CN207947787U - 一种基于偏振的w态测量装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于偏振的W态测量装置，所述W态测量装置接收来自于四个接收端口的量子信号，经第一分束器、第二分束器、第三分束器的输入端分别入射；随后经过第一偏振分束器、第二偏振分束器和第一平面镜、第二平面镜、第三平面镜、第四平面镜对联合量子态的演化，再经过第三偏振分束器、第四偏振分束器投影，最后经过第四分束器、第五分束器输出，由第一单光子探测器、第二单光子探测器、第三单光子探测器、第四单光子探测器分别探测，发送至符合计数器进行统计，最终实现W态的测量。本实用新型所公开的W态测量装置，可形成基于W态的测量设备无关量子密钥分发系统，采用线性光学元件，成本较低，技术成熟可靠。
Description
技术领域
本实用新型涉及量子信息与光通信技术领域，具体来说是涉及一种基于偏振的W态测量装置。
背景技术
自从1984年Bennett和Brassard提出第一个量子密钥分发协议(Quantum KeyDistribution,QKD)“BB84”以来，受益于光传输网络中信道(光纤)和器件(如分束器、雪崩光电二极管APD)的不断进步，QKD已经成为量子信息领域最为接近实用化的技术。QKD能够实现在窃听者存在的情况下，合法通信双方(通常称为Alice和Bob)共享理论上绝对安全的量子密钥。结合“一次一密(One Time Pad，OTP)”技术，Alice和Bob之间通过量子密钥就能实现绝对安全的通信。
但是实际器件和其理论模型之间的差异引入了一些安全隐患。例如，对于光子数分离(Photon Number Split，PNS)攻击，基于强衰减激光的弱相干光光源的多光子成分的信息将全部泄露。针对多个探测器量子效率不一致，人们提出了时移攻击和伪态攻击。甚至人们发现使用致盲攻击时，窃听者可以完全控制使用雪崩光电二极管(AvalanchePhotodiode)探测单光子态的商用结构，如id3110 Clavis2和QPN 5505。
于是，必须想方设法弥补这些漏洞。针对光源部分，人们提出了诱骗态方案，利用诱骗态光子对信道进行监控，更好地评估量子信道的情况，大大增加了安全通信距离，使得PNS攻击效率下降。针对探测器部分，人们提出了测量设备无关协议，利用时间反转的EPR协议等价性，很好地证明了该协议的安全性，并且一次性关闭了所有的探测器漏洞。
最初的测量设备无关量子密钥分发是基于Bell态测量。Alice和Bob分别制备量子态(直线基：水平偏振态|H>或垂直偏振态|V>；对角基：+45°偏振态 |+>或-45°偏振态|->)并发送到不可信的第三方Charlie(Eve)。Charlie通过Bell态测量得到结果，如果测量结果是时，表示测量成功。Charlie公布测量结果，Alice和Bob根据测量结果对本地数据操作即可得到安全密钥。
W态是多粒子纠缠态的一种，在量子信息处理有着非常重要的作用。W态可以使用Type II类参量下转换和线性光学器件来实现。与同为多粒子纠缠GHZ 态相比，W态的一个重要特征是当其中一个粒子丢失或者投影到制定量子态后，剩余的粒子仍然是纠缠的。也就是说，W态的鲁棒性更好。以4粒子为例，存在 16个W态，描述如下：
|W4，0>＝1/2(|HHHV>+|HHVH>+|HVHH>+|VHHH>) (1)
|W4，1>＝1/2(|HHHV>-|HHVH>-|HVHH>+|VHHH>) (2)
|W4，2>＝1/2(|HHHV>-|HHVH>+|HVHH>-|VHHH>) (3)
|W4，3>＝1/2(|HHHV>+|HHVH>-|HVHH>-|VHHH>) (4)
|W4，4>＝1/2(|HHHH>+|VVHH>+|VHVH>+|VHHV>) (5)
|W4，4>＝1/2(|HHHH>-|VVHH>-|VHVH>+|VHHV>) (6)
|W4，4>＝1/2(|HHHH>-|VVHH>+|VHVH>-|VHHV>) (7)
|W4，4>＝1/2(|HHHH>+|VVHH>-|VHVH>-|VHHV>) (8)
|W4，8>＝1/2(|HHVV>+|HVHV>+|HVVH>+|VVVV>) (9)
|W4，8>＝1/2(|HHVV>-|HVHV>-|HVVH>+|VVVV>) (10)
|W4，8>＝1/2(|HHVV>-|HVHV>+|HVVH>-|VVVV>) (11)
|W4，8>＝1/2(|HHVV>+|HVHV>-|HVVH>-|VVVV>) (12)
|W4，c>＝1/2(|HVVV>+|VHVV>+|VVHV>+|VVVH>) (13)
|W4，c>＝1/2(|HVVV>-|VHVV>-|VVHV>+|VVVH>) (14)
|W4,c>＝1/2(|HVVV>-|VHVV>+|VVHV>-|VVVH>) (15)
|W4,c>＝1/2(|HVVV>+|VHVV>+|VVHV>+|VVVH>) (16)
其中H表示水平偏振态，V表示垂直偏振态。
纠缠态(Bell、GHZ、W)的测量装置是实现测量设备无关量子密钥分发的关键。偏振是量子密钥分发协议中使用较多的自由度，因为其受大气环境影响较小，在自由空间QKD中存在较大的应用潜力。目前已经提出了基于time-bin编码的 W态测量装置，但是还缺少基于偏振编码的W态测量装置。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种基于偏振的W态测量装置，该装置具有四个输入端口，分别接收四个光子，经过内部器件的演化后，由四个单光子器进行探测，最后输入符合计数器进行统计。
本实用新型提出一种基于偏振的W态测量装置，该装置基于线性光学元件和单光子探测器，概率性地实现基于偏振的W态测量，识别出量子态 |W4,0>＝1/2(|HHHV>+|HHVH>+|HVHH>+|VHHH>)，可作为基于W态的量子密钥分发系统的解码器，形成新的量子密钥分发方案。
为达到上述目的，本实用新型是这样实现的：一种基于偏振的W态测量装置其中：
所述W态测量装置具有四个接收端口；所述接收端口用于接收来自量子信道的待测量的四个量子态；
所述量子信道为光纤或自由空间。
所述W态测量装置包括第一分束器、第二分束器、第三分束器、第四分束器、第五分束器、第一偏振分束器、第二偏振分束器、第三偏振分束器、第四偏振分束器和四个单光子探测器。
所述第一偏振分束器、第二偏振分束器、第三偏振分束器、第四偏振分束器采用四端口偏振分束器，可以透射水平偏振态，反射垂直偏振态。
所述四个接收端口接收到的光子进入W态测量装置，经过分束器和偏振分束器等光学元件的量子态变换，最后达到单光子探测器，单光子探测器根据接收的量子态做出响应：
即所述W态测量装置接收四个接收端口的量子信号，经第一分束器、第二分束器、第三分束器的输入端分别入射到W态测量装置，随后经过第一偏振分束器、第二偏振分束器和第一平面镜、第二平面镜、第三平面镜、第四平面镜对联合量子态的演化，再经过第三偏振分束器、第四偏振分束器投影，最后经过第四分束器、第五分束器输出，由第一单光子探测器、第二单光子探测器、第三单光子探测器、第四单光子探测器分别探测，发送至符合计数器进行统计。
当第一单光子探测器、第二单光子探测器、第三单光子探测器、第四单光子探测器同时响应时，意味着联合量子态投影到 |W4,0>＝1/2(|HHHV>+|HHVH>+|HVHH>+|VHHH>)。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：
1.本实用新型提出了一种基于偏振的W态测量装置，作为测量设备无关量子密钥分发的中继测量单元，结合量子终端单元可以形成新的基于W态的测量设备无关量子密钥分发方案。
2.本实用新型采用线性光学元件，成本低，技术成熟可靠。
附图说明
图1为本实用新型的量子终端单元的原理图；
图2为本实用新型的W态测量装置的原理图；
图3为本实用新型的结构原理图。
附图标记说明：
量子终端单元Alice-1’；第一脉冲激光器-101，第一相位调制器-102，第一偏振调制器-103，第一强度调制器-104，第一可调衰减器-105，第一光信道监控器-106；
量子终端单元Bob-2’；第二脉冲激光器-201，第二相位调制器-202，第二偏振调制器-203，第二强度调制器-204，第二可调衰减器-205，第二光信道监控器-206；
量子终端单元Charlie-3’；第三脉冲激光器-301，第三相位调制器-302，第三偏振调制器-303，第三强度调制器-304，第三可调衰减器-305，第三光信道监控器-306；
量子终端单元David-4’；第四脉冲激光器-401，第四相位调制器-402，第四偏振调制器-403，第四强度调制器-404，第四可调衰减器-405，第四光信道监控器-406；
W态测量装置Eason-5’，第一分束器-501，第二分束器-502，第三分束器 -503，第四分束器-504，第五分束器-505；
第一偏振分束器-511，第二偏振分束器-512，第三偏振分束器-513，第四偏振分束器-514；
第一平面镜-521，第二平面镜-522，第三平面镜-523，第四平面镜-524；
第一单光子探测器-531，第二单光子探测器-532，第三单光子探测器-533，第四单光子探测器-534；
符合计数器-506。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步说明。
参照附图1-图3所示，一种基于偏振的W态测量装置，应用于测量设备无关量子密钥分发系统，包括量子终端单元Alice-1’、量子终端单元Bob-2’、量子终端单元Charlie-3’、量子终端单元David-4’和W态测量装置Eason-5’；其中：
其中Alice、Bob、Charlie、David的结构完全相同，均为密钥分发的对象即通信终端，用于产生并调制脉冲激光为不同量子态，最后实现密钥共享。
所述Alice、Bob、Charlie、David以及Eason是对各个单元的一个命名，没有实际含义。
本实施例中，如图1所示，所述量子终端单元Alice-1’包括第一脉冲激光器-101，第一相位调制器-102，第一偏振调制器-103，第一强度调制器-104，第一可调衰减器-105，第一光信道监控器-106；
如图1所示，所述量子终端单元Bob-2’包括第二脉冲激光器-201，第二相位调制器-202，第二偏振调制器-203，第二强度调制器-204，第二可调衰减器 -205，第二光信道监控器-206；
如图1所示，所述量子终端单元Charlie-3’包括第三脉冲激光器-301，第三相位调制器-302，第三偏振调制器-303，第三强度调制器-304，第三可调衰减器-305，第三光信道监控器-306；
如图1所示，所述量子终端单元David-4’包括第四脉冲激光器-401，第四相位调制器-402，第四偏振调制器-403，第四强度调制器-404，第四可调衰减器 -405，第四光信道监控器-406；
如图2所示，所述W态测量装置Eason-5’包括第一分束器-501，第二分束器 -502，第三分束器-503，第四分束器-504，第五分束器-505，第一偏振分束器-511，第二偏振分束器-512，第三偏振分束器-513，第四偏振分束器-514，第一平面镜 -521，第二平面镜-522，第三平面镜-523，第四平面镜-524，第一单光子探测器 -531，第二单光子探测器-532、第三单光子探测器-533，第四单光子探测器-534、符合计数器-506。
如图3所示，本实用新型工作时，所述量子终端单元Alice、Bob、Charlie、 David的第一、第二、第三、第四脉冲激光器101、201、301、401分别发出脉冲激光，利用第一、第二、第三、第四相位调制器102、202、302、402分别随机加载相位，利用第一、第二、第三、第四偏振调制器103、203、303、403分别把脉冲激光随机调制成水平，垂直，+45°或-45°偏振态，经过第一、第二、第三、第四强度调制器104、204、304、404分别标记诱骗态或信号态，再经过第一、第二、第三、第四可调衰减器105、205、305、405衰减指定平均光子数的脉冲，然后发送到W态测量装置Eason-5’，其中第一、第二、第三、第四光信道监控器106、206、306、406用于估计量子信道的光子数分布和监控木马攻击；
经调制的量子态通过量子信道传输到W态测量装置Eason-5’，经第一分束器 501、第二分束器502、第三分束器503的输入端分别入射到W态测量装置，经过第一偏振分束器511、第二偏振分束器512和第一平面镜521、第二平面镜522、第三平面镜523、第四平面镜524对联合量子态的演化，经过第三偏振分束器513、第四偏振分束器514投影，最后经过第四分束器504、第五分束器505输出，由第一、第二、第三、第四单光子探测器531、532、533、534分别探测，输入符合计数器 506进行统计。
W态测量装置Eason-5’宣布测量结果。如果第一、第二、第三、第四单光子探测器531、532、533、534同时响应即符合计数器506计数，表明结构投影到了量子态|W4,0>＝1/2(|HHHV>+|HHVH>+|HVHH>+|VHHH>)。
根据以上表达式可知，其中有一个量子终端单元的量子态与其他几个不同。因此可根据以下步骤进行密钥分发：随机选择四个量子终端单元中的两个，如果其量子态均为|H>，则表明剩余两个量子终端单元的量子态一个为|H>，一个为 |V>，剩余两者的其中之一做比特翻转即可得到相同的码。具体方式如下表所示。
如果第一、第二、第三、第四单光子探测器531、532、533、534为其他情况，则表明测量失败，数据无效。
需要注意的是，如果采用的是对角基+45°和-45°偏振态，理论表明对角基的误码率要大于直线基，因此对角基可用于估计误码，但是不用于生成密钥。
1.本实用新型提出了一种基于偏振的W态测量装置，作为测量设备无关量子密钥分发的中继测量单元，结合量子终端单元可以形成基于W态的测量设备无关量子密钥分发系统。
2.本实用新型采用线性光学元件，成本低，技术成熟可靠。
根据上述说明书的揭示和教导，本实用新型所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本实用新型并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对实用新型的一些修改和变更也应当落入本实用新型的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本实用新型构成任何限制。
Claims (4)
1.一种基于偏振的W态测量装置，其特征在于：
所述W态测量装置包括第一分束器，第二分束器……第五分束器；
所述W态测量装置还包括第一偏振分束器，第二偏振分束器……第四偏振分束器；
所述W态测量装置还包括第一平面镜，第二平面镜……第四平面镜；
所述W态测量装置还包括第一单光子探测器，第二单光子探测器……第四单光子探测器以及符合计数器；
所述W态测量装置具有四个接收端口；
所述接收端口用于接收来自量子信道的待测量的四个量子态；
W态测量装置通过第一分束器、第二分束器、第三分束器分别接收来自于四个接收端口的量子信号；
所述W态测量装置接收四个接收端口的量子信号，经第一分束器、第二分束器、第三分束器的输入端分别入射，随后经过第一偏振分束器、第二偏振分束器和第一平面镜、第二平面镜、第三平面镜、第四平面镜对联合量子态的演化，再经过第三偏振分束器、第四偏振分束器投影，最后经过第四分束器、第五分束器输出，由第一单光子探测器、第二单光子探测器、第三单光子探测器、第四单光子探测器分别探测，发送至符合计数器进行统计。
2.如权利要求1所述的一种基于偏振的W态测量装置，其特征在于：所述偏振分束器为四端口偏振分束器。
3.如权利要求2所述的一种基于偏振的W态测量装置，其特征在于：所述偏振分束器透射水平偏振态，反射垂直偏振态。
4.如权利要求1所述的一种基于偏振的W态测量装置，其特征在于：所述量子信道为光纤或自由空间。
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|---|---|---|---|
| CN201721928744.5U CN207947787U (zh) | 2017-12-29 | 2017-12-29 | 一种基于偏振的w态测量装置 |
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