CN116455566A - 一种基于高维纠缠的量子密钥分发方法及其分发系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于高维纠缠的量子密钥分发方法及其分发系统。所述方法为：制备时间戳偏振超纠缠量子态并将信息编码在时间戳和偏振自由度构成的高维空间中，信息为光子的偏振和时间戳自由度的量子态；利用偏振自由度进行子空间的划分，在子空间中随机地探测时间戳自由度的Z基和X基，即利用时间戳自由度建立密钥。本发明中无需使用主动的调制器，仅仅使用光学器件即可实现基于子空间同时编码的协议，并且本发明利用光子的偏振和时间自由度编码，可以在单模光纤信道中稳定传输，在量子密钥分配与经典通信网络共存系统中有较大应用潜力。

Description

一种基于高维纠缠的量子密钥分发方法及其分发系统

技术领域

本发明涉及量子通信技术领域，尤其涉及一种基于高维纠缠的量子密钥分发方法及其分发系统。

背景技术

随着社会信息化的发展，人们对信息安全有了更高的需求。目前，经典密码体系的安全性依赖于计算的复杂性，然而随着量子计算的发展，这种经典的加密方式将变得不再安全。量子密钥分配(QKD)技术提供了一种在通信者之间建立无条件安全密钥的方法，结合“一次一密”理论上可以实现信息的无条件安全性。经过三十多年的发展，量子密钥分配已经开始往实用化方向推进，然而依旧存在诸多挑战，例如高噪声环境下无法成码，以及建设成本昂贵等。在实际应用场景中环境噪声往往比实验室中更为复杂，目前通常是通过更严格的滤波来降低噪声或者执行可以容忍高噪声的QKD协议来应对。

为了降低QKD系统的建设成本，加快商业化和产业化进程，研究人员提出了将QKD系统与现有光纤基础设施融合的方案，然而这种方案也受到了信道中高强度噪声的限制。因此提高系统的抗噪声能力对QKD系统实用化十分重要，为此，一些研究人员理论上提出了一种利用高维纠缠的子空间进行编码的QKD协议。

当前有两种实现这个协议的方案，一种是利用高维路径纠缠的方案，另一种是利用能量时间纠缠的方案，然而这两种方案都难以实用。前者利用了光子的路径自由度，尽管这种方案可以有较高的解码效率，但其无论在光纤信道还是自由空间信道都难以进行远距离的稳定传输。后者利用了光子的时间自由度，通过后处理的方式将时间进行离散化，这种方案可以很容易实现高维量子态的制备，但其容易受到光纤信道扰动的影响，并且对探测器的时间抖动有较高要求。

发明内容

为解决现有的QKD系统的抗噪声能力弱的技术问题，本发明提供一种基于高维纠缠的量子密钥分发方法及其分发系统。

本发明是通过以下技术方案实现：一种基于高维纠缠的量子密钥分发方法，其包括以下步骤：

制备时间戳偏振超纠缠量子态并将信息编码在时间戳和偏振自由度构成的高维空间中，所述信息为光子的偏振和时间戳自由度的量子态；利用偏振自由度进行子空间的划分，在子空间中随机地探测时间戳自由度的Z基和X基，即利用时间戳自由度建立密钥。

作为上述方案的进一步改进，利用偏振分束器对所述高维空间根据所述偏振自由度划分子空间，在所述子空间中利用光分束器进行随机选基，直接探测光子的时间戳为Z基，利用不等臂干涉仪抹除时间戳信息后探测为X基。作为上述方案的进一步改进，信息编码时，将所述脉冲激光分为前后两个时间戳的相干的前后脉冲激光：经过一个不等臂干涉仪一的短臂产生时间戳t1的前脉冲激光，经过所述不等臂干涉仪一的长臂产生时间戳t2的后脉冲激光；将前后脉冲产生偏振纠缠光子对，同时在时间戳自由度也产生了纠缠，最终输出偏振时间戳超纠缠光子对。

进一步地，将前后脉冲激光产生偏振自由度的纠缠的光子对 同时在时间戳自由度也产生了纠缠/>最终输出所述光子对/>式中，H表示水平偏振，V表示垂直偏振。

本发明还提供一种基于高维纠缠的量子密钥分发系统，其采用了上述任意基于高维纠缠的量子密钥分发方法，所述量子密钥分发系统包括：

发送端，其用于制备时间戳偏振超纠缠量子态并将信息编码在时间戳和偏振自由度构成的高维空间中，所述信息为光子的偏振和时间戳自由度的量子态；

两个接收端，每个接收端用于利用偏振自由度进行子空间的划分，在子空间中随机地探测时间戳自由度的Z基和X基，即利用时间戳自由度建立密钥。

作为上述方案的进一步改进，所述发送端包括：

脉冲激光器，其用于产生脉冲激光；

不等臂干涉仪一，其用于将所述脉冲激光分为前后两个时间戳的相干的前后脉冲激光：经过所述不等臂干涉仪一的短臂产生时间戳t1的前脉冲激光，经过所述不等臂干涉仪一的长臂产生时间戳t2的后脉冲激光；

偏振纠缠模块，其用于将前后脉冲产生偏振纠缠光子对，同时在时间戳自由度也产生了纠缠，最终输出偏振时间戳超纠缠光子对。

进一步地，所述发送端还包括：

光放大器，其用于放大前、后脉冲激光的光强；

和/或，所述发送端还包括：

偏振控制器，其用于调整脉冲激光的偏振方向；

和/或，所述发送端还包括：

倍频模块，其用于光倍频脉冲激光；

和/或，所述发送端还包括：光隔离器，其用于对所述脉冲激光进行光隔离；

和/或，所述发送端还包括光滤波器，其用于将所述光子对滤波后发送给每个接收端。

作为上述方案的进一步改进，所述不等臂干涉仪一为法拉第迈克尔逊干涉仪、或马赫曾德尔干涉仪。

作为上述方案的进一步改进，所述两个接收端分别为Alice接收端和Bob接收端；

所述Alice接收端包括偏振光束分束器和两组测量组；所述偏振光束分束器用于对所述光子对区分不同的偏振，起到划分子空间的作用；每组测量组包括三个单光子探测器、光分束器、不等臂干涉仪二；其中，所述光分束器与所述偏振光分束器相连，用于在相应接收端的子空间中选基：所述光分束器出射端的其中一端直接连接其中一个单光子探测器，用于进行子空间中的Z基的测量；所述光环行器有三个端口，其中其一端口与第二端口形成第一通道，第二端口与第三端口形成第二通道；所述光环行器的第三端口与其中另一个探测器通讯；所述光分束器出射端的其中另一端与所述光环行器的第一端口通讯；所述光环行器的第二端口与所述不等臂干涉仪的第一端口通讯，用于X基的测量；所述不等臂干涉仪的第二端口与其中第三个探测器通讯；所述不等臂干涉仪二的臂长差与所述不等臂干涉仪一的臂长差完全一致；

所述Bob接收端的结构与所述Alice接收端的结构相同，所述Alice接收端还在相应不等臂干涉仪二的长臂处增加了一个光纤移相器。

进一步地，所述Alice接收端还包括：

光纤偏振控制器，其用于在所述光子对进入所述偏振光束分束器前，抵消所述光子对因量子信道引起的偏振旋转，使得所述接收端的偏振参考系与所述发送端的对准。

与现有技术相比：

1.本发明的编码方法使用偏振和时间戳自由度构成的高维空间进行编码，再利用偏振进行子空间划分，用时间戳进行子空间内的编码。光源端利用不等臂干涉仪结合偏振纠缠源光路实现偏振时间戳超纠缠光子对的制备。接收端使用偏振分束器来划分子空间，利用光分束器来进行子空间内选基。本发明中无需使用主动的调制器，仅仅使用光学器件即可实现基于子空间同时编码的协议。

2.本发明的量子密钥分发方法通过将信息编码在时间戳和偏振自由度，提高了对信道扰动的鲁棒性，并可以与现有经典通信网络兼容。即，本发明利用光子的偏振和时间自由度编码，可以在单模光纤信道中稳定传输，在量子密钥分配与经典通信网络共存系统中有较大应用潜力。

3.本发明的量子密钥分发系统，是基于高维纠缠子空间编码协议的一种实现方案，因此能够容忍较高的噪声。其次，与现有的基于能时纠缠的方案相比，本发明提供的方案降低了对探测器以及通信双方之间时间同步精度的要求，与现有的基于路径纠缠的方案相比，本发明能与光纤基础设施融合，在高噪声远距离场景进行密钥分配。本发明提供的量子密钥分发系统可以容忍较高噪声，并且可以与现有光纤基础设施融合，这对于推动QKD系统的实用化具有重要的科学意义和实用价值。

附图说明

图1为本发明提供的基于高维纠缠的量子密钥分发方法的流程图。

图2为实现图1中量子密钥分发方法的一种量子密钥分发系统的功能模块图。

图3为实现图2中量子密钥分发系统的实施例1的一种量子密钥分发系统的示意图。

图4为实现图2中量子密钥分发方法的实施例2的一种量子密钥分发系统的示意图。

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，所描述的实施例仅仅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做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。

需要说明的是，当组件被称为“安装于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“固定于”另一个组件，它可以是直接固定在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1，其为本发明提供的基于高维纠缠的量子密钥分发方法的流程图。量子密钥分发方法可以分为两个阶段：编码和解码。编码：将信息编码后发送。在本实施例中，信息为光子的偏振和时间戳自由度的量子态。解码：接收编码后的信息，并进行解码。

编码时，制备时间戳偏振超纠缠量子态并将信息编码在时间戳和偏振自由度构成的高维空间中，所述信息为光子的偏振和时间戳自由度的量子态。

在本实施例中，编码方法具体可为：将所述脉冲激光分为前后两个时间戳的相干的前后脉冲激光：经过所述不等臂干涉仪的短臂产生时间戳t1的前脉冲激光，经过所述不等臂干涉仪的长臂产生时间戳t2的后脉冲激光；将前后脉冲产生偏振纠缠光子对，同时在时间戳自由度也产生了纠缠，最终输出偏振时间戳超纠缠光子对。这里不限偏振时间戳超纠缠态的具体形式，可以是偏振和时间戳自由度的十六个超纠缠态中的任意一种。

将前后脉冲激光经过偏振纠缠模块产生偏振自由度的纠缠 同时在时间戳自由度也产生了纠缠/>最终输出所述光子对/>式中，H表示水平偏振，V表示垂直偏振。具体地，将前后脉冲激光经过偏振纠缠模块产生偏振自由度的纠缠同时在时间戳自由度也产生了纠缠/> 最终输出所述光子对/>式中，H表示水平偏振，V表示垂直偏振。这里偏振自由度的纠缠态还可以是中的任意一种，时间戳自由度也还可以是/> 中的一种。在本发明中不做限制。

解码时，利用偏振自由度进行子空间的划分，在子空间中随机地探测时间戳自由度的Z基和X基，即利用时间戳自由度建立密钥。可利用偏振分束器对所述高维空间根据所述偏振自由度划分子空间，在所述子空间中利用光分束器进行随机选基，直接探测光子的时间戳为Z基，利用不等臂干涉仪抹除时间戳信息后探测为X基。也就是说，利用偏振分束器或其他可以区分偏振的装置对所述高维空间根据光子偏振划分子空间，在子空间中随机地选择探测时间戳自由度的Z基或X基，直接探测光子的时间戳为Z基，利用不等臂干涉仪抹除时间戳信息后探测为X基。

为实现本实施例的量子密钥分发方法，接下去提供具体的基于高维纠缠的量子密钥分发系统进行详细的介绍，所述量子密钥分发系统是实现本发明量子密钥分发方法的其中一种实施例。

请参阅图2，其为实现图1中量子密钥分发方法的一种量子密钥分发系统的功能模块图。量子密钥分发系统包括发送端1(也即光源端)和两个接收端(可为：Alice接收端2和Bob接收端3)。

发送端1用于将作为通讯波段的脉冲激光编码后发送。发送端1包括脉冲激光器11，不等臂干涉仪一12，偏振纠缠模块15。

脉冲激光器11产生通信波段的脉冲激光，经过不等臂干涉仪一12后被分为前后两个脉冲激光，即前后两个时间戳，经过不等臂干涉仪一12的短臂产生时间戳t1，经过不等臂干涉仪一12的长臂产生时间戳t2，后续用于产生时间戳纠缠。

前后脉冲激光用于泵浦偏振纠缠模块即偏振纠缠模块15，用于产生通讯波段的偏振纠缠光子对，同时由于前面利用不等臂干涉仪一12产生了前后相干的两个泵浦脉冲，所以在经过偏振纠缠模块15后也产生了时间戳纠缠，最终形成偏振时间戳超纠缠光子对，产生的纠缠光子对经过量子信道被分别分发给通信双方，即Alice接收端2和Bob接收端3。

不等臂干涉仪一12不限制类型，可以选择法拉第迈克尔逊干涉仪，马赫增德尔干涉仪等等。偏振纠缠模块15可以选择sagnac环型的结构，双晶体结构等等。

Alice接收端2包括：偏振光分束器21，两组测量组。每组测量组包括光分束器22，不等臂干涉仪二23，三个探测器24。

光子在达到Alice接收端2后，经过偏振光分束器21，用于区分不同的偏振，起到划分子空间的作用，当偏振态为水平|H>时表示子空间1(记作m＝1)，当偏振态为竖直|V>时表示子空间2(记作m＝2)。光分束器22用于子空间中选基，光分束器22出射端的一端直接与其中一个探测器24相连，用于实现子空间中的Z基的测量，另一端与不等臂干涉仪二23相连，用于实现X基的测量。在Alice接收端2的两个不等臂干涉仪二23的臂长差与发送端1的不等臂干涉仪一12的臂长差完全一致，用于抹除时间戳信息。时间戳t1和t2分别经过不等臂干涉仪二23的长臂和短臂后在时间上无法区分，可以看作是t1和t2时间戳上相等叠加上的投影。

Bob接收端3的结构与Alice接收端2的结构基本相同，其区别在于Alice接收端2还在相应不等臂干涉仪二23的长臂处增加了一个光纤移相器(图未示)，这里的移相器不一定需要在Alice接收端，也可以在Bob或者是光源端，或者每一个不等臂干涉仪中都有一个移相器。这里不再赘述。

这里生成偏振时间戳超纠缠的方法是现有的技术。在本实施例中，使用该方法产生偏振时间戳超纠缠态然后将发送给Alice的量子态作如下编码|0>＝|Ht₁>，|1>＝|Ht₂>，|2>＝|Vt₁>，|3>＝|Vt₂>，将发送给Bob的量子态作如下编码，|0>＝|Vt₁>，|1>＝|Vt₂>，|2>＝|Ht₁>，|3>＝|Ht₂>。|0>和|1>构成的子空间1记为m＝1，|2>和|3>构成的子空间2记为m＝2，这样子空间的划分可以根据偏振自由度来实现，子空间内的编码利用的时间戳自由度。

本发明至少包括以下有益效果：首先本发明提供的一种量子密钥分发系统，是基于高维纠缠子空间编码协议的一种实现方案，因此能够容忍较高的噪声。其次，与现有的基于能时纠缠的方案相比，本发明提供的方案降低了对探测器以及通信双方之间时间同步精度的要求，与现有的基于路径纠缠的方案相比，本发明能与光纤基础设施融合，在高噪声远距离场景进行密钥分配。本发明提供的量子密钥分发系统可以容忍较高噪声，并且可以与现有光纤基础设施融合，这对于推动QKD系统的实用化具有重要的科学意义和实用价值。

实施例1

请参阅图3，其为实现图2中量子密钥分发系统的实施例1的一种量子密钥分发系统的示意图。量子密钥分发系统一样也是包括：光源端，Alice接收端，Bob接收端。

光源端除了包括实施例1的脉冲激光器11、不等臂干涉仪一12、光放大器13、倍频模块14、偏振纠缠模块15之外，还包括：光隔离器16，偏振控制器17。不等臂干涉仪一12采用法拉第迈克尔逊干涉仪。

脉冲激光器11产生通讯波段的脉冲激光，随后光脉冲经过光隔离器16进入法拉第迈克尔逊干涉仪，光隔离器16用于阻挡从干涉仪返回脉冲激光器11的光。脉冲激光经过干涉仪被分为前后两个时间戳，经过短臂产生时间戳t1，经过长臂产生时间戳t2，后续用于产生时间戳纠缠。

法拉第迈克尔逊干涉仪包括两个法拉第反射镜FM和一个光分束器一BS。其中一个法拉第反射镜FM通过一根短光纤与光分束器一BS连接构成干涉仪的短臂，另一个法拉第反射镜FM通过长光纤与光分束器一BS连接构成干涉仪的长臂。光放大器13位于干涉仪之后，用于放大脉冲光的光强，保证后续偏振纠缠模块15能够获得足够的泵浦功率。偏振控制器17位于光放大器13之后倍频模块14之前，用于将偏振方向调整到符合倍频模块14入射要求使得倍频效率最高。倍频模块14用于将放大后的光倍频，从而可以泵浦偏振纠缠模块14。前后两个脉冲激光进入光放大器13进行功率的放大，以保证后续偏振纠缠模块15可以获得足够高的泵浦功率。经过光放大的脉冲激光进入倍频模块14，将通信波段的脉冲激光的频率变为原来的两倍。

在本实施例中偏振纠缠模块15采用的是Sagnac环结构型，包括：半波片151，四分之一波片152，二向色镜153，双波长偏振分束器154，双波长半波片156，非线性晶体155，两个滤波片157。泵浦脉冲进入偏振纠缠模块15后，由半波片151和四分之一波片152调到合适的偏振态，再由二向色镜153反射到双波长偏振分束器154上，水平偏振分量逆时针通过Sagnac环中的非线性晶体155产生关联的光子对，竖直偏振分量顺时针通过双波长半波片156、非线性晶体155产生关联的光子对，最终顺时针和逆时针方向产生的光子对从双波长偏振分束器154出射。偏振纠缠模块15用于产生偏振自由度的纠缠同时相干的前后脉冲经过该模块后在时间戳自由度也产生纠缠/>最终光源可以输出偏振时间戳超纠缠光子对光子对经过两个滤波片157滤波后通过信道发送给Alice接收端和Bob接收端。

本发明利用时间戳自由度和偏振自由度组成的空间进行高维编码，对于发送给Alice接收端的光子令|0>＝|Ht₁>，|1>＝|Ht₂>，|2>＝|Vt₁>，|3>＝|Vt₂>，对于发送给Bob接收端的光子令|0>＝|Vt₁>，|1>＝|Vt₂>，|2>＝|Ht₁>，|3>＝|Ht₂>，则光源部分产生的超纠缠态可以写为将这个四维空间划分成两个二维的子空间，|0>和|1>构成的子空间1记为m＝1，|2>和|3>构成的子空间2记为m＝2，这样子空间的划分可以根据偏振自由度来实现，子空间中的编码可用时间戳自由度。

Alice接收端除了实施例1的偏振光分束器21，两组测量组(每组测量组的两个光分束器22、不等臂干涉仪二23、三个探测器24)之外，还包括：偏振控制器25，光环形器26。其中光纤偏振控制器25用于抵消量子信道引起的偏振旋转，使得接收端的偏振参考系与光源端的对准。探测器24采用单光子探测器，偏振控制器25采用光纤偏振控制器，不等臂干涉仪二23采用法拉第迈克尔逊干涉仪。

光纤偏振光分束器25区分不同的偏振，起到划分子空间的作用，当偏振态为水平|H>时表示m＝1，当偏振态为竖直|V>时表示m＝2。以子空间m＝1为例，光分束器22与偏振光分束器21相连，用于在子空间中选基。光分束器22出射端的其中一端直接连接单光子探测器，用于进行子空间中的Z基的测量，另一端与光环形器26相连，光环形器26与法拉第迈克尔逊干涉仪相连，用于X基的测量。光环行器16有三个端口，其中其一端口与第二端口形成第一通道，第二端口与第三端口形成第二通道。光环形器26的第一端口与光分束器相连，第二端口与法拉第迈克尔逊干涉仪的第一端口相连，第三端口与其中一个探测器24相连。法拉第迈克尔逊干涉仪的第二端口与其中另一个探测器24相连。在进行X基测量时，光子先通过光环形器26的第一通道进入法拉第迈克尔逊干涉仪，经过干涉后从干涉仪的第一端口或第二端口出射，从第一端口出射时光子经过光环形器26的第二通道进入第三个单光子探测器(该探测器的响应记为0)，从第二端口出射时光子直接进入单光子探测器(该探测器响应记为1)。此处法拉第迈克尔逊干涉仪用于抹除时间戳信息，时间戳t1经过长臂之后和时间戳t2经过短臂后在时间上无法区分，这种情况可以看作是t1和t2时间戳上相等叠加上的投影。子空间m＝2中的探测装置与m＝1中的一致，这里不再赘述。

Alice接收端的两个法拉第迈克尔逊干涉仪与发送端的法拉第迈克尔逊干涉仪基本相同，也是包括：光分束器一BS，两个法拉第反射镜FM，但是还包括一个光纤移相器PS。其中一个法拉第反射镜FM通过一根短光纤与光分束器一BS连接构成干涉仪的短臂，另一个法拉第反射镜FM与光纤移相器PS的一端相连，光纤移相器PS的另一端与光分束器一BS相连，构成干涉仪的长臂。Alice接收端的干涉仪与发送端的干涉仪有相同的臂长差，但在长臂处增加了一个光纤移相器PS，用于调节长短臂之间的相位差。这里的移相器不一定需要在Alice接收端，也可以在Bob或者是光源端，或者每一个不等臂干涉仪中都有一个移相器。

Bob接收端的结构与Alice接收端的结构基本一致，所述Bob接收端的结构与所述Alice接收端的结构区别为：所述Alice接收端还在相应不等臂干涉仪二的长臂处增加了一个光纤移相器PS。这里的移相器不一定需要在Alice接收端，也可以在Bob或者是光源端，或者每一个不等臂干涉仪中都有一个移相器。这里不再对其赘述。

发送端，Alice接收端和Bob接收端的法拉第迈克尔逊干涉仪均为不等臂干涉仪，且具有相同的臂长差。本实施例中所述法拉第迈克尔逊干涉仪为现有技术，需要说明的是本发明不限制不等臂干涉仪的具体形式，只要是能够等概率产生前后时间戳的干涉仪即可。所述偏振纠缠源同样为现有技术，本发明不限制具体偏振纠缠实现方式，其可以是其他任意能够实现偏振纠缠的方法。为了更好的说明此，本发明提供了实施例3，使用不同的不等臂干涉仪和偏振纠缠模块。

实施例2

如图4所示，其为实现图2中量子密钥分发方法的实施例2的一种量子密钥分发系统的示意图。量子密钥分发系统一样也是包括：光源端，Alice接收端和Bob接收端。在本实施例中，光源端包括了实施例1的脉冲激光器11、不等臂干涉仪一12、偏振纠缠模块15。不等臂干涉仪一12采用马赫曾德尔干涉仪。

脉冲激光器11直接产生泵浦脉冲光，随后泵浦脉冲光进入不等臂的马赫曾德尔干涉仪被分为前后两个脉冲，即前后两个时间戳，经过短臂产生时间戳t1，经过长臂产生时间戳t2，后续用于产生时间戳纠缠。接着前后脉冲进入偏振纠缠模块15，产生偏振纠缠的同时也产生时间戳纠缠，最终产生的光子对的量子态为此实施例中偏振纠缠模块15采用的是双晶体结构，包括了实施例1的：半波片151，四分之一波片152，垂直贴合的非线性晶体155，两个滤波片157。前后泵浦脉冲进入偏振纠缠模块15后，半波片151和四分之一波片152将其调制到合适的偏振状态，随后经过垂直贴合的非线性晶体155产生纠缠光子对，结合相干的前后泵浦脉冲，最终产生了偏振时间戳超纠缠态。同样地利用时间戳自由度和偏振自由度组成的空间进行高维编码，对于发送给Alice的光子令|0>＝|Ht₁>，|1>＝|Ht₂>，|2>＝|Vt₁>，|3>＝|Vt₂>，对于发送给Bob的光子令|0>＝|Ht₁>，|1>＝|Ht₂>，|2>＝|Vt₁>，|3>＝|Vt₂>，则光源部分产生的超纠缠态可以写为/> 将这个四维空间划分成两个二维的子空间，|0>和|1>构成的子空间1记为m＝1，|2>和|3>构成的子空间2记为m＝2，这样子空间的划分可以根据偏振自由度来实现，子空间中的编码可用时间戳自由度。

Alice接收端包括了实施例2的偏振控制器25，偏振光分束器21，两组测量组(每组测量组的光分束器22，三个探测器24，不等臂干涉仪二23)。不等臂干涉仪二23对应也采用马赫曾德尔干涉仪，偏振光分束器21采用光纤偏振光分束器，探测器24单光子探测器。

其中偏振控制器25抵消量子信道引起的偏振旋转，使得接收端的偏振参考系与光源端对准。光纤偏振光分束器21区分不同的偏振，起到划分子空间的作用，当偏振态为水平|H>时表示m＝1，当偏振态为竖直|V>时表示m＝2。以子空间m＝1为例，光分束器22与偏振光分束器21相连，用于在子空间中选基。光分束器22出射端的其中一端直接连接单光子探测器，用于进行子空间中的Z基的测量，另一端与马赫曾德尔干涉仪相连，用于X基的测量。此处马赫曾德尔干涉仪用于抹除光子的时间戳信息，使得时间戳t1和t2在经过干涉仪后时间上无法区分，从而实现X基的测量。

需要说明的是，实施例3中的光源端直接使泵浦脉冲经过不等臂干涉仪产生相干的前后泵浦脉冲，这与实施例2中的光源端是等价的，本发明不限制产生相干的前后泵浦脉冲的方式。此外，不等臂干涉仪以及偏振纠缠模块可以是光纤结构也可以是自由空间结构，本发明不做限制。

综上所述，本发明提供的基于高维纠缠的量子密钥分发方法中将信息编码在时间戳和偏振自由度构成的高维空间中，利用偏振自由度划分子空间，利用时间戳自由度进行子空间内的编码，可以保证信号在信道中稳定的传输。现有技术中实行基于高维纠缠子空间编码量子密钥分发系统要么对探测器有较高的要求，要么难以进行远距离分发且难以与现有光纤通信网络兼容。本发明提供的实现基于高维纠缠子空间编码的量子密钥分配协议的方案，不仅降低了对探测器的要求，还能与现有通信网络兼容，大大提高了该协议的实用性，这对于推动QKD系统的实用化具有重要的科学意义和实用价值。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于高维纠缠的量子密钥分发方法，其特征在于，其包括以下步骤：

制备时间戳偏振超纠缠量子态并将信息编码在时间戳和偏振自由度构成的高维空间中，所述信息为光子的偏振和时间戳自由度的量子态；

利用偏振自由度进行子空间的划分，在子空间中随机地探测时间戳自由度的Z基和X基，即利用时间戳自由度建立密钥。

2.如权利要求1所述的基于高维纠缠的量子密钥分发方法，其特征在于，利用偏振分束器对所述高维空间根据所述偏振自由度划分子空间，在所述子空间中利用光分束器进行随机选基，直接探测光子的时间戳为Z基，利用不等臂干涉仪抹除时间戳信息后探测为X基。

3.如权利要求1所述的基于高维纠缠的量子密钥分发方法，其特征在于，信息编码时，将所述脉冲激光分为前后两个时间戳的相干的前后脉冲激光：经过一个不等臂干涉仪一的短臂产生时间戳t1的前脉冲激光，经过所述不等臂干涉仪一的长臂产生时间戳t2的后脉冲激光；将前后脉冲产生偏振纠缠光子对，同时在时间戳自由度也产生了纠缠，最终输出偏振时间戳超纠缠光子对。

4.如权利要求3所述的基于高维纠缠的量子密钥分发方法，其特征在于，将前后脉冲激光产生偏振自由度纠缠的光子对同时在时间戳自由度也产生了纠缠/>最终输出所述光子对/> 式中，H表示水平偏振，V表示垂直偏振。

5.一种基于高维纠缠的量子密钥分发系统，其特征在于，其采用了如权利要求1至4中任意一项所述的基于高维纠缠的量子密钥分发方法，所述量子密钥分发系统包括：

发送端，其用于制备时间戳偏振超纠缠量子态并将信息编码在时间戳和偏振自由度构成的高维空间中，所述信息为光子的偏振和时间戳自由度的量子态；

两个接收端，每个接收端用于利用偏振自由度进行子空间的划分，在子空间中随机地探测时间戳自由度的Z基和X基，即利用时间戳自由度建立密钥。

6.如权利要求5所述的基于高维纠缠的量子密钥分发系统，其特征在于，所述发送端包括：

脉冲激光器，其用于产生脉冲激光；

不等臂干涉仪一，其用于将所述脉冲激光分为前后两个时间戳的相干的前后脉冲激光：经过所述不等臂干涉仪一的短臂产生时间戳t1的前脉冲激光，经过所述不等臂干涉仪一的长臂产生时间戳t2的后脉冲激光；

偏振纠缠模块，其用于将前后脉冲产生偏振纠缠光子对，同时在时间戳自由度也产生了纠缠，最终输出偏振时间戳超纠缠光子对。

7.如权利要求6所述的基于高维纠缠的量子密钥分发系统，其特征在于，所述发送端还包括：

光放大器，其用于放大前、后脉冲激光的光强；

和/或，所述发送端还包括：

偏振控制器，其用于调整脉冲激光的偏振方向；

和/或，所述发送端还包括：

倍频模块，其用于光倍频脉冲激光；

和/或，所述发送端还包括：光隔离器，其用于对所述脉冲激光进行光隔离；

和/或，所述发送端还包括光滤波器，其用于将所述光子对滤波后发送给每个接收端。

8.如权利要求6所述的基于高维纠缠的量子密钥分发系统，其特征在于，所述不等臂干涉仪一为法拉第迈克尔逊干涉仪、或马赫曾德尔干涉仪。

9.如权利要求5所述的基于高维纠缠的量子密钥分发系统，其特征在于，所述两个接收端分别为Alice接收端和Bob接收端；

所述Alice接收端包括偏振光束分束器和两组测量组；所述偏振光束分束器用于对所述光子对区分不同的偏振，起到划分子空间的作用；每组测量组包括三个单光子探测器、光分束器、不等臂干涉仪二；其中，所述光分束器与所述偏振光分束器相连，用于在相应接收端的子空间中选基：所述光分束器出射端的其中一端直接连接其中一个单光子探测器，用于进行子空间中的Z基的测量；所述光环行器有三个端口，其中其一端口与第二端口形成第一通道，第二端口与第三端口形成第二通道；所述光环行器的第三端口与其中另一个探测器通讯；所述光分束器出射端的其中另一端与所述光环行器的第一端口通讯；所述光环行器的第二端口与所述不等臂干涉仪的第一端口通讯，用于X基的测量；所述不等臂干涉仪的第二端口与其中第三个探测器通讯；所述不等臂干涉仪二的臂长差与所述不等臂干涉仪一的臂长差完全一致；

所述Bob接收端的结构与所述Alice接收端的结构相同，所述Alice接收端还在相应不等臂干涉仪二的长臂处增加了一个光纤移相器。

10.如权利要求9所述的基于高维纠缠的量子密钥分发系统，其特征在于，所述Alice接收端还包括：

光纤偏振控制器，其用于在所述光子对进入所述偏振光束分束器前，抵消所述光子对因量子信道引起的偏振旋转，使得所述接收端的偏振参考系与所述发送端的对准。