CN110113108A - 一种量子通信装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种量子通信装置，包括信号发射模组、信号接收模组、信号连接模组，信号发射模组包括量子光信号发射模组、同步光信号发射模组和光输出组件，光输出组件用于输出量子光信号发射模组发射的量子光信号或同步光信号发射模组发射的同步光信号；信号接收模组包括量子光信号接收模组、同步光信号接收模组和光输入组件，光输入组件用于将接收到的量子光信号输入至量子光信号接收模组或将接收到的同步光信号输入至同步光信号接收模组；信号连接模组一端与光输出组件、光输入组件连接，另一端用于与光学天线连接，用于将光输出组件输出的光信号输出至光学天线，或将光学天线接收到的光信号输入至光输入组件，提高了天线利用率。

Description

一种量子通信装置

技术领域

本申请涉及量子通信技术领域，特别是涉及一种量子通信装置。

背景技术

量子通信的绝对安全特性，近年来得到了各领域的广泛关注，同时各国还将量子通信提升到战略高度，成为国际激烈竞争的重点。目前量子通信的技术实现手段主要包括基于光纤的量子保密通信和自由空间量子保密通信。然而，由于光纤存在损耗且退相干严重问题，目前在百公里级的量子通信都很困难。与此同时，自由空间量子通信作为一种解决长距离通信的有效手段，目前发展的非常迅速，其中最具代表性的是由Bennett和Brassard在1984年提出的BB84协议。

本申请的发明人经过长期研究发现，目前基于BB84协议的量子通信装置需要多副光学天线，以分别用于传输量子光信号和同步光信号，天线利用率低。

发明内容

本申请主要解决的技术问题是提供一种量子通信装置，能够复用光学天线实现量子光信号和同步光信号的传输，提高天线利用率。

为解决上述技术问题，本申请采用的技术方案是：提供一种量子通信装置，该量子通信装置包括：信号发射模组、信号接收模组、信号连接模组，信号发射模组包括量子光信号发射模组、同步光信号发射模组和光输出组件，光输出组件用于输出量子光信号发射模组发射的量子光信号或同步光信号发射模组发射的同步光信号；信号接收模组包括量子光信号接收模组、同步光信号接收模组和光输入组件，光输入组件用于将接收到的量子光信号输入至量子光信号接收模组或将接收到的同步光信号输入至同步光信号接收模组；信号连接模组一端与光输出组件、光输入组件连接，另一端用于与光学天线连接，用于将光输出组件输出的光信号输出至光学天线，或将光学天线接收到的光信号输入至光输入组件；其中，量子光信号用于传递信息，同步光信号用于触发量子光信号接收模组接收量子光信号。

本申请的有益效果是：区别于现有技术的情况，本申请提供的量子通信装置采用光输出组件输出量子光信号发射模组发射的量子光信号或同步光信号发射模组发射的同步光信号，采用光输入组件将接收到的量子光信号输入至量子光信号接收模组或将接收到的同步光信号输入至同步光信号接收模组，并且采用信号连接模组，使其一端与光输出组件、光输入组件连接，另一端用于与光学天线连接，进而将量子光信号发射模组、同步光信号发射模组、量子光信号接收模组、同步光信号接收模组接入到同一副光学天线，以复用光学天线实现量子光信号和同步光信号的传输，从而仅需一副光学天线即可实现量子光信号和同步光信号的发射/接收，提高了天线利用率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。其中：

图1是本申请量子通信装置一实施方式的框架示意图；

图2是本申请量子通信装置一实施方式的结构示意图；

图3是本申请量子通信装置另一实施方式的结构示意图。

具体实施方式

下面结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性的劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

为了更加清楚地说明本申请量子通信装置，首先对BB84协议简单介绍。

BB84协议又称为四态协议，是由Bennett和Brassard在1984年提出的，故称之为BB84协议。此协议中，密钥并非由发射端发往接收端，而是发射端和接收端先各自独立产生一串随机数，再通过量子态的传递将双方的随机数联系起来，之后双方通过讨论来选定一部分信息作为密码本。该协议的实现需要两个信道，一个是经典范畴的公共信道，另一个是量子信道，用于传递携带随机数的量子态。协议中，以量子态对应于经典二进制码，为简单起见，一般使用光子偏振这种最简单的量子态，如，以水平0°或45°偏振对应经典比特0，竖直90°或-45°对应于经典比特1。0°偏振与90°偏振相互正交，可组成量子位的正交归一基矢Z，45°偏振和-45°偏振相互正交，可组成量子位的正交归一基矢X。在实际使用中可用正交归一基矢Z或正交归一基矢X对量子光信号进行调制或解调。

请参阅图1，图1是本申请量子通信装置一实施方式的框架示意图。本申请量子通信装置包括信号发射模组10、信号接收模组20、信号连接模组30，信号发射模组10包括量子光信号发射模组101、同步光信号发射模组102和光输出组件103，光输出组件103用于输出量子光信号发射模组101发射的量子光信号或同步光信号发射模组102发射的同步光信号；信号接收模组20包括量子光信号接收模组201、同步光信号接收模组202和光输入组件203，光输入组件203用于将接收到的量子光信号输入至量子光信号接收模组201或将接收到的同步光信号输入至同步光信号接收模组202；信号连接模组30一端与光输出组件103、光输入组件203连接，另一端用于与光学天线40连接，用于将光输出组件103输出的光信号输出至光学天线40，或将光学天线40接收到的光信号输入至光输入组件203；其中，量子光信号用于传递信息，同步光信号用于触发量子光信号接收模组201接收量子光信号。

通过上述实施方式，本申请提供的量子通信装置采用光输出组件103输出量子光信号发射模组101发射的量子光信号或同步光信号发射模组102发射的同步光信号，采用光输入组件203将接收到的量子光信号输入至量子光信号接收模组201或将接收到的同步光信号输入至同步光信号接收模组202，并且采用信号连接模组30，使其一端与光输出组件103、光输入组件203连接，另一端用于与光学天线40连接，进而将量子光信号发射模组101、同步光信号发射模组102、量子光信号接收模组201、同步光信号接收模组202接入到同一副光学天线40，以复用光学天线40实现量子光信号和同步光信号的传输，从而仅需一副光学天线40即可实现量子光信号和同步光信号的发射/接收，提高了天线利用率。

请继续参阅图1，光输出组件103为第一分束器1031，光输入组件203为第二分束器2031，信号连接模组30包括第三分束器301；第一分束器1031的两个输入端A1分别连接量子光信号发射模组101和同步光信号发射模组102，且第一分束器1031的输出端A2连接第三分束器301的第一端B1；第二分束器2031的输入端C1连接第三分束器的第二端B2，且第二分束器2031的两个输出端C2分别连接量子光信号接收模组201和同步光信号接收模组202；第三分束器301用于将其第一端B1输入的光信号通过其第三端B3输出至光学天线40，或将其第三端B3输入的光学天线40接收到的光信号通过其第二端B2输出。

量子光信号发射模组101包括量子光信号发射器组1011和与量子光信号发射器组1011的输出端D1连接的量子光信号调制光路1012；同步光信号发射模组102包括同步光信号发射器1021；光输出组件103的两个输入端分别连接量子光信号调制光路1012的输出端E1和同步光信号发射器1021的输出端F1，在本实施方式中，光输出组件103为第一分束器1031，光输出组件103的两个输入端即为第一分束器1031的两个输入端A1。量子光信号接收模组201包括量子光信号接收器组2011和与量子光信号接收器组2011的输入端G1连接的量子光信号解调光路2012；同步光信号接收模组202包括同步光信号接收器2021；光输入组件203的两个输出端分别连接同步光信号接收器2021的输入端H1和量子光信号解调光路2012的输入端I1，在本实施方式中，光输入组件203为第二分束器2031，光输入组件203的两个输出端即为第二分束器2031的两个输出端C2。

量子光信号发射器组1011包括第一发射器10111、第二发射器10112、第三发射器10113、第四发射器10114，量子光信号调制光路1012包括第一偏振分束器10121、第二偏振分束器10122、第一偏振控制器10123、第四分束器10124；

其中，第一发射器10111的输出端、第二发射器10112的输出端分别连接至第一偏振分束器10121的两个输入端J1，本实施方式中，第一发射器10111的输出端和第二发射器10112的输出端即为量子光信号发射器组的输出端D1。第一偏振分束器10121的输出端J2连接至第一偏振控制器10123的输入端K1，第三发射器10113的输出端、第四发射器10114的输出端分别连接至第二偏振分束器10122的两个输入端L1，第一偏振控制器10123的输出端K2、第二偏振分束器10122的输出端L2分别连接至第四分束器10124的两个输入端E2，且第四分束器10124的输出端E1作为量子光信号调制光路1012的输出端E1。

量子光信号接收器组2011包括第一接收器20111、第二接收器20112、第三接收器20113、第四接收器20114，量子光信号解调光路2012包括第三偏振分束器20121、第四偏振分束器20122、第二偏振控制器20123、第三偏振控制器20124、第一偏振补偿器20125、第二偏振补偿器20126、第五分束器20127；

其中，第一接收器20111的输入端、第二接收器20112的输入端分别连接至第三偏振分束器20121的两个输出端M1，第三偏振分束器20121的输入端M2连接至第二偏振控制器20123的输出端N1，第二偏振控制器20123的输入端N2连接第一偏振补偿器20125的输出端O1，在本实施方式中，第一接收器20111的输入端、第二接收器20112的输入端即为量子光信号接收器组2011的输入端G1。第三接收器20113的输入端、第四接收器20114的输入端分别连接至第四偏振分束器20122的两个输出端P1，第四偏振分束器20122的输入端P2连接至第三偏振控制器20124的输出端Q1，第三偏振控制器20124的输入端Q2连接第二偏振补偿器20126的输出端R1，第一偏振补偿器20125的输入端O2、第二偏振补偿器20126的输入端R2分别连接至第五分束器20127的两个输出端I2，且第五分束器20127的输入端I1作为量子光信号解调光路2012的输入端I1，在本实施方式中，第三接收器20113的输入端、第四接收器20114的输入端即为量子光信号接收器组2011的输入端G1。

在一个实施场景中，上述第一偏振控制器10123、第二偏振控制器20123、第三偏振控制器20124用于控制量子光信号的偏振态，比如偏振态变化45°、90°、-45°等等。第一偏振控制器10123、第二偏振控制器20123、第三偏振控制器20124可以为三鼓轮机械式偏振控制器，该控制器由三个可轴向转动的鼓轮构成，配合扭动这三个鼓轮可以获得任意偏振状态的偏振光。BB84协议中所需要的0°、90°、45°、-45°四种偏振状态可以通过调谐偏振控制器获得。上述第一偏振控制器10123、第二偏振控制器20123、第三偏振控制器20124还可以为其他种类的偏振控制器，例如波片型偏振控制器、电光型偏振控制器、压光型偏振控制器等，本实施方式中不做限制。在一个实施场景中，上述第一发射器10111、第二发射器10112、第三发射器10113、第四发射器10114为同一种发射器，可以发射同一种偏振状态的量子光信号，例如0°偏振的量子光信号、90°偏振的量子光信号、45°偏振的量子光信号、-45°偏振的量子光信号等等。在一个实施场景中，上述第一发射器10111、第二发射器10112、第三发射器10113、第四发射器10114在同一时刻只有一个发射器发射量子光信号，且上述四个发射器经过量子光信号调制光路1012进行调制后，可以发射出0°偏振的量子光信号、90°偏振的量子光信号、45°偏振的量子光信号、-45°偏振的量子光信号。在一个实施场景中，上述第一偏振分束器10121、第二偏振分束器10122、第三偏振分束器20121、第四偏振分束器20122可以透射出0°偏振的量子光信号，并反射出90°偏振的量子光信号，例如当上述第一偏振分束器10121、第二偏振分束器10122、第三偏振分束器20121、第四偏振分束器20122中的任一偏振分束器入射45°偏振的量子光信号时，均分为能量相等且为原45°偏振的量子光信号能量一半的0°偏振的量子光信号和90°偏振的量子光信号，并将0°偏振的量子光信号透射输出、将90°偏振的量子光信号反射输出。在一个实施场景中，上述第一偏振补偿器20125、第二偏振补偿器20126用于实时采集量子光信号的偏振状态并对其进行实时补偿。在一个实施场景中，上述第一接收器20111、第二接收器20112、第三接收器20113、第四接收器20114为雪崩式光电二极管(Avalanche Photodiode，APD)。APD是一种半导体器件，对应不同的工作波长，有硅、锗、铟镓砷等半导体材料可选。

下面结合图1所示的本申请量子通信装置，详细说明本申请量子通信装置进行通信的过程。假设预先设置第一偏振控制器10123控制偏振45°的偏振态，第二偏振控制器20123控制偏振-45°的偏振态、第三偏振控制器20124控制偏振0°的偏振态。第一发射器10111、第二发射器10112、第三发射器10113、第四发射器10114均发射45°偏振的量子光信号，且第一偏振分束器10121对第一发射器10111设置为透射输出0°偏振方向的分量，对第二发射器10112设置为反射输出90°偏振方向的分量，第二偏振分束器10122对第三发射器10113设置为透射输出0°偏振方向的分量，对第四发射器10114设置为反射输出90°偏振方向的分量。根据上述设置，第一发射器10111、第二发射器10112、第三发射器10113、第四发射器10114最终经过调制后输出的量子光信号的偏振态分别为45°、135°、0°、90°，可见第一发射器10111、第二发射器10112对应于使用正交归一基矢X进行编码，第三发射器10113、第四发射器10114对应于使用正交归一基矢Z进行编码。上述预设置完成后，准备进行通信。

假设传输的信息比特为1，编码使用的是正交归一基矢Z，则对应偏振态为90°偏振。

(0)同步光信号发射器1021发射同步光信号，经第一分束器1031、第三分束器301输出至光学天线40，并辐射至自由空间待接收端进行接收，以触发接收端接收量子光信号；

(1)控制第四发射器10114发射45°偏振态的量子光信号；

(2)经过第二偏振分束器10122后输出为90°偏振态的量子光信号；

(3)最终经过第四分束器10124、第一分束器1031、第三分束器301输出至光学天线40，并辐射至自由空间待接收端进行接收。

(4)接收端的光学天线40接收到同步光信号后传输至第三分束器301、第二分束器2031、同步光信号接收器2021，以触发接收端的第一接收器20111、第二接收器20112、第三接收器20113、第四接收器20114准备接收量子光信号；

(5)量子光信号经接收端的光学天线40、第三分束器301、第二分束器2031、第五分束器20127后，分别输出至第一偏振补偿器20125、第二偏振补偿器20126进行偏振补偿，然后一路量子光信号经第二偏振控制器20123进行-45°偏振为45°偏振的量子光信号，再由第三偏振分束器20121均分为能量相等且为原始量子光信号能量一半的0°偏振的量子光信号和90°偏振的量子光信号，分别被第一接收器20111、第二接收器20112接收，而另一路量子光信号经第三偏振控制器20124进行0°偏振为90°偏振的量子光信号(即偏振态未做改变)，再由第四偏振分束器20122反射输出至第四接收器20114。

(6)最终，四个接收器中第一接收器20111、第二接收器20112、第四接收器20114接收到信号，且第四接收器20114接收到的信号为前两者中任一者的两倍，可知应以第四接收器20114接收到的量子光信号进行解码。且在0°、90°、45°、-45°四种偏振状态中，只有90°偏振的量子光信号在经过0°偏振控制以及并可经偏振分束器反射输出后才能维持原始能量值，因此，可知接收端的光学天线40此时接收到量子光信号的偏振态为90°偏振，对应的信息比特为1。

请参阅图2，图2为本申请量子通信装置一实施方式的结构示意图。本申请量子通信装置还包括印刷电路板50，量子光信号发射器组1011、量子光信号接收器组2011、同步光信号发射器1021、同步光信号接收器2021设于印刷电路板50的同一面。印刷电路板50的另一面设有散热片60，用于对量子光信号发射器组1011、量子光信号接收器组2011、同步光信号发射器1021、同步光信号接收器2021进行散热。量子通信装置还包括外围固定件70，用于容置信号发射模组10、信号接收模组20、信号连接模组30。量子光信号调制光路1012、量子光信号解调光路2012、光输出组件103、光输入组件203设于外围固定件70的同一侧，在一个实施场景中，光输出组件103为第一分束器1031，光输入组件203为第二分束器2031。外围固定件70的一侧开设有窗口701，用于外接风扇以对量子通信装置进行散热，及提供对量子通信装置进行维护/检修的操作空间。

请结合参阅图1和图2，信号连接模组30还包括与第三分束器301的输出端B3连接的信号衰减器302，量子通信装置还包括光学天线40，光学天线40与信号衰减器302相连，用于辐射/接收量子光信号/同步光信号。上述信号衰减器302用于衰减量子光信号/同步光信号，以避免高强度信号对接收器造成损伤。在一个实施场景中，信号衰减器302衰减范围为1-30dB。

请参阅图3，图3是本申请量子通信装置另一实施方式的结构示意图。量子通信装置还包括：光学天线连接器80、衰减器固定件90，光学天线连接器80的一面固定光学天线40；衰减器固定件90固定设于光学天线连接器80背向光学天线40的一面，用于固定信号衰减器302。其中，光学天线40、光学天线连接器80、衰减固定件90、信号衰减器302同轴(图中虚线所示)设置。

以上所述仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种量子通信装置，其特征在于，所述量子通信装置包括：

信号发射模组，包括量子光信号发射模组、同步光信号发射模组和光输出组件，所述光输出组件用于输出所述量子光信号发射模组发射的量子光信号或所述同步光信号发射模组发射的同步光信号；

信号接收模组，包括量子光信号接收模组、同步光信号接收模组和光输入组件，所述光输入组件用于将接收到的量子光信号输入至所述量子光信号接收模组或将接收到的同步光信号输入至所述同步光信号接收模组；

信号连接模组，一端与所述光输出组件、所述光输入组件连接，另一端用于与光学天线连接，用于将所述光输出组件输出的光信号输出至所述光学天线，或将所述光学天线接收到的光信号输入至所述光输入组件；

其中，所述量子光信号用于传递信息，所述同步光信号用于触发所述量子光信号接收模组接收所述量子光信号。

2.根据权利要求1所述的量子通信装置，其特征在于，

所述光输出组件为第一分束器，所述光输入组件为第二分束器，所述信号连接模组包括第三分束器；

所述第一分束器的两个输入端分别连接所述量子光信号发射模组和同步光信号发射模组，且所述第一分束器的输出端连接所述第三分束器的第一端；

所述第二分束器的输入端连接所述第三分束器的第二端，且所述第二分束器的两个输出端分别连接所述量子光信号接收模组和同步光信号接收模组；

所述第三分束器用于将其第一端输入的光信号通过其第三端输出至所述光学天线，或将其第三端输入的所述光学天线接收到的光信号通过其第二端输出。

3.根据权利要求2所述的量子通信装置，其特征在于，所述信号连接模组还包括与所述第三分束器的输出端连接的信号衰减器，所述量子通信装置还包括所述光学天线，所述光学天线与所述信号衰减器相连，用于辐射/接收所述量子光信号/同步光信号。

4.根据权利要求3所述的量子通信装置，其特征在于，所述量子通信装置还包括：

光学天线连接器，所述光学天线连接器的一面固定所述光学天线；

衰减器固定件，固定设于所述光学天线连接器背向所述光学天线的一面，用于固定所述信号衰减器；

其中，所述光学天线、所述光学天线连接器、所述衰减固定件、所述信号衰减器同轴设置。

5.根据权利要求1所述的量子通信装置，其特征在于，

所述量子光信号发射模组包括量子光信号发射器组和与所述量子光信号发射器组的输出端连接的量子光信号调制光路；

所述同步光信号发射模组包括同步光信号发射器；

所述光输出组件的两个输入端分别连接所述量子光信号调制光路的输出端和所述同步光信号发射器的输出端；

所述量子光信号接收模组包括量子光信号接收器组和与所述量子光信号接收器组的输入端连接的量子光信号解调光路；

所述同步光信号接收模组包括同步光信号接收器；

所述光输入组件的两个输出端分别连接所述同步光信号接收器的输入端和所述量子光信号解调光路的输入端。

6.根据权利要求5所述的量子通信装置，其特征在于，

所述量子光信号发射器组包括第一发射器、第二发射器、第三发射器、第四发射器，所述量子光信号调制光路包括第一偏振分束器、第二偏振分束器、第一偏振控制器、第四分束器；

其中，所述第一发射器的输出端、所述第二发射器的输出端分别连接至所述第一偏振分束器的两个输入端，所述第一偏振分束器的输出端连接至所述第一偏振控制器的输入端，所述第三发射器的输出端、所述第四发射器的输出端分别连接至所述第二偏振分束器的两个输入端，所述第一偏振控制器的输出端、所述第二偏振分束器的输出端分别连接至所述第四分束器的两个输入端，且所述第四分束器的输出端作为所述量子光信号调制光路的输出端。

7.根据权利要求5所述的量子通信装置，其特征在于，

所述量子光信号接收器组包括第一接收器、第二接收器、第三接收器、第四接收器，所述量子光信号解调光路包括第三偏振分束器、第四偏振分束器、第二偏振控制器、第三偏振控制器、第一偏振补偿器、第二偏振补偿器、第五分束器；

其中，所述第一接收器的输入端、所述第二接收器的输入端分别连接至所述第三偏振分束器的两个输出端，所述第三偏振分束器的输入端连接至所述第二偏振控制器的输出端，所述第二偏振控制器的输入端连接第一偏振补偿器的输出端，所述第三接收器的输入端、所述第四接收器的输入端分别连接至所述第四偏振分束器的两个输出端，所述第四偏振分束器的输入端连接至所述第三偏振控制器的输出端，所述第三偏振控制器的输入端连接所述第二偏振补偿器的输出端，所述第一偏振补偿器的输入端、所述第二偏振补偿器的输入端分别连接至所述第五分束器的两个输出端，且所述第五分束器的输入端作为所述量子光信号解调光路的输入端。

8.根据权利要求5所述的量子通信装置，其特征在于，

所述量子通信装置还包括印刷电路板，所述量子光信号发射器组、所述量子光信号接收器组、所述同步光信号发射器、所述同步光信号接收器设于所述印刷电路板的同一面。

9.根据权利要求8所述的量子通信装置，其特征在于，

所述印刷电路板的另一面设有散热片，用于对所述量子光信号发射器组、所述量子光信号接收器组、所述同步光信号发射器、所述同步光信号接收器进行散热。

10.根据权利要求5所述的量子通信装置，其特征在于，

所述量子通信装置还包括外围固定件，用于容置所述信号发射模组、信号接收模组、信号连接模组；和/或，

所述量子光信号调制光路、所述量子光信号解调光路、所述光输出组件、所述光输入组件设于所述外围固定件的同一侧；和/或，

所述外围固定件的一侧开设有窗口，用于外接风扇以对所述量子通信装置进行散热，和/或用于提供对所述量子通信装置进行维护/检修的操作空间。