CN118214546A - 量子通信的光学发射器、光学接收器、光学系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了用于量子通信的光学发射器、光学接收器、光学系统及方法，该光学发射器包括：QKD信道，该QKD信道包括至少QKD光源，并且被配置成发射QKD编码脉冲的流；参考信道，该参考信道包括参考光源，并且被配置成发射参考脉冲的流；以及控制电路，该控制电路连接至QKD信道和参考光信道，其中，控制电路被配置成控制QKD信道和参考光通道，从而以相对于QKD编码脉冲的预定时间延迟发射参考脉冲，其中，QKD编码脉冲的波长与参考脉冲的波长的差为5nm或更小。

Description

量子通信的光学发射器、光学接收器、光学系统及方法

技术领域

本发明涉及用于量子通信的光学发射器、用于量子通信的光学接收器、系统和方法。

背景技术

为了建立长距离安全通信链路，预计在不久的将来，量子通信的重要应用将是空中-地面链路或太空-地面量子密钥分发(QKD)链路上的自由空间QKD。在这些信道中，大气湍流使包括用于量子通信的光束在内的光束的波前畸变。由于不可能放大量子信号，因此用于自由空间QKD的设置需要大型望远镜以接收信号。然而，当望远镜的直径变得大于波前的相干长度(所谓的弗里德(Fried)参数)时，望远镜不能高效地聚焦接收到的光。因此，QKD链路的波前的畸变甚至比传统的通信链路更严重。

对于这些系统，需要以高效的方式校正QKD链路中的射束的波前。

发明内容

根据本发明，该问题通过用于量子通信的光学发射器、光学接收器、系统和方法来解决。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于量子通信的光学发射器。该光学发射器包括：QKD信道，该QKD信道包括至少QKD光源并且被配置成发射QKD编码脉冲的流；参考信道，该参考信道包括参考光源并且被配置成发射参考脉冲的流；以及控制电路，该控制电路连接至QKD信道和参考光信道，其中，控制电路被配置成控制QKD信道和参考光信道，从而以相对于QKD编码脉冲的预定时间延迟发射参考脉冲，其中，QKD编码脉冲的波长与参考脉冲的波长的差为5nm或更小。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于量子通信的光学接收器。光学接收器包括：检测单元，该检测单元包含一个或更多个光子计数器，该检测单元被布置并被配置成检测由光学发射器特别是由上述光学发射器发射的QKD编码脉冲；波前传感器，该波前传感器被布置成接收由光学发射器特别是由上述光学发射器发射的参考脉冲，并且被配置成测量参考脉冲的波前以提供波前信号；自适应光学元件，该自适应光学元件布置在检测单元的上游并且被配置成操纵QKD编码脉冲的波前；以及接收器控制器，该接收器控制器连接至波前传感器、自适应光学元件和检测单元，其中，接收器控制器被配置成：在QKD编码脉冲到达时，向检测单元中的一个或更多个光子计数器施加时间门；获得指示参考脉冲的所测量的波前的波前信号；以及触发自适应光学元件，以基于波前信号来校正QKD编码脉冲的波前。

根据本发明的第三方面，提供了一种用于量子通信的光学系统。该光学系统包括根据本发明的光学发射器和根据本发明的光学接收器。

根据本发明的第四方面，提供了一种用于量子通信的方法。该方法包括：由光学发射器发射QKD编码脉冲和参考脉冲的流，其中，以相对于QKD编码脉冲的预定时间延迟发射参考脉冲，其中，QKD编码脉冲的波长与参考脉冲的波长的差为5nm或更小；由波前传感器测量参考脉冲的波前；由自适应光学元件基于所测量的波前对QKD编码脉冲应用波前校正；以及由包含一个或更多个光子计数器的检测单元通过将基于QKD编码脉冲的到达时间的时间门施加在检测单元中的一个或更多个光子计数器处以对QKD编码脉冲与参考脉冲进行时间滤波，来获得QKD编码脉冲。

本发明的基本构思是使用非常小的占空比(即两个连续的QKD编码脉冲之间的时间段)来在两个连续的QKD编码脉冲之间发射参考脉冲。参考脉冲比QKD编码脉冲具有大得多的能量。因此，测量参考脉冲的波前比直接测量QKD编码脉冲的波前更容易。具有校正的波前，QKD编码脉冲可以更好地聚焦在光子计数器上，这降低了量子比特误码率(QBER)，并且因此提高了数据速率。

为了在两个连续的QKD编码脉冲之间临时放置参考脉冲，在参考脉冲与前面的QKD编码脉冲之间施加预定时间延迟。为此，参考脉冲的重复率与QKD编码脉冲的重复率相同或者是QKD编码脉冲的重复率的倍数。由于包括QKD编码脉冲的QKD流的占空比非常小，例如每10ns 100ps脉冲(即约1％)，因此预定时间延迟可能相对较大。这使得能够在时域中高度区分两个不同的脉冲。

控制电路生成施加至参考脉冲的预定时间延迟。因此，控制器具有用于生成根据发射器中的光源的数目而分离的电脉冲的某种类型的时基。可以应用控制器内的延迟线或电路以在电脉冲到达相应的光源之前生成电脉冲的预定时间延迟或时移。

在接收器处，波前传感器可以容易地分析参考脉冲，该波前传感器可以是夏克-哈特曼(Shack-Hartmann)传感器或任何其他合适的传感器。测量的波前被自适应光学元件校正，该自适应光学元件可以是可变形镜、空间光调制器或适合于该任务的任何其他器件。

根据本发明的一个方面的解决方案中的特别的优点是，通过测量参考脉冲的波前，可以利用该方案在QKD信号(即QKD编码脉冲)的相同波长下进行测量。通过利用相同的通信信道发射脉冲，该方案确保了接近最佳的波前校正。

此外，由于以与QKD编码脉冲相似的量发射参考脉冲，因此该方案有利地使得能够快速测量QKD编码脉冲的波前变化。因此，可以快速调整QKD编码脉冲的波前，从而考虑到在例如太空/空中到地面链路中经常发生的QKD信道的大气路径中的变化。

如在本应用内，QKD编码脉冲是旨在并适合于量子通信的脉冲，通常包含平均少于一个光子并且以量子态的形式携载信息。传统上，这样的量子态可以是偏振。在最常见的BB84方案中，使用0°、90°、+45°和-45°的偏振态。然而，可以将其他量子态(例如轨道角动量)以及其他QKD方案(例如E91方案或诱饵态)应用于本发明中的QKD编码脉冲。

有利的实施方式和进一步的发展从参照附图的描述中显现出来。

根据基于本发明的光学发射器的一些其他方面，控制电路包括脉冲发生器，其中，控制电路被配置成通过由脉冲发生器生成的脉冲来驱动参考光源。光源被配置成将电脉冲转换成光学脉冲。这可以使用普通激光二极管、DFB激光二极管、VCSEL或允许这样的脉冲操作模式的其他激光器来实现。这表示生成参考脉冲的简单实现方式。

根据基于本发明的光学发射器的一些其他方面，光学发射器还包括连接至控制电路的幅度调制器。这样的幅度调制器可以例如是具有由控制电路控制的光学延迟的基于马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)的调制器。参考光源被配置为cw光源。这使得能够使用cw光源，例如二极管激光器或诸如气体激光器的另一激光器。幅度调制器布置在参考光源下游的参考信道中。幅度调制器被配置成调制参考光源的发射的cw光以生成参考脉冲。以这种方式，可以以灵活和高效的方式生成参考脉冲。

根据基于本发明的光学发射器的一些其他方面，控制电路包括参考延迟线，该参考延迟线被配置成对到参考信道的电信号进行延迟以生成预定时间延迟。参考延迟线连接至参考信道，并且能够准确地生成QKD编码脉冲与参考脉冲之间的预定时间延迟。

根据基于本发明的光学发射器的一些其他方面，光学发射器还包括空间模式转换器，该空间模式转换器被配置成调制QKD编码脉冲和/或参考脉冲的空间模式。这样的空间模式转换器可以是例如基于液晶的相位掩模或空间光调制器。这使得能够进一步区分参考脉冲与QKD编码脉冲，从而避免参考信道与QKD信道之间的串扰。

根据基于本发明的光学发射器的一些其他方面，光学发射器还包括组合器光学器件，该组合器光学器件被布置并被配置成将QKD编码脉冲和参考脉冲组合成组合的输出射束。这种组合可以由分束器或者由采用波导耦合器的光纤来实现。这使得参考脉冲能够在与QKD编码脉冲完全相同的路径上传播。以这种方式，参考脉冲的波前测量使得能够以改进的(即，高)质量来校正QKD编码脉冲的波前。

根据基于本发明的光学发射器的一些其他方面，QKD信道包括多个QKD光源，多个QKD光源被配置为单光子源，其中，QKD光源优选地被配置为VCSEL。这使得能够具有QKD信道的高数据速率，因此也使得能够具有参考脉冲的高重复率，并且使得能够利用合适的接收器快速调整它们的波前。

根据基于本发明的光学发射器的一些其他方面，控制电路包括用于QKD光源中的每一个的QKD延迟线，其中，控制电路被配置成触发多个QKD光源以基本上同时发射QKD编码脉冲。这避免了QKD编码脉冲内的时间抖动，从而防止或至少减少参考脉冲与QKD编码脉冲之间的串扰。QKD延迟线还确保了所有QKD光源相对于时基同时发射。这确保了窃听者不能通过观察QKD编码脉冲或光子相对于时基的到达时间来了解哪个光源发射了QKD编码脉冲或光子。

根据基于本发明的光学发射器的一些方面，预定时间延迟约是两个连续的QKD编码脉冲的时间周期的一半。考虑到由光子计数器生成的电脉冲的不对称性，精确的时间延迟可能比时间周期的一半更长，例如，脉冲的尾部通常比上升时间更长。该预定时间延迟表示用于将QKD编码脉冲与参考脉冲区分或从QKD编码脉冲分离参考脉冲的最佳预定时间延迟，因为该时间距离最大。因此，减少了参考信道与QKD信道之间的串扰。

根据基于本发明的光学发射器的一些其他方面，控制电路包括内部时钟，其中，内部时钟被配置成提供针对参考脉冲相对于前面的QKD编码脉冲的预定时间延迟的时基。这确保了准确的时间延迟，从而避免了QKD信道与参考信道之间的串扰。其还提供了本地时基，这实现了外部时基的独立。替选地，时基可以由外部时钟提供，例如从原子钟得出，或者时基可以从RF或光学收发器提取。

根据基于本发明的光学接收器的一些其他方面，光学接收器还包括二向色滤波器。二向色滤波器被布置并被配置成当QKD编码脉冲的波长与参考脉冲的波长之间的差在1nm与5nm之间时基本上对QKD编码脉冲与参考脉冲进行光谱滤波，即分离。因此，在参考脉冲和QKD编码脉冲具有1nm与5nm之间的波长差的情况下，二向色滤波器基本上能够区分参考脉冲和QKD编码脉冲。优选地，该差在2nm与3nm之间。除了时间选通之外，这还减少了串扰并且改善了接收器侧的脉冲的隔离。

根据基于本发明的光学接收器的一些其他方面，自适应光学元件布置在波前传感器的上游，并且被配置成操纵参考脉冲的波前。接收器控制器被配置成基于测量的波前来校正参考脉冲的空间模式。这使得能够对参考脉冲应用更高的空间模式。然后解复用器(例如相位板)可以从QKD编码脉冲对更高的空间模式进行空间滤波。这进一步改善了参考脉冲与QKD编码脉冲的隔离。

附图说明

以下参照附图中所示的实施方式更详细地说明本发明：

图1是根据本发明的实施方式的用于量子通信的光学发射器的示意图；

图2是根据本发明的实施方式的用于量子通信的光学接收器的示意图；

图3是根据本发明的实施方式的用于量子通信的包括光学发射器和光学接收器的光学系统的示意图；

图4是根据本发明的实施方式的用于量子通信的参考信道和QKD信道的示意图；

图5是根据本发明的另一实施方式的用于量子通信的光学发射器的示意图；

图6是根据本发明的另一实施方式的用于量子通信的光学发射器的示意图；

图7是根据本发明的另一实施方式的用于量子通信的包括光学发射器和光学接收器的光学系统的示意图；以及

图8是根据本发明的实施方式的用于量子通信的方法的示意图。

在附图中，除非另有说明，否则相同、功能相同和作用相同的元件、特征和部件在每种情况下由相同的附图标记表示。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的实施方式的用于量子通信的光学发射器1的示意图。

图1所示的光学发射器1是用于量子通信的光学发射器1。光学发射器1包括QKD信道2和参考信道5。QKD信道2被配置为使用量子密钥分发(QKD)的量子通信信道。QKD信道2包括至少一个QKD光源3，并且被配置成发射QKD编码脉冲4的流。在该实施方式中，QKD光源3被配置为发射平均每脉冲少于一个光子的单光子源。参考信道5包括参考光源6，并且被配置成发射参考脉冲7的流。QKD信道2和参考信道5被配置成发射定向在平行方向上的QKD编码脉冲4和参考脉冲7。

光学发射器1还包括控制电路8，该控制电路8连接至QKD信道2和参考光信道5，更具体地，连接至相应的QKD光源3和参考光源6。控制电路8被配置成控制QKD信道2和参考信道5，从而以相对于前面的QKD编码脉冲4的预定时间延迟T发射参考脉冲7。虽然在图1中，时间延迟T示出为QKD编码脉冲4与连续的参考脉冲7之间的距离，但是可以理解的是，图1中的脉冲距离通过光速(即，在真空中约3*10⁸m/s)与延迟时间T相关。由于图1是示意图，因此不能从图1中得出指示发射频率或脉冲重复率的值的尺度。

QKD编码脉冲4的波长与参考脉冲7的波长的差为5nm或更小。因此，两个脉冲的波长非常接近。可选地，QKD编码脉冲4的波长和参考脉冲7的波长基本上相同(即，小于5nm)。以这种方式，如下面进一步描述的，参考脉冲7在通过大气湍流传播时近似地经历相同的畸变。

在图1所示的实施方式中，QKD编码脉冲4和参考脉冲7没有组合并且分别通过不同的孔径(未示出)发射。在如下所述的其他实施方式中，QKD信道2和参考信道5在通过单个孔径发射组合射束之前被组合。

图2示出了根据本发明的实施方式的用于量子通信的光学接收器10的示意图。

图2示出了用于量子通信的光学接收器10。光学接收器10包括包含一个或更多个光子计数器的检测单元11，该检测单元11被布置并被配置成检测QKD编码脉冲4。光子检测单元11可以包括一个或更多个光子计数器，以及基于QKD编码脉冲4的光子的状态(例如它们的偏振)来分离QKD编码脉冲4的光子所需的光学器件。光子检测单元11还可以包含用于校正光子的偏振状态的光学器件，例如波片。光子检测单元11内的光学器件可以是分立的光学部件，或者它们可以被实现为光子芯片，例如光子集成芯片(PIC)。在BB84方案的情况下，检测单元11包含使用三个分束器和半波片布置的四个光子计数器，以检测四种不同的线偏振状态(水平0°、垂直90°、正+45°、负-45°)。光学接收器10还包括波前传感器12，该波前传感器12被布置成接收参考脉冲7。在本实施方式中，波前传感器12是夏克-哈特曼传感器。波前传感器12被配置成测量入射在波前传感器12上的参考脉冲7的波前13以提供波前信号。脉冲4、脉冲7的分离由二向色滤波器17执行，该二向色滤波器17将公共接收器信道R分离成指向检测单元11的第一接收器信道R1和指向波前传感器12的第二接收器信道R2。在理想情况下，QKD编码脉冲4在第一接收器信道R1上传播，并且参考脉冲7在第二接收器信道R2上传播。在本实施方式中，QKD编码脉冲4的波长与参考脉冲7的波长之间的差大于约1nm，例如在1nm与5nm之间，优选地在2nm与3nm之间。在这种情况下，二向色滤波器17被布置并被配置成通过频谱分离基本上对QKD编码脉冲4与参考脉冲7进行滤波。这可以例如通过陷波滤波器或窄带通滤波器(它们是可商购的物品)来实现。

在其他实施方式中，QKD编码脉冲4和参考脉冲7的波长基本上相同。在这种情况下，可以采用分束器而不是二向色滤波器17。

光学接收器10还包括自适应光学元件14，该自适应光学元件14布置在包含一个或更多个光子计数器的检测单元11的上游，并且被配置成操纵QKD编码脉冲4的波前15。因此，参考脉冲7的测量的波前13被自适应光学元件14校正，该自适应光学元件14在本实施方式中被配置为可变形镜。在其他实施方式中，将空间光调制器应用于该任务。

未在图2中示出的是布置在公共接收器信道R1上并被配置成接收由光学发射器1特别是由上述光学发射器1发射的QKD编码脉冲4和参考脉冲7的孔径。

光学接收器10包括接收器控制器16，该接收器控制器16连接至波前传感器12、自适应光学元件14和检测单元11。接收器控制器16被配置成在QKD编码脉冲4到达时将时间门G施加至检测单元11内的一个或更多个光子计数器。时间门G可以被配置为检测单元11内的光子计数器中的增益切换，使得仅能够在施加时间门G的时间期间检测入射光子并对入射光子进行计数。因此，仅在施加时间门G期间收集关于QKD编码脉冲4的数据。这样的时间门G具有宽度W，该宽度W大于QKD编码脉冲4的脉冲宽度W_QKD。根据QKD编码脉冲4的重复率将时间门G周期性地施加至一个或更多个光子计数器。

接收器控制器16还被配置成获得指示参考脉冲7的测量的波前13的波前信号。因此，参考脉冲7的波前13的相关数据由波前传感器12提供并被传输至接收器控制器16。

接收器控制器16还被配置成触发自适应光学元件14，以基于波前信号校正QKD编码脉冲4的波前15。具有经校正的波前，QKD编码脉冲4可以更好地聚焦在检测单元11内的光子计数器上，这降低了量子比特误码率(QBER)，并且因此提高了数据率。

图3示出了根据本发明的实施方式的用于量子通信的包括光学发射器1和光学接收器10的光学系统20的示意图。

用于量子通信的光学系统20包括光学发射器1。所示的光学系统20与以上关于图1所描述的光学发射器1兼容。光学系统20还包括光学接收器10，并且与以上关于图2描述的光学接收器10兼容。

光学发射器1被布置并被配置成朝向光学接收器10发射输出射束21。输出射束21包括QKD编码脉冲4和参考脉冲7，参考脉冲7相对于前面的QKD编码脉冲4延迟了预定时间延迟T。光学接收器10被布置并被配置成接收光学发射器1的输出射束21。

在图3所示的光学系统20中，输出射束21穿过大气22，在参考脉冲7的波前13和QKD编码脉冲4的波前15上产生湍流。最初地，在光学发射器1处，波前13、15二者均是平面波。然而，在穿过大气22之后，波前13、15二者均经历由大气22中的湍流引起的畸变，由于空气中的压力和/或温度差而引起折射率变化。

图4示出了根据本发明的实施方式的用于量子通信的参考信道5和QKD信道2的示意图。

图4在时间/距离轴40上描绘了QKD信道2中的QKD编码脉冲4和参考信道5中的参考脉冲7。虽然轴40涉及物理距离，但是由于脉冲4、脉冲7以相同的重复率恒定地发射，因此通过引入光速，轴40也可以被视为时间轴，因为时间与距离成比例。

在该实施方式中，预定时间延迟T约是两个连续的QKD编码脉冲4的时间周期P的一半。因此，从QKD编码脉冲4到前面的参考脉冲7的预定时间延迟T类似于从参考脉冲7到前面的QKD编码脉冲4的预定时间延迟T。这确保了两个脉冲流的最佳隔离，该最佳隔离在脉冲4、脉冲7分离的光学接收器10处特别有用。QKD编码脉冲4被具有宽度W的时间门G覆盖，该宽度W基本上覆盖整个QKD编码脉冲4。对检测器(例如检测单元11中的一个或更多个光子计数器)进行增益切换，使得在QKD编码脉冲4到达时当门“打开”时增益高。

图5示出了根据本发明的另一实施方式的用于量子通信的光学发射器1的示意图。

在图5的实施方式中，光学发射器1的QKD信道2包括布置在四个子信道2a、2b、2c、2d中的四个QKD光源3。QKD光源3被配置为单光子源，并且被配置成发射平均每脉冲少于一个光子，例如每脉冲0.5个光子。QKD光源3被配置为VCSEL，因此可以用作单光子源。在其他实施方式中，QKD光源3被配置为其他类型的激光二极管。

在该实施方式中，控制电路8包括向诸如光源3、光源6的电子装置供电的电源50。控制电路8包括脉冲发生器51。该脉冲发生器51连接至电源50。脉冲发生器51被配置为电流脉冲发生器51，该电流脉冲发生器51用于生成在本实施方式中用于驱动QKD光源3和参考光源6的电流脉冲。在其他实施方式中，脉冲发生器51被配置为电压脉冲发生器51，并且附加电路用于将电压脉冲转换成电流脉冲以驱动光源3、光源6。

为了通过由脉冲发生器51生成的脉冲来驱动QKD光源3，控制电路8包括QKD延迟线54，该QKD延迟线54连接至脉冲发生器51并且连接至每个QKD子信道2a、2b、2c、2d中的QKD光源3。QKD延迟线54被配置成生成相对于脉冲发生器51的每个生成的脉冲的时间延迟。通过触发脉冲发生器51中的脉冲生成，多个QKD光源3可以基本上同时发射QKD编码脉冲4。应当理解，根据编码信息，仅接通相关的QKD光源3。

在QKD信道2a、2b、2c、2d中的每一个信道中的QKD延迟线54的下游描绘了同步电流脉冲56。这些同步电流脉冲56驱动相应的QKD光源3以同时发射脉冲。在该实施方式中，偏振器58用于对关于QKD光源3的发射之后的由QKD光源发射的脉冲的信息进行编码。偏振器58被配置为微偏振器。在该设置中，光纤光学器件60用于通过使用用于将QKD编码脉冲4耦合到光纤62中的光纤耦合光学器件61来组合四个QKD信道2a至2d，光纤62在这种情况下是单模光纤和保偏光纤。光纤耦合器63用于组合QKD编码的脉冲4。连接光纤准直器64以将从所有四个QKD信道2a至2d组合的QKD编码脉冲4发射到自由空间。

控制电路8包括连接至脉冲发生器51的内部时钟52。内部时钟52被配置成提供用于参考脉冲7相对于前面的QKD编码脉冲4的预定时间延迟的时基。在其他实施方式中，代替图5和图6所示的内部时钟52，由例如从原子钟得出的外部时钟提供时基。控制电路8还包括连接至内部时钟52并在驱动器53与参考光源6之间的参考延迟线55。驱动器53被配置成驱动参考光源6。参考延迟线55被配置成对从内部时钟52到参考信道5的电信号进行延迟，以生成要施加至参考光通道5的预定时间延迟T。该参考延迟线通常可能不如用于QKD信道2的QKD延迟线54准确。

图5中示出了电流参考脉冲57。图5中的参考光源6是光纤耦合的光源。布置在参考信道5中的光纤准直器64将由参考光源6发射的参考脉冲7准直到自由空间中。

发射的参考脉冲7首先被引导至反射镜65，在该反射镜65处，参考脉冲7被重定向到组合器光学器件66。组合器光学器件66被布置并被配置成使用射束组合器66将在QKD信道2上发射的QKD编码脉冲4和在参考信道5上发射的参考脉冲7组合成组合的输出射束21。通过该射束组合，QKD编码脉冲4和参考脉冲7基本上被引导到相同的方向，以在公共光轴A上传播。在该实施方式中，射束组合器66是规则的分束器或半反射镜。在其他实施方式中，射束组合器66被配置为在QKD编码脉冲4的波长与参考脉冲7的波长之间的反射/透射时具有尖锐光谱边缘的二向色镜17。在其他实施方式中，QKD信道2和参考信道5的组合由采用光纤耦合器63的光纤光学器件60来执行。在这样的实施方式中，可以由光纤光学器件执行整个光学设置。在其他实施方式中，QKD编码脉冲4和参考脉冲7如图1所示的实施方式那样通过单独的孔径发射。

在以上实施方式中，为了简单起见，提及光纤光学器件60。应当理解，当方便时，也可以使用光子芯片内的波导来进一步减小光学发射器1的大小。

图6示出了根据本发明的另一实施方式的用于量子通信的光学发射器1的示意图。

图6中所示的实施方式基于图5中的实施方式，并且仅具有几处修改。在该实施方式中，不是用延时电流参考脉冲57直接驱动参考光源6，而是参考光源6被配置为发射具有连续光功率的光的cw(即连续波)光源。光学发射器1还包括连接至控制电路8的幅度调制器59。幅度调制器59布置在参考信道5中，并且被配置成调制参考光源6的发射光以生成参考脉冲7。控制电路8包括参考延迟线55，该参考延迟线55被配置成生成施加至参考光信道57的预定时间延迟T，在该情况下施加至幅度调制器59以生成参考脉冲7。在该实施方式中，幅度调制器59是马赫-曾德尔调制器。在其他实施方式中，幅度调制器59可以是适合于该任务的任何不同类型的调制器。

在图5和图6中，QKD信道2和参考信道5在单个结构单元中实现。在其他实施方式中，QKD信道2和参考信道5可以实现为子模块，布置在同一壳体中或两个单独的壳体中，经由线缆或无线连接。

图7示出了根据本发明的另一实施方式的用于量子通信的包括光学发射器1和光学接收器10的光学系统20的示意图。

图7所示的光学系统20基于本发明的前述实施方式，特别是图3中所示的光学系统20。在光学系统20的该实施方式中，光学发射器1还包括空间模式转换器70，该空间模式转换器70被配置成调制参考脉冲7的空间模式72以生成经转换的空间模式72，该经转换的空间模式72与QKD编码脉冲4的空间模式73正交。在其他实施方式中，空间模式转换器70被配置成调制QKD编码脉冲4的空间模式73。模式转换器可以将基本模式(例如，来自阶跃折射率光纤的高斯模式TEM₀₀或L₀₁模式)转换成更高阶的经转换的空间模式72(例如TEM₀₁或LP₁₁模式)。

类似于图5和图6的先前实施方式，光学发射器1包括反射镜65，以将参考脉冲7偏转到组合器光学器件66上，该组合器光学器件66被布置并被配置成将QKD编码脉冲4和参考脉冲7组合成组合的输出射束21。在这种情况下，QKD编码脉冲4和参考脉冲7在同一光轴A上传播，但是可能由于不同的空间模式而经历不同的发散。

该实施方式中的光学接收器10包括空间解复用器71，空间解复用器71在该实施方式中被配置为相位板。空间解复用器71布置在接收器信道R上，并且被配置成在相应的接收器信道R1和R2上基本上对QKD编码脉冲4与参考脉冲7进行空间滤波。在该实施方式中，空间解复用器71被配置成将参考脉冲7的经转换的空间模式72发送至第一接收信道R1，以入射到波前传感器12上。解复用器被配置成将QKD编码脉冲4的空间模式73反射到第二接收器信道R2，以入射到检测单元11上。

光学接收器10包括自适应光学元件14，该自适应光学元件14在此处布置在波前传感器12的上游并且被配置成操纵参考脉冲7的波前13。由于参考脉冲7的经转换的模式，接收器控制器16被配置成考虑了光学发射器1处的经转换的模式、基于测量的波前13来校正参考脉冲7的空间模式72。通过朝向参考脉冲7的经转换的空间模式72校正接收器脉冲7的波前13，QKD编码脉冲4的波前15也被校正，从而能够实现最佳聚焦。

在其他实施方式中，当QKD编码脉冲4的波长与参考脉冲7的波长之间的差在1nm与5nm之间，优选地在2nm与3nm之间时，使用附加的二向色滤波器17对QKD编码脉冲4和参考脉冲7进行光谱滤波。该波长差使得能够进一步隔离QKD编码脉冲4和参考脉冲7。

图8示出了根据本发明的实施方式的用于量子通信的方法的示意图。

图8示出了用于量子通信的方法。该方法包括以下步骤：由光学发射器1发射(S1)QKD编码脉冲4和参考脉冲7的流，其中，以相对于前面的QKD编码脉冲4的预定时间延迟T发射参考脉冲7。QKD编码脉冲4的波长与参考脉冲7的波长的差为5nm或更小。该方法还包括由波前传感器12测量(S2)参考脉冲7的波前13。提供了以下附加步骤：由自适应光学元件14基于测量的波前13对QKD编码脉冲4施加(S3)波前校正。该方法还包括以下步骤：由包含一个或更多个光子计数器的检测单元11通过将基于QKD编码脉冲4的到达时间的时间门G施加至检测单元11中的一个或更多个光子计数器以对QKD编码脉冲4与参考脉冲7进行时间滤波，来获得(S4)QKD编码脉冲4。

在上面的详细描述中，已经在一个或更多个示例中组合了各种特征以提高图示的严谨性。然而，在这种情况下应当清楚的是，上面的描述仅是说明性的而绝非限制性的。其用于涵盖各种特征和示例性实施方式的所有替选方案、修改和等同方案。考虑到上面的描述，对于本领域技术人员，基于其本领域的知识许多其他示例将是立即且直接清楚的。

已经选择和描述了示例性实施方式以能够以可能的最佳方式呈现本发明的基本原理及其在实践中的应用可能性。因此，本领域技术人员可以针对预期的使用目的最佳地修改和利用本发明及其各种示例性实施方式。在权利要求书和说明书中，术语“包含”和“具有”用作对应术语“包括”的中性语言概念。此外，术语“一”、“一个”和“一种”的使用原则上不应排除以这种方式描述的多个特征和部件。

尽管本文公开了本发明的至少一个示例性实施方式，但是应当理解，修改、替换方案和替选方案对于本领域普通技术人员来说可以是明显的，并且可以在不脱离本公开内容的范围的情况下做出。本公开内容旨在涵盖示例性实施方式的任何改编或变型。另外，在本公开内容中，术语“包括”或“包括有”不排除其他元件或步骤，术语“一”或“一种”不排除复数，并且术语“或”表示一者或两者。此外，除非本公开内容或上下文另有说明，否则已经描述的特征或步骤也可以与其他特征或步骤结合使用并且可以以任何顺序使用。本公开内容在此通过参引并入了本公开内容要求权益或优先权的任何专利或申请的全部公开内容。

附图标记列表

1光学发射器

2,2a-2d QKD信道

3QKD光源

4QKD编码脉冲

5参考信道

6参考光源

7参考脉冲

8控制电路

10光学接收器

11检测单元

12波前传感器

13参考脉冲的波前

14自适应光学元件

15QKD编码脉冲的波前

16接收器控制器

17二向色滤波器

20光学系统

21输出射束

22大气

40时间/距离轴

50电源

51脉冲发生器

52内部时钟

53驱动器

54QKD延迟线

55参考延迟线

56同步电流脉冲

57电流参考脉冲

58偏振器

59幅度调制器

60光纤光学器件

61光纤耦合光学器件

62光纤

63光纤耦合器

64光纤准直器

65反射镜

66射束组合器

70空间模式转换器

71空间解复用器

72参考脉冲的空间模式

73QKD编码脉冲的空间模式

A光轴

G时间门

P发射的脉冲的时间周期

T预定时间延迟

R,R1,R2接收器信道

W时间门的宽度

W_QKD QKD编码脉冲的脉冲宽度

S1-S4方法步骤

Claims (15)

1.一种用于量子通信的光学发射器(1)，包括：

QKD信道(2)，所述QKD信道包括至少一个QKD光源(3)并且被配置成发射QKD编码脉冲(4)的流；

参考信道(5)，所述参考信道包括参考光源(6)并且被配置成发射参考脉冲(7)的流；以及

控制电路(8)，所述控制电路连接至所述QKD信道(2)和所述参考光信道(5)，其中，所述控制电路(8)被配置成控制所述QKD信道(2)和所述参考信道(5)，从而以相对于所述QKD编码脉冲(4)的预定时间延迟(T)发射所述参考脉冲(7)，其中，所述QKD编码脉冲(4)的波长与所述参考脉冲(7)的波长的差为5nm或更小。

2.根据权利要求1所述的光学发射器(1)，其中，所述控制电路(8)包括脉冲发生器(51)，其中，所述控制电路(8)被配置成通过由所述脉冲发生器(51)生成的脉冲来驱动所述参考光源(6)。

3.根据权利要求1或2所述的光学发射器(1)，还包括连接至所述控制电路(8)的幅度调制器(59)，其中，所述参考光源(6)被配置为cw光源，其中，所述幅度调制器(59)布置在所述参考信道(5)中并且被配置成调制所述参考光源(6)的发射光以生成所述参考脉冲(7)。

4.根据前述权利要求中任一项所述的光学发射器(1)，其中，所述控制电路(8)包括参考延迟线(55)，所述参考延迟线被配置成对到所述参考信道(5)的电信号进行延迟以生成所述预定时间延迟(T)。

5.根据前述权利要求中任一项所述的光学发射器(1)，还包括空间模式转换器(70)，所述空间模式转换器被配置成调制所述QKD编码脉冲(4)的空间模式(73)和/或所述参考脉冲(7)的空间模式(72)。

6.根据前述权利要求中任一项所述的光学发射器(1)，还包括组合器光学器件(66)，所述组合器光学器件被布置并被配置成将所述QKD编码脉冲(4)和所述参考脉冲(7)组合成组合的输出射束(21)。

7.根据前述权利要求中任一项所述的光学发射器(1)，其中，所述QKD信道(2)包括多个QKD光源(3)，所述多个QKD光源被配置为单光子源。

8.根据权利要求7所述的光学发射器(1)，其中，所述控制电路(8)包括用于所述QKD光源(3)中的每一个的QKD延迟线(54)，其中，所述控制电路(8)被配置成触发所述多个QKD光源(3)以基本上同时发射所述QKD编码脉冲(4)。

9.根据前述权利要求中任一项所述的光学发射器(1)，其中，所述预定时间延迟(T)约是两个连续的QKD编码脉冲(4)的时间周期(P)的一半。

10.根据前述权利要求中任一项所述的光学发射器(1)，其中，所述控制电路(8)包括内部时钟(52)，其中，所述内部时钟(52)被配置成提供针对所述QKD编码脉冲(4)和所述参考脉冲(7)的预定时间延迟(T)的时基。

11.一种用于量子通信的光学接收器(10)，包括：

检测单元(11)，所述检测单元包含一个或更多个光子计数器，所述检测单元被布置并被配置成检测由光学发射器(1)特别是由根据前述权利要求所述的光学发射器(1)发射的QKD编码脉冲(4)；

波前传感器(12)，所述波前传感器被布置成接收由光学发射器(1)特别是由根据前述权利要求所述的光学发射器(1)发射的参考脉冲(7)，并且被配置成测量所述参考脉冲(7)的波前(13)以提供波前信号；

自适应光学元件(14)，所述自适应光学元件布置在所述检测单元(11)的上游并且被配置成操纵所述QKD编码脉冲(4)的波前(15)；以及

接收器控制器(16)，所述接收器控制器连接至所述波前传感器(12)、所述自适应光学元件(14)和所述检测单元(11)，其中，所述接收器控制器(16)被配置成：

在所述QKD编码脉冲(4)到达时，向所述检测单元(11)中的所述一个或更多个光子计数器施加时间门(G)；

获得指示所述参考脉冲(7)的所测量的波前(13)的所述波前信号；以及

触发所述自适应光学元件(14)，以基于所述波前信号来校正所述QKD编码脉冲(4)的所述波前(15)。

12.根据权利要求10所述的光学接收器(10)，还包括二向色滤波器(17)，其中，所述二向色滤波器(17)被布置并被配置成当所述QKD编码脉冲(4)的波长与所述参考脉冲(7)的波长之间的差在1nm与5nm之间优选地在2nm与3nm之间时，基本上对所述参考脉冲(7)与所述QKD编码脉冲(4)进行光谱滤波。

13.根据权利要求11或12所述的光学接收器(10)，其中，所述自适应光学元件(14)布置在所述波前传感器(12)的上游，并且被配置成操纵所述参考脉冲(7)的所述波前(13)，并且其中，所述接收器控制器(16)被配置成基于所述测量的波前(13)来校正所述参考脉冲(7)的空间模型(72)。

14.一种用于量子通信的光学系统(20)，所述光学系统包括根据权利要求1至9中任一项所述的光学发射器(1)和根据权利要求10至13中任一项所述的光学接收器(10)。

15.一种用于量子通信的方法，包括：

由光学发射器(1)发射(S1)QKD编码脉冲(4)和参考脉冲(7)的流，其中，以相对于所述QKD编码脉冲(4)的预定时间延迟(T)发射所述参考脉冲(7)，其中，所述QKD编码脉冲(4)的波长与所述参考脉冲(7)的波长的差为5nm或更小；

由波前传感器(12)测量(S2)所述参考脉冲(7)的波前(13)；

由自适应光学元件(14)基于所测量的波前(13)对所述QKD编码脉冲(4)施加(S3)波前校正；以及

由包含一个或更多个光子计数器的检测单元(11)通过将基于所述QKD编码脉冲(4)的到达时间的时间门(G)施加在所述检测单元(11)中的所述一个或更多个光子计数器处以对所述参考脉冲(7)与所述QKD编码脉冲(4)进行时间滤波，来获得所述QKD编码脉冲(4)。