CN116938456B - 一种多功能量子态测量装置及量子密钥分发网络 - Google Patents

Abstract

本发明属于保密通信技术领域，公开了一种多功能量子态测量装置，包括第一偏振控制器、第二偏振控制器、第一环形器、第二环形器、延时差可变偏振干涉仪、第一偏振旋转结构、第二偏振旋转结构、第一分束器、第一偏振分束器、第二偏振分束器以及四个单光子探测器，本发明还公开了一种量子密钥分发网络。与现有技术相比，本发明可实现对偏振编码量子态进行主动选基偏振测量或对偏振复用相位编码的量子态进行测量，还可实现基于偏振态的贝尔态测量。本发明的量子密钥分发网络可兼容BB84协议和MDI协议，无需硬件改动，易于组网，可根据场景灵活切换运行协议。并且仅需要通过改变光开关的状态即可实现偏振编解码和相位编码偏振解码的切换。

Description

一种多功能量子态测量装置及量子密钥分发网络

技术领域

本发明涉及保密通信技术领域，特别涉及一种多功能量子态测量装置及量子密钥分发网络。

背景技术

量子密钥分发可以为通信双方提供信息理论安全性，但是由于实际器件的非完美性，导致系统存在安全性漏洞，其中最常见的漏洞多发现在测量设备方面。测量设备无关量子密钥分发协议（measurement-device-independent，MDI-QKD）的提出，移除了对测量端的可信要求，能够免疫所有针对测量端的攻击，大大提高了系统的实际安全性。但是存在成码率较低的缺点。与MDI协议相比，BB84协议具有更高的成熟度和成码率，针对已发现的漏洞也有相应较为完善的防御措施，但是潜在的漏洞仍会导致系统的安全性下降。根据BB84协议与MDI协议各自的特点，二者可以应用到不同的场景中。如中继节点完全可信，可以采用BB84协议来获得更高的密钥率；而当中继节点不可信时，则可以采用MDI协议来获得更高的安全性。另外，针对特定的编解码方式，需要设计相应的光路来实现，而且大多不能兼容其他编解码方式。因此常规的编解码装置缺乏通用性，无法根据实际应用的需求实现编解码方式的切换，以满足系统性能的最优化。

在实际的QKD网络中，针对不同应用场景对于密钥率和安全性的不同需求，可以采用不同的协议和编解码方式，常规的做法是针对不同的协议来确定地部署能够执行该协议的相应QKD系统，但是在场景变化、需求改变时，QKD系统无法做出相应的更改，网络也无法重构。因此，在同一套QKD组网系统中若能够兼容BB84协议与MDI协议，将两者的高密钥率和高安全性特点相结合，并且可以根据实际需要切换编解码方式，将会提升大幅提升QKD网络的实用化能力。文献Qi B, Lo H K, LIM C C W, et al. Free-space reconfigurablequantum key distribution network. 2015 IEEE International Conference on SpaceOptical Systems and Applications (ICSOS). IEEE, 2015: 1-6. 和文献Wang J,Huberman B A. A Reconfigurable Relay for Polarization Encoded QKD Networks[J]. arXiv preprint arXiv:2106.01475, 2021.给出了基于偏振编码的QKD网络方案，可以在同一套硬件上兼容BB84协议和MDI协议。但是该类方案在进行BB84协议时采用被动选基测量，即使测量方可以信任，但窃听者可以通过信道对测量方进行波长攻击，获取双方分发的密钥信息，导致此时系统的安全性下降。并且测量装置仅适用于偏振编码，无法适用于其他编码方式。专利CN116318682B提出的方案可以兼容相位编码BB84协议和MDI协议，但无法适用于偏振编码。

发明内容

针对现有技术存在以上缺陷，本发明提出一种多功能量子态测量装置及量子密钥分发网络。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种多功能量子态测量装置，包括第一偏振控制器PC1、第二偏振控制器PC2、第一环形器CIR1、第二环形器CIR2、延时差可变偏振干涉仪、第一偏振旋转结构PR1、第二偏振旋转结构PR2、第一分束器BS1、第一偏振分束器PBS1、第二偏振分束器PBS2以及第一单光子探测器SPD1、第二单光子探测器SPD2、第三单光子探测器SPD3、第四单光子探测器SPD4，

第一偏振控制器PC1的输入端口和第二偏振控制器PC2的输入端口分别作为所述多功能量子态测量装置的两个输入端口；第一偏振控制器PC1的输出端口和第二偏振控制器PC2的输出端口分别连接第一环形器CIR1的端口1和第二环形器CIR2的端口1；第一环形器CIR1的端口2、第二环形器CIR2的端口2分别对应连接延时差可变偏振干涉仪的两个端口；第一环形器CIR1的端口3、第二环形器CIR2的端口3分别对应连接第一偏振旋转结构PR1、第二偏振旋转结构PR2后，再连接第一分束器BS1的端口1、端口2；第一分束器BS1的端口3、端口4分别对应连接第二偏振分束器PBS2的输入端口、第一偏振分束器PBS1的输入端口；第一偏振分束器PBS1的两个输出端口分别连接第一单光子探测器SPD1、第二单光子探测器SPD2；第二偏振分束器PBS2的两个输出端口分别连接第三单光子探测器SPD3、第四单光子探测器SPD4；

第一偏振控制器PC1、第二偏振控制器PC2分别用于校准从所述多功能量子态测量装置的两个输入端口入射光信号的偏振态；

延时差可变偏振干涉仪用于对入射的光信号进行偏振分束，并调制偏振分束所产生的正交偏振分量之间的相位差后将二者进行偏振合束；其延时差可变为0或非零的固定延时差τ；

第一偏振旋转结构PR1和第二偏振旋转结构PR2均用于将经过其的光信号偏振态旋转45°；

第一分束器BS1、第一偏振分束器PBS1、第二偏振分束器PBS2以及第一单光子探测器SPD1至第四单光子探测器SPD4用于对同时入射至第一分束器BS1端口1和端口2的光信号进行贝尔态测量，或用于对入射至第一分束器BS1其中端口1或2的光信号进行偏振测量。

优选地，所述延时差可变偏振干涉仪包括第三偏振分束器PBS3、第一相位调制器PM1、第一光开关OS1、第一四分之一波片反射镜QM1和第二四分之一波片反射镜QM2，第三偏振分束器PBS3的两个输入端口分别作为延时差可变偏振干涉仪的两个端口；第三偏振分束器PBS3的两个输出端口分别通过保偏光纤连接第一相位调制器PM1的输入端口和第一光开关OS1的端口1；第一相位调制器PM1的输出端口连接第一四分之一波片反射镜QM1；第一光开关OS1的端口2直接通过保偏光纤连接其端口4，构成第一环形结构；第一光开关OS1的端口3连接第二四分之一波片反射镜QM2；

第一光开关OS1的端口1到端口3、端口2到端口4为通路时为状态0；其端口1到端口2、端口3到端口4为通路时为状态1。

优选地，所述延时差可变偏振干涉仪包括第三偏振分束器PBS3、第一相位调制器PM1、第二光开关OS2、第一四分之一波片反射镜QM1、第二四分之一波片反射镜QM2和第三四分之一波片反射镜QM3，第三偏振分束器PBS3的两个输入端口分别作为延时差可变偏振干涉仪的两个端口；第三偏振分束器PBS3的两个输出端口分别通过保偏光纤连接第一相位调制器PM1的输入端口和第二光开关OS2的端口1；第二相位调制器PM2的输出端口连接第一四分之一波片反射镜QM1；第二光开关OS2的端口2和端口3分别对应连接第二四分之一波片反射镜QM2和第三四分之一波片反射镜QM3；

第二光开关OS2的端口1到端口3为通路时为状态0；其端口1到端口2为通路时为状态1。

优选地，所述延时差可变偏振干涉仪包括第三偏振分束器PBS3、第四偏振分束器PBS4、第五偏振分束器PBS5、第二相位调制器PM2、和第三光开关OS3，第三偏振分束器PBS3的两个输入端口分别作为延时差可变偏振干涉仪的两个端口；第三偏振分束器PBS3的两个输出端口分别通过保偏光纤连接第四偏振分束器PBS4的输入端口和第五偏振分束器PBS5的输入端口；第四偏振分束器PBS4的两个输出端口通过保偏光纤连接第二相位调制器PM2的两端，构成第二环形结构；第五偏振分束器PBS5的两个输出端口通过保偏光纤连接第三光开关OS3的端口1和端口2，构成第三环形结构；第三光开关OS3的端口3直接通过保偏光纤连接其端口4，构成第四环形结构；

第三光开关OS3的端口1到端口3、端口2到端口4为通路时为状态0；其端口1到端口2、端口3到端口4为通路时为状态1。

优选地，所述第一偏振旋转结构PR1、第二偏振旋转结构PR2为主轴方向与水平方向夹角为22.5°的半波片。

优选地， 第一偏振旋转结构PR1、第二偏振旋转结构PR2为45°光纤熔接结构。

本发明还提供了一种量子密钥分发网络，包括第一发送方、第二发送方以及测量方，所述第一发送方、第二发送方分别通过第一光纤信道、第二光纤信道与所述测量方通过相连；

所述第一发送方和第二发送方均含有量子态制备模块，所述量子态制备模块包括依次连接的激光器LD，强度调制器IM，编码模块以及可调衰减器VOA；

所述测量方为一种多功能量子态测量装置；

量子密钥分发网络可实现第一发送方或第二发送方单独与测量方执行偏振编解码或相位编码偏振解码BB84QKD协议；也可实现第一发送方和第二发送方同时与测量方执行偏振编解码或相位编码偏振解码MDIQKD协议。

优选地，所述编码模块为偏振复用相位编码模块，用于制备两组相互无偏基下的4种相位编码量子态，所述相位编码量子态的两个时间模式偏振相互垂直。

优选地，所述编码模块为偏振编码模块，用于制备两组相互无偏基下的4种偏振态。

优选地，所述编码模块为可切换编码模块，包括第六偏振分束器PBS6、第三相位调制器PM3和第四光开关OS4，第六偏振分束器PBS6端口1的保偏光纤慢轴与水平方向夹角为45°，作为编码模块的输入端口；第六偏振分束器PBS6的端口2、第四光开关OS4的端口2分别通过保偏光纤连接第三相位调制器PM3的两端；第六偏振分束器PBS6的端口3、端口4分别对应连接第四光开关OS4的端口1、端口4；第四光开关OS4的端口3作为编码模块的输出端口；

第四光开关OS4的端口1到端口3、端口2到端口4为通路时为状态0；其端口1到端口2、端口3到端口4为通路时为状态1。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

本发明提出一种多功能量子态测量装置，可实现对偏振编码量子态进行主动选基偏振测量或对偏振复用相位编码的量子态进行测量，还可实现基于偏振态的贝尔态测量。本发明的量子密钥分发网络可兼容BB84协议和MDI协议，无需硬件改动，易于组网，可根据场景灵活切换运行协议。并且仅需要通过改变光开关的状态即可实现偏振编解码和相位编码偏振解码的切换，具有极强的适应性和实用性。

附图说明

图1为本发明多功能量子态测量装置的原理框图；

图2为本发明延时差可变偏振干涉仪实施例一的原理框图；

图3为本发明延时差可变偏振干涉仪实施例二的原理框图；

图4为本发明延时差可变偏振干涉仪实施例三的原理框图；

图5为本发明量子密钥分发网络的原理框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明进行清楚、完整地描述。

如图1所示，一种多功能量子态测量装置，包括第一偏振控制器PC1、第二偏振控制器PC2、第一环形器CIR1、第二环形器CIR2、延时差可变偏振干涉仪、第一偏振旋转结构PR1、第二偏振旋转结构PR2、第一分束器BS1、第一偏振分束器PBS1、第二偏振分束器PBS2以及第一单光子探测器SPD1、第二单光子探测器SPD2、第三单光子探测器SPD3、第四单光子探测器SPD4，

第一偏振控制器PC1的输入端口和第二偏振控制器PC2的输入端口分别作为所述多功能量子态测量装置的两个输入端口；第一偏振控制器PC1的输出端口和第二偏振控制器PC2的输出端口分别连接第一环形器CIR1的端口1和第二环形器CIR2的端口1；第一环形器CIR1的端口2、第二环形器CIR2的端口2分别对应连接延时差可变偏振干涉仪的两个端口；第一环形器CIR1的端口3、第二环形器CIR2的端口3分别对应连接第一偏振旋转结构PR1、第二偏振旋转结构PR2后，再连接第一分束器BS1的端口1、端口2；第一分束器BS1的端口3、端口4分别对应连接第二偏振分束器PBS2的输入端口、第一偏振分束器PBS1的输入端口；第一偏振分束器PBS1的两个输出端口分别连接第一单光子探测器SPD1、第二单光子探测器SPD2；第二偏振分束器PBS2的两个输出端口分别连接第三单光子探测器SPD3、第四单光子探测器SPD4；

第一偏振控制器PC1、第二偏振控制器PC2分别用于校准从所述多功能量子态测量装置的两个输入端口入射光信号的偏振态；

延时差可变偏振干涉仪用于对入射的光信号进行偏振分束，并调制偏振分束所产生的正交偏振分量之间的相位差后将二者进行偏振合束；其延时差可变为0或非零的固定延时差τ；

第一偏振旋转结构PR1和第二偏振旋转结构PR2均用于将经过其的光信号偏振态旋转45°；

第一分束器BS1、第一偏振分束器PBS1、第二偏振分束器PBS2以及第一单光子探测器SPD1至第四单光子探测器SPD4用于对同时入射至第一分束器BS1端口1和端口2的光信号进行贝尔态测量，或用于对入射至第一分束器BS1其中端口1或2的光信号进行偏振测量。

具体工作过程如下：

1）偏振编码量子态的测量

（a）BB84协议

偏振编码的量子态入射至多功能量子态测量装置的一个输入端口，首先经第一偏振控制器PC1恢复偏振态，可写为

随后经第一环形器CIR1进入延时差可变偏振干涉仪的一个端口，被偏振分束成第一偏振分量和第二偏振分量，二者之间的相位差被调制为。调节延时差可变偏振干涉仪的延时差为0，使第一偏振分量和第二偏振分量输出时在时域上重叠，二者进行偏振合束，从所述干涉仪的另一个端口出射，量子态可写为

然后经第二环形器CIR2到达第二偏振旋转结构PR2偏振被旋转45°，量子态变为

当时，/>，H可以直接从第一偏振分束器PBS1和第二偏振分束器PBS2透射，V可以直接从第一偏振分束器PBS1和第二偏振分束器PBS2反射，能够得到确定探测器响应；/>时，则无法得到确定的探测器响应。

时，/>，H可以直接从第一偏振分束器PBS1和第二偏振分束器PBS2透射，V可以直接从第一偏振分束器PBS1和第二偏振分束器PBS2反射，能够得到确定探测器响应；/>时，则无法得到确定的探测器响应。

因此，多功能量子态测量装置可以实现对偏振编码量子态的测量。

（b）MDI协议

两路偏振编码的量子态分别入射至多功能量子态测量装置的两个输入端口，其中一路首先经第一偏振控制器PC1恢复偏振态，可写为

随后经第一环形器CIR1进入延时差可变偏振干涉仪的一个端口，被偏振分束成第一偏振分量和第二偏振分量，二者之间的相位差被调制为。调节延时差可变偏振干涉仪的延时差为0，使第一偏振分量和第二偏振分量输出时在时域上重叠，二者进行偏振合束，从所述干涉仪的另一个端口出射，量子态可写为

然后经第二环形器CIR2到达第二偏振旋转结构PR2偏振被旋转45°，量子态变为

另一路偏振编码量子态经第二偏振控制器PC2恢复偏振态，随后经第二环形器CIR2进入延时差可变偏振干涉仪，经过上述相同的过程调制之后出射，经第一环形器CIR1到达第一偏振旋转结构PR1偏振被旋转45°，量子态可写为

令，则两路偏振编码量子态均可变成/>中的一种，二者同时到达第一分束器BS1进行干涉，使用第一偏振分束器PBS1、第二偏振分束器PBS2和4个SPD即可实现偏振编码的贝尔态测量。

2）偏振复用相位编码量子态的测量

（a）BB84协议

偏振复用相位编码量子态入射至多功能量子态测量装置的一个输入端口，首先经第一偏振控制器PC1恢复偏振态，可写为

其中，分别为量子态的前一个时间模式和后一个时间模式，时间差为τ，二者的偏振态分别为水平偏振和竖直偏振。

随后经第一环形器CIR1进入延时差可变偏振干涉仪的一个端口，被偏振分束成第一偏振分量和第二偏振分量/>，二者之间的相位差被调制为/>。调节延时差可变偏振干涉仪的延时差为τ，使第一偏振分量相对于第二偏振分量在所述干涉仪内多传播时间τ，因此二者输出时在时域上重叠，进行偏振合束，从所述干涉仪的另一个端口出射，量子态可写为

然后经第二环形器CIR2到达第二偏振旋转结构PR2偏振被旋转45°，量子态变为

可以看出，使用本发明的装置可以对偏振复用相位编码量子态进行偏振解码，实现与偏振解码相同的过程。因此，多功能量子态测量装置可以实现对偏振复用相位编码量子态的测量。

（b）MDI协议

两路偏振复用相位编码量子态分别入射至多功能量子态测量装置的两个输入端口，其中一路首先经第一偏振控制器PC1恢复偏振态，可写为

其中，分别为量子态的前一个时间模式和后一个时间模式，时间差为τ，二者的偏振态分别为水平偏振和竖直偏振。

随后经第一环形器CIR1进入延时差可变偏振干涉仪的一个端口，被偏振分束成第一偏振分量和第二偏振分量/>，二者之间的相位差被调制为/>。调节延时差可变偏振干涉仪的延时差为τ，使第一偏振分量相对于第二偏振分量在所述干涉仪内多传播时间τ，因此二者输出时在时域上重叠，进行偏振合束，从所述干涉仪的另一个端口出射，量子态可写为

然后经第二环形器CIR2到达第二偏振旋转结构PR2偏振被旋转45°，量子态变为

另一路偏振复用相位编码量子态经第二偏振控制器PC2恢复偏振态，随后经第二环形器CIR2进入延时差可变偏振干涉仪，经过上述相同的过程调制之后出射，经第一环形器CIR1到达第一偏振旋转结构PR1偏振被旋转45°，量子态可写为

令，则偏振复用相位编码量子态均可变成/>中的一种，二者同时到达第一分束器BS1进行干涉，即可实现偏振编码的贝尔态测量。

可以看出，使用本发明的装置可以对偏振复用相位编码量子态进行偏振解码，实现与偏振解码相同的过程。因此，多功能量子态测量装置可以实现对偏振复用相位编码量子态的贝尔态测量。

如图2所示，本发明测量装置实施例一：

所述延时差可变偏振干涉仪包括第三偏振分束器PBS3、第一相位调制器PM1、第一光开关OS1、第一四分之一波片反射镜QM1和第二四分之一波片反射镜QM2，第三偏振分束器PBS3的两个输入端口分别作为延时差可变偏振干涉仪的两个端口；第三偏振分束器PBS3的两个输出端口分别通过保偏光纤连接第一相位调制器PM1的输入端口和第一光开关OS1的端口1；第一相位调制器PM1的输出端口连接第一四分之一波片反射镜QM1；第一光开关OS1的端口2直接通过保偏光纤连接其端口4，构成第一环形结构；第一光开关OS1的端口3连接第二四分之一波片反射镜QM2；

第一光开关OS1的端口1到端口3、端口2到端口4为通路时为状态0；其端口1到端口2、端口3到端口4为通路时为状态1。

具体工作过程如下：

（a）第一光开关OS1为状态0

水平偏振的光信号进入第三偏振分束器PBS3的一个输入端口，从其一个输出端口出射后经第一相位调制器PM1到达第一四分之一波片反射镜QM1，QM由四分之一波片和反射镜构成，其传输矩阵可写为

则经第一四分之一波片反射镜QM1反射的光信号偏振态会旋转90°，变为竖直偏振，随后再次经过第一相位调制器PM1之后从第三偏振分束器PBS3出射。此时水平偏振的光信号传播的路径为干涉仪的长臂，其两次经过第一相位调制器PM1所调制的相位差为。

竖直偏振的光信号进入第三偏振分束器PBS3的一个输入端口，从其另一个输出端口出射后进入第一光开关OS1的端口1，直接从其端口3出射，随后到达第二四分之一波片反射镜QM2，由第二四分之一波片反射镜QM2反射后变为竖直偏振，随后再次经过第一光开关OS1并从第三偏振分束器PBS3出射。此时竖直偏振的光信号传播的路径为干涉仪的短臂，干涉仪长短臂的延时差为τ。

因此，对于偏振复用相位编码量子态，其时间模式/>会沿干涉仪长臂传播，时间模式/>沿干涉仪短臂传播，由于初始状态时前者比后者超前了时间τ，最终二者会同时到达第三偏振分束器PBS3进行偏振合束，产生的量子态为

。

对于从第三偏振分束器PBS3的另一个输入端口入射的量子态也经历类似的过程，不再赘述。

（b）第一光开关OS1为状态1

水平偏振的光信号进入第三偏振分束器PBS3的一个输入端口，从其一个输出端口出射后经第一相位调制器PM1到达第一四分之一波片反射镜QM1，被反射后变为竖直偏振，随后再次经过第一相位调制器PM1之后从第三偏振分束器PBS3出射。此时水平偏振的光信号传播的路径为干涉仪的长臂，其两次经过第一相位调制器PM1所调制的相位差为。

竖直偏振的光信号进入第三偏振分束器PBS3的一个输入端口，从其另一个输出端口出射后进入第一光开关OS1的端口1，从其端口2出射，沿第一环形结构传播后到达第一光开关OS1的端口3，随后到达第二四分之一波片反射镜QM2，由第二四分之一波片反射镜QM2反射后变为竖直偏振，随后再次经过第一光开关OS1并从第三偏振分束器PBS3出射。此时竖直偏振的光信号传播的路径为干涉仪短臂的长度与第一环形结构的长度之和，因此干涉仪长短臂的延时差为0。

对于偏振编码量子态，其水平偏振分量/>会沿干涉仪长臂传播，竖直偏振分量/>沿干涉仪短臂与第一环形结构传播，最终二者会同时到达第三偏振分束器PBS3进行偏振合束，产生的量子态为

。

如图3所示，本发明测量装置实施例二：

所述延时差可变偏振干涉仪包括第三偏振分束器PBS3、第一相位调制器PM1、第二光开关OS2、第一四分之一波片反射镜QM1、第二四分之一波片反射镜QM2和第三四分之一波片反射镜QM3，第三偏振分束器PBS3的两个输入端口分别作为延时差可变偏振干涉仪的两个端口；第三偏振分束器PBS3的两个输出端口分别通过保偏光纤连接第一相位调制器PM1的输入端口和第二光开关OS2的端口1；第二相位调制器PM2的输出端口连接第一四分之一波片反射镜QM1；第二光开关OS2的端口2和端口3分别对应连接第二四分之一波片反射镜QM2和第三四分之一波片反射镜QM3；

第二光开关OS2的端口1到端口3为通路时为状态0；其端口1到端口2为通路时为状态1。

具体工作过程如下：

（a）第二光开关OS2为状态0

水平偏振的光信号进入第三偏振分束器PBS3的一个输入端口，从其一个输出端口出射后经第一相位调制器PM1到达第一四分之一波片反射镜QM1，经第一四分之一波片反射镜QM1反射后变为竖直偏振，随后再次经过第一相位调制器PM1之后从第三偏振分束器PBS3出射。此时水平偏振的光信号传播的路径为干涉仪的长臂，其两次经过第一相位调制器PM1所调制的相位差为。

竖直偏振的光信号进入第三偏振分束器PBS3的一个输入端口，从其另一个输出端口出射后进入第一光开关OS1的端口1，直接从其端口3出射，随后到达第二四分之一波片反射镜QM2，由第二四分之一波片反射镜QM2反射后变为竖直偏振，随后再次经过第一光开关OS1并从第三偏振分束器PBS3出射。此时竖直偏振的光信号传播的路径为干涉仪的短臂，干涉仪长短臂的延时差为τ。

因此，对于偏振复用相位编码量子态，其时间模式/>会沿干涉仪长臂传播，时间模式/>沿干涉仪短臂传播，由于初始状态时前者比后者超前了时间τ，最终二者会同时到达第三偏振分束器PBS3进行偏振合束，产生的量子态为

。

对于从第三偏振分束器PBS3的另一个输入端口入射的量子态也经历类似的过程，不再赘述。

（b）第二光开关OS2为状态1

水平偏振的光信号进入第三偏振分束器PBS3的一个输入端口，从其一个输出端口出射后经第一相位调制器PM1到达第一四分之一波片反射镜QM1，被反射后变为竖直偏振，随后再次经过第一相位调制器PM1之后从第三偏振分束器PBS3出射。此时水平偏振的光信号传播的路径为干涉仪的长臂，其两次经过第一相位调制器PM1所调制的相位差为。

竖直偏振的光信号进入第三偏振分束器PBS3的一个输入端口，从其另一个输出端口出射后进入第一光开关OS1的端口1，从其端口2出射，随后到达第三四分之一波片反射镜QM3，经第三四分之一波片反射镜QM3反射后变为竖直偏振，随后再次经过第一光开关OS1并从第三偏振分束器PBS3出射。此时竖直偏振的光信号传播的路径为干涉仪短臂的另一支路，使干涉仪长短臂的延时差为0。

对于偏振编码量子态，其水平偏振分量/>会沿干涉仪长臂传播，竖直偏振分量/>沿干涉仪短臂的另一支路传播，最终二者会同时到达第三偏振分束器PBS3进行偏振合束，产生的量子态为

。

如图4所示，本发明测量装置实施例三：

所述延时差可变偏振干涉仪包括第三偏振分束器PBS3、第四偏振分束器PBS4、第五偏振分束器PBS5、第二相位调制器PM2、和第三光开关OS3，第三偏振分束器PBS3的两个输入端口分别作为延时差可变偏振干涉仪的两个端口；第三偏振分束器PBS3的两个输出端口分别通过保偏光纤连接第四偏振分束器PBS4的输入端口和第五偏振分束器PBS5的输入端口；第四偏振分束器PBS4的两个输出端口通过保偏光纤连接第二相位调制器PM2的两端，构成第二环形结构；第五偏振分束器PBS5的两个输出端口通过保偏光纤连接第三光开关OS3的端口1和端口2，构成第三环形结构；第三光开关OS3的端口3直接通过保偏光纤连接其端口4，构成第四环形结构；

第三光开关OS3的端口1到端口3、端口2到端口4为通路时为状态0；其端口1到端口2、端口3到端口4为通路时为状态1。

具体工作过程如下：

（a）第三光开关OS3为状态1

水平偏振的光信号进入第三偏振分束器PBS3的一个输入端口，从其一个输出端口出射后到达第四偏振分束器PBS4，透射后在第二环形结构内沿逆时针方向传播，经第二相位调制器PM2调制相位，到达第四偏振分束器PBS4之后反射至其输入端口，变为竖直偏振，返回第三偏振分束器PBS3后从其另一个输入端口出射。此时水平偏振的光信号传播的路径为干涉仪的长臂。

竖直偏振的光信号进入第三偏振分束器PBS3的一个输入端口，从其另一个输出端口出射后到达第五偏振分束器PBS5，随后在第三环形结构内沿逆时针方向传播，其经过第三光开关OS3时从其端口1入射，从端口2出射，到达第五偏振分束器PBS5之后从其输入端口出射，返回第三偏振分束器PBS3后从其另一个输入端口出射。此时竖直偏振的光信号传播的路径为干涉仪的短臂，干涉仪长短臂的延时差为τ。

因此，对于偏振复用相位编码量子态，其时间模式/>会沿干涉仪长臂传播，时间模式/>沿干涉仪短臂传播，由于初始状态时前者比后者超前了时间τ，最终二者会同时到达第三偏振分束器PBS3进行偏振合束，产生的量子态为

。

（b）第三光开关OS3为状态0

水平偏振的光信号进入第三偏振分束器PBS3的一个输入端口，从其一个输出端口出射后到达第四偏振分束器PBS4，透射后在第二环形结构内沿逆时针方向传播，经第二相位调制器PM2调制相位，到达第四偏振分束器PBS4之后反射至其输入端口，变为竖直偏振，返回第三偏振分束器PBS3后从其另一个输入端口出射。此时水平偏振的光信号传播的路径为干涉仪的长臂。

竖直偏振的光信号进入第三偏振分束器PBS3的一个输入端口，从其另一个输出端口出射后到达第五偏振分束器PBS5，随后在第三环形结构内沿逆时针方向传播，其经过第三光开关OS3时从其端口1入射，从端口3出射，沿第三环形结构传播后到达第三光开关OS3的端口4，从其端口2出射，然后到达第五偏振分束器PBS5之后从其输入端口出射，返回第三偏振分束器PBS3后从其另一个输入端口出射。此时竖直偏振的光信号传播的路径为干涉仪短臂的长度与第三环形结构的长度之和，使干涉仪长短臂的延时差为0。

对于偏振编码量子态，其水平偏振分量/>会沿干涉仪长臂传播，竖直偏振分量/>沿干涉仪短臂与第三环形结构传播，最终二者会同时到达第三偏振分束器PBS3进行偏振合束，产生的量子态为

。

如图5所示，本发明一种网络实施例：

一种量子密钥分发网络，包括第一发送方、第二发送方以及测量方，所述第一发送方、第二发送方分别通过第一光纤信道、第二光纤信道与所述测量方通过相连；

所述第一发送方和第二发送方均含有量子态制备模块，所述量子态制备模块包括依次连接的激光器LD，强度调制器IM，编码模块以及可调衰减器VOA；

所述测量方为多功能量子态测量装置；

量子密钥分发网络可实现第一发送方或第二发送方单独与测量方执行偏振编解码或相位编码偏振解码BB84QKD协议；也可实现第一发送方和第二发送方同时与测量方执行偏振编解码或相位编码偏振解码MDIQKD协议。

所述编码模块为可切换编码模块，包括第六偏振分束器PBS6、第三相位调制器PM3和第四光开关OS4，第六偏振分束器PBS6端口1的保偏光纤慢轴与水平方向夹角为45°，作为编码模块的输入端口；第六偏振分束器PBS6的端口2、第四光开关OS4的端口2分别通过保偏光纤连接第三相位调制器PM3的两端；第六偏振分束器PBS6的端口3、端口4分别对应连接第四光开关OS4的端口1、端口4；第四光开关OS4的端口3作为编码模块的输出端口；

第四光开关OS4的端口1到端口3、端口2到端口4为通路时为状态0；其端口1到端口2、端口3到端口4为通路时为状态1。

具体工作过程如下：

1）第四光开关OS4为状态1，可切换编码模块制备偏振编码量子态

激光器LD产生水平偏振的光脉冲，首先经强度调制器IM调制光强产生信号态或诱骗态，随后经45°偏振旋转后进入第六偏振分束器PBS6的端口1，被偏振分束成两个偏振相互垂直的分量，分别从第六偏振分束器PBS6的端口2、端口3出射。第六偏振分束器PBS6的端口2、端口3，第三相位调制器PM3、第四光开关OS4的端口1和端口2以及连接光纤构成第五环形结构。因此，水平偏振分量从第四光开关OS4的端口1到达端口2，随后沿逆时针方向经过第三相位调制器PM3到达第六偏振分束器PBS6的端口2；竖直偏振分量从第四光开关OS4的端口2到达端口1，随后沿顺时针方向到达第六偏振分束器PBS6的端口3。由于水平偏振分量与竖直偏振分量均经过了第五环形结构，二者所经历的时间相同，因此同时到达第六偏振分束器PBS6进行偏振合束，从第六偏振分束器PBS6的端口4出射；并且由于二者经过第三相位调制器PM3的时间不同，通过调制二者之间不同的相位差j，使得合成的偏振态为

/>

当j=0，π，π/2，3π/2时，对应得到的偏振态分别为。合成的光信号到达第四光开关OS4的端口4后从其端口3出射，最终从可切换编码模块的输出端口出射，即实现了偏振编码。

用户1（或用户2）产生偏振编码的量子态，可以单独与测量方执行BB84协议；用户1和用户2也可同时与测量方执行MDI协议。

2）第四光开关OS4为状态0，可切换编码模块制备偏振复用相位编码量子态的测量

激光器LD产生水平偏振的光脉冲，首先经强度调制器IM调制光强产生信号态或诱骗态，随后经45°偏振旋转后进入第六偏振分束器PBS6的端口1，被偏振分束成两个偏振相互垂直的分量，分别从第六偏振分束器PBS6的端口2、端口3出射。此时第六偏振分束器PBS6的端口2、端口4，第三相位调制器PM3、第四光开关OS4的端口2和端口4以及连接光纤构成第六环形结构。因此，水平偏振分量从第四光开关OS4的端口1到达端口3，直接从可切换编码模块的输出端口出射；竖直偏振分量经第三相位调制器PM3到达第四光开关OS4的端口2，从其端口4出射，随后沿顺时针方向到达第六偏振分束器PBS6的端口4。然后从第六偏振分束器PBS6的端口3出射，依次经过第四光开关OS4的端口1、端口3后，从可切换编码模块的输出端口出射。因此，光信号的水平偏振分量未经过第六环形结构直接出射；竖直偏振分量则经过了第六环形结构并被第三相位调制器PM3调制相位，在从可切换编码模块的输出端口出射时比水平偏振分量滞后了在第六环形结构内传播的时间τ，且增加了相位j，输出的量子态可写为

因此可以实现偏振复用相位编码。

用户1（或用户2）产生偏振复用相位编码的量子态，可以单独与测量方执行BB84协议；用户1和用户2也可同时与测量方执行MDI协议。

综合本发明各个实施例可知，本发明提出一种多功能量子态测量装置，可实现对偏振编码量子态进行主动选基偏振测量或对偏振复用相位编码的量子态进行测量，还可实现基于偏振态的贝尔态测量。本发明的量子密钥分发网络可兼容BB84协议和MDI协议，无需硬件改动，易于组网，可根据场景灵活切换运行协议。并且仅需要通过改变光开关的状态即可实现偏振编解码和相位编码偏振解码的切换，具有极强的适应性和实用性。

Claims (10)

1.一种多功能量子态测量装置，其特征在于，包括第一偏振控制器PC1、第二偏振控制器PC2、第一环形器CIR1、第二环形器CIR2、延时差可变偏振干涉仪、第一偏振旋转结构PR1、第二偏振旋转结构PR2、第一分束器BS1、第一偏振分束器PBS1、第二偏振分束器PBS2以及第一单光子探测器SPD1、第二单光子探测器SPD2、第三单光子探测器SPD3、第四单光子探测器SPD4，

第一偏振控制器PC1的输入端口和第二偏振控制器PC2的输入端口分别作为所述多功能量子态测量装置的两个输入端口；第一偏振控制器PC1的输出端口和第二偏振控制器PC2的输出端口分别连接第一环形器CIR1的端口1和第二环形器CIR2的端口1；第一环形器CIR1的端口2、第二环形器CIR2的端口2分别对应连接延时差可变偏振干涉仪的两个端口；第一环形器CIR1的端口3、第二环形器CIR2的端口3分别对应连接第一偏振旋转结构PR1、第二偏振旋转结构PR2后，再连接第一分束器BS1的端口1、端口2；第一分束器BS1的端口3、端口4分别对应连接第二偏振分束器PBS2的输入端口、第一偏振分束器PBS1的输入端口；第一偏振分束器PBS1的两个输出端口分别连接第一单光子探测器SPD1、第二单光子探测器SPD2；第二偏振分束器PBS2的两个输出端口分别连接第三单光子探测器SPD3、第四单光子探测器SPD4；

第一偏振控制器PC1、第二偏振控制器PC2分别用于校准从所述多功能量子态测量装置的两个输入端口入射光信号的偏振态；

延时差可变偏振干涉仪用于对入射的光信号进行偏振分束，并调制偏振分束所产生的正交偏振分量之间的相位差后将二者进行偏振合束；其延时差可变为0或非零的固定延时差τ；

第一偏振旋转结构PR1和第二偏振旋转结构PR2均用于将经过其的光信号偏振态旋转45°；

第一分束器BS1、第一偏振分束器PBS1、第二偏振分束器PBS2以及第一单光子探测器SPD1至第四单光子探测器SPD4用于对同时入射至第一分束器BS1端口1和端口2的光信号进行贝尔态测量，或用于对入射至第一分束器BS1其中端口1或2的光信号进行偏振测量。

2.根据权利要求1所述的多功能量子态测量装置，其特征在于，所述延时差可变偏振干涉仪包括第三偏振分束器PBS3、第一相位调制器PM1、第一光开关OS1、第一四分之一波片反射镜QM1和第二四分之一波片反射镜QM2，第三偏振分束器PBS3的两个输入端口分别作为延时差可变偏振干涉仪的两个端口；第三偏振分束器PBS3的两个输出端口分别通过保偏光纤连接第一相位调制器PM1的输入端口和第一光开关OS1的端口1；第一相位调制器PM1的输出端口连接第一四分之一波片反射镜QM1；第一光开关OS1的端口2直接通过保偏光纤连接其端口4，构成第一环形结构；第一光开关OS1的端口3连接第二四分之一波片反射镜QM2；

第一光开关OS1的端口1到端口3、端口2到端口4为通路时为状态0；其端口1到端口2、端口3到端口4为通路时为状态1。

3.根据权利要求1所述的多功能量子态测量装置，其特征在于，所述延时差可变偏振干涉仪包括第三偏振分束器PBS3、第一相位调制器PM1、第二光开关OS2、第一四分之一波片反射镜QM1、第二四分之一波片反射镜QM2和第三四分之一波片反射镜QM3，第三偏振分束器PBS3的两个输入端口分别作为延时差可变偏振干涉仪的两个端口；第三偏振分束器PBS3的两个输出端口分别通过保偏光纤连接第一相位调制器PM1的输入端口和第二光开关OS2的端口1；第二相位调制器PM2的输出端口连接第一四分之一波片反射镜QM1；第二光开关OS2的端口2和端口3分别对应连接第二四分之一波片反射镜QM2和第三四分之一波片反射镜QM3；

第二光开关OS2的端口1到端口3为通路时为状态0；其端口1到端口2为通路时为状态1。

4.根据权利要求1所述的多功能量子态测量装置，其特征在于，所述延时差可变偏振干涉仪包括第三偏振分束器PBS3、第四偏振分束器PBS4、第五偏振分束器PBS5、第二相位调制器PM2、和第三光开关OS3，第三偏振分束器PBS3的两个输入端口分别作为延时差可变偏振干涉仪的两个端口；第三偏振分束器PBS3的两个输出端口分别通过保偏光纤连接第四偏振分束器PBS4的输入端口和第五偏振分束器PBS5的输入端口；第四偏振分束器PBS4的两个输出端口通过保偏光纤连接第二相位调制器PM2的两端，构成第二环形结构；第五偏振分束器PBS5的两个输出端口通过保偏光纤连接第三光开关OS3的端口1和端口2，构成第三环形结构；第三光开关OS3的端口3直接通过保偏光纤连接其端口4，构成第四环形结构；

第三光开关OS3的端口1到端口3、端口2到端口4为通路时为状态0；其端口1到端口2、端口3到端口4为通路时为状态1。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的多功能量子态测量装置，其特征在于，所述第一偏振旋转结构PR1、第二偏振旋转结构PR2为主轴方向与水平方向夹角为22.5°的半波片。

6.根据权利要求1或2或3或4所述的多功能量子态测量装置，其特征在于， 第一偏振旋转结构PR1、第二偏振旋转结构PR2为45°光纤熔接结构。

7.一种量子密钥分发网络，其特征在于，包括第一发送方、第二发送方以及测量方，所述第一发送方、第二发送方分别通过第一光纤信道、第二光纤信道与所述测量方通过相连；

所述第一发送方和第二发送方均含有量子态制备模块，所述量子态制备模块包括依次连接的激光器LD，强度调制器IM，编码模块以及可调衰减器VOA；

所述测量方为权利要求1-4中其中一种所述的多功能量子态测量装置；

量子密钥分发网络可实现第一发送方或第二发送方单独与测量方执行偏振编解码或相位编码偏振解码BB84QKD协议；也可实现第一发送方和第二发送方同时与测量方执行偏振编解码或相位编码偏振解码MDIQKD协议。

8.根据权利要求7所述的量子密钥分发网络，其特征在于，所述编码模块为偏振复用相位编码模块，用于制备两组相互无偏基下的4种相位编码量子态，所述相位编码量子态的两个时间模式偏振相互垂直。

9.根据权利要求7所述的量子密钥分发网络，其特征在于，所述编码模块为偏振编码模块，用于制备两组相互无偏基下的4种偏振态。

10.根据权利要求7所述的量子密钥分发网络，其特征在于，所述编码模块为可切换编码模块，包括第六偏振分束器PBS6、第三相位调制器PM3和第四光开关OS4，第六偏振分束器PBS6端口1的保偏光纤慢轴与水平方向夹角为45°，作为编码模块的输入端口；第六偏振分束器PBS6的端口2、第四光开关OS4的端口2分别通过保偏光纤连接第三相位调制器PM3的两端；第六偏振分束器PBS6的端口3、端口4分别对应连接第四光开关OS4的端口1、端口4；第四光开关OS4的端口3作为编码模块的输出端口；

第四光开关OS4的端口1到端口3、端口2到端口4为通路时为状态0；其端口1到端口2、端口3到端口4为通路时为状态1。