CN109039622B - 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

提出一种相差控制的量子密钥分发时间比特‑相位解码方法和装置及相应的系统。该方法包括：将输入光脉冲分束为第一路和第二路光脉冲；对第一路光脉冲进行相位解码，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相位解码包括：将第一路光脉冲分束为两路子光脉冲；分别在两条子光路上传输两路子光脉冲并将它们作相对延时后合束输出，其中控制第一路光脉冲的两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中经两条子光路传输的相位差相差2π的整数倍，并对分束前的第一路光脉冲进行相位调制或者在第一路光脉冲分束至合束的过程中对两路子光脉冲中之一进行相位调制。利用本发明，能实现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。

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，尤其涉及一种相差控制的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。
发明内容
本发明的主要目的在于提出一种相差控制的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：
1.一种相差控制的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相位解码包括：
将所述第一路光脉冲分束为两路子光脉冲；以及
分别在两条子光路上传输所述两路子光脉冲，并将所述两路子光脉冲作相对延时后合束输出，
其中控制所述第一路光脉冲的两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中经所述两条子光路传输的相位差相差2π的整数倍，并且
其中对分束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，或者在所述第一路光脉冲分束之前，对所述第一路光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位调制，或者在所述第一路光脉冲分束至合束的过程中，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按照量子密钥分发协议进行相位调制。
2.根据方案1所述的相差控制的量子密钥分发时间比特-相位解码方法，其特征在于，所述两条子光路包括对于所述第一路光脉冲的两个正交偏振态存在双折射的光路，和/或所述两条子光路上具有对于所述第一路光脉冲的两个正交偏振态存在双折射的光器件，其中所述控制所述第一路光脉冲的两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中经所述两条子光路传输的相位差相差2π的整数倍包括：
分别保持这两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中在所述两条子光路上传输时偏振态不变；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分束至合束的过程中经所述两条子光路传输的相位差相差2π的整数倍。
3.根据方案1或2所述的相差控制的量子密钥分发时间比特-相位解码方法，其特征在于，
将所述两条子光路配置为自由空间光路，将所述自由空间光路上的光器件配置为非双折射光器件和/或偏振保持光器件；或者
将所述两条子光路配置为保偏光纤光路，将所述保偏光纤光路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1所述的相差控制的量子密钥分发时间比特-相位解码方法，其特征在于，在所述两条子光路中的至少一条子光路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第一路光脉冲的两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中经所述两条子光路传输的相位差之差。
5.根据方案1所述的相差控制的量子密钥分发时间比特-相位解码方法，其特征在于，
对所述第一路光脉冲进行相位调制包括：对所述第一路光脉冲随机地进行0度相位调制或180度相位调制；或者
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相位调制包括：对在所述两条子光路上传输的所述两路子光脉冲中之一随机地进行0度相位调制或180度相位调制。
6.根据方案1所述的相差控制的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。
7.一种相差控制的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相位解码器，用于对所述第一路光脉冲进行相位解码，
所述相位解码器包括第一分束器、第一合束器以及与所述第一分束器光耦合并与所述第一合束器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；
所述第一合束器用于将相对延时后的所述两路子光脉冲合束输出，
其中在所述相位解码器中，所述两条子光路及其上的光器件构造成使得所述第一路光脉冲的两个正交偏振态各自在所述第一分束器分束至所述第一合束器合束的过程中经所述两条子光路传输的相位差相差2π的整数倍，
其中所述解码装置具有位于所述前置分束器前端或位于所述第一分束器前端或位于所述两条子光路中的任一子光路上的相位调制器，所述相位调制器用于对通过其的光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位调制，
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。
8.根据方案7所述的相差控制的量子密钥分发时间比特-相位解码装置，其特征在于，
所述两条子光路为自由空间光路，所述两条子光路上的光器件为非双折射光器件和/或偏振保持光器件；或
所述两条子光路为保偏光纤光路，所述两条子光路上的光器件为非双折射光器件和/或偏振保持光器件。
9.根据方案7或8所述的相差控制的量子密钥分发时间比特-相位解码装置，其特征在于，所述相位解码器还包括：
位于所述两条子光路中的任一子光路上的保偏光纤拉伸器，所述保偏光纤拉伸器用于调节其所在的光路的保偏光纤长度；和/或
位于所述两条子光路中的任一子光路上的双折射相位调制器，所述双折射相位调制器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。
10.根据方案7所述的相差控制的量子密钥分发时间比特-相位解码装置，其特征在于，所述相位调制器为偏振无关相位调制器。
11.根据方案7或10所述的相差控制的量子密钥分发时间比特-相位解码装置，其特征在于，所述相位调制器用于对通过其的光脉冲随机地进行0度相位调制或180度相位调制。
12.根据方案7所述的相差控制的量子密钥分发时间比特-相位解码装置，其特征在于，所述相位解码器采用不等臂马赫-曾德尔干涉仪或不等臂迈克尔逊干涉仪的结构。
13.根据方案7或8或12所述的相差控制的量子密钥分发时间比特-相位解码装置，其特征在于，
所述相位解码器采用不等臂马赫-曾德尔干涉仪的结构，所述两条子光路为保偏光纤光路，其中所述两条子光路的保偏光纤长度之差为保偏光纤拍长的整数倍；和/或
所述相位解码器采用不等臂迈克尔逊干涉仪的结构，所述两条子光路为保偏光纤光路，其中所述两条子光路的保偏光纤长度之差为保偏光纤拍长的一半的整数倍。
14.根据方案7或12所述的相差控制的量子密钥分发时间比特-相位解码装置，其特征在于，
所述相位解码器采用不等臂迈克尔逊干涉仪的结构，所述第一合束器与所述第一分束器为同一器件，所述相位解码器还包括：
两个反射镜，所述两个反射镜分别位于所述两条子光路上，分别用于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合束器；和，
光环形器，所述光环形器位于所述第一分束器前端，所述第一路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第一分束器，来自所述第一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，
其中所述不等臂迈克尔逊干涉仪的输入端口和输出端口为同一端口。
15.根据方案7所述的相差控制的量子密钥分发时间比特-相位解码装置，其特征在于，所述第一分束器和所述第一合束器为偏振保持光器件。
16.根据方案7所述的相差控制的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。
17.一种量子密钥分发系统，包括：根据方案7～16中任一项所述的相差控制的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7～16中任一项所述的相差控制的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。
利用本发明的方案，可实现多个优点。例如，针对时间比特-相位编码量子密钥分发应用，本发明通过控制相位基解码中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，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。本发明的量子密钥分发解码方案能够抗偏振诱导衰落，同时避免对复杂的纠偏设备的需要。
附图说明
图1为本发明一优选实施例的相差控制的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相差控制的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相差控制的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相差控制的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相差控制的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6为本发明另一优选实施例的相差控制的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7为本发明另一优选实施例的相差控制的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8为本发明另一优选实施例的相差控制的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，附图构成本申请的一部分，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相差控制的量子密钥分发时间比特-相位解码方法如图1所示，具体包括以下步骤：
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。
具体的，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，对第一路光脉冲进行相位解码并对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，由第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。
根据一种可能的实施方式，对第一路光脉冲进行相位解码可包括：
将第一路光脉冲分束为两路子光脉冲；以及
分别在两条子光路上传输所述两路子光脉冲，并将所述两路子光脉冲作相对延时后合束输出，
其中控制第一路光脉冲的两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中经所述两条子光路传输的相位差相差2π的整数倍。
在图1的方法中，在对第一路光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位解码的过程中如下所述进行相位调制：在第一路光脉冲分束之前，对第一路光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位调制；或者，在第一路光脉冲分束至合束的过程中，对在所述两条子光路上传输的两路子光脉冲中至少之一按照量子密钥分发协议进行相位调制。在前一种情况下，例如，对第一路光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位调制可以通过对该路光脉冲中的相邻的前后两个输入光脉冲之一进行相位调制来实现。
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。
关于一路光脉冲的两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中经相应的两条子光路传输的相位差相差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偏振态在分束至合束的过程中经两条子光路传输的相位差表示为Δx，将y偏振态在分束至合束的过程中经两条子光路传输的相位差表示为Δy，则该路光脉冲的两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中经两条子光路传输的相位差相差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。
在一种可能的实施方式中，用于传输第一路光脉冲分束得到的两路子光脉冲的两条子光路包括对于该路光脉冲的两个正交偏振态存在双折射的光路，和/或在这两条子光路上具有对于该路光脉冲的两个正交偏振态存在双折射的光器件。在这种情况下，控制该路光脉冲的两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中经所述两条子光路传输的相位差相差2π的整数倍包括：分别保持这两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中在所述两条子光路上传输时偏振态不变；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分束至合束的过程中经所述两条子光路传输的相位差相差2π的整数倍。可选地，这可以通过以下任一实现：i)将所述两条子光路配置为保偏光纤光路，将所述保偏光纤光路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)将所述两条子光路配置为自由空间光路，将所述两条光路上的光器件配置为偏振保持光器件。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。
在一种可能的实施方式中，可将上述两条子光路配置为自由空间光路，将所述两条光路上的光器件配置为非双折射光器件。在这种情况下，使两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中在所述两条子光路上传输时偏振态保持不变，并且这两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中经所述两条子光路传输的相位差可以相同。
在一种可能的实现中，在用于对第一路光脉冲分束得到的两路子光脉冲进行传输的两条子光路中的至少一条子光路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该路光脉冲的两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中经所述两条子光路传输的相位差之差。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。由此，双折射相位调制器可用于影响和调整该路光脉冲的两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中经所述两条子光路传输的相位差之差。
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。
在一个优选实施例中，对第一路光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位调制包括：对第一路光脉冲随机地进行0度相位调制或180度相位调制。在一个优选实施例中，对在所述两条子光路上传输的两路子光脉冲中至少之一按照量子密钥分发协议进行相位调制包括：对在所述两条子光路上传输的两路子光脉冲中之一随机地进行0度相位调制或180度相位调制。这里，随机地进行0度相位调制或180度相位调制是指随机地进行选自0度相位调制和180度相位调制这两者中的相位调制。
根据一种可能的实施方式，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。
本发明一优选实施例的一种相差控制的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203、相位调制器204，以及合束器205。分束器203、合束器205及它们之间的两条子光路总体可称为相位解码器。
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两路光脉冲。
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。
分束器203用于将来自前置分束器201的第一路光脉冲分束为两路子光脉冲，以分别经两条子光路传输并由这两条子光路作相对延时后由合束器205合束输出。相位调制器204用于对经其所在的两条子光路之一传输的子光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位调制。具体地，两条子光路用于分别传输这两路子光脉冲，并用于实现这两路子光脉冲的相对延时。可通过调节分束器203与合束器205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。合束器205用于将经两条子光路传输来的这两路子光脉冲合束输出。
优选地，相位调制器204用于对通过其的光脉冲随机地进行0度相位调制或180度相位调制。
根据本发明，在相位解码器中，两条子光路及其上的光器件构造成使得第一路光脉冲的两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中经两条子光路传输的相位差相差2π的整数倍。
就此而言，一个光路对于两个正交偏振态可以存在双折射或不存在双折射，取决于该光路的类型。例如，自由空间光路对于一路输入光脉冲的两个正交偏振态不存在双折射，而保偏光纤光路对于一路输入光脉冲的两个正交偏振态通常存在彼此差异较大的双折射。另外，光路上的一个光器件对于两个正交偏振态可以存在双折射或不存在双折射，取决于该光器件的类型。例如，一个非双折射光器件对于一路输入光脉冲的两个正交偏振态不存在双折射，而一个偏振保持光器件对于一路输入光脉冲的两个正交偏振态通常存在彼此差异较大的双折射。
对于相位解码器，可以可选地有如下设置：
●相位解码器中的分束器与合束器之间的两条子光路为自由空间光路，这两条子光路中的光器件，包括相位调制器——如果有的话，为非双折射光器件和/或偏振保持光器件。对于该设置，在有偏振保持光器件的情况下，偏振保持光器件本身导致输入至该相位解码器的光脉冲的两个正交偏振态在分束至合束的过程中经两条子光路传输的相位差相差2π的整数倍。
●相位解码器中的分束器与合束器之间的两条子光路为保偏光纤光路，这两条子光路中的光器件，包括相位调制器——如果有的话，为偏振保持光器件和/或非双折射光器件。
●相位解码器还包括光纤拉伸器和/或双折射相位调制器。光纤拉伸器可位于相位解码器的分束器与合束器之间的两条子光路中的任一子光路上，可用于调节其所在的子光路的保偏光纤长度。通过借助于光纤拉伸器调整保偏光纤长度，可有利地易于实现输入至该相位解码器的光脉冲的两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中经两条子光路传输的相位差相差2π的整数倍。此外，光纤拉伸器也可用作相位调制器使用。双折射相位调制器可位于所述两条子光路中的任一子光路上，可用于对通过其的光脉冲的两个正交偏振态施加不同的相位调制。通过控制该双折射相位调制器，通过其的光脉冲的两个正交偏振态各自所经受的相位调制之差可调整。如此，通过利用双折射相位调制器，可方便地影响和调整输入至相位解码器的光脉冲的两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中经所述两条子光路传输的相位差之差，易于实现所述差为2π的整数倍。该双折射相位调制器可以为前文所述的铌酸锂相位调制器。
●相位解码器采用不等臂马赫-曾德尔干涉仪的结构，干涉仪两臂的光路(即，相位解码器的分束器与合束器之间的两条子光路)采用保偏光纤，这两条子光路的保偏光纤长度之差为保偏光纤拍长的整数倍。这种情况下，两条子光路中的光器件导致输入至该相位解码器的光脉冲的两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中经两条子光路传输的相位差相差2π的整数倍。
●相位解码器采用不等臂迈克尔逊干涉仪的结构。此时，相位解码器的合束器与分束器为同一器件。在此情况下，相位解码器还包括两个反射镜，这两个反射镜分别位于用于传输相位解码器的分束器分束得到的两路子光脉冲的两条子光路上，分别用于将来自相位解码器的分束器的经所述两条子光路传输来的两路子光脉冲反射回去以便由相位解码器的与分束器为同一器件的合束器合束输出。此外，不等臂迈克尔逊干涉仪的输入端口和输出端口可以为同一端口，并且相位解码器还包括光环形器。该光环形器可位于相位解码器的分束器前端。来自前置分束器201的相应一路光脉冲可从光环形器的第一端口输入并从光环形器的第二端口输出至相位解码器的分束器，来自相位解码器的合束器(与相位解码器的分束器为同一器件)的合束输出可输入至光环形器的第二端口并从光环形器的第三端口输出。
●相位解码器采用不等臂迈克尔逊干涉仪的结构——此时相位解码器的合束器与分束器为同一器件。干涉仪两臂的光路(即，与为同一器件的分束器和合束器光耦合的、分别用于传输相位解码器的分束器分束得到的两路子光脉冲的两条子光路)采用保偏光纤，这两条子光路的保偏光纤长度之差为保偏光纤拍长的一半的整数倍。这种情况下，两条子光路中的其他光器件导致输入至该相位解码器的光脉冲的两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中经两条子光路传输的相位差相差2π的整数倍。
“保偏光纤拍长”是本领域公知的概念，指保偏光纤的两个本征偏振态沿保偏光纤传输产生2π的相位差所对应的保偏光纤长度。
尽管图2示出在分束器203与合束器205之间设置相位调制器，即在分束至合束的过程中对分束得到的两路子光脉冲中之一按照量子密钥分发协议进行相位调制，但也可能的是，在分束器203前端设置相位调制器，即在第一路光脉冲分束之前按照量子密钥分发协议对其进行相位调制。此外，还可能的是，在前置分束器201之前设置相位调制器，即对入射的一路输入光脉冲进行相位调制。
另外，尽管图2中示出了相位解码器具有仅一个相位调制器，但在分束器203与合束器205之间的两条子光路中的每条子光路上各设置一个相位调制器也是可能的。在设置有两个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。
对于图2的实施例，分束器203和合束器205优选为偏振保持光器件。说到偏振保持光器件，其存在两个正交的本征偏振态，对入射的本征偏振态的光脉冲保持偏振态不变，如本领域技术人员已知的。
本发明另一优选实施例的一种相差控制的量子密钥分发时间比特-相位解码装置如图3所示，其中的相位解码器采用不等臂马赫-曾德尔干涉仪的结构。该解码装置包括以下组成部分：分束器303和304、保偏分束器307、相位调制器308、保偏合束器309。
分束器303作为前置分束器，其一侧的两个端口301和302之一作为解码装置的输入端。保偏分束器307和保偏合束器309构成保偏不等臂马赫-曾德尔干涉仪的组成部分，保偏分束器307和保偏合束器309之间的两条子光路(即，保偏不等臂马赫-曾德尔干涉仪的两臂)为保偏光纤光路，相位调制器308插入保偏不等臂马赫-曾德尔干涉仪的两个臂中的任一臂。
工作时，入射光脉冲经前置分束器303的端口301或302进入分束器303、由分束器303分成两路光脉冲进行传输。来自前置分束器303的一路光脉冲输入至分束器304，并由分束器304分束后经端口305或端口306输出用于进行时间比特解码。来自前置分束器303的另一路光脉冲输入至保偏分束器307，并由保偏分束器307分束为两路子光脉冲以分别经保偏分束器307与保偏合束器309之间的两条子光路传输。这两路子光脉冲中的一路经相位调制器308随机调制0度相位或180度相位后传输至保偏合束器309，另一路直接经保偏光纤传输至保偏合束器309，这两路子光脉冲在相对延时后经保偏合束器309合束并在合束后由端口310输出。保偏分束器307与保偏合束器309之间的两条子光路保偏光纤长度之差为保偏光纤拍长的整数倍。
本发明一优选实施例的一种相差控制的量子密钥分发时间比特-相位解码装置如图4所示，其中的相位解码器采用不等臂马赫-曾德尔干涉仪的结构。该解码装置包括以下组成部分：分束器403和404、保偏分束器408、相位调制器407、保偏合束器409。
分束器403作为前置分束器，其一侧的两个端口401和402之一作为解码装置的输入端。保偏分束器408和保偏合束器409构成保偏不等臂马赫-曾德尔干涉仪的组成部分，保偏分束器408和保偏合束器409之间的两条子光路(即，保偏不等臂马赫-曾德尔干涉仪的两臂)为保偏光纤光路，相位调制器407位于保偏分束器408之前。
工作时，入射光脉冲经前置分束器403的端口401或402进入分束器403、由分束器403分成两路光脉冲进行传输。来自前置分束器403的一路光脉冲输入至分束器404，并由分束器404分束后经端口405或端口406输出用于进行时间比特解码。来自前置分束器403的另一路光脉冲经相位调制器407随机调制0度相位或180度相位后输入至保偏分束器408，并由保偏分束器408分束为两路子光脉冲以分别经保偏分束器408与保偏合束器409之间的两条子光路传输。这两路子光脉冲分别经这两条子光路传输至保偏合束器409，这两路子光脉冲在相对延时后经保偏合束器409合束并在合束后由端口410输出。保偏分束器408与保偏合束器409之间的两条子光路保偏光纤长度之差为保偏光纤拍长的整数倍。
本发明另一优选实施例的一种相差控制的量子密钥分发时间比特-相位解码装置如图5所示，其中的相位解码器采用不等臂马赫-曾德尔干涉仪的结构。该解码装置包括以下组成部分：分束器503、保偏分束器505、相位调制器506、保偏合束器507。
分束器503作为前置分束器，其一侧的两个端口501和502之一作为解码装置的输入端。保偏分束器505和保偏合束器507构成保偏不等臂马赫-曾德尔干涉仪的组成部分，保偏分束器505和保偏合束器507之间的两条子光路(即，保偏不等臂马赫-曾德尔干涉仪的两臂)为保偏光纤光路，相位调制器506插入保偏不等臂马赫-曾德尔干涉仪的两个臂中的任一臂。
工作时，入射光脉冲经前置分束器503的端口501或502进入分束器503、由分束器503分成两路光脉冲进行传输。这两路光脉冲中之一由前置分束器503直接经端口504输出用于进行时间比特解码。来自前置分束器503的另一路光脉冲输入至保偏分束器505，并由保偏分束器505分束为两路子光脉冲以分别经保偏分束器505与保偏合束器507之间的两条子光路传输。这两路子光脉冲中的一路经相位调制器506随机调制0度相位或180度相位后传输至保偏合束器507，另一路直接经保偏光纤传输至保偏合束器507，这两路子光脉冲在相对延时后经保偏合束器507合束并在合束后由端口508输出。保偏分束器505与保偏合束器507之间的两条子光路保偏光纤长度之差为保偏光纤拍长的整数倍。
本发明一优选实施例的一种相差控制的量子密钥分发时间比特-相位解码装置如图6所示，其中的相位解码器采用不等臂迈克尔逊干涉仪的结构。该解码装置包括以下组成部分：分束器603和604、保偏分束器607、相位调制器609，以及反射镜608和610。
分束器603作为前置分束器，其一侧的两个端口601和602之一作为解码装置的输入端。保偏分束器607和反射镜608、610构成保偏不等臂迈克尔逊干涉仪的组成部分，保偏分束器607与反射镜608、610之间的两条子光路(即，保偏不等臂迈克尔逊干涉仪的两臂)采用保偏光纤光路，相位调制器609插入保偏不等臂迈克尔逊干涉仪的两臂中的任一臂。
工作时，入射光脉冲经分束器603的端口601或602进入分束器603并由分束器603分束成两路光脉冲进行传输。来自前置分束器603的一路光脉冲输入至分束器604，并由分束器604分束后经端口605或端口606输出用于进行时间比特解码。来自前置分束器603的另一路光脉冲输入保偏分束器607，然后由保偏分束器607分束为两路子光脉冲以分别经保偏不等臂迈克尔逊干涉仪的两臂传输。这两路子光脉冲中的一路直接传输至反射镜608并由反射镜608反射回来，另一路经相位调制器609随机调制0度相位或180度相位后传输至反射镜610再由反射镜610反射回来，反射回来的经相对延时后的两路子光脉冲经保偏分束器607合束并在合束后由端口611输出。保偏分束器607与反射镜608、610之间的两条子光路保偏光纤长度之差为保偏光纤拍长一半的整数倍。
本发明另一优选实施例的一种相差控制的量子密钥分发时间比特-相位解码装置如图7所示，其中的相位解码器采用不等臂迈克尔逊干涉仪的结构。该解码装置包括以下组成部分：分束器703和704、保偏分束器708、相位调制器707，以及反射镜709和710。
分束器703作为前置分束器，其一侧的两个端口701和702之一作为解码装置的输入端。保偏分束器708和反射镜709、710构成保偏不等臂迈克尔逊干涉仪的组成部分，保偏分束器708与反射镜709、710之间的两条子光路(即，保偏不等臂迈克尔逊干涉仪的两臂)采用保偏光纤光路，相位调制器707位于保偏分束器708之前。
工作时，入射光脉冲经前置分束器703的端口701或702进入分束器703、由分束器703分成两路光脉冲进行传输。来自前置分束器703的一路光脉冲输入至分束器704，并由分束器704分束后经端口705或端口706输出用于进行时间比特解码。来自前置分束器703的另一路光脉冲经相位调制器707随机调制0度相位或180度相位后输入至保偏分束器708，然后由保偏分束器708分束为两路子光脉冲以分别经保偏不等臂迈克尔逊干涉仪的两臂传输。这两路子光脉冲中的一路直接传输至反射镜709并由反射镜709反射回来，另一路直接传输至反射镜710再由反射镜710反射回来，反射回来的经相对延时后的两路子光脉冲经保偏分束器708合束并在合束后由端口711输出。保偏分束器708与反射镜709、710之间的两条子光路保偏光纤长度之差为保偏光纤拍长一半的整数倍。
本发明另一优选实施例的一种相差控制的量子密钥分发时间比特-相位解码装置如图8所示，其中的相位解码器采用不等臂迈克尔逊干涉仪的结构。该解码装置包括以下组成部分：分束器803、保偏分束器805、相位调制器807，以及反射镜806和808。
分束器803作为前置分束器，其一侧的两个端口801和802之一作为解码装置的输入端。保偏分束器805和反射镜806、808构成保偏不等臂迈克尔逊干涉仪的组成部分，保偏分束器805与反射镜806、808之间的两条子光路(即，保偏不等臂迈克尔逊干涉仪的两臂)采用保偏光纤光路，相位调制器807插入保偏不等臂迈克尔逊干涉仪的两臂中的任一臂。
工作时，入射光脉冲经分束器803的端口801或802进入分束器803并由分束器803分束成两路光脉冲进行传输。这两路光脉冲中之一由前置分束器803直接经端口804输出用于进行时间比特解码。来自前置分束器803的另一路光脉冲输入保偏分束器805，然后由保偏分束器805分束为两路子光脉冲以分别经保偏不等臂迈克尔逊干涉仪的两臂传输。这两路子光脉冲中的一路直接传输至反射镜806并由反射镜806反射回来，另一路经相位调制器807随机调制0度相位或180度相位后传输至反射镜808再由反射镜808反射回来，反射回来的经相对延时后的两路子光脉冲经保偏分束器805合束并在合束后由端口809输出。保偏分束器805与反射镜806、808之间的两条子光路保偏光纤长度之差为保偏光纤拍长一半的整数倍。
对于本发明的相差控制的量子密钥分发时间比特-相位解码装置，当其中的相位解码器采用不等臂迈克尔逊干涉仪的结构时，可以可选地使用光环形器。举例而言，对于图6或图8的实施例，可以在前置分束器与保偏分束器之间的光路上设置光环形器，使得上述来自前置分束器的另一路光脉冲从该光环形器的第一端口输入并从该光环形器的第二端口输出至保偏分束器，来自保偏分束器的合束输出被输入至该光环形器的第二端口并从该光环形器的第三端口输出；这种情况下，不等臂迈克尔逊干涉仪的输出端口与输入端口可以为同一端口，而非图6中的端口611或图8中的端口809。类似地，对于图7的实施例，可以在相位调制器707与保偏分束器708之间设置环形器，使得来自相位调制器707的光脉冲从该光环形器的第一端口输入并从该光环形器的第二端口输出至保偏分束器708，来自保偏分束器708的合束输出被输入至该光环形器的第二端口并从该光环形器的第三端口输出；这种情况下，不等臂迈克尔逊干涉仪的输出端口与输入端口可以为同一端口，而非图7中的端口711。
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。
可以在量子密钥分发系统的接收端配置本发明的相差控制的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相差控制的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。
通常，环境干扰引起通信双方传输光纤和编解码干涉仪光纤产生双折射，导致光脉冲在到达接收端时偏振态随机变化，使得解码干涉存在偏振诱导衰落，影响时间比特-相位解码量子密钥分发中相位基解码的稳定性。本发明能够实现相位基解码中光脉冲的两个正交偏振态同时在输出端口有效干涉输出，相当于对两个正交偏振态进行偏振分集处理，可有效解决偏振诱导衰落导致的干涉解码不稳定问题，实现环境干扰免疫的稳定相位解码，而无需使用偏振分束器和两个干涉仪对两个偏振态分别进行解码，另外也消除了对纠偏的需要。
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 (15)

1.一种相差控制的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相位解码包括：
将所述第一路光脉冲分束为两路子光脉冲；以及
分别在两条子光路上传输所述两路子光脉冲，并将所述两路子光脉冲作相对延时后合束输出，
其中控制所述第一路光脉冲的两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中经所述两条子光路传输的相位差相差2π的整数倍，并且
其中对分束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，或者在所述第一路光脉冲分束之前，对所述第一路光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位调制，或者在所述第一路光脉冲分束至合束的过程中，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按照量子密钥分发协议进行相位调制，
其中，所述两条子光路包括对于所述第一路光脉冲的两个正交偏振态存在双折射的光路，和/或所述两条子光路上具有对于所述第一路光脉冲的两个正交偏振态存在双折射的光器件，其中所述控制所述第一路光脉冲的两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中经所述两条子光路传输的相位差相差2π的整数倍包括：
分别保持这两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中在所述两条子光路上传输时偏振态不变；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分束至合束的过程中经所述两条子光路传输的相位差相差2π的整数倍；
其中，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。
2.根据权利要求1所述的相差控制的量子密钥分发时间比特-相位解码方法，其特征在于，
将所述两条子光路配置为自由空间光路，将所述自由空间光路上的光器件配置为非双折射光器件和/或偏振保持光器件；或者
将所述两条子光路配置为保偏光纤光路，将所述保偏光纤光路上的光器件配置为非双折射光器件和/或偏振保持光器件；
其中，所述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，并且所述非双折射光器件是指对于不同的偏振态具有相同折射率的光器件。
3.根据权利要求1所述的相差控制的量子密钥分发时间比特-相位解码方法，其特征在于，在所述两条子光路中的至少一条子光路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第一路光脉冲的两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中经所述两条子光路传输的相位差之差。
4.根据权利要求1所述的相差控制的量子密钥分发时间比特-相位解码方法，其特征在于，
对所述第一路光脉冲进行相位调制包括：对所述第一路光脉冲随机地进行0度相位调制或180度相位调制；或者
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相位调制包括：对在所述两条子光路上传输的所述两路子光脉冲中之一随机地进行0度相位调制或180度相位调制。
5.一种相差控制的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相位解码器，用于对所述第一路光脉冲进行相位解码，
所述相位解码器包括第一分束器、第一合束器以及与所述第一分束器光耦合并与所述第一合束器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；
所述第一合束器用于将相对延时后的所述两路子光脉冲合束输出，
其中在所述相位解码器中，所述两条子光路及其上的光器件构造成使得，控制所述第一路光脉冲的两个正交偏振态各自在所述第一分束器分束至所述第一合束器合束的过程中经所述两条子光路传输的相位差相差2π的整数倍，其中所述两条子光路包括对于所述第一路光脉冲的两个正交偏振态存在双折射的光路，和/或所述两条子光路上具有对于所述第一路光脉冲的两个正交偏振态存在双折射的光器件，其中所述控制所述第一路光脉冲的两个正交偏振态各自在所述第一分束器分束至所述第一合束器合束的过程中经所述两条子光路传输的相位差相差2π的整数倍包括：分别保持这两个正交偏振态各自在所述第一分束器分束至所述第一合束器合束的过程中在所述两条子光路上传输时偏振态不变；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第一分束器分束至所述第一合束器合束的过程中经所述两条子光路传输的相位差相差2π的整数倍，
其中所述解码装置具有位于所述前置分束器前端或位于所述第一分束器前端或位于所述两条子光路中的任一子光路上的相位调制器，所述相位调制器用于对通过其的光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位调制，
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。
6.根据权利要求5所述的相差控制的量子密钥分发时间比特-相位解码装置，其特征在于，
所述两条子光路为自由空间光路，所述两条子光路上的光器件为非双折射光器件和/或偏振保持光器件；或
所述两条子光路为保偏光纤光路，所述两条子光路上的光器件为非双折射光器件和/或偏振保持光器件，
其中，所述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，并且所述非双折射光器件是指对于不同的偏振态具有相同折射率的光器件。
7.根据权利要求5或6所述的相差控制的量子密钥分发时间比特-相位解码装置，其特征在于，所述相位解码器还包括：
位于所述两条子光路中的任一子光路上的保偏光纤拉伸器，所述保偏光纤拉伸器用于调节其所在的光路的保偏光纤长度；和/或
位于所述两条子光路中的任一子光路上的双折射相位调制器，所述双折射相位调制器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。
8.根据权利要求5所述的相差控制的量子密钥分发时间比特-相位解码装置，其特征在于，所述相位调制器为偏振无关相位调制器。
9.根据权利要求5或8所述的相差控制的量子密钥分发时间比特-相位解码装置，其特征在于，所述相位调制器用于对通过其的光脉冲随机地进行0度相位调制或180度相位调制。
10.根据权利要求5所述的相差控制的量子密钥分发时间比特-相位解码装置，其特征在于，所述相位解码器采用不等臂马赫-曾德尔干涉仪或不等臂迈克尔逊干涉仪的结构。
11.根据权利要求5或6或10所述的相差控制的量子密钥分发时间比特-相位解码装置，其特征在于，
所述相位解码器采用不等臂马赫-曾德尔干涉仪的结构，所述两条子光路为保偏光纤光路，其中所述两条子光路的保偏光纤长度之差为保偏光纤拍长的整数倍；和/或
所述相位解码器采用不等臂迈克尔逊干涉仪的结构，所述两条子光路为保偏光纤光路，其中所述两条子光路的保偏光纤长度之差为保偏光纤拍长的一半的整数倍。
12.根据权利要求5或10所述的相差控制的量子密钥分发时间比特-相位解码装置，其特征在于，
所述相位解码器采用不等臂迈克尔逊干涉仪的结构，所述第一合束器与所述第一分束器为同一器件，所述相位解码器还包括：
两个反射镜，所述两个反射镜分别位于所述两条子光路上，分别用于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合束器；和，
光环形器，所述光环形器位于所述第一分束器前端，所述第一路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第一分束器，来自所述第一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，
其中所述不等臂迈克尔逊干涉仪的输入端口和输出端口为同一端口。
13.根据权利要求5所述的相差控制的量子密钥分发时间比特-相位解码装置，其特征在于，所述第一分束器和所述第一合束器为偏振保持光器件。
14.根据权利要求5所述的相差控制的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。
15.一种量子密钥分发系统，包括：
根据权利要求5～14中任一项所述的相差控制的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5～14中任一项所述的相差控制的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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