CN110493001A - 一种连续变量量子密钥分发系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出连续变量量子密钥分发系统，其包括激光器、编码干涉仪、量子信道、解码干涉仪和两个光电探测器。激光器产生脉冲光信号供输入编码干涉仪。编码干涉仪包括第一光环形器、非对称光耦合器、分别经第一信号臂和本振臂与非对称光耦合器耦合的两个四分之一波片反射镜，及位于第一信号臂上的强度调制器和第一相位调制器。解码干涉仪经量子信道与编码干涉仪耦合，包括第二光环形器、3dB光耦合器、分别经第二信号臂和本振臂与3dB光耦合器耦合的两个四分之一波片反射镜及位于第二本振臂上的第二相位调制器。两个光电探测器用于对来自解码干涉仪的输出进行探测。本发明解决了连续变量量子密钥分发应用中因偏振诱导衰落而导致的不稳定问题。

Description

一种连续变量量子密钥分发系统
技术领域
本发明涉及光传输保密通信技术领域，尤其涉及一种连续变量量子密钥分发系统。
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，能够应用于国防、政务、金融、电力等高安全信息传输需求的领域。
连续变量量子密钥分发由于易于与传统光网络融合，并且在较短距离下能够实现高的密钥生成率，引起了广泛研究和关注，并且相关的实验和演示应用进程得到了逐步推进。然而，对于基于不等臂干涉仪方案的连续变量量子密钥分发系统，信号光脉冲和本振光脉冲沿光纤信道传输时，因光纤信道在实际环境中受温度、应变、弯曲等影响而产生双折射效应，使得传输至接收端的光脉冲的偏振态产生随机变化，且在接收端解码时信号光脉冲和本振光脉冲沿干涉仪的不同臂传输后进行干涉，因而存在偏振诱导衰落问题，导致信号光脉冲和本振光脉冲在接收端解码干涉不稳定，并且干涉稳定性随着光纤距离的增加恶化明显。
发明内容
本发明的主要目的在于提出一种连续变量量子密钥分发系统，其通过构造基于四分之一波片反射镜的不等臂迈克尔逊干涉仪解决连续变量量子密钥分发系统在应用中因前述的偏振诱导衰落而导致的不稳定问题。此外，本发明的方案通过使用非对称光耦合器，使得可以制备合适强度比的信号光和本振光，从而无需使用光衰减器或可使用较低衰减动态范围的光衰减器。
本发明提供至少以下技术方案：
1.一种连续变量量子密钥分发系统，包括激光器、编码干涉仪、量子信道、解码干涉仪和两个光电探测器，其中，
所述激光器用于产生脉冲光信号；
所述编码干涉仪包括第一光环形器、非对称光耦合器、分别经两个第一臂与所述非对称光耦合器耦合的两个第一四分之一波片反射镜、强度调制器和第一相位调制器，所述两个第一臂分别为第一信号臂和第一本振臂，所述强度调制器和所述第一相位调制器位于所述第一信号臂上，其中，
所述第一光环形器包含第一端口、第二端口和第三端口，所述第一光环形器的第一端口耦合至所述激光器，为所述编码干涉仪的输入端口，用于接收由所述激光器产生的脉冲光信号，所述第一光环形器的第二端口与所述非对称光耦合器一侧的一个端口耦合，所述第一光环形器的第三端口为所述编码干涉仪的输出端口；
所述非对称光耦合器与所述两个第一四分之一波片反射镜构成编码不等臂迈克尔逊干涉仪，其中所述第一光环形器的第一端口接收的所述脉冲光信号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二端口输出至所述非对称光耦合器的所述一个端口，来自所述非对称光耦合器的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作为所述编码干涉仪输出的编码光信号，
所述非对称光耦合器用于将输入其的所述脉冲光信号分束为光强不同的两路光信号，所述光强不同的两路光信号中光强弱的光信号即信号光脉冲沿所述第一信号臂传输，所述光强不同的两路光信号中光强强的光信号即本振光脉冲沿所述第一本振臂传输，
所述两个第一四分之一波片反射镜分别用于将经所述两个第一臂传输来的所述两路光信号反射回所述非对称光耦合器以由所述非对称光耦合器合束输出；
所述强度调制器用于调制经其所在的第一信号臂传输的信号光脉冲的强度；
所述第一相位调制器用于对经其所在的第一信号臂传输的信号光脉冲进行相位调制；
所述编码干涉仪输出的编码光信号的每个信号周期包含信号光脉冲和本振光脉冲，
所述量子信道耦合在所述编码干涉仪的输出端口与所述解码干涉仪的输入端口之间，用于将从所述编码干涉仪输出的编码光信号传输至所述解码干涉仪；
所述解码干涉仪包括第二光环形器、3dB光耦合器、分别经两个第二臂与所述3dB光耦合器耦合的两个第二四分之一波片反射镜和第二相位调制器，所述两个第二臂分别为第二信号臂和第二本振臂，其中，
所述第二光环形器包括第一端口、第二端口和第三端口，所述第二光环形器的第一端口耦合至所述量子信道，为所述解码干涉仪的输入端口，用于接收由所述量子信道传输来的所述编码光信号，所述第二光环形器的第二端口与所述3dB光耦合器一侧的一个端口连接，所述第二光环形器的第三端口为所述解码干涉仪的一个输出端口，所述3dB光耦合器一侧的另一个端口为所述解码干涉仪的另一个输出端口；
所述3dB光耦合器与所述两个第二四分之一波片反射镜构成解码不等臂迈克尔逊干涉仪，其中所述第二光环形器的第一端口接收的所述编码光信号被输入至所述第二光环形器的第二端口并从所述第二光环形器的第二端口输出至所述3dB光耦合器，来自所述3dB光耦合器的所述一侧的所述一个端口的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；
所述3dB光耦合器用于将输入其的所述编码光信号包含的信号光脉冲和本振光脉冲中的每个分束为光强相同的两路光信号，以分别沿所述第二信号臂和第二本振臂传输；
所述两个第二四分之一波片反射镜分别用于将经所述两个第二臂传输来的所述两路光信号反射回所述3dB光耦合器以由所述3dB光耦合器合束输出；
所述第二相位调制器位于所述3dB光耦合器前端或位于所述第二本振臂上，用于对经其所在的光路传输的、由所述编码光信号包含的本振光脉冲分束得到的两路光信号中的一路光信号进行相位调制，
所述两个光电探测器分别与所述第二光环形器的第三端口和所述3dB光耦合器所述一侧的所述另一个端口连接，
其中所述第一四分之一波片反射镜和第二四分之一波片反射镜中的每个包括四分之一波片和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的反射镜。
2.根据方案1所述的连续变量量子密钥分发系统，其中，所述连续变量量子密钥分发系统还包括光衰减器，所述光衰减器位于所述第一信号臂上。
3.根据方案1所述的连续变量量子密钥分发系统，其中，所述非对称光耦合器为保偏光耦合器。
4.根据方案1或3所述的连续变量量子密钥分发系统，其中，所述非对称光耦合器为99:1光耦合器。
5.根据方案1所述的连续变量量子密钥分发系统，其中，所述两个第一臂为保偏光纤。
6.根据方案1所述的连续变量量子密钥分发系统，其中，所述3dB光耦合器为保偏光耦合器。
7.根据方案1所述的连续变量量子密钥分发系统，其中，所述两个第二臂为保偏光纤。
8.根据方案1所述的连续变量量子密钥分发系统，其中，所述两个第一臂的臂长差与所述两个第二臂的臂长差相同。
9.根据方案1所述的连续变量量子密钥分发系统，其中，
所述第一信号臂为所述编码不等臂迈克尔逊干涉仪的长臂，且所述第二本振臂为所述解码不等臂迈克尔逊干涉仪的长臂；或者
所述第一信号臂为所述编码不等臂迈克尔逊干涉仪的短臂，且所述第二本振臂为所述解码不等臂迈克尔逊干涉仪的短臂。
10.根据方案1所述的连续变量量子密钥分发系统，其中，
所述编码不等臂迈克尔逊干涉仪包含第一移相器，所述第一移相器位于所述两个第一臂中的任一臂；和/或
所述解码不等臂迈克尔逊干涉仪包含第二移相器，所述第二移相器位于所述两个第二臂中的任一臂。
附图说明
图1为本发明一优选实施例的连续变量量子密钥分发系统的组成结构示意图。
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连续变量量子密钥分发系统如图1所示，包括以下组成部分：激光器101、编码干涉仪、量子信道108、解码干涉仪、两个光电探测器114和115。
激光器101用于产生脉冲光信号。
所述编码干涉仪包括光环形器102、非对称光耦合器103、强度调制器104、相位调制器105、两个四分之一波片反射镜106和107。光环形器102包含三个端口，这三个端口分别为端口A、端口B和端口C。从光环形器102的端口A输入的光信号经光环形器102的端口B输出，从光环形器102的端口B输入的光信号经光环形器102的端口C输出。光环形器102的端口B与非对称光耦合器103一侧的一个端口连接，非对称光耦合器103另一侧的一个端口经第一臂与四分之一波片反射镜106连接。强度调制器104、相位调制器105位于第一臂上。非对称光耦合器103所述另一侧的另一个端口经第三臂与四分之一波片反射镜107连接。所述第一臂和第三臂为保偏光纤传输光路。
所述解码干涉仪包括光环形器109、3dB光耦合器110、相位调制器111、两个四分之一波片反射镜112和113。光环形器109包含三个端口，这三个端口分别为端口D、端口E和端口F。从光环形器109的端口D输入的光信号经光环形器109的端口E输出，从光环形器109的端口E输入的光信号经光环形器109的端口F输出。光环形器109的端口E与3dB光耦合器110一侧的一个端口连接，3dB光耦合器110另一侧的一个端口经第二臂与四分之一波片反射镜112连接。相位调制器111位于第二臂上。3dB光耦合器110所述另一侧的另一个端口经第四臂与四分之一波片反射镜113连接。所述第二臂和第四臂为保偏光纤传输光路。
量子信道108可以是光纤、自由空间、光波导、分立光学元件中的任意一个或多个形成的光传输信道。
激光器101与光环形器102的端口A连接，光环形器102的端口C与量子信道108一侧的端口连接，量子信道108另一侧的端口与光环形器109的端口D连接。光电探测器114与光环形器109的端口F连接，光电探测器115与3dB光耦合器110所述一侧的另一个端口连接。
四分之一波片反射镜106、107、112和113中的每个包括四分之一波片和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的反射镜。输入每个四分之一波片反射镜的光脉冲的两个正交偏振态之一的极化方向与该反射镜的四分之一波片的快轴或慢轴的夹角为45度，或者所述第一臂、第三臂、第二臂、第四臂中的每个臂的保偏光纤的慢轴与该臂所连接的四分之一波片反射镜的四分之一波片的快轴或慢轴的夹角为45度。
工作时，激光器101产生的脉冲光信号经光环形器102的端口A输入编码干涉仪。从光环形器102的端口A输入的脉冲光信号由光环形器102的端口B输出至非对称光耦合器103。非对称光耦合器103将输入的脉冲光信号分束为光强弱的信号光脉冲和光强强的本振光脉冲。信号光脉冲沿第一臂传输，并经强度调制器104进行强度调制以及经相位调制器105进行相位调制，然后传输至四分之一波片反射镜106，并由四分之一波片反射镜106反射回非对称光耦合器103。本振光脉冲沿第三臂传输至四分之一波片反射镜107，并由四分之一波片反射镜107反射回非对称光耦合器103。非对称光耦合器103将反射回的信号光脉冲和本振光脉冲合束后形成的编码光脉冲输出至光环形器102的端口B，并经光环形器102的端口C输出至量子信道108。编码光脉冲经量子信道108传输至解码干涉仪。
由量子信道108传输来的编码光脉冲经光环形器109的端口D输入解码干涉仪。从光环形器109的端口D输入的编码光脉冲由光环形器109的端口E输出至3dB光耦合器110。所述编码光脉冲的每个信号周期包含信号光脉冲和本振光脉冲，其中所述信号光脉冲在所述本振光脉冲之前，或在所述本振光脉冲之后。3dB光耦合器110将输入的编码光脉冲包含的信号光脉冲和本振光脉冲中的每个分束为强度相同的两路光脉冲。这两路光脉冲中的一路光脉冲沿第二臂传输，并经相位调制器111进行相位调制后传输至四分之一波片反射镜112，并由四分之一波片反射镜112反射回3dB光耦合器110。这两路光脉冲中的另一路光脉冲沿第四臂传输至四分之一波片反射镜113，并由四分之一波片反射镜113反射回3dB光耦合器110。3dB光耦合器110将反射回的两路光信号合束形成的解码光脉冲分别输出至光环形器109的端口E并经光环形器109的端口F输出至光电探测器114，以及由3dB光耦合器所述一侧的另一个端口输出至光电探测器115。就相位调制器111进行相位调制而言，替代地，相位调制器111可以仅对由所述编码光脉冲包含的本振光脉冲分束得到的两路光信号中之一进行相位调制。
其中，第一臂和第三臂的臂长差产生的延时与第二臂和第四臂的臂长差产生的延时相同。若第一臂为长臂、第三臂为短臂，则第二臂为长臂、第四臂为短臂；若第一臂为短臂、第三臂为长臂，则第二臂为短臂、第四臂为长臂。
本文中，“保偏光纤传输光路”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。
通过上文的说明，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 (10)

1.一种连续变量量子密钥分发系统，包括激光器、编码干涉仪、量子信道、解码干涉仪和两个光电探测器，其中，
所述激光器用于产生脉冲光信号；
所述编码干涉仪包括第一光环形器、非对称光耦合器、分别经两个第一臂与所述非对称光耦合器耦合的两个第一四分之一波片反射镜、强度调制器和第一相位调制器，所述两个第一臂分别为第一信号臂和第一本振臂，所述强度调制器和所述第一相位调制器位于所述第一信号臂上，其中，
所述第一光环形器包含第一端口、第二端口和第三端口，所述第一光环形器的第一端口耦合至所述激光器，为所述编码干涉仪的输入端口，用于接收由所述激光器产生的脉冲光信号，所述第一光环形器的第二端口与所述非对称光耦合器一侧的一个端口耦合，所述第一光环形器的第三端口为所述编码干涉仪的输出端口；
所述非对称光耦合器与所述两个第一四分之一波片反射镜构成编码不等臂迈克尔逊干涉仪，其中所述第一光环形器的第一端口接收的所述脉冲光信号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二端口输出至所述非对称光耦合器的所述一个端口，来自所述非对称光耦合器的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作为所述编码干涉仪输出的编码光信号，
所述非对称光耦合器用于将输入其的所述脉冲光信号分束为光强不同的两路光信号，所述光强不同的两路光信号中光强弱的光信号即信号光脉冲沿所述第一信号臂传输，所述光强不同的两路光信号中光强强的光信号即本振光脉冲沿所述第一本振臂传输，
所述两个第一四分之一波片反射镜分别用于将经所述两个第一臂传输来的所述两路光信号反射回所述非对称光耦合器以由所述非对称光耦合器合束输出；
所述强度调制器用于调制经其所在的第一信号臂传输的信号光脉冲的强度；
所述第一相位调制器用于对经其所在的第一信号臂传输的信号光脉冲进行相位调制；
所述编码干涉仪输出的编码光信号的每个信号周期包含信号光脉冲和本振光脉冲，
所述量子信道耦合在所述编码干涉仪的输出端口与所述解码干涉仪的输入端口之间，用于将从所述编码干涉仪输出的编码光信号传输至所述解码干涉仪；
所述解码干涉仪包括第二光环形器、3dB光耦合器、分别经两个第二臂与所述3dB光耦合器耦合的两个第二四分之一波片反射镜和第二相位调制器，所述两个第二臂分别为第二信号臂和第二本振臂，其中，
所述第二光环形器包括第一端口、第二端口和第三端口，所述第二光环形器的第一端口耦合至所述量子信道，为所述解码干涉仪的输入端口，用于接收由所述量子信道传输来的所述编码光信号，所述第二光环形器的第二端口与所述3dB光耦合器一侧的一个端口连接，所述第二光环形器的第三端口为所述解码干涉仪的一个输出端口，所述3dB光耦合器一侧的另一个端口为所述解码干涉仪的另一个输出端口；
所述3dB光耦合器与所述两个第二四分之一波片反射镜构成解码不等臂迈克尔逊干涉仪，其中所述第二光环形器的第一端口接收的所述编码光信号被输入至所述第二光环形器的第二端口并从所述第二光环形器的第二端口输出至所述3dB光耦合器，来自所述3dB光耦合器的所述一侧的所述一个端口的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；
所述3dB光耦合器用于将输入其的所述编码光信号包含的信号光脉冲和本振光脉冲中的每个分束为光强相同的两路光信号，以分别沿所述第二信号臂和第二本振臂传输；
所述两个第二四分之一波片反射镜分别用于将经所述两个第二臂传输来的所述两路光信号反射回所述3dB光耦合器以由所述3dB光耦合器合束输出；
所述第二相位调制器位于所述3dB光耦合器前端或位于所述第二本振臂上，用于对经其所在的光路传输的、由所述编码光信号包含的本振光脉冲分束得到的两路光信号中的一路光信号进行相位调制，
所述两个光电探测器分别与所述第二光环形器的第三端口和所述3dB光耦合器所述一侧的所述另一个端口连接，
其中所述第一四分之一波片反射镜和第二四分之一波片反射镜中的每个包括四分之一波片和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的反射镜。
2.根据权利要求1所述的连续变量量子密钥分发系统，其中，所述连续变量量子密钥分发系统还包括光衰减器，所述光衰减器位于所述第一信号臂上。
3.根据权利要求1所述的连续变量量子密钥分发系统，其中，所述非对称光耦合器为保偏光耦合器。
4.根据权利要求1或3所述的连续变量量子密钥分发系统，其中，所述非对称光耦合器为99:1光耦合器。
5.根据权利要求1所述的连续变量量子密钥分发系统，其中，所述两个第一臂为保偏光纤。
6.根据权利要求1所述的连续变量量子密钥分发系统，其中，所述3dB光耦合器为保偏光耦合器。
7.根据权利要求1所述的连续变量量子密钥分发系统，其中，所述两个第二臂为保偏光纤。
8.根据权利要求1所述的连续变量量子密钥分发系统，其中，所述两个第一臂的臂长差与所述两个第二臂的臂长差相同。
9.根据权利要求1所述的连续变量量子密钥分发系统，其中，
所述第一信号臂为所述编码不等臂迈克尔逊干涉仪的长臂，且所述第二本振臂为所述解码不等臂迈克尔逊干涉仪的长臂；或者
所述第一信号臂为所述编码不等臂迈克尔逊干涉仪的短臂，且所述第二本振臂为所述解码不等臂迈克尔逊干涉仪的短臂。
10.根据权利要求1所述的连续变量量子密钥分发系统，其中，
所述编码不等臂迈克尔逊干涉仪包含第一移相器，所述第一移相器位于所述两个第一臂中的任一臂；和/或
所述解码不等臂迈克尔逊干涉仪包含第二移相器，所述第二移相器位于所述两个第二臂中的任一臂。
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