CN113259099A - 用于相位编码的装置、方法和量子密钥分发系统 - Google Patents

用于相位编码的装置、方法和量子密钥分发系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供用于相位编码的装置、方法和量子密钥分发系统，其中，所述装置包括：第一光源；第二光源；不等臂干涉仪，被配置为将从所述光源输出的光脉冲分成时间上相邻的两路子光脉冲；相位调制器，被配置为向两路子光脉冲中的沿着不等臂干涉仪的长臂传输的子光脉冲施加相位调制电压；以及控制器，被配置为响应于相位调制器未向所述子光脉冲施加相位调制电压而在两路子光脉冲之间形成第一相位差和第二相位差，并且响应于相位调制器向所述子光脉冲施加相位调制电压而对所述子光脉冲进行相位调制以在所述两路光脉冲之间形成第三相位差和第四相位差。本发明能够有效地避免因在四种不同的相位调制电压之间来回反复切换而导致相位调制电压不稳定的问题。

Description

用于相位编码的装置、方法和量子密钥分发系统
技术领域
本发明涉及量子通信技术领域，尤其涉及用于相位编码的装置、方法和量子密钥分发系统。
背景技术
目前，在量子密钥分发系统中主要采用偏振编码或相位编码，其中，相位编码可用于在普通信道和特殊信道（电力架空光缆、桥梁架空光缆、轨道地埋光缆等）进行远距离量子密钥分发或者近距离小衰减下的高速的量子密钥分发，以为量子保密通信网络提供不可窃听、不可破译的量子密钥。
目前，在相位编码技术中，主要使用不等臂干涉仪将单个光源产生的光脉冲分为一前一后两个光脉冲，然后通过相位调制器在两个前后脉冲之间调制出0、π/2、π和3π/2四种不同的相位差来编码和承载信息。换言之，相位调制器必须加载四种不同的相位调制电压并且在这四种不同的相位调制电压之间来回反复切换。然而，相位调制器在每次切换时均需要对相位调制电压的脉冲的上升沿和平坦区进行调制，而这种反复切换相位调制电压的方式不仅会导致相位调制器所加载的相位调制电压不稳定，而且还会导致所调制的相位差的精度变差，进而影响系统的成码率。
发明内容
本发明的目的在于提供用于相位编码的装置、方法和量子密钥分发系统。
根据本发明的一方面，提供一种用于相位编码的装置，所述装置包括：第一光源，被配置为输出第一路光脉冲；第二光源，被配置为输出第二路光脉冲；不等臂干涉仪，被配置为将所述光脉冲分成时间上相邻的两路子光脉冲；相位调制器，被配置为向所述两路子光脉冲中的沿着所述不等臂干涉仪的长臂传输的子光脉冲施加相位调制电压；以及控制器，被配置为响应于所述相位调制器未向所述子光脉冲施加相位调制电压而在所述两路子光脉冲之间形成用于进行相位编码的第一相位差和第二相位差，并且响应于所述相位调制器向所述子光脉冲施加相位调制电压而对所述子光脉冲进行相位调制，以在所述两路光脉冲之间形成用于进行相位编码的第三相位差和第四相位差。
根据本发明的一个实施例，所述第一相位差和所述第二相位差基于所述两路子光脉冲在所述不等臂干涉仪的分束器和/或合束器上的相位变化而形成。
根据本发明的一个实施例，所述第三相位差和所述第四相位差基于所述两路子光脉冲在所述不等臂干涉仪的分束器和/或合束器上的相位变化以及由所述相位调制电压引起的相位差而形成。
根据本发明的一个实施例，所述相位编码基于BB84协议。
根据本发明的一个实施例，由所述相位调制电压引起的相位差为π/2。
根据本发明的一个实施例，所述第一相位差、所述第二相位差、所述第三相位差和所述第四相位差分别为π、0、3π/2和π/2。
根据本发明的另一方面，提供一种用于相位编码的方法，所述方法包括：使用第一光源输出第一路光脉冲；使用第二光源输出第二路光脉冲；使用不等臂干涉仪将所述光脉冲分成时间上相邻的两路子光脉冲；确定相位调制器是否向所述两路子光脉冲中的沿着所述不等臂干涉仪的长臂传输的子光脉冲施加相位调制电压；响应于所述相位调制器未向所述子光脉冲施加相位调制电压而在所述两路子光脉冲之间形成用于进行相位编码的第一相位差和第二相位差；响应于所述相位调制器向所述子光脉冲施加相位调制电压而对所述子光脉冲进行相位调制，以在所述两路光脉冲之间形成用于进行相位编码的第三相位差和第四相位差。
根据本发明的一个实施例，所述第一相位差和所述第二相位差基于所述两路子光脉冲在所述不等臂干涉仪的分束器和/或合束器上的相位变化而形成。
根据本发明的一个实施例，所述第三相位差和所述第四相位差基于所述两路子光脉冲在所述不等臂干涉仪的分束器和/或合束器上的相位变化以及由所述相位调制电压引起的相位差而形成。
根据本发明的一个实施例，所述相位编码基于BB84协议。
根据本发明的一个实施例，由所述相位调制电压引起的相位差为π/2。
根据本发明的一个实施例，所述第一相位差、所述第二相位差、所述第三相位差和所述第四相位差分别为π、0、3π/2和π/2。
根据本发明的另一方面，提供一种量子密钥分发系统，所述量子密钥分发系统包括如前所述的用于相位编码的装置。
本发明所提供的用于相位编码的装置、方法和量子密钥分发系统能够有效地避免因相位调制器在四种不同的相位调制电压之间来回反复切换而导致相位调制器所加载的相位调制电压不稳定的问题，从而在很大程度上提升了系统的相位差调制精度和成码率。
附图说明
通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述目的和特点将会变得更加清楚。
图1示出了根据本发明的示例性实施例的用于相位编码的装置的结构示意图。
图2示出了根据本发明的示例性实施例的用于相位编码的装置针对第一光源进行相位编码的脉冲调制示意图。
图3示出了根据本发明的示例性实施例的用于相位编码的装置针对第二光源进行相位编码的脉冲调制示意图。
图4示出了根据本发明的示例性实施例的用于相位编码的方法的流程示意图。
图5A示出了未使用根据本发明的示例性实施例的用于相位编码的装置的相位调制器的相位调制电压的脉冲调制示意图。
图5B示出了使用根据本发明的示例性实施例的用于相位编码的装置的相位调制器的相位调制电压的脉冲调制示意图。
图6示出了根据本发明的示例性实施例的用于相位编码的装置的相位调制器施加不同相位调制电压的示意图。
具体实施方式
下面，将参照附图来详细说明本发明的实施例。
图1示出了根据本发明的示例性实施例的用于相位编码的装置的示意图。
参照图1，根据本发明的示例性实施例的用于相位编码的装置可包括第一光源101、第二光源102、不等臂干涉仪103、相位调制器104以及控制器（未示出），其中，第一光源101可被配置为输出第一路光脉冲；第二光源102可被配置为输出第二路光脉冲；不等臂干涉仪103可被配置为将上述光脉冲分成时间上相邻的两路子光脉冲；相位调制器104可被配置为向两路子光脉冲中的沿着不等臂干涉仪103的长臂L1传输的子光脉冲施加相位调制电压；控制器可被配置为响应于相位调制器104未向沿着不等臂干涉仪103的长臂L1传输的子光脉冲施加相位调制电压而在两路子光脉冲之间形成用于进行相位编码的第一相位差和第二相位差，并且响应于相位调制器104向沿着不等臂干涉仪103的长臂L1传输的子光脉冲施加相位调制电压而对沿着不等臂干涉仪103的长臂L1传输的子光脉冲进行相位调制，以在两路光脉冲之间形成用于进行相位编码的第三相位差和第四相位差。
可以看出，在根据本发明的示例性实施例的用于相位编码的装置中，相位调制器仅需调制一种相位调制电压即可调制出用于在量子通信中进行相位编码的四种相位差。换言之，根据本发明的示例性实施例的用于相位编码的装置能够有效地避免因相位调制器在四种不同的相位调制电压之间来回反复切换而导致相位调制器所加载的相位调制电压不稳定的问题，这样可在很大程度上提升系统的相位差调制精度和成码率。
下面，将详细地描述根据本发明的示例性实施例的用于相位编码的装置进行相位编码的具体实施过程。
在一些示例中，第一相位差和第二相位差可基于两路子光脉冲在不等臂干涉仪103的分束器105和/或合束器106上的相位变化而形成。相应地，第三相位差和第四相位差可基于两路子光脉冲在不等臂干涉仪103的分束器105和/或合束器106上的相位变化以及由相位调制电压引起的相位差而形成。
例如，在图1所示的用于相位编码的装置中，由第一路光脉冲分成的两路子光脉冲中的沿着不等臂干涉仪103的长臂L1传输的子光脉冲的相位可因分束器105和合束器106的反射而增加π，而由第一路光脉冲分成的两路子光脉冲中的沿着不等臂干涉仪103的短臂L2传输的子光脉冲的相位可因分束器105和合束器106的透射而并未发生变化，因此，在相位调制器104未向不等臂干涉仪103的长臂L1施加相位调制电压的情况下，可在这两路子光脉冲之间形成第一相位差π。相应地，在该示例中，在相位调制器104向不等臂干涉仪103的长臂L1施加相位调制电压的情况下，如果由相位调制电压引起的相位差为π/2，则可在这两路子光脉冲之间形成第三相位差3π/2。
类似地，在图1所示的用于相位编码的装置中，由第二路光脉冲分成的两路子光脉冲中的沿着不等臂干涉仪103的长臂L1传输的子光脉冲的相位可因合束器106的反射而增加π/2，而由第二路光脉冲分成的两路子光脉冲中的沿着不等臂干涉仪103的短臂L2传输的子光脉冲的相位可因分束器105的反射而增加π/2，因此，在相位调制器104未向不等臂干涉仪103的长臂L1施加相位调制电压的情况下，可在这两路子光脉冲之间形成第二相位差0。相应地，在该示例中，在相位调制器104向不等臂干涉仪103的长臂L1施加相位调制电压的情况下，如果由相位调制电压引起的相位差为π/2，则可在这两路子光脉冲之间形成第四相位差π/2。
应当理解，尽管上面描述了据本发明的示例性实施例的用于相位编码的装置进行相位编码的示例，但是本发明并不限于此。
下面，将进一步详细地描述根据本发明的示例性实施例的用于相位编码的装置的相位编码的脉冲调制过程。
图2示出了根据本发明的示例性实施例的用于相位编码的装置针对第一光源进行相位编码的脉冲调制示意图。
参照图2，可基于BB84协议针对第一光源101进行以下相位编码的调制。
首先，可由第一光源101输出第一路光脉冲11。
然后，可由不等臂干涉仪103将第一路光脉冲11划分成两路子光脉冲111和112，其中，子光脉冲111可从分束器105进入到不等臂干涉仪103的长臂L1中并且沿着不等臂干涉仪103的长臂L1传输至合束器106，子光脉冲112可从分束器105进入到不等臂干涉仪103的短臂L2中并且沿着不等臂干涉仪103的短臂L2传输至合束器106。在上述传输过程中，子光脉冲111的相位可因分束器105和合束器106的反射而增加π，子光脉冲112的相位可因分束器105和合束器106的透射而并未发生变化。因此，在相位调制器104未向不等臂干涉仪103的长臂L1施加相位调制电压的情况下，可在两路子光脉冲111和112之间形成第一相位差π（即，φ=π）。相应地，在相位调制器104向不等臂干涉仪103的长臂L1施加相位调制电压的情况下，如果由相位调制电压引起的相位差为π/2，则可在两路子光脉冲111和112之间形成第三相位差3π/2（即，φ= 3π/2）。
图3示出了根据本发明的示例性实施例的用于相位编码的装置针对第二光源进行相位编码的脉冲调制示意图。
参照图3，可基于BB84协议针对第二光源102进行以下相位编码的调制。
首先，可由第二光源102输出第二路光脉冲22。
然后，可由不等臂干涉仪103将第二路光脉冲22划分成两路子光脉冲221和222，其中，子光脉冲221从分束器105进入到不等臂干涉仪103的长臂L1中并且沿着不等臂干涉仪103的长臂L1传输至合束器106，子光脉冲222从分束器105进入到不等臂干涉仪103的短臂L2中并且沿着不等臂干涉仪103的短臂L2传输至合束器106。在上述传输过程中，子光脉冲221的相位可因合束器106的反射而增加π/2，子光脉冲222的相位可因分束器105的反射而增加π/2，因此，在相位调制器104未向不等臂干涉仪103的长臂L1施加相位调制电压的情况下，可在这两路子光脉冲之间形成第二相位差0（即，φ= 0）。相应地，在该示例中，在相位调制器104向不等臂干涉仪103的长臂L1施加相位调制电压的情况下，如果由相位调制电压引起的相位差为π/2，则可在这两路子光脉冲之间形成第四相位差π/2（即，φ=π/2）。
应当理解，尽管图2示出了根据本发明的示例性实施例的用于相位编码的装置针对第一光源进行相位编码的脉冲调制示意图，并且图3示出了根据本发明的示例性实施例的用于相位编码的装置针对第二光源进行相位编码的脉冲调制示意图，但是图2和图3所示出的脉冲调制过程仅仅是示意性的，根据随机编码的需求，本发明并不限于此。
图4示出了根据本发明的示例性实施例的用于相位编码的方法的流程示意图。
参照图4，根据本发明的示例性实施例的用于相位编码的方法可包括下述步骤。
在步骤401，可使用第一光源输出第一路光脉冲。
在步骤402，可使用第二光源输出第二路光脉冲。
在步骤403，可使用不等臂干涉仪将步骤401和步骤402输出的光脉冲分成时间上相邻的两路子光脉冲。
在步骤404，可确定相位调制器是否向两路子光脉冲中的沿着不等臂干涉仪的长臂传输的子光脉冲施加相位调制电压。
在步骤405，可响应于相位调制器未向沿着不等臂干涉仪的长臂传输的子光脉冲施加相位调制电压而在两路子光脉冲之间形成用于进行相位编码的第一相位差和第二相位差。
在步骤406，可响应于相位调制器向沿着不等臂干涉仪的长臂传输的子光脉冲施加相位调制电压而对该子光脉冲进行相位调制，以在两路光脉冲之间形成用于进行相位编码的第三相位差和第四相位差。
如前所述，在一些示例中，第一相位差和第二相位差可基于两路子光脉冲在不等臂干涉仪的分束器和/或合束器上的相位变化而形成。相应地，第三相位差和第四相位差可基于两路子光脉冲在不等臂干涉仪的分束器和/或合束器上的相位变化以及由相位调制电压引起的相位差而形成。
如前所述，可基于BB84协议进行上述相位编码。在示例中，可使用对应于π/2的相位调制电压来调制上述第一相位差、第二相位差、第三相位差和第四相位差，第一相位差、第二相位差、第三相位差和第四相位差可分别为π、0、3π/2和π/2。
应当理解，尽管图4示出了根据本发明的示例性实施例的用于相位编码的方法的流程示意图，但是本发明并不限于此，根据随机编码的需要，可随时调整步骤401至步骤406的执行顺序。
图5A示出了未使用根据本发明的示例性实施例的用于相位编码的装置的相位调制器的相位调制电压的脉冲调制示意图。作为对比，图5B示出了使用根据本发明的示例性实施例的用于相位编码的装置的相位调制器的相位调制电压的脉冲调制示意图。
可以看出，在根据本发明的示例性实施例的用于相位编码的装置中，相位调制器仅需调制一种相位调制电压即可调制出用于在量子通信中进行相位编码的四种相位差。因此，根据本发明的示例性实施例的用于相位编码的装置能够有效地避免因相位调制器在四种不同的相位调制电压之间来回反复切换而导致相位调制器所加载的相位调制电压不稳定的问题。
应当理解，尽管上面描述了使用对应于π/2的相位电压来调制第三相位差和第四相位差的示例，但是本发明并不限于此，根据需要，也可使用其他的相位调制电压来调制相位差。
图6示出了根据本发明的示例性实施例的用于相位编码的装置的相位调制器施加不同相位调制电压的示意图。
参照图6，相位调制器104所施加的相位调制电压可包括，但不限于，对应于π/2的相位调制电压、对应于π的相位调制电压以及对应于3π/2的相位调制电压。然而，与对应于π/2的相位调制电压的脉冲波形相比，对应于π的相位调制电压以及对应于3π/2的相位调制电压的脉冲波形的上升沿t1更为陡峭，这会增大相位调制难度。另外，与对应于π/2的相位调制电压的脉冲波形相比，对应于π的相位调制电压以及对应于3π/2的相位调制电压的脉冲波形的平坦区域t2的幅值更高，这会增大相位调制电压驱动电路的输出功率。特别是，在系统处于高速编码的情况，使用对应于π的相位调制电压或对应于3π/2的相位调制电压来调制相位差，将很难满足系统在高速编码下的性能要求。因此，在上述示例中，使用对应于π/2的相位调制电压来调制第三相位差和第四相位差不仅能够降低相位调制难度和相位调制电压驱动电路的输出功率，而且还能够满足系统在高速编码下的性能要求。
因此，还可提供一种包括根据本发明的示例性实施例的用于相位编码的装置的量子密钥分发系统，以提升系统的相位差调制精度和成码率。
尽管已参照优选实施例表示和描述了本申请，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求限定的本申请的精神和范围的情况下，可以对这些实施例进行各种修改和变换。

Claims (13)

1.一种用于相位编码的装置，其特征在于，所述装置包括：
第一光源，被配置为输出第一路光脉冲；
第二光源，被配置为输出第二路光脉冲；
不等臂干涉仪，被配置为将所述光脉冲分成时间上相邻的两路子光脉冲；
相位调制器，被配置为向所述两路子光脉冲中的沿着所述不等臂干涉仪的长臂传输的子光脉冲施加相位调制电压；以及
控制器，被配置为
响应于所述相位调制器未向所述子光脉冲施加相位调制电压而在所述两路子光脉冲之间形成用于进行相位编码的第一相位差和第二相位差，并且
响应于所述相位调制器向所述子光脉冲施加相位调制电压而对所述子光脉冲进行相位调制，以在所述两路光脉冲之间形成用于进行相位编码的第三相位差和第四相位差。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一相位差和所述第二相位差基于所述两路子光脉冲在所述不等臂干涉仪的分束器和/或合束器上的相位变化而形成。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第三相位差和所述第四相位差基于所述两路子光脉冲在所述不等臂干涉仪的分束器和/或合束器上的相位变化以及由所述相位调制电压引起的相位差而形成。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述相位编码基于BB84协议。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，由所述相位调制电压引起的相位差为π/2。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第一相位差、所述第二相位差、所述第三相位差和所述第四相位差分别为π、0、3π/2和π/2。
7.一种用于相位编码的方法，其特征在于，所述方法包括：
使用第一光源输出第一路光脉冲；
使用第二光源输出第二路光脉冲；
使用不等臂干涉仪将所述光脉冲分成时间上相邻的两路子光脉冲；
确定相位调制器是否向所述两路子光脉冲中的沿着所述不等臂干涉仪的长臂传输的子光脉冲施加相位调制电压；
响应于所述相位调制器未向所述子光脉冲施加相位调制电压而在所述两路子光脉冲之间形成用于进行相位编码的第一相位差和第二相位差；
响应于所述相位调制器向所述子光脉冲施加相位调制电压而对所述子光脉冲进行相位调制，以在所述两路光脉冲之间形成用于进行相位编码的第三相位差和第四相位差。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一相位差和所述第二相位差基于所述两路子光脉冲在所述不等臂干涉仪的分束器和/或合束器上的相位变化而形成。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第三相位差和所述第四相位差基于所述两路子光脉冲在所述不等臂干涉仪的分束器和/或合束器上的相位变化以及由所述相位调制电压引起的相位差而形成。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述相位编码基于BB84协议。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，由所述相位调制电压引起的相位差为π/2。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述第一相位差、所述第二相位差、所述第三相位差和所述第四相位差分别为π、0、3π/2和π/2。
13.一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：
权利要求1至6中任意一项所述的用于相位编码的装置。
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