CN110519044B - 一种基于模式编码的量子密钥分发方法和系统 - Google Patents

一种基于模式编码的量子密钥分发方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于模式编码的量子密钥分发方法和系统，包括步骤：S1、出射光信号；S2、将多种信号模式的所述光信号通过多模光纤信道发送；S3、从所述多模光纤信道接收所述光信号，并将所述光信号进行模式解码；探测模式解码后的所述光信号的模式获取比特信息。能够大大提高量子通信编码效率和通信成码率。

Description

一种基于模式编码的量子密钥分发方法和系统
技术领域
本发明涉及量子通信技术领域，特别是涉及一种基于模式编码的量子密钥分发方法和系统。
背景技术
量子密钥分发(Quantum Key Distribution，简称QKD)技术能够在通信双方之间产生无条件安全的密钥因而受到广泛关注。自从1984年BB84方案提出以来，各种理论方案日臻完善，技术实现逐渐成熟并走向实际应用。
量子通信中最重要的编码方式为偏振编码和相位编码。
偏振编码量子通信方案是使用光子的不同偏振态代表信息，如文献OpticsExpress 18(8),8587(2010)中所示。该文献中根据BB84方案，选择|H>|V>|+>|->四种偏振态进行信息编码。探测器测量得到|H>和|+>代表信息0，探测器测量得到|V>和|->代表信息1。
相位编码方案是利用一对相邻光脉冲之间的不同相位差来代表信息，如文献Physical Review A 88,022308(2013)中所示。该文献中根据BB84方案，选择0，π/4，π/2，3π/4等四种不同的相位态来进行信息编码。探测器测量得到0，π/4，代表信息0，探测器测量得到π/2，3π/4代表信息1。
还有一种高维的编码方式，即利用光子轨道角动量进行编码，如文献《光束轨道角动量的量子通信编码方法研究》所示。光子的轨道角动量表示光场的空间分布，不同的分布对应着不同的轨道角动量状态，具有不同的轨道角动量量子数。不同的轨道角动量状态之间相互正交。利用光子的轨道角动量状态可以代表不同的信息，测量得出的轨道角动量量子数即为编码的信息比特。使用N个轨道量子数的状态进行编码，可以获得log2N位比特。使用这种编码方式，可以大大提高编码效率，进而提高通信速率。如使用N＝8个轨道量子数进行信息传递，传输一个光子，可以获取3bit信息量。
利用自由空间信道(大气)和光纤信道都可以实现量子密钥分发。由于光纤信道容量大，布置简单，干扰少等优势，光纤量子密钥分发逐渐成为主流，尤其是在城市地区。同时利用光纤可以方便的搭建网络，实现信息共享。国内和国际上均建立了多个量子通信光纤网络，并在银行、金融、保险、政务等多个领域逐渐应用。随着量子通信越来越广泛的应用，迫切的需要提高量子通信速率来满足各种应用中越来越高的带宽需求。使用偏振编码或者相位编码方式中，发射一个光脉冲只能代表1bit信息，制约着信息速率。在通信距离很远的情况下，链路衰减很高，量子通信成码率很低。
从物理本质上来看，使用偏振编码或者相位编码均为2维Hilbert空间编码，1个光子只能够表示1bit信息。而使用光子轨道角动量进行编码，本质是使用高维Hilbert空间来进行编码，使用N个光子轨道角动量，表示N维Hilbert空间，1个光子可以代表log2N比特信息，可以大大提高通信成码率。遗憾的是，光子轨道角动量状态比较脆弱，容易受到环境扰动，通常只能在自由空间即大气信道中传输，在普通光纤中不能正常传输。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于模式编码的量子密钥分发方法和系统，用于解决现有技术中使用偏振编码或者相位编码方式中链路衰减高、量子通信成码率低；或者容易受环境扰动、只能在大气信道中传输不能在普通光纤中正常传输的问题。
本发明提供一种基于模式编码的量子密钥分发方法，包括步骤：S1、出射光信号；S2、将多种信号模式的所述光信号通过多模光纤信道发送；S3、从所述多模光纤信道接收所述光信号，并将所述光信号进行模式解码；探测模式解码后的所述光信号的模式获取比特信息。
于本发明的一实施例中，所述步骤S1中出射的所述光信号为基模信号，所述步骤S2还包括：所述基模信号被分配至至少一个路径，在随机数的控制下，在一时刻中将其中一个路径的所述基模信号随机转换成所需信号模式的光信号并输出，其他路径的所述基模信号不进行转换和输出。
于本发明的一实施例中，所述步骤S1还包括：出射多种模式信号的所述光信号；在随机数的控制下，在一时刻中出射的所述光信号为多种模式信号中的一种模式信号；所述步骤S2还包括：将不同的模式信号的所述光信号合成一路输出。
于本发明的一实施例中，所述步骤S1还包括：从多个路径出射信号模式为基模的所述光信号，在随机数的控制下，在一时刻中从其中一个路径出射所述基模信号；所述步骤S2还包括：将不同路径的所述基模信号转换成不同的模式信号的所述光信号，并将不同的模式信号的所述光信号合成一路输出。
于本发明的一实施例中，所述步骤S3还包括：根据输入模式将不同的信号模式转换成基模后从不同的路径输出，对对应的路径进行量子探测，并根据探测的编号和相应的探测结果获取解码信息。
于本发明的一实施例中，所述步骤S3还包括：根据输入模式将不同的信号模式转换成基模后从不同的路径输出，输出的基模信号合成一束后进行量子探测，根据所述光信号到达时间和探测结果获取解码信息。
于本发明的一实施例中，所述步骤S2还包括：将所述光信号进行衰减至单光子量级。
本发明还提供了一种基于模式编码的量子密钥分发系统，包括通过多模光纤信道连接的发送端和接收端；所述发送端发出的光信号通过所述多模光纤信道发送至所述接收端；所述发送端包括光源模块和编码单元；所述接收端包括解码单元和量子探测单元；所述光源模块和所述编码单元相连，所述编码单元和所述解码单元通过所述多模光纤信道相连，所述量子探测单元和所述解码单元相连；所述光源模块出射光信号至所述编码单元，所述编码单元将所述光信号编码后发送至所述解码单元，所述解码单元将所述光信号解码后经所述量子探测单元探测后获取解码信息。
于本发明的一实施例中，所述光源模块包括一激光器，所述激光器出射信号模式为基模的所述光信号；所述编码单元包括路径控制器和第一模式复用装置；所述路径控制器的输入端口和所述激光器的输出端口相连，所述路径控制器的多个输出端口分别连接所述第一模式复用装置的多个输入端口，所述第一模式复用装置的输出端口和所述多模光纤信道相连。
于本发明的一实施例中，所述光源模块包括一激光器，所述激光器出射信号模式为基模的所述光信号；所述编码单元包括分束器、多个第一路径控制器和第一模式复用装置；所述激光器的输出端和所述分束器相连，所述分束器的多个输出端分别和多个所述第一路径控制器的输入端一一相连，所述第一路径控制器的输出端分别连接所述第一模式复用装置的多个输入端口，所述第一模式复用装置的输出端口和所述多模光纤信道相连。
于本发明的一实施例中，所述光源模块包括一激光器，所述激光器出射信号模式为基模的所述光信号；所述编码单元包括分束器、多个第一路径控制器和第一模式复用装置；所述第一模式复用装置包括第一模式复用器和多个第一模式转换器，所述激光器的输出端和所述分束器相连，所述分束器的多个输出端分别和多个所述第一模式转换器的输入端一一相连，多个所述第一模式转换器的输出端分别和多个所述第一路径控制器的输入端一一对应相连，多个所述第一路径控制器的输出端分别连接所述第一模式复用器的多个输入端口，所述第一模式复用器的输出端口和所述多模光纤信道相连。
于本发明的一实施例中，所述光源模块包括多个激光器，多个所述激光器在随机数的控制下分别出射不同模式的所述光信号；所述编码单元为模式复用器；每个所述激光器的输出端口均和所述模式复用器的输入端口相连；所述模式复用器的输出端口和所述多模光纤信道相连。
于本发明的一实施例中，所述光源模块包括多个激光器，多个所述激光器在随机数的控制下分别在不同时刻出射信号模式为基模的所述光信号；所述编码单元包括第一模式复用装置；多个所述激光器的输出端口分别和所述第一模式复用装置的多个输入端口一一对应相连，所述第一模式复用装置的输出端口和所述多模光纤信道相连。
于本发明的一实施例中，所述解码单元包括第二模式复用装置，所述量子探测单元包括多个量子探测器；所述第二模式复用装置的输入端口和所述多模光纤信道相连，所述第二模式复用装置的多个输出端口分别和多个所述量子探测器的输入端口一一对应相连。
于本发明的一实施例中，所述解码单元包括第二模式复用装置和多个延时器；所述量子探测单元为一量子探测器；所述第二模式复用装置的输入端口和所述多模光纤信道相连，所述第二模式复用装置的输出端口和多个所述延时器的输入端口一一对应相连，多个所述延时器的输出端口和所述量子探测器的输入端口相连。
于本发明的一实施例中，所述解码单元还包括集束器，所述集束器的输入端口和多个所述延时器的输出端口相连，所述集束器的输出端口和所述量子探测器的输入端口相连。
于本发明的一实施例中，所述解码单元包括第二模式复用装置和路径控制装置；所述量子探测单元为一量子探测器；所述第二模式复用装置的输入端口和所述多模光纤信道相连，所述第二模式复用装置的输出端口和所述路径控制装置的输入端口相连，所述路径控制装置的输出端口和所述量子探测器的输入端口相连。
于本发明的一实施例中，所述量子密钥分发系统还包括用于将所述光信号进行衰减至单光子量级的光衰减器。
本发明还提供了一种如上所述的基于模式编码的量子密钥分发系统中的发送端，通过多模光纤信道发送信号；所述发送端包括光源模块和编码单元，所述光源模块和所述编码单元相连，所述编码单元和所述多模光纤信道相连通，所述光源模块出射光信号至所述编码单元，所述编码单元将所述光信号编码后通过所述多模光纤信道向外发送。
本发明还提供了一种如上所述的基于模式编码的量子密钥分发系统中的接收端，通过多模光纤信道接收信号；所述接收端包括解码单元和量子探测单元，所述解码单元和所述多模光纤信道相连通，所述解码单元和所述量子探测单元相连，所述解码单元接收所述多模光纤信道传输的光信号，所述解码单元将所述光信号解码后经所述量子探测单元探测后获取解码信息。
如上所述，本发明的一种基于模式编码的量子密钥分发方法和系统，具有以下有益效果：
能够大大提高量子通信编码效率和通信成码率。
附图说明
图1显示为本发明中基于模式编码的量子密钥分发方法的流程方框示意图。
图2显示为本发明中基于模式编码的量子密钥分发系统中发送端的结构示意图。
图3显示为本发明中基于模式编码的量子密钥分发系统中接收端的结构示意图。
图4显示为本发明中基于模式编码的量子密钥分发系统的结构示意图。
图5显示为本发明中发送端第一实施例的结构示意图。
图6显示为本发明中发送端第二实施例的结构示意图。
图7显示为本发明中发送端第三实施例的结构示意图。
图8显示为本发明中发送端第四实施例的结构示意图。
图9显示为本发明中发送端第五实施例的结构示意图。
图10显示为本发明中发送端第六实施例的结构示意图。
图11显示为本发明中发送端第七实施例的结构示意图。
图12显示为本发明中接收端第一实施例的结构示意图。
图13显示为本发明中接收端第二实施例的结构示意图。
图14显示为本发明中接收端第三实施例的结构示意图。
图15显示为本发明中接收端第四实施例的结构示意图。
图16显示为本发明中接收端第五实施例的结构示意图。
图17显示为本发明中接收端第六实施例的结构示意图。
图18显示为本发明中接收端第七实施例的结构示意图。
图19显示为本发明中接收端第八实施例的结构示意图。
图20显示为本发明中接收端第九实施例的结构示意图。
图21显示为本发明中接收端第十实施例的结构示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
参见图1至图21，须知，本说明书所附图示所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
根据光纤中传输光信号模式的多少，可以将光纤分成单模光纤和多模光纤。单模光纤中只存在一个模式，而多模光纤中存在多个模式(≥2)，不同模式之间相互正交。通常使用的多模光纤的模式数非常多(大于几百个)。一种特殊的多模光纤称为少模光纤，能够支持少数几个模式(如支持两个模式的光纤，支持4个模式的光纤等)。本文以后提及的多模光纤为泛指，包含这种少模光纤。多模光纤中不同的模式具有轨道角动量类似的性质，如不同的模式之间的态也是相互正交的。因此采用光纤模式进行量子编码，可以有效提高编码效率，进而提高量子通信速率。使用N个模式进行编码，发射一个光子传输log2N比特信息。
量子通信中，可以使用N个光纤模式进行编码，以获取log2N比特/光子的编码效率。提高N值可以提高编码效率，进一步提高通信成码率。以下以N＝4为例进行说明。发送端在随机数的控制下，优选为量子随机数的控制下，随机制备四种不同模式的量子信号。某一时刻，发送端只发射4种模式信号中的一种。量子信号通过模式复用器合成一束之后进入多模光纤信道传输(优选为少模光纤信道)。接收端端先进行模式解复用，再进行测量并判断出该量子信号模式。如为模式1，则代表信息00；如为模式2，则代表信息01；如为模式3，则代表信息10；如为模式4，则代表信息11。很显然，传输1个量子信号可以获取2bit信息。发送端和接收端之间完成量子光信号传输与探测之后，需要经过纠错和隐私放大等数据处理过程，才能生成最终的安全密钥。需要强调的是，少模光纤作为多模光纤的一种特例，是本发明中优选的传输信道。与通常的大芯径多模光纤相比，少模光纤支持的模式数有限且很少，具有模式耦合和串扰更低，传输距离更远，通信错误率更低等优势。
如图1所示，图1显示为本发明中基于模式编码的量子密钥分发方法的流程方框示意图。本发明提供了一种基于模式编码的量子密钥分发方法，包括步骤：S1、出射光信号；S2、将多种信号模式的所述光信号通过多模光纤信道发送；S3、从所述多模光纤信道接收所述光信号，并将所述光信号进行模式解码；探测模式解码后的所述光信号的模式获取比特信息。进一步地，所述步骤S2还包括：将所述光信号进行衰减至单光子量级。在一优选实施例中，光信号通过模式编码转换成所需信号模式的光信号，并通过多模光纤信道发送；发送端使用一个激光器出射光信号，出射光模式为基模。在随机数的控制下，优选为量子随机数的控制下，模式转换器将基模信号随机转换成所需的模式输出。发送端调制后的光信号通过多模光纤信道传输给接收端。接收端对从多模光纤信道中接收到的光信号进行模式解码。在一优选实施例中，接收端使用一个模式转换器进行主动解码，模式转换器包括一个输入端口和一个输出端口，输入端口和光纤信道相连接，输出端口和量子探测单元相连。在随机数的控制下，优选为量子随机数的控制下，该模式转换器选择其中某个模式转换成基模输出，其他模式不输出。接收端根据量子探测单元的计数和对应的随机数即可获得解码信息。发送端也可以使用弱相干光产生单光子信号，在这种情况下需要使用光衰减器将发送端出射激光衰减到单光子量级。这种情况也应视为本发明保护范围。以下以N＝4为例进行说明，发送端选择N＝4个模式进行量子信号传递。如果随机数为00，则模式转换器将基模信号转换成模式1输出。注意模式1信号可以与基模信号相同。如果随机数为01，则模式转换器将基模信号转换成模式2输出。如果随机数为10，则模式转换器将基模信号转换成模式3输出。如果随机数为11，则模式转换器将基模信号转换成模式4输出。同理，此时接收端接收到的信号中可能包含四种模式。当随机数为00时，模式转换器允许模式1通过，并转换成基模输出，其它模式信号不输出，如果量子探测单元测量到光信号，那么接收端获取的比特信息为00；当随机数为01时，模式转换器允许模式2通过，并转换成基模输出，其它模式信号不输出，如果量子探测单元测量到光信号，那么接收端获取的比特信息为01；当随机数为10时，模式转换器允许模式3通过，并转换成基模输出，其它模式信号不输出，如果量子探测单元测量到光信号，那么接收端获取的比特信息为10；当随机数为11时，模式转换器允许模式4通过，并转换成基模输出，其它模式信号不输出，如果量子探测单元测量到光信号，那么接收端获取的比特信息为11。
在本发明的一实施例中，所述步骤S1中出射的所述光信号为基模信号，所述步骤S2还包括：所述基模信号被分配至至少一个路径，在随机数的控制下，优选为量子随机数的控制下，在一时刻中将其中一个路径的所述基模信号随机转换成所需信号模式的光信号并输出，其他路径的所述基模信号不进行转换和输出。
在一实施例中，使用一个模式转换复用器，模式转换复用器包括N个输入端口和一个输出端口；输入端口接收的光信号均为基模；当光信号从不同的端口输入会转换成不同的模式从同一个输出端口输出。模式为基模的光信号从第一输入端口输入，转换成模式1从输出端口输出；模式为基模的光信号从第二输入端口输入，转换成模式2从输出端口输出；以此类推，模式为基模的光信号从第N个输入端口输入，转换成模式N从输出端口输出。发送端使用一个激光器出射光信号。该信号为基模模式，输入一个路径控制器。该路径控制器具有一个输入端口和N个输出端口，可以主动控制输入光从哪一个输出端口输出。在随机数的控制下，优选为量子随机数的控制下，路径控制器随机选择连通不同端口。路径控制器的N个输出端口分别与模式转换复用器的N个输入端口相连接。输入的基模信号经过模式转换复用器转换成相应的模式从模式转换复用器输出端口输出，进入多模光纤信道传送给接收端。发送端也可以使用弱相干光产生单光子信号，在这种情况下需要使用光衰减器将发送端出射的光信号衰减到单光子量级。这种情况也应视为本发明保护范围。本实施例中路径控制器应理解为具有不同路径选择功能的器件，可以使用光开关、强度调制器等实现，优选为使用光开关。以下以N＝4为例进行说明，发送端选择N＝4个模式进行量子信号传递。如果随机数为00，则路径控制器接通输出通道1，将基模信号输入模式转换复用器输入端口1，并通过模式转换复用器转换成模式1输出。注意模式1信号可以与基模信号相同。如果随机数为01，则路径控制器接通输出通道2，将基模信号输入模式转换复用器输入端口2，并通过模式转换复用器转换成模式2输出。如果随机数为10，则路径控制器接通输出通道3，将基模信号输入模式转换复用器输入端口3，并通过模式转换复用器转换成模式3输出。如果随机数为11，则路径控制器接通输出通道4，将基模信号输入模式转换复用器输入端口4，并通过模式转换复用器转换成模式4输出。
在另一实施例中，使用一个激光器出射光信号，经过分束器之后平均分为N路。该分束器具有1个输入端口和N个输出端口，输入端口和激光器相连接，N个输出端口分别和N个路径控制器的N个输入端口相连接；分束器将输入的光信号按照功率平均分成N路分别从N个输出端口输出。本实施例中使用N个路径控制器，每个路径控制器具有1个输入端口和1个输出端口，输入端口与对应的一个分束器的输出端口连接，输出端口与模式转换器输入端口连接；路径控制器可以主动切换通光或者不通光状态。同一时刻，在随机数的控制之下，优选为量子随机数的控制下，只有一个路径控制器处于通光状态，其余N-1个路径控制器处于不通光状态。从路径控制器出射的基模光信号通过模式转换器之后转换成相应模式的光信号，再通过模式复用器合成一路输出，进入多模光纤信道传送给接收端。本实施例中路径控制器应理解为具有不同路径控制功能的器件，可以使用光开关、强度调制器等实现，优选为使用光开关。在这种情况下需要使用光衰减器将发送端出射的光信号衰减到单光子量级。这种情况也应视为本发明保护范围。以下以N＝4为例进行说明，发送端选择N＝4个模式进行量子信号传递。如果随机数为00，则路径控制器1通光，其余3个路径控制器不通光，将基模信号输入模式转换器1转换成模式1信号，经过模式复用器输出进入多模光纤信道。注意模式1信号可以与基模信号相同。如果随机数为01，则路径控制器2通光，其余3个路径控制器不通光，将基模信号输入模式转换器2转换成模式2信号，经过模式复用器输出进入多模光纤信道。如果随机数为10，则路径控制器3通光，其余3个路径控制器不通光，将基模信号输入模式转换器3转换成模式3信号，经过模式复用器输出进入多模光纤信道。如果随机数为11，则路径控制器4通光，其余3个路径控制器不通光，将基模信号输入模式转换器4转换成模式4信号，经过模式复用器输出进入多模光纤信道。本实施例中路径控制器的位置和模式转换器的位置可以互换，既可以先经过路径控制器再经过模式转换器，也可以先经过模式转换器再经过路径控制器。不同路径之间路径控制器和模式转换器位置可以任意选择，比如模式1中路径控制器在前，模式转换器在后，模式2中模式转换器在前，路径控制器在后，以此类推，模式N中模式转换器在前，路径控制器在后。
在本实施例的另一实施方案中，使用一个模式转换复用器代替了上一实施例中的N个模式转换器和1个模式复用器。模式转换复用器具有N个输入端口和1个输出端口；N个输入端口分别与N个路径控制器的输出端口相连接；N个输入端口的光信号均为基模信号；模式转换复用器将不同输入端口的输入光转换成相应模式的光从输出端口输出，进入多模光纤信道。激光器出射的光信号经过分束器平均分为N路，分别经过N个路径控制器。在随机数的控制下，优选为量子随机数的控制下，同一时刻只有1个路径控制器通光，其余N-1个路径控制器不通光。经过路径控制器之后的光信号输入模式转换复用器，根据输入端口的不同转换成相应的模式输出，进入多模光纤信道传送给接收端。本实施例中路径控制器应理解为具有不同路径控制功能的器件，可以使用光开关、强度调制器等实现，优选为使用光开关。
在本发明的一实施例中，所述步骤S1还包括：出射多种模式信号的所述光信号；在随机数的控制下，优选为量子随机数的控制下，在一时刻中出射的所述光信号为多种模式信号中的一种模式信号；所述步骤S2还包括：将不同的模式信号的所述光信号合成一路输出。在本实施例中，发送端分别使用多个激光器出射光信号，每个激光器出射的光信号的模式各不相同，如激光器1出射光信号为模式1，激光器2出射光信号为模式2，以此类推，激光器N出射光信号为模式N。这些激光器由随机数控制，优选为由量子随机数控制，在同一时刻，只有一个激光器出光，其余N-1个激光器均不出光。不同激光器出射的不同模式的激光通过模式复用器合成1路输出，进入多模光纤信道传送给接收端。
本实施例中使用的模式复用器具有N个输入端口和1个输出端口；N个输入端口分别与N个激光器对应连接，输出端口与多模光纤信道连接；不同输入端口能够接收的输入光的模式不同，如输入端口1只能接收模式1光输入；不同端口的输入光均从输出端口输出，且保持光信号的模式不变。发送端也可以使用弱相干光产生单光子信号，在这种情况下需要使用光衰减器将发送端出射的光信号衰减到单光子量级。这种情况也应视为本发明保护范围。以下以N＝4为例进行说明，发送端选择N＝4个模式进行量子信号传递。如果随机数为00，则激光器1出射光信号，出射模式为模式1，通过模式复用器输出进入多模光纤信道；如果随机数为01，则激光器2出射光信号，出射模式为模式2，通过模式复用器输出进入多模光纤信道；如果随机数为10，则激光器3出射光信号，出射模式为模式3，通过模式复用器输出进入多模光纤信道；如果随机数为11，则激光器4出射光信号，出射模式为模式4，通过模式复用器输出进入多模光纤信道。
在本发明的一实施例中，所述步骤S1还包括：从多个路径出射信号模式为基模的所述光信号，在随机数的控制下，优选为量子随机数的控制下，在一时刻中从其中一个路径出射所述基模信号；所述步骤S2还包括：将不同路径的所述基模信号转换成不同的模式信号的所述光信号，并将不同的模式信号的所述光信号合成一路输出。
在本实施例中，发送端使用不同的激光器分别出射光信号，这些信号的模式均为基模。这些激光器由随机数控制，优选为量子随机数的控制下，在同一时刻，只有一个激光器出光，其余N-1个激光器均不出光。不同激光器出射的基模光信号通过相应的模式转换器转换成对应的模式，再经过模式复用器合成1路输出，进入多模光纤信道传送给接收端。本实施例中使用的模式复用器具有N个输入端口和1个输出端口；N个输入端口分别与N个激光器相应的模式转换器连接，输出端口与多模光纤信道连接；不同输入端口能够接收的输入光的模式不同，如输入端口1只能接收模式1光输入；不同端口的输入光均从输出端口输出，且保持光模式不变。发送端也可以使用弱相干光产生单光子信号，在这种情况下需要使用光衰减器将发送端出射的光信号衰减到单光子量级。这种情况也应视为本发明保护范围。以下以N＝4为例进行说明，发送端选择N＝4个模式进行量子信号传递。如果随机数为00，则激光器1出射光信号，通过模式转换器1转换成模式1，再经过模式复用器输出进入多模光纤信道；如果随机数为01，则激光器2出射光信号，通过模式转换器2转换成模式2，再经过模式复用器输出进入多模光纤信道；如果随机数为10，则激光器3出射光信号，通过模式转换器3转换成模式3，再经过模式复用器输出进入多模光纤信道；如果随机数为11，则激光器4出射光信号，通过模式转换器4转换成模式4，再经过模式复用器输出进入多模光纤信道。
在本实施例的另一实施方案中，发送端使用不同的激光器分别出射光信号。这些激光器出射的光信号均为基模。这些激光器由随机数控制，优选为量子随机数的控制下，在同一时刻，只有一个激光器出光，其余N-1个激光器均不出光。不同激光器出射的基模光信号输入模式转换复用器，根据输入端口不同转换成相应模式并合成1路输出，进入多模光纤信道传送给接收端。
本实施例中使用的模式转换复用器具有N个输入端口和1个输出端口；N个输入端口分别与N个激光器连接，输出端口与多模光纤信道连接；所有输入端口能够接收的输入光均为基模模式；不同端口的输入光转换成相应的模式，均从输出端口输出，如从端口1输入基模光则转换成模式1从输出端口输出，从端口2输入基模光则转换成模式2从输出端口输出。
发送端也可以使用弱相干光产生单光子信号，在这种情况下需要使用光衰减器将发送端出射的光信号衰减到单光子量级。这种情况也应视为本发明保护范围。以下以N＝4为例进行说明，发送端选择N＝4个模式进行量子信号传递。如果随机数为00，则激光器1出射光信号，输入模式转换复用器的输入端口1，转换成模式1，再从模式转换复用器输出端口进入多模光纤信道；如果随机数为01，则激光器2出射光信号，输入模式转换复用器的输入端口2，转换成模式2，再从模式转换复用器输出端口进入多模光纤信道；如果随机数为10，则激光器3出射光信号，输入模式转换复用器的输入端口3，转换成模式3，再从模式转换复用器输出端口进入多模光纤信道；如果随机数为11，则激光器4出射光信号，输入模式转换复用器的输入端口4，转换成模式4，再从模式转换复用器输出端口进入多模光纤信道。
在本发明的一实施例中，所述步骤S3还包括：根据输入模式将不同的信号模式转换成基模后从不同的路径输出，对对应的路径进行量子探测，并根据探测的编号和相应的探测结果获取解码信息。本实施例一个实施方案中，接收端选择被动解码方式。从光纤信道接收到的光信号先经过一个模式复用器。该模式复用器具有1个输入端口和N个输出端口；模式复用器保持模式不变，根据输入模式将不同信号从不同的输出端口输出。输出信号再经过相应的模式转换器，转换成基模信号进行量子探测。接收端根据探测器编号和相应的探测结果可以获取解码信息。以下以N＝4为例进行说明，发送端选择N＝4个模式进行量子信号传递，接收端接收到的信号中可能包含四种模式。模式1从模式复用器输出端口1输出，进入模式转换器1，转换成基模进入量子探测器1探测；模式2从模式复用器输出端口2输出，进入模式转换器2，转换成基模进入量子探测器2探测；模式3从模式复用器输出端口3输出，进入模式转换器3，转换成基模进入量子探测器3探测；模式4从模式复用器输出端口4输出，进入模式转换器4，转换成基模进入量子探测器4探测。某一个时刻，如果量子探测器1探测到光信号，那么接收端获取的比特信息为00；如果量子探测器2探测到光信号，那么接收端获取的比特信息为01；如果量子探测器3探测到光信号，那么接收端获取的比特信息为10；如果量子探测器4探测到光信号，那么接收端获取的比特信息为11。
在另一实施方案中，接收端选择被动解码方式。从光纤信道接收到的光信号先经过一个模式转换复用器。该模式转换复用器具有1个输入端口和N个输出端口；根据输入模式将不同输入信号转换成基模并从不同的输出端口输出。输出的基模信号直接进入量子探测单元进行量子探测。接收端根据探测器编号和相应的探测结果可以获取解码信息。以下以N＝4为例进行说明，发送端选择N＝4个模式进行量子信号传递，接收端接收到的信号中可能包含四种模式。模式1转换成基模并从模式转换复用器输出端口1输出，进入量子探测器1探测；模式2转换成基模并从模式转换复用器输出端口2输出，进入量子探测器2探测；模式3转换成基模并从模式转换复用器输出端口3输出，进入量子探测器3探测；模式4转换成基模并从模式转换复用器输出端口4输出，进入量子探测器4探测。某一个时刻，如果量子探测器1探测到光信号，那么接收端获取的比特信息为00；如果量子探测器2探测到光信号，那么接收端获取的比特信息为01；如果量子探测器3探测到光信号，那么接收端获取的比特信息为10；如果量子探测器4探测到光信号，那么接收端获取的比特信息为11。
在本发明的一实施例中，所述步骤S3还包括：根据输入模式将不同的信号模式转换成基模后从不同的路径输出，输出的基模信号合成一束后进行量子探测，根据所述光信号到达时间和探测结果获取解码信息。本实施例一个实施方案中，接收端选择被动解码方式。从光纤信道接收到的光信号先经过一个模式复用器进行模式解复用。该模式复用器具有1个输入端口和N个输出端口；模式复用器保持模式不变，根据输入模式将不同信号从不同的输出端口输出。输出信号再经过相应的模式转换器，转换成基模信号，再经过延时器经过适当延时之后，输入同一个量子探测单元进行探测。接收端根据光信号的到达时间来区分光信号在信道中传输时使用的模式。根据光信号到达时间和相应的探测结果可以获取解码信息。以下以N＝4为例进行说明，发送端选择N＝4个模式进行量子信号传递，接收端接收到的信号中可能包含四种模式。接收端将光子到达时间分成时间段1到时间段4共四份。模式1从模式复用器输出端口1输出，进入模式转换器1，转换成基模信号，再经过延时器1延时之后，进入量子探测单元探测，延时器1设置为合适值使模式1光信号在时间段1范围内到达探测器；模式2从模式复用器输出端口2输出，进入模式转换器2，转换成基模信号，再经过延时器2延时之后，进入量子探测单元探测，延时器2设置为合适值使模式2光信号在时间段2范围内到达探测器；模式3从模式复用器输出端口3输出，进入模式转换器3，转换成基模信号，再经过延时器3延时之后，进入量子探测单元探测，延时器3设置为合适值使模式3光信号在时间段3范围内到达探测器；模式4从模式复用器输出端口4输出，进入模式转换器4，转换成基模信号，再经过延时器4延时之后，进入量子探测单元探测，延时器4设置为合适值使模式4光信号在时间段4范围内到达探测器。如果量子探测单元在时间段1探测到光信号，那么接收端获取的比特信息为00；如果量子探测单元在时间段2探测到光信号，那么接收端获取的比特信息为01；如果量子探测单元在时间段3探测到光信号，那么接收端获取的比特信息为10；如果量子探测单元在时间段4探测到光信号，那么接收端获取的比特信息为11。本发明中提到的延时器可以使用光延时器或者光电延时器实现。一个优选的方案为使用不同长度的光纤作为延时器，光纤长度根据所需的延时时间计算。光在光纤中传输速度为0.2米/纳秒，如果需要延时1纳秒，那么所需的光纤长度为0.2米。本实施例还可以通过集束器先将延时之后的不同路径信号合成一束之后再输入量子探测单元。该集束器可以使用具有至少N个输入端口和至少一个输出端口的集束器实现，或者使用端口数较少的集束器级联实现。本实施例还可以通过路径控制器实现。该路径控制器至少具有N个输入端口和1个输出端口，在外加电信号的控制下选择其中一条路径连通，该路径的光信号输入量子探测单元，其余的路径不通光。该路径控制器可使用光开光、强度调制器等实现，优选为光开关。本实施例还可以通过N个路径控制器实现。该路径控制器至少具有1个输入端口和1个输出端口，在外加电信号的控制下选择路径通光或者不通光。某一时刻N个路径控制器只有一个通光，该路径光信号输入量子探测单元，其余的路径不通光。该路径控制器可使用光开光、强度调制器等实现，优选为光开关。
在另一实施方案中，接收端选择被动解码方式。从光纤信道接收到的光信号先经过一个模式转换复用器。该模式转换复用器具有1个输入端口和N个输出端口；根据输入模式将不同输入信号转换成基模并从不同的输出端口输出。输出的基模信号经过相应的延时器延时之后，进入同一个量子探测单元进行探测。接收端根据光信号的到达时间来区分光信号在信道中传输时使用的模式。根据光信号到达时间和相应的探测结果可以获取解码信息。以下以N＝4为例进行说明，发送端选择N＝4个模式进行量子信号传递，接收端接收到的信号中可能包含四种模式。接收端将光子到达时间分成时间段1到时间段4共四份。模式1转换成基模信号并从模式转换复用器输出端口1输出，再经过延时器1延时之后，进入量子探测单元探测，延时器1设置为合适值使模式1光信号在时间段1范围内到达探测器；模式2转换成基模信号并从模式转换复用器输出端口2输出，再经过延时器2延时之后，进入量子探测单元探测，延时器2设置为合适值使模式2光信号在时间段2范围内到达探测器；模式3转换成基模信号并从模式转换复用器输出端口3输出，再经过延时器3延时之后，进入量子探测单元探测，延时器3设置为合适值使模式3光信号在时间段3范围内到达探测器；模式4转换成基模信号并从模式转换复用器输出端口4输出，再经过延时器4延时之后，进入量子探测单元探测，延时器4设置为合适值使模式4光信号在时间段4范围内到达探测器。如果量子探测单元在时间段1探测到光信号，那么接收端获取的比特信息为00；如果量子探测单元在时间段2探测到光信号，那么接收端获取的比特信息为01；如果量子探测单元在时间段3探测到光信号，那么接收端获取的比特信息为10；如果量子探测单元在时间段4探测到光信号，那么接收端获取的比特信息为11。本发明中提到的延时器可以使用光延时器或者光电延时器实现。一个优选的方案为使用不同长度的光纤作为延时器，光纤长度根据所需的延时时间计算。光在光纤中传输速度为0.2米/纳秒，如果需要延时1纳秒，那么所需的光纤长度为0.2米。
本实施例还可以通过集束器先将延时之后的不同路径信号合成一束之后再输入量子探测单元。该集束器可以使用具有至少N个输入端口和至少一个输出端口的集束器实现，或者使用端口数较少的集束器级联实现。本实施例还可以通过路径控制器实现。该路径控制器至少具有N个输入端口和1个输出端口，在外加电信号的控制下选择其中一条路径连通，该路径的光信号输入量子探测单元，其余的路径不通光。该路径控制器可使用光开光、强度调制器等实现，优选为光开关。本实施例还可以通过N个路径控制器实现。该路径控制器至少具有1个输入端口和1个输出端口，在外加电信号的控制下选择路径通光或者不通光。某一时刻N个路径控制器只有一个通光，该路径光信号输入量子探测单元，其余的路径不通光。该路径控制器可使用光开光、强度调制器等实现，优选为光开关。
如图2所示，图2显示为本发明中基于模式编码的量子密钥分发系统中发送端的结构示意图。本发明还提供了一种基于模式编码的量子密钥分发系统中的发送端，通过多模光纤信道发送信号；所述发送端包括光源模块和编码单元，所述光源模块和所述编码单元相连，所述编码单元和所述多模光纤信道相连通，所述光源模块出射光信号至所述编码单元，所述编码单元将所述光信号编码后通过所述多模光纤信道向外发送。具体实施方式与下方基于模式编码的量子密钥分发系统中的发送端的相应实施例相同，此处不再赘述。
如图3所示，图3显示为本发明中基于模式编码的量子密钥分发系统中接收端的结构示意图。本发明还提供了一种基于模式编码的量子密钥分发系统中的接收端，通过多模光纤信道接收信号，所述接收端包括解码单元和量子探测单元；所述解码单元和所述多模光纤信道相连通，所述解码单元和所述量子探测单元相连；所述解码单元接收所述多模光纤信道传输的光信号，所述解码单元将所述光信号解码后经所述量子探测单元探测后获取解码信息。具体实施方式与下方基于模式编码的量子密钥分发系统中的接收端的相应实施例相同，此处不再赘述。
如图4所示，图4显示为本发明中基于模式编码的量子密钥分发系统的结构示意图。本发明还提供了一种基于模式编码的量子密钥分发系统，包括通过多模光纤信道连接的发送端和接收端；所述发送端发出的光信号通过所述多模光纤信道发送至所述接收端；所述发送端包括光源模块和编码单元；所述接收端包括解码单元和量子探测单元；所述光源模块和所述编码单元相连，所述编码单元和所述解码单元通过所述多模光纤信道相连，所述量子探测单元和所述解码单元相连；所述光源模块出射光信号至所述编码单元，所述编码单元将所述光信号编码后发送至所述解码单元，所述解码单元将所述光信号解码后经所述量子探测单元探测后获取解码信息。进一步地，所述量子密钥分发系统还包括用于将所述光信号进行衰减至单光子量级的光衰减器。在一优选实施例中，发送端使用一个激光器出射光信号，出射光模式为基模。在随机数的控制下，优选为量子随机数的控制下，模式转换器将基模信号随机转换成所需的模式输出。发送端调制后的光信号通过多模光纤信道传输给接收端。接收端对从多模光纤信道中接收到的光信号进行模式解码。在一优选实施例中，接收端使用一个模式转换器进行主动解码，模式转换器包括一个输入端口和一个输出端口，输入端口和光纤信道相连接，输出端口和量子探测单元相连。在随机数的控制下，优选为量子随机数的控制下，该模式转换器选择其中某个模式转换成基模输出，其他模式不输出。接收端根据量子探测单元的计数和对应的随机数即可获得解码信息。发送端也可以使用弱相干光产生单光子信号，在这种情况下需要使用光衰减器将发送端出射激光衰减到单光子量级。这种情况也应视为本发明保护范围。以下以N＝4为例进行说明，发送端选择N＝4个模式进行量子信号传递。如果随机数为00，则模式转换器将基模信号转换成模式1输出。注意模式1信号可以与基模信号相同。如果随机数为01，则模式转换器将基模信号转换成模式2输出。如果随机数为10，则模式转换器将基模信号转换成模式3输出。如果随机数为11，则模式转换器将基模信号转换成模式4输出。同理，此时接收端接收到的信号中可能包含四种模式。当随机数为00时，模式转换器允许模式1通过，并转换成基模输出，其它模式信号不输出，如果量子探测单元测量到光信号，那么接收端获取的比特信息为00；当随机数为01时，模式转换器允许模式2通过，并转换成基模输出，其它模式信号不输出，如果量子探测单元测量到光信号，那么接收端获取的比特信息为01；当随机数为10时，模式转换器允许模式3通过，并转换成基模输出，其它模式信号不输出，如果量子探测单元测量到光信号，那么接收端获取的比特信息为10；当随机数为11时，模式转换器允许模式4通过，并转换成基模输出，其它模式信号不输出，如果量子探测单元测量到光信号，那么接收端获取的比特信息为11。
在本发明的一实施例中，所述光源模块包括一激光器，所述激光器出射信号模式为基模的所述光信号；所述编码单元包括路径控制器和第一模式复用装置；所述路径控制器的输入端口和所述激光器的输出端口相连，所述路径控制器的多个输出端口分别连接所述第一模式复用装置的多个输入端口，所述第一模式复用装置的输出端口和所述多模光纤信道相连。使用时，所述路径控制器在随机数的控制下，优选为量子随机数的控制下，在一时刻中选择其中一个所述输出端口的所述基模信号发送至所述第一模式复用装置，所述第一模式复用装置根据选择的所述输入端口将所述基模信号转换成所需信号模式的光信号并输出，其他路径的所述基模信号不进行转换和输出。如图5所示，图5显示为本发明中发送端第一实施例的结构示意图。在此实施例中，使用一个模式转换复用器，模式转换复用器包括N个输入端口和一个输出端口；输入端口接收的光信号均为基模；当光信号从不同的端口输入会转换成不同的模式从同一个输出端口输出。模式为基模的光信号从第一输入端口输入，转换成模式1从输出端口输出；模式为基模的光信号从第二输入端口输入，转换成模式2从输出端口输出；以此类推，模式为基模的光信号从第N个输入端口输入，转换成模式N从输出端口输出。发送端使用一个激光器出射光信号。该信号为基模模式，输入一个路径控制器。该路径控制器具有一个输入端口和N个输出端口，可以主动控制输入光从哪一个输出端口输出。在随机数的控制下，优选为量子随机数的控制下，路径控制器随机选择连通不同端口。路径控制器的N个输出端口分别与模式转换复用器的N个输入端口相连接。输入的基模信号经过模式转换复用器转换成相应的模式从模式转换复用器输出端口输出，进入多模光纤信道传送给接收端。发送端也可以使用弱相干光产生单光子信号，在这种情况下需要使用光衰减器将发送端出射的光信号衰减到单光子量级。这种情况也应视为本发明保护范围。本实施例中路径控制器应理解为具有不同路径选择功能的器件，可以使用光开关、强度调制器等实现，优选为使用光开关。以下以N＝4为例进行说明，发送端选择N＝4个模式进行量子信号传递。如果随机数为00，则路径控制器接通输出端口1，将基模信号输入模式转换复用器输入端口1，并通过模式转换复用器转换成模式1输出。注意模式1信号可以与基模信号相同。如果随机数为01，则路径控制器接通输出端口2，将基模信号输入模式转换复用器输入端口2，并通过模式转换复用器转换成模式2输出。如果随机数为10，则路径控制器接通输出端口3，将基模信号输入模式转换复用器输入端口3，并通过模式转换复用器转换成模式3输出。如果随机数为11，则路径控制器接通输出端口4，将基模信号输入模式转换复用器输入端口4，并通过模式转换复用器转换成模式4输出。
在本发明的一实施例中，所述光源模块包括一激光器，所述激光器出射信号模式为基模的所述光信号；所述编码单元包括分束器、多个第一路径控制器和第一模式复用装置；所述激光器的输出端和所述分束器相连，所述分束器的多个输出端分别和多个所述第一路径控制器的输入端一一相连，所述第一路径控制器的输出端分别连接所述第一模式复用装置的多个输入端口，所述第一模式复用装置的输出端口和所述多模光纤信道相连。
如图6所示，图6显示为本发明中发送端第二实施例的结构示意图。如图6所示，在此实施例中，使用一个激光器出射光信号，经过分束器之后平均分为N路。该分束器具有1个输入端口和N个输出端口，输入端口和激光器相连接，N个输出端口分别和N个路径控制器的N个输入端口相连接；分束器将输入的光信号按照功率平均分成N路分别从N个输出端口输出。本实施例中使用N个路径控制器，每个路径控制器具有1个输入端口和1个输出端口，输入端口与对应的一个分束器的输出端口连接，输出端口与模式转换器输入端口连接；路径控制器可以主动切换通光或者不通光状态。同一时刻，在随机数的控制之下，优选为量子随机数的控制下，只有一个路径控制器处于通光状态，其余N-1个路径控制器处于不通光状态。从路径控制器出射的基模光信号通过模式转换器之后转换成相应模式的光信号，再通过模式复用器合成一路输出，进入多模光纤信道传送给接收端。本实施例中路径控制器应理解为具有不同路径控制功能的器件，可以使用光开关、强度调制器等实现，优选为使用光开关。在这种情况下需要使用光衰减器将发送端出射的光信号衰减到单光子量级。这种情况也应视为本发明保护范围。以下以N＝4为例进行说明，发送端选择N＝4个模式进行量子信号传递。如果随机数为00，则路径控制器1通光，其余3个路径控制器不通光，将基模信号输入模式转换器1转换成模式1信号，经过模式复用器输出进入多模光纤信道。注意模式1信号可以与基模信号相同。如果随机数为01，则路径控制器2通光，其余3个路径控制器不通光，将基模信号输入模式转换器2转换成模式2信号，经过模式复用器输出进入多模光纤信道。如果随机数为10，则路径控制器3通光，其余3个路径控制器不通光，将基模信号输入模式转换器3转换成模式3信号，经过模式复用器输出进入多模光纤信道。如果随机数为11，则路径控制器4通光，其余3个路径控制器不通光，将基模信号输入模式转换器4转换成模式4信号，经过模式复用器输出进入多模光纤信道。
如图7所示，图7显示为本发明中发送端第三实施例的结构示意图。本实施例与发送端第二实施例相比，路径控制器的位置和模式转换器的位置互换，其工作原理相同，此处不再赘述，由此可见，既可以先经过路径控制器再经过模式转换器，也可以先经过模式转换器再经过路径控制器。不同路径之间路径控制器和模式转换器位置可以任意选择，比如模式1中路径控制器在前，模式转换器在后，模式2中模式转换器在前，路径控制器在后，以此类推，模式N中模式转换器在前，路径控制器在后。
如图8所示，图8显示为本发明中发送端第四实施例的结构示意图。在此实施例中，使用一个模式转换复用器代替了第二实施例中的N个模式转换器和1个模式复用器。模式转换复用器具有N个输入端口和1个输出端口；N个输入端口分别与N个路径控制器的输出端口相连接；N个输入端口的光信号均为基模信号；模式转换复用器将不同输入端口的输入光转换成相应模式的光从输出端口输出，进入多模光纤信道。激光器出射的光信号经过分束器平均分为N路，分别经过N个路径控制器。在随机数的控制下，优选为量子随机数的控制下，同一时刻只有1个路径控制器通光，其余N-1个路径控制器不通光。经过路径控制器之后的光信号输入模式转换复用器，根据输入端口的不同转换成相应的模式输出，进入多模光纤信道传送给接收端。本实施例中路径控制器应理解为具有不同路径控制功能的器件，可以使用光开关、强度调制器等实现，优选为使用光开关。
本发明的一实施例中，所述光源模块包括多个激光器，多个所述激光器在随机数的控制下，优选为量子随机数的控制下，分别出射不同模式的所述光信号；所述编码单元为模式复用器；每个所述激光器的输出端口均和所述模式复用器的输入端口相连；所述模式复用器的输出端口和所述多模光纤信道相连。如图9所示，图9显示为本发明中发送端第五实施例的结构示意图。本实施例中，发送端分别使用多个激光器出射光信号，每个激光器出射的光信号的模式各不相同，如激光器1出射光信号为模式1，激光器2出射光信号为模式2，以此类推，激光器N出射光信号为模式N。这些激光器在随机数的控制下，优选为量子随机数的控制下，在同一时刻，只有一个激光器出光，其余N-1个激光器均不出光。不同激光器出射的不同模式的激光通过模式复用器合成1路输出，进入多模光纤信道传送给接收端。本实施例中使用的模式复用器具有N个输入端口和1个输出端口；N个输入端口分别与N个激光器对应连接，输出端口与多模光纤信道连接；不同输入端口能够接收的输入光的模式不同，如输入端口1只能接收模式1光输入；不同端口的输入光均从输出端口输出，且保持光模式不变。发送端也可以使用弱相干光产生单光子信号，在这种情况下需要使用光衰减器将发送端出射的光信号衰减到单光子量级。这种情况也应视为本发明保护范围。以下以N＝4为例进行说明，发送端选择N＝4个模式进行量子信号传递。如果随机数为00，则激光器1出射光信号，出射模式为模式1，通过模式复用器输出进入多模光纤信道；如果随机数为01，则激光器2出射光信号，出射模式为模式2，通过模式复用器输出进入多模光纤信道；如果随机数为10，则激光器3出射光信号，出射模式为模式3，通过模式复用器输出进入多模光纤信道；如果随机数为11，则激光器4出射光信号，出射模式为模式4，通过模式复用器输出进入多模光纤信道。
在本发明的一实施例中，所述光源模块包括多个激光器，多个所述激光器在随机数的控制下，优选为量子随机数的控制下，分别在不同时刻出射信号模式为基模的所述光信号；所述编码单元包括第一模式复用装置；多个所述激光器的输出端口分别和所述第一模式复用装置的多个输入端口一一对应相连，所述第一模式复用装置的输出端口和所述多模光纤信道相连。
如图10所示，图10显示为本发明中发送端第六实施例的结构示意图。本实施例中，发送端使用不同的激光器分别出射光信号，这些信号的模式均为基模。这些激光器在随机数的控制下，优选为量子随机数的控制下，在同一时刻，只有一个激光器出光，其余N-1个激光器均不出光。不同激光器出射的基模光信号通过相应的模式转换器转换成对应的模式，再经过模式复用器合成1路输出，进入多模光纤信道传送给接收端。本实施例中使用的模式复用器具有N个输入端口和1个输出端口；N个输入端口分别与N个模式转换器连接，输出端口与多模光纤信道连接；不同输入端口能够接收的输入光的模式不同，如输入端口1只能接收模式1光输入；不同端口的输入光均从输出端口输出，且保持光模式不变。发送端也可以使用弱相干光产生单光子信号，在这种情况下需要使用光衰减器将发送端出射的光信号衰减到单光子量级。这种情况也应视为本发明保护范围。以下以N＝4为例进行说明，发送端选择N＝4个模式进行量子信号传递。如果随机数为00，则激光器1出射光信号，通过模式转换器1转换成模式1，再经过模式复用器输出进入多模光纤信道；如果随机数为01，则激光器2出射光信号，通过模式转换器2转换成模式2，再经过模式复用器输出进入多模光纤信道；如果随机数为10，则激光器3出射光信号，通过模式转换器3转换成模式3，再经过模式复用器输出进入多模光纤信道；如果随机数为11，则激光器4出射光信号，通过模式转换器4转换成模式4，再经过模式复用器输出进入多模光纤信道。
如图11所示，图11显示为本发明中发送端第七实施例的结构示意图。本实施例中，发送端使用不同的激光器分别出射光信号。这些激光器出射的光信号均为基模。这些激光器在随机数的控制下，优选为量子随机数的控制下，在同一时刻，只有一个激光器出光，其余N-1个激光器均不出光。不同激光器出射的基模光信号输入模式转换复用器，根据输入端口不同转换成相应模式并合成1路输出，进入多模光纤信道传送给接收端。
本实施例中使用的模式转换复用器具有N个输入端口和1个输出端口；N个输入端口分别与N个激光器连接，输出端口与多模光纤信道连接；所有输入端口能够接收的输入光均为基模模式；不同端口的输入光转换成相应的模式，均从输出端口输出，如从端口1输入基模光则转换成模式1从输出端口输出，从端口2输入基模光则转换成模式2从输出端口输出。发送端也可以使用弱相干光产生单光子信号，在这种情况下需要使用光衰减器将发送端出射的光信号衰减到单光子量级。这种情况也应视为本发明保护范围。以下以N＝4为例进行说明，发送端选择N＝4个模式进行量子信号传递。如果随机数为00，则激光器1出射光信号，输入模式转换复用器的输入端口1，转换成模式1，再从模式转换复用器输出端口进入多模光纤信道；如果随机数为01，则激光器2出射光信号，输入模式转换复用器的输入端口2，转换成模式2，再从模式转换复用器输出端口进入多模光纤信道；如果随机数为10，则激光器3出射光信号，输入模式转换复用器的输入端口3，转换成模式3，再从模式转换复用器输出端口进入多模光纤信道；如果随机数为11，则激光器4出射光信号，输入模式转换复用器的输入端口4，转换成模式4，再从模式转换复用器输出端口进入多模光纤信道。
在本发明的一实施例中，所述解码单元包括第二模式复用装置，所述量子探测单元包括多个量子探测器；所述第二模式复用装置的输入端口和所述多模光纤信道相连，所述第二模式复用装置的多个输出端口分别和多个所述量子探测器的输入端口一一对应相连。
如图12和图13所示，图12显示为本发明中接收端第一实施例的结构示意图。图13显示为本发明中接收端第二实施例的结构示意图。如图12所示，在本实施例中，接收端选择被动解码方式。从光纤信道接收到的光信号先经过一个模式复用器。该模式复用器具有1个输入端口和N个输出端口；模式复用器保持模式不变，根据输入模式将不同信号从不同的输出端口输出。输出信号再经过相应的模式转换器，转换成基模信号进行量子探测。接收端根据探测器编号和相应的探测结果可以获取解码信息。以下以N＝4为例进行说明，发送端选择N＝4个模式进行量子信号传递，接收端接收到的信号中可能包含四种模式。模式1从模式复用器输出端口1输出，进入模式转换器1，转换成基模进入量子探测器1探测；模式2从模式复用器输出端口2输出，进入模式转换器2，转换成基模进入量子探测器2探测；模式3从模式复用器输出端口3输出，进入模式转换器3，转换成基模进入量子探测器3探测；模式4从模式复用器输出端口4输出，进入模式转换器4，转换成基模进入量子探测器4探测。某一个时刻，如果量子探测器1探测到光信号，那么接收端获取的比特信息为00；如果量子探测器2探测到光信号，那么接收端获取的比特信息为01；如果量子探测器3探测到光信号，那么接收端获取的比特信息为10；如果量子探测器4探测到光信号，那么接收端获取的比特信息为11。
如图13所示，在另一实施方案中，接收端选择被动解码方式。从光纤信道接收到的光信号先经过一个模式转换复用器。该模式转换复用器具有1个输入端口和N个输出端口；根据输入模式将不同输入信号转换成基模并从不同的输出端口输出。输出的基模信号直接进入量子探测单元进行量子探测。接收端根据探测器编号和相应的探测结果可以获取解码信息。以下以N＝4为例进行说明，发送端选择N＝4个模式进行量子信号传递，接收端接收到的信号中可能包含四种模式。模式1转换成基模并从模式转换复用器输出端口1输出，进入量子探测器1探测；模式2转换成基模并从模式转换复用器输出端口2输出，进入量子探测器2探测；模式3转换成基模并从模式转换复用器输出端口3输出，进入量子探测器3探测；模式4转换成基模并从模式转换复用器输出端口4输出，进入量子探测器4探测。某一个时刻，如果量子探测器1探测到光信号，那么接收端获取的比特信息为00；如果量子探测器2探测到光信号，那么接收端获取的比特信息为01；如果量子探测器3探测到光信号，那么接收端获取的比特信息为10；如果量子探测器4探测到光信号，那么接收端获取的比特信息为11。
在本发明的一实施例中，所述解码单元包括第二模式复用装置和多个延时器；所述量子探测单元为一量子探测器；所述第二模式复用装置的输入端口和所述多模光纤信道相连，所述第二模式复用装置的输出端口和多个所述延时器的输入端口一一对应相连，多个所述延时器的输出端口和所述量子探测器的输入端口相连。进一步地，所述解码单元还包括集束器，所述集束器的输入端口和多个所述延时器的输出端口相连，所述集束器的输出端口和所述量子探测器的输入端口相连。在一优选实施例中，所述解码单元包括第二模式复用装置和路径控制装置；所述量子探测单元为一量子探测器；所述第二模式复用装置的输入端口和所述多模光纤信道相连，所述第二模式复用装置的输出端口和所述路径控制装置的输入端口相连，所述路径控制装置的输出端口和所述量子探测器的输入端口相连。
图14显示为本发明中接收端第三实施例的结构示意图。图15显示为本发明中接收端第四实施例的结构示意图。图16显示为本发明中接收端第五实施例的结构示意图。图17显示为本发明中接收端第六实施例的结构示意图。图18显示为本发明中接收端第七实施例的结构示意图。图19显示为本发明中接收端第八实施例的结构示意图。图20显示为本发明中接收端第九实施例的结构示意图。图21显示为本发明中接收端第十实施例的结构示意图。
如图14所示，本实施例一个实施方案中，接收端选择被动解码方式。从光纤信道接收到的光信号先经过一个模式复用器进行模式解复用。该模式复用器具有1个输入端口和N个输出端口；模式复用器保持模式不变，根据输入模式将不同信号从不同的输出端口输出。输出信号再经过相应的模式转换器，转换成基模信号，再经过延时器经过适当延时之后，输入同一个量子探测器进行探测。接收端根据光信号的到达时间来区分光信号在信道中传输时使用的模式。根据光信号到达时间和相应的探测结果可以获取解码信息。以下以N＝4为例进行说明，发送端选择N＝4个模式进行量子信号传递，接收端接收到的信号中可能包含四种模式。接收端将光子到达时间分成时间段1到时间段4共四份。模式1从模式复用器输出端口1输出，进入模式转换器1，转换成基模信号，再经过延时器1延时之后，进入量子探测器探测，延时器1设置为合适值使模式1光信号在时间段1范围内到达探测器；模式2从模式复用器输出端口2输出，进入模式转换器2，转换成基模信号，再经过延时器2延时之后，进入量子探测器探测，延时器2设置为合适值使模式2光信号在时间段2范围内到达探测器；模式3从模式复用器输出端口3输出，进入模式转换器3，转换成基模信号，再经过延时器3延时之后，进入量子探测器探测，延时器3设置为合适值使模式3光信号在时间段3范围内到达探测器；模式4从模式复用器输出端口4输出，进入模式转换器4，转换成基模信号，再经过延时器4延时之后，进入量子探测器探测，延时器4设置为合适值使模式4光信号在时间段4范围内到达探测器。如果量子探测器在时间段1探测到光信号，那么接收端获取的比特信息为00；如果量子探测器在时间段2探测到光信号，那么接收端获取的比特信息为01；如果量子探测器在时间段3探测到光信号，那么接收端获取的比特信息为10；如果量子探测器在时间段4探测到光信号，那么接收端获取的比特信息为11。本发明中提到的延时器可以使用光延时器或者光电延时器实现。一个优选的方案为使用不同长度的光纤作为延时器，光纤长度根据所需的延时时间计算。光在光纤中传输速度为0.2米/纳秒，如果需要延时1纳秒，那么所需的光纤长度为0.2米。如图15所示，本实施例还可以通过集束器先将延时之后的不同路径信号合成一束之后再输入量子探测器。该集束器可以使用具有至少N个输入端口和至少一个输出端口的集束器实现，或者使用端口数较少的集束器级联实现。如图16所示，本实施例还可以通过路径控制器实现。该路径控制器至少具有N个输入端口和1个输出端口，在外加电信号的控制下选择其中一条路径连通，该路径的光信号输入量子探测器，其余的路径不通光。该路径控制器可使用光开光、强度调制器等实现，优选为光开关。如图17所示，本实施例还可以通过N个路径控制器实现。该路径控制器至少具有1个输入端口和1个输出端口，在外加电信号的控制下选择路径通光或者不通光。某一时刻N个路径控制器只有一个通光，该路径光信号输入量子探测器，其余的路径不通光。该路径控制器可使用光开光、强度调制器等实现，优选为光开关。
如图18所示，在另一实施方案中，接收端选择被动解码方式。从光纤信道接收到的光信号先经过一个模式转换复用器。该模式转换复用器具有1个输入端口和N个输出端口；根据输入模式将不同输入信号转换成基模并从不同的输出端口输出。输出的基模信号经过相应的延时器延时之后，进入同一个量子探测器进行探测。接收端根据光信号的到达时间来区分光信号在信道中传输时使用的模式。根据光信号到达时间和相应的探测结果可以获取解码信息。
以下以N＝4为例进行说明，发送端选择N＝4个模式进行量子信号传递，接收端接收到的信号中可能包含四种模式。接收端将光子到达时间分成时间段1到时间段4共四份。模式1转换成基模信号并从模式转换复用器输出端口1输出，再经过延时器1延时之后，进入量子探测器探测，延时器1设置为合适值使模式1光信号在时间段1范围内到达探测器；模式2转换成基模信号并从模式转换复用器输出端口2输出，再经过延时器2延时之后，进入量子探测器探测，延时器2设置为合适值使模式2光信号在时间段2范围内到达探测器；模式3转换成基模信号并从模式转换复用器输出端口3输出，再经过延时器3延时之后，进入量子探测器探测，延时器3设置为合适值使模式3光信号在时间段3范围内到达探测器；模式4转换成基模信号并从模式转换复用器输出端口4输出，再经过延时器4延时之后，进入量子探测器探测，延时器4设置为合适值使模式4光信号在时间段4范围内到达探测器。如果量子探测器在时间段1探测到光信号，那么接收端获取的比特信息为00；如果量子探测器在时间段2探测到光信号，那么接收端获取的比特信息为01；如果量子探测器在时间段3探测到光信号，那么接收端获取的比特信息为10；如果量子探测器在时间段4探测到光信号，那么接收端获取的比特信息为11。本发明中提到的延时器可以使用光延时器或者光电延时器实现。一个优选的方案为使用不同长度的光纤作为延时器，光纤长度根据所需的延时时间计算。光在光纤中传输速度为0.2米/纳秒，如果需要延时1纳秒，那么所需的光纤长度为0.2米。
如图19所示，本实施例还可以通过集束器先将延时之后的不同路径信号合成一束之后再输入量子探测器。该集束器可以使用具有至少N个输入端口和至少一个输出端口的集束器实现，或者使用端口数较少的集束器级联实现。如图20所示，本实施例还可以通过路径控制器实现。该路径控制器至少具有N个输入端口和1个输出端口，在外加电信号的控制下选择其中一条路径连通，该路径的光信号输入量子探测器，其余的路径不通光。该路径控制器可使用光开光、强度调制器等实现，优选为光开关。如图21所示，本实施例还可以通过N个路径控制器实现。该路径控制器至少具有1个输入端口和1个输出端口，在外加电信号的控制下选择路径通光或者不通光。某一时刻N个路径控制器只有一个通光，该路径光信号输入量子探测器，其余的路径不通光。该路径控制器可使用光开光、强度调制器等实现，优选为光开关。
综上所述，本发明的基于模式编码的量子密钥分发方法和系统，能够大大提高量子通信编码效率和通信成码率。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (20)

1.一种基于模式编码的量子密钥分发方法，其特征在于，包括步骤：
S1、出射光信号；
S2、将通过模式编码转换成所需信号模式的所述光信号通过多模光纤信道发送；其中，使用N个光纤模式进行编码，以获取log2N比特/光子的编码效率；N为大于1的正整数；
S3、从所述多模光纤信道接收所述光信号，并将所述光信号进行模式解码；探测模式解码后的所述光信号的模式获取比特信息；
所述信号模式与所述比特信息具有对应关系。
2.根据权利要求1所述的基于模式编码的量子密钥分发方法，其特征在于，所述步骤S1中出射的所述光信号为基模信号，所述步骤S2还包括：
所述基模信号被分配至至少一个路径，在随机数的控制下，在一时刻中将其中一个路径的所述基模信号随机转换成所需信号模式的光信号并输出，其他路径的所述基模信号不进行转换和输出。
3.根据权利要求1所述的基于模式编码的量子密钥分发方法，其特征在于，所述步骤S1还包括：
出射多种模式信号的所述光信号；在随机数的控制下，在一时刻中出射的所述光信号为多种模式信号中的一种模式信号；
所述步骤S2还包括：
将不同的模式信号的所述光信号合成一路输出。
4.根据权利要求1所述的基于模式编码的量子密钥分发方法，其特征在于，所述步骤S1还包括：
从多个路径出射信号模式为基模的所述光信号，在随机数的控制下，在一时刻中从其中一个路径出射所述基模信号；
所述步骤S2还包括：
将不同路径的所述基模信号转换成不同的模式信号的所述光信号，并将不同的模式信号的所述光信号合成一路输出。
5.根据权利要求1所述的基于模式编码的量子密钥分发方法，其特征在于，所述步骤S3还包括：
根据输入模式将不同的信号模式转换成基模后从不同的路径输出，对对应的路径进行量子探测，并根据探测的编号和相应的探测结果获取解码信息。
6.根据权利要求1所述的基于模式编码的量子密钥分发的方法，其特征在于，所述步骤S3还包括：
根据输入模式将不同的信号模式转换成基模后从不同的路径输出，输出的基模信号合成一束后进行量子探测，根据所述光信号到达时间和探测结果获取解码信息。
7.根据权利要求1至6任一项所述的基于模式编码的量子密钥分发方法，其特征在于，所述步骤S2还包括：将所述光信号进行衰减至单光子量级。
8.一种基于模式编码的量子密钥分发系统，其特征在于，包括通过多模光纤信道连接的发送端和接收端；所述发送端发出的光信号通过所述多模光纤信道发送至所述接收端；
所述发送端包括光源模块和编码单元；所述接收端包括解码单元和量子探测单元；所述光源模块和所述编码单元相连，所述编码单元和所述解码单元通过所述多模光纤信道相连，所述量子探测单元和所述解码单元相连；所述光源模块出射光信号至所述编码单元，所述编码单元将通过模式编码转换成所需信号模式的所述光信号发送至所述解码单元，所述解码单元将所述光信号模式解码后经所述量子探测单元探测后获取解码后的比特信息；其中，所述编码单元使用N个光纤模式进行编码，以获取log2N比特/光子的编码效率；N为大于1的正整数；所述信号模式与所述比特信息具有对应关系。
9.根据权利要求8所述的基于模式编码的量子密钥分发系统，其特征在于，所述光源模块包括一激光器，所述激光器出射信号模式为基模的所述光信号；
所述编码单元包括路径控制器和第一模式复用装置；所述路径控制器的输入端口和所述激光器的输出端口相连，所述路径控制器的多个输出端口分别连接所述第一模式复用装置的多个输入端口，所述第一模式复用装置的输出端口和所述多模光纤信道相连。
10.根据权利要求8所述的基于模式编码的量子密钥分发系统，其特征在于，所述光源模块包括一激光器，所述激光器出射信号模式为基模的所述光信号；
所述编码单元包括分束器、多个第一路径控制器和第一模式复用装置；所述激光器的输出端和所述分束器相连，所述分束器的多个输出端分别和多个所述第一路径控制器的输入端一一相连，多个所述第一路径控制器的输出端分别连接所述第一模式复用装置的多个输入端口，所述第一模式复用装置的输出端口和所述多模光纤信道相连。
11.根据权利要求8所述的基于模式编码的量子密钥分发系统，其特征在于，所述光源模块包括一激光器，所述激光器出射信号模式为基模的所述光信号；
所述编码单元包括分束器、多个第一路径控制器和第一模式复用装置；所述第一模式复用装置包括第一模式复用器和多个第一模式转换器，所述激光器的输出端和所述分束器相连，所述分束器的多个输出端分别和多个所述第一模式转换器的输入端一一相连，多个所述第一模式转换器的输出端分别和多个所述第一路径控制器的输入端一一对应相连，多个所述第一路径控制器的输出端分别连接所述第一模式复用器的多个输入端口，所述第一模式复用器的输出端口和所述多模光纤信道相连。
12.根据权利要求8所述的基于模式编码的量子密钥分发系统，其特征在于，所述光源模块包括多个激光器，多个所述激光器在随机数的控制下分别出射不同模式的所述光信号；所述编码单元为模式复用器；每个所述激光器的输出端口均和所述模式复用器的输入端口相连；所述模式复用器的输出端口和所述多模光纤信道相连。
13.根据权利要求8所述的基于模式编码的量子密钥分发系统，其特征在于，所述光源模块包括多个激光器，多个所述激光器在随机数的控制下分别在不同时刻出射信号模式为基模的所述光信号；
所述编码单元包括第一模式复用装置；多个所述激光器的输出端口分别和所述第一模式复用装置的多个输入端口一一对应相连，所述第一模式复用装置的输出端口和所述多模光纤信道相连。
14.根据权利要求8所述的基于模式编码的量子密钥分发系统，其特征在于，所述解码单元包括第二模式复用装置，所述量子探测单元包括多个量子探测器；
所述第二模式复用装置的输入端口和所述多模光纤信道相连，所述第二模式复用装置的多个输出端口分别和多个所述量子探测器的输入端口一一对应相连。
15.根据权利要求8所述的基于模式编码的量子密钥分发系统，其特征在于，所述解码单元包括第二模式复用装置和多个延时器；所述量子探测单元为一量子探测器；
所述第二模式复用装置的输入端口和所述多模光纤信道相连，所述第二模式复用装置的输出端口和多个所述延时器的输入端口一一对应相连，多个所述延时器的输出端口和所述量子探测器的输入端口相连。
16.根据权利要求15所述的基于模式编码的量子密钥分发系统，其特征在于，所述解码单元还包括集束器，所述集束器的输入端口和多个所述延时器的输出端口相连，所述集束器的输出端口和所述量子探测器的输入端口相连。
17.根据权利要求8所述的基于模式编码的量子密钥分发系统，其特征在于，所述解码单元包括第二模式复用装置和路径控制装置；所述量子探测单元为一量子探测器；
所述第二模式复用装置的输入端口和所述多模光纤信道相连，所述第二模式复用装置的输出端口和所述路径控制装置的输入端口相连，所述路径控制装置的输出端口和所述量子探测器的输入端口相连。
18.根据权利要求8至17任一项所述的基于模式编码的量子密钥分发系统，其特征在于，所述量子密钥分发系统还包括用于将所述光信号进行衰减至单光子量级的光衰减器。
19.一种权利要求8至18任一项所述的基于模式编码的量子密钥分发系统中的发送端，其特征在于，通过多模光纤信道发送信号；所述发送端包括光源模块和编码单元，所述光源模块和所述编码单元相连，所述编码单元和所述多模光纤信道相连通，所述光源模块出射光信号至所述编码单元，所述编码单元将所述光信号编码后通过所述多模光纤信道向外发送。
20.一种权利要求8至18任一项所述的基于模式编码的量子密钥分发系统中的接收端，其特征在于，通过多模光纤信道接收信号；所述接收端包括解码单元和量子探测单元，所述解码单元和所述多模光纤信道相连通，所述解码单元和所述量子探测单元相连，所述解码单元接收所述多模光纤信道传输的光信号，所述解码单元将所述光信号解码后经所述量子探测单元探测后获取解码信息。
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101120526A (zh) * 2005-02-11 2008-02-06 模拟设备股份有限公司 多模光纤上的高比特率光通信

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006018952A1 (ja) * 2004-08-20 2006-02-23 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. 多モード光伝送装置
EP2645609B1 (en) * 2012-03-30 2014-10-29 Alcatel Lucent Method of optical data transmission using mode division multiplexing
US9197356B2 (en) * 2012-11-16 2015-11-24 At&T Intellectual Property I, L.P. Distributed spatial mode processing for spatial-mode multiplexed communication systems
GB2534917B (en) * 2015-02-05 2017-09-27 Toshiba Res Europe Ltd A quantum communication system and a quantum communication method
CN106411452B (zh) * 2016-07-25 2019-02-01 暨南大学 一种基于混合模式复用的光通信系统
CN208433979U (zh) * 2018-05-21 2019-01-25 科大国盾量子技术股份有限公司 一种基于模式编码的量子密钥分发系统

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101120526A (zh) * 2005-02-11 2008-02-06 模拟设备股份有限公司 多模光纤上的高比特率光通信

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