CN108540282A - 基于偏振调制时间编码的hd-qkd系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了所述发送端基于光注入的方式生成偏振调制的光脉冲组，再经由基矢调制和诱骗态调制得到编码后光脉冲组，编码后光脉冲组经衰减后发送至接收端；所述接收端将来自发送端的编码后光脉冲组进行分束后分别利用Z基矢探测模块和X基矢探测模块进行探测。本发明HD‑QKD系统，采用偏振调制时间编码并采用相应的测量装置，进一步提高了测量效率。
Description
技术领域
本发明涉及量子通信技术领域，尤其涉及一种基于偏振调制时间编码的高维量子密钥分发系统。
背景技术
随着量子信息理论和技术的发展，量子计算机将很快面世。基于计算复杂性的传统公钥系统将不再安全。长久以来人们已经知道采用对称加密，且一次一密的加密系统从信息论的角度看是安全的，这种安全并不基于计算复杂性等类似的前提，因此并不会受到量子计算机的冲击。但此类对称加密系统需要进行安全实时的远距离密钥分发工作，而这在经典系统里面是难以办到的。量子密钥分发系统(QKD)的出现，解决了密钥传输过程中的安全性问题，使得一次一密的加密系统得以实现，从根本上解决通信安全问题。
但是现有的QKD系统有一个明显的缺陷，即码率不高(几十公里光纤可到Mbps)。提升码率是QKD实用化的重要课题。而高维编码是提升码率的一个有效途径。传统的QKD系统中，一个量子态携带一个比特的信息(量子比特)，而在高维QKD系统中，一个量子态将携带多个比特的信息，从而码率将得以提升。因此高维量子密钥分发系统(HD-QKD)是QKD研究中的一个重要领域。
在高维编码系统中，X基矢和Z基矢均有d个本征态(d表示系统维度)，因此每个本征态对应为0到d-1的比特值。X基矢本征态和相应的Z基矢的本征态之间的关系可以用如下公式来描述
其中|fn>和|tm>分别为X基矢第n个和Z基矢的第m个本征态。
高维编码的形式也多种多样，而主流的方案为时间编码；其在实验实现上较为简单，因而被广泛研究。
在高维时间编码中，d维的量子态需要相应的d个连续的相同时间间隔(τ)构成的一个时间段(T＝dτ)来表示。对于时间间隔，从左往右用0到d-1对其标注。对于Z基矢，其任意一个本征态|tn>在时间编码中的具体形式为：仅在第n个时间间隔中有脉冲而其余时间间隔内没有脉冲。对于X基矢，根据公式(1)不难得知，其不同基矢间的差别在于时间间隔内脉冲的相位，且每个间隔内出现脉冲的几率相同。图1给出了d＝4时，|t0>和|f0>的时间编码形式，且对于|f0>根据上述公式标注了其每个间隔内脉冲的相位。
现有高维时间编码QKD的简单步骤如图2，此处以维度d＝4为例，包括：
1.Alice端的激光器生成一系列等时间间隔的激光脉冲；
2.脉冲经过由FPGA控制的第一强度调制器(IM1)调制后，以qx和qz的几率分别对脉冲组进行X基矢和Z基矢的调制；调制的对象为4个连续脉冲构成的脉冲组；对于Z基矢，脉冲组被等几率随机调制到4个本征态的一个，具体实现方式为通过IM1将相应三个时间间隔内的脉冲强度调制为0；对于需要进行X基矢调制的脉冲组，IM1不调制。
3.脉冲序列进入相位调制器(PM)进行相位调制；PM通过调节脉冲的相位来完成X基矢本征态的调制，且调制到任意一个本征态的几率相同；对于经过上述Z基矢调制的脉冲组，PM不进行调制。
4.随后由FPGA控制的第二强度调制器(IM2)根据几率随机调制脉冲组强度到几个选定值，该过程被称为诱骗态调制。
5.随后由FPGA控制的衰减器(ATT)将各脉冲组的强度进一步衰减到单光子水平；Alice完成量子态的制备，将其通过光纤发送给Bob。
6.Bob端首先将入射脉冲组送入一个非平衡分束器(BS)，其透射和反射比为pz:px；透射部分的脉冲组进入Z基矢测量装置，而反射部分的脉冲组进入X基矢测量装置。
7.Z基矢测量装置仅需一个光电探测器D1，通过探测器在哪个时间间隔内有响应来判断入射的量子态，从而确定比特值。
8.X基矢测量装置(参看图3)：由三个延时干涉仪和四个单光子探测器构成；第一个干涉仪由光纤延时线1和两个分束器构成(BS1和BS2)；第二个干涉仪由光纤延时线1和两个分束器构成(BS3和BS4)；第三个干涉仪由光纤延时线相位调制器(PM)和两个分束器构成(BS5和BS6)；X基矢的测量结果取决于4个探测器在第3时间间隔的响应，某个探测器Xi在该时间间隔内有计数，则表明接收到的量子态为fi。Bob根据上述测量装置完成信号的测量和记录工作。
9.通过经认证的经典通道，Alice公布每个量子态的基矢和强度信息；Bob根据上述信息保留相应基矢的测量结果。
10.下面进行的纠错和隐私放大的过程和一般诱骗态离散散变量QKD系统的过程完全相同，故不再详述。
现有方案的缺陷：在高维时间编码的测量系统中，Z基矢的测量和常见的量子比特编码(二维)时相同；但是X基矢测量装置的复杂性大大增加，且其复杂度和维度正相关。除去成本和系统稳定性的考虑，高维X基矢测量系统还存在一个明显的缺陷，上述X基矢测量装置其测量的效率和维度成反比，为1/d(该值不包括器件带来的损耗及光电探测器的效率)，更高维度的编码意味着更低的探测效率，这明显制约了高维时间编码QKD系统的实际应用。
发明内容
本发明提供一种HD-QKD系统，采用偏振调制时间编码以及相应的测量装置，使得X基矢的测量效率倍增。
一种基于偏振调制时间编码的HD-QKD系统，包括相匹配的发送端和接收端，所述发送端基于光注入的方式生成偏振调制的光脉冲组，再经由基矢调制和诱骗态调制得到编码后光脉冲组，编码后光脉冲组经衰减后发送至接收端；
所述接收端将来自发送端的编码后光脉冲组进行分束后分别利用Z基矢探测模块和X基矢探测模块进行探测。
可选的，所述发送端包括：
偏振脉冲组生成装置，用于生成各脉冲带有相应偏振的光脉冲组；
基矢调制装置，用于对偏振调制脉冲组进行基矢调制；
诱骗态调制装置，用于对基矢调制后的光脉冲进行随机强度调制得到编码后光脉冲组；
衰减器，用于将编码后光脉冲组经衰减至单光子水平。
本发明中发送端未提及的其他部件可参照现有技术实施。
所述偏振脉冲组生成装置包括相位准备激光器和第一、第二脉冲产生激光器，所述相位准备激光器用于产生长脉冲并分别注入到两脉冲产生激光器，两脉冲产生激光器产生不同偏振态的脉冲组并耦合为一路输出。
为了实现光路的复用，进一步简化硬件，作为优选，所述偏振脉冲组生成装置还包括：
平衡分束器，相位准备激光器产生的长脉冲经由平衡分束器分为两路；
第一光纤环形器，来自平衡分束器的其中一路经由第一光纤环形器进入第一脉冲产生激光器，第一脉冲产生激光器生成水平偏振的光脉冲并经由第一光纤环形器输出；
第二光纤环形器，来自平衡分束器的另一路经由第二光纤环形器进入第二脉冲产生激光器，第二脉冲产生激光器生成垂直偏振的光脉冲并经由第二光纤环形器输出；
偏振分束器，来自第一光纤环形器和第二光纤环形器的光脉冲经由该偏振分束器耦合为一路输出。
偏振脉冲组生成装置、基矢调制装置和诱骗态调制装置相互独立时，即基矢调制和诱骗态调制均采用外调制方式，此时基矢调制装置由强度调制器和相位调制器组成；诱骗态调制装置可采用强度调制器。
作为优选，所述发送端包括：
偏振脉冲组生成装置，用于生成各脉冲带有相应偏振的光脉冲组；还用于对偏振调制脉冲组进行基矢调制；
诱骗态调制装置，用于对基矢调制后的光脉冲进行随机强度调制得到编码后光脉冲组；
衰减器，用于将编码后光脉冲组经衰减至单光子水平。
此时所述基矢调制采用内调制方式，即之前方案中基矢调制装置的功能也通过偏振脉冲组生成装置实现，在硬件上更加简化，不用单独配置基矢调制装置。
基矢调制经由偏振脉冲组生成装置中各激光器的驱动电压实现；例如对相位准备激光器的驱动电压施加特定扰动使其最终注入脉冲产生激光器后生成所需相对相位的短脉冲组实现X基矢调制。对脉冲产生激光器的驱动电压位置进行调节实现Z基矢的调制。
在偏振脉冲组生成装置中以P/(1-P)的概率比分别选择X基矢调制和Z基矢调制。P的取值根据实际应用需要设定，且满足0＜P＜1。
作为优选，所述发送端包括：
偏振脉冲组生成装置，用于生成各脉冲带有相应偏振的光脉冲组；还用于对偏振调制脉冲组进行基矢调制；还用于对基矢调制后的光脉冲进行随机强度调制得到编码后光脉冲组；
衰减器，用于将编码后光脉冲组经衰减至单光子水平。
此时所述基矢调制以及诱骗态调制均采用内调制方式，即之前方案中基矢调制装置、诱骗态调制装置的功能均通过偏振脉冲组生成装置实现，不用单独配置基矢调制装置和诱骗态调制装置，在硬件上进一步简化。
其中各脉冲产生激光器通过改变其驱动电压以实现诱骗态调制。
作为优选，所述接收端包括将来自发送端的编码后光脉冲组进行分束的分束模块，分束模块设有与Z基矢探测模块相连第一输出端，以及与X基矢探测模块相连的第二输出端。
作为优选，所述分束模块为分束器。该分束器的分束比为基矢调制的概率比。
作为优选，所述Z基矢探测模块为一个单光子探测器，用以探测脉冲组在各时间间隔内的分布；
或所述Z基矢探测模块包括n个单光子探测器，和一个1：n的光纤耦合器，n为光脉冲编码维度，光纤耦合器将入射光脉冲均分为n路并输入相应的单光子探探测器，每个探测器探测指定的时间间隔内的分布。
作为优选，所述X基矢探测模块包括干涉模块以及数量与编码维度相应的单光子探测器，各单光子探测器分别探测相应的干涉结果。
X基矢探测模块中单光子探测器的数量与光脉冲编码维度相应，例如光脉冲编码维度为n，则需n个单光子探测器。
X基矢探测模块中可根据单光子探测器的数量即光脉冲编码维度设置适宜数量的干涉单元，每发生一次干涉就会获得两路输出，针对每一路如果再设置一干涉单元即发生一次干涉，就会获得更多的输出，以此类推直至与单光子探测器的数量匹配。
作为优选，光脉冲编码维度为4。
作为优选，所述干涉模块包括一个主干涉单元以及与单光子探测器数量匹配的子干涉单元，其中主干涉单元中包括保偏偏振分束器、延时线以及分束器，入射至主干涉单元的编码后光脉冲组经由保偏偏振分束器分为两路，其中一路进入分束器，另一路经延时线后进入分束器，两路在分束器合束干涉并输出。
例如光脉冲编码维度为2，即有两个单光子探测器，那么主干涉单元已经有两组输出，直接可进入不同的单光子探测器，那么子干涉单元个数为0，光脉冲编码维度为4时，子干涉单元个数为2，即主干涉单元的两组输出又分别进入其中一子干涉单元，最终会有4路输出，分别进入不同的单光子探测器。
作为优选，所述子干涉单元包括两个分束器以及延时线，进入子干涉单元的编码后光脉冲组经由分束器分为两路，且其中一路经延时线，两路在另一分束器合束干涉并输出。
光脉冲编码维度为4时，所述子干涉单元为两个，且其中一子干涉单元的短臂(两分束器之间没设置延时线的一路，相对而言设置延时线的一路可视为长臂)上设有相位调制器。
作为优选，所述子干涉单元包括分束器、延时线以及两个法拉第旋转镜；
进入子干涉单元的编码后光脉冲组经由分束器后分为两路，其中一路进入一法拉第旋转镜，另一路经延时线后进入另一法拉第旋转镜；再分别由对应的法拉第旋转镜反射后沿各自的原路径返回分束器发生干涉并输出。
子干涉单元中通过设置法拉第旋转镜可解决偏振漂移问题。
作为优选，所述X基矢探测模块包括：
主干涉单元，进入X基矢探测模块的编码后光脉冲组在主干涉单元发生干涉，并输出第一光信号和第二光信号；
第一子干涉单元，接收第一光信号并发生干涉，干涉后输出第三光信号和第四光信号；
第二子干涉单元，接收第二光信号并发生干涉，干涉后输出第五光信号和第六光信号；
X基矢探测模块中单光子探测器的数量为四个，分别接收探测所述第三光信号、第四光信号、第五光信号和第六光信号。
在光路中可以通过设置光纤环形器等方式实现多路的复用。作为优选，还设有第三光纤环形器，所述第一光信号经由第三光纤环形器进入第一子干涉单元；第三光信号和第四光信号中一者直接进入对应的单光子探测器，另一者经由第三光纤环形器进入对应的单光子探测器；
还设有第四光纤环形器，所述第二光信号经由第四光纤环形器进入第二子干涉单元；第五光信号和第六光信号中一者直接进入对应的单光子探测器，另一者经由第四光纤环形器进入对应的单光子探测器；
第一子干涉单元和第二子干涉单元中，其中一者的短臂(分束器与法拉第旋转镜之间没设置延时线的一路，相对而言设置延时线的一路可视为长臂)上设有相位调制器。
本发明基于偏振调制时间编码的HD-QKD系统，解决了现有系统X基矢测量装置效率偏低的问题，在发送端采用进一步引入偏振调制并采用相应的测量装置，从而将测量效率提升一倍。
附图说明
图1(a)为高维时间编码中，Z基矢编码的量子态形式示意图；
图1(b)为高维时间编码中，X基矢编码的量子态形式示意图；
图2为现有技术中高维时间编码QKD系统的示意图；
图3为图2中X基矢测量部分的示意图；
图4为本发明中偏振调制的量子态形式示意图；
图5为本发明中HD-QKD系统的示意图；
图6为本发明中脉冲生成装置的示意图；
图7(a)为本发明中Z基矢测量装置的示意图；
图7(b)为本发明中Z基矢测量装置另一实施方式的示意图；
图8为本发明中X基矢测量装置的示意图；
图9为本发明中X基矢测量装置另一实施方式的示意图；
图10为密钥率随着传输距离(光纤长度)的变化关系示意图；
图11为实施例1的HD-QKD系统示意图；
图12为实施例1中X基矢调制时激光器的驱动电压示意图；
图13为实施例1中Z基矢调制时激光器的驱动电压示意图；
图14为实施例2的HD-QKD系统示意图；
图15为图14中诱骗态调制装置的示意图；
图16为实施例3的HD-QKD系统中，偏振脉冲组生成装置的驱动电压示意图。
具体实施方式
在本发明中，偏振调制的规则为(以d＝4为例其余可以类推)：前两个时间间隔(第0,1时间间隔)中的脉冲调制为垂直偏振(V)而后两个时间间隔中(第2,3时间间隔)的脉冲调制为水平偏振(H)。参看图4。一般说来，偏振调制将前d/2个时间间隔的脉冲调制为V而后d/2个脉冲调制为V。当然反过来调制也是完全可行的。后续编码调制的对象就是此类偏振调制脉冲组。
以下结合图5具体说明本发明HD-QKD系统装置和步骤(以d＝4为例)，本发明HD-QKD系统包括通过光纤相连的发送端(Alice)和接收端(Bob)，发送端依次包括偏振脉冲组生成装置、基矢调制装置、诱骗态调制装置、衰减器(图中省略)，接收端包括分束器(BS)以及与BS对应输出端相连的Z基矢测量装置和X基矢测量装置。
工作过程为：
1.偏振脉冲组生成装置生成上述的偏振脉冲组(参看图4)构成的脉冲序列；
2.基矢调制装置对每个脉冲组进行随机的X或Z基矢的调制；
3.诱骗态调制装置将每个脉冲组的强度随机调制到预先选定的几个值；
4.Alice将调制完成的脉冲序列通过光纤发送给Bob。
5.Bob将接收到的脉冲序列先通过一个非平衡分束器分束，其透射和反射比为Alice端进行Z基矢调制的几率比X基矢调制的几率，其中透射部分脉冲进入Z基矢测量装置而相应的反射部分进入X基矢测量装置。
6.Bob完成所有脉冲的测量后，Alice通过认证过的经典通道将每个脉冲的基矢调制信息和强度信息发送给Bob，Bob相应保留对应基矢的测量结果。
7.后续纠错和隐私放大过程和现有诱骗态QKD的处理方式相同，故不再详述。
8.最终保留的安全码率由相应码率公式给出，见下文说明。
偏振脉冲生成装置
本发明偏振脉冲生成装置基于光注入技术，用于生成图4所示一系列偏振调制的脉冲组并同时通过内调制的方式完成基矢和诱骗态的调制。结构如图6所示，包括相位准备激光器、脉冲产生激光器1、脉冲产生激光器2、平衡分束器(BS)、第一光纤环形器(C1)、第二光纤环形器(C2)和偏振分束器(PBS)。
采用光注入技术生成偏振调制脉冲组，具体步骤如下：
1.相位准备激光器生成周期性的长脉冲；
2.长脉冲经平衡分束器(BS)分束；对应的反射长脉冲经第一光纤环形器(C1)注入脉冲产生激光器1；而相应的透射长脉冲经第二光纤环形器(C2)注入脉冲产生激光器2；
3.脉冲产生激光器1生成水平偏振(H)的脉冲，通过调节其驱动电压，可以使其在时间间隔2和3时生成短脉冲；
4.脉冲产生激光器2生成垂直偏振(V)的脉冲，通过调节其驱动电压，可以使其在时间间隔0和1时生成短脉冲；
5.两路偏振调制的脉冲进入偏振分束器(PBS)耦合后形成一路输出。
其中，脉冲产生激光器优选为半导体激光二极管。相位准备激光器优选为半导体激光二极管。
基矢调制装置和诱骗态调制装置
基矢调制装置涉及到脉冲组强度和相位的调制，而诱骗态调制装置仅涉及脉冲组的强度调制。上述调制的实现形式可以简单分为两种：外调制和内调制；外调制指直接通过外置相位和强度调制器实现上述功能，而在内调制指通过调节光源的驱动电压等内部参数来直接输出所需调制脉冲。
Z基矢测量装置
以d＝4为例，对于Z基矢测量装置，有以下两种结构，第一种结构由图7(a)所示，仅由一个单光子探测器构成。其将探测每个脉冲组对应的四个时间间隔从而确定入射的为Z基矢的第几个本征态。若有多个时间间隔响应，则随机选取一个响应作为结果。
第二种结构由图7(b)所示，其由四个单光子探测器和一个1:4的光纤耦合器构成；光纤耦合器将入射光脉冲均分为4路脉冲并输入相应的探测器，而每个探测器仅需要探测指定的时间间隔，如第0探测器仅需探测第0时间间隔的情况。同样，若有多个探测器响应，则随机选取一个响应作为结果。
X基矢测量装置
以d＝4为例，X基矢测量装置可采用以下两种结构，第一种X基矢测量装置如图8所示，X测量装置由三个时间延迟的干涉仪和四个单光子探测器构成。
干涉仪(TDI1)相当于主干涉单元，由保偏偏振分束器(保偏PBS)，延时线1和平衡分束器(BS1)构成；
干涉仪(TDI2)相当于子干涉单元，由两个平衡分束器(BS2，BS3)和光纤延时线2构成，延时线的延时时间为τ。
干涉仪(TDI3)相当于子干涉单元，由两个平衡分束器(BS4，BS5)，延时线3和相位调制器(PM)构成；延时线的延时时间为τ。
TDI2的两个输出端分别接入两个单光子探测器(X0和X1)，同时TDI3的两个输出端接入两个单光子探测器(X2和X3)。
工作流程为：
1.脉冲组首先进入PBS1，其中H偏振脉冲组直接透射而V偏振脉冲组反射；反射脉冲组同时偏振旋转为H；反射脉冲组经延时线1延时。
2.透射和反射脉冲组在BS1进行干涉后分两路输出到TDI2和TDI3。
3.进入TDI2的脉冲组先经过BS2分束；反射脉冲组经延时线2延时后进入BS3，而透射脉冲组直接进入BS3；两路脉冲发生干涉后分两路输出，输出脉冲组分别接入单光子探测器X0和X1进行测量。
4.进入TDI3的脉冲组先经过BS3分束；反射脉冲组经延时线2延时后，进入PM进行固定的π/2的相位调制，随后脉冲组进入BS4，而透射脉冲组直接进入BS4；两路脉冲发生干涉后分两路输出，输出脉冲组分别接入单光子探测器X2和X3进行测量。
第二种X基矢测量装置如图9所示，该装置由三个时间延迟的干涉仪，两个光纤环形器(C1、C2)和四个单光子探测器构成。
干涉仪(TDI1)相当于主干涉单元，由保偏偏振分束器(保偏PBS)，延时线1和分束器(BS1)组成；
干涉仪(TDI2)相当于子干涉单元，由分束器(BS2)，法拉第旋转镜(FM2)、延时线2和法拉第旋转镜(FM3)组成；
干涉仪(TDI3)相当于子干涉单元，由分束器(BS3)，法拉第旋转镜(FM4)、延时线3、相位调制器(PM)和法拉第旋转镜(FM5)组成。
工作流程为：
1.入射脉冲组经PBS1分束，V偏振脉冲组被反射而H偏振脉冲组直接透射；反射的脉冲组同时发生90度偏振翻转，偏振变为H；
2.反射脉冲组经延时线1延时后进入BS1；延时线1的延时时间为2τ；
3.透射脉冲组直接进入BS1，和经过延时的反射脉冲组发生干涉后由BS1的两个端口输出；
4.经BS1干涉后输出的一路输出脉冲组经C1后进入TDI2；脉冲组先经BS2分束，反射脉冲经延时装置延时后返回BS2，而透射脉冲直接经FM3反射后回到BS2，由于法拉第旋转镜的作用两路脉冲组的偏振均旋转90度；两路脉冲组在BS2发生干涉，一路干涉脉冲组经C1进入第零单光子探测器(X0)测量，而另一路脉冲组直接进入第一单光子探测器(X1)测量；延时线2的延时时间为τ/2；
5.经BS1干涉后输出的另一路脉冲组经C2进入TDI3；脉冲组经BS3分束，PM对透射脉冲组进行固定的π/2相位调制，随后透射脉冲组经FM5反射(偏振旋转90度)后回到BS3；反射脉冲组经延时装置延时后回到BS3，偏振同样旋转90度；两路脉冲组在BS3发生干涉，其中一路干涉脉冲经C2进入第二单光子探测器(X2)进行测量，而另一路干涉脉冲组直接进入第三单光子探测器(X3)测量；延时线3的延时时间为τ/2。
优选地，保偏PBS后面的所有光纤选用保偏光纤。
对于一个入射脉冲组，上述两种X基矢测量装置均通过检测哪个探测器在时间间隔3内有相应来判别入射的为哪个X基矢的本征态；若有多个探测器在该时间间隔内有响应，则随机选取一个作为结果。
测量效率
对于本发明的X基矢测量装置中，干涉模块可以简单将其分成两部分：TDI1(主干涉单元)和其他TDI(至干涉单元)。
TDI1的作用在于利用偏振将原来d时间间隔构成的脉冲组通过干涉后变为能量更集中的d/2个时间间隔构成的脉冲组，同时该脉冲组仅会从TD1的一个端口输出，在该过程中没有任何能量的损失，因此其效率为1；而后续的过程可以认为用现有技术来测量d/2个时间间隔构成的脉冲组(需要有两个此类装置分别接入TDI1的两个输出端)，因而装置整体的测量效率为通过偏振调制和设计相应的X基矢测量装置将其测量相率提升一倍。
码率公式和参数优化
对于任何QKD系统，必须给出其安全码率的计算公式。该公式决定保留的密钥量，标定了QKD系统的性能。此处的码率定义为Alice发送的每个量子态最终转化为安全密钥的比例，用R来表示。d维QKD系统的安全密钥公式如下，此处设定Alice发射的总量子态(脉冲组)数目为N且最终得到的安全密钥长度为L
其中表示Alice端发射的强度为a且进行Z基矢调制的量子态数目；表示Alice发送Z基矢调制强度为a的量子态，其i个光子成分在Bob端Z基矢测量装置中有响应的几率；表示Z基矢下单光子的相位错误率；是d维的熵公式。
同时λEC表示纠错过程中消耗的密钥量，其表达式为
其中f表示纠错的效率，表示Alice发送Z基矢调制a强度的量子态后Bob在相应Z基矢测量装置测量后得到的比特值的错误率。
另外g表示考虑有限密钥(即Alice发送的量子态数N为有限值)组合安全后的修正项，其表达式为
其中εcor和εsec为正确性和安全性参数，其值事先选定。
通过上述公式，不难得到码率公式为
理论数值模拟
本发明提高了X基矢测量装置的测量效率，那么在同等情况下，和现有技术相比将获得更多的X基矢的测量数据。更多的数据意味着在相应的参数估计时，参数涨落的区间越小，可以使系统获得更高的码率和更远的传输距离。
为进一步直观说明本发明的优越性，选取以下数据进行数值模拟：
β表示光纤的传输效率，单位为dB/km；表示X基矢测量装置的测量效率，采用现有技术时x＝1而采用本发明方案时x＝2；表示Z基矢测量装置的测量效率；和表示X和Z基矢测量装置由于仪器校准等问题而导致的固有测量错误率；Pd表示每个光电探测器的暗计数；其余参数含义在上文已有介绍，上述参数值的选取参照现有实验设备的参数。
数值模拟的结果参看图10，图中给出了密钥率随着传输距离(光纤长度)的变化关系。其中实线是本发明方案的结果，而虚线是现有技术的结果。可以明显看出采用本发明方案后，码率在所有距离上均有明显提升，尤其当远距离时提升更为明显；同时本方案还能提升密钥传输的距离。
此外，通过光注入技术可以实现内调制，无需现有技术方案中的各种外置调制器，精简了结构；同时内调制的稳定性和速率均优于外置调制器的外调制方案。光注入技术生成的脉冲组之间是相位随机化的，这满足诱骗态调制的要求；而现有技术方案要实现相应的相位随机化较为复杂和困难。
实施例1
参看图11，本实施例中基矢和诱骗态的调制采用内调制方式，均通过偏振脉冲组生成装置完成，包括：
1.采用图6所示的偏振脉冲组生成装置生成偏振脉冲组；
2.通过内调制的方式使输出的脉冲组完成基矢和诱骗态的调制(见下述)；
3.调制完成的脉冲组序列通过光纤传输到测量端；
4.脉冲组序列首先经分束器BS分束，其透射和反射比恰为Z和X基矢调制的几率比；
5.透射脉冲进入Z基矢测量装置；优选地，Z基矢测量装置选取图7所示结构中的一种；
6.反射脉冲进入X基矢测量装置；优选地，X基矢测量装置选取图8和图9所示两种装置中的一种；
7.测量端记录测量结果；
8.后续步骤与现有诱骗态QKD步骤相同，故不再详述。
下面说明通过内调制实现基矢和诱骗态调制的过程，内调制的核心在于调节上述三个激光器的驱动电压来实现脉冲强度和相位的调制。
对于X基矢调制，激光器的驱动电压见图12，图中0表示激光的阈值电压；对于相位准备激光器的长脉冲驱动电压，在如图所示的三个位置施加3个电压扰动，该电压扰动将最终转化为四个短脉冲之间的相对相位，因此其值取决于需要调制的X基矢的本征态；3个扰动电压将长脉冲驱动电压分成四个区间，对应于上述前两个区间，脉冲产生激光器2有两个短时间的驱动电压，用于在时间间隔0和1生成短脉冲；同理脉冲产生激光器1在在时间间隔2和3生成短脉冲；X基矢的四个短脉冲强度相同，均由电压V0驱动，通过调节该电压的强度，即可调节输出基矢的强度，从而完成诱骗态的调制。
对于Z基矢调制，参看图13。此时对于长脉冲驱动电压不施加任何扰动；根据所需调制的Z基矢本征态，在脉冲产生激光器1和2的相应位置施加一个短脉冲驱动电压V0；同理，调节V0大小即可实现诱骗态调制。
实施例2
参看图14，和实施例1相比，本实施例通过外调制的形式来实现诱骗态的调制；基矢的内调制实现形式和实施例1相同，在实施例2中诱骗态的调制不再是通过调制短脉冲的驱动电压V0来实现，而是通过外置调制器来实现。
优选地，诱骗态调制装置为强度调制器；
优选的，诱骗态调制装置为由分束器和相位调制器构成的强度调制装置，如图15所示；脉冲通过平衡分束器(BS)的1端口入射，通过调节相位调制器(PM)的调制相位即可在BS的端口2经干涉得到所需强度的脉冲。
装置其余部分以及步骤和实施例1相同。
实施例3
参看图5，与实施例2相比，本实施例基矢的调制也通过外调制的形式来进行；采用图6所示光注入偏振脉冲组生成装置的驱动电压如图16所示；该装置生成偏振调制的脉冲组：四个时间间隔内均有相同强度的脉冲，且各脉冲的相位相同。
基矢调制装置由图15所示强度调制装置和相位调制器组成；
诱骗态调制装置为图15所示结构。
装置其余部分以及步骤和实施例1相同。
以上公开的仅为本发明的实施例，但是本发明并非局限于此，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。显然这些改动和变型均应属于本发明要求的保护范围保护内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何特殊限制。
Claims (13)
1.一种基于偏振调制时间编码的HD-QKD系统，包括相匹配的发送端和接收端，其特征在于，所述发送端基于光注入的方式生成偏振调制的光脉冲组，再经由基矢调制和诱骗态调制得到编码后光脉冲组，编码后光脉冲组经衰减后发送至接收端；
所述接收端将来自发送端的编码后光脉冲组进行分束后分别利用Z基矢探测模块和X基矢探测模块进行探测。
2.如权利要求1所述的基于偏振调制时间编码的HD-QKD系统，其特征在于，所述发送端包括：
偏振脉冲组生成装置，用于生成各脉冲带有相应偏振的光脉冲组；
基矢调制装置，用于对偏振调制脉冲组进行基矢调制；
诱骗态调制装置，用于对基矢调制后的光脉冲进行随机强度调制得到编码后光脉冲组；
衰减器，用于将编码后光脉冲组经衰减至单光子水平。
3.如权利要求1所述的基于偏振调制时间编码的HD-QKD系统，其特征在于，所述发送端包括：
偏振脉冲组生成装置，用于生成各脉冲带有相应偏振的光脉冲组；还用于对偏振调制脉冲组进行基矢调制；
诱骗态调制装置，用于对基矢调制后的光脉冲进行随机强度调制得到编码后光脉冲组；
衰减器，用于将编码后光脉冲组经衰减至单光子水平。
4.如权利要求1所述的基于偏振调制时间编码的HD-QKD系统，其特征在于，所述发送端包括：
偏振脉冲组生成装置，用于生成各脉冲带有相应偏振的光脉冲组；还用于对偏振调制脉冲组进行基矢调制；还用于对基矢调制后的光脉冲进行随机强度调制得到编码后光脉冲组；
衰减器，用于将编码后光脉冲组经衰减至单光子水平。
5.如权利要求2～4任一项所述的基于偏振调制时间编码的HD-QKD系统，其特征在于，所述偏振脉冲组生成装置包括相位准备激光器和第一、第二脉冲产生激光器，所述相位准备激光器用于产生长脉冲并分别注入到两脉冲产生激光器，两脉冲产生激光器产生不同偏振态的脉冲组并耦合为一路输出。
6.如权利要求5所述的基于偏振调制时间编码的HD-QKD系统，其特征在于，所述偏振脉冲组生成装置还包括：
平衡分束器，相位准备激光器产生的长脉冲经由平衡分束器分为两路；
第一光纤环形器，来自平衡分束器的其中一路经由第一光纤环形器进入第一脉冲产生激光器，第一脉冲产生激光器生成水平偏振的光脉冲并经由第一光纤环形器输出；
第二光纤环形器，来自平衡分束器的另一路经由第二光纤环形器进入第二脉冲产生激光器，第二脉冲产生激光器生成垂直偏振的光脉冲并经由第二光纤环形器输出；
偏振分束器，来自第一光纤环形器和第二光纤环形器的光脉冲经由该偏振分束器耦合为一路输出。
7.如权利要求1所述的基于偏振调制时间编码的HD-QKD系统，其特征在于，所述X基矢探测模块包括干涉模块以及数量与编码维度相应的单光子探测器，各单光子探测器分别探测相应的干涉结果。
8.如权利要求7所述的基于偏振调制时间编码的HD-QKD系统，其特征在于，光脉冲编码维度为4。
9.如权利要求7所述的基于偏振调制时间编码的HD-QKD系统，其特征在于，所述干涉模块包括一个主干涉单元以及与单光子探测器数量匹配的子干涉单元，其中主干涉单元中包括保偏偏振分束器、延时线以及分束器，入射至主干涉单元的编码后光脉冲组经由保偏偏振分束器分为两路，其中一路进入分束器，另一路经延时线后进入分束器，两路在分束器合束干涉并输出。
10.如权利要求9所述的基于偏振调制时间编码的HD-QKD系统，其特征在于，所述子干涉单元包括两个分束器以及延时线，进入子干涉单元的编码后光脉冲组经由分束器分为两路，且其中一路经延时线，两路在另一分束器合束干涉并输出。
11.如权利要求9所述的基于偏振调制时间编码的HD-QKD系统，其特征在于，所述子干涉单元包括分束器、延时线以及两个法拉第旋转镜；
进入子干涉单元的编码后光脉冲组经由分束器后分为两路，其中一路进入一法拉第旋转镜，另一路经延时线后进入另一法拉第旋转镜；再分别由对应的法拉第旋转镜反射后沿各自的原路径返回分束器发生干涉并输出。
12.如权利要求1所述的基于偏振调制时间编码的HD-QKD系统，其特征在于，所述X基矢探测模块包括：
主干涉单元，进入X基矢探测模块的编码后光脉冲组在主干涉单元发生干涉，并输出第一光信号和第二光信号；
第一子干涉单元，接收第一光信号并发生干涉，干涉后输出第三光信号和第四光信号；
第二子干涉单元，接收第二光信号并发生干涉，干涉后输出第五光信号和第六光信号；
X基矢探测模块中单光子探测器的数量为四个，分别接收探测所述第三光信号、第四光信号、第五光信号和第六光信号。
13.如权利要求12所述的基于偏振调制时间编码的HD-QKD系统，其特征在于，还设有第三光纤环形器，所述第一光信号经由第三光纤环形器进入第一子干涉单元；第三光信号和第四光信号中一者直接进入对应的单光子探测器，另一者经由第三光纤环形器进入对应的单光子探测器；
还设有第四光纤环形器，所述第二光信号经由第四光纤环形器进入第二子干涉单元；第五光信号和第六光信号中一者直接进入对应的单光子探测器，另一者经由第四光纤环形器进入对应的单光子探测器；
第一子干涉单元和第二子干涉单元中，其中一者的短臂上设有相位调制器。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20180914 |