CN113872701B - 一种时间相位编码装置以及量子密钥分发系统 - Google Patents

一种时间相位编码装置以及量子密钥分发系统 Download PDF

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Abstract

一种时间相位编码装置，包括第一分束器BS1、第一相位调制器PM1、第二相位调制器PM2以及不等臂干涉仪，不等臂干涉仪包括第一端口和第二端口，不等臂干涉仪的第一端口和第二端口分别通过光纤A1和光纤A2对应与第一分束器BS1的第三端口和第二端口相连，构成萨格纳克环，第一相位调制器PM1和第二相位调制器PM2分别位于光纤A1和光纤A2上,本发明还提供了一种量子密钥分发系统。与现有技术相比，本发明采用萨格纳克环与不等臂干涉仪相结合的结构，通过分别对两个时间窗口模式进行相位调制来进行时间相位编码，同时可以实现信号态和诱骗态的制备。不仅可以实现稳定的时间相位编码，还可以同时完成信号态、诱骗态的稳定制备，无需额外的强度调制器以及相位补偿。

Description

一种时间相位编码装置以及量子密钥分发系统
技术领域
本发明涉及量子偏振编码技术领域，特别涉及一种时间相位编码装置以及量子密钥分发系统。
背景技术
量子密钥分发具有信息理论安全性，其安全性由量子力学的基本原理来保障，可以抵御来自量子计算机的威胁，在保密通信中具有重要作用。量子密钥分发（QKD）协议中最为成熟的是BB84协议，目前已经进入实用化阶段。QKD常用编码方式有偏振编码、相位编码以及时间相位编码。由于偏振态在光纤信道中极不稳定，因此偏振编码需要在接收端加入主动偏振补偿模块，增加了系统的复杂度和不稳定性。相位编码则具有较高的稳定性，但是由于传统相位编码QKD系统接收端损耗较大，导致系统成码率较低，且限制最远传输距离。而时间相位编码则采用一组时间基矢和一组相位基矢来编码，具有更高的稳定性，而且接收端损耗较小，具有较高的实用价值。
然而常规的时间相位编码方案一般采用不等臂干涉仪、强度调制器和相位调制器来进行编码，其中不等臂干涉仪用于产生具有时间差的双脉冲，强度调制器通过控制不同时间窗口的脉冲幅度来制备时间比特，相位调制器则用来调制前后两脉冲之间的相位差来进行相位编码。另外，需要复杂的驱动来控制强度调制器或者使用额外的强度调制器来制备诱骗态，具体的编码方案如图1所示。
常规的时间相位编码方案需要对前后两个脉冲分量分别进行强度调制和相位调制，对强度调制器和相位调制器的调制速率要求很高，编码准确度依赖于强度调制器的消光比。另外强度调制器对环境温度敏感，需要进行实时校准，增加了系统的复杂度。
发明内容
针对现有技术存在以上缺陷，本发明提供一种时间相位编码装置以及量子密钥分发系统如下：
本发明的技术方案是这样实现的：
一种时间相位编码装置，包括第一分束器BS1、第一相位调制器PM1、第二相位调制器PM2以及不等臂干涉仪，所述第一分束器BS1的第一端口和第四端口分别作为时间相位编码装置的输入端口In和输出端口Out；所述不等臂干涉仪包括第一端口和第二端口，所述不等臂干涉仪的第一端口和第二端口分别通过光纤A1和光纤A2对应与第一分束器BS1的第三端口和第二端口相连，构成用于产生两路传播方向相反、且具有时间差的前后子脉冲的萨格纳克环，所述第一相位调制器PM1和第二相位调制器PM2分别位于光纤A1和光纤A2上，用于对前后子脉冲进行相位调制。
优选地，所述不等臂干涉仪包括第二分束器BS2、第三分束器BS3和光纤延时线DL，所述第二分束器BS2和第三分束器BS3之间通过光纤L1和光纤L2相连构成不等臂马赫-曾德尔干涉仪，所述光纤L1为马赫-曾德尔干涉仪的短臂，所述光纤延时线DL位于光纤L2上，作为马赫-曾德尔干涉仪的长臂，所述第二分束器BS2和第三分束器BS3分别与光纤A1和光纤A2相连，所述不等臂马赫-曾德尔干涉仪用于将输入的光脉冲分成具有时间差且偏振相同的前后子脉冲。
优选地，所述第一分束器BS1的第一端口处的光纤进行45°熔接，所述不等臂干涉仪包括第一偏振分束器PBS1、第一法拉第反射镜FM1和第二法拉第反射镜FM2，所述第一偏振分束器PBS1的第一端口和第三端口分别与光纤A1和光纤A2相连，所述第一偏振分束器PBS1的第二端口和第四端口分别通过光纤L3和光纤L4与第一法拉第反射镜FM1和第二法拉第反射镜FM2相连，所述不等臂干涉仪用于将输入的光脉冲分成具有时间差且偏振相互垂直的前后子脉冲。
优选地，所述第一分束器BS1的第一端口处的光纤进行45°熔接，所述不等臂干涉仪包括第二偏振分束器PBS2，所述第二偏振分束器PBS2的第一端口和第三端口分别与光纤A1和光纤A2相连，所述第二偏振分束器PBS2的第二端口和第四端口通过光纤L5直接相连，所述不等臂干涉仪用于将输入的光脉冲分成具有时间差且偏振相互垂直的前后子脉冲。
优选地，所述第一分束器BS1为保偏分束器。
本发明还提供了一种量子密钥分发系统，包括时间相位编码装置，包括通过光纤信道连接的发射端Alice以及接收端Bob，所述时间相位编码装置设置在发射端Alice。
与现有技术相比，本发明有以下有益效果：
本发明时间相位编码装置以及量子密钥分发系统，采用萨格纳克环与不等臂干涉仪相结合的结构，通过分别对两个时间窗口模式进行相位调制来进行时间相位编码，同时可以实现信号态和诱骗态的制备。不仅可以实现稳定的时间相位编码，还可以同时完成信号态、诱骗态的稳定制备，无需额外的强度调制器以及相位补偿，且两个时间模式损耗一致，提升了系统的稳定性和实用性。
附图说明
图1为现有技术中时间相位编码的方案原理图；
图2为本发明时间相位编码装置的原理框图；
图3为本发明时间相位编码装置实施例一的原理框图；
图4为本发明时间相位编码装置实施例二的原理框图；
图5为本发明时间相位编码装置实施例三的原理框图；
图6为本发明量子密钥分发系统的原理框图。
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2所示，一种时间相位编码装置，用于量子密钥分发，包括第一分束器BS1、第一相位调制器PM1、第二相位调制器PM2以及不等臂干涉仪，其中所述第一分束器BS1的第一端口和第四端口分别作为时间相位编码装置的输入端口In和输出端口Out，用于将输入光脉冲进行分束和干涉输出，所述不等臂干涉仪包括第一端口和第二端口，所述第一端口作为输入端口时，第二端口为输出端口，所述第二端口作为输入端口时，第一端口为输出端口；所述不等臂干涉仪的第一端口和第二端口分别通过光纤A1和光纤A2与第一分束器BS1的第三端口和第二端口相连，构成萨格纳克环，用于产生两路传播方向相反、且具有时间差的前后子脉冲，所述萨格纳克环用于使两路传播方向相反的前后子脉冲分别具有相同的光程，所述第一相位调制器PM1和第二相位调制器PM2分别位于光纤A1和光纤A2上，用于对前后子脉冲进行相位调制。
具体时间相位编码与信号态、诱骗态制备过程如下：
水平偏振的光脉冲P0从输入端口In进入时间相位编码装置，首先被第一分束器BS1分成强度相等的两个脉冲分量P1和P2。P1分量被第一分束器BS1透射，沿光纤A1传播，经过第一相位调制器PM1时不调相，随后从不等臂干涉仪的第一端口进入，从第二端口输出，形成具有时间差为T的前后两个子脉冲P11和P12，并先后经过第二相位调制器PM2，其中P11经过第二相位调制器PM2时调制相位
Figure 160498DEST_PATH_IMAGE001
，P12经过第二相位调制器PM2时调制相位
Figure 693110DEST_PATH_IMAGE002
，先后回到第一分束器BS1。P2分量被第一分束器BS1反射，沿光纤A2传播，经过第二相位调制器PM2时不调相，随后从不等臂干涉仪的第二端口进入，从第一端口输出，形成前后两个子脉冲P21和P22，并先后经过第一相位调制器PM1，其中P21经过第一相位调制器PM1时调制相位
Figure 423169DEST_PATH_IMAGE003
，P12经过第一相位调制器PM1时调制相位
Figure 623206DEST_PATH_IMAGE004
，同样具有时间差T，最后先后返回到第一分束器BS1。P11和P21具有相同的传播时间，在第一分束器BS1处干涉后产生第一干涉脉冲，处于前一个时间窗口；P12和P22也具有相同的传播时间，在第一分束器BS1处干涉产生第二干涉脉冲，处于后一个时间窗口。所述第一干涉脉冲和第二干涉脉冲的时间差为T，从时间相位编码装置的输出端口Out输出。
其中，P11和P21分别沿逆时针和顺时针在萨格纳克环内传播，二者所走的光程相同，相位差仅与相位调制器调制的相位有关，为
Figure 695198DEST_PATH_IMAGE005
，在第一分束器BS1处干涉产生的第一干涉脉冲强度为
Figure 715107DEST_PATH_IMAGE006
M为干涉脉冲的归一化强度。P12和P22分别沿逆时针和顺时针在萨格纳克环内传播，二者的相位差为
Figure 983277DEST_PATH_IMAGE007
，在第一分束器BS1处干涉产生的第二干涉脉冲强度为
Figure 585291DEST_PATH_IMAGE008
需要制备强度为M的信号态时：
调制相位差
Figure 280714DEST_PATH_IMAGE009
时，第一干涉脉冲强度最大，第二干涉脉冲强度为0，即编码装置只输出第一干涉脉冲，位于前一个时间窗口，此时编码态为
Figure 53498DEST_PATH_IMAGE010
，相应的强度为M；调制相位差
Figure 610513DEST_PATH_IMAGE011
时，第一干涉脉冲强度0，第二干涉脉冲强度最大，即编码装置只输出第二干涉脉冲，位于后一个时间窗口，此时编码态为
Figure 581880DEST_PATH_IMAGE012
，相应的强度为M；调制相位差
Figure 448205DEST_PATH_IMAGE013
时，编码装置同时输出第一干涉脉冲和第二干涉脉冲，强度均为M/2，分别处于前后两个时间窗口，此时编码态为
Figure 193438DEST_PATH_IMAGE014
，相应的强度为M。当
Figure 803411DEST_PATH_IMAGE015
时，前后脉冲相位差为0，对应的编码态为
Figure 832547DEST_PATH_IMAGE016
；当
Figure 135352DEST_PATH_IMAGE017
时，前后脉冲相位差为π，对应的编码态为
Figure 164619DEST_PATH_IMAGE018
。
P11、P12、P21和P22分别经过第一相位调制器PM1和第二相位调制器PM2时所调制的相位与输出端口相应的输出结果以及信号态编码如表1所示。
表1 信号态编码表
Figure 578283DEST_PATH_IMAGE019
需要制备强度为N的诱骗态时：
调制相位差
Figure 461925DEST_PATH_IMAGE020
时，第一干涉脉冲强度为N，第二干涉脉冲强度为0，即编码装置只输出第一干涉脉冲，位于前一个时间窗口，此时编码态为
Figure 420785DEST_PATH_IMAGE021
，相应的强度为N。调制相位差
Figure 717774DEST_PATH_IMAGE022
时，第一干涉脉冲强度0，第二干涉脉冲强度为N，即编码装置只输出第二干涉脉冲，位于后一个时间窗口，此时编码态为
Figure 154703DEST_PATH_IMAGE023
，相应的强度为N。当调制相位差
Figure 158431DEST_PATH_IMAGE024
时，编码装置同时输出第一干涉脉冲和第二干涉脉冲，强度均为N/2，分别处于前后两个时间窗口，此时编码态为
Figure 599777DEST_PATH_IMAGE025
，相应的强度为N。当
Figure 806898DEST_PATH_IMAGE026
时，前后脉冲相位差为0，对应的编码态为
Figure 562365DEST_PATH_IMAGE027
；当
Figure 155020DEST_PATH_IMAGE028
时，前后脉冲相位差为π，对应的编码态为
Figure 704950DEST_PATH_IMAGE029
。
P11、P12、P21和P22分别经过第一相位调制器PM1和第二相位调制器PM2时所调制的相位与输出端口相应的输出结果以及诱骗态编码如表2所示。
表2 诱骗态编码表
Figure 399368DEST_PATH_IMAGE030
由上述分析可知，通过对第一相位调制器PM1和第二相位调制器PM2加载不同的电压，可以实现稳定的时间相位编码和信号态、诱骗态制备。
如图3所示，本发明时间相位编码装置实施例一：
所述时间相位编码装置的结构为：所述不等臂干涉仪包括第二分束器BS2、第三分束器BS3和光纤延时线DL，所述第二分束器BS2和第三分束器BS3通过光纤L1和L2相连，构成不等臂马赫-曾德尔干涉仪，所述光纤L1为马赫-曾德尔干涉仪的短臂，所述光纤延时线DL位于光纤L2上，作为马赫-曾德尔干涉仪的长臂，所述第二分束器BS2和第三分束器BS3分别与光纤A1和光纤A2相连，所述不等臂马赫-曾德尔干涉仪用于将输入的光脉冲分成具有时间差且偏振相同的前后子脉冲。
实施例一时间相位编码过程包括为：
水平偏振的光脉冲P0从输入端口In进入时间相位编码装置，首先被第一分束器BS1分成强度相等的两个脉冲分量P1和P2。所述脉冲分量P1沿光纤A1传播，从第二分束器BS2进入不等臂马赫-曾德尔干涉仪，被第二分束器BS2分成强度相同的两个子脉冲P11和P12，其中P11沿不等臂马赫-曾德尔干涉仪的短臂L1传播，P12沿不等臂马赫-曾德尔干涉仪的长臂L2传播，并经第三分束器BS3合束后沿光纤A2传播，由于不等臂赫-曾德尔干涉仪的长短臂长度存在差异，P11和P12之间具有时间差T。P11和P12先后经过第二相位调制器PM2，分别调制相位
Figure 958525DEST_PATH_IMAGE031
和
Figure 671266DEST_PATH_IMAGE032
。
所述脉冲分量P2沿光纤A2传播，从第三分束器BS3进入不等臂马赫-曾德尔干涉仪，被第三分束器BS3分成强度相同的两个子脉冲P21和P22，其中P21沿不等臂马赫-曾德尔干涉仪的短臂L1传播，P22沿不等臂马赫-曾德尔干涉仪的长臂L2传播，并经第二分束器BS2合束后沿光纤A1传播。P11和P12之间同样具有时间差T，先后经过第二相位调制器PM2，分别调制相位
Figure 939567DEST_PATH_IMAGE033
和
Figure 370549DEST_PATH_IMAGE034
。
P11和P21所走的路径相同，具有相同的传播时间，在第一分束器BS1处干涉后产生第一干涉脉冲，处于前一个时间窗口；P12和P22也具有相同的传播时间，在第一分束器BS1处干涉产生第二干涉脉冲，处于后一个时间窗口。所述第一干涉脉冲和第二干涉脉冲的时间差为T，从时间相位编码装置的输出端口Out输出。
根据表1和表2调制P11、P12、P21和P22的相位，可以完成时间相位编码和信号态、诱骗态制备。
如图4所示，本发明时间相位编码装置实施例二：
所述时间相位编码装置的结构为：所述第一分束器BS1的第一端口处的光纤进行45°熔接，所述不等臂干涉仪包括第一偏振分束器PBS1、第一法拉第反射镜FM1和第二法拉第反射镜FM2，所述第一偏振分束器PBS1的第一端口和第三端口分别与光纤A1和光纤A2相连，第二端口和第四端口分别通过光纤L3和光纤L4与第一法拉第反射镜FM1和第二法拉第反射镜FM2相连，所述不等臂干涉仪用于将输入的光脉冲分成具有时间差且偏振相互垂直的前后子脉冲，所述第一相位调制器PM1和第二相位调制器PM2支持双偏振工作。
实施例二时间相位编码过程包括为：
水平偏振的光脉冲P0从输入端口In进入时间相位编码装置，首先偏振态旋转45°，被第一分束器BS1分成强度相等的两个脉冲分量P1和P2，二者均为45°偏振态。所述脉冲分量P1沿光纤A1传播，经过第一相位调制器PM1时不调相。P1随后进入第一偏振分束器PBS1，被分解为水平偏振分量P11和竖直偏振分量P12。其中P11透射，从第一偏振分束器PBS1的第三端口出射，沿保偏光纤A2的慢轴传播，经过第二相位调制器PM2时调制相位
Figure 467818DEST_PATH_IMAGE035
，最后到达第一分束器BS1；P12反射，从第一偏振分束器PBS1的第二端口出射，沿保偏光纤L3的慢轴到达第一法拉第反射镜FM1，经反射之后偏振旋转90°，沿保偏光纤L3的快轴传播，随后被第一偏振分束器PBS1透射到第四端口，沿保偏光纤L4的快轴到达第二法拉第反射镜FM2，经反射之后偏振旋转90°，沿保偏光纤L4的慢轴传播，被第一偏振分束器PBS1反射到第三端口出射，沿保偏光纤A2的快轴传播，经过第二相位调制器PM2时调制相位
Figure 35065DEST_PATH_IMAGE036
，最后到达第一分束器BS1。由于P12比P11的光程多2(L3+L4)，即所述不等臂干涉仪的臂长差，因此二者的时间差为T=2(L3+L4)/c，其中c为光纤中的光速，L3和L4分别为光纤L3和L4的长度。
所述脉冲分量P2沿光纤A2传播，经过第二相位调制器PM2时不调相。P2随后进入第一偏振分束器PBS1，被分解为水平偏振分量P21和竖直偏振分量P22，分别沿保偏光纤的慢轴和快轴传播。其中P21透射，从第一偏振分束器PBS1的第一端口出射，沿保偏光纤A1的慢轴传播，经过第一相位调制器PM1时调制相位
Figure 677530DEST_PATH_IMAGE037
，最后到达第一分束器BS1；P22反射，从第一偏振分束器PBS1的第四端口出射，沿保偏光纤L4的慢轴到达第二法拉第反射镜FM2，经反射之后偏振旋转90°，沿保偏光纤L4的快轴传播，随后被第一偏振分束器PBS1透射到第二端口，沿保偏光纤L3的快轴到达第一法拉第反射镜FM1，经反射之后偏振旋转90°，沿保偏光纤L3的慢轴传播，被第一偏振分束器PBS1反射到第一端口出射，沿保偏光纤A1的快轴传播，经过第一相位调制器PM1时调制相位
Figure 595808DEST_PATH_IMAGE038
，最后到达第一分束器BS1。同样，由于P22比P21的光程多2(L3+L4)，二者的时间差为T=2(L3+L4)/c。
P11和P21具有相同的传播时间，在第一分束器BS1处干涉后产生第一干涉脉冲，处于前一个时间窗口；P12和P22也具有相同的传播时间，在第一分束器BS1处干涉产生第二干涉脉冲，处于后一个时间窗口。所述第一干涉脉冲和第二干涉脉冲的时间差为T，从时间相位编码装置的输出端口Out输出。
根据表1和表2调制P11、P12、P21和P22的相位，可以完成时间相位编码和信号态、诱骗态制备。
如图5所示，本发明时间相位编码装置实施例三：
所述时间相位编码装置的结构为：所述第一分束器BS1的第一端口处的光纤进行45°熔接，所述不等臂干涉仪包括第二偏振分束器PBS2，所述第二偏振分束器PBS2的第一端口和第三端口分别与光纤A1和光纤A2相连，第二端口和第四端口通过光纤L5直接相连，所述不等臂干涉仪用于将输入的光脉冲分成具有时间差且偏振相互垂直的前后子脉冲，所述第一相位调制器PM1和第二相位调制器PM2支持双偏振工作。
实施例三时间相位编码过程包括为：
水平偏振的光脉冲P0从输入端口In进入时间相位编码装置，首先偏振态旋转45°，被第一分束器BS1分成强度相等的两个脉冲分量P1和P2，二者均为45°偏振态。所述脉冲分量P1沿光纤A1传播，经过第一相位调制器PM1时不调相。P1随后进入第二偏振分束器PBS2，被分解为水平偏振分量P11和竖直偏振分量P12。其中P11透射，从第二偏振分束器PBS2的第三端口出射，沿保偏光纤A2的慢轴传播，经过第二相位调制器PM2时调制相位
Figure 293505DEST_PATH_IMAGE039
，最后到达第一分束器BS1；P12反射，从第二偏振分束器PBS2的第二端口出射，沿保偏光纤L5的慢轴顺时针传播到达第二偏振分束器PBS2的第四端口，随后被第二偏振分束器PBS2反射到第三端口出射，沿保偏光纤A2的快轴传播，经过第二相位调制器PM2时调制相位
Figure 465992DEST_PATH_IMAGE040
，最后到达第一分束器BS1。由于P12比P11的光程多L5，即所述不等臂干涉仪的臂长差，因此二者的时间差为T=L5/c，c为光纤中的光速，L5为光纤L5的长度。
所述脉冲分量P2沿光纤A2传播，经过第二相位调制器PM2时不调相。P2随后进入第二偏振分束器PBS2，被分解为水平偏振分量P21和竖直偏振分量P22。其中P21透射，从第二偏振分束器PBS2的第一端口出射，沿保偏光纤A1的慢轴传播，经过第一相位调制器PM1时调制相位
Figure 794205DEST_PATH_IMAGE041
，最后到达第一分束器BS1；P22反射，从第二偏振分束器PBS2的第四端口出射，沿保偏光纤L5的慢轴逆时针传播到达第二偏振分束器PBS2的第二端口，被第二偏振分束器PBS2反射到第一端口出射，沿保偏光纤A1的快轴传播，经过第一相位调制器PM1时调制相位
Figure 934199DEST_PATH_IMAGE042
，最后到达第一分束器BS1。同样，由于P22比P21的光程多L5，二者的时间差为T=L5/c。
P11和P21具有相同的传播时间，在第一分束器BS1处干涉后产生第一干涉脉冲，处于前一个时间窗口；P12和P22也具有相同的传播时间，在第一分束器BS1处干涉产生第二干涉脉冲，处于后一个时间窗口。所述第一干涉脉冲和第二干涉脉冲的时间差为T，从时间相位编码装置的输出端口Out输出。
根据表1和表2调制P11、P12、P21和P22的相位，可以完成时间相位编码和信号态、诱骗态制备。
如图6所示，本发明还公开了一种时间相位编码量子密钥分发系统，包括发射端Alice和接收端Bob。发射端Alice中可以包括上述时间相位编码装置中的任何一种，所述发射端Alice中，所述时间相位编码装置的输入端口和输出端口分别连接激光器LD和可调衰减器VOA，所述可调衰减器VOA通过光纤信道连接接收端Bob。所述接收端Bob包括用于被动选基的第四分束器BS4，用于测量前后脉冲相位差的不等臂干涉仪以及用于探测量子态的单光子探测器。
综合本发明的结构与原理可知，本发明提出一种时间相位编码装置以及量子密钥分发系统，采用萨格纳克环与不等臂干涉仪相结合的结构，通过分别对两个时间窗口模式进行相位调制来进行时间相位编码，同时可以实现信号态和诱骗态的制备。不仅可以实现稳定的时间相位编码，还可以同时完成信号态、诱骗态的稳定制备，无需额外的强度调制器以及相位补偿，且两个时间模式损耗一致，提升了系统的稳定性和实用性。

Claims (6)

1.一种时间相位编码装置，其特征在于，包括第一分束器BS1、第一相位调制器PM1、第二相位调制器PM2以及不等臂干涉仪，所述第一分束器BS1的第一端口和第四端口分别作为时间相位编码装置的输入端口In和输出端口Out；所述不等臂干涉仪包括第一端口和第二端口，所述不等臂干涉仪的第一端口和第二端口分别通过光纤A1和光纤A2对应与第一分束器BS1的第三端口和第二端口相连，构成用于产生两路传播方向相反、且具有时间差的前后子脉冲的萨格纳克环，所述第一相位调制器PM1和第二相位调制器PM2分别位于光纤A1和光纤A2上，用于对前后子脉冲进行相位调制。
2.如权利要求1所述时间相位编码装置，其特征在于，所述不等臂干涉仪包括第二分束器BS2、第三分束器BS3和光纤延时线DL，所述第二分束器BS2和第三分束器BS3之间通过光纤L1和光纤L2相连构成不等臂马赫-曾德尔干涉仪，所述光纤L1为马赫-曾德尔干涉仪的短臂，所述光纤延时线DL位于光纤L2上，作为马赫-曾德尔干涉仪的长臂，所述第二分束器BS2和第三分束器BS3分别与光纤A1和光纤A2相连，所述不等臂马赫-曾德尔干涉仪用于将输入的光脉冲分成具有时间差且偏振相同的前后子脉冲。
3.如权利要求1所述时间相位编码装置，其特征在于，所述第一分束器BS1的第一端口处的光纤进行45°熔接，所述不等臂干涉仪包括第一偏振分束器PBS1、第一法拉第反射镜FM1和第二法拉第反射镜FM2，所述第一偏振分束器PBS1的第一端口和第三端口分别与光纤A1和光纤A2相连，所述第一偏振分束器PBS1的第二端口和第四端口分别通过光纤L3和光纤L4与第一法拉第反射镜FM1和第二法拉第反射镜FM2相连，所述不等臂干涉仪用于将输入的光脉冲分成具有时间差且偏振相互垂直的前后子脉冲。
4.如权利要求1所述时间相位编码装置，其特征在于，所述第一分束器BS1的第一端口处的光纤进行45°熔接，所述不等臂干涉仪包括第二偏振分束器PBS2，所述第二偏振分束器PBS2的第一端口和第三端口分别与光纤A1和光纤A2相连，所述第二偏振分束器PBS2的第二端口和第四端口通过光纤L5直接相连，所述不等臂干涉仪用于将输入的光脉冲分成具有时间差且偏振相互垂直的前后子脉冲。
5.如权利要求1所述时间相位编码装置，其特征在于，所述第一分束器BS1为保偏分束器。
6.一种量子密钥分发系统，包括权利要求1至5中任意一种时间相位编码装置，其特征在于，包括通过光纤信道连接的发射端Alice以及接收端Bob，所述时间相位编码装置设置在发射端Alice。
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Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114285572B (zh) * 2022-03-03 2022-06-14 杭州慧明量子通信技术有限公司 一种参考系无关量子密钥分发编码装置
CN114465725B (zh) * 2022-04-11 2022-07-01 北京中科国光量子科技有限公司 一种量子密钥分发编码装置
CN114460692B (zh) * 2022-04-12 2022-07-01 浙江九州量子信息技术股份有限公司 一种偏振无关光路径调节装置
CN117614552B (zh) * 2024-01-24 2024-03-22 北京中科国光量子科技有限公司 一种偏振不敏感共轭零差探测装置

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107979463A (zh) * 2018-01-22 2018-05-01 中国科学技术大学 一种相位编解码器和量子密钥分配系统
CN110324145A (zh) * 2019-08-08 2019-10-11 赵义博 一种偏振无关的相位编码量子密钥分发系统及方法
CN110620651A (zh) * 2018-07-10 2019-12-27 科大国盾量子技术股份有限公司 基于萨格奈克干涉仪的时间相位编码装置及量子密钥分发系统
CN110649977A (zh) * 2019-09-23 2020-01-03 国开启科量子技术(北京)有限公司 一种量子通信时间相位编码装置、方法及密钥分发系统

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2553358B (en) * 2016-09-05 2022-09-14 Kets Quantum Security Ltd Optical interferometer apparatus and method
GB2571521B (en) * 2018-02-22 2021-07-07 Toshiba Kk A transmitter for a quantum communication system, a quantum communication system and a method of generating intensity modulated Photon pulses

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107979463A (zh) * 2018-01-22 2018-05-01 中国科学技术大学 一种相位编解码器和量子密钥分配系统
CN110620651A (zh) * 2018-07-10 2019-12-27 科大国盾量子技术股份有限公司 基于萨格奈克干涉仪的时间相位编码装置及量子密钥分发系统
CN110324145A (zh) * 2019-08-08 2019-10-11 赵义博 一种偏振无关的相位编码量子密钥分发系统及方法
CN110649977A (zh) * 2019-09-23 2020-01-03 国开启科量子技术(北京)有限公司 一种量子通信时间相位编码装置、方法及密钥分发系统

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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相位编码量子密钥分发系统设计研究;杨阳;《中国优秀博硕士学位论文全文数据库（博士） 基础科学辑 2016年第04期》;20160415;全文 *

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