CN108462577A - 一种偏振编码量子密钥分发的解码器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种偏振编码量子密钥分发的解码器，包括：分束器、第一偏振分束器、第二偏振分束器、第一延迟线、第二延迟线、第一单光子探测器和第二单光子探测器。分束器含两个输出端。第一偏振分束器含两个输入端和两个输出端。用于分离同一组偏振基所包含的两个互相垂直的偏振态。第二偏振分束器含两个输入端和两个输出端。用于耦合同一组偏振基所包含的两个互相垂直的偏振态。第一单光子探测器和第二单光子探测器各含一个输入端。用于探测单光子水平的量子信号。本发明采用了偏振分束(耦合)器来替代偏振无关光耦合器。避免了偏振无关光耦合器导致的光学损耗，令初始量子密钥生成率提高一倍以上。

Description

一种偏振编码量子密钥分发的解码器
技术领域
本发明属于量子信息技术领域，具体涉及一种用于偏振编码量子密钥分发的解码装置。
背景技术
量子密钥分发的作用是令通信双方共享一串无条件安全的随机数，即量子密钥。量子密钥结合“一次一密”协议，可以实现无条件安全的加密通信。量子密钥分发可基于离散变量和连续变量。其中，BB84是目前主流的离散变量量子密钥分发协议，其编码方式主要有相位编码和偏振编码两种。
在偏振编码方式中，BB84协议规定的光子偏振态有两组：水平/竖直偏振和±45°线偏振。发射方将光子的偏振态随机地制备为上述四种偏振态中的一种。接收方随机选取两组偏振基对光子进行测量，进而完成解码。传统的测量方案是采用四个单光子探测器分别探测上述四种偏振态。然而，目前，单光子探测器价格昂贵，导致上述测量方案成本较高。
现有对上述问题的常规解决方案是：
四路偏振信号分别经过光学延迟，再通过两个2x1或者一个4x1的偏振无关光耦合器耦合至单个单光子探测器。该方案本质上利用光学延迟实现了偏振信号的时分复用探测。在该方案中，如果使用两个2x1偏振无关光耦合器，则只需使用一个单光子探测器，但它们会额外引入3dB的光学损耗，导致初始量子密钥减少1/2。而如果使用一个4x1偏振无关光耦合器，则仅需使用1个单光子探测器，但它会额外引入6dB的光学损耗，导致初始量子密钥减少3/4。虽然该方案中，单光子探测器的数量减少了，但偏振无关光耦合器会额外引入光学损耗，导致量子密钥生成率大幅减少。
发明内容
本发明的目的在于克服上述解码方案额外引入较多光学损耗的问题，提出一种偏振编码量子密钥分发的解码器。
本发明是这样实现的：
一种偏振编码量子密钥分发的解码器，包括：分束器、第一偏振分束器、第二偏振分束器、第一延迟线、第二延迟线、第一单光子探测器和第二单光子探测器。
所述分束器含两个输出端。所述分束器将入射的量子信号分束为两个光脉冲，用于BB84量子密钥分发协议中两组偏振基测量的被动选择。
所述第一偏振分束器含两个输入端和两个输出端。用于分离同一组偏振基所包含的两个互相垂直的偏振态。所述第一偏振分束器的第一输入端与所述分束器的第一输出端通过第一光路相连，所述第一偏振分束器的第二输入端与所述分束器的第二输出端通过第二光路相连。
所述第二偏振分束器含两个输入端和两个输出端。用于耦合同一组偏振基所包含的两个互相垂直的偏振态。所述第二偏振分束器的第一输入端与所述第一偏振分束器的第一输出端通过第三光路相连，所述第二偏振分束器的第二输入端与所述第一偏振分束器的第二输出端通过第四光路相连。
所述第一单光子探测器含一个输入端。用于探测单光子水平的量子信号。所述单光子探测器的输入端与所述第二偏振分束器的第一输出端通过第五光路相连。
所述第二单光子探测器含一个输入端。用于探测单光子水平的量子信号。所述单光子探测器的输入端与所述第二偏振分束器的第二输出端通过第六光路相连。
所述第一延迟线位于所述第一光路、第二光路、第五光路或者第六光路中。用于产生BB84量子密钥分发协议中两组偏振基之间的测量时间差。
所述第二延迟线位于所述第三光路或者第四光路中。用于产生BB84量子密钥分发协议中同一组偏振基所包含的两个偏振态之间的测量时间差。
优选的，所述延迟线是光纤或者自由空间。
优选的，所述第一延迟线的光学延迟是所述第二延迟线的光学延迟的两倍。
优选的，所述第二延迟线的光学延迟与BB84量子密钥分发协议中量子信号的重复周期相等。
优选的，所述第一光路和/或第二光路中还包括偏振调制器，用于两组偏振测量基的校准。
优选的，所述第三和第四光路是保偏光路。
优选的，所述第三和第四光路还包括偏振调制器，用于对准所述第一和第二偏振分束器之间的分束轴向。
本发明的偏振编码量子密钥分发的解码器在耦合量子密钥分发协议中同一组偏振基的两个偏振态时，采用了偏振分束(耦合)器来替代偏振无关光耦合器。由于同一组偏振基所包含的两个偏振态互相垂直，因此这两者只要与偏振分束(耦合)器的分束轴向匹配，就能直接从偏振分束(耦合)器的同一输出端输出，而后被同一个单光子探测器捕捉。这就避免了偏振无关光耦合器导致的光学损耗，在减少单光子探测器数量的同时，可令初始量子密钥生成率提高一倍以上。
附图说明
图1为本发明实施例的偏振编码量子密钥分发的解码器基本组成示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
本发明的解码器的一种结构如图1所示：它主要由1x2分束器1，偏振调制器2、偏振调制器3、延迟线4、2x2偏振分束器5、保偏延迟线6、2x2偏振分束器7、单光子探测器8和单光子探测器9组成。
单个量子信号通过分束器1后被分束为两个光脉冲。第一光脉冲通过偏振调制器2和延迟线4后，与偏振分束器5连接。第二光脉冲通过偏振调制器3后，与偏振分束器5连接。延迟线4使得BB84协议中两组偏振基的测量存在时间差，该时间差等于量子信号光脉冲重复周期的两倍。
第一光脉冲被偏振分束器5分束后，其竖直分量依次通过保偏延迟线6、偏振分束器7，最后进入单光子探测器8，其水平分量通过偏振分束器7后直接进入单光子探测8。而第二光脉冲被偏振分束器5分束器后，其水平分量依次通过保偏延迟线6、偏振分束器7，最后进入单光子探测器9，其竖直分量通过偏振分束器7后直接进入单光子探测9。延迟线6使得水平和竖直分量(同一偏振基所包含的两个偏振态)的探测存在时间差，该差异等于量子信号光脉冲重复周期。偏振分束器7将同一组偏振基所包含的两个偏振态直接耦合到一个单光子探测器，从而避免了使用光分束/耦合器(偏振无关)带来的3dB光学损耗。
尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。

Claims (8)

1.一种偏振编码量子密钥分发的解码器，其特征在于包括：分束器、第一偏振分束器、第二偏振分束器、第一延迟线、第二延迟线、第一单光子探测器和第二单光子探测器；
所述分束器含两个输出端。所述分束器将入射的量子信号分束为两个光脉冲，用于BB84量子密钥分发协议中两组偏振基测量的被动选择；
所述第一偏振分束器含两个输入端和两个输出端。用于分离同一组偏振基所包含的两个互相垂直的偏振态。所述第一偏振分束器的第一输入端与所述分束器的第一输出端通过第一光路相连，所述第一偏振分束器的第二输入端与所述分束器的第二输出端通过第二光路相连；
所述第二偏振分束器含两个输入端和两个输出端。用于耦合同一组偏振基所包含的两个互相垂直的偏振态。所述第二偏振分束器的第一输入端与所述第一偏振分束器的第一输出端通过第三光路相连，所述第二偏振分束器的第二输入端与所述第一偏振分束器的第二输出端通过第四光路相连；
所述第一单光子探测器含一个输入端。用于探测单光子水平的量子信号。所述单光子探测器的输入端与所述第二偏振分束器的第一输出端通过第五光路相连；
所述第二单光子探测器含一个输入端。用于探测单光子水平的量子信号。所述单光子探测器的输入端与所述第二偏振分束器的第二输出端通过第六光路相连。
2.根据权利要求1所述偏振编码量子密钥分发的解码器，其特征在于：
所述第一延迟线位于所述第一光路、第二光路、第五光路或者第六光路中。用于产生BB84量子密钥分发协议中两组偏振基之间的测量时间差。
3.根据权利要求1所述偏振编码量子密钥分发的解码器，其特征在于：
所述第二延迟线位于所述第三光路或者第四光路中。用于产生BB84量子密钥分发协议中同一组偏振基所包含的两个偏振态之间的测量时间差。
4.根据权利要求2或3所述偏振编码量子密钥分发的解码器，其特征在于：
所述延迟线是光纤或者自由空间。
5.根据权利要求2或3所述偏振编码量子密钥分发的解码器，其特征在于：
所述第一延迟线的光学延迟是所述第二延迟线的光学延迟的两倍；所述第二延迟线的光学延迟与BB84量子密钥分发协议中量子信号的重复周期相等。
6.根据权利要求1所述偏振编码量子密钥分发的解码器，其特征在于：
所述第一光路和/或第二光路中还包括偏振调制器，用于两组偏振测量基的校准。
7.根据权利要求1所述偏振编码量子密钥分发的解码器，其特征在于：
所述第三和第四光路是保偏光路。
8.根据权利要求1所述偏振编码量子密钥分发的解码器，其特征在于：
所述第三和第四光路还包括偏振调制器，用于对准所述第一和第二偏振分束器之间的分束轴向。
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