CN111130651A - 光量子编码装置、方法、量子通信系统及诱骗态光源 - Google Patents

光量子编码装置、方法、量子通信系统及诱骗态光源 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种新型的光量子编码装置、方法、量子通信系统及可用于诱骗态编码的光源结构。其中，光量子编码装置包括光源、保偏分束单元、合束单元、时间选通单元、延迟补偿单元及多个具有不同光程的第一光路。保偏分束单元将线偏振脉冲光分束成多个分量，并使这些分量分别沿某个第一光路朝合束单元传播。合束单元将这些分量合束，其中这些分量具有彼此不同的偏振态。时间选通单元随机选择合束光中的一个分量通过。延迟补偿单元为选择通过的分量提供时间延迟补偿，以使这些分量在系统周期内时序对准。

Description

光量子编码装置、方法、量子通信系统及诱骗态光源
技术领域
本发明涉及量子保密通信领域，特别是提供了一种基于时分复用的光量子编码装置、方法、量子通信系统及诱骗态光源。
背景技术
量子保密通信是不同于经典通信的一种保密通信方式，能够在通信双方之间产生完全一致的无条件安全的密钥，该密钥可通过“一次一密”的方式加密经典信息，即能够保证信息传递的高安全性，因而受到广泛关注。光量子态的制备(编码)主要包括两种方法：一种是通过编码光子态的偏振信息实现量子密钥分发，另一种是通过编码光子态的相位信息(含时间-相位信息)。
基于BB84协议的偏振编码方案中，包含一对正交偏振态的基矢和另一对正交偏振态的基矢加载在光子态上，两对基矢之间的夹角保持为45°。具体实现该编码方案通常包括采用多激光器的被动编码方案和采用偏振调制技术的单激光器主动编码方案。多激光器方案可以如图1所示，激光器(LD)发出的光脉冲经不同路径后得到不同的特定偏振态，通过控制激光器的发光与否，实现所需偏振态的制备。光脉冲经保偏耦合器(例如保偏光纤分束器PMBS)合束，再经可调衰减器(VOA)衰减至单光子水平输出。
图2示出了现有技术中的一种单激光器偏振编码方案，例如参见中国专利申请CN103969841A。在该编码方案中，其中使用了相位调制器、起偏器、环形器等器件，通过调节Sagnac环内相位调制器来实现不同光偏振态的制备，因此可以使用单个激光器来调制产生四种不同的偏振态。
图3示出了现有技术中的另一种单激光器偏振编码方案。在该编码方案中，通过三个分束器将光分成4束后，经强度调制器控制光的通过和截断，再经偏振制备器件制备成特定偏振态后输出，因此同样可以使用单个激光器来调制产生四种不同的偏振态。
在现有技术的用于实现偏振编码的几种技术方案中，基于多激光器分别发光产生四种偏振态的方案，需要用到四个激光器并分别进行驱动发光，由于激光器之间的工艺差异性，且各自驱动信号难以保证完全一致。多个激光器发光特征难免会存在一定的差异(如光谱形状、中心波长及脉冲时域特性等)，四种偏振态之间可能存在一定的可区分性，难以符合量子通信的实际安全性要求，现在量子通信中采用多激光器方案的越来越少。
在已有的单激光器偏振编码方案中，只使用一个激光器，可保证各偏振态光谱等信息完全一致，避免了多激光器的安全方面的漏洞。不过在上述各种单激光器方案中，其中一种使用了相位调制器，器件成本偏高，并且使用前需对调制器驱动电压进行精确标定，标定过程较为复杂。同时需进行驱动电脉冲与光脉冲对齐，高速脉冲电压驱动器本身输出高脉冲电平难度较大，且成本高，因而相位调制器调制到3π/2时所需的脉冲调制电压往往较难实现。另一种单激光器方案虽然未采用相位调制器进行主动编码，但仍采用了四个强度调制器来选择偏振态进行被动编码，由于器件之间的工艺差异性，每个器件也需要单独进行标定，过程复杂，稳定性相对较差，4个器件中只要一个出现问题，整个编码系统也就无法正常使用，因而实际部署时出现问题的概率较之单一器件大为增加，且4个强度调制器的总成本高昂，不利于实用化和推广。
发明内容
为了解决上述已有方案存在的不足之处，本发明提出了一种基于时分复用方式的编码方案，其中只需一个强度控制单元和电可调光纤延时器件，再辅以必要的无源器件，即可实现光量子态的高效偏振编码，并在最终输出前进行脉冲时序对准，既避免了多激光器方案可能造成的模式不匹配问题，又提升了系统稳定性，同时降低了编码方案的成本，提高了编码方案的实用性。
本发明的第一方面涉及一种基于时分复用的光量子编码装置，其包括光源、保偏分束单元、合束单元、时间选通单元、延迟补偿单元、以及用于连接所述保偏分束单元和所述合束单元的多个第一光路；
所述光源用于生成线偏振脉冲光；
所述保偏分束单元用于将所述线偏振脉冲光分束成多个线偏振脉冲光分量；
所述多个线偏振脉冲光分量分别沿所述多个第一光路中的一个朝向所述合束单元传播，其中，所述多个第一光路被设置成具有彼此不同的光程；
所述合束单元被设置用于将所述线偏振脉冲光分量合束形成合束光，其中，所述合束光中的所述多个线偏振脉冲光分量具有彼此不同的偏振态；
所述时间选通单元被设置成根据随机信号随机地选择所述合束光中的所述多个线偏振脉冲光分量中的一个通过；并且，
所述延迟补偿单元被设置用于根据所述随机信号为由所述时间选通单元选择通过的所述线偏振脉冲光分量提供时间延迟补偿，以使所述线偏振脉冲光分量在系统周期内时序对准。
优选地，所述时间选通单元包括电吸收调制器、光开关和强度调制器中的一个；并且/或者，所述延迟补偿单元包括可调光纤延时器；并且/或者，所述随机信号是基于随机数发生器生成的随机数的。
优选地，所述第一光路中的第i+1条与第i条之间具有相同的光程差，其中i∈[1,k-1]，k为所述第一光路的总数量。
进一步地，所述保偏分束单元被设置成将所述线偏振脉冲光分为4个所述线偏振脉冲光分量；并且，
所述合束单元被设置成将所述4个线偏振脉冲光分量进行合束，且包括第一偏振分束器、第二偏振分束器和保偏光纤分束器，所述保偏光纤分束器的合束端为单模光纤。
更进一步地，所述第一偏振分束器被设置成将所述4个线偏振脉冲光分量中的2个进行合束，并使它们具有彼此垂直的偏振态；
所述第二偏振分束器被设置成将所述4个线偏振脉冲光分量中的另两个进行合束，并使它们具有彼此垂直的偏振态；以及
所述保偏光纤分束器被设置成将所述第一和第二偏振分束器分别输出的合束光进行合束，其中，所述第一和第二偏振分束器输出的合束光之一中的所述线偏振脉冲光分量的偏振态在所述保偏光纤分束器处发生45度旋转。
进一步地，所述保偏分束单元被设置成将所述线偏振脉冲光分为2个所述线偏振脉冲光分量；并且，
所述合束单元被设置成将所述2个线偏振脉冲光分量进行合束，且包括保偏光纤分束器，所述保偏光纤分束器的合束端为单模光纤。
更进一步地，所述线偏振脉冲光分量中的一个的偏振态在所述保偏光纤分束器处发生45度旋转。
进一步地，所述保偏分束单元被设置成将所述线偏振脉冲光分为6个所述线偏振脉冲光分量；并且，
所述合束单元被设置成将所述6个线偏振脉冲光分量进行合束，且包括第一偏振分束器、第二偏振分束器、第三偏振分束器、保偏光纤分束器、合束器、以及偏振变换单元，所述保偏光纤分束器的合束端为单模光纤。
更进一步地，所述第一偏振分束器被设置成将所述6个线偏振脉冲光分量中的两个进行合束，并使它们具有彼此垂直的偏振态；
所述第二偏振分束器被设置成将所述6个线偏振脉冲光分量中的另两个进行合束，并使它们具有彼此垂直的偏振态；
所述第三偏振分束器被设置成将所述6个线偏振脉冲光分量中的又两个进行合束，并使它们具有彼此垂直的偏振态；
所述保偏光纤分束器被设置成将所述第一和第二偏振分束器分别输出的合束光进行合束，其中，所述第一和第二偏振分束器输出的合束光之一中的所述线偏振脉冲光分量的偏振态在所述保偏光纤分束器处发生45度旋转；
所述偏振变换单元被设置成对所述第三偏振分束器输出的合束光中的所述2个线偏振脉冲光分量的偏振态进行转换，使它们在偏振态上彼此不同且不同于所述保偏光纤分束器输出的合束光中的所述线偏振脉冲光分量；并且，
所述合束器被设置成将所述保偏光纤分束器输出的合束光和经偏振变换的所述合束光进行合束。
可选地，所述偏振变换单元包括1/2波片和1/4波片；或者，所述偏振变换单元包括光纤偏振控制器；并且/或者，所述合束单元还包括衰减器，其被设置成对所述线偏振脉冲光分量进行强度调节，以使所述合束单元输出的合束光中的所述线偏振脉冲光分量具有一致的强度。
可选地，所述光源包括激光器或者本发明的基于时分复用的用于诱骗态编码的光源。
本发明的第二方面涉及一种基于时分复用的用于诱骗态编码的光源，其包括线偏振脉冲光发生器、保偏分束器、第一衰减器、第二衰减器、保偏合束器、时间选通单元、以及用于连接所述保偏分束器和所述保偏合束器的3个第二光路；其中，
所述线偏振脉冲光发生器被设置用于生成线偏振脉冲光；
所述保偏分束器被设置成将所述线偏振脉冲光分束成3个线偏振脉冲光分量；
所述3个线偏振脉冲光分量分别沿所述第二光路中的一个朝向所述保偏合束器传播，其中，所述3个第二光路被设置成具有彼此不同的光程；
所述第一和第二衰减器分别设置在所述3个第二光路中的两个上，用于所述线偏振脉冲光分量的强度调节；
所述保偏合束器被设置成将所述3个线偏振脉冲光分量进行合束以形成合束光；以及
所述时间选通单元被设置成根据随机信号随机地选择所述合束光中的3个线偏振脉冲光分量中的一个通过。
进一步地，本发明的用于诱骗态编码的光源还可以包括延迟补偿单元，所述延迟补偿单元被设置用于根据所述随机信号为由所述时间选通单元选择通过的所述线偏振脉冲光分量提供时间延迟补偿，以使所述线偏振脉冲光分量在系统周期内时序对准。
优选地，所述时间选通单元包括电吸收调制器、光开关和强度调制器中的一个；并且/或者，所述延迟补偿单元包括可调光纤延时器；并且/或者，所述随机信号是基于随机数发生器生成的随机数的。
本发明的第三方面涉及一种量子通信系统，其包括发送端和接收端，其中，所述发送端包括本发明的光量子编码装置。
本发明的第四方面涉及一种基于时分复用的光量子编码方法，其包括以下步骤：
将线偏振脉冲光分束为多个线偏振脉冲光分量；
使所述多个线偏振脉冲光分量在合束之前经历不同的时间延迟；
将所述多个线偏振脉冲光分量进行合束以形成合束光，所述合束光中的所述多个线偏振脉冲光分量时间上分离且偏振态彼此不同；
以时间选通的方式随机选择所述合束光中的所述多个线偏振脉冲光分量中的一个输出；以及，
对所述输出的线偏振脉冲光分量进行延迟补偿，以使所述多个线偏振脉冲光分量在系统周期内时序对准。
优选地，本发明的编码方法基于本发明所提出的光量子编码装置来实现。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
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使用的附图作简单地介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图来获得其他的附图。
图1示意性地示出了现有技术中的一种多激光器编码方案；
图2示意性地示出了现有技术中的一种单激光器偏振编码方案；
图3示意性地示出了现有技术中的另一种单激光器偏振编码方案；
图4示意性地示出了本发明的时间选通单元及延迟补偿单元的一个示例性实施例；
图5示意性地示出了本发明的时间选通单元及延迟补偿单元的另一个示例性实施例；
图6示意性地示出了本发明的时间选通单元及延迟补偿单元的又一个示例性实施例；
图7示意性地示出了根据本发明的用于诱骗态编码方案的光源的一种示例性实施例；
图8示意性地示出了本发明的光量子编码装置在4态偏振编码下的一种示例性实施例；
图9示意性地示出了本发明的光量子编码装置中1:4保偏分束单元的一种示例性实施例；
图10示意性地示出了一个系统周期内，用于时间选通单元的驱动脉冲信号与激光器发光脉冲、合束光中四种偏振态的线偏振光脉冲分量之间的关系；
图11示意性地示出了本发明的光量子编码装置在2态偏振编码下的一种示例性实施例；
图12示意性地示出了本发明的光量子编码装置在6态偏振编码下的一种示例性实施例；
图13示意性地示出了本发明的量子通信系统。
具体实施方式
在下文中，本发明的示例性实施例将参照附图来详细描述。下面的实施例以举例的方式提供，以便充分传达本发明的精神给本发明所属领域的技术人员。因此，本发明不限于本文公开的实施例。
本发明的光量子编码装置及方法基于时分复用原理，其中，光量子编码装置主要可以包括单个光源、保偏分束单元、合束单元、时间选通单元、延迟补偿单元、以及用于连接保偏分束单元和合束单元的多个第一光路。
在本发明中，光源用于生成线偏振脉冲光。作为示例，该光源可以借助激光器(例如半导体激光器)来实现。
保偏分束单元接收光源输出的线偏振脉冲光，并将其分束成多个线偏振脉冲光分量。
由保偏分束单元基于光源输出分束而成的多个线偏振脉冲光分量分别进入多个第一光路中的一个，并沿其朝向合束单元传播。
在本发明中，用于连接保偏分束单元和合束单元的多个第一光路可以被设置成关于线偏振脉冲光分量具有不同光程，以使不同的第一光路上的线偏振脉冲光分量将会经不同的时间延迟后到达合束单元。例如，第一光路中的第i+1条与第i条之间可以具有Δt(i)的光程差，其中i∈[1,k-1]，k为第一光路的总数量。在优选示例中，出于方便操作的目的，Δt(i)可以被设定为恒定值Δt0。
合束单元接收来自不同第一光路的线偏振脉冲光分量，并将这些线偏振脉冲光分量合束以形成合束光，其中，合束光中的多个线偏振脉冲光分量具有彼此不同的偏振态。本领域技术人员容易理解，合束单元输出的合束光将包括时间上分离且具有不同偏振态的多个线偏振脉冲光分量。
由合束单元输出的合束光随后到达时间选通单元，其将根据随机信号(例如由随机数发生器生成的随机数)随机选择合束光中的多个线偏振脉冲光分量中的一个通过。
由时间选通单元选择输出的一个线偏振脉冲光分量接着到达延迟补偿单元。延迟补偿单元将基于与时间选通单元相同的随机信号，为线偏振脉冲光分量提供相应的时间延迟补偿。在本发明中，延迟补偿单元所提供的时间延迟补偿与线偏振脉冲光分量在第一光路上的光程有关，以便不同第一光路上的线偏振脉冲光分量能够在系统周期内的同一时刻从延迟补偿单元输出。
例如，假设第一光路被设置成第i+1个与第i个之间的光程差为Δt(i)，此时，延迟补偿单元将可以被设置成为来自第i个第一光路的线偏振脉冲光分量提供的延迟补偿量比为来自第i+1个第一光路的线偏振脉冲光分量提供的延迟补偿量多Δt(i)，以使得各个线偏振脉冲光分量在第一光路上产生的相对时间延迟与在延迟补偿单元中获得的相对延迟补偿量之和相同，从而保证在时间上分离的各个线偏振脉冲光分量在系统周期内的同一时刻离开延迟补偿单元。
为了更容易地理解本发明的延迟补偿单元的工作原理，下面将基于图8的示例作进一步说明。在图8的示例中包括4条第一光路，其中4条第一光路上的光程差分别为0、Δt、2Δt和3Δt。基于本发明，为了实现时序对准，延迟补偿单元相应地将为4条第一光路上的线偏振脉冲光分量提供3Δt、2Δt、Δt和0的延迟补偿，从而确保线偏振脉冲光分量通过第一光路和延迟补偿单元获得的总延迟量均为3Δt，由此能够实现不同第一光路上的线偏振脉冲光分量在系统周期内的时序对准。
由此可见，本发明的光量子编码装置实际上是基于以下方法通过时分复用的方式实现编码的，即：
由单个光源生成单个线偏振脉冲光；
通过保偏的方式(例如借助保偏分束单元)将线偏振脉冲光分束为多个线偏振脉冲光分量；
使多个线偏振脉冲光分量在合束之前经历不同的时间延迟(例如，使线偏振脉冲光分量分别在具有不同光程的第一光路上传播)；
将多个线偏振脉冲光分量进行合束以形成合束光，其中，合束光将包括时间上分离且偏振态彼此不同的多个线偏振脉冲光分量；
以时间选通的方式随机选择合束光中的多个线偏振脉冲光分量中的一个输出；
对经时间选通输出的线偏振脉冲光分量进行延迟补偿，以便经不同时间延迟的线偏振脉冲光分量在系统周期内的同一时刻上对准。
在本发明所提出的上述基于时分复用的新型光量子编码方案中，时间选通方式在电子学领域已是比较成熟的技术，实现起来较为容易，且成本相对已有的路径选通方式要低。同时，由于经时间选通单元选通的不同的脉冲光分量在量子密钥分发(Quantum KeyDistribution,QKD)系统周期内的时序也是分开的，本发明为此还提出为不同的脉冲光分量提供相应的延迟补偿，以确保不同的脉冲光分量从编码装置中输出时在QKD系统周期内具有相同的时序，从而确保量子密钥分发的安全性。例如，在合束前延时较多的偏振态在通过延迟补偿单元时控制延时较少，合束前延时较少的偏振态在通过延迟补偿单元时控制延时较多，最终使各偏振态的光脉冲从光源出射到发送方出口的总延时保持一致，从而在时序上对齐不同偏振态的光脉冲分量。总而言之，本发明所提出的新型光量子编码装置和方法既利用了单激光器方案的高安全性优点，又结合了被动编码装置可靠性高的特点，同时其中采用的时间选通方案在电子学领域较为成熟，成本可控，易推广部署实施。
图4示出了本发明的时间选通单元及延迟补偿单元的一个示例性实施例，其中，时间选通单元包括电吸收调制器，延迟补偿单元包括可调光纤延时器。相较于常规的铌酸锂强度调制器，电吸收型调制器所需的驱动电压相对较低，对驱动信号的要求较低，更易于作为高速信号调制。
如图所示，由例如随机数发生器生成随机信号(随机数)，电吸收调制器根据随机信号选择合束光中的多个线偏振脉冲光分量之一通过。可调光纤延时器基于相同的随机信号为通过的线偏振脉冲光分量提供相应的延迟补偿，从而实现系统周期内时序的对准。
图5示出了本发明的时间选通单元及延迟补偿单元的另一个示例性实施例，其中，时间选通单元包括光开关，延迟补偿单元包括可调光纤延时器。光开关是一种在外加电信号控制之下控制光路通断的器件。使用光开关可以很方便的控制光路能够通过光还是不能通过光。目前光开关的速率越来越快，可用于QKD系统中进行高速编码。
如图所示，由例如随机数发生器生成随机信号，光开关根据随机信号控制光路的通断，从而选择合束光中的多个线偏振脉冲光分量之一通过。可调光纤延时器基于相同的随机信号为通过的线偏振脉冲光分量提供相应的延迟补偿，从而实现系统周期内时序的对准。
图6示出了本发明的时间选通单元及延迟补偿单元的又一个示例性实施例，其中时间选通单元包括强度调制器，延迟补偿单元包括可调光纤延时器。强度调制器是一种在外加电信号的控制下改变光输出强度的器件。当强度调制器被设置为输出光强很强的状态，光路可以看作处于通光的状态；当强度调制器被设置为输出光强很弱的状态，光路可以看作处于断开的状态。
如图所示，由例如随机数发生器生成随机信号，强度调制器根据随机信号改变光输出强度，从而选择合束光中的多个线偏振脉冲光分量之一通过。可调光纤延时器基于相同的随机信号为通过的线偏振脉冲光分量提供相应的延迟补偿，从而实现系统周期内时序的对准。
由此可见，在本发明提出的新型光量子编码方案中，至多只需一个强度控制单元(用于时间选通)和电可调光纤延时器(用于延迟补偿)，再辅以必要的无源器件，即可实现光量子态的高效偏振编码，并在最终输出前进行脉冲时序对准，既避免了多激光器方案可能造成的模式不匹配问题，又提升了系统稳定性，同时降低了编码方案的成本，提高了编码方案的实用性。
在现有基于BB84协议的量子通信系统中，普遍采用弱相干光源并结合诱骗态调制方案来弥补现实中单光子源难以工程化应用带来的安全性隐患。其中，信号态和诱骗态强度的稳定性及信号态与诱骗态比例的稳定性，对QKD系统的成码率和错误率等指标至关重要。而现有主动强度调制的方案因受驱动稳定性、环境因素等影响，信号态与诱骗态比例存在较大的波动，在一定程度上影响了QKD系统的稳定运行。针对此问题，本发明同样基于时分复用原理还对用于诱骗态编码方案的光源进行了改进。
图7示出了根据本发明的用于诱骗态编码方案的光源的示例性实施例。在该示例中，光源可以包括线偏振脉冲光发生器、1:3保偏光纤分束器、第一衰减器、第二衰减器、保偏合束器、时间选通单元、以及用于连接保偏分束器和保偏合束器的3个第二光路。
线偏振脉冲光发生器用于生成线偏振脉冲光，其例如可以为半导体激光器的形式。
1:3保偏光纤分束器用于将线偏振脉冲光分为3个线偏振脉冲光分量。
3个线偏振脉冲光分量将分别进入3条第二光路并沿其传播。在该示例中，3条第二光路可以分别具有0、Δt、2Δt的时间延迟。
第一和第二衰减器可以分别设置在3条第二光路中的两个上，用于对线偏振脉冲光分量提供预设的强度衰减，以使第二光路上的3个线偏振脉冲光分量分别具有信号态、诱骗态和真空态。
3个线偏振脉冲光分量将依序以Δt的时间间隔依序到达保偏合束器，从而形成合束光，其将包括分别具有信号态、诱骗态和真空态的3个线偏振脉冲光分量。
时间选通单元将基于随机数随机地从3个线偏振脉冲光分量选择一个输出，作为光源的输出脉冲，其例如可以用于后续的偏振编码。
类似地，本发明的用于诱骗态编码方案的光源还可以包括延迟补偿单元，用于对经时间选通输出的线偏振脉冲光分量进行延迟补偿，以便经不同时间延迟的线偏振脉冲光分量在系统周期内的同一时刻上对准。关于延迟补偿单元的描述参考本文其它部分，此处不再赘述。
借助本发明的用于诱骗态编码方案的光源结构，可以稳定实现信号态、诱骗态和真空态调制，从而克服现有技术中存在的缺陷。
下面将示例性地说明本发明的光量子编码装置在几种常见应用场景下的示例性实施方式，以便更清晰地理解本发明的工作原理。
图8示出了本发明的光量子编码装置在4态偏振编码方案下的一种示例性实施例。
光源用于发出线偏振脉冲光。作为示例，光源可以为半导体激光器。
保偏分束单元可以包括1:4保偏光纤分束器，其用于将线偏振脉冲光分为4个线偏振脉冲光分量。作为示例，保偏分束单元可以包括3个1:2保偏光纤分束器PMFC，如图9所示。
4个线偏振脉冲光分量将分别进入4条第一光路并沿其传播。作为示例，4条第一光路可以分别具有0、Δt、2Δt和3Δt的时间延迟。
4个线偏振脉冲光分量将依序(例如前后脉冲具有Δt的时间间隔)到达合束单元。在合束单元中，来自不同第一光路的4个线偏振脉冲光分量将被形成合束光，其包括4个时间上分离(例如相邻脉冲光之间的时间间隔为Δt)且具有不同偏振态(例如|H>、|V>、|P>、|N>)的线偏振脉冲光分量。
作为示例，如图8所示，合束单元可以包括第一偏振分束器PBS、第二偏振分束器PBS和保偏光纤分束器PMBS。
第一偏振分束器PBS将4个线偏振脉冲光分量中的两个进行合束，并使这两个分量具有彼此垂直的偏振态；第二偏振分束器PBS将4个线偏振脉冲光分量中的另两个进行合束，并使这两个分量具有彼此垂直的偏振态。
第一和第二偏振分束器分别输出的合束光再经过保偏光纤分束器PMBS进行合束，其中，第一和第二偏振分束器输出的合束光中的一个可以在保偏光纤分束器处发生偏振态45度旋转。由此，可以在由保偏光纤分束器输出的合束光中，实现4个线偏振脉冲光分量具有彼此不同的偏振态，例如|H>、|V>、|P>、|N>。
在该示例中，保偏光纤分束器的合束端可以为单模光纤，以便传输4种偏振态之中的任一种偏振态。
经合束单元输出的合束光中的4个线偏振脉冲光分量(其偏振态例如可以依次为|H>、|V>、|P>、|N>)随后将经过时间选通单元。
在时间选通单元中，基于由随机数发生器提供的随机性，时间选通单元在驱动脉冲信号的驱动下随机选择4个线偏振脉冲光分量中的一个(即随机从例如|H>、|V>、|P>、|N>中选择一个偏振态)输出。图10示意性地给出了在一个系统周期内，用于时间选通单元的驱动脉冲信号与激光器发光脉冲、合束光中四种偏振态的线偏振光脉冲分量之间的关系。
如前所述，由于时间选通单元选择通过的具有不同偏振态的光脉冲分量在系统周期内的时间位置并不一致，如果将时间选通单元输出的脉冲光分量直接从发送端出射，将导致四种偏振态在时间维度可区分，因而，由时间选通单元选择通过的光脉冲分量在出射前还需经延迟补偿单元(例如电可调光纤延时器)提供延时补偿，以实现这些脉冲光分量在系统周期内时间位置的对准。
例如，如图10所示，在借助时间选通单元选通前延时较短的偏振态(如H态)时，则相应地由延迟补偿单元使其经受额外3Δt的延时补偿；类似地，使V态的脉冲光分量经受额外2Δt的延时补偿，使P态的脉冲光分量经受额外Δt的延时补偿，对于N态的脉冲光分量将不再增加额外的延时。如此，从例如激光器的光源发射光脉冲开始算起至QKD发送端出射前，每一路偏振态的脉冲光分量上的总额外延时均为3Δt，最终在光量子编码装置出口处，不同偏振态的光脉冲分量在时间位置上是一致的，由此避免了攻击者利用时间维度进行攻击的风险。
而且，本发明中的延迟补偿单元(诸如电可调光纤延时器)也是受随机数控制的，因此能够与时间选通单元保持特定的关联性。例如，时间选通单元在某个随机数作用下选通H态的脉冲光分量时，该随机数同时也作用于延迟补偿单元，从而控制延迟补偿单元在该H态脉冲光分量上施加3Δt的延时补偿，从而补偿前面的延时。V、P、N态以此类推。
图11示出了本发明的光量子编码装置在2态偏振编码方案下的一种示例性实施例。
光源用于发出线偏振脉冲光。作为示例，光源可以为半导体激光器。
保偏分束单元可以包括1:2保偏光纤分束器，其用于将线偏振脉冲光分为2个线偏振脉冲光分量。作为示例，保偏分束单元可以包括1个1:2保偏光纤分束器PMFC。
2个线偏振脉冲光分量将分别进入2条第一光路并沿其传播。作为示例，2条第一光路可以分别具有0和Δt的时间延迟。
2个线偏振脉冲光分量将依序(例如前后脉冲具有Δt的时间间隔)到达合束单元。在合束单元中，来自不同第一光路的2个线偏振脉冲光分量将被形成合束光，其包括2个时间上分离(例如相邻脉冲光之间的时间间隔为Δt)且具有不同偏振态(例如|H>、|P>)的线偏振脉冲光分量。
作为示例，如图11所示，合束单元可以包括保偏光纤分束器PMBS，其用于将2个线偏振脉冲光分量进行合束。在该示例中，2个线偏振脉冲光分量中的一个在保偏光纤分束器处发生偏振态45度旋转，从而在合束光中获得|H>、|P>两种偏振态。
保偏光纤分束器的合束端可以为单模光纤，以便传输2种偏振态之中的任一种偏振态。
经合束单元输出的合束光中的2个线偏振脉冲光分量随后将经过时间选通单元。在时间选通单元中，基于由随机数发生器提供的随机性，时间选通单元在驱动脉冲信号的驱动下随机选择2个线偏振脉冲光分量中的一个输出。
类似地，由时间选通单元选择通过的光脉冲分量在出射前还需经延迟补偿单元提供延时补偿，以实现这些脉冲光分量在系统周期内时间位置的对准。
本领域技术人员容易理解，借助该示例的原理可以实现不同的两种偏振光组合输出，如|H>和|N>、|V>和|P>、|V>和|N>等。
图12示出了本发明的光量子编码装置在6态偏振编码方案下的一种示例性实施例。
光源用于发出线偏振脉冲光。作为示例，光源可以为半导体激光器。
保偏分束单元可以包括1:6保偏光纤分束器，其用于将线偏振脉冲光分为6个线偏振脉冲光分量。
6个线偏振脉冲光分量将分别进入6条第一光路并沿其传播。作为示例，6条第一光路可以分别具有0、Δt、2Δt、3Δt、4Δt和5Δt的时间延迟。
6个线偏振脉冲光分量将依序(例如前后脉冲具有Δt的时间间隔)到达合束单元。在合束单元中，来自不同第一光路的6个线偏振脉冲光分量将被形成合束光，其包括6个时间上分离(例如相邻脉冲光之间的时间间隔为Δt)且具有不同偏振态(例如|H>、|V>、|P>、|N>、|R>和|L>)的线偏振脉冲光分量。
作为示例，如图12所示，合束单元可以包括第一偏振分束器PBS、第二偏振分束器PBS、第三偏振分束器PBS、保偏光纤分束器PMBS、合束器、以及偏振变换单元。
第一、第二和第三偏振分束器PBS分别将6个线偏振脉冲光分量中的两个进行合束，并使合束的两个分量具有彼此垂直的偏振态。
第一和第二偏振分束器分别输出的合束光再经过保偏光纤分束器PMBS进行合束，其中，第一和第二偏振分束器输出的合束光中的一个可以在保偏光纤分束器处发生偏振态45度旋转。由此，可以在由保偏光纤分束器输出的合束光中，实现4个线偏振脉冲光分量具有彼此不同的偏振态，例如|H>、|V>、|P>、|N>。保偏光纤分束器的合束端可以为单模光纤，以便传输4种偏振态之中的任一种偏振态。
偏振变换单元用于对第三偏振分束器输出合束光中的两个线偏振脉冲光分量的偏振态进行转换，使其彼此不同且不同于保偏光纤分束器输出合束光中的四种偏振态。例如，偏振变换单元可以将这两个线偏振脉冲光分量的偏振态转换成|R>和|L>。作为示例，偏振变换单元可以包括1/2波片和1/4波片。作为替换，偏振变换单元可以包括光纤偏振控制器。
合束器将保偏光纤分束器输出的合束光和第三偏振分束器输出且经偏振变换的合束光进行合束，由此形成的合束光中将包括偏振态彼此不同且时间上彼此分离的6个线偏振脉冲光分量。
类似地，由合束器输出的合束光经时间选通单元和延迟补偿单元作用后，最终输出其偏振态与随机数相应的线偏振脉冲光分量，作为光量子编码装置的输出。
可选地，合束单元还可以包括衰减器，其用于调节线偏振脉冲光分量的强度，以使由合束器输出的合束光中的线偏振脉冲光分量具有一致的强度。
图13示出了本发明的量子通信系统。如图所示，该量子通信系统可以包括发送端、传输信道和接收端，其中，发送端包括本发明的光量子编码装置。
基于上述说明，本领域技术人员容易理解，本发明所提出的技术方案兼具单激光器偏振编码方案安全性高和发送方被动路径选择编码方案稳定性好的优点。在现有的多激光器方案中，虽具有编码简单、稳定的特点，但由于各激光器可能存在的参数不完全一致的情形，各偏振态除偏振维度以外还存在其他可区分的信息，有较为严重的安全隐患。
此外，如前所述，虽然现有单激光器方案已较好地解决了安全性方面的问题，但在编码中都较多的引入成本较高的铌酸锂类型的电光强度或相位调制器，单个相位调制器实现偏振编码时，在制备不同偏振态时需要精确标定各个态的脉冲电压，且最大可能需要将相位调制到3π/2，对高速脉冲驱动信号的要求较高，工程实现难度和成本都较高，尤其是当各态脉冲电压幅度发生变化时，偏振态夹角和DOP等参数将随之变化，影响QKD的性能和安全；已有的单激光器与被动路径选择方案，在每一路径上通过增加强度调制器来进行路径(空间)选通，安全性和稳定性较好，但系统引入多个强度调制器，器件之间容易出现一致性差等造成的稳定性的问题，且多个器件成本昂贵，不利于系统的推广与普及。而本发明采用单器件时分复用在时间维度进行选通偏振态，在电子学领域已较为成熟，可有效降低系统的部署成本，同时不失安全性与稳定性。
尽管前面结合附图通过具体实施例对本发明进行了说明，但是，本领域技术人员容易认识到，上述实施例仅仅是示例性的，用于说明本发明的原理，其并不会对本发明的范围造成限制，本领域技术人员可以对上述实施例进行各种组合、修改和等同替换，而不脱离本发明的精神和范围。

Claims (17)

1.一种基于时分复用的光量子编码装置，其包括光源、保偏分束单元、合束单元、时间选通单元、延迟补偿单元、以及用于连接所述保偏分束单元和所述合束单元的多个第一光路；
所述光源用于生成线偏振脉冲光；
所述保偏分束单元用于将所述线偏振脉冲光分束成多个线偏振脉冲光分量；
所述多个线偏振脉冲光分量分别沿所述多个第一光路中的一个朝向所述合束单元传播，其中，所述多个第一光路被设置成具有彼此不同的光程；
所述合束单元被设置用于将所述线偏振脉冲光分量合束形成合束光，其中，所述合束光中的所述多个线偏振脉冲光分量具有彼此不同的偏振态；
所述时间选通单元被设置成根据随机信号随机地选择所述合束光中的所述多个线偏振脉冲光分量中的一个通过；并且，
所述延迟补偿单元被设置用于根据所述随机信号为由所述时间选通单元选择通过的所述线偏振脉冲光分量提供时间延迟补偿，以使所述线偏振脉冲光分量在系统周期内时序对准。
2.如权利要求1所述的光量子编码装置，其中，所述时间选通单元包括电吸收调制器、光开关和强度调制器中的一个；并且/或者，所述延迟补偿单元包括可调光纤延时器；并且/或者，所述随机信号是基于随机数发生器生成的随机数的。
3.如权利要求1所述的光量子编码装置，其中，所述第一光路中的第i+1条与第i条之间具有相同的光程差，其中i∈[1,k-1]，k为所述第一光路的总数量。
4.如权利要求1所述的光量子编码装置，其中，所述保偏分束单元被设置成将所述线偏振脉冲光分为4个所述线偏振脉冲光分量；并且，
所述合束单元被设置成将所述4个线偏振脉冲光分量进行合束，且包括第一偏振分束器、第二偏振分束器和保偏光纤分束器，所述保偏光纤分束器的合束端为单模光纤。
5.如权利要求4所述的光量子编码装置，其中，所述第一偏振分束器被设置成将所述4个线偏振脉冲光分量中的2个进行合束，并使它们具有彼此垂直的偏振态；
所述第二偏振分束器被设置成将所述4个线偏振脉冲光分量中的另两个进行合束，并使它们具有彼此垂直的偏振态；以及
所述保偏光纤分束器被设置成将所述第一和第二偏振分束器分别输出的合束光进行合束，其中，所述第一和第二偏振分束器输出的合束光之一中的所述线偏振脉冲光分量的偏振态在所述保偏光纤分束器处发生45度旋转。
6.如权利要求1所述的光量子编码装置，其中，所述保偏分束单元被设置成将所述线偏振脉冲光分为2个所述线偏振脉冲光分量；并且，
所述合束单元被设置成将所述2个线偏振脉冲光分量进行合束，且包括保偏光纤分束器，所述保偏光纤分束器的合束端为单模光纤。
7.如权利要求6所述的光量子编码装置，其中，所述线偏振脉冲光分量中的一个的偏振态在所述保偏光纤分束器处发生45度旋转。
8.如权利要求1所述的光量子编码装置，其中，所述保偏分束单元被设置成将所述线偏振脉冲光分为6个所述线偏振脉冲光分量；并且，
所述合束单元被设置成将所述6个线偏振脉冲光分量进行合束，且包括第一偏振分束器、第二偏振分束器、第三偏振分束器、保偏光纤分束器、合束器、以及偏振变换单元，所述保偏光纤分束器的合束端为单模光纤。
9.如权利要求8所述的光量子编码装置，其中，所述第一偏振分束器被设置成将所述6个线偏振脉冲光分量中的两个进行合束，并使它们具有彼此垂直的偏振态；
所述第二偏振分束器被设置成将所述6个线偏振脉冲光分量中的另两个进行合束，并使它们具有彼此垂直的偏振态；
所述第三偏振分束器被设置成将所述6个线偏振脉冲光分量中的又两个进行合束，并使它们具有彼此垂直的偏振态；
所述保偏光纤分束器被设置成将所述第一和第二偏振分束器分别输出的合束光进行合束，其中，所述第一和第二偏振分束器输出的合束光之一中的所述线偏振脉冲光分量的偏振态在所述保偏光纤分束器处发生45度旋转；
所述偏振变换单元被设置成对所述第三偏振分束器输出的合束光中的所述2个线偏振脉冲光分量的偏振态进行转换，使它们在偏振态上彼此不同且不同于所述保偏光纤分束器输出的合束光中的所述线偏振脉冲光分量；并且，
所述合束器被设置成将所述保偏光纤分束器输出的合束光和经偏振变换的所述合束光进行合束。
10.如权利要求9所述的光量子编码装置，其中，所述偏振变换单元包括1/2波片和1/4波片；
或者，所述偏振变换单元包括光纤偏振控制器；
并且/或者，所述合束单元还包括衰减器，其被设置成对所述线偏振脉冲光分量进行强度调节，以使所述合束单元输出的合束光中的所述线偏振脉冲光分量具有一致的强度。
11.如权利要求1所述的光量子编码装置，其中，所述光源包括激光器或者如权利要求12-14中任一项所述的光源。
12.一种基于时分复用的用于诱骗态编码的光源，其包括线偏振脉冲光发生器、保偏分束器、第一衰减器、第二衰减器、保偏合束器、时间选通单元、以及用于连接所述保偏分束器和所述保偏合束器的3个第二光路；其中，
所述线偏振脉冲光发生器被设置用于生成线偏振脉冲光；
所述保偏分束器被设置成将所述线偏振脉冲光分束成3个线偏振脉冲光分量；
所述3个线偏振脉冲光分量分别沿所述第二光路中的一个朝向所述保偏合束器传播，其中，所述3个第二光路被设置成具有彼此不同的光程；
所述第一和第二衰减器分别设置在所述3个第二光路中的两个上，用于所述线偏振脉冲光分量的强度调节；
所述保偏合束器被设置成将所述3个线偏振脉冲光分量进行合束以形成合束光；以及
所述时间选通单元被设置成根据随机信号随机地选择所述合束光中的3个线偏振脉冲光分量中的一个通过。
13.如权利要求12所述的光源，其还包括延迟补偿单元，所述延迟补偿单元被设置用于根据所述随机信号为由所述时间选通单元选择通过的所述线偏振脉冲光分量提供时间延迟补偿，以使所述线偏振脉冲光分量在系统周期内时序对准。
14.如权利要求13所述的光源，其中，所述时间选通单元包括电吸收调制器、光开关和强度调制器中的一个；
并且/或者，所述延迟补偿单元包括可调光纤延时器；
并且/或者，所述随机信号是基于随机数发生器生成的随机数的。
15.一种量子通信系统，其包括发送端和接收端，其中，所述发送端包括如权利要求1-11中任一项所述的光量子编码装置。
16.一种基于时分复用的光量子编码方法，其包括以下步骤：
将线偏振脉冲光分束为多个线偏振脉冲光分量；
使所述多个线偏振脉冲光分量在合束之前经历不同的时间延迟；
将所述多个线偏振脉冲光分量进行合束以形成合束光，所述合束光中的所述多个线偏振脉冲光分量时间上分离且偏振态彼此不同；
以时间选通的方式随机选择所述合束光中的所述多个线偏振脉冲光分量中的一个输出；以及，
对所述输出的线偏振脉冲光分量进行延迟补偿，以使所述多个线偏振脉冲光分量在系统周期内时序对准。
17.如权利要求16所述的光量子编码方法，其基于如权利要求1-11中任一项所述的光量子编码装置。
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