CN114244512B - 双色偏振纠缠源、地空密钥共享系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双色偏振纠缠源、地空密钥共享系统及方法，双色偏振纠缠源包括：激光器，用于产生泵浦光；转换模块，用于在泵浦光的作用下采用周期极化铌酸锂直波导产生偏振纠缠光子对，分离偏振纠缠光子对生成第一输出光子和第二输出光子；本发明在纠缠光子的产生过程中，采用周期极化铌酸锂代替传统块状晶体，引入消色差非球面透镜组，第一非球面透镜用于对偏振光进行聚焦耦合进铌酸锂晶体，第二非球面透镜输出准直光束，提高了纠缠光子对的产生效率。

Description

双色偏振纠缠源、地空密钥共享系统及方法

技术领域

本发明涉及量子保密通信技术领域，特别涉及一种双色偏振纠缠源、地空密钥共享系统及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

采用量子密钥分发技术和一次一密的加密方法，可以在公开信道实现信息的安全传输。量子物理学中海森堡不确定关系、未知量子态不可克隆定理在原理上保证了量子密钥共享的无条件安全。采用光纤信道的量子密钥分发方案已经大规模应用，自由空间信道的星地量子密钥分发可行性也被证实。空间飞行器(如空间站、卫星)无法通过光纤实现与地面节点的连接，信号必须通过自由空间传输。自由空间量子通信波长的选择需要考虑其在大气中的透过率、背景光辐射、单光子探测器的探测效率等。目前发展成熟的适合空间目标搭载的硅基单光子探测器在800nm波长附近的探测效率可以达到65％，并且800nm左右的光大气吸收率较低，因此800nm左右的波长通常被用作自由空间量子密钥分发的波段，光纤量子通信一般采用1550nm的光信号，自由空间量子通信和光纤量子通信采用的波长并不相同。

目前要实现地面网络节点与空间目标的密钥共享，必须在可信中继地面站节点进行波长转换，可信地面站接收空间目标发送的波长为800nm左右的量子信号并解码，然后发送1550nm的信号进入地面光纤网络，密钥在可信中继地面站节点是以明文方式呈现的，存在失密风险。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种双色偏振纠缠源、地空密钥共享系统及方法，无需借助可信中继节点即可实现空间目标与地面网络节点之间的密钥共享，提高了密钥共享的安全性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明第一方面提供了一种双色偏振纠缠源。

一种双色偏振纠缠源，包括：

激光器，用于产生泵浦光；

转换模块，用于在泵浦光的作用下采用周期极化铌酸锂直波导产生偏振纠缠光子对，分离偏振纠缠光子对生成第一输出光子和第二输出光子。

进一步的，所述转换模块还包括第一消色差非球面透镜组和第二消色差非球面透镜组，每组消色差非球面透镜组均包括第一非球面透镜和第二非球面透镜，第一非球面透镜用于将泵浦光耦合进周期极化铌酸锂直波，第二非球面透镜用于将关联光子对准直输出。

更进一步的，激光器产生的泵浦光通过第一偏振控制器后通过第一偏振分束器分成两路，第一路光经过第二偏振控制器后进入第一消色差非球面透镜组的第一非球面透镜，第二路光经过第一反射镜反射后进入第二消色差非球面透镜组的第一非球面透镜。

更进一步的，第二偏振控制器件用于将第一路光的偏振旋转90°。

进一步的，第一消色差非球面透镜组的第二非球面透镜输出的第一关联光子对依次经过第一滤波器和第二反射镜后进入第二偏振分束器；

第二消色差非球面透镜组的第二非球面透镜输出的第二关联光子对依次经过第三偏振控制器和第二滤波器进入第二偏振分束器；

第一关联光子对和第二关联光子对在第二偏振分束器中干涉，生成偏振纠缠光子对，分离偏振纠缠光子对生成第一输出光子和第二输出光子。

更进一步的，第三偏振控制器用于将第二关联光子对的偏振旋转90°。

本发明第二方面提供了一种基于双色偏振纠缠源的地空密钥共享系统。

一种基于双色偏振纠缠源的地空密钥共享系统，包括地面光纤链路、自由空间链路和第一方面所述的双色偏振纠缠源；

第一输出光子经地面光纤链路传输到地面通信客户端；

第一输出光子经自由空间链路传输到空间通信客户端。

进一步的，地面光纤链路，包括：依次通信连接的光纤耦合器、量子路由器或交换机以及地面通信客户端。

进一步的，自由空间链路，包括：依次通信连接的扩束装置、量子卫星地面站以及空间通信客户端。

本发明第二方面提供了一种基于双色偏振纠缠源的地空密钥共享方法。

一种基于双色偏振纠缠源的地空密钥共享方法，利用第一方面所述的双色偏振纠缠源，或者利用第二方面所述的基于双色偏振纠缠源的地空密钥共享系统，包括以下过程：

地面通信客户端接收到第一输出光子，空间通信客户端接收到第二输出光子；

地面通信客户端和空间通信客户端分别对接收到的光子进行检测，协商出共享密钥。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明通过采用双色偏振纠缠源分发不同波长的纠缠光子以满足光纤信道和自由空间信道通信需要不同波长的需求，在不借助可信中继的条件下，实现了地面任意节点和空间飞行目标之间的密钥共享，提高了密钥在共享过程中的安全性。

2、在纠缠光子的产生过程中，采用周期极化铌酸锂代替传统块状晶体，引入消色差非球面透镜组，第一非球面透镜用于对偏振光进行聚焦耦合进铌酸锂晶体，第二非球面透镜输出准直光束，提高了纠缠光子对的产生效率。

3、本发明采用基于周期极化铌酸锂直波导产生纠缠光子对，相较于采用传统晶体，优化了空间模式，便于后续光子对的收集，可以实现光子对高效收集。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例1提供的双色偏振纠缠源的结构示意图。

图2为本发明实施例2提供的基于双色偏振纠缠源的地空密钥共享系统的示意图。

其中，方框a部分为三色纠缠源，方框b部分为地面光纤链路，方框c部分为自由空间链路；

1、泵浦光；2、第一偏振控制器；3、第一偏振分束器；4、第二偏振控制器；5、第一消色差非球面透镜组；6、第一周期极化铌酸锂直波导；7、第一滤波器；8、第二反射镜；9、第一反射镜；10、第二消色差非球面透镜组；11第二周期极化铌酸锂直波导；12、第三偏振控制器；13、第二滤波器；14、第二偏振分束器；15、光纤耦合器；16、量子路由器或交换机；17、地面通信客户端Alice；18、扩束装置；19、量子卫星地面站；20、空间通信客户端Bob。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1：

如图1所示，本发明实施例1提供了一种一种双色偏振纠缠源，包括：

泵浦激光器1，用于产生泵浦光；

偏振控制器(包括第一偏振控制器2、第二偏振控制器4和第三偏振控制器12)，用于控制光的偏振态；

滤波器(包括第一滤波器7和第二滤波器13)，用于滤除泵浦光；

消色差非球面透镜组(包括第一消色差非球面透镜组5和第二消色差非球面透镜组10)，用于将泵浦光耦合进铌酸锂波导，并将关联光子对准直输出，每组透镜组包含两组非球面透镜(第一非球面透镜和第二非球面透镜)，第一非球面透镜把光耦合进晶体，第二非球面透镜进行准直输出。

周期极化铌酸锂直波导(包括第一周期极化铌酸锂直波导6和第二周期极化铌酸锂直波导11)，用于通过非简并参量下转换产生双色纠缠光子对，相较于采用传统晶体，优化了空间模式，便于后续光子对的收集，可以实现光子对高效收集。

第一偏振分束器3，用于泵浦光的分束；

第二偏振分束器14，用于第一关联光子对和第二关联光子对干涉后的分离输出。

通过本实施例所述的双色偏振纠缠源能够生成两种波长的偏振光子对。

具体的，泵浦激光器1产生的偏振光通过第一偏振控制器2调整偏振，保证产生光子对处于最大纠缠态；

然后经第一偏振分束器3被分为两束，其中一路光通过第二偏振控制器件将偏振旋转90°，然后经与第二偏振控制器在同一光轴上的第一消色差非球面透镜组5的第一非球面透镜耦合，进入第一周期极化铌酸锂直波导6，通过非简并参量下转换过程，产生第一关联光子对；

第一关联光子对依次经过第一滤波器7和第二反射镜8后进入第二偏振分束器14；

另一路光经第一反射镜9后经第二消色差非球面透镜组10的第一非球面透镜耦合，进入第二周期极化铌酸锂直波导11，产生第二关联光子对，第二关联光子对通过第三偏振控制器12实现偏振旋转90°后，通过第二滤波器13进入第二偏振分束器14.

第一关联光子对和第二关联光子对在第二偏振分束器14进行干涉，生成偏振纠缠光子对，一路输出1550nm的光子，一路输出800nm的光子，1550nm的光子用于经地面光纤链路传输至地面通信客户端，800nm的光子用于经过卫星地面站通过自由空间链路传输至空间通信客户端。

实施例2：

如图2所示，本发明实施例2提供了一种基于双色偏振纠缠源的地空密钥共享系统，包括地面光纤链路b、自由空间链路c和实施例1所述的双色偏振纠缠源a；

第一输出光子经地面光纤链路传输到地面通信客户端；

第一输出光子经自由空间链路传输到空间通信客户端。

地面光纤链路，包括：依次通信连接的光纤耦合器15、量子路由器或交换机16以及地面通信客户端Alice17。

自由空间链路，包括：依次通信连接的扩束装置18、量子卫星地面站19以及空间通信客户端Bob20。

具体的，提供如下优选的示例：

当泵浦光采用532nm的光时，纠缠光子对产生过程如下所述：泵浦光通过第一偏振控制器控制偏振态以保证产生光子对处于最大纠缠态，然后通过第一偏振分束器被分为两路；

第一路光通过第二偏振控制器件后，偏振旋转90°，入射进入第一周期极化铌酸锂直波导发生II型非简并自发参量下转换过程：|V>532→|V>810|H>1550；

第二路光入射进入第二周期极化铌酸锂直波导，发生II型非简并自发参量下转换过程：|V>532→|V>810|H>1550；

第二关联光子对通过第三偏振控制器，偏振旋转90°后，变为|V>1550|H>810；

两路光经滤波后，同时到达第二偏振分束器，发生干涉生成偏振纠缠光子对过程：其中|V>表示竖直偏振态，|H>表示水平偏振态。

纠缠源产生的1550nm光子经过光纤耦合器耦合入光纤，经量子路由器路由至需要与空间飞行器建立保密通信的地面客户端，自由空间信道传输的光子经过扩束装置扩束后，通过量子通信地面站发送至空间飞行器客户端。地面通信客户端和空间飞行器客户端分别对接收到的光子进行检测，由此双方便可以协商出共享密钥，从而实现地面任意量子节点与空间飞行目标的密钥共享。

实施例3：

本发明实施例3提供了一种基于双色偏振纠缠源的地空密钥共享方法，利用实施例1所述的双色偏振纠缠源，或者利用实施例2所述的基于双色偏振纠缠源的地空密钥共享系统，包括以下过程：

S1：选取合适波长的泵浦光源，波长满足准相位匹配条件，能同时产生匹配光纤信道和自由空间信道传输所需波长的纠缠光子对。

S2：将泵浦光注入双色偏振纠缠源，产生纠缠光子对，处于纠缠态的光子分别通过光纤信道和量子通信地面站传输至地面通信客户端(Alice)空间通信客户端(Bob)。

S3：通过以上过程，通信客户端(Alice)和空间飞行器(Bob)共享一个纠缠态，通信双方通过纠缠分发协议实现窃听者的检测和密钥共享过程。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种双色偏振纠缠源，其特征在于：

包括：

激光器，用于产生泵浦光；

转换模块，用于在泵浦光的作用下采用周期极化铌酸锂直波导产生偏振纠缠光子对，分离偏振纠缠光子对生成第一输出光子和第二输出光子；

所述转换模块还包括第一消色差非球面透镜组和第二消色差非球面透镜组，每组消色差非球面透镜组均包括第一非球面透镜和第二非球面透镜，第一非球面透镜用于将泵浦光耦合进周期极化铌酸锂直波，第二非球面透镜用于将关联光子对准直输出；

具体的，第一消色差非球面透镜组的第二非球面透镜输出的第一关联光子对依次经过第一滤波器和第二反射镜后进入第二偏振分束器；

第二消色差非球面透镜组的第二非球面透镜输出的第二关联光子对依次经过第三偏振控制器和第二滤波器进入第二偏振分束器；

第一关联光子对和第二关联光子对在第二偏振分束器中干涉，生成偏振纠缠光子对，分离偏振纠缠光子对生成第一输出光子和第二输出光子。

2.如权利要求1所述的双色偏振纠缠源，其特征在于：

激光器产生的泵浦光通过第一偏振控制器后通过第一偏振分束器分成两路，第一路光经过第二偏振控制器后进入第一消色差非球面透镜组的第一非球面透镜，第二路光经过第一反射镜反射后进入第二消色差非球面透镜组的第一非球面透镜。

3.如权利要求2所述的双色偏振纠缠源，其特征在于：

第二偏振控制器件用于将第一路光的偏振旋转90°。

4.如权利要求1任一项所述的双色偏振纠缠源，其特征在于：

第三偏振控制器用于将第二关联光子对的偏振旋转90°。

5.一种基于双色偏振纠缠源的地空密钥共享系统，其特征在于：

包括地面光纤链路、自由空间链路和权利要求1-3任一项所述的双色偏振纠缠源；

第一输出光子经地面光纤链路传输到地面通信客户端；

第一输出光子经自由空间链路传输到空间通信客户端。

6.如权利要求5所述的基于双色偏振纠缠源的地空密钥共享系统，其特征在于：

地面光纤链路，包括：依次通信连接的光纤耦合器、量子路由器或交换机以及地面通信客户端。

7.如权利要求5所述的基于双色偏振纠缠源的地空密钥共享系统，其特征在于：

自由空间链路，包括：依次通信连接的扩束装置、量子卫星地面站以及空间通信客户端。

8.一种基于双色偏振纠缠源的地空密钥共享方法，其特征在于：

利用权利要求1-4任一项所述的双色偏振纠缠源，或者利用权利要求5-7任一项所述的基于双色偏振纠缠源的地空密钥共享系统，包括以下过程：

地面通信客户端接收到第一输出光子，空间通信客户端接收到第二输出光子；

地面通信客户端和空间通信客户端分别对接收到的光子进行检测，协商出共享密钥。