CN101572600A - 一种即插即用量子密钥分发装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于设计一种结构简单、易于构建、抗干扰性强、易于实现的量子密钥分发装置。该装置的主光路由光子源、光环型器、四端口光偏振分束/合路器、量子信道、相位调制器、90°旋转法拉第反射镜依次连接而成。通信双方(主控方、从控方)通过量子信道连接在一起。在主控方的光环型器反射输出端口依次连接偏振片、单光子探测器组成探测部分；四端口光偏振分束/合路器的一个反射端口连接90°旋转法拉第反射镜，一个透射端口依次连接相位调制器、90°旋转法拉第反射镜组成信息加载部分。从控方由与量子信道依次连接的相位调制器、90°旋转法拉第反射镜组成信息加载部分。四端口光偏振分束/合路器与90°旋转法拉第反射镜的组合消除了光学器件、光纤的双折射效应，增强了系统的稳定性。

Description

一种即插即用量子密钥分发装置

技术领域

本发明涉及光纤传输保密通信技术领域，特别涉及量子密钥分发中的实现装置。

背景技术

现有的经典密码学是建立在大质因数分解等数学难题上，随着高性能计算机的研制，特别是量子计算机的研制成功，现有的密码体制将不再难以攻破。而量子密码学是建立在量子力学基本原理基础上，是量子力学和经典密码学相结合的一门新兴交叉学科。量子密码通信是目前科学界公认唯一能实现绝对安全的通信方式，成功地解决了传统密码学中单靠数学无法解决的问题，引起了国际密码学界和物理学界的高度重视，各国科学家纷纷开展研究并取得了巨大成功，但许多问题仍在探索阶段，理论与实验都需要创新与简化，尚未大规模实用化，离商业化应用有更大距离。

目前，公知的即插即用(plug&play)量子密钥分发装置(A.Muller，et al，Plug and playsystems for quantum cryptography，Appl.Phys.Lett.，1997，70：793)是1997年瑞士日内瓦大学Gisin小组利用法拉第镜消除了光纤光路中的双折射等因素的影响，提高了系统的抗干扰能力，把干涉可见度提高到了99.84％，同时极大地提高了信道的偏振、相位稳定性，使得系统的稳定性和使用的方便性大大提高。但该系统也存在以下问题：

1.该系统使用了基于X型光纤耦合器的Michelson干涉仪，一部分光脉冲会被直接反射进入光子计数探测器，从而导致增加误码率。

2.该系统工作在较低重复频率下，因此光纤中不会超过一个脉冲，当重复频率增加时，由于反射的光子和后脉冲产生错误计数，从而增加量子误码率。

3.瑞利后向散射也是该系统存在的一个问题

在高重复频率下，由于即插即用系统内在的双向特性，光脉冲在反射时会形成交叉，此时瑞利后向散射光子就伴随着脉冲传输，增加了量子误码率。

为解决以上问题，2000年，Ribordy G et al..等人提出对上述系统的改进装置(Ribordy G et al.，Fast and user-friendly quantum key distribution，J.Mod.Opt.，2000，47：517)，改进装置提高了系统重复频率，并克服高频率下由瑞利散射增加量子误码率的问题，系统中在Bob端使用了偏振控制器，需要调整两路中的偏振控制器以使光透过偏振分束器，这种机械式的调整增加了系统复杂性和抗干扰能力。

发明内容

本发明的目的在于设计一种结构简单、易于构建、抗干扰性强、易于实现的量子密钥分发装置。该装置的主光路由光子源、光环型器、四端口光偏振分束/合路器、量子信道、相位调制器、90°旋转法拉第反射镜依次连接而成。通信双方(主控方、从控方)通过量子信道连接在一起。在主控方的光环型器反射输出端口依次连接偏振片、单光子探测器组成探测部分；四端口光偏振分束/合路器的一个反射端口连接90°旋转法拉第反射镜，一个透射端口依次连接相位调制器、90°旋转法拉第反射镜组成信息加载部分。从控方由与量子信道依次连接的相位调制器、90°旋转法拉第反射镜组成信息加载部分。四端口光偏振分束/合路器与90°旋转法拉第反射镜的组合消除了光学器件、光纤的双折射效应，增强了系统的稳定性。

本发明采取如下技术方案：

包括主光路由脉冲光子源(1)、光环型器(2)、四端口光偏振分束/合路器(7)、量子信道(9)、相位调制器(11)、90°旋转法拉第反射镜(12)依次连接而成。其中脉冲光子源(1)的输出端连接光环型器(2)的同向输入端口，光环型器(2)的同向输出端口连接四端口光偏振分束/合路器(7)的7a端口，四端口光偏振分束/合路器(7)的7c端口连接量子信道(9)，光环型器(2)的反向输出端口依次连接偏振片(3)、单光子探测器(4)；四端口光偏振分束/合路器(7)的7b端口连接90°旋转法拉第反射镜(8)、7d端口依次连接相位调制器(6)、90°旋转法拉第反射镜(5)。脉冲光子源(1)可以是真的单光子源、也可以是脉冲激光，若为脉冲激光时，须在相位调制器(11)前加一个可调衰减器(10)。

由脉冲激光器(1)发射一串偏振方向为45°或者135°线偏振光耦合到环型器(2)，其同向输出端接四端口偏振分束/合路器(7)(四端口偏振分束/合路器工作原理是分光面对任意偏振方向输入光透射其平行偏振态光分量而反射其垂直偏振态光分量)，那么由四端口偏振分束/合路器(7)透射及反射对等地分成偏振相互垂直的两个光脉冲，设平行偏振态光分量为Λ1，垂直偏振态光分量为Λ2。Λ1透射后由7c端口经相位调制器(11)到达90°旋转法拉第反射镜(12)被反回，在被90°旋转法拉第反射镜(12)反回的同时，其偏振方向也旋转90°而成为垂直偏振；再次到达四端口偏振分束/合路器(7)分光面被反射后由7d端口经相位调制器(6)到达90°旋转法拉第反射镜(5)被反回，在被90°旋转法拉第反射镜(5)反回的同时其偏振态变为平行偏振，同时往返通过相位调制器(6)、90°旋转法拉第反射镜(5)组成的光路的过程中相位调制器(6)把所要加载的相位信息加到了Λ1脉冲上，再次到达四端口偏振分束/合路器(7)的分光面并透射后由7b端口到达90°旋转法拉第反射镜(8)被反回，在被反回同时，其偏振态变为垂直偏振，再次到达四端口偏振分束/合路器(7)的分光面被反射，沿着7a端口输出；与以上分析类似，可对Λ2走过的光路进行分析，在Λ2所经过的光路的过程中仅当Λ2往返通过相位调制器(11)、90°旋转法拉第反射镜(12)组成的光路的过程中相位调制器(11)把所要加载的相位加到了Λ2脉冲上，最后也是到达四端口偏振分束/合路器(7)的分光面被透射，沿着7a端口输出。经分析可知，Λ1与Λ2所走的路经完全相同，只是先后顺序不同，它们同时到达四端口偏振分束/合路器(7)分光面相遇叠加，并沿着四端口偏振分束/合路器(7)7a端口输出。Λ1、Λ2叠加而成的光的偏振方向由相位调制器(6)、(11)所加的相位确定。在环型器(2)的反射输出端口连接45°或者135°检偏器(3)和单光子探测器(4)，进行探测。通过对合成光的偏振态的测量，通信双方就可以按照量子密钥分发协议的约定进行相位编码，进而建立他们的密码本，实现量子密钥的无条件安全分配。

所述的主控方脉冲光子源(1)可以是真的单光子源、也可以是脉冲激光，若为脉冲激光时，须在相位调制器(11)前加一个可调衰减器(10)。

本发明的优势在于：

1.采用四端口偏振分束器、相位调制器、90°法拉第旋转镜的组合，自动补偿光纤及光学器件的双折射效应，增强了系统的稳定性，提高了量子密钥分发系统的抗干扰能力。

2.结构简单，易于构建更加接近实用化的量子密钥分发系统。

附图说明

图1一种即插即用量子密钥分发装置原理图

图2：在保持加在PM1电压为零的条件下，单光子探测器的计数随着加在PM2上电压的变化图。

图面说明：

1——脉冲光子源

2——光环型器

3——偏振片

4——单光子探测器

5、8、12——90°旋转法拉第镜

6、11——相位调制器

7——四端口偏振分束/合路器向为调制器

9——量子信道

10——可调衰减器

7a、7b、7c、7d——四端口偏振分束/合路器

具体实施例：

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，一种即插即用量子密钥分发装置，使用一台输出中心波长在1310nm的脉冲激光器(1)，输出光偏振态为+45°线偏振光，耦合进光环型器(2)，光环型器的同向输出端连接四端口偏振分束器(7)的输入端7a。为叙述方便，定义四端口偏振分束器(7)分光面反射垂直偏振光|v>，用Λ2表示；透射平行态偏振光|h>，用Λ1表示。Λ1透射后由7c端口经相位调制器(11)到达90°旋转法拉第反射镜(12)被反回，在被90°旋转法拉第反射镜(12)反回的同时，其偏振方向也旋转90°而成为垂直偏振；再次到达四端口偏振分束/合路器(7)分光面被反射后到7d端口。在这一过程中，双折射效应的自动补偿的原因解释如下：

对于一个具有双折射效应的器件，它的正向

反向

琼斯传输矩阵可表述为：

$\stackrel{\→}{T}=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\θ}\\ \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{cc}\exp \left({\mathrm{i\θ}}_o\right)& 0\\ 0& \exp \left(i{\mathrm{\θ}}_e\right)\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\\ -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]$

$\stackrel{\←}{T}=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\\ -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{cc}\exp \left({\mathrm{i\θ}}_o\right)& 0\\ 0& \exp \left(i{\mathrm{\θ}}_e\right)\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\θ}\\ \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]$

式中θ是参考坐标与双折射器件的快慢轴的夹角，θ_o、θ_e是双折射器件引起的o光和e光的相位变化。

90°法拉第旋转镜可看作是一个45°法拉第旋转器和一个普通平面反射镜的组合，它的琼斯传输矩阵为：

对于一个终端带有法拉第旋转镜和双折射器件组成光路的琼斯传输矩阵为：

$T=\stackrel{\←}{T}\·T_{\mathrm{FM}}\·\stackrel{\→}{T}=\exp \left\{i({\mathrm{\θ}}_o+{\mathrm{\θ}}_e)\right\}{T}_{\mathrm{FM}}=\exp \left(\mathrm{i\φ}\right)\·T_{\mathrm{FM}}$

其中φ＝θ_o+θ_e，从上式可以看出，其整体的传输矩阵等价为一个相移因子和法拉第旋转镜传输矩阵的乘积，与传输介质的双折射效应和输入光的偏振态无关，因此可从根本上消除光路中引入的各种双折射效应，从而达到系统抗干扰性强的功能。

Λ1通过相位调制器(6)到达90°旋转法拉第反射镜(5)被反回，在被90°旋转法拉第反射镜(5)反回的同时其偏振态变为平行偏振，同时往返通过相位调制器(6)、90°旋转法拉第反射镜(5)组成的光路的过程中相位调制器(6)把所要加载的相位信息加到了Λ1脉冲上，再次到达四端口偏振分束/合路器(7)的分光面并透射后由7b端口到达90°旋转法拉第反射镜(8)被反回，在被反回同时，其偏振态变为垂直偏振，再次到达四端口偏振分束/合路器(7)的分光面被反射，沿着7a端口输出，此时刻的状态表示为：

|Λ₁>＝exp{i(θ_o+φ_PM1)}|v>

其中θ_o是由于光路引入的相位，φ_PM1是主控方用相位调制器所调制的相位。

Λ2再次到达四端口偏振分束/合路器(7)的分光面被透射，沿着7a端口输出，其此时刻的状态表示为：

|Λ₂>＝exp{i(θ_o+φ_PM2)}|h>

其中θ_o是由于光纤引入的相位，φ_PM2是主控方用相位调制器所调制的相位。

那么Λ1，Λ2所走的光路完全一样，同时到达四端口偏振分束/合路器(7)的分光面就合束为一个偏振方向的光脉冲沿着7a出来，其偏振态Λ可表示为：

$|\mathrm{\Λ}>=|{\mathrm{\Λ}}_1>+|{\mathrm{\Λ}}_2>$

$=\exp \left\{i({\mathrm{\θ}}_o+{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{PM}1})\right\}|v>+\exp \{i({\mathrm{\θ}}_o+{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{PM}2})\left\}\right|h>$

$=\left|\begin{array}{c}\exp \left\{i({\mathrm{\θ}}_o+{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{PM}2})\right\}\\ \exp \left\{i({\mathrm{\θ}}_o+{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{PM}1})\right\}\end{array}\right.\⟩=\exp \left\{i({\mathrm{\θ}}_o+{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{PM}1})\right\}\left|\begin{array}{c}\exp \left\{\mathrm{i\Δ\φ}\right)\}\\ 1\end{array}\right.\⟩$

其中Δφ＝φ_PM2-φ_PM1。于是，Δφ仅与主控方和从控方所加的相位差有关系。对于φ的检测，在环型器(2)的反向输出端接45°方向的偏振片(3)，终端连接一个单光子探测器(4)对透过(3)的单光子进行探测。对于不同的主控方和从空方所加的相位，光子透过(3)被探测到的概率，可得出如表格1所述的关系：

表格1

选择(0，π/2)为主控方的发送基失，(π，3π/2)为从控方选择基失，从表1中可以看出当且仅当双方选择的基矢互为正交时，发现光子的概率为零；互为非正交时，有50％的概率发现光子，因此可实现双态的B92协议的量子密钥方案。

按照上述，扫描加在从控方相位调制器上的电压，同时保持主控方相位调制器电压始终为0的条件下，测得的单光子探测器的计数的变化如图2。所用相位调制器半波电压约为5.14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 (3)

1.一种即插即用量子密钥分发装置，其特征在于主光路由脉冲光子源(1)、光环型器(2)、四端口光偏振分束/合路器(7)、量子信道(9)、相位调制器(11)、90°旋转法拉第反射镜(12)依次连接而成。其中光环型器(2)的反射端输出口依次连接偏振片(3)、单光子探测器(4)；四端口光偏振分束/合路器(7)的7b端口连接90°旋转法拉第反射镜(8)、7d端口依次连接相位调制器(6)、90°旋转法拉第反射镜(5)。

2.根据权利要求1所述的一种即插即用量子密钥分发装置，其特征在于：脉冲光子源(1)可以是真的单光子源、也可以是脉冲激光，若为脉冲激光时，须在相位调制器(11)前加一个可调衰减器(10)。

3.根据权利要求1所述的一种即插即用量子密钥分发装置，其特征在于：脉冲光子源(1)输出光的偏振方向为45°或135°或者输出后被调制成45°或135°，相应的偏振片(3)的透光方向也放置成45°或135°。

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