CN109039617B - 量子密钥分发时间比特-相位解码方法和装置及相应系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种基于偏振正交旋转反射的直流调制量子密钥分发时间比特‑相位解码方法和装置及相应系统。该方法包括：将输入光脉冲分束为第一和第二路光脉冲；对第一路光脉冲进行直流调制相位解码并对第二路光脉冲进行时间比特解码。对第一路光脉冲进行直流调制相位解码包括：将第一路光脉冲经分束器分束为两路子光脉冲，及分别沿两条子光路传输这两路子光脉冲并将它们进行相对延时后分别经两个反射装置反射回分束器供合束输出，其中每路子光脉冲经相应反射装置反射时其两个正交偏振态作偏振正交旋转反射，其中对两路子光脉冲中之一进行直流相位调制。本发明提供了一种易于实现和应用的抗偏振诱导衰落的时间比特‑相位编码量子密钥分发解码方案。

Description

量子密钥分发时间比特-相位解码方法和装置及相应系统
技术领域
本发明涉及光传输保密通信技术领域，尤其涉及一种基于偏振正交旋转反射的直流调制量子密钥分发时间比特-相位解码方法、装置及包括该装置的量子密钥分发系统。
背景技术
量子保密通信技术是量子物理与信息科学相结合的前沿热点领域。基于量子密钥分发技术和一次一密密码原理，量子保密通信可在公开信道实现信息的安全传输。量子密钥分发基于量子力学海森堡不确定关系、量子不可克隆定理等物理原理，能够实现在用户之间安全地共享密钥，并可以检测到潜在的窃听行为，可应用于国防、政务、金融、电力等高安全信息传输需求的领域。
时间比特-相位编码量子密钥分发采用一组时间基和一组相位基，时间基采用两个不同时间位置的时间模式来编码，相位基采用前后光脉冲的两个相位差来编码。地面量子密钥分发主要基于光纤信道传输，而光纤制作存在截面非圆对称、纤芯折射率沿径向不均匀分布等非理想情况，并且光纤在实际环境中受温度、应变、弯曲等影响，会产生随机双折射效应。受光纤随机双折射的影响，光脉冲经长距离光纤传输后到达接收端时，其偏振态会发生随机变化。时间比特-相位编码中的时间基解码不受偏振态变化的影响，然而相位基在干涉解码时，因传输光纤和解码干涉仪光纤双折射的影响，存在偏振诱导衰落的问题，导致解码干涉不稳定，造成误码率升高、需要增加纠偏设备，增加了系统复杂度和成本，且对于架空光缆、路桥光缆等强干扰情况难以实现稳定应用。对于量子密钥分发时间比特-相位编码方案，如何稳定高效地进行相位干涉解码是基于现有光缆基础设施进行量子保密通信应用的热点和难题。
发明内容
本发明的主要目的在于提出一种基于偏振正交旋转反射的直流调制量子密钥分发时间比特-相位解码方法和装置，以解决时间比特-相位编码量子密钥分发应用中相位基解码时因偏振诱导衰落引起的相位解码干涉不稳定的难题。
本发明提供至少以下技术方案：
1.一种基于偏振正交旋转反射的直流调制量子密钥分发时间比特-相位解码方法，其特征在于，所述方法包括：
将入射的任意偏振态的一路输入光脉冲分束为第一路光脉冲和第二路光脉冲；以及
按照量子密钥分发协议，对所述第一路光脉冲进行直流调制相位解码并对所述第二路光脉冲进行时间比特解码，
其中，对所述第一路光脉冲进行直流调制相位解码包括：
将所述第一路光脉冲经分束器分束为两路子光脉冲；以及
分别沿两条子光路传输所述两路子光脉冲，并将所述两路子光脉冲进行相对延时后分别经两个反射装置反射回所述分束器以由所述分束器合束输出，其中，对于所述两路子光脉冲中的每一路子光脉冲：
该路子光脉冲经所述两个反射装置中的相应反射装置反射时该路子光脉冲的两个正交偏振态作偏振正交旋转反射，使得经由所述相应反射装置的反射后，该路子光脉冲的每个正交偏振态变换成与其正交的偏振态，
并且其中，在所述分束器分束至所述分束器合束期间，对在所述两条子光路上传输的所述两路子光脉冲中至少之一按照量子密钥分发协议进行直流相位调制。
2.根据方案1所述的基于偏振正交旋转反射的直流调制量子密钥分发时间比特-相位解码方法，其特征在于，所述两个反射装置为圆偏振正交旋转反射装置。
3.根据方案2所述的基于偏振正交旋转反射的直流调制量子密钥分发时间比特-相位解码方法，其特征在于，所述两个反射装置各包括反射镜。
4.根据方案1至3中任一所述的基于偏振正交旋转反射的直流调制量子密钥分发时间比特-相位解码方法，其特征在于，所述分束器是圆保偏分束器。
5.根据方案1所述的基于偏振正交旋转反射的直流调制量子密钥分发时间比特-相位解码方法，其特征在于，所述两个反射装置为线偏振正交旋转反射装置。
6.根据方案5所述的基于偏振正交旋转反射的直流调制量子密钥分发时间比特-相位解码方法，其特征在于，所述两个反射装置各包括反射镜和四分之一波片，所述反射镜在所述四分之一波片后端与所述四分之一波片一体地形成，其中所述两路子光脉冲各自的两个正交偏振态之一的极化方向与所述四分之一波片的快轴或慢轴的夹角为45度。
7.根据方案1或5或6所述的基于偏振正交旋转反射的直流调制量子密钥分发时间比特-相位解码方法，其特征在于，所述分束器是线保偏分束器。
8.根据方案1所述的基于偏振正交旋转反射的直流调制量子密钥分发时间比特-相位解码方法，其特征在于，所述两个反射装置为椭圆偏振正交旋转反射装置。
9.根据方案1或8所述的基于偏振正交旋转反射的直流调制量子密钥分发时间比特-相位解码方法，其特征在于，所述分束器是椭圆保偏分束器。
10.根据方案1至9中任一所述的基于偏振正交旋转反射的直流调制量子密钥分发时间比特-相位解码方法，其特征在于，对于所述两路子光脉冲中的每一路子光脉冲：
保持该路子光脉冲的两个正交偏振态在所述分束器分束至所述相应反射装置反射期间保持不变，且在所述相应反射装置反射至所述分束器合束期间保持不变。
11.根据方案1所述的基于偏振正交旋转反射的直流调制量子密钥分发时间比特-相位解码方法，其特征在于，所述两个反射装置各包括90度旋转法拉第反射镜，所述分束器是保偏分束器或非保偏分束器。
12.根据方案1所述的基于偏振正交旋转反射的直流调制量子密钥分发时间比特-相位解码方法，其特征在于，对所述第二路光脉冲进行时间比特解码包括：
将所述第二路光脉冲直接输出用于探测；或者
将所述第二路光脉冲分束后输出用于探测。
13.一种基于偏振正交旋转反射的直流调制量子密钥分发时间比特-相位解码装置，其特征在于，所述解码装置包括：
前置分束器，用于将入射的任意偏振态的一路输入光脉冲分束为第一路光脉冲和第二路光脉冲；以及，
与所述前置分束器光耦合的直流相位解码器，用于对所述第一路光脉冲进行直流相位解码，
所述直流相位解码器包括第一分束器、两个反射装置以及与所述第一分束器光耦合并分别与所述两个反射装置光耦合的两条子光路，其中
所述第一分束器用于将所述第一路光脉冲分束为两路子光脉冲；
所述两条子光路用于分别传输所述两路子光脉冲，并用于实现所述两路子光脉冲的相对延时；
所述两个反射装置用于分别将来自所述第一分束器的经所述两条子光路传输来的所述两路子光脉冲反射回所述第一分束器以由所述第一分束器合束输出；
其中，所述两个反射装置被构造成使得，对于所述两路子光脉冲中的每一路子光脉冲：该路子光脉冲经所述两个反射装置中的相应反射装置反射时该路子光脉冲的两个正交偏振态作偏振正交旋转反射，使得经由所述相应反射装置的反射后，该路子光脉冲的每个正交偏振态变换成与其正交的偏振态，
其中所述直流相位解码器具有位于所述两条子光路中至少之一上的直流相位调制器，所述直流相位调制器用于对经其所在的子光路传输的子光脉冲按照量子密钥分发协议进行直流相位调制，
其中所述前置分束器将所述第二路光脉冲输出用于进行时间比特解码。
14.根据方案13所述的基于偏振正交旋转反射的直流调制量子密钥分发时间比特-相位解码装置，其特征在于，所述两个反射装置为圆偏振正交旋转反射装置。
15.根据方案14所述的基于偏振正交旋转反射的直流调制量子密钥分发时间比特-相位解码装置，其特征在于，所述两个反射装置各包括反射镜。
16.根据方案13至15中任一所述的基于偏振正交旋转反射的直流调制量子密钥分发时间比特-相位解码装置，其特征在于，所述第一分束器是圆保偏分束器。
17.根据方案13所述的基于偏振正交旋转反射的直流调制量子密钥分发时间比特-相位解码装置，其特征在于，所述两个反射装置为线偏振正交旋转反射装置。
18.根据方案17所述的基于偏振正交旋转反射的直流调制量子密钥分发时间比特-相位解码装置，其特征在于，所述两个反射装置各包括反射镜和四分之一波片，所述反射镜在所述四分之一波片后端与所述四分之一波片一体地形成，其中述四分之一波片被构造成使得，所述两路子光脉冲各自的两个正交偏振态之一的极化方向与所述四分之一波片的快轴或慢轴的夹角为45度。
19.根据方案13或17或18所述的基于偏振正交旋转反射的直流调制量子密钥分发时间比特-相位解码装置，其特征在于，所述第一分束器是线保偏分束器。
20.根据方案13所述的基于偏振正交旋转反射的直流调制量子密钥分发时间比特-相位解码装置，其特征在于，所述两个反射装置为椭圆偏振正交旋转反射装置。
21.根据方案13或20所述的基于偏振正交旋转反射的直流调制量子密钥分发时间比特-相位解码装置，其特征在于，所述第一分束器是椭圆保偏分束器。
22.根据方案13至21中任一所述的基于偏振正交旋转反射的直流调制量子密钥分发时间比特-相位解码装置，其特征在于，所述两条子光路为偏振保持光路，所述两条子光路上的光器件为偏振保持光器件和/或非双折射光器件。
23.根据方案13所述的基于偏振正交旋转反射的直流调制量子密钥分发时间比特-相位解码装置，其特征在于，所述两个反射装置各包括90度旋转法拉第反射镜，所述第一分束器是保偏分束器或非保偏分束器。
24.根据方案13所述的基于偏振正交旋转反射的直流调制量子密钥分发时间比特-相位解码装置，其特征在于，所述解码装置还包括第二分束器，所述第二分束器光耦合至所述前置分束器，用于接收所述第二路光脉冲并将所述第二路光脉冲分束后输出用于进行时间比特解码。
25.一种量子密钥分发系统，包括：
根据方案13～24中任一所述的基于偏振正交旋转反射的直流调制量子密钥分发时间比特-相位解码装置，其设置在所述量子密钥分发系统的接收端，用于时间比特-相位解码；和/或
根据方案13～24中任一所述的基于偏振正交旋转反射的直流调制量子密钥分发时间比特-相位解码装置，其设置在所述量子密钥分发系统的发射端，用于时间比特-相位编码。
本发明通过创造性的配置，实现了意想不到的有益效果。针对时间比特-相位编码量子密钥分发应用，本发明利用偏振正交旋转反射控制相位基解码中光脉冲的两个正交偏振态各自在解码干涉环两臂传输的相位差相等，实现这两个正交偏振态同时在输出端口有效干涉输出，由此实现环境干扰免疫的相位基解码功能，使得能够实现稳定的环境干扰免疫的时间比特-相位编码量子密钥分发解决方案。另外，通过在接收端将输入光脉冲分束为两路光脉冲后分别对这两路光脉冲进行时间解码和相位解码，在相位解码中对光脉冲进行直流选基调制，可有利地降低与相位基解码选基时的相位调制相关的要求，尤其对于高速系统而言避免了解码选基时的高速相位调制要求。本发明提供了一种易于实现和应用的抗偏振诱导衰落的时间比特-相位编码量子密钥分发解决方案，同时避免对复杂的纠偏设备的需要，能良好地适用于存在环境干扰的高速量子密钥分发应用情形。
附图说明
图1为本发明一优选实施例的基于偏振正交旋转反射的直流调制量子密钥分发时间比特-相位解码方法的流程图；
图2为本发明一优选实施例的基于偏振正交旋转反射的直流调制量子密钥分发时间比特-相位解码装置的组成结构示意图；
图3为本发明另一优选实施例的基于偏振正交旋转反射的直流调制量子密钥分发时间比特-相位解码装置的组成结构示意图；
图4为本发明另一优选实施例的基于偏振正交旋转反射的直流调制量子密钥分发时间比特-相位解码装置的组成结构示意图；
图5为本发明另一优选实施例的基于偏振正交旋转反射的直流调制量子密钥分发时间比特-相位解码装置的组成结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。为了清楚和简化目的，当其可能使本发明的主题模糊不清时，对本文所描述的器件的已知功能和结构的详细具体说明将省略。
本发明一优选实施例的一种基于偏振正交旋转反射的直流调制量子密钥分发时间比特-相位解码方法如图1所示，包括以下步骤：
步骤S101：将入射的任意偏振态的一路输入光脉冲分束为第一路光脉冲和第二路光脉冲。
入射的输入光脉冲是任意偏振态的，可以是线偏振的、圆偏振的或者椭圆偏振的完全偏振光，也可以是部分偏振光或者非偏振光。
步骤S102：按照量子密钥分发协议，对所述第一路光脉冲进行直流调制相位解码并对所述第二路光脉冲进行时间比特解码。
如本领域技术人员会理解的，每一路光脉冲可以看成由两个正交偏振态组成。自然地，由一路光脉冲分束得到的两路子光脉冲也可以同样看成由与该路光脉冲相同的两个正交偏振态组成。
根据本发明，对所述第一路光脉冲进行直流调制相位解码可包括：
将所述第一路光脉冲经分束器分束为两路子光脉冲；以及
分别沿两条子光路传输所述两路子光脉冲，并将所述两路子光脉冲进行相对延时后分别经两个反射装置反射回所述分束器以由所述分束器合束输出，其中，对于所述两路子光脉冲中的每一路子光脉冲：
该路子光脉冲经所述两个反射装置中的相应反射装置反射时该路子光脉冲的两个正交偏振态作偏振正交旋转反射，使得经由所述相应反射装置的反射后，该路子光脉冲的每个正交偏振态变换成与其正交的偏振态。
举例而言，假设这两个正交偏振态分别为x偏振态和y偏振态，沿光路传输到一个反射装置的x偏振态在反射装置处经偏振正交旋转反射后变换成与其正交的偏振态即y偏振态，沿光路传输到该反射装置的y偏振态在反射装置处经偏振正交旋转反射后变换成与其正交的偏振态即x偏振态。
如此，利用反射装置处的偏振正交旋转反射，分束得到的每一路光脉冲的x偏振态在分束器分束至分束器合束的过程中经所述两条子光路传输的相位差恰好等于该光脉冲的y偏振态在分束器分束至分束器合束的过程中经所述两条子光路传输的相位差。
在该方法中，两路子光脉冲分别经两个反射装置反射奇数次或者分别经两个反射装置反射偶数次(含零次，即直接透射)后由所述分束器合束输出。
在图1的方法中，在所述分束器分束至所述分束器合束期间，对在所述两条子光路上传输的所述两路子光脉冲中至少之一按照量子密钥分发协议进行直流相位调制。
这里，相对延时和相位调制按照量子密钥分发协议的要求和规定进行，本文不作详细说明。
根据一种可能的配置，上述两个反射装置为圆偏振正交旋转反射装置。例如，上述两个反射装置各包括反射镜。在这种情况下，上述分束器可以是圆保偏分束器。这里，圆偏振正交旋转反射装置是指能够对入射的圆偏振态光作偏振正交旋转反射、即在反射入射的圆偏振态光时将该圆偏振态光的偏振态变换成与其正交的偏振态的反射装置，即：入射的左旋圆偏振光经所述圆偏振正交旋转反射装置反射后变换成与其正交的右旋圆偏振光，入射的右旋圆偏振光经所述圆偏振正交旋转反射装置反射后变换成与其正交的左旋圆偏振光。
根据另一种可能的配置，上述两个反射装置为线偏振正交旋转反射装置。例如，上述两个反射装置各包括反射镜和四分之一波片，所述反射镜在所述四分之一波片后端与所述四分之一波片一体地形成，其中所述两路子光脉冲各自的两个正交偏振态之一的极化方向与所述四分之一波片的快轴或慢轴的夹角为45度。在这种情况下，上述分束器可以是线保偏分束器。这种包括反射镜和四分之一波片的反射装置可以简称为“四分之一波片反射镜”，可以通过在四分之一波片晶体表面镀反射镜实现，亦可通过在快慢轴传输相位相差90度的保偏光纤端面镀反射镜实现。这里，线偏振正交旋转反射装置是指能够对入射的线偏振态光作偏振正交旋转反射、即在反射入射的线偏振态光时将该线偏振态光的偏振态变换成与其正交的偏振态的反射装置，即：入射的x线偏振光经所述线偏振正交旋转反射装置反射后变换成与其正交的y线偏振光，入射的y线偏振光经所述线偏振正交旋转反射装置反射后变换成与其正交的x线偏振光。
根据又一种可能的配置，上述两个反射装置为椭圆偏振正交旋转反射装置，上述分束器可以是椭圆保偏分束器。在这种情况下，可以根据具体的椭圆保偏分束器，选择适合的反射装置。这里，椭圆偏振正交旋转反射装置是指能够对入射的椭圆偏振态光作偏振正交旋转反射、即在反射入射的椭圆偏振态光时将该椭圆偏振态光的偏振态变换成与其正交的偏振态的反射装置，即：入射的左旋椭圆偏振光经所述椭圆偏振正交旋转反射装置反射后变换成与其正交的右旋椭圆偏振光，入射的右旋椭圆偏振光经所述椭圆偏振正交旋转反射装置反射后变换成与其正交的左旋椭圆偏振光。
对于以上几种配置，有利地，对于第一路光脉冲分束得到的两路子光脉冲中的每一路子光脉冲：保持该路子光脉冲的两个正交偏振态在所述分束器分束至所述相应反射装置反射期间保持不变，且在所述相应反射装置反射至所述分束器合束期间保持不变。这可以例如通过将所述两条子光路配置为偏振保持光路且将所述两条子光路上的光器件配置为偏振保持光器件和/或非双折射光器件来实现。
根据还一种可能的配置，上述两个反射装置各包括90度旋转法拉第反射镜。在这种情况下，上述分束器可以是保偏分束器或非保偏分束器。
在图1的方法中，对在所述两条子光路上传输的所述两路子光脉冲中至少之一进行直流相位调制可包括：对在所述两条子光路上传输的所述两路子光脉冲中之一进行0度直流相位调制或180度直流相位调制。
在图1的方法中，对所述第二路光脉冲进行时间比特解码可包括：将所述第二路光脉冲直接输出用于探测；或者将所述第二路光脉冲分束后输出用于探测。
本发明一优选实施例的一种基于偏振正交旋转反射的直流调制量子密钥分发时间比特-相位解码装置如图2所示，包括以下组成部分：前置分束器201、分束器202和206、光环形器205、直流相位调制器207，以及两个反射装置208和209。
先不考虑前置分束器201与分束器206之间的光环形器，则图2的解码装置包括：前置分束器201；分束器202；分束器206、两个反射装置208和209以及与分束器206光耦合并分别与两个反射装置208和209光耦合的两条子光路。两条子光路之一上设置有直流相位调制器207。分束器206、两个反射装置208和209以及两条子光路总体可称为直流相位解码器。两个反射装置208和209各为一个偏振正交旋转反射装置。
前置分束器201用于将入射的任意偏振态的一路输入光脉冲分束为第一路光脉冲和第二路光脉冲。
直流相位解码器与前置分束器201光耦合，用于接收上述两路光脉冲中的一路光脉冲并对其进行直流调制相位解码。为方便起见，该一路光脉冲在下文中亦称为第一路光脉冲。
分束器202与前置分束器201光耦合，用于接收上述两路光脉冲中的另一路光脉冲，并将该另一路光脉冲分束后输出用于进行时间比特解码。这里，需要说明的是，分束器202是可选的。由前置分束器201将该另一路光脉冲直接输出用于进行时间比特解码是可能的。
所述直流相位解码器构成不等臂迈克尔逊干涉仪，其中：
分束器206用于将所述第一路光脉冲分束为两路子光脉冲；
所述两条子光路用于分别传输所述两路子光脉冲，并用于实现所述两路子光脉冲的相对延时；
直流相位调制器207用于对经其所在的子光路传输的子光脉冲按照量子密钥分发协议进行直流相位调制；
两个反射装置208和209用于分别将来自分束器206的经所述两条子光路传输来的所述两路子光脉冲反射回所述分束器以由所述分束器合束输出。
由于两个反射装置208和209均为偏振正交旋转反射装置，对于第一路光脉冲分束得到的两路子光脉冲中的每一路子光脉冲：该路子光脉冲经所述两个反射装置中的相应反射装置反射时该路子光脉冲的两个正交偏振态作偏振正交旋转反射，使得经由所述相应反射装置的反射后，该路子光脉冲的每个正交偏振态变换成与其正交的偏振态。
可通过调节分束器206与两个反射装置208、209之间的两条子光路中任一的光路物理长度来实现两路子光脉冲的相对延时。
直流相位调制器207可调制0度相位或180度相位。直流相位调制器207可以为偏振无关相位调制器或者偏振相关相位调制器，如保偏光纤拉伸器或者双折射相位调制器。
偏振无关相位调制器适于对光脉冲的两个正交偏振态进行相同的相位调制，所以被称为偏振无关的。举例而言，偏振无关相位调制器可以由两个双折射相位调制器串联或并联实现。根据情况，可以通过多种具体手段来实现对光脉冲的直流相位调制。例如，这些手段可包括：调制自由空间光路的长度，或者调制光纤的长度，或者利用串联或并联光波导相位调制器等。例如，可通过用电机改变自由空间光路的长度来实现期望的直流相位调制。再如，可通过利用压电效应的光纤拉伸器来调制光纤的长度，由此实现相位调制。另外，相位调制器可以是适于电压控制的其他类型，通过施加合适的直流电压至偏振无关相位调制器来对光脉冲的两个正交偏振态进行相同的相位调制，可实现期望的直流相位调制。在直流相位调制的情况下，无需变换施加至相位调制器的电压。
偏振相关相位调制器例如双折射相位调制器，适于对通过其的两个正交偏振态施加不同的可调的相位调制。例如，双折射相位调制器可以为铌酸锂相位调制器，通过控制施加至铌酸锂晶体的电压，可以对通过该铌酸锂相位调制器的两个正交偏振态各自所经受的相位调制进行控制和调整。
上述的直流相位解码器可以可选地具有如下设置：
a)两个反射装置208和209为圆偏振正交旋转反射装置，例如两个反射装置208和209各包括反射镜；分束器206是圆保偏分束器。
b)两个反射装置208和209为线偏振正交旋转反射装置，例如两个反射装置208和209各包括反射镜和四分之一波片，所述反射镜在所述四分之一波片后端与所述四分之一波片一体地形成，其中所述两路子光脉冲各自的两个正交偏振态之一的极化方向与所述四分之一波片的快轴或慢轴的夹角为45度；分束器206是线保偏分束器。
c)两个反射装置208和209为椭圆偏振正交旋转反射装置；分束器206是椭圆保偏分束器。在这种情况下，可以根据具体的椭圆保偏分束器，选择适合的反射装置。
d)两个反射装置208和209各包括90度旋转法拉第反射镜；分束器206是保偏分束器或非保偏分束器。
在采用设置a)、b)或c)的情况下，有利地，在直流相位解码器中，对于第一路光脉冲分束得到的两路子光脉冲中的每一路子光脉冲：保持该路子光脉冲的两个正交偏振态在分束器分束至相应反射装置反射期间保持不变，且在所述相应反射装置反射至所述分束器合束期间保持不变。这可以例如通过将所述两条子光路配置为偏振保持光路且将所述两条子光路上的光器件配置为偏振保持光器件和/或非双折射光器件来实现。
直流相位解码器构成的不等臂迈克尔逊干涉仪可以为保偏不等臂迈克尔逊干涉仪或非保偏不等臂迈克尔逊干涉仪，取决于具体配置。
如示出的，图2的装置还包括光环形器205。光环形器205位于直流相位解码器的分束器206前端。在此情况下，直流相位解码器构成的不等臂迈克尔逊干涉仪的输入端口和输出端口之一为同一端口。来自前置分束器201的第一路光脉冲可从光环形器205的第一端口A输入并从光环形器205的第二端口B输出至分束器206，来自分束器206的合束输出可输入至光环形器205的第二端口B并从光环形器205的第三端口C输出。
本发明另一优选实施例的一种基于偏振正交旋转反射的直流调制量子密钥分发时间比特-相位解码装置如图3所示，包括以下组成部分：分束器303和304、光环形器307、保偏分束器308、直流相位调制器309，以及反射镜310和311。保偏分束器308为圆保偏光纤分束器。
分束器303作为前置分束器，其一侧的两个端口301和302之一作为装置的输入端口。分束器304将来自分束器303的一路光脉冲分束后由端口305或306输出。从光环形器307的第一端口A输入的光脉冲由光环形器307的第二端口B输出，从光环形器307的端口B输入的光脉冲由光环形器307的第三端口C输出。保偏分束器308和反射镜310、311组成保偏不等臂迈克尔逊干涉仪，其间的两条子光脉冲为保偏光纤光路。直流相位调制器309插入保偏不等臂迈克尔逊干涉仪的两臂中的任一臂。输入保偏不等臂迈克尔逊干涉仪的光脉冲经解码后由端口312输出，或者经保偏分束器308的另一输出端口传输至光环形器307的端口B并从光环形器307的端口C输出后由端口313输出。
工作时，输入光脉冲经分束器303的端口301或302进入分束器303，并由分束器303分束成两路光脉冲进行传输。来自分束器303的一路光脉冲输入至分束器304，并由分束器304分束后由端口305或306输出用于进行时间比特解码。来自分束器303的另一路光脉冲经光环形器307的端口A输入并由光环形器307的端口B输出至保偏分束器308。保偏分束器308将该另一路光脉冲分束为两路子光脉冲。一路子光脉冲经直流相位调制器309调制0度相位或180度相位后由反射镜310反射回来，另一路子光脉冲直接经保偏光纤传输至反射镜311并由反射镜311反射回来。反射回来的经相对延时的两路子光脉冲经保偏分束器308合束后由端口312输出，或者传输至光环形器307的端口B并由光环形器307的端口C输出后由端口313输出。
本发明另一优选实施例的一种基于偏振正交旋转反射的直流调制量子密钥分发时间比特-相位解码装置如图4所示，包括以下组成部分：分束器403和404、光环形器407、保偏分束器408、直流相位调制器409，以及四分之一波片反射镜410和411。四分之一波片反射镜410、411可以为四分之一波片晶体表面镀反射镜实现，亦可由快慢轴传输相位相差90度的保偏光纤端面镀反射镜实现。与四分之一波片反射镜410、411连接的保偏光纤的快轴或慢轴与相应的四分之一波片的快轴或者慢轴的夹角为45度。保偏分束器408为线保偏光纤分束器。
分束器403作为前置分束器，其一侧的两个端口401和402之一作为装置的输入端口。分束器404将来自分束器403的一路光脉冲分束后由端口405或406输出。从光环形器407的第一端口A输入的光脉冲由光环形器407的第二端口B输出，从光环形器407的端口B输入的光脉冲由光环形器407的第三端口C输出。保偏分束器408和四分之一波片反射镜410、411组成保偏不等臂迈克尔逊干涉仪，其间的两条子光路为保偏光纤光路。直流相位调制器409插入保偏不等臂迈克尔逊干涉仪的两臂中的任一臂。输入保偏不等臂迈克尔逊干涉仪的光脉冲经解码后由端口412输出，或者经保偏分束器408的另一输出端口传输至光环形器407的端口B并从环形器407的端口C输出后由端口413输出。
工作时，输入光脉冲经分束器403的端口401或402进入分束器403，并由分束器403分束成两路光脉冲进行传输。来自分束器403的一路光脉冲输入至分束器404，并由分束器404分束后由端口405或406输出用于进行时间比特解码。来自分束器403的另一路光脉冲经光环形器407的端口A输入并由光环形器407的端口B输出至保偏分束器408。保偏分束器408将该另一路光脉冲分束为两路子光脉冲。一路子光脉冲经直流相位调制器409调制0度相位或180度相位后由四分之一波片反射镜410反射回来，另一路子光脉冲直接经保偏光纤传输至四分之一波片反射镜411并由四分之一波片反射镜411反射回来。反射回来的经相对延时的两路子光脉冲经保偏分束器408合束后由端口412输出，或者传输至光环形器407的端口B并由光环形器407的端口C输出后由端口413输出。
本发明另一优选实施例的一种基于偏振正交旋转反射的直流调制量子密钥分发时间比特-相位解码装置如图5所示，包括以下组成部分：分束器503和504、光环形器507、保偏分束器508、直流相位调制器509，以及90度旋转法拉第反射镜510和511。
分束器503作为前置分束器，其一侧的两个端口501和502之一作为装置的输入端口。分束器504将来自分束器503的一路光脉冲分束后由端口505或506输出。从光环形器507的第一端口A输入的光脉冲由光环形器507的第二端口B输出，从光环形器507的端口B输入的光脉冲由光环形器507的第三端口C输出。保偏分束器508和90度旋转法拉第反射镜510、511组成保偏不等臂迈克尔逊干涉仪，其间的两条子光路为保偏光纤光路。直流相位调制器509插入保偏不等臂迈克尔逊干涉仪的两臂中的任一臂。输入保偏不等臂迈克尔逊干涉仪的光脉冲经解码后由端口512输出，或者经保偏分束器508的另一输出端口传输至光环形器507的端口B并从光环形器507的端口C输出后由端口513输出。
工作时，输入光脉冲经分束器503的端口501或502进入分束器503，并由分束器503分束成两路光脉冲进行传输。来自分束器503的一路光脉冲输入至分束器504，并由分束器504分束后由端口505或506输出用于进行时间比特解码。来自分束器503的另一路光脉冲经光环形器507的端口A输入并从光环形器507的端口B输出至保偏分束器508。保偏分束器508将该另一路光脉冲分束为两路子光脉冲。一路子光脉冲经直流相位调制器509调制0度相位或180度相位后由90度旋转法拉第反射镜510反射回来，另一路子光脉冲直接经保偏光纤传输至90度旋转法拉第反射镜511并由90度旋转法拉第反射镜511反射回来。反射回来的经相对延时的两路子光脉冲经保偏分束器508合束后由端口512输出，或者被传输至光环形器507的端口B并由光环形器507的端口C输出后由端口513输出。
尽管上面描述了图5中的不等臂迈克尔逊干涉仪使用保偏分束器508和保偏光纤光路，但对于该不等臂迈克尔逊干涉仪，可以用非保偏耦合器代替保偏分束器508，和/或用非保偏光纤代替保偏光纤光路。
本文中，术语“分束器”和“合束器”可互换使用，分束器亦可称为和用作合束器，反之亦然。本文中，“保偏光纤光路”是指采用保偏光纤传输光脉冲的光路或保偏光纤连接形成的光路。
可以在量子密钥分发系统的接收端配置本发明的基于偏振正交旋转反射的直流调制量子密钥分发时间比特-相位解码装置，用于时间比特-相位解码。另外，也可以在量子密钥分发系统的发射端配置本发明的基于偏振正交旋转反射的直流调制量子密钥分发时间比特-相位解码装置，用于时间比特-相位编码。
通过具体实施方式的说明，应当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效有更加深入且具体的了解，然而所附图示仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。

Claims (25)

1. 一种基于偏振正交旋转反射的直流调制量子密钥分发时间比特-相位解码方法，其特征在于，所述方法包括：
将入射的任意偏振态的一路输入光脉冲分束为第一路光脉冲和第二路光脉冲；以及
按照量子密钥分发协议，对所述第一路光脉冲进行直流调制相位解码并对所述第二路光脉冲进行时间比特解码，
其中，对所述第一路光脉冲进行直流调制相位解码包括：
将所述第一路光脉冲经分束器分束为两路子光脉冲；以及
分别沿两条子光路传输所述两路子光脉冲，并将所述两路子光脉冲进行相对延时后分别经两个反射装置反射回所述分束器以由所述分束器合束输出，其中，对于所述两路子光脉冲中的每一路子光脉冲：
该路子光脉冲经所述两个反射装置中的相应反射装置反射时该路子光脉冲的两个正交偏振态作偏振正交旋转反射，使得经由所述相应反射装置的反射后，该路子光脉冲的每个正交偏振态变换成与其正交的偏振态，
并且其中，在所述分束器分束至所述分束器合束期间，经直流相位调制器对在所述两条子光路上传输的所述两路子光脉冲中至少之一按照量子密钥分发协议进行直流相位调制，其中所述两条子光路中至少之一上设置有直流相位调制器，所述直流相位调制器用于对经其所在的子光路传输的子光脉冲按照量子密钥分发协议进行直流相位调制，其中：
所述直流相位调制器为偏振无关相位调制器，通过施加直流电压至所述偏振无关相位调制器来对所述偏振无关相位调制器所在的子光路传输的子光脉冲的两个正交偏振态进行相同的相位调制，实现所述直流相位调制，或者
所述直流相位调制器为偏振相关相位调制器具体是铌酸锂相位调制器，适于对通过其的两个正交偏振态施加不同的可调的相位调制，通过控制施加至铌酸锂晶体的电压，对通过所述铌酸锂相位调制器的两个正交偏振态各自所经受的相位调制进行控制和调整。
2.根据权利要求1所述的基于偏振正交旋转反射的直流调制量子密钥分发时间比特-相位解码方法，其特征在于，所述两个反射装置为圆偏振正交旋转反射装置。
3.根据权利要求2所述的基于偏振正交旋转反射的直流调制量子密钥分发时间比特-相位解码方法，其特征在于，所述两个反射装置各包括反射镜。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的基于偏振正交旋转反射的直流调制量子密钥分发时间比特-相位解码方法，其特征在于，所述分束器是圆保偏分束器。
5.根据权利要求1所述的基于偏振正交旋转反射的直流调制量子密钥分发时间比特-相位解码方法，其特征在于，所述两个反射装置为线偏振正交旋转反射装置。
6.根据权利要求5所述的基于偏振正交旋转反射的直流调制量子密钥分发时间比特-相位解码方法，其特征在于，所述两个反射装置各包括反射镜和四分之一波片，所述反射镜在所述四分之一波片后端与所述四分之一波片一体地形成，其中所述两路子光脉冲各自的两个正交偏振态之一的极化方向与所述四分之一波片的快轴或慢轴的夹角为45度。
7.根据权利要求1或5或6所述的基于偏振正交旋转反射的直流调制量子密钥分发时间比特-相位解码方法，其特征在于，所述分束器是线保偏分束器。
8.根据权利要求1所述的基于偏振正交旋转反射的直流调制量子密钥分发时间比特-相位解码方法，其特征在于，所述两个反射装置为椭圆偏振正交旋转反射装置。
9.根据权利要求1或8所述的基于偏振正交旋转反射的直流调制量子密钥分发时间比特-相位解码方法，其特征在于，所述分束器是椭圆保偏分束器。
10.根据权利要求1至3、5、6和8中任一项所述的基于偏振正交旋转反射的直流调制量子密钥分发时间比特-相位解码方法，其特征在于，对于所述两路子光脉冲中的每一路子光脉冲：
保持该路子光脉冲的两个正交偏振态在所述分束器分束至所述相应反射装置反射期间保持不变，且在所述相应反射装置反射至所述分束器合束期间保持不变。
11.根据权利要求1所述的基于偏振正交旋转反射的直流调制量子密钥分发时间比特-相位解码方法，其特征在于，所述两个反射装置各包括90度旋转法拉第反射镜，所述分束器是保偏分束器或非保偏分束器。
12. 根据权利要求1所述的基于偏振正交旋转反射的直流调制量子密钥分发时间比特-相位解码方法，其特征在于，对所述第二路光脉冲进行时间比特解码包括：
将所述第二路光脉冲直接输出用于探测；或者
将所述第二路光脉冲分束后输出用于探测。
13.一种基于偏振正交旋转反射的直流调制量子密钥分发时间比特-相位解码装置，其特征在于，所述解码装置包括：
前置分束器，用于将入射的任意偏振态的一路输入光脉冲分束为第一路光脉冲和第二路光脉冲；以及，
与所述前置分束器光耦合的直流相位解码器，用于对所述第一路光脉冲进行直流相位解码，
所述直流相位解码器包括第一分束器、两个反射装置以及与所述第一分束器光耦合并分别与所述两个反射装置光耦合的两条子光路，其中
所述第一分束器用于将所述第一路光脉冲分束为两路子光脉冲；
所述两条子光路用于分别传输所述两路子光脉冲，并用于实现所述两路子光脉冲的相对延时；
所述两个反射装置用于分别将来自所述第一分束器的经所述两条子光路传输来的所述两路子光脉冲反射回所述第一分束器以由所述第一分束器合束输出；
其中，所述两个反射装置被构造成使得，对于所述两路子光脉冲中的每一路子光脉冲：该路子光脉冲经所述两个反射装置中的相应反射装置反射时该路子光脉冲的两个正交偏振态作偏振正交旋转反射，使得经由所述相应反射装置的反射后，该路子光脉冲的每个正交偏振态变换成与其正交的偏振态，
其中所述直流相位解码器具有位于所述两条子光路中至少之一上的直流相位调制器，所述直流相位调制器用于对经其所在的子光路传输的子光脉冲按照量子密钥分发协议进行直流相位调制，
其中所述前置分束器将所述第二路光脉冲输出用于进行时间比特解码，
其中所述直流相位调制器为偏振无关相位调制器，通过施加直流电压至所述偏振无关相位调制器来对所述偏振无关相位调制器所在的子光路传输的子光脉冲的两个正交偏振态进行相同的相位调制，实现所述直流相位调制，或者
所述直流相位调制器为偏振相关相位调制器具体是铌酸锂相位调制器，适于对通过其的两个正交偏振态施加不同的可调的相位调制，通过控制施加至铌酸锂晶体的电压，对通过所述铌酸锂相位调制器的两个正交偏振态各自所经受的相位调制进行控制和调整。
14.根据权利要求13所述的基于偏振正交旋转反射的直流调制量子密钥分发时间比特-相位解码装置，其特征在于，所述两个反射装置为圆偏振正交旋转反射装置。
15.根据权利要求14所述的基于偏振正交旋转反射的直流调制量子密钥分发时间比特-相位解码装置，其特征在于，所述两个反射装置各包括反射镜。
16.根据权利要求13至15中任一项所述的基于偏振正交旋转反射的直流调制量子密钥分发时间比特-相位解码装置，其特征在于，所述第一分束器是圆保偏分束器。
17.根据权利要求13所述的基于偏振正交旋转反射的直流调制量子密钥分发时间比特-相位解码装置，其特征在于，所述两个反射装置为线偏振正交旋转反射装置。
18.根据权利要求17所述的基于偏振正交旋转反射的直流调制量子密钥分发时间比特-相位解码装置，其特征在于，所述两个反射装置各包括反射镜和四分之一波片，所述反射镜在所述四分之一波片后端与所述四分之一波片一体地形成，其中述四分之一波片被构造成使得，所述两路子光脉冲各自的两个正交偏振态之一的极化方向与所述四分之一波片的快轴或慢轴的夹角为45度。
19.根据权利要求13或17或18所述的基于偏振正交旋转反射的直流调制量子密钥分发时间比特-相位解码装置，其特征在于，所述第一分束器是线保偏分束器。
20.根据权利要求13所述的基于偏振正交旋转反射的直流调制量子密钥分发时间比特-相位解码装置，其特征在于，所述两个反射装置为椭圆偏振正交旋转反射装置。
21.根据权利要求13或20所述的基于偏振正交旋转反射的直流调制量子密钥分发时间比特-相位解码装置，其特征在于，所述第一分束器是椭圆保偏分束器。
22.根据权利要求13至15、17、18和20中任一项所述的基于偏振正交旋转反射的直流调制量子密钥分发时间比特-相位解码装置，其特征在于，所述两条子光路为偏振保持光路，所述两条子光路上的光器件为偏振保持光器件和/或非双折射光器件。
23.根据权利要求13所述的基于偏振正交旋转反射的直流调制量子密钥分发时间比特-相位解码装置，其特征在于，所述两个反射装置各包括90度旋转法拉第反射镜，所述第一分束器是保偏分束器或非保偏分束器。
24.根据权利要求13所述的基于偏振正交旋转反射的直流调制量子密钥分发时间比特-相位解码装置，其特征在于，所述解码装置还包括第二分束器，所述第二分束器光耦合至所述前置分束器，用于接收所述第二路光脉冲并将所述第二路光脉冲分束后输出用于进行时间比特解码。
25. 一种量子密钥分发系统，包括：
根据权利要求13~24中任一项所述的基于偏振正交旋转反射的直流调制量子密钥分发时间比特-相位解码装置，其设置在所述量子密钥分发系统的接收端，用于时间比特-相位解码；和/或
根据权利要求13~24中任一项所述的基于偏振正交旋转反射的直流调制量子密钥分发时间比特-相位解码装置，其设置在所述量子密钥分发系统的发射端，用于时间比特-相位编码。
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