CN109039618A - 量子密钥分发相位解码方法和装置及相应系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种分偏振相差控制的量子密钥分发相位解码方法和装置及相应系统。该方法包括：将输入光脉冲入射到包括分束器和合束器的干涉仪以将其分束为第一路和第二路光脉冲；分别沿干涉仪的第一臂和第二臂传输第一路和第二路光脉冲并将它们进行相对延时后合束输出，其中对输入光脉冲或者对第一路和第二路光脉冲中至少之一进行相位调制；将至少第一路光脉冲偏振分束为偏振态相互正交的两路偏振子光脉冲，沿两条子光路传输这两路偏振子光脉冲然后将它们合束为第一路光脉冲沿第一臂传输至合束器；控制输入光脉冲的两个正交偏振态各自经第一和第二臂传输的相位差相差2π的整数倍。本发明提供了一种抗偏振诱导衰落的相位编码量子密钥分发解码方案。

Description

量子密钥分发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，尤其涉及一种分偏振相差控制的量子密钥分发相位解码方法、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。

目前，量子密钥分发的编码方案主要采用偏振编码和相位编码。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。采用偏振编码时，受光纤随机双折射的影响，偏振编码的量子态经长距离光纤传输后到达接收端时，光脉冲偏振态会发生随机变化，造成误码率升高，导致需要增加纠偏设备，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。相比偏振编码，相位编码采用前后光脉冲的相位差来编码信息，在长距离光纤信道传输过程中能够稳定保持。然而对于相位编码方案，在干涉解码时，因传输光纤和编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。同样，若增加纠偏设备，虽然只需要对一种偏振态进行纠偏，但也会增加系统复杂度和成本。对于量子密钥分发相位编码方案，如何稳定高效地进行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分偏振相差控制的量子密钥分发相位解码方法和装置，以解决相位编码量子密钥分发应用中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：

1.一种分偏振相差控制的量子密钥分发相位解码方法，其特征在于，所述方法包括：

将任意偏振态的一路输入光脉冲入射到包括分束器和合束器的干涉仪，以由所述分束器将所述输入光脉冲分束为第一路光脉冲和第二路光脉冲；

分别沿所述干涉仪的第一臂和第二臂传输所述第一路光脉冲和第二路光脉冲，并将所述第一路光脉冲和第二路光脉冲进行相对延时后由所述合束器合束输出，

其中，对分束前的所述输入光脉冲或者在所述分束器分束至所述合束器合束的过程中对所述第一路光脉冲和第二路光脉冲中的至少一路光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位调制，

其中，对于至少沿所述第一臂传输的所述第一路光脉冲：将该第一路光脉冲偏振分束为偏振态相互正交的两路偏振子光脉冲，沿两条子光路传输所述两路偏振子光脉冲，然后将所述两路偏振子光脉冲合束为所述第一路光脉冲沿所述第一臂传输至所述合束器，并且

其中，控制所述输入光脉冲的两个正交偏振态各自在所述干涉仪中经所述第一臂和第二臂传输的相位差相差2π的整数倍。

2.根据方案1所述的分偏振相差控制的量子密钥分发相位解码方法，其特征在于，所述第一臂和第二臂包括对于所述两个正交偏振态存在双折射的光路，和/或所述第一臂和第二臂上具有对于所述两个正交偏振态存在双折射的光器件，其中所述控制所述输入光脉冲的两个正交偏振态各自在所述干涉仪中经所述第一臂和第二臂传输的相位差相差2π的整数倍包括：

分别保持这两个正交偏振态各自在所述干涉仪中沿所述第一臂和第二臂传输时偏振态不变；以及

调整存在双折射的光路的长度和/或存在双折射的光器件的双折射大小，使得这两个正交偏振态各自在所述干涉仪中经所述第一臂和第二臂传输的相位差相差2π的整数倍。

3.根据方案1或2所述的分偏振相差控制的量子密钥分发相位解码方法，其特征在于，将所述第一臂和第二臂配置为保偏光纤光路，将所述第一臂和第二臂上的光器件配置为非双折射光器件和/或偏振保持光器件。

4.根据方案2所述的分偏振相差控制的量子密钥分发相位解码方法，其特征在于，在所述第一臂和第二臂中的至少一个臂上配置保偏光纤拉伸器和/或双折射相位调制器，其中通过所述保偏光纤拉伸器和/或所述双折射相位调制器调整所述输入光脉冲的两个正交偏振态各自在所述干涉仪中经所述第一臂和第二臂传输的相位差之差。

5.根据方案1所述的分偏振相差控制的量子密钥分发相位解码方法，其特征在于，在所述分束器分束至所述合束器合束的过程中对所述第一路光脉冲和第二路光脉冲中的至少一路光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位调制，其中

所述至少一路光脉冲包括所述第一路光脉冲，在所述分束器分束至所述合束器合束的过程中对所述第一路光脉冲和第二路光脉冲中的至少一路光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位调制包括：在偏振分束之前或在对所述两路偏振子光脉冲进行合束之后对所述第一路光脉冲进行相位调制，或在偏振分束至对所述两路偏振子光脉冲进行合束的过程中对所述两路偏振子光脉冲进行相同的相位调制；和/或

所述至少一路光脉冲包括所述第二路光脉冲，在所述分束器分束至所述合束器合束的过程中对所述第一路光脉冲和第二路光脉冲中的至少一路光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位调制包括：在所述分束器分束至所述合束器合束的过程中对所述第二路光脉冲进行相位调制。

6.根据方案1所述的分偏振相差控制的量子密钥分发相位解码方法，其特征在于，在沿所述两条子光路传输所述两路偏振子光脉冲期间对所述两路偏振子光脉冲中至少之一进行相位控制。

7.根据方案6所述的分偏振相差控制的量子密钥分发相位解码方法，其特征在于，对所述两路偏振子光脉冲中至少之一进行相位控制包括：

调整所述两路偏振子光脉冲中的一路偏振子光脉冲的相位。

8.一种分偏振相差控制的量子密钥分发相位解码装置，其特征在于，所述相位解码装置包括干涉仪，所述干涉仪包括分束器、第一合束器以及与所述分束器光耦合并与所述第一合束器光耦合的第一臂和第二臂，

所述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；

所述第一臂和第二臂用于分别传输所述第一路光脉冲和第二路光脉冲，并用于实现所述第一路光脉冲和第二路光脉冲的相对延时；

所述第一合束器用于将经相对延时的所述第一路光脉冲和第二路光脉冲合束输出，

其中所述相位解码装置还具有相位调制器，所述相位调制器用于对分束前的所述输入光脉冲或者在所述分束器分束至所述第一合束器合束的过程中对所述第一路光脉冲和第二路光脉冲中的至少一路光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位调制，

其中至少所述第一臂上设置有分偏振相差控制装置，所述分偏振相差控制装置包括偏振分束器、第二合束器以及与所述偏振分束器光耦合并与所述第二合束器光耦合的两条子光路，

所述偏振分束器用于将所述第一路光脉冲偏振分束为偏振态相互正交的两路偏振子光脉冲；

所述两条子光路用于分别传输所述两路偏振子光脉冲；

所述第二合束器用于将经所述两条子光路传输来的所述两路偏振子光脉冲合束为所述第一路光脉冲沿所述第一臂传输至所述第一合束器，

其中所述第一臂和第二臂及其上的光器件被构造成使得，所述输入光脉冲的两个正交偏振态各自在所述干涉仪中经所述第一臂和第二臂传输的相位差相差2π的整数倍。

9.根据方案8所述的分偏振相差控制的量子密钥分发相位解码装置，其特征在于，所述第一臂和第二臂为保偏光纤光路，所述第一臂和第二臂上的光器件为偏振保持光器件和/或非双折射光器件。

10.根据方案8所述的分偏振相差控制的量子密钥分发相位解码装置，其特征在于，所述相位解码装置还包括：

保偏光纤拉伸器，所述保偏光纤拉伸器位于所述第一臂和第二臂中的任一臂上，用于调节其所在的臂的保偏光纤长度；和/或

双折射相位调制器，所述双折射相位调制器位于所述第一臂和第二臂中的任一臂上，用于对通过其的光脉冲的两个正交偏振态施加不同的可调的相位调制。

11.根据方案8所述的分偏振相差控制的量子密钥分发相位解码装置，其特征在于，所述相位调制器包括：

位于所述干涉仪前端的相位调制器，用于对分束前的所述输入光脉冲进行相位调制；或

位于所述第二臂上的相位调制器，用于在所述分束器分束至所述第一合束器合束的过程中对所述第二路光脉冲进行相位调制，其中所述至少一路光脉冲包括所述第二路光脉冲；或

在所述偏振分束器之前设置在所述第一臂上、用于在偏振分束之前对所述第一路光脉冲进行相位调制的相位调制器，或在所述第二合束器之后设置在所述第一臂上、用于在对所述两路偏振子光脉冲进行合束之后对所述第一路光脉冲进行相位调制的相位调制器，或分别位于所述两条子光路上、用于在偏振分束至对所述两路偏振子光脉冲进行合束的过程中对所述两路偏振子光脉冲进行相同的相位调制的两个相位调制器，其中所述至少一路光脉冲包括所述第一路光脉冲。

12.根据方案8所述的分偏振相差控制的量子密钥分发相位解码装置，其特征在于，所述两条子光路中的至少一条子光路上设置有光纤移相器或相位调制器，所述光纤移相器或相位调制器用于调整经其所在的子光路传输的偏振子光脉冲的相位。

13.根据方案8所述的分偏振相差控制的量子密钥分发相位解码装置，其特征在于，

所述干涉仪采用不等臂马赫-曾德尔干涉仪的结构；或者

所述干涉仪采用不等臂迈克尔逊干涉仪的结构，所述干涉仪的分束器和第一合束器为同一器件，所述干涉仪还包括：

位于所述第一臂上的第一反射镜，用于将来自所述干涉仪的分束器的经所述第一臂传输来的所述第一路光脉冲反射回所述第一合束器；

位于所述第二臂上的第二反射镜，用于将来自所述干涉仪的分束器的经所述第二臂传输来的所述第二路光脉冲反射回所述第一合束器。

14.根据方案8或13所述的分偏振相差控制的量子密钥分发相位解码装置，其特征在于，

所述分偏振相差控制装置采用马赫-曾德尔光路的结构；或者

所述分偏振相差控制装置采用迈克尔逊光路的结构，所述偏振分束器和第二合束器为同一器件，所述分偏振相差控制装置还包括两个反射镜，其中所述两个反射镜中的一个位于所述两条子光路中的一条子光路上，用于将来自所述偏振分束器的经所述一条子光路传输来的偏振子光脉冲反射回所述第二合束器；所述两个反射镜中的另一个位于所述两条子光路中的另一条子光路上，用于将来自所述偏振分束器的经所述另一条子光路传输来的偏振子光脉冲反射回所述第二合束器，其中所述干涉仪采用不等臂迈克尔逊干涉仪的结构，所述两个反射镜之一为所述第一反射镜。

15.根据方案8～13中任一所述的分偏振相差控制的量子密钥分发相位解码装置，其特征在于，所述第二合束器为保偏耦合器或偏振合束器。

16.一种量子密钥分发系统，包括：

根据方案8～15中任一所述的分偏振相差控制的量子密钥分发相位解码装置，其设置在所述量子密钥分发系统的接收端，用于相位解码；和/或

根据方案8～15中任一所述的分偏振相差控制的量子密钥分发相位解码装置，其设置在所述量子密钥分发系统的发射端，用于相位编码。

利用本发明的方案，可实现多个优点。例如，本发明通过控制输入光脉冲的两个正交偏振态各自在不等臂干涉仪的两臂中传输的相位差之差，实现这两个正交偏振态同时在输出端口有效干涉输出，具备环境干扰免疫的相位基解码功能，从而使得能够实现稳定的环境干扰免疫的相位编码量子密钥分发解决方案。另外，通过对沿干涉仪的至少一臂传输的光脉冲进行偏振分集处理，使得能够对该光脉冲的两个正交偏振态独立地进行相位控制，从而更容易实现输入光脉冲的两个正交偏振态各自在不等臂干涉仪的两臂中传输的相位差之差满足要求(即，为2π的整数倍)。本发明提供了一种方便可行的抗偏振诱导衰落的量子密钥分发解码方案。此外，本发明对相位解码装置采用的干涉仪的类型没有约束，可使用最常用的不等臂马赫-曾德尔型干涉仪，使光脉冲在解码时只需经过一次相位调制器，由此有利于减小接收端的插入损耗、提高系统效率。

附图说明

图1为本发明一优选实施例的分偏振相差控制的量子密钥分发相位解码方法的流程图；

图2为本发明一优选实施例的分偏振相差控制的量子密钥分发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分偏振相差控制的量子密钥分发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分偏振相差控制的量子密钥分发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分偏振相差控制的量子密钥分发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分偏振相差控制的量子密钥分发相位解码方法如图1所示，包括以下步骤：

步骤S101：将任意偏振态的一路输入光脉冲入射到包括分束器和合束器的干涉仪，以由所述分束器将所述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。

入射的输入光脉冲可以看成由两个正交偏振态组成。自然地，分束得到的两路光脉冲也可以同样看成由与入射的输入光脉冲相同的两个正交偏振态组成。

分束器可以为50:50光纤耦合器，其将入射的一路输入光脉冲按50:50分束为两路光脉冲。

步骤S102：分别沿所述干涉仪的第一臂和第二臂传输所述第一路光脉冲和第二路光脉冲，并将所述第一路光脉冲和第二路光脉冲进行相对延时后由所述合束器合束输出。

在该方法中，可以对分束前的所述输入光脉冲或者在所述分束器分束至所述合束器合束的过程中对所述第一路光脉冲和第二路光脉冲中的至少一路光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位调制。

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。

根据本发明的方法，可以对分别沿第一臂和第二臂传输的第一路光脉冲和第二路光脉冲中的任一路光脉冲进行偏振分集处理，或者对第一路光脉冲和第二路光脉冲两者分别进行偏振分集处理。

以对沿所述第一臂传输的第一路光脉冲进行偏振分集处理为例，对于该第一路光脉冲：将该第一路光脉冲偏振分束为偏振态相互正交的两路偏振子光脉冲，沿两条子光路传输所述两路偏振子光脉冲，然后将所述两路偏振子光脉冲合束为所述第一路光脉冲沿所述第一臂传输至所述合束器。

根据本发明的方法，控制所述输入光脉冲的两个正交偏振态各自在所述干涉仪中经所述第一臂和第二臂传输的相位差相差2π的整数倍。

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，将x偏振态在所述分束器分束所述合束器合束的过程中经第一臂和第二臂传输的相位差表示为Δx，将y偏振态在所述分束器分束至所述合束器合束的过程中经第一臂和第二臂传输的相位差表示为Δy，则输入光脉冲的两个正交偏振态各自在干涉仪中在所述分束器分束至所述合束器合束期间经第一臂和第二臂传输的相位差相差2π的整数倍可以表示为：

Δx–Δy＝2π.m，

其中m为整数，可以为正整数、负整数或零。

为实现输入光脉冲的两个正交偏振态各自在所述干涉仪中经第一臂和第二臂传输的相位差相差2π的整数倍，可以采用以下手段中的任一或其任何组合：

·对第一路光脉冲和第二路光脉冲中经受偏振分集处理的一路光脉冲偏振分束得到的两路偏振子光脉冲中至少之一进行相位控制。以对沿所述第一臂传输的第一路光脉冲进行偏振分集处理为例，在这种情况下：可以在沿所述两条子光路传输所述第一路光脉冲偏振分束得到的两路偏振子光脉冲期间对这两路偏振子光脉冲中至少之一进行相位控制。例如，对这两路偏振子光脉冲中至少之一进行相位控制可包括：调整这两路偏振子光脉冲中的任一路偏振子光脉冲的相位，或者调整这两路偏振子光脉冲中的每路偏振子光脉冲的相位。例如，根据需要，可以在传输这两路偏振子光脉冲中之一的子光路上配置光纤移相器或相位调制器，或者在传输这两路偏振子光脉冲中的每路偏振子光脉冲的每条子光路上各配置光纤移相器或相位调制器，以通过所述光纤移相器或相位调制器调整相应偏振子光脉冲的传输相位。光纤移相器适于对其所在的光路的长度进行调整并由此调整其所在的光路传输的光脉冲的传输相位，尤其适用于保偏光纤光路的长度调整。

·所述第一臂和第二臂包括对于所述两个正交偏振态存在双折射的光路，和/或所述第一臂和第二臂上具有对于所述两个正交偏振态存在双折射的光器件，在此情况下如下所述地控制所述输入光脉冲的两个正交偏振态各自在所述干涉仪中经所述第一臂和第二臂传输的相位差之差：分别保持这两个正交偏振态各自在所述干涉仪中沿所述第一臂和第二臂传输时偏振态不变；以及调整存在双折射的光路的长度和/或存在双折射的光器件的双折射大小，使得这两个正交偏振态各自在所述干涉仪中经所述第一臂和第二臂传输的相位差相差2π的整数倍。可选地，这可以通过以下任一实现：i)将所述第一臂和第二臂配置为保偏光纤光路，将所述第一臂和第二臂上的光器件配置为非双折射光器件和/或偏振保持光器件；ii)将所述第一臂和第二臂配置为自由空间光路，将所述第一臂和第二臂上的光器件配置为偏振保持光器件。在i)的情况下，可在所述第一臂和第二臂中的至少一个臂上配置保偏光纤拉伸器和/或双折射相位调制器。保偏光纤拉伸器适于调节其所在的光路的保偏光纤长度。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，因而可被设置来影响和调整输入光脉冲的两个正交偏振态各自在干涉仪中经所述第一臂和第二臂传输的相位差之差。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。由此，双折射相位调制器可用于影响和调整输入光脉冲的两个正交偏振态各自在干涉仪中经所述第一臂和第二臂传输的相位差之差。

·将所述第一臂和第二臂配置为自由空间光路，将所述第一臂和第二臂上的光器件配置为非双折射光器件。在这种情况下，所述输入光脉冲的两个正交偏振态各自在所述干涉仪中沿所述第一臂和第二臂传输时偏振态不变，并且这两个正交偏振态各自在所述干涉仪中沿所述第一臂和第二臂传输的相位差可以相同。

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。“非双折射光器件”是指对于不同的偏振态(例如，两个正交偏振态)具有相同折射率的光器件。另外，偏振保持光器件也可称为保偏光器件。

如上文所述，可以可选地在干涉仪的分束器分束至干涉仪的合束器合束的过程中对所述第一路光脉冲和第二路光脉冲中的至少一路光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位调制。另外，可以对分别沿干涉仪的第一臂和第二臂传输的第一路光脉冲和第二路光脉冲两者或它们中的任一进行偏振分集处理。对经受偏振分集处理的任一路光脉冲——例如第一路光脉冲——进行相位调制可以通过以下任一实现：在偏振分束之前对第一路光脉冲进行相位调制，或在对相应的两路偏振子光脉冲进行合束之后对第一路光脉冲进行相位调制，或在偏振分束至对相应的两路偏振子光脉冲进行合束的过程中对这两路偏振子光脉冲进行相同的相位调制。对未经受偏振分集处理的光脉冲——如果有的话，例如第二路光脉冲——进行相位调制可以包括：在干涉仪的分束器分束至干涉仪的合束器合束的过程中对第二路光脉冲进行相位调制。

对一个光脉冲进行相位调制可通过偏振无关相位调制器实现。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，可实现期望的相位调制。

本发明一优选实施例的一种分偏振相差控制的量子密钥分发相位解码装置如图2所示，包括一干涉仪，该干涉仪包括分束器201、合束器205以及与分束器201光耦合并与合束器205光耦合的第一臂(图2中上面的臂)和第二臂(图2中下面的臂)。干涉仪的第一臂上设置有分偏振相差控制装置，该分偏振相差控制装置包括偏振分束器202、偏振合束器203以及与偏振分束器202光耦合并与偏振合束器203光耦合的两条子光路。第二臂上设置有相位调制器204。

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。

第一臂和第二臂用于分别传输所述第一路光脉冲和第二路光脉冲，并用于实现所述第一路光脉冲和第二路光脉冲的相对延时。

合束器205用于将经相对延时的所述第一路光脉冲和第二路光脉冲合束输出。

相位调制器204用于对经其所在的臂传输的光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位调制。

偏振分束器202用于将所述第一路光脉冲偏振分束为偏振态相互正交的两路偏振子光脉冲。

所述两条子光路用于分别传输所述两路偏振子光脉冲。

偏振合束器203用于将经所述两条子光路传输来的所述两路偏振子光脉冲合束为所述第一路光脉冲沿所述第一臂传输至合束器205。

对于图2的相位解码装置，所述第一臂和第二臂及其上的光器件被构造成使得，所述输入光脉冲的两个正交偏振态各自在所述干涉仪中经所述第一臂和第二臂传输的相位差相差2π的整数倍。

可通过调节分束器201与合束器205之间的第一臂和第二臂中任一的光路物理长度来实现两路子光脉冲的相对延时。

相位调制器204可以是偏振无关相位调制器，包括进行了双折射补偿的双折射器件(例如通过串联或并联的两个双折射相位调制器实现)，或前面提到的其他偏振无关相位调制器。

尽管图2中示出仅第一臂上设置有分偏振相差控制装置，但也可能的是，仅第二臂上设置有分偏振相差控制装置或者第一臂和第二臂两者上各设置有分偏振相差控制装置。

尽管图2中的分偏振相差控制装置使用了偏振合束器203，但可能的是，用保偏耦合器代替偏振合束器203来对两路偏振子光脉冲进行合束。

尽管图2中的干涉仪为不等臂马赫-曾德尔干涉仪的结构，但该干涉仪可以采用不等臂迈克尔逊干涉仪的结构。

另外，尽管图2中的分偏振相差控制装置为马赫-曾德尔光路的结构，但该分偏振相差控制装置采用迈克尔逊光路的结构是可能的。

尽管图2示出仅在第二臂上设置相位调制器，但也可能的是，仅在第一臂上设置相位调制器或者在第一臂和第二臂两者上各设置一相位调制器。在第一臂和第二臂两者上各设置一相位调制器的情况下，两个相位调制器所调制的相位之差由量子密钥分发协议确定。另外，代替在两臂之一或两者上设置相位调制器，可以在分束器201前端设置相位调制器，即对分束之前的所述输入光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位调制。

图2的相位解码装置可以可选地具有如下设置中的任一或其任何组合：

·所述第一臂和第二臂为保偏光纤光路，所述第一臂和第二臂上的光器件为偏振保持光器件和/或非双折射光器件。

·所述相位解码装置还包括：保偏光纤拉伸器，所述保偏光纤拉伸器位于所述第一臂和第二臂中的任一臂上，用于调节其所在的臂的保偏光纤长度；和/或双折射相位调制器，所述双折射相位调制器位于所述第一臂和第二臂中的任一臂上，用于对通过其的光脉冲的两个正交偏振态施加不同的可调的相位调制。

·所述两条子光路中的至少一条子光路上设置有光纤移相器或相位调制器，所述光纤移相器或相位调制器用于调整经其所在的子光路传输的偏振子光脉冲的传输相位。

·所述干涉仪采用不等臂迈克尔逊干涉仪的结构，所述干涉仪的分束器和合束器为同一器件，所述干涉仪还包括：位于所述第一臂上的第一反射镜，用于将来自所述干涉仪的分束器的经所述第一臂传输来的所述第一路光脉冲反射回所述干涉仪的合束器；位于所述第二臂上的第二反射镜，用于将来自所述干涉仪的分束器的经所述第二臂传输来的所述第二路光脉冲反射回所述干涉仪的合束器。

·所述分偏振相差控制装置采用迈克尔逊光路的结构，所述偏振分束器和偏振合束器为同一器件，所述分偏振相差控制装置还包括两个反射镜，其中所述两个反射镜中的一个位于所述两条子光路中的一条子光路上，用于将来自所述偏振分束器的经所述一条子光路传输来的偏振子光脉冲反射回所述偏振合束器；所述两个反射镜中的另一个位于所述两条子光路中的另一条子光路上，用于将来自所述偏振分束器的经所述另一条子光路传输来的偏振子光脉冲反射回所述偏振合束器，其中所述干涉仪如上所述采用不等臂迈克尔逊干涉仪的结构，其第一反射镜为所述分偏振相差控制装置的所述两个反射镜之一。

·所述干涉仪如上所述采用不等臂迈克尔逊干涉仪的结构，所述干涉仪的输入端口和输出端口之一为同一端口，所述干涉仪还包括光环形器，所述光环形器位于所述干涉仪的分束器前端，所述入射的任意偏振态的一路输入光脉冲从所述光环形器的第一端口输入并从所述光环形器的第二端口输出至所述干涉仪的分束器，来自所述干涉仪的合束器的合束输出被输入至所述光环形器的第二端口并从所述光环形器的第三端口输出。

在干涉仪的第一臂和/或第二臂上设置有保偏光纤拉伸器的情况下，可以可选地将保偏光纤拉伸器用作相位调制器，用于对经其所在的臂传输的光脉冲进行相位调制。

在所述两条子光路上各设置有光纤移相器的情况下，可以可选地将光纤移相器用作相位调制器，用于对两路偏振子光脉冲进行相同的相位调制。

本发明另一优选实施例的一种分偏振相差控制的量子密钥分发相位解码装置如图3所示，包括以下组成部分：保偏分束器303、偏振分束器304、保偏光纤移相器305、偏振合束器306、相位调制器307，以及保偏合束器308。

保偏分束器303一侧的两个端口301和302之一作为相位解码装置的输入端。保偏合束器308一侧的两个端口309和310之一作为相位解码装置的输出端口。保偏分束器303、保偏合束器308及其间的两个臂构成一个保偏马赫-曾德尔干涉仪。偏振分束器304、偏振合束器306及其间的两条子光路总体可称为分偏振相差控制装置。该分偏振相差控制装置和相位调制器307分别插入马赫-曾德尔干涉仪的两臂。保偏光纤移相器305插入该分偏振相差控制装置的两条子光路中之一。

工作时，输入光脉冲经保偏分束器303的端口301或302进入保偏分束器303，并由保偏分束器303分束成两路光脉冲。这两路光脉冲中的一路光脉冲——为方便起见，该一路光脉冲在下文中亦称为第一路光脉冲——由偏振分束器304偏振分束为两路偏振子光脉冲；这两路偏振子光脉冲分别经两条子光路传输至偏振合束器306，并由偏振合束器306合束为第一路光脉冲沿所述第一臂传输至保偏合束器308。所述两路光脉冲中的另一路光脉冲——为方便起见，该另一路光脉冲在下文中亦称为第二路光脉冲——经相位调制器307进行相位调制后传输至保偏合束器308。传输至保偏合束器308的经相对延时的第一路光脉冲和第二路光脉冲经保偏合束器308合束后由端口309或310输出。在对第一路光脉冲进行偏振分束至合束期间，可通过保偏光纤移相器305对经保偏光纤移相器305所在的子光路传输的偏振子光脉冲进行相位调整。

相位调制器307为偏振无关器件，包括进行了双折射补偿的双折射器件(例如通过串联或并联的两个双折射相位调制器实现)，或前面提到的其他偏振无关相位调制器。

分偏振相差控制装置的两条子光路可以各插入一光纤移相器。在此情况下，可以通过这两条子光路上的两个光纤移相器对两路偏振子光脉冲进行相同的相位调制，由此实现相位调制器307的相位调制功能；即，可以省略相位调制器307。

另外，该分偏振相差控制装置和相位调制器307可以插入马赫-曾德尔干涉仪的同一臂，而上述工作过程不受影响。

本发明另一优选实施例的一种分偏振相差控制的量子密钥分发相位解码装置如图4所示，包括以下组成部分：保偏分束器403、偏振分束器404、保偏光纤移相器405、偏振合束器406、相位调制器408，以及反射镜407和409。

保偏分束器403一侧的两个端口401和402均可作为相位解码装置的输入端和输出端。保偏分束器403、两个反射镜407和409以及保偏分束器403与这两个反射镜之间的两个臂构成一个保偏迈克尔逊干涉仪。偏振分束器404、偏振合束器406以及其间的两条子光路总体可称为分偏振相差控制装置。该分偏振相差控制装置和相位调制器408分别插入迈克尔逊干涉仪的两臂。保偏光纤移相器405插入该分偏振相差控制装置的两条子光路中任一。

工作时，输入光脉冲例如经保偏分束器403的端口401进入保偏分束器403，并由保偏分束器403分束成两路光脉冲。这两路光脉冲中的一路光脉冲——为方便起见，该一路光脉冲在下文中亦称为第一路光脉冲——由偏振分束器404偏振分束为两路偏振子光脉冲；这两路偏振子光脉冲分别经两条子光路传输至偏振合束器406，并由偏振合束器406合束为第一路光脉冲沿所述第一臂传输至反射镜407并由反射镜407反射回来。所述两路光脉冲中的另一路光脉冲——为方便起见，该另一路光脉冲在下文中亦称为第二路光脉冲——经相位调制器408进行相位调制后传输至反射镜409并由反射镜409反射回来。反射回来的经相对延时的第一路光脉冲和第二路光脉冲经保偏分束器403合束后例如由端口402输出。在对第一路光脉冲进行偏振分束至合束期间，可通过保偏光纤移相器405对经保偏光纤移相器405所在的子光路传输的偏振子光脉冲进行相位调整。

输入光脉冲由端口402输入、由端口401输出，或者输入光脉冲由同一端口输入和输出，上述工作过程均不受影响。

相位调制器408为偏振无关器件，包括进行了双折射补偿的双折射器件(例如通过串联或并联的两个双折射相位调制器实现)，或前面提到的其他偏振无关相位调制器。

分偏振相差控制装置的两条子光路可以各插入一光纤移相器。在此情况下，可以通过这两条子光路上的两个光纤移相器对两路偏振子光脉冲进行相同的相位调制，由此实现相位调制器408的相位调制功能；即，可以省略相位调制器408。

另外，该分偏振相差控制装置和相位调制器408可以插入迈克尔逊干涉仪的同一臂，而上述工作过程不受影响。

本发明另一优选实施例的一种分偏振相差控制的量子密钥分发相位解码装置如图5所示，包括以下组成部分：保偏分束器503、偏振分束器504、保偏光纤移相器505、相位调制器508，以及反射镜506、507和509。

保偏分束器503一侧的两个端口501和502均可作为相位解码装置的输入端和输出端。保偏分束器503、保偏分束器503与两个反射镜506和507之间的第一臂、保偏分束器503与反射镜509之间的第二臂以及反射镜506、507、509构成一个保偏迈克尔逊干涉仪。偏振分束器504、两个反射镜506和507以及偏振分束器504与这两个反射镜之间的两条子光路总体可称为分偏振相差控制装置。该分偏振相差控制装置和相位调制器508分别插入迈克尔逊干涉仪的两臂。保偏光纤移相器505插入该分偏振相差控制装置的两条子光路中任一。

工作时，输入光脉冲例如经保偏分束器503的端口501进入保偏分束器503，并由保偏分束器503分束成两路光脉冲。这两路光脉冲中的一路光脉冲——为方便起见，该一路光脉冲在下文中亦称为第一路光脉冲——由偏振分束器504偏振分束为两路偏振子光脉冲；这两路偏振子光脉冲分别经两条子光路分别传输至反射镜506和507并分别由反射镜506和507反射回偏振分束器504，并由偏振分束器504偏振合束为第一路光脉冲沿第一臂传输至保偏分束器503。所述两路光脉冲中的另一路光脉冲——为方便起见，该另一路光脉冲在下文中亦称为第二路光脉冲——经相位调制器508进行相位调制后传输至反射镜509，并由反射镜509反射回偏振分束器503。反射回来的经相对延时的第一路光脉冲和第二路光脉冲经保偏分束器503合束后例如由端口502输出。在对第一路光脉冲进行偏振分束至合束期间，可通过保偏光纤移相器505对经保偏光纤移相器505所在的子光路传输的偏振子光脉冲进行相位调整。

输入光脉冲由端口502输入、由端口501输出，或者输入光脉冲由同一端口输入和输出，上述工作过程均不受影响。

相位调制器508为偏振无关器件，包括进行了双折射补偿的双折射器件(例如通过串联或并联的两个双折射相位调制器实现)，或前面提到的其他偏振无关相位调制器。

分偏振相差控制装置的两条子光路可以各插入一光纤移相器。在此情况下，可以通过这两条子光路上的两个光纤移相器对两路偏振子光脉冲进行相同的相位调制，由此实现相位调制器508的相位调制功能；即，可以省略相位调制器508。

另外，该分偏振相差控制装置和相位调制器508可以插入迈克尔逊干涉仪的同一臂，而上述工作过程不受影响。

本发明的相位解码装置，如图3、图4或图5中示出的相位解码装置，其干涉仪的两臂及所述两臂上的光器件被构造成使得，输入光脉冲的两个正交偏振态各自在该干涉仪中经这两臂传输的相位差相差2π的整数倍。另外，对在所述两臂中至少之一上传输的光脉冲进行偏振分集处理，由此分偏振控制输入光脉冲的两个正交偏振态的传输相位，使得易于实现上述相位差之差。

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。术语“偏振分束器”和“偏振合束器”可互换使用，偏振分束器亦可称为和用作偏振合束器，反之亦然

可以在量子密钥分发系统的接收端配置本发明的分偏振相差控制的量子密钥分发相位解码装置，用于相位解码。另外，也可以在量子密钥分发系统的发射端配置本发明的分偏振相差控制的量子密钥分发相位解码装置，用于相位编码。

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 (16)

1.一种分偏振相差控制的量子密钥分发相位解码方法，其特征在于，所述方法包括：

将任意偏振态的一路输入光脉冲入射到包括分束器和合束器的干涉仪，以由所述分束器将所述输入光脉冲分束为第一路光脉冲和第二路光脉冲；

分别沿所述干涉仪的第一臂和第二臂传输所述第一路光脉冲和第二路光脉冲，并将所述第一路光脉冲和第二路光脉冲进行相对延时后由所述合束器合束输出，

其中，对分束前的所述输入光脉冲或者在所述分束器分束至所述合束器合束的过程中对所述第一路光脉冲和第二路光脉冲中的至少一路光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位调制，

其中，对于至少沿所述第一臂传输的所述第一路光脉冲：将该第一路光脉冲偏振分束为偏振态相互正交的两路偏振子光脉冲，沿两条子光路传输所述两路偏振子光脉冲，然后将所述两路偏振子光脉冲合束为所述第一路光脉冲沿所述第一臂传输至所述合束器，并且

其中，控制所述输入光脉冲的两个正交偏振态各自在所述干涉仪中经所述第一臂和第二臂传输的相位差相差2π的整数倍。

2.根据权利要求1所述的分偏振相差控制的量子密钥分发相位解码方法，其特征在于，所述第一臂和第二臂包括对于所述两个正交偏振态存在双折射的光路，和/或所述第一臂和第二臂上具有对于所述两个正交偏振态存在双折射的光器件，其中所述控制所述输入光脉冲的两个正交偏振态各自在所述干涉仪中经所述第一臂和第二臂传输的相位差相差2π的整数倍包括：

分别保持这两个正交偏振态各自在所述干涉仪中沿所述第一臂和第二臂传输时偏振态不变；以及

调整存在双折射的光路的长度和/或存在双折射的光器件的双折射大小，使得这两个正交偏振态各自在所述干涉仪中经所述第一臂和第二臂传输的相位差相差2π的整数倍。

3.根据权利要求1或2所述的分偏振相差控制的量子密钥分发相位解码方法，其特征在于，将所述第一臂和第二臂配置为保偏光纤光路，将所述第一臂和第二臂上的光器件配置为非双折射光器件和/或偏振保持光器件。

4.根据权利要求2所述的分偏振相差控制的量子密钥分发相位解码方法，其特征在于，在所述第一臂和第二臂中的至少一个臂上配置保偏光纤拉伸器和/或双折射相位调制器，其中通过所述保偏光纤拉伸器和/或所述双折射相位调制器调整所述输入光脉冲的两个正交偏振态各自在所述干涉仪中经所述第一臂和第二臂传输的相位差之差。

5.根据权利要求1所述的分偏振相差控制的量子密钥分发相位解码方法，其特征在于，在所述分束器分束至所述合束器合束的过程中对所述第一路光脉冲和第二路光脉冲中的至少一路光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位调制，其中

所述至少一路光脉冲包括所述第一路光脉冲，在所述分束器分束至所述合束器合束的过程中对所述第一路光脉冲和第二路光脉冲中的至少一路光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位调制包括：在偏振分束之前或在对所述两路偏振子光脉冲进行合束之后对所述第一路光脉冲进行相位调制，或在偏振分束至对所述两路偏振子光脉冲进行合束的过程中对所述两路偏振子光脉冲进行相同的相位调制；和/或

所述至少一路光脉冲包括所述第二路光脉冲，在所述分束器分束至所述合束器合束的过程中对所述第一路光脉冲和第二路光脉冲中的至少一路光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位调制包括：在所述分束器分束至所述合束器合束的过程中对所述第二路光脉冲进行相位调制。

6.根据权利要求1所述的分偏振相差控制的量子密钥分发相位解码方法，其特征在于，在沿所述两条子光路传输所述两路偏振子光脉冲期间对所述两路偏振子光脉冲中至少之一进行相位控制。

7.根据权利要求6所述的分偏振相差控制的量子密钥分发相位解码方法，其特征在于，对所述两路偏振子光脉冲中至少之一进行相位控制包括：

调整所述两路偏振子光脉冲中的一路偏振子光脉冲的相位。

8.一种分偏振相差控制的量子密钥分发相位解码装置，其特征在于，所述相位解码装置包括干涉仪，所述干涉仪包括分束器、第一合束器以及与所述分束器光耦合并与所述第一合束器光耦合的第一臂和第二臂，

所述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；

所述第一臂和第二臂用于分别传输所述第一路光脉冲和第二路光脉冲，并用于实现所述第一路光脉冲和第二路光脉冲的相对延时；

所述第一合束器用于将经相对延时的所述第一路光脉冲和第二路光脉冲合束输出，

其中所述相位解码装置还具有相位调制器，所述相位调制器用于对分束前的所述输入光脉冲或者在所述分束器分束至所述第一合束器合束的过程中对所述第一路光脉冲和第二路光脉冲中的至少一路光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位调制，

其中至少所述第一臂上设置有分偏振相差控制装置，所述分偏振相差控制装置包括偏振分束器、第二合束器以及与所述偏振分束器光耦合并与所述第二合束器光耦合的两条子光路，

所述偏振分束器用于将所述第一路光脉冲偏振分束为偏振态相互正交的两路偏振子光脉冲；

所述两条子光路用于分别传输所述两路偏振子光脉冲；

所述第二合束器用于将经所述两条子光路传输来的所述两路偏振子光脉冲合束为所述第一路光脉冲沿所述第一臂传输至所述第一合束器，

其中所述第一臂和第二臂及其上的光器件被构造成使得，所述输入光脉冲的两个正交偏振态各自在所述干涉仪中经所述第一臂和第二臂传输的相位差相差2π的整数倍。

9.根据权利要求8所述的分偏振相差控制的量子密钥分发相位解码装置，其特征在于，所述第一臂和第二臂为保偏光纤光路，所述第一臂和第二臂上的光器件为偏振保持光器件和/或非双折射光器件。

10.根据权利要求8所述的分偏振相差控制的量子密钥分发相位解码装置，其特征在于，所述相位解码装置还包括：

保偏光纤拉伸器，所述保偏光纤拉伸器位于所述第一臂和第二臂中的任一臂上，用于调节其所在的臂的保偏光纤长度；和/或

双折射相位调制器，所述双折射相位调制器位于所述第一臂和第二臂中的任一臂上，用于对通过其的光脉冲的两个正交偏振态施加不同的可调的相位调制。

11.根据权利要求8所述的分偏振相差控制的量子密钥分发相位解码装置，其特征在于，所述相位调制器包括：

位于所述干涉仪前端的相位调制器，用于对分束前的所述输入光脉冲进行相位调制；或

位于所述第二臂上的相位调制器，用于在所述分束器分束至所述第一合束器合束的过程中对所述第二路光脉冲进行相位调制，其中所述至少一路光脉冲包括所述第二路光脉冲；或

在所述偏振分束器之前设置在所述第一臂上、用于在偏振分束之前对所述第一路光脉冲进行相位调制的相位调制器，或在所述第二合束器之后设置在所述第一臂上、用于在对所述两路偏振子光脉冲进行合束之后对所述第一路光脉冲进行相位调制的相位调制器，或分别位于所述两条子光路上、用于在偏振分束至对所述两路偏振子光脉冲进行合束的过程中对所述两路偏振子光脉冲进行相同的相位调制的两个相位调制器，其中所述至少一路光脉冲包括所述第一路光脉冲。

12.根据权利要求8所述的分偏振相差控制的量子密钥分发相位解码装置，其特征在于，所述两条子光路中的至少一条子光路上设置有光纤移相器或相位调制器，所述光纤移相器或相位调制器用于调整经其所在的子光路传输的偏振子光脉冲的相位。

13.根据权利要求8所述的分偏振相差控制的量子密钥分发相位解码装置，其特征在于，

所述干涉仪采用不等臂马赫-曾德尔干涉仪的结构；或者

所述干涉仪采用不等臂迈克尔逊干涉仪的结构，所述干涉仪的分束器和第一合束器为同一器件，所述干涉仪还包括：

位于所述第一臂上的第一反射镜，用于将来自所述干涉仪的分束器的经所述第一臂传输来的所述第一路光脉冲反射回所述第一合束器；

位于所述第二臂上的第二反射镜，用于将来自所述干涉仪的分束器的经所述第二臂传输来的所述第二路光脉冲反射回所述第一合束器。

14.根据权利要求8或13所述的分偏振相差控制的量子密钥分发相位解码装置，其特征在于，

所述分偏振相差控制装置采用马赫-曾德尔光路的结构；或者

所述分偏振相差控制装置采用迈克尔逊光路的结构，所述偏振分束器和第二合束器为同一器件，所述分偏振相差控制装置还包括两个反射镜，其中所述两个反射镜中的一个位于所述两条子光路中的一条子光路上，用于将来自所述偏振分束器的经所述一条子光路传输来的偏振子光脉冲反射回所述第二合束器；所述两个反射镜中的另一个位于所述两条子光路中的另一条子光路上，用于将来自所述偏振分束器的经所述另一条子光路传输来的偏振子光脉冲反射回所述第二合束器，其中所述干涉仪采用不等臂迈克尔逊干涉仪的结构，所述两个反射镜之一为所述第一反射镜。

15.根据权利要求8～13中任一项所述的分偏振相差控制的量子密钥分发相位解码装置，其特征在于，所述第二合束器为保偏耦合器或偏振合束器。

16.一种量子密钥分发系统，包括：

根据权利要求8～15中任一项所述的分偏振相差控制的量子密钥分发相位解码装置，其设置在所述量子密钥分发系统的接收端，用于相位解码；和/或

根据权利要求8～15中任一项所述的分偏振相差控制的量子密钥分发相位解码装置，其设置在所述量子密钥分发系统的发射端，用于相位编码。