CN110572263A - 连续变量量子密钥分发解码方法、装置和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种连续变量量子密钥分发解码方法、连续变量量子密钥分发解码装置和包括该装置的系统。该方法包括：对于任意偏振态的一对信号光脉冲和本振光脉冲中的每个光脉冲：将该光脉冲经分束器分束为两路光脉冲；分别沿两条第一传输光路传输这两路光脉冲，并将这两路光脉冲作相对延时后分别经两个偏振正交旋转反射装置反射回分束器。每个反射装置包括具有输入端口和经第二传输光路光耦合的两个输出端口的偏振分束器，并经所述输入端口耦合至相应的第一传输光路。对分束前的本振光脉冲或者对其分束得到的两路光脉冲中之一进行相位调制。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接收端解码干涉不稳定的问题。
Description
技术领域
本发明涉及光传输保密通信技术领域，尤其涉及一种基于同相偏振正交旋转反射的连续变量量子密钥分发解码方法、装置和系统。
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解码方法、装置和系统，以解决连续变量量子密钥分发应用中因前述的偏振诱导衰落而导致的接收端解码干涉不稳定的问题。
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解码方法，用于输入的每个脉冲周期内的、任意偏振态的信号光脉冲和本振光脉冲，所述方法包括：
对于所述信号光脉冲和本振光脉冲中的每一个光脉冲：
将该光脉冲经分束器分束为两路光脉冲；以及，
分别沿两条第一传输光路传输所述两路光脉冲，并将所述两路光脉冲作相对延时后分别经两个偏振正交旋转反射装置反射回所述分束器以由所述分束器合束输出，其中对于所述两路光脉冲中的每路光脉冲，经由相应偏振正交旋转反射装置的反射后，该路光脉冲的两个正交偏振态分别变换成与其正交的偏振态，
其中，所述两个偏振正交旋转反射装置中之一或每个所述偏振正交旋转反射装置包括具有输入端口和两个输出端口的偏振分束器，并经所述输入端口耦合至所述两条第一传输光路中的相应第一传输光路，每个偏振分束器的两个输出端口经第二传输光路彼此光耦合，
其中，对分束前的所述本振光脉冲或者在分束至合束的过程中对所述本振光脉冲分束得到的两路光脉冲中的一路光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位调制。
2.根据方案1所述的连续变量量子密钥分发解码方法，其特征在于，
对于至少一个包括偏振分束器的偏振正交旋转反射装置：其第二传输光路由扭转90度的保偏光纤形成，其偏振分束器的两个输出端口输出的光脉冲均耦合至所述扭转90度的保偏光纤的慢轴传输或均耦合至所述扭转90度的保偏光纤的快轴传输；或者
对于至少一个包括偏振分束器的偏振正交旋转反射装置：其第二传输光路由包含奇数个90度熔接点的保偏光纤形成，其偏振分束器的两个输出端口中的一个端口输出的光脉冲耦合至所述包含奇数个90度熔接点的保偏光纤一端的慢轴传输，并且其偏振分束器的两个输出端口中的另一个端口输出的光脉冲耦合至所述包含奇数个90度熔接点的保偏光纤另一端的快轴传输；或者
对于至少一个包括偏振分束器的偏振正交旋转反射装置：其第二传输光路由包含半波片的保偏光纤形成，其偏振分束器的两个输出端口中的一个端口输出的光脉冲耦合至所述包含半波片的保偏光纤一端的慢轴传输，并且其偏振分束器的两个输出端口中的另一个端口输出的光脉冲耦合至所述包含半波片的保偏光纤另一端的快轴传输。
3.根据方案1所述的连续变量量子密钥分发解码方法，其特征在于，所述分束器是保偏分束器。
4.根据方案1所述的连续变量量子密钥分发解码方法，其特征在于，对于所述两路光脉冲中的每一路光脉冲：
保持该路光脉冲的两个正交偏振态在所述分束器分束至所述相应偏振正交旋转反射装置反射期间保持不变，且在所述相应偏振正交旋转反射装置反射至所述分束器合束期间保持不变。
5.根据方案1所述的连续变量量子密钥分发解码方法，其特征在于，
所述信号光脉冲在所述本振光脉冲之前，其中在分束至合束的过程中对所述本振光脉冲分束得到的两路光脉冲中延时较短的一路光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位调制；或者
所述信号光脉冲在所述本振光脉冲之后，其中在分束至合束的过程中对所述本振光脉冲分束得到的两路光脉冲中延时较长的一路光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位调制。
6.一种连续变量量子密钥分发解码装置，用于输入的每个脉冲周期内的、任意偏振态的信号光脉冲和本振光脉冲，所述装置包括：分束器、两个偏振正交旋转反射装置、与所述分束器光耦合并分别与所述两个偏振正交旋转反射装置光耦合的两条第一传输光路，以及相位调制器，
其中，对于所述信号光脉冲和本振光脉冲中的每一个光脉冲：
所述分束器用于将该光脉冲分束为两路光脉冲；
所述两条第一传输光路用于分别传输所述两路光脉冲；
所述两个偏振正交旋转反射装置用于分别将来自所述分束器的经所述两条第一传输光路传输来的所述两路光脉冲反射回所述分束器以由所述分束器合束输出，其中对于所述两路光脉冲中的每路光脉冲，经由相应偏振正交旋转反射装置的反射后，该路光脉冲的两个正交偏振态分别变换成与其正交的偏振态，
其中，所述两个偏振正交旋转反射装置中之一或每个所述偏振正交旋转反射装置包括具有输入端口和两个输出端口的偏振分束器，并经所述输入端口耦合至所述两条第一传输光路中的相应第一传输光路，每个偏振分束器的两个输出端口经第二传输光路彼此光耦合，
其中，所述相位调制器设置于所述分束器前端或设置于所述两条第一传输光路中之一上或设置于所述两个偏振正交旋转反射装置中之一内，用于对经其所在的光路传输的光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位调制。
7.根据方案6所述的连续变量量子密钥分发解码装置，其特征在于，
对于至少一个包括偏振分束器的偏振正交旋转反射装置：其第二传输光路由扭转90度的保偏光纤形成，其偏振分束器的两个输出端口输出的光脉冲均耦合至所述扭转90度的保偏光纤的慢轴传输或均耦合至所述扭转90度的保偏光纤的快轴传输；或者
对于至少一个包括偏振分束器的偏振正交旋转反射装置：其第二传输光路由包含奇数个90度熔接点的保偏光纤形成，其偏振分束器的两个输出端口中的一个端口输出的光脉冲耦合至所述包含奇数个90度熔接点的保偏光纤一端的慢轴传输，并且其偏振分束器的两个输出端口中的另一个端口输出的光脉冲耦合至所述包含奇数个90度熔接点的保偏光纤另一端的快轴传输；或者
对于至少一个包括偏振分束器的偏振正交旋转反射装置：其第二传输光路由包含半波片的保偏光纤形成，其偏振分束器的两个输出端口中的一个端口输出的光脉冲耦合至所述包含半波片的保偏光纤一端的慢轴传输，并且其偏振分束器的两个输出端口中的另一个端口输出的光脉冲耦合至所述包含半波片的保偏光纤另一端的快轴传输。
8.根据方案6所述的连续变量量子密钥分发解码装置，其特征在于，所述分束器是保偏分束器，所述两条第一传输光路为保偏光纤光路。
9.根据方案6所述的连续变量量子密钥分发解码装置，其特征在于，
所述信号光脉冲在所述本振光脉冲之前，所述相位调制器设置于所述本振光脉冲分束得到的两路光脉冲中延时较短的一路光脉冲经由的第一传输光路上或设置于所述本振光脉冲分束得到的两路光脉冲中延时较短的一路光脉冲经由的偏振正交旋转反射装置中的第二传输光路上；或者
所述信号光脉冲在所述本振光脉冲之后，所述相位调制器设置于所述本振光脉冲分束得到的两路光脉冲中延时较长的一路光脉冲经由的第一传输光路上或设置于所述本振光脉冲分束得到的两路光脉冲中延时较长的一路光脉冲经由的偏振正交旋转反射装置中的第二传输光路上。
10.根据方案8所述的连续变量量子密钥分发解码装置，还包括光环形器，所述光环形器位于所述分束器前端，其中，对于所述信号光脉冲和本振光脉冲中的每一个光脉冲：该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分束器，来自所述分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。
11.一种连续变量量子密钥分发系统，包括：
根据方案6～10中任一所述的连续变量量子密钥分发解码装置，其设置在所述连续变量量子密钥分发系统的接收端，用于解码；和/或
根据方案6～10中任一所述的连续变量量子密钥分发解码装置，其设置在所述连续变量量子密钥分发系统的发射端，用于编码。
本发明通过创造性的配置，利用偏振正交旋转反射控制输入的信号光脉冲和本振光脉冲中每个的两个正交偏振态各自在解码干涉仪两臂传输的相位差相等，使得对于任意偏振态的输入的信号光脉冲和本振光脉冲，均能实现在解码干涉仪处的稳定干涉输出，由此实现了意想不到的有益效果。本发明提供了一种易于实现和应用的抗偏振诱导衰落的连续变量量子密钥分发解码方案，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接收端解码干涉不稳定的问题。
附图说明
图1为示出本发明一优选实施例的连续变量量子密钥分发解码方法的流程图；
图2为本发明一优选实施例的连续变量量子密钥分发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连续变量量子密钥分发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连续变量量子密钥分发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解码方法如图1所示。该方法用于输入的每个脉冲周期内的、任意偏振态的信号光脉冲和本振光脉冲，具体包括以下步骤：
步骤S101：对于所述信号光脉冲和本振光脉冲中的每一个光脉冲，将该光脉冲经分束器分束为两路光脉冲；以及
步骤S102：对于由所述信号光脉冲和本振光脉冲中的每一个光脉冲分束得到的两路光脉冲：分别沿两条第一传输光路传输所述两路光脉冲，并将所述两路光脉冲作相对延时后分别经两个偏振正交旋转反射装置反射回所述分束器以由所述分束器合束输出，其中对于所述两路光脉冲中的每路光脉冲，经由相应偏振正交旋转反射装置的反射后，该路光脉冲的两个正交偏振态分别变换成与其正交的偏振态，其中，所述两个偏振正交旋转反射装置中之一或每个所述偏振正交旋转反射装置包括具有输入端口和两个输出端口的偏振分束器，并经所述输入端口耦合至所述两条第一传输光路中的相应第一传输光路，每个偏振分束器的两个输出端口经第二传输光路彼此光耦合，其中，对分束前的所述本振光脉冲或者在分束至合束的过程中对所述本振光脉冲分束得到的两路光脉冲中的一路光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位调制。
具体地，入射的输入光脉冲的偏振态可以是任意偏振态，可以看成由两个正交偏振态组成。自然地，由入射的输入光脉冲分束得到的两路光脉冲也可以同样看成由与入射的输入光脉冲相同的两个正交偏振态组成。
为便于描述，上述两个偏振正交旋转反射装置可分别称为第一反射装置和第二反射装置。将分束器连接至第一反射装置的第一传输光路与第一反射装置内的第二传输光路构成第一臂，将分束器连接至第二反射装置的第一传输光路与第二反射装置内的第二传输光路构成第二臂。第一臂和第二臂中延时较短的臂为短臂，延时较长的臂为长臂。通过调节两条第一传输光路的长度和/或调节两个反射装置中的第二传输光路的长度，可以调节由所述信号光脉冲和本振光脉冲中的每一个光脉冲分束得到的两路光脉冲之间的相对延时的大小。分别沿所述短臂和长臂往返传输的这样的两路光脉冲的相对延时的大小可以与所述信号光脉冲和本振光脉冲之间的时间间隔相等。
可以在两个偏振正交旋转反射装置中之一内设置相位调制器以对从其偏振分束器的两个输出端口输出的本振光脉冲进行相同的相位调制。在此情况下，若输入的所述信号光脉冲在所述本振光脉冲之前，所述相位调制器设置于所述短臂对应的反射装置内；若输入的所述信号光脉冲在所述本振光脉冲之后，所述相位调制器设置于所述长臂对应的反射装置内。
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。
根据本发明的方法，对于由所述信号光脉冲和本振光脉冲中的每一个光脉冲分束得到的两路光脉冲中的每一路光脉冲：该路光脉冲经所述两个反射装置中的相应反射装置反射时该路光脉冲的两个正交偏振态作偏振正交旋转反射，使得经由所述相应反射装置的反射后，该路光脉冲的每个正交偏振态变换成与其正交的偏振态，反射前后两个正交偏振态之间相位保持同相。
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，沿光路传输到一个反射装置的x偏振态在反射装置处经偏振正交旋转反射后变换成与其正交的偏振态即y偏振态，沿光路传输到该反射装置的y偏振态在反射装置处经偏振正交旋转反射后变换成与其正交的偏振态即x偏振态。反射前x偏振态和y偏振态之间的相位与反射后y偏振态和x偏振态之间的相位相同。
如此，利用反射装置处的偏振正交旋转反射，输入光脉冲的x偏振态在分束器分束至分束器合束的过程中经所述长臂和短臂传输的相位差恰好等于该光脉冲的y偏振态在分束器分束至分束器合束的过程中经所述长臂和短臂传输的相位差。
对相位保持同相进行举例说明。假设输入反射装置时x偏振态和y偏振态之间的相位差为输入光脉冲的状态为其中分别表示x偏振态和y偏振态，A、B分别表示x偏振态和y偏振态的幅度大小，表示x偏振态和y偏振态之间的相位差，由反射装置输出的输出光脉冲为即，输出光脉冲的两个正交偏振态只产生偏振正交旋转，相位关系保持不变。反射前后采用同一坐标系时，反射装置的琼斯矩阵表示为即表示只进行偏振态转换，相位关系保持不变。
与相位保持同相相对的是相位变换为反相。对相位变换为反相进行举例说明。假设输入反射装置时x偏振态和y偏振态之间的相位差为输入光脉冲的状态为其中分别表示x偏振态和y偏振态，A、B分别表示x偏振态和y偏振态的幅度大小，表示x偏振态和y偏振态之间的相位差，由反射装置输出的输出光脉冲为即，输出光脉冲的两个正交偏振态不仅产生偏振正交旋转，而且其中一个正交偏振态的相位变换为其反相。反射前后采用同一坐标系时，反射装置的琼斯矩阵表示为即表示进行偏振态转换，并且两个正交偏振态中一个偏振态的相位作了反相变换。采用法拉第反射镜作为反射装置的已有方案是这种情况的一个示例。
根据一种可能的配置，对于至少一个包括偏振分束器的偏振正交旋转反射装置：其第二传输光路由扭转90度的保偏光纤形成，其偏振分束器的两个输出端口输出的光脉冲均耦合至所述扭转90度的保偏光纤的慢轴传输或均耦合至所述扭转90度的保偏光纤的快轴传输。
根据另一种可能的配置，对于至少一个包括偏振分束器的偏振正交旋转反射装置：其第二传输光路由包含奇数个90度熔接点的保偏光纤形成，其偏振分束器的两个输出端口中的一个端口输出的光脉冲耦合至所述包含奇数个90度熔接点的保偏光纤一端的慢轴传输，并且其偏振分束器的两个输出端口中的另一个端口输出的光脉冲耦合至所述包含奇数个90度熔接点的保偏光纤另一端的快轴传输。
根据又一种可能的配置，对于至少一个包括偏振分束器的偏振正交旋转反射装置：其第二传输光路由包含半波片的保偏光纤形成，其偏振分束器的两个输出端口中的一个端口输出的光脉冲耦合至所述包含半波片的保偏光纤一端的慢轴传输，并且其偏振分束器的两个输出端口中的另一个端口输出的光脉冲耦合至所述包含半波片的保偏光纤另一端的快轴传输。
上述配置的偏振正交旋转反射装置亦可称为同相偏振正交旋转反射装置。入射的x偏振态经所述同相偏振正交旋转反射装置反射后变换成与其正交的y偏振态，入射的y偏振态经所述同相偏振正交旋转反射装置反射后变换成与其正交的x偏振态，且反射前x偏振态和y偏振态之间的相位关系与反射后y偏振态与x偏振态之间的相位关系保持同相。
对于以上配置，有利地，对于分束得到的两路光脉冲中的每一路光脉冲：保持该路光脉冲的两个正交偏振态在所述分束器分束至所述相应反射装置反射期间保持不变，且在所述相应反射装置反射至所述分束器合束期间保持不变。这可以例如通过将所述两条第一传输光路配置为偏振保持光路且将所述两条第一传输光路上的光器件配置为偏振保持光器件和/或非双折射光器件来实现。“偏振保持光器件”亦可称为保偏光器件。
有利地，所述分束器是保偏分束器。
本发明一优选实施例的一种连续变量量子密钥分发解码装置如图2所示，包括以下组成部分：分束器201、相位调制器202、两个反射装置203和204。
分束器201分别经由两条光路光耦合至两个反射装置203和204。相位调制器202配置于所述两条光路中的一条光路上。反射装置203和204各为一个同相偏振正交旋转反射装置。
这里，同相偏振正交旋转反射装置是指一种能够对所反射的光脉冲的两个正交偏振态作偏振正交旋转反射、即在反射入射的光脉冲时将该光脉冲的每个正交偏振态变换成与其正交的偏振态的反射装置，其中反射前后两个正交偏振态之间相位保持同相。
分束器201用于将输入的由相邻的信号光脉冲和本振光脉冲构成的一对输入光脉冲中的每一个光脉冲分束为两路光脉冲以分别沿两条光路传输。
通过调节短臂和长臂之间的长度差可以调节沿两条光路传输的光脉冲的相对延时的大小。所述短臂和长臂实现的相对延时的大小可以与输入的所述相邻的信号光脉冲和本振光脉冲之间的时间间隔相等。
相位调制器202用于对经其所在的光路传输的本振光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位调制。具体地，相位调制器202用于对经其所在的光路传输的分束前的所述本振光脉冲或者本振光脉冲分束成的两路光脉冲中之一按照量子密钥分发协议进行相位调制。可选地，相位调制器202可以如下设置：i)设置于所述长臂上，如果输入的所述信号光脉冲在所述本振光脉冲之后的话；或者，ii)设置于所述短臂上，如果输入的所述信号光脉冲在所述本振光脉冲之前的话。此外，尽管未示出，相位调制器设置于分束器201之前是可能的。
反射装置203和204分别用于将来自分束器201的经所述两条光路传输来的所述两路光脉冲反射回分束器201以由分束器201合束输出。
反射装置203和204各包括偏振分束器，所述偏振分束器包含一个输入端口和两个输出端口，所述两个输出端口通过一条传输光路进行耦合连接。反射装置203和204中的每个对经其反射的一路光脉冲的两个正交偏振态作同相偏振正交旋转反射，使得经所述反射装置的反射后，该路光脉冲的每个正交偏振态变换成与其正交的偏振态，其中反射前后两个正交偏振态之间相位保持同相。
根据一种可能的配置，反射装置203和204各自的偏振分束器的两个输出端口经由保偏光纤连接，所述两个输出端口输出的光脉冲均耦合至所述保偏光纤的慢轴传输或均耦合至所述保偏光纤的快轴传输。
根据另一种可能的配置，反射装置203和204各自的连接所述偏振分束器的两个输出端口的传输光路包括一段保偏光纤，所述一段保偏光纤包含奇数个90度熔接点。
根据又一种可能的配置，反射装置203和204各自的连接所述偏振分束器的两个输出端口的传输光路上设置有半波片。
对于以上配置，有利地，可以将所述两条光路配置为偏振保持光路，且将所述两条光路上的光器件配置为偏振保持光器件和/或非双折射光器件。如此，对于分束得到的两路光脉冲中的每一路光脉冲：可以保持该路光脉冲的两个正交偏振态在分束器分束至相应反射装置反射期间保持不变，且在所述相应反射装置反射至所述分束器合束期间保持不变。
分束器201可以是保偏分束器。
在一个实施例中，所述信号光脉冲在所述本振光脉冲之前，所述相位调制器设置于所述本振光脉冲分束得到的两路光脉冲中延时较短的一路光脉冲经由的所述两条光路之一上或设置于所述本振光脉冲分束得到的两路光脉冲中延时较短的一路光脉冲经由的偏振正交旋转反射装置中的传输光路上。
在另一实施例中，所述信号光脉冲在所述本振光脉冲之后，所述相位调制器设置于所述本振光脉冲分束得到的两路光脉冲中延时较长的一路光脉冲经由的所述两条光路中之一上或设置于所述本振光脉冲分束得到的两路光脉冲中延时较长的一路光脉冲经由的偏振正交旋转反射装置中的传输光路上。
尽管未示出，图2的装置还可以包括光环形器。该光环形器位于分束器201前端。入射的任意偏振态的一路输入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分束器201，来自分束器201的合束输出被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。
本发明另一优选实施例的一种连续变量量子密钥分发解码装置如图3所示，包括以下组成部分：保偏分束器303、相位调制器304、偏振分束器305和307，以及保偏光纤306和308。
偏振分束器305和保偏光纤306构成第一反射装置，偏振分束器305的两个输出端口分别与保偏光纤306两端的慢轴耦合或者分别与保偏光纤306两端的快轴耦合。任意偏振态的光脉冲输入第一反射装置时，由偏振分束器305分束为偏振态相互正交的两路偏振光例如第一路x偏振光和第三路y偏振光，以分别由偏振分束器305的端口B和端口C输出。第一路x偏振光传输至偏振分束器305的端口C后输出偏振态为y偏振态的光即第一路y偏振光。第三路y偏振光传输至偏振分束器305的端口B后输出偏振态为x偏振态的光即第三路x偏振光。偏振分束器305将由端口B输入的第三路x偏振光和由端口C输入的第一路y偏振光合束后由端口A输出。输出的第一路y偏振光、第三路x偏振光之间的相位关系与输入的第一路x偏振光、第三路y偏振光之间的相位关系保持同相。
偏振分束器307和保偏光纤308构成第二反射装置，偏振分束器307的两个输出端口分别与保偏光纤308两端的慢轴耦合或者分别与保偏光纤308两端的快轴耦合。任意偏振态的光脉冲输入第二反射装置时，由偏振分束器307分束为偏振态相互正交的两路偏振光例如第二路x偏振光和第四路y偏振光，以分别由偏振分束器307的端口E和端口F输出。第二路x偏振光传输至偏振分束器的307端口F后输出偏振态为y偏振态的光即第二路y偏振光。第四路y偏振光传输至偏振分束器307的端口E后输出偏振态为x偏振态的光即第四路x偏振光。偏振分束器307将由端口E输入的第四路x偏振光和由端口F输入的第二路y偏振光合束后由端口D输出。输出的第二路y偏振光、第四路x偏振光之间的相位关系与输入的第二路x偏振光、第四路y偏振光之间的相位关系保持同相。
保偏分束器303一侧的两个端口301和302之一作为解码装置的输入端口。保偏分束器303与第一反射装置和第二反射装置构成保偏不等臂迈克尔逊干涉仪，其间的两条光路为保偏光纤光路。相位调制器304插入保偏不等臂迈克尔逊干涉仪的两臂中的一臂。保偏分束器303的端口301和302作为装置的输出端口。
工作时，由相邻的信号光脉冲和本振光脉冲构成的一对输入光脉冲中的每一个光脉冲经保偏分束器303的端口301或302进入保偏分束器303并由保偏分束器303分成两路光脉冲。来自保偏分束器303的一路光脉冲经相位调制器304进行相位调制后由第一反射装置反射回来，另一路光脉冲直接经保偏光纤传输至第二反射装置并由第二反射装置反射回来。经相对延时的反射回来的两路光脉冲经保偏分束器303合束后由端口301和302输出。若所述一对输入光脉冲中信号光脉冲在本振光脉冲之前，相位调制器304位于迈克尔逊干涉仪的两臂中较短的一臂；若所述一对输入光脉冲中信号光脉冲在本振光脉冲之后，相位调制器304位于迈克尔逊干涉仪的两臂中较长的一臂。
尽管未示出，图3的解码装置还可以包括光环形器。该光环形器位于保偏分束器303前端。输入的由相邻的信号光脉冲和本振光脉冲构成的一对输入光脉冲中的每一个光脉冲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保偏分束器303，来自保偏分束器303的合束输出被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。
本发明另一优选实施例的一种连续变量量子密钥分发解码装置如图4所示，包括以下组成部分：保偏分束器403、偏振分束器404和407、保偏光纤405和408，以及相位调制器406。
偏振分束器404和保偏光纤405构成第一反射装置，偏振分束器404的两个输出端口分别与保偏光纤405两端的慢轴耦合或者分别与保偏光纤406两端的快轴耦合。任意偏振态的光脉冲输入第一反射装置时，由偏振分束器404分束为偏振态相互正交的两路偏振光例如第一路x偏振光和第三路y偏振光，以分别由偏振分束器404的端口B和端口C输出。第一路x偏振光经相位调制器406进行相位调制后传输至偏振分束器404的端口C后输出偏振态为y偏振态的光即第一路y偏振光。第三路y偏振光经相位调制器406进行相位调制后传输至偏振分束器404的端口B后输出偏振态为x偏振态的光即第三路x偏振光。偏振分束器404将由端口B输入的第三路x偏振光和由端口C输入的第一路y偏振光合束后由端口A输出。输出的第一路y偏振光、第三路x偏振光之间的相位关系与输入的第一路x偏振光、第三路y偏振光之间的相位关系保持同相。
偏振分束器407和保偏光纤408构成第二反射装置，偏振分束器407的两个输出端口分别与保偏光纤408两端的慢轴耦合或者分别与保偏光纤408两端的快轴耦合。任意偏振态的光脉冲输入第二反射装置时，由偏振分束器407分束为偏振态相互正交的两路偏振光例如第二路x偏振光和第四路y偏振光，以分别由偏振分束器407的端口E和端口F输出。第二路x偏振光传输至偏振分束器407的端口F后输出偏振态为y偏振态的光即第二路y偏振光。第四路y偏振光传输至偏振分束器407的端口E后输出偏振态为x偏振态的光即第四路x偏振光。偏振分束器407将由端口E输入的第四路x偏振光和由端口F输入的第二路y偏振光合束后由端口D输出。输出的第二路y偏振光、第四路x偏振光之间的相位关系与输入的第二路x偏振光、第四路y偏振光之间的相位关系保持同相。
保偏分束器403一侧的两个端口401和402之一作为解码装置的输入端口。保偏分束器403与第一反射装置和第二反射装置构成保偏不等臂迈克尔逊干涉仪，其间的两条光路为保偏光纤光路。保偏分束器403的端口401和402作为装置的输出端口。
工作时，由相邻的信号光脉冲和本振光脉冲构成的一对输入光脉冲中的每一个光脉冲经保偏分束器403的端口401或402进入保偏分束器403并由保偏分束器403分成两路光脉冲。来自保偏分束器403的一路光脉冲经保偏光纤传输至第一反射装置并由第一反射装置反射回来，另一路光脉冲经保偏光纤传输至第二反射装置并由第二反射装置反射回来。经相对延时的反射回来的两路光脉冲经保偏分束器403合束后由端口401和402输出。若所述一对输入光脉冲中信号光脉冲在本振光脉冲之前，第一反射装置和与其连接的保偏光纤光路产生的延时较短；若所述一对输入光脉冲中信号光脉冲在本振光脉冲之后，第一反射装置和与其连接的保偏光纤光路产生的延时较长。通过调节保偏分束器403与偏振分束器404、407之间保偏光纤的长度，和/或调节保偏光纤405、408的长度，可以实现迈克尔逊干涉仪传输的两路光脉冲的相对延时的大小。相位调制器406对由偏振分束器404的端口B输出的本振光脉冲调制的相位和对由偏振分束器404的端口C输出的本振光脉冲调制的相位相同。
尽管未示出，图4的解码装置还可以包括光环形器。该光环形器位于保偏分束器403前端。输入的由相邻的信号光脉冲和本振光脉冲构成的一对输入光脉冲中的每一个光脉冲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保偏分束器403，来自保偏分束器403的合束输出被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。
可以在连续变量量子密钥分发系统的接收端配置如上文所述的本发明的解码装置，用于解码。另外，也可以在连续变量量子密钥分发系统的发射端配置如上文所述的本发明的解码装置，用于编码。
尽管图2-4的实施例在分束至合束的过程中对本振光脉冲分束成的两路光脉冲中的一路光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位调制，但也可能的是对分束前的所述本振光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位调制。
本发明通过在接收端处将入射的任意偏振态的由相邻的信号光脉冲和本振光脉冲构成的一对输入光脉冲中的每一个光脉冲分束为两路光脉冲分别经两条光路进行传输，并对每路光脉冲的两个正交偏振态作同相偏振正交旋转反射，使得每路光脉冲的两个正交偏振态经迈克尔逊干涉仪往返传输后的相位相同。如此，任意偏振态的一对信号光脉冲和本振光脉冲经迈克尔逊干涉仪两臂传输返回干涉时偏振态相同，从而可以实现稳定干涉输出。
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。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。
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 (11)
1.一种连续变量量子密钥分发解码方法，用于输入的每个脉冲周期内的、任意偏振态的信号光脉冲和本振光脉冲，所述方法包括：
对于所述信号光脉冲和本振光脉冲中的每一个光脉冲：
将该光脉冲经分束器分束为两路光脉冲；以及，
分别沿两条第一传输光路传输所述两路光脉冲，并将所述两路光脉冲作相对延时后分别经两个偏振正交旋转反射装置反射回所述分束器以由所述分束器合束输出，其中对于所述两路光脉冲中的每路光脉冲，经由相应偏振正交旋转反射装置的反射后，该路光脉冲的两个正交偏振态分别变换成与其正交的偏振态，
其中，所述两个偏振正交旋转反射装置中之一或每个所述偏振正交旋转反射装置包括具有输入端口和两个输出端口的偏振分束器，并经所述输入端口耦合至所述两条第一传输光路中的相应第一传输光路，每个偏振分束器的两个输出端口经第二传输光路彼此光耦合，
其中，对分束前的所述本振光脉冲或者在分束至合束的过程中对所述本振光脉冲分束得到的两路光脉冲中的一路光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位调制。
2.根据权利要求1所述的连续变量量子密钥分发解码方法，其特征在于，
对于至少一个包括偏振分束器的偏振正交旋转反射装置：其第二传输光路由扭转90度的保偏光纤形成，其偏振分束器的两个输出端口输出的光脉冲均耦合至所述扭转90度的保偏光纤的慢轴传输或均耦合至所述扭转90度的保偏光纤的快轴传输；或者
对于至少一个包括偏振分束器的偏振正交旋转反射装置：其第二传输光路由包含奇数个90度熔接点的保偏光纤形成，其偏振分束器的两个输出端口中的一个端口输出的光脉冲耦合至所述包含奇数个90度熔接点的保偏光纤一端的慢轴传输，并且其偏振分束器的两个输出端口中的另一个端口输出的光脉冲耦合至所述包含奇数个90度熔接点的保偏光纤另一端的快轴传输；或者
对于至少一个包括偏振分束器的偏振正交旋转反射装置：其第二传输光路由包含半波片的保偏光纤形成，其偏振分束器的两个输出端口中的一个端口输出的光脉冲耦合至所述包含半波片的保偏光纤一端的慢轴传输，并且其偏振分束器的两个输出端口中的另一个端口输出的光脉冲耦合至所述包含半波片的保偏光纤另一端的快轴传输。
3.根据权利要求1所述的连续变量量子密钥分发解码方法，其特征在于，所述分束器是保偏分束器。
4.根据权利要求1所述的连续变量量子密钥分发解码方法，其特征在于，对于所述两路光脉冲中的每一路光脉冲：
保持该路光脉冲的两个正交偏振态在所述分束器分束至所述相应偏振正交旋转反射装置反射期间保持不变，且在所述相应偏振正交旋转反射装置反射至所述分束器合束期间保持不变。
5.根据权利要求1所述的连续变量量子密钥分发解码方法，其特征在于，
所述信号光脉冲在所述本振光脉冲之前，其中在分束至合束的过程中对所述本振光脉冲分束得到的两路光脉冲中延时较短的一路光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位调制；或者
所述信号光脉冲在所述本振光脉冲之后，其中在分束至合束的过程中对所述本振光脉冲分束得到的两路光脉冲中延时较长的一路光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位调制。
6.一种连续变量量子密钥分发解码装置，用于输入的每个脉冲周期内的、任意偏振态的信号光脉冲和本振光脉冲，所述装置包括：分束器、两个偏振正交旋转反射装置、与所述分束器光耦合并分别与所述两个偏振正交旋转反射装置光耦合的两条第一传输光路，以及相位调制器，
其中，对于所述信号光脉冲和本振光脉冲中的每一个光脉冲：
所述分束器用于将该光脉冲分束为两路光脉冲；
所述两条第一传输光路用于分别传输所述两路光脉冲；
所述两个偏振正交旋转反射装置用于分别将来自所述分束器的经所述两条第一传输光路传输来的所述两路光脉冲反射回所述分束器以由所述分束器合束输出，其中对于所述两路光脉冲中的每路光脉冲，经由相应偏振正交旋转反射装置的反射后，该路光脉冲的两个正交偏振态分别变换成与其正交的偏振态，
其中，所述两个偏振正交旋转反射装置中之一或每个所述偏振正交旋转反射装置包括具有输入端口和两个输出端口的偏振分束器，并经所述输入端口耦合至所述两条第一传输光路中的相应第一传输光路，每个偏振分束器的两个输出端口经第二传输光路彼此光耦合，
其中，所述相位调制器设置于所述分束器前端或设置于所述两条第一传输光路中之一上或设置于所述两个偏振正交旋转反射装置中之一内，用于对经其所在的光路传输的光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位调制。
7.根据权利要求6所述的连续变量量子密钥分发解码装置，其特征在于，
对于至少一个包括偏振分束器的偏振正交旋转反射装置：其第二传输光路由扭转90度的保偏光纤形成，其偏振分束器的两个输出端口输出的光脉冲均耦合至所述扭转90度的保偏光纤的慢轴传输或均耦合至所述扭转90度的保偏光纤的快轴传输；或者
对于至少一个包括偏振分束器的偏振正交旋转反射装置：其第二传输光路由包含奇数个90度熔接点的保偏光纤形成，其偏振分束器的两个输出端口中的一个端口输出的光脉冲耦合至所述包含奇数个90度熔接点的保偏光纤一端的慢轴传输，并且其偏振分束器的两个输出端口中的另一个端口输出的光脉冲耦合至所述包含奇数个90度熔接点的保偏光纤另一端的快轴传输；或者
对于至少一个包括偏振分束器的偏振正交旋转反射装置：其第二传输光路由包含半波片的保偏光纤形成，其偏振分束器的两个输出端口中的一个端口输出的光脉冲耦合至所述包含半波片的保偏光纤一端的慢轴传输，并且其偏振分束器的两个输出端口中的另一个端口输出的光脉冲耦合至所述包含半波片的保偏光纤另一端的快轴传输。
8.根据权利要求6所述的连续变量量子密钥分发解码装置，其特征在于，所述分束器是保偏分束器，所述两条第一传输光路为保偏光纤光路。
9.根据权利要求6所述的连续变量量子密钥分发解码装置，其特征在于，
所述信号光脉冲在所述本振光脉冲之前，所述相位调制器设置于所述本振光脉冲分束得到的两路光脉冲中延时较短的一路光脉冲经由的第一传输光路上或设置于所述本振光脉冲分束得到的两路光脉冲中延时较短的一路光脉冲经由的偏振正交旋转反射装置中的第二传输光路上；或者
所述信号光脉冲在所述本振光脉冲之后，所述相位调制器设置于所述本振光脉冲分束得到的两路光脉冲中延时较长的一路光脉冲经由的第一传输光路上或设置于所述本振光脉冲分束得到的两路光脉冲中延时较长的一路光脉冲经由的偏振正交旋转反射装置中的第二传输光路上。
10.根据权利要求8所述的连续变量量子密钥分发解码装置，还包括光环形器，所述光环形器位于所述分束器前端，其中，对于所述信号光脉冲和本振光脉冲中的每一个光脉冲：该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分束器，来自所述分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。
11.一种连续变量量子密钥分发系统，包括：
根据权利要求6～10中任一项所述的连续变量量子密钥分发解码装置，其设置在所述连续变量量子密钥分发系统的接收端，用于解码；和/或
根据权利要求6～10中任一项所述的连续变量量子密钥分发解码装置，其设置在所述连续变量量子密钥分发系统的发射端，用于编码。
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