CN114844628A - 一种集成芯片化的高维量子密钥分发系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种集成芯片化的高维量子密钥分发系统，包括激光器、发射编码端芯片、接收解码端芯片和探测器，所述激光器与所述发射编码端芯片连接，所述发射编码端芯片与所述接收解码端芯片连接，所述接收解码端芯片与探测器连接。所述发射编码端芯片利用硅基光波导集成在同一片光子芯片上，所述接收解码端芯片利用氮化硅集成在同一片光子芯片上。本发明同时集成了基于时间相位编码HD‑QKD系统中的发射编码端芯片和接收解码端芯片，该集成系统中的发射编码端芯片在编码速率上有很大的优势，集成的接收解码端芯片的插损非常小，稳定性好，可以实现稳定、安全、高速调制、高码率的HD‑QKD协议的实验论证及应用。

Description

一种集成芯片化的高维量子密钥分发系统

技术领域

本发明涉及量子信息技术领域，特别涉及一种集成芯片化的高维量子密钥分发系统。

背景技术

随着信息技术产业的蓬勃发展，信息的安全传输越来越重要，而量子计算等新型技术的发展将对传统的密码体系产生颠覆性的影响。同时，基于量子力学基本原理的量子通信技术在理论上可以实现通信的无条件安全。目前在量子通信领域发展最成熟广泛的是量子密钥分发(Quantum key distribution，QKD)技术，主要包括量子态的制备、传输、探测等过程。

为提高QKD的密钥传输效率，在传统二维BB84方案的基础上已经提出了高维量子密钥分发方案(High dimensional Quantum key distribution，HD-QKD)。传统的二维QKD每光子携带1比特的密钥，而HD-QKD可以通过扩展描述量子态的希尔伯特空间维度使每光子携带多比特的密钥，比如一个d维量子态每光子可以携带log₂d比特的密钥。除了在传输信息量上的突出优势外，HD-QKD还有望超越PLOB界、具有高信道噪声抵抗力、减小克隆保真度等优势，将是未来QKD的一个重要发展方向。目前HD-QKD编码方式主要有光子轨道角动量编码、时间相位编码、路径编码、时间能量编码等，其中时间相位编码技术更加成熟，目前已经有实验论证其可以在40公里的光纤衰减下实现大于10Mbit/s安全密钥生成。现有的HD-QKD实际应用系统相对于传统2维QKD还较少，且是基于传统的光纤光学器件。在这种方式下系统体积庞大、调试复杂、稳定性差、成本高，很难实现大规模部署。随着近年来集成光子学的发展，集成化、低成本、低功耗便于携带的QKD集成系统将是未来的热点研究课题。

因此，基于HD-QKD目前的发展需要，本发明公开了一种集成化的基于时间相位编码HD-QKD系统，该系统包括了发送端与接收端，可以实现HD-QKD协议的实验论证及应用。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种集成芯片化的高维量子密钥分发系统，该集成系统中的发射编码端芯片在编码速率上有很大的优势，集成的接收解码端芯片的插损非常小，稳定性好，可以实现稳定、安全、高速调制、高码率的HD-QKD协议的实验论证及应用。

本发明提供的集成芯片化的高维量子密钥分发系统，包括第一激光器、第二激光器、发射编码端芯片、接收解码端芯片、光电探测器、第一单光子探测器、第二单光子探测器、第三单光子探测器、第四单光子探测器、第五单光子探测器、第六单光子探测器、第七单光子探测器和第八单光子探测器；

所述第一激光器和所述第二激光器都与所述发射编码端芯片连接，所述发射编码端芯片与所述接收解码端芯片连接，所述接收解码端芯片分别与所述光电探测器、第一单光子探测器、第二单光子探测器、第三单光子探测器、第四单光子探测器、第五单光子探测器、第六单光子探测器、第七单光子探测器和第八单光子探测器连接。

所述发射编码端芯片包括第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、三强度联合调制模块、相位调制模块、复用模块、第三光纤耦合器和第四光纤耦合器；

所述第一光纤耦合器与所述三强度联合调制模块连接，所述三强度联合调制模块与所述相位调制模块连接，所述相位调制模块与所述复用模块连接，所述复用模块分别与第二光纤耦合器、第三光纤耦合器、第四光纤耦合器连接。

所述三强度联合调制模块包括第一分束器、第二分束器、第三分束器、第四分束器、第五分束器、第六分束器；

在所述第一分束器和所述第二分束器之间设有两条光臂，在第一条光臂上串联有第一热调谐型相移器和第一载流子色散型相移器，在第二条光臂上串联有第二热调谐型相移器和第二载流子色散型相移器；所述第一热调谐型相移器和所述第二热调谐型相移器都与所述第一分束器连接，所述第一载流子色散型相移器和所述第二载流子色散型相移器都与所述第二分束器连接；在所述第二分束器上还连接有第一光功率检测器；所述第一分束器与所述第一光纤耦合器连接；

在所述第三分束器和所述第四分束器之间设有两条光臂，在第一条光臂上串联有第三热调谐型相移器和第三载流子色散型相移器，在第二条光臂上串联有第四热调谐型相移器和第四载流子色散型相移器；所述第三热调谐型相移器和所述第四热调谐型相移器都与所述第三分束器连接，所述第三载流子色散型相移器和所述第四载流子色散型相移器都与所述第四分束器连接；在所述第四分束器上还连接有第二光功率检测器；所述第二分束器与所述第三分束器连接；

在所述第五分束器和所述第六分束器之间设有两条光臂，在第一条光臂上串联有第五热调谐型相移器和第五载流子色散型相移器，在第二条光臂上串联有第六热调谐型相移器和第六载流子色散型相移器；所述第五热调谐型相移器和所述第六热调谐型相移器都与所述第五分束器连接，所述第五载流子色散型相移器和所述第六载流子色散型相移器都与所述第六分束器连接；在所述第六分束器上还连接有第三光功率检测器；所述第四分束器与所述第五分束器连接。

所述相位调制模块包括第七分束器、第八分束器、第九分束器、第十分束器、第十一分束器、第十二分束器；

在所述第八分束器和所述第九分束器之间设有两条光臂，在第一条光臂上串联有第七热调谐型相移器和第七载流子色散型相移器，在第二条光臂上串联有第八热调谐型相移器和第八载流子色散型相移器；所述第七热调谐型相移器和所述第八热调谐型相移器都与所述第八分束器连接，所述第七载流子色散型相移器和所述第八载流子色散型相移器都与所述第九分束器连接；

在所述第十分束器和所述第十一分束器之间设有两条光臂，在第一条光臂上串联有第九热调谐型相移器和第九载流子色散型相移器，在第二条光臂上串联有第十热调谐型相移器和第十载流子色散型相移器；所述第九热调谐型相移器和所述第十热调谐型相移器都与所述第十分束器连接，所述第九载流子色散型相移器和所述第十载流子色散型相移器都与所述第十一分束器连接；

所述第六分束器与所述第七分束器连接，所述第七分束器分别与第八分束器和第十分束器连接，所述第九分束器与所述第十二分束器连接，所述第十一分束器经第十一热调谐型相移器与第十二分束器连接。

所述复用模块分别包括第十三分束器、可变光衰减器、第四光功率检测器、复用器、第十四分束器、第五光功率检测器；

所述第十三分束器分别与所述可变光衰减器和所述第四光功率检测器连接；所述可变光衰减器与所述第十二分束器连接；所述第十三分束器上还分别连接了所述第三光纤耦合器和所述复用器；所述复用器分别与所述第四光纤耦合器和所述第十四分束器连接；所述第十四分束器还分别连接了所述第二光纤耦合器和所述第五光功率检测器。

所述接收解码端芯片包括第五光纤耦合器、第六光纤耦合器、第七光纤耦合器、第八光纤耦合器、第九光纤耦合器、第十光纤耦合器、第十一光纤耦合器、第十二光纤耦合器、第十三光纤耦合器、第十四光纤耦合器、第十五光纤耦合器、第十六光纤耦合器、第十七光纤耦合器、第十八光纤耦合器、第十九光纤耦合器、第二十光纤耦合器、解复用器、可变光分束模块、时间基解码模块和相位基解码模块；

所述第五光纤耦合器与所述解复用器连接，所述解复用器分别与所述第九光纤耦合器和所述可变光分束模块连接，所述可变光分束模块分别与所述时间基解码模块和所述相位基解码模块连接，所述时间基解码模块分别与所述第十光纤耦合器、所述第十一光纤耦合器、所述第十二光纤耦合器和所述第十三光纤耦合器连接，所述相位基解码模块分别与所述第十六光纤耦合器、所述第十七光纤耦合器、所述第十八光纤耦合器、所述第十九光纤耦合器和所述第二十光纤耦合器连接。

所述可变光分束模块包括第十五分束器和第十六分束器，在所述第十五分束器和所述第十六分束器之间设有两条光臂，在这两条光臂上分别设有第十二热调谐型相移器和第十三热调谐型相移器；所述第十五分束器分别与所述解复用器和所述第六光纤耦合器连接，所述第十六分束器分别与所述时间基解码模块、所述第十四光纤耦合器、所述第十五光纤耦合器和所述相位基解码模块连接。

所述时间基解码模块包括第十七分束器、第十八分束器和第十九分束器，所述第十七分束器分别与所述第十八分束器和所述第十九分束器连接；所述第十六分束器与第十七分束器连接，所述第十八分束器分别与所述第十光纤耦合器和所述第十一光纤耦合器连接，所述第十九分束器分别与所述第十二光纤耦合器和所述第十三光纤耦合器连接。

所述相位基解码模块采用联级树状干涉仪的结构，包括第二十分束器、第二十一分束器、第二十二分束器、第二十三分束器、第二十四分束器、第二十五分束器、第二十六分束器、第二十七分束器和第二十八分束器；

在所述第二十分束器和所述第二十一分束器之间设有两条光臂，第一条光臂上设有第十四热调谐型相移器，在第二条光臂上设有第十五热调谐型相移器；所述第十六分束器与所述第二十分束器连接；在所述第二十一分束器和所述第二十二分束器之间设有两条光臂，第一条光臂上串联有第一延时线和第二延时线，在第二条光臂上设有第十六热调谐型相移器；所述第一延时线与所述第二十一分束器连接，所述第二延时线与所述第二十二分束器连接；

在所述第二十三分束器和所述第二十四分束器之间设有两条光臂，第一条光臂上设有第十七热调谐型相移器，在第二条光臂上设有第十八热调谐型相移器；所述第二十二分束器与所述第二十三分束器连接，所述第二十三分束器还与第十六光纤耦合器连接；在所述第二十四分束器和所述第二十五分束器之间设有两条光臂，第一条光臂上设有第三延时线，在第二条光臂上设有第二十一热调谐型相移器；所述第二十五分束器分别与所述第十七光纤耦合器和所述第十八光纤耦合器连接；

在所述第二十六分束器和所述第二十七分束器之间设有两条光臂，第一条光臂上设有第十九热调谐型相移器，在第二条光臂上设有第二十热调谐型相移器；所述第二十二分束器与所述第二十六分束器连接，所述第二十六分束器还与第八光纤耦合器连接；在所述第二十七分束器和所述第二十八分束器之间设有两条光臂，第一条光臂上设有第二十二热调谐型相移器，在第二条光臂上设有第四延时线；所述第二十八分束器分别与所述第十九光纤耦合器和所述第二十光纤耦合器连接。

优选地，所述第一激光器与所述第一光纤耦合器通过光纤连接，所述第二激光器与所述第二光纤耦合器通过光纤连接，所述发射编码端芯片的连接均通过硅基光波导连接，所述接收解码端芯片的连接均通过氮化硅光波导连接，所述发射编码端芯片与所述接收解码端芯片通过光纤连接，所述第九光纤耦合器与所述光电探测器通过光纤连接，所述第十光纤耦合器与所述第一单光子探测器通过光纤连接，所述第十一光纤耦合器与所述第二单光子探测器通过光纤连接，所述第十二光纤耦合器与所述第三单光子探测器通过光纤连接，所述第十三光纤耦合器与所述第四单光子探测器通过光纤连接，所述第十七光纤耦合器与所述第五单光子探测器通过光纤连接，所述第十八光纤耦合器与所述第六单光子探测器通过光纤连接，所述第十九光纤耦合器与所述第七单光子探测器通过光纤连接，所述第二十光纤耦合器与所述第八单光子探测器通过光纤连接。

本发明的有益效果：

(1)本发明可以实现稳定、安全、高速调制、高码率的HD-QKD协议的实验论证及应用；

(2)本发明实现了HD-QKD协议，是对传统二维量子密钥分发方案的一次突破，相对于传统QKD具有高信息量、高系统稳定性、高抗噪声能力等突出优点。

(3)本发明使用IQ调制来调节量子态的相位，确保对光脉冲调节不同的相位时强度基本一致，极大地提高了量子态制备的保真度；

(4)本发明实现了芯片上三个强度调制器联合调制的方法，每个强度调制器都有其确定的功能，使调制信号间不会发生扰动，调制速度可以达到最大化；

(5)本发明在芯片上同时集成了使信号光与同步光复用的波分复用器与解波分复用器，进一步提高了QKD芯片的集成度，同时减少了传统波分复用器件的使用，使系统更加稳定；

(6)本发明设置了多个光功率检测器，非常便于判断芯片调试是否达到要求，在使用过程中也可以起到监控各模块状态的作用；

(7)本发明采用氮化硅平台集成接收端，可以降低接收端芯片的插损，提高接收端探测效率；

(8)本发明在接收端采用了可变光分束器和可调谐的马赫曾德干涉仪可以通过外调的方式使得器件达到实验需要的指标，从而提高系统的容差性。

根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本发明的其它特征及方面将变得清楚。

附图说明

包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本发明的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本发明的原理。

图1示出本发明提供的集成芯片化的高维量子密钥分发系统结构图。

图中，1-高维量子密钥分发发送端，11-发送编码端，12-第一激光器，13-第二激光器，1101-第一光纤耦合器，1102-第二光纤耦合器，1103-三强度联合调制模块，1104-相位调制模块，1105-复用模块，1106-第三光纤耦合器，1107-第四光纤耦合器，110301-第一分束器，110302-第二分束器，110303-第一热调谐型相移器，110304-第一载流子色散型相移器，110305-第二热调谐型相移器，110306-第二载流子色散型相移器，110307-第一光功率检测器，110308-第三分束器，110309-第四分束器，110310-第三热调谐型相移器，110311-第三载流子色散型相移器，110312-第四热调谐型相移器，110313-第四载流子色散型相移器，110314-第二光功率检测器，110315-第五分束器，110316-第六分束器，110317-第五热调谐型相移器，110318-第五载流子色散型相移器，110319-第六热调谐型相移器，1103020-第六载流子色散型相移器，1103021-第三光功率检测器，110401-第七分束器，110402-第八分束器，110403-第十分束器，110404-第七热调谐型相移器，110405-第七载流子色散型相移器，110406-第八热调谐型相移器，110407-第八载流子色散型相移器，110408-第九热调谐型相移器，110409-第九载流子色散型相移器，1103080-第十热调谐型相移器，1103081-第十载流子色散型相移器，1103082-第九分束器，1103083-第十一分束器，1103084-第十一热调谐型相移器，1103085-第十二分束器，110501-第四光功率检测器，110502-可变光衰减器，110503-第十三分束器，110504-复用器，110505-第十四分束器，110506-第五光功率检测器，2-高维量子密钥分发接收端，21-接收解码端芯片，2101-第五光纤耦合器，2102-解复用器，2103-可变光分束模块，2104-时间基解码模块，2105-相位基解码模块，2106-第九光纤耦合器，2107-第十光纤耦合器，2108-第十一光纤耦合器，2109-第十二光纤耦合器，2110-第十三光纤耦合器，2111-第十四光纤耦合器，2112-第十五光纤耦合器，2113-第十六光纤耦合器，2114-第十七光纤耦合器，2115-第十八光纤耦合器，2116-第十九光纤耦合器，2117-第二十光纤耦合器，2118-第六光纤耦合器，2119-第七光纤耦合器，2120-第八光纤耦合器，21031-第十五分束器，21032-第十二热调谐型相移器，21033-第十三热调谐型相移器，21034-第十六分束器，21041-第十七分束器，21042-第十八分束器，21043-第十九分束器，210501-第二十分束器，210502-第十四热调谐型相移器，210503-第十五热调谐型相移器，210504-第二十一分束器，210505-第一延时线，210506-第二延时线，210507-第十六热调谐型相移器，210508-第二十二分束器，210509-第二十三分束器，210510-第十七热调谐型相移器，210511-第十八热调谐型相移器，210512-第二十四分束器，210513-第三延时线，210514-第二十一热调谐型相移器，210515-第二十五分束器，210516-第二十六分束器，210517-第十九热调谐型相移器，210518-第二十热调谐型相移器，210519-第二十七分束器，210520-第二十二热调谐型相移器，210521-第四延时线，210522-第二十八分束器，22-光电探测器，23-第一单光子探测器，24-第二单光子探测器，25-第三单光子探测器，26-第四单光子探测器，27-第五单光子探测器，28-第六单光子探测器，29-第七单光子探测器，210-第八单光子探测器。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。

另外，为了更好的说明本发明，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本发明同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。

实施例一

图1示出本发明实施例一提供的集成芯片化的高维量子密钥分发系统的结构图，如图1所示，本发明的集成芯片化的高维量子密钥分发系统包括发射端1、接收端2、发射编码端芯片11、第一激光器12、第二激光器13、接收解码端芯片21、光电探测器22、第一单光子探测器23、第二单光子探测器24、第三单光子探测器25、第四单光子探测器26、第五单光子探测器27、第六单光子探测器28、第七单光子探测器29和第八单光子探测器210；

第一激光器12和第二激光器13都与发射编码端芯片11连接，发射编码端芯片11与接收解码端芯片21连接，接收解码端芯片21分别与光电探测器22、第一单光子探测器23、第二单光子探测器24、第三单光子探测器25、第四单光子探测器26、第五单光子探测器27、第六单光子探测器28、第七单光子探测器29和第八单光子探测器210连接。

发射编码端芯片11包括第一光纤耦合器1101、第二光纤耦合器1102、三强度联合调制模块1103、相位调制模块1104、复用模块1105、第三光纤耦合器1106和第四光纤耦合器1107。

第一光纤耦合器1101与三强度联合调制模块1103连接，三强度联合调制模块1103与相位调制模块1104连接，相位调制模块1104与复用模块1105连接，复用模块1105分别与第二光纤耦合器1102、第三光纤耦合器1101和第四光纤耦合器1107连接。

三强度联合调制模块1103包括第一分束器110301和第二分束器110302，在第一分束器110301和第二分束器110302之间设有两条光臂，在第一条光臂上串联有第一热调谐型相移器110303和第一载流子色散型相移器110304，在第二条光臂上串联有第二热调谐型相移器110305和第二载流子色散型相移器110306；第一热调谐型相移器110303和第二热调谐型相移器110305都与第一分束器110301连接，第一载流子色散型相移器110304和第二载流子色散型相移器110306都与第二分束器110302连接；在第二分束器110302上还连接有第一光功率检测器110307；第一分束器110301与第一光纤耦合器1101连接。

在第三分束器110308和第四分束器110309之间设有两条光臂，在第一条光臂上串联有第三热调谐型相移器110310和第三载流子色散型相移器110311，在第二条光臂上串联有第四热调谐型相移器110312和第四载流子色散型相移器110313；第三热调谐型相移器110310和第四热调谐型相移器110312都与第三分束器110308连接，第三载流子色散型相移器110311和第四载流子色散型相移器110313都与第四分束器110309连接；在第四分束器110309上还连接有第二光功率检测器110314；第二分束器110302与第三分束器110308连接。

在第五分束器110315和第六分束器110316之间设有两条光臂，在第一条光臂上串联有第五热调谐型相移器110317和第五载流子色散型相移器110318，在第二条光臂上串联有第六热调谐型相移器110319和第六载流子色散型相移器110320；第五热调谐型相移器110317和第六热调谐型相移器110319都与第五分束器110315连接，第五载流子色散型相移器110318和第六载流子色散型相移器110320都与第六分束器110316连接；在第六分束器110316上还连接有第三光功率检测器110321；第四分束器110309与第五分束器110315连接。

相位调制模块1104包括第七分束器110401、第八分束器110402、第九分束器110412、第十分束器110403、第十一分束器110413、第十二分束器110415。

在第八分束器110402和第九分束器110412之间设有两条光臂，在第一条光臂上串联有第七热调谐型相移器110404和第七载流子色散型相移器110405，在第二条光臂上串联有第八热调谐型相移器110406和第八载流子色散型相移器110407；第七热调谐型相移器110404和第八热调谐型相移器110406都与第八分束器110402连接，第七载流子色散型相移器110405和第八载流子色散型相移器110407都与第九分束器110412连接。

在第十分束器110403和第十一分束器110413之间设有两条光臂，在第一条光臂上串联有第九热调谐型相移器110408和第九载流子色散型相移器110409，在第二条光臂上串联有第十热调谐型相移器110410和第十载流子色散型相移器110411；第九热调谐型相移器110408和第十热调谐型相移器110410都与第十分束器110403连接，第九载流子色散型相移器110409和第十载流子色散型相移器110411都与第十一分束器110413连接。

第六分束器110316与第七分束器110401连接，第七分束器110401分别与第八分束器110402和第十分束器110403连接，第九分束器110412与第十二分束器110415连接，第十一分束器110413经第十一热调谐型相移器110414与第十二分束器110415连接。

复用模块1105分别包括第十三分束器110503、可变光衰减器110502、第四光功率检测器110501、复用器110504、第十四分束器110505、第五光功率检测器110506；

第十三分束器110503分别与可变光衰减器110502和第四光功率检测器110501连接；可变光衰减器110502与第十二分束器110415连接；第十三分束器110503上还分别连接了第三光纤耦合器1106和复用器110504；复用器110504分别与第四光纤耦合器1107和第十四分束器110505连接；第十四分束器110505还分别连接了第二光纤耦合器1102和第五光功率检测器110506。

接收解码端芯片21包括第五光纤耦合器2101、第六光纤耦合器2118、第七光纤耦合器2119、第八光纤耦合器2120、第九光纤耦合器2106、第十光纤耦合器2107、第十一光纤耦合器2108、第十二光纤耦合器2109、第十三光纤耦合器2110、第十四光纤耦合器2111、第十五光纤耦合器2112、第十六光纤耦合器2113、第十七光纤耦合器2114、第十八光纤耦合器2115、第十九光纤耦合器2116、第二十光纤耦合器2117、解复用器2102、可变光分束模块2103、时间基解码模块2104和相位基解码模块2105；

第五光纤耦合器2101与所述解复用器2102连接，解复用器2102分别与第九光纤耦合器2106和可变光分束模块2103连接，第九光纤耦合器2106与光电探测器22连接，可变光分束模块2103分别与时间基解码模块2104和相位基解码模块2105连接；时间基解码模块2104分别与第十光纤耦合器2107、第十一光纤耦合器2108、第十二光纤耦合器2109和第十三光纤耦合器2110连接；相位基解码模块2105分别与第十六光纤耦合器2113、第十七光纤耦合器2114、第十八光纤耦合器2115、第十九光纤耦合器2116和第二十光纤耦合器2117连接。

可变光分束模块2103包括第十五分束器21031和第十六分束器21034，在第十五分束器21031和第十六分束器21034之间设有两条光臂，在这两条光臂上分别设有第十二热调谐型相移器21032和第十三热调谐型相移器21033；第十五分束器21031分别与解复用器2102和第六光纤耦合器2118连接，第十六分束器21034分别与时间基解码模块2104、第十四光纤耦合器2111、第十五光纤耦合器2112和相位基解码模块2105连接。

时间基解码模块2104包括第十七分束器21041、第十八分束器21042和第十九分束器21043，第十七分束器21041分别与第十八分束器21042和第十九分束器21043连接；第十六分束器21034与第十七分束器21041连接，第十八分束器21042分别与第十光纤耦合器2107和第十一光纤耦合器2108连接，第十九分束器21043分别与第十二光纤耦合器2109和所述第十三光纤耦合器2110连接；第十光纤耦合器2107与第一单光子探测器23连接、第十一光纤耦合器2108与第二单光子探测器24连接、第十二光纤耦合器2109与第三单光子探测器25连接、第十三光纤耦合器2110与第四单光子探测器26连接。

相位基解码模块2105采用联级树状干涉仪的结构，包括第二十分束器210501、第二十一分束器210504、第二十二分束器210508、第二十三分束器210509、第二十四分束器210512、第二十五分束器210515、第二十六分束器210516、第二十七分束器210519和第二十八分束器210522；

在第二十分束器210501和第二十一分束器210504之间设有两条光臂，第一条光臂上设有第十四热调谐型相移器210502，在第二条光臂上设有第十五热调谐型相移器210503；第十六分束器210507与第二十分束器210501连接；在第二十一分束器210504和第二十二分束器210508之间设有两条光臂，第一条光臂上串联有第一延时线210505和第二延时线210506，在第二条光臂上设有第十六热调谐型相移器210507；第一延时线210505与第二十一分束器210504连接，第二延时线210506与第二十二分束器210518连接；

在第二十三分束器210521和第二十四分束器210512之间设有两条光臂，第一条光臂上设有第十七热调谐型相移器210510，在第二条光臂上设有第十八热调谐型相移器210511；第二十二分束器210508与第二十三分束器210509连接，第二十三分束器210509还与第十六光纤耦合器2113连接；在第二十四分束器210512和第二十五分束器210515之间设有两条光臂，第一条光臂上设有第三延时线210513，在第二条光臂上设有第二十一热调谐型相移器210514；第二十五分束器210515分别与第十七光纤耦合器2114和第十八光纤耦合器2115连接；

在第二十六分束器210516和第二十七分束器210519之间设有两条光臂，第一条光臂上设有第十九热调谐型相移器210517，在第二条光臂上设有第二十热调谐型相移器210518；第二十二分束器210508与第二十六分束器210516连接，第二十六分束器210516还与第八光纤耦合器2120连接；在第二十七分束器210519和第二十八分束器210522之间设有两条光臂，第一条光臂上设有第二十二热调谐型相移器210520，在第二条光臂上设有第四延时线210521；第二十八分束器210522分别与第十九光纤耦合器2116和第二十光纤耦合器2117连接。

在本实施例中第一激光器12与第一光纤耦合器1101通过光纤连接，第二激光器13与第二光纤耦合器1102通过光纤连接，发射编码端芯片11的连接均通过硅基光波导连接，接收解码端芯片21的连接均通过氮化硅光波导连接，发射端1与接收端2通过光纤连接，第九光纤耦合器2106与光电探测器22通过光纤连接，第十光纤耦合器2107与第一单光子探测器23通过光纤连接，第十一光纤耦合器2108与第二单光子探测器24通过光纤连接，第十二光纤耦合器2109与第三单光子探测器25通过光纤连接，第十三光纤耦合器2110与第四单光子探测器26通过光纤连接，第十七光纤耦合器2114与第五单光子探测器27通过光纤连接，第十八光纤耦合器2115与第六单光子探测器28通过光纤连接，第十九光纤耦合器2116与第七单光子探测器29通过光纤连接，第二十光纤耦合器2117与第八单光子探测器210通过光纤连接。

使用本实施例提供的集成芯片化的高维量子密钥分发系统同时集成了发射编码模块和接收解码模块，可以实现如实施例二所示的基于时间相位编码HD-QKD协改。

实施例二基于时间相位编码的集成HD-QKD系统实施方案

步骤S1，芯片外激光器发送的连续光经过第一光纤耦合器1101耦合到波导中，进入发射编码端芯片11，通过调节第一热调谐型相移器110303使得第一光功率检测器110307输出光强最大，通过调节第三热调谐型相移器110301使得第二光功率检测器110314输出光强最大，通过调节第五热调谐型相移器110317使得第三光功率检测器110321输出光强最大，通过调节第七热调谐型相移器110404和第九热调谐型相移器110408使得与第三光纤耦合器1111连接的片外光电探测器输出光强达到最大，由此平衡由于制造工艺误差带来的初始相位差，然后，调节第十一热调谐型相移器110414，使其相位为π/2；

步骤S2，芯片外激光器发送的连续光经过第六光纤耦合器2118耦合到波导中，进入接收解码端芯片21，同时使用与第十四光纤耦合器2111和第十五光纤耦合器2112连接的片外光电探测器观察，通过调节第十二热调谐型相移器21032使得从第十四光纤耦合器2111输出的光的光强是从第十五光纤耦合器2112输出光强的9倍。

步骤S3，芯片外激光器发送的相对相位为0且脉冲时间间隔与第三延时线210513延时相同的脉冲光经过第十六光纤耦合器2113耦合到波导中，进入第二十三分束器210509，调节第十七热调谐型相移器210510和第二十一热调谐型相移器210514使得第五单光子探测器27与第六单光子探测器28之间的消光比最大，此时说明第三延时线210513与第二十一热调谐型相移器210514之间的插损已被平衡，且第二十一热调谐型相移器210514的相位为0。

步骤S4，芯片外激光器发送的相对相位为0且脉冲时间间隔与第四延时线210521延时相同的脉冲光经过第八光纤耦合器2120耦合到波导中，进入第二十六分束器210516，调节第十九热调谐型相移器210517和第二十二热调谐型相移器210520使得第七单光子探测器29与第八单光子探测器210之间的消光比最大，此时说明第四延时线210521与第二十二热调谐型相移器210520之间的插损已被平衡，且第二十二热调谐型相移器210520的相位为0，进一步调节第二十二热调谐型相移器210520使得第七单光子探测器29与第八单光子探测器210之间的消光比最小，此时说明第二十二热调谐型相移器210520的工作相位为π/2。

步骤S5，芯片外激光器发送的相对相位为0且脉冲时间间隔与第一延时线210505延时相同的脉冲光经过第七光纤耦合器2119耦合到波导中，进入第二十分束器210501，调节第十四热调谐型相移器210502使得第五单光子探测器27与第六单光子探测器28之间的消光比最大，此时说明第一延时线210505和第二延时线210506与第十六热调谐型相移器210507之间的插损已被平衡。

至此，经过步骤S2、步骤S3、步骤S4和步骤S5就完成了相位解码模块2105的调试。其中，第一延时线210505、第二延时线210506、第三延时线210513和第四延时线210521的延时相同且等于信号光相邻脉冲的时间间隔。

步骤S6，使用第一激光器12发送连续光，通过第一光纤耦合器1101进入发射编码端芯片11，首先通过第一分束器110301，通过调节第一载流子色散型相移器110304和第二载流子色散型相移器110306之间的相位差为0或者π，并从第二分束器110302输出，由此将连续光调制成脉冲光序列；

步骤S7，经过步骤S6调制的脉冲光进入第三分束器110308进行基矢选择，选择相邻的四个脉冲序列为一组，对时间基矢进行调制时，通过调节第三载流子色散型相移器110311和第四载流子色散型相移器110313之间的相位差为0或者π，如果使得相邻的四个脉冲中的第一个脉冲在第四分束器110309处干涉相长，其他三个脉冲在第四分束器110309处干涉相消，这时对应于时间基矢下的|t₀>态；如果使得相邻的四个脉冲中的第二个脉冲在第四分束器110309处干涉相长，其他三个脉冲在第四分束器110309处干涉相消，这时对应于时间基矢下的|t₁>态；如果使得相邻的四个脉冲中的第三个脉冲在第四分束器110309处干涉相长，其他三个脉冲在第四分束器110309处干涉相消，这时对应于时间基矢下的|t₂>态；如果使得相邻的四个脉冲中的第四个脉冲在第四分束器110309处干涉相长，其他三个脉冲在第四分束器110309处干涉相消，这时对应于时间基矢下的|t₃>态。对相位基矢进行调制时，通过调节第三载流子色散型相移器110311和第四载流子色散型相移器110313之间的相位差为0，使得相邻的四个脉冲都在第四分束器110309处干涉相长，进入下一级调制；

步骤S8，经过步骤S7调制的脉冲光进入第五分束器110315进行诱骗态强度调制，通过调节第五载流子色散型相移器110318和第六载流子色散型相移器110320之间的相位差，使得信号态和诱骗态的强度满足实验要求的关系，同时需要注意的是，要使得时间基矢的强度是相位基矢强度的2倍；

步骤S9，经过三强度联合调制模块1103调制的脉冲光需要经过相位调制模块1104的调制才能完成量子态的制备，特别的是，第七载流子色散型相移器110405和第八载流子色散型相移器110407的调节采用双臂驱动推挽的调节方式(push-pull)来产生相位调制信号。对于第二强度调制模块1104制备的四种时间态|t₀>、|t₁>、|t₂>、|t₃>，需要调节加载在第七载流子色散型相移器110405和第八载流子色散型相移器110407上的电信号，并且调节加载在第九载流子色散型相移器110409和第十载流子色散型相移器110411上的电信号，使得在第十二分束器110415上合束后的光信号与在第七分束器110401分束前的光信号的相位相差为0即可。对于相位基矢，如果调节加载在第七载流子色散型相移器110405和第八载流子色散型相移器110407上的电信号，并且调节加载在第九载流子色散型相移器110409和第十载流子色散型相移器110411上的电信号，使得在第十二分束器110415上合束后的光信号与在第七分束器110401分束前的光信号的相位相差为0，这样就可以完成相位基矢下的|f₀>态；如果调节加载在第七载流子色散型相移器110405和第八载流子色散型相移器110407上的电信号，并且调节加载在第九载流子色散型相移器110409和第十载流子色散型相移器110411上的电信号，使得在第十二分束器110415上合束后的光信号与在第七分束器110401分束前的光信号的相位相差为π/2，这样就可以完成相位基矢下的|f₁>态；如果调节加载在第七载流子色散型相移器110405和第八载流子色散型相移器110407上的电信号，并且调节加载在第九载流子色散型相移器110409和第十载流子色散型相移器110411上的电信号，使得在第十二分束器110415上合束后的光信号与在第七分束器110401分束前的光信号的相位相差为π，这样就可以完成相位基矢下的|f₂>态；如果调节加载在第七载流子色散型相移器110405和第八载流子色散型相移器110407上的电信号，并且调节加载在第九载流子色散型相移器110409和第十载流子色散型相移器110411上的电信号，使得在第十二分束器110415上合束后的光信号与在第七分束器110401分束前的光信号的相位相差为3π/2，这样就可以完成相位基矢下的|f₃>态；

步骤S10，最后通过复用模块1105中的可变光衰减器110503将相位调制模块1104输出的脉冲光衰减到单光子级别后通过第十三分束器110503输出。同时，同步光由第二激光器13经第二光纤耦合器1102进入芯片，通过第十四分束器110505后与第十三分束器110503输出的信号光在复用器110504处进行复用后经第四光纤耦合器1112输出到芯片外的光纤中；

步骤S11，经光纤传过来的光脉冲经第五光纤耦合器2101进入接收解码端芯片21芯片后由解复用器2102进行解复用后，同步光经第九光纤耦合器2106输出到片外光电探测器22，信号光经过可变光分束模块2103分光后传输到时间基解码模块2104或者相位基解码模块2105进行解码，解码信号由，与第十光纤耦合器2107连接的第一单光子探测器23，与第十一光纤耦合器2108连接的第二单光子探测器24，与第十二光纤耦合器2109连接的第三单光子探测器25，与第十三光纤耦合器2110连接的第四单光子探测器26，与第十七光纤耦合器2114连接的第五单光子探测器27，与第十八光纤耦合器2115连接的第六单光子探测器28，与第十九光纤耦合器连接2116的第七单光子探测器29，与第二十光纤耦合器2117连接的第八单光子探测器210进行探测。如果第一单光子探测器23、第二单光子探测器24，第三单光子探测器25，第四单光子探测器26有响应，则表示探测到时间基信号，根据到达时间标定四种时间态|t₀>、|t₁>、|t₂>、|t₃>。如果第五单光子探测器27响应表示探测到相位基矢下的|f₀>态，如果第六单光子探测器28响应表示探测到相位基矢下的|f₁>态，如果第七单光子探测器29响应表示探测到相位基矢下的|f₂>态，如果第八单光子探测器210响应表示探测到相位基矢下的|f₃>态.

步骤S12，最后通信双方经过协调基矢和数据后处理就可以产生安全密钥。

按照实施例二的方法，可以实现基于时间相位编码的HD-QKD协议。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

Claims (10)

1.一种集成芯片化的高维量子密钥分发系统，其特征在于：包括第一激光器、第二激光器、发射编码端芯片、接收解码端芯片、光电探测器、第一单光子探测器、第二单光子探测器、第三单光子探测器、第四单光子探测器、第五单光子探测器、第六单光子探测器、第七单光子探测器和第八单光子探测器；

所述第一激光器和所述第二激光器都与所述发射编码端芯片连接，所述发射编码端芯片与所述接收解码端芯片连接，所述接收解码端芯片分别与所述光电探测器、第一单光子探测器、第二单光子探测器、第三单光子探测器、第四单光子探测器、第五单光子探测器、第六单光子探测器、第七单光子探测器和第八单光子探测器连接。

2.按照权利要求1所述的集成芯片化的高维量子密钥分发系统，其特征在于：所述发射编码端芯片包括第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、三强度联合调制模块、相位调制模块、复用模块、第三光纤耦合器和第四光纤耦合器；

所述第一光纤耦合器与所述三强度联合调制模块连接，所述三强度联合调制模块与所述相位调制模块连接，所述相位调制模块与所述复用模块连接，所述复用模块分别与第二光纤耦合器、第三光纤耦合器、第四光纤耦合器连接。

3.按照权利要求2所述的发射编码端芯片，其特征在于：所述三强度联合调制模块包括第一分束器、第二分束器、第三分束器、第四分束器、第五分束器、第六分束器；

在所述第一分束器和所述第二分束器之间设有两条光臂，在第一条光臂上串联有第一热调谐型相移器和第一载流子色散型相移器，在第二条光臂上串联有第二热调谐型相移器和第二载流子色散型相移器；所述第一热调谐型相移器和所述第二热调谐型相移器都与所述第一分束器连接，所述第一载流子色散型相移器和所述第二载流子色散型相移器都与所述第二分束器连接；在所述第二分束器上还连接有第一光功率检测器；所述第一分束器与所述第一光纤耦合器连接；

在所述第三分束器和所述第四分束器之间设有两条光臂，在第一条光臂上串联有第三热调谐型相移器和第三载流子色散型相移器，在第二条光臂上串联有第四热调谐型相移器和第四载流子色散型相移器；所述第三热调谐型相移器和所述第四热调谐型相移器都与所述第三分束器连接，所述第三载流子色散型相移器和所述第四载流子色散型相移器都与所述第四分束器连接；在所述第四分束器上还连接有第二光功率检测器；所述第二分束器与所述第三分束器连接；

在所述第五分束器和所述第六分束器之间设有两条光臂，在第一条光臂上串联有第五热调谐型相移器和第五载流子色散型相移器，在第二条光臂上串联有第六热调谐型相移器和第六载流子色散型相移器；所述第五热调谐型相移器和所述第六热调谐型相移器都与所述第五分束器连接，所述第五载流子色散型相移器和所述第六载流子色散型相移器都与所述第六分束器连接；在所述第六分束器上还连接有第三光功率检测器；所述第四分束器与所述第五分束器连接。

4.按照权利要求2所述的发射编码端芯片，其特征在于：所述相位调制模块包括第七分束器、第八分束器、第九分束器、第十分束器、第十一分束器、第十二分束器；

在所述第八分束器和所述第九分束器之间设有两条光臂，在第一条光臂上串联有第七热调谐型相移器和第七载流子色散型相移器，在第二条光臂上串联有第八热调谐型相移器和第八载流子色散型相移器；所述第七热调谐型相移器和所述第八热调谐型相移器都与所述第八分束器连接，所述第七载流子色散型相移器和所述第八载流子色散型相移器都与所述第九分束器连接；

在所述第十分束器和所述第十一分束器之间设有两条光臂，在第一条光臂上串联有第九热调谐型相移器和第九载流子色散型相移器，在第二条光臂上串联有第十热调谐型相移器和第十载流子色散型相移器；所述第九热调谐型相移器和所述第十热调谐型相移器都与所述第十分束器连接，所述第九载流子色散型相移器和所述第十载流子色散型相移器都与所述第十一分束器连接；

所述第六分束器与所述第七分束器连接，所述第七分束器分别与第八分束器和第十分束器连接，所述第九分束器与所述第十二分束器连接，所述第十一分束器经第十一热调谐型相移器与第十二分束器连接。

5.按照权利要求2所述的发射端编码芯片，其特征在于：所述复用模块分别包括第十三分束器、可变光衰减器、第四光功率检测器、复用器、第十四分束器、第五光功率检测器；

所述第十三分束器分别与所述可变光衰减器和所述第四光功率检测器连接；所述可变光衰减器与所述第十二分束器连接；所述第十三分束器上还分别连接了所述第三光纤耦合器和所述复用器；所述复用器分别与所述第四光纤耦合器和所述第十四分束器连接；所述第十四分束器还分别连接了所述第二光纤耦合器和所述第五光功率检测器。

6.按照权利要求1所述的集成芯片化的高维量子密钥分发系统，其特征在于：所述接收解码端芯片包括第五光纤耦合器、第六光纤耦合器、第七光纤耦合器、第八光纤耦合器、第九光纤耦合器、第十光纤耦合器、第十一光纤耦合器、第十二光纤耦合器、第十三光纤耦合器、第十四光纤耦合器、第十五光纤耦合器、第十六光纤耦合器、第十七光纤耦合器、第十八光纤耦合器、第十九光纤耦合器、第二十光纤耦合器、解复用器、可变光分束模块、时间基解码模块和相位基解码模块；

所述第五光纤耦合器与所述解复用器连接，所述解复用器分别与所述第九光纤耦合器和所述可变光分束模块连接，所述可变光分束模块分别与所述时间基解码模块和所述相位基解码模块连接，所述时间基解码模块分别与所述第十光纤耦合器、所述第十一光纤耦合器、所述第十二光纤耦合器和所述第十三光纤耦合器连接，所述相位基解码模块分别与所述第十六光纤耦合器、所述第十七光纤耦合器、所述第十八光纤耦合器、所述第十九光纤耦合器和所述第二十光纤耦合器连接。

7.按照权利要求6所述的接收解码端芯片，其特征在于：所述可变光分束模块包括第十五分束器和第十六分束器，在所述第十五分束器和所述第十六分束器之间设有两条光臂，在这两条光臂上分别设有第十二热调谐型相移器和第十三热调谐型相移器；所述第十五分束器分别与所述解复用器和所述第六光纤耦合器连接，所述第十六分束器分别与所述时间基解码模块、所述第十四光纤耦合器、所述第十五光纤耦合器和所述相位基解码模块连接。

8.按照权利要求6所述的接收解码端芯片，其特征在于：所述时间基解码模块包括第十七分束器、第十八分束器和第十九分束器，所述第十七分束器分别与所述第十八分束器和所述第十九分束器连接；所述第十六分束器与第十七分束器连接，所述第十八分束器分别与所述第十光纤耦合器和所述第十一光纤耦合器连接，所述第十九分束器分别与所述第十二光纤耦合器和所述第十三光纤耦合器连接。

9.按照权利要求6所述的接收解码端芯片，其特征在于：所述相位基解码模块采用联级树状干涉仪的结构，包括第二十分束器、第二十一分束器、第二十二分束器、第二十三分束器、第二十四分束器、第二十五分束器、第二十六分束器、第二十七分束器和第二十八分束器；

在所述第二十分束器和所述第二十一分束器之间设有两条光臂，第一条光臂上设有第十四热调谐型相移器，在第二条光臂上设有第十五热调谐型相移器；所述第十六分束器与所述第二十分束器连接；在所述第二十一分束器和所述第二十二分束器之间设有两条光臂，第一条光臂上串联有第一延时线和第二延时线，在第二条光臂上设有第十六热调谐型相移器；所述第一延时线与所述第二十一分束器连接，所述第二延时线与所述第二十二分束器连接；

在所述第二十三分束器和所述第二十四分束器之间设有两条光臂，第一条光臂上设有第十七热调谐型相移器，在第二条光臂上设有第十八热调谐型相移器；所述第二十二分束器与所述第二十三分束器连接，所述第二十三分束器还与第十六光纤耦合器连接；在所述第二十四分束器和所述第二十五分束器之间设有两条光臂，第一条光臂上设有第三延时线，在第二条光臂上设有第二十一热调谐型相移器；所述第二十五分束器分别与所述第十七光纤耦合器和所述第十八光纤耦合器连接；

在所述第二十六分束器和所述第二十七分束器之间设有两条光臂，第一条光臂上设有第十九热调谐型相移器，在第二条光臂上设有第二十热调谐型相移器；所述第二十二分束器与所述第二十六分束器连接，所述第二十六分束器还与第八光纤耦合器连接；在所述第二十七分束器和所述第二十八分束器之间设有两条光臂，第一条光臂上设有第二十二热调谐型相移器，在第二条光臂上设有第四延时线；所述第二十八分束器分别与所述第十九光纤耦合器和所述第二十光纤耦合器连接。

10.按照权利要求1-9任一所述的集成芯片化的高维量子密钥分发系统，其特征在于：所述第一激光器与所述第一光纤耦合器通过光纤连接，所述第二激光器与所述第二光纤耦合器通过光纤连接，所述发射编码端芯片的连接均通过硅基光波导连接，所述接收解码端芯片的连接均通过氮化硅光波导连接，所述发射编码端芯片与所述接收解码端芯片通过光纤连接，所述第九光纤耦合器与所述光电探测器通过光纤连接，所述第十光纤耦合器与所述第一单光子探测器通过光纤连接，所述第十一光纤耦合器与所述第二单光子探测器通过光纤连接，所述第十二光纤耦合器与所述第三单光子探测器通过光纤连接，所述第十三光纤耦合器与所述第四单光子探测器通过光纤连接，所述第十七光纤耦合器与所述第五单光子探测器通过光纤连接，所述第十八光纤耦合器与所述第六单光子探测器通过光纤连接，所述第十九光纤耦合器与所述第七单光子探测器通过光纤连接，所述第二十光纤耦合器与所述第八单光子探测器通过光纤连接。

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