CN112929157B - 量子密钥分发装置、方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种量子密钥分发装置、方法及系统。该装置包括：光源模块、强度调制器和衰减器；光源模块与强度调制器连接，用于生成连续的光脉冲对，光脉冲对中两个光脉冲的相位差为零，且相邻的光脉冲对之间相位差随机；强度调制器，用于调制各个光脉冲对强度，得到量子信号。该量子信号包括6种状态、4种强度的信号；衰减器与强度调制器连接，用于将量子信号的光强衰减至单光子强度。本申请中，通过对光源模块输出的脉冲对进行强度调制，来完成时间编码以及诱骗态和真空态的调制。相较于相关技术中的7种状态、5种强度的调制需求，强度调制器调制的是6种状态、4种强度的信号，减少了所要调制的状态及强度，降低了系统复杂度和装置运行的处理开销。

Description

量子密钥分发装置、方法及系统

技术领域

本申请涉及量子通信技术领域，特别涉及一种量子密钥分发装置、方法及系统。

背景技术

近年来，随着量子通信技术不断发展，量子密钥分发(Quantum KeyDistribution)系统也越来越受人们重视。

在相关技术中，最常用的QKD协议是BB84协议。此外，该协议已被证明可以抵御最普通的攻击。此外，现有的QKD协议还包括三态协议(three-state protocal)和简化版BB84协议(Simplified BB84 Protocal)等。相较于，BB84协议中需要4种编码状态，三态协议和简化版BB84协议中只需要3中编码状态即可。目前，针对三态协议下的时间相位编码，QKD系统的发生机需要调制3中编码状态中各个编码状态对应的诱骗态信号和实际的信号态信号，以及真空态信号总共7种强度状态的信号。

相关技术中三态协议下的时间相位编码，相较于BB84协议下所需的4种编码状态，虽然减少了一种编码状态，但仍然需要调制7种状态、5种强度的信号，导致系统复杂度过高，运行的处理开销过大。

发明内容

本申请提供了一种量子密钥分发装置、方法及系统，可用于解决相关技术中时间相位编码需要调制7种状态、5种强度的信号，导致系统复杂度过高，运行的处理开销过大的问题。

第一方面，本申请实施例提供一种量子密钥分发装置，所述装置包括：光源模块、强度调制器和衰减器；

所述光源模块与所述强度调制器连接，用于生成连续的光脉冲对，所述光脉冲对中两个光脉冲的相位差为零，且相邻的所述光脉冲对之间相位差随机；

所述强度调制器，用于调制各个光脉冲对强度，得到以下任一量子信号：第一时间态信号、第二时间态信号、第一诱骗态信号、第二诱骗态信号、第三诱骗态信号和真空态信号，所述第一时间态信号、所述第二时间态信号、所述第一诱骗态信号和所述第二诱骗态信号基于时间基准，所述第三诱骗态信号基于相位基准；

所述衰减器与所述强度调制器连接，用于将所述量子信号的光强衰减至单光子强度。

可选地，所述光源模块包括：主激光器、从激光器和环形器；

所述环形器的第一端口与所述主激光器连接，所述环形器的第二端口与所述从激光器连接，所述环形器的第三端口与所述强度调制器连接，所述从激光器是指未注入锁定时输出等时间间隔且相位随机的第一脉冲序列的激光器；

所述主激光器，用于生成等时间间隔的第二脉冲序列，所述第二脉冲序列中的各个脉冲的相位随机，且所述第二脉冲的脉宽大于所述第一脉冲序列中一对脉冲的时长；

所述环形器，用于将所述第二脉冲序列注入所述从激光器；

所述从激光器，用于根据注入的所述第二脉冲序列，生成所述连续的光脉冲对。

可选地，所述光源模块包括：主激光器、从激光器、环形器和不等臂干涉仪；

所述不等臂干涉仪的第一分束器与所述主激光器连接，所述不等臂干涉仪的第二分束器与所述环形器的第一端口连接，所述环形器的第二端口与所述从激光器连接，所述环形器的第三端口与所述强度调制器连接，所述从激光器是指未注入锁定时输出等时间间隔且相位随机的第一脉冲序列的激光器；

所述主激光器，用于生成等时间间隔的第三脉冲序列，所述第三脉冲序列中的各个脉冲的相位随机，且所述第三脉冲的脉宽大于所述第一脉冲序列中脉冲的脉宽；

所述不等臂干涉仪，用于将所述第三脉冲序列中的各个脉冲干涉生成脉冲对，所述脉冲对中的两个脉冲的相位差为零；

所述环形器，用于将连续的所述脉冲对注入所述从激光器；

所述从激光器，用于根据注入的连续的所述脉冲对，生成所述连续的光脉冲对。

可选地，所述从激光器包括：内部强度调制器、内部相位调制器和内置激光器，所述内置激光器与所述内部强度调制器连接，所述内部强度调制器与所述内部相位调制器连接；

所述内置激光器用于输出连续光；

所述内部强度调制器，用于调制所述连续光，生成多个连续的短脉冲；

所述内部相位调制器，用于随机调制所述连续的短脉冲之间的相位差。

可选地，所述从激光器为电吸收激光器；

所述连续的光脉冲对包括：所述第一时间态信号、所述第二时间态信号、所述第一诱骗态信号、所述第二诱骗态信号、所述第三诱骗态信号和待调制信号，所述待调制信号为相位差为零、强度小于第三诱骗态信号的强度的光脉冲对；

所述强度调制器用于将所述待调制信号的强度衰减至零，得到所述真空态信号。

可选地，所述强度调制器，用于：

将所述光脉冲对的第一个光脉冲的强度衰减至零，得到所述第一时间态信号；

或者，

将所述光脉冲对的第二个光脉冲的强度衰减至零，得到所述第二时间态信号；

或者，

将所述光脉冲对的所述第一个光脉冲的强度衰减至零，并将所述第二个光脉冲的强度衰减至第一脉冲强度，得到所述第一诱骗态信号；

或者，

将所述光脉冲对的所述第二个光脉冲的强度衰减至零，并将所述第一个光脉冲的强度衰减至所述第一脉冲强度，得到所述第二诱骗态信号；

或者，

将所述光脉冲对的所述第一个光脉冲和所述第二个光脉冲的强度衰减至第二脉冲强度，得到所述第三诱骗态信号；

或者，

将所述光脉冲对的所述第一个光脉冲和所述第二个光脉冲的强度衰减至零，得到所述真空态信号。

可选地，所述强度调制器，用于：

根据量子随机数随机地将单个周期内的光脉冲对调制为所述第一时间态信号、所述第二时间态信号、所述第一诱骗态信号、所述第二诱骗态信号、所述第三诱骗态信号和所述真空态信号中的任一量子信号。

第二方面，本申请实施例提供一种量子密钥分发方法，可以由上述第一方面所述的装置实施，所述方法包括：

生成连续的光脉冲对，所述光脉冲对中两个光脉冲的相位差为零，且相邻的所述光脉冲对之间相位差随机；

调制各个光脉冲对强度，得到以下任一量子信号：第一时间态信号、第二时间态信号、第一诱骗态信号、第二诱骗态信号、第三诱骗态信号和真空态信号，所述第一时间态信号、所述第二时间态信号、所述第一诱骗态信号和所述第二诱骗态信号基于时间基准，所述第三诱骗态信号基于相位基准；

衰减所述量子信号的光强至单光子强度。

第三方面，本申请实施例提供一种量子密钥分发系统，所述系统包括发射机和接收机，所述发射机包括如上述第一方面所述的装置。

可选地，所述接收机包括第一探测单元，所述第一探测单元包括干涉仪和探测器，所述探测器的数量小于或等于2；

所述干涉仪中一端的分束器与量子信号的传输线路连接，另一端的分束器与所述探测器连接；

所述第一探测单元用于探测基于相位基准的信号，和/或，用于探测基于时间基准的信号。

可选地，所述干涉仪为不等臂干涉仪；

所述接收机还包括主动强度调制器，所述主动强度调制器位于所述干涉仪的长臂中。

可选地，所述接收机还包括第二探测单元和第三分束器，所述第二探测单元用于探测基于时间基准的信号；

所述第一探测单元和所述第二探测单元分别与所述第三分束器的反射端和透射端连接；

所述第二探测单元中的探测器的数量小于或等于2。

可选地，所述接收机还包括第二探测单元和第一光开关，所述第二探测单元用于探测基于时间基准的信号；

所述第一探测单元和第二探测单元分别与所述第一光开关连接；

所述第二探测单元中的探测器的数量小于或等于2。

本申请提供的方案中，通过对光源模块输出的脉冲对进行强度调制，来完成时间编码以及诱骗态和真空态的调制。相较于三态协议相关技术中的7种状态、5种强度的调制需求，强度调制器调制的是6种状态、4种强度的信号，减少了所要调制的状态及强度，降低了系统复杂度和装置运行的处理开销。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，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获得其他的附图。

图1是本申请一个实施例提供的量子密钥分发装置的示意图；

图2A是本申请一个实施例提供的量子密钥分发装置中光源模块的示意图；

图2B是本申请另一个实施例提供的量子密钥分发装置中光源模块的示意图；

图2C是本申请一个实施例提供的从激光器的示意图；

图3是本申请一个实施例提供的6种状态的信号的示意图；

图4是本申请另一个实施例提供的量子密钥分发装置的示意图；

图5是本申请一个实施例提供的强度调制器的示意图；

图6是本申请一个实施例提供的量子密钥分发方法的流程图；

图7A是本申请一个实施例提供的量子密钥分发系统的示意图；

图7B是本申请一个实施例提供的量子密钥分发系统中接收机的示意图；

图7C是本申请另一个实施例提供的量子密钥分发系统中接收机的示意图；

图7D是本申请另一个实施例提供的量子密钥分发系统中接收机的示意图；

图7E是本申请另一个实施例提供的量子密钥分发系统中接收机的示意图；

图7F是本申请另一个实施例提供的量子密钥分发系统中接收机的示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施方式作进一步地详细描述。

本申请实施例描述的系统架构以及应用场景是为了更加清楚地说明本申请实施例的技术方案，并不构成对本申请实施例提供的技术方案的限定，本领域普通技术人员可知，随着系统架构的演变和新业务场景的出现，本申请实施例提供的技术方案对于类似的技术问题，同样适用。

请参考图1，其示出了本申请一个实施例的提供的量子密钥分发装置10。该量子密钥分发装置10为量子密钥分发系统中发射机中的装置。为便于描述，在本申请实施例中也将该量子密钥分发装置10称为发射机。但需要说明的是，本申请并不限定发射机仅包括该量子密钥分发装置10，发射机还可以包括其它装置，例如处理器和同步装置。该量子密钥分发装置10包括光源模块101、强度调制器102和衰减器103。其中，光源模块101与强度调制器102连接，强度调制器102与衰减器103连接。

光源模块101是在量子密钥分发系统中用于输出量子光的功能模块，用于生成连续的光脉冲对，在同一对的两个光脉冲的相位差为零，相邻的光脉冲对之间相位随机。该光源模块101可以是单独的光源，例如激光器，也可以是激光器与其它光学器件的组合，例如激光器和干涉仪的组合。在量子密钥分发系统的中，激光器输出的光脉冲对需要经过调制来完成编码。例如，经过干涉仪来完成相位编码和经过强度调制器来完成时间编码。在本申请实施例中，光源模块101输出的是经过相位编码的连续的光脉冲对。

在一种可能的实施方式中，光源模块101通过注入锁定的方式完成相位编码，以输出上述连续的光脉冲对。如图2A所示，光源模块101包括主激光器1011、从激光器1012和环形器1013。环形器1013的第一端口与主激光器1011连接，环形器1013的第二端口与从激光器1012连接，环形器1013的第三端口与上述强度调制器连接。当主激光器1011和从激光器1012彼此独立工作时，主激光器1011输出等时间间隔的第二脉冲序列，且序列中的各个光脉冲的相位随机，而从激光器1012输出等时间间隔、且相位随机的第一脉冲序列。主激光器1011输出的每个脉冲的脉宽能够覆盖从激光器1012输出的两个脉冲即第二脉冲序列中的脉冲脉宽大于第一脉冲序列中一对脉冲的时长。在装置运作时，可以调节主激光器1011和从激光器1012的相对延时，使得主激光器1011输出的第二脉冲序列中的脉冲覆盖从激光器1012输出的第一脉冲序列中两个脉冲。主激光器1011输出的第二脉冲序列经过环形器1013的第一端口，从环形器1013的第二端口注入从激光器1012。对于注入的第二脉冲序列，由于每个脉冲的脉宽能够对应的第一脉冲序列中的两个脉冲，因此从激光器1012被激发输出连续的相位差为零的脉冲对。但是，由于第二脉冲序列中不同的脉冲之间的相位随机，因此从激光器1012被激发输出的脉冲对之间的相位也随机。从激光器1012生成的连续的脉冲对即上述光源模块101所要输出的连续的光脉冲对。

在另一种可能的实施方式中，光源模块101也通过注入锁定的方式完成相位编码，以输出上述连续周期的光脉冲。如图2B所示，光源模块101包括主激光器1011、从激光器1012、环形器1013和不等臂干涉仪1014。不等臂干涉仪1014的第一分束器与主激光器1011连接。不等臂干涉仪1014的第二分束器与环形器1013的第一端口连接。环形器1013的第二端口与从激光器1012连接，环形器1013的第三端口与强度调制器102连接。当主激光器1011和从激光器1012彼此独立工作时，主激光器1011输出等时间间隔的第三脉冲序列，且序列中的各个脉冲之间的相位随机，而从激光器1012输出的是等时间间隔、且相位随机的第一脉冲序列。主激光器1011输出的第三脉冲序列中的脉冲的脉宽大于从激光器1011输出的脉冲的脉宽。主激光器1011输出的第三脉冲序列经过不等臂干涉仪的干涉，其中的每一个脉冲都被干涉为一个脉冲对。第三脉冲序列经过干涉仪1014形成连续的脉冲对。一对脉冲中的两个脉冲的相位差为零，且脉冲对之间的相位随机。在装置运作时，可以通过调节主激光器1011和从激光器1012的相对延时，使得第三脉冲序列经过干涉仪1014所形成的脉冲对，在时间周期上与从激光器1012输出的两个相邻的脉冲对应。上述干涉仪1014输出的连续的脉冲对经过环形器1013的第一端口，从环形器1013的第二端口注入从激光器1012。对于注入的一脉冲对，从激光器1012被激发输出与该脉冲对对应的一对相位差为零的光脉冲对。但是，由于注入的不同脉冲对之间的相位随机，因此从激光器1012输出的光脉冲对之间的相位也随机。从激光器1012被激发输出的多个脉冲对即上述光源模块101输出的连续的光脉冲对。可选地，上述干涉仪1014为不等臂干涉仪，例如MZ干涉仪。

可选地，在上述两种注入锁定的实施方式中，从激光器输出的相位随机的第一脉冲序列可以采用斩波实现。如图2C所示，其示出了采用斩波方案的从激光器的内部的示意图。从激光器包括内部强度调制器1012A、内部相位调制器1012B和内置激光器1012C，内置激光器1012C与内部强度调制器1012A连接，内部强度调制器1012A与内部相位调制器1012B连接。

内置激光器1012C输出一个连续光201。连续光201经过内部强度调制器1012A的调制，形成多个连续的短脉冲202。对于上述连续的短脉冲202，经过内部强度调制器1012A斩波形成时，相邻短脉冲202之间的相位固定。因此，通过内部相位调制器1012B对多个短脉冲202之间的相位进行调制，使得短脉冲202之间的相位随机，即得到上述两种注入锁定的实施方式中从激光器1012独立工作时输出的相位随机的短脉冲序列。

在又一种可能的实施方式中，光源模块101通过斩波的方式完成相位编码，以输出上述连续周期的光脉冲。光源模块101包括激光器、强度调制器和相位调制器。与上述从激光器采用斩波实现的方式相似，激光器与强度调制器连接，强度调制器再与相位调制器连接。光源模块通过斩波的方式实现时，激光器输出一个连续光。连续光经过强度调制器的调制，形成多个连续的短脉冲。相位调制器对多短脉冲之间的相位进行调制，使得形成连续的短脉冲对。在形成的连续的短脉冲对中，相邻脉冲对之间的相位随机，而同一对脉冲的相位差为零。上述连续的短脉冲对即上述光源模块所要输出的连续的光脉冲对。

强度调制器102是用于对光源输出的光脉冲进行强度调制，来完成时间编码的器件。在量子密钥分发系统中，发射机发送的量子信号中包括信号态、诱骗态和真空态三种量子比特的信号。在本申请实施例中，强度调制器102对光源模块101输出的连续的光脉冲对进行强度调制，实际是将各个光脉冲对随机地调制为以下任一信号：第一时间态信号、第二时间态信号、第一诱骗态信号、第二诱骗态信号、第三诱骗态信号和真空态信号。第一时间态信号和第二时间态信号是上述信号态的信号，第一诱骗态信号、第二诱骗态信号和第三诱骗态信号是上述诱骗态的信号。此外，第一时间态信号、第二时间态信号、第一诱骗态信号和第二诱骗态信号是基于时间基准，第三诱骗态信号是基于相位基准。

如图3所示，其中，第一时间态信号301是指将光脉冲对的第一个光脉冲的强度衰减至零，第二个光脉冲的强度不变的信号；第二时间态信号302是指将光脉冲对的第二个光脉冲的强度衰减至零，第一个光脉冲的强度不变的信号；第一诱骗态信号303是指将光脉冲对的第一个光脉冲的强度衰减至零，并将第二个光脉冲的强度衰减至第一脉冲强度的信号；第二诱骗态信号304是指将光脉冲对的第二个光脉冲的强度衰减至零，并将第一个光脉冲的强度衰减至第一脉冲强度的信号；第三诱骗态信号305是指将光脉冲对的第一个光脉冲和第二个光脉冲的强度衰减至第二脉冲强度的信号；真空态信号306是指将光脉冲对内的第一个光脉冲和第二个光脉冲的强度衰减至零的信号。上述第一脉冲强度和第二脉冲强度均小于调制前的脉冲强度，且第一脉冲强度和第二脉冲强度的大小可以相同，也可以不同。强度调制器102调制了时间态0和1信号的信号态和诱骗态、相位态信号的诱骗态、以及真空态，总计6种状态、4种强度的信号。

可选地，强度调制器102在调制任一周期内的两个脉冲时，是随机地将两个脉冲调制为上述6种状态的信号中的任一种。为了确保正真的随机和安全性，强度调制器102根据量子随机数来从上述6种状态的信号中选择所要编码的目标。强度调制器102是随机地选择6种状态是根据由量子随机数生成的概率随机选择的，即虽然强度调制器102是随机地选择6种状态，但6种状态被选择的概率是不同的。被调制为信号态信号的概率为P0、被调制为诱骗态信号的概率为P1、被调制为真空态信号的概率为P2。其中，P1小于P0。强度调制器102首先根据P0、P1和P2确定信号态、诱骗态和真空态中的一种。当确定不是调制真空态时，再确定调制的目标是基于时间基准，还是基于相位基准。当确定基于时间基准时，强度调制器102将光脉冲调制为第一时间态信号或第二时间态信号的概率相同。

衰减器103是可变光衰减器(Variable Optical Attenuator)。光源模块101输出的连续周期的光脉冲在经过强度调制器的调制后，由衰减器103将调制后的量子信号的光强衰减至单光子强度，即将整体信号强度减小至每个脉冲的最优平均光子数。

可选地，量子密钥分发装置10中衰减器103的功能可以由强度调制器102单独实现。强度调制器102在调制各个状态的信号时，一并将其光强压制至单光子强度。

上述实施例介绍了由独立于光源模块的强度调制器进行强制调制的量子密钥分发装置和方法，即采用外调制的方案。在一种可能的实施方式中，上述光源模块101中的从激光器1012中为内调制激光器或电吸收激光器，即采用内调制的方案。当从激光器1012中为内调制激光器或电吸收激光器时，如图4所示，量子密钥分发装置10可以不设置强度调制器102。量子密钥分发装置100完全通过内调制激光器1014或电吸收激光器1015来完成强度调制。其中，电吸收激光器又称为电吸收调制激光器。当采用内调制激光器1014时，可以通过控制内调制激光器1014的驱动信号，以实现上述信号态、诱骗态和真空态各自信号所需强度的调制。电吸收激光器是通过吸收激光器所发出的光的方式，来调制光的强度。但是，电吸收激光器无法将光的强度压制到零，因此，电吸收激光器不能直接调制出真空态信号所需的强度即不能调制出强度为零的信号。对于从激光器，其驱动信号为连续的脉冲电信号。由于电吸收激光器不能调制出强度为零的信号，因此将驱动信号这一连续的脉冲电信号中的部分脉冲强度降为零。相应地，当输入强度为零的驱动信号是，激光器输出强度为零的光脉冲即真空态信号所需的强度的光脉冲。无论是内调制激光器，还是电吸收激光器，强度调制的方法与上述强度调制激光器进行强度调制的方法相同，都是调制6种状态、4种强度的信号。

可选地，当从激光器1012为电吸收激光器时，量子密钥分发装置10可以设置强度调制器102。当从激光器1012为电吸收激光器，且设置强度调制器102时，量子密钥分发装置10可以通过电吸收激光器调制出信号态和诱骗态的信号，但电吸收激光器无法单独调制出真空态的信号，需要由强度调制器102将光脉冲压低至零，从而完成真空态信号所需强度的调制。

可选地，上述强度调制器102和内部强度调制器1012A均通过光开关(OpticalSwitch，OSW)和衰减器组合的方式实现。如图5所示，强度调制器包括输入OSW 501、输出OSW502和多个衰减器503。由于无论是强度调制器102，还是内部强度调制器1012A，都是压制输入光的强度，因此可以通过衰减器实现光的强度调制。根据所要调制的不同强度，通过输入OSW501和输出OSW 502，选择不同的衰减器503。示例性地，上述强度调制器102需要调制4种强度的信号，则在输入OSW 501和输出OSW 502之间设置4个衰减器503。

在本申请实施例提供的装置中，通过对光源模块输出的脉冲对进行强度调制，来完成时间编码以及诱骗态和真空态的调制。相较于三态协议相关技术中的7种状态、5种强度的调制需求，强度调制器调制的是6种状态、4种强度的信号，减少了所要调制的状态及强度，降低了系统复杂度和装置运行的处理开销。

请参考图6，其示出了本申请一个实施例提供的量子密钥分发方法的流程图。该方法可应用于图1所示的量子密钥分发装置。该方法可以包括如下几个步骤：

步骤601，生成连续的光脉冲对。

量子密钥分发装置中的光源模块是在量子密钥分发系统中用于输出量子光的功能模块，用于生成连续的光脉冲对，在同一对的两个光脉冲的相位差为零，相邻的光脉冲对之间相位随机。该光源模块可以是单独的光源，例如激光器，也可以是激光器与其它光学器件的组合，例如激光器和干涉仪的集合。在量子密钥分发系统的中，激光器输出的光脉冲对需要经过调制来完成编码。例如，经过干涉仪来完成相位编码和经过强度调制器来完成时间编码。在本申请实施例中，光源模块输出的是经过相位编码的连续的光脉冲对。

在一种可能的实施方式中，光源模块101通过注入锁定的方式完成相位编码，以输出上述连续的光脉冲对。如图2A所示，光源模块101包括主激光器1011、从激光器1012和环形器1013。环形器1013的第一端口与主激光器1011连接，环形器1013的第二端口与从激光器1012连接，环形器1013的第三端口与上述强度调制器连接。当主激光器1011和从激光器1012彼此独立工作时，主激光器1011输出等时间间隔的第二脉冲序列，且序列中的各个光脉冲的相位随机，而从激光器1012输出等时间间隔、且相位随机的第一脉冲序列。主激光器1011输出的每个脉冲的脉宽能够覆盖从激光器1012输出的两个脉冲即第二脉冲序列中的脉冲脉宽大于第一脉冲序列中一对脉冲的时长。在装置运作时，可以调节主激光器1011和从激光器1012的相对延时，使得主激光器1011输出的第二脉冲序列中的脉冲覆盖从激光器1012输出的第一脉冲序列中两个脉冲。主激光器1011输出的第二脉冲序列经过环形器1013的第一端口，从环形器1013的第二端口注入从激光器1012。对于注入的第二脉冲序列，由于每个脉冲的脉宽能够对应的第一脉冲序列中的两个脉冲，因此从激光器1012被激发输出连续的相位差为零的脉冲对。但是，由于第二脉冲序列中不同的脉冲之间的相位随机，因此从激光器1012被激发输出的脉冲对之间的相位也随机。从激光器1012生成的连续的脉冲对即上述光源模块101所要输出的连续的光脉冲对。

在另一种可能的实施方式中，光源模块101也通过注入锁定的方式完成相位编码，以输出上述连续周期的光脉冲。如图2B所示，光源模块101包括主激光器1011、从激光器1012、环形器1013和不等臂干涉仪1014。不等臂干涉仪1014的第一分束器与主激光器1011连接。不等臂干涉仪1014的第二分束器与环形器1013的第一端口连接。环形器1013的第二端口与从激光器1012连接，环形器1013的第三端口与强度调制器102连接。当主激光器1011和从激光器1012彼此独立工作时，主激光器1011输出等时间间隔的第三脉冲序列，且序列中的各个脉冲之间的相位随机，而从激光器1012输出的是等时间间隔、且相位随机的第一脉冲序列。主激光器1011输出的第三脉冲序列中的脉冲的脉宽大于从激光器1011输出的脉冲的脉宽。主激光器1011输出的第三脉冲序列经过不等臂干涉仪的干涉，其中的每一个脉冲都被干涉为一个脉冲对。第三脉冲序列经过干涉仪1014形成连续的脉冲对。一对脉冲中的两个脉冲的相位差为零，且脉冲对之间的相位随机。在装置运作时，可以通过调节主激光器1011和从激光器1012的相对延时，使得第三脉冲序列经过干涉仪1014所形成的脉冲对，在时间周期上与从激光器1012输出的两个相邻的脉冲对应。上述干涉仪1014输出的连续的脉冲对经过环形器1013的第一端口，从环形器1013的第二端口注入从激光器1012。对于注入的一脉冲对，从激光器1012被激发输出与该脉冲对对应的一对相位差为零的光脉冲对。但是，由于注入的不同脉冲对之间的相位随机，因此从激光器1012输出的光脉冲对之间的相位也随机。从激光器1012被激发输出的多个脉冲对即上述光源模块101输出的连续的光脉冲对。可选地，上述干涉仪1014为不等臂干涉仪，例如MZ干涉仪。

步骤602，调制各个光脉冲对强度。

量子密钥分发装置中的强度调制器对光源输出的光脉冲进行强度调制，来完成时间编码的器件。在三态协议中，发射机发送的量子信号中包括信号态、诱骗态和真空态三种量子比特的信号。在本申请实施例中，强度调制器对光源模块输出的连续的光脉冲对进行强度调制，实际是将光脉冲对随机地调制为以下任一信号：第一时间态信号、第二时间态信号、第一诱骗态信号、第二诱骗态信号、第三诱骗态信号和真空态信号。第一时间态信号和第二时间态信号是上述信号态的信号，第一诱骗态信号、第二诱骗态信号和第三诱骗态信号是上述诱骗态的信号。此外，第一时间态信号、第二时间态信号、第一诱骗态信号和第二诱骗态信号是基于时间基准，第三诱骗态信号是基于相位基准。

强度调制器调制了时间态0和1信号的信号态和诱骗态、相位态信号的诱骗态、以及真空态，总计6种状态、4种强度的信号。

可选地，强度调制器在调制任一周期内的两个脉冲时，是随机地将两个脉冲调制为上述6种状态的信号中的任一种。为了确保正真的随机和安全性，强度调制器根据量子随机数来从上述6种状态的信号中选择所要编码的目标。强度调制器是随机地选择6种状态是根据由量子随机数生成的概率随机选择的，即虽然强度调制器是随机地选择6种状态，但6种状态被选择的概率是不同的。被调制为信号态信号的概率为P0、被调制为诱骗态信号的概率为P1、被调制为真空态信号的概率为P2。其中，P1小于P0。强度调制器102首先根据P0、P1和P2确定信号态、诱骗态和真空态中的一种。当确定不是调制真空态时，再确定调制的目标是基于时间基准，还是基于相位基准。当确定基于时间基准时，强度调制器102将光脉冲调制为第一时间态信号或第二时间态信号的概率相同。

步骤603，衰减量子信号的光强至单光子强度。

光源模块输出的连续周期的光脉冲在经过强度调制器的调制后，由衰减器将调制后的量子信号的光强衰减至单光子强度，即将整体信号强度减小至每个脉冲的最优平均光子数。在经过上述衰减器的衰减后，将量子信号发送给接收机。

可选地，在量子密钥分发装置，强度调制器在调制各个状态的信号时，一并将其光强压制至单光子强度。

在本申请实施例提供的方法中，通过对光源模块输出的脉冲对进行强度调制，来完成时间编码以及诱骗态和真空态的调制。相较于三态协议相关技术中的7种状态、5种强度的调制需求，强度调制器调制的是6种状态、4种强度的信号，减少了所要调制的状态及强度，降低了系统复杂度和装置运行的处理开销。

参考图7A，其示出了本申请一个实施例的提供的量子密钥分发系统70。该量子密钥分发系统70包括发射机71和接收机72。发射机71包括如上述装置实施例所述的量子密钥分发装置。

在一种可能的实施方式中，接收机72包括第一探测单元。如图7B所示，第一探测单元721包括干涉仪7210和探测器7211。干涉仪7210中一端的分束器与量子信号的传输线路即传输光纤连接，另一端的分束器与探测器7211连接。第一探测单元721用于探测基于相位基准的信号，和/或，用于探测基于时间基准的信号。

第一探测单元721中可以包括一个探测器7211，也可以设置两个探测器7211。当第一探测单元721中的探测器7211数量为2时，两个探测器7211分别于干涉仪7210的反射端和透射端连接。

可选地，上述干涉仪7210为不等臂干涉仪，接收机72还包括主动强度调制器。该主动强度调制器位于上述不等臂干涉仪的长臂上。接收机72接收的脉冲信号经过干涉仪7210的第一个分束器，在干涉仪7210的长臂和短臂中各产生一个脉冲。当第一探测单元721探测基于时间基准的信号时，主动强度调制器将干涉仪7210长臂上的脉冲的强度压制为0，避免发生干涉。当第一探测单元721探测基于相位基准的信号时，主动强度调制器不压制干涉仪7210长臂上的脉冲的强度，从而发生干涉。

在另一种可能的实施方式中，接收机包括第一探测单元第二探测单元和第三分束器。第一探测单元和第二探测单元分别与第三分束器的反射端和透射端连接。其中，第一探测单元的构造以及能实现的功能与上述接收机包括第一探测单元的实施方式中的一致，在此不再进行赘述。第二探测单元用于探测基于时间基准的信号。第三分束器的入射端与量子信号的传输线路连接。第一探测单元和第二探测单元通过第三分束器连接。第一探测单元中的干涉仪一端的分束器与第三分束器连接，另一端的分束器与探测器连接。

可选地，如图7C所示，第二探测单元722包括一个探测器7220。该探测器7220与第三分束器723的反射端连接。

可选地，如图7D所示，第二探测单元722包括两个探测器7220和第四分束器7221。第四分束器7221与第三分束器723的反射端连接。两个探测器7220分别与第四分束器7221的反射端和透射端连接。

可选地，当接收机包括第一探测单元和第二探测单元时，第一探测单元和第二探测单元通过第一光开关连接，即第一光开关代替上述第三分束器。第一光开关的输入端与量子信号的传输线路连接，而两个输出端分别与第一探测单元和第二探测单元连接。接收机可以通过第一光开关主动地选择相位基准和时间基准进行测量。

在又一种可能的实施方式中，如图7E所示，接收机包括干涉仪7210、第三分束器723、第四分束器7221、第二光开关724和探测器725。干涉仪7210中一端的分束器与第三分束器723连接，而干涉仪7210中另一端分束器的反射端与透射端分别与第二光开关724的两个输入端连接。第三分束器723的入射端与量子信号的传输线路连接。第四分束器7221与第三分束器723的反射端连接，且第四分束器7221的入射端和透射端分别与第二光开关724的另两个输入端连接。第二光开关724的输出端与探测器725连接。当使用接收机72时，技术人员可以通过光开关来选择所要探测的线路，仅使用一个探测器即可，降低了生产和使用成本。

在又一种可能的实施方式中，如图7F所示，接收机包括连续干涉仪726和探测器725。连续干涉仪726输入端的分束器7261与量子信号的传输线路即传输光纤连接，而连续干涉仪726输出端的分束器7262与探测器725连接。连续干涉仪726中的两个干涉仪公用同一个分束器。第一个干涉仪输出的分束器与第二个干涉仪输入的分束器为同一分束器7263。接收机接收的光脉冲经过连续干涉仪的干涉处理后，由探测器725进行探测。

在本申请实施例提供的系统中，发射机通过对光源模块输出的脉冲对进行强度调制，来完成时间编码以及诱骗态和真空态的调制。相较于三态协议相关技术中的7种状态、5种强度的调制需求，强度调制器调制的是6种状态、4种强度的信号，减少了所要调制的状态及强度，降低了系统复杂度和装置运行的处理开销。此外，本申请实施例还提供了与上述密钥分发装置对应的各种接收机，能够满足各种探测需求。

本领域的技术人员可以清楚地了解到本申请实施例提供的技术方案中的方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本申请实施例中的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一量子密钥分发装置、发射机或系统执行本申请各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

此外，在上述实施例提供的附图中，脉冲的波形图为示意图，仅用于说明实施例，不对本申请中各个光源、激光器、强度调制器等其它光学器件输出的脉冲的波形造成限定。

本领域技术人员能够认识到，本实施例提供的技术方案可以用于时间和/或相位编码方案中，尤其适用于同时需要进行时间和相位编码的方案(诸如时间相位编码的方案)，其包括但不限于基于诱骗态BB84协议、RFIQKD协议、三态协议、变种三态协议(Thevariant of three-state protocal)和简化版BB84协议等。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由权利要求指出。

应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种量子密钥分发装置，其特征在于，所述装置包括：光源模块、强度调制器和衰减器；

所述光源模块与所述强度调制器连接，用于生成连续的光脉冲对，所述光脉冲对中两个光脉冲的相位差为零，且相邻的所述光脉冲对之间相位差随机；

所述光源模块包括主激光器、从激光器和环形器，所述环形器的第一端口与所述主激光器连接，所述环形器的第二端口与所述从激光器连接，所述环形器的第三端口与所述强度调制器连接，所述从激光器是指未注入锁定时输出等时间间隔且相位随机的第一脉冲序列的激光器，所述主激光器用于生成等时间间隔的第二脉冲序列，所述第二脉冲序列中的各个脉冲的相位随机，且所述第二脉冲序列中脉冲的脉宽大于所述第一脉冲序列中一对脉冲的时长，所述环形器用于将所述第二脉冲序列注入所述从激光器，所述从激光器用于根据注入的所述第二脉冲序列，生成所述连续的光脉冲对，

或，

所述光源模块包括主激光器、从激光器、环形器和不等臂干涉仪，所述不等臂干涉仪的第一分束器与所述主激光器连接，所述不等臂干涉仪的第二分束器与所述环形器的第一端口连接，所述环形器的第二端口与所述从激光器连接，所述环形器的第三端口与所述强度调制器连接，所述主激光器用于生成等时间间隔的第三脉冲序列，所述第三脉冲序列中的各个脉冲的相位随机，且所述第三脉冲序列中脉冲的脉宽大于所述第一脉冲序列中脉冲的脉宽，所述不等臂干涉仪用于将所述第三脉冲序列中的各个脉冲干涉生成脉冲对，所述脉冲对中的两个脉冲的相位差为零，所述环形器用于将连续的所述脉冲对注入所述从激光器，所述从激光器，用于根据注入的连续的所述脉冲对，生成所述连续的光脉冲对；

所述强度调制器，用于调制各个光脉冲对强度，得到以下任一量子信号：第一时间态信号、第二时间态信号、第一诱骗态信号、第二诱骗态信号、第三诱骗态信号和真空态信号，所述第一时间态信号、所述第二时间态信号、所述第一诱骗态信号和所述第二诱骗态信号基于时间基准，所述第三诱骗态信号基于相位基准，所述第一时间态信号为所述光脉冲对的第一个光脉冲的强度衰减至零的光脉冲对，所述第二时间态信号为所述光脉冲对的第二个光脉冲的强度衰减至零的光脉冲对，所述第一诱骗态信号为所述光脉冲对的所述第一个光脉冲的强度衰减至零、所述第二个光脉冲的强度衰减至第一脉冲强度的光脉冲对，所述第二诱骗态信号为所述光脉冲对的所述第二个光脉冲的强度衰减至零、所述第一个光脉冲的强度衰减至所述第一脉冲强度的光脉冲对，所述第三诱骗态信号为所述光脉冲对的所述第一个光脉冲和所述第二个光脉冲的强度衰减至第二脉冲强度的光脉冲对，所述真空态信号为将所述光脉冲对的所述第一个光脉冲和所述第二个光脉冲的强度衰减至零的光脉冲对；

所述衰减器与所述强度调制器连接，用于将所述量子信号的光强衰减至单光子强度。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述从激光器包括：内部强度调制器、内部相位调制器和内置激光器，所述内置激光器与所述内部强度调制器连接，所述内部强度调制器与所述内部相位调制器连接；

所述内置激光器用于输出连续光；

所述内部强度调制器，用于调制所述连续光，生成多个连续的短脉冲；

所述内部相位调制器，用于随机调制所述连续的短脉冲之间的相位差。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述从激光器为电吸收激光器；

所述连续的光脉冲对包括：所述第一时间态信号、所述第二时间态信号、所述第一诱骗态信号、所述第二诱骗态信号、所述第三诱骗态信号和待调制信号，所述待调制信号为相位差为零、强度小于第三诱骗态信号的强度的光脉冲对；

所述强度调制器用于将所述待调制信号的强度衰减至零，得到所述真空态信号。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述强度调制器，用于：

根据量子随机数随机地将单个周期内的光脉冲对调制为所述第一时间态信号、所述第二时间态信号、所述第一诱骗态信号、所述第二诱骗态信号、所述第三诱骗态信号和所述真空态信号中的任一量子信号。

5.一种量子密钥分发方法，其特征在于，所述方法包括：

光源模块生成连续的光脉冲对，所述光脉冲对中两个光脉冲的相位差为零，且相邻的所述光脉冲对之间相位差随机，所述光源模块包括主激光器、从激光器和环形器，所述环形器的第一端口与所述主激光器连接，所述环形器的第二端口与所述从激光器连接，所述环形器的第三端口与强度调制器连接，所述从激光器是指未注入锁定时输出等时间间隔且相位随机的第一脉冲序列的激光器，所述主激光器用于生成等时间间隔的第二脉冲序列，所述第二脉冲序列中的各个脉冲的相位随机，且所述第二脉冲序列中脉冲的脉宽大于所述第一脉冲序列中一对脉冲的时长，所述环形器用于将所述第二脉冲序列注入所述从激光器，所述从激光器用于根据注入的所述第二脉冲序列，生成所述连续的光脉冲对，

或，

所述光源模块包括主激光器、从激光器、环形器和不等臂干涉仪，所述不等臂干涉仪的第一分束器与所述主激光器连接，所述不等臂干涉仪的第二分束器与所述环形器的第一端口连接，所述环形器的第二端口与所述从激光器连接，所述环形器的第三端口与所述强度调制器连接，所述主激光器用于生成等时间间隔的第三脉冲序列，所述第三脉冲序列中的各个脉冲的相位随机，且所述第三脉冲序列中脉冲的脉宽大于所述第一脉冲序列中脉冲的脉宽，所述不等臂干涉仪用于将所述第三脉冲序列中的各个脉冲干涉生成脉冲对，所述脉冲对中的两个脉冲的相位差为零，所述环形器用于将连续的所述脉冲对注入所述从激光器，所述从激光器，用于根据注入的连续的所述脉冲对，生成所述连续的光脉冲对；

强度调制器调制各个光脉冲对强度，得到以下任一量子信号：第一时间态信号、第二时间态信号、第一诱骗态信号、第二诱骗态信号、第三诱骗态信号和真空态信号，所述第一时间态信号、所述第二时间态信号、所述第一诱骗态信号和所述第二诱骗态信号基于时间基准，所述第三诱骗态信号基于相位基准，所述第一时间态信号为所述光脉冲对的第一个光脉冲的强度衰减至零的光脉冲对，所述第二时间态信号为所述光脉冲对的第二个光脉冲的强度衰减至零的光脉冲对，所述第一诱骗态信号为所述光脉冲对的所述第一个光脉冲的强度衰减至零、所述第二个光脉冲的强度衰减至第一脉冲强度的光脉冲对，所述第二诱骗态信号为所述光脉冲对的所述第二个光脉冲的强度衰减至零、所述第一个光脉冲的强度衰减至所述第一脉冲强度的光脉冲对，所述第三诱骗态信号为所述光脉冲对的所述第一个光脉冲和所述第二个光脉冲的强度衰减至第二脉冲强度的光脉冲对，所述真空态信号为将所述光脉冲对的所述第一个光脉冲和所述第二个光脉冲的强度衰减至零的光脉冲对；

衰减所述量子信号的光强至单光子强度。

6.一种量子密钥分发系统，其特征在于，所述系统包括发射机和接收机，所述发射机包括权利要求1至4任一项所述的装置。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述接收机包括第一探测单元，所述第一探测单元包括干涉仪和探测器，所述探测器的数量小于或等于2；

所述干涉仪中一端的分束器与量子信号的传输线路连接，另一端的分束器与所述探测器连接；

所述第一探测单元用于探测基于相位基准的信号，和/或，用于探测基于时间基准的信号。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述干涉仪为不等臂干涉仪；

所述接收机还包括主动强度调制器，所述主动强度调制器位于所述干涉仪的长臂中。

9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述接收机还包括第二探测单元和第三分束器，所述第二探测单元用于探测基于时间基准的信号；

所述第一探测单元和所述第二探测单元分别与所述第三分束器的反射端和透射端连接；

所述第二探测单元中的探测器的数量小于或等于2。

10.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述接收机还包括第二探测单元和第一光开关，所述第二探测单元用于探测基于时间基准的信号；

所述第一探测单元和所述第二探测单元分别与所述第一光开关连接；

所述第二探测单元中的探测器的数量小于或等于2。

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