CN110351075A - 一种连续变量量子密钥分发系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了连续变量量子密钥分发系统，其包括主激光器模块，用于分别向设置于Alice端的第一从激光器模块和设置于Bob端的第二从激光器模块提供种子光，使得从激光器模块以注入锁定的方式生成用于信号光的第一从激光器脉冲和用于本地本振光的第二从激光器脉冲，从而使得信号光和本地本振光之间的波长具有非常好的一致性，并能够建立起稳定的相位参考，解决现有的LLO方案中难以实现稳定相干探测的问题。
Description
技术领域
本发明涉及量子密钥分发领域，具体涉及一种基于注入锁定技术的连续变量量子密钥分发系统。
背景技术
连续变量量子密钥分发(CVQKD)的探测方式不是单光子探测，而是相干探测如零差探测和外差探测，使得其采用传统的光通信技术就能实现。相干探测需要本振光与信号光干涉后再由平衡探测器探测。早期CVQKD实验中，本振光是由编码端(调制方)Alice产生的，编码端Alice的激光器产生一个脉冲后，将该脉冲通过一个保偏分束器BS后分成本振光和信号光。在这种传送本振光(TLO)方案中，需要强调的是本振光和信号光由于是由同一个激光器产生，所以它们的频率相同，初始相位也相同，经过相同的路径之后，它们的相位仍保持相同。即使经过的路径不同，它们的相位差也是一定的，可以将该相位差补偿回来。因此，TLO方案的相干探测只需要考虑激光器的线宽，而一般的分布反馈(DFB)激光器的线宽就能达到要求。不过这种方案也存在一些限制和不足。首先，该方案存在安全性漏洞，出现了针对本振光的各种攻击。虽然对于这些已知攻击有相应的措施，但也增加了系统装置的复杂度，而且还可能存在尚未发现的针对本振光的攻击，使得系统存在潜在的安全性漏洞。其次，由于信号光和本振光需要在同一信道中传输，为了减小强本振光和弱信号光之间的耦合，本振光和信号光需要在时间上有效间隔开，这一定程度上限制了系统重复频率的提升。同时强本振光产生的噪声会影响到信号光从而降低系统的成码率。
为了弥补TLO方案的不足，出现了本地本振光(LLO)方案，即本振光由解码端(探测方)Bob发送。由于量子密钥分发中一般假设Alice和Bob的实验装置是安全的，所以没有经历过量子信道的本振光不会受到Eve的攻击。然而，本地本振光也面临挑战。由于信号光和本振光分别由两个激光器发送，信号光和本振光首先需要建立稳定的相位参考，这样Bob探测得到的数据经过相位修正后才能与Alice的数据建立起关联，其次两个激光器的中心波长需要高度一致才能实现足够好的干涉。
建立起信号光和本振光之间的相位参考即需要知道本振光和信号光的相对相位，可以通过发送相位参考光来实现。而发送相位参考光方式会因Bob相干探测方式的不同而有些不同。对于外差探测，比较简单，对应一个信号光脉冲，只需要发送一个强的参考光脉冲。对于零差探测，因为相位参考光的X和P这两个正交分量都需要同时测量以计算出相位，所以发送方需要发送两个相同的脉冲作为相位参考光，这样接收方就可以对这两个脉冲分别进行X和P的测量。不过，这种由激光器发出的脉冲直接调制出参考光和信号光的方案对两个激光器的要求比较高。激光器的参考光和信号光之间的相位漂移会导致相位噪声，为了降低相位噪声，激光器的线宽必须得很窄，此时可以采用外腔激光器(ECL)，其频宽能达到几kHz。为了降低对激光器的要求，可以将激光器发出的每个脉冲分束后再在其中一路加延时线最后合束成处于前后的信号光和参考光脉冲，只要两路的路径差保持稳定，信号光和参考光的相位差就能保持稳定，最终即能建立信号光和本振光之间的相位参考。然而上述两种方案始终无法解决两路激光器中心波长不一致的问题。激光器中心波长不一致会影响系统的稳定性，导致较大的过噪声，影响最终的安全传输距离和成码率。
在经典相干通信中，为了实现本地本振光相干探测，是从信号光分一小部分光出来对本振光进行注入锁定，然而这种方法不适用于CVQKD，因为CVQKD中信号光太弱，无法进行锁定。除了LLO方案，也出现了plug-and-play方案可以解决TLO方案出现的问题。这种方案是探测方Bob将其产生的每个脉冲分成本振光和信号光，信号光再发送到调制方Alice端调制。调制方Alice对信号光调制后，信号光返回到Bob端与Bob端的本振光进行相干探测。这种方案的不足在于一是容易受到特洛伊木马攻击，二是背向散射噪声很大，限制了CVQKD的安全传输距离。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提出了一种连续变量量子密钥分发系统，其可以包括主激光器模块111,221、第一从激光器模块112,121、第二从激光器模块211,222和相干探测模块214,224。在本发明的分发系统中，所述第一从激光器模块可以设置在Alice端，所述第二从激光器模块设置在Bob端；所述主激光器模块输出的主激光器脉冲通过第一分束模块113,223分成第一主激光器脉冲部分和第二主激光器脉冲部分。其中，所述第一主激光器脉冲部分可以被用作所述第一从激光器模块的种子光，使得所述第一从激光器模块以注入锁定的方式生成第一从激光器脉冲，所述第一从激光器脉冲用于形成信号光；所述第二主激光器脉冲部分可以被用作所述第二从激光器模块的种子光，使得所述第二从激光器模块以注入锁定的方式生成第二从激光器脉冲，所述第二从激光器脉冲用于形成本地本振光；所述相干探测模块214,224用于对所述信号光和所述本地本振光的干涉结果进行探测。
优选地，所述从激光器脉冲之一或者两者的宽度小于所述主激光器脉冲部分的宽度；并且，在注入锁定时，所述主激光器脉冲部分与所述从激光器脉冲之间的相对延时使得所述从激光器脉冲的相位对应于所述主激光器脉冲的中间幅度平稳的部分。
在本发明的第一方面的连续变量密钥分发系统中，所述主激光器模块和所述第一分束模块可以设置在所述Alice端。
在第一方面中，所述Alice端可以包括：信号光调制模块115，其用于对所述第一从激光器脉冲进行调制以形成所述信号光；第一光学传输模块114，其用于使所述第一主激光器脉冲部分朝向所述第一从激光器模块112传输，并且使所述第一从激光器脉冲朝向所述信号光调制模块115传输；以及合束模块116，其用于将所述信号光和所述第二主激光器脉冲部分进行合束。
优选地，所述信号光调制模块115可以包括强度调制模块1151和第一相位调制模块1152。
优选地，所述信号光调制模块115还可以包括调制方差检测模块1153和/或可调衰减器1154。
优选地，所述第一分束模块113可以包括保偏分束元件，以及/或者所述第一光学传输模块114可以包括环形器，以及/或者所述合束模块116可以包括保偏偏振分束元件。
在本发明的第一方面的分发系统中，所述Bob端可以包括：第二分束模块213，用于将所述合束光中的所述信号光和所述第二主激光器脉冲部分分开；以及第二光学传输模块212，用于使所述第二主激光器脉冲部分朝向所述第二从激光器模块211传输，并且使所述第二从激光器脉冲朝向所述相干探测模块214传输。
优选地，所述Bob端还可以包括：种子光强检测模块217，其用于检测注入所述第二从激光器模块211的所述第二主激光器脉冲部分的强度是否足以满足注入锁定要求，以及产生所述Bob端的时钟信号；和/或第二相位调制模块215，其用于对所述本地本振光随机进行0或π/2相位调制。
优选地，所述第二分束模块213可以包括保偏偏振分束元件，以及/或者所述第二光学传输模块212可以包括环形器，以及/或者所述相干探测模块214可以包括零差探测器。
优选地，所述Bob端还可以包括偏振控制模块216，用于对所述合束光进行偏振控制。
在本发明的第二方面的连续变量密钥分发系统中，所述主激光器模块和所述第一分束模块可以设置在所述Bob端。
在本发明的第二方面的分发系统中，所述Alice端可以包括：信号光调制模块125，其用于对所述第一从激光器脉冲进行调制以形成所述信号光；第三光学传输模块122，其用于使所述第一主激光器脉冲部分朝向所述第一从激光器模块121传输，并且使所述信号光朝向所述Bob端传输；以及第四光学传输模块124，其用于使所述第一主激光器脉冲部分朝向所述第一从激光器模块121传输，并且使所述第一从激光器脉冲朝向所述信号光调制模块125传输。
优选地，所述信号光调制模块125可以包括强度调制模块1251和第一相位调制模块1252。
优选地，所述信号光调制模块125还可以包括调制方差检测模块1253和/或可调衰减器1254。
优选地，所述Alice端还可以包括种子光强检测模块123，其用于检测注入所述第一从激光器模块121的所述第一主激光器脉冲部分的强度的稳定性是否足以满足注入锁定要求，以及产生所述Alice端的时钟信号。
优选地，所述第三光学传输模块122可以包括保偏偏振分束元件，以及/或者所述第四光学传输模块124可以包括环形器。
更优选地，所述Alice端还可以包括偏振控制模块126，用于对接收到的所述第一主激光器脉冲部分的偏振态进行控制。
在本发明的第二方面的分发系统中，所述Bob端可以包括：第一光学传输模块227，用于使所述第一主激光器脉冲部分朝向所述Alice端传输，以及使所述信号光朝向所述相干探测模块224传输；以及第二光学传输模块226，用于使所述第二主激光器脉冲部分朝向所述第二从激光器模块222传输，并且使所述第二从激光器脉冲朝向所述相干探测模块224传输。
优选地，所述Bob端还可以包括第二相位调制模块225，其用于对所述本地本振光随机进行0或π/2相位调制。
优选地，所述第一分束模块223可以包括保偏分束元件，以及/或者所述第一光学传输模块227可以包括保偏偏振分束元件，以及/或者所述第二光学传输模块226可以包括环形器。
优选地，所述Bob端还可以包括延迟模块228，用于使基于同一个主激光器脉冲分束得到的所述第一主激光器脉冲部分和所述第二主激光器脉冲部分分别以注入锁定方式形成的所述信号光和所述本地本振光同时到达相干探测模块224，从而发生干涉作用，以便对该干涉结果进行零差探测。
优选地，所述延迟模块可以包括法拉第旋转镜，且进一步地还可以包括延时线和保偏偏振分束元件。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1示意性地示出了根据本发明的连续变量量子密钥分发系统的第一示例性实施例；以及
图2示意性地示出了根据本发明的连续变量量子密钥分发系统的第二示例性实施例。
具体实施方式
在下文中，本发明的示例性实施例将参照附图来详细描述。下面的实施例以举例的方式提供，以便充分传达本发明的精神给本发明所属领域的技术人员。因此，本发明不限于本文公开的实施例。
为了克服现有技术中存在的缺陷，相比现有的LLO方案，在本发明的连续变量量子密钥分发系统中设置有主激光器模块，用于分别向设置于编码端Alice(亦即发送端或者调制方)的第一从激光器模块和设置于解码端Bob(亦即接收端或者探测方)的第二从激光器模块提供种子光，使得第一从激光器模块基于该种子光以注入锁定的方式生成用于信号光的第一从激光器脉冲，第二从激光器模块基于该种子光以注入锁定的方式生成用于本地本振光的第二从激光器脉冲。通过这种方式，使得信号光和本振光之间的波长具有非常好的一致性，并能够建立起稳定的相位参考，从而能够解决现有的LLO方案中难以实现稳定相干探测的问题。
图1示意性地示出了根据本发明的连续变量量子密钥分发系统的第一示例性实施例。该分发系统可以包括编码端Alice和解码端Bob。编码端Alice和解码端Bob通过光学通道连接。优选地，该光学通道可以借助光纤实现。
如图所示，编码端Alice可以包括主激光器模块111和第一从激光器模块112，解码端Bob可以包括第二从激光器模块211，其中，第一从激光器模块112将用于提供信号光，第二从激光器模块211将用于提供本地本振光。根据本发明的原理，主激光器模块111输出的主激光器脉冲将经第一分束模块113分成第一主激光器脉冲部分和第二主激光器脉冲部分，以分别用作第一从激光器模块112和第二从激光器模块211的种子光。优选地，第一分束模块113可以包括保偏分束元件，例如保偏分束器(BS)。
根据本发明，第一主激光器脉冲部分用于注入第一从激光器模块112，作为种子光使第一从激光器模块112以注入锁定的方式输出第一从激光器脉冲，该第一从激光器脉冲将被用于进行调制以形成信号光。第二主激光器脉冲部分用于注入至第二从激光器模块211，作为种子光使第二从激光器模块211以注入锁定的方式输出第二从激光器脉冲，该第二从激光器脉冲将用于形成本地本振光。
优选地，从激光器模块的激光脉冲宽度可以被选择成小于主激光器模块的激光脉冲宽度。因此，可以例如通过调节主激光器脉冲部分与相应从激光器脉冲之间的相对延时，使得相应的从激光器模块在主激光器脉冲部分的激励下以注入锁定的方式输出脉宽较窄的从激光器脉冲，且从激光器脉冲的相位对应于脉宽较宽的主激光器脉冲部分的中间幅度平稳的部分，从而获得相位和偏振与主激光器脉冲部分一致且线宽更窄的从激光器脉冲。
为了实现解码，在解码端Bob中还可以包括有相干探测模块214，用于对信号光和本地本振光的干涉结果进行探测。优选地，相干探测模块214可以包括零差探测器。
为了形成信号光，编码端Alice还可以包括信号光调制模块115，用于对第一从激光器脉冲进行调制以形成信号光。如图所示，该信号光调制模块115可以包括第一相位调制元件1152和强度调制元件1151。可选地，第一相位调制元件1152可以包括相位调制器(PM)；强度调制元件1151可以包括强度调制器(AM)。
编码端Alice还可以包括第一光学传输模块114。该第一光学传输模块114可以包括三个端口，且被设置成：第一主激光器脉冲部分经第一光学传输模块114的第一端口和第二端口注入第一从激光器模块112，且第一从激光器脉冲经第一光学传输模块114的第二端口和第三端口传输至信号光调制模块115。优选地，第一光学传输模块114可以包括环形器或分束元件。
编码端Alice还可以包括合束模块116，用于将经信号光调制模块115调制形成的信号光和第二主激光器脉冲部分进行合束，以输出合束光。该合束光将从编码端Alice向外输出，例如经光纤传输至解码端Bob。优选地，合束模块116可以包括保偏偏振分束元件，诸如PBS。
在解码端Bob，还可以包括第二分束模块213，用于将接收到的合束光中的信号光和第二主激光器脉冲部分分开，使其分别沿不同光路传输。正如前面所讨论的那样，信号光将被传输至相干探测模块214，第二主激光器脉冲部分将用作第二从激光器模块211的种子光以使其以注入锁定的方式输出第二从激光器脉冲，以用于形成本地本振光。优选地，第二分束模块213可以包括保偏偏振分束元件，诸如PBS。
类似地，解码端Bob也可以包括有第二光学传输模块212。第二光学传输模块212可以包括三个端口，且被设置成：第二主激光器脉冲部分经第二光学传输模块212的第一端口和第二端口注入第二从激光器模块211，且第二从激光器脉冲经第二光学传输模块212的第二端口和第三端口朝向相干探测模块214输出。优选地，第二光学传输模块212可以包括环形器或分束元件。
进一步地，解码端Bob还可以包括第二相位调制元件215，用于对本地本振光进行0或π/2相位调制，以便随机选择进行X或者P测量。优选地，第二相位调制元件215可以包括相位调制器(PM)。
进一步地，在编码端Alice中，信号光调制模块115还可以包括调制方差检测模块1153，用于检测信号光中的调制方差。作为一个示例，调制方差检测模块1153可以包括第三分束模块和第一探测器模块，其中，第三分束模块用于将信号光分出一小部分光以供第一探测器模块检测使用，从而获知信号光中的调制方差信息。优选地，第三分束模块可以包括保偏分束元件，例如保偏分束器(BS)。
进一步地，在编码端Alice中，信号光调制模块115还可以包括可调衰减器(VOA)1154。
进一步地，在解码端Bob中，还可以设置有种子光强检测模块217，用于检测注入至第二从激光器模块211的第二主激光器脉冲部分的强度是否能够达到注入锁定的要求，以及产生Bob端的时钟信号。作为一个示例，种子光强检测模块217可以包括第四分束模块和第二探测器模块，其中，第四分束模块用于将第二主激光器脉冲部分分出一部分光以供第二探测器模块检测使用。优选地，第四分束模块可以包括保偏分束元件，例如保偏分束器(BS)。
优选地，在解码端Bob中，还可以包括偏振控制模块216，用于在合束光进入第二分束模块213之前对其中的信号光和第二主激光器脉冲部分的偏振态分别进行控制，以便例如能够消除光传输过程中可能引入的偏振变化。优选地，偏振控制模块216可以包括偏振控制器(PC)。
下面将结合一个优选示例来进一步说明图1所示量子密钥分发系统的工作原理。在该优选示例中，第一分束模块113包括保偏分束器BS；第一光学传输模块114包括环形器；合束模块116包括保偏偏振分束器PBS；第三分束模块包括保偏分束器；相干探测模块214为单个零差探测器；第二分束模块213包括保偏偏振分束器PBS；第二光学传输模块212包括环形器；并且第四分束模块包括保偏分束器。
在该示例中，编码端Alice中的主激光器模块111输出主激光器脉冲，该主激光器脉冲经保偏分束器113分成第一主激光器脉冲部分和第二主激光器脉冲部分。第一主激光器脉冲部分经环形器114的第一端口和第二端口注入到第一从激光器模块112中。
由于第一从激光器模块112的激光脉冲宽度小于主激光器模块的激光脉冲宽度，因此，可以通过调节第一主激光器脉冲部分与第一从激光器脉冲之间的相对延时，使得第一从激光器模块在第一主激光器脉冲部分的激励下以注入锁定的方式输出脉宽较窄的第一从激光器脉冲，且第一从激光器脉冲的相位对应于脉宽较宽的第一主激光器脉冲部分的中间幅度平稳的部分，从而获得相位和偏振与第一主激光器脉冲部分一致且线宽更窄的第一从激光器脉冲。
第一从激光器脉冲在信号光调制模块115中经幅度调制器1151和相位调制器1152调制后，其相干态对应的两个正交分量X和P都呈正态分布，从而形成带有调制信息的信号光。优选地，在信号光调制模块115中，还可以利用调制方差检测模块1153检测信号光中的调制方差信息，以及/或者利用可调衰减器1154对信号光进行强度调节。
在保偏偏振分束器116处，信号光与第二主激光器脉冲部分合束成前后偏振相互垂直的两个脉冲，例如第二主激光器脉冲部分在前，为垂直偏振，信号光在后，为水平偏振，从而作为合束光输出Alice端。
在解码端Bob处，由于采用保偏偏振分束器213来实现对合束光的分光，因此，为了消除传输过程中可能引入的偏振变化和确保分光效果，可以利用偏振控制器216使信号光和第二主激光器脉冲部分处于期望的偏振态，例如在该优选示例中可以使信号光恢复为水平偏振，以及使第二主激光器脉冲部分恢复为垂直偏振。因此，垂直偏振的第二主激光器脉冲部分将在保偏偏振分束器213处发生反射，水平偏振的信号光将在保偏偏振分束器213处透射。
通过反射作用从合束光中分出的第二主激光器脉冲部分将被继续朝向第二从激光器模块211传输；通过透射作用分出的信号光将被传输至零差探测器214。
优选地，在第二从激光器模块211之前还可以设置种子光强检测模块217来检测第二主激光器脉冲部分的光强是否足以达到注入锁定的要求，同时产生解码端Bob的时钟。
如图1所示，在解码端Bob处，第二主激光器脉冲部分经由环形器212的第一端口和第二端口注入至第二从激光器脉冲模块211。类似地，同样可以通过调节第二主激光器脉冲部分与第二从激光器脉冲之间的相对延时，使得第二从激光器模块211在第二主激光器脉冲部分的激励下以注入锁定的方式输出脉宽较窄的第二从激光器脉冲，且第二从激光器脉冲的相位对应于脉宽较宽的第二主激光器脉冲部分的中间幅度平稳的部分，从而获得波长、相位和偏振与第二主激光器脉冲部分一致，且线宽更窄的第二从激光器脉冲，其作为本地本振光使用。
第二从激光器脉冲经由环形器212的第二端口和第三端口朝向零差探测器214传输。在该示例中，第二相位调制器215设置在环形器212的第三端口和零差探测器214之间，以便对第二从激光器脉冲进行0或π/2的相位调制，以便随机选择进行X或P测量。
随后，本振光和信号光同时到达零差探测器处发生干涉，并借助零差探测器对干涉结果进行探测。
在该实施例中，通过将主激光器设置在编码端Alice，使得能够同时获得TLO方案和LLO方案的优点，仅在安全性上略逊于LLO方案。与TLO方案相比，相当于在解码端Bob处设置了无噪声放大的本振光放大器。原本因为散粒噪声限制，发送的本振光需要很强，这样通过信道后，散粒噪声才能远大于电噪声。而在该实施例中，发送给解码端Bob的用于注入锁定的第二主激光器脉冲部分的光强可以小于本地本振光的光强，小的倍数就相当于本振光放大器的倍数。同时，由于本振光未经过量子信道，窃听者Eve无法直接针对本振光进行攻击，所以该实施例的分发系统在安全性上强于TLO方案。
图2示意性地示出了根据本发明的连续变量量子密钥分发系统的第二示例性实施例。该分发系统同样包括编码端Alice和解码端Bob。编码端Alice和解码端Bob通过光学通道连接。优选地，该光学通道可以借助光纤实现。
如图所示，编码端Alice可以包括第一从激光器模块121，解码端Bob可以包括主激光器模块221和第二从激光器模块222，其中，第一从激光器模块121将用于提供信号光，第二从激光器模块222将用于提供本地本振光。根据本发明的原理，主激光器模块221输出的主激光器脉冲将经第一分束模块223分成第一主激光器脉冲部分和第二主激光器脉冲部分，以分别用作第一从激光器模块121和第二从激光器模块222的种子光。优选地，第一分束模块223可以包括保偏分束元件，例如保偏分束器(BS)。
具体而言，第一主激光器脉冲部分用于作为种子光注入第一从激光器模块121，使其以注入锁定的方式输出第一从激光器脉冲，该第一从激光器脉冲将被用于进行调制以形成信号光。第二主激光器脉冲部分用于作为种子光注入到第二从激光器模块222，使其以注入锁定的方式输出第二从激光器脉冲，该第二从激光器脉冲将用于形成本地本振光。
优选地，从激光器模块的激光脉冲宽度可以被选择成小于主激光器模块的激光脉冲宽度。因此，可以例如通过调节主激光器脉冲部分与相应从激光器脉冲之间的相对延时，使得相应的从激光器模块在主激光器脉冲部分的激励下以注入锁定的方式输出脉宽较窄的从激光器脉冲，且从激光器脉冲的相位对应于脉宽较宽的主激光器脉冲部分的中间幅度平稳的部分，从而获得相位和偏振与主激光器脉冲部分一致且线宽更窄的从激光器脉冲。
为了实现解码，在解码端Bob中还包括有相干探测模块224，用于对信号光和本地本振光的干涉结果进行探测。优选地，该相干探测模块可以包括零差探测器。
解码端Bob还可以包括第一光学传输模块227，用于使第一主激光器脉冲部分朝向编码端Alice传输，以及将编码端Alice发送的信号光朝向相干探测模块224传输。优选地，第一光学传输模块227可以包括三个端口，且被设置成：第一主激光器脉冲部分经其第一端口和第二端口向Alice端传输，且Alice端发送的信号光经其第二端口和第三端口朝向相干探测模块传输。可选地，第一光学传输模块227可以包括环形器或分束元件，例如保偏偏振分束元件。
解码端Bob还可以包括第二光学传输模块226，用于使第二主激光器脉冲部分朝向第二从激光器模块222传输，以及使第二从激光器脉冲朝向相干探测模块224传输。优选地，第二光学传输模块226可以包括三个端口，且被设置成：第二主激光器脉冲部分经其第一端口和第二端口朝向第二从激光器模块222传输，且第二从激光器脉冲经其第二端口和第三端口朝向相干探测模块224传输。可选地，第二光学传输模块226可以包括环形器或者分束元件。
编码端Alice可以包括信号光调制模块125，用于对第一从激光器脉冲进行调制以形成信号光。如图所示，信号光调制模块125可以包括第一相位调制元件1252和强度调制元件1251。可选地，第一相位调制元件1252可以包括相位调制器(PM)；强度调制元件1251可以包括强度调制器(AM)。
编码端Alice还可以包括第三光学传输模块122，用于将Bob端发送的第一主激光器脉冲部分朝向第一从激光器模块121传输，以及将信号光朝向解码端Bob发送。优选地，第三光学传输模块122可以包括三个端口，且被设置成：第一主激光器脉冲部分经其第一端口和第二端口向第一从激光器模块121传输，信号光经其第三端口和第一端口朝向Bob端传输。可选地，第三光学传输模块122可以包括环形器或分束元件，例如保偏偏振分束元件。
编码端Alice还可以包括有第四光学传输模块124，用于将第三光学传输模块122输出的第一主激光器脉冲部分向第一从激光器模块121传输，以及将第一从激光器脉冲向信号光调制模块125传输。优选地，第四光学传输模块124可以包括三个端口，且被设置成：第一主激光器脉冲部分经其第一端口和第二端口向第一从激光器模块121传输，第一从激光器脉冲经其第二端口和第三端口朝向信号光调制模块125传输。可选地，第四光学传输模块124可以包括环形器或者分束元件。
优选地，信号光调制模块125中还可以包括调制方差检测模块1253，用于检测信号光中的调制方差。作为一个示例，调制方差检测模块1253可以包括第二分束模块和第一探测器模块，其中，第二分束模块用于将信号光分出一小部分光以供第一探测器模块检测使用，从而获知信号光中的调制方差信息。优选地，第二分束模块可以包括保偏分束元件，例如保偏分束器。
优选地，信号光调制模块125中还可以包括可调衰减器(VOA)1254。
优选地，编码端Alice中还可以设置有种子光强检测模块123，用于检测注入至第一从激光器模块121的第一主激光器脉冲部分的强度是否能够达到注入锁定的要求，以及产生Alice端的时钟信号。作为一个示例，种子光强检测模块123可以包括第三分束模块和第二探测器模块，其中，第三分束模块用于将第一主激光器脉冲部分分出一部分光以供第二探测器模块检测使用。优选地，第三分束模块可以包括保偏分束元件，例如保偏分束器。
进一步地，解码端Bob还可以包括第二相位调制元件225，用于对信号光或本地本振光进行0或π/2相位调制，以便随机选择进行X或者P测量。优选地，第二相位调制元件225可以包括相位调制器。
类似地，下面将结合一个优选示例来进一步说明图2所示的分发系统的工作原理。在该优选示例中，第一分束模块223包括保偏分束器，第一光学传输模块227包括保偏偏振分束器，第二光学传输模块226包括环形器，第三光学传输模块122包括保偏偏振分束器，第四光学传输模块124包括环形器，第二分束模块包括保偏分束器，第三分束模块包括保偏分束器。
在该示例中，解码端Bob内的主激光器模块221输出主激光器脉冲，其经保偏分束器223分成第一主激光器脉冲部分和第二主激光器脉冲部分。
如图2所示，在该优选示例中，解码端Bob中可选地还可以设置有延迟模块228，用于使基于同一个主激光器脉冲分束得到的第一主激光器脉冲部分和第二主激光器脉冲部分分别以注入锁定的方式形成的信号光和本地本振光同时到达相干探测模块224，从而发生干涉作用，以便对该干涉结果进行零差探测。优选地，该延迟模块可以包括法拉第旋转镜(FM)，且优选还可以包括延时线和保偏偏振分束元件。
第二主激光器脉冲经由环形器226的第一端口和第二端口注入第二从激光器模块222。通过调节第二主激光器脉冲部分与第二从激光器脉冲之间的相对延时，使得第二从激光器模块222在第二主激光器脉冲部分的激励下以注入锁定的方式输出脉宽较窄的第二从激光器脉冲，且第二从激光器脉冲的相位对应于脉宽较宽的第二主激光器脉冲部分的中间幅度平稳的部分，从而获得波长、相位和偏振与第二主激光器脉冲部分一致，且线宽更窄的第二从激光器脉冲，其作为本地本振光使用。
第二从激光器脉冲经由环形器226的第二端口和第三端口朝向零差探测器224传输。在该示例中，第二相位调制器225设置在环形器226的第三端口和零差探测器224之间，以便对第二从激光器脉冲进行0或π/2的相位调制，以便随机选择进行X或P测量。
对于分出的第一主激光器脉冲部分，其经保偏偏振分束器227反射后向Alice端发送。
在Alice端，垂直偏振的第二主激光器脉冲在保偏偏振分束器122处发生反射。优选地，Alice端还设置有偏振控制器126，用于对第一主激光器脉冲部分的偏振态进行控制。例如，偏振控制器126可以用于将发送至Alice端的第一主激光器脉冲部分的偏振态恢复为垂直偏振，从而消除传输过程中可能的偏振变化。
此时优选地，可以利用种子光检测模块123对第一主激光器脉冲部分进行检测，以确定其光强稳定性是否达到注入锁定的要求，同时还生成用于编码端Alice的时钟。
进一步地，第一主激光器脉冲部分经环形器124的第一端口和第二端口注入到第一从激光器模块121中。通过调节第一主激光器脉冲部分与第一从激光器脉冲之间的相对延时，使得第一从激光器模块121在第一主激光器脉冲部分的激励下以注入锁定的方式输出脉宽较窄的第一从激光器脉冲，且第一从激光器脉冲的相位对应于脉宽较宽的第一主激光器脉冲部分的中间幅度平稳的部分，从而获得相位和偏振与第一主激光器脉冲部分一致且线宽更窄的第一从激光器脉冲。
第一从激光器脉冲部分经环形器124的第二端口和第三端口向信号光调制模块125传输。在信号光调制模块125中，第一从激光器脉冲经幅度调制器1251和相位调制器1252调制后，其相干态对应的两个正交分量X和P都呈正态分布，从而形成信号光。
优选地，此时可以利用调制方差检测模块1253对信号光中的调制方差进行检测，以及利用可调衰减器1254对信号光作进一步调制。
随后，信号光在保偏偏振分束器122处透射输出，以水平偏振态向解码端Bob传输。
在解码端Bob处，水平偏振的信号光将在保偏偏振分束器227处发生透射，并朝向零差探测器224传输。
在该实施例中，通过将主激光器设置在解码端Bob，使得不仅能够消除针对本振光攻击的可能，而且可以防止Eve的特洛伊木马攻击。因为注入锁定光绕开了Alice调制器，因此可以在调制器后添加隔离器，而且主激光器的光注入锁定后，从激光器发送的光脉冲只保留下了其相位，波长和偏振信息，Eve无法利用这些信息进行攻击而不会被发现。此外，本实施例还可以大大降低背向散射噪声，因为注入锁定光可以比直接发送的信号光弱，光强越弱，背向散射噪声就越小，并且保偏偏振分束器的存在直接滤掉了垂直偏振的噪声。
尽管前面结合附图通过具体实施例对本发明的连续变量量子密钥分发系统进行了说明，但是，本领域技术人员容易认识到，上述实施例仅仅是示例性的，用于说明本发明的原理，其并不会对本发明的范围造成限制，本领域技术人员可以对上述实施例进行各种组合、修改和等同替换，而不脱离本发明的精神和范围。
Claims (23)
1.一种连续变量量子密钥分发系统，其包括主激光器模块(111,221)、第一从激光器模块(112,121)、第二从激光器模块(211,222)和相干探测模块(214,224)，其特征在于：
所述第一从激光器模块设置在Alice端；
所述第二从激光器模块设置在Bob端；
所述主激光器模块输出的主激光器脉冲通过第一分束模块(113,223)分成第一主激光器脉冲部分和第二主激光器脉冲部分；
其中，所述第一主激光器脉冲部分被用作所述第一从激光器模块的种子光，使得所述第一从激光器模块以注入锁定的方式生成第一从激光器脉冲，所述第一从激光器脉冲用于形成信号光；以及
所述第二主激光器脉冲部分被用作所述第二从激光器模块的种子光，使得所述第二从激光器模块以注入锁定的方式生成第二从激光器脉冲，所述第二从激光器脉冲用于形成本地本振光；
所述相干探测模块(214,224)用于对所述信号光和所述本地本振光的干涉结果进行探测。
2.如权利要求1所述的连续变量量子密钥分发系统，其中，所述从激光器脉冲之一或者两者的宽度小于所述主激光器脉冲部分的宽度；并且，在注入锁定时，所述主激光器脉冲部分与所述从激光器脉冲之间的相对延时使得所述从激光器脉冲的相位对应于所述主激光器脉冲的中间幅度平稳的部分。
3.如权利要求1-2中任一项所述的连续变量量子密钥分发系统，其中，所述主激光器模块和所述第一分束模块设置在所述Alice端。
4.如权利要求3所述的连续变量量子密钥分发系统，其特征在于所述Alice端包括：
信号光调制模块(115)，用于对所述第一从激光器脉冲进行调制以形成所述信号光；
第一光学传输模块(114)，用于使所述第一主激光器脉冲部分朝向所述第一从激光器模块(112)传输，并且使所述第一从激光器脉冲朝向所述信号光调制模块(115)传输；以及
合束模块(116)，用于将所述信号光和所述第二主激光器脉冲部分进行合束。
5.如权利要求4所述的连续变量量子密钥分发系统，其中，所述信号光调制模块(115)包括强度调制模块(1151)和第一相位调制模块(1152)。
6.如权利要求5所述的连续变量量子密钥分发系统，其中，所述信号光调制模块(115)还包括调制方差检测模块(1153)和/或可调衰减器(1154)。
7.如权利要求4所述的连续变量量子密钥分发系统，其中，所述第一分束模块(113)包括保偏分束元件，以及/或者所述第一光学传输模块(114)包括环形器，以及/或者所述合束模块(116)包括保偏偏振分束元件。
8.如权利要求3所述的连续变量量子密钥分发系统，其特征在于所述Bob端包括：
第二分束模块(213)，用于将所述合束光中的所述信号光和所述第二主激光器脉冲部分分开；以及
第二光学传输模块(212)，用于使所述第二主激光器脉冲部分朝向所述第二从激光器模块(211)传输，并且使所述第二从激光器脉冲朝向所述相干探测模块(214)传输。
9.如权利要求8所述的连续变量量子密钥分发系统，其特征在于所述Bob端还包括：
种子光强检测模块(217)，其用于检测注入所述第二从激光器模块(211)的所述第二主激光器脉冲部分的强度是否足以满足注入锁定要求，以及产生所述Bob端的时钟信号；和/或
第二相位调制模块(215)，其用于对所述本地本振光随机进行0或π/2相位调制。
10.如权利要求8所述的连续变量量子密钥分发系统，其中，所述第二分束模块(213)包括保偏偏振分束元件，以及/或者所述第二光学传输模块(212)包括环形器，以及/或者所述相干探测模块(214)包括零差探测器。
11.如权利要求10所述的连续变量量子密钥分发系统，其中，所述Bob端还包括偏振控制模块(216)，用于对所述合束光进行偏振控制。
12.如权利要求1-2中任一项所述的连续变量量子密钥分发系统，其中，所述主激光器模块和所述第一分束模块设置在所述Bob端。
13.如权利要求12所述的连续变量量子密钥分发系统，其特征在于所述Alice端包括：
信号光调制模块(125)，用于对所述第一从激光器脉冲进行调制以形成所述信号光；
第三光学传输模块(122)，用于使所述第一主激光器脉冲部分朝向所述第一从激光器模块(121)传输，并且使所述信号光朝向所述Bob端传输；以及
第四光学传输模块(124)，用于使所述第一主激光器脉冲部分朝向所述第一从激光器模块(121)传输，并且使所述第一从激光器脉冲朝向所述信号光调制模块(125)传输。
14.如权利要求13所述的连续变量量子密钥分发系统，其中，所述信号光调制模块(125)包括强度调制模块(1251)和第一相位调制模块(1252)。
15.如权利要求14所述的连续变量量子密钥分发系统，其中，所述信号光调制模块(125)还包括调制方差检测模块(1253)和/或可调衰减器(1254)。
16.如权利要求13所述的连续变量量子密钥分发系统，其中，所述Alice端还包括种子光强检测模块(123)，其用于检测注入所述第一从激光器模块(121)的所述第一主激光器脉冲部分的强度是否足以满足注入锁定要求，以及产生所述Alice端的时钟信号。
17.如权利要求13所述的连续变量量子密钥分发系统，其中，所述第三光学传输模块(122)包括保偏偏振分束元件，以及/或者所述第四光学传输模块(124)包括环形器。
18.如权利要求17所述的连续变量量子密钥分发系统，其中，所述Alice端还包括偏振控制模块(126)，用于对接收到的所述第一主激光器脉冲部分的偏振态进行控制。
19.如权利要求12所述的连续变量量子密钥分发系统，其特征在于所述Bob端包括：
第一光学传输模块(227)，用于使所述第一主激光器脉冲部分朝向所述Alice端传输，以及使所述信号光朝向所述相干探测模块(224)传输；以及
第二光学传输模块(226)，用于使所述第二主激光器脉冲部分朝向所述第二从激光器模块(222)传输，并且使所述第二从激光器脉冲朝向所述相干探测模块(224)传输。
20.如权利要求19所述的连续变量量子密钥分发系统，其中，所述Bob端还包括第二相位调制模块(225)，其用于对所述本地本振光随机进行0或π/2相位调制。
21.如权利要求19所述的连续变量量子密钥分发系统，其中，所述第一分束模块(223)包括保偏分束元件，以及/或者所述第一光学传输模块(227)包括保偏偏振分束元件，以及/或者所述第二光学传输模块(226)包括环形器。
22.如权利要求21所述的连续变量量子密钥分发系统，其中，所述Bob端还包括延迟模块(228)，用于使基于同一个主激光器脉冲分束得到的所述第一主激光器脉冲部分和所述第二主激光器脉冲部分分别以注入锁定方式形成的所述信号光和所述本地本振光同时到达所述相干探测模块(224)。
23.如权利要求22所述的连续变量量子密钥分发系统，其中，所述延迟模块包括法拉第旋转镜。
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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 | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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