CN110620619A - 一种量子通信系统及其发射端以及量子通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种量子通信系统及其发射端以及量子通信方法，在发射端通过同一激光器出射初始激光信号，保证了激光脉冲的一致性，对发射端出射激光信号中激光脉冲偏振态的控制，使得相邻的两个激光脉冲的偏振态不同，可以便于在接收端对不同偏振态的激光脉冲的传输路径进行控制，在不同偏振态的激光脉冲进行干涉时，可以实现100％干涉能量的利用，避免能量的损失，提高能量利用率以及成码率。可见，本发明技术方案提供的量子通信系统以及量子通信方法，提高了能量利用率、安全性以及成码率，便于量子通信系统以及量子通信方法的普及应用。

Description

一种量子通信系统及其发射端以及量子通信方法

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，更具体的说，涉及一种量子通信系统及其发射端以及量子通信方法。

背景技术

量子密钥分发(Quantum Key Distribution，QKD)技术能够在通信双方之间产生完全一致的无条件安全的密钥因而受到广泛关注。量子密钥分发 (Quantum KeyDistribution，QKD)与经典密钥体系的根本不同在于其采用单个光子或纠缠光子对作为密钥的载体，由量子力学的三大基本原理(海森堡测不准原理、测量塌缩理论、量子不可克隆定律)保证了该过程的不可窃听、不可破译性，从而提供了一种更为安全的密钥体系。

自从1984年BB84方案提出以来，关于量子密钥分发技术的各种理论方案日臻完善，技术实现逐渐成熟，使得基于量子密钥分发技术的量子通信系统以及量子通信方法走向实际应用。

现有技术中，量子通信系统以及量子通信方法还存在能量利用率低以及成码率低的问题，且安全性仍有待提高，不便于量子通信系统以及量子通信方法的普及应用。

发明内容

为了解决上述问题，本发明技术方案提供了一种量子通信系统及其发射端以及量子通信方法，提高了能量利用率、安全性以及成码率，便于量子通信系统以及量子通信方法的普及应用。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种量子通信系统的发射端，所述发射端包括：

偏振调制模块以及第一不等臂干涉仪；

所述偏振调制模块用于将同一激光器出射的预设偏振态的初始激光信号转换为第一激光信号；所述第一不等臂干涉仪用于根据所述第一激光信号随机形成具有时间比特信息的第二激光信号或者具有相位比特信息的第三激光信号。

优选的，在上述发射端中，所述初始激光信号包括设定偏振态的初始激光脉冲；

所述偏振调制模块用于对所述激光器出射的初始激光脉冲进行相位调制，形成第一激光脉冲，将所述第一激光脉冲进行偏振调制，形成所述第一激光信号，所述第一激光信号包括第二激光脉冲。

优选的，在上述发射端中，所述第一激光脉冲的偏振态为P偏振态、N 偏振态、R偏振态以及L偏振态中的任意一种；所述第二激光脉冲的偏振态为H偏振态、V偏振态、R偏振态以及L偏振态中的任意一种，或，为H偏振态、V偏振态、P偏振态以及N偏振态中的任意一种。

优选的，在上述发射端中，所述偏振调制模块包括：第一偏振分束器、第一相位调制器、以及第一偏振控制器；

所述第一偏振分束器具有输入端、第一输出端、第二输出端以及第三输出端，其输入端用于获取所述初始激光脉冲，其第一输出端与第二输出端通过所述第一相位调制器连接，所述第一偏振分束器以及所述第一相位调制器构成的干涉仪对所述初始激光脉冲进行相位调制后，形成所述第一激光脉冲，所述第一激光脉冲通过所述第一偏振分束器的第三输出端输出；

所述第一偏振控制器具有输入端以及输出端，其输入端与所述第一偏振分束器的第三输出端连接，其输出端用于输出所述第二激光脉冲。

优选的，在上述发射端中，所述偏振调制模块包括：环形器、第一偏振分束器、第一相位调制器、以及第一偏振控制器；所述环形器具有第一端口、第二端口以及第三端口；所述第一偏振分束器具有三个端口，其一个端口与所述环形器的第二端口连接，其另外两个端口通过所述第一相位调制器连接；

所述初始激光脉冲依次通过所述第一端口以及所述第二端口入射所述第一偏振分束器；所述第一偏振分束器以及所述第一相位调制器构成的干涉仪对所述初始激光脉冲进行相位调制后，形成所述第一激光脉冲，通过所述第一偏振分束器发送到所述第二端口，所述第一激光脉冲通过所述第三端口输入到所述第一偏振控制器，所述第一偏振控制器基于所述第一激光脉冲输出所述第二激光脉冲。

优选的，在上述发射端中，所述偏振调制模块包括：预设分束器、第一偏振分束器、第一相位调制器、以及第一偏振控制器；所述预设分束器具有第一端口、第二端口以及第三端口；所述第一偏振分束器具有三个端口，其一个端口与所述预设分束器的第二端口连接，其另外两个端口通过所述第一相位调制器连接；

所述初始激光脉冲依次通过所述第一端口以及所述第二端口入射所述第一偏振分束器；所述第一偏振分束器以及所述第一相位调制器构成的干涉仪对所述初始激光脉冲进行相位调制后，形成所述第一激光脉冲，通过所述第一偏振分束器发送到所述第二端口，所述第一激光脉冲通过所述第三端口输入到所述第一偏振控制器，所述第一偏振控制器基于所述第一激光脉冲输出所述第二激光脉冲。

优选的，在上述发射端中，所述第一不等臂干涉仪包括：第二偏振分束器、第一法拉第反射镜以及第二法拉第反射镜；

所述第二偏振分束器具有输入端、第一输出端、第二输出端以及第三输出端，其输入端用于获取所述第二激光脉冲，其第一输出端与所述第一法拉第反射镜连接，其第二输出端与所述第二法拉第反射镜连接，其第三输出端用于输出所述第二激光信号以及所述第三激光信号；其第一输出端与所述第一法拉第反射镜之间的光路距离大于其第二输出端与所述第二法拉第反射镜之间的光路距离。

优选的，在上述发射端中，所述第二偏振分束器的第一输出端与所述第一法拉第反射镜之间的光路设置有第一分束器，该第一输出端出射的激光信号通过所述第一分束器分为两路，分别入射第一探测设备以及所述第一法拉第反射镜；

所述第二偏振分束器的第二输出端与所述第二法拉第反射镜之间的光路设置有第二分束器，该第二输出端出射的激光信号通过所述第二分束器分为两路，分别入射第二探测设备以及所述第二法拉第反射镜。

优选的，在上述发射端中，所述第一不等臂干涉仪包括：第三偏振分束器以及第四偏振分束器；

所述第三偏振分束器用于获取所述偏振调制模块出射的激光信号，将该激光信号分为第一路激光信号以及第二路激光信号；第一路激光信号通过所述第一不等臂干涉仪的短臂入射所述第四偏振分束器的第一输入端，第二路激光信号通过所述第一不等臂干涉仪的长臂入射所述第四偏振分束器的第二输入端，所述第四偏振分束器用于基于两个输入端获取的激光信号输出所述第二激光信号或所述第三激光信号。

优选的，在上述发射端中，所述第一不等臂干涉仪还包括：第六分束器、第七分束器、第三探测设备以及第四探测设备；

所述第六分束器用于将所述第一路激光信号分为两路，一路入射所述第一输入端，另一路入射所述第三探测设备；

所述第七分束器用于将所述第二路激光信号分为两路，一路入射所述第二输入端，另一路入射所述第四探测设备。

本发明还提供了一种量子通信系统，所述量子通信系统包括：

发射端，所述发射端为上述任一项所述的发射端；

接收端，所述接收端用于对所述发射端的第一不等臂干涉仪出射的激光信号的量子态进行解码以及探测。

优选的，在上述量子通信系统中，所述接收端包括：第二不等臂干涉以及偏振测量模块；

所述第二不等臂干涉仪与所述第一不等臂干涉仪具有相同的臂长差，用于将具有时间比特信息的第二激光信号转换为具有匹配偏振态的激光脉冲，将具有相位比特信息的第三激光信号转换为具有匹配偏振态的激光脉冲；

所述偏振测量模块用于对所述第二不等臂干涉仪出射的激光脉冲进行偏振态测量。

优选的，在上述量子通信系统中，所述第二不等臂干涉仪包括第七偏振分束器、第三法拉第反射镜以及第四法拉第反射镜；

所述第七偏振分束器具有输入端、第一输出端、第二输出端以及第三输出端，其输入端用于获取所述发射端输出的激光信号，其第一输出端与所述第三法拉第反射镜连接，其第二输出端与第四法拉第反射镜连接，其第三输出端用于输出经过偏振态转换的激光脉冲。

优选的，在上述量子通信系统中，所述第二不等臂干涉仪包括第八偏振分束器以及第九偏振分束器；

所述第八偏振分束器用于获取所述发射端输出的激光信号，将该激光信号分为两束，分别入射所述第九偏振分束器的两个输入端；

所述第九偏振分束器用于基于两个输入端获取的激光信号输出经过偏振态转换的激光脉冲。

优选的，在上述量子通信系统中，所述偏振测量模块包括：第三分束器、第十偏振分束器、第十一偏振分束器、以及四个探测器；

所述第三分束器用于将所述第二不等臂干涉仪出射的激光信号分为两路，一路通过第二偏振控制器入射所述第十偏振分束器，另一路通过第三偏振控制器入射所述第十一偏振分束器；

所述第十偏振分束器用于将入射激光信号分为两路，分别入射两个探测器；

所述第十一偏振分束器用于将入射激光信号分为两路，分别入射另外两个探测器。

优选的，在上述量子通信系统中，所述接收端包括：区分模块以及第三不等臂干涉仪；

所述区分模块用于将所述发射端出射的激光信号分为两路，一路包括所述第二激光信号，用于测量时间比特，另一路包括所述第三激光信号，通过所述第三不等臂干涉仪进行偏振态转换后，用于测量相位比特。

优选的，在上述量子通信系统中，所述区分模块包括：第四分束器以及第五探测器；

所述第四分束器用于将所述发射端出射的激光信号分为两路，一路包括所述第二激光信号，该路激光信号入射所述第五探测器，另一路包括所述第三激光信号，该路激光信号入射所述第三不等臂干涉仪；

所述第五探测器用于探测所述第二激光信号，进行时间比特测量。

优选的，在上述量子通信系统中，所述区分模块还包括第四偏振控制器，所述发射端出射的激光信号通过所述第四偏振控制器入射所述第四分束器。

优选的，在上述量子通信系统中，所述第三不等臂干涉仪包括：第十二偏振分束器、第五法拉第反射镜、第六法拉第反射镜、第十三偏振分束器；

所述第十二偏振分束器具有输入端、第一输出端、第二输出端以及第三输出端，其输入端用于获取所述第三激光信号，其第一输出端连接所述第五法拉第反射镜，其第二输出端连接所述第六法拉第反射镜，其第三输出端输出的激光信号通过第五偏振控制器入射所述第十三偏振分束器；

所述第十三偏振分束器用于将入射激光信号分为两路，分别通过第六探测器和第七探测器进行探测。

优选的，在上述量子通信系统中，所述第三不等臂干涉仪包括：第十四偏振分束器以及第五分束器；

所述第十四偏振分束器用于将所述第三激光信号分为两路，一路入射所述第五分束器的一个输入端，另一路入射所述第五分束器的另一个输入端；

所述第五分束器用于将两个输入端获取的激光信号干涉后，分为两路，分别通过第八探测器以及第九探测器进行探测。

优选的，在上述量子通信系统中，所述第三不等臂干涉仪包括：第十五偏振分束器、第十六偏振分束器以及第十七偏振分束器；

所述第十五偏振分束器用于将所述第三激光信号分为两路，一路入射所述第十六偏振分束器的一个输入端，另一路入射所述第十六偏振分束器的另一个输入端；

所述第十六偏振分束器用于将两个输入端获取的激光信号耦合输出到所述第十七偏振分束器；

所述第十七偏振分束器用于将获取的激光信号分为两路，分别通过第十探测器以及第十一探测器进行探测。

本发明还提供了一种量子通信方法，用于上述任一项所述的量子通信系统，其特征在于，所述量子通信方法包括：

通过发射端将同一激光器出射的预设偏振态的初始激光信号转换为第一激光信号，根据所述第一激光信号随机形成具有时间比特信息的第二激光信号或者具有相位比特信息的第三激光信号；

通过接收端获取发射端出射的激光信号，对所述激光信号的量子态进行解码以及探测。

优选的，在上述量子通信方法中，所述通过接收端获取发射端出射的激光信号，对所述激光信号的量子态进行解码以及探测包括：

将具有时间比特信息的第二激光信号转换为具有匹配偏振态的激光脉冲，将具有相位比特信息的第三激光信号转换为具有匹配偏振态的激光脉冲；

对经过偏振态转换后的激光脉冲进行偏振态测量。

优选的，在上述量子通信方法中，所述通过接收端获取发射端出射的激光信号，对所述激光信号的量子态进行解码以及探测包括：

将所述发射端出射的激光信号分为两路，一路包括所述第二激光信号，另一路包括所述第三激光信号；

对该两路激光信号分别进行时间比特测量和相位比特测量。

通过上述描述可知，本发明技术方案提供的量子通信系统及其发射端以及量子通信方法中，在发射端通过同一激光器出射初始激光信号，保证了激光脉冲的一致性，减少了安全漏洞，提高了安全性；而且可以对发射端出射激光信号中激光脉冲偏振态进行控制，使得相邻的两个激光脉冲的偏振态不同，可以便于在接收端对不同偏振态的激光脉冲的传输路径进行控制，在不同偏振态的激光脉冲进行干涉时，可以实现100％干涉能量的利用，避免能量的损失，提高能量利用率以及成码率。可见，本发明技术方案提供的量子通信系统以及量子通信方法，提高了能量利用率、安全性以及成码率，便于量子通信系统以及量子通信方法的普及应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为一种时间相位编码方案的原理示意图；

图2为本发明实施例提供的一种量子通信系统的结构示意图；

图3a为本发明实施例提供的一种发射端的结构示意图；

图3b为本发明实施例提供的一种偏振调制模块的结构示意图；

图3c为本发明实施例提供的另一种偏振调制模块的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的另一种发射端的结构示意图；

图5a为本发明实施例提供的又一种发射端的结构示意图；

图5b为本发明实施例提供的又一种发射端的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种接收端的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的另一种接收端的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的又一种接收端的结构示意图；

图9为本发明实施例提供的又一种接收端的结构示意图；

图10为本发明实施例提供的又一种接收端的结构示意图；

图11为本发明实施例提供的又一种接收端的结构示意图；

图12为本发明实施例提供的又一种接收端的结构示意图；

图13为本发明实施例提供的又一种接收端的结构示意图；

图14为本发明实施例提供的又一种接收端的结构示意图；

图15为本发明实施例提供的又一种接收端的结构示意图；

图16为本本发明实施例提供的一种量子通信系统的结构示意图；

图17为本本发明实施例提供的另一种量子通信系统的结构示意图；

图18为本本发明实施例提供的又一种量子通信系统的结构示意图；

图19为本本发明实施例提供的又一种量子通信系统的结构示意图；

图20为本本发明实施例提供的又一种量子通信系统的结构示意图；

图21为本发明实施例提供的一种量子通信方法的流程示意图；

图22为本发明实施例提供的一种接收端对激光信号的量子态进行解码以及探测的方法流程图；

图23为本发明实施例提供的另一种接收端对激光信号的量子态进行解码以及探测的方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

时间相位(比特)编码是近年来量子通信中逐渐兴起的一种重要的编码方法。使用时间比特代表Z基矢，使用相位比特代表X基矢或Y基矢。使用两个时隙表示一个比特。当两个时隙中只有一个时隙有光脉冲时成为时间比特，前一个时隙有光脉冲代表比特0，后一个时隙有光脉冲代表比特1；当两个时隙均有光脉冲时称为相位比特，两脉冲的相位差为0时代表比特0，两脉冲相位差为π时代表比特1。时间相位编码方案示意图如图1所示，图1为一种时间相位编码方案的原理示意图。

现有量子通信系统中，为了实现时间相位编码，常见的包括如下两种方式：

一种实现方式是设置四个激光器，其中两个激光器出射的激光脉冲代表时间比特的0和1，另外两个激光器出射的激光脉冲代表相位比特的0和1。该方式中，时间相位编码方案中光脉冲制备困难，使用多个激光器进行光源制备，光谱不一致等问题严重影响量子通信安全性，存在较多的安全性漏洞，难以满足安全性要求。

另一种方式是通过注入锁定技术来进行相位编码，使用主激光器以及从激光器，主激光器出射宽光脉冲，通过环形器入射从激光器。如果在主激光器脉冲持续时间内，只给从激光器施加一个窄驱动脉冲，从激光器将输出一个光脉冲，改变窄驱动脉冲的施加时间，可以改变光脉冲的输出时间，作为时间比特；如果在主激光器脉冲持续时间内，给从激光器施加两个窄驱动脉冲，从激光器将输出两个光脉冲，且其相位满足特定关系，用作相位比特。该方式中，使用注入锁定技术，装置复杂，实现难度高，稳定性差。

而且对于时间相位编码方案中对于相位比特需要使用不等臂干涉仪进行探测，在干涉过程中，能量将会损失一半，造成了资源的浪费。

为了解决上述问题，本发明技术方案提供了一种时间相位编码的量子通信系统以及量子通信方法，在发射端通过同一激光器出射初始激光信号，保证了激光脉冲的一致性，减少了安全漏洞，提高了安全性；而且可以对发射端出射激光信号中激光脉冲偏振态进行控制，使得相邻的两个激光脉冲的偏振态不同，可以便于在接收端对不同偏振态的激光脉冲的传输路径进行控制，在不同偏振态的激光脉冲进行干涉时，可以实现100％干涉能量的利用，避免能量的损失，提高能量利用率以及成码率。可见，本发明技术方案提供的量子通信系统以及量子通信方法，提高了能量利用率、安全性以及成码率，便于量子通信系统以及量子通信方法的普及应用。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，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。

参考图2，图2为本发明实施例提供的一种量子通信系统的结构示意图，该量子通信系统包括：发射端11以及接收端12。发射端11可以出射包括时间比特信息以及相位比特信息的激光信号。接收端12可以对发射端11出射的激光信号的量子态进行解码以及探测。

所述发射端11包括偏振调制模块111以及第一不等臂干涉仪112；所述偏振调制模块111用于将同一激光器LD出射的预设偏振态的初始激光信号转换为第一激光信号；所述第一不等臂干涉仪112用于根据所述第一激光信号随机形成具有时间比特信息的第二激光信号或者具有相位比特信息的第三激光信号；所述第一不等臂干涉仪112出射的激光信号入射所述接收端12；所述述第二激光信号以及所述第三激光信号均包括单光子量子态。

可以通过随机数发生器生成随机数电信号，所述第一不等臂干涉仪112 基于所述随机数电信号将所述第一激光信号随机形成所述第二激光信号或是第三激光信号。

所述接收端12用于对所述发射端11出射的激光信号的量子态进行解码以及探测。接收端12与发射端11通过传输信道13通信连接。具体的，第一不等臂干涉仪112与接收端12之间通过传输信道13连接。该传输信道13可以为光纤或是自由光场。

本实施例提供的时间相位编码的量子通信系统，通过设定结构的第一不等臂干涉仪112，使用单个激光器LD即可方便的产生时间比特信息和相位比特信息。同时可以通过在接收端12设计高效的干涉光路，避免了相位探测干涉过程中的能量损失，提高了资源利用率，同时提高了成码率。

所述初始激光信号包括设定偏振态的初始激光脉冲。本发明实施例后续描述中以初始激光脉冲的偏振态为P偏振态进行方案描述。初始激光脉冲的偏振态可以为P偏振态、N偏振态、R偏振态以及L偏振态中的任意一种。

在发射端11，由同一个激光器LD出射同一偏振态的初始激光脉冲信号。所述偏振调制模块111用于对所述激光器LD出射的初始激光脉冲进行相位调制，形成第一激光脉冲，将所述第一激光脉冲进行偏振调制，形成所述第一激光信号，所述第一激光信号包括第二激光脉冲。

其中，所述第一激光脉冲的偏振态为P偏振态、N偏振态、R偏振态以及L偏振态中的任意一种。所述第二激光脉冲的偏振态为H偏振态、V偏振态、R偏振态以及L偏振态中的任意一种，或，为H偏振态、V偏振态、P 偏振态以及N偏振态中的任意一种。一个初始激光脉冲对应转换为一个第一激光脉冲，第一激光脉冲的偏振态可以通过随机数控制装置，随机为P偏振态、N偏振态、R偏振态以及L偏振态中的任意一种。一个第一激光脉冲转换为一个第二激光脉冲，第二激光脉冲可以通过随机数控制装置，随机为H 偏振态、V偏振态、R偏振态以及L偏振态中的任意一种，或，随机为H偏振态、V偏振态、P偏振态以及N偏振态中的任意一种。第一不等臂干涉仪 112出射的相邻两个激光脉冲的偏振态不同。

H偏振态、V偏振态、P偏振态和N偏振态对应的激光脉冲均为线偏振光，H偏振态对应的激光脉冲的偏振角度为0°，V偏振态对应的激光脉冲的偏振角度为90°，P偏振态对应的激光脉冲的偏振角度为45°，N偏振态对应的激光脉冲的偏振角度为135°。R偏振态对应的激光脉冲为右旋圆偏振光，L 偏振态对应的激光脉冲为左旋圆偏振光。

参考图3a，图3a为本发明实施例提供的一种发射端的结构示意图，图3a 所示发射端中，偏振调制模块111包括：第一偏振分束器PBS1、第一相位调制器PM1、以及第一偏振控制器PC1。

所述第一偏振分束器PBS1具有输入端、第一输出端、第二输出端以及第三输出端，其输入端与激光器LD连接，用于获取所述初始激光脉冲，其第一输出端与第二输出端通过所述第一相位调制器PM1连接，所述第一偏振分束器PBS1以及所述第一相位调制器PM1构成的干涉仪对所述初始激光脉冲进行相位调制后，形成所述第一激光脉冲，所述第一激光脉冲通过所述第一偏振分束器PBS1的第三输出端输出。所述第一偏振控制器PC1基于所述第一偏振分束器PBS1的第三输出端输出的第一激光脉冲形成第二激光脉冲。所述第一偏振控制器PC1具有输入端以及输出端，其输入端与所述第一偏振分束器PBS1的第三输出端连接，其输出端用于输出所述第二激光脉冲。第一偏振分束器PBS1与第一相位调制器PM1构成Sagnac(萨格纳克)干涉仪。

图3a所示发射端中，所述第一不等臂干涉仪112包括：第二偏振分束器 PBS2、第一法拉第反射镜FM1以及第二法拉第反射镜FM2。所述第二偏振分束器PBS2具有输入端、第一输出端、第二输出端以及第三输出端，其输入端与第一偏振控制器PC1的输出端连接，用于获取所述第二激光脉冲，其第一输出端与所述第一法拉第反射镜FM1连接，其第二输出端与所述第二法拉第反射镜FM2连接，其第三输出端通过传输信道13与接收端12连接，用于输出所述第二激光信号以及所述第三激光信号。其第一输出端与所述第一法拉第反射镜FM1之间的光路距离大于其第二输出端与所述第二法拉第反射镜 FM2之间的光路距离，即第二偏振分束器PBS2的第一输出端与第一法拉第反射镜FM1之间的光路为第一不等臂干涉仪112的长臂，第二偏振分束器 PBS2的第二输出端与第二法拉第反射镜FM2之间的光路为第一不等臂干涉仪112的短臂。

在发射端11，使用单个激光器LD出射激光脉冲，保证了激光脉冲的一致性，减少了安全性漏洞。激光器LD出射的初始激光脉冲为线偏振光，初始激光脉冲为P偏振态。初始激光脉冲先通过自稳定的Sagnac干涉仪进行相位调制，将初始激光脉冲随机转换为PNRL中的任一种。然后利用第一偏振控制器PC1将激光脉冲偏振态随机转换成HVRL中的任一种(或者HVPN中的任一种)。不同偏振态入射一个由第二偏振分束器PBS2组成的第一不等臂干涉仪112，H偏振态与V偏振态对应的激光脉冲入射之后形成时间比特信息输出，R偏振态与L偏振态(或者P偏振态与N偏振态)入射之后形成相位比特信息输出。发射端11输出的任意两个相邻激光脉冲的偏振态不同。

参考图3b，图3b为本发明实施例提供的一种偏振调制模块的结构示意图，图3b所示方式中，所述偏振调制模块111包括：环形器、第一偏振分束器PBS1、第一相位调制器PM1、以及第一偏振控制器PC1；所述环形器具有第一端口 c1、第二端口c2以及第三端口c3；所述第一偏振分束器PBS1具有三个端口，其一个端口与所述环形器的第二端口c2连接，其另外两个端口通过所述第一相位调制器PM1连接。所述初始激光脉冲依次通过所述第一端口c1以及所述第二端口c2入射所述第一偏振分束器PBS1；所述第一偏振分束器PBS1以及所述第一相位调制器PM1构成的干涉仪对所述初始激光脉冲进行相位调制后，形成所述第一激光脉冲，通过所述第一偏振分束器PBS1发送到所述第二端口c2，所述第一激光脉冲通过所述第三端口c3输入到所述第一偏振控制器 PC1，所述第一偏振控制器PC1基于所述第一激光脉冲输出所述第二激光脉冲。

第一偏振分束器PBS1的端口设计方式可以通过表面镀膜实现，为常规设计，在此不做具体说明。该偏振调制模块111可以实现图3a所示偏振调制模块111相同的功能。激光器LD出射的激光脉冲入射第一端口c1，从第二端口c2出射后入射第一偏振分束器PBS1和第一相位调制器PM1构成的Sagnac 干涉仪，激光脉冲通过Sagnac干涉仪相位调制后，通过第二端口c2入射，经过第三端口c3出射后，入射第一偏振控制器PC1。

参考图3c，图3c为本发明实施例提供的另一种偏振调制模块的结构示意图，图3c所示实施方式中，所述偏振调制模块111包括：预设分束器BS、第一偏振分束器PBS1、第一相位调制器PM1、以及第一偏振控制器PC1；所述预设分束器具有第一端口、第二端口以及第三端口；所述第一偏振分束器 PBS1具有三个端口，其一个端口与所述预设分束器BS的第二端口连接，其另外两个端口通过所述第一相位调制器PM1连接；所述初始激光脉冲依次通过所述第一端口以及所述第二端口入射所述第一偏振分束器PBS1；所述第一偏振分束器PBS1以及所述第一相位调制器PM1构成的干涉仪对所述初始激光脉冲进行相位调制后，形成所述第一激光脉冲，通过所述第一偏振分束器 PBS1发送到所述第二端口，所述第一激光脉冲通过所述第三端口输入到所述第一偏振控制器PC1，所述第一偏振控制器PC1基于所述第一激光脉冲输出所述第二激光脉冲。图3c所示实施方式将图3b中的环形器替换为一个分束器BS，可以实现与图3a所示偏振调制模块111相同的功能。

参考图4，图4为本发明实施例提供的另一种发射端的结构示意图，图4 所示方式在图3a所示方式基础上，在第一不等臂干涉仪112中增加了第一分束器BS1、第二分束器BS2、第一探测设备PIN1以及第二探测设备PIN2。具体的，所述第二偏振分束器PBS2的第一输出端与所述第一法拉第反射镜 FM1之间的光路设置有第一分束器BS1，该第一输出端出射的激光信号通过所述第一分束器BS1分为两路，分别入射第一探测设备PIN1以及所述第一法拉第反射镜FM1。本发明实施例中，各个探测设备可以为光电二极管。

所述第二偏振分束器PBS2的第二输出端与所述第二法拉第反射镜FM2 之间的光路设置有第二分束器BS2，该第二输出端出射的激光信号通过所述第二分束器BS2分为两路，分别入射第二探测设备PIN2以及所述第二法拉第反射镜FM2。

参考图5a，图5a为本发明实施例提供的又一种发射端的结构示意图，图 5a所示发射端中，所述第一不等臂干涉仪112包括：第三偏振分束器PBS3 以及第四偏振分束器PBS4。所述第三偏振分束器PBS3用于获取所述偏振调制模块11出射的激光信号，将该激光信号分为第一路激光信号以及第二路激光信号；第一路激光信号通过所述第一不等臂干涉仪112的短臂入射所述第四偏振分束器PBS4的第一输入端，第二路激光信号通过所述第一不等臂干涉仪112的长臂入射所述第四偏振分束器PBS4的第二输入端，所述第四偏振分束器PBS4用于基于两个输入端获取的激光信号输出所述第二激光信号或所述第三激光信号，发送到传输信道13。

参考图5b，图5b为本发明实施例提供的又一种发射端的结构示意图，图 5b所示发射端中，在图5a所示方式中进一步包括第六分束器BS6、第七分束器BS7、第三探测设备PIN3以及第四探测设备PIN4。所述第六分束器BS6 用于将所述第一路激光信号分为两路，一路入射所述第一输入端，另一路入射所述第三探测设备PIN3；所述第七分束器BS7用于将所述第二路激光信号分为两路，一路入射所述第二输入端，另一路入射所述第四探测设备PIN4。

在图5b所示方式中，具体的，所述第三偏振分束器PBS3用于获取所述偏振调制模块111出射的激光信号，将该激光信号分为两路，一路入射第六分束器BS6，另一路入射第七分束器BS7。所述第六分束器BS6用于将入射激光信号分为两路，一路入射所述第三探测设备PIN3，另一路入射第四偏振分束器PBS4的第一输入端。所述第七分束器BS7用于将入射激光信号分为两路，一路入射所述第四探测设备PIN4，另一路入射所述第四偏振分束器 PBS4的第二输入端。所述第四偏振分束器PBS4用于基于两个输入端获取的激光信号输出所述第二激光信号或所述第三激光信号，所述第四偏振分束器 PBS4将其两个输入端获取的激光信号耦合输出，其输出的激光信号包括所述第二激光信号以及所述第三激光信号。

图5b所示方式中，第三偏振分束器PBS3与第四偏振分束器PBS4之间设置有第六分束器BS6的光路为第一不等臂干涉仪112的短臂，第三偏振分束器PBS3与第四偏振分束器PBS4之间设置有第七分束器BS7的光路为第一不等臂干涉仪112的长臂。

本发明实施例中，偏振调制模块111具有多种实现方式，第一不等臂干涉仪112具有多种实施方式，所述发射端11可以为上述方式中任一种偏振调制模块111与任一种第一不等臂干涉仪112的组合方式。

参考图6，图6为本发明实施例提供的一种接收端的结构示意图，图6所示方式中，所述接收端12包括：第二不等臂干涉121以及偏振测量模块122；所述第二不等臂干涉仪121与所述第一不等臂干涉仪112具有相同的臂长差，用于将具有时间比特信息的第二激光信号转换为具有匹配偏振态的激光脉冲，将具有相位比特信息的第三激光信号转换为具有匹配偏振态的激光脉冲；所述偏振测量模块122用于对所述第二不等臂干涉仪121出射的激光脉冲进行偏振态测量。

参考图7，图7为本发明实施例提供的另一种接收端的结构示意图，图7 所示接收端12中，所述第二不等臂干涉仪121包括第七偏振分束器PBS7、第三法拉第反射镜FM3以及第四法拉第反射镜FM4；所述第七偏振分束器 PBS7具有输入端、第一输出端、第二输出端以及第三输出端，其输入端用于获取所述发射端11输出的激光信号，其第一输出端与所述第三法拉第反射镜 FM连接，其第二输出端与第四法拉第反射镜FM4连接，其第三输出端用于输出经过偏振态转换的激光脉冲。该方式中，第七偏振分束器PBS7与第三法拉第反射镜FM3之间光路为短臂，与第四法拉第反射镜FM4之间光路为长臂。

参考图8，图8为本发明实施例提供的又一种接收端的结构示意图，图8 所示接收端12中，所述第二不等臂干涉仪121包括第八偏振分束器PBS8以及第九偏振分束器PBS9；所述第八偏振分束器PBS8用于获取所述发射端11 输出的激光信号，将该激光信号分为两束，分别入射所述第九偏振分束器PBS9 的两个输入端；所述第九偏振分束器PBS9用于基于两个输入端获取的激光信号输出经过偏振态转换的激光脉冲。

参考图9，图9为本发明实施例提供的又一种接收端的结构示意图，图9 所示接收端12中，所述偏振测量模块122包括：第三分束器BS3、第十偏振分束器PBS10、第十一偏振分束器PBS11、以及四个探测器。所述第三分束器BS3用于将所述第二不等臂干涉仪121出射的激光信号分为两路，一路通过第二偏振控制器PC2入射所述第十偏振分束器PBS10，另一路通过第三偏振控制器PC3入射所述第十一偏振分束器PBS11；所述第十偏振分束器PBS10 用于将入射激光信号分为两路，分别入射两个探测器(D1和D2)；所述第十一偏振分束器PBS11用于将入射激光信号分为两路，分别入射另外两个探测器(D3和D4)。

图6-图9所示方式中，在接收端12，采用与第一不等臂干涉仪112具有相同臂长差的第二不等臂干涉仪121对发射端11出射的激光脉冲进行干涉。与第一不等臂干涉仪112的实现方式相同，所述第二不等臂干涉仪121同样可以通过偏振分束器实现。由于相邻的两个激光脉冲具有不同的偏振态，在接收端12可以通过偏振态控制激光脉冲在第二不等臂干涉仪121中的传输路径，以实现100％干涉能量利用，避免能量损失，提高资源利用率和成码率。经过第二不等臂干涉仪121之后时间相位比特信息转换成不同的偏振态，如 HVPN中的任一种，同样是一个脉冲对应一个偏振态转换。偏振测量模块122 可以通过主动偏振测量或者被动偏振测量的方式进行偏振测量。在光纤系统中，偏振测量实现简单，结构稳定，且损耗很低，有利于提高成码率。该方式可以实现偏振测量，适用于采用光纤连接的量子通信系统，可以提高成码率，降低损耗。

本发明实施例中，当接收端12由第二不等臂干涉仪121与偏振测量模块 122构成时，公开了两种第二不等臂干涉仪121的实现方式，接收端12可以为上述方式中任一种第二不等臂干涉仪121与偏振测量模块122的组合方式。

参考图10，图10为本发明实施例提供的又一种接收端的结构示意图，图 10所示接收端12包括：区分模块123以及第三不等臂干涉仪124；所述区分模块123用于将所述发射端出射11的激光信号分为两路，一路包括所述第二激光信号，用于测量时间比特，另一路包括所述第三激光信号，通过所述第三不等臂干涉仪124进行偏振态转换后，用于测量相位比特。

参考图11，图11为本发明实施例提供的又一种接收端的结构示意图，图 11所示接收端12中，所述区分模块123包括：第四分束器BS4以及第五探测器D5；所述第四分束器BS4用于将所述发射端11出射的激光信号分为两路，一路包括所述第二激光信号，该路激光信号入射所述第五探测器D5，另一路包括所述第三激光信号，该路激光信号入射所述第三不等臂干涉仪124；所述第五探测器D5用于探测所述第二激光信号，进行时间比特测量。第五探测器D5用于时间态测量，可以测量HV偏振态对应激光脉冲到达时间，用于成码，可以结合非平衡基矢测量。

参考图12，图12为本发明实施例提供的又一种接收端的结构示意图，图 12所示接收端12中，所述区分模块123在图11所示方式上进一步包括第四偏振控制器PC4，所述发射端11出射的激光信号通过所述第四偏振控制器 PC4入射所述第四分束器BS4。

参考图13，图13为本发明实施例提供的又一种接收端的结构示意图，图 13所示接收端12中，所述第三不等臂干涉仪124包括：第十二偏振分束器 PBS12、第五法拉第反射镜FM5、第六法拉第反射镜FM6、第十三偏振分束器PBS13。所述第十二偏振分束器PBS12具有输入端、第一输出端、第二输出端以及第三输出端，其输入端用于获取所述第三激光信号，其第一输出端连接所述第五法拉第反射镜FM5，其第二输出端连接所述第六法拉第反射镜FM6，其第三输出端输出的激光信号通过第五偏振控制器PC5入射所述第十三偏振分束器PBS13。所述第十三偏振分束器PBS13用于将入射激光信号分为两路，分别通过第六探测器D6和第七探测器D7进行探测。

参考图14，图14为本发明实施例提供的又一种接收端的结构示意图，图 14所示接收端12中，所述第三不等臂干涉仪124包括：第十四偏振分束器 PBS14以及第五分束器BS5；所述第十四偏振分束器PBS14用于将所述第三激光信号分为两路，一路入射所述第五分束器BS5的一个输入端，另一路入射所述第五分束器BS5的另一个输入端；所述第五分束器BS5用于将两个输入端获取的激光信号干涉后，分为两路，分别通过第八探测器D8以及第九探测器D9进行探测。

参考图15，图15为本发明实施例提供的又一种接收端的结构示意图，图 15所示接收端12中，所述第三不等臂干涉仪124包括：第十五偏振分束器 PBS15、第十六偏振分束器PBS16以及第十七偏振分束器PBS17。所述第十五偏振分束器PBS15用于将所述第三激光信号分为两路，一路入射所述第十六偏振分束器PBS16的一个输入端，另一路入射所述第十六偏振分束器 PBS16的另一个输入端；所述第十六偏振分束器PBS16用于将两个输入端获取的激光信号耦合输出到所述第十七偏振分束器PBS17；所述第十七偏振分束器PBS17用于将获取的激光信号分为两路，分别通过第十探测器D10以及第十一探测器D11进行探测。

图10-图15所示方式中，在接收端12，通过区分模块123将时间比特信息对应的激光脉冲和相位比特信息对应的激光脉冲分开进行测量。区分模块 123中可以如图采用第四分束器BS4将时间比特信息对应的激光脉冲和相位比特信息对应的激光脉冲分开，其他方式中，还可以通过光开关将时间比特信息对应的激光脉冲和相位比特信息对应的激光脉冲分开。时间比特信息对应的激光脉冲使用一个探测器测量光脉冲的到达时间进行区分，减少了使用探测器的数量，降低了成本，提高了稳定性，同时时间比特信息对应的激光脉冲不经过干涉仪，减小了损耗，提高了成码率；相位比特信息对应的激光脉冲通过第三不等臂干涉仪124干涉之后变成偏振态，再进行偏振测量，避免了50％能量损耗，提高了成码率。

本发明实施例中，当接收端12由区分模块123和第三不等臂干涉仪124构成时，公开了多种区分模块123的实施方式以及多种第三不等臂干涉仪124的实施方式，所述接收端12可以为上述方式中任一种区分模块123与任一种第三不等臂干涉仪124的组合方式。

需要说明的是，本发明实施例中连接关系指光信号的连接，可以为光纤连接或是自由光场连接。各个分束器BS可以为功率分束器。

下面结合具体的系统结构图对本申请实施例所述激光通信系统的工作过程进行描述。

参考图16，图16为本发明实施例提供的一种量子通信系统的结构示意图，该量子通信系统中，具有如图3a所示的发射端11，如图6所示的直接偏振测量的接收端12，接收端12中第二不等臂干涉仪121如图7所示，偏振测量模块122如图9所示。

发射端11先通过激光器LD出射的激光脉冲为45°线偏振光，偏振态为P，入射Sagnac干涉仪(由第一偏振分束器PBS1和第一相位调制器PM1组成)，一个激光脉冲对应转换出射为PNRL任一不同的偏振态。具体为：激光信号通过PBS1分成两路，一路沿着顺时针方向经PM1，再回到PBS1，偏振态为 H；另一路沿着逆时针的方向经过PM1，再回到PBS1，偏振态为V。两路光在PBS1干涉再输出，出射状态与PM1设置的相位差有关。当PM1设置的相位差分别为{0，π，π/2，3π/2}时，依次对应的出射状态分别为P(45°线偏振)、 N(135°线偏振)、R(右旋圆偏振)、L(左旋圆偏振)。

从PBS1出射的偏振光经过PC1，将偏振态从PNRL对应转变成HVRL，或者对应转变成HVPN，两种转换方式均能实现本发明技术方案技术效果，以下分析以将偏振态从PNRL对应转变成HVPN为例介绍。

从PC1出射的不同偏振光入射一个第一不等臂干涉仪112(由PBS2、 FM1、FM2组成)，出射时间相位编码状态。具体如下：

H偏振态入射PBS2之后，会从PBS2透射，经过干涉仪短臂，再被FM2 反射回来，偏振态变为V，到达PBS2之后反射，从输出端输出，量子态为|V,S1> (其中V表示该脉冲的偏振态为V，S1表示该激光脉冲经过干涉仪的短臂，走过的路程短，在时间上偏前)；V偏振态入射PBS2之后，会被PBS2反射，经过干涉仪长臂，再被FM1反射回来，偏振态变为H，到达PBS2之后透射，从输出端口输出，量子态为|H,S2>(其中H表示该脉冲的偏振态为H，S2表示该脉冲经过干涉仪的长臂，走过的路程长，在时间上偏后)。这两个脉冲组成时间比特，一前一后，分别表示0和1。

P偏振态入射PBS2之后，分成两路：一路透射，偏振态为H，经过短臂，再被FM2反射回来，偏振态变为V，到达PBS2之后反射，从输出端输出，量子态为|V,S1>；另一路反射，偏振态为V，经过干涉仪长臂，再被FM1反射回来，偏振态为H，到达PBS2之后透射，从输出端输出，量子态为|H,S2>。即P偏振态入射不等臂干涉仪，出射一前一后两个相关脉冲，相位差为0，量子态可表示为N偏振态入射PBS2之后，分成两路：一路透射，偏振态为H，经过短臂，再被FM2反射回来，偏振变态为V，到达PBS2之后反射，从输出端口输出，量子态为|V,S1>；另一路反射，偏振态为V，经过干涉仪长臂，再被FM1反射回来，偏振态为H，到达PBS2之后透射，从输出端输出，量子态为e^iπ|H,S2>。即N偏振态入射不等臂干涉仪，出射一前一后两个相关脉冲，相位差为π，量子态可表示为这两种状态组成相位编码比特，相位差为0和π分别表示0和1。

汇总发射端相位调制与量子态真值表如下表所示。

接收端12的主要作用是进行量子态探测与解码。如前对于发射端11的描述，在进入发射端11的第一不等臂干涉仪112之前，量子态可以用偏振态来表示，因此接收端12的一种探测方式如图16所示，使用同样臂长的第二不等臂干涉仪121将时间相位编码比特转换成偏振态再进行偏振测量。

接收端12收到的量子态先经过第二不等臂干涉仪121(PBS7、FM3、FM4 组成，臂长差与发射端11的第一不等臂干涉仪112的臂长差相同)转换成偏振态，再进行被动偏振测量。|V,S1>入射，经过PBS7会反射，经过干涉仪长臂，被FM4反射，回到PBS7，状态变为|H,S1,S2>(H表示偏振态，S1和S2 表示该脉冲在发射端经过短臂，在接收端经过长臂)，再从PBS7透射，进入偏振测量模块122。|H,S2>入射，经过PBS7会透射，经过干涉仪短臂，被FM3 反射，回到PBS7，状态变为|V,S2,S1>(V表示偏振态，S2和S1表示该脉冲在发射端经过长臂，在接收端经过短臂)，再从PBS7反射，进入偏振测量模块122。经过PBS7之后，会分成两部分和 经过PBS7会反射，经过干涉仪长臂，被FM4反射，回到PBS7，状态变为经过PBS7会透射，经过干涉仪短臂，被FM3反射，回到PBS7，状态变为这两个脉冲同时回到PBS7，将干涉输出，状态为(表示该状态为45°线偏振态，且脉冲经过一次长臂传输一次短臂传输)。经过PBS7之后，会分成两部分和经过PBS7会反射，经过干涉仪长臂，被FM4 反射，回到PBS7，状态变为经过PBS7会透射，经过干涉仪短臂，被FM3反射，回到PBS7，状态变为这两个脉冲同时回到PBS7，将干涉输出，状态为(表示该状态为135°线偏振态，且脉冲经过一次长臂传输一次短臂传输)。所有的状态经过不等臂干涉仪之后均经过一次长臂一次短臂传输，再转换为相应的偏振态(H V P N) 进入偏振测量模块122。

图16所示实施例中，偏振测量模块122采用被动偏振测量方式，先通过功率分束器BS3分成两路，BS3反射路经过PC2，在通过PBS10分开，透射路进入D1探测器，反射路进入D2探测器；BS3透射路经过PC3，再通过PBS11 分开，透射路进入D4探测器，反射路进入D3探测器。不失一般性，可定义为D1相应代表探测H(即Z基矢测得0)，D2相应代表探测V(即Z基矢测得1)，D3相应代表探测N(即X基矢测得0)，D4相应代表探测P(即 X基矢测得1)。再经过基矢比对、隐私放大等必要的数据处理过程可以生成安全的量子密钥。

参考图17，图17为本本发明实施例提供的另一种量子通信系统的结构示意图，该量子通信系统中，具有如图3a所示的发射端11，如图10所示的对时间比特和偏振比特分开进行测量的接收端12，接收端12中，区分模块123 如图12所示，第三不等臂干涉仪124如图13所示。其发射端11与图16所示方式完全相同；接收端12测量时，针对时间比特和相位比特采用不同的测量方式。

接收端12先通过偏振控制器PC4补偿传输信道对于偏振态的影响。然后使用功率分束器BS4将入射光脉冲分成两路。透射路进行时间比特测量，使用一个探测器D5直接测量到达时间，代表Z基矢测量。可以通过精确测量脉冲到达时间，确定脉冲是处在前一个时隙位置还是后一个时隙位置，进而确定比特值。|V,S1>态入射D5，将在前一个时隙位置产生输出信号，测量出的比特值为0；|H,S2>态入射D5，将在后一个时隙位置产生输出信号，测量出的比特值为1。反射路进行相位比特测量，先使用第三不等臂干涉仪124将相位比特转换成偏振态，再进行偏振测量。反射路代表X基矢测量。经过PBS12之后，会分成两部分和经过PBS12会反射，经过干涉仪长臂，被FM5反射，回到PBS12，状态变为经过PBS12会透射，经过干涉仪短臂，被FM6反射，回到PBS12，状态变为这两个脉冲同时回到PBS12，将干涉输出，状态为(表示该状态为45°线偏振态，且脉冲经过一次长臂传输一次短臂传输)。然后经过PC5、PBS13、探测器D6和D7进行偏振测量，D6相应表示测量比特为0。经过PBS12之后，会分成两部分和经过PBS12会反射，经过干涉仪长臂，被 FM5反射，回到PBS12，状态变为经过PBS12会透射，经过干涉仪短臂，被FM6反射，回到PBS12，状态变为这两个脉冲同时回到PBS12，将干涉输出，状态为(表示该状态为 135°线偏振态，且脉冲经过一次长臂传输一次短臂传输)。然后经过PC5、PBS13、探测器D6和D7进行偏振测量，D7相应表示测量比特为1。

最后经过必要的基矢比对、纠错、隐私放大等数据处理过程，可以生成完全一致的安全密钥。

图16和图17所示方式，也可以采用图4所示第一不等臂干涉仪112，在第一不等臂干涉仪112长臂中增加BS1和PIN1，在短臂中增加BS2和PIN2，进行功率监测。一方面可以测量偏振制备的误差，另一方面可以作为系统调试参考，通过这两个探测设备显示的功率可以高精度调节PM1的电压。具体流程为：

当PM1电压为0(对应调节相位为0)时，调节PC1，使PIN2功率最大、 PIN1功率最小。逐渐增大PM1电压，当PIN1功率最大、PIN2功率最小时， PM1电压为对应的半波电压Vπ(对应调节相位为π)。再将PM1电压减小至0，检查PIN2功率最大、PIN1功率最小是否满足。

给PM1加上电压Vπ/2(对应调节相位为π/2)，调节PC1，使PIN2功率最大、PIN1功率最小。逐渐增大PM1电压，当PIN1功率最大、PIN2功率最小时，PM1电压为对应的相位为3π/2对应的电压。再将PM1电压减小至 Vπ/2，检查PIN2功率最大、PIN1功率最小是否满足。

参考图18，图18为本本发明实施例提供的又一种量子通信系统的结构示意图，该量子通信系统中，具有如图5b所示的发射端11，如图6所示接收端 12，接收端12中，第二不等臂干涉仪121如图8所示，偏振测量模块122如图9所示。该方式中，第一不等臂干涉仪112以及第二不等臂干涉仪121均为M-Z(Mach-Zehnder)干涉仪(简称AMZ)，用于进行编码和解码。

图18所示方式的工作流程如下：

在发射端11，通过偏振调制模块111制备PNRL四种偏振态，与上述实施例中保持一致。再通过PC1转换成HVPN四种偏振态，入射进入不等臂 MZ干涉仪，即第一不等臂干涉仪112。|H>入射，经过PBS3透射进入短臂，再经过PBS4透射，出射光脉冲量子态为|t₀,H>(其中t0表示时间上前一个脉冲，H表示偏振)；|V>入射，经过PBS3反射进入长臂，再经过PBS4反射，出射光脉冲量子态为|t₁,V>(其中t1表示时间上后一个脉冲，V表示偏振)；|P> 偏振输入，经过PBS3分成两束。一路为|H>，透射进入短臂，再通过PBS4 透射，出射态为|t₀,H>；另一路为|V>，经过PBS3反射进入长臂，再通过PBS4 反射，出射态为|t₁,V>。因此出射态为|N>偏振输入，经过 PBS3分成两束。一路为|H>，透射进入短臂，再通过PBS4透射，出射态为|t₀,H>；另一路为-|V>，经过PBS3反射进入长臂，再通过PBS4反射，出射态为-|t₁,V>。因此出射态为其中，t0对应上述S1，表示光脉冲经过短臂，传输时间短，时间靠前，t1对应上述S2，表示光脉冲经过长臂，传输时间长，时间靠后。

需要说明的是，该方式中，发射端11在不等臂干涉仪的两臂中均增加分束器以及探测设备，进行功率监测。一方面可以测量偏振制备的误差，另一方面可以作为系统调试参考，通过这两个PIN管显示的功率可以高精度调节 PM1的电压，调节方式与图4所示方式相同。

在接收端12，先通过不等臂MZ干涉仪(第二不等臂干涉仪121)将四种时间相位态对应转换成HVPN等四种偏振态，再通过BS3、PBS10和PBS11 的被动解码方式进行偏振态探测解码。具体流程为：

|t₀,H>入射，经过PBS8透射进入长臂，再通过PBS9透射，偏振仍然为H，进入偏振测量模块122；

|t₁,V>入射，经过PBS8反射进入短臂，再通过PBS9反射，偏振为V，进入偏振测量模块122；

入射，经过PBS8分成两路，一路从PBS8透射，偏振为 H，经过长臂传输至PBS9透射，另一路从PBS8反射，偏振为V，经过短臂传输至PBS9反射。由于接收端12中第二不等臂干涉仪121的臂长差与发射端11中第一不等臂干涉仪112臂长差相等，这两路脉冲同时从PBS9出射，出射偏振态为再进入偏振测量模块122；

入射，经过PBS8分成两路，一路从PBS8透射，偏振为 H，经过长臂传输至PBS9透射，另一路从PBS8反射，偏振为V，经过短臂传输至PBS9反射。由于接收端12中第二不等臂干涉仪121的臂长差与发射端11中第一不等臂干涉仪112的臂长差相等，这两路脉冲同时从PBS9出射，出射偏振态为

参考图19，图19为本本发明实施例提供的又一种量子通信系统的结构示意图，该量子通信系统中，具有如图5b所示的发射端11，如图10所示的接收端12，接收端12中，区分模块123如图11所示，第三不等臂干涉仪124 如图14所示。

该方式中，接收端12采用时间相位两个基矢分开测量的方案，发射端11 与图18所示方式相同，接收端12先通过BS4分成两路。反射路直接进入探测器D5进行时间态测量，通过光子到达时间区分。透射路先经过第三不等臂干涉仪124，将两个脉冲干涉起来，再通过两个探测器D8和D9分别测量，两者相应分别对应相位差为0和π的相位态。

与图18所示方式相同，发射端11的第一不等臂干涉仪的两臂中通过增加分束器和探测设备，进行功率监测。一方面可以测量偏振制备的误差，另一方面可以作为系统调试参考，通过这两个探测设备显示的功率可以高精度调节PM1的电压，实现原理与上述实施例相同。

图19所示实施例中，接收端12的第三不等比干涉仪124使用PBS14和 BS5实现。也可以如图20所示。

参考图20，图20为本本发明实施例提供的又一种量子通信系统的结构示意图，该方式与图19不同在于第三不等臂干涉仪124如图15所示。

相对于图19所示方式，图20所示方式中第三不等臂干涉仪124采用 PBS15和PBS16组成，PBS17进行解码，D10和D11响应分别对应相位差为0和π的相位态。

本发明实施例中公开了多种接收端12的实施方式以及多种发射端11的实施方式，本发明实施例所述量子通信系统可以为上述任一种接收端12与任一种发射端11的组合，不局限于图16-图20所示几种方式。

需要说明的是，本发明实施例中，各个不等臂干涉仪包括但不局限于 Faraday-Michelson干涉仪或是Mach-Zehnder干涉仪，也可以使用其他形式的不等臂干涉仪。Faraday-Michelson干涉仪具有偏振自补偿功能，在光纤信道中稳定性很高，为优选方案。

本发明实施例中使用被动偏振测量方式，这在光纤信道中容易实现，成本低，稳定性好，为优选方案。但是通过光开关、泡克尔盒等方式进行主动偏振测量的方式也可以实现本发明的功能，本领域的工作人员可以简单想到，均为本发明保护的范围。

在时间相位比特编码量子通信中，容易结合非平衡基矢方案简化装置，提高成码率。通常选择发射较多的时间比特，用于成码，探测简单，错误率低；选择发射较少的相位比特，用于参数估计和窃听探测。本发明可以简单实现这种功能，在发射端11通过控制PM1的相位差来设置发射时间比特和相位比特的比例；在接收端12可以通过BS4的分束比或者光开光的切换概率来控制探测时间比特和相位比特的比例。在本发明的基础上，结合非平衡基矢方法也应视为本发明的保护范围。

本发明中的传输信道可以是光纤信道、自由空间信道、水信道或者其他光可以传输的信道。

使用复用的方法可以减少探测器的数量，本领域的人员可以简单想到，应视为本发明的保护范围。

本发明各实施例中的各个偏振控制器等可以使用手动偏振控制器、电动偏振控制器、电光调制器、转动波片、光纤轴向旋转45°等不同方式实现。只要能实现所需的偏振转换，均能达到发明效果，均应视为本专利保护范围。

本发明可以应用于使用单光子光源的情形(种类不限)，也可以应用于使用弱相干光源的情形。使用弱相干光源时，通常需要使用诱骗态方法对抗分离光子数攻击。在发射端11采用外调制(使用强度调制器件如强度调制器、可调衰减器、电光调制器等)或者内调制(改变激光器的驱动电流)的方式制备不同的强度态来分别代表信号态和诱骗态。本领域的工作人员可以轻易将诱骗态方法与本发明相结合，也应视为本专利保护范围。

通过上述描述可知，本发明实施例技术方案中，通过Sagnac干涉仪和不等臂干涉仪制备时间相位比特，系统结构简单，且制备的具有时间比特和相位比特的激光信号，在接收端12可以直接进行偏振测量，或是对时间比特和相位比特分别进行测量。而且使用偏振分束器组成不等臂干涉仪提高干涉效率。

本发明实施例所述量子通信系统，与现有技术相比，时间比特和相位比特制备方法简单，成本低，稳定性大大提高，接收端干涉效率高，提高了成码率和资源利用率，减小了接收端12插入损耗，进一步提高了成码率。

本发明实施例还提供了一种量子通信系统的发射端11，发射端11可以为上述实施例中任一种实现方式，可以参考上述实施例描述，在此不再赘述。

本发明实施例还提供了一种量子通信系统的接收端12，接收端12可以为上述实施例中任一种实现方式，可以参考上述实施例描述，在此不再赘述。

基于上述量子通信系统，本发明另一实施例提供了一种量子通信方法，用于上述量子通信系统，该量子通信方法如图21所示，图21为本发明实施例提供的一种量子通信方法的流程示意图，该方法包括：

步骤S11：通过发射端将同一激光器出射的预设偏振态的初始激光信号转换为第一激光信号，根据所述第一激光信号随机形成具有时间比特信息的第二激光信号或者具有相位比特信息的第三激光信号。

步骤S12：通过接收端获取发射端出射的激光信号，对所述激光信号的量子态进行解码以及探测。

可选的，所述通过接收端获取发射端出射的激光信号，对所述激光信号的量子态进行解码以及探测的方法如图22所示，图22为本发明实施例提供的一种接收端对激光信号的量子态进行解码以及探测的方法流程图，该方法包括：

步骤S21:将具有时间比特信息的第二激光信号转换为具有匹配偏振态的激光脉冲，将具有相位比特信息的第三激光信号转换为具有匹配偏振态的激光脉冲；

步骤S22:对经过偏振态转换后的激光脉冲进行偏振态测量。

可选的，所述通过接收端获取发射端出射的激光信号，对所述激光信号的量子态进行解码以及探测的方法还可以如图23所示，图23为本发明实施例提供的另一种接收端对激光信号的量子态进行解码以及探测的方法流程图，该方法包括：

步骤S31:将所述发射端出射的激光信号分为两路，一路包括所述第二激光信号，另一路包括所述第三激光信号；

步骤S32:对该两路激光信号分别进行时间比特测量和相位比特测量。

本发明实施例所述量子通信方法，用于上述实施例所述量子通信系统，以通过所述量子通信系统执行所述量子通信方法。与现有技术相比，所述量子通信方法中，时间比特和相位比特制备方法简单，成本低，稳定性大大提高，接收端干涉效率高，提高了成码率和资源利用率，减小了接收端12插入损耗，进一步提高了成码率。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的量子通信方法，由于其与实施例公开的量子通信系统相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见量子通信系统对应部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (24)

1.一种量子通信系统的发射端，其特征在于，所述发射端包括：

偏振调制模块以及第一不等臂干涉仪；

所述偏振调制模块用于将同一激光器出射的预设偏振态的初始激光信号转换为第一激光信号；所述第一不等臂干涉仪用于根据所述第一激光信号随机形成具有时间比特信息的第二激光信号或者具有相位比特信息的第三激光信号。

2.根据权利要求1所述的发射端，其特征在于，所述初始激光信号包括设定偏振态的初始激光脉冲；

所述偏振调制模块用于对所述激光器出射的初始激光脉冲进行相位调制，形成第一激光脉冲，将所述第一激光脉冲进行偏振调制，形成所述第一激光信号，所述第一激光信号包括第二激光脉冲。

3.根据权利要求2所述的发射端，其特征在于，所述第一激光脉冲的偏振态为P偏振态、N偏振态、R偏振态以及L偏振态中的任意一种；所述第二激光脉冲的偏振态为H偏振态、V偏振态、R偏振态以及L偏振态中的任意一种，或，为H偏振态、V偏振态、P偏振态以及N偏振态中的任意一种。

4.根据权利要求2所述的发射端，其特征在于，所述偏振调制模块包括：第一偏振分束器、第一相位调制器、以及第一偏振控制器；

所述第一偏振分束器具有输入端、第一输出端、第二输出端以及第三输出端，其输入端用于获取所述初始激光脉冲，其第一输出端与第二输出端通过所述第一相位调制器连接，所述第一偏振分束器以及所述第一相位调制器构成的干涉仪对所述初始激光脉冲进行相位调制后，形成所述第一激光脉冲，所述第一激光脉冲通过所述第一偏振分束器的第三输出端输出；

所述第一偏振控制器具有输入端以及输出端，其输入端与所述第一偏振分束器的第三输出端连接，其输出端用于输出所述第二激光脉冲。

5.根据权利要求2所述的发射端，其特征在于，所述偏振调制模块包括：环形器、第一偏振分束器、第一相位调制器、以及第一偏振控制器；所述环形器具有第一端口、第二端口以及第三端口；所述第一偏振分束器具有三个端口，其一个端口与所述环形器的第二端口连接，其另外两个端口通过所述第一相位调制器连接；

所述初始激光脉冲依次通过所述第一端口以及所述第二端口入射所述第一偏振分束器；所述第一偏振分束器以及所述第一相位调制器构成的干涉仪对所述初始激光脉冲进行相位调制后，形成所述第一激光脉冲，通过所述第一偏振分束器发送到所述第二端口，所述第一激光脉冲通过所述第三端口输入到所述第一偏振控制器，所述第一偏振控制器基于所述第一激光脉冲输出所述第二激光脉冲。

6.根据权利要求2所述的发射端，其特征在于，所述偏振调制模块包括：预设分束器、第一偏振分束器、第一相位调制器、以及第一偏振控制器；所述预设分束器具有第一端口、第二端口以及第三端口；所述第一偏振分束器具有三个端口，其一个端口与所述预设分束器的第二端口连接，其另外两个端口通过所述第一相位调制器连接；

所述初始激光脉冲依次通过所述第一端口以及所述第二端口入射所述第一偏振分束器；所述第一偏振分束器以及所述第一相位调制器构成的干涉仪对所述初始激光脉冲进行相位调制后，形成所述第一激光脉冲，通过所述第一偏振分束器发送到所述第二端口，所述第一激光脉冲通过所述第三端口输入到所述第一偏振控制器，所述第一偏振控制器基于所述第一激光脉冲输出所述第二激光脉冲。

7.根据权利要求2所述的发射端，其特征在于，所述第一不等臂干涉仪包括：第二偏振分束器、第一法拉第反射镜以及第二法拉第反射镜；

所述第二偏振分束器具有输入端、第一输出端、第二输出端以及第三输出端，其输入端用于获取所述第二激光脉冲，其第一输出端与所述第一法拉第反射镜连接，其第二输出端与所述第二法拉第反射镜连接，其第三输出端用于输出所述第二激光信号以及所述第三激光信号；其第一输出端与所述第一法拉第反射镜之间的光路距离大于其第二输出端与所述第二法拉第反射镜之间的光路距离。

8.根据权利要求7所述的发射端，其特征在于，所述第二偏振分束器的第一输出端与所述第一法拉第反射镜之间的光路设置有第一分束器，该第一输出端出射的激光信号通过所述第一分束器分为两路，分别入射第一探测设备以及所述第一法拉第反射镜；

所述第二偏振分束器的第二输出端与所述第二法拉第反射镜之间的光路设置有第二分束器，该第二输出端出射的激光信号通过所述第二分束器分为两路，分别入射第二探测设备以及所述第二法拉第反射镜。

9.根据权利要求2所述的发射端，其特征在于，所述第一不等臂干涉仪包括：第三偏振分束器以及第四偏振分束器；

所述第三偏振分束器用于获取所述偏振调制模块出射的激光信号，将该激光信号分为第一路激光信号以及第二路激光信号；第一路激光信号通过所述第一不等臂干涉仪的短臂入射所述第四偏振分束器的第一输入端，第二路激光信号通过所述第一不等臂干涉仪的长臂入射所述第四偏振分束器的第二输入端，所述第四偏振分束器用于基于两个输入端获取的激光信号输出所述第二激光信号或所述第三激光信号。

10.根据权利要求9所述的发射端，其特征在于，所述第一不等臂干涉仪还包括：第六分束器、第七分束器、第三探测设备以及第四探测设备；

所述第六分束器用于将所述第一路激光信号分为两路，一路入射所述第一输入端，另一路入射所述第三探测设备；

所述第七分束器用于将所述第二路激光信号分为两路，一路入射所述第二输入端，另一路入射所述第四探测设备。

11.一种量子通信系统，其特征在于，所述量子通信系统包括：

发射端，所述发射端为如权利要求1-10任一项所述的发射端；

接收端，所述接收端用于对所述发射端的第一不等臂干涉仪出射的激光信号的量子态进行解码以及探测。

12.根据权利要求11所述的量子通信系统，其特征在于，所述接收端包括：第二不等臂干涉以及偏振测量模块；

所述第二不等臂干涉仪与所述第一不等臂干涉仪具有相同的臂长差，用于将具有时间比特信息的第二激光信号转换为具有匹配偏振态的激光脉冲，将具有相位比特信息的第三激光信号转换为具有匹配偏振态的激光脉冲；

所述偏振测量模块用于对所述第二不等臂干涉仪出射的激光脉冲进行偏振态测量。

13.根据权利要求12所述的量子通信系统，其特征在于，所述第二不等臂干涉仪包括第七偏振分束器、第三法拉第反射镜以及第四法拉第反射镜；

所述第七偏振分束器具有输入端、第一输出端、第二输出端以及第三输出端，其输入端用于获取所述发射端输出的激光信号，其第一输出端与所述第三法拉第反射镜连接，其第二输出端与第四法拉第反射镜连接，其第三输出端用于输出经过偏振态转换的激光脉冲。

14.根据权利要求12所述的量子通信系统，其特征在于，所述第二不等臂干涉仪包括第八偏振分束器以及第九偏振分束器；

所述第八偏振分束器用于获取所述发射端输出的激光信号，将该激光信号分为两束，分别入射所述第九偏振分束器的两个输入端；

所述第九偏振分束器用于基于两个输入端获取的激光信号输出经过偏振态转换的激光脉冲。

15.根据权利要求12所述的量子通信系统，其特征在于，所述偏振测量模块包括：第三分束器、第十偏振分束器、第十一偏振分束器、以及四个探测器；

所述第三分束器用于将所述第二不等臂干涉仪出射的激光信号分为两路，一路通过第二偏振控制器入射所述第十偏振分束器，另一路通过第三偏振控制器入射所述第十一偏振分束器；

所述第十偏振分束器用于将入射激光信号分为两路，分别入射两个探测器；

所述第十一偏振分束器用于将入射激光信号分为两路，分别入射另外两个探测器。

16.根据权利要求11所述的量子通信系统，其特征在于，所述接收端包括：区分模块以及第三不等臂干涉仪；

所述区分模块用于将所述发射端出射的激光信号分为两路，一路包括所述第二激光信号，用于测量时间比特，另一路包括所述第三激光信号，通过所述第三不等臂干涉仪进行偏振态转换后，用于测量相位比特。

17.根据权利要求16所述的量子通信系统，其特征在于，所述区分模块包括：第四分束器以及第五探测器；

所述第四分束器用于将所述发射端出射的激光信号分为两路，一路包括所述第二激光信号，该路激光信号入射所述第五探测器，另一路包括所述第三激光信号，该路激光信号入射所述第三不等臂干涉仪；

所述第五探测器用于探测所述第二激光信号，进行时间比特测量。

18.根据权利要求17所述的量子通信系统，其特征在于，所述区分模块还包括第四偏振控制器，所述发射端出射的激光信号通过所述第四偏振控制器入射所述第四分束器。

19.根据权利要求16所述的量子通信系统，其特征在于，所述第三不等臂干涉仪包括：第十二偏振分束器、第五法拉第反射镜、第六法拉第反射镜、第十三偏振分束器；

所述第十二偏振分束器具有输入端、第一输出端、第二输出端以及第三输出端，其输入端用于获取所述第三激光信号，其第一输出端连接所述第五法拉第反射镜，其第二输出端连接所述第六法拉第反射镜，其第三输出端输出的激光信号通过第五偏振控制器入射所述第十三偏振分束器；

所述第十三偏振分束器用于将入射激光信号分为两路，分别通过第六探测器和第七探测器进行探测。

20.根据权利要求16所述的量子通信系统，其特征在于，所述第三不等臂干涉仪包括：第十四偏振分束器以及第五分束器；

所述第十四偏振分束器用于将所述第三激光信号分为两路，一路入射所述第五分束器的一个输入端，另一路入射所述第五分束器的另一个输入端；

所述第五分束器用于将两个输入端获取的激光信号干涉后，分为两路，分别通过第八探测器以及第九探测器进行探测。

21.根据权利要求16所述的量子通信系统，其特征在于，所述第三不等臂干涉仪包括：第十五偏振分束器、第十六偏振分束器以及第十七偏振分束器；

所述第十五偏振分束器用于将所述第三激光信号分为两路，一路入射所述第十六偏振分束器的一个输入端，另一路入射所述第十六偏振分束器的另一个输入端；

所述第十六偏振分束器用于将两个输入端获取的激光信号耦合输出到所述第十七偏振分束器；

所述第十七偏振分束器用于将获取的激光信号分为两路，分别通过第十探测器以及第十一探测器进行探测。

22.一种量子通信方法，用于如权利要求11-21任一项所述的量子通信系统，其特征在于，所述量子通信方法包括：

通过发射端将同一激光器出射的预设偏振态的初始激光信号转换为第一激光信号，根据所述第一激光信号随机形成具有时间比特信息的第二激光信号或者具有相位比特信息的第三激光信号；

通过接收端获取发射端出射的激光信号，对所述激光信号的量子态进行解码以及探测。

23.根据权利要求22所述的量子通信方法，其特征在于，所述通过接收端获取发射端出射的激光信号，对所述激光信号的量子态进行解码以及探测包括：

将具有时间比特信息的第二激光信号转换为具有匹配偏振态的激光脉冲，将具有相位比特信息的第三激光信号转换为具有匹配偏振态的激光脉冲；

对经过偏振态转换后的激光脉冲进行偏振态测量。

24.根据权利要求22所述的量子通信方法，其特征在于，所述通过接收端获取发射端出射的激光信号，对所述激光信号的量子态进行解码以及探测包括：

将所述发射端出射的激光信号分为两路，一路包括所述第二激光信号，另一路包括所述第三激光信号；

对该两路激光信号分别进行时间比特测量和相位比特测量。