CN116684085A - 一种高速多协议编解码的量子密钥分发系统及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高速多协议编解码的量子密钥分发系统及测试方法，该系统包括：第一装置，用于产生基于不同协议的量子密钥；第一装置包括：激光脉冲源、多协议兼容编码解码单元和性能调节单元，多协议兼容编码解码单元用于进行不同协议的量子态编码与解码，激光脉冲源和性能调节单元分别与多协议兼容高速编码解码单元连接；第二装置，用于检测量子密钥的状态；多协议兼容编码解码单元与第二装置通过光纤连接。本发明通过对编码芯片和解码芯片的片上器件进行不同配置，从而产生基于BB84相位协议、BB84时间戳‑相位协议、差分相移(DPS)协议及相干态单光路(COW)协议等协议的量子密钥，提高了泛用性和实用性，有利于低成本推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及量子通信技术领域，特别是涉及一种高速多协议编解码的量子密钥分发系统及测试方法。
背景技术
近年来，由于对保密通信的要求越来越高，量子通信技术尤其是基于量子密钥分发(QKD)的量子保密通信得到了飞速发展，成为了研究和商业化的热点。随着硅光子学研究的深入，QKD系统从光学体器件逐渐走向芯片化，稳定性和实用性也得到了进一步提高。然而目前QKD商业化仍然面临一些挑战，主要问题之一就是目前没有兼容不同主流编解码协议的高速量子密钥分发系统，这大大提高了使用成本。
因此，亟需设计一种高速多协议编解码的量子密钥分发系统及测试方法。
发明内容
本发明的目的是提供了一种高速多协议编解码的量子密钥分发系统及测试方法，该系统可以通过对编码芯片和解码芯片的片上器件进行不同配置，从而快速，安全地产生基于BB84相位协议、BB84时间戳-相位协议、差分相移(DPS)协议及相干态单光路(COW)协议等协议的量子密钥，提高了泛用性和实用性，有利于低成本推广应用。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种高速多协议编解码的量子密钥分发系统，包括：
第一装置，用于产生基于不同协议的量子密钥；所述第一装置包括：激光脉冲源、多协议兼容编码解码单元和性能调节单元，所述多协议兼容编码解码单元用于进行不同协议的量子态编码与解码，所述激光脉冲源和所述多协议兼容高速编码解码单元连接，所述性能调节单元与所述多协议兼容编码解码单元连接；
第二装置，用于检测所述量子密钥的状态；
所述多协议兼容编码解码单元与所述第二装置通过光纤连接。
可选地，所述性能调节单元包括温度控制单元，用于控制所述编码与解码单元的工作温度；
电压控制单元，用于控制所述编码与解码单元的片上器件工作电压，使所述编码与解码单元处于不同量子密钥分发协议工作状态；
所述温度控制单元与所述编码与解码单元通过物理接触连接，所述电压控制单元与所述编码与解码单元通过导线连接。
可选地，所述多协议兼容编码解码单元包括：
多协议兼容高速编码量子密钥分发集成芯片，用于进行不同协议的所述量子态编码并将光波脉冲衰减到预设的目标衰减值；
多协议兼容解码量子密钥分发集成芯片，用于进行不同协议的所述量子态解码；
所述多协议兼容高速编码量子密钥分发集成芯片与所述多协议兼容解码量子密钥分发集成芯片通过光纤连接。
可选地，所述多协议兼容高速编码量子密钥分发集成芯片包括：
第一可调光分路器，用于将输入光信号进行可调节分光，配置不同量子密钥分发协议编码需求；
第二可调光分路器，用于将所述第一可调光分路器输出的光信号进行可调节分光；
第一光相位调制器，用于对所述第二可调光分路器输出的光信号进行延迟，并进行相位调节；
第二光相位调制器，用于对所述第一可调光分路器输出的光信号进行相位调节；
第三可调光分路器，用于将相位调节后的所述第一光相位调制器输出的光信号或者第二光相位调制器输出的光信号进行可调节分光，并制备诱骗态；
第一输出端，用于将所述第三可调光分路器输出的光信号进行衰减输出和监测；
所述第一可调光分路器分别与所述第二可调光分路器的一端以及所述第二光相位调制器的一端连接，所述第二可调光分路器的另一端与所述第一光相位调制器的一端连接，所述第一光相位调制器的另一端和所述第二光相位调制器的另一端分别与所述第三可调光分路器的一端连接，所述第三可调光分路器的另一端与所述第一输出端连接。
可选地，所述第一可调光分路器包括：第一热光调制器、第二热光调制器、第一载流子耗尽调制器和第二载流子耗尽调制器；
所述第二可调光分路器包括：第三热光调制器、第四热光调制器、第三载流子耗尽调制器和第四载流子耗尽调制器；
所述第一光相位调制器包括：第五热光调制器、第五载流子耗尽调制器和第三光延迟线；
所述第二光相位调制器包括：第六热光调制器和第六载流子耗尽调制器；
所述第三可调光分路器包括：第七热光调制器、第八热光调制器、第七载流子耗尽调制器和第八载流子耗尽调制器；
所述第一输出端包括：光衰减器、输出端和输出端；
所述第一热光调制器的一端与所述第一载流子耗尽调制器的一端连接，所述第二热光调制器的一端与所述第二载流子耗尽调制器的一端连接，所述第一载流子耗尽调制器的另一端和所述第二载流子耗尽调制器的另一端均与所述第三热光调制器的一端、所述第四热光调制器的一端和所述第六热光调制器的一端连接，所述第三热光调制器的另一端与所述第三载流子耗尽调制器的一端连接，所述第四热光调制器的另一端与所述第四载流子耗尽调制器的一端连接，所述第三载流子耗尽调制器的另一端和所述第四载流子耗尽调制器的另一端均与所述第三光延迟线的一端连接和所述第五热光调制器的一端连接，所述第五热光调制器的另一端与所述第五载流子耗尽调制器的一端连接，所述第六热光调制器的另一端与所述第六载流子耗尽调制器的一端连接，所述第六载流子耗尽调制器的另一端、所述第三光延迟线的另一端和所述第五载流子耗尽调制器的另一端均与所述第七热光调制器的一端和第八热光调制器的一端连接，所述第七热光调制器的另一端与所述第七载流子耗尽调制器的一端连接，所述第八热光调制器的另一端与所述第八载流子耗尽调制器的一端连接，所述第七载流子耗尽调制器的另一端和所述第八载流子耗尽调制器的另一端均与所述光衰减器的一端和所述输出端的一端连接，所述光衰减器的另一端与所述输出端的一端连接。
可选地，所述多协议兼容解码量子密钥分发集成芯片包括：
第一可调光分路器，用于将所述多协议兼容高速编码量子密钥分发集成芯片输出的光信号进行可调节分光，配置不同量子密钥分发协议解码需求；
第二可调光分路器，用于对所述第一可调光分路器输出的光信号进行可调节分光；
第三可调光分路器，用于对所述第一可调光分路器输出的光信号进行可调节分光；
第一光相位调制器，用于对所述第二可调光分路器输出的光信号进行延迟，并进行相位调节；
第二光相位调制器，用于对所述第三可调光分路器输出的光信号进行延迟，并进行相位调节；
第四可调光分路器，用于对所述第一光相位调制器输出的光信号进行可调节分光；
第五可调光分路器，用于对所述第二光相位调制器输出的光信号进行可调节分光；
第二输出端，用于将所述第四可调光分路器和所述第五可调光分路器输出的光信号进行输出；
所述第一可调光分路器分别与所述第二可调光分路器的一端和所述第三可调光分路器的一端连接，所述第二可调光分路器的另一端与所述第一光相位调制器的一端连接，所述第一光相位调制器的另一端与所述第四可调光分路器的一端连接，所述第四可调光分路器的另一端与所述第二输出端连接，所述第三可调光分路器的另一端与所述第二光相位调制器的一端连接，所述第二光相位调制器的另一端与所述第五可调光分路器的一端连接，所述第五可调光分路器的另一端与所述第二输出端连接。
可选地，所述第一可调光分路器包括：第一热光调制器和第二热光调制器；
所述第二可调光分路器包括：第三热光调制器和第四热光调制器；
所述第一光相位调制器包括：第五热光调制器和第一光延迟线；
所述第三可调光分路器包括：第六热光调制器和第七热光调制器；
所述第二光相位调制器包括：第八热光调制器、第二光延迟线；
所述第四可调光分路器包括：第九热光调制器和第十热光调制器；
所述第五可调光分路器包括：第十一热光调制器、第十二热光调制器；
所述第二输出端包括：输出端、输出端、输出端和输出端；
所述第一热光调制器的一端和所述第二热光调制器的一端均与所述第三热光调制器的一端、所述第四热光调制器的一端、所述第六热光调制器的一端和所述第七热光调制器的一端连接，所述第三热光调制器的另一端和所述第四热光调制器的另一端均与所述第五热光调制器的一端和所述第一光延迟线的一端连接，所述第五热光调制器的另一端和所述第一光延迟线的另一端均与所述第九热光调制器的一端和所述第十热光调制器的一端连接，所述第九热光调制器的另一端和所述第十热光调制器的另一端均与所述输出端的一端和所述输出端的一端连接，所述第六热光调制器的另一端和所述第七热光调制器的另一端均与所述第八热光调制器的一端和所述第二光延迟线的一端连接，所述第八热光调制器的另一端和所述第二光延迟线的另一端均与所述第十一热光调制器的一端和所述第十二热光调制器的一端连接，所述第十一热光调制器的另一端和所述第十二热光调制器的另一端均与所述输出端的一端和所述输出端(3-E)的一端连接。
可选地，所述第二装置包括：
第一门控式单光子探测器、第二门控式单光子探测器、第三门控式单光子探测器、第四门控式单光子探测器，均通过计算机保持与所述激光脉冲源进行时钟同步；
所述第二门控式单光子探测器和第三门控式单光子探测器并联连接接入计算机，所述第一门控式单光子探测器和所述第四门控式单光子探测器并连接入所述计算机，所述第一门控式单光子探测器、所述第二门控式单光子探测器、所述第三门控式单光子探测器和所述第四门控式单光子探测器分别与所述多协议兼容解码量子密钥分发集成芯片的输出端3-B、3-C、3-D和3-E通过光纤连接，所述第一门控式单光子探测器、所述第二门控式单光子探测器、所述第三门控式单光子探测器和所述第四门控式单光子探测器还与所述激光脉冲源通过射频电缆进行连接。
为实现上述目的，本发明还提供了所述的高速多协议编解码的量子密钥分发系统的测试方法，包括：
通过性能调节单元设定多协议兼容编码解码单元的工作温度，并根据不同量子密钥分发协议要求，调整所述多协议兼容编码解码单元的工作电压，使所述多协议兼容编码解码单元处于对应工作状态；
通过激光脉冲源产生光波脉冲，将所述光波脉冲输入所述多协议兼容编码解码单元进行不同协议编码以及解码，将解码后的所述光波脉冲输入第二装置进行扫描触发延时，获取每一触发延时点与对应的时间内探测的单光子个数累加值的关系曲线，进一步获取不同编码量子态的信息。
本发明的有益效果为：
1)通过对编码解码芯片施加不同的电压或改变温度通过调制让光脉冲通过不同的路径，实现不同的编码协议，解决了多种不同量子密钥协议间的兼容问题，能够满足多种不同量子密钥分发协议编解码需求；
2)传统的一个协议就单独需要一种芯片，本发明解码芯片系统可兼容多个量子密钥分发协议；
3)系统采用高集成度芯片作为编码端和解码端，减小了体积、稳定性好，利于低成本推广应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的一种高速多协议编解码的量子密钥分发系统示意图；
图2示出了本实施例的多协议兼容编码芯片的结构示意图；
图3示出了本实施例的多协议兼容解码芯片的结构示意图；
图4示出了本实施例的产生BB84相位协议量子密钥过程示意图；
图5示出了本实施例的产生BB84时间戳-相位协议量子密钥过程示意图；
图6示出了本实施例的产生差分相移(DPS)协议量子密钥过程示意图；
图7示出了本实施例的产生相干态单光路(COW)协议量子密钥过程示意图；
其中，1-激光脉冲源，2-多协议兼容高速编码量子密钥分发集成芯片，3-多协议兼容解码量子密钥分发集成芯片，4-温度控制器，5-电压控制器，6-门控式单光子探测器，7-门控式单光子探测器，8-门控式单光子探测器，9-门控式单光子探测器，10-计算机，2-A-输入端口,2-1-第一可调光分路器,2-2-第二可调光分路器,2-3-第一光相位调制器,2-4-第二光相位调制器,2-5-第三可调光分路器,2-6-光衰减器,2-7-芯片衬底,2-B-输出端口,2-C-输出端口,211-第一热光调制器，213-第二热光调制器，212-第一载流子耗尽调制器，214-第二载流子耗尽调制器，221-第三热光调制器，223-第四热光调制器，222-第三载流子耗尽调制器，224-第四载流子耗尽调制器，233-第三光延迟线，231-第五热光调制器，232-第五载流子耗尽调制器，241-第六热光调制器，242-第六载流子耗尽调制器，251-第七热光调制器，252-第七载流子耗尽调制器，253-第八热光调制器，254-第八载流子耗尽调制器，261-电光可调衰减器，3-A-输入端口,3-1-第一可调光分路器,3-2-第二可调光分路器,3-3-第一光相位调制器,3-4-第三可调光分路器,3-5-第二光相位调制器,3-6-第四可调光分路器,3-7-第五可调光分路器,3-8-芯片衬底，3-B-输出端口,3-C-输出端口,3-D-输出端口,3-E-输出端口,311-第一热光调制器，312-第二热光调制器，321-第三热光调制器，322-第四热光调制器，341-第六热光调制器，342-第七热光调制器，332-第一光延迟线，331-第五热光调制器，351-第八热光调制器，352-第二光延迟线，361-第九热光调制器，362-第十热光调制器，371-第十一热光调制器，372-第十二热光调制器。
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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供了一种高速多协议编解码的量子密钥分发系统，如图1，包括：第一装置，用于产生基于不同协议的量子密钥，包括依次连接的激光脉冲源1、多协议兼容高速编码量子密钥分发集成芯片2、多协议兼容解码量子密钥分发集成芯片3、温度控制器4和电压控制器5。其中，激光脉冲源1用于产生连续光波和内触发时钟信号，多协议兼容高速编码量子密钥分发集成芯片2用于进行不同协议的量子态编码并将光脉冲衰减到平均光子数为0.1/脉冲的目标衰减值，多协议兼容解码量子密钥分发集成芯片3用于进行不同协议的量子态解码，温度控制器4用于控制多协议兼容高速编码量子密钥分发集成芯片2和多协议兼容解码量子密钥分发集成芯片3的工作温度，使之处于最佳工作条件下，电压控制器5用于控制多协议兼容高速编码量子密钥分发集成芯片2和多协议兼容解码量子密钥分发集成芯片3的片上器件工作电压，使之处于不同量子密钥分发协议工作状态。第二装置，用于检测所生成的量子密钥状态，包括四个门控式单光子探测器6、7、8和9以及计算机10。其中，四个门控式单光子探测器6、7、8和9与激光脉冲源1进行时钟同步，计算机10与四个门控式单光子探测器6、7、8和9通信连接。以下将以具体实施例对该装置进行详细介绍。
具体的，第一装置中激光脉冲源1、多协议兼容高速编码量子密钥分发集成芯片2和多协议兼容解码量子密钥分发集成芯片3之间通过光纤进行连接，多协议兼容高速编码量子密钥分发集成芯片2和温度控制器4、多协议兼容解码量子密钥分发集成芯片3和温度控制器4之间通过物理接触进行温度控制，多协议兼容高速编码量子密钥分发集成芯片2和电压控制器5、多协议兼容解码量子密钥分发集成芯片3和电压控制器5之间通过导线进行连接。
第一装置，用于产生基于不同协议的量子密钥，包括依次连接的激光脉冲源1、多协议兼容高速编码量子密钥分发集成芯片2、多协议兼容解码量子密钥分发集成芯片3、温度控制器4和电压控制器5。
具体的，激光脉冲源1可产生波长1550nm的脉冲光，其工作频率为50MHz至200MHz，脉宽50ps，输出的时钟信号周期T、占空比r，其与所述的四个门控式单光子探测器6、7、8和9的门宽G的关系为：T×r>G，其中，0<r<1。
具体的，多协议兼容高速编码量子密钥分发集成芯片2的片上光衰减器衰减范围为0-90dB。
具体的，不同量子密钥分发协议包括BB84相位协议、BB84时间戳-相位协议、差分相移(DPS)协议及相干态单光路(COW)协议。
具体的，为实现密钥高速产生，该多协议兼容高速编码量子密钥分发集成芯片2衬底材料为硅，片上器件材料为绝缘层上硅，具体结构参见图1，多协议兼容解码量子密钥分发集成芯片3衬底材料为硅、石英或III-V族半导体化合物，片上器件材料为二氧化硅、绝缘体上硅、氮化硅或III-V族半导体化合物，具体结构如图2。
具体的，如图2，多协议兼容高速编码量子密钥分发集成芯片2包括输入端2-A连接激光脉冲源，第一可调光分路器2-1，用于将输入光信号可调节分光，配置不同量子密钥分发协议编码需求，包括第一热光调制器211、第二热光调制器213、第一载流子耗尽调制器212、第二载流子耗尽调制器214、第一输出端口和第二输出端口；第二可调光分路器2-2，用于将输入光信号进行可调节分光，包括第三热光调制器221、第四热光调制器223、第三载流子耗尽调制器222、第四载流子耗尽调制器224、第三输出端口和第四输出端口，其输入端口与所述第一输出端口相连；第一光相位调制器2-3，用于延迟输入光信号并调节输入光信号的相位，包括第五热光调制器231、第五载流子耗尽调制器232、第三光延迟线233、和第五输出端口，其两个输入端口分别与所述第三输出端口和第四输出端口相连；第二光相位调制器2-4，用于调节输入光信号的相位，包括第六热光调制器241、第六载流子耗尽调制器242和第六输出端口，其输入端口与所述第二输出端口相连；第三可调光分路器2-5，用于将输入光信号可调节分光，并制备诱骗态，包括第七热光调制器251、第八热光调制器253、第七载流子耗尽调制器252、第八载流子耗尽调制器254、第七输出端口和输出端口2-C，其两个输入端口分别与所述第五输出端口和第六输出端口相连；光衰减器2-6，用于使输出光脉冲的平均光子数衰减至0.1/脉冲，包括电光可调衰减器261和输出端口2-B，用于使输出光衰减至0.1/脉冲，其计算公式如下：
其中I为目标衰减强度，在此系统中为0.1/脉冲，c为衰减后总光子数，f为激光脉冲源1的工作频率，p为单光子探测器的探测效率。
所述第一可调光分路器2-1、第二可调光分路器2-2、第一光相位调制器2-3、第二光相位调制器2-4、第三可调光分路器2-5、光衰减器2-6均为光波导结构，集成在同一衬底2-7上；
第一可调光分路器2-1、第二可调光分路器2-2、第一光相位调制器2-3和第三可调光衰减器2-5均为马赫曾德干涉仪结构；
其中，激光脉冲源连接在2-A的输入端口外，光脉冲耦合进入光波导后依次在2-1、2-2等器件中传输、作用，每一个可调光分路器和相位调制器光衰减器通过在芯片上制作加热电极和引线电极与电压控制器的不同调节端口独立连接。
具体的，如图3，多协议兼容解码量子密钥分发集成芯片3包括第一可调光分路器3-1，用于将输入光信号可调节分光，配置不同量子密钥分发协议解码需求，包括第一热光调制器311、第二热光调制器312、第一输出端口和第二输出端口；第二可调光分路器3-2和第三可调光分路器3-4，用于将输入光信号可调节分光，二者结构参数相同，包括第三热光调制器321、第四热光调制器322、第六热光调制器341、第七热光调制器342、第一输入端口、第二输入端口、第三输出端口、第四输出端口、第五输出端口和第六输出端口，其第一输入端口和第二输入端口分别与所述第一输出端口和第二输出端口相连；第一光相位调制器3-3和第二光相位调制器3-5，用于延迟输入光信号并调节输入光信号的相位，二者结构参数相同，包括第五热光调制器331、第一光延迟线332、第八热光调制器351、第二光延迟线352、第三输入端口、第四输入端口、第五输入端口、第六输入端口、第七输出端口、第八输出端口、第九输出端口和第十输出端口，其第三输入端口、第四输入端口、第五输入端口和第六输入端口分别与所述第三输出端口、第四输出端口、第五输出端口和第六输出端口相连；第四可调光分路器3-6和第五可调光分路器3-7，用于将输入光信号可调节分光，二者结构参数相同，包括第九热光调制器361、第十热光调制器362、第十一热光调制器371、第十二热光调制器372、第七输入端口、第八输入端口、第九输入端口和第十输入端口，其第七输入端口、第八输入端口、第九输入端口和第十输入端口分别与所述第七输出端口、第八输出端口、第九输出端口和第十输出端口相连。
第一可调光分路器3-1、第二可调光分路器3-2、第一光相位调制器3-3、第三可调光分路器3-4、第二光相位调制器3-5、第四可调光分路器3-6、第五可调光分路器3-7均为光波导结构，集成在同一衬底3-8上，光波导材料为二氧化硅。
第一可调光分路器3-1、第二可调光分路器3-2、第一相位调制器3-3、第三可调光分路器3-4、第二光相位调制器3-5、第四可调光分路器3-6和第五可调光分路器3-7均为马赫曾德干涉仪结构，包括输入/输出耦合区和连接两耦合区的上下两臂光通路。
具体的，温度控制器4工作温度调节范围为0℃至80℃，调节精度0.01℃。
具体的，电压控制器5工作电压调节范围为0V至30V，调节精度0.01V。
第二装置，用于检测所生成的量子密钥状态，包括四个门控式单光子探测器6、7、8和9和计算机10。
具体的，第二装置中四个门控式单光子探测器6、7、8和9与第一装置之间通过光纤进行连接，激光脉冲源1和四个门控式单光子探测器6、7、8和9之间的时钟信号通过射频电缆进行连接，计算机10和四个门控式单光子探测器6、7、8和9之间通过通用串行总线进行连接。
具体的，四个门控式单光子探测器6、7、8和9型号和规格相同，其具备触发延时可调、计数累加以及与计算机通信的功能。
具体的，通过计算机10控制所述四个门控式单光子探测器6、7、8和9的扫描触发延时，得到每一触发延时点与对应的1秒内探测的单光子个数的累加值的关系曲线，进而得到不同编码量子态的信息。
本发明还提供了一种高速多协议编解码的量子密钥分发系统的测试方法，包括：
S1，使用温度控制器4设定多协议兼容高速编码量子密钥分发集成芯片2和多协议兼容解码量子密钥分发集成芯片3的最佳工作温度。
S2，根据不同量子密钥分发协议要求，使用电压控制器5调整多协议兼容高速编码量子密钥分发集成芯片2和多协议兼容解码量子密钥分发集成芯片3的片上器件工作电压，使之处于对应工作状态。
S3，使用激光脉冲源1产生光脉冲，使之进入多协议兼容高速编码量子密钥分发集成芯片2，经其片上器件对光脉冲进行不同协议编码后输出。
S4，编码后的光脉冲经光纤进入多协议兼容解码量子密钥分发集成芯片3，经其片上器件对不同协议编码后的光脉冲进行解码，输出进入四个门控式单光子探测器6、7、8和9，并将四个门控式单光子探测器6、7、8和9与激光脉冲源1进行时钟同步。
S5，通过计算机10控制所述四个门控式单光子探测器6、7、8和9的扫描触发延时，得到每一触发延时点与对应的1秒内探测的单光子个数的累加值的关系曲线，进而得到不同编码量子态的信息。
根据不同的量子密钥传输协议，需对多协议兼容高速编码量子密钥分发集成芯片2和多协议兼容解码量子密钥分发集成芯片3的片上单元进行不同配置以选择不同的编解码方式。
现列举几则本芯片在编解码不同量子密钥分发传输协议时的工作方式：
BB84相位协议
本实施例中BB84相位协议编解码过程如图4所示。激光脉冲源1产生一定频率的脉冲光信号经光纤传输后由输入端口2-A进入多协议兼容高速编码量子密钥分发集成芯片2的第一可调光分路器2-1，通过对第一可调光分路器2-1的上下臂调制器施加一定电压，使得光脉冲在第一可调光分路器1的第一输出端口单一输出至第二可调光分路器2-2。通过对第二可调光分路器2-2的上下臂调制器施加一定电压，使得双脉冲在第二可调光分路器2-2的第三输出端口和第四输出端口进行不等比分光进入第一光相位调制器2-3，以补偿双脉冲进入具有ΔL路程差的延迟线和调制器而产生的损耗差异，保证输出脉冲的功率均衡。通过对第一光相位调制器2-3的调制臂施加不同的电压进行动态调相，使光脉冲经过延时线产生一对时间戳，随机产生π/2、3π/2、0和π的相位差，并通过第五输出端口进入第三光可调分路器2-5。通过对第三可调光分路器2-5的上下臂调制器施加一定电压，使得光脉冲在第三可调光分路器2-5的第七输出端口和输出端口2-C等比例分光，经第七输出端口进入光衰减器2-6，经输出端口2-C进入光子探测器以进行量子态监测。通过对光衰减器2-6的电光调制器施加一定电压，使输出光衰减至0.1/脉冲，制备出四种量子态|0>、|1>、|+>、|->。四种量子态经输出端口2-B输出，经光纤传输由输入端口3-A进入多协议兼容解码量子密钥分发集成芯片3的第一可调光分路器3-1。通过对第一可调光分路器3-1上下臂的热光调制器施加一定的电压，使得双脉冲在第一可调光分路器3-1的第一输出端口和第二输出端口等比例分光后，分别以50％的概率进入到第二可调光分路器3-2和第三可调光分路器3-4中，通过对第二可调光分路器3-2和第三可调光分路器3-4的上下臂的热光调制器分别施加一定的电压，使得双脉冲在第二可调光分路器3-2的第三输出端口和第四输出端口，以及在第三可调光分路器3-4的第五输出端口和第六输出端口分别进行不等比分光并进入第一光相位调制器3-3和第二光相位调制器3-5中，以补偿双脉冲进入具有ΔL路程差的延迟线和相位调制器而产生的损耗差异，保证输出脉冲的功率均衡，从而实现高的干涉可见度，降低量子误码率。通过对第一光相位调制器3-3和第二光相位调制器3-5的热光调制器施加不同的电压，调整校正脉冲之间的相位差，使之分别处于响应X基(对应量子态|+>、|->)和Y基(对应量子态|0>、|1>)的状态，脉冲经第七输出端口和第八输出端口或第九输出端口和第十输出端口进入第四可调光分路器3-6或第五可调光分路器3-7时，分别发生干涉，产生的三个脉冲由两个输出端口3-B和3-C或3-D和3-E输出，中间脉冲呈现相干增强或相干抵消状态，经由单光子探测器监测中间脉冲，分别对应不同的量子态。并且，为了调整由于工艺误差导致的两个输出端口功率不均，需要通过对第四可调光分路器3-6或第五可调光分路器3-7的两个耦合波导上方的热光调制器分别施加一定的电压，使得两个输出端口同时等比例输出，实现两个输出端口同时具有高的干涉可见度及低的量子误码率。
BB84时间戳-相位协议
本实施例中BB84时间戳-相位协议编解码过程如图5所示。激光脉冲源1产生一定频率的脉冲光信号经光纤传输后由输入端口2-A进入多协议兼容高速编码量子密钥分发集成芯片2的第一可调光分路器2-1，通过对第一可调光分路器2-1的上下臂调制器施加一定电压，使得光脉冲在第一可调光分路器2-1的第一输出端口单一输出至第二可调光分路器2-2。通过对第二可调光分路器2-2的上下臂调制器施加一定电压，使得双脉冲在第二可调光分路器2-2的第三输出端口和第四输出端口进行不等比分光进入第一光相位调制器2-3，以补偿双脉冲进入具有ΔL路程差的延迟线和调制器而产生的损耗差异，保证输出脉冲的功率均衡。通过对第一光相位调制器2-3的调制臂施加不同的电压进行动态调相，使脉冲经过延时线产生一对时间戳，随机产生0和π的相位差，并通过第五输出端口进入第三光可调分路器2-5。通过对第三可调光分路器2-5的上下臂调制器施加一定电压，使得时间戳在第三可调光分路器2-5进行强度随机调制，并在第七输出端口和输出端口2-C等比例分光，经第七输出端口进入光衰减器2-6，经输出端口2-C进入光子探测器以进行量子态监测。通过对光衰减器2-6的电光调制器施加一定电压，使输出光衰减至0.1/脉冲，制备出四种量子态|0>、|1>、|+>、|->。四种量子态经输出端口2-B输出，经光纤传输由输入端口3-A进入多协议兼容解码量子密钥分发集成芯片3的第一可调光分路器3-1。通过对第一可调光分路器3-1上下臂的热光调制器施加一定的电压，使得双脉冲在第一可调光分路器3-1的第一输出端口和第二输出端口以2:0或0:2比例分光后，单一进入到第二可调光分路器3-2或第三可调光分路器3-4中，以第二可调光分路器3-2为例，通过对第二可调光分路器3-2的上下臂的热光调制器分别施加一定的电压，使得双脉冲在第二可调光分路器3-2的第三输出端口和第四输出端口进行不等比分光并进入第一光相位调制器3-3，以补偿双脉冲进入具有ΔL路程差的延迟线和相位调制器而产生的损耗差异，保证输出脉冲的功率均衡，从而实现高的干涉可见度，降低量子误码率。通过对第一光相位调制器3-3的热光调制器施加不同的电压，调整校正脉冲之间的相位差，使之处于响应Y基(对应量子态|+>、|->)的状态，脉冲经第七输出端口和第八输出端口进入第四可调光分路器3-6时发生干涉，产生脉冲由两个输出端口3-B和3-C输出，经由单光子探测器监测，分别对应不同的量子态，如果在一个周期内输出两个强度相等的脉冲则说明是X基，如果输出的是三个脉冲且中间脉冲呈现相干增强或相干抵消状态则说明是Y基。并且，为了调整由于工艺误差导致的两个输出端口功率不均，需要通过对第四可调光分路器3-6的两个耦合波导上方的热光调制器分别施加一定的电压，使得两个输出端口同时等比例输出，实现两个输出端口同时具有高的干涉可见度及低的量子误码率。
差分相移协议
本实施例中差分相移协议编解码过程如图6所示。激光脉冲源1产生一定频率的脉冲光信号经光纤传输后由输入端口2-A进入多协议兼容高速编码量子密钥分发集成芯片2的第一可调光分路器2-1，通过对第一可调光分路器2-1的上下臂调制器施加一定电压，使得光脉冲在第一可调光分路器1的第二输出端口单一输出至第二光相位调制器2-4。通过对第二光相位调制器2-4施加一定电压，对光脉冲进行动态调节，实现0或π的相位移动，并经过第六输出端口进入第三可调光分路器2-5。通过对第三可调光分路器2-5的上下臂调制器施加一定电压，使得光脉冲在第三可调光分路器2-5的第七输出端口和输出端口2-C等比例分光，经第七输出端口进入光衰减器2-6，经输出端口2-C进入光子探测器以进行量子态监测。通过对光衰减器2-6的电光调制器施加一定电压，使输出光衰减至0.1/脉冲，制备出两种量子态|0>、|1>。两种量子态经输出端口2-B输出，经光纤传输由输入端口3-A进入多协议兼容解码量子密钥分发集成芯片3的第一可调光分路器3-1。通过对第一可调光分路器3-1上下臂的热光调制器施加一定的电压，使得双脉冲在第一可调光分路器3-1的第一输出端口和第二输出端口以2:0或0:2比例分光后，单一进入到第二可调光分路器3-2或第三可调光分路器3-4中，以第二可调光分路器3-2为例，通过对第二可调光分路器3-2的上下臂的热光调制器分别施加一定的电压，使得双脉冲在第二可调光分路器3-2的第三输出端口和第四输出端口进行不等比分光并进入第一光相位调制器3-3，以补偿双脉冲进入具有ΔL路程差的延迟线和相位调制器而产生的损耗差异，保证输出脉冲的功率均衡，从而实现高的干涉可见度，降低量子误码率。通过对第一光相位调制器3-3的热光调制器施加不同的电压，调整校正脉冲之间的相位差，使之处于响应状态，脉冲经第七输出端口和第八输出端口进入第四可调光分路器3-6时发生干涉，产生脉冲由两个输出端口3-B和3-C输出，经由单光子探测器监测光强响应，不同端口的响应分别对应不同的量子态，例如输出端口3-B响应时，对应量子态|0>，输出端口3-C响应时，则对应量子态|1>。
相干态单路协议
本实施例中相干态单路协议编解码过程如图7所示。激光脉冲源1产生一定频率的脉冲光信号经光纤传输后由输入端口2-A进入多协议兼容高速编码量子密钥分发集成芯片2的第一可调光分路器2-1，通过对第一可调光分路器2-1的上下臂调制器施加一定电压，使得光脉冲在第一可调光分路器2-1的第二输出端口单一输出至第二光相位调制器2-4。通过对第二光相位调制器2-4施加一定电压，对光脉冲进行动态调节，实现0相位移动，并经过第六输出端口进入第三可调光分路器2-5。通过对第三可调光分路器2-5的上下臂调制器施加一定电压，使得时间戳在第三可调光分路器2-5进行强度随机调制，产生诱骗态，并在第七输出端口和输出端口2-C等比例分光，经第七输出端口进入光衰减器2-6，经输出端口2-C进入光子探测器以进行量子态监测。通过对光衰减器6的电光调制器施加一定电压，使输出光衰减至0.1/脉冲，制备出三种量子态|0>、|1>，|d>(诱骗态)。三种量子态经输出端口2-B输出，经光纤传输由输入端口3-A进入多协议兼容解码量子密钥分发集成芯片3的第一可调光分路器3-1。通过对第一可调光分路器3-1上下臂的热光调制器施加一定的电压，使得双脉冲在第一可调光分路器3-1的第一输出端口和第二输出端口以一定比例分光后，使小部分光通过第一输出端口进入第二可调光分路器3-2，大部分光通过第二输出端口进入第三可调光分路器3-4中，在第三可调光分路器3-4中，通过对第三可调光分路器3-4的上下臂的热光调制器分别施加一定的电压，使得脉冲序列在第三可调光分路器3-4的第五输出端口输出到第五可调光分路器3-7中，通过对第五可调光分路器3-7的耦合波导上方的热光调制器分别施加一定的电压，使得脉冲序列由单一输出端口3-D或者3-E输出，经由单光子探测器监测，当在一个周期中的第一个脉冲测到信息时，代表比特0，反之则为1。对于诱骗态周期，考虑到微弱的光强及有限的探测效率，探测器的测量结果是随机的，这部分数据将被舍弃。在第二可调光分路器3-2中，通过对第二可调光分路器3-2的上下臂的热光调制器分别施加一定的电压，使得双脉冲在第二可调光分路器3-2的第三输出端口和第四输出端口进行不等比分光并进入第一光相位调制器3-3中，以补偿双脉冲进入具有ΔL路程差的延迟线和相位调制器而产生的损耗差异，保证输出脉冲的功率均衡。通过对第一光相位调制器3-3的热光调制器施加不同的电压，调整校正脉冲之间的相位差，使之处于响应的状态，相邻的强度均不为0的两个脉冲经过第四可调光分路器3-6时，均会发生干涉，产生的脉冲由输出端口3-B或3-C输出，并经由单光子探测器监测，在理想情况下，所有的干涉结果都应当在同一个探测器处响应。当存在窃听时，就可能导致另一个探测器响应。
综上所述，本发明提供了一种高速多协议编解码的量子密钥分发系统及测试方法，基于该系统，利用该方法可以快速，安全地产生基于不同协议的量子密钥，操作简单，易于实现。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神与原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
以上所述的实施例仅是对本发明优选方式进行的描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (9)
1.一种高速多协议编解码的量子密钥分发系统，其特征在于，包括：
第一装置，用于产生基于不同协议的量子密钥；所述第一装置包括：激光脉冲源、多协议兼容编码解码单元和性能调节单元，所述多协议兼容编码解码单元用于进行不同协议的量子态编码与解码，所述激光脉冲源和所述多协议兼容高速编码解码单元连接，所述性能调节单元与所述多协议兼容编码解码单元连接；
第二装置，用于检测所述量子密钥的状态；
所述多协议兼容编码解码单元与所述第二装置通过光纤连接。
2.根据权利要求1所述的高速多协议编解码的量子密钥分发系统，其特征在于，所述性能调节单元包括温度控制单元，用于控制所述编码与解码单元的工作温度；
电压控制单元，用于控制所述编码与解码单元的片上器件工作电压，使所述编码与解码单元处于不同量子密钥分发协议工作状态；
所述温度控制单元与所述编码与解码单元通过物理接触连接，所述电压控制单元与所述编码与解码单元通过导线连接。
3.根据权利要求2所述的高速多协议编解码的量子密钥分发系统，其特征在于，所述多协议兼容编码解码单元包括：
多协议兼容高速编码量子密钥分发集成芯片(2)，用于进行不同协议的所述量子态编码并将光波脉冲衰减到预设的目标衰减值；
多协议兼容解码量子密钥分发集成芯片(3)，用于进行不同协议的所述量子态解码；
所述多协议兼容高速编码量子密钥分发集成芯片(2)与所述多协议兼容解码量子密钥分发集成芯片(3)通过光纤连接。
4.根据权利要求3所述的高速多协议编解码的量子密钥分发系统，其特征在于，所述多协议兼容高速编码量子密钥分发集成芯片包括：
第一可调光分路器(2-1)，用于将输入光信号进行可调节分光，配置不同量子密钥分发协议编码需求；
第二可调光分路器(2-2)，用于将所述第一可调光分路器(2-1)输出的光信号进行可调节分光；
第一光相位调制器(2-3)，用于对所述第二可调光分路器(2-2)输出的光信号进行延迟，并进行相位调节；
第二光相位调制器(2-4)，用于对所述第一可调光分路器(2-1)输出的光信号进行相位调节；
第三可调光分路器(2-5)，用于将相位调节后的所述第一光相位调制器(2-3)输出的光信号或者第二光相位调制器(2-4)输出的光信号进行可调节分光，并制备诱骗态；
第一输出端，用于将所述第三可调光分路器(2-5)输出的光信号进行衰减输出和监测；
所述第一可调光分路器(2-1)分别与所述第二可调光分路器(2-2)的一端以及所述第二光相位调制器(2-4)的一端连接，所述第二可调光分路器(2-2)的另一端与所述第一光相位调制器(2-3)的一端连接，所述第一光相位调制器(2-3)的另一端和所述第二光相位调制器(2-4)的另一端分别与所述第三可调光分路器(2-5)的一端连接，所述第三可调光分路器(2-5)的另一端与所述第一输出端连接。
5.根据权利要求4所述的高速多协议编解码的量子密钥分发系统，其特征在于，
所述第一可调光分路器(2-1)包括：第一热光调制器(211)、第二热光调制器(213)、第一载流子耗尽调制器(212)和第二载流子耗尽调制器(214)；
所述第二可调光分路器(2-2)包括：第三热光调制器(221)、第四热光调制器(223)、第三载流子耗尽调制器(222)和第四载流子耗尽调制器(224)；
所述第一光相位调制器(2-3)包括：第五热光调制器(231)、第五载流子耗尽调制器(232)和第三光延迟线(233)；
所述第二光相位调制器(2-4)包括：第六热光调制器(241)和第六载流子耗尽调制器(242)；
所述第三可调光分路器(2-5)包括：第七热光调制器(251)、第八热光调制器(253)、第七载流子耗尽调制器(252)和第八载流子耗尽调制器(254)；
所述第一输出端包括：光衰减器(2-6)、输出端(2-B)和输出端(2-C)；
所述第一热光调制器(211)的一端与所述第一载流子耗尽调制器(212)的一端连接，所述第二热光调制器(213)的一端与所述第二载流子耗尽调制器(214)的一端连接，所述第一载流子耗尽调制器(212)的另一端和所述第二载流子耗尽调制器(214)的另一端均与所述第三热光调制器(221)的一端、所述第四热光调制器(223)的一端和所述第六热光调制器(241)的一端连接，所述第三热光调制器(221)的另一端与所述第三载流子耗尽调制器(222)的一端连接，所述第四热光调制器(223)的另一端与所述第四载流子耗尽调制器(224)的一端连接，所述第三载流子耗尽调制器(222)的另一端和所述第四载流子耗尽调制器(224)的另一端均与所述第三光延迟线(233)的一端连接和所述第五热光调制器(231)的一端连接，所述第五热光调制器(231)的另一端与所述第五载流子耗尽调制器(232)的一端连接，所述第六热光调制器(241)的另一端与所述第六载流子耗尽调制器(242)的一端连接，所述第六载流子耗尽调制器(242)的另一端、所述第三光延迟线(233)的另一端和所述第五载流子耗尽调制器(232)的另一端均与所述第七热光调制器(251)的一端和第八热光调制器(253)的一端连接，所述第七热光调制器(251)的另一端与所述第七载流子耗尽调制器(252)的一端连接，所述第八热光调制器(253)的另一端与所述第八载流子耗尽调制器(254)的一端连接，所述第七载流子耗尽调制器(252)的另一端和所述第八载流子耗尽调制器(254)的另一端均与所述光衰减器(2-6)的一端和所述输出端(2-C)的一端连接，所述光衰减器(2-6)的另一端与所述输出端(2-B)的一端连接。
6.根据权利要求3所述的高速多协议编解码的量子密钥分发系统，其特征在于，所述多协议兼容解码量子密钥分发集成芯片包括：
第一可调光分路器(3-1)，用于将所述多协议兼容高速编码量子密钥分发集成芯片输出的光信号进行可调节分光，配置不同量子密钥分发协议解码需求；
第二可调光分路器(3-2)，用于对所述第一可调光分路器(3-1)输出的光信号进行可调节分光；
第三可调光分路器(3-4)，用于对所述第一可调光分路器(3-1)输出的光信号进行可调节分光；
第一光相位调制器(3-3)，用于对所述第二可调光分路器(3-2)输出的光信号进行延迟，并进行相位调节；
第二光相位调制器(3-5)，用于对所述第三可调光分路器(3-4)输出的光信号进行延迟，并进行相位调节；
第四可调光分路器(3-6)，用于对所述第一光相位调制器(3-3)输出的光信号进行可调节分光；
第五可调光分路器(3-7)，用于对所述第二光相位调制器(3-5)输出的光信号进行可调节分光；
第二输出端，用于将所述第四可调光分路器(3-6)和所述第五可调光分路器(3-7)输出的光信号进行输出；
所述第一可调光分路器(3-1)分别与所述第二可调光分路器(3-2)的一端和所述第三可调光分路器(3-4)的一端连接，所述第二可调光分路器(3-2)的另一端与所述第一光相位调制器(3-3)的一端连接，所述第一光相位调制器(3-3)的另一端与所述第四可调光分路器(3-6)的一端连接，所述第四可调光分路器(3-6)的另一端与所述第二输出端连接，所述第三可调光分路器(3-4)的另一端与所述第二光相位调制器(3-5)的一端连接，所述第二光相位调制器(3-5)的另一端与所述第五可调光分路器(3-7)的一端连接，所述第五可调光分路器(3-7)的另一端与所述第二输出端连接。
7.根据权利要求6所述的高速多协议编解码的量子密钥分发系统，其特征在于，
所述第一可调光分路器(3-1)包括：第一热光调制器(311)和第二热光调制器(312)；
所述第二可调光分路器(3-2)包括：第三热光调制器(321)和第四热光调制器(322)；
所述第一光相位调制器(3-3)包括：第五热光调制器(331)和第一第三光延迟线(332)；
所述第三可调光分路器(3-4)包括：第六热光调制器(341)和第七热光调制器(342)；
所述第二光相位调制器(3-5)包括：第八热光调制器(351)、第二光延迟线(352)；
所述第四可调光分路器(3-6)包括：第九热光调制器(361)和第十热光调制器(362)；
所述第五可调光分路器(3-7)包括：第十一热光调制器(371)、第十二热光调制器(372)；
所述第二输出端包括：输出端(3-B)、输出端(3-C)、输出端(3-D)和输出端(3-E)；
所述第一热光调制器(311)的一端和所述第二热光调制器(312)的一端均与所述第三热光调制器(321)的一端、所述第四热光调制器(322)的一端、所述第六热光调制器(341)的一端和所述第七热光调制器(342)的一端连接，所述第三热光调制器(321)的另一端和所述第四热光调制器(322)的另一端均与所述第五热光调制器(331)的一端和所述第一光延迟线(332)的一端连接，所述第五热光调制器(331)的另一端和所述第一光延迟线(332)的另一端均与所述第九热光调制器(361)的一端和所述第十热光调制器(362)的一端连接，所述第九热光调制器(361)的另一端和所述第十热光调制器(362)的另一端均与所述输出端(3-B)的一端和所述输出端(3-C)的一端连接，所述第六热光调制器(341)的另一端和所述第七热光调制器(342)的另一端均与所述第八热光调制器(351)的一端和所述第二光延迟线(352)的一端连接，所述第八热光调制器(351)的另一端和所述第二光延迟线(352)的另一端均与所述第十一热光调制器(371)的一端和所述第十二热光调制器(372)的一端连接，所述第十一热光调制器(371)的另一端和所述第十二热光调制器(372)的另一端均与所述输出端(3-D)的一端和所述输出端(3-E)的一端连接。
8.根据权利要求3所述的高速多协议编解码的量子密钥分发系统，其特征在于，所述第二装置包括：
第一门控式单光子探测器(6)、第二门控式单光子探测器(7)、第三门控式单光子探测器(8)、第四门控式单光子探测器(9)，均通过计算机(10)保持与所述激光脉冲源进行时钟同步；
所述第二门控式单光子探测器(7)和第三门控式单光子探测器(8)并联连接接入计算机，所述第一门控式单光子探测器(6)和所述第四门控式单光子探测器(9)并连接入所述计算机(10)，所述第一门控式单光子探测器(6)、所述第二门控式单光子探测器(7)、所述第三门控式单光子探测器(8)和所述第四门控式单光子探测器(9)分别与所述多协议兼容解码量子密钥分发集成芯片的输出端3-B、3-C、3-D和3-E通过光纤连接，所述第一门控式单光子探测器(6)、所述第二门控式单光子探测器(7)、所述第三门控式单光子探测器(8)和所述第四门控式单光子探测器(9)还与所述激光脉冲源通过射频电缆进行连接。
9.应用于权利要求1-8任一所述的高速多协议编解码的量子密钥分发系统的测试方法，其特征在于，包括：
通过性能调节单元设定多协议兼容编码解码单元的工作温度，并根据不同量子密钥分发协议要求，调整所述多协议兼容编码解码单元的工作电压，使所述多协议兼容编码解码单元处于对应工作状态；
通过激光脉冲源产生光波脉冲，将所述光波脉冲输入所述多协议兼容编码解码单元进行不同协议编码以及解码，将解码后的所述光波脉冲输入第二装置进行扫描触发延时，获取每一触发延时点与对应的时间内探测的单光子个数累加值的关系曲线，进一步获取不同编码量子态的信息。
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| CN117240357B (zh) * | 2023-11-16 | 2024-02-09 | 国开启科量子技术(安徽)有限公司 | 基于量子比特误码率进行寻优的方法、装置、介质和设备 |
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