CN113348637A - 具有低损耗色散限制光纤的量子密钥分发系统 - Google Patents
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Abstract
一种量子通信系统，包括量子密钥生成系统，该量子密钥生成系统具有光子量子位发生器、具有长度L的低损耗色散限制光纤(例如大于200km)和光子检测器单元，以及通信网络，该通信网络具有信号发生器、信号信道和信号接收器。低损耗色散限制光纤在光子量子位发生器和光子检测器单元之间延伸，并光学地耦合光子量子位发生器和光子检测器单元。此外，该低损耗色散限制光纤在结构上被配置为限制以约9ps/(nm)km或更小(并且优选地0.5ps/(nm)km或更小)的绝对色散率的色散，并且诱发以约0.175dB/km或更小的衰减率的衰减，使得由该光子量子位发生器输出的多个光子的量子密钥位信息能在光子检测器单元处以至少10Gbit/sec的比特率被接收。
Description
相关申请的交叉引用
本申请根据35U.S.C.§119要求于2018年11月27日提交的美国临时申请序列No.62/771,711的优先权，本申请基于该临时申请的内容并且该临时申请的内容通过引用整体并入本文。
背景技术
本公开涉及具有低损耗色散限制光纤的量子通信系统。更具体地，本公开涉及包括量子密钥生成系统的量子通信系统，该量子密钥生成系统具有使用低损耗色散限制光纤光学地耦合以用于提供增加的量子密钥比特率的部件。
发明内容
根据本公开的一些实施例，一种量子系统包括：
量子密钥系统，所述量子密钥系统包括光子量子位发生器、低损耗色散限制光纤和光子检测器单元；以及
信号接收器；其中：
所述低损耗色散限制光纤在所述光子量子位发生器和所述光子检测器单元之间延伸并且光学地耦合所述光子量子位发生器和所述光子检测器单元，所述低损耗色散限制光纤具有长度L(例如，L在100km与2000km之间，或在200km与1000km之间)；
所述光子量子位发生器在结构上被配置为输出多个光子，所述多个光子中的每个光子包括量子密钥位信息；
所述光子检测器单元在结构上被配置为接收所述多个光子的所述量子密钥位信息；
所述信号接收器通信地耦合到所述光子检测器单元，并且在结构上被配置为在接收到所述信号时将所述一个或多个信号位与所述量子密钥位信息进行比较；以及
低损耗色散限制光纤包括芯和围绕所述芯的包层，并且在结构上被配置为限制具有约1550nm的波长的光子脉冲以约9ps/(nm)km或更小的绝对色散率的色散，并且诱发包括约1550nm的所述波长的光子以约0.175dB/km或更小的衰减率的衰减，使得由所述光子量子位发生器输出的所述多个光子的所述量子密钥位信息能在所述光子检测器单元处以至少10Gbit/sec的比特率被接收。
根据本公开的一些实施例里，一种量子通信系统包括：量子密钥生成系统，该量子密钥生成系统具有光子量子位发生器、低损耗色散限制光纤、以及光子检测器单元、以及通信网络，该通信网络具有信号发生器、信号通道和信号接收器。低损耗色散限制光纤在光子量子位发生器和光子检测器单元之间延伸，并光学地耦合光子量子位发生器和光子检测器单元。所述光子量子位发生器在结构上被配置为输出多个光子，所述多个光子中的每个光子包括量子密钥位信息。光子检测器单元在结构上被配置为接收该多个光子的量子密钥位信息。所述信号通道在所述信号发生器和所述信号接收器之间延伸并通信地耦合所述信号发生器和所述信号接收器。所述信号发生器在结构上被配置为输出包括一个或多个信号位的信号。信号接收器通信地耦合到光子检测器单元，并且在结构上被配置为在接收到信号时将该一个或多个信号位与量子密钥位信息进行比较。此外，该低损耗色散限制光纤具有长度L>200km，并且包括芯和围绕该芯的包层。低损耗色散限制光纤在结构上被配置为限制包括约1550nm的波长的光子以约9ps/(nm)km或更小的绝对色散率的色散，并且诱发具有约1550nm的所述波长的光子脉冲以约0.175dB/km或更小的衰减率的衰减，使得由所述光子量子位发生器输出的多个光子的量子密钥位信息能在所述光子检测器单元处以至少约10Gbit/sec的比特率被接收。根据一些实施例，量子密钥生成系统的速率的密钥速率至少为10kbit/sec。
根据一些实施例，该低损耗色散限制光纤在结构上配置为限制包括约1550nm波长的光子以约9ps/(nm)km(即，9ps/nm·km或9皮秒/nm/km)或更小的绝对色散率的色散，并且诱发包括约1550nm波长的光子以0.12dB/km与0.175dB/km之间的衰减率的衰减。
根据本公开的一个实施例，量子通信系统进一步包括激光器和光学地耦合到所述激光器的光谱滤波器，所述光谱滤波器是具有0.2nm到0.5nm的带通宽度的带通滤波器。
根据一个实施例，低损耗色散限制光纤具有芯和围绕该芯的包层，并且在结构上被配置为限制包括约1550nm的波长的光子以约5ps/(nm)km(也称为5ps/nm·km)或更小的绝对色散率的色散。
根据一个实施例，低损耗色散限制光纤具有芯和围绕该芯的包层，并且在结构上被配置为限制具有约1550nm的波长的光子以约5ps/(nm)km(也称为5ps/nm·km)或更小的绝对色散率的色散，并且量子通信系统不包括光学地耦合到激光器或光子发生器的光谱滤波器。根据一些实施例，量子通信系统不包括位于光子量子位发生器内的光谱滤波器。
根据一个实施例，不存在位于光子量子位发生器和耦合到低损耗光学低色散光纤的光子检测器单元之间的光传输光纤。根据一个实施例，量子通信系统进一步包括强度调制器和分束器，使得不存在位于强度调制器和分束器之间的光学传输。
根据本公开的一个实施例，量子密钥生成系统包括低损耗色散限制光纤，该低损耗色散限制光纤在光子量子位发生器和光子检测器单元之间延伸，并光学地耦合光子量子位发生器和光子检测器单元。低损耗色散限制光纤包括芯和围绕所述芯的包层，并且在结构上被配置为限制包括约1550nm的波长的光子以约9ps/(nm)km或更小的绝对色散率的色散，并且诱发包括约1550nm的所述波长的光子以约0.175dB/km或更小的衰减率的衰减，使得由所述光子量子位发生器输出的所述多个光子的所述量子密钥位信息能在所述光子检测器单元处以至少约10Gbit/sec的比特率被接收。
根据本公开的一个实施例，量子密钥生成系统包括低损耗色散限制光纤，该低损耗色散限制光纤在光子量子位发生器和光子检测器单元之间延伸，并光学地耦合光子量子位发生器和光子检测器单元。低损耗色散限制光纤包括芯和围绕所述芯的包层，并且在结构上被配置为限制包括约1550nm的波长的光子以约10ps/(nm)km或更小的绝对色散率的色散，并且诱发包括约1550nm的所述波长的光子以约0.175dB/km或更小的衰减率的衰减，使得由所述光子量子位发生器输出的所述多个光子的所述量子密钥位信息能在所述光子检测器单元处以至少约10Gbit/sec的比特率被接收。
根据一些实施例，低损耗色散限制光纤包括芯和围绕所述芯的包层，并且在结构上被配置为限制包括约1550nm的波长的光子以约5ps/(nm)km(即，5ps/nm·km)或更小的绝对色散率的色散，并且诱发包括约1550nm的所述波长的光子以约0.175dB/km或更小的衰减率的衰减，使得由所述光子量子位发生器输出的所述多个光子的所述量子密钥位信息能在所述光子检测器单元处以至少约10Gbit/sec(例如，至少25Gbit/sec或50Gbit/sec)的比特率被接收。根据一些实施例，该低损耗色散限制光纤在结构上配置为限制包括约1550nm波长的光子以约5ps/(nm)km或更小的绝对色散率的色散，并且诱发包括约1550nm波长的光子以0.12dB/km与0.175dB/km之间的衰减率的衰减。
附图说明
本公开的特定实施例的以下具体实施方式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所示和所述的一个或多个实施例的包括量子密钥生成系统和通信网络的量子通信系统；
图2示意性地描绘了根据本文所示和所述的一个或多个实施例的光子脉冲对；
图3A示意性地描绘了根据本文所示和所述的一个或多个实施例的图1的低损耗色散限制光纤的实施例的横截面视图；
图3B图形性地描绘了根据本文所示和所述的一个或多个实施例的作为图3A的低损耗色散限制光纤的半径的函数的折射率；
图4A示意性地描绘了根据本文所示和所述的一个或多个实施例的图1的低损耗色散限制光纤的另一个实施例的横截面视图；
图4B图形性地描绘了根据本文所示和所述的一个或多个实施例的作为图4A的低损耗色散限制光纤的半径的函数的折射率；
具体实施方式
现在参考图1，示意性地描绘了包括量子密钥生成系统101和通信网络190的量子通信系统100。量子密钥生成系统101包括光子量子位发生器120、光子检测器单元140、以及色散限制光纤151，该色散限制光纤151在光子量子位发生器120和光子检测器单元140之间延伸并光学地耦合光子量子位发生器120和光子检测器单元140。光子量子位发生器120可以在结构上被配置为提供具有任何波长λ(例如，在约800nm到约1800nm之间，例如约1550nm)的光子。类似地，检测器单元140可以在结构上被配置为检测由光子量子位发生器120提供的光子，例如具有波长λ(在约800nm到约1800nm之间，例如约1550nm)的光子。
通信网络190包括信号发生器192、信号接收器194、以及信号信道195，该信号信道195在信号发生器192和信号接收器194之间延伸并通信地耦合信号发生器192和信号接收器194。此外，信号接收器194通信地耦合到光子检测器单元140，从而将量子密钥生成系统101通信地耦合到通信网络190。
仍然参考图1，量子密钥生成系统101的光子量子位发生器120在结构上被配置为输出多个光子，每个光子包括量子密钥位，并且光子检测器单元140在结构上被配置为在接收到由光子量子位发生器120提供的该多个光子中的至少一个时确定量子密钥位信息。量子密钥位信息可以包括密码密钥，该密码密钥可以被用于对使用通信网络190传输的加密消息进行解码。此外，通信网络190的信号发生器192在结构上被配置为输出包括一个或多个信号位的信号，该一个或多个信号位可以包括加密消息的部分，并且信号接收器194在结构上被配置为在接收到信号时将该一个或多个信号位与量子密钥位信息进行比较，例如，以使用包括量子密钥位信息的密码密钥对加密消息进行解码。在图1的实施例中的所利用的协议基于具有诱骗态(decoy state)方法的“时间-元(time-bin)”编码。也可以利用其他协议(例如，双场(twin-field)QKD)。示例性量子密钥分发(QKD)实现方式可以利用3个或更多个量子态。例如，许多量子密钥分发(QKD)实现方式利用4个BB84(量子)态。还可以利用其他实现方式。
在操作中，包括量子密钥位的该多个光子可以穿过位于光子量子位发生器120和光子检测器单元140之间的低损耗色散限制光纤151。低损耗色散限制光纤151在结构上被配置为控制穿过低损耗色散限制光纤151的多个光子的色散，使得穿过低损耗色散限制光纤151的该多个光子中的每个光子的时间脉冲宽度小于相邻光子之间的脉冲间隔距离。如本文所使用的，“时间脉冲宽度”是每个光子脉冲的峰值强度的半峰全宽(FWHM)。此外，如本文所使用的，“脉冲间隔距离”是相邻光子脉冲的脉冲中心之间的距离，其中脉冲中心对应于每个光子脉冲的峰值强度。例如，在一些实施例中，低损耗色散限制光纤151可以在结构上被配置为将每个光子脉冲的时间脉冲宽度的加宽最小化以防止重叠相邻光子脉冲。
现在参考图2，示意性地描绘了第一光子脉冲102的时间脉冲宽度WP1和第二光子脉冲104的时间脉冲宽度WP2。第一光子脉冲102和第二光子脉冲104是由光子量子位发生器120输出的示例光子，第一光子脉冲102和第二光子脉冲104相邻地定位并且沿低损耗色散限制光纤151传播。第一光子脉冲102包括与第一光子脉冲102的峰值强度相对应的脉冲中心103，第二光子脉冲104包括与第二光子脉冲104的峰值强度相对应的脉冲中心105。此外，第一光子脉冲102的脉冲中心103与第二光子脉冲104的脉冲中心105间隔脉冲间隔距离DP。如图2所示，第一光子脉冲102和第二光子脉冲104之间的脉冲间隔距离大于每个光子脉冲102、104的时间脉冲半宽度的和(即DP>(WP1+WP2)/2)，使得第一和第二光子脉冲102、104不重叠。例如，如图2所示，第一光子脉冲102和第二光子脉冲104之间的脉冲间隔距离大于每个光子脉冲102、104的时间脉冲宽度WP1、WP2，使得第一和第二光子脉冲102、104不重叠。作为非限制性示例，时间脉冲宽度可以为从约20ps到约200ps，例如，约30ps、40ps、50ps、60ps、70ps、80ps、90ps、100ps、110ps、120ps、125ps、130ps、140ps、150ps、160ps、170ps、180ps、190ps等。
现在参考图3A-4B，更详细地描绘了低损耗色散限制光纤151。图3A和图4A分别描绘了图1的低损耗色散限制光纤151的实施例沿线A-A的横截面。特别地，图3A描绘了低损耗色散限制光纤151'，低损耗色散限制光纤151'包括芯152和围绕芯152的包层154。图4A描绘了低损耗色散限制光纤151”，低损耗色散限制光纤151”同样包括芯152和围绕芯152的包层154，并且进一步包括设置在包层154内的包层环155，包层环155将包层154分隔成第一包层部分154a和第二包层部分154b，第一包层部分154a位于包层环155和芯152之间。此外，图3B和图4B分别描绘了作为图3A和图3B的低损耗色散限制光纤151'和151”的半径的函数的折射率的曲线图。
再次参考图3A和图4A，纤芯152可以包括二氧化硅玻璃、聚合物等，并且可以掺杂有钾(K)、氯(Cl)、氟(F)或它们的组合。虽然不旨在受理论的限制，但是使芯152掺杂可以降低芯152的粘度和假想温度(fictive temperature)。纤包层154包括外包层表面156并且可以包括纯二氧化硅、F掺杂二氧化硅、F(氟)/B(硼)共掺杂二氧化硅、低折射率聚合物等。给包层154掺杂F可以降低包层154的折射率。此外，包层154包括比芯152更低的折射率以促进传播通过低损耗色散限制光纤151的多个光子的全内反射。
在图3A和图4A所描绘的实施例中，低损耗色散限制光纤151'、151”包括单个芯152，然而在其他实施例中，低损耗色散限制光纤151'、151”可以包括多个芯。在包括多个芯的实施例中，多个芯可以是自旋的，并且低损耗色散限制光纤151可以包括任何自旋配置，诸如单向自旋配置、双向自旋配置等。此外，在一些实施例中，低损耗色散限制光纤151'，151”可以包括阶跃折射率分布、抛物线折射率分布、渐变折射率分布、三角形折射率分布等。
再次参考图3A和图3B，低损耗色散限制光纤151'的芯152可以包括从约1.5μm到约5μm(例如，2μm到约4μm、2.2μm到约3μm等)的半径R芯。例如，2.23μm、2.28μm、2.3μm、2.35μm、2.4μm、2.45μm、2.5μm、2.55μm、2.58μm、2.6μm、2.65μm、2.7μm、2.75μm、2.8μm、2.85μm、2.9μm、2.95μm等。低损耗色散限制光纤151'的芯152包括折射率n1和相对折射率Δ1(这是相对于纯二氧化硅的折射率ns并且标示纯二氧化硅和芯152之间的折射率变化)。相对折射率Δ1包括(n1-ns)/ns。如上所述，芯152可以是纯二氧化硅玻璃或掺杂有Cl、或K或F的玻璃以降低损耗。作为非限制性示例，相对折射率Δ1可以为从约-0.1到约0.2等，例如，-0.1、-0.05、0、0.05、0.1、0.15等。包层154包括折射率n2和相对折射率Δ2(这是相对于纯二氧化硅的折射率ns并且标示纯二氧化硅和芯152之间的折射率变化)。相对折射率Δ2包括(n2-ns)/ns。此外，n2<n1，Δ2<Δ1。作为非限制性示例，相对折射率Δ2可以为从约-0.4到约-0.7等，例如，-0.45、-0.5、-0.55、-0.6、-0.65等。
此外，低损耗色散限制光纤151'包括芯152和包层154之间的相对折射率Δ,该相对折射率Δ从约0.3到约0.8,其中Δ＝Δ1-Δ2。作为非限制性示例，相对折射率Δ可以为从约0.4到约0.7，0.5到约0.65等，例如，0.35、0.4、0.45、0.5、0.55、0.6、0.65、0.7、0.75等。此外，在芯152、包层154或两者中包括掺杂剂(例如，上掺杂剂或下掺杂剂)可以改变芯152和包层154之间的相对折射率，即，改变折射率变化Δ。如本文所使用的，“上掺杂剂”是相对于纯未掺杂SiO2具有提高折射率倾向的掺杂剂，“下掺杂剂”是相对于纯未掺杂SiO2具有降低折射率倾向的掺杂剂。
仍然参考图3A和图3B，低损耗色散限制光纤151'可以包括约1200nm或更小的截止波长，例如1151nm、1100nm、1050nm、1031nm、1025nm、1000nm、975nm、973nm、950nm、929nm、925nm、915nm、911nm、909nm、905nm、900nm、875nm、850nm、825nm、800nm等。虽然不旨在受理论的限制，但是截止波长为一种波长，在该波长之上不再在芯152内支持被引导的更高阶模并且芯152成为仅支持基模的单模纤芯。在操作中，当包括约1550nm的波长的一个或多个光子沿低损耗色散限制光纤151'传播时，低损耗色散限制光纤151'诱发模场直径MFD为从约6.5μm到约10μm，例如，约7μm到约9.5μm、7.5μm到约9.0μm、7μm到约8.5μm等，诸如6μm、6.5μm、7μm、7.5μm、8μm、8.5μm、9μm、9.5μm、10μm等。虽然不旨在受理论的限制，但模场直径MFD是低损耗色散限制光纤151'的芯152的基模的光学强度分布的横向范围。
此外，当包括约1550nm的波长的一个或多个光子沿低损耗色散限制光纤151'传播时，低损耗色散限制光纤151'诱发有效面积为从约30μm2到约70μm2，例如，约35μm2到约60μm2、约40μm2到约55μm2、约45μm2到约50μm2等，诸如30μm2、35μm2、40μm2、45μm2、50μm2、55μm2、60μm2、65μm2、70μm2、75μm2、80μm2等。虽然不旨在受理论的限制，但有效面积是横截面面积，在该横截面面积上沿低损耗色散限制光纤151'传播的光的基模的电场能量在芯152内分发。例如，单模光纤的有效面积与芯152可以承载而不会诱发非线性型信号损失的最大能量有关。
仍然参考图3A和图3B，当包括约1550nm的波长的一个或多个光子沿低损耗色散限制光纤151'传播时，低损耗色散限制光纤151'限制一个或多个光子的色散的绝对色散率不大于9ps/(nm)km，例如，约8.6ps/(nm)km或更小、8.5ps/(nm)km或更小、8ps/(nm)km或更小、7.5ps/(nm)km或更小、7ps/(nm)km或更小、6.5ps/(nm)km或更小、6ps/(nm)km或更小、5.7ps/(nm)km或更小、5.5ps/(nm)km或更小、5ps/(nm)km或更小、4.5ps/(nm)km或更小、4.5ps/(nm)km或更小、4ps/(nm)km或更小、3.6ps/(nm)km或更小、3.5ps/(nm)km或更小、3ps/(nm)km或更小、2.5ps/(nm)km或更小、2ps/(nm)km或更小、1.5ps/(nm)km或更小、1.1ps/(nm)km、1ps/(nm)km或更小、0.5ps/(nm)km或更小、0.1ps/(nm)km或更小等。虽然不旨在受理论的限制，绝对色散率是光子脉冲从脉冲中心103(图2)朝外扩散的速率，例如，光子脉冲的时间脉冲宽度的增加的速率。
此外，当包括约1550nm的波长的一个或多个光子沿低损耗色散限制光纤151'传播时，低损耗色散限制光纤151'诱发色散斜率为从约0.05ps/(nm2)km(即，0.05ps/nm2。km)到约0.055ps/(nm2)km，例如，约0.051ps/(nm2)km到约0.054ps/(nm2)km，诸如约0.0515ps/(nm2)km、0.0516ps/(nm2)km、0.0518ps/(nm2)km、0.052ps/(nm2)km、0.0521ps/(nm2)km、0.0525ps/(nm2)km、0.053ps/(nm2)km、0.0535ps/(nm2)km、0.0538ps/(nm2)km等。虽然不旨在受理论的限制，但色散斜率是绝对色散率随波长变化的速率。对于在宽波长窗口上的平坦色散，可能期望较小的色散斜率。此外，当包括约1550nm的波长的一个或多个光子沿低损耗色散限制光纤151'传播时，低损耗色散限制光纤151'诱发衰减率为约0.175dB/km或更小，例如，约0.17dB/km或更小、约0.165dB/km或更小、诸如约0.16dB/km、0.155dB/km、0.15dB/km、0.14dB/km、0.13dB/km、0.12dB/km等。虽然不旨在受理论的限制，但是衰减率是沿低损耗色散限制光纤151'传播的多个光子的强度损失(例如，光子损失)率。
下面的表1和表2分别列出了图3A和图3B的低损耗色散限制光纤151'的示例的属性。
表1：
表2：
现在参考图4A和图4B，示意性地描绘了(图4A)并图形地描绘了(图4B)低损耗色散限制光纤151”，低损耗色散限制光纤151”包括被设置在包层154内的包层环155，包层环155位于第一包层部分154a和第二包层部分154b之间。低损耗色散限制光纤151”的芯152可以包括半径R芯为从约1.5μm到约5μm，例如，2μm到约4μm、2.2μm到约3μm、2.2μm到约2.8μm等，例如，2.23μm、2.28μm、2.3μm、2.35μm、2.4μm、2.45μm、2.5μm、2.55μm、2.58μm、2.6μm、2.65μm、2.7μm、2.75μm、2.8μm、2.85μm、2.9μm、2.95μm等。低损耗色散限制光纤151”的第一包层部分154a包括从第一包层部分154a和包层环155的界面开始测量的半径R包层，半径R包层为从约3μm到约12μm，例如约4μm到约10μm、4.5μm到8.8μm等，诸如3μm、4μm、4.5μm、5μm、6μm、7μm、8μm、8.8μm、9μm、10μm、11μm、12μm等。仍然参考图4A和图4B，低损耗色散限制光纤151”的包层环155包括从包层环155和第二包层部分154b的界面开始测量的半径R环，半径R环为从约7μm到约13μm，例如，8μm到约12μm，以及约9μm到约11.5μm等，诸如，7μm、7.5um、8μm、8.5μm、9μm、9.5μm、10μm、10.5μm、11μm、11.4μm、11.5μm、12μm、12.5μm、13μm等。
仍然参考图4A和图4B，低损耗色散限制光纤151”的芯152包括折射率n1和相对折射率Δ1(这是相对于纯二氧化硅的折射率ns并且标示纯二氧化硅和芯152之间的折射率变化)。相对折射率Δ1包括(n1-ns)/ns。第一包层部分154a包括折射率n2和相对折射率Δ2(这是相对于纯二氧化硅的折射率ns并且标示纯二氧化硅和第一包层部分154a之间的折射率变化)。相对折射率Δ2包括(n2-ns)/ns。包层环155包括折射率n3和相对折射率Δ3(这是相对于纯二氧化硅的折射率ns并且标示纯二氧化硅和包层环155之间的折射率变化)。相对折射率Δ3包括(n3-ns)/ns。第二包层部分154b包括折射率n4和相对折射率Δ4(这是相对于纯二氧化硅的折射率ns并且标示纯二氧化硅和第二包层部分154a之间的折射率变化)。相对折射率Δ4包括(n4-ns)/ns。
此外，n1>n3>n4>n2并且Δ1>Δ3>Δ4>Δ2。如上所述，芯152可以是纯二氧化硅玻璃或掺杂有Cl、或K或F的玻璃以降低损耗。作为非限制性示例，相对折射率Δ1可以为从约-0.1到约0.2，例如，-0.1、-0.05、0、0.05、0.1、0.15等。第一包层部分154a、包层环155和第二包层部分154b可以各自包括掺杂有F的玻璃(例如，二氧化硅玻璃)用于降低它们各自的折射率。作为非限制性示例，相对折射率Δ2可以为从约-0.2到约-0.7等，例如，-0.25、0.3、0.35、-0.45、-0.5、-0.55、-0.6、-0.65等。作为非限制性示例，相对折射率Δ3可以为从约-0.1到约-0.5等，例如，-0.15、-0.2、-0.25、-0.3、-0.35、-0.4、-0.45等。作为非限制性示例，相对折射率Δ4可以为从约-0.2到约-0.6等，例如，-0.25、0.3、0.35、-0.45、-0.5、-0.55、-0.6等。
低损耗色散限制光纤151”包括芯152和第一包层部分154a之间的折射率变化Δ',该折射率变化Δ'为从约0.2到约0.6,其中Δ'＝Δ1-Δ2。在一些实施例中，折射率变化Δ'可以为从约0.4到约0.5，例如，0.25、0.3、0.35、0.4、0.41、0.43、0.45、0.47、0.49、5、5.5等。低损耗色散限制光纤151”还包括第一包层部分154a和包层环155之间的折射率变化Δ”，该折射率变化Δ”为从约0到约0.2(即，包层环155的折射率可以高于第一包层部分154a的折射率)，其中Δ”＝Δ3-Δ2。在一些实施例中，折射率变化Δ”可以为约0.02、0.05、0.1、0.12、0.15、0.18等。此外，低损耗色散限制光纤151”包括第一包层部分154a和第二包层部分154b之间的折射率变化Δ”'，该折射率变化Δ”'为从约0到约0.1(即，第二包层部分154b的折射率可以高于第一包层部分154a的折射率)，其中Δ”'＝Δ4-Δ2。在一些实施例中，折射率变化Δ”'可以为约-0.02、-0.04、-0.05、-0.1等。
低损耗色散限制光纤151”可以包括约1600nm或更小、1500nm或更小、1350nm或更小等的截止波长，例如，1550nm、1516nm、1500nm、1464nm、1450nm、1403nm、1400nm、1384nm、1350nm、1300nm、1250nm、1200nm、11150nm、1100nm、1050nm、1000nm、950nm、900nm、850nm、800nm等。此外，当包括约1550nm的波长的一个或多个光子沿低损耗色散限制光纤151”传播时，低损耗色散限制光纤151”诱发包括约1550nm的波长的光子的模场直径为从约8μm到约12μm，例如，约9μm到约11μm、9.5μm到约10.5μm等，诸如8μm、8.5μm、9μm、9.5μm、9.9μm、10μm、10.1μm、10.2μm、10.5μm、11μm、11.5μm、12μm等。
此外，在一些实施例中，当包括约1550nm的波长的一个或多个光子沿低损耗色散限制光纤151”传播时，低损耗色散限制光纤151”诱发有效面积为从约50μm2到约100μm2、60μm2到约90μm2、70μm2到约80μm2等，诸如50μm2、55μm2、60μm2、65μm2、70μm2、73.5μm2、74.3μm2、75μm2、76.8μm2、78.7μm2、80μm2、85μm2、90μm2、95μm2、100μm2等。此外，当包括约1550nm的波长的一个或多个光子沿低损耗色散限制光纤151”传播时，低损耗色散限制光纤151”诱发绝对色散率为约9ps/(nm)km或更小的色散，例如，约8.6ps/(nm)km或更小、8.5ps/(nm)km或更小、8ps/(nm)km或更小、7.5ps/(nm)km或更小、7ps/(nm)km或更小、6.5ps/(nm)km或更小、6ps/(nm)km或更小、5.7ps/(nm)km或更小、5.5ps/(nm)km或更小、5ps/(nm)km或更小、4.5ps/(nm)km或更小、4.5ps/(nm)km或更小、4ps/(nm)km或更小、3.8ps/(nm)km或更小、3.6ps/(nm)km或更小、3.5ps/(nm)km或更小、3ps/(nm)km或更小、2.5ps/(nm)km或更小、2ps/(nm)km或更小、1.5ps/(nm)km或更小、1.1ps/(nm)km、1ps/(nm)km或更小、0.5ps/(nm)km或更小、0.1ps/(nm)km或更小等。
在一些实施例中，当包括约1550nm的波长的一个或多个光子沿低损耗色散限制光纤151”传播时，低损耗色散限制光纤151”诱发色散斜率为从约0.05ps/(nm2)km到约0.1ps/(nm2)km、0.055ps/(nm2)km到约0.085ps/(nm2)km等的色散，诸如约0.0525ps/(nm2)km、0.055ps/(nm2)km、0.0564ps/(nm2)km、0.0575ps/(nm2)km、0.06ps/(nm2)km、0.0625ps/(nm2)km、0.0645ps/(nm2)km、0.065ps/(nm2)km、0.0675ps/(nm2)km、0.0676ps/(nm2)km、0.07ps/(nm2)km、0.0725ps/(nm2)km、0.075ps/(nm2)km、0.0775ps/(nm2)km、0.08ps/(nm2)km、0.0825ps/(nm2)km、0.0834ps/(nm2)km、0.085ps/(nm2)km等。
此外，当包括约1550nm的波长的一个或多个光子沿低损耗色散限制光纤151”传播时，低损耗色散限制光纤151”诱发衰减率为约0.175dB/km或更小的衰减，例如，约0.17dB/km或更小、约0.165dB/km或更小、诸如约0.16dB/km、0.155dB/km、0.15dB/km、0.14dB/km、0.13dB/km、0.12dB/km等。
下面的表3列出了示例低损耗色散限制光纤151”的属性。
表3：
参考图1，量子通信系统100的量子密钥生成系统101被配置为在没有光子纠缠的情况下传播量子密钥位信息，并且包括光子量子位发生器120，该光子量子位发生器120使用如上所述的低损耗色散限制光纤151中的一个或多个光学地耦合到光子检测器单元140。合并低损耗色散限制光纤151可以增加量子密钥生成系统101的量子密钥比特率，因为低损耗色散限制光纤151诱发传播通过低损耗色散限制光纤151的光子的低绝对色散率和低衰减率。
(多个)低损耗色散限制光纤151不需要色散补偿。根据一个实施例，不存在位于光子量子位发生器和光子检测器单元之间的色散补偿光纤(例如，不存在耦合到低损耗色散限制光纤的色散补偿光纤)。根据一个实施例，在强度调制器(IM)124、124’和分束器174之间不存在色散补偿光纤。
此外，如图1所示，在该实施例中，光子量子位发生器120和光子检测器单元140之间不存在单模光传输光纤(诸如，可从康宁纽约的康宁公司获得的
光纤或
超光纤)。因此，(多个)低损耗色散限制光纤151不耦合到典型的单模传输光纤，因此不预补偿由此类传输光纤引入量子信道的色散。即，如图1所示的实施例中所示的(多个)损耗色散限制光纤151不需要耦合到单模光传输光纤，并且不用于为这此类光传输光纤提供色散补偿。图1的实施例(多个)低损耗色散限制光纤151用于典型单模传输光纤(诸如
)的leu中，将非常低的色散水平引入量子密钥生成系统，因此不需要耦合到色散补偿光纤以便补偿由(多个)光纤151诱发的色散损耗。
例如，如图1所示，不存在位于光子量子位发生器120和光子检测器单元140之间的光传输光纤(诸如，
光纤或
超光纤)。同样，例如，如图1所示，在强度调制器(IM)124、124’和分束器174之间不存在光传输光纤(例如，
光纤或
超光纤)。根据一个实施例，不存在位于光子量子位发生器120和耦合到低损耗光学低色散光纤的光子检测器单元140之间的光传输光纤。根据一个实施例，量子通信系统进一步包括强度调制器和分束器，使得不存在位于强度调制器和分束器之间光传输光纤。
典型的光传输单模光纤在1550nm波长附近具有(或产生)至少18ps/(nm)km的色散。典型的低损耗单模传输光纤甚至具有更大的色散。根据一个实施例，低损耗色散限制光纤151不耦合到：
(i)单模光传输光纤(通过VA 158)，该单模光纤具有至少18ps/(nm)km的色散；和/或
(ii)单模光传输光纤，该单模光传输光纤在约1550nm的波长处诱发0.185dB/km或更大的衰减。
量子密钥生成系统101的光子量子位发生器120可以包括光子发生器122，光子发生器122包括光学地耦合到强度调制器(IM)124的激光器122A。光子量子位发生器120的激光器122A可以被配置为以高(原始数据)比特率输出大量光子。光子发生器122可以包括光学地耦合到可选非线性晶体122B的激光器122A。此外，光子发生器122可以在结构上被配置为提供具有任意波长λ(例如，在约800nm与约1800nm之间、例如在约1530nm与约1565nm之间、约1545nm与约1555nm、或约1550nm)的光子。量子密钥生成系统101的光子检测器单元140可以包括一个或多个单光子检测器140A、140B，诸如例如，一个或多个单光子检测器SPDD(例如，(多个)超导纳米线单光子检测器)、碳纳米线检测器等。在操作中，量子密钥生成系统101可以执行任何已知的或尚未开发的基于非纠缠的量子通信协议，诸如BB84协议、E91协议等。
仍然参考图1，量子密钥生成系统101可以进一步包括光学地耦合到光子位发生器120的衰减器158，例如，位于光子量子密钥位发生器120和光子检测器单元140之间并且光学地耦合到光子量子密钥位发生器120和光子检测器单元140。衰减器158在结构上被配置为衰减由光子量子位发生器120输出的多个光子(即，光子脉冲)的子集。
如图1所示，量子密钥生成系统101可以进一步包括光学地耦合到激光器122A的可选光谱滤波器180。可选光谱滤波器180在由激光器122A生成的光子脉冲耦合到低损耗色散限制光纤151之前减小其光谱宽度，使量子通信系统100在低损耗色散限制光纤151内传播时对色散(脉冲加宽和/或脉冲之间的重叠)不那么敏感。光谱滤波器180可以是例如，具有0.2nm到0.5nm的窄带通(光谱)宽度的带通滤波器。例如，光谱滤波器180可以是0.2nm、0.25nm、0.275nm、0.3nm、0.4nm或0.5nm带通滤波器。光子量子密钥发生器120还可以包括干涉仪，例如，迈克尔逊(Michelsen)干涉仪132。迈克尔逊干涉仪132包括两个法拉第(Faraday)反射镜(FM)132A、132B，并将由激光器122A提供的每个输入光子脉冲分束为两个相邻光子脉冲(每个相邻光子脉冲包含多个光子)。在一些实施例中，迈克尔逊干涉仪可以将由激光器122A提供的每个光子脉冲分束为由25ps到1000ps的时域(时间)差分隔的光子脉冲对，例如50ps到500ps、30ps到100ps、50ps到500ps、100ps到500ps、50ps到250ps、50ps到150ps(例如，30ps、40ps、50ps、60ps、70ps、75ps、100ps或150ps，或200ps、250ps、或300ps、或400ps、或500ps，或介于两者之间)。在一些实施例中，由迈克尔逊干涉仪提供的光子脉冲对被50ps到100ps的时域(时间)差分开。
根据一个实施例，低损耗色散限制光纤具有芯和围绕芯的包层，并且在结构上被配置为限制具有约1550nm的波长的光子脉冲以约5ps/(nm)km(即，5ps/nm·km)或更小(例如1ps/(nm)km-5ps/(nm)km)的绝对色散率的色散，并且量子通信系统100不包括可选光谱滤波器180。例如，根据一个实施例，低损耗色散限制光纤在结构上被配置为限制具有约1550nm的波长的光子脉冲以约5ps/(nm)km(也称为5ps/nm·km)或更小的绝对色散率的色散，并且量子通信系统不包括光学地耦合到激光器或光子发生器的光谱滤波器。又例如，根据一些实施例，量子通信系统不包括位于光子量子位发生器内的光谱滤波器。
在图1所示的量子通信系统100的实施例中，为了提供安全通信并且使得潜在的相干攻击无效，所有光子脉冲具有随机相对相位。这可以例如，通过使用相位随机化激光器来实现。例如，在该实施例中，激光器122A是以2.5GHz脉冲的相位随机化激光器。例如，可以通过在脉冲之间切换激光电流来实现相位随机。然而，激光脉冲速率可以例如，在1.5GHz和25GHz之间(例如，在1.5GHz和10GHz之间、或在2GHz和10GHz之间、或在2GHz和5GHz之间)。还可以采用用于将相对脉冲速率随机化的其他技术。也可以利用提供脉冲相位随机化的其他方法。
对光子脉冲多量子态进行编码的一种方法是使用强度调制器IM 124。在一些实施例中，量子位态(即，光子脉冲的量子位状态或量子态)和脉冲幅度由FPGA 202(场可编程门阵列或类似设备)随机选择，例如通过使用伪随机数发生器。替代地，可以利用ASIC、PSoC(可编程片上系统)或其他类似设备来代替FPGA 202。因此，在此类实施例中，IM 124由FPGA、ASIC、PSoc或其他类似设备控制。因此，FPGA或类似设备控制由IM 124产生的振幅变化。FPGA ASIC、PSoC或其他类似设备可以位于例如，服务信道200中。
例如，FPGA 202向数模转换器DAC 203提供非常高速(非常快的速率)的输出。来自FPGA 202的多个输出(例如，三个或四个)链接到DAC 203，DAC 203生成驱动强度调制器IM124的脉冲(例如，射频)。可选放大器201(例如，RF信号放大器)位于强度调制器124和DAC203之间，并且将由DAC提供给IM 124的脉冲放大。例如，可以使用图1所示的(多个)强度调制器IM 124对三种态进行编码。相位编码的其他实现方式，例如具有(多种)诱骗态，除了强度调制器之外，还可能需要相位调制器(未示出)。强度调制器IM 124，例如铌酸锂(LiNbO3)强度调制器，对离开干涉仪的脉冲的强度进行调制，然后将经调制的脉冲提供给光衰减器158(例如，可变衰减器VA)。
强度调制器IM 124接收由迈克尔逊干涉仪提供的经分隔的光子脉冲102、104，根据从DAC 203接收到的信号来衰减它们的强度，然后耦合经衰减的经分隔的光子脉冲102'、104'经由光衰减器158连接到低损耗色散限制光纤151。当强度调制器124控制脉冲的强度以便向可变衰减器158提供所需的脉冲幅度时，离开IM 124的每个脉冲功率对应于由多个光子(即，数百个甚至数千个光子)提供的脉冲功率。然后，光衰减器158将光子脉冲的功率限制到期望的均值光子数(例如，到单个光子水平)。
更具体地，提供给激光器122a的光子脉冲传送通过可选光谱滤波器，然后通过迈克尔逊干涉仪132。迈克尔逊干涉仪132可以是非平衡光纤迈克尔逊干涉仪(例如，具有两个臂A、B的干涉仪，该两个臂A、B具有不等路径长度)，其将每个光子脉冲分束为彼此相干的两个相邻光子脉冲P1、P2并且在两个相邻光子脉冲之间引入延迟(时间间隔)。(迈克尔逊干涉仪从单个输入脉冲产生在时间上分隔开由两个臂之间的光程差除以光速的一对脉冲102、104)。脉冲102、104之间的时间间隔取决于干涉仪132的两个臂A、B之间的长度差。在图1所示的实施例中，干涉仪臂中的一个被配备有压电光纤拉伸器135，其在结构上用于调整干涉仪相位。该调整有助于通过补偿环境波动(诸如温度变化等)来提高量子密钥分发系统的稳定性。例如，压电光纤拉伸器135可以耦合到控制器(未示出)，该控制器感测量子密钥生成系统101内的温度波动等，并向压电光纤拉伸器发送信号以调整光纤迈克尔逊干涉仪132的臂B的光纤长度。
耦合到强度调制器124的衰减器158(例如，可变衰减器VA 158')使信号(即，光子脉冲102、104)衰减，以便设置输出信号(光子脉冲102'、104')的均值平均光子数。衰减器158位于光子量子密钥位发生器120和光子检测器单元140之间并光学地耦合到光子量子密钥位发生器120和光子检测器单元140。衰减器158在结构上被配置为衰减由光子量子位发生器120输出的多个光子(即，光子脉冲)的子集。量子密钥生成系统101还可以包括其他部件，每个位于衰减器158和光子检测器单元140之间并且光学地耦合到衰减器158和光子检测器单元140。这些部件中的每个部件可以光学地耦合到相邻地定位的光学部件，从而使用上述低损耗色散限制光纤151光学地耦合到光子密钥位发生器120和光子检测器单元140。
如以上相对于图2所述，低损耗色散限制光纤151可以被配置为优化沿低损耗色散限制光纤151传播的光子脉冲的时间脉冲宽度。再次参考图1，沿低损耗色散限制光纤151传播的光子的时间脉冲宽度使得由光子检测器单元140接收到的两个光子包括相同或相似的时间脉冲宽度。在一些实施例中，低损耗色散限制光纤151具有芯长度L，其中L<2000km。在一些实施例中，低损耗色散限制光纤151具有芯长度L，其中L>100km，或L>150km，或L>200km(例如，100km到1000km，或200km到1000km，或300km到1000km，或300km到600km，或400km到700km)。特别地，低损耗色散限制光纤151(例如，图3A和图3B的低损耗色散限制光纤151'以及图4A和图4B的低损耗色散限制光纤151”)被配置为使得由一个或多个光子量子位发生器120输出的多个光子的量子密钥位信息能在一个或多个光子检测器单元140处以至少10Gbit/sec(Gbit/秒)被接收，例如以20Gbit/sec、30Gbit/sec、40Gbit/sec、50Gbit/sec、75Gbit/sec、100Gbit/sec、150Gbit/sec、200Gbit/sec、250Gbit/sec或500Gbit/sec等的比特率(即，原始数据比特率)被接收。该原始数据比特率对应于至少为10Kbit/sec的量子密钥生成系统的密钥速率。
仍然参考图1，量子密钥生成系统101进一步包括光学地耦合到光电检测器单元140和低损耗色散限制光纤151的分束器(BS)174，使得低损耗色散限制光纤151沿光学路径172位于光子量子位发生器120和光子检测器单元140之间。在操作中，包括量子密钥位的多个光子脉冲穿过低损耗色散限制光纤151，使得光子脉冲在被路由到光子检测器单元140之前入射到分束器174上。即，传播通过低损耗色散限制光纤151的光子在被光子检测器140检测之前穿过分束器174。在图1所示的实施例中，光电检测器单元140包括光子检测器对，即第一光子检测器140A和第二光子检测器140B，第一光子检测器140A和第二光子检测器140B以与干涉仪132相同的延迟光学地耦合到干涉仪142(例如，非平衡迈克尔逊干涉仪142')。自动反馈回路使两个干涉仪132、142之间的相对相位稳定。
分束器174将光学路径172拆分为多个光学路径，例如光学路径172A和172B。在图1所示的实施例中，SPD(单光子检测器)140A检测沿光学路径272A传播的光子，而传播通过另一个光学路径172B的光子被提供给干涉仪142。仍然参考图1，第一和第二光子检测器140A、140B在结构上被配置为接收由光子量子位发生器120生成的可测量粒子(即，光子脉冲)。更具体地，每个光子检测器单元140A、140B测量可测量粒子的粒子特性(光子脉冲的相位或脉冲之间的时间间隔)。
在本实施例中，非平衡迈克尔逊干涉仪142'将每个光子脉冲拆分为两个脉冲，其中每个脉冲被提供给单独法拉第反射镜(FM)142A、142B。反射脉冲随后由干涉仪142组合并提供给单光子检测器140B以进行检测。光子检测器140A、140B可以包括一个或多个低噪声光电二极管和/或一个或多个单光子检测器，例如，一个或多个超导纳米线单光子检测器。然而，构想了在量子密钥生成系统101中布置的检测器的任何组合。
在该实施例中，粒子特性是相位。然而，在其他实施例中，粒子特性可以包括任何量子信息。例如，在其他实施例中，粒子特性可以包括任何可测量量子特性粒子、线性极化、圆极化、自旋、平移动量、轨道角动量等。由每个光子检测器140A、140B测量的粒子特性可以被转换成量子密钥位。每个量子密钥位可以包括二进制位，例如，“1”位或“0”位。在一些实施例中，由每个光子检测器140A、140b测量的粒子特性可以包括粒子特性，使得在每个光子检测器处产生的每个量子密钥位包括匹配的二进制位。例如，当光子检测器单元140A测量包括“0”位的特性时，光子检测器140B也可以测量包括“0”位的特性。在其他实施例中，由每个光子检测器单元140A、140b测量的粒子特性包括正交粒子特性，使得在每个光子检测器处产生的每个量子密钥位包括相反的二进制位。例如，当光子检测器140A测量包括“0”位的正交特性时，光子检测器140b还测量包括“1”位的正交特性。
此外，在操作中，多个迭代转换的量子密钥位可以在每个光子检测器140A、140b处形成量子密钥。例如，每个光子检测器140A、140b可以将所接收的量子密钥位迭代地转换成一组二进制位，使得每个光子检测器140A、140b可以接收与由其他光子检测器140A、140b接收的量子密钥相关的量子密钥。这允许量子密钥被用作密码密钥，使得发送器和接收器之间通过经典通信信道(例如，图1的通信网络190的信号信道195)的通信可以利用量子密钥加密。附加地，一些实施例可以包括电子存储设备，该电子存储设备通信地耦合到光子检测器单元140A、140b并在结构上被配置为电子地存储量子密钥位。在其他实施例中，光子检测器单元140可以在结构上被配置为电子地存储量子密钥。
本文所公开的技术的主要应用是至少部分归因于量子通信的性质和机制的量子密钥位信息的通信。然而，从以上公开中可以很好地理解，其他和/或附加信息可以经由本文公开的技术很好地通信，并且本文中关于量子密钥位信息的通信的权利要求和公开可以一般化为信息和量子信息的通信。
为了描述和限定本发明技术，注意本文中引用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的参数的“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。
还应当注意，本文中对“至少一个”部件、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部件、元件等。
注意，本文中对本公开的部件以特定方法“配置”以使特定特性具体化、或以特定方式起作用的叙述都是结构性的叙述，与预期用途的叙述相反。更具体地，本文提到部件“配置”的方式是指该部件的存在的物理条件，并且同样地被作为该部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，还应当注意本文所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所描述的各种实施例的基本部件的元件，即使在本说明书的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，所附权利要求中的一项或多项使用术语“其特征在于/其中”作为过渡短语。出于限定本发明技术的目的，应当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 (36)
1.一种量子通信系统，包括：
量子密钥生成系统，所述量子密钥生成系统包括光子量子位发生器、低损耗色散限制光纤和光子检测器单元；以及
通信网络，所述通信网络包括信号发生器、信号信道和信号接收器；其中：
所述低损耗色散限制光纤在所述光子量子位发生器和所述光子检测器单元之间延伸并且光学地耦合所述光子量子位发生器和所述光子检测器单元，所述低损耗色散限制光纤具有长度L；
所述光子量子位发生器在结构上被配置为输出多个光子，所述多个光子各自包括量子密钥位信息；
所述光子检测器单元在结构上被配置为接收所述多个光子的所述量子密钥位信息；
所述信号信道在所述信号发生器和所述信号接收器之间延伸并且通信地耦合所述信号发生器和所述信号接收器；
所述信号发生器在结构上被配置为输出包括一个或多个信号位的信号；
所述信号接收器通信地耦合到所述光子检测器单元，并且在结构上被配置为在接收到所述信号时将所述一个或多个信号位与所述量子密钥位信息进行比较；以及
所述低损耗色散限制光纤
光纤包括芯和围绕所述芯的包层，并且在结构上被配置为限制具有约1550nm的波长的光子脉冲以约9ps/(nm)km或更小的绝对色散率的色散，并且诱发包括约1550nm的所述波长的光子以约0.175dB/km或更小的衰减率的衰减，使得由所述光子量子位发生器输出的所述多个光子的所述量子密钥位信息能在所述光子检测器单元处以至少10Gbit/sec的比特率被接收。
2.如权利要求1所述的量子通信系统，其特征在于，所述芯包括基于二氧化硅的玻璃，并且L在200km至1000km之间。
3.如权利要求2所述的量子通信系统，其特征在于，所述芯的二氧化硅玻璃掺杂有K、Cl、F或它们的组合。
4.如权利要求1或2所述的量子通信系统，其特征在于，所述低损耗色散限制光纤包括阶跃折射率分布。
5.如权利要求1或2或3所述的量子通信系统，其特征在于，所述低损耗色散限制光纤包括抛物线折射率分布。
6.如前述权利要求中任一项所述的量子通信系统，其特性在于，所述芯包括从约2.2μm到约3μm的半径。
7.如前述权利要求中任一项所述的量子通信系统，其特征在于，所述低损耗色散限制光纤的所述芯包括从约-0.1到约0.2的相对折射率Δ1，其中：
Δ1包括(n1-ns)/ns；
n1包括所述芯的折射率；以及
ns包括纯二氧化硅的折射率。
8.如权利要求1-6中任一项所述的量子通信系统，其特征在于，所述低损耗色散限制光纤的所述包层包括从约-0.4到约-0.7的相对折射率Δ2，其中：
Δ2包括(n2-ns)/ns；
n2包括所述包层的折射率；以及
ns包括纯二氧化硅的折射率。
9.如前述权利要求中任一项所述的量子通信系统，其特征在于，所述低损耗色线限制光纤包括约1200nm或更小的截止波长。
10.如前述权利要求中任一项所述的量子通信系统，其特征在于，所述低损耗色散限制光纤包括从约7.5μm到约9.0μm的模场直径。
11.如前述权利要求中任一项所述的量子通信系统，其特征在于，所述低损耗色散限制光纤包括从约40μm2到约55μm2的有效面积。
12.如前述权利要求中任一项所述的量子通信系统，其特征在于，所述低损耗色散限制光纤包括从约0.051ps/(nm2)km到约0.054ps/(nm2)km的色散斜率。
13.如前述权利要求中任一项所述的量子通信系统，其特征在于，所述包层包括第一包层部分、第二包层部分、以及设置在所述第一包层部分和所述第二包层部分之间的包层环。
14.如权利要求13所述的量子通信系统，其特征在于，所述芯包括从约2.2μm到约2.8μm的半径。
15.如权利要求13所述的量子通信系统，其特征在于，所述低损耗色散限制光纤的所述芯包括从约-0.1到约0.2的相对折射率Δ1，其中：
Δ1包括(n1-ns)/ns；
n1包括所述芯的折射率；以及
ns包括纯二氧化硅的折射率。
16.如权利要求13所述的量子通信系统，其特征在于，所述低损耗色散限制光纤的所述第一包层部分包括从约-0.2到约-0.7的相对折射率Δ2，其中：
Δ2包括(n2-ns)/ns；
n2包括所述第一包层部分的折射率；以及
ns包括纯二氧化硅的折射率。
17.如权利要求13所述的量子通信系统，其特征在于，所述低损耗色散限制光纤的所述包层环包括从约-0.1到约-0.5的相对折射率Δ3，其中：
Δ3包括(n3-ns)/ns；
n3包括所述包层环的折射率；以及
ns包括纯二氧化硅的折射率。
18.如权利要求13所述的量子通信系统，其特征在于，所述低损耗色散限制光纤的所述第二包层部分包括从约-0.2到约-0.6的相对折射率Δ4，其中：
Δ4包括(n4-ns)/ns；
n4包括所述第二包层部分的折射率；以及
ns包括纯二氧化硅的折射率。
19.如权利要求13所述的量子通信系统，其特征在于，所述低损耗色散限制光纤包括约1500nm或更小的截止波长。
20.如权利要求13所述的量子通信系统，其特征在于，所述低损耗色散限制光纤包括从约9.5μm到约10.5μm的模场直径。
21.如权利要求13所述的量子通信系统，其特征在于，所述低损耗色散限制光纤包括从约70μm2到约80μm2的有效面积。
22.如权利要求13所述的量子通信系统，其特征在于，所述低损耗色散限制光纤包括从约0.055ps/(nm2)km到约0.085ps/(nm2)km的色散斜率。
23.如权利要求1所述的量子通信系统，其特征在于，所述量子密钥生成系统进一步包括衰减器，所述衰减器光学地耦合到所述光子量子位发生器，并且在结构上被配置为使由所述光子量子位发生器输出的所述多个光子的子集衰减。
24.如前述权利要求中任一项所述的量子通信系统，其特征在于，所述光子检测器单元140包括单光子检测器。
25.如前述权利要求中任一项所述的量子通信系统，其特征在于，所述低损耗色散限制光纤在结构上被配置为使得由所述光子量子位发生器输出的所述多个光子的所述量子密钥位信息能在所述光子检测器单元处以至少50Gbit/sec的比特率被接收。
26.如前述权利要求中任一项所述的量子通信系统，其特征在于，所述低损耗色散限制光纤在结构上被配置为使得由所述光子量子位发生器输出的所述多个光子的所述量子密钥位信息能在所述光子检测器单元处以100Gbit/sec的比特率被接收。
27.如前述权利要求中任一项所述的量子通信系统，其特征在于，所述低损耗色散限制光纤包括芯和围绕所述芯的包层，并且在结构上被配置为限制具有约1550nm的波长的光子脉冲以约5ps/(nm)km或更小的绝对色散率的色散。
28.如权利要求26所述的量子通信系统，进一步包括强度调制器和分束器，使得不存在位于所述强度调制器与所述分束器之间的光传输光纤。
29.如权利要求26所述的量子通信系统，其特征在于，不存在位于所述光子量子位发生器与所述光子检测器单元之间的、耦合到所述低损耗色散限制光纤的光传输光纤。
30.如权利要求21所述的量子通信系统，其特征在于，不存在位于所述光子量子位发生器与所述光子检测器单元之间的、耦合到所述低损耗色散限制光纤的色散补偿光纤。
31.如前述权利要求中任一项所述的量子通信系统，进一步包括激光器和光学地耦合到所述激光器的光谱滤波器，所述光谱滤波器是具有0.2nm到0.5nm的带通宽度的带通滤波器。
32.一种量子密钥生成系统，包括：
低损耗色散限制光纤，所述低损耗色散限制光纤在光子量子位发生器和光子检测器单元之间延伸，并且光学地耦合所述光子量子位发生器和所述光子检测器单元，其中：
所述低损耗色散限制光纤包括芯和围绕所述芯的包层，具有至少200km的长度，并且在结构上被配置为限制包括约1550nm的波长的光子以约9ps/(nm)km或更小的绝对色散率的色散，并且诱发具有约1550nm的所述波长的光子脉冲以约0.175dB/km或更小的衰减率的衰减，使得由所述光子量子位发生器输出的多个光子的量子密钥位信息能在所述光子检测器单元处以至少约10Gbit/sec的比特率被接收。
33.一种量子通信系统，包括：
量子密钥生成系统，所述量子密钥生成系统包括光子量子位发生器、低损耗色散限制光纤和光子检测器单元；以及
通信网络，包括信号发生器、信号信道和信号接收器；其中：
所述低损耗色散限制光纤在所述光子量子位发生器和所述光子检测器单元之间延伸并且光学地耦合所述光子量子位发生器和所述光子检测器单元，所述低损耗色散限制光纤具有200km与1000km之间的长度L；
所述光子量子位发生器在结构上被配置为输出多个光子，所述多个光子中的每个光子包括量子密钥位信息；
所述光子检测器单元在结构上被配置为接收所述多个光子的所述量子密钥位信息；
所述信号通道在所述信号发生器和所述信号接收器之间延伸并通信地耦合所述信号发生器和所述信号接收器；
所述信号发生器在结构上被配置为输出包括一个或多个信号位的信号；
所述信号接收器通信地耦合到所述光子检测器单元，并且在结构上被配置为在接收到所述信号时将所述一个或多个信号位与所述量子密钥位信息进行比较；以及
所述低损耗色散限制光纤包括芯和围绕所述芯的包层，并且在结构上被配置为限制具有约1550nm的波长的光子脉冲以约9ps/(nm)km或更小的绝对色散率的色散，并且诱发包括约1550nm的所述波长的光子以约0.175dB/km或更小的衰减率的衰减，使得由所述光子量子位发生器输出的所述多个光子的所述量子密钥位信息能在所述光子检测器单元处以至少10Gbit/sec的比特率被接收。
34.一种量子系统，包括：
量子密钥系统，所述量子密钥系统包括光子量子位发生器、低损耗色散限制光纤和光子检测器单元；以及
信号接收器；其中：
所述低损耗色散限制光纤在所述光子量子位发生器和所述光子检测器单元之间延伸并且光学地耦合所述光子量子位发生器和所述光子检测器单元，所述低损耗色散限制光纤具有100km与1000km之间的长度L；
所述光子量子位发生器在结构上被配置为输出多个光子，所述多个光子中的每个光子包括量子密钥位信息；
所述光子检测器单元在结构上被配置为接收所述多个光子的所述量子密钥位信息；
所述信号接收器通信地耦合到所述光子检测器单元，并且在结构上被配置为在接收到所述信号时将所述一个或多个信号位与所述量子密钥位信息进行比较；以及
低损耗色散限制光纤包括芯和围绕所述芯的包层，并且在结构上被配置为限制具有约1550nm的波长的光子脉冲以约9ps/(nm)km或更小的绝对色散率的色散，并且诱发包括约1550nm的所述波长的光子以约0.175dB/km或更小的衰减率的衰减，使得由所述光子量子位发生器输出的所述多个光子的所述量子密钥位信息能在所述光子检测器单元处以至少10Gbit/sec的比特率被接收。
35.如权利要求34所述的量子系统，其特征在于，长度L在100km与2000km之间。
36.如权利要求34所述的量子系统，其特征在于，长度L在200km与1000km之间。
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