CN110870251A - 用于使用纠缠光子在量子密钥分发系统中空脉冲减轻的方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种传送信息的方法包括使用纠缠光子发生器生成光子脉冲。该光子脉冲包括光子脉冲状态并且在时间上位于光子脉冲时隙内。当该光子脉冲处于填充的光子脉冲状态时，该光子脉冲包括第一纠缠光子和第二纠缠光子，并且纠缠光子发生器输出该第一纠缠光子到与输出端光子检测器单元光学地耦合的第一光子路径中并输出该第二纠缠光子到与输出端光子检测器单元光学地耦合的第二光子路径中。该方法还包括使用输出端光子检测器单元确定光子脉冲的光子脉冲状态，该输出端光子检测器单元输出与该光子脉冲的光子脉冲状态有关的信号到信号路径中，以向接收端光子检测器单元提供与该光子脉冲的光子脉冲的状态有关的信息。

Description

用于使用纠缠光子在量子密钥分发系统中空脉冲减轻的方法 和系统

本申请要求于2017年5月12日提交的美国临时申请序列No.62/505,182的优先权，该临时申请的内容被本文依赖并通过引用整体并入本文，如同在下文充分阐述的。

背景技术

本公开涉及用于生成量子密码密钥的量子通信系统。更具体地，本公开针对用于通过减轻空的光子脉冲中的噪声信号的不利影响以增加的量子比特率生成量子密码密钥的方法和量子通信系统。

发明内容

根据本公开的主题，一种传送信息的方法包括使用纠缠光子发生器生成光子脉冲。该光子脉冲包括光子脉冲状态，该光子脉冲状态是填充的光子脉冲状态或空的光子脉冲状态。该光子脉冲在时间上位于光子脉冲时隙内。此外，当由纠缠光子发生器生成的光子脉冲处于填充的光子脉冲状态时，该光子脉冲包括与第二纠缠光子纠缠的第一纠缠光子，该纠缠光子发生器输出该第一纠缠光子到第一光子路径中，该第一光子路径光学地耦合该纠缠光子发生器和输出端光子检测器单元，并且该纠缠光子发生器输出该第二纠缠光子到第二光子路径中，该第二光子路径光学地耦合该纠缠光子发生器和接收端光子检测器单元。该方法还包括使用该输出端光子检测器单元确定该光子脉冲的光子脉冲状态；并且从该输出端光子检测器单元输出与该光子脉冲的光子脉冲状态有关的信号到信号路径中，该信号路径通信地耦合该输出端光子检测器单元和该接收端光子检测器单元，使得该信号向该接收端光子检测器单元提供与该光子脉冲的光子脉冲状态有关的信息。

根据本公开的一个实施例，一种生成量子密码密钥的方法包括使用纠缠光子发生器生成多个光子脉冲。该多个光子脉冲都包括光子脉冲状态，该光子脉冲状态是填充的光子脉冲状态或空的光子脉冲状态。该多个光子脉冲中的每一个光子脉冲在时间上位于光子脉冲时隙内。此外，当由纠缠光子发生器生成的单独的光子脉冲处于填充的光子脉冲状态时，该光子脉冲包括与第二纠缠光子纠缠的第一纠缠光子，该纠缠光子发生器输出该第一纠缠光子到第一光子路径中，该第一光子路径光学地耦合该纠缠光子发生器和输出端光子检测器单元，并且该纠缠光子发生器输出该第二纠缠光子到第二光子路径中，该第二光子路径光学地耦合该纠缠光子发生器和接收端光子检测器单元。该方法还包括使用该输出端光子检测器单元确定该多个光子脉冲中的每一个光子脉冲的光子脉冲状态，从该输出端光子检测器单元输出与该多个光子脉冲的光子脉冲状态有关的多个信号到信号路径中，该信号路径通信地耦合到该接收端光子检测器单元，使得该多个信号中的每一个信号向该接收端光子检测器单元提供与该多个光子脉冲中的每一个的光子脉冲状态有关的信息，一旦由该接收端光子检测器单元每次接收到单独的第二纠缠光子，就生成与该单独的第二纠缠光子的纠缠光子对有关的测量信息，基于处于填充的光子脉冲状态的光子脉冲的纠缠光子对的测量信息生成多个量子密钥位，以及生成具有该多个量子密钥位的量子密码密钥。

根据本公开的又一个实施例，一种生成量子密码密钥的方法包括使用纠缠光子发生器生成多个光子脉冲。该多个光子脉冲都包括光子脉冲状态，该光子脉冲状态是填充的光子脉冲状态或空的光子脉冲状态。该多个光子脉冲中的每一个光子脉冲在时间上位于光子脉冲时隙内。该纠缠光子发生器包括激光源和光学地耦合到该激光源的非线性晶体。此外，当由该纠缠光子发生器生成的单独的光子脉冲处于填充的光子脉冲状态时，该光子脉冲包括与第二纠缠光子纠缠的第一纠缠光子，该纠缠光子发生器使用参数降频转换过程输出该第一纠缠光子和该第二纠缠光子，该纠缠光子发生器输出该第一纠缠光子到第一光子路径中，该第一光子路径是光纤并且光学地耦合到该纠缠光子发生器和输出端光子检测器单元，该输出端光子检测器单元是单光子检测器单元，该纠缠光子发生器输出该第二纠缠光子到第二光子路径中，该第二光子路径是光纤并且光学地耦合到该纠缠光子发生器和接收端光子检测器单元。该方法还包括使用该输出端光子检测器单元确定该多个光子脉冲中的每一个光子脉冲的光子脉冲状态，从该输出端光子检测器单元输出与该多个光子脉冲的光子脉冲状态有关的多个信号到信号路径中，该信号路径通信地耦合到该接收端光子检测器单元，使得该多个信号中的每一个信号向该接收端光子检测器单元提供与该多个光子脉冲中的每一个的光子脉冲状态有关的信息，一旦由该接收端光子检测器单元每次接收到单独的第二纠缠光子，就生成与该单独的第二纠缠光子的纠缠光子对有关的测量信息，基于处于填充的光子脉冲状态的光子脉冲的纠缠光子对的测量信息生成多个量子密钥位，以及生成具有该多个量子密钥位的量子密码密钥。

尽管本文主要参考量子密钥生成来描述本公开的概念，但是可以设想，这些概念将享有对任何量子信息通信的适用性。

附图说明

本公开的特定实施例的以下详细描述能够结合以下附图阅读时被最好地理解，在附图中相同的结构使用相同的附图标记来指示，而且在附图中：

图1示意性地描绘了根据本文示出和描述的一个或多个实施例的量子通信系统纠缠光子发生器、输出端光子检测器单元和接收端光子检测器单元；

图2示意性地描绘了根据本文示出和描述的一个或多个实施例的确定光子脉冲的光子脉冲状态的方法的流程图；

图3示意性地描绘了根据本文示出和描述的一个或多个实施例的生成量子密码密钥的方法的流程图；

图4图形地描绘了根据本文示出和描述的一个或多个实施例的作为平均光子数每脉冲的函数的错误检测概率的减少；

图5图形地描绘了根据本文示出和描述的一个或多个实施例的作为平均光子数每脉冲的函数的本文描述的方法的优势因子；

图6图形地描绘了根据本文示出和描述的一个或多个实施例的使用示例量子密钥生成协议的量子通信系统的量子密钥误码率和安全比特率；并且

图7图形地描绘了根据本文示出和描述的一个或多个实施例的使用另一个示例量子密钥生成协议的量子通信系统的量子密钥误码率和安全比特率。

具体实施方式

现在参考图1，示意性地描绘了量子通信系统100，包括纠缠光子发生器120、输出端光子检测器单元140和接收端光子检测器单元142。纠缠光子发生器120和输出端光子检测器单元140都位于量子通信系统100的输出端102(通常称为“爱丽丝”)，并且接收端光子检测器单元142位于量子通信系统100的接收端104(通常称为“鲍勃”)。量子通信系统100在结构上被配置为在分开的位置(例如，输出端102和接收端104)之间对量子信息进行通信，例如，通过生成包括纠缠量子态的粒子(例如，光子)并沿着一个或多个光子路径150、152将该纠缠量子态传输到分开的位置(例如，输出端102和接收端104)并且在分开的位置之间传输。此外，该量子信息可以包括密码密钥(例如，密码量子密钥)，该密码密钥可以用于对沿着信号路径154(通常称为“经典信道”)在输出端102和接收端104之间发送的加密信息进行编码和/或解码。此外，信号路径154还可以用于在输出端102和接收端104之间对不安全信息进行通信。

如图1描绘的，第一光子路径150在纠缠光子发生器120和输出端光子检测器单元140之间延伸并光学地耦合纠缠光子发生器120和输出端光子检测器单元140，第二光子路径152在纠缠光子发生器120和接收端光子检测器单元142之间延伸并光学地耦合纠缠光子发生器120和接收端光子检测器单元142。第一光子路径150和/或第二光子路径152可以包括光波导，诸如包括芯和围绕芯的包层的光纤、平面波导等。替代地，第一光子路径150和第二光子路径152可以包括自由空间路径，该自由空间路径可以定位于真空或大气中。当第一光子路径150包括自由空间路径时，沿着第一光子路径150在纠缠光子发生器120和输出端光子检测器单元140之间没有中间光学组件。此外，当第二光子路径152包括自由空间路径时，沿着第二光子路径152在纠缠光子发生器120和接收端光子检测器单元142之间没有中间光学组件。此外，在一些实施例中，第一光子路径150和/或第二光子路径152可以包括与一个或多个波导结合使用或不与任何波导一起使用的一个或多个光学组件，诸如透镜(例如，聚焦透镜、准直透镜等)、反射镜等，使得第一光子路径150和/或第二光子路径152的部分定位于真空或大气中。

输出端光子检测器单元140和/或接收端光子检测器单元142可以包括光子检测器，诸如单光子检测器，例如，超导纳米线单光子检测器、碳纳米线检测器、低噪声光电二极管等。在其他实施例中，输出端光子检测器单元140和/或接收端光子检测器单元142可以包括光子数解析检测器。然而，应当理解，输出端光子检测器单元140和接收端光子检测器单元142可以包括任何光子检测器。此外，输出端102可以包括输出端控制器144，并且接收端104可以包括接收端控制器146。例如，输出端控制器144可以位于输出端光子检测器单元140、纠缠光子发生器120中，或者可以是独立的组件。作为说明性示例，图1描绘了纠缠光子发生器120中的输出端控制器144，然而，应当理解，输出端控制器144可以替代地位于输出端光子检测器单元140中或者可以是独立的组件。此外，接收端控制器146可以位于接收端光子检测器单元142中(如图1中描绘的)或者可以是独立的组件。此外，量子通信系统100的一些实施例可以不包括输出端控制器144和接收端控制器146中的一个或两个。

输出端控制器144可以包括用于控制输出端光子检测器单元140的处理器和控制逻辑，并且接收端控制器146可以包括用于控制接收端光子检测器单元142的处理器和控制逻辑。在操作中，输出端控制器144可以将随机选择的量子基础应用于输出端光子检测器单元140对第一纠缠光子的测量，并且接收端控制器146可以将随机选择的量子基础应用于接收端光子检测器单元142对第二纠缠光子的测量。此外，输出端控制器144和接收端控制器146可以分别向输出端光子检测器单元140和接收端光子检测器单元142提供时钟定时、同步和校准。

仍然参考图1，信号路径154通信地耦合输出端光子检测器单元140和接收端光子检测器单元142，例如，通信地耦合输出端控制器144和接收端控制器146，如图1描绘的。例如，输出端控制器144和接收端控制器146可以包括收发器或其他通信设备，该收发器或其他通信设备被配置为通过信号路径154发送和接收通信。信号路径154可以由能够传输信号的任何介质形成，例如，导线，导电迹线、光波导等。在一些实施例中，信号路径154可以促进无线信号的传输，诸如WiFi、蓝牙、自由空间等。此外，信号路径154可以由能够传输信号的介质的组合形成。尽管不旨在受理论限制，但是信号路径154包括“经典”通信信道，该通信信道允许输出端光子检测器单元140(例如，爱丽丝)与接收端光子检测器单元142(例如，鲍勃)进行通信。

此外，在一些实施例中，信号路径154和第二光子路径152可以设置在单个光纤内，例如，其中一个芯用作第二光子路径152且另一个芯用作信号路径154的多芯光纤，或替代地具有至少一个光学路径(例如，芯)用作第二光子路径152且至少一个电气路径用作信号路径154的光纤。在信号路径154和第二光子路径152设置在单个光纤内的实施例中，纠缠光子发生器120和输出端光子检测器单元140可以封装在一起。此外，信号路径154可以比第二光子路径152短(例如，第二光子路径152可以比信号路径154走更迂回的路径到达接收端光子检测器单元142)，信号路径154可以比第二光子路径152长，或信号路径154可以包括与第二光子路径152相同的长度(例如，当信号路径154和第二光子路径152设置在单个光纤内或包括在单个光纤束内的光纤时)。

仍然参考图1，纠缠光子发生器120在结构上被配置为生成光子脉冲。光子脉冲包括光子脉冲状态，该光子脉冲状态是填充的光子脉冲状态(例如，填充的光子脉冲)或空的光子脉冲状态(例如，空的光子脉冲)。当由纠缠光子发生器120生成的光子脉冲处于填充的光子脉冲状态中时，该光子脉冲包括纠缠光子对，例如，第一纠缠光子和第二纠缠光子。在一些实施例中，第一纠缠光子可以包括空载光子，并且第二纠缠光子可以包括信号光子。如图1描绘的，分别使用第一光子路径150和第二光子路径152将纠缠光子发生器120光学地耦合到输出端光子检测器单元140和接收端光子检测器单元142，使得当纠缠光子发生器120输出纠缠光子对时，第一纠缠光子沿着第一光子路径150传播且第二纠缠光子沿着第二光子路径152传播。

在一些实施例中，纠缠光子发生器120在结构上被配置为使用参数降频转换过程来生成可以包括纠缠光子对的光子脉冲。例如，纠缠光子发生器120可以包括光学地耦合到一个或多个非线性晶体的激光源。在其他实施例中，纠缠光子发生器120可以在结构上被配置为使用四波混合过程，或生成光子脉冲的任何方法或过程来生成纠缠光子对，该光子脉冲可以包括一个或多个纠缠光子对。此外，纠缠光子发生器120可以在结构上被配置为生成或输出包括一个或多个纠缠光子对的光子脉冲，该一个或多个纠缠光子对具有任何波长λ，例如，从约800nm到约1800nm，例如约1550nm。

此外，当由纠缠光子发生器120生成的光子脉冲处于空的光子脉冲状态时，没有光子生成或输出。换句话说，空的光子脉冲状态意味着生成空的光子脉冲。尽管不旨在受理论限制，但是存在由纠缠光子发生器120生成的单独的光子脉冲包括空的光子脉冲的可能性，并且存在由纠缠光子发生器120生成的单独的光子脉冲包括填充的光子脉冲的可能性。如下面更详细描述的，在本文描述的方法中，输出端光子检测器单元140将关于光子脉冲状态(例如，光子脉冲填充状态)的信息传送到接收端光子检测器单元142，使得接收端光子检测器单元142可以忽略在与空的光子脉冲相关联的光子脉冲时隙期间接收到的信号(例如，误报)。

在操作中，纠缠光子发生器120被配置为迭代地生成光子脉冲，并且当光子脉冲包括填充的光子脉冲状态时，纠缠光子发生器120输出纠缠光子对，即，输出第一纠缠光子和第二纠缠光子。多个迭代地生成的光子脉冲可以用于在输出端光子检测器单元140和接收端光子检测器单元142中的每一个处形成量子密码密钥的量子密钥位。这允许使用量子密码密钥来对经典通信信道(例如，信号路径154)上的输出端102和接收端104之间的通信进行加密。

此外，每个迭代地生成的光子脉冲(填充的光子脉冲和空的光子脉冲二者)都与光子脉冲时隙相关联，这提供了按时间顺序排列的参考系，使得当第一纠缠光子与第二纠缠光子在空间上分开时，例如，当在输出端光子检测器单元140处测量到第一纠缠光子并且在接收端光子检测器单元142处测量到第二纠缠光子时，每一个第一纠缠光子都可以与其各自的对(例如，与第二纠缠光子)相关联。因此，输出端光子检测器单元140可以通过在第一纠缠光子将在输出端光子检测器单元140处时尝试检测光子来确定该光子脉冲为空的光子脉冲(例如，当光子脉冲时隙在时间上位于输出端光子检测器单元140处)。如果输出端光子检测器单元140在光子脉冲时隙期间未检测到光子，则输出端光子检测器单元140可以确定该光子脉冲为空的光子脉冲。此外，输出端光子检测器单元140可以向输入端光子检测器单元(例如，沿着信号路径154)输出信号，以通知接收端光子检测器单元142特定的光子脉冲时隙包括空的光子脉冲，从而允许接收端光子检测器单元142忽略在该光子脉冲时隙期间接收到的任何信号。特别地，这也允许接收端光子检测器单元142忽略与该空的光子脉冲相关联的光子脉冲时隙，即使在与该空的光子脉冲相关联的光子脉冲时隙中噪声源(诸如编码装置缺陷、检测器暗计数、跟随脉冲和拉曼(Raman)噪声)可以引起接收端光子检测器单元142接收到“误报”信号(例如，噪声数据)的情况下。

在没有来自输出端光子检测器单元140的信号的情况下，接收端光子检测器单元142可能错误地将量子密钥位值分配给与空的光子脉冲相关联的光子脉冲时隙。然而，本文描述的方法可以通过向接收端光子检测器单元142提供与多个光子脉冲的光子脉冲状态有关的信息，并且在一些实施例中，通过在量子密码密钥的生成中排除使用在与包括空的光子脉冲状态的光子对相关联的光子脉冲时隙中接收到的测量信息，来限制误报的数量。

此外，第一光子路径150包括第一传播长度L₁，并且第二光子路径152包括第二传播长度L₂。第一传播长度L₁可以比第二传播长度L₂短，使得在纠缠光子发生器120生成在时间上位于光子脉冲时隙内的光子脉冲之后，输出端光子检测器单元140可以在该光子脉冲时隙到达接收端光子检测器单元142之前测量该光子脉冲是填充的光子脉冲还是空的光子脉冲。换句话说，因为第一传播长度L₁可以比第二传播长度L₂短，所以当光子脉冲包括填充的光子脉冲(并且纠缠光子发生器120输出第一纠缠光子和第二纠缠光子)时，在第二纠缠光子到达接收端光子检测器单元142之前第一纠缠光子到达输出端光子检测器单元140。然而，在其他实施例中，第一传播长度L₁可以比第二传播长度L₂长或等于第二传播长度L₂，并且光子脉冲的光子脉冲状态的测量可以发生在第二纠缠光子到达接收端光子检测器单元142时或第二纠缠光子到达接收端光子检测器单元142之后。

现在参考图2，流程图10示意性地描绘了可以用于确定光子脉冲的光子脉冲状态并传送与光子脉冲状态有关的信息的方法。该流程图描绘了许多方法步骤，尽管以特定的顺序进行了描述，但是这些方法步骤并不限于该顺序。首先，在步骤12处，使用纠缠光子发生器120生成在时间上位于光子脉冲时隙内的光子脉冲。如上所述，当该光子脉冲包括空的光子脉冲时，纠缠光子发生器120不生成且不输出光子(例如，没有纠缠光子对)，当该光子脉冲包括填充的光子脉冲时，纠缠光子发生器120输出纠缠光子对的第一纠缠光子到第一光子路径150中，并且纠缠光子发生器120输出纠缠光子对的第二纠缠光子到第二光子路径152中。

接下来，在步骤14处，当该光子脉冲时隙在时间上位于输出端光子检测器单元140处时，通过检测输出端光子检测器单元140是否接收到光子(例如，第一纠缠光子)，输出端光子检测器单元140可以确定光子脉冲的光子脉冲状态(例如，确定每一个光子脉冲是填充的光子脉冲还是空的光子脉冲)。当在该光子脉冲时隙期间输出端光子检测器单元140检测到光子时(例如，当该光子脉冲时隙在时间上位于输出端光子检测器单元140处时)，输出端光子检测器单元140可以确定该光子脉冲是填充的光子脉冲，当在该光子脉冲时隙期间输出端光子检测器单元140未检测到光子时，输出端光子检测器单元140可以确定该光子脉冲是空的光子脉冲。

此外，在第一光子路径150比第二光子路径152短的实施例中，输出端光子检测器单元140可以在光子脉冲时隙在时间上定位在接收端光子检测器单元142处之前确定该光子脉冲是填充的光子脉冲还是空的光子脉冲。因此，输出端光子检测器单元140可以在接收端光子检测器单元142执行光子脉冲的测量(例如，通过尝试检测并测量第二纠缠光子)之前确定该光子脉冲是填充的光子脉冲还是空的光子脉冲。然而，在第一光子路径150比第二光子路径152长或等于第二光子路径152的实施例中，输出端光子检测器单元140可以在接收端光子检测器单元142执行光子脉冲的测量之后或在接收端光子检测器单元142执行光子脉冲的测量时确定该光子脉冲是填充的光子脉冲还是空的光子脉冲，并且可以在接收端光子检测器单元142测量该光子脉冲(例如，通过尝试检测并测量第二纠缠光子)之后提供与所测量的光子脉冲的光子脉冲状态有关的信息。

仍然参考图2，在步骤16处，输出端光子检测器单元140输出与光子脉冲的光子脉冲状态有关的信号到信号路径154中，使得该信号向接收端光子检测器单元142提供与该光子脉冲状态有关的信息。因此，接收端光子检测器单元142可以忽略在量子密码密钥的形成中使用的空的光子脉冲(以及在该空的光子脉冲的相关联的光子脉冲时隙中接收到的测量信息，诸如噪声信号)，如下面关于图4的方法更详细描述的。

现在参考图3，流程图20示意性地描绘了可以用于生成量子密码密钥的方法。该流程图描绘了许多方法步骤，尽管以特定的顺序进行了描述，但是这些方法步骤并不限于该顺序。首先，在步骤22处，纠缠光子发生器120可以生成多个光子脉冲，每一个光子脉冲包括空的光子脉冲或填充的光子脉冲。当光子脉冲包括填充的光子脉冲时，纠缠光子发生器输出纠缠光子对，该纠缠光子对包括输出到第一光子路径150的第一纠缠光子和输出到第二光子路径152的第二纠缠光子。此外，当光子脉冲包括空的光子脉冲时，纠缠光子发生器120不输出光子。此外，每一个光子脉冲(填充的光子脉冲和空的光子脉冲二者)都在时间上位于光子脉冲时隙内。接下来，在步骤24处，当由纠缠光子发生器120生成的多个光子脉冲中的每一个光子脉冲时隙在时间上位于输出端光子检测器单元140处时，通过检测输出端光子检测器单元140是否接收到光子(例如，第一纠缠光子)，输出端光子检测器单元140可以确定每一个光子脉冲是填充的光子脉冲还是空的光子脉冲。

此外，在步骤26处，输出端光子检测器单元140可以输出与每一个光子脉冲的光子脉冲状态有关的多个信号到信号路径154中，因此向接收端光子检测器单元142提供与每一个光子脉冲的光子脉冲状态有关的信息。接下来，在步骤28处，接收端光子检测器单元142可以迭代地接收包括填充的光子脉冲的光子脉冲的多个纠缠光子对的第二纠缠光子。在步骤30处，接收端光子检测器单元142可以基于每一个第二纠缠光子生成测量信息(例如，信号、值等)，诸如与每一个第二纠缠光子的存在有关的信息、每一个第二纠缠光子(并且从而每一个纠缠光子对)的量子态、或每一个第二纠缠光子的至少一个相关纠缠粒子属性(例如，线性极化、圆极化、自旋、平移动量、轨道角动量、光子脉冲状态等)。

在步骤32处，该测量信息可以用于，例如，使用接收端光子检测器单元142或通信地耦合到接收端光子检测器单元142的另一个计算设备来生成多个量子密钥位。基于从包括填充的光子脉冲状态的光子脉冲接收的测量信息生成每一个量子密钥位。特别地，在步骤34处，该方法包括在生成该多个量子密钥位时排除使用基于在与空的光子脉冲相关联的光子脉冲时隙期间由接收端光子检测器单元142接收到的信号而生成的测量信息。因为输出端光子检测器单元140输出与该多个光子脉冲的光子脉冲状态以及它们各自的光子脉冲时隙有关的多个信号到信号路径154中，所以接收端光子检测器单元142可以排除使用在空的光子脉冲的光子脉冲时隙期间接收到的任何测量信息以作为单独的量子密钥位的基础，使得可以忽略进入空的光子脉冲的时隙的噪声信号。

此外，在步骤36处，该方法包括，例如，使用接收端光子检测器单元142或通信地耦合到接收端光子检测器单元142的另一个计算设备来生成包括多个量子密钥位的量子密码密钥。接下来，在步骤38处，一旦量子密码密钥形成，输出端光子检测器单元140就可以沿着信号路径154或沿着另一个附加的加密经典信号路径将编码消息发送到接收端光子检测器单元142。一旦接收到该编码消息，在步骤40处，接收端光子检测器单元142就可以使用量子密码密钥对该编码消息进行解码。

尽管不旨在受理论限制，通过使用上述方法形成量子密码密钥，可以减少或消除由于基于在与空的光子脉冲相关联的光子脉冲时隙中测量到的噪声的错误检测而导致的错误，从而降低量子通信系统100的量子密钥误码率。如本文所使用的，“量子密钥误码率”是指接收端光子检测器单元142执行错误测量的光子脉冲时隙的数量与在接收端光子检测器单元142处发生测量的光子脉冲时隙的总数量的比率。降低量子通信系统100的量子密钥误码率可以增加量子通信系统100的安全密钥率。

在操作中，量子通信系统100包括错误检测概率p_错误，该错误检测概率p_错误是例如因为在输出端光子检测器单元140处和接收端光子检测器单元142处的测量期间由于量子基不匹配而导致错误生成单独的量子密钥位的概率(例如，输出端控制器144可以为输出端光子检测器单元140或纠缠光子发生器120随机选择量子基以测量第一纠缠光子，接收端控制器146可以为接收端光子检测器单元142随机选择量子基以测量第二纠缠光子，如果这些量子基不匹配，则可能发生错误)，如上所述的基于在与空的光子脉冲相关联的光子脉冲时隙中测量到的噪声的错误检测可能是由于编码装置缺陷、杂散光子、检测器暗计数、跟随脉冲和拉曼噪声引起的。然而，排除在与空的光子脉冲相关联的光子脉冲时隙期间由接收端光子检测器单元142接收到的测量信息可以降低错误检测概率p_错误，使得量子通信系统100可以包括改进的(例如，降低的)错误检测概率p_错误，改进的，其中p_{错误，改进的}＝(1-p₀)p_错误并且p₀是纠缠光子对的空脉冲概率。

此外，尽管不旨在受理论限制，由纠缠光子发生器120生成的多个光子脉冲包括平均光子数每脉冲μ。平均光子数每脉冲μ影响空的脉冲概率p₀使得p₀(μ)＝e^-μ。例如，尽管不希望受到理论的限制，但是对于不同的量子密钥生成协议，平均光子数每脉冲μ的常规值包括：BB84协议为0.1，SARG协议为0.2，COW协议为0.5。使用这些值，相对应的空的脉冲概率p₀为：BB84协议为0.9048，SARG协议为0.819，COW协议为0.6065。因此，等式p_{错误，改进的}＝(1-p₀)p_错误示出了改进的错误检测概率p_{错误，改进的}可以比先前方法的错误检测概率p_错误低约2到约10倍。例如，当μ＝0.1(例如，在BB84协议中)时改进的错误检测概率p_错误，改进的可以比先前方法的错误检测概率p_错误低约10倍，并且当μ＝0.5(例如，在COW协议中)时改进的错误检测概率p_{错误，改进的}可以比先前方法的错误检测概率p_错误低约2.5倍。

现在参考图4，图表50示出了使用本文描述的方法的作为平均光子数每脉冲μ的函数的错误检测概率的降低。特别地，线52描绘了错误检测概率p_错误，错误检测概率p_错误包括基于测量期间的不匹配量子基的错误检，测和基于与空的光子脉冲相关联的光子脉冲时隙中测量到的噪声的错误检测，而线54描绘了改进的错误检测概率p_{错误，改进的}，改进的错误检测概率p_{错误，改进的}具有基于在与空的光子脉冲相关联的光子脉冲时隙中测量到的噪声的减少的和/或消除的错误检测。

现在参考图5，图表60图形地示出了本文描述的减轻错误光子检测的方法的优势。特别地，该优势可以用无量纲因数α数学地描述，其中α(μ)＝p_错误/p_错误，EPM＝(1-p₀(μ))^-1如图表60中线62所示，随着平均光子数每脉冲μ的减小，本文描述的减轻错误光子检测的方法的优势增加。

现在参考图6，图表70图形地示出了当使用量子通信系统100和COW协议使用本文描述的减轻错误光子检测的方法时，量子密钥误码率(“QBER”)的降低和安全比特率(“R_SEC”，以比特每秒[b/s]描绘)的增大。在该实施例中，第二光子路径152和信号路径154设置在不同的光纤内。图表70的线72描绘了当未使用本文描述的减轻错误光子检测的方法时作为第二光子路径152的光纤长度(例如，第二传播长度L₂)的函数的量子通信系统100的QBER，线74描绘了当使用本文描述的减轻错误光子检测的方法时作为第二光子路径152的光纤长度的函数的QBER。如图6描绘的，使用本文描述的减轻错误光子检测的方法降低了QBER，特别是当第二光子路径152的长度增加时。此外，线76描绘了当未使用本文描述的减轻错误光子检测的方法时作为第二光子路径152的光纤长度的函数的量子通信系统100的R_SEC，线78描绘了当使用本文描述的减轻错误光子检测的方法时作为第二光子路径152的光纤长度的函数的R_SEC。如图6描绘的，使用本文描述的减轻错误光子检测的方法增大了R_SEC，特别是当第二光子路径152的长度增加时。

现在参考图7，图表80图形地示出了当使用量子通信系统100和COW协议使用本文描述的减轻错误光子检测的方法时，QBER的降低和R_SEC(以比特每秒[b/s]描绘)的增大。在该实施例中，第二光子路径152和信号路径154设置在相同的光纤内。图表80的线82描绘了当未使用本文描述的减轻错误光子检测的方法时作为第二光子路径152的光纤长度(例如，第二传播长度L₂)的函数的量子通信系统100的QBER，线84描绘了当使用本文描述的减轻错误光子检测的方法时作为第二光子路径152的光纤长度的函数的QBER。如图7描绘的，使用本文描述的减轻错误光子检测的方法降低了QBER，特别是当第二光子路径152的长度增加时。此外，线86描绘了当未使用本文描述的减轻错误光子检测的方法时作为第二光子路径152的光纤长度的函数的量子通信系统100的R_SEC，线88描绘了当使用本文描述的减轻错误光子检测的方法时作为第二光子路径152的光纤长度的函数的R_SEC。如图7描绘的，使用本文描述的减轻错误光子检测的方法增大了R_SEC，特别是当第二光子路径152的长度增加时。

尽管不旨在受理论限制，量子通信系统100的性能可以通过“系统范围”来表征，该范围是第二光子路径152的长度，R_SEC或QBER在该第二光子路径152处达到阈值，在该阈值处接收端光子检测器单元142的能力被减小到可接受水平以下(例如，接收端光子检测器单元142执行不可接受数量的错误测量的长度)。如图6和图7描绘的，本文描述的减轻错误光子检测的方法增大了量子通信系统100的系统范围。此外，请注意，在图6和图7描绘的示例中，假定了在爱丽丝处的理想检测器(例如，理想的输出端光子检测器单元130以100％的效率检测每一个光子脉冲的光子脉冲状态)，但是，应当理解，QBER和R_SEC的相对改进将在没有理想检测器的量子通信系统100中发生。

为了描述和限定本发明技术，注意本文中提到的作为参数或另一个变量的“函数”的变量并不旨在表示该变量仅是所列举的参数或变量的函数。而是，在本文中引用作为所列举参数的“函数”的变量旨在是开放式的，使得该变量可以是单个参数或多个参数的函数。

还应注意，本文中对“至少一个”组件、元件等的记载不应当用于推断冠词“一”或“一个”的替代使用应当限于单个组件、元件等。

注意到，本文中对本公开的组件以特定方法“配置”以使特定属性具体化、或以特定方式起作用的叙述都是结构性的叙述，与期望用途的叙述相对。更具体地，本文提到组件“配置”的方式是指该组件的存在的物理条件，并且同样地被作为该组件的结构特性的明确叙述。

出于描述和限定本发明技术的目的，注意在本文中采用术语“基本上”和“约”来表示可以归因于任何定量比较、数值、测量、或其他表示的固有不确定度。本文还使用术语“基本上”和“约”来表示量化表示可以与所述参考不同而不会导致所讨论主题的基本功能的改变的程度。

在已经详细描述本公开主题并参考其特定实施例的情况下，应当注意本文中公开的各种细节不应当被用于暗示这些细节涉及作为本文中描述的各种实施例的基本组件的元件，即使在说明书附图的每一幅图中示出了特定元件的情况下也是如此。此外，显而易见的是，修改和变化而不脱离包括但不限于所附权利要求书所限定的实施例的本公开的范围是可能的。更具体地，虽然本公开的一些方面在本文中被标识为优选的或特别有优势的，但可以构想本公开不一定限于这些方面。

注意到，所附权利要求中的一项或多项使用术语“其中”作为过渡短语。出于限定本发明技术的目的，应注意该术语是作为开放式的过渡短语而被引入所附权利要求中的，该开放式的过渡短语用于引入对所述结构的一系列特性的记载，且应当按照与更常用的开放式前序术语“包括”相似的方式进行解释。

Claims (20)

1.一种传送信息的方法，所述方法包括：

使用纠缠光子发生器生成光子脉冲，其中：

所述光子脉冲包括光子脉冲状态，所述光子脉冲状态是填充的光子脉冲状态或空的光子脉冲状态；

所述光子脉冲在时间上位于光子脉冲时隙内；以及

当由所述纠缠光子发生器生成的所述光子脉冲处于所述填充的光子脉冲状态时：

所述光子脉冲包括与第二纠缠光子纠缠的第一纠缠光子；

所述纠缠光子发生器输出所述第一纠缠光子到第一光子路径中，所述第一光子路径光学地耦合所述纠缠光子发生器和输出端光子检测器单元；以及

所述纠缠光子发生器输出所述第二纠缠光子到第二光子路径中，所述第二光子路径光学地耦合所述纠缠光子发生器和接收端光子检测器单元；

使用所述输出端光子检测器单元确定所述光子脉冲的所述光子脉冲状态；以及

从所述输出端光子检测器单元输出与所述光子脉冲的所述光子脉冲状态有关的信号到信号路径中，所述信号路径通信地耦合所述输出端光子检测器单元和所述接收端光子检测器单元，使得所述信号向所述接收端光子检测器单元提供与所述光子脉冲的所述光子脉冲状态有关的信息。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一光子路径和所述第二光子路径各自包括光波导。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一光子路径和所述第二光子路径的所述光波导包括光纤。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纠缠光子发生器包括激光源和非线性晶体，其中，所述激光源光学地耦合到所述非线性晶体。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述纠缠光子发生器使用参数降频转换过程输出所述第一纠缠光子和所述第二纠缠光子。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述输出端光子检测器单元包括光子检测器。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述输出端光子检测器单元的所述光子检测器包括单光子检测器。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述输出端光子检测器单元包括光子数解析检测器。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二光子路径和所述信号路径各自设置在单个光纤内。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述第一光子路径包括第一传播长度L₁；

所述第二光子路径包括第二传播长度L₂；并且

所述第一传播长度L₁比所述第二传播长度L₂短。

11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当由所述纠缠光子发生器生成的所述光子脉冲处于所述填充的光子脉冲状态时，所述纠缠光子发生器同时输出所述第一纠缠光子和所述第二纠缠光子。

12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述光子脉冲时隙在时间上定位在所述输出端光子检测器单元处时，通过检测所述输出端光子检测器单元是否接收到所述第一纠缠光子，所述输出端光子检测器单元确定所述光子脉冲状态。

13.一种生成量子密码密钥的方法，所述方法包括：

使用纠缠光子发生器生成多个光子脉冲，其中：

所述多个光子脉冲都包括光子脉冲状态，所述光子脉冲状态是填充的光子脉冲状态或空的光子脉冲状态；

所述多个光子脉冲中的每一个光子脉冲在时间上位于光子脉冲时隙内；以及

当由所述纠缠光子发生器生成的单独的光子脉冲处于所述填充的光子脉冲状态时：

所述光子脉冲包括与第二纠缠光子纠缠的第一纠缠光子；

所述纠缠光子发生器输出所述第一纠缠光子到第一光子路径中，所述第一光子路径光学地耦合所述纠缠光子发生器和输出端光子检测器单元；以及

所述纠缠光子发生器输出所述第二纠缠光子到第二光子路径中，所述第二光子路径光学地耦合所述纠缠光子发生器和接收端光子检测器单元；

使用所述输出端光子检测器单元确定所述多个光子脉冲中的每一个光子脉冲的所述光子脉冲状态；

从所述输出端光子检测器单元输出与所述多个光子脉冲的所述光子脉冲状态有关的多个信号到信号路径中，所述信号路径通信地耦合到所述接收端光子检测器单元，使得所述多个信号中的每一个信号向所述接收端光子检测器单元提供与所述多个光子脉冲中的每一个的所述光子脉冲状态有关的信息；

一旦由所述接收端光子检测器单元每次接收到单独的第二纠缠光子，就生成与所述单独的第二纠缠光子的纠缠光子对有关的测量信息；

基于处于所述填充的光子脉冲状态的光子脉冲的纠缠光子对的所述测量信息生成多个量子密钥位；以及

生成包括所述多个量子密钥位的量子密码密钥。

14.如权利要求13所述的方法，进一步包括：在生成所述多个量子密钥位时，排除使用基于在与包括空的光子脉冲的光子脉冲相关联的单独的光子脉冲时隙期间由所述接收端光子检测器单元接收到的信号而生成的测量信息。

15.如权利要求13所述的方法，其特征在于，当单独的光子脉冲的所述光子脉冲时隙在时间上定位在所述输出端光子检测器单元处时，通过检测所述输出端光子检测器单元是否接收到所述单独的光子脉冲的所述第一纠缠光子，所述输出端光子检测器单元确定所述多个光子脉冲中的每一个光子脉冲的所述光子脉冲状态。

16.如权利要求13所述的方法，进一步包括沿着所述信号路径从所述输出端光子检测器单元向所述接收端光子检测器单元发送编码消息。

17.如权利要求16所述的方法，进一步包括：一旦在所述接收端光子检测器单元处接收到所述编码消息，就使用所述量子密码密钥对所述编码消息进行解码。

18.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述第一光子路径和所述第二光子路径各自包括光波导。

19.一种生成量子密码密钥的方法，所述方法包括：

使用纠缠光子发生器生成多个光子脉冲，其中：

所述多个光子脉冲各自包括光子脉冲状态，所述光子脉冲状态是填充的光子脉冲状态或空的光子脉冲状态；

所述多个光子脉冲中的每一个光子脉冲在时间上位于光子脉冲时隙内；

所述纠缠光子发生器包括激光源和光学地耦合到所述激光源的非线性晶体；

当由所述纠缠光子发生器生成的单独的光子脉冲处于所述填充的光子脉冲状态时：

所述光子脉冲包括与第二纠缠光子纠缠的第一纠缠光子，所述纠缠光子发生器使用参数降频转换过程输出所述第一纠缠光子和所述第二纠缠光子；

所述纠缠光子发生器输出所述第一纠缠光子到第一光子路径中，所述第一光子路径包括光纤并且光学地耦合到所述纠缠光子发生器和包括单光子检测器单元的所述输出端光子检测器单元；以及

所述纠缠光子发生器输出所述第二纠缠光子到第二光子路径中，所述第二光子路径包括光纤并且光学地耦合到所述纠缠光子发生器和接收端光子检测器单元；

使用所述输出端光子检测器单元确定所述多个光子脉冲中的每一个光子脉冲的所述光子脉冲状态；

从所述输出端光子检测器单元输出与所述多个光子脉冲的所述光子脉冲状态有关的多个信号到信号路径中，所述信号路径通信地耦合到所述接收端光子检测器单元，使得所述多个信号中的每一个信号向所述接收端光子检测器单元提供与所述多个光子脉冲中的每一个的所述光子脉冲状态有关的信息；

一旦由所述接收端光子检测器单元每次接收到单独的第二纠缠光子，就生成与所述单独的第二纠缠光子的纠缠光子对有关的测量信息；

基于处于所述填充的光子脉冲状态的光子脉冲的纠缠光子对的所述测量信息生成多个量子密钥位；以及

生成包括所述多个量子密钥位的量子密码密钥。

20.如权利要求19所述的方法，进一步包括：在生成所述多个量子密钥位时，排除使用基于在与包括空的光子脉冲的光子脉冲相关联的单独的光子脉冲时隙期间由所述接收端光子检测器单元接收到的信号而生成的测量信息。

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