CN106161009B - 基于时间-相位编码的量子密钥分发系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于时间‑相位编码的量子密钥分发系统，量子密钥分发系统包括相互光连接的发送端和接收端，发送端中的编码单元包括Z基矢时间编码模块和相位编码模块，所述相位编码模块为X基矢相位编码模块或Y基矢相位编码模块；接收端中的解码单元包括Z基矢时间测量模块和相位测量模块，相位测量模块为X基矢相位测量模块或Y基矢相位测量模块，且与所述相位编码模块相适应。本发明在接收端不需要加相位调制器，能够大大降低插入损耗，提高成码率。

Description

基于时间-相位编码的量子密钥分发系统

技术领域

本发明涉及量子加密通信技术领域，特别涉及一种基于时间-相位编码的量子密钥分发系统。

背景技术

随着社会的发展，信息变得越来越重要，随之而来的通信安全问题也变得日益突出，迄今为止，经典的密码系统主要是依靠计算的复杂性来确保信息的安全，但其从根本原理上无法保证信息的绝对安全，而且随着计算机性能的不断提升，特别是未来量子计算机的出现，使得经典保密系统受到了严峻的挑战，因此寻找新型的，具有绝对安全性的保密技术变得尤为重要。量子保密通信技术作为近二十年发展起来的新型信息保密领域，其以量子理论为基础，从理论上提供了保密信息交换绝对安全的方法。2009年，量子政务网、量子通信网相继在我国建成，这使得原本停留在基础理论和实验室阶段的量子保密通信技术开始在人们的日常生活中出现。量子密钥分发(QKD)作为量子保密通信中的研究重点，同时也是其中最接近实用化的领域，已经受到越来越多的关注。

自从BB84协议提出以来，各种形式的QKD协议纷纷涌现，如Ekert91协议、BBM92协议、B92协议、六态协议等，但是与这些协议相比，BB84方案操作更加简单实用，且安全系数高，因此BB84方案仍是目前应用最为广泛的QKD方案。QKD的编码方式通常分为偏振编码和相位编码，其中，最早的相位编码采用的是等臂Mach-Zehnder干涉仪方案，该方案需要使用两根光纤传输，路径扰动带来的臂长差变化非常严重，因此不适合长距离传输。后来，Bennett提出了双不等臂MZI方案(C.H.Bennett,“Quantum cryptography using any twononorthogonal states”，Physical Review Letters,vol.68,no.21,pp.3121 -3124,1992.)，发送端和接收端有一对臂长差相等的干涉仪，经过发送端干涉仪长臂、接收端干涉仪短臂的光脉冲和经过发送端干涉仪短臂、接收端干涉仪长臂的光脉冲发生干涉，从而实现编解码，但是该方案中走过短臂-短臂和长臂-长臂的光脉冲并不发生干涉，从而干涉效率(发生干涉的光的能量与总能量的比值)只有50％，为了提高干涉效率，Dixon等人利用偏振选择路径的方法(Dixon A,Yuan Z,Dynes J,et al.“Continuous operation of highbit rate quantum key distribution”,Applied Physics Letters,2010,96(16):161102)，使得经过发送端干涉仪长臂(或短臂)的光脉冲只经过接收端干涉仪短臂(或长臂)，从而使干涉效率提高到100％。

现有的相位编码的量子密钥分发系统，如图1所示，包括发送端、接收端和控制单元(图中未示出)。工作时，控制单元控制发送端的编码模块根据随机数发生单元产生的随机数对信号光进行相应的编码，被编码后的信号光由量子信道传送给接收端，由接收端选择基矢进行相应的解码，并将测量用的基矢和测量结果记录下来。控制单元中的光学与硬件数据处理单元对得到的测量结果进行处理得到原始密钥信息后，由软件处理单元对原始密钥进行数据后处理工作，依次包括基矢比对、认证、纠错、错误验证、隐私放大因子计算和隐私放大，最终发送端和接收端可以获得相同并且安全的最终密钥。

发送端包括光源模块和编码模块，其中光源模块包括脉冲光源1，编码单元包括第一保偏分束器2、第一保偏相位调制器3(即X，Y基矢相位编码模块)、第一保偏延时线4、第一保偏偏振分束器5。

接收端包括解码单元，其中解码单元包括用作X,Y基矢选择模块的第二保偏偏振分束器7、第二保偏相位调制器8、第二保偏延时线9、第二保偏分束器10、第一单光子探测器11、第二单光子探测器12，发送端和接收端之间为量子信道6。

发送端的光源模块发射线性偏振的光脉冲进入编码模块，编码模块将光脉冲分束、相对延时、并对其中之一使用X,Y基矢相位编码模块编码，输出偏振态相互垂直的两个光脉冲进入量子信道传输给接收端。具体过程：脉冲光源1发射线性偏振的光脉冲，光脉冲到达第一保偏分束器2的A端口后，被分束成两束水平偏振光脉冲，一束光脉冲由第一保偏分束器2的B端口输出到达第一保偏偏振分束器5的C端口，此时定义第一保偏分束器2的B端口至第一保偏偏振分束器5的C端口为发送端短臂；另一束光脉冲由第一保偏分束器2的C端口输出到达第一保偏相位调制器(X,Y基矢相位编码模块)，第一保偏相位调制器3对光脉冲随机编码四种相位0，π/2，π，3π/2，编码后的光脉冲经第一保偏延时线4到达第一保偏偏振分束器5的B端口，此时定义第一保偏分束器2的C端口至第一保偏偏振分束器5的B端口为发送端长臂，两路光脉冲经过第一保偏偏振分束器5透射和反射成偏振相互垂直的两个光脉冲并从第一保偏偏振分束器5的A端口输出，由量子信道6到达接收端。

接收端解码单元解码发送端传输过来的携带有编码信息的光脉冲，对该两个光脉冲分束、相对延时，并根据编码信息不同选择探测器输出。具体过程：发送端输出的两个光脉冲经量子信道到达接收端的第二保偏偏振分束器7的A端口，水平偏振光脉冲由第二保偏偏振分束器7的B端口输出至第二保偏分束器10的第A端口，此时定义第二保偏偏振分束器7的B端口至第二保偏分束器10的A端口为接收端短臂；垂直偏振光脉冲经第二保偏偏振分束器7反射变为水平偏振光脉冲从C端口输出至第二保偏相位调制器8，第二保偏相位调制器8对光脉冲随机编码相位0，π/2选择X或Y测量基矢，编码后的光脉冲经第二保偏延时线9到达第二保偏分束器10的C端口，此时定义第二保偏偏振分束器7的C端口至第二保偏分束器10的C端口为接收端长臂，根据偏振选择路径的方法，两束光脉冲走过的光程相等，且偏振态相同，故两束光脉冲在第二保偏分束器10中发生干涉，根据干涉信息不同分别到达不同单光子探测器输出。

此外，还有一种方式是采用包含法拉第旋转镜的不等臂Michelson干涉仪实现相位编码，如公开号为CN 1651947A,专利名称为“一种偏振控制编码方法、编码器和量子密钥分配系统”的中国发明专利，公开了一种使用基于四端口分束器的一对不等臂F-M(Faraday-Michelson)干涉仪来实现偏振控制的相位编码、相干探测的QKD系统，但其使用了普通X型耦合器，使得单光子的路径随机选择，降低了干涉效率；公开号为CN101150371A，专利名称为“一种相位编码偏振检测的量子密钥分配系统”的中国发明专利公开了一种使用基于四端口偏振分束器的一对不等臂F-M(Faraday–Michelson)干涉仪来实现偏振控制的相位编码、偏振探测的QKD系统，其与Dixon等人一样利用偏振选择路径的方法来提高干涉效率，上述方案中接收端均需要加入一个相位调制器来选择X,Y测量基矢，不但会带来额外的插入损耗，从而影响系统成码率，且其由于本身固有问题，使相位调制不精确，导致最终干涉对比度不够高，从而使成码率低，这大大限制了QKD技术的发展。

综上所述，现有技术存在下列问题：

1.现有的相位编码系统在接收端需要加入相位调制器选择X，Y测量基矢，而相位调制器的后端插入损耗会降低系统成码率；

2.现有的相位编码系统由于接收端相位调制器的相位调制精准度低，导致最终干涉对比度不够高，从而使成码率低；

3.现有基于非平衡基矢方案的编码系统需要使用信号发生器产生高速随机电信号来主动控制非平衡基矢的选择，该方案成本高，且器件本身性能限制了相位的精确调制，从而降低了成码率。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于时间-相位编码的量子密钥分发系统及编码装置和解码装置，能够有效提高量子密钥分发系统的成码率。

一种基于时间-相位编码的量子密钥分发系统，包括相互光连接的发送端和接收端，发送端包括用于形成信号光的光源模块以及用于对所述光信号进行相应时间相位编码处理的编码单元，接收端中相应设有用于对经过发送端中编码单元进行时间相位编码处理后的信号光进行时间相位解码处理的解码单元，所述的编码单元包括Z基矢时间编码模块和相位编码模块，所述相位编码模块为X基矢相位编码模块或Y基矢相位编码模块；所述解码单元包括Z基矢时间测量模块和相位测量模块，相位测量模块为X基矢相位测量模块或Y基矢相位测量模块，且与所述相位编码模块相适应。

实际应用时，所述的基于时间-相位编码的量子密钥分发系统还包括用于控制发送端和接收端工作使二者之间形成异地共享的量子密钥的控制单元，所述发送端中的编码单元设有相位编码模块和Z基矢时间编码模块，控制单元按照第一概率比随机使其中一个对发送端中光源发出的信号光进行编码以将发送端中随机数发生单元产生的随机数加载至所述信号光上并发送给接收端；所述接收端中的解码单元设有相应的相位测量模块、Z基矢时间测量模块和基矢选择模块，所述基矢选择模块用于按照第二概率比将来自于发送端的信号光(经过时间相位编码后的信号光)输入到相位测量模块和Z基矢时间测量模块中的一个进行测量以得到携带有解码结果和测量基矢信息的测量结果并反馈给控制单元。

本发明中将随机数发生单元产生的随机数加载至信号光上通过如下方法实现：

控制单元根据随机数发生单元产生的随机数形成相应的控制信号去控制时间相位编码单元对信号光进行相应的时间相位编码。

所述的第一概率比为选择Z基矢时间编码模块对信号光进行编码的概率与选择相位编码模块对信号光进行编码的概率之比，本发明中选择相位编码模块的概率和选择Z基矢时间编码模块的概率之和为1。

所述的第二概率为选择Z基矢时间测量模块对信号光进行解码的概率与选择相位测量模块对信号光进行解码的概率之比，本发明中选择Z基矢时间测量模块的概率和选择相位测量模块的概率之和为1。

作为优选，所述第一概率比和第二概率比均不为0和1，且二者成正比例关系。

本发明中进行编码(即基于时间-相位的编码)时由控制单元选择按照第一概率比选择使用Z基矢时间编码模块或相位编码模块。

接收端和发送端通过量子信道连通，所述的量子信道可以为光纤、平板光波导、自由空间等。

本发明得到的测量结果和解码时采用的基矢和实际解码结果具有一定的对应关系(可认为解码结果中携带有解码结果和测量基矢信息)。例如：控制单元接收到的测量结果来自于相位解码模块，则认为解码时采用的是X基矢(或Y基矢)；反正，若测量结果来自于Z基矢时间测量模块，则认为解码时采用的是Z基矢。

因此，控制单元根据解码结果和测量基矢与测量结果之间的对应关系，通过对测量结果进行后处理即可得到最终解码结果和解码时采用的测量基矢以用于进行基矢比对、纠错、隐私放大等过程进而使发送端和接收端形成量子密钥。

本发明的解码单元独立设置基矢选择模块来选择基矢，由自身组成结构直接决定了接收端接收到的信号光进入相位测量模块还是Z基矢时间解码模块，可直接通过设计基矢选择模块来调节第二概率比。因此，本发明不受控于第三方，且易于实现第二概率比的灵活多样性，以便于根据实际应用情况调节第二概率比使系统成码率最高，尤其适用于非平衡基矢选择方案(即第一概率比和第二概率比不为1的情况)。

基矢选择模块可以根据若干光器件组合实现上述功能，也可以通过单个光器件完成。作为优选，本发明中直接采用一个三端口的分束器作为基矢选择模块，该分束器具有一个输入端，两个分别与相位测量模块连接和Z基矢时间测量模块连接的输出端，且与Z基矢时间测量模块连接的输出端输出光的能量为另一输出端输出光的能量的比值与第二概率比相对应：若第二概率比为选择Z基矢时间测量模块的概率与选择相位测量模块的概率比，则该比值与第二概率比相等，反之，则该比值为第二概率比的倒数。当需要调节第二概率比时，仅需要更换为相应分束比的分束器即可。

所述编码单元还包括第一分束模块，用于将所述的信号光分为两束第一子信号光并通过不同光路中传输以供相位编码模块和Z基矢时间编码模块进行编码。

所述的相位编码模块用于对两束第一子信号光进行相位调制使两束第一子信号光的存在预设的相位差以完成编码(在相位编码模块为X基矢相位编码时，所述的相位差为0或π，在相位编码模块为Y基矢相位编码时，所述的相位差为π/2或3π/2)，所述Z基矢时间编码模块用于对其中一束第一子信号光进行强度调制使该束第一子信号光的强度为0以完成编码。

可直接在两路第一子信号光的光路上设置受控于控制单元的强度调制器和相位调制器实现。为节省成本、降低插入损耗，仅配置一个相位调制器和一个强度调制器，二者都可以安设在其中的任意一条光路中，二者安设位置互不相干，可同时安设在同一光路上，也可安设在不同光路上。

作为优选，所述第一分束模块用于将所述信号光分为两束能量相等的第一子信号光。

两路第一子信号光的能量相同，此时，接收端接收到的两路第一子信号光的能量相等，采用相位解码时的干涉比最高，进而提高成码率。实际应用时，由于两束第一子信号光传输至相位测量模块所经光路的不一致性，可能会存在不同的损耗，因此，为保证接收端中相位测量模块接收到的两路光信号能量一致，所述第一分束模块用于将所述信号光分为两束能量比可在1:1附近小幅度微调。考虑到实现成本，本发明中第一分束模块采用分束比接近1：1的分束器实现。

两束第一子信号光通过不同光路传输至接收端的过程中会出现时间、相位、偏振态等变化不一致的情况，进而导致干涉效率不高，由于是远距离传输时该情况更加严重。为避免该情况出现，本发明的量子密钥分配系统中：所述发送端和接收端之间通过一条量子信道连通，所述编码单元还包括：

第一延时模块，用于对在不同光路上传输的两束第一子信号光进行相对延时；合路模块，用于将所述的两束第一子信号光合为一路后通过所述量子信道发送给接收端。

相应的，所述相位测量模块还包括：

第二分束模块，用于将接收到的合为一路的两束第一子信号光分为两路第二子信号光并通过不同光路输出；第二延时模块，与第一延时模块相匹配，用于对第二分束模块输出的两路第二子信号光进行相对延时以进行干涉。

两路第二子信号光可以分别对应为两束第一子信号光的一束，(即其中一路第二子信号光为一束第一子信号光，另一路第二子信号光为另一束第一子信号光)，也可以是每一路第二子信号光中都包含两束第一子信号光中的一部分，具体取决于系统光路。

根据每一路第二子信号光的组成，干涉可以为部分干涉，也可以为完全干涉。当两路第二子信号光可以分别对应为两束第一子信号光的一束，可以进行完全干涉。

第一延时模块和第二延时模块进行相对延时的时长均无特殊要求，可根据实际应用需求设定。但是需要保证经过第二延时模块延时后最终两路第二子信号光能够同时到达某一位置，保证能够发生干涉进行X基矢解码。

作为优选，所述编码单元还包括偏振控制模块，用于调节两束第一子信号光的偏振态使其中一束为水平偏振光，另一束为垂直偏振光。

相应的，所述的第二分束模块根据两束第一子信号光的偏振态将合路后的两束第一子信号光重新分为两路第二子信号光且将两路第二子信号光的偏振态调为一致。

通过调节偏振态后根据光的偏振态进行路径选择后，相位测量模块分束得到的两路第二子信号光实际上为发送端合路后的两束第一子信号光，因此干涉时的干涉效率理论上可达到100％，大幅度提高了成码率。

本发明还提供了一种时间-相位编码装置，包括用于形成信号光的光源模块以及用于对所述信号光进行时间相位编码的编码单元，所述的编码单元包括相位编码模块和Z基矢时间编码模块，所述相位编码模块为X基矢相位编码模块或Y基矢相位编码模块。

X基矢相位编码模块和Z基矢时在实际应用时，所述时间-相位编码装置按照第一概率比随机使相位编码模块和Z基矢时间编码模块中的一个对发送端中光源发出的信号光进行编码以将发送端中随机数发生单元产生的随机数加载至所述信号光上并发送给接收端。

作为优选，所述第一概率比不为0和1。概率比不为1，实现非平衡基矢编码，提高成码率。

作为优选，所述时间相位编码装置还包括第一分束模块，用于将所述的信号光分为两束在不同光路中传输的第一子信号光以供相位编码模块和Z基矢时间编码模块进行编码。

其中，所述第一分束模块用于将所述信号光分为两束能量相等的第一子信号光。

进一步优选，所述时间相位编码装置还包括：第一延时模块，用于对在不同光路上传输的两束第一子信号光进行相对延时；合路模块，用于将所述的两束第一子信号光合为一路后发送出去。

更优的，所述时间相位编码装置还包括偏振控制模块，用于调节两束第一子信号光的偏振态使一束为水平偏振光，另一束为垂直偏振光。

偏振控制模块可以仅包括一个部分，也可以使多个器件的组合，且为多个器件组合时，该多个器件可以集成为一体，也可以根据需要分别分散设置在时间相位编码装置中光路的不同位置，进一步为便于实现器件小型化，可直接集成至光路中某一器件中。

本发明还提供了一种时间-相位解码装置，包括用于对接收到的经过时间相位编码的信号光进行时间相位解码的解码单元，所述解码单元包括相位测量模块、Z基矢时间测量模块和基矢选择模块，所述基矢选择模块用于随机将所述信号光输入到相位测量模块和Z基矢时间测量模块中的一个进行测量以进行相应的解码处理，所述相位测量模块为X基矢测量模块或Y基矢测量模块。

本发明中基矢选择模块用于按照第二概率比将来自于发送端的光信号输入到相位测量模块和Z基矢时间测量模块中的一个进行测量以完成相应的解码处理。通过解码得到的解码结果携带有测量基矢信息。作为优选，所述第二概率比均不为0和1。

所述的时间-相位解码装置还包括：

第二分束模块，用于将接收到的合为一路的两束第一子信号光分为两路第二子信号光并通过不同光路输出；第二延时模块，用于对第二分束模块输出的两路第二子信号光进行相对延时以发生干涉。

其中，所述的第二分束模块根据两束第一子信号光的偏振态将合路后的两束第一子信号光重新分为两路第二子信号光且将将两路第二子信号光的偏振态调为一致。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

现有相位编码系统在接收端的测量部分需要加入相位调制器，用来选择X或Y测量基矢，所加入的相位调制器会带来额外插入损耗降低成码率。本发明在接收端不需要加相位调制器，能够大大降低插入损耗，提高成码率；

现有相位编码系统需要使用信号发生器产生高速随机电信号主动控制非平衡基矢的选择，成本较高，且由于器件本身性能限制了系统相位的精确调制，从而降低成码率。本发明可以根据需要改变反射光进入Z基矢时间探测模块分束比例，无需主动调制即可实现测量端的被动非平衡基矢的高效QKD方案。

附图说明

图1为现有的基于相位编码的量子密钥分发系统的结构框图；

图2为实施例1的基于时间-相位编码的量子密钥分发系统的结构框图；

图3a是实施例2的编码单元的示意图；

图3b是实施例2的相位测量模块的示意图；

图4a是实施例3的编码单元的示意图；

图4b是实施例3的解码单元的示意图；

图5a是实施例4的编码单元的示意图；

图5b是实施例4的相位测量模块的示意图；

图6a是实施例5的编码单元的示意图；

图6b是实施例5的解码单元的示意图；

图7a是实施例6的编码单元的示意图；

图7b是实施例6的相位测量模块的示意图。

具体实施方式

下面结合附图通过具体实施方式对本发明作进一步的说明。

实施例1

如图2所示，本实施例的基于时间-相位编码的量子密钥分发系统，包括通过量子信道进行相互光连接的发送端(Alice)和接收端(Bob)，发送端包括用于形成信号光的光源模块以及用于对信号光进行时间相位编码处理的编码单元，接收端中相应设有用于对经过发送端中编码单元进行时间相位编码处理后的信号光进行时间相位解码处理的解码单元。

本实施例的量子信道为光纤、自由空间和平面波导。

本实施例中光源模块为脉冲光源1，是理想单光子源或结合诱骗态的弱相干光源，能够发出的信号光为单光子脉冲。

在实际应用时，QKD系统的发送端中还设有随机数发生器，同步光源等，且发送端和接收端分别设有相应的主控单元以控制接收端和发送端中各个组成部分(或单元、模块)的工作、且发送端和接收端的控制单元之间通信连接，可进行信息传递，进而完成量子密钥分发，以在发送端和接收端之间实现异地共享的量子密钥。

编码单元包括Z基矢时间编码模块和相位编码模块，相位编码模块为X基矢相位编码模块或Y基矢相位编码模块；解码单元包括Z基矢时间测量模块和相位测量模块，相位测量模块为X基矢相位测量模块或Y基矢相位测量模块，且与发送端中的相位编码模块相适应。

本发明中相位测量模块与发送端中的相位编码模块相适应应理解为：

在相位编码模块为X基矢相位编码模块时，相位测量模块应该为X基矢测量模块；反之，在相位编码模块为Y基矢相位编码模块时，相位测量模块应该为Y基矢测量模块。

下面将以相位编码模块为X基矢相位编码模块为例进行说明，对于相位编码模块为Y基矢相位编码模块的情况不再赘述。

编码单元还包括第一分束模块，用于将光源模块发出的信号光分为两束第一子信号光并通过不同光路中输出以供X相位编码模块和Z基矢时间编码模块进行编码。且第一分束模块将信号光分为两束能量相等的第一子信号光。

本实施例中第一分束模块为分束器2，且其分束比为1:1(实际上可在1:1附近微调)。具体如图2所示，该分束器2包括三个端口，分别为2A、2B、2C，其中2A为输入端口，用于接收光源模块输出的信号光，2B、2C分别为输出端口，分别将分束得到的两束第一子信号光输出到不同光路上。

本实施例中X基矢相位编码模块基于相位调制原理实现，通过对经由第一分束模块分为两束的第一子信号光进行相位调制使二者之间的相位差为0或π即完成相位编码。

本实施例中Z基矢时间编码模块基于强度调制原理实现，通过对其中一束第一子信号光进行强度调制使该束第一子信号光的强度为接近0的真空态，且进一步对两束子信号光进行相对延时以实现时间上区别进而完成时间编码。

本实施例中发送端和接收端之间仅一条量子信道。为保证分束后的信号光能够在同一条量子信道中传输，编码单元还包括合路模块，用于将两束第一子信号光合为一路后通过该条量子信道发送给接收端。

本实施例中合路模块为一分束器(图中分束器5)，其分束比为1:1，设有三个端口，分别为5A、5B和5C，其中5B、5C作为输入端口，5A作为输出端口。5B通过相位调制器3和延时线4与分束器2的端口2C相连，5C与分束器2的端口2B相连。

作为一种相位编码的实现方式：可在两束子信号光的其中一束的光路上设置一相位调制器3，也可将相位调制器3设置在合路后的光路上，即在分束器5的5A端口和量子信道7之间对两束子信号光中的一束进行相位调制使两束子信号光的相位差达到0或π。

如图2所示，本实施例中将强度调制器设置在合路后的光路上，即使分束器5的5A与强度调制器相6连以将合束后的信号光发送给强度调制器6进行强度调制。此时，经强度调制器6调制后的信号光直接经由量子信道7发送至接收端。

作为一种时间编码的实现方式：

在两束子信号光的其中一束的光路上设置第一延时模块，用于对两束子信号光进行相对延时以进行时间上分辨，本实施例中第一延时模块为延时线4；

并在两束子信号光的光路上设置两个强度调制器或在合路后的光路上设置一个强度调制器6，以进行强度调制。

本实施例中相位调制器和强度调制器均受控于发送端中的主控单元，二者在主控单元的控制下协同对信号光进行相位调制或强度调制，例如，在预设的时间段内，若对信号光进行了相位调制，则不再对该信号光进行强度调制。且对信号光进行相位调制还是时间调制完成随机，本实施例中选择相位调制和选择时间调制的概率不同，但是概率之和为1。

如图2所示，接收端中的解码单元包括相位测量模块和Z基矢时间测量模块。为保证接收到的光信号进行路径选择，解码单元还设有基矢选择模块，该基矢选择模块用于按照预设的概率比将来自于发送端的光信号(经过时间相位编码后的光信号)输入到相位测量模块和Z基矢时间测量模块中的一个进行测量以得到携带有解码结果和测量基矢信息的测量结果并反馈给接收端中的控制单元。

本实施例中基矢选择模块采用分束器8实现，其分束比等于预设的概率比，具体根据发送端中采用相位编码与采用时间编码的概率比设定，且使进入相位测量模块的概率与进入Z基矢时间测量模块的概率之比正比于发送端中采用相位编码的概率与采用时间编码的概率之比。

分束器8设有3个端口，分别为8A、8B和8C，其中8A作为输入端，通过量子信道7接收来自发送端的信号光(经过时间相位编码后的)，8B和8C分别与相位测量模块和Z基矢时间测量模块相连以输入信号光。

由于信号光为单光子脉冲，根据单光子的不可分割原理，经过分束器8的信号光要么由8B输出，要么由8C输出。

如图2所示，Z基矢时间测量模块包括一单光子探测器12，该单光子探测器与作为基矢选择模块的分束器8中的端口8C连接以对接收到的信号光进行强度测量。

相位解码基于干涉原理实现，如图2所示，本实施例中的相位测量模块包括第二分束模块、第二延时模块、合束模块和探测器模块。具体如下：

第二分束模块，用于将接收到的合为一路的两束第一子信号光分为两路第二子信号光并通过不同光路输出；

本实施例中第二分束模块直接采用分束器(分束器9)实现，分束器9设有3个端口，分为9A、9B和9C，其中9A作为输入端，与分束器8的输出端口8B连接以接收信号光，9B和9C作为输出端口，将9A接收到的信号光分为两路后并进行输出。

第二延时模块，与第一延时模块相匹配，用于对第二分束模块输出的两路第二子信号光进行相对延时以使两路第二子信号光能够发生干涉；

与第一延时模块相同，第二延时模块为延时线10，且与第一延时模块的延时时长相同，具体延时时长以保证单光子探测器能够探测到为准。作为一种实现方式，本实施例中延时线10设置在分束器9的9C输出的一路光路上。

合束模块，用于将第二分束模块分出的两路第二子信号光合束以发生干涉并将两种干涉结果分为两路输出。两种干涉结果分别指两路第二子信号光的相位差(相应的第一子信号光的相位差)为0时干涉的结果和相位差为π干涉时的结果。

本实施例中每一路第二子信号光实际上包括两束光，该两束光分别对应于两束第一子信号光经过第二分束模块分束后进入该路的部分。因此，本实施例的干涉为部分干涉。

本实施例中合束模块采用分束器11实现，分束比为1:1，分束器设有4个端口，分别为11A、11B、11C和11D，其中11A和11C均作为接收端，11A与分束器9的9B连接，11C通过延时线10与分束器9的9C连接，11B和11D为输出端，分别输出两种干涉结果。

探测器模块，用于对合束模块输出的干涉后的两种不同干涉结果进行测量。

本实施例中探测器模块中设有两个单光子探测器，分别为单光子探测器13和单光子探测器14，分别探测来自合束模块的两种不同干涉结果。本实施例中单光子探测器13与分束器11的11B连接以对其输出的结果进行强度测量，单光子探测器14与分束器11的11D连接以对其输出的结果进行强度测量。

Z基矢下探测根据接收到的光脉冲的有无(即是否接收到光脉冲)转化成比特值，X基矢下探测是根据相位差不同到达不同的探测器转化成比特值，生成比特值后通过经典信道进行基矢比对，纠错，隐私放大等后处理过程最终生成量子密钥。

实施例2

与实施例1相同，不同之处在于，本实施例采用偏振分束器5a替代实施例1中发送端的分束器5，其中5B为透射端、5C为反射端，相应的，采用偏振分束器9a替代实施例中接收端的分束器9，其中9B为透射端、9C为反射端，且在分束器9和延时线10之间增设一90°偏振旋转器15，具体改动部分参见图3a和图3b。

实际上，90°偏振旋转器15可以设置在分束器输出的另一光路上。

工作时编码和解码方法均和实施例1相同，不同的是：

对于发送端，脉冲光源发出的线性偏振的信号光经过分束器2分束形成两路偏振信息相同的第一子信号光并经由不同光路到达偏振分束器5a的两个输入端口(5B和5C)，两路子信号光经过偏振分束器5的透射和反射得到两束偏振互相垂直的光脉冲并从偏振分束器5a的输出端口5A输出。

对于接收端，其接收到的信号光为两束偏振态相互垂直的第一子信号光，相应的相位测量模块中的偏振分束器9a根据偏振态对接收到的信号光进行透射和反射，进而使两束第一子信号光分开并分别在不同的光路中传输即得到两路第二子信号光(两路第二子信号光分别为两束第一子信号)，其中一路第二子信号光经由90°偏振旋转器15的作用偏振态旋转90°，使两路子信号光的偏振态一致，进而能够在分束器11处干涉，且为完全干涉。

实施例3

与实施例2相同，不同之处在于，本实施例中走长路(延时线4所在光路)的第一子信号光通过反射端口5B进入偏振分束器5a，走短路的第一子信号光经过透射端口5C进入偏振分束器5a(即延时线4与偏振分束器5a的反射端口5B连接，分束器2的2B与偏振分束器5a的透射端口5C连接)。

相应的，为了在解码单元两束信号光能最终发生干涉，需在分束器8和偏振分束器9a之间增设一90°偏振旋转器28，对两束第一子信号光的偏振态进行改变，使得其中一束从水平偏振光变为垂直偏振光，另一束从垂直偏振光变为水平偏振光，具体改动部分参见图4a和图4b。

实施例4

与实施例1相同，不同之处在于，本实施例将实施例1中的相位调制器、延时线、分束器(除了分束器8以外)均采用相应的保偏器件替代，即采用保偏相位调制器3a替代实施例1中的相位调制器3、采用保偏偏振分束器5b、9b分别替代分束器5和9、采用保偏分束器2a、11a分别替代分束器2和11、采用保偏延时线4a和10a分别替代实施例1中的延时线4和10。相应的，本实施例的量子信道只能为光纤。具体参见图5a和图5b所示。

工作时编码和解码方法均和实施例1相同，不同的是：

对于发送端，脉冲光源发出的线性偏振的信号光经过保偏分束器2a分束形成两束偏振信息相同的第一子信号光并经由不同光路到达偏振保偏偏振分束器5c的两个输入端口(5B和5C)，两束第一子信号光经过偏振分束器5c的透射和反射得到两束偏振互相垂直的光脉冲并从偏振分束器5b的输出端口5A输出。

对于接收端，其接收到的信号光为两束偏振态相互垂直的第一子信号光，相应的，相位测量模块中的保偏偏振分束器9c根据偏振态对接收到的信号光进行透射和反射，进而使两束第一子信号光的偏振态相同、并分开在不同的光路中传输即得到两路第二子信号光(两路第二子信号光中一路对应为两束第一子信号光的一束，一路为对应为两束第一子信号光的另一束、且偏振态旋转90°)，进而能够在保偏分束器11a处干涉。

实施例5

与实施例4相同，不同之处在于，本实施例中走长路(保偏延时线4a所在光路)的第一子信号光经过反射端口5B进入保偏偏振分束器5b的反射端口5B，走短路的第一子信号光经过透射端口5C进入保偏偏振分束器5b。

相应的，为了在解码单元两束信号光能最终发生干涉，需在分束器8和偏振分束器9b之间增设一90°偏振旋转器29，对两束第一子信号光的偏振态进行改变，使得其中一束从水平偏振光变为垂直偏振光，另一束从垂直偏振光变为水平偏振光，具体改动部分参见图6a和图6b。

实施例6

与实施例1相同，不同之处在于，发送端中的编码单元和接收端中的解码单元中的相位测量模块不同。

如图7a所示，本实施例的编码单元包括偏振分束器16，设有4个端口，分别为16A、16B、16C和16D，其中，16A与脉冲光源相连，16B依次连接有延时线17和90°法拉第旋转镜18，16C依次包括相位调制器19和90°法拉第旋转镜20，16D依次连接有强度调制器21，强度调制器21直接与量子信道连接以将编码后的信号光发送给接收端。

16A接收脉冲光源1发出的信号光，并根据偏振态将脉冲光源1输出的信号光分束器进行透射和反射以将接收到的信号光分为偏振态相互垂直的两路，其中透射部分为水平偏振光，从16C输出至相应的光路，反射部分为垂直偏振光，从16B输出至相应的光路。

经过16C和16B输出的信号光到相应光路中受到相应90°法拉第旋转镜的作用，偏振态旋转90°后沿着原光路返回至偏振分束器16，其中：由16B返回的信号光变为水平偏振光，全部透射，并从16D输出；由16C返回的信号光变为垂直偏振光，全部反射，并从16D输出。且由于16B相连的光路上设有延时线17，因此，最终16D会输出两束偏振态相互垂直，一束为垂直偏振光，另一束为水平偏振光，且水平偏振光相对于垂直偏振光有延时。

相应的，接收端中的解码单元也应进行适应性改动，本实施例中解码单元的改动在于相位测量模块，具体如图7b所示。相位测量模块包括偏振分束器22，设有4个端口，分别为22A、22B、22C和22D，其中22A与基矢选择模块连接以接信号光，22B依次连接有λ/2波片23和探测器模块，22C依次连接有延时线24和90°法拉第旋转镜25，22D连接有90°法拉第旋转镜26。

根据编码单元的工作可知，偏振分束器22的22A接收到的信号光包括两束子信号光，一束为垂直偏振光，另一束为水平偏振光，且水平偏振光相对于垂直偏振光有延时。

22A根据偏振态将接收到的信号光分为两束输出，具体：

垂直偏振光被反射并由22C输出，经过延时线24延时后，再经过90°法拉第旋转镜25调为水平偏振光并沿原光路返回至偏振分束器22的22C，直接透射后从22B输出。

水平偏振光被透射并由22D输出，经过90°法拉第旋转镜26调为垂直偏振光并沿原光路返回至偏振分束器22的22D，直接反射后从22B输出。

可见，偏振分束器22的22B输出的水平偏振光和垂直偏振光已经不存在相对延时，二者在时间上已经一致。

本实施例中，λ/2波片的快轴或慢轴方向与偏振分束器22的两个偏振基矢成22.5°或-22.5°夹角，等效的使偏振分束器27从H/V基矢下的投影测量变为在+45°/-45°基矢下的投影干涉，且干涉结果被探测器模块测量。

Claims (4)

1.一种基于时间-相位编码的量子密钥分发系统，包括相互光连接的发送端和接收端，发送端包括用于形成信号光的光源模块以及用于对所述信号光进行时间相位编码处理的编码单元，接收端中相应设有用于对经过发送端中编码单元进行相应时间相位编码处理后的信号光进行时间相位解码处理的解码单元，其特征在于，所述的编码单元包括Z基矢时间编码模块和相位编码模块，所述相位编码模块为X基矢相位编码模块或Y基矢相位编码模块；所述解码单元包括Z基矢时间测量模块和相位测量模块，相位测量模块为X基矢相位测量模块或Y基矢相位测量模块，且与所述相位编码模块相适应；

所述编码单元还包括第一分束模块，用于将所述信号光分为两束第一子信号光并通过不同光路输出以供相位编码模块和Z基矢时间编码模块进行编码；

所述发送端和接收端之间通过一条量子信道连通，

所述编码单元还包括：第一延时模块，用于对两束第一子信号光进行相对延时；合路模块，用于将所述的两束第一子信号光合为一路后通过所述量子信道发送给接收端；

所述相位测量模块还包括：

第二分束模块，用于将接收到的合为一路的两束第一子信号光分别分为两路第二子信号光并通过不同光路输出；

第二延时模块，与第一延时模块相匹配，用于对第二分束模块输出的两路第二子信号光进行相对延时以进行干涉；

合束模块，用于将第二分束模块分出的两路第二子信号光合束以发生干涉并将两种干涉结果分为两路输出；

探测器模块，用于对合束模块输出的干涉后的两种不同干涉结果进行测量。

2.如权利要求1所述的基于时间-相位编码的量子密钥分发系统，其特征在于，所述第一分束模块用于将所述信号光分为两束能量相等的第一子信号光。

3.如权利要求1所述的基于时间-相位编码的量子密钥分发系统，其特征在于，所述编码单元还包括偏振控制模块，用于调节两束第一子信号光的偏振态使其中一束为水平偏振光，另一束为垂直偏振光。

4.如权利要求3所述的基于时间-相位编码的量子密钥分发系统，其特征在于，所述的第二分束模块根据两束第一子信号光的偏振态将合路后的两束第一子信号光重新分为两路第二子信号光且将两路第二子信号光的偏振态调为一致。

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