CN114285572A - 一种参考系无关量子密钥分发编码装置 - Google Patents

Abstract

一种参考系无关量子密钥分发编码装置，包括激光器LD、光路选择模块、第一分束器BS1、偏振分束器PBS、四分之一波片QWP以及合束器BC，激光器LD与光路选择模块的第一端口相连，光路选择模块分别连接合束器BC、第一分束器BS1、第一分束器BS1、偏振分束器PBS，其中所述光路选择模块的第五端口与偏振分束器PBS的第二端口之间的保偏光纤进行90°熔接，所述第一分束器BS1与偏振分束器PBS构成不等臂马赫曾德尔干涉仪。与现有技术相比，本发明无需强度调制器和相位调制器，即可制备出6种参考系无关协议要求的编码态，易于通过偏振选择来进行Z基的探测，降低了对单光子探测器速率的要求，提升了系统的稳定性和实用性，降低编码装置的成本和复杂度。

Description

一种参考系无关量子密钥分发编码装置

技术领域

本发明涉及量子相位编码技术领域，特别涉及一种参考系无关量子密钥分发编码装置。

背景技术

量子密钥分发（quantum key distribution，QKD）可以为远距离的通信双方提供无条件安全的密钥分发，其信息理论安全性由量子力学的基本原理来保障。BB84协议是第一个被提出的量子密钥分发协议，具有较高的成熟度。BB84协议常用的编码方式为偏振编码、相位编码以及时间相位编码。然而由于光纤信道存在双折射效应，容易受环境影响导致光子偏振态随机变化，偏振编码方式不够稳定，同时相位编码、时间相位编码也易受环境影响存在相位漂移等问题，即都存在收发双方参考系不一致的问题。因此研究者提出了参考系无关协议，具有非常强的环境适应性，能够在偏振扰动、相位漂移等导致的参考系不一致的情况下仍然能够正常工作。

参考系无关协议编码需要能够同时制备三组基矢，X基、Y基和Z基，常规的编码方式通过强度调制器制备Z基，即前、后时间窗的时间态|0>、|1>，采用相位调制器来调制前、后时间窗之间的4种相位差。但是，强度调制器易受环境温度变化的影响导致消光比下降，需要进行实时跟踪补偿。相位调制器存在较高的插入损耗和成本较高，且调节4种相位需要对其加载4种电压，增加了系统的成本和复杂度。

发明内容

针对现有技术存在以上缺陷，本发明提出一种参考系无关量子密钥分发编码装置，用以解决现有技术中量子密钥分发系统强度调制器不稳定、对相位调制器驱动电路要求高、成本和复杂度高等技术缺陷。

本发明提供一种参考系无关量子密钥分发编码装置如下：

本发明的技术方案是这样实现的：

一种参考系无关量子密钥分发编码装置，包括激光器LD、光路选择模块、第一分束器BS1、偏振分束器PBS、四分之一波片QWP以及合束器BC，激光器LD与光路选择模块的第一端口相连，光路选择模块的第二端口至第八端口分别对应连接合束器BC的第一端口、第一分束器BS1的第一端口、第一分束器BS1的第二端口、偏振分束器PBS的第二端口、偏振分束器PBS的第一端口、合束器BC的第二端口以及合束器的第三端口，其中所述光路选择模块的第五端口与偏振分束器PBS的第二端口之间的保偏光纤进行90°熔接，光路选择模块的第七端口与合束器BC的第二端口之间连有四分之一波片QWP，其光轴与保偏光纤慢轴对准，夹角为0°，所述第一分束器BS1的第三端口、第四端口分别与偏振分束器PBS的第三端口、第四端口通过光纤相连，构成不等臂马赫曾德尔干涉仪，合束器BC的第四端口作为编码装置的量子态输出端口。

优选地，所述光路选择模块为第一光路选择模块，包括第一光开关OS1、第二光开关OS2、第一环形器CIR1和第二环形器CIR2，所述第一光开关OS1为1X4光开关，所述第二光开关OS2为1X2光开关；所述第一光开关OS1的第二端口、第五端口分别与第一环形器CIR1的第一端口、第二环形器CIR2的第一端口相连；所述第一光开关OS1第四端口的光纤进行90°熔接；所述第二环形器CIR2的第三端口与第二光开关OS2的第一端口相连；所述第一光开关OS1的第一端口作为第一光路选择模块的第一端口，第一环形器CIR1的第三端口、第二端口、第一光开关OS1的第三端口、第四端口、第二环形器CIR2的第二端口、第二光开关OS2的第二端口、第三端口分别作为第一光路选择模块的第二端口至第八端口。

优选地，所述光路选择模块为第二光路选择模块，包括第三光开关OS3、第四光开关OS4、第三环形器CIR3和第四环形器CIR4，所述第三光开关OS3为1X3光开关，所述第四光开关OS4为2X2光开关；所述第三光开关OS3的第二端口、第四端口分别与第三环形器CIR3的第一端口、第四环形器CIR4的第一端口相连；所述第四环形器CIR4的第二端口与第四光开关OS4的第一端口相连；所述第四光开关OS4第二端口的光纤进行90°熔接；所述第三光开关OS3的第一端口作为第二光路选择模块的第一端口，第三环形器CIR3的第三端口、第二端口、第三光开关OS3的第三端口、第四光开关OS4的第二端口、第三端口、第四端口、第四环形器CIR4的第三端口分别作为第二光路选择模块的第二端口至第八端口。

优选地，所述光路选择模块为第三光路选择模块，包括第五光开关OS5、第六光开关OS6、第七光开关OS7以及第五环形器CIR5，所述第五光开关OS5为1X2光开关，所述第六光开关OS6和第七光开关OS7均为2X2光开关；所述第五光开关OS5的第二端口、第三端口分别与第六光开关OS6的第一端口、第五环形器CIR5的第一端口相连；所述第五环形器CIR5的第二端口与第七光开关OS7的第一端口相连；所述第七光开关OS7第二端口的光纤进行90°熔接；所述第五光开关OS5的第一端口作为第三光路选择模块的第一端口，第六光开关OS6的第二端口、第三端口、第四端口、第七光开关OS7的第二端口、第三端口、第四端口、第五环形器CIR5的第三端口分别作为第三光路选择模块的第二端口至第八端口。

本发明还提供了另外一种参考系无关量子密钥分发编码装置，包括激光器LD、第四光路选择模块、第二分束器BS2、第一偏振片POL1、第二偏振片POL2、第一反射镜M1、第二反射镜M2、四分之一波片QWP以及第九光开关OS9，所述第四光路选择模块包括第八光开关OS8、第六环形器CIR6、第七环形器CIR7、偏振合束器PBC以及第三分束器BS3，所述第八光开关OS8为1X4光开关，所述第九光开关OS9为2X1光开关；所述激光器LD与第八光开关OS8的第一端口相连；所述第八光开关OS8的第二端口、第三端口分别与第六环形器CIR6的第一端口、第三分束器BS3的第一端口通过保偏光纤45°熔接之后相连；所述第八光开关OS8的第四端口、第五端口分别与偏振合束器PBC的第一端口、第二端口相连；所述第三分束器BS3的第二端口、第三端口分别与偏振合束器PBC的第三端口、第七环形器CIR7的第一端口相连；所述第六环形器CIR6的第二端口、第七环形器CIR7的第二端口分别与第二分束器BS2的第一端口、第二端口相连；所述第一起偏器POL1放置在第二分束器BS2的第三端口处，偏振方向与水平方向夹角为0°，所述第二起偏器POL2放置在第二分束器BS2的第四端口处，偏振方向与水平方向夹角90°，所述第一起偏器POL1、第二起偏器POL2分别通过保偏光纤与第一反射镜M1、第二反射镜M2连接；所述第二分束器BS2、第一起偏器POL1、第二起偏器POL2第一反射镜M1和第二反射镜M2构成不等臂迈克尔逊干涉仪；所述第六环形器CIR6的第三端口通过四分之一波片QWP与第九光开关OS9的第一端口相连；所述第七环形器CIR7的第三端口与第九光开关OS9的第二端口相连；所述第九光开关OS9的第三端口为编码装置的量子态输出端口。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

本发明的一种参考系无关量子密钥分发编码装置，无需强度调制器和相位调制器，即可制备出6种参考系无关协议要求的编码态，并且两个时间模式的偏振相互垂直，易于通过偏振选择来进行Z基的探测，降低了对单光子探测器速率的要求，采用光开关只需数字电路驱动，可以实现稳定的编码，提升了系统的稳定性和实用性，降低编码装置的成本和复杂度。

附图说明

图1为本发明参考系无关量子密钥分发编码装置的原理框图；

图2为本发明参考系无关量子密钥分发编码装置实施例一的原理框图；

图3为本发明参考系无关量子密钥分发编码装置实施例二的原理框图；

图4为本发明参考系无关量子密钥分发编码装置实施例三的原理框图；

图5为本发明参考系无关量子密钥分发编码装置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，一种参考系无关量子密钥分发编码装置，包括激光器LD、光路选择模块、第一分束器BS1、偏振分束器PBS、四分之一波片QWP以及合束器BC。激光器LD与光路选择模块的第一端口相连，光路选择模块的第二端口至第八端口分别与合束器BC的第一端口、第一分束器BS1的第一端口、第一分束器BS1的第二端口、偏振分束器PBS的第二端口、偏振分束器PBS的第一端口、合束器BC的第二端口以及合束器的第三端口相连，其中所述光路选择模块的第五端口与偏振分束器PBS的第二端口之间的保偏光纤进行90°熔接，光路选择模块的第七端口与合束器BC的第二端口之间连有四分之一波片QWP，其光轴与保偏光纤慢轴对准，夹角为0°；所述第一分束器BS1的第三端口、第四端口分别与偏振分束器PBS的第三端口、第四端口通过光纤相连，构成不等臂马赫曾德尔干涉仪，合束器BC的第四端口作为编码装置的量子态输出端口。

具体编码过程如下：

所述激光器LD产生水平偏振的光脉冲P0，进入光路选择模块后进行光路选择，可以分别从光路选择模块的第三端口、第四端口、第五端口或第六端口进入不等臂马赫曾德尔干涉仪。

当光脉冲从光路选择模块的第三端口出射时，记为P1，首先进入第一分束器BS1，被分成偏振和幅度相同的两个子脉冲P11和P12，其中P11经过不等臂马赫曾德尔干涉仪的短臂后从偏振分束器PBS的第一端口出射，沿保偏光纤的慢轴传播，偏振态为H。P12经过不等臂马赫曾德尔干涉仪的长臂后从PBS的第一端口出射，沿保偏光纤的快轴传播，偏振态为V。由于不等臂马赫曾德尔干涉仪的臂长差导致P11和P12存在时间差，P11处于前一个时间窗口|0>，P12处于后一个时间窗口|1>。又由于P11在第一分束器BS1和偏振分束器PBS处为两次透射，不存在相位突变，而P12在第一分束器BS1和偏振分束器PBS处为两次反射，存在2次π⁄2的相位突变，因此P11和P12之间的相位差为π。随后P11和P12从偏振分束器PBS的第一端口进入光路选择模块的第六端口再次进行光路选择，当从第七端口出射时，经过四分之一波片QWP后到达合束器BC，由于其光轴与保偏光纤慢轴对准，夹角为0°。四分之一波片QWP的琼斯矩阵为

水平偏振H和竖直偏振V分别经过四分之一波片QWP之后变为

即水平偏振经过四分之一波片QWP之后相位不变，而竖直偏振脉冲的相位会增加π⁄2。因此，P11和P12经过四分之一波片QWP之后相位差变为3π⁄2，此时制备的量子态属于Y基；当P11和P12从光路选择模块的第八端口出射时，直接到达合束器BC的第三端口，二者的相位差不发生变化，仍为π，此时制备的量子态属于X基。

当光脉冲从光路选择模块的第四端口出射时，记为P2，首先进入第一分束器BS1，被分成偏振和幅度相同的两个子脉冲P21和P22，其中P21经过不等臂马赫曾德尔干涉仪的短臂后从偏振分束器PBS的第一端口出射，沿保偏光纤的慢轴传播，偏振态为H。P22经过不等臂马赫曾德尔干涉仪的长臂后从PBS的第一端口出射，沿保偏光纤的快轴传播，偏振态为V。P21处于前一个时间窗口|0>，P22处于后一个时间窗口|1>。由于P21在第一分束器BS1处反射，在偏振分束器PBS处透射，存在一次π⁄2的相位突变，而P12在第一分束器BS1处透射，在偏振分束器PBS处反射，也存在一次π⁄2的相位突变，因此P21和P22之间的相位差为0，且偏振相互垂直。随后P21和P22从偏振分束器PBS的第一端口进入光路选择模块的第六端口再次进行光路选择，当从第七端口出射时，经过四分之一波片QWP后到达合束器BC，二者的相位差变为π⁄2，此时制备的量子态属于Y基；当P21和P22从光路选择模块的第八端口出射时，直接到达合束器BC的第三端口，二者的相位差不发生变化，仍为0，此时制备的量子态属于X基。

当光脉冲从光路选择模块的第五端口出射时，记为P3，首先经过90°旋转后偏振变为竖直偏振，然后进入偏振分束器PBS的第二端口，直接透射沿不等臂马赫曾德尔干涉仪的长臂传播后从第一分束器BS1出射，处于后一个时间窗口，然后进入光路选择模块的第三端口或第四端口，从其第二端口出射后到达合束器BC的第一端口，此时制备的量子态为Z基下的|1>态。

当光脉冲从光路选择模块的第六端口出射时，记为P4，其偏振方向为水平偏振，进入偏振分束器PBS的第一端口后直接透射沿不等臂马赫曾德尔干涉仪的短臂传播，随后从第一分束器BS1出射，处于前一个时间窗口，然后进入光路选择模块的第三端口或第四端口，从其第二端口出射后到达合束器BC的第一端口，此时制备的量子态为Z基下的|0>态。

由上述分析可以看出，无需强度调制器和相位调制器，仅通过光路选择模块对光脉冲进行光路选择即可制备参考系无关协议所要求的6种编码态，如下表所示。

表1：参考系无关协议量子态编码表

如图2所示，本发明参考系无关量子密钥分发编码装置实施例一：

所述编码装置的结构为：所述光路选择模块为第一光路选择模块，包括第一光开关OS1、第二光开关OS2、第一环形器CIR1和第二环形器CIR2，所述第一光开关OS1为1X4光开关，所述第二光开关OS2为1X2光开关；所述第一光开关OS1的第二端口、第五端口分别与第一环形器CIR1的第一端口、第二环形器CIR2的第一端口相连；所述第一光开关OS1第四端口的光纤进行90°熔接；所述第二环形器CIR2的第三端口与第二光开关OS2的第一端口相连；所述第一光开关OS1的第一端口作为第一光路选择模块的第一端口，第一环形器CIR1的第三端口、第二端口、第一光开关OS1的第三端口、第四端口、第二环形器CIR2的第二端口、第二光开关OS2的第二端口、第三端口分别作为第一光路选择模块的第二端口至第八端口。

实施例一编码过程为：

所述激光器LD产生水平偏振的光脉冲P0进入第一光路选择模块，首先进入第一光开关OS1的第一端口，当第一光开关OS1切换为状态1时，光脉冲从其第二端口出射，记为P1，然后经第一环形器CIR1进入第一分束器BS1的第一端口，被分成偏振和幅度相同的两个子脉冲P11和P12，其中P11经过不等臂马赫曾德尔干涉仪的短臂后从偏振分束器PBS的第一端口出射，沿保偏光纤的慢轴传播，偏振态为H。P12经过不等臂马赫曾德尔干涉仪的长臂后从PBS的第一端口出射，沿保偏光纤的快轴传播，偏振态为V。由于不等臂马赫曾德尔干涉仪的臂长差导致P11和P12存在时间差，P11处于前一个时间窗口|0>，P12处于后一个时间窗口|1>。又由于P11在第一分束器BS1和偏振分束器PBS处为两次透射，不存在相位突变，而P12在第一分束器BS1和偏振分束器PBS处为两次反射，存在2次π⁄2的相位突变，因此P11和P12之间的相位差为π。随后P11和P12从偏振分束器PBS的第一端口进入第二环形器CIR2的第二端口并从第三端口出射，到达第二光开关OS2再次进行光路选择。当第二光开关OS2切换为状态1时，P11和P12从第二光开关OS2的第二端口出射，经过四分之一波片QWP后到达合束器BC的第二端口，二者的相位差变为3π⁄2，此时制备的量子态属于Y基；当第二光开关OS2切换为状态2时，P11和P12从第二光开关OS2的第三端口出射，直接到达合束器BC的第三端口，二者的相位差不发生变化，仍为π，此时制备的量子态属于X基。

当第一光开关OS1切换为状态2时，光脉冲从第一光开关OS1的第三端口出射，记为P2，首先进入第一分束器BS1的第二端口，被分成偏振和幅度相同的两个子脉冲P21和P22，其中P21经过不等臂马赫曾德尔干涉仪的短臂后从偏振分束器PBS的第一端口出射，沿保偏光纤的慢轴传播，偏振态为H。P22经过不等臂马赫曾德尔干涉仪的长臂后从PBS的第一端口出射，沿保偏光纤的快轴传播，偏振态为V。P21处于前一个时间窗口|0>，P22处于后一个时间窗口|1>。由于P21在第一分束器BS1处反射，在偏振分束器PBS处透射，存在一次π⁄2的相位突变，而P12在第一分束器BS1处透射，在偏振分束器PBS处反射，也存在一次π⁄2的相位突变，因此P21和P22之间的相位差为0，且偏振相互垂直。随后P21和P22从偏振分束器PBS的第一端口进入第二环形器CIR2的第二端口并从第三端口出射，到达第二光开关OS2再次进行光路选择。当第二光开关OS2切换为状态1时，P21和P22从第二光开关OS2的第二端口出射，经过四分之一波片QWP后到达合束器BC的第二端口，二者的相位差变为π⁄2，此时制备的量子态属于Y基；当第二光开关OS2切换为状态2时，P21和P22从第二光开关OS2的第三端口出射，直接到达合束器BC的第三端口，二者的相位差不发生变化，仍为0，此时制备的量子态属于X基。

当第一光开关OS1切换为状态3时，光脉冲从第一光开关OS1的第四端口出射，记为P3，首先经过90°旋转后偏振变为竖直偏振，然后进入偏振分束器PBS的第二端口，直接透射沿不等臂马赫曾德尔干涉仪的长臂传播后从第一分束器BS1的第一端口和第二端口出射，分别记为P31和P32，均处于后一个时间窗口，其中P31从第一分束器BS1的第一端口进入第一环形器CIR1的第二端口，从其第三端口出射后到达合束器BC的第一端口，此时制备的量子态为Z基下的|1>态，P32从第一分束器BS1的第二端口出射到达第一光开关的第三端口，由于此时该光路为断路，无需考虑。

当第一光开关OS1切换为状态4时，光脉冲从第一光开关OS1的第五端口出射，记为P4，其偏振方向为水平偏振，首先经第二环形器CIR2进入偏振分束器PBS的第一端口后直接透射沿不等臂马赫曾德尔干涉仪的短臂传播，随后从第一分束器BS1出射，处于前一个时间窗口，然后进入第一环形器CIR1的第二端口，从其第三端口出射后到达合束器BC的第一端口，此时制备的量子态为Z基下的|0>态。

由上述分析可以看出，无需强度调制器和相位调制器，仅通过切换第一光开关OS1和第二光开关OS2的状态对光脉冲进行光路选择即可制备参考系无关协议所要求的6种编码态，编码装置实施例一的编码如表2所示，其中第一光开关OS1的状态有4种“1，2，3，4”，第二光开关OS2的状态有2种“1，2”。

表2：编码装置实施例一的编码表

如图3所示，本发明参考系无关量子密钥分发编码装置实施例二：

所述编码装置的结构为：所述光路选择模块为第二光路选择模块，包括第三光开关OS3、第四光开关OS4、第三环形器CIR3和第四环形器CIR4，所述第三光开关OS3为1X3光开关，所述第四光开关OS4为2X2光开关；所述第三光开关OS3的第二端口、第四端口分别与第三环形器CIR3的第一端口、第四环形器CIR4的第一端口相连；所述第四环形器CIR4的第二端口与第四光开关OS4的第一端口相连；所述第四光开关OS4第二端口的光纤进行90°熔接；所述第三光开关OS3的第一端口作为第二光路选择模块的第一端口，第三环形器CIR3的第三端口、第二端口、第三光开关OS3的第三端口、第四光开关OS4的第二端口、第三端口、第四端口、第四环形器CIR4的第三端口分别作为第二光路选择模块的第二端口至第八端口。

实施例二编码过程为：

所述激光器LD产生水平偏振的光脉冲P0进入第二光路选择模块，首先进入第三光开关OS3的第一端口，当第三光开关OS3切换为状态1时，光脉冲从其第二端口出射，记为P1，然后经第三环形器CIR3进入第一分束器BS1的第一端口，被分成偏振和幅度相同的两个子脉冲P11和P12，其中P11经过不等臂马赫曾德尔干涉仪的短臂后从偏振分束器PBS的第一端口出射，沿保偏光纤的慢轴传播，偏振态为H。P12经过不等臂马赫曾德尔干涉仪的长臂后从PBS的第一端口出射，沿保偏光纤的快轴传播，偏振态为V。由于不等臂马赫曾德尔干涉仪的臂长差导致P11和P12存在时间差，P11处于前一个时间窗口|0>，P12处于后一个时间窗口|1>。又由于P11在第一分束器BS1和偏振分束器PBS处为两次透射，不存在相位突变，而P12在第一分束器BS1和偏振分束器PBS处为两次反射，存在2次π⁄2的相位突变，因此P11和P12之间的相位差为π。随后P11和P12从偏振分束器PBS的第一端口进入第四光开关OS4的第三端口，当第四光开关OS4切换为状态1时，P11和P12从第四光开关OS4的第四端口出射，经过四分之一波片QWP后到达合束器BC的第二端口，二者的相位差变为3π⁄2，此时制备的量子态属于Y基；当第四光开关OS4切换为状态2时，P11和P12从第四光开关OS4的第一端口出射，进入第四环形器CIR4的第二端口并从第三端口出射，最后到达合束器BC的第三端口，二者的相位差不发生变化，仍为π，此时制备的量子态属于X基。

当第三光开关OS3切换为状态2时，光脉冲从第三光开关OS3的第三端口出射，记为P2，首先进入第一分束器BS1的第二端口，被分成偏振和幅度相同的两个子脉冲P21和P22，其中P21经过不等臂马赫曾德尔干涉仪的短臂后从偏振分束器PBS的第一端口出射，沿保偏光纤的慢轴传播，偏振态为H。P22经过不等臂马赫曾德尔干涉仪的长臂后从PBS的第一端口出射，沿保偏光纤的快轴传播，偏振态为V。P21处于前一个时间窗口|0>，P22处于后一个时间窗口|1>。由于P21在第一分束器BS1处反射，在偏振分束器PBS处透射，存在一次π⁄2的相位突变，而P12在第一分束器BS1处透射，在偏振分束器PBS处反射，也存在一次π⁄2的相位突变，因此P21和P22之间的相位差为0，且偏振相互垂直。随后P21和P22从偏振分束器PBS的第一端口进入第四光开关OS4的第三端口，当第四光开关OS4切换为状态1时，P21和P22从第四光开关OS4的第四端口出射，经过四分之一波片QWP后到达合束器BC的第二端口，二者的相位差变为π⁄2，此时制备的量子态属于Y基；当第四光开关OS4切换为状态2时，P21和P22从第四光开关OS4的第一端口出射，进入第四环形器CIR4的第二端口并从第三端口出射，最后到达合束器BC的第三端口，二者的相位差不发生变化，仍为0，此时制备的量子态属于X基。

当第三光开关OS3切换为状态3时，光脉冲从第三光开关OS3的第四端口出射，记为P3，首先经过第四环形器CIR4到达第四光开关OS4的第一端口，当第四光开关OS4切换为状态1时，P3从第四光开关OS4的第二端口出射，经90°旋转后偏振变为竖直偏振，然后进入偏振分束器PBS的第二端口，直接透射沿不等臂马赫曾德尔干涉仪的长臂传播后从第一分束器BS1出射，处于后一个时间窗口，然后从第一分束器BS1的第一端口进入第三环形器CIR3的第二端口，从其第三端口出射后到达合束器BC的第一端口，此时制备的量子态为Z基下的|1>态。

当第四光开关OS4切换为状态2时，P3从第四光开关OS4的第三端口出射，其偏振方向为水平偏振，进入偏振分束器PBS的第一端口后直接透射沿不等臂马赫曾德尔干涉仪的短臂传播，随后从第一分束器BS1出射，处于前一个时间窗口，然后进入第三环形器CIR3的第二端口，从其第三端口出射后到达合束器BC的第一端口，此时制备的量子态为Z基下的|0>态。

由上述分析可以看出，无需强度调制器和相位调制器，仅通过切换第三光开关OS3和第四光开关OS4的状态对光脉冲进行光路选择即可制备参考系无关协议所要求的6种编码态，编码装置实施例一的编码如表3所示，其中第一光开关OS1的状态有3种“1，2，3”，第二光开关OS2的状态有2种“1，2”。

表3：编码装置实施例二的编码表

如图4所示，本发明参考系无关量子密钥分发编码装置实施例三：

所述编码装置的结构为：所述光路选择模块为第三光路选择模块，包括第五光开关OS5、第六光开关OS6、第七光开关OS7以及第五环形器CIR5，所述第五光开关OS5为1X2光开关，所述第六光开关OS6和第七光开关OS7均为2X2光开关；所述第五光开关OS5的第二端口、第三端口分别与第六光开关OS6的第一端口、第五环形器CIR5的第一端口相连；所述第五环形器CIR5的第二端口与第七光开关OS7的第一端口相连；所述第七光开关OS7第二端口的光纤进行90°熔接；所述第五光开关OS5的第一端口作为第三光路选择模块的第一端口，第六光开关OS6的第二端口、第三端口、第四端口、第七光开关OS7的第二端口、第三端口、第四端口、第五环形器CIR5的第三端口分别作为第三光路选择模块的第二端口至第八端口。

实施例三编码过程为：

所述激光器LD产生水平偏振的光脉冲P0进入第三光路选择模块，首先进入第五光开关OS5的第一端口，当第五光开关OS5切换为状态1时，光脉冲从其第二端口出射。第六光开关OS6切换状态2时，光脉冲从其第三端口出射，记为P1，随后P1进入第一分束器BS1的第一端口，被分成偏振和幅度相同的两个子脉冲P11和P12，其中P11经过不等臂马赫曾德尔干涉仪的短臂后从偏振分束器PBS的第一端口出射，沿保偏光纤的慢轴传播，偏振态为H。P12经过不等臂马赫曾德尔干涉仪的长臂后从PBS的第一端口出射，沿保偏光纤的快轴传播，偏振态为V。由于不等臂马赫曾德尔干涉仪的臂长差导致P11和P12存在时间差，P11处于前一个时间窗口|0>，P12处于后一个时间窗口|1>。又由于P11在第一分束器BS1和偏振分束器PBS处为两次透射，不存在相位突变，而P12在第一分束器BS1和偏振分束器PBS处为两次反射，存在2次π⁄2的相位突变，因此P11和P12之间的相位差为π。随后P11和P12从偏振分束器PBS的第一端口进入第七光开关OS7的第三端口，当第七光开关OS7切换为状态1时，P11和P12从第七光开关OS7的第四端口出射，经过四分之一波片QWP后到达合束器BC的第二端口，二者的相位差变为3π⁄2，此时制备的量子态属于Y基；当第七光开关OS7切换为状态2时，P11和P12从第七光开关OS7的第一端口出射，进入第五环形器CIR5的第二端口并从第三端口出射，最后到达合束器BC的第三端口，二者的相位差不发生变化，仍为π，此时制备的量子态属于X基。

当第六光开关OS6切换为状态1时，光脉冲从第六光开关OS6的第四端口出射，记为P2，首先进入第一分束器BS1的第二端口，被分成偏振和幅度相同的两个子脉冲P21和P22，其中P21经过不等臂马赫曾德尔干涉仪的短臂后从偏振分束器PBS的第一端口出射，沿保偏光纤的慢轴传播，偏振态为H。P22经过不等臂马赫曾德尔干涉仪的长臂后从PBS的第一端口出射，沿保偏光纤的快轴传播，偏振态为V。P21处于前一个时间窗口|0>，P22处于后一个时间窗口|1>。由于P21在第一分束器BS1处反射，在偏振分束器PBS处透射，存在一次π⁄2的相位突变，P12在第一分束器BS1处透射，在偏振分束器PBS处反射，也存在一次π⁄2的相位突变，因此P21和P22之间的相位差为0，且偏振相互垂直。随后P21和P22从偏振分束器PBS的第一端口进入第七光开关OS7的第三端口，当第七光开关OS7切换为状态1时，P21和P22从第七光开关OS7的第四端口出射，经过四分之一波片QWP后到达合束器BC的第二端口，二者的相位差变为π⁄2，此时制备的量子态属于Y基；当第七光开关OS7切换为状态2时，P21和P22从第七光开关OS7的第一端口出射，进入第五环形器CIR5的第二端口并从第三端口出射，最后到达合束器BC的第三端口，二者的相位差不发生变化，仍为0，此时制备的量子态属于X基。

当第五光开关OS5切换为状态2时，光脉冲从第五光开关OS5的第三端口出射，记为P3，首先经过第五环形器CIR5到达第七光开关OS7的第一端口，当第七光开关OS7切换为状态1时，P3从第七光开关OS7的第二端口出射，经90°旋转后偏振变为竖直偏振，然后进入偏振分束器PBS的第二端口，直接透射沿不等臂马赫曾德尔干涉仪的长臂传播后从第一分束器BS1出射，处于后一个时间窗口，此时第六光开关OS6切换为状态1，P3从第一分束器BS1的第一端口到达第六光开关OS6的第三端口，并从其第二端口出射，最后到达合束器BC的第一端口，此时制备的量子态为Z基下的|1>态。

当第七光开关OS7切换为状态2时，P3从第七光开关OS7的第三端口出射，其偏振方向为水平偏振，进入偏振分束器PBS的第一端口后直接透射沿不等臂马赫曾德尔干涉仪的短臂传播，随后从第一分束器BS1出射，处于前一个时间窗口，此时第六光开关OS6切换为状态1，P3从第一分束器BS1的第一端口到达第六光开关OS6的第三端口，并从其第二端口出射，最后到达合束器BC的第一端口，此时制备的量子态为Z基下的|0>态。

由上述分析可以看出，无需强度调制器和相位调制器，仅通过切换第五光开关OS5、第六光开关OS6和第七光开关OS7的状态对光脉冲进行光路选择即可制备参考系无关协议所要求的6种编码态，编码装置实施例一的编码如表4所示，其中第一光开关OS1的状态有3种“1，2，3”，第二光开关OS2的状态有2种“1，2”。

表4：编码装置实施例三的编码表

如图5所示，本发明参考系无关量子密钥分发编码装置实施例四：

所述编码装置的结构为：所述参考系无关量子密钥分发编码装置包括激光器LD、第四光路选择模块、第二分束器BS2、第一偏振片POL1、第二偏振片POL2、第一反射镜M1、第二反射镜M2、四分之一波片QWP以及第九光开关OS9，所述第四光路选择模块包括第八光开关OS8、第六环形器CIR6、第七环形器CIR7、偏振合束器PBC以及第三分束器BS3，所述第八光开关OS8为1X4光开关，所述第九光开关OS9为2X1光开关；所述激光器LD与第八光开关OS8的第一端口相连；所述第八光开关OS8的第二端口、第三端口分别与第六环形器CIR6的第一端口、第三分束器BS3的第一端口通过保偏光纤45°熔接之后相连；所述第八光开关OS8的第四端口、第五端口分别与偏振合束器PBC的第一端口、第二端口相连；所述第三分束器BS3的第二端口、第三端口分别与偏振合束器PBC的第三端口、第七环形器CIR7的第一端口相连；所述第六环形器CIR6的第二端口、第七环形器CIR7的第二端口分别与第二分束器BS2的第一端口、第二端口相连；所述第一起偏器POL1放置在第二分束器BS2的第三端口处，偏振方向与水平方向夹角为0°，所述第二起偏器POL2放置在第二分束器BS2的第四端口处，偏振方向与水平方向夹角90°，所述第一起偏器POL1、第二起偏器POL2分别通过保偏光纤与第一反射镜M1、第二反射镜M2连接；所述第二分束器BS2、第一起偏器POL1、第二起偏器POL2第一反射镜M1和第二反射镜M2构成不等臂迈克尔逊干涉仪；所述第六环形器CIR6的第三端口通过四分之一波片QWP与第九光开关OS9的第一端口相连；所述第七环形器CIR7的第三端口与第九光开关OS9的第二端口相连；所述第九光开关OS9的第三端口为编码装置的量子态输出端口。

实施例四编码过程为：

所述激光器LD产生水平偏振的光脉冲P0进入第四光路选择模块，首先进入第八光开关OS8的第一端口，当第八光开关OS8切换为状态1时，光脉冲从其第二端口出射，记为P1，偏振旋转45°之后经第六环形器CIR6进入第二分束器BS2的第一端口，被分成幅度相同的两个子脉冲P11和P12，二者的偏振态均为45°。其中P11经第二分束器BS2透射，通过第一起偏器POL1之后沿不等臂迈克尔逊干涉仪的短臂传播，被第一反射镜M1反射后再次通过第一起偏器POL1，偏振态为水平偏振，随后被第二分束器BS2分成幅度相同的脉冲P111和P112，且均为水平偏振。其中P111被第二分束器BS2透射到第六环形器CIR6出射，P112被第二分束器BS2反射到第七环形器CIR7出射。P12经第二分束器BS2反射，通过第二起偏器POL2之后沿不等臂迈克尔逊干涉仪的长臂传播，被第二反射镜M2反射后再次通过第二起偏器POL2，偏振态为竖直偏振，随后被第二分束器BS2分成幅度相同的脉冲P121和P122，且均为竖直偏振。其中P121被第二分束器BS2反射到第六环形器CIR6出射，P122被第二分束器BS2透射到第七环形器CIR7出射。由于P11与P12走过的光程不同，光程差为2倍的长短臂长差，所以P111和P112分别到达第六环形器CIR6和第七环形器CIR7的第二端口时为水平偏振，处于前一个时间窗口|0>。P121和P122分别到达第六环形器CIR6和第七环形器CIR7的第二端口时为竖直偏振，处于后一个时间窗口|1>。由于P111在第二分束器BS2处两次透射，P121在第二分束器BS2处两次反射，因此二者之间的相位差为π，从第六环形器CIR6的第三端口出射后经四分之一波片QWP相位差变为3π⁄2，最后到达第九光开关OS9的第一端口。P112和P122在第二分束器BS2处均为一次透射和一次反射，因此二者之间的相位差为0，从第七环形器CIR7的第三端口出射，最后到达第九光开关OS9的第二端口。当第九光开关OS9切换状态为1时，其第三端口输出P111和P121，即相位差为3π⁄2的量子态，此时制备的量子态属于Y基；当第九光开关OS9切换状态为2时，其第三端口输出P112和P122，即相位差为π的量子态，此时制备的量子态属于X基。

当第八光开关OS8切换为状态2时，光脉冲从第八光开关OS8的第三端口出射，记为P2，首先偏振旋转45°之后进入第三分束器BS3的第一端口，从第三分束器BS3的第三端口出射后到达第七环形器CIR7的第一端口，并从其第二端口出射，进入第二分束器BS2的第二端口，被分成幅度相同的两个子脉冲P21和P22，二者的偏振态均为45°。其中P21被第二分束器BS2反射，水平偏振分量通过第一起偏器POL1之后沿不等臂迈克尔逊干涉仪的短臂传播，被第一反射镜M1反射后再次通过第一起偏器POL1，偏振态为水平偏振，随后被第二分束器BS2分成幅度相同的脉冲P211和P212，且均为水平偏振。其中P211被第二分束器BS2透射到第六环形器CIR6出射，P212被第二分束器BS2反射到第七环形器CIR7出射。P22经第二分束器BS2透射，竖直偏振分量通过第二起偏器POL2之后沿不等臂迈克尔逊干涉仪的长臂传播，被第二反射镜M2反射后再次通过第二起偏器POL2，偏振态为竖直偏振，随后被第二分束器BS2分成幅度相同的脉冲P221和P222，且均为竖直偏振。其中P221被第二分束器BS2反射到第六环形器CIR6出射，P222被第二分束器BS2透射到第七环形器CIR7出射。由于P21与P22走过的光程不同，光程差为2倍的长短臂长差，所以P211和P212分别到达第六环形器CIR6和第七环形器CIR7的第二端口时为水平偏振，处于前一个时间窗口|0>。P221和P222分别到达第六环形器CIR6和第七环形器CIR7的第二端口时为竖直偏振，处于后一个时间窗口|1>。由于P211和P221在第二分束器BS2处均为一次透射和一次反射，因此二者之间的相位差为0，从第六环形器CIR6的第三端口出射后经四分之一波片QWP相位差变为π⁄2，最后到达第九光开关OS9的第一端口。P212在第二分束器BS2处两次反射，P222在第二分束器BS2处两次透射，因此二者之间的相位差为π，从第七环形器CIR7的第三端口出射，最后到达第九光开关OS9的第二端口。当第九光开关OS9切换状态为1时，其第三端口输出P211和P221，即相位差为π⁄2的量子态，此时制备的量子态属于Y基；当第九光开关OS9切换状态为2时，其第三端口输出P212和P222，即相位差为π的量子态，此时制备的量子态属于X基。

当第八光开关OS8切换为状态3时，光脉冲从第八光开关OS8的第四端口出射，记为P3，首先到达偏振合束器PBC的第一端口，从其第三端口出射，变为竖直偏振，然后进入第三分束器BS3的第二端口，从第三分束器BS3的第三端口出射后到达第七环形器CIR7的第一端口，并从其第二端口出射，进入第二分束器BS2的第二端口，被分成幅度相同的两个子脉冲P31和P32，偏振态均为竖直偏振，其中P31到达第一起偏器POL1时由于偏振相互垂直，因此无法通过；P32到达第二起偏器POL2之后完全透过，沿不等臂迈克尔逊干涉仪的长臂传播，被第二反射镜M2反射后再次通过第二起偏器POL2，随后被第二分束器BS2分成幅度相同的脉冲P321和P322，且均为竖直偏振，处于后一个时间窗口|1>。P321和P322分别到达第六环形器CIR6和第七环形器CIR7的第二端口，并从其第三端口出射，分别到达第九光开关OS9的第一端口和第二端口。此时只需将第九光开关OS9的状态切换为1或2，即可得到Z基下的|1>态。

当第八光开关OS8切换为状态4时，光脉冲从第八光开关OS8的第五端口出射，记为P4，首先到达偏振合束器PBC的第二端口，从其第三端口出射，仍为水平偏振，然后进入第三分束器BS3的第二端口，从第三分束器BS3的第三端口出射后到达第七环形器CIR7的第一端口，并从其第二端口出射，进入第二分束器BS2的第二端口，被分成幅度相同的两个子脉冲P41和P42，偏振态均为水平偏振，其中P42到达第二起偏器POL2时由于偏振相互垂直，因此无法通过；P41到达第一起偏器POL1之后完全透过，沿不等臂迈克尔逊干涉仪的短臂传播，被第一反射镜M1反射后再次通过第一起偏器POL1，随后被第二分束器BS2分成幅度相同的脉冲P411和P412，且均为水平偏振，处于前一个时间窗口|0>。P411和412分别到达第六环形器CIR6和第七环形器CIR7的第二端口，并从其第三端口出射，分别到达第九光开关OS9的第一端口和第二端口。此时只需将第九光开关OS9的状态切换为1或2，即可得到Z基下的|0>态。

由上述分析可以看出，无需强度调制器和相位调制器，仅通过切换第八光开关OS8和第九光开关OS9的状态对光脉冲进行光路选择即可制备参考系无关协议所要求的6种编码态，编码装置实施例一的编码如表5所示，其中第八光开关OS8的状态有4种“1，2，3，4”，第九光开关OS9的状态有2种“1，2”。

表5：编码装置实施例四的编码表

本发明还提供了一种参考系无关量子密钥分发系统，其可以包括上述相位编码装置中的任何一个。

综合本发明各个实施例可知，本发明提出一种参考系无关量子密钥分发编码装置，无需强度调制器和相位调制器，即可制备出6种参考系无关协议要求的编码态，并且两个时间模式的偏振相互垂直，易于通过偏振选择来进行Z基的探测，降低了对单光子探测器速率的要求，采用光开关只需数字电路驱动，可以实现稳定的编码，提升了系统的稳定性和实用性，降低编码装置的成本和复杂度。

Claims (5)

1.一种参考系无关量子密钥分发编码装置，其特征在于，包括激光器LD、光路选择模块、第一分束器BS1、偏振分束器PBS、四分之一波片QWP以及合束器BC，激光器LD与光路选择模块的第一端口相连，光路选择模块的第二端口至第八端口分别对应连接合束器BC的第一端口、第一分束器BS1的第一端口、第一分束器BS1的第二端口、偏振分束器PBS的第二端口、偏振分束器PBS的第一端口、合束器BC的第二端口以及合束器的第三端口，其中所述光路选择模块的第五端口与偏振分束器PBS的第二端口之间的保偏光纤进行90°熔接，光路选择模块的第七端口与合束器BC的第二端口之间连有四分之一波片QWP，其光轴与保偏光纤慢轴对准，夹角为0°，所述第一分束器BS1的第三端口、第四端口分别与偏振分束器PBS的第三端口、第四端口通过光纤相连，构成不等臂马赫曾德尔干涉仪，合束器BC的第四端口作为编码装置的量子态输出端口。

2.如权利要求1所述的参考系无关量子密钥分发编码装置，其特征在于，所述光路选择模块为第一光路选择模块，包括第一光开关OS1、第二光开关OS2、第一环形器CIR1和第二环形器CIR2，所述第一光开关OS1为1X4光开关，所述第二光开关OS2为1X2光开关；所述第一光开关OS1的第二端口、第五端口分别与第一环形器CIR1的第一端口、第二环形器CIR2的第一端口相连；所述第一光开关OS1第四端口的光纤进行90°熔接；所述第二环形器CIR2的第三端口与第二光开关OS2的第一端口相连；所述第一光开关OS1的第一端口作为第一光路选择模块的第一端口，第一环形器CIR1的第三端口、第二端口、第一光开关OS1的第三端口、第四端口、第二环形器CIR2的第二端口、第二光开关OS2的第二端口、第三端口分别作为第一光路选择模块的第二端口至第八端口。

3.如权利要求2所述的参考系无关量子密钥分发编码装置，其特征在于，所述光路选择模块为第二光路选择模块，包括第三光开关OS3、第四光开关OS4、第三环形器CIR3和第四环形器CIR4，所述第三光开关OS3为1X3光开关，所述第四光开关OS4为2X2光开关；所述第三光开关OS3的第二端口、第四端口分别与第三环形器CIR3的第一端口、第四环形器CIR4的第一端口相连；所述第四环形器CIR4的第二端口与第四光开关OS4的第一端口相连；所述第四光开关OS4第二端口的光纤进行90°熔接；所述第三光开关OS3的第一端口作为第二光路选择模块的第一端口，第三环形器CIR3的第三端口、第二端口、第三光开关OS3的第三端口、第四光开关OS4的第二端口、第三端口、第四端口、第四环形器CIR4的第三端口分别作为第二光路选择模块的第二端口至第八端口。

4.如权利要求1所述的参考系无关量子密钥分发编码装置，其特征在于，所述光路选择模块为第三光路选择模块，包括第五光开关OS5、第六光开关OS6、第七光开关OS7以及第五环形器CIR5，所述第五光开关OS5为1X2光开关，所述第六光开关OS6和第七光开关OS7均为2X2光开关；所述第五光开关OS5的第二端口、第三端口分别与第六光开关OS6的第一端口、第五环形器CIR5的第一端口相连；所述第五环形器CIR5的第二端口与第七光开关OS7的第一端口相连；所述第七光开关OS7第二端口的光纤进行90°熔接；所述第五光开关OS5的第一端口作为第三光路选择模块的第一端口，第六光开关OS6的第二端口、第三端口、第四端口、第七光开关OS7的第二端口、第三端口、第四端口、第五环形器CIR5的第三端口分别作为第三光路选择模块的第二端口至第八端口。

5.一种参考系无关量子密钥分发编码装置，其特征在于，包括激光器LD、第四光路选择模块、第二分束器BS2、第一偏振片POL1、第二偏振片POL2、第一反射镜M1、第二反射镜M2、四分之一波片QWP以及第九光开关OS9，所述第四光路选择模块包括第八光开关OS8、第六环形器CIR6、第七环形器CIR7、偏振合束器PBC以及第三分束器BS3，所述第八光开关OS8为1X4光开关，所述第九光开关OS9为2X1光开关；所述激光器LD与第八光开关OS8的第一端口相连；所述第八光开关OS8的第二端口、第三端口分别与第六环形器CIR6的第一端口、第三分束器BS3的第一端口通过保偏光纤45°熔接之后相连；所述第八光开关OS8的第四端口、第五端口分别与偏振合束器PBC的第一端口、第二端口相连；所述第三分束器BS3的第二端口、第三端口分别与偏振合束器PBC的第三端口、第七环形器CIR7的第一端口相连；所述第六环形器CIR6的第二端口、第七环形器CIR7的第二端口分别与第二分束器BS2的第一端口、第二端口相连；所述第一起偏器POL1放置在第二分束器BS2的第三端口处，偏振方向与水平方向夹角为0°，所述第二起偏器POL2放置在第二分束器BS2的第四端口处，偏振方向与水平方向夹角90°，所述第一起偏器POL1、第二起偏器POL2分别通过保偏光纤与第一反射镜M1、第二反射镜M2连接；所述第二分束器BS2、第一起偏器POL1、第二起偏器POL2第一反射镜M1和第二反射镜M2构成不等臂迈克尔逊干涉仪；所述第六环形器CIR6的第三端口通过四分之一波片QWP与第九光开关OS9的第一端口相连；所述第七环形器CIR7的第三端口与第九光开关OS9的第二端口相连；所述第九光开关OS9的第三端口为编码装置的量子态输出端口。

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