CN104737474A - 量子密钥分配系统中用于差分光学相位调制的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

公开了用于差分光学相位调制的方法和装置。根据本发明的某个实施方式，提供通过在光学相位调制器被排列在具有不同路径的非对称光学干涉仪外部的量子密钥分配系统中的发送单元和接收单元中的相位调制步骤中将两个时分单光子同时调制成相反值的差分调制方法，将相位调制器和相位调制器驱动器的驱动范围减小为与传统方法相比一半的方法和装置。

Description

量子密钥分配系统中用于差分光学相位调制的方法和装置
技术领域
本公开在一个或更多个实施方式中涉及差分光学相位调制方法和用于该方法的装置。更具体地说，本公开涉及用于差分光学相位调制的方法和装置，该方法和装置可应用于基于相位调制的量子密钥分配系统。
背景技术
该部分中的陈述仅提供与本公开有关的背景信息，并且不必构成现有技术。
量子密钥分配系统(Quantum Key Distribution System)在通过调整单光子的偏振或相位来加载密钥信息之后，向接受方发送单光子。接受方使用偏振接收器、光学相位调制器(Optical Phase Modulator)等提取密钥信息。这个单光子发送使用光学通信技术实现，并且目标在于长距离发送的量子密钥分配系统可以主要使用单模光纤(Single Mode Optical Fiber)作为量子通道(Quantum Channel)。当通过单模光纤发送偏振调制后的单光子时，偏振属性变得不稳定，由此使得发送性能劣化。因此，对于密钥分配，相位调制方案比偏振调制方案优选。
基于相位调制的量子密钥分配系统主要使用时分光学干涉(Time-divisionInterference)方案。时分光学干涉方案可以通过使用非对称光学干涉仪(AsymmetricOptical Interferometer)、光学相位调制器等而引起。非对称光学干涉仪被构造成具有带有不同长度的两个光学路径以生成光学干涉。输入到非对称光学干涉仪的单光子被分开成在时域中具有不同坐标的两个概率分布。光学相位调制器调制穿过这些路径中的一个路径的单光子的相位。接收端非对称光学干涉仪在时域中将概率分布划分为时域中的四个坐标。如果发送器和接收器的非对称光学干涉仪具有相同的路径差，则在单光子的四个概率分布中的两个相邻方之间由于它们的交叠而发生干涉。接收器还包括调制单光子的相位的光学相位调制器。当从发送端和接收端的相位调制之和是2nπ(其中，n是整数)时，单光子的两个叠加的概率分布相长干涉以呈现最大检测概率。相反，当和是(2n+1)π时，单光子的两个叠加的概率分布相消干涉，这导致最小检测概率。这暗示了光学干涉仪的性能影响量子密码术系统的整体性能。
为了获得优秀的光学干涉，重要的是确保光学干涉仪的稳定的偏振属性和相位属性。在接收器中彼此干涉的两个单光子需要具有等偏振，并且相位需要在整个光学路径中保持恒定，除了由光学相位调制器附加提供的总相位调制值量之外。为此目的，光学干涉仪必须具有精密构造，并且可以可选地执行相位补偿的控制作为补充措施。
为了解决由将光学相位调制器定位在干涉仪路径上而引起的传统干涉仪的不稳定性，韩国专利申请第10-2011-0071803已经提出如图1例示将光学相位调制器定位在干涉仪外部，以简化光学干涉仪的构造并减少困难，诸如由光学相位调制器导致的光学路径的延伸、光学干涉仪中增加的不稳定性和插入损耗。
发明内容
技术问题
相对于上述背景，本公开改进了基于相位调制的量子密钥分配系统，该系统借助通过向两个时分脉冲施加差分相位调制减小调制器及其驱动器的所需操作范围，通过采用外部定位的光学相位调制器，获得更高的光学干涉仪稳定性。
技术方案
根据本公开的至少一个实施方式，一种量子密钥分配系统中的发送装置包括光学干涉仪和光学相位调制器。该光学干涉仪被构造成接收从光源输入的单光子脉冲，并且提供用于所述单光子脉冲穿过的、具有预定路径差的两个光学路径。光学相位调制器被构造成对穿过所述光学干涉仪的所述单光子脉冲执行时间差分相位调制。所述单光子脉冲在穿过所述光学干涉仪之后，具有在时域中被划分为两个单独区域的概率分布。
所述光学相位调制器可以被构造成使得在所述单光子脉冲穿过所述两个光学路径中的较短路径时与所述单光子脉冲穿过所述两个光学路径中的较长路径时之间，所述单光子脉冲具有预定相位差或。
所述光学相位调制器可以被构造成使得所述单光子脉冲在穿过所述两个光学路径中的一个光学路径时相移，并且在穿过所述两个光学路径中的另一个光学路径时相移。
这里，可以是响应于随机数的比特信息和基(basis)信息而预定的值。
可以是以下值中的一个：π/4、-π/4、3π/4和-3π/4。
所述发送装置可以包括相位调制信号生成器，该相位调制信号生成器被构造成生成对应于随机数的比特信号和基信号的、用于驱动所述光学相位调制器的、至少一个差分相位调制信号。
所述差分相位调制信号可以包括被构造成在一个周期期间从高切换到低的信号或被构造成在一个周期期间从低切换到高的另一个信号。
所述发送装置可以还包括信号转换器，该信号转换器被构造成从随机数的所述比特信号和基信号的组合执行信号转换，以生成差分相位调制信号，该组合是{0,0}、{0,1}、{1,0}以及{1,1}至{0,1}、{1,0}、{1,1}和{0,0}。
根据本公开的另一个实施方式，一种量子密钥分配系统中的接收装置，该接收装置包括光学相位调制器和光学干涉仪。所述光学相位调制器被构造成从所述量子密钥分配系统的发送装置接收已差分相位调制的单光子脉冲并且对接收到的单光子脉冲执行时间差分相位调制。所述光学干涉仪连接到所述光学路径调制器，并且被构造成提供用于所述单光子脉冲穿过的两个光学路径，所述两个光学路径具有与所述发送装置中相同的路径差。从所述发送装置接收到的所述单光子脉冲具有在时域中被划分为两个单独区域的概率分布或具有所谓的时分概率分布。
该光学干涉仪可以被构造成以与所述时分存在概率分布相同的间隔进一步在时域划分从所述光学相位调制器传送的、差分相位调制后的单光子脉冲的所述时分概率分布。
该差分相位调制后的单光子脉冲在穿过所述光学干涉仪之后，可以具有在时域中被划分为三个单独区域的概率分布。
该光学相位调制器可以被构造成执行所述时间差分相位调制，使得在当所述单光子脉冲穿过较短光学路径时与当穿过较长光学路径时的两种情况之间，接收到的单光子脉冲具有预定相位差或。
所述光学相位调制器可以被构造成执行所述时间差分相位调制，使得所述接收到的单光子脉冲在穿过两个光学路径中的一个光学路径时相移，并且在穿过所述两个光学路径中的另一个光学路径时相移。
可以是响应于随机数的基信息而预定的值。
可以是π/4或-π/4。
该接收装置可以还包括相位调制信号生成器，该相位调制信号生成器被构造成生成对应于随机数的基信号的、用于驱动所述光学相位调制器的、差分相位调制信号。
该差分相位调制信号可以包括被构造成在一个周期期间从高切换到低的信号或被构造成在一个周期期间从低切换到高的另一个信号。
根据本公开的另一个实施方式，一种用于在量子密钥分配系统中发送量子信息的方法，该方法包括以下步骤：从光源接收单光子脉冲；向该单光子脉冲提供具有路径长度差的两个光学路径，使得所述单光子脉冲具有在时域中被划分为两个单独区域的概率分布；在经过时间划分处理之后，对两个单光子脉冲执行时间差分光学相位调制；以及经由量子通道向接收装置发送差分调制后的单光子脉冲。
根据本公开的另一个实施方式，一种用于在量子密钥分配系统中接收量子信息的方法，该方法包括以下步骤：经由量子通道从发送装置接收具有时分概率分布的单光子脉冲；执行光学相位调制，其中时域差分调制接收到的单光子脉冲；以及向相位调制后的单光子脉冲提供具有与所述发送装置中相同的路径长度差的两个光学路径，使得相位调制后的单光子脉冲具有附加时分概率分布。
有益效果
在某些实施方式中，如上述技术公开中所描述的，应用于基于相位调制的量子密钥分配系统的光学相位调制器及其驱动器的操作范围可以减小一半，从而缓和有关装置或电路的性能规格并减少操作误差。而且，可以有效生成用于差分相位调制的电信号。
附图说明
图1是基于传统的基于相位调制的量子密钥分配系统的示意图。
图2是示意地例示光学相位调制器定位在光学干涉仪的路径外部的量子密钥分配系统、以及脉冲在各个阶段的相位变化的图。
图3是经由图2的发送端和接收端的相位调制量的组合的图。
图4是图2所示的发送端和接收端施加图3例示的相位调制量所需要的相位调制信号的图。
图5是可应用于BB84协议的发送端和接收端的相位调制量的另一个组合的图。
图6是图2所示的发送端和接收端施加图5例示的相位调制量所需要的相位调制信号的图。
图7是根据本公开的至少一个实施方式的使用差分光学相位调制的量子密钥分配系统的构造的图，该图例示了在系统的各个阶段处脉冲的相位调制。
图8是输入到光学相位调制器中以用于差分光学相位调制的相位调制信号的图。
图9是用于生成相位调制信号的{比特、基}组合的转换的图。
图10是包括图9所示的信号转换特征的相位调制信号生成器的示意图。
具体实施方式
下文中将参照附图描述本公开的至少一个实施方式。在以下描述中，相同的附图标记将指定相同元件，虽然在不同图中示出元件。进一步地，在以下至少一个实施方式的描述中，将省略这里合并的已知功能和构造的详细描述，目的是为了清楚和简洁。
另外，在描述本公开的部件时，使用如第一、第二、A、B、(a)和(b)的术语。这些仅为了区分一个部件与另一个部件，并且本领域普通技术人员将理解术语不暗示或显示部件的物质、顺序或序列。在说明书通篇中，“包括”或“具有”的行为意味着不排外，而包括特定附加部件(除非相反地进行限定)。
根据本公开的实施方式，具有干涉仪和外部光学相位调制器的量子密钥分配系统可以改变发送端和接收端处的相位调制量(如韩国专利申请第10-2011-0071803号公报中提出的)，并且通过施加强度是现有技术方法中的强度一半的相位调制信号来实现相同的相位调制效果。
图2例示具有位于例如光学干涉仪的外部的光学相位调制器的量子密钥分配系统和脉冲的某些区间相位变化。
图2展示了包括单光子的光脉冲，即，来自光源210的单光子脉冲入射在光学干涉仪220上。从光源发出的激光束可以实际上是含有非常少量光子的极低辐射水平的激光脉冲，本实施方式中的描述基于单光子脉冲。
图2示出在各个阶段的单光子脉冲的，随时间变化的若干概率分布曲线，其中，各个所限定的脉冲由对应单光子脉冲的相对相位表示。这里，相对相位是基于从光源210入射到光学干涉仪220上的单光子脉冲的相位来确定。例如，从在光学干涉仪220的输出侧处表示的概率分布曲线，可以看出穿过光学干涉仪220的单光子脉冲具有遵循两个单独脉冲形概率分布曲线的概率分布，并且π/2相位调制施加在对应于脉冲形存在概率的单光子脉冲的相位。
光学干涉仪220向单光子脉冲提供提供具有预定路径差的两个光学路径，这可以使用包括基于光纤/光学系统的马赫-曾德尔干涉仪或基于光纤/光学系统的迈克尔逊干涉仪的光学干涉仪来实现。由于该路径差，穿过光学干涉仪220之后的单光子脉冲的依赖于时间的概率分布遵循在时间轴上的两个单独脉冲形概率分布曲线。使用光学干涉仪220内部的光学耦合器，各个π/2相位调制被施加到穿过光学干涉仪220之后的单光子脉冲。具体地，基于光学系统的干涉仪包括2×2光学耦合器，该光学耦合器不响应于平行输入和输出造成任何相位调制，但是涉及从交叉输入和输出的π/2相位调制。
光学相位调制器230选择性地调制穿过均由光学干涉仪提供的较短路径或较长路径中任一的单光子脉冲的相位。两个光学路径中的哪个路径被在光学相位调制器230上入射的单光子脉冲使用可以通过使用到达光学相位调制器230处的时间来确定。这使得可以仅调制穿过较短路径的单光子脉冲，由此使得能够进行选择性调制。换言之，光学相位调制器230调制在对应于它们的时分概率分布的任一个脉冲形曲线图的时间期间穿过光学干涉仪220的单光子脉冲的相位。由光学相位调制器230执行的相位调制量()通过比特信息和基信息的随机组合来确定。将参照图3来详细描述上述处理。
在单光子脉冲穿过穿过发送端光学相位调制器230之后，通过基于光纤的量子通道240，到达接收端光学相位调制器250。
接收端光学相位调制器250调制在对应于它们的时分概率分布的另一个脉冲形曲线图的时间期间穿过的单光子脉冲(即，在发送端光学相位调制器230中未经脉冲调制的单光子脉冲)的相位。换言之，如果发送端光学相位调制器230对穿过较短路径的单光子脉冲执行相位调制，则接收端光学相位调制器250调制穿过较长路径的单光子脉冲的相位。由接收端光学相位调制器250执行的相位调制量()根据随机生成的基信息来确定，这将相对于图3来描述。
凭借该处理，在发送端光学干涉仪220上入射的单光子在穿过发送端光学干涉仪220的路径1时由发送端光学干涉仪230进行多达的相位调制，并且如果穿过发送端光学干涉仪220的路径2，则由接收端光学相位调制器250进行多达的相位调制。
接收端光学干涉仪260设置有两个光学路径，单光子脉冲可以在穿过光学相位调制器250之后穿过，这两个光学路径的路径差与发送端光学干涉仪220的相同。接收端光学干涉仪260还可以用基于光纤的马赫-曾德尔或迈克尔逊干涉仪来实现。
接收端光学干涉仪260将在时间轴上已被划分为两个分段的单光子的时分概率分布在时域划分为四个分段。这里，由于发送端220和接收端260的光学干涉仪的路径差相同，所以概率分布曲线图的四个区段中的两个相邻区段彼此交叠和干涉。因此，如图2所例示，概率分布具有三个不同的脉冲形。
两个叠加的单光子的概率分布依赖于相对脉冲差而引发相长干涉或相消干涉。具体地，如果发送端和接收端处的相位调制输出总计达2nπ或(2n+1)π(其中，n是整数)，则两个叠加单光子的概率分布借助相长或相消的干涉分别展示出最大或最小检测概率。对应于两个非干涉概率分布的时间分段总是展示出恒定的检测概率，由此因为它们无法传递任何信息，所以不予考虑。
在接收端，设置有两个单光子检测器(Single Photon Detector，SPD)270、280，这两个单光子检测器在门模盖革模式(Gated-Geiger Mode)下操作，使得来自穿过接收端光学干涉仪260的两个输出信号的仅在中心的干涉信号被选择性地检测。干涉仪260的输出以互补方式彼此有关：如果一个示出最大强度，则另一个示出最小强度。接收端以互补方式解析两个检测信号，并且估计从发送端发送的比特信号。
图3是图2所示的发送端和接收端的相位调制量的组合的图。
如图3所示，发送端将四个相位调制量(0、π/2、π、3π/2)指派到随机生成的{比特、基}信号的四个组合中的每个，并且接收端向两个随机生成的基信号指派两个相位调制量(0、π/2)；而不是量(0、π/2)、量(π、3π/2)可以被指派。
表1显示当基于图3中的相位调制量的BB84(Bennett Brassard 84)协议应用于图2中的系统时发送端和接收端的相位调制量和接收端单光子检测器的检测概率。
表1
【表1】
参照表1，发送端光学相位调制器230通过组合比特信息和基信息，基于四个不同的相位调制量来调制相位。换言之，类似于应用常规通信技术中的正交相移键控(Quadrature Phase Shift Keying，QPSK)方法的情况，可以生成具有相位调制量0、π/2、π和3π/2的单光子脉冲。接收端光学相位调制器250通过应用0或π/2、或者π或3π/2的调制，基于两个随机生成的基信号来调制相位。通常，为了接收端光学相位调制器250更方便操作，应用0或π/2的相位调制并生成正交基信号。
作为结果，如表1所示，光学干涉由于相位调制而出现。在BB84协议中，只有发送端和接收端具有相同的基信息，单光子才可以在接收端处以最大或最小概率被检测。表1中的“？”表示单光子既不以最大检测概率也不以最小检测概率来检测的情况，因为发送端和接收端的基信息不一致。这些结果在量子密钥分配系统的密钥筛分过程处理中作为无效而被丢弃。
图4是图2中的发送端和接收端调制图3中显示的相位调制量所需要的相位调制信号的示意性表示。
图4示出基于光学相位调制器执行半波长(π)光学相位调制所需的电压Vπ的相位调制信号。因为发送端使用相位调制量{0,π/2,π,3π/2}以区分比特或基信息组合，所以输入到发送端光学相位调制器230中的相位调制信号的最大Vpp(Peak to PeakVoltage，峰值至峰值电压)对应于Vπ的1.5倍。假定常规光学相位调制器的Vπ是3至5V，在发送端处所需的相位调制信号的最大Vpp是4.5至7.5V。
图5显示可应用于BB84协议的发送端和接收端处的相位调制量的其他组合。
在图5中显示的相位调制量与图3中指派给发送端的四个相位调制量()和指派给接收端的两个相位调制量()一致，各平移了-π/4。在接收端，可以应用相位调制量(3π/4,-3π/4)，而不是(π/4,-π/4)，但是期望应用(π/4,-π/4)，因为它们可以用相对低Vpp的相位调制信号获得。
表2显示当基于图5中的相位调制量的BB84协议应用于图2中的系统时发送端和接收端的相位调制量和接收端单光子检测器的确保检测概率。
表2
【表2】
如在表1中那样，只有发送端和接收端具有相同的基信息，接收端单光子检测器270、280才可以以最大或最小概率检测单光子。
假定基于相位调制的量子密钥分配系统使用由于发送端和接收端处施加的相位调制量的差而引起干涉光波的相位差而出现的相长或相消干涉的原理，如图5所示，相同的操作方法应用于按比例改变的相位调制量。
图6例示图2中的发送端和接收端调制图5中显示的相位调制量所需要的相位调制信号。
如图6所示，在穿过光学干涉仪的特定路径的单光子被选择性地相位调制的情况下，为了获得图5中所显示的相位调制量，发送端光学相位调制器230要求具有-Vπ/4、+Vπ/4、-3Vπ/4或+3Vπ/4的VPP值的相位调制信号。因此，发送端光学相位调制器230在±3/4Vπ的最大范围中运行，并且其驱动范围是Vπ的1.5倍。该结果与图4中的一致。
与图2中的选择性相位调制相反，本公开执行对时间划分的单光子脉冲执行差分相位调制，以减小光学相位调制器的驱动范围。换言之，与图2所示的仅穿过发送端光学干涉仪220中的一个特定路径的单光子脉冲被选择性地相位调制的相位调制方法不同，本公开差分调制穿过各个路径的单光子脉冲的相位。
在以下中，如图7至图10所示，说明使用该差分相位调制方法的量子密钥分配系统。
图7是本公开的至少一个实施方式中量子密钥分配系统的构造和各个相位调制阶段的示意性表示的图，其中，应用了差分相位调制方法。
在图7所示的量子密钥分配系统中，除了发送和接收端光学相位调制器730、750之外，剩下的部件710、720、740、760、770和771和他们各自的功能与图2所示的相同，因此，省略它们的详细说明。
发送端光学相位调制器730对具有时分概率分布的单光子脉冲执行差分调制。发送端光学相位调制器730差分地对在对应于时分概率分布的一个脉冲形状的时间期间输入的单光子脉冲的相位调制达，而对于另一个脉冲调制达。换言之，通过对穿过由发送端光学干涉仪730提供的两个光学路径中的一个光学路径的单光子脉冲的相位调制达并且对穿过另一个光学路径的单光子脉冲的相位调制达，执行差分相位调制，使得这两种情况之间的相位差是。发送端光学相位调制器730的相位调制量()如图6所示由随机生成的比特和基信息的组合(731)来确定。
接收端光学相位调制器750还对具有时分概率分布的单光子脉冲执行差分调制。换言之，接收端光学相位调制器750分别对在发送端730处已相位调制的单光子脉冲的相位调制达和，进一步地达和。接收端光学相位调制器750的相位调制量()如图6例示由随机生成的基信息的组合(751)来确定。
如上所述，在这里公开的方法中，发送端光学相位调制器730和接收端光学相位调制器750同时用相反值对两个时分单光子脉冲进行相位调制；这借助具有时分概率分布的单光子脉冲的相位的差分调制来实现的。这暗示着在一个调制时，两个时分单光子脉冲之间的相位差可以加倍。
图8示出输入到用于差分光学相位调制的光学相位调制器中的相位调制信号的示例。
如图8所示，差分相位调制可以用在单个周期中从高电平(High Level Signal)切换到低电平(Low Level Signal)的相位调制信号和在单个周期期间从低电平切换到高电平的另一个相位调制信号来实现。而且，应当确保精确定时，使得通过当将相位调制信号输入到光学相位调制器中时生成合适的时延，被切换部分与两个时分脉冲信号之间的中心点重合。
如果应用上述相位调制，则因为高电平信号和低电平信号这两者在相位调制信号的单个周期中出现，使得如果高电平信号施加于时分单光子脉冲的一个脉冲，则低电平信号自动施加于另一个脉冲，所以可以实现差分调制。
表3根据比特和基信息以及用于光学相位调制器的输入电压概括了发送端光学相位调制器730的相位调制量。假定在单个周期中出现信号翻转，相位调制量在前一半和后一半中排布。
表3
【表3】
如表3所示，在差分相位调制方法中，相同的相位差可以通过应用振幅是现有技术方法中的一半的相位调制信号来获得。
根据该差分相位调制方法，即使当两个时分单光子脉冲具有相位差，例如3π/4时，用于执行相位调制而输入的实际相位调制信号足以针对各个时分单光子脉冲生成±3π/8的相位调制。换言之，由于发送端光学相位调制器730要求具有最大VPP(3Vπ/4)的相位调制信号，所以光学相位调制器(其中，Vπ是5V)可以用低电压信号(即，3.75V)很好地执行调制。因此，差分相位调制方法可以将发送端光学相位调制器730和接收端光学相位调制器750的负担或标准性能要求减小一半。
另一方面，图8示出发送端相位调制信号具有四个不同值。因为比特和基信号是由在量子密钥分配系统中的随机信号生成器随机生成的，所以输出被表达为二电平数字信号，诸如{1,0}或{高,低}。为了通过使用两个层列比特和基信号来生成四个层列信号，应当执行信号合成。在基于AC耦合的信号合成处理中，1和0可以被分别表达为+V和-V。假设由比特信号生成的电压间隙是由基信号生成的2倍，{比特,基}组合对于{0,0}、{0,1}、{1,0}和{1,1}而言是{-2V,-V}、{-2V,+V}、{+2V,-V}和{+2V,+V}，由此可以被分别表达为-3V、-V、+V和+3V的电压。
根据表2、表3和图8，然而，系统可以通过将{0,0}、{0,1}、{1,0}和{1,1}的{比特,基}组合分别构造成-V、+V、+3V和-3V来正确操作。该结果基于上述AC耦合不与信号合成的结果一致。
在本实施方式中，如图9所示，通过在发送端和接收端处生成用于比特信号和基信号的相位调制信号的同时转换该信号，解决了该差异。
图9示出用于生成相位调制信号的{比特，基}组合的转换的示例。
在本实施方式中，如图9例示，如果使用随机数字生成器(Random NumberGenerator，RNG)随机生成的{比特，基}信号组合是{0,0}、{0,1}、{1,0}和{1,1}，则使用信号转换器将其转换成组合{0,1}、{1,0}、{1,1}和{0,0}。基于此，生成相位调制信号。
图10是表示包括图9中显示的信号转换特征的相位调制信号生成器的结构的简化图。
如图10所示，随机生成的比特信号和基信号通过使用信号转换器1020而被转换成用于差分相位调制的信号。由差分信号生成器1030响应于转换后的比特信号和基信号而生成的差分信号穿过信号合成器和放大器1040最终输入到光学相位调制器730中。由RNG1010、1011生成的比特信号和基信号存储在存储器装置(未示出)中，用于基比较和最后的密钥常规处理；然而，由信号转换器1020生成的信号因为仅用于相位调制，所以不需存储。
虽然上述差分相位调制和相位调制信号生成方法是基于BB84协议的，但是相同方法可以应用于具有类似物理结构的SARG04协议(Scarani-Acin-Ribordy-GisinProtocol)。
虽然本公开的示例性实施方式已经用于例示性目的，但是本领域技术人员将理解在不偏离本公开的实质特性的情况下，各种修改、添加和替换都是可能的。因此，为了简洁和清楚，描述了本公开的示例性实施方式。因此，本领域普通技术人员会理解本公开的范围不被上述实施方式限制，而由权利要求及其等同物限制。
(附图标记)
210：光源 220：光学干涉仪
230：量子通道 250：光学相位调制器
260：光学干涉仪 270：单光子检测器
280：单光子检测器 710：光源
720：光学干涉仪 730：量子通道
750：光学相位调制器 760：光学干涉仪
770：单光子检测器 771：单光子检测器
1010：随机数生成器 1011：随机数生成器
1020：信号转换器 1030：差分信号生成器
1031：差分信号生成器
1040：信号合成器和放大器 1060：随机数生成器
1070：随机信号生成器 1080：信号放大器
相关申请的交叉引用
如果适用，则该申请根据35U.S.C§119(a)要求在2012年10月18日在韩国提交的专利申请10-2012-0116268的优先权，此处以引证的方式并入其全部内容。另外，该非临时申请要求除了美国之外的国家的优先权(原因与基于韩国专利申请的相同)，此处以引证的方式并入其全部内容。

Claims (19)

1.一种量子密钥分配系统中的发送装置，所述发送装置包括：
光学干涉仪，该光学干涉仪被构造成接收从光源输入的单光子脉冲，并且提供用于所述单光子脉冲穿过的、具有预定路径差的两个光学路径；以及
光学相位调制器，该光学相位调制器被构造成对已穿过所述光学干涉仪的所述单光子脉冲执行时间差分相位调制，
其中，所述单光子脉冲在穿过所述光学干涉仪之后，具有在时域中被划分为两个单独区域的概率分布。
2.根据权利要求1所述的发送装置，其中，所述光学相位调制器被构造成使得在当所述单光子脉冲穿过所述两个光学路径中的较短路径时与当所述单光子脉冲穿过所述两个光学路径中的较长路径时之间，所述单光子脉冲具有预定相位差或
3.根据权利要求2所述的发送装置，其中，所述光学相位调制器被构造成使得所述单光子脉冲在穿过所述两个光学路径中的一个光学路径时相移并且在穿过所述两个光学路径中的另一个光学路径时相移
4.根据权利要求3所述的发送装置，其中，所述是响应于随机数的比特信息和基信息而预定的值。
5.根据权利要求4所述的发送装置，其中，所述是以下值中的一个：π/4、-π/4、3π/4和-3π/4。
6.根据权利要求1所述的发送装置，所述发送装置还包括：
相位调制信号生成器，该相位调制信号生成器被构造成生成对应于随机数的比特信号和基信号的、用于驱动所述光学相位调制器的至少一个差分相位调制信号。
7.根据权利要求6所述的发送装置，其中，所述差分相位调制信号包括被构造成在一个周期期间从高切换到低的信号或被构造成在一个周期期间从低切换到高的另一个信号。
8.根据权利要求6所述的发送装置，所述发送装置还包括：
信号转换器，该信号转换器被构造成根据随机数的所述比特信号和基信号的组合执行信号转换，以生成差分相位调制信号，所述组合是{0,0}、{0,1}、{1,0}以及{1,1}至{0,1}、{1,0}、{1,1}和{0,0}。
9.一种量子密钥分配系统中的接收装置，该接收装置包括：
光学相位调制器，该光学相位调制器被构造成从所述量子密钥分配系统的发送装置接收已差分相位调制的单光子脉冲并且对接收到的单光子脉冲执行时间差分相位调制；以及
光学干涉仪，该光学干涉仪被构造成提供用于所述单光子脉冲穿过的、从所述光学路径调制器传送的两个光学路径，所述两个光学路径具有与所述发送装置中相同的路径长度差，
其中，从所述发送装置接收到的所述单光子脉冲具有在时域中被划分为两个单独区域的概率分布或具有所谓的时分概率分布。
10.根据权利要求9所述的接收装置，其中，所述光学干涉仪被构造成以与所述时分概率分布相同的间隔进一步在时域划分从所述光学相位调制器传送的、差分相位调制后的单光子脉冲的所述时分概率分布。
11.根据权利要求10所述的接收装置，其中，差分相位调制后的单光子脉冲在穿过所述光学干涉仪之后，具有在时域中被划分为三个单独区域的概率分布。
12.根据权利要求9所述的接收装置，其中，所述光学相位调制器被构造成执行所述时间差分相位调制，使得在当所述单光子脉冲穿过较短光学路径时与当穿过较长光学路径时的两种情况之间，接收到的单光子脉冲具有预定相位差或
13.根据权利要求12所述的接收装置，其中，所述光学相位调制器被构造成执行所述时间差分相位调制，使得接收到的单光子脉冲在穿过两个光学路径中的一个光学路径时相移并且在穿过所述两个光学路径中的另一个光学路径时相移
14.根据权利要求13所述的接收装置，其中，所述是响应于随机数的基信息而预定的值。
15.根据权利要求14所述的接收装置，其中，所述是π/4或-π/4。
16.根据权利要求9所述的接收装置，所述接收装置还包括：
相位调制信号生成器，该相位调制信号生成器被构造成生成对应于随机数的基信号的、用于驱动所述光学相位调制器的差分相位调制信号。
17.根据权利要求16所述的接收装置，其中，所述差分相位调制信号包括被构造成在一个周期期间从高切换到低的信号或被构造成在一个周期期间从低切换到高的另一个信号。
18.一种用于在量子密钥分配系统中发送量子信息的方法，该方法包括以下步骤：
从光源接收单光子脉冲；
向所述单光子脉冲提供具有路径长度差的两个光学路径，使得所述单光子脉冲具有在时域中被划分为两个单独区域的概率分布；
在经过时间划分处理之后，对两个单光子脉冲执行时间差分光学相位调制；以及
经由量子通道向接收装置发送差分调制后的单光子脉冲。
19.一种用于在量子密钥分配系统中接收量子信息的方法，该方法包括以下步骤：
经由量子通道从发送装置接收具有时分概率分布的单光子脉冲；
执行光学相位调制，其在时域中差分调制接收到的单光子脉冲；以及
向相位调制后的单光子脉冲提供具有与所述发送装置中相同的路径长度差的两个光学路径，使得相位调制后的单光子脉冲具有附加时分概率分布。
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