CN111756526A - 量子密钥分发系统及其发射端、接收端与通信方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种QKD系统及其发射端、接收端与通信方法，本发明技术方案中，发射端可以对光脉冲进行偏振和相位调制，实现在预设四维空间的编码，出射包括偏振信息和时间信息的光脉冲，接收端可以获取发射端出射的光脉冲，对该光脉冲进行偏振和相位解码，并对光脉冲进行探测。可见，本发明技术方案可以实现高维编码量子通信，使得一个量子态可以携带更多比特信息量，大大提高了QKD的成码率。

Description

量子密钥分发系统及其发射端、接收端与通信方法
技术领域
本发明涉及量子保密通信技术领域，更具体的说，涉及一种量子密钥分发系统及其发射端、接收端与通信方法。
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。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。
现有的QKD系统的成码率还不够高，如在远距离通信的条件下，目前的QKD系统的成码率无法满足通信要求，这极大的限制了QKD系统的广泛应用。故如何提高QKD系统的成码率是量子保密通信技术领域一个亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明技术方案提供了一种QKD系统及其发射端、接收端与通信方法，大大提高了QKD系统的成码率。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种QKD系统的发射端，所述发射端用于对光源装置出射的光脉冲进行偏振和相位调制以实现基于预设的四维空间编码，以向所述量子密钥分发系统的接收端发射包括偏振信息和时间信息的光脉冲。
优选的，在上述发射端中，所述发射端选择向所述接收端发送包括第一基矢的第一光信号，或选择向所述接收端发送包括第二基矢的第二光信号；
其中，所述第一基矢以及所述第二基矢均包括四个量子态，每个量子态均包括时间信息以及偏振信息；所述第一基矢中的不同量子态满足相互正交归一化关系，所述第二基矢中不同量子态满足相互正交归一化关系。
优选的，在上述发射端中，所述第一基矢为{α}＝{|P,t1＞,|P,t2＞,|N,t1＞,|N,t2＞}；
所述第二基矢为
Figure BDA0002008452080000021
其中，
Figure BDA0002008452080000022
P、N、V以及H为四个不同的已知偏振态，t1和t2为所述光源装置出射光脉冲的两个不同时隙位置。
优选的，在上述发射端中，所述发射端包括：脉冲产生与相位调制模块和偏振调制模块；
其中，所述脉冲产生与相位调制模块用于对所述光源装置出射的光脉冲进行相位调制；所述偏振调制模块用于对相位调制后的光脉冲进行偏振调制。
优选的，在上述发射端中，所述光源装置中激光器均为单光子源，所述偏振调制模块出射光脉冲直接入射所述接收端；
或，所述光源装置包括非单光子源的激光器，所述发射端还包括衰减控制模块，所述衰减控制模块用于对偏振调制后的光脉冲进行衰减控制。
优选的，在上述发射端中，所述脉冲产生与相位调制模块包括：所述光源装置、第一分束器、第二分束器、第一相位调制器以及光开关；所述光源装置包括：第一激光器以及第二激光器；
所述第一激光器出射光脉冲时，所述光脉冲依次通过所述光开关和所述偏振调制模块；
所述第二激光器出射光脉冲时，所述光脉冲通过所述第一分束器分为两路，一路入射所述第二分束器的一个输入端口，另一路通过所述第一相位调制器入射所述第二分束器的另一个输入端口，入射所述第二分束器的两路光脉冲在所述第二分束器耦合后，依次通过所述光开关和所述偏振调制模块。
优选的，在上述发射端中，所述脉冲产生与相位调制模块包括：所述光源装置、第一分束器、第二分束器以及光开关；所述光源装置包括：第一激光器、第二激光器以及第三激光器；
所述第一激光器出射光脉冲时，所述光脉冲依次通过所述光开关和所述偏振调制模块；
所述第二激光器出射光脉冲时，所述光脉冲通过所述第一分束器分为两路，两路光脉冲分别入射所述第二分束器的两个不同入射端口，入射所述第二分束器的两路光脉冲在所述第二分束器耦合后，依次通过所述光开关和所述偏振调制模块；
所述第三激光器出射光脉冲时，所述光脉冲通过所述第一分束器分为两路，两路光脉冲分别入射所述第二分束器的两个不同入射端口，入射所述第二分束器的两路光脉冲在所述第二分束器耦合后，依次通过所述光开关和所述偏振调制模块。
优选的，在上述发射端中，所述发射端向所述接收端发送包括第一基矢的第一光信号时，
所述第一激光器工作，在t1时隙位置发射光脉冲通过所述光开关入射所述偏振调制模块，将入射光脉冲的偏振态调制为P，则出射光脉冲的量子态为|P,t1＞，在t2时隙位置发射光脉冲通过所述光开关入射所述偏振调制模块，将入射光脉冲的偏振态调制为P，则出射光脉冲的量子态为|P,t2>；
或者，所述第一激光器工作，在t1时隙位置发射光脉冲通过所述光开关入射所述偏振调制模块，将入射光脉冲的偏振态调制为N，则出射光脉冲的量子态为|N,t1>，在t2时隙位置发射光脉冲通过所述光开关入射所述偏振调制模块，将入射光脉冲的偏振态调制为N，则出射光脉冲的量子态为|N,t2>。
优选的，在上述发射端中，所述发射端向所述接收端发送包括第二基矢的第二光信号时，所述第二激光器工作，在t1时隙位置发射光脉冲，光脉冲通过所述第一分束器、所述第二分束器以及所述第一相位调制器组成的不等臂干涉仪形成两个光脉冲，该两个光脉冲分别对应t1时隙位置和t2时隙位置，通过所述第一相位调制器控制该两个光脉冲的相位差为0或π。
优选的，在上述发射端中，所述发射端向所述接收端发送包括第二基矢的第二光信号时，所述第二激光器与所述第三激光器互补工作，所述第二激光器与所述第三激光器出射的光脉冲均经过所述第一分束器与所述第二分束器组成的不等臂干涉仪形成两个光脉冲分量，该两个光脉冲分量分别对应t1时隙位置和t2时隙位置，且相位差为0或π。
优选的，在上述发射端中，所述偏振调制模块用于将所述两个光脉冲的偏振态分别调制为H或V，包括：
如果入射所述偏振调制模块的两个光脉冲的相位差为0，所述偏振调制模块将t1时隙位置光脉冲的偏振态调节为H，将t2时隙位置光脉冲的偏振态调节为V，则出射光脉冲的量子态为
Figure BDA0002008452080000031
如果入射所述偏振调制模块的两个光脉冲的相位差为0，所述偏振调制模块将t1时隙位置光脉冲的偏振态调节为V，将t2时隙位置光脉冲的偏振态调节为H，则出射光脉冲的量子态为
Figure BDA0002008452080000032
如果入射所述偏振调制模块的两个光脉冲的相位差为π，所述偏振调制模块将t1时隙位置光脉冲的偏振态调节为H，将t2时隙位置光脉冲的偏振态调节为V，则出射光脉冲的量子态为
Figure BDA0002008452080000033
如果入射所述偏振调制模块的两个光脉冲的相位差为π，所述偏振调制模块将t1时隙位置光脉冲的偏振态调节为V，将t2时隙位置光脉冲的偏振态调节为H，则出射光脉冲的量子态为
Figure BDA0002008452080000034
优选的，在上述发射端中，所述脉冲产生与相位调制模块包括：所述光源装置、第一分束器、第二分束器、第一相位调制器以及第一强度调制器；所述光源装置包括：激光器；
所述激光器出射光脉冲时，所述光脉冲通过所述第一分束器分为两路，一路入射所述第二分束器的一个输入端口，另一路通过所述第一相位调制器入射所述第二分束器的另一个输入端口，入射所述第二分束器的两路光脉冲在所述第二分束器耦合后，依次通过所述第一强度调制器和所述偏振调制模块。
优选的，在上述发射端中，所述发射端向所述接收端发送包括第一基矢的第一光信号时，所述激光器工作，出射的光脉冲通过所述第一分束器、所述第二分束器以及所述第一相位调制器组成的不等臂干涉仪形成两个光脉冲，该两个光脉冲分别对应t1时隙位置和t2时隙位置，所述第一相位调制器调节该两个光脉冲的相位差为0，所述第一强度调制器选择对应t1时隙位置的光脉冲通过或是对应t2时隙位置的光脉冲通过，所述偏振调制模块调节入射光脉冲的偏振态，以出射包括第一基矢的第一光信号。
优选的，在上述发射端中，如果所述第一强度调制器选择对应t1时隙位置的光脉冲通过，所述偏振调制模块将光脉冲的偏振态调节为P，则出射光脉冲的量子态为|P,t1>；
如果所述第一强度调制器选择对应t2时隙位置的光脉冲通过，所述偏振调制模块将光脉冲的偏振态调节为P，则出射光脉冲的量子态为|P,t2>；
如果所述第一强度调制器选择对应t1时隙位置的光脉冲通过，所述偏振调制模块将光脉冲的偏振态调节为N，则出射光脉冲的量子态为|N,t1＞；
如果所述第一强度调制器选择对应t2时隙位置的光脉冲通过，所述偏振调制模块将光脉冲的偏振态调节为N，则出射光脉冲的量子态为|N,t2＞。
优选的，在上述发射端中，所述发射端向所述接收端发送包括第二基矢的第二光信号时，所述激光器工作，出射的光脉冲通过所述第一分束器、所述第二分束器以及所述第一相位调制器组成的不等臂干涉仪形成两个光脉冲，该两个光脉冲分别对应t1时隙位置和t2时隙位置，所述第一相位调制器调节该两个光脉冲的相位差为0或π，所述第一强度调制器选择对应t1时隙位置和对应t2时隙位置的光脉冲均通过，所述偏振调制模块调节入射光脉冲的偏振态，以出射包括第二基矢的第二光信号。
优选的，在上述发射端中，如果所述第一相位调制器调节相位差为0，所述偏振调制模块将对应t1时隙位置的光脉冲偏振态调节为H，将对应t2时隙位置的光脉冲偏振态调节为V，则出射光脉冲的量子态为
Figure BDA0002008452080000041
如果所述第一相位调制器调节相位差为0，所述偏振调制模块将对应t1时隙位置的光脉冲偏振态调节为V，将对应t2时隙位置的光脉冲偏振态调节为H，则出射光脉冲的量子态为
Figure BDA0002008452080000042
如果所述第一相位调制器调节相位差为π，所述偏振调制模块将对应t1时隙位置的光脉冲偏振态调节为H，将对应t2时隙位置的光脉冲偏振态调节为V，则出射光脉冲的量子态为
Figure BDA0002008452080000051
如果所述第一相位调制器调节相位差为π，所述偏振调制模块将对应t1时隙位置的光脉冲偏振态调节为V，将对应t2时隙位置的光脉冲偏振态调节为H，则出射光脉冲的量子态为
Figure BDA0002008452080000052
优选的，在上述发射端中，所述脉冲产生与相位调制模块包括：所述光源装置、第一环形器以及第一相位调制器；所述光源装置包括：第一激光器和第二激光器；
所述第一激光器输出的光脉冲通过所述第一环形器入射所述第二激光器，激发所述第二激光器在对应时隙位置出射光脉冲，光脉冲依次通过所述第一环形器、所述第一相位调制器和所述偏振调制模块。
优选的，在上述发射端中，所述发射端向所述接收端发送包括第一基矢的第一光信号时，所述第一激光器随机在t1时隙位置和t2时隙位置输出光脉冲；所述偏振调制模块将光脉冲调节为所需的偏振态；所述第一相位调制器将分别对应t1时隙位置和t2时隙位置的光脉冲相位差设置为0。
优选的，在上述发射端中，如果所述第一激光器在t1时隙位置输出光脉冲，所述偏振调制模块将入射光脉冲偏振态调制为P，则出射光脉冲的量子态为|P,t1>；如果所述第一激光器在t1时隙位置输出光脉冲，所述偏振调制模块将入射光脉冲偏振态调制为N，则出射光脉冲的量子态为|N,t1>；如果所述第一激光器在t2时隙位置输出光脉冲，所述偏振调制模块将入射光脉冲偏振态调制为P，则出射光脉冲的量子态为|P,t2>；如果所述第一激光器在t2时隙位置输出光脉冲，所述偏振调制模块将入射光脉冲偏振态调制为N，则出射光脉冲的量子态为|N,t2>。
优选的，在上述发射端中，所述发射端向所述接收端发送包括第二基矢的第二光信号时，所述第一激光器在t1时隙位置和t2时隙位置均输出光脉冲，两光脉冲相位相同，相位差为0；所述第一相位调制器将两光脉冲的相位差设置为0或π；所述偏振调制模块分别调制两光脉冲的偏振态。
优选的，在上述发射端中，如果所述第一相位调制器设置的相位差为0，所述偏振调制模块将t1时隙位置的光脉冲的偏振态调制为H，将t2时隙位置的光脉冲的偏振态调制为V，则出射光脉冲的量子态为
Figure BDA0002008452080000053
如果所述第一相位调制器设置的相位差为0，所述偏振调制模块将t1时隙位置的光脉冲的偏振态调制为V，将t2时隙位置的光脉冲的偏振态调制为H，则出射光脉冲的量子态为
Figure BDA0002008452080000054
如果所述第一相位调制器设置的相位差为π，所述偏振调制模块将t1时隙位置的光脉冲的偏振态调制为H，将t2时隙位置的光脉冲的偏振态调制为V，则出射光脉冲的量子态为
Figure BDA0002008452080000061
如果所述第一相位调制器设置的相位差为π，所述偏振调制模块将t1时隙位置的光脉冲的偏振态调制为V，将t2时隙位置的光脉冲的偏振态调制为H，则出射光脉冲的量子态为
Figure BDA0002008452080000062
优选的，在上述发射端中，所述偏振调制模块为第一偏振调制器，所述衰减控制模块为第一衰减器。
本发明还提供了一种量子密钥分发系统的接收端，所述接收端用于获取上述任一项所述发射端出射的光脉冲，对所述光脉冲进行偏振以及相位解码，并对所述光脉冲进行探测。
优选的，在上述接收端中，所述发射端选择向所述接收端发送包括第一基矢的第一光信号，或选择向所述接收端发送包括第二基矢的第二光信号；
所述第一基矢为{α}＝{|P,t1＞,|P,t2＞,|N,t1＞,|N,t2＞}；
所述第二基矢为
Figure BDA0002008452080000063
其中，
Figure BDA0002008452080000064
P、N、V以及H为四个不同的已知偏振态，t1和t2为所述光源装置出射光脉冲的两个不同时隙位置；
所述接收端包括：分光模块、第一检测模块以及第二检测模块；
所述分光模块获取所述发射端发送的光脉冲，将光脉冲分为两路，使得一路光脉冲入射第一检测模块，使得另一路光脉冲入射第二检测模块；所述第一检测模块用于对接收到的光脉冲在所述第一基矢下进行测量；所述第二检测模块用于对接收到光脉冲在所述第二基矢下进行测量。
优选的，在上述接收端中，所述分光模块包括：第四分束器、第二偏振调制器以及第一光纤偏振控制器；所述第四分束器获取所述发射端发送的光脉冲，将光脉冲分为两路，一路光脉冲通过所述第二偏振调制器入射所述第二检测模块，另一路光脉冲通过所述第一光纤偏振控制器入射所述第一检测模块；
所述第二偏振调制器用于将对应t2时隙位置的光脉冲的偏振态进行翻转，将偏振态H和偏振态V进行互换。
优选的，在上述接收端中，所述第一检测模块包括：第一偏振分束器、第一探测器以及第二探测器；
所述第一偏振分束器将入射的光脉冲分为两路光脉冲，两路光脉冲分别入射所述第一探测器以及所述第二探测器；偏振态为P的光脉冲入射所述第一探测器；偏振态为N的光脉冲入射所述第二探测器；通过所述第一探测器检测第一基矢中P偏振态分别对应t1时隙位置和t2时隙位置的量子态，通过所述第二探测器检测第一基矢中N偏振态分别对应t1时隙位置和t2时隙位置的量子态。
优选的，在上述接收端中，所述第二检测模块包括：第五分束器、第六分束器、第二偏振分束器、第三偏振分束器、第三探测器、第四探测器、第五探测器以及第六探测器；
所述第五分束器与所述第六分束器组成的不等臂干涉仪获取所述分光模块出射的光脉冲，将入射光脉冲根据不同的相位差分为两路光脉冲，相位差为0的一路光脉冲入射所述第二偏振分束器，相位差为π的另一路光脉冲入射所述第三偏振分束器；
所述第二偏振分束器将入射的光脉冲分为两路光脉冲，该两路光脉冲分别通过所述第三探测器和所述第四探测器进行探测；所述第三偏振分束器将入射的光脉冲分为两路，该两路光脉冲分别通过所述第五探测器和所述第六探测器进行探测；
通过所述第三探测器和所述第四探测器分别检测第二基矢中相位差为0的两种量子态；通过所述第五探测器以及所述第六探测器分别检测第二基矢中相位差为π的两种量子态。
优选的，在上述接收端中，所述第二检测模块包括：第二偏振分束器、第五分束器、第六分束器、第七分束器、第八分束器、第三探测器、第四探测器、第五探测器以及第六探测器；
所述第二偏振分束器获取所述分光模块出射的光脉冲，将入射光脉冲根据不同的偏振态分为两路光脉冲，偏振态为H的一路光脉冲入射所述第五分束器与所述第六分束器组成的第一不等臂干涉仪，偏振态为V的另一路光脉冲入射所述第七分束器与所述第八分束器组成的第二不等臂干涉仪；
所述第一不等臂干涉仪将入射光脉冲分为两路，分别通过所述第四探测器和所述第三探测器进行检测；所述第二不等臂干涉仪将入射光脉冲分为两路，分别通过所述第五探测器以及所述第六探测器进行检测；
通过所述第三探测器和所述第四探测器分别检测第二基矢中相位差为0的两种量子态；通过所述第五探测器以及所述第六探测器分别检测第二基矢中相位差为π的两种量子态。
优选的，在上述接收端中，所述第二检测模块包括：第二偏振分束器、第二环形器、第五分束器、第六分束器、第三环形器、第三探测器、第四探测器、第五探测器以及第六探测器；
所述第二偏振分束器的输入端口用于获取所述分光模块出射的光脉冲，其透射输出端口连接所述第二环形器的第一端口，其反射输出端口连接所述第三环形器的第一端口；所述第二环形器的第二端口连接所述第五分束器的第一端口，其第三端口连接所述第六探测器；所述第三环形器的第二端口连接所述第六分束器的第一端口，其第三端口连接所述第三探测器；
所述第五分束器的第二端口连接所述第五探测器，其第三端口连接所述第六分束器的第三端口，其第四端口连接所述第六分束器的第四端口，所述第六分束器的第二端口连接所述第四探测器；
通过所述第三探测器和所述第四探测器分别检测第二基矢中相位差为0的两种量子态；通过所述第五探测器以及所述第六探测器分别检测第二基矢中相位差为π的两种量子态。
优选的，在上述接收端中，所述接收端包括：第二偏振调制器、第四分束器、第五分束器、第一偏振分束器、第二偏振分束器以及四个探测器；
所述第四分束器与所述第五分束器组成不等臂干涉仪；所述第二偏振调制器获取所述发射端发送的光脉冲，将所述光脉冲发送给所述不等臂干涉仪；所述不等臂干涉仪将入射光脉冲分为两路，一路入射所述第一偏振分束器，另一路入射所述第二偏振分束器；
所述第一偏振分束器将入射光脉冲分为两路，分别通过两个探测器进行检测；所述第二偏振分束器将入射光脉冲分为两路，分别通过另外两个探测器进行检测；通过四个探测器分别探测对应的量子态。
本发明还提供了一种量子密钥分发系统，所述量子密钥分发系统包括上述任一项所述的发射端以及上述任一项所述的接收端。
本发明还提供了一种量子密钥分发系统的通信方法，所述量子密钥分发系统包括发射端和接收端，所述通信方法包括：
通过发射端对光脉冲进行偏振和相位调制，以实现基于预设的四维空间编码，出射包括偏振信息和时间信息的光脉冲；
通过接收端获取所述发射端出射的光脉冲，对所述光脉冲进行偏振以及相位解码，并对所述光脉冲进行探测。
优选的，在上述通信方法，通过对光脉冲进行偏振和相位调制，所述发射端选择向所述接收端发送包括第一基矢的第一光信号，或选择向所述接收端发送包括第二基矢的第二光信号；
其中，所述第一基矢以及所述第二基矢均包括四个量子态，每个量子态均包括时间信息以及偏振信息；所述第一基矢中的不同量子态满足相互正交归一化关系，所述第二基矢中不同量子态满足相互正交归一化关系。
优选的，在上述通信方法，所述第一基矢为{α}＝{|P,t1＞,|P,t2＞,|N,t1＞,|N,t2＞}；
所述第二基矢为
Figure BDA0002008452080000081
其中，
Figure BDA0002008452080000082
P、N、V以及H为四个不同的已知偏振态，t1和t2为所述光源装置出射光脉冲的两个不同时隙位置。
通过上述描述可知，本发明技术方案提供的QKD系统及其通信方法中，发射端可以对光脉冲进行偏振和相位调制，实现在预设四维空间的编码，出射包括偏振信息和时间信息的光脉冲，接收端可以获取发射端出射的光脉冲，对该光脉冲进行偏振和相位解码，并对光脉冲进行探测。可见，本发明技术方案可以实现高维编码量子通信，使得一个量子态可以携带更多比特信息量，大大提高了QKD的成码率。
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为一种常规多维QKD系统的编码原理示意图；
图2为另一种常规多维QKD系统的编码原理示意图；
图3为本发明实施例提供的一种QKD系统的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种基矢波形图；
图5为本发明实施例提供的一种QKD系统中发射端的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的一种QKD系统的发射端的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的另一种QKD系统的发射端的结构示意图；
图8为本发明实施例提供的又一种QKD系统的发射端的结构示意图；
图9为本发明实施例提供的又一种QKD系统的发射端的结构示意图；
图10为本发明实施例提供的一种QKD系统的接收端的结构示意图；
图11为本发明实施例提供的一种第二检测模块的结构示意图；
图12为本发明实施例提供的另一种第二检测模块的结构示意图；
图13为本发明实施例提供的又一种第二检测模块的结构示意图；
图14为本发明实施例提供的另一种QKD系统的接收端的结构示意图；
图15为图14所示接收端解码时序图。
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。
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。
采用高维编码量子通信是提高QKD系统成码率的一个重要方法。在常规的QKD系统中，信息编码是在二维希尔伯特空间(Hilbert)上，因此一个量子态只能携带一个比特信息量。而在高维QKD系统中，信息编码在N维希尔伯特空间上，一个量子态能够携带log2N比特信息量，如N＝8，则1个量子态能够携带3比特信息。故使用高维QKD系统，能够有效提高成码率。
一种常规的多维QKD系统的方案是利用4个时隙位置(每个时隙位置为400ps)表示一个量子态，基矢与量子态如图1所示，图1为一种常规多维QKD系统的编码原理示意图，第一个基矢为时间基矢，只在4个时隙位置中的一个有光脉冲，另一个基矢为相位基矢，在4个时隙位置均有光脉冲，各个光脉冲的相位差不同。右边的频率基矢相当于左边时间基矢的傅里叶变换。其中，τ表示时间间隔。
另一种常规的多维QKD系统的方案是基于偏振调制时间编码的QKD系统，具体的，如图2所示，图2为另一种常规多维QKD系统的编码原理示意图，Z基矢采用4个时隙位置进行编码，X基矢采用相位调制，将4个时隙位置调制成不同的偏振，前两个时隙为V偏振，后两个时隙为H偏振，以提高干涉测量时的效率。
可见，在常规N维QKD系统中，需要使用N个时隙位置进行编码，时隙位置利用效率比较低，严重影响了QKD系统的重复频率，进而减小最终的成码率。
为了解决上述问题，本发明实施例提供了一种QKD系统，只需要两个时隙位置就可以完成4维QKD系统的编码，大大的提高了时隙位置的利用效率，提高了系统的重复频率，同时在接收端也提高了干涉测量的效率。
参考图3，图3为本发明实施例提供的一种QKD系统的结构示意图，该QKD系统包括：发射端11和接收端12。发射端11用于对光源装置出射的光脉冲进行偏振和相位调制，以实现基于预设的四维空间编码，出射包括偏振信息和时间信息的光脉冲；接收端12用于获取发射端11出射的光脉冲，对光脉冲进行偏振以及相位解码，并对光脉冲进行探测。发射端11的实现方式可以参考下述描述。接收端12的实现方式可以参考下述描述。
本发明技术方案中，预设的四维空间由两个偏振基矢和两个时间基矢组成，这样，对于属于该四维空间的第一基矢或是第二基矢，均可以通过四个量子态表达，通过对光脉冲信号进行偏振和相位调制，发射端11可以选择向接收端12发送包括第一基矢的第一光信号，或选择向接收端12发送包括第二基矢的第二光信号。
其中，第一基矢以及第二基矢均包括四个量子态，每个量子态均包括时间信息以及偏振信息；第一基矢中的不同量子态满足相互正交归一化关系，第二基矢中不同量子态满足相互正交归一化关系。
如可以设定第一基矢为：
{1}＝{|α1＞,|α2＞,|α3＞,|α4＞}
第一基矢中，包括四个量子态，且不同量子态之间相互正交，满足如下关系：
Figure BDA0002008452080000111
其中，i＝j时，δij为1，表示量子态是归一化的，i≠j时，δij为0，表示量子态是正交的。
设定第二基矢为：
{2}＝{|β1＞,|β2＞,|β3＞,|β4＞}
第二基矢中，同样包括四个量子态，且不同量子态之间相互正交，满足如下关系：
Figure BDA0002008452080000112
同样，i＝j时，δij为1，表示量子态是归一化的，i≠j时，δij为0，表示量子态是正交的。
第一基矢的量子态与第二基矢的量子态之间还需要满足：
Figure BDA0002008452080000113
编码时，每个基矢中的四个量子态分别表示比特00,01,10和11。
本发明技术方案提供了一种四维量子通信的QKD系统，使用两个偏振基矢和两个时间基矢共同组成预设的四维空间，该预设的四维空间为四维Hilbert空间，在该四维空间中可以选取2个符合要求的组合基矢(即MUBs)，进行BB84协议量子通信。本发明技术方案中，以下述第一基矢和第二基矢构成组合基矢，进行量子通信。
可选的，第一基矢为：
{α}＝{|P,t1＞,|P,t2＞,|N,t1＞,|N,t2＞} (1)
第二基矢为：
Figure BDA0002008452080000114
其中，
Figure BDA0002008452080000115
P、N、V以及H为四个不同的已知偏振态，t1和t2为光源装置出射光脉冲的两个不同时隙位置。
上式(1)和(2)中，第一基矢和第二基矢的示意图如图4所示，图4为本发明实施例提供的一种基矢波形图，容易验证第一基矢和第二基矢满足上述条件，第二基矢相当于第一基矢在预设的四维空间的幺正变换。
参考图5，图5为本发明实施例提供的一种QKD系统中发射端的结构示意图，所示发射端11包括：脉冲产生与相位调制模块1、偏振调制模块2和衰减控制模块3；其中，脉冲产生与相位调制模块1用于对光源装置出射的光脉冲进行相位调制；偏振调制模块2用于对相位调制后的光脉冲进行偏振调制；衰减控制模块3用于对偏振调制后的光脉冲进行衰减控制，将光脉冲衰减到单光子量级，出射包括偏振信息和时间信息的光脉冲。
参考图6，图6为本发明实施例提供的一种QKD系统的发射端的结构示意图，所示发射端11中，脉冲产生与相位调制模块1包括：光源装置、第一分束器BS1、第二分束器BS2、第一相位调制器PHAM1以及光开关；光源装置包括：第一激光器LD1以及第二激光器LD2。
第一激光器LD1出射光脉冲时，光脉冲依次通过光开关、偏振调制模块2以及衰减控制模块3；第二激光器LD2出射光脉冲时，光脉冲通过第一分束器BS1分为两路，一路入射第二分束器BS2的一个输入端口，另一路通过第一相位调制器PHAM1入射第二分束器BS2的另一个输入端口，入射第二分束器BS2的两路光脉冲在第二分束器BS2耦合后，依次通过光开关、偏振调制模块2以及衰减控制模块3。
其中，光开关可以为第三分束器BS3。偏振调制模块2为第一偏振调制器POLM1，衰减控制模块3为第一衰减器ATT。第一分束器BS1和第二分束器BS2构成不等臂干涉仪，第一相位调制器PHAM1位于该不等臂干涉仪的长臂光路上。第三分束器BS3的一个入射端口与第一激光器LD1连接，另一个输入端口与不等臂干涉仪的输出端口连接，其输出端口与偏振调制模块2的输入端口连接。
参考图7，图7为本发明实施例提供的另一种QKD系统的发射端的结构示意图，所示发射端11中，脉冲产生与相位调制模块1包括：光源装置、第一分束器BS1、第二分束器BS2以及光开关；光源装置包括：第一激光器LD1、第二激光器LD2以及第三激光器LD3。
第一激光器LD1出射光脉冲时，光脉冲依次通过光开关、偏振调制模块2以及衰减控制模块3；第二激光器LD2出射光脉冲时，光脉冲通过第一分束器BS1分为两路，两路光脉冲分别入射第二分束器BS2的两个不同入射端口，入射第二分束器BS2的两路光脉冲在第二分束器BS2耦合后，依次通过光开关、偏振调制模块2以及衰减控制模块3；第三激光器LD3出射光脉冲时，光脉冲通过第一分束器BS1分为两路，两路光脉冲分别入射第二分束器BS2的两个不同入射端口，入射第二分束器BS2的两路光脉冲在第二分束器BS2耦合后，依次通过光开关、偏振调制模块2以及衰减控制模块3。
其中，图7所示方式中，同样，光开关为第三分束器BS3，偏振调制模块2为第一偏振调制器POLM1，衰减控制模块3为第一衰减器ATT。
发射端11向接收端12发送包括第一基矢的第一光信号时，在图6和图7两种方式中，第一激光器LD1工作，在t1时隙位置发射光脉冲通过光开关入射偏振调制模块2，将入射光脉冲的偏振态调制为P，则出射光脉冲的量子态为|P,t1＞，在t2时隙位置发射光脉冲通过光开关入射偏振调制模块2，将入射光脉冲的偏振态调制为P，则出射光脉冲的量子态为|P,t2＞；或者，第一激光器LD1工作，在t1时隙位置发射光脉冲通过光开关入射偏振调制模块2，将入射光脉冲的偏振态调制为N，则出射光脉冲的量子态为|N,t1＞，在t2时隙位置发射光脉冲通过光开关入射偏振调制模块2，将入射光脉冲的偏振态调制为N，则出射光脉冲的量子态为|N,t2>。
发射端11向接收端12发送包括第二基矢的第二光信号时，对于图6所示方式，第二激光器LD2工作，在t1时隙位置发射光脉冲，光脉冲通过第一分束器BS1、第二分束器BS2以及第一相位调制器PHAM1组成的不等臂干涉仪形成两个光脉冲，该两个光脉冲分别对应t1时隙位置和t2时隙位置，通过第一相位调制器PHAM1控制该两个光脉冲的相位差为0或π。
发射端11向接收端12发送包括第二基矢的第二光信号时，对于图7所示方式，第二激光器LD2与第三激光器LD3互补工作，第二激光器LD2与第三激光器LD3出射的光脉冲均经过第一分束器BS1与第二分束器BS2组成的不等臂干涉仪形成两个光脉冲分量，该两个光脉冲分量分别对应t1时隙位置和t2时隙位置，且相位差为0或π。第二激光器LD2与第三激光器LD3分别连接该不等臂干涉仪的不同输入端口。
其中，第二激光器LD2和第三激光器LD3互补工作指该两个激光器不同时工作，当选择发送包括第二基矢的第二光信号时，根据需要发送的量子态选择第二激光器LD2和第三激光器LD3中的一个激光器发射光脉冲，在量子通信中，可以通过随机数控制选择该两个激光器中的一个发射光脉冲。当第二激光器LD2发射光脉冲时，发射的光脉冲经过不等臂干涉仪形成相位差是0的两个光脉冲分量，分别对应t1时隙位置和t2时隙位置，当第三激光器LD3发射光脉冲时，发射的光脉冲经过不等臂干涉仪形成相位差是π的两个光脉冲分量，分别对应t1时隙位置和t2时隙位置。
通过上述描述可知，图6和图7所示方式的工作原理是相同的，差别在于发射端11向接收端12发送包括第二基矢的第二光信号时，图6所示方式仅通过第二激光器LD2发射光脉冲，通过调制形成相位差为0的两个光脉冲分量，或是形成相位差为π的两个光脉冲分量，而图7所示方式，在第二激光器LD2发射光脉冲时，通过调制形成相位差为0的两个光脉冲分量，在第三激光器LD3发射光脉冲时，通过调制形成相位差为π的两个光脉冲分量。
如上述，脉冲产生与相位调制模块1向偏振调制模块2发射两个光脉冲，该两个光脉冲分量分别对应t1时隙位置和t2时隙位置。发射端11向接收端12发送包括第二基矢的第二光信号时，对于图6和图7所示方式，偏振调制模块2用于将两个光脉冲的偏振态分别调制为H或V，包括：
如果入射偏振调制模块2的两个光脉冲的相位差为0，偏振调制模块2将t1时隙位置光脉冲的偏振态调节为H，将t2时隙位置光脉冲的偏振态调节为V，则出射光脉冲的量子态为
Figure BDA0002008452080000141
如果入射偏振调制模块2的两个光脉冲的相位差为0，偏振调制模块2将t1时隙位置光脉冲的偏振态调节为V，将t2时隙位置光脉冲的偏振态调节为H，则出射光脉冲的量子态为
Figure BDA0002008452080000142
如果入射偏振调制模块2的两个光脉冲的相位差为π，偏振调制模块2将t1时隙位置光脉冲的偏振态调节为H，将t2时隙位置光脉冲的偏振态调节为V，则出射光脉冲的量子态为
Figure BDA0002008452080000143
如果入射偏振调制模块2的两个光脉冲的相位差为π，偏振调制模块2将t1时隙位置光脉冲的偏振态调节为V，将t2时隙位置光脉冲的偏振态调节为H，则出射光脉冲的量子态为
Figure BDA0002008452080000144
图6和图7是多激光器发射端的实施方式说明。
参考图8，图8为本发明实施例提供的又一种QKD系统的发射端的结构示意图，所示发射端11中，脉冲产生与相位调制模块1包括：光源装置、第一分束器BS1、第二分束器BS2、第一相位调制器PHAM1以及第一强度调制器IM1；光源装置包括：激光器LD。
激光器LD出射光脉冲时，光脉冲通过第一分束器BS1分为两路，一路入射第二分束器BS2的一个输入端口，另一路通过第一相位调制器PHAM1入射第二分束器BS2的另一个输入端口，入射第二分束器BS2的两路光脉冲在第二分束器BS2耦合后，依次通过第一强度调制器IM1、偏振调制模块2以及衰减控制模块3。
对于图8所示方式，发射端11向接收端12发送包括第一基矢的第一光信号时，激光器LD工作，出射的光脉冲通过第一分束器BS1、第二分束器BS2以及第一相位调制器PHAM1组成的不等臂干涉仪形成两个光脉冲，该两个光脉冲分别对应t1时隙位置和t2时隙位置，第一相位调制器PHAM1调节该两个光脉冲的相位差为0，第一强度调制器IM1选择对应t1时隙位置的光脉冲通过或是对应t2时隙位置的光脉冲通过，偏振调制模块2调节入射光脉冲的偏振态，以出射包括第一基矢的第一光信号。
具体的，如果第一强度调制器IM1选择对应t1时隙位置的光脉冲通过，偏振调制模块2将光脉冲的偏振态调节为P，则出射光脉冲的量子态为|P,t1>；如果第一强度调制器IM1选择对应t2时隙位置的光脉冲通过，偏振调制模块2将光脉冲的偏振态调节为P，则出射光脉冲的量子态为|P,t2＞；如果第一强度调制器IM1选择对应t1时隙位置的光脉冲通过，偏振调制模块2将光脉冲的偏振态调节为N，则出射光脉冲的量子态为|N,t1＞；如果第一强度调制器IM1选择对应t2时隙位置的光脉冲通过，偏振调制模块2将光脉冲的偏振态调节为N，则出射光脉冲的量子态为|N,t2＞。
对于图8所示方式，发射端11向接收端12发送包括第二基矢的第二光信号时，激光器LD工作，出射的光脉冲通过第一分束器BS1、第二分束器BS2以及第一相位调制器PHAM1组成的不等臂干涉仪形成两个光脉冲，该两个光脉冲分别对应t1时隙位置和t2时隙位置，第一相位调制器PHAM1调节该两个光脉冲的相位差为0或π，第一强度调制器IM1选择对应t1时隙位置和对应t2时隙位置的光脉冲均通过，偏振调制模块2调节入射光脉冲的偏振态，以出射包括第二基矢的第二光信号。
具体的，如果第一相位调制器PHAM1调节相位差为0，偏振调制模块2将对应t1时隙位置的光脉冲偏振态调节为H，将对应t2时隙位置的光脉冲偏振态调节为V，则出射光脉冲的量子态为
Figure BDA0002008452080000151
如果第一相位调制器PHAM1调节相位差为0，偏振调制模块2将对应t1时隙位置的光脉冲偏振态调节为V，将对应t2时隙位置的光脉冲偏振态调节为H，则出射光脉冲的量子态为
Figure BDA0002008452080000152
如果第一相位调制器PHAM1调节相位差为π，偏振调制模块2将对应t1时隙位置的光脉冲偏振态调节为H，将对应t2时隙位置的光脉冲偏振态调节为V，则出射光脉冲的量子态为
Figure BDA0002008452080000153
如果第一相位调制器PHAM1调节相位差为π，偏振调制模块2将对应t1时隙位置的光脉冲偏振态调节为V，将对应t2时隙位置的光脉冲偏振态调节为H，则出射光脉冲的量子态为
Figure BDA0002008452080000154
图8是单激光器发射端的实施例说明。
参考图9，图9为本发明实施例提供的又一种QKD系统的发射端的结构示意图，脉冲产生与相位调制模块1包括：光源装置、第一环形器C1以及第一相位调制器PHAM1；光源装置包括：第一激光器LD1和第二激光器LD2。第一激光器LD1输出的光脉冲通过第一环形器C1入射第二激光器LD2，激发第二激光器LD2在对应时隙位置出射光脉冲，光脉冲依次通过第一环形器C1、第一相位调制器PHAM1、偏振调制模块2以及衰减控制模块3。第一环形器C1具有三个端口，从第一端口C1入射的光脉冲从其第二端口C2出射，从其第二端口C2入射的光脉冲从其第三端口C3出射。
对于图9所示方式，发射端11向接收端12发送包括第一基矢的第一光信号时，第一激光器LD1随机在t1时隙位置和t2时隙位置输出光脉冲；偏振调制模块2将光脉冲调节为所需的偏振态；第一相位调制器PHAM1将分别对应t1时隙位置和t2时隙位置的光脉冲相位差设置为0。
具体的，如果第一激光器LD1在t1时隙位置输出光脉冲，偏振调制模块2将入射光脉冲偏振态调制为P，则出射光脉冲的量子态为|P,t1＞；如果第一激光器LD1在t1时隙位置输出光脉冲，偏振调制模块2将入射光脉冲偏振态调制为N，则出射光脉冲的量子态为|N,t1＞；如果第一激光器LD1在t2时隙位置输出光脉冲，偏振调制模块2将入射光脉冲偏振态调制为P，则出射光脉冲的量子态为|P,t2＞；如果第一激光器LD1在t2时隙位置输出光脉冲，偏振调制模块2将入射光脉冲偏振态调制为N，则出射光脉冲的量子态为|N,t2＞。
对于图9所示方式，发射端11向接收端12发送包括第二基矢的第二光信号时，第一激光器LD1在t1时隙位置和t2时隙位置均输出光脉冲，两光脉冲相位相同，相位差为0；第一相位调制器PHAM1将两光脉冲的相位差设置为0或π；偏振调制模块2分别调制两光脉冲的偏振态。
具体的，如果第一相位调制器PHAM1设置的相位差为0，偏振调制模块2将t1时隙位置的光脉冲的偏振态调制为H，将t2时隙位置的光脉冲的偏振态调制为V，则出射光脉冲的量子态为
Figure BDA0002008452080000161
如果第一相位调制器PHAM1设置的相位差为0，偏振调制模块2将t1时隙位置的光脉冲的偏振态调制为V，将t2时隙位置的光脉冲的偏振态调制为H，则出射光脉冲的量子态为
Figure BDA0002008452080000162
如果第一相位调制器PHAM1设置的相位差为π，偏振调制模块2将t1时隙位置的光脉冲的偏振态调制为H，将t2时隙位置的光脉冲的偏振态调制为V，则出射光脉冲的量子态为
Figure BDA0002008452080000163
如果第一相位调制器PHAM1设置的相位差为π，偏振调制模块2将t1时隙位置的光脉冲的偏振态调制为V，将t2时隙位置的光脉冲的偏振态调制为H，则出射光脉冲的量子态为
Figure BDA0002008452080000164
图9是注入锁定发射端实施例的说明。
在图5-图9所示方式中，均以发射端11包括衰减控制模块3的实施例进行图示说明，此时光源装置包括非单光子光源的激光器，具体的，如果光源装置中的激光器均为单光子光源，则无需衰减控制模块3，偏振调制模块2出射的光脉冲直接入射所述接收端12，如果光源装置中激光器不是单光子光源，则需要采用衰减控制模块3将光脉冲衰减到单光子量级，偏振调制模块2出射的光脉冲需要通过衰减控制模块3进行衰减控制后，再入射所述接收端12。
也就是说，在本发明实施例QKD系统中，如果光源装置的激光器均为单光子光源，则发射端11不设置衰减控制模块3，偏振调制模块2出射的光脉冲直接入射接收端12，如果光源装置包括非单光子光源的激光器，则发射端11包括衰减控制模块3，偏振调制模块2出射的光脉冲通过衰减控制模块3后入射接收端12。
另外，容易想到的是，在使用弱相干光源的基础上，本领域的人员可以很容易的想到结合诱骗态方法来对抗分离光子数攻击，也应视为本发明保护范围。可以使用外加强度调制器件(如强度调制器、可调衰减器)或者直接调节激光器驱动电流等方式制备不同强度态，来实现诱骗态方法。
在上述实施例中，详细介绍了本发明实施例QKD系统中发射端11的实现方式，下面将结合附图对接收端12的实现方式进行详细说明。
参考图10，图10为本发明实施例提供的一种QKD系统的接收端的结构示意图，所示接收端12包括分光模块21、第一检测模块22以及第二检测模块23；分光模块21获取发射端11发送的光脉冲，将光脉冲分为两路，使得一路光脉冲入射第一检测模块22，使得另一路光脉冲入射第二检测模块23。
该方式中，接收端12可以进行被动基矢选择，发射端12出射光脉冲经过分光模块21后，第一光信号可能入射第一检测模块22，也可能入射第二检测模块23，同样，第二光信号可能入射第一检测模块22，也可能入射第二检测模块23。而第一检测模块22可以检测确定第一光信号，第二检测模块23可以检测确定第二光信号，具体的，第一检测模块22用于对接收到的光信号在第一基矢下进行测量，基于测量结果可以确认是否检测到第一基矢的光脉冲；第二检测模块23用于对接收到的光信号在第二基矢下进行测量，基于测量结果可以确认是否检测到第二基矢的光脉冲。
如图10所示，分光模块21的一种实现方式是，分光模块21包括：第四分束器BS4、第二偏振调制器POLM2以及第一光纤偏振控制器PC1。接收端12获取发射端11出射的光脉冲后，通过第四分束器BS4分为两路，反射路入射第一检测模块22，用于选择具有第一基矢的第一光信号，透射路入射第二检测模块23，用于选择具有第二基矢的第二光信号。
第四分束器BS4获取发射端12发送的光脉冲，将光脉冲分为两路，一路光脉冲通过第二偏振调制器POLM2入射第二检测模块23，另一路光脉冲通过第一光纤偏振控制器PC1入射第一检测模块22。第二偏振调制器POLM2用于将对应t2时隙位置的光脉冲的偏振态进行翻转，将偏振态H和偏振态V进行互换。
如图10所示，接收端12中，第一检测模块22包括：第一偏振分束器PBS1、第一探测器D1以及第二探测器D2。第一偏振分束器PBS1将入射的光脉冲分为两路光脉冲，两路光脉冲分别入射第一探测器D1以及第二探测器D2；偏振态为P的光脉冲入射第一探测器D1；偏振态为N的光脉冲入射第二探测器D2；通过第一探测器D1检测第一基矢中P偏振态分别对应t1时隙位置和t2时隙位置的量子态，通过第二探测器D2检测第一基矢中N偏振态分别对应t1时隙位置和t2时隙位置的量子态。具体的，通过第一检测模块22选择具有第一基矢的第一光信号时，入射第一偏振分束器PBS1的光脉冲进行P偏振态/N偏振态的测量，并使用第一探测器D1和第二探测器D2进行测量，同时记录光脉冲到达时间，当第一探测器D1在t1时隙位置检测到光脉冲时，说明量子态为|P,t1＞，当第一探测器D1在t2时隙位置检测到光脉冲时，说明量子态为|P,t2>，当第二探测器D2在t1时隙位置检测到光脉冲时，说明量子态为|N,t1＞，当第二探测器D2在t2时隙位置检测到光脉冲时，说明量子态为|N,t2＞。
图10中，第二检测模块23为相位偏振解码模块，可以对入射光脉冲进行相位偏振解码，通过第二检测模块23选择具有第二基矢的第二光信号。第二检测模块23选择具有第二基矢的第二光信号时，先通过第二偏振调制器POLM2将t2时隙位置的光脉冲偏振进行翻转(即将H变为V，V变为H)，偏振态翻转后相邻的两个光脉冲的偏振态一致。之后两个光脉冲在相位偏振解码模块进行解码。
第二检测模块23的一种实现方式可以如图11所示，图11为本发明实施例提供的一种第二检测模块23的结构示意图，该第二检测模块23包括：第五分束器BS5、第六分束器BS6、第二偏振分束器PBS2、第三偏振分束器PBS3、第三探测器D3、第四探测器D4、第五探测器D5以及第六探测器D6。
第五分束器BS5与第六分束器BS6组成的不等臂干涉仪获取分光模块21出射的光脉冲，将入射光脉冲根据不同的相位差分为两路光脉冲，相位差为0的一路光脉冲入射第二偏振分束器PBS2，相位差为π的另一路光脉冲入射第三偏振分束器PBS3。
第二偏振分束器PBS2将入射的光脉冲分为两路光脉冲，该两路光脉冲分别通过第三探测器D3和第四探测器D4进行探测；第三偏振分束器PBS3将入射的光脉冲分为两路，该两路光脉冲分别通过第五探测器D5和第六探测器D6进行探测。通过第三探测器D3和第四探测器D4分别检测第二基矢中相位差为0的两种量子态；通过第五探测器D5以及第六探测器D6分别检测第二基矢中相位差为π的两种量子态。
对于图11所示方式，第二检测模块23选择具有第二基矢的第二光信号时，入射第二检测模块23的前后相邻的两个光脉冲通过第五分束器BS5和第六分束器BS6组成的不等臂干涉仪进行干涉(不等臂干涉仪可允许两种偏振模式保偏传输，如采用双轴保偏光纤)，根据相位差的不同分别从第六分束器BS6的两个端口输出到第二偏振分束器PBS2和第三偏振分束器PBS3。通过第二偏振分束器PBS2和第三偏振分束器PBS3进行偏振测量获取偏振信息，最终确定测得的量子态，具体来说，如果第三探测器D3响应，说明量子态为
Figure BDA0002008452080000181
如果第四探测器D4响应，说明量子态为
Figure BDA0002008452080000182
如果第五探测器D5响应，说明量子态为
Figure BDA0002008452080000183
如果第六探测器D6响应，说明量子态为
Figure BDA0002008452080000184
第二检测模块23还可以如图12所示，图12为本发明实施例提供的另一种第二检测模块23的结构示意图，该第二检测模块23包括：第二偏振分束器PBS2、第五分束器BS5、第六分束器BS6、第七分束器BS7、第八分束器BS8、第三探测器D3、第四探测器D4、第五探测器D5以及第六探测器D6。
第二偏振分束器PBS2获取分光模块21出射的光脉冲，将入射光脉冲根据不同的偏振态分为两路光脉冲，偏振态为H的一路光脉冲入射第五分束器BS5与第六分束器BS6组成的第一不等臂干涉仪，偏振态为V的另一路光脉冲入射第七分束器BS7与第八分束器BS8组成的第二不等臂干涉仪。
第一不等臂干涉仪将入射光脉冲分为两路，分别通过第四探测器D4和第三探测器D3进行检测；第二不等臂干涉仪将入射光脉冲分为两路，分别通过第五探测器D5以及第六探测器D6进行检测。
图12所示方式中，入射第二检测模块23的两个光脉冲首先通过第二偏振分束器PBS2进行偏振分束，根据偏振状态分为两路，反射光脉冲和透射光脉冲分别通过各自连接的不等臂干涉仪进行相位解码(不等臂干涉仪可允许一种偏振模式保偏传输，如采用单轴保偏光纤)，根据相位差的不同分别从干涉仪出口分束器的不同端口输出，输出情况类似图11所示方式。同样，通过第三探测器D3和第四探测器D4分别检测第二基矢中相位差为0的两种量子态；通过第五探测器D5以及第六探测器D6分别检测第二基矢中相位差为π的两种量子态。
第二检测模块23还可以如图13所示，图13为本发明实施例提供的又一种第二检测模块23的结构示意图，该第二检测模块23包括：第二偏振分束器PBS2、第二环形器C2、第五分束器BS5、第六分束器BS6、第三环形器C3、第三探测器D3、第四探测器D4、第五探测器D5以及第六探测器D6。
第二偏振分束器PBS2的输入端口用于获取分光模块21出射的光脉冲，其透射输出端口连接第二环形器C2的第一端口A1，其反射输出端口连接第三环形器C3的第一端口；第二环形器C2的第二端口A2连接第五分束器BS5的第一端口，其第三端口A3连接第六探测器D6；第三环形器C3的第二端口A2连接第六分束器BS6的第一端口，其第三端口A3连接第三探测器D3。
第五分束器BS5的第二端口连接第五探测器D5，其第三端口连接第六分束器BS6的第三端口，其第四端口连接第六分束器BS6的第四端口，第六分束器BS6的第二端口连接第四探测器D4。
图13所示方式中，入射第二检测模块23的两个光脉冲首先通过第二偏振分束器PBS2进行偏振分束，根据偏振状态分为两路，反射光脉冲和透射光脉冲从不同方向通过同一不等臂干涉仪进行相位解码(不等臂干涉仪可允许一种偏振模式保偏传输，如采用单轴保偏光纤)，这样可以复用同一个干涉仪，简化光路结构。这里涉及不同方向的光脉冲会在同一根光纤里传输，所以需要环形器的协助完成。根据相位差的不同分别从干涉仪出口分束器的不同端口输出，输出情况类似图11所示方式。同样，通过第三探测器D3和第四探测器D4分别检测第二基矢中相位差为0的两种量子态；通过第五探测器D5以及第六探测器D6分别检测第二基矢中相位差为π的两种量子态。
参考图14，图14为本发明实施例提供的另一种QKD系统的接收端的结构示意图，所示接收端12包括第二偏振调制器POLM2、第四分束器BS4、第五分束器BS5、第一偏振分束器PBS1、第二偏振分束器PBS2以及四个探测器D1-D4。
第四分束器BS4与第五分束器BS5组成不等臂干涉仪；第二偏振调制器POLM2获取发射端11发送的光脉冲，将光脉冲发送给不等臂干涉仪；不等臂干涉仪将入射光脉冲分为两路，一路入射第一偏振分束器PBS1，另一路入射第二偏振分束器PBS2。第一偏振分束器PBS1将入射光脉冲分为两路，分别通过两个探测器(D1和D2)进行检测；第二偏振分束器PBS2将入射光脉冲分为两路，分别通过另外两个探测器(D3和D4)进行检测；通过四个探测器分别探测对应的量子态。
对于图14所示方式，当接收端12选择具有第一基矢的第一光信号时，第二偏振调制器POLM2调制输入光脉冲的偏振态，使得P和N偏振态对准后续不等臂干涉仪可允许传输的两轴方向。此时，第一基矢中的量子态只有t1时隙位置或者t2时隙位置有光脉冲入射(只需要考虑基矢选择正确的情况)。光脉冲经过不等臂干涉仪之后会分成两个光脉冲，时间关系如图15所示，图15为图14所示接收端解码时序图。
由图15可知，如果在探测器的t3时隙位置检测到光脉冲，那么入射光脉冲的时隙位置是t1，如果在探测器的t2时隙位置检测到光脉冲，那么入射光脉冲的时隙位置是t2。故可以利用探测器在t2和t3时隙位置分别进行测量而实现对第一基矢的测量。具体来说，当第一探测器D1或者第四探测器D4在t3时隙位置检测到光脉冲，那么量子态为|P,t1＞，当第一探测器D1或者第四探测器D4在t2时隙位置检测到光脉冲，那么量子态为|P,t2＞，当第二探测器D2或第三探测器D3在t3时隙位置检测到光脉冲，那么量子态为|N,t1>，当第二探测器D2或第三探测器D3在t2时隙位置检测到光脉冲，那么量子态为|N,t2>。
对于图14所示方式，当接收端12选择具有第二基矢的第二光信号时，可以利用探测器的t1时隙位置进行测量而实现对第二基矢的测量。此时，探测原理与上述接收端被动基矢选择实施例中选择第二基矢时一致。先通过第二偏振调制器POLM2将t2时隙位置的光脉冲偏振态进行翻转(即H变为V，V变为H)，翻转后，前后相邻的两个光脉冲的偏振态一致，并使得H和V偏振态对准后续不等臂干涉仪可允许传输的两轴方向。两个光脉冲通过不等臂干涉仪进行干涉，根据相位差的不同分别从第五分束器BS5的不同端口输出，再分别通过第一偏振分束器PBS1和第二偏振分束器PBS2进行偏振测量获取偏振信息，最终确定测得的量子态。具体来说，如果第四探测器D4响应，说明量子态为
Figure BDA0002008452080000201
如果第三探测器D3响应，说明量子态为
Figure BDA0002008452080000202
如果第一探测器D1响应，说明量子态为
Figure BDA0002008452080000203
如果第二探测器D2响应，说明量子态为
Figure BDA0002008452080000204
图14所示方式是接收端为主动基矢选择的一种实施方式，与上述被动基矢选择方式具有三种方式实现相位偏振解码，对应主动基矢选择的接收端也可以具有三种不同的实现方式，本发明实施例中仅以图14所示方式进行说明，其余方式不再赘述。
需要说明的是，本发明实施例中，提供了多种发射端和多种接收端的实现方式，任一种发射端和任一种接收端均可以相互组合构成QKD系统。本发明实施例中，附图中干涉仪以Mach-Zehnder干涉仪(马赫-曾德尔干涉仪)为例进行说明，也可以是其他类型干涉仪，如Faraday-Michelson干涉仪(法拉第-迈克尔逊干涉仪)，在保证本发明技术方案的实现效果前提下，干涉仪的类型可以根据需求设计，故干涉仪的类型包括但不局限于本发明实施例给出的方式。
通过上述描述可知，本发明实施例提供的QKD系统只使用两个时隙位置可以完成4维QKD编码，极大的提高了时隙位置的利用率，提高了QKD系统的重复率，同时在接收端减少了干涉仪的数量，提高了干涉仪测量的效率，大大提高了干涉稳定性，减少系统复杂度。
基于上述QKD系统，本发明另一实施例还提供了一种QKD系统的通信方法，用于上述实施例的QDK系统，QKD系统包括发射端和接收端，通信方法包括：
步骤S11:通过发射端对光脉冲进行偏振和相位调制，以实现基于预设的四维空间编码，出射包括偏振信息和时间信息的光脉冲。
步骤S12:通过接收端获取发射端出射的光脉冲，对光脉冲进行偏振以及相位解码，并对光脉冲进行探测。
可选的，通过对光脉冲进行偏振和相位调制，发射端选择向接收端发送包括第一基矢的第一光信号，或选择向接收端发送包括第二基矢的第二光信号；其中，第一基矢以及第二基矢均包括四个量子态，每个量子态均包括时间信息以及偏振信息；第一基矢中的不同量子态满足相互正交归一化关系，第二基矢中不同量子态满足相互正交归一化关系。
可选的，第一基矢为{α}＝{|P,t1＞,|P,t2＞,|N,t1＞,|N,t2＞}；
第二基矢为
Figure BDA0002008452080000211
其中，
Figure BDA0002008452080000212
P、N、V以及H为四个不同的已知偏振态，t1和t2为光源装置出射光脉冲的两个不同时隙位置。
本发明实施例通信方法可以使QKD系统在设定的四维空间进行量子通信，只使用两个时隙位置可以完成4维QKD编码，极大的提高了时隙位置的利用率，提高了QKD系统的重复率。
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。对于实施例公开的通信方法而言，由于其与实施例公开的QKD系统相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见QKD系统对应部分说明即可。
还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
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 (34)

1.一种量子密钥分发系统的发射端，其特征在于，所述发射端用于对光源装置出射的光脉冲进行偏振和相位调制以实现基于预设的四维空间编码，以向所述量子密钥分发系统的接收端发射包括偏振信息和时间信息的光脉冲。
2.根据权利要求1所述的发射端，其特征在于，所述发射端选择向所述接收端发送包括第一基矢的第一光信号，或选择向所述接收端发送包括第二基矢的第二光信号；
其中，所述第一基矢以及所述第二基矢均包括四个量子态，每个量子态均包括时间信息以及偏振信息；所述第一基矢中的不同量子态满足相互正交归一化关系，所述第二基矢中不同量子态满足相互正交归一化关系。
3.根据权利要求2所述的发射端，其特征在于，所述第一基矢为{α}＝{|P,t1>,|P,t2>,|N,t1>,|N,t2>}；
所述第二基矢为
Figure FDA0002008452070000011
其中，
Figure FDA0002008452070000012
P、N、V以及H为四个不同的已知偏振态，t1和t2为所述光源装置出射光脉冲的两个不同时隙位置。
4.根据权利要求3所述的发射端，其特征在于，所述发射端包括：脉冲产生与相位调制模块和偏振调制模块；
其中，所述脉冲产生与相位调制模块用于对所述光源装置出射的光脉冲进行相位调制；所述偏振调制模块用于对相位调制后的光脉冲进行偏振调制。
5.根据权利要求4所述的发射端，其特征在于，所述光源装置中激光器均为单光子源，所述偏振调制模块出射光脉冲直接入射所述接收端；
或，所述光源装置包括非单光子源的激光器，所述发射端还包括衰减控制模块，所述衰减控制模块用于对偏振调制后的光脉冲进行衰减控制。
6.根据权利要求4所述的发射端，其特征在于，所述脉冲产生与相位调制模块包括：所述光源装置、第一分束器、第二分束器、第一相位调制器以及光开关；所述光源装置包括：第一激光器以及第二激光器；
所述第一激光器出射光脉冲时，所述光脉冲依次通过所述光开关和所述偏振调制模块；
所述第二激光器出射光脉冲时，所述光脉冲通过所述第一分束器分为两路，一路入射所述第二分束器的一个输入端口，另一路通过所述第一相位调制器入射所述第二分束器的另一个输入端口，入射所述第二分束器的两路光脉冲在所述第二分束器耦合后，依次通过所述光开关和所述偏振调制模块。
7.根据权利要求4所述的发射端，其特征在于，所述脉冲产生与相位调制模块包括：所述光源装置、第一分束器、第二分束器以及光开关；所述光源装置包括：第一激光器、第二激光器以及第三激光器；
所述第一激光器出射光脉冲时，所述光脉冲依次通过所述光开关和所述偏振调制模块；
所述第二激光器出射光脉冲时，所述光脉冲通过所述第一分束器分为两路，两路光脉冲分别入射所述第二分束器的两个不同入射端口，入射所述第二分束器的两路光脉冲在所述第二分束器耦合后，依次通过所述光开关和所述偏振调制模块；
所述第三激光器出射光脉冲时，所述光脉冲通过所述第一分束器分为两路，两路光脉冲分别入射所述第二分束器的两个不同入射端口，入射所述第二分束器的两路光脉冲在所述第二分束器耦合后，依次通过所述光开关和所述偏振调制模块。
8.根据权利要求6或7所述的发射端，其特征在于，所述发射端向所述接收端发送包括第一基矢的第一光信号时，
所述第一激光器工作，在t1时隙位置发射光脉冲通过所述光开关入射所述偏振调制模块，将入射光脉冲的偏振态调制为P，则出射光脉冲的量子态为|P,t1>，在t2时隙位置发射光脉冲通过所述光开关入射所述偏振调制模块，将入射光脉冲的偏振态调制为P，则出射光脉冲的量子态为|P,t2>；
或者，所述第一激光器工作，在t1时隙位置发射光脉冲通过所述光开关入射所述偏振调制模块，将入射光脉冲的偏振态调制为N，则出射光脉冲的量子态为|N,t1>，在t2时隙位置发射光脉冲通过所述光开关入射所述偏振调制模块，将入射光脉冲的偏振态调制为N，则出射光脉冲的量子态为|N,t2>。
9.根据权利要求6所述的发射端，其特征在于，所述发射端向所述接收端发送包括第二基矢的第二光信号时，所述第二激光器工作，在t1时隙位置发射光脉冲，光脉冲通过所述第一分束器、所述第二分束器以及所述第一相位调制器组成的不等臂干涉仪形成两个光脉冲，该两个光脉冲分别对应t1时隙位置和t2时隙位置，通过所述第一相位调制器控制该两个光脉冲的相位差为0或π。
10.根据权利要求7所述的发射端，其特征在于，所述发射端向所述接收端发送包括第二基矢的第二光信号时，所述第二激光器与所述第三激光器互补工作，所述第二激光器与所述第三激光器出射的光脉冲均经过所述第一分束器与所述第二分束器组成的不等臂干涉仪形成两个光脉冲分量，该两个光脉冲分量分别对应t1时隙位置和t2时隙位置，且相位差为0或π。
11.根据权利要求9或10所述的发射端，其特征在于，所述偏振调制模块用于将所述两个光脉冲的偏振态分别调制为H或V，包括：
如果入射所述偏振调制模块的两个光脉冲的相位差为0，所述偏振调制模块将t1时隙位置光脉冲的偏振态调节为H，将t2时隙位置光脉冲的偏振态调节为V，则出射光脉冲的量子态为
Figure FDA0002008452070000031
如果入射所述偏振调制模块的两个光脉冲的相位差为0，所述偏振调制模块将t1时隙位置光脉冲的偏振态调节为V，将t2时隙位置光脉冲的偏振态调节为H，则出射光脉冲的量子态为
Figure FDA0002008452070000032
如果入射所述偏振调制模块的两个光脉冲的相位差为π，所述偏振调制模块将t1时隙位置光脉冲的偏振态调节为H，将t2时隙位置光脉冲的偏振态调节为V，则出射光脉冲的量子态为
Figure FDA0002008452070000033
如果入射所述偏振调制模块的两个光脉冲的相位差为π，所述偏振调制模块将t1时隙位置光脉冲的偏振态调节为V，将t2时隙位置光脉冲的偏振态调节为H，则出射光脉冲的量子态为
Figure FDA0002008452070000034
12.根据权利要求4所述的发射端，其特征在于，所述脉冲产生与相位调制模块包括：所述光源装置、第一分束器、第二分束器、第一相位调制器以及第一强度调制器；所述光源装置包括：激光器；
所述激光器出射光脉冲时，所述光脉冲通过所述第一分束器分为两路，一路入射所述第二分束器的一个输入端口，另一路通过所述第一相位调制器入射所述第二分束器的另一个输入端口，入射所述第二分束器的两路光脉冲在所述第二分束器耦合后，依次通过所述第一强度调制器和所述偏振调制模块。
13.根据权利要求12所述的发射端，其特征在于，所述发射端向所述接收端发送包括第一基矢的第一光信号时，所述激光器工作，出射的光脉冲通过所述第一分束器、所述第二分束器以及所述第一相位调制器组成的不等臂干涉仪形成两个光脉冲，该两个光脉冲分别对应t1时隙位置和t2时隙位置，所述第一相位调制器调节该两个光脉冲的相位差为0，所述第一强度调制器选择对应t1时隙位置的光脉冲通过或是对应t2时隙位置的光脉冲通过，所述偏振调制模块调节入射光脉冲的偏振态，以出射包括第一基矢的第一光信号。
14.根据权利要求13所述的发射端，其特征在于，如果所述第一强度调制器选择对应t1时隙位置的光脉冲通过，所述偏振调制模块将光脉冲的偏振态调节为P，则出射光脉冲的量子态为|P,t1>；
如果所述第一强度调制器选择对应t2时隙位置的光脉冲通过，所述偏振调制模块将光脉冲的偏振态调节为P，则出射光脉冲的量子态为|P,t2>；
如果所述第一强度调制器选择对应t1时隙位置的光脉冲通过，所述偏振调制模块将光脉冲的偏振态调节为N，则出射光脉冲的量子态为|N,t1>；
如果所述第一强度调制器选择对应t2时隙位置的光脉冲通过，所述偏振调制模块将光脉冲的偏振态调节为N，则出射光脉冲的量子态为|N,t2>。
15.根据权利要求12所述的发射端，其特征在于，所述发射端向所述接收端发送包括第二基矢的第二光信号时，所述激光器工作，出射的光脉冲通过所述第一分束器、所述第二分束器以及所述第一相位调制器组成的不等臂干涉仪形成两个光脉冲，该两个光脉冲分别对应t1时隙位置和t2时隙位置，所述第一相位调制器调节该两个光脉冲的相位差为0或π，所述第一强度调制器选择对应t1时隙位置和对应t2时隙位置的光脉冲均通过，所述偏振调制模块调节入射光脉冲的偏振态，以出射包括第二基矢的第二光信号。
16.根据权利要求15所述的发射端，其特征在于，如果所述第一相位调制器调节相位差为0，所述偏振调制模块将对应t1时隙位置的光脉冲偏振态调节为H，将对应t2时隙位置的光脉冲偏振态调节为V，则出射光脉冲的量子态为
Figure FDA0002008452070000042
如果所述第一相位调制器调节相位差为0，所述偏振调制模块将对应t1时隙位置的光脉冲偏振态调节为V，将对应t2时隙位置的光脉冲偏振态调节为H，则出射光脉冲的量子态为
Figure FDA0002008452070000041
如果所述第一相位调制器调节相位差为π，所述偏振调制模块将对应t1时隙位置的光脉冲偏振态调节为H，将对应t2时隙位置的光脉冲偏振态调节为V，则出射光脉冲的量子态为
Figure FDA0002008452070000043
如果所述第一相位调制器调节相位差为π，所述偏振调制模块将对应t1时隙位置的光脉冲偏振态调节为V，将对应t2时隙位置的光脉冲偏振态调节为H，则出射光脉冲的量子态为
Figure FDA0002008452070000044
17.根据权利要求4所述的发射端，其特征在于，所述脉冲产生与相位调制模块包括：所述光源装置、第一环形器以及第一相位调制器；所述光源装置包括：第一激光器和第二激光器；
所述第一激光器输出的光脉冲通过所述第一环形器入射所述第二激光器，激发所述第二激光器在对应时隙位置出射光脉冲，光脉冲依次通过所述第一环形器、所述第一相位调制器和所述偏振调制模块。
18.根据权利要求17所述的发射端，其特征在于，所述发射端向所述接收端发送包括第一基矢的第一光信号时，所述第一激光器随机在t1时隙位置和t2时隙位置输出光脉冲；所述偏振调制模块将光脉冲调节为所需的偏振态；所述第一相位调制器将分别对应t1时隙位置和t2时隙位置的光脉冲相位差设置为0。
19.根据权利要求18所述的发射端，其特征在于，如果所述第一激光器在t1时隙位置输出光脉冲，所述偏振调制模块将入射光脉冲偏振态调制为P，则出射光脉冲的量子态为|P,t1>；如果所述第一激光器在t1时隙位置输出光脉冲，所述偏振调制模块将入射光脉冲偏振态调制为N，则出射光脉冲的量子态为|N,t1>；如果所述第一激光器在t2时隙位置输出光脉冲，所述偏振调制模块将入射光脉冲偏振态调制为P，则出射光脉冲的量子态为|P,t2>；如果所述第一激光器在t2时隙位置输出光脉冲，所述偏振调制模块将入射光脉冲偏振态调制为N，则出射光脉冲的量子态为|N,t2>。
20.根据权利要求17所述的发射端，其特征在于，所述发射端向所述接收端发送包括第二基矢的第二光信号时，所述第一激光器在t1时隙位置和t2时隙位置均输出光脉冲，两光脉冲相位相同，相位差为0；所述第一相位调制器将两光脉冲的相位差设置为0或π；所述偏振调制模块分别调制两光脉冲的偏振态。
21.根据权利要求20所述的发射端，其特征在于，如果所述第一相位调制器设置的相位差为0，所述偏振调制模块将t1时隙位置的光脉冲的偏振态调制为H，将t2时隙位置的光脉冲的偏振态调制为V，则出射光脉冲的量子态为
Figure FDA0002008452070000052
如果所述第一相位调制器设置的相位差为0，所述偏振调制模块将t1时隙位置的光脉冲的偏振态调制为V，将t2时隙位置的光脉冲的偏振态调制为H，则出射光脉冲的量子态为
Figure FDA0002008452070000053
如果所述第一相位调制器设置的相位差为π，所述偏振调制模块将t1时隙位置的光脉冲的偏振态调制为H，将t2时隙位置的光脉冲的偏振态调制为V，则出射光脉冲的量子态为
Figure FDA0002008452070000054
如果所述第一相位调制器设置的相位差为π，所述偏振调制模块将t1时隙位置的光脉冲的偏振态调制为V，将t2时隙位置的光脉冲的偏振态调制为H，则出射光脉冲的量子态为
Figure FDA0002008452070000055
22.根据权利要求5所述的发射端，其特征在于，所述偏振调制模块为第一偏振调制器，所述衰减控制模块为第一衰减器。
23.一种量子密钥分发系统的接收端，其特征在于，所述接收端用于获取如权利要求1-22任一项所述发射端出射的光脉冲，对所述光脉冲进行偏振以及相位解码，并对所述光脉冲进行探测。
24.根据权利要求23所述的接收端，其特征在于，所述发射端选择向所述接收端发送包括第一基矢的第一光信号，或选择向所述接收端发送包括第二基矢的第二光信号；
所述第一基矢为{α}＝{|P,t1>,|P,t2>,|N,t1>,|N,t2>}；
所述第二基矢为
Figure FDA0002008452070000051
其中，
Figure FDA0002008452070000061
P、N、V以及H为四个不同的已知偏振态，t1和t2为所述光源装置出射光脉冲的两个不同时隙位置；
所述接收端包括：分光模块、第一检测模块以及第二检测模块；
所述分光模块获取所述发射端发送的光脉冲，将光脉冲分为两路，使得一路光脉冲入射第一检测模块，使得另一路光脉冲入射第二检测模块；所述第一检测模块用于对接收到的光脉冲在所述第一基矢下进行测量；所述第二检测模块用于对接收到光脉冲在所述第二基矢下进行测量。
25.根据权利要求24所述的接收端，其特征在于，所述分光模块包括：第四分束器、第二偏振调制器以及第一光纤偏振控制器；所述第四分束器获取所述发射端发送的光脉冲，将光脉冲分为两路，一路光脉冲通过所述第二偏振调制器入射所述第二检测模块，另一路光脉冲通过所述第一光纤偏振控制器入射所述第一检测模块；
所述第二偏振调制器用于将对应t2时隙位置的光脉冲的偏振态进行翻转，将偏振态H和偏振态V进行互换。
26.根据权利要求24所述的接收端，其特征在于，所述第一检测模块包括：第一偏振分束器、第一探测器以及第二探测器；
所述第一偏振分束器将入射的光脉冲分为两路光脉冲，两路光脉冲分别入射所述第一探测器以及所述第二探测器；偏振态为P的光脉冲入射所述第一探测器；偏振态为N的光脉冲入射所述第二探测器；通过所述第一探测器检测第一基矢中P偏振态分别对应t1时隙位置和t2时隙位置的量子态，通过所述第二探测器检测第一基矢中N偏振态分别对应t1时隙位置和t2时隙位置的量子态。
27.根据权利要求24所述的接收端，其特征在于，所述第二检测模块包括：第五分束器、第六分束器、第二偏振分束器、第三偏振分束器、第三探测器、第四探测器、第五探测器以及第六探测器；
所述第五分束器与所述第六分束器组成的不等臂干涉仪获取所述分光模块出射的光脉冲，将入射光脉冲根据不同的相位差分为两路光脉冲，相位差为0的一路光脉冲入射所述第二偏振分束器，相位差为π的另一路光脉冲入射所述第三偏振分束器；
所述第二偏振分束器将入射的光脉冲分为两路光脉冲，该两路光脉冲分别通过所述第三探测器和所述第四探测器进行探测；所述第三偏振分束器将入射的光脉冲分为两路，该两路光脉冲分别通过所述第五探测器和所述第六探测器进行探测；
通过所述第三探测器和所述第四探测器分别检测第二基矢中相位差为0的两种量子态；通过所述第五探测器以及所述第六探测器分别检测第二基矢中相位差为π的两种量子态。
28.根据权利要求24所述的接收端，其特征在于，所述第二检测模块包括：第二偏振分束器、第五分束器、第六分束器、第七分束器、第八分束器、第三探测器、第四探测器、第五探测器以及第六探测器；
所述第二偏振分束器获取所述分光模块出射的光脉冲，将入射光脉冲根据不同的偏振态分为两路光脉冲，偏振态为H的一路光脉冲入射所述第五分束器与所述第六分束器组成的第一不等臂干涉仪，偏振态为V的另一路光脉冲入射所述第七分束器与所述第八分束器组成的第二不等臂干涉仪；
所述第一不等臂干涉仪将入射光脉冲分为两路，分别通过所述第四探测器和所述第三探测器进行检测；所述第二不等臂干涉仪将入射光脉冲分为两路，分别通过所述第五探测器以及所述第六探测器进行检测；
通过所述第三探测器和所述第四探测器分别检测第二基矢中相位差为0的两种量子态；通过所述第五探测器以及所述第六探测器分别检测第二基矢中相位差为π的两种量子态。
29.根据权利要求24所述的接收端，其特征在于，所述第二检测模块包括：第二偏振分束器、第二环形器、第五分束器、第六分束器、第三环形器、第三探测器、第四探测器、第五探测器以及第六探测器；
所述第二偏振分束器的输入端口用于获取所述分光模块出射的光脉冲，其透射输出端口连接所述第二环形器的第一端口，其反射输出端口连接所述第三环形器的第一端口；所述第二环形器的第二端口连接所述第五分束器的第一端口，其第三端口连接所述第六探测器；所述第三环形器的第二端口连接所述第六分束器的第一端口，其第三端口连接所述第三探测器；
所述第五分束器的第二端口连接所述第五探测器，其第三端口连接所述第六分束器的第三端口，其第四端口连接所述第六分束器的第四端口，所述第六分束器的第二端口连接所述第四探测器；
通过所述第三探测器和所述第四探测器分别检测第二基矢中相位差为0的两种量子态；通过所述第五探测器以及所述第六探测器分别检测第二基矢中相位差为π的两种量子态。
30.根据权利要求24所述的接收端，其特征在于，所述接收端包括：第二偏振调制器、第四分束器、第五分束器、第一偏振分束器、第二偏振分束器以及四个探测器；
所述第四分束器与所述第五分束器组成不等臂干涉仪；所述第二偏振调制器获取所述发射端发送的光脉冲，将所述光脉冲发送给所述不等臂干涉仪；所述不等臂干涉仪将入射光脉冲分为两路，一路入射所述第一偏振分束器，另一路入射所述第二偏振分束器；
所述第一偏振分束器将入射光脉冲分为两路，分别通过两个探测器进行检测；所述第二偏振分束器将入射光脉冲分为两路，分别通过另外两个探测器进行检测；通过四个探测器分别探测对应的量子态。
31.一种量子密钥分发系统，其特征在于，所述量子密钥分发系统包括如权利要求1-22任一项所述的发射端以及如权利要求23-30任一项所述的接收端。
32.一种量子密钥分发系统的通信方法，所述量子密钥分发系统包括发射端和接收端，其特征在于，所述通信方法包括：
通过发射端对光脉冲进行偏振和相位调制，以实现基于预设的四维空间编码，出射包括偏振信息和时间信息的光脉冲；
通过接收端获取所述发射端出射的光脉冲，对所述光脉冲进行偏振以及相位解码，并对所述光脉冲进行探测。
33.根据权利要求32所述的通信方法，其特征在于，通过对光脉冲进行偏振和相位调制，所述发射端选择向所述接收端发送包括第一基矢的第一光信号，或选择向所述接收端发送包括第二基矢的第二光信号；
其中，所述第一基矢以及所述第二基矢均包括四个量子态，每个量子态均包括时间信息以及偏振信息；所述第一基矢中的不同量子态满足相互正交归一化关系，所述第二基矢中不同量子态满足相互正交归一化关系。
34.根据权利要求33所述的通信方法，其特征在于，所述第一基矢为{α}＝{|P,t1>,|P,t2>,|N,t1>,|N,t2>}；
所述第二基矢为
Figure FDA0002008452070000081
其中，
Figure FDA0002008452070000082
P、N、V以及H为四个不同的已知偏振态，t1和t2为所述光源装置出射光脉冲的两个不同时隙位置。
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