CN113676323A - 一种偏振编码测量设备无关量子密钥分发系统 - Google Patents

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CN113676323A CN202111238763.6A CN202111238763A CN113676323A CN 113676323 A CN113676323 A CN 113676323A CN 202111238763 A CN202111238763 A CN 202111238763A CN 113676323 A CN113676323 A CN 113676323A
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Abstract

本发明提供了一种偏振编码测量设备无关量子密钥分发系统，包括测量端Charlie、Alice往返式编码模块与Bob往返式编码模块，测量端Charlie由脉冲激光器、贝尔态测量装置、正交偏振脉冲分束合束模块构成，贝尔态测量装置包括分束器BS、环形器CIR、第一偏振分束器PBS1、第二偏振分束器PBS2以及4个单光子探测器SPD，正交偏振脉冲分束合束模块具有第一端口，第二端口，第三端口与第四端口。与现有技术相比，本发明的偏振编码测量设备无关量子密钥分发系统仅使用单个激光器结合往返式结构，可消除2个激光器频率不一致的问题，同时可自动补偿信道偏振变化，实现偏振态的稳定制备和传输，无需采用任何主动补偿模块，降低了系统的复杂度，提升了系统的稳定性和实用性。

Description

一种偏振编码测量设备无关量子密钥分发系统
技术领域
本发明涉及量子偏振编码技术领域，特别涉及一种偏振编码测量设备无关量子密钥分发系统。
背景技术
测量设备无关量子密钥分发协议（measurement-device-independent，MDI-QKD）的提出，移除了对测量端的可信要求，能够抵御所有针对测量端的攻击，大大提高了系统的实际安全性。
MDI-QKD协议中由合法通信双方Alice和Bob分别制备量子态，发送给不可信第三方Charlie进行贝尔态测量，相当于时间反演的EPR量子密钥分发协议。贝尔态测量的核心部分是Hong-Ou-Mandel（HOM）干涉，即由Alice和Bob发送的量子态在Charlie的分束器BS处干涉。HOM干涉对两个方向入射光子量子态的特性，即到达时间、频率和偏振态上不可区分。在实际实现过程中，Alice和Bob发送的光子到达时间可以通过高精度的可调光纤延时线或电信号延时来保证一致性。然而对于频率和偏振态，由于Alice和Bob分处两地，一方面如果二者采用独立的激光器来制备量子态，很难保证二者的光谱完全一致，从而导致二者频率不一致；另一方面，光子分别从Alice和Bob两地经过光纤信道传输到Charlie端，由于光纤的双折射效应导致光子在传播过程中偏振态随环境变化，而光纤的环境变化随机且不可控，从而导致二者在到达Charlie端BS时偏振态不一致，需要采用主动偏振补偿模块进行实时的偏振参考系校准。这些因素都会降低MDI-QKD协议的实用性。
常规的偏振编码MDI-QKD方案，在进行贝尔态测量时都无可避免地需要使用偏振校准模块，例如文献"Experimental demonstration of polarization encodingmeasurement-device-independent quantum key distribution." Phys. Rev. Lett.112, 190503 (2014)和文献"Proof-of-principledemonstrationof measurement-device-independent quantum key distribution based on intrinsically stablepolarization-modulated units." Optics express 28.8 (2020): 10772-10782中所采用的方案，Alice和Bob分别采用独立的激光器产生4种稳定的偏振态，但是经过光纤信道后偏振态变得随机，需要主动偏振补偿，而且存在波长不一致的问题。而文献"Polarization-encoding-based measurement-device-independent quantum key distribution with asingle untrusted source." Chinese Physics Letters 33.10 (2016): 100301采用Plug & Play 方案，在测量端用一个激光器将光脉冲分别发送给Alice和Bob，再分别制备偏振态，此时FM不能被动补偿信道的偏振变化，因此两路光子到达测量端后进行贝尔态测量时仍需偏振补偿。
发明内容
针对现有技术存在以上缺陷，本发明提供一种偏振编码测量设备无关量子密钥分发系统如下：
本发明的技术方案是这样实现的：
一种偏振编码测量设备无关量子密钥分发系统，包括测量端Charlie、Alice往返式编码模块以及Bob往返式编码模块，所述测量端Charlie包括脉冲激光器、贝尔态测量装置以及正交偏振脉冲分束合束模块，所述贝尔态测量装置包括分束器BS、环形器CIR、第一偏振分束器PBS1、第二偏振分束器PBS2以及四个单光子探测器SPD，所述正交偏振脉冲分束合束模块包括第一端口、第二端口、第三端口以及第四端口，所述脉冲激光器连接环形器CIR的一端口，所述环形器CIR的二端口连接分束器BS的一端口，所述环形器CIR的三端口连接第一偏振分束器PBS1的输入端，所述第一偏振分束器PBS1的两路输出端分别连接有一个单光子探测器SPD，所述分束器BS的二端口连接第二偏振分束器PBS2的输入端，所述第二偏振分束器PBS2的两路输出端分别连接有一个单光子探测器SPD，所述分束器BS的三端口、四端口对应连接正交偏振脉冲分束合束模块的第一端口、第二端口，所述正交偏振脉冲分束合束模块第三端口、第四端口对应连接Alice往返式编码模块以及Bob往返式编码模块。
优选地，所述正交偏振脉冲分束合束模块包括四端口的第三偏振分束器PBS3和第四偏振分束器PBS4，二者构成不等臂马赫-曾德尔干涉仪，正交偏振脉冲分束合束模块的第一端口与第三偏振分束器PBS3的第一端口之间的保偏光纤进行45°熔接，正交偏振脉冲分束合束模块的第二端口与第三偏振分束器PBS3的第二端口之间的保偏光纤进行45°熔接，第四偏振分束器PBS4的第三端口和第四端口分别作为正交偏振脉冲分束合束模块的第三端口和第四端口。
优选地，所述正交偏振脉冲分束合束模块包括三端口的第五偏振分束器PBS5、第六偏振分束器PBS6、第七偏振分束器PBS7和第八偏振分束器PBS8，所述第五偏振分束器PBS5和第六偏振分束器PBS6构成不等臂马赫-曾德尔干涉仪，第七偏振分束器PBS7和第八偏振分束器PBS8构成相同的不等臂马赫-曾德尔干涉仪，正交偏振脉冲分束合束模块的第一端口与第五偏振分束器PBS5的第一端口之间的保偏光纤进行45°熔接，正交偏振脉冲分束合束模块的第二端口与第七偏振分束器PBS7的第一端口之间的保偏光纤进行45°熔接，第六偏振分束器PBS6的第一端口和第八偏振分束器PBS8的第一端口分别作为正交偏振脉冲分束合束模块的第三端口和第四端口。
优选地，所述正交偏振脉冲分束合束模块包括四端口的第九偏振分束器PBS9和第十偏振分束器PBS10，第九偏振分束器PBS9的第三端口和第四端口直接通过保偏光纤相连，构成第一萨格纳克环，第十偏振分束器PBS10的第三端口和第四端口直接通过保偏光纤相连，构成第二萨格纳克环，正交偏振脉冲分束合束模块的第一端口与第九偏振分束器PBS9的第一端口之间的保偏光纤进行45°熔接，正交偏振脉冲分束合束模块的第二端口与第十偏振分束器PBS10的第一端口之间的保偏光纤进行45°熔接。第九偏振分束器PBS9的第二端口和第十偏振分束器PBS10的第二端口分别作为正交偏振脉冲分束合束模块的第三端口和第四端口。
优选地，所述正交偏振脉冲分束合束模块包括四端口的第十一偏振分束器PBS11、第十二偏振分束器PBS12、法拉第反射镜FM1、法拉第反射镜FM2、法拉第反射镜FM3、法拉第反射镜FM4，第十一偏振分束器PBS11的第三端口和第四端口分别通过单模光纤与法拉第反射镜FM2、法拉第反射镜FM1相连，第十二偏振分束器PBS12的第三端口和第四端口分别通过单模光纤与法拉第反射镜FM4、法拉第反射镜FM3相连，正交偏振脉冲分束合束模块的第一端口与第十一偏振分束器PBS11的第一端口之间的保偏光纤进行45°熔接，正交偏振脉冲分束合束模块的第二端口与第十二偏振分束器PBS12的第一端口之间的保偏光纤进行45°熔接。第十一偏振分束器PBS11的第二端口和第十二偏振分束器PBS12的第二端口分别作为正交偏振脉冲分束合束模块的第三端口和第四端口。
优选地，所述Alice往返式编码模块以及Bob往返式编码模块结构相同，均包括可调衰减器VOA、相位随机化模块PR、偏振分束器PBS、法拉第旋转器FR、相位调制器PM和强度调制器IM。可调衰减器VOA依次连接相位随机化模块PR、偏振分束器PBS，所述偏振分束器PBS的依次与法拉第旋转器FR、相位调制器PM和强度调制器IM相连，且偏振分束器PBS与强度调制器IM首位相连构成萨格纳克环，两路可调衰减器VOA分别通过光纤信道连接正交偏振脉冲分束合束模块的第一端口、第二端口。
与现有技术相比，本发明有以下有益效果：
本发明偏振编码测量设备无关量子密钥分发系统使用单个激光器，可消除两个激光器频率不一致的问题，提高贝尔测量的准确度。偏振态制备只与相位调制器所调制的相位有关，而与其他因素无关，不存在相位漂移，偏振态制备非常稳定，无需相位补偿模块。同时采用往返式结构，可自动补偿信道偏振变化，无需主动纠偏模块。因此，量子态制备与传输都非常稳定，整个系统不需要任何主动补偿，大大降低了系统的复杂度，提高了系统的稳定性和实用性。
附图说明
图1为本发明一种偏振编码测量设备无关量子密钥分发系统的原理图；
图2为本发明Alice往返式编码模块及Bob往返式编码模块的原理框图；
图3为本发明正交偏振脉冲分束合束模块实施例一的原理框图；
图4为本发明正交偏振脉冲分束合束模块实施例二的原理框图；
图5为本发明正交偏振脉冲分束合束模块实施例三的原理框图；
图6为本发明正交偏振脉冲分束合束模块实施例四的原理框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明进行清楚、完整地描述。
如图1所示，本发明一种偏振编码测量设备无关量子密钥分发系统，包括测量端Charlie、Alice往返式编码模块以及Bob往返式编码模块，所述测量端Charlie包括脉冲激光器、贝尔态测量装置以及正交偏振脉冲分束合束模块，所述贝尔态测量装置包括分束器BS、环形器CIR、第一偏振分束器PBS1、第二偏振分束器PBS2以及四个单光子探测器SPD，所述正交偏振脉冲分束合束模块包括第一端口、第二端口、第三端口以及第四端口，所述脉冲激光器连接环形器CIR的一端口，所述环形器CIR的二端口连接分束器BS的一端口，所述环形器CIR的三端口连接第一偏振分束器PBS1的输入端，所述第一偏振分束器PBS1的两路输出端分别连接有一个单光子探测器SPD，所述分束器BS的二端口连接第二偏振分束器PBS2的输入端，所述第二偏振分束器PBS2的两路输出端分别连接有一个单光子探测器SPD，所述分束器BS的三端口、四端口对应连接正交偏振脉冲分束合束模块的第一端口、第二端口，所述正交偏振脉冲分束合束模块第三端口、第四端口对应连接Alice往返式编码模块以及Bob往返式编码模块。正交偏振脉冲分束合束模块具有的第一端口、第二端口、第三端口与第四端口，用于将从第一端口和第二端口入射的水平偏振光脉冲分别分束成具有时间差T的前后两个正交偏振脉冲分量，并将从第三端口和第四端口入射的前后两个正交偏振脉冲分量分别合束成一个偏振脉冲。分束器BS的第三端口和第四端口分别与正交偏振脉冲分束合束模块的第一端口和第二端口相连，正交偏振脉冲分束合束模块的第三端口和第四端口分别通过第一光纤信道、第二光纤信道与Alice往返式编码模块、Bob往返式编码模块相连。
具体过程如下：
在测量端Charlie，脉冲激光器产生偏振态为水平的光脉冲P0经环形器CIR进入分束器BS的第一端口，分成强度相同的两个水平偏振脉冲P1和P2。其中P1从分束器BS的第三端口输出，进入正交偏振脉冲分束合束模块的第一端口，从正交偏振脉冲分束合束模块的第三端口输出双脉冲P11和P12，二者偏振态相互垂直，时间差为T。其中P11处于前一个时间窗，P12处于后一个时间窗。随后P11和P12经第一光纤信道先后进入Alice往返式编码模块后，二者之间的相位差被调制为
Figure 93823DEST_PATH_IMAGE001
，并再次通过第一光纤信道返回正交偏振脉冲分束合束模块的第三端口，此时P11和P12的偏振态同时旋转了90°，并保持相互垂直。P11和P12经正交偏振脉冲分束合束模块作用后同时从第一端口输出，合成一个脉冲，在进入分束器BS的第三端口前的偏振态变为
Figure 542122DEST_PATH_IMAGE002
。Alice调制相位
Figure 774389DEST_PATH_IMAGE003
时，制备出Z基下的2种偏振态
Figure 700756DEST_PATH_IMAGE004
。Alice调制相位
Figure 452812DEST_PATH_IMAGE005
时，制备出X基下的2种偏振态
Figure 931066DEST_PATH_IMAGE006
。可以看出，无需任何主动补偿模块，即可制备出所需的4种稳定偏振态。
P2从分束器BS的第四端口输出，进入正交偏振脉冲分束合束模块的第二端口，从正交偏振脉冲分束合束模块的第四端口输出双脉冲P21和P22，二者偏振态相互垂直，时间差为T。其中P21处于前一个时间窗，P22处于后一个时间窗。随后P21和P22经第二光纤信道先后进入Bob往返式编码模块后，二者之间的相位差被调制为
Figure 870204DEST_PATH_IMAGE007
，并再次通过第二光纤信道返回正交偏振脉冲分束合束模块的第四端口，此时P21和P22的偏振态同时旋转了90°，并保持相互垂直。P21和P22经正交偏振脉冲分束合束模块作用后同时从第二端口输出，合成一个脉冲，在进入分束器BS的第四端口前的偏振态变为
Figure 600262DEST_PATH_IMAGE008
。同样的，当Bob往返式编码模块调制相位
Figure 190512DEST_PATH_IMAGE009
即可制备出Z基和X基下的4种偏振态
Figure 855980DEST_PATH_IMAGE010
。
最后，经Alice往返式编码模块、Bob往返式编码模块编码后的两路脉冲在贝尔态测量装置的分束器BS处进行贝尔态投影测量。当测量端Charlie测量到贝尔态
Figure 141468DEST_PATH_IMAGE011
时，为成功响应事件，通过经典信道告知Alice往返式编码模块、Bob往返式编码模块。Alice往返式编码模块、Bob往返式编码模块保留测量端Charlie公布测量成功结果的比特信息，舍弃其他测量不成功的比特信息。双方进一步通过可信认证的经典信道公布并比对这些保留下来的基信息，舍弃基不匹配的比特信息，仅保留基匹配的比特信息。其中Alice往返式编码模块、Bob往返式编码模块均为Ｚ基的比特用来生成密钥，作为筛后密钥，而Alice往返式编码模块、Bob往返式编码模块均为Ｘ基的比特用来估计窃听者的信息量。最后Alice往返式编码模块、Bob往返式编码模块执行纠错及保密放大等操作，得到最终一致的安全密钥。
可以看出，无需任何主动补偿模块，即可制备4种稳定的偏振态，进行贝尔态测量时的测量结果非常稳定可靠。此量子密钥分发系统工作流程归纳如下：
1.测量端激光器产生一定重复频率的光脉冲序列，并同时经过正交偏振脉冲分束合束模块产生偏振相互垂直的前后双脉冲序列分别进入第一和第二光纤信道。
2.两路双脉冲序列分别经第一和第二光纤信道进入Alice往返式编码模块与Bob往返式编码模块，分别通过调制相位调制器PM在双脉冲序列之间随机产生相位差
Figure 805711DEST_PATH_IMAGE012
和
Figure 860254DEST_PATH_IMAGE013
（4种相位
Figure 962202DEST_PATH_IMAGE014
中的一种），并通过调制强度调制器IM产生信号态和诱骗态，通过VOA将光信号衰减到单光子量级，然后返回相应的光纤信道。
3.返回的双脉冲序列再次经过正交偏振脉冲分束合束模块之后，形成偏振编码量子态，然后进入测量端的贝尔态投影测量装置，若投影成功，则测量端通过经典信道告知Alice往返式编码模块与Bob往返式编码模块。
4.Alice往返式编码模块与Bob往返式编码模块保留测量端公布测量成功的比特信息，舍弃其他测量未成功的比特信息。Alice往返式编码模块与Bob往返式编码模块进一步通过可信认证的经典信道公布并比对保留的基信息，保留基匹配的比特。
Alice往返式编码模块与Bob往返式编码模块对保留下来的比特进行纠错及保密放大等操作，获得最终一致的安全密钥。
如图2所示，为Alice往返式编码模块与Bob往返式编码模块的一种具体结构，所述Alice往返式编码模块以及Bob往返式编码模块结构相同，均包括可调衰减器VOA、相位随机化模块PR、偏振分束器PBS、法拉第旋转器FR、相位调制器PM和强度调制器IM。可调衰减器VOA依次连接相位随机化模块PR、偏振分束器PBS，所述偏振分束器PBS的依次与法拉第旋转器FR、相位调制器PM和强度调制器IM相连，且偏振分束器PBS与强度调制器IM首位相连构成萨格纳克环，两路可调衰减器VOA分别通过光纤信道连接正交偏振脉冲分束合束模块的第一端口、第二端口。
在Alice往返式编码模块与Bob往返式编码模块中，对于输入的任意偏振态脉冲
Figure 125199DEST_PATH_IMAGE015
，首先经可调衰减器VOA和相位随机化模块PR进行衰减和相位随机化，以保证系统的安全性。随后脉冲
Figure 931481DEST_PATH_IMAGE016
被偏振分束器PBS分成偏振相互垂直的两个分量
Figure 512635DEST_PATH_IMAGE017
和
Figure 769173DEST_PATH_IMAGE018
，其中
Figure 622729DEST_PATH_IMAGE017
被偏振分束器PBS透射，在萨格纳克环内逆时针传播，
Figure 108068DEST_PATH_IMAGE019
被偏振分束器PBS反射，在萨格纳克环内顺时针传播。二者同时回到偏振分束器PBS后进行合束，偏振旋转了90°。两个分量在经过相位调制器PM和强度调制器IM分别进行相同的相位和强度调制，相当于对整个脉冲进行了相位和强度调制。可以看出萨格纳克环的作用与法拉第反射镜FM的作用等价，可以用FM对矢量和任意矩阵的作用来表示：
Figure 402783DEST_PATH_IMAGE020
Figure 95801DEST_PATH_IMAGE021
脉冲往返经过光纤信道
Figure 452964DEST_PATH_IMAGE022
和萨格纳克环之后的偏振态为
Figure 132207DEST_PATH_IMAGE023
上述公式表明，萨格纳克环可以使光脉冲的偏振态会旋转90°，并且可以自动补偿光纤信道的偏振变化。
因此，当从测量端Charlie端出射的偏振相互垂直，时间差为T的双脉冲经过光纤信道进入往返式编码模块后，仅对时间靠后的脉冲进行相位调制
Figure 140484DEST_PATH_IMAGE024
，调制后的双脉冲再次经过光纤信道返回测量端Charlie端时，二者的时间差仍为T，相位差为
Figure 755136DEST_PATH_IMAGE025
，偏振态相比于出射时旋转了90°。
如图3所示，为正交偏振脉冲分束合束模块实施例一，所述正交偏振脉冲分束合束模块包括四端口的第三偏振分束器PBS3和第四偏振分束器PBS4，二者构成不等臂马赫-曾德尔干涉仪（MZI），正交偏振脉冲分束合束模块的第一端口与第三偏振分束器PBS3的第一端口之间的保偏光纤进行45°熔接，正交偏振脉冲分束合束模块的第二端口与第三偏振分束器PBS3的第二端口之间的保偏光纤进行45°熔接，第四偏振分束器PBS4的第三端口和第四端口分别作为正交偏振脉冲分束合束模块的第三端口和第四端口。
从贝尔态测量装置的分束器BS第三端口和第四端口输出的水平偏振脉冲P1和P2，分别进入正交偏振脉冲分束合束模块的第一端口和第二端口。P1和P2都经过45°旋转之后从水平偏振态变为45°偏振态，即
Figure 724229DEST_PATH_IMAGE026
。其中
Figure 66217DEST_PATH_IMAGE027
分量为水平偏振态，沿保偏光纤慢轴传播；
Figure 929000DEST_PATH_IMAGE028
分量为竖直偏振态，沿保偏光纤快轴传播。
P1从第三偏振分束器PBS3的第一端口进入，
Figure 714553DEST_PATH_IMAGE029
分量被透射从第三偏振分束器PBS3第四端口输出，并沿保偏光纤慢轴传播，记为脉冲P11；
Figure 170942DEST_PATH_IMAGE028
分量反射从第三偏振分束器PBS3第三端口输出，也沿保偏光纤慢轴传播，记为脉冲P12。P11走不等臂MZI的短臂进入第四偏振分束器PBS4的第二端口被透射后从第四偏振分束器PBS4的第三端口输出，偏振方向为H。P12走不等臂MZI的长臂进入第四偏振分束器PBS4的第一端口被反射后也从第四偏振分束器PBS4的第三端口输出，偏振方向为V。此时两个分量的偏振方向没有发生改变，只是在时间上P11比P12超前了T。P11和P12经过光纤信道被往返式编码模块进行90°偏振旋转和相位差调制为
Figure 334200DEST_PATH_IMAGE030
之后，再次回到正交偏振脉冲分束合束模块的第三端口，此时P11的偏振方向变为V，被第四偏振分束器PBS4反射进入不等臂MZI的长臂，然后被第三偏振分束器PBS3反射从第三偏振分束器PBS3的第一端口出射。P12的偏振方向变为H，被第四偏振分束器PBS4透射进入不等臂MZI的短臂，然后被第三偏振分束器PBS3透射从第三偏振分束器PBS3的第一端口出射。P11和P12同时到达第三偏振分束器PBS3，合成一个脉冲。最后经过45°偏振旋转之后，偏振态变为
Figure 67801DEST_PATH_IMAGE031
。下面通过琼斯矩阵来表示上述过程。
P1为水平偏振，可表示为
Figure 883310DEST_PATH_IMAGE032
。PBS的琼斯矩阵为
Figure 217208DEST_PATH_IMAGE033
其中，
Figure 651732DEST_PATH_IMAGE034
的上标表示第n个PBS，下标表示光脉冲从第j端口到第k端口传输。BS第三端口与PBS1第一端口之间保偏光纤（PMF）的琼斯矩阵为
Figure 630052DEST_PATH_IMAGE035
其中，
Figure 475517DEST_PATH_IMAGE036
和
Figure 47444DEST_PATH_IMAGE037
分别为保偏光纤的慢轴和快轴引入的相位因子。不等臂MZI的短臂和长臂保偏光纤的琼斯矩阵为
Figure 144713DEST_PATH_IMAGE038
Figure 367753DEST_PATH_IMAGE039
其中，
Figure 400431DEST_PATH_IMAGE040
和
Figure 318708DEST_PATH_IMAGE041
分别为短臂、长臂的保偏光纤慢轴引入的相位因子。45°偏振旋转的琼斯矩阵为
Figure 609881DEST_PATH_IMAGE042
光脉冲从正交偏振脉冲分束合束模块的第一端口入射后，经过45°偏振旋转、第三偏振分束器PBS3、第四偏振分束器PBS4并从第四偏振分束器PBS4的第三端口输出的传输矩阵可以写为两个分量分别走短臂和长臂的路径（分别用下标S和L来表示）之和：
Figure 172581DEST_PATH_IMAGE043
Figure 500794DEST_PATH_IMAGE044
其中，
Figure 31001DEST_PATH_IMAGE045
，
Figure 876597DEST_PATH_IMAGE046
。
上述过程的反向过程，即光脉冲从第四偏振分束器PBS4的第三端口进入，经第三偏振分束器PBS3、45°偏振旋转再次正交偏振脉冲分束合束模块的第一端口出射过程的传输矩阵可写为
Figure 418437DEST_PATH_IMAGE047
Figure 307765DEST_PATH_IMAGE048
因此，从正交偏振脉冲分束合束模块的第一端口入射的水平偏振光脉冲P1经过传输矩阵
Figure 76001DEST_PATH_IMAGE049
之后从第四偏振分束器PBS4的第三端口出射的偏振态为
Figure 318763DEST_PATH_IMAGE050
上式表示从第四偏振分束器PBS4的第三端口输出两个光脉冲，第一个光脉冲P11偏振态为水平偏振，第二个光脉冲P12偏振态为竖直偏振。并且两个脉冲因为分别走了不等臂MZ干涉仪的短臂S和长臂L，时间间隔为T。
P11和P12从第四偏振分束器PBS4第三端口即正交偏振分束合束模块的第三端口输出，经过光纤信道被往返式编码模块进行偏振旋转和相位差调制为
Figure 105322DEST_PATH_IMAGE051
之后，再次回到正交偏振脉冲分束合束模块的第三端口时，偏振态为
Figure 775338DEST_PATH_IMAGE052
这里忽略了
Figure 30870DEST_PATH_IMAGE053
，由下标S和L可以看出，P11和P12分别对应等式右边的前一项和后一项。由于P11和P12在往返式编码模块经过相位调制器PM的时间不同，相位调制器对两个脉冲进行调相，相位差调节为
Figure 879920DEST_PATH_IMAGE054
，体现到脉冲P12的相位因子上。
然后光脉冲P11和P12经第四偏振分束器PBS4、第三偏振分束器PBS3、45°偏振旋转再次到达分束器BS的第一端口时偏振态变为
Figure 661932DEST_PATH_IMAGE055
Figure 893062DEST_PATH_IMAGE056
此时，可以看出光脉冲P11和P12走了相同的光程（S+L和L+S），合成一束光脉冲，忽略全局相位因子，输出的偏振态可写成
Figure 635890DEST_PATH_IMAGE057
，只与Alice的调制相位
Figure 610668DEST_PATH_IMAGE058
有关，而与光纤信道以及测量端干涉仪所引入的相位因子无关，因此其偏振态制备非常稳定。
当调节相位调制器PM使得
Figure 981606DEST_PATH_IMAGE059
时，相应的偏振态如表1所示：
表1：不同相位差得到的偏振态
Figure 134370DEST_PATH_IMAGE060
当往返式编码模块从4个相位种随机选择一种对相位调制器PM进行调制，可以获得相应的4种偏振态中的一种，实现稳定的偏振编码。
从正交偏振脉冲分束合束模块第二端口入射的光脉冲P2所经历的过程与P1相同，因此最终从正交偏振脉冲分束合束模块的第二端口返回，偏振态为
Figure 863030DEST_PATH_IMAGE061
，同样可以通过调节相位调制器PM实现如表1的4种偏振态编码。
如图4所示，为正交偏振脉冲分束合束模块实施例二，所述正交偏振脉冲分束合束模块包括三端口的第五偏振分束器PBS5、第六偏振分束器PBS6、第七偏振分束器PBS7和第八偏振分束器PBS8，所述第五偏振分束器PBS5和第六偏振分束器PBS6构成不等臂马赫-曾德尔干涉仪，第七偏振分束器PBS7和第八偏振分束器PBS8构成相同的不等臂马赫-曾德尔干涉仪，正交偏振脉冲分束合束模块的第一端口与第五偏振分束器PBS5的第一端口之间的保偏光纤进行45°熔接，正交偏振脉冲分束合束模块的第二端口与第七偏振分束器PBS7的第一端口之间的保偏光纤进行45°熔接，第六偏振分束器PBS6的第一端口和第八偏振分束器PBS8的第一端口分别作为正交偏振脉冲分束合束模块的第三端口和第四端口。本实施例采用更常用的三端口偏振分束器也可实现与实施例一相同的正交偏振脉冲分束合束功能。
与实施例一类似，可以用琼斯矩阵分析正交偏振脉冲分束合束模块的输出脉冲偏振态。水平偏振的光脉冲从正交偏振脉冲分束合束模块的第一端口入射，经过由第五偏振分束器PBS5和第六偏振分束器PBS6构成的MZI之后，从正交偏振脉冲分束合束模块的第三端口出射的偏振态为：
Figure 392231DEST_PATH_IMAGE062
从往返式编码模块返回到正交偏振脉冲分束合束模块的第三端口的偏振态为
Figure 883255DEST_PATH_IMAGE063
然后再经第五偏振分束器PBS5和第六偏振分束器PBS6、45°偏振旋转从正交偏振脉冲分束合束模块的第一端口出射时偏振态变为
Figure 190609DEST_PATH_IMAGE064
忽略整体相位因子，最终从正交偏振脉冲分束合束模块的第一端口出射的偏振态可写为
Figure 908029DEST_PATH_IMAGE065
。
从正交偏振脉冲分束合束模块的第二端口入射水平偏振脉冲，最终又从该端口出射的偏振态也为
Figure 99976DEST_PATH_IMAGE066
。
如图5所示，为正交偏振脉冲分束合束模块实施例三，所述正交偏振脉冲分束合束模块包括四端口的第九偏振分束器PBS9和第十偏振分束器PBS10，第九偏振分束器PBS9的第三端口和第四端口直接通过保偏光纤相连，构成第一萨格纳克环，第十偏振分束器PBS10的第三端口和第四端口直接通过保偏光纤相连，构成第二萨格纳克环，正交偏振脉冲分束合束模块的第一端口与第九偏振分束器PBS9的第一端口之间的保偏光纤进行45°熔接，正交偏振脉冲分束合束模块的第二端口与第十偏振分束器PBS10的第一端口之间的保偏光纤进行45°熔接。第九偏振分束器PBS9的第二端口和第十偏振分束器PBS10的第二端口分别作为正交偏振脉冲分束合束模块的第三端口和第四端口。本实施例中的萨格纳克环与实施例一中的MZI相比，制作更加简单，并且第一和第二萨格纳克环不必一致，进一步降低了制作难度。
具体过程如下：
水平偏振的光脉冲P1从正交偏振脉冲分束合束模块的第一端口入射，经45°旋转之后变为45°偏振态，即
Figure 304561DEST_PATH_IMAGE067
。竖直偏振分量P11被第九偏振分束器PBS9反射，从第九偏振分束器PBS9的第二端口出射，偏振态变为水平偏振H。水平偏振分量P12被第九偏振分束器PBS9透射，从第九偏振分束器PBS9的第三端口进入第四端口在第一萨格纳克环内沿逆时针传播，然后经第九偏振分束器PBS9后被反射进入第九偏振分束器PBS9的第三端口，偏振态变为竖直偏振，再次沿逆时针传播进入第九偏振分束器PBS9的第四端口被透射，最后从第九偏振分束器PBS9的第二端口出射，偏振态变为V。由于P11直接从第九偏振分束器PBS9的第二端口出射，而P12在第一萨格纳克环内走了2圈，比P11延迟了T的时间，T为2倍的萨格纳克环臂长差所对应的时间。
P11和P12经光纤信道和往返式编码模块返回正交偏振脉冲分束合束模块的第三端口后，偏振态分别变为V和H，相位差调制了
Figure 64707DEST_PATH_IMAGE068
。其中，V偏振的P11从第九偏振分束器PBS9的第二端口透射，在第一萨格纳克环内沿顺时针方向传播两圈后回到第九偏振分束器PBS9的第一端口，偏振变为H。H偏振的P12从第九偏振分束器PBS9的第二端口反射进入第九偏振分束器PBS9的第一端口，偏振变为V。P11和P12走过的光程相同，因此同时到达第九偏振分束器PBS9的第一端口，合成一束光脉冲。与实施例一相同，再次经过45°偏振旋转之后，从正交偏振脉冲分束合束模块的第一端口输出的偏振态变为
Figure 862898DEST_PATH_IMAGE069
。同样的，从正交偏振脉冲分束合束模块的第二端口经反射后再次从第二端口出射的偏振也为
Figure 977311DEST_PATH_IMAGE070
。
如图6所示，为正交偏振脉冲分束合束模块实施例四，所述正交偏振脉冲分束合束模块包括四端口的第十一偏振分束器PBS11、第十二偏振分束器PBS12、法拉第反射镜FM1、法拉第反射镜FM2、法拉第反射镜FM3、法拉第反射镜FM4，第十一偏振分束器PBS11的第三端口和第四端口分别通过单模光纤与法拉第反射镜FM2、法拉第反射镜FM1相连，第十二偏振分束器PBS12的第三端口和第四端口分别通过单模光纤与法拉第反射镜FM4、法拉第反射镜FM3相连，正交偏振脉冲分束合束模块的第一端口与第十一偏振分束器PBS11的第一端口之间的保偏光纤进行45°熔接，正交偏振脉冲分束合束模块的第二端口与第十二偏振分束器PBS12的第一端口之间的保偏光纤进行45°熔接。第十一偏振分束器PBS11的第二端口和第十二偏振分束器PBS12的第二端口分别作为正交偏振脉冲分束合束模块的第三端口和第四端口。本实施例中的偏振分束器与法拉第反射镜之间为单模光纤，且各段单模光纤的长度不必一致，降低了制作难度。
具体过程如下：
水平偏振的光脉冲P1从正交偏振脉冲分束合束模块的第一端口入射，经45°旋转之后变为45°偏振态，即
Figure 911769DEST_PATH_IMAGE071
。竖直偏振分量P11被第十一偏振分束器PBS11反射，从第十一偏振分束器PBS11的第二端口出射，偏振态变为水平偏振H。水平偏振分量P12被第十一偏振分束器PBS11透射，从第十一偏振分束器PBS11的第三端口进入法拉第反射镜FM2，被法拉第反射镜FM2反射后偏振变为V。随后经第十一偏振分束器PBS11后被反射进入第十一偏振分束器PBS11的第四端口，偏振态变为H。然后被法拉第反射镜FM1反射，偏振态变为V，进入第十一偏振分束器PBS11的第四端口被透射，最后从第十一偏振分束器PBS11的第二端口出射，偏振态为V。由于P11直接从第十一偏振分束器PBS11的第二端口出射，而P12两次经过单模光纤F1和F2，比P11延迟了T的时间，T为2(F1+F2)所对应的时间。
P11和P12经光纤信道和往返式编码模块返回正交偏振脉冲分束合束模块的第三端口后，偏振态分别变为V和H，相位差调制了
Figure 967449DEST_PATH_IMAGE072
。其中，V偏振的P11从PBS1的第二端口透射，然后依次被法拉第反射镜FM1反射、第十一偏振分束器PBS11反射、法拉第反射镜FM2反射、第十一偏振分束器PBS11透射，从第十一偏振分束器PBS11的第一端口出射，偏振变为H。H偏振的P12从第十一偏振分束器PBS11的第二端口反射进入第十一偏振分束器PBS11的第一端口，偏振变为V。P11和P12走过的光程相同，因此同时到达第十一偏振分束器PBS11的第一端口，合成一束光脉冲。与实施例一相同，再次经过45°偏振旋转之后，从正交偏振脉冲分束合束模块的第一端口输出的偏振态变为
Figure 377571DEST_PATH_IMAGE073
。同样的，从正交偏振脉冲分束合束模块的第二端口经反射后再次从第二端口出射的偏振也为
Figure 911320DEST_PATH_IMAGE074
。
上述正交偏振脉冲分束合束模块的实施例一至四中，由于Alice往返式编码模块以及Bob往返式编码模块的结构与原理相同，所以仅对Alice往返式编码模块的工作原理进行了描述。
综合本发明的结构与原理可知，本发明偏振编码测量设备无关量子密钥分发系统使用单个激光器，可消除两个激光器频率不一致的问题，提高贝尔测量的准确度。偏振态制备只与相位调制器所调制的相位有关，而与其他因素无关，不存在相位漂移，偏振态制备非常稳定，无需相位补偿模块。同时采用往返式结构，可自动补偿信道偏振变化，无需主动纠偏模块。因此，量子态制备与传输都非常稳定，整个系统不需要任何主动补偿，大大降低了系统的复杂度，提高了系统的稳定性和实用性。

Claims (6)

1.一种偏振编码测量设备无关量子密钥分发系统，包括测量端Charlie、Alice往返式编码模块以及Bob往返式编码模块，其特征在于，所述测量端Charlie包括脉冲激光器、贝尔态测量装置以及正交偏振脉冲分束合束模块，所述贝尔态测量装置包括分束器BS、环形器CIR、第一偏振分束器PBS1、第二偏振分束器PBS2以及四个单光子探测器SPD，所述正交偏振脉冲分束合束模块包括第一端口、第二端口、第三端口以及第四端口，所述脉冲激光器连接环形器CIR的一端口，所述环形器CIR的二端口连接分束器BS的一端口，所述环形器CIR的三端口连接第一偏振分束器PBS1的输入端，所述第一偏振分束器PBS1的两路输出端分别连接有一个单光子探测器SPD，所述分束器BS的二端口连接第二偏振分束器PBS2的输入端，所述第二偏振分束器PBS2的两路输出端分别连接有一个单光子探测器SPD，所述分束器BS的三端口、四端口对应连接正交偏振脉冲分束合束模块的第一端口、第二端口，所述正交偏振脉冲分束合束模块第三端口、第四端口对应连接Alice往返式编码模块以及Bob往返式编码模块。
2.如权利要求1所述偏振编码测量设备无关量子密钥分发系统，其特征在于，所述正交偏振脉冲分束合束模块包括四端口的第三偏振分束器PBS3和第四偏振分束器PBS4，二者构成不等臂马赫-曾德尔干涉仪，正交偏振脉冲分束合束模块的第一端口与第三偏振分束器PBS3的第一端口之间的保偏光纤进行45°熔接，正交偏振脉冲分束合束模块的第二端口与第三偏振分束器PBS3的第二端口之间的保偏光纤进行45°熔接，第四偏振分束器PBS4的第三端口和第四端口分别作为正交偏振脉冲分束合束模块的第三端口和第四端口。
3.如权利要求1所述偏振编码测量设备无关量子密钥分发系统，其特征在于，所述正交偏振脉冲分束合束模块包括三端口的第五偏振分束器PBS5、第六偏振分束器PBS6、第七偏振分束器PBS7和第八偏振分束器PBS8，所述第五偏振分束器PBS5和第六偏振分束器PBS6构成不等臂马赫-曾德尔干涉仪，第七偏振分束器PBS7和第八偏振分束器PBS8构成相同的不等臂马赫-曾德尔干涉仪，正交偏振脉冲分束合束模块的第一端口与第五偏振分束器PBS5的第一端口之间的保偏光纤进行45°熔接，正交偏振脉冲分束合束模块的第二端口与第七偏振分束器PBS7的第一端口之间的保偏光纤进行45°熔接，第六偏振分束器PBS6的第一端口和第八偏振分束器PBS8的第一端口分别作为正交偏振脉冲分束合束模块的第三端口和第四端口。
4.如权利要求1所述偏振编码测量设备无关量子密钥分发系统，其特征在于，所述正交偏振脉冲分束合束模块包括四端口的第九偏振分束器PBS9和第十偏振分束器PBS10，第九偏振分束器PBS9的第三端口和第四端口直接通过保偏光纤相连，构成第一萨格纳克环，第十偏振分束器PBS10的第三端口和第四端口直接通过保偏光纤相连，构成第二萨格纳克环，正交偏振脉冲分束合束模块的第一端口与第九偏振分束器PBS9的第一端口之间的保偏光纤进行45°熔接，正交偏振脉冲分束合束模块的第二端口与第十偏振分束器PBS10的第一端口之间的保偏光纤进行45°熔接，第九偏振分束器PBS9的第二端口和第十偏振分束器PBS10的第二端口分别作为正交偏振脉冲分束合束模块的第三端口和第四端口。
5.如权利要求1所述偏振编码测量设备无关量子密钥分发系统，其特征在于，所述正交偏振脉冲分束合束模块包括四端口的第十一偏振分束器PBS11、第十二偏振分束器PBS12、法拉第反射镜FM1、法拉第反射镜FM2、法拉第反射镜FM3、法拉第反射镜FM4，第十一偏振分束器PBS11的第三端口和第四端口分别通过单模光纤与法拉第反射镜FM2、法拉第反射镜FM1相连，第十二偏振分束器PBS12的第三端口和第四端口分别通过单模光纤与法拉第反射镜FM4、法拉第反射镜FM3相连，正交偏振脉冲分束合束模块的第一端口与第十一偏振分束器PBS11的第一端口之间的保偏光纤进行45°熔接，正交偏振脉冲分束合束模块的第二端口与第十二偏振分束器PBS12的第一端口之间的保偏光纤进行45°熔接，
第十一偏振分束器PBS11的第二端口和第十二偏振分束器PBS12的第二端口分别作为正交偏振脉冲分束合束模块的第三端口和第四端口。
6.如权利要求2至5中任一种所述偏振编码测量设备无关量子密钥分发系统，其特征在于，所述Alice往返式编码模块以及Bob往返式编码模块结构相同，均包括可调衰减器VOA、相位随机化模块PR、偏振分束器PBS、法拉第旋转器FR、相位调制器PM和强度调制器IM，可调衰减器VOA依次连接相位随机化模块PR、偏振分束器PBS，所述偏振分束器PBS依次与法拉第旋转器FR、相位调制器PM和强度调制器IM相连，且偏振分束器PBS与强度调制器IM首位相连构成萨格纳克环，两路可调衰减器VOA分别通过光纤信道连接正交偏振脉冲分束合束模块的第一端口、第二端口。
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