原路返回，同时，偏振态也变为垂直偏振。当P1，P2再次到达四端口的偏振分束/合路器时，它们的偏振态分别为

|P1＞＝exp[i(θ_LA+Φ_PM1)]·|h＞

|P2＞＝exp[i(θ_SA)]·|v＞

其中θ_SA和θ_LA是由于短路和长路的光纤引入的相位，Φ_PM1是发送方用相位调制器所调制的相位。

P1就会透射而P2被反射，它们被合成一路，从四端口的偏振分束/合路器的第四个端口输出耦合进量子信道。

经量子信道，此处实施例所用的量子信道是市场所售的50公里通信光纤，必要时在接收方前加一偏振控制器。P1，P2初次到达接收方的四端口的偏振分束/合路器时，P1就会透射沿短路传输而P2被反射沿长路传输。那么，P1直接被90°旋转法拉第镜被反射，沿原路返回，同时，偏振态也变为垂直偏振；P2经相位调制器到达90°旋转法拉第镜而被原路返回，同时，偏振态也变为水平偏振，两次经过相位调制器，且通过时的偏振方向相互垂直，给相位调制器所加的电脉冲宽度大于来回两次经过的时间，从而解决了波导型相位调制器的单偏振工作模式，同时将要调制的信息也加载在了光脉冲上。当P1，P2再次到达四端口的偏振分束/合路器时，它们的偏振态分别为：

|P1＞＝exp[i(θ_LA+θ_SB+Φ_PM1)]·|v＞

|P2＞＝exp[i(θ_SA+θ_LB+Φ_PM2)]·|h＞

其中θ_SB和θ_LB是由于接收方的短路和长路的光纤引入的相位，Φ_PM2接收方用相位调制器所调制的相位。

这样，P1就会透射而P2被反射。因为发送方短路与接收方长路的光程之和与发送方长路与接收方短路的光程之和相等，那么P1，P2就合束为一个偏振态的光脉冲出来，其偏振态φ可表示为：

其中Δθ_A＝θ_LA-θ_SA，Δθ_B＝θ_LB-θ_SB，ΔΦ₂₁＝Φ_PM2-Φ_PM1。显然，Δθ_A＝Δθ_B因为发送方短路与接收方长路的光程之和与发送方长路与接收方短路的光程之和相等。于是，φ仅与发送方和接收方所加的相位差有关系。对于φ的检测，首先使其通过一个λ/2波片，它的的快轴方向与水平方向成22.5°，然后输入到三端口的偏振分束/合路器的公共端口，其水平偏振态光输出端与竖直偏振态光输出端分别接单光子探测器。对于不同的发送方和接收方所加的相位，光子在水平偏振态光输出端、竖直偏振态光输出端的概率，可得出如表格1所述的关系：

表格1

发送方	接收方	垂直态光出口(％)	水平态光出口(％)
				0	0	0	100
π/2	50	50
			π		100	0
3π/2	50	50
			π/2		0	50	50
π/2	0	100
				π	50	50
3π/2	100	0
				π	0	100	0
π/2	50	50
			π		0	100
3π/2	50	50
			3π/2		0	50	50
π/2	100	0
				π	50	50
3π/2	0	100

选择(0，π)，(π/2，3π/2)为两套共轭基，可以看出当且仅当双方选择的基一致时，光子在水平偏振态光输出端或竖直偏振态光输出端出现的概率是确定的，否则就是完全随机的，即可以实现四态的BB84协议的量子密钥方案。也可选择(0，π/2)，(π，3π/2)为两套非共轭基，发送方随机的选择0或π/2调制，接收方随机的选择π，3π/2调制，那么接收方根据探测结果和所选用的调制相位，可以准确地推断出发送方所用的相位，也即可以实现两态的B92协议的量子密钥方案。

按照上述，扫描加在接收方相位调制器上的电压在发送方相位调制器所加电压始终为0的条件下，测得的水平偏振态光输出端和竖直偏振态光输出端光子计数的变化如图2。所用相位调制器半波电压约为5.3伏特。

本实施例中的各器件采用市场所售的常规器件。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种相位编码偏振检测的量子密钥分配系统，由发送方和接收方通过量子信道相连接；其特征是，发送方包括第一偏振分束/合路器(2)，一单光子源(1)设置在所述第一偏振分束/合路器(2)的第一端口(A)处，所述第一偏振分束/合路器(2)的第二端口(B)处依次连接第一相位调制器(3)和第一90°旋转法拉第镜(4)形成发送方长路，第三端口(C)与第二90°旋转法拉第镜(5)连接形成发送方短路，第四端口(D)与量子信道(14)的一端连接；接收方包括第二偏振分束/合路器(6)，其所述第二偏振分束/合路器(6)的第一端口(E)与量子信道(14)的另一端连接，所述第二偏振分束/合路器(6)的第二端口(F)依次连接到第二相位调制器(7)、第三90°旋转法拉第镜(8)形成接收方长路，所述第二偏振分束/合路器(6)的第三端口(G)与第四90°旋转法拉第镜(9)连接形成接收方短路，所述第二偏振分束/合路器(6)的第四端口(H)依次连接到λ/2波片(10)和第三偏振分束/合路器(11)的第一端口，所述第三偏振分束/合路器(11)的第二端口连接到第一单光子探测器(12)，所述第三偏振分束/合路器(11)的第三端口连接到第二单光子探测器(13)。

2.根据权利要求1所述相位编码偏振检测的量子密钥分配系统，其特征是，所述第一偏振分束/合路器(2)的第二端口(B)和所述第二偏振分束/合路器(6)的第二端口(F)是相应偏振分束/合路器的反射光输出端口。

3.根据权利要求1所述相位编码偏振检测的量子密钥分配系统，其特征是，所述第一偏振分束/合路器(2)的第二端口(B)和所述第二偏振分束/合路器(6)的第二端口(F)是相应偏振分束/合路器的透射光输出端口。

4.根据权利要求1所述相位编码偏振检测的量子密钥分配系统，其特征是，所述发送方短路与接收方长路的光程之和与发送方长路与接收方短路的光程之和相等。

5.根据权利要求1所述相位编码偏振检测的量子密钥分配系统，其特征是，所述单光子源(1)是由衰减激光光脉冲而获得的单光子源。

6.根据权利要求1所述相位编码偏振检测的量子密钥分配系统，其特征是，在接收方的光路中，由第三和第四90°旋转法拉第镜反射的两个光脉冲返回到所述第二偏振分束/合路器(6)的第四端口(H)进行合束时，两个光脉冲的振幅相等。

7.根据权利要求1所述相位编码偏振检测的量子密钥分配系统，其特征是，在接收方的光路中，所述λ/2波片(10)的快轴或慢轴方向与所述第一偏振分束/合路器(2)和第二偏振分束/合路器(6)的两个偏振基中的任一偏振基成22.5°或-22.5°角。

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