CN114667710A - 量子位解码设备、系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种量子位解码设备（200），其被配置成接收具有用光子的属性编码的qubit的所述光子，量子位解码设备（200）包括解调设备（210）。解调设备（210）包括可配置成随机地将用于解码qubit的多个调制值之一应用于光子的属性的光调制器（212）以及用于根据qubit路由光子的光路由器（214、414）。量子位解码设备（200）还包括光延迟设备（220），光延迟设备（220）具有光组合器（222）、从光路由器到光组合器的第一光路（224）、以及从光路由器到光组合器的第二光路（226）。第二光路（226）具有不同于第一光路的光路长度，以在这些光路之间引入时间延迟。量子位解码设备（200）进一步包括检测设备（230），检测设备（230）被配置成检测光子，并且可操作以确定检测到的光子是否相对于参考时间被延迟并根据确定的时间延迟来确定qubit。

Description

量子位解码设备、系统和方法
技术领域
本发明涉及量子位（quantum bit）解码设备并且涉及包括量子位解码设备的量子位解码系统。本发明进一步涉及量子密钥分发系统并且涉及通信网络节点。本发明进一步涉及用于解码在光子上编码的量子位的方法。
背景技术
量子通信系统利用传送以量子态编码的信息的可能性，所述信息以使得两个通信伙伴中间的窃听者不可避免地引入可检测的干扰的方式进行准备。在光通信中，通过光子的物理属性（如例如，偏振态、相位或自旋）对量子信息进行编码。
量子密钥分发QKD为对称加密系统中的密钥分发问题提供了解决方案。理论上，应该使用一次一密加密（one-time pad encryption）来将量子加密应用于要传送的整个消息。然而，这将不可接受地损害通信信道的容量和时延，因为可行的QKD系统只能逐渐达到几个Mbit/s，并且要求处理时间来使发送者和接收者在没有错误的情况下约定最终密钥。在实践中，QKD仅用于产生和分发密钥，而不用于传送消息数据。然后，与经典的加密算法一起使用密钥来对在经典的大容量通信信道上传送的消息进行加密和解密。
在基于BB84协议的QKD中，如由例如A. Ruiz-Alba等人的“Practical QuantumKey Distribution based on the BB84 protocol”（Waves, 2011，第4-14页）所描述，发送者Alice生成随机位，即，“0”或“1”，并通过光子的恰当选择的物理属性用两个不同基之一对它进行编码。然后，使用第一个基来对“0”位进行编码，并将另一个基用于对“1”位进行编码。
由于接收者Bob不知道Alice的基选择，所以他通过随机选择这两个可能的基之一来测量入射光子的基。如果他使用Alice所使用的相同基，那么他将确定性地测量正确的位值。相反，如果他选择了错误的基，那么他的测量结果将是在所编码的基的可能值上的随机投影，这只会以50%的概率给出正确的结果。在已经交换了一长串光子之后，Alice和Bob比较他们各自已经用于编码和测量的基，以便经由“经典”信道进行通信。他们只保留利用匹配的基生成和检测到的随机位，这些位被说成构成“经过筛选的密钥”。在没有噪声、缺陷和干扰的理想系统中，经过筛选的密钥是相同的，并且它们可用作私有密钥。
BB84协议的两种常见实现使用光子的偏振或相位属性作为基。对于偏振编码情况，在图1(a)中所示，发送者Alice在使用偏光器选择的两个不同的偏振基上进行编码，这两个偏振基相对于彼此旋转45°，它们称为直线0°和90°与对角线45°和135°。在接收者Bob处，偏振分束器PBS将光子的偏振编码变换到空间解码中，其中通过两个单光子雪崩光电探测器SPD之一来接收光子。对于相位编码方案，在图1(b)中所示，并且例如由Yan Hui等人的“Efficient Phase-Encoding Quantum Key Generation with Narrow-Band SinglePhotons”（Chinese Physics Letters，第28卷，第7期，2011年5月20日）所报告，发送者使用Mach-Zehnder干涉仪MZI来引入四个不同的相移
Figure DEST_PATH_IMAGE002
（例如，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
）之一。前两个相移对‘0’位进行编码，而后两个相移对‘1’位进行编码。然后，接收者使用第二个MZI来随机地引入两个相移
Figure DEST_PATH_IMAGE006
（例如，
Figure DEST_PATH_IMAGE008
）之一。这里，在考虑差分相位
Figure DEST_PATH_IMAGE010
的情况下进行空间解码。
QKD也可基于光子自旋来实现，如例如由Giuseppe Vallone等人的“Free-spacequantum key distribution by rotation-invariant twisted photons”（PhysicsReview Letters，第113卷，060503 (2014)）所报告。
在任何离散变量QKD方案的实际实现中，强烈限制该技术的采用的限制因素是表示实际QKD系统的最关键部分的光接收器装置的高成本。特别是，QKD协议的任何实现都要求至少两个SPD。此外，每个光子编码的qubit数越多，SPD数就越高，SPD数会相对于qubit数呈指数级增长。这就是为什么采用每光子多qubit的QDK协议没有得到深入的研究和提出的原因。
发明内容
一个目的是提供一种改进的量子位解码设备。进一步的目的是提供一种改进的量子位解码系统。进一步的目的是提供一种改进的QKD系统。进一步的目的是提供一种改进的量子位解码方法。
本发明的一方面提供一种量子位解码设备，其被配置成接收具有用光子的属性编码的量子位（qubit）的所述光子。量子位解码设备包括解调设备、光延迟设备和检测设备。解调设备包括光调制器和光路由器。光调制器可配置成随机地将多个调制值之一应用于光子的所述属性；调制值被配置用于解码qubit。光路由器设置在光调制器之后，并且被配置成根据qubit路由光子。光延迟设备包括光组合器、从光路由器的第一输出端到光组合器的第一输入端的第一光路、以及从光路由器的第二输出端到光组合器的第二输入端的第二光路。第二光路具有不同于第一光路的光路长度，以在第一光路和第二光路之间引入时间延迟。检测设备被配置成检测从光组合器接收的光子。检测设备可操作以确定检测到的光子是否相对于参考时间被延迟并根据确定的时间延迟来确定qubit。
qubit解码设备能够实现解码qubit所要求的解码器设备的复杂性的降低，以便用时间解码器来取代诸如在图1中所示的BB84协议解码器之类的现有技术的独立空间解码器。这可相对于现有技术的解码方案能够实现更低成本的qubit解码设备，并且可能够实现以与标准（非量子）解码器相当的成本提供qubit解码设备。
在一实施例中，检测设备进一步可操作以确定应用于检测到的光子的相对于参考时间的时间延迟并根据确定的时间延迟来确定qubit。
在一实施例中，检测设备包括被配置成检测从光组合器接收的光子的光接收器以及被配置成确定检测到的光子是否相对于参考时间被延迟并根据确定的时间延迟来确定qubit的处理电路。
该qubit解码设备能够实现解码qubit所要求的光接收器（诸如单光子雪崩光电探测器）的数量的减少。例如，参考图1中所示的BB84协议解码器，本发明qubit解码设备能够实现从两个光电探测器到单个光电探测器的减少。
本发明的一方面提供一种量子位解码系统，其被配置成接收具有分别用光子的多个属性编码的多个量子位（qubit）的所述光子。量子位解码系统包括第一解码级和输出解码级。第一解码级包括第一光调制器和第一光路由器。第一光调制器被配置成随机地将多个第一调制值之一应用于光子的所述多个属性中的第一属性；第一调制值被配置用于解码所述多个qubit中的第一qubit。第一光路由器被配置成根据所述多个qubit中的所述第一qubit来路由光子。输出解码级包括分别被配置成从第一光路由器接收光子的多个量子位解码设备。量子位解码设备包括解调设备、光延迟设备和检测设备。解调设备包括光调制器和光路由器。光调制器可配置成随机地将多个调制值之一应用于光子的所述属性；调制值被配置用于解码qubit。光路由器设置在光调制器之后，并且被配置成根据qubit路由光子。光延迟设备包括光组合器、从光路由器的第一输出端到光组合器的第一输入端的第一光路、以及从光路由器的第二输出端到光组合器的第二输入端的第二光路。第二光路具有不同于第一光路的光路长度，以在第一光路和第二光路之间引入时间延迟。检测设备被配置成检测从光组合器接收的光子。检测设备可操作以确定检测到的光子是否相对于参考时间被延迟并根据确定的时间延迟来确定qubit。量子位解码设备被配置成解码用光子的所述多个属性中的第二属性编码的第二qubit。光子的第一属性和光子的第二属性是光子量子态的不同的不可交换的属性。
qubit解码设备能够实现在单个光子上解码多个qubit所要求的解码器设备的复杂性的降低，以便用时间解码器级取代现有技术的独立空间解码器。qubit解码系统能够实现解码多个qubit所要求的光接收器（诸如单光子雪崩光电探测器）的数量的减少。这可相对于现有技术的解码方案能够实现更低成本的多qubit解码系统，并且可能够实现以与标准解码方案相当的成本提供qubit解码系统。因此，该qubit解码系统可为与用于每光子解码多个qubit的现有技术的解码器方案所要求的光电探测器的增加相关联的惩罚性成本提供解决方案。
在一实施例中，该系统进一步包括设置在第一解码级和输出解码级之间的第三解码级。第三解码级包括多个第三光调制器。第三光调制器被配置成取决于所述多个qubit中的所述第一qubit从第一解码级接收光子，并且被配置成将光子输出到输出解码级。第三光调制器被配置成随机地将多个第三调制值之一应用于光子的所述多个属性中的第三属性；第三调制态被配置用于解码所述多个qubit中的第三qubit。第三属性是光子量子态的第三个不同的不可交换的属性。
在一实施例中，光子量子态的所述不可交换的属性包括偏振、相位和自旋。
在一实施例中，输出解码级的所述多个量子位解码设备在相应的第一和第二光路之间具有不同的相应的时间延迟。所述多个量子位解码设备具有公共检测设备。该公共检测设备被配置成检测从所述多个量子位解码设备中的任何量子位解码设备的光组合器接收的光子。公共检测设备可操作以确定检测到的光子是否相对于参考时间被延迟了相应时间延迟中的任一时间延迟并根据确定的时间延迟来确定qubit。
qubit解码系统能够实现解码多个qubit所要求的光接收器（诸如单光子雪崩光电探测器）的数量的减少。
在一实施例，公共检测设备包括被配置成检测从所述光组合器接收的光子的光接收器、以及被配置成确定检测到的光子是否相对于参考时间被延迟了相应的时间延迟中的任一时间延迟并根据确定的时间延迟来确定qubit的处理电路。
qubit解码系统使得单个光接收器能够解码多个qubit。这可能够实现用于解码多个qubit的qubit解码系统的复杂性和成本的显著降低。通过采用时间解码而不是独立的空间解码，qubit解码系统可能够实现用于解码m个qubit的光接收器的数量从2m到2k（其中一般0 ≤ k ≤ m）的减少。
对应的实施例和优点同样适用于下文描述的通信网络节点、QKD系统和方法。
本发明的一方面提供一种包括量子位解码设备的通信网络节点。量子位解码设备被配置成接收具有用光子的属性编码的量子位（qubit）的所述光子。量子位解码设备包括解调设备、光延迟设备和检测设备。解调设备包括光调制器和光路由器。光调制器可配置成随机地将多个调制值之一应用于光子的所述属性；调制值被配置用于解码qubit。光路由器设置在光调制器之后，并且被配置成根据qubit路由光子。光延迟设备包括光组合器、从光路由器的第一输出端到光组合器的第一输入端的第一光路、以及从光路由器的第二输出端到光组合器的第二输入端的第二光路。第二光路具有不同于第一光路的光路长度，以在第一光路和第二光路之间引入时间延迟。检测设备被配置成检测从光组合器接收的光子。检测设备可操作以确定检测到的光子是否相对于参考时间被延迟并根据确定的时间延迟来确定qubit。
本发明的一方面提供一种包括量子位解码系统的通信网络节点。量子位解码系统被配置成接收具有分别用光子的多个属性编码的多个量子位（qubit）的所述光子。量子位解码系统包括第一解码级和输出解码级。第一解码级包括第一光调制器和第一光路由器。第一光调制器被配置成随机地将多个第一调制值之一应用于光子的所述多个属性中的第一属性；第一调制值被配置用于解码所述多个qubit中的第一qubit。第一光路由器被配置成根据所述多个qubit中的所述第一qubit来路由光子。输出解码级包括分别被配置成从第一光路由器接收光子的多个量子位解码设备。量子位解码设备包括解调设备、光延迟设备和检测设备。解调设备包括光调制器和光路由器。光调制器可配置成随机地将多个调制值之一应用于光子的所述属性；调制值被配置用于解码qubit。光路由器设置在光调制器之后，并且被配置成根据qubit路由光子。光延迟设备包括光组合器、从光路由器的第一输出端到光组合器的第一输入端的第一光路、以及从光路由器的第二输出端到光组合器的第二输入端的第二光路。第二光路具有不同于第一光路的光路长度，以在第一光路和第二光路之间引入时间延迟。检测设备被配置成检测从光组合器接收的光子。检测设备可操作以确定检测到的光子是否相对于参考时间被延迟并根据确定的时间延迟来确定qubit。量子位解码设备被配置成解码用光子的所述多个属性中的第二属性编码的第二qubit。光子的第一属性和光子的第二属性是光子量子态的不同的不可交换的属性。
本发明的一方面提供一种量子密钥分发系统，该系统包括量子位编码设备、以及量子位解码设备和量子位解码系统这两者之一。量子位编码设备被配置成用光子的至少一个相应的属性编码至少一个量子位。量子位解码设备被配置成接收具有用光子的属性编码的量子位（qubit）的所述光子。量子位解码设备包括解调设备、光延迟设备和检测设备。解调设备包括光调制器和光路由器。光调制器可配置成随机地将多个调制值之一应用于光子的所述属性；调制值被配置用于解码qubit。光路由器设置在光调制器之后，并且被配置成根据qubit路由光子。光延迟设备包括光组合器、从光路由器的第一输出端到光组合器的第一输入端的第一光路、以及从光路由器的第二输出端到光组合器的第二输入端的第二光路。第二光路具有不同于第一光路的光路长度，以在第一光路和第二光路之间引入时间延迟。检测设备被配置成检测从光组合器接收的光子。检测设备可操作以确定检测到的光子是否相对于参考时间被延迟并根据确定的时间延迟来确定qubit。量子位解码系统被配置成接收具有分别用光子的多个属性编码的多个量子位（qubit）的所述光子。量子位解码系统包括第一解码级和输出解码级。第一解码级包括第一光调制器和第一光路由器。第一光调制器被配置成随机地将多个第一调制值之一应用于光子的所述多个属性中的第一属性；第一调制值被配置用于解码所述多个qubit中的第一qubit。第一光路由器被配置成根据所述多个qubit中的所述第一qubit来路由光子。输出解码级包括分别被配置成从第一光路由器接收光子的多个量子位解码设备。量子位解码设备包括解调设备、光延迟设备和检测设备。解调设备包括光调制器和光路由器。光调制器可配置成随机地将多个调制值之一应用于光子的所述属性；调制值被配置用于解码qubit。光路由器设置在光调制器之后，并且被配置成根据qubit路由光子。光延迟设备包括光组合器、从光路由器的第一输出端到光组合器的第一输入端的第一光路、以及从光路由器的第二输出端到光组合器的第二输入端的第二光路。第二光路具有不同于第一光路的光路长度，以在第一光路和第二光路之间引入时间延迟。检测设备被配置成检测从光组合器接收的光子。检测设备可操作以确定检测到的光子是否相对于参考时间被延迟并根据确定的时间延迟来确定qubit。量子位解码设备被配置成解码用光子的所述多个属性中的第二属性编码的第二qubit。光子的第一属性和光子的第二属性是光子量子态的不同的不可交换的属性。
本发明的一方面提供一种量子位解码的方法。该方法包括接收具有用光子的属性编码的量子位（qubit）的光子的步骤。该方法包括随机地将多个调制值之一应用于光子的所述属性的步骤；调制值被配置用于解码qubit。该方法包括取决于qubit对光子应用时间延迟的步骤。该方法包括检测光子的步骤。该方法包括确定检测到的光子是否相对于参考时间被延迟的步骤。该方法包括根据确定的时间延迟来确定qubit的步骤。
在一实施例中，光子具有分别用光子的多个属性编码的多个qubit。该方法包括随机地将多个第一调制值之一应用于光子的所述多个属性中的第一属性的步骤；第一调制值被配置用于解码所述多个qubit中的第一qubit。该方法包括随机地将多个第二调制值之一应用于光子的所述多个属性中的第二属性的步骤；第二调制值被配置用于解码所述多个qubit中的第二qubit。该方法包括取决于第一qubit和第二qubit中的至少一个对光子应用时间延迟的步骤。该方法包括检测光子的步骤。该方法包括确定检测到的光子是否相对于参考时间被延迟的步骤。该方法包括根据确定的时间延迟来确定qubit的步骤。光子的第一属性和光子的第二属性是光子量子态的不同的不可交换的属性。
在一实施例中，该方法进一步包括随机地将多个第三调制值之一应用于光子的所述多个属性中的第三属性的步骤；第三调制值被配置用于解码所述多个qubit中的第三qubit。第三属性是光子量子态的第三个不同的不可交换的属性。时间延迟取决于第一qubit、第二qubit和第三qubit中的至少一个。
在一实施例中，时间延迟取决于qubit中的每个qubit。
在一实施例中，光子量子态的所述不可交换的属性包括偏振、相位和自旋。
现在将参考附图仅仅作为示例描述本发明的实施例。
附图说明
图1示出了现有技术的QKD方案的框图；
图2至图4是示出量子密钥解码设备的实施例的框图；
图5至图8是示出量子密钥解码系统的实施例和通信网络节点的实施例的框图；
图9至图11是示出量子密钥分发系统的实施例的框图；以及
图12和图13是示出方法步骤的实施例的流程图。
具体实施方式
将对于不同实施例中的对应特征使用相同的参考号。
参考图2，本发明的实施例提供量子位（qubit）解码设备200。该设备被配置成接收具有用光子的属性（诸如偏振、相位或自旋）编码的量子位（qubit）的所述光子。
qubit解码设备包括解调设备210、光延迟设备220和检测设备230。
解调设备210包括光调制器212和光路由器214，在该示例中，光路由器214包括分光器。光调制器可配置成随机地将多个调制值之一应用于光子的属性。调制值被配置用于解码qubit。光路由器214接收被光调制器调制后的光子。光路由器被配置成根据qubit来路由光子。
光延迟设备220包括光组合器222、第一光路224和第二光路226。第一光路224是从光路由器的第一输出端到光组合器的第一输入端。第二光路226是从光路由器的第二输出端到光组合器的第二输入端。第一光路和第二光路具有不同的光路长度，以使得第一光路和第二光路之间存在差分时间延迟；也就是说，沿着第一路径行进的光子与沿着第二路径行进相比将被延迟该时间延迟，或者反之亦然。这可通过在光路224中的一个中包含延迟线而在另一光路226中不包含延迟线（如图2中所示）或通过在这两个光路中包含不同长度的延迟线（如在图3和图4中所示的实施例中那样）来实现。
检测设备230被配置成检测从光组合器222接收的光子。检测设备230可操作以确定检测到的光子是否相对于参考时间被延迟并根据确定的时间延迟来确定qubit。例如，如果光子被延迟，则确定qubit为“1”位，并且如果光子没被延迟，则确定qubit为“0”位。
在一实施例中，检测设备230包括光接收器D1（诸如单光子雪崩光电探测器SPD）和处理电路，处理电路被配置成确定检测到的光子是否相对于参考时间被延迟并根据确定的时间延迟来确定qubit。在一实施例中，处理电路被配置成检查接收到的光子相对于参考时钟信号的时间延迟的存在或不存在。
在一实施例中，处理电路可操作以确定应用于检测到的光子的相对于参考时间的时间延迟。处理电路被配置成根据确定的时间延迟来确定qubit。
如上文参考BB84协议解码器所描述，在其中光调制器设置为错误的调制值（即，选择错误的基进行测量）的情况下，这两个光路之间将存在量子态叠加，这种量子态叠加在光接收器之后将以具有或没有时间延迟的相等机会坍塌。
qubit解码设备200实现了从已知的BB84解码器方案中所采用的独立空间解码到时间解码的改变。通过在第一光路和第二光路之间引入相对的时间延迟并引入光组合器以重组光路，可用包括单个光接收器D1的检测设备230来取代图1中所示的BB84解码器方案中的两个光电探测器D1、D2，以用于接收和检测光子。
因此，光电探测器的总数可大大减少，如下文所进一步描述的那样。可对于用于QKD的任何种类的编码（如例如，偏振、自旋或相位）实现设备200。
参考图3，本发明的实施例提供qubit解码设备300，其被配置成接收具有用光子的相位编码的qubit的所述光子。
该实施例的光调制器310是Mach-Zehnder干涉仪MZI。MZI的一个臂从输入分束器BS 314延伸到光路由器214（这里是第二个BS），而另一个臂从输入BS 314经由镜子316和相位调制器PM 312延伸到光路由器214。如图1(a)中所示的BB84解码器中那样，相位调制器312可被配置成随机地应用两个调制值（在该实现中为相移）之一，以解码用两个相移之一编码的“0”位或用另两个相移之一编码的“1”位。因此，如果发送者使用Mach-Zehnder干涉仪MZI来应用四个不同的相移（例如，
Figure DEST_PATH_IMAGE012
）之一，其中前两个相移对‘0’位进行编码，而后两个相移对‘1’位进行编码，则相位调制器312被配置成随机地应用被配置成解码qubit的两个相移（例如，
Figure DEST_PATH_IMAGE014
）之一。在图1(a)的基于BB84协议MZI的解码器中，光子从输出BS路由到D1或D2，即，不同的空间位置，而在qubit解码设备300中，光子从输出BS/光路由器214路由到第一光路224或第二光路226，并使用时间延迟的存在或不存在来确定qubit为“0”位或“1”位。
参考图4，本发明的实施例提供qubit解码设备400，其被配置成接收具有用光子的偏振编码的qubit的所述光子。
该实施例的光调制器412是偏振旋转器，并且光路由器414是偏振分束器PBS。如图1(b)中所示的BB84解码器中那样，偏振旋转器412可被配置成随机地应用两个调制值（在该实现中为偏振角度）之一，以解码用两个相移之一编码的“0”位或用另两个相移之一编码的“1”位。因此，如果发送者使用偏振旋转器来应用四个偏振角度之一以在直线基0°和90°或对角线基45°和135°之一上编码，则偏振旋转器412被配置成随机地应用0°或45°来解析qubit，并且PBS根据qubit路由光子。在图1(b)的基于BB84协议偏振的解码器中，光子从PBS路由到D1或D2，即，不同的空间位置，而在qubit解码设备400中，光子从PBS/光路由器414路由到第一光路224或第二光路226，并使用时间延迟的存在或不存在来确定qubit为“0”位或“1”位。
参考图5，本发明的实施例提供量子位（qubit）解码系统500，其被配置成接收具有分别用光子的多个属性编码的多个qubit的所述光子。系统500包括第一解码级510和输出解码级520。
第一解码级包括第一光调制器512和第一光路由器514。第一光调制器512被配置成随机地将多个第一调制值之一应用于光子的所述多个属性中的第一属性。第一调制值被配置用于解码所述多个qubit中的第一qubit。第一光路由器被配置成根据所述多个qubit中的所述第一qubit路由光子。
输出解码级520包括多个qubit解码设备200，如上文参考图2所描述的那样，它们分别被配置成从第一光路由器接收光子。哪个qubit解码设备接收光子取决于由第一解码级执行的第一qubit的解码；如果确定第一qubit为“0”位，那么第一光路由器将它路由到第一输出端，则qubit解码设备中的第一qubit解码设备将接收光子；并且如果确定第一qubit为“1”位，那么第一光路由器将它路由到第二输出端，则qubit解码设备中的第二qubit解码设备将接收光子。每个qubit解码设备200被配置成解码用光子的所述多个属性中的第二属性编码的第二qubit。
光子的第一属性和光子的第二属性是光子量子态的不同的不可交换的属性。如果量子系统的两个物理属性可在不影响彼此的情况下测量，即，如果它们不受海森堡测不准原理的影响，则可认为它们是不可交换的（独立的）。例如，相位、偏振和自旋。
参考图6，本发明的实施例提供被配置成接收具有分别用光子的偏振和相位编码的两个qubit的所述光子的qubit解码系统600。
在该实施例中，第一解码级包括偏振旋转器612和PBS 614，如上文参考图4所描述的那样。
输出解码级620包括两个qubit解码设备300，如上文参考图3所描述的那样，每个qubit解码设备300分别被配置成从PBS 614接收光子。
在一实施例中，检测设备230包括光接收器D1（诸如单光子雪崩光电探测器SPD）和处理电路，处理电路被配置成确定检测到的光子是否相对于参考时间被延迟并根据确定的时间延迟来确定qubit。在一实施例中，处理电路被配置成检查所接收的光子相对于参考时钟信号的时间延迟的存在或不存在。
在一实施例中，处理电路可操作以确定应用于检测到的光子的相对于参考时间的时间延迟。处理电路被配置成根据确定的时间延迟来确定qubit。
与使用图1(a)中所示的BB84解码器相比，qubit解码系统600使所要求的光接收器的数量能够减少一半。
参考图7，本发明的实施例提供被配置成接收具有分别用光子的偏振和相位编码的两个qubit的所述光子的qubit解码系统700。
在该实施例中，输出解码级720的两个qubit解码设备300在其相应的第一和第二光路之间具有不同的时间延迟。这可通过每个光路包含延迟线来实现，延迟线具有不同的长度，如图7中所示。这意味着，可对光子应用四个不同的时间延迟，这取决于它到达组合器222所采取的路线。备选地，这可通过光路中的三个光路包含延迟线、而剩余光路不包含延迟线来实现；因此，一个光路没有延迟，而另三个光路具有三个不同的时间延迟。
两个qubit解码设备300共享公共检测设备230，公共检测设备230包括单个光接收器D1和处理电路。提供进一步的光组合器702，它将两个qubit解码设备300的光组合器222的输出路由到光接收器D1。
处理电路被配置成确定检测到的光子是否相对于参考时间被延迟了相应的时间延迟中的任一时间延迟并根据确定的时间延迟来确定qubit。
在一实施例中，处理电路被配置成确定检测到的光子是否相对于参考时钟信号被延迟了相应的时间延迟中的任一时间延迟并根据确定的时间延迟来确定qubit。
与使用图1(a)中所示的BB84解码器相比，qubit解码系统700使得所要求的光接收器的数量从四个减少到一个。
概括地说，使用如图1(a)中所示的基于BB84相位的解码器，在输出解码级620、720中将要求2 m 个光接收器，其中m是要解码的qubit的数量（在这种情况下，m = 2），并且光接收器的数量将随qubit的数量呈指数级增长。相比之下，所描述的qubit解码系统600、700能够实现光接收器的数量减少到2 k ，其中0 ≤ k ≤ m，即，对于m = 2，数量从4减少到1。这对于采用最佳数量的光接收器可能非常有用，从而优化成本降低与光检测之后所要求的时间分辨率之间的权衡。
参考图8，本发明的实施例提供被配置成接收具有分别用光子的三个不可交换的属性（例如，偏振、相位和自旋）编码的三个qubit的所述光子的qubit解码系统800。
qubit解码系统800另外包括设置在第一解码级510和输出解码级520之间的第三解码级810。第三解码级包括多个第三光调制器，这些第三光调制器被配置成取决于所述多个qubit中的所述第一qubit从第一解码级接收光子并将光子输出到输出解码级。第三光调制器被配置成随机地将多个第三调制值之一应用于光子的所述多个属性中的第三属性。第三调制值被配置用于解码所述多个qubit中的第三qubit。第三属性是光子量子态的第三个不同的不可交换的属性。
本发明的实施例提供通信网络节点250、350、450，它包括如上文参考图2至图4所描述的qubit解码设备200、300、400。
本发明的实施例提供通信网络节点550、650、750、850，它包括如上文参考图5至图8所描述的qubit解码系统500、600、700、800。
参考图9，本发明的实施例提供量子密钥分发QKD系统900，该系统900包括qubit编码设备910和如上文参考图2所描述的qubit解码设备200。
qubit编码设备被配置成用光子的属性对qubit进行编码。qubit解码设备200被配置成接收光子并确定qubit，如上文所描述的那样。
在一实施例中，检测设备230包括光接收器D1（诸如单光子雪崩光电探测器SPD）和处理电路，处理电路被配置成确定检测到的光子是否相对于参考时间被延迟并根据确定的时间延迟来确定qubit。在一实施例中，处理电路被配置成检查接收到的光子相对于参考时钟信号的时间延迟的存在或不存在。
在一实施例中，处理电路可操作以确定应用于检测到的光子的相对于参考时间的时间延迟。处理电路被配置成根据确定的时间延迟来确定qubit。
参考图10，本发明的实施例提供QKD系统1000，该系统1000包括qubit编码设备1010和如上文参考图6所描述的qubit解码系统600。
qubit编码设备1010包括单个光子源1012、被配置成用光子的第一属性对第一qubit进行编码的第一光调制器1020、以及被配置成用光子的第二属性对第二qubit进行编码的第二光调制器1030。光子的第一属性和光子的第二属性是光子量子态的不同的不可交换的属性。
例如，第一光调制器1020是Mach-Zehnder干涉仪MZI，它包括被配置成应用四个不同的相移（例如，
Figure DEST_PATH_IMAGE015
）之一的相位调制器1014，其中前两个相移对‘0’位进行编码，而后两个相移对‘1’位进行编码。第二光调制器1030是偏振旋转器，它应用四个偏振角之一，以例如在直线基0°和90°上对“0”位进行编码或者在对角线基-45°和45°上对“1”位进行编码。
在一实施例中，检测设备230包括光接收器D1（诸如单光子雪崩光电探测器SPD）和处理电路，处理电路被配置成确定检测到的光子是否相对于参考时间被延迟并根据确定的时间延迟来确定qubit。
在一实施例中，处理电路被配置成检查所接收的光子相对于参考时钟信号的时间延迟的存在或不存在。参考时钟信号可由在qubit编码设备1010和qubit解码系统600之间同步的时钟提供。
参考图11，本发明的实施例提供QKD系统1100，该系统1100包括qubit编码设备1010和如上文参考图7所描述的qubit解码系统700。
在一实施例中，处理电路被配置成检查所接收的光子相对于参考时钟信号的时间延迟的存在或不存在。参考时钟信号可由在qubit编码设备1010和qubit解码系统600之间同步的时钟提供。
参考图12，本发明的实施例提供量子位解码的方法1200。该方法包括以下步骤：
接收1210具有用光子的属性编码的量子位（qubit）的所述光子；
随机地将多个调制值之一应用1212于光子的所述属性，调制值被配置用于解码qubit；
取决于qubit，对光子应用1214时间延迟；
检测1216光子；
确定1218检测到的光子是否相对于参考时间被延迟；以及
根据确定的时间延迟来确定1220 qubit。
方法1200可使用上文参考图2至图4所描述的qubit解码设备200、300、400中的任何qubit解码设备来实现。
参考图13，本发明的实施例提供量子位解码的方法1300。该实施例的方法适用于解码具有分别用光子的两个属性编码的两个qubit的光子。
方法1300包括以下步骤：
随机地将多个第一调制值之一应用1312于光子的所述多个属性中的第一属性，第一调制值被配置用于解码所述多个qubit中的第一qubit；
随机地将多个第二调制值之一应用1314于光子的所述多个属性中的第二属性，第二调制值被配置用于解码所述多个qubit中的第二qubit；
取决于第一qubit和第二qubit中的至少一个，对光子应用1316时间延迟；
检测1216光子；以及
确定1218检测到的光子是否相对于参考时间被延迟；以及
根据确定的时间延迟来确定1220 qubit。
光子的第一属性和光子的第二属性是光子量子态的不同的不可交换的属性，如上文所描述的那样。
方法1300可使用上文参考图5至图7所描述的qubit解码系统500、600、700中的任何qubit解码系统来实现。
在一实施例中，方法1300适于解码具有分别用光子的三种属性编码的三个qubit的所述光子。方法1300包括随机地将多个第三调制值之一应用于光子的第三属性的附加步骤。第三调制值被配置用于解码第三qubit。第三属性是光子量子态的第三个不同的不可交换的属性。时间延迟取决于第一qubit、第二qubit和第三qubit中的至少一个qubit。
该实施例的方法可使用上文参考图8所描述的qubit解码系统800来实现。
在一实施例中，时间延迟取决于第一qubit、第二qubit和第三qubit中的每个qubit。

Claims (14)

1.一种量子位解码设备，所述量子位解码设备被配置成接收具有用光子的属性编码的量子位qubit的所述光子，所述设备包括：
解调设备，所述解调设备包括：
光调制器，所述光调制器可配置成随机地将多个调制值之一应用于所述光子的所述属性，所述调制值被配置用于解码所述qubit；以及
光路由器，所述光路由器设置在所述光调制器之后并且被配置成根据所述qubit路由所述光子；
光延迟设备，所述光延迟设备包括：
光组合器；
从所述光路由器的第一输出端到所述光组合器的第一输入端的第一光路；
从所述光路由器的第二输出端到所述光组合器的第二输入端的第二光路，所述第二光路具有不同于所述第一光路的光路长度，以在所述第一光路和所述第二光路之间引入时间延迟；以及
检测设备，所述检测设备被配置成检测从所述光组合器接收的光子，并且可操作以确定检测到的光子是否相对于参考时间被延迟并根据所确定的时间延迟来确定所述qubit。
2.如权利要求1所述的设备，其中，所述检测设备进一步可操作以确定应用于所检测到的光子的相对于所述参考时间的所述时间延迟并根据所确定的时间延迟来确定所述qubit。
3.一种量子位解码系统，所述量子位解码系统被配置成接收具有分别用光子的多个属性编码的多个量子位qubit的所述光子，所述系统包括：
第一解码级，所述第一解码级包括：
第一光调制器，所述第一光调制器被配置成随机地将多个第一调制值之一应用于所述光子的所述多个属性中的第一属性，所述第一调制值被配置用于解码所述多个qubit中的第一qubit；以及
第一光路由器，所述第一光路由器被配置成根据所述多个qubit中的所述第一qubit路由所述光子；
输出解码级，所述输出解码级包括如权利要求1或权利要求2所述的多个量子位解码设备，所述多个量子位解码设备分别被配置成从所述第一光路由器接收所述光子，所述量子位解码设备被配置成解码用所述光子的所述多个属性中的第二属性编码的第二qubit，
其中，所述光子的所述第一属性和所述光子的所述第二属性是光子量子态的不同的不可交换的属性。
4.如权利要求3所述的系统，进一步包括设置在所述第一解码级和所述输出解码级之间的第三解码级，所述第三解码级包括多个第三光调制器，所述多个第三光调制器被配置成：取决于所述多个qubit中的所述第一qubit，从所述第一解码级接收所述光子；并将所述光子输出到所述输出解码级，所述第三光调制器被配置成随机地将多个第三调制值之一应用于所述光子的所述多个属性中的第三属性，所述第三调制值被配置用于解码所述多个qubit中的第三qubit，所述第三属性是所述光子量子态的第三个不同的不可交换的属性。
5.如权利要求3或权利要求4所述的系统，其中，所述光子量子态的所述不可交换的属性包括偏振、相位和自旋。
6.如权利要求3至5中任一权利要求所述的系统，其中，所述输出解码级的所述多个量子位解码设备在相应的第一和第二光路之间具有不同的相应的时间延迟，并且其中，所述多个量子位解码设备具有公共检测设备，所述公共检测设备被配置成检测从所述多个量子位解码设备中的任何量子位解码设备的光组合器接收的光子，并且其中，所述公共检测设备可操作以确定检测到的光子是否相对于参考时间被延迟了所述相应的时间延迟中的任一时间延迟并根据所确定的时间延迟来确定所述qubit。
7.一种通信网络节点，包括如权利要求1或权利要求2所述的量子位解码设备或如权利要求3至6中任一权利要求所述的量子位解码系统。
8.一种量子密钥分发系统，包括：
量子位编码设备，所述量子位编码设备被配置成用光子的至少一个相应的属性编码至少一个量子位；以及
如权利要求1或权利要求2所述的量子位解码设备或如权利要求3至6中任一权利要求所述的量子位解码系统。
9.一种量子位解码的方法，所述方法包括以下步骤：
接收具有用光子的属性编码的量子位qubit的所述光子；
随机地将多个调制值之一应用于所述光子的所述属性，所述调制值被配置用于解码所述qubit；
取决于所述qubit，对所述光子应用时间延迟；
检测所述光子；
确定所检测到的光子是否相对于参考时间被延迟；以及
根据所确定的时间延迟来确定所述qubit。
10.如权利要求9所述的方法，其中，确定所检测到的光子是否被延迟包括确定应用于所检测到的光子的相对于参考时间的所述时间延迟。
11.如权利要求9或权利要求10所述的方法，其中，所述光子具有分别用所述光子的多个属性编码的多个qubit，并且其中，所述方法包括以下步骤：
随机地将多个第一调制值之一应用于所述光子的所述多个属性中的第一属性，所述第一调制值被配置用于解码所述多个qubit中的第一qubit；
随机地将多个第二调制值之一应用于所述光子的所述多个属性中的第二属性，所述第二调制值被配置用于解码所述多个qubit中的第二qubit；
取决于所述第一qubit和所述第二qubit中的至少一个qubit，对所述光子应用时间延迟；
检测所述光子；以及
确定所检测到的光子是否相对于参考时间被延迟；以及
根据所确定的时间延迟来确定所述qubit，
其中，所述光子的所述第一属性和所述光子的所述第二属性是光子量子态的不同的不可交换的属性。
12.如权利要求11所述的方法，进一步包括随机地将多个第三调制值之一应用于所述光子的所述多个属性中的第三属性的步骤，所述第三调制值被配置用于解码所述多个qubit中的第三qubit，所述第三属性是所述光子量子态的第三个不同的不可交换的属性，其中，所述时间延迟取决于所述第一qubit、所述第二qubit和所述第三qubit中的至少一个qubit。
13.如权利要求11或权利要求12所述的方法，其中，所述时间延迟取决于所述qubit中的每个qubit。
14.如权利要求11至13中任一权利要求所述的方法，其中，所述光子量子态的所述不可交换的属性包括偏振、相位和自旋。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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GB2550263A (en) * 2014-06-23 2017-11-15 Toshiba Res Europe Ltd A quantum communication system
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