CN114553421B - 一种免疫信道扰动的量子密钥分发解码装置 - Google Patents

一种免疫信道扰动的量子密钥分发解码装置 Download PDF

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Abstract

一种免疫信道扰动的量子密钥分发解码装置，包括第一偏振分束器、偏振旋转模块、偏振干涉仪、分束器、第一单光子探测器以及第二单光子探测器；所述第一偏振分束器用于将输入任意偏振态的相位编码脉冲分束成偏振相互垂直的第一偏振脉冲和第二偏振脉冲；所述偏振旋转模块用于将第一偏振脉冲和第二偏振脉冲前一个时间模式的偏振态旋转90°，而不改变后一个时间模式的偏振态。与现有技术相比，本发明可以消除信道的偏振扰动导致偏振态随机变化对系统造成的影响，无需主动偏振补偿模块即可实现免疫信道扰动，提高了系统的稳定性；由于采用时间模式偏振复用和偏振干涉仪，可以消除非干涉峰，提高光子的能量利用率，进而提高系统的安全成码率。

Description

一种免疫信道扰动的量子密钥分发解码装置
技术领域
本发明涉及量子安全通信技术领域，特别涉及一种免疫信道扰动的量子密钥分发解码装置。
背景技术
量子密钥分发可以为远距离的通信双方提供无条件安全的密钥分发，目前最成熟的是BB84量子密钥分发协议。光纤量子密钥分发系统一般采用单模光纤作为传输信道，但由于光纤信道存在固有双折射效应，使得光子在传输过程中偏振态会发生变化，且会随着外界环境的变化而改变。相位编码将信息编码到量子态前后两个时间模式之间的相位差上，在光纤信道中传输时非常稳定，因此被广泛采用。然而，传统的基于双不等臂马赫-增德尔干涉环方案在接收端进行解码干涉时，由于光纤信道的扰动导致偏振态随机变化，从而影响干涉的稳定性，因此该系统稳定性差，容易受到环境干扰。
如果在接收端通过反馈控制进行偏振跟踪与补偿，会增加系统复杂度，耗时耗资源，且误码率偏高。所以，现有技术一般采用被动补偿偏振态的方式，如Plug-and-play（即插即用）往返式量子密钥分发系统，使用法拉第镜将入射光偏振态旋转90度的特性，来抵消光纤信道对光子偏振态的作用，从而保证系统的稳定性。但是，该容易受到木马攻击，且系统的工作频率受到限制，光纤的拉曼散射效应也会增加系统噪声。另一种解决方案是采用法拉第-迈克尔逊干涉仪，这样可以消除光纤双折射效应以及环境扰动对偏振态的影响，系统非常稳定。但是由于光脉冲会经过调相器2次，增加了接收端的损耗，降低了系统的效率。
另外，现有技术中所有的被动偏振补偿方案，在接收端解码干涉时均存在非干涉峰，即量子态分别走“发送端干涉仪长臂和接收端干涉仪长臂”的路径以及“发送端干涉仪短臂和接收端干涉仪短臂”的路径不参与干涉而被舍弃，因此干涉峰的光功率为总光功率的1/2，即该方案的光能量利用率为1/2，而最终的安全密钥率与其成正比。文献“Efficientdecoy-state quantum key distribution with quantified security, Opticsexpress, 2013, 21(21): 24550-24565”采用偏振复用的方式可以消除非干涉峰，将能量利用率提高了一倍，但是需要在接收端进行主动偏振补偿，无法自动免疫信道扰动。
发明内容
针对现有技术存在以上缺陷，本发明提出一种免疫信道扰动的量子密钥分发解码装置。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种免疫信道扰动的量子密钥分发解码装置，包括第一偏振分束器、偏振旋转模块、偏振干涉仪、分束器、第一单光子探测器以及第二单光子探测器，所述第一偏振分束器包括输入端口、第一输出端口和第二输出端口；所述偏振旋转模块、偏振干涉仪、分束器均包括第一输入端口、第二输入端口和第一输出端口、第二输出端口；所述第一偏振分束器的第一输出端口、第二输出端口分别通过第一保偏光纤、第二保偏光纤与偏振旋转模块的第一输入端口、第二输入端口相连；所述偏振旋转模块的第一输出端口、第二输出端口分别通过第三保偏光纤、第四保偏光纤与偏振干涉仪的第一输入端口、第二输入端口相连；所述偏振干涉仪的第一输出端口和第二输出端口分别连接分束器的第一输入端口和第二输入端口；所述分束器的第一输出端口和第二输出端口分别连接第一单光子探测器和第二单光子探测器；所述第一偏振分束器用于将输入任意偏振态的相位编码脉冲分束成偏振相互垂直的第一偏振脉冲和第二偏振脉冲；所述偏振旋转模块用于将第一偏振脉冲和第二偏振脉冲前一个时间模式的偏振态旋转90°，而不改变后一个时间模式的偏振态，所述偏振干涉仪的第二输出端口与分束器的第二输入端口之间的保偏光纤进行90°熔接。
优选地，所述偏振旋转模块包括第一环形器、第二环形器、第一调相器、第二调相器、第一法拉第镜和第二法拉第镜，所述第一环形器和第二环形器均包括第一端口、第二端口和第三端口；所述第一环形器、第二环形器的第二端口分别通过保偏光纤进行45°熔接后与第一调相器、第二调相器的输入端口相连；所述第一调相器、第二调相器的输出端口分别连接第一法拉第镜、第二法拉第镜。
优选地，所述偏振旋转模块包括第五环形器、第六环形器、第四偏振分束器和第四调相器，所述第五环形器和第六环形器均包括第一端口、第二端口和第三端口；所述第四偏振分束器包括第一输入端口、第二输入端口、第一输出端口和第二输出端口；所述第五环形器、第六环形器的第二端口分别通过保偏光纤进行45°熔接后与第四偏振分束器的第一输入端口、第二输入端口相连；所述第四偏振分束器的第一输出端口、第二输出端口分别通过两根长度不同的保偏光纤与第四调相器的输入端口和输出端口相连，构成萨格纳克环。
优选地，所述偏振干涉仪包括第三环形器、第四环形器、第二偏振分束器、第三偏振分束器和第三调相器，所述第三环形器和第四环形器均包括第一端口、第二端口和第三端口；所述第二偏振分束器和第三偏振分束器均包括输入端口、第一输出端口和第二输出端口；所述第三环形器和第四环形器的第二端口分别连接第二偏振分束器和第三偏振分束器的输入端口；所述第二偏振分束器的第一输出端口通过第三调相器连接第三偏振分束器的第一输出端口，构成偏振干涉仪的长臂；所述第二偏振分束器的第二输出端口直接连接第三偏振分束器的第二输出端口，构成偏振干涉仪的短臂。
优选地，所述偏振干涉仪包括第七环形器、第八环形器、第五偏振分束器和第五调相器，所述第七环形器和第八环形器均包括第一端口、第二端口和第三端口；所述第五偏振分束器包括第一输入端口、第二输入端口、第一输出端口和第二输出端口；所述第五偏振分束器的第一输入端口、第二输出端口分别连接第七环形器、第八环形器的第二端口；所述第五偏振分束器的第一输出端口、第二输入端口分别通过两根长度相同的保偏光纤与第五调相器的输入端口和输出端口相连。
优选地，所述偏振干涉仪包括第六偏振分束器、第六调相器和半波片，所述半波片的光轴与保偏光纤的慢轴对准；所述第六偏振分束器的第一输出端口通过长臂光纤连接第六调相器；所述第六偏振分束器的第二输出端口通过短臂光纤连接半波片。
与现有技术相比，本发明有以下有益效果：
本发明提出一种免疫信道扰动的量子密钥分发解码装置，通过对相位编码态脉冲进行偏振分束和偏振旋转后分别进行干涉再合并探测，可以消除信道的偏振扰动导致偏振态随机变化对系统造成的影响，无需主动偏振补偿模块即可实现免疫信道扰动，提高了系统的稳定性。同时，由于采用时间模式偏振复用和偏振干涉仪，可以消除非干涉峰，提高光子的能量利用率，进而提高系统的安全成码率。
附图说明
图1为本发明免疫信道扰动的量子密钥分发解码装置的结构原理框图；
图2为本发明免疫信道扰动的量子密钥分发解码装置实施例一的原理框图；
图3为本发明免疫信道扰动的量子密钥分发解码装置实施例二的原理框图；
图4为本发明免疫信道扰动的量子密钥分发解码装置实施例三的原理框图。
图中：第一偏振分束器1，偏振旋转模块2，第一环形器2-1，第二环形器2-2，第一调相器2-3，第二调相器2-4，第一法拉第镜2-5，第二法拉第镜2-6，第五环形器2-7，第六环形器2-8，第四偏振分束器2-9，第四调相器2-10，偏振干涉仪3，第三环形器3-1，第四环形器3-2，第二偏振分束器3-3，第三偏振分束器3-4，第三调相器3-5，第七环形器3-6，第八环形器3-7，第五偏振分束器3-8，第五调相器3-9，第六偏振分束器3-10，第六调相器3-11，半波片3-12、分束器4，第一单光子探测器5，第二单光子探测器6，第一保偏光纤7、第二保偏光纤8，第三保偏光纤9、第四保偏光纤10。
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，一种免疫信道扰动的量子密钥分发解码装置（以下简称解码装置），包括第一偏振分束器1、偏振旋转模块2、偏振干涉仪3、分束器4、第一单光子探测器5以及第二单光子探测器6，所述第一偏振分束器1包括输入端口、第一输出端口和第二输出端口；所述偏振旋转模块2、偏振干涉仪3、分束器4均包括第一输入端口、第二输入端口和第一输出端口、第二输出端口；所述第一偏振分束器1的第一输出端口、第二输出端口分别通过第一保偏光纤7、第二保偏光纤8与偏振旋转模块2的第一输入端口、第二输入端口相连；所述偏振旋转模块2的第一输出端口、第二输出端口分别通过第三保偏光纤9、第四保偏光纤10与偏振干涉仪3的第一输入端口、第二输入端口相连；所述偏振干涉仪3的第一输出端口和第二输出端口分别连接分束器4的第一输入端口和第二输入端口；所述分束器4的第一输出端口和第二输出端口分别连接第一单光子探测器5和第二单光子探测器6；所述第一偏振分束器1用于将输入任意偏振态的相位编码脉冲分束成偏振相互垂直的第一偏振脉冲和第二偏振脉冲；所述偏振旋转模块2用于将第一偏振脉冲和第二偏振脉冲前一个时间模式的偏振态旋转90°，而不改变后一个时间模式的偏振态。所述偏振干涉仪3的第二输出端口与分束器4的第二输入端口之间的保偏光纤进行90°熔接。
具体解码过程如下：
发送端发出的偏振复用相位编码态的前后两个时间模式相位差为
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
，且偏振相 互垂直，可写为
Figure 355994DEST_PATH_IMAGE002
其中，时间模式|0>的偏振态为水平偏振；时间模式|1>的偏振态为竖直偏振。在经过单模光纤信道之后，由于存在双折射效应以及信道所处环境存在扰动，导致相位编码态在到达接收端时变成随机的偏振态，因此进入解码装置的相位编码态可写为
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE003
其中时间模式|0>的偏振态为
Figure 287041DEST_PATH_IMAGE004
，时间模式 |1>的偏振态为
Figure DEST_PATH_IMAGE005
，满足
Figure 697162DEST_PATH_IMAGE006
。
相位编码态进入解码装置后，首先被第一偏振分束器1分成偏振相互垂直的第一偏振脉冲和第二偏振脉冲，分别从第一偏振分束器1的第一输出端口和第二输出端口出射，均沿保偏光纤慢轴传播。所述第一偏振脉冲和第二偏振脉冲的量子态可写为
Figure DEST_PATH_IMAGE007
其中，|s>表示光沿保偏光纤慢轴传播。
第一偏振脉冲和第二偏振脉冲随后同时进入偏振旋转模块2，二者的时间模式|0>被偏振旋转模块2将偏振态旋转了90°，沿保偏光纤快轴传播；时间模式|1>经过偏振旋转模块2偏振态不变，仍沿着保偏光纤慢轴传播。其中第一偏振脉冲从偏振旋转模块2的第一输出端口出射并经过90°偏振旋转后成为第三偏振脉冲，第二偏振脉冲从偏振旋转模块2的第二输出端口出射成为第四偏振脉冲。第三偏振脉冲和第四偏振脉冲的量子态可分别写为
Figure 89967DEST_PATH_IMAGE008
第三偏振脉冲进入偏振干涉仪3后，由于时间模式|0>沿保偏光纤快轴传播，进入 偏振干涉仪3的长臂，被调制相位
Figure DEST_PATH_IMAGE009
；时间模式|1>沿保偏光纤慢轴传播，经过偏振干涉仪3 的短臂后，与时间模式|0>在时间上重叠，经过90°偏振旋转后到达分束器4时量子态变为
Figure 19876DEST_PATH_IMAGE010
第四偏振脉冲进入偏振干涉仪3后，由于时间模式|0>沿保偏光纤快轴传播，进入 偏振干涉仪3的长臂，被调制相位
Figure DEST_PATH_IMAGE011
；时间模式|1>沿保偏光纤慢轴传播，经过偏振干涉仪3 的短臂后，与时间模式|0>在时间上重叠，到达分束器4时量子态变为
Figure 371092DEST_PATH_IMAGE012
Figure DEST_PATH_IMAGE013
和
Figure 534089DEST_PATH_IMAGE014
同时到达分束器4进行干涉，分束器4的琼斯矩阵为
Figure DEST_PATH_IMAGE015
则从分束器4的第一输出端口和第二输出端口出射的量子态为
Figure 746896DEST_PATH_IMAGE016
化简可得
Figure DEST_PATH_IMAGE017
其中相位差为
Figure 538438DEST_PATH_IMAGE018
，
Figure DEST_PATH_IMAGE019
和
Figure 60555DEST_PATH_IMAGE020
的光强分别为
Figure DEST_PATH_IMAGE021
因此进入第一单光子探测器5和第二单光子探测器6的光强分别为
Figure 196001DEST_PATH_IMAGE022
和
Figure DEST_PATH_IMAGE023
，与入射偏振态无关，可以免疫信道的随机扰动。并 且由于采用偏振复用的方式，即两个时间模式的偏振相互垂直，可以消除非干涉峰，使所有 脉冲分量都进行干涉，将光子的能量利用率提高了一倍。当发送端调制4个相位时，接收端 可以调制2个相位进行解码，相应的单光子探测器响应概率如表1所示
表1：探测器响应概率表
Figure 196187DEST_PATH_IMAGE024
如图2所示，本发明解码装置实施例一：
所述解码装置的结构为：所述偏振旋转模块2包括第一环形器2-1、第二环形器2-2、第一调相器2-3、第二调相器2-4、第一法拉第镜2-5和第二法拉第镜2-6，所述第一环形器2-1和第二环形器2-2均包括第一端口、第二端口和第三端口；所述第一环形器2-1、第二环形器2-2的第二端口分别通过保偏光纤进行45°熔接后与第一调相器2-3、第二调相器2-4的输入端口相连；所述第一调相器2-3、第二调相器2-4的输出端口分别连接第一法拉第镜2-5、第二法拉第镜2-6。所述偏振干涉仪3包括第三环形器3-1、第四环形器3-2、第二偏振分束器3-3、第三偏振分束器3-4和第三调相器3-5，所述第三环形器3-1和第四环形器3-2均包括第一端口、第二端口和第三端口；所述第二偏振分束器3-3和第三偏振分束器3-4均包括输入端口、第一输出端口和第二输出端口；所述第三环形器3-1和第四环形器3-2的第二端口分别连接第二偏振分束器3-3和第三偏振分束器3-4的输入端口；所述第二偏振分束器3-3的第一输出端口通过第三调相器3-5连接第三偏振分束器3-4的第一输出端口，构成偏振干涉仪3的长臂；所述第二偏振分束器3-3的第二输出端口直接连接第三偏振分束器3-4的第二输出端口，构成偏振干涉仪3的短臂。
实施例一解码具体过程包括为：
发送端发出的偏振复用相位编码态的前后两个时间模式相位差为
Figure DEST_PATH_IMAGE025
，且偏振相 互垂直，可写为
Figure 84378DEST_PATH_IMAGE026
其中，时间模式|0>的偏振态为水平偏振；时间模式|1>的偏振态为竖直偏振。在经过单模光纤信道之后，由于存在双折射效应以及信道所处环境存在扰动，导致相位编码态在到达接收端时变成随机的偏振态，因此进入解码装置的相位编码态可写为
Figure DEST_PATH_IMAGE027
其中时间模式|0>的偏振态为
Figure 777396DEST_PATH_IMAGE028
，时间模式 |1>的偏振态为
Figure DEST_PATH_IMAGE029
，满足
Figure 400138DEST_PATH_IMAGE030
。
相位编码态进入解码装置后，首先被第一偏振分束器1分成偏振相互垂直的第一偏振脉冲和第二偏振脉冲，分别从第一偏振分束器1的第一输出端口和第二输出端口出射，均沿保偏光纤慢轴传播。所述第一偏振脉冲和第二偏振脉冲的量子态可写为
Figure DEST_PATH_IMAGE031
其中，|s>表示光沿保偏光纤慢轴传播。
第一偏振脉冲经第一环形器2-1、45°偏振旋转之后变成45°偏振，分成两个偏振分量经过第一调相器2-3，随后被第一法拉第镜2-5反射偏振旋转90°后再次经过第一调相器2-3、 45°偏振旋转、第一环形器2-1，到达第三环形器3-1，变为第三偏振脉冲
Figure 938436DEST_PATH_IMAGE032
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE033
，
Figure 946712DEST_PATH_IMAGE034
分别为时间模式|0>和|1>的偏振 态，
Figure DEST_PATH_IMAGE035
和
Figure 561364DEST_PATH_IMAGE036
分别为时间模式|0>和|1>经过第一调相器2-3时所调制的两个偏振分量|s> 和|f>之间的相位差。当调制
Figure 717408DEST_PATH_IMAGE035
和
Figure 606867DEST_PATH_IMAGE036
分别为π和0时，时间模式|0>的偏振态变为|f>，即沿 保偏光纤快轴传播，时间模式|1>的偏振态不变，仍为|s>，沿保偏光纤慢轴传播。第三偏振 脉冲的量子态可写为
Figure DEST_PATH_IMAGE037
第二偏振脉冲经第二环形器2-2、45°偏振旋转、第二调相器2-4、第二法拉第镜2-6再次回到第二环形器2-2并到达第四环形器3-2时，变为第四偏振脉冲。时间模式|0>和|1>经过第二调相器2-4时分别调制相位差π和0，使前者偏振旋转90°，后者不变，则第四偏振脉冲的量子态可分别写为
Figure 751540DEST_PATH_IMAGE038
第三偏振脉冲经第三环形器3-1进入第二偏振分束器3-3的输入端口，由于时间模 式|0>沿保偏光纤快轴传播，进入偏振干涉仪3的长臂，被调制相位
Figure DEST_PATH_IMAGE039
后从第三偏振分束器 3-4的输入端口出射；时间模式|1>沿保偏光纤慢轴传播，经过偏振干涉仪3的短臂后，从第 三偏振分束器3-4的输入端口出射，与时间模式|0>在时间上重叠，经过第四环形器3-2、90° 偏振旋转后到达分束器4时量子态变为
Figure 786361DEST_PATH_IMAGE040
第四偏振脉冲经第四环形器3-2进入第三偏振分束器3-4的输入端口，由于时间模 式|0>沿保偏光纤快轴传播，进入偏振干涉仪3的长臂，被调制相位
Figure 914854DEST_PATH_IMAGE039
后从第二偏振分束器 3-3的输入端口出射；时间模式|1>沿保偏光纤慢轴传播，经过偏振干涉仪3的短臂后，从第 二偏振分束器3-3的输入端口出射，与时间模式|0>在时间上重叠，经过第三环形器3-1到达 分束器时量子态变为
Figure DEST_PATH_IMAGE041
Figure 60534DEST_PATH_IMAGE042
和
Figure DEST_PATH_IMAGE043
同时到达分束器4进行干涉，从分束器4的第一输出端口和第二输出 端口出射的量子态为
Figure 308981DEST_PATH_IMAGE044
化简可得
Figure DEST_PATH_IMAGE045
其中相位差为
Figure 734277DEST_PATH_IMAGE046
，
Figure DEST_PATH_IMAGE047
和
Figure 68176DEST_PATH_IMAGE048
的光强分别为
Figure DEST_PATH_IMAGE049
因此进入第一单光子探测器5和第二单光子探测器6的光强分别为
Figure 751967DEST_PATH_IMAGE050
和
Figure DEST_PATH_IMAGE051
，与入射偏振态无关，可以免疫信道的随机 扰动。并且由于采用偏振复用的方式，即两个时间模式的偏振相互垂直，可以消除非干涉 峰，使所有脉冲分量都进行干涉，将光子的能量利用率提高了一倍。根据表1可实现稳定的 相位解码。
如图3所示，本发明解码装置实施例二：
所述解码装置的结构为：所述偏振旋转模块2包括第五环形器2-7、第六环形器2-8、第四偏振分束器2-9和第四调相器2-10，所述第五环形器2-7和第六环形器2-8均包括第一端口、第二端口和第三端口；所述第四偏振分束器2-9包括第一输入端口、第二输入端口、第一输出端口和第二输出端口；所述第五环形器2-7、第六环形器2-8的第二端口分别通过保偏光纤进行45°熔接后与第四偏振分束器2-9的第一输入端口、第二输入端口相连；所述第四偏振分束器2-9的第一输出端口、第二输出端口分别通过两根长度不同的保偏光纤与第四调相器2-10的输入端口和输出端口相连，构成萨格纳克环。所述偏振干涉仪3包括第七环形器3-6、第八环形器3-7、第五偏振分束器3-8和第五调相器3-9，所述第七环形器3-6和第八环形器3-7均包括第一端口、第二端口和第三端口；所述第五偏振分束器3-8包括第一输入端口、第二输入端口、第一输出端口和第二输出端口；所述第五偏振分束器3-8的第一输入端口、第二输出端口分别连接第七环形器3-6、第八环形器3-7的第二端口；所述第五偏振分束器3-8的第一输出端口、第二输入端口分别通过两根长度相同的保偏光纤与第五调相器3-9的输入端口和输出端口相连。
实施例二解码具体过程包括为：
发送端发出的偏振复用相位编码态的前后两个时间模式相位差为
Figure 871232DEST_PATH_IMAGE052
，且偏振相 互垂直，可写为
Figure DEST_PATH_IMAGE053
其中，时间模式|0>的偏振态为水平偏振；时间模式|1>的偏振态为竖直偏振。在经过单模光纤信道之后，由于存在双折射效应以及信道所处环境存在扰动，导致相位编码态在到达接收端时变成随机的偏振态，因此进入解码装置的相位编码态可写为
Figure 982277DEST_PATH_IMAGE054
其中时间模式|0>的偏振态为
Figure DEST_PATH_IMAGE055
，时间 模式|1>的偏振态为
Figure 803471DEST_PATH_IMAGE056
，满足
Figure DEST_PATH_IMAGE057
。
相位编码态进入解码装置后，首先被第一偏振分束器1分成偏振相互垂直的第一偏振脉冲和第二偏振脉冲，分别从第一偏振分束器1的第一输出端口和第二输出端口出射，均沿保偏光纤慢轴传播。所述第一偏振脉冲和第二偏振脉冲的量子态可写为
Figure 776106DEST_PATH_IMAGE058
其中，|s>表示光沿保偏光纤慢轴传播。
第一偏振脉冲经第五环形器2-7、45°偏振旋转之后变成45°偏振到达第四偏振分束器2-9的第一输入端口，分成两个偏振相互垂直的分量分别沿顺时针和逆时针在萨格纳克环内传播后从第四偏振分束器2-9的第一输入端口出射，合成偏振之后再次经 45°偏振旋转、第五环形器2-7，到达第七环形器3-6，变为第三偏振脉冲
Figure DEST_PATH_IMAGE059
其中，
Figure 999146DEST_PATH_IMAGE060
，
Figure DEST_PATH_IMAGE061
分别为时间模式|0>和|1>的偏振 态，
Figure 297403DEST_PATH_IMAGE062
和
Figure DEST_PATH_IMAGE063
分别为时间模式|0>和|1>经过第四调相器2-10时所调制的两个偏振分量|s> 和|f>之间的相位差。当调制
Figure 340315DEST_PATH_IMAGE062
和
Figure 178958DEST_PATH_IMAGE063
分别为π和0时，时间模式|0>的偏振态变为|f>，即沿 保偏光纤快轴传播，时间模式|1>的偏振态不变，仍为|s>，沿保偏光纤慢轴传播。第三偏振 脉冲的量子态可写为
Figure 787662DEST_PATH_IMAGE064
第二偏振脉冲经第六环形器2-8、45°偏振旋转、以及第四偏振分束器2-9和第四调相器2-10构成的萨格纳克环之后，再次回到第六环形器2-8并到达第八环形器3-7时，变为第四偏振脉冲。时间模式|0>和|1>经过第四调相器2-10时分别调制相位差π和0，使前者偏振旋转90°，后者不变，则第四偏振脉冲的量子态可分别写为
Figure DEST_PATH_IMAGE065
第三偏振脉冲经第七环形器3-6进入第五偏振分束器3-8的第一输入端口，由于时 间模式|0>沿保偏光纤快轴传播，进入偏振干涉仪3的长臂，被调制相位
Figure 256821DEST_PATH_IMAGE039
后从第五偏振 分束器3-8的第二输出端口出射；时间模式|1>沿保偏光纤慢轴传播，直接从第五偏振分束 器3-8的第二输出端口出射，与时间模式|0>在时间上重叠，经过第八环形器3-7、90°偏振旋 转后到达分束器4时量子态变为
Figure 583766DEST_PATH_IMAGE066
第四偏振脉冲经第八环形器3-7进入第五偏振分束器3-8的第二输出端口，由于时 间模式|0>沿保偏光纤快轴传播，进入偏振干涉仪3的长臂，被调制相位
Figure DEST_PATH_IMAGE067
后从第五偏振分 束器3-8的第一输入端口出射；时间模式|1>沿保偏光纤慢轴传播，直接从第五偏振分束器 3-8的第一输入端口出射，与时间模式|0>在时间上重叠，经过第七环形器3-6后到达分束器 4时量子态变为
Figure 163783DEST_PATH_IMAGE068
Figure DEST_PATH_IMAGE069
和
Figure 361415DEST_PATH_IMAGE070
同时到达分束器4进行干涉，从分束器4的第一输出端口和第二输出端 口出射的量子态为
Figure DEST_PATH_IMAGE071
化简可得
Figure 1475DEST_PATH_IMAGE072
其中相位差为
Figure DEST_PATH_IMAGE073
，
Figure 753399DEST_PATH_IMAGE074
和
Figure DEST_PATH_IMAGE075
的光强分别为
Figure 120795DEST_PATH_IMAGE076
因此进入第一单光子探测器5和第二单光子探测器6的光强分别为
Figure DEST_PATH_IMAGE077
和
Figure 641776DEST_PATH_IMAGE078
，与入射偏振态无关，可以免疫信道的随机扰 动。并且由于采用偏振复用的方式，即两个时间模式的偏振相互垂直，可以消除非干涉峰， 使所有脉冲分量都进行干涉，将光子的能量利用率提高了一倍。根据表1可实现稳定的相位 解码。
如图4所示，本发明解码装置实施例三：
所述解码装置的结构为：所述偏振旋转模块2包括第五环形器2-7、第六环形器2-8、第四偏振分束器2-9和第四调相器2-10，所述第五环形器2-7和第六环形器2-8均包括第一端口、第二端口和第三端口；所述第四偏振分束器2-9包括第一输入端口、第二输入端口、第一输出端口和第二输出端口；所述第五环形器2-7、第六环形器2-8的第二端口分别通过保偏光纤进行45°熔接后与第四偏振分束器2-9的第一输入端口、第二输入端口相连；所述第四偏振分束器2-9的第一输出端口、第二输出端口分别通过两根长度不同的保偏光纤与第四调相器2-10的输入端口和输出端口相连，构成萨格纳克环。所述偏振干涉仪3包括第六偏振分束器3-10、第六调相器3-11和半波片3-12，所述半波片3-12的光轴与保偏光纤的慢轴对准；所述第六偏振分束器3-10的第一输出端口通过长臂光纤连接第六调相器3-11；所述第六偏振分束器3-10的第二输出端口通过短臂光纤连接半波片3-12。
实施例三解码具体过程包括为：
发送端发出的偏振复用相位编码态的前后两个时间模式相位差为
Figure DEST_PATH_IMAGE079
，且偏振相 互垂直，可写为
Figure 187158DEST_PATH_IMAGE080
其中，时间模式|0>的偏振态为水平偏振；时间模式|1>的偏振态为竖直偏振。在经过单模光纤信道之后，由于存在双折射效应以及信道所处环境存在扰动，导致相位编码态在到达接收端时变成随机的偏振态，因此进入解码装置的相位编码态可写为
Figure DEST_PATH_IMAGE081
其中时间模式|0>的偏振态为
Figure 957536DEST_PATH_IMAGE082
，时 间模式|1>的偏振态为
Figure DEST_PATH_IMAGE083
，满足
Figure 128623DEST_PATH_IMAGE084
。
相位编码态进入解码装置后，首先被第一偏振分束器1分成偏振相互垂直的第一偏振脉冲和第二偏振脉冲，分别从第一偏振分束器1的第一输出端口和第二输出端口出射，均沿保偏光纤慢轴传播。所述第一偏振脉冲和第二偏振脉冲的量子态可写为
Figure DEST_PATH_IMAGE085
其中，|s>表示光沿保偏光纤慢轴传播。
第一偏振脉冲经第五环形器2-7、45°偏振旋转之后变成45°偏振到达第四偏振分束器2-9的第一输入端口，分成两个偏振相互垂直的分量分别沿顺时针和逆时针在萨格纳克环内传播后从第四偏振分束器2-9的第一输入端口出射，合成偏振之后再次经 45°偏振旋转从第五环形器2-7出射，变为第三偏振脉冲
Figure 520422DEST_PATH_IMAGE086
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE087
，
Figure 751552DEST_PATH_IMAGE088
分别为时间模式|0>和|1>的偏振 态，
Figure DEST_PATH_IMAGE089
和
Figure 759959DEST_PATH_IMAGE090
分别为时间模式|0>和|1>经过第四调相器2-10时所调制的两个偏振分量|s> 和|f>之间的相位差。当调制
Figure 265896DEST_PATH_IMAGE089
和
Figure 574517DEST_PATH_IMAGE090
分别为π和0时，时间模式|0>的偏振态变为|f>，即沿 保偏光纤快轴传播，时间模式|1>的偏振态不变，仍为|s>，沿保偏光纤慢轴传播。第三偏振 脉冲的量子态可写为
Figure DEST_PATH_IMAGE091
第二偏振脉冲经第六环形器2-8、45°偏振旋转、以及第四偏振分束器2-9和第四调相器2-10构成的萨格纳克环之后，再次从第六环形器2-8出射时，变为第四偏振脉冲。时间模式|0>和|1>经过第四调相器2-10时分别调制相位差π和0，使前者偏振旋转90°，后者不变，则第四偏振脉冲的量子态可分别写为
Figure 976549DEST_PATH_IMAGE092
第三偏振脉冲进入第六偏振分束器3-10的第一输入端口，由于时间模式|0>沿保 偏光纤快轴传播，被第六偏振分束器3-10反射到第一输出端口，经历了π/2的相位突变，进 入偏振干涉仪3的长臂并沿保偏光纤慢轴传播，被调制相位
Figure 737831DEST_PATH_IMAGE094
后到达分束器4的第一输入端 口；时间模式|1>沿保偏光纤慢轴传播，经过偏振干涉仪3的短臂、半波片3-12，由于半波片 3-12的光轴与保偏光纤慢轴对准，时间模式|1>的相位不发生变化。然后经90°偏振旋转后， 沿保偏光纤快轴传播到达分束器4的第二输入端口，与时间模式|0>在时间上重叠。
第四偏振脉冲进入第六偏振分束器3-10的第二输入端口，由于时间模式|0>沿保 偏光纤快轴传播，被透射到第一输出端口，进入偏振干涉仪3的长臂并沿保偏光纤快轴传 播，被调制相位
Figure DEST_PATH_IMAGE095
后到达分束器4的第一输入端口；时间模式|1>沿保偏光纤慢轴传播，被 第六偏振分束器3-10反射到第二输出端口，进入偏振干涉仪3的短臂，沿保偏光纤快轴传 播，经历了π/2的相位突变，经过半波片3-12后相位又增加π，然后经90°偏振旋转后，沿保偏 光纤慢轴传播到达分束器4的第二输入端口，与时间模式|0>在时间上重叠。因此分束器4的 第一输入端口和第二输入端口的量子态可分别写为
Figure 516300DEST_PATH_IMAGE096
Figure DEST_PATH_IMAGE097
和
Figure 351532DEST_PATH_IMAGE098
同时到达分束器4进行干涉，从分束器4的第一输出端口和第二输 出端口出射的量子态为
Figure DEST_PATH_IMAGE099
化简可得
Figure 658886DEST_PATH_IMAGE100
Figure DEST_PATH_IMAGE101
和
Figure 359994DEST_PATH_IMAGE102
的光强分别为
Figure DEST_PATH_IMAGE103
设置第六调相器3-11的直流偏置相位为π/2，则相位差为
Figure 410996DEST_PATH_IMAGE104
， 二者的光强可写为
Figure DEST_PATH_IMAGE105
因此进入第一单光子探测器5和第二单光子探测器6的光强分别为
Figure 631893DEST_PATH_IMAGE106
和
Figure DEST_PATH_IMAGE107
，与入射偏振态无关，可以免疫信道的随机扰 动。并且由于采用偏振复用的方式，即两个时间模式的偏振相互垂直，可以消除非干涉峰， 使所有脉冲分量都进行干涉，将光子的能量利用率提高了一倍。根据表1可实现稳定的相位 解码。
本发明还公开了一种量子密钥分发系统的发射端，包括激光器、编码装置、可调衰减器，所述编码装置的输入端口和输出端口分别连接激光器和可调衰减器，所述激光器用于产生光脉冲，所述编码装置用于多种协议的编码，产生编码脉冲，所述可调衰减器用于将编码脉冲衰减到单光子量级。
综合本发明各个实施例可知，本发明通过对相位编码态脉冲进行偏振分束分别进行干涉后再进行合并探测，可以消除信道的偏振扰动导致偏振态随机变化对系统造成的影响，无需主动偏振补偿模块即可实现免疫信道扰动，提高了系统的稳定性。同时，由于采用时间模式偏振复用和偏振干涉仪，可以消除非干涉峰，提高光子的能量利用率，进而提高系统的安全成码率。

Claims (6)

1.一种免疫信道扰动的量子密钥分发解码装置，其特征在于，包括第一偏振分束器（1）、偏振旋转模块（2）、偏振干涉仪（3）、分束器（4）、第一单光子探测器（5）以及第二单光子探测器（6），所述第一偏振分束器（1）包括输入端口、第一输出端口和第二输出端口；所述偏振旋转模块（2）、偏振干涉仪（3）、分束器（4）均包括第一输入端口、第二输入端口和第一输出端口、第二输出端口；所述第一偏振分束器（1）的第一输出端口、第二输出端口分别通过第一保偏光纤（7）、第二保偏光纤（8）与偏振旋转模块（2）的第一输入端口、第二输入端口相连；所述偏振旋转模块（2）的第一输出端口、第二输出端口分别通过第三保偏光纤（9）、第四保偏光纤（10）与偏振干涉仪（3）的第一输入端口、第二输入端口相连；所述偏振干涉仪（3）的第一输出端口和第二输出端口分别连接分束器（4）的第一输入端口和第二输入端口；所述分束器（4）的第一输出端口和第二输出端口分别连接第一单光子探测器（5）和第二单光子探测器（6）；所述第一偏振分束器（1）用于将输入任意偏振态的相位编码脉冲分束成偏振相互垂直的第一偏振脉冲和第二偏振脉冲；所述偏振旋转模块（2）用于将第一偏振脉冲和第二偏振脉冲前一个时间模式的偏振态旋转90°，而不改变后一个时间模式的偏振态，所述偏振干涉仪（3）的第二输出端口与分束器（4）的第二输入端口之间的保偏光纤进行90°熔接，所述量子密钥分发解码装置的解码过程为：
S1：发送端发出的偏振复用相位编码态的前一个时间模式|0>与后一个时间模式|1>相 位差为
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，且偏振相互垂直，经信道传输后进入第一偏振分束器（1）的输入端口，被其分束 为第一偏振脉冲和第二偏振脉冲，分别从第一偏振分束器（1）的第一输出端口和第二输出 端口出射；
S2：第一偏振脉冲和第二偏振脉冲随后同时进入偏振旋转模块（2），二者的时间模式|0>被偏振旋转模块（2）将偏振态旋转了90°，沿保偏光纤快轴传播；时间模式|1>经过偏振旋转模块（2）偏振态不变，仍沿着保偏光纤慢轴传播，其中第一偏振脉冲从偏振旋转模块（2）的第一输出端口出射并经过90°偏振旋转后成为第三偏振脉冲，第二偏振脉冲从偏振旋转模块（2）的第二输出端口出射成为第四偏振脉冲；
S3：所述第三偏振脉冲进入偏振干涉仪（3）的第一输入端口，时间模式|0>进入偏振干 涉仪（3）的长臂，并被调制相位
Figure 553474DEST_PATH_IMAGE002
，时间模式|1>进入偏振干涉仪（3）的短臂，二者同时从 偏振干涉仪（3）的第一输出端口出射，进入分束器（4）的第一输入端口；
S4：所述第四偏振脉冲进入偏振干涉仪（3）的第二输入端口，时间模式|0>进入偏振干 涉仪（3）的长臂，并被调制相位
Figure DEST_PATH_IMAGE003
，时间模式|1>进入偏振干涉仪（3）的短臂，二者同时从 偏振干涉仪（3）的第二输出端口出射，经过90°偏振旋转后进入分束器（4）的第二输入端口；
S5：所述第三偏振脉冲和第四偏振脉冲在分束器（4）处进行干涉，干涉结果分别进入第一单光子探测器（5）和第二单光子探测器（6）进行探测解码。
2.如权利要求1所述的免疫信道扰动的量子密钥分发解码装置，其特征在于，所述偏振旋转模块（2）包括第一环形器（2-1）、第二环形器（2-2）、第一调相器（2-3）、第二调相器（2-4）、第一法拉第镜（2-5）和第二法拉第镜（2-6），所述第一环形器（2-1）和第二环形器（2-2）均包括第一端口、第二端口和第三端口；所述第一环形器（2-1）、第二环形器（2-2）的第二端口分别通过保偏光纤进行45°熔接后与第一调相器（2-3）、第二调相器（2-4）的输入端口相连；所述第一调相器（2-3）、第二调相器（2-4）的输出端口分别连接第一法拉第镜（2-5）、第二法拉第镜（2-6）。
3.如权利要求1所述的免疫信道扰动的量子密钥分发解码装置，其特征在于，所述偏振旋转模块（2）包括第五环形器（2-7）、第六环形器（2-8）、第四偏振分束器（2-9）和第四调相器（2-10），所述第五环形器（2-7）和第六环形器（2-8）均包括第一端口、第二端口和第三端口；所述第四偏振分束器（2-9）包括第一输入端口、第二输入端口、第一输出端口和第二输出端口；所述第五环形器（2-7）、第六环形器（2-8）的第二端口分别通过保偏光纤进行45°熔接后与第四偏振分束器（2-9）的第一输入端口、第二输入端口相连；所述第四偏振分束器（2-9）的第一输出端口、第二输出端口分别通过两根长度不同的保偏光纤与第四调相器（2-10）的输入端口和输出端口相连，构成萨格纳克环。
4.如权利要求1或2或3所述的免疫信道扰动的量子密钥分发解码装置，其特征在于，所述偏振干涉仪（3）包括第三环形器（3-1）、第四环形器（3-2）、第二偏振分束器（3-3）、第三偏振分束器（3-4）和第三调相器（3-5），所述第三环形器（3-1）和第四环形器（3-2）均包括第一端口、第二端口和第三端口；所述第二偏振分束器（3-3）和第三偏振分束器（3-4）均包括输入端口、第一输出端口和第二输出端口；所述第三环形器（3-1）和第四环形器（3-2）的第二端口分别连接第二偏振分束器（3-3）和第三偏振分束器（3-4）的输入端口；所述第二偏振分束器（3-3）的第一输出端口通过第三调相器（3-5）连接第三偏振分束器（3-4）的第一输出端口，构成偏振干涉仪（3）的长臂；所述第二偏振分束器（3-3）的第二输出端口直接连接第三偏振分束器（3-4）的第二输出端口，构成偏振干涉仪（3）的短臂。
5.如权利要求1或2或3所述的免疫信道扰动的量子密钥分发解码装置，其特征在于，所述偏振干涉仪（3）包括第七环形器（3-6）、第八环形器（3-7）、第五偏振分束器（3-8）和第五调相器（3-9），所述第七环形器（3-6）和第八环形器（3-7）均包括第一端口、第二端口和第三端口；所述第五偏振分束器（3-8）包括第一输入端口、第二输入端口、第一输出端口和第二输出端口；所述第五偏振分束器（3-8）的第一输入端口、第二输出端口分别连接第七环形器（3-6）、第八环形器（3-7）的第二端口；所述第五偏振分束器（3-8）的第一输出端口、第二输入端口分别通过两根长度相同的保偏光纤与第五调相器（3-9）的输入端口和输出端口相连。
6.如权利要求1或2或3所述的免疫信道扰动的量子密钥分发解码装置，其特征在于，所述偏振干涉仪（3）包括第六偏振分束器（3-10）、第六调相器（3-11）和半波片（3-12），所述半波片（3-12）的光轴与保偏光纤的慢轴对准；所述第六偏振分束器（3-10）的第一输出端口通过长臂光纤连接第六调相器（3-11）；所述第六偏振分束器（3-10）的第二输出端口通过短臂光纤连接半波片（3-12）。
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