CN104506308A - 一种外调制的高速诱骗态量子光源的制备方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种外调制的高速诱骗态量子光源的制备方法及装置，其方法：首先由超短脉冲激光器发出高重复频率的线偏振光脉冲，然后进入高速光强度调制模块，将原本强度相同的光脉冲信号随机调制成三种不同光强度的光脉冲信号，分别为信号态和诱骗态，然后进入偏振态产生光路随机产生四种偏振态，再经过光衰减器衰减后输出三种光强、四种偏振态共九种量子态。装置包括：超短脉冲激光器、高速光强度调制模块、偏振态产生光路、高速光相位调制模块、光衰减器和高速逻辑控制芯片。本发明采用外调制的方式调制光脉冲的强度，调制出的不同量子态的光脉冲具有很好的一致性，克服了内调制由于光脉冲形状、幅值、脉宽不一致造成安全漏洞的问题。

Description

一种外调制的高速诱骗态量子光源的制备方法及装置

技术领域

本发明涉及量子保密通信领域，用作其中高速量子密钥分发系统中的量子态光源，具体地说是一种外调制的高速诱骗态量子光源的制备方法及装置。

背景技术

量子力学自上世纪初建立，大大推动了物理学的发展，不仅如此，人们发现量子力学与信息学科进行结合，发展出的量子信息学科可以完成经典信息学科无法完成的任务，如量子密钥分发(QKD)，其安全性是由物理学基本原理保证的，故这种通信方式具有无法被破解的绝对安全性。

目前在国际上获得广泛认可的量子密钥分发方案包括相位编码方案、偏振编码方案、纠缠态方案等。基于纠缠光子对的QKD系统目前还停留在实验室阶段，离实用化还有一段距离。相位编码方案核心是测量干涉仪中的单光子路径，根据不同相位下的光子干涉情况筛选密钥。但是相位编码方案在实际系统中需要对光程进行精确控制以保持干涉可见度，并且单向系统中还需要保证偏振稳定，系统需主动控制的单元模块较多。针对这一问题，由Gisin小组提出的双向的“plug-play”系统利用法拉第反射镜实现了自动的路径和偏振补偿，具有很强的抗干扰能力，无需主动控制就可以达到较高的单光子干涉稳定性，但此方案是一种双向的相位编码方式，量子态光源和单光子探测器在接收端，相位调制位于发送端，为克服相位调制器的偏振相关性，须对通过法拉第反射镜前后的二个正交偏振方向实施调制，加载在相位调制器上的脉冲至少需覆盖法拉第反射镜和相位调制器之间的来回光程，导致信息加载时序的速度受限，另外，从接受端向发送端发送的强光脉冲在光纤回路中产生的回光散射覆盖一定的时间宽度，对接受端的单光子探测产生不利影响，且单光子探测器也具有一定的时间抖动，故此种方案不适用于GHz以上的高速QKD系统。

偏振编码的方案则是利用光子极性进行量子保密通信，历史上第一次量子通信的实验也是利用这种编码方式。与相位系统相比，偏振编码可以使用被动的调制和解调器件，无需主动控制，其器件的插入损耗也比较小。因偏振编码的QKD方案中量子光源和单光子探测器位于信道两端，故不存在“plug-play”方案中存在的问题，故适用于GHz以上的高速QKD系统。

现实中由于实验设备的限制，无法产生严格的单光子源，所使用的量子光源一般为经过衰减之后的弱相干光，光源中由于无法避免的多光子脉冲导致窃听者Eve可以采用光子数分离(PNS)进行攻击，在通信双方没觉察的情况下拦截光子，这种缺陷导致了密钥率和最大安全距离都受到影响。在通信过程中，如果双方能够获知单光子脉冲的比率，通过协同进行保密放大，可以压缩密钥使Eve没法得到任何信息。这样，通过后续过程的操作就能保证系统的安全性。单光子比率估计的准确率直接影响保密放大的效率，所以对光源发出的脉冲中的单光子脉冲比率的准确估计是量子密钥分配的关键。2003年，Hwang提出采用诱骗态方法来更好的估计脉冲中的单光子比率，这使得QKD系统的密钥率和最大安全距离都有显著提高。2005年，Wang和Lo分别提出了完整的诱骗态QKD方案，2007年，中国的研究小组联合试验，完成诱骗态QKD方案的实验验证。随后，众多QKD方案和实验有世界各地的研究者完成，并已被证明是抵抗PNS攻击的最有效方案。而在相位编码方案中由于强度调制器的偏振相关性，即对不同偏振态光强度调制结果不同，故实现高速的诱骗态光源是很困难的。

诱骗态方案的基本想法是：Alice用强度不同的诱骗态脉冲代替一部分信号态脉冲。诱骗态和信号态在物理本质上是完全相同的，它们都是由光源发出的弱相干态，只是强度不同而已，即具有不同的平均光子数。Eve无法区分诱骗态和信号态，在进行PNS攻击时对两种信号一视同仁。然而由于诱骗态和信号态强度不同，故通过率和错误率会不同。

目前在大多数偏振编码QKD方案中，要用四个半导体激光器通过偏振控制器来手动调节出四种偏振态，即一对线偏基(45°线偏光和135°线偏光)和一对圆偏基(左旋圆偏振光和右旋圆偏振光)共四种偏振态。若要实现诱骗态光源，还需将每个激光器输出的光通过分束来分别实现诱骗态和信号态，这无疑增加了系统的冗余和成本，不利于系统的集成；而且由于不同激光二极管的中心波长和线宽等都存在一定差异，会给整个系统带来漏洞。

也可以使用内调制方法制备诱骗态中三种不同每脉冲平均光子数的量子态，即通过控制驱动激光二极管的电脉冲信号幅值来控制输出激光脉冲的幅值大小，此种方法驱动激光二极管的电脉冲信号为超短电脉冲，并且为交流信号，存在一定的负向偏置电压，在中低频段时可以使用，但在高频，特别是频率达到GHz以上时，这种存在负向偏置的电脉冲信号会造成输出激光脉冲的形状、幅值、脉宽等一系列的不一致性问题，会造成通信过程中的安全漏洞。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题而提供的一种外调制的方法产生偏振编码诱骗态量子光源的方法及装置，该方法采用外调制的方式调制光脉冲的强度，调制出的不同量子态的光脉冲具有很好的一致性，克服了内调制由于光脉冲形状、幅值、脉宽不一致造成安全漏洞的问题。

本发明的目的是这样实现的：

一种外调制的高速诱骗态量子光源的制备方法，该方法包括以下具体步骤：

首先由超短脉冲激光器发出高重复频率的线偏振光脉冲，然后进入高速光强度调制模块，将原本强度相同的光脉冲信号随机调制成三种不同光强度的光脉冲信号，光强分别为0、I₁、I₂，其中I₁:I₂＝3:1,即分别为信号态和诱骗态，然后进入偏振态产生光路随机产生四种偏振态：45°线偏光、135°线偏光、左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，然后经过光衰减器衰减后输出三种光强、四种偏振态共九种量子态。其中超短脉冲激光器的触发信号、相位调制模块和强度调制模块的随机数均由高速逻辑控制芯片输出并同步。

一种外调制的高速诱骗态量子光源的装置，特点是该装置由超短脉冲激光器、高速光强度调制模块、偏振态产生光路、高速光相位调制模块、光衰减器和高速逻辑控制芯片组成；其中，超短脉冲激光器连接高速光强度调制模块，高速光强度调制模块连接偏振态产生光路，偏振态产生光路一端连接高速光相位调制模块，一端连接光衰减器，高速逻辑控制芯片分别连接超短脉冲激光器、高速光强度调制模块及高速光相位调制模块。

所述的超短脉冲激光器为电脉冲驱动的半导体激光二极管，发出的激光脉冲的重复频率可达GHz，光脉冲宽度为皮秒量级。

所述的高速光强度调制模块，由高速光强度调制器和其驱动电路组成，通过光纤与所述超短脉冲激光器相连，对其产生的超短光脉冲进行强度调制，所述的高速光强度调制器为基于电光效应的光强度调制器，消光比要求较高；所述的驱动电路由两路构成，每个时钟周期由高速逻辑控制芯片选择随机驱动一路或两路均不触发，分别产生I₁、I₂、0三种光强，其中I₁:I₂＝3:1，分别对应信号态和诱骗态。

所述的偏振态产生光路由光纤器件组成，可以为萨格奈克(Sagnac)干涉环或基于“plug-play”等的光路，该光路可以将入射光分为两束线偏振光进行相互干涉，其中一路线偏振光通过相位调制器，与另一线偏振光产生相位差，两束光通过干涉后调制出线偏基(45°线偏光和135°线偏光)和圆偏基(左旋圆偏振光和右旋圆偏振光)共四种偏振态。

所述的高速光相位调制模块由高速相位调制器和其驱动电路组成，所述的相位调制器为基于电光效应的调制器，调制器所用的晶体可以为KDP晶体或铌酸锂晶体等，当外加在晶体上的电场改变时，晶体介质折射率随之线性变化，从而实现对光的调制；所述的驱动电路由四路构成(分别对应0、π/2、π、3π/2的相移)，由高速逻辑控制芯片随机驱动任意一路。

所述的高速逻辑控制芯片可以为现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)或集成电路ASIC(Application Specific Integrated Circuits，ASIC)等逻辑单元，所述的ASIC芯片为按系统要求加工制作的集成电路，因其可以量身定制故比同等工艺的FPGA执行速度块，由于可以节省在FPGA中的一些没有使用的逻辑资源故大规模生产时成本很低。

所述的光衰减器为一种衰减可调的光纤器件，通过保偏光纤与偏振态产生光路连接，将调制后的光脉冲信号衰减到量子态水平，产生共九种量子态：三种强度光脉冲，平均每脉冲光子数分别为μ＝0、μ＝0.2、μ＝0.6，即零光子态、诱骗态和信号态(数量比为1:1:3)；其中平均每脉冲光子数为μ＝0.2、μ＝0.6的两种光脉冲信号又分别包含四种偏振态(45°线偏光、135°线偏光、左旋圆偏振光和右旋圆偏振光)。

本发明的有益效果：

⑴、本发明采用一个激光二极管调制出九种量子态，有利于工程的集成化。

⑵、本发明采用外调制的方法调制光脉冲的强度，调制出的不同量子态的光脉冲具有很好的一致性，克服了内调制由于光脉冲形状、幅值、脉宽不一致造成安全漏洞的问题。

⑶、本发明采用的量子态产生方案易于控制和同步，在高频段如GHz甚至超高频同样适用。

⑷、本发明采用高速逻辑控制芯片作为主控制器使系统具有高度的可靠性和稳定性。

⑸、本发明采用先对光脉冲进行强度调制再经过偏振态产生光路产生四种偏振态的方法，避免了强度调制器的偏振相关性，即避免了不同光偏振态进入强度调制器时出现不同的强度调制结果，进一步增加了系统的安全性。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图；

图2为本发明实施例中的FPGA同步示意图；

图3为本发明实施例中的ASIC芯片同步示意图；

图4为本发明实施例结构示意图；

图5为本发明实施例的超短激光脉冲时序图；

图6为本发明实施例的高速光强度调制模块示意图；

图7为本发明实施例的高速光强度调制模块光脉冲强度调制时序图；

图8为本发明实施例的高速光相位调制模块中光脉冲相位调制时序图；

图9为本发明实施例的偏振态产生光路示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细描述，但不仅限于以下实施例。

参阅图4，本实施例激光源为中心波长1550nm、重复频率为1.25GHz的超短脉冲激光器，脉宽在30ps左右，依次通过高速光强度调制器模块和偏振态产生光路以及光衰减器后产生包括九种量子态的诱骗态光源。

参阅图2及图3，本实施例中要使用到1.25GHz的随机数信号，由逻辑芯片输出并和超短脉冲激光器的触发信号同步，由随机数芯片产生基于白噪声的真随机数，送入逻辑芯片进行处理后将随机数信号送给光强度调制模块和光相位调制模块使用，同时逻辑芯片输出1.25GHz触发信号给超短脉冲激光器，并与随机数信号进行同步。

参阅图5，超短脉冲激光器所发出的光脉冲为线偏振光，间隔为800ps，然后进入光强度调制模块，进行三种光强度的随机调制。使用的强度调制器要求有很高的消光比和很宽的带宽，此处使用消光比为30dB带宽为12GHz的铌酸锂强度调制器；强度调制器和其外围驱动电路如图6所示，该强度调制器的半波电压为6.5V，即所加的直流偏置电压的大小。整个强度调制模块通过逻辑芯片控制和同步，逻辑芯片每个时钟周期产生三种两位随机数00、01、10，并且控制这三种随机数的比例为1:3:1，脉冲整形放大模块1和2分别对应I₁和I₂(其中I₁:I₂＝3:1)，分别由随机数01和10触发，产生00随机数时两路均不触发，此时无光输出，对应零光子态，故此时I₁、I₂、0三种光强光脉冲数量的比例为3:1:1；其中脉冲整形放大模块1和2输出的调制电压信号通过宽带功率合成器耦合后驱动强度调制器。信号的调制时序如图7所示，由逻辑芯片产生的随机数随机触发的三种调制电压脉冲经过同步后分别调制每个光脉冲信号，然后随机输出I₁、I₂、0三种光强(其中I₁:I₂＝3:1且三种光强脉冲数量比为3:1:1)。

然后包含三种不同光强的光脉冲经过光环行器后进入四口PBS，如图9所示，每个光脉冲分为偏振方向互相垂直的A光和B光，A光依次通过相位调制模块、PBS和法拉第反射镜FM后再次到达PBS，此时由于A光通过法拉第转镜后偏振态旋转了90°，故再次进入PBS时会透射；B光的路径则相反，依次经过FM、PBS、相位调制模块后再次到达PBS。因为两光传输路径完全相同，故此时A光和B光重新在PBS处汇聚发生干涉。其中只对A光进行相位调制，时序如图8所示，调制脉冲在每周期内分别与A光的脉冲序列对齐，并确保与A光同时射入的B光通过相位调制器之前将调制脉冲关断，即调整光纤的长度使A光和B光在到达相位调制器时所通过的路程差为L，光在光纤中传播速度为2×10⁸m/s，使B脉冲正好在两个A脉冲中间通过调制器，即使A和B两脉冲通过调制器的时延为400ps，则

L＝2×10⁸m/s×400ps＝8cm

而调制电脉冲的宽度控制在300ps左右，可以确保只调制A光。该光路中除连接FM和PBS的光纤为单模光纤外其余光纤均为保偏光纤。

相位调制电脉冲信号的电路共有四路，如图9所示，分别对应相位调制器调制产生0、π/2、π、3π/2相移所需电压，然后通过宽带功率合成器将每个时钟周期的调制电压合成一路后驱动相位调制器(与强度调制器驱动电路类似)，使A光相对B光分别产生0、π/2、π、3π/2的相位差，然后在PBS重新汇聚时进行干涉，分别产生45°线偏光、左旋圆偏振光、135°线偏振光和右旋圆偏振光共四种偏振态。其中由逻辑芯片输出1.25GHz的随机数，在每个时钟周期随机触发一路驱动电路，即通过该光路可以产生四种偏振态。

然后光脉冲信号通过光环行器后到达衰减可调的光衰减器衰减到单光子水平，共三种强度光脉冲，平均每脉冲光子数分别为μ＝0、μ＝0.2、μ＝0.6，即零光子态、诱骗态和信号态(数量比为1:1:3)；其中平均每脉冲光子数为μ＝0.2、μ＝0.6的两种光脉冲信号又分别包含四种偏振态(45°线偏光、135°线偏光、左旋圆偏振光和右旋圆偏振光)，故此时得到包含九种量子态的诱骗态光源。

Claims (8)

1.一种外调制的高速诱骗态量子光源的制备方法，其特征在于该方法包括以下具体步骤：

首先由超短脉冲激光器发出高重复频率的线偏振光脉冲，然后进入高速光强度调制模块，将原本强度相同的光脉冲信号随机调制成三种不同光强度的光脉冲信号，光强分别为0、I₁、I₂，其中I₁:I₂＝3:1,即分别为信号态和诱骗态，然后进入偏振态产生光路随机产生四种偏振态：45°线偏光、135°线偏光、左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，再经过光衰减器衰减后输出三种光强、四种偏振态共九种量子态；其中，超短脉冲激光器的触发信号、相位调制模块和强度调制模块的随机数均由高速逻辑控制芯片输出并同步。

2.一种外调制的高速诱骗态量子光源的装置，其特征在于该装置包括超短脉冲激光器、高速光强度调制模块、偏振态产生光路、高速光相位调制模块、光衰减器和高速逻辑控制芯片，其中，超短脉冲激光器连接高速光强度调制模块，高速光强度调制模块连接偏振态产生光路，偏振态产生光路分别连接高速光相位调制模块及连接光衰减器，高速逻辑控制芯片分别连接超短脉冲激光器、高速光强度调制模块及高速光相位调制模块。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于所述超短脉冲激光器为电脉冲驱动的半导体激光二极管，发出的激光脉冲的重复频率达GHz，光脉冲宽度为皮秒量级。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于所述高速光强度调制模块，由高速光强度调制器和外围驱动电路组成，通过光纤与所述超短脉冲激光器相连，对其产生的超短光脉冲进行强度调制，所述高速光强度调制器为基于电光效应的光强度调制器，消光比要求较高；所述的驱动电路由两路构成，每个时钟周期由高速逻辑控制芯片选择随机驱动一路或两路均不触发，分别产生I₁、I₂、0三种光强，其中I₁:I₂＝3:1，分别对应信号态和诱骗态。

5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于所述偏振态产生光路由光纤器件组成，为萨格奈克(Sagnac)干涉环或基于“plug-play”的光路，该光路能够将入射光分为两束线偏振光进行相互干涉，其中一路线偏振光通过相位调制器，与另一线偏振光产生相位差，两束光通过干涉后调制出线偏基和圆偏基，共四种偏振态；其中，线偏基为45°线偏光和135°线偏光，圆偏基为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光。

6.根据权利要求2所述的装置，其特征在于所述高速光相位调制模块由高速相位调制器和外围驱动电路组成，所述的相位调制器为基于电光效应的调制器，调制器所用的晶体为KDP晶体或铌酸锂晶体，当外加在晶体上的电场改变时，晶体介质折射率随之线性变化，从而实现对光的调制；所述外围驱动电路由四路构成，分别对应0、π/2、π、3π/2的相移；由高速逻辑控制芯片随机驱动任意一路。

7.根据权利要求2所述的装置，其特征在于所述的高速逻辑控制芯片为现场可编程门阵列FPGA或集成电路ASIC逻辑单元。

8.根据权利要求2所述的装置，其特征在于所述光衰减器为一种衰减可调的光纤器件，通过保偏光纤与偏振态产生光路连接，将调制后的光脉冲信号衰减到量子态水平，产生共九种量子态：三种强度光脉冲，平均每脉冲光子数分别为μ＝0、μ＝0.2、μ＝0.6，即零光子态、诱骗态和信号态，数量比为1:1:3；其中平均每脉冲光子数为μ＝0.2、μ＝0.6的两种光脉冲信号又分别包含四种偏振态即45°线偏光、135°线偏光、左旋圆偏振光和右旋圆偏振光。