CN210839602U - 一种量子密钥发射机及量子密钥分发系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种量子密钥发射机及量子密钥分发系统，其中量子密钥发射机的量子比特编码模块包括不等臂干涉仪、设置于不等臂干涉仪的第一臂上的第一强度调制器以及设置于不等臂干涉仪的第二臂上的第二强度调制器，第一强度调制器用于将第一臂上的相干脉冲调制为所需强度，第二强度调制器用于将第二臂上的相干脉冲制为所需强度。因此，不等臂干涉仪的两臂上的光脉冲频率与光源模块产生的光脉冲频率相同，强度调制器的工作频率与光源模块产生的光脉冲频率一致即可完成工作任务，因而本申请的强度调制器的工作频率只需现有技术中的强度调制器的工作频率的一半，从而强度调制器的控制电路开发难度低，QKD设备实现容易度高。

Description

一种量子密钥发射机及量子密钥分发系统

技术领域

本申请涉及量子保密通信技术领域，具体涉及一种量子密钥发射机及量子密钥分发系统。

背景技术

量子保密通信是近年来发展起来的新型通信技术，是量子理论和信息论相结合产生的新学科，它利用量子物理的基本特性来实现通信的无条件安全。其中，量子密钥分发(QKD)作为量子通信技术中最早实现商用化的分支十余年来已经引起广泛关注，并获得了快速发展。

QKD是利用物质(如光子)的量子特性来设计加解密方案，其安全性是基于量子力学的基本原理而不是数学计算的复杂性。QKD利用海森堡不确定性原理和未知量子态不可克隆原理来发现窃听的存在，理论上确保了信息的无条件安全性。在实际应用中，QKD利用这一原理，可使事先没有共享秘密信息的双建立通信密钥，再采用香农已证明的“一次一密”密码通信，即可保证双方的通信安全。

目前，最常用的QKD协议是BB84协议(Bennett和Brassard，1984)，这是由于该协议已被证明可以抵御最普通的攻击集合的事实。BB84结合诱骗态方案能很好地解决非理想单光子源安全隐患，是目前应用最广泛和实用化程度最高的方案。

然而BB84协议中却需要4种编码状态，因此提出了BB84协议的更简单版本，即所谓的“三态协议”。Fung等人三态协议这个协议可以抵御一般的攻击，Tamaki等人证明了三态协议是具有丢失容忍性的，这意味着即使在光源不完善的情况下三态协议也可以在长距离上进行通信，除此之外理论也证明了三态协议的性能与BB84协议的性能完全相同，这意味着BB84协议中的第四种状态是多余的。因此，基于三态协议的QKD大大降低了量子保密通信实现的难度。

目前基于三态协议的QKD的发射机如图1所示，包括依次相连接的光源、马赫曾德尔(MZ)不等臂干涉仪以及强度调制器(IM)，光源发射的每光脉冲经过MZ不等臂干涉仪后分成包括前后两个光脉冲的脉冲对，该光脉冲对进入强度调制器随机消除前一个脉冲和/或者后一个脉冲，或者不进行消光处理，从而进行时间比特、相位比特以及真空态的编码，如图2所示的示意图。

但是，现有技术中的设备在实现时间量子比特以及相位量子比特编码时，由于光源发射的每光脉冲经过MZ不等臂干涉仪后分成包括前后两个光脉冲，因此强度调制器的主频至少是光源主频的2倍，从而增加强度调制器的控制电路开发难度，导致QKD设备实现难度大幅度提高。

发明内容

本申请提供一种量子密钥发射机及量子密钥分发系统，以解决现有的方案强度调制器的控制电路开发难度高而导致的QKD设备实现难度高的问题。

本申请的第一方面提供一种量子密钥发射机，包括光源模块以及量子比特编码模块：

所述光源模块，用于产生光脉冲；

所述量子比特编码模块包括不等臂干涉仪、设置于不等臂干涉仪的第一臂上的第一强度调制器以及设置于不等臂干涉仪的第二臂上的第二强度调制器；

所述不等臂干涉仪的输入端将通过的所述光源模块产生的每个光脉冲均分成两个相干脉冲的脉冲对，该脉冲对的一个相干脉冲经过不等臂干涉仪的第一臂，另一个相干脉冲经过不等臂干涉仪的第二臂；

所述第一强度调制器用于将第一臂上的相干脉冲调制为所需强度，所述第二强度调制器用于将第二臂上的相干脉冲制为所需强度；

所述不等臂干涉仪的输出端将调制后的两个相干脉冲输出后得到编码的量子比特信号。

优选地，所述量子密钥发射机还包括维稳模块；

所述维稳模块用于根据接收的所述第一强度调制器调制后的光脉冲测量反馈调节第一强度调制器，使所述第一强度调制器输出的光强符合系统要求；

所述维稳模块用于根据接收的所述第二强度调制器调制后的光脉冲测量反馈调节第二强度调制器，使所述第二强度调制器输出的光强符合系统要求。

优选地，所述维稳模块包括第一维稳装置以及第二维稳装置；

所述第一维稳装置用于反馈调节第一强度调制器；

所述第二维稳装置用于反馈调节第二强度调制器。

优选地，所述光源模块发出的光通过注入锁定的方式获得。

优选地，所述光源模块中的激光器采用电吸收激光器或者内调制激光器。

优选地，所述光源模块发出的光通过斩波的方式获得。

本申请的第二方面提供一种量子密钥分发系统，包括量子密钥发射机以及量子密钥接收机，该量子密钥发射机为上述任意一项所述的量子密钥发射机。

优选地，所述量子密钥接收机通过主动基矢选择或被动基矢选择对接收的量子比特信号进行解码。

优选地，所述量子密钥接收机包括第一探测模块：

第一探测模块包括第一不等臂干涉仪单元以及第一光电探测单元，所述第一光电探测单元与所述不等臂干涉仪单元的输出端连接，用于探测利用时间基矢编码的量子比特以及利用相位基矢编码的量子比特。

优选地，所述量子密钥接收机还包括分束器，以及分别连接所述分束器两个输出端的第一探测模块和第二探测模块：

所述分束器将接收的量子比特信号分成两路，一路输入至第一探测模块，另一路输入至第二探测模块；

所述第一探测模块用于探测利用相位基矢编码的量子比特；

所述第二探测模块包括第二光电探测单元，用于探测利用时间基矢编码的量子比特。

优选地，所述量子密钥接收机包括分束器、相位解码模块、时间解码模块、第一光开关以及光电探测器；

所述分束器将接收的量子比特信号分成两路，一路输入至相位解码模块，另一路输入至时间解码模块；

所述第一光开关将相位解码模块或时间解码模块输出的信号传输至光电探测器。

优选地，所述量子密钥接收机包括第三探测模块，第三探测模块包括不等臂干涉仪单元、第一光电探测单元以及第四强度调制器，所述第四强度调制器设置在所述不等臂干涉仪单元的一臂上，所述第一光电探测单元与所述不等臂干涉仪单元的输出端连接；

通过控制所述第四强度调制器的工作状态，选择探测利用时间基矢编码的量子比特和/或利用相位基矢编码的量子比特。

优选地，所述量子密钥接收机包括第二光开关，以及分别连接所述光开关两个输出端的第四探测模块和第五探测模块：

所述第二光开关将接收的量子比特信号分成两路，一路输入至第四探测模块，另一路输入至第五探测模块；

第四探测模块包括第二不等臂干涉仪单元以及第三光电探测单元，所述第三光电探测单元与所述第二不等臂干涉仪单元的输出端连接，用于探测利用利用相位基矢编码的量子比特

第五探测模块包括第三光电探测单元，用于探测利用相位基矢编码的量子比特；

通过控制所述第二光开关的工作状态，选择探测利用相位基矢编码的量子比特或利用时间基矢编码的量子比特。

本申请提供一种量子密钥发射机及量子密钥系统，与现有技术相比有以下优点：

本申请的量子密钥发射机的量子比特编码模块包括不等臂干涉仪、设置于不等臂干涉仪的第一臂上的第一强度调制器以及设置于不等臂干涉仪的第二臂上的第二强度调制器；不等臂干涉仪的输入端将通过的所述光源模块产生的每个光脉冲均分成两个相干脉冲的脉冲对，该脉冲对的一个相干脉冲经过不等臂干涉仪的第一臂，另一个相干脉冲经过不等臂干涉仪的第二臂；所述第一强度调制器用于将第一臂上的相干脉冲调制为所需强度，所述第二强度调制器用于将第二臂上的相干脉冲制为所需强度。因此，不等臂干涉仪的两臂上的光脉冲频率与光源模块产生的光脉冲频率相同，因而本申请的强度调制器的工作频率与光源模块产生的光脉冲频率一致即可完成工作任务，相对于现有的技术方案而言，本申请强度调制器的工作频率只需现有技术中的强度调制器的工作频率的一半，因此本申请的强度调制器的控制电路开发难度低，QKD设备实现容易度高。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，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，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有的技术中的量子密钥发射机的结构示意图；

图2为现有的技术中的量子密钥发射机调制的发光状态示意图；

图3为本申请的一种量子密钥发射机的结构示意图；

图4为本申请的量子密钥发射机调制出的四种量子比特状态示意图；

图5为本申请的第一种具有维稳功能的量子密钥发射机的结构示意图；

图6为本申请的第二种具有维稳功能的量子密钥发射机的结构示意图；

图7为本申请的第三种具有维稳功能的量子密钥发射机的结构示意图；

图8为本申请的第一维稳装置的结构示意图；

图9为本申请的第一种注入锁定方案的量子密钥发射机的结构示意图；

图10为本申请的第二种注入锁定方案的量子密钥发射机的结构示意图；

图11为本申请的电吸收激光器方案的量子密钥发射机的结构示意图；

图12为本申请的内调制激光器方案的量子密钥发射机的结构示意图；

图13为本申请的斩波方案的一种光源模块的结构示意图；

图14为本申请的斩波方案的脉冲调制时序示意图；

图15为本申请的基于被动基矢选择的第一种量子密钥接收机的结构示意图；

图16为本申请的基于被动基矢选择的第二种量子密钥接收机的结构示意图；

图17为本申请的基于被动基矢选择的第三种量子密钥接收机的结构示意图；

图18为本申请的基于被动基矢选择的第四种量子密钥接收机的结构示意图；

图19为本申请的基于被动基矢选择的第五种量子密钥接收机的结构示意图；

图20为本申请的基于被动基矢选择的第六种量子密钥接收机的结构示意图；

图21为本申请的基于主动基矢选择的第一种量子密钥接收机的结构示意图；

图22为本申请的基于主动基矢选择的第二种量子密钥接收机的结构示意图；

图23为本申请的基于主动基矢选择的第三种量子密钥接收机的结构示意图；

图24为本申请的基于主动基矢选择的第四种量子密钥接收机的结构示意图；

图25为本申请的基于主动基矢选择的第五种量子密钥接收机的结构示意图；

图26为本申请的基于主动基矢选择的第六种量子密钥接收机的结构示意图；

图27为本申请的基于主动基矢选择的第七种量子密钥接收机的结构示意图；

图28为本申请的基于主动基矢选择的第八种量子密钥接收机的结构示意图；

图29为本申请的基于主动基矢选择的第九种量子密钥接收机的结构示意图；

图30为本申请的基于主动基矢选择的第十种量子密钥接收机的结构示意图。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、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申请作进一步详细的说明。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，都属于本发明的保护范围。

本申请的第一方面提供一种量子密钥发射机，包括光源模块、量子比特编码模块以及量子态制备模块，其结构请参阅图3所示的示意图：

所述光源模块，用于产生光脉冲，其中光源模块中的激光器产生具有随机相位的光脉冲。所述量子比特编码模块包括不等臂干涉仪、设置于不等臂干涉仪的第一臂上的第一强度调制器以及设置于不等臂干涉仪的第二臂上的第二强度调制器，其中所述不等臂干涉仪的输入端将通过的所述光源模块产生的每个光脉冲均分成两个相干脉冲的脉冲对。具体请参阅图4所示的示意图，每个脉冲对中的两个相干脉冲的相位差始终保持恒定，例如相位差为0，脉冲对与脉冲对之间的相位随机变化。

该脉冲对的一个相干脉冲经过不等臂干涉仪的第一臂，另一个相干脉冲经过不等臂干涉仪的第二臂；所述第一强度调制器用于将第一臂上的相干脉冲调制为所需强度，所述第二强度调制器用于将第二臂上的相干脉冲制为所需强度；所述不等臂干涉仪的输出端将调制后的两个相干脉冲输出后得到编码的量子比特。由于不等臂干涉仪的两臂的光程不同，因此从不等臂干涉仪的输出端输出后为在时间上分离的脉冲对，由于该脉冲对经过了第一强度调制器以及第二强度调制器的调制后，不等臂干涉仪的输出端所输出的脉冲对则为编码完成的量子比特信号。

需要说明的是若经过第一强度调制器以及第二强度调制器调制后所输出的量子比特信号平均强度值高于单光子强度，或者需要调节量子比特信号的强度，本申请的量子密钥发射机还可以包括所述量子态制备模块，用于将编码完成的量子比特信号衰减至所需强度，一般是采用光衰减器(ATT)将编码完成的量子比特信号的平均强度值衰减至单光子强度以下。需要说明的是，本申请的ATT可以用第一光开关、第二光开关以及位于第一光开关和第二光开关之间的多个不同规格固定衰减器替代，第一光开关用于选择将量子信号经过某一规格的固定衰减器后，第二光开关用于选择发出衰减后的信号。

不等臂干涉仪的两臂上的光脉冲频率与光源模块产生的光脉冲频率相同，因而本申请的强度调制器的工作频率与光源模块产生的光脉冲频率一致即可完成工作任务，相对于现有的技术方案而言，本申请强度调制器的工作频率只需现有技术中的强度调制器的工作频率的一半，因此本申请的强度调制器的控制电路开发难度低，QKD设备实现容易度高。

由于强度调制器的工作点会发生漂移，因此为了使得强度调制器调节出的强度符合系统要求，一般每隔一段时间后需要对强度调制器进行维稳，或者实时的对强度调制器进行维稳，即使得强度调制器的电压处于工作点附近。因此，本申请的量子密钥发射机还包括维稳模块；所述维稳模块用于根据接收的所述第一强度调制器调制后的光脉冲测量反馈调节第一强度调制器，使所述第一强度调制器输出的光强符合系统要求；所述维稳模块用于根据接收的所述第二强度调制器调制后的光脉冲测量反馈调节第二强度调制器，使所述第二强度调制器输出的光强符合系统要求。

本申请的维稳模块可以是中断式维稳、也可以是实时反馈式维稳。本申请的维稳模块可以包括第一维稳装置以及第二维稳装置；所述第一维稳装置用于反馈调节第一强度调制器，所述第二维稳装置用于反馈调节第二强度调制器。本申请的维稳模块也可以只有一个维稳装置，用于同时反馈调节第一强度调制器与第二强度调制器。

其中采用中断式维稳的量子密钥发射机结构如图5所示，该结构每隔一定的时间需要中断通信才能维稳，维稳时利用光源模块发出的脉冲光，经过第一光强调制器的调制的光脉冲经过分数装置1输入至第一维稳装置，第一维稳装置测量接收的光脉冲的平均光功率值，并根据该平均光功率值的结果反馈调节第一光强调制器的工作点电压进行强度维稳。经过第二光强调制器的调制的光脉冲经过分数装置2输入至第二维稳装置，第二维稳装置测量接收的光脉冲的平均光功率值，并根据该平均光功率值的结果反馈调节第二光强调制器的工作点电压进行强度维稳。其中，分数装置1与分数装置2均为分束器。

其中，采用实时反馈式维稳的量子密钥发射机结构如图6和图7所示，该结构可以实时的对强度调制器进行维稳，而不需要中断量子密钥发射机的工作。参考光源1和参考光源2发出的光脉冲定义为参考光，由光源模块发出的光脉冲定义为工作光，工作光用于通讯，参考光用于维稳，因而参考光对工作光几乎没有影响，因此本申请的实时维稳系统可以在不影响通讯效率的情况下进行维稳工作。具体工作原理如下：

第一种实时反馈调节方式是：所述工作光与所述参考光经过合束装置1输出合束光，将所述合束光发送至第一强度调制器；第一强度调制器用于所述合束光进行调制输出调制光，将所述调制光发送至所述分束装置1，所述分束装置1用于所述调制光进行分束，得到调制工作光以及调制参考光。本申请的分束装置1可以是波分复用器或其他常见的波分器件，只要能够将调制光进行分束即可。所述分束装置1将所述调制参考光输送给第一维稳装置，第一维稳装置用于根据测量的调制参考光的平均光功率值实时反馈调节第一强度调制器的DC端的电压或者RF端的电压，使输出的调制工作光的光强符合系统要求。所述第二强度调制器的维稳原理与第一强度调制器的一致，请参考图6的示意图与第一强度调制器维稳的原理，此处不在赘述。

第二种实时反馈调节方式是：合束装置1用于将接收到的参考光合束至主光路，将参考光传输至第一强度调制器一端，工作光经过分束装置1后传输至第一强度调制器另一端，并且参考光传播方向与工作光传播方向相反；第一强度调制器用于对工作光进行调制，输出调制工作光，对参考光进行调制，输出调制参考光；分束装置1用于将调制参考光从主光路中分离出来；第一维稳装置用于接收调制参考光并根据测量的调制参考光的平均光功率值实时反馈调节第一强度调制器的DC端电压或者RF端电压，使输出的调制工作光的光强符合系统要求。所述第二强度调制器的维稳原理与第一强度调制器的一致，请参考图7的示意图与第一强度调制器维稳的原理，此处不在赘述。

需要说明的是上述的参考光源1和参考光源2可以是通过一个参考激光器发射的参考光分束得到。以第一种实时反馈调节方式为例：具体为参考激光器发出的脉冲经过分束器后分别输出至不等干涉仪的第一臂和第二臂中，也可以是参考激光器发出的光脉冲与光源模块发出的光脉冲在进入不等臂干涉仪之前进行合束，经过不等臂干涉仪的输入端后，参考激光器发出的光脉冲被分为两路，一路输入至不等臂干涉仪的第一臂，另一路输入至不等臂干涉仪的第二臂。第二种实时反馈调节方式的参考光源1和参考光源2可以是通过一个参考激光器发射的参考光分束得到，与第一种实时反馈调节方式原理类似，此处不在赘述。

上述的所述第一维稳装置与所述第二维稳装置的结构相同，本申请以第一维稳装置为例：其具体结构而请参阅图8，包括光电探测器、模数转换器以及处理器，光电探测器用于探测接收的光功率，探测的光功率经模数转化器转换成数字信号后输送至处理器，处理器根据光功率计算平均光功率值，并实时反馈调节第一强度调制器。需要说明的是所述第二维稳装置也可省略，将输入至第二维稳装置的光输入至所述第一维稳装置，也可以通过第一维稳装置同时对第一光强度调制器与第二光强度调制器进行维稳。其中，光电探测器为光电二极管(如PIN管、APD管等)，所述处理器为CPU、GPU、DSP以及FPGA等。

所述光源模块发出的光通过注入锁定的方式获得。此时光源模块的结构主要有两种，如图9及图10的示意图，一类如图9示的示意图，该类结构包括主激光器、不等臂干涉仪以及从激光器，不等臂干涉仪将主激光器发射的每个光脉冲分成在时间上分离的脉冲对，每个脉冲对的两个相干脉冲的相位差始终保持恒定，例如相位差为0，脉冲对与脉冲对之间的相位随机变化，所生成的脉冲对经过环形器后注入至从激光器中，用于激励从激光器发出相位随机变化且两个相干脉冲的相位差始终保持恒定的脉冲对，该脉冲对经过环形器后输入至量子比特编码模块，用于量子比特编码。另一类如图10的示意图，该类结构包括主激光器以及从激光器，主激光器发射的每个光脉冲经过环形器后注入至从激光器中，用于激励从激光器发出相位随机变化且两个相干脉冲的相位差始终保持恒定的脉冲对，其中主激光器发射的脉宽宽度在时域上至少要覆盖从激光器发射两个脉冲的时域范围，从激光器发射的脉冲对经过环形器后输入至量子比特编码模块，用于量子比特编码。采用注入锁定方式发射的脉冲对光谱更优，系统成码率指标更好。

本申请的光源模块中的激光器还可以采用电吸收激光器或者内调制激光器，其中采用电吸收激光器的量子密钥发射机结构如图11，发光控制信号由端口1输入至电吸收激光器中，发光控制信号控制电吸收激光器发出光脉冲，电吸收控制信号由端口2输入至电吸收激光器中，用于吸收电吸收激光器的发出光脉冲的强度。因此当需要调制真空态时，控制电吸收控制信号输入至电吸收激光器中完全吸收掉发出光脉冲，当需要调制信号态的诱骗态时，控制电吸收控制信号输入至电吸收激光器中吸收一部分发出光脉冲的强度。当然，若选择的电吸收激光器不能够完全吸收掉发出光脉冲的强度，则也可通过量子比特编码模块中的第一强度调制器以及第二强度调制器进一步的按照需求将光脉冲调制成所需要的状态。

另一种采用内调制激光器的量子密钥发射机结构如图12，第一控制信号由端口1输入至内调制激光器中，第二控制信号由端口2输入至内调制激光器中，第一控制信号与第二控制信号一起控制内调制激光器的发光状态，例如：当输入第一控制信号以及第二控制信号后，内调制激光器发射出由两个相干脉冲组成的脉冲对；若降低第一控制信号以及第二控制信号的输入强度，则内调制激光器发射出由两个强度较弱的相干脉冲组成的脉冲对；若输入第一控制信号无输入第二控制信号，则内调制激光器发射出由前一个为空脉冲后一个为脉冲组成的脉冲对；若输入较弱强度的第一控制信号无输入第二控制信号，则内调制激光器发射出由前一个为空脉冲后一个为较弱强度的脉冲组成的脉冲对；若输入第二控制信号无输入第一控制信号，内调制激光器发射出由前一个为脉冲后一个为空脉冲组成的脉冲对，若输入强度较弱的第二控制信号无输入第一控制信号，内调制激光器发射出由前一个为强度较弱的脉冲后一个为空脉冲组成的脉冲对；若无输入第二控制信号也无输入第一控制信号，则内调制激光器发射出真空脉冲对。总之，可根据调制情况，通过控制输入的第一控制信号与第二控制信号使内调制激光器的发出所需脉冲，例如若需要真空态，则无输入第二控制信号也无输入第一控制信号即可，此时不需要控制第一强度调制器以及第二强度调制器工作；若需要信号态或者相位态，则输入第一控制信号和/或者第二控制信号，然后通过控制第一强度调制器和/或第二强度调制器进行调制得到信号态或者相位态，具体方法与上文一致，此处不在赘述。若需要诱骗态则输入强度较弱的第一控制信号和/或者强度较弱的第二控制信号，然后通过控制第一强度调制器和/或第二强度调制器进行调制得到诱骗态，具体方法与上文一致，此处不在赘述。

总之，从上述电吸收激光器以及内调制激光器的工作原理可知，采用这两类的激光器在需要真空态时，可以通过调制激光器即可实现真空态的编码，而不需要第一强度调制器和第二强度调制器进行工作。当需要诱骗态时，可通过控制电吸收激光器或内调制激光器发射出的脉冲强度，然后通过第一强度调制器和第二强度调制器不进行工作得到相位的诱骗态，通过第一强度调制器或第二强度调制器将其中一个脉冲压制掉得到信号态的诱骗态。因此，采用电吸收激光器以及内调制激光器的方案，可以进一步降低第一强度调制器和第二强度调制器工作要求，使其控制电路开发难度进一步降低。

优选地，所述光源模块发出的光通过斩波的方式获得。此时，所述的光源模块具体结构请参阅图13示的示意图，包括依次相连接的激光器、第三强度调制器以及相位调制器。具体工作时的时序示意图如图14示，所述激光器发射连续光，所述强度调制器将经过的连续光按照需求压制成脉冲光，此时压制成的脉冲光之间的相位相同，然后相位调制器将经过的脉冲光调制成相位随机的脉冲光。

本申请的第二方面提供一种量子密钥分发系统，包括量子密钥发射机以及量子密钥接收机，其特征在于，该量子密钥发射机包括上述任意一项所述的量子密钥发射机。所述量子密钥接收机通过主动基矢选择或被动基矢选择对接收的量子比特信号进行解码。

所述量子密钥接收机通过被动基矢选择对接收的量子比特信号进行解码时，所述量子密钥接收机包括第一探测模块：第一探测模块包括第一不等臂干涉仪单元以及第一光电探测单元，所述第一光电探测单元与所述不等臂干涉仪单元的输出端连接，具体结构请参阅图15和16示的结构示意图，第一光电探测单元包括第一光电探测器D0和/或第二光电探测器D1，当第一光电探测单元只包含第一光电探测器D0或第二光电探测器D1时，第一光电探测器D0与不等臂干涉仪的一个输出端连接，当第一光电探测单元包括第一光电探测器D0和第二光电探测器D1时，分别连接在不等臂干涉仪的两个输出端上。第一光电探测器D0和/或第二光电探测器D1用于探测利用时间基矢编码的量子比特以及利用相位基矢编码的量子比特。其中，若第一光电探测单元包括第一光电探测器D0和第二光电探测器D1时，第一光电探测器D0探测的相位信息与第二光电探测器D1探测的相位信息互补。

优选地，所述量子密钥接收机还包括分束器，以及分别连接所述分束器两个输出端的第一探测模块和第二探测模块：所述分束器将接收的量子比特信号分成两路，一路输入至第一探测模块，另一路输入至第二探测模块。具体结构请参阅图17图20的结构示意图，所述第二探测模块包括第二光电探测单元，所述第二光电探测单元包括第三光电探测器D2和/或第四光电探测器D3，当所述第二光电探测单元只有一个光电探测器时其结构如图17图18所示，当所述第二光电探测单元有两个光电探测器时其结构如图18图20。所述第一探测模块用于探测利用相位基矢编码的量子比特；所述第二探测模块用于探测利用时间基矢编码的量子比特。

优选地，所述量子密钥接收机包括分束器、相位解码模块、时间解码模块、第一光开关以及光电探测器，其具体结构可参阅图21至24所示的示意图；所述分束器将接收的量子比特信号分成两路，一路输入至相位解码模块，另一路输入至时间解码模块；其中相位解码模块为不等臂干涉仪，可使得相位编码的量子比特发生干涉，不等臂干涉仪可以只有一个输出端，也可以有两个输出端；时间解码模块为光信号通道，可只有一条光信号通道，也可利用分束器得到两条光信号通道；所述第一光开关将相位解码模块或时间解码模块输出的信号传输至光电探测器，例如，若需要探测相位基矢时，则控制第一光开关将相位解码模块输出的信号传输至光电探测器，若需要探测时间基矢时，则控制第一光开关将时间解码模块输出的信号传输至光电探测器。

所述量子密钥接收机通过主动基矢选择对接收的量子比特信号进行解码时，所述量子密钥接收机包括第三探测模块，第三探测模块包括不等臂干涉仪单元、第一光电探测单元以及第四强度调制器，所述第四强度调制器设置在所述不等臂干涉仪单元的一臂上，所述第一光电探测单元与所述不等臂干涉仪单元的输出端连接，其具体结构请参阅图25与图26所示的示意图。

工作时，所述第四强度调制器将经过的光脉冲的强度压制为0，则接收的光脉冲无法进行干涉，此时第一光电探测单元探测的是利用时间基矢编码的量子比特，所述第四强度调制器不工作时，相位基矢编码的量子比特才在量子密钥接收机发生干涉，才能进行探测相位基矢编码的量子比特。因此，通过主动控制所述第四强度调制器的工作状态，即可选择探测利用时间基矢编码的量子比特和/或利用相位基矢编码的量子比特。

优选地，所述量子密钥接收机通过主动基矢选择对接收的量子比特信号进行解码时，所述量子密钥接收机包括第二光开关，以及分别连接所述第二光开关两个输出端的第四探测模块和第五探测模块：所述第二光开关将接收的量子比特信号分成两路，一路输入至第四探测模块，另一路输入至第五探测模块；第四探测模块包括第二不等臂干涉仪单元以及第三光电探测单元，所述第三光电探测单元与所述第二不等臂干涉仪单元的输出端连接，用于探测利用利用相位基矢编码的量子比特第五探测模块包括第三光电探测单元，用于探测利用相位基矢编码的量子比特，其具体结构参阅图27至图30所示的示意图。

工作时，根据需要，通过主动控制所述第二光开关的工作状态，选择探测利用相位基矢编码的量子比特或利用时间基矢编码的量子比特。例如若需要探测时间基矢编码的量子比特时，则通过控制第二光开关将接收的量子比特信号输入至第五探测模块，若需要探测相位基矢编码的量子比特时，则通过控制第二光开关将接收的量子比特信号输入至第四探测模块。

需要说明的是本申请的密钥发射机中相位编码单元中的不等臂干涉仪的输入端通常为分束装置、其输出端通常为合束装置，量子密钥接收机的第一探测模块中的不等臂干涉仪的输入端通常为分束装置，一般的分束装置为光分束器(BS)、合束装置为光合束器(BS)。当然量子密钥发射机中不等臂干涉仪的输入端更换为偏振合束器(PBS)、或者其输出端更换为偏振分束器(PBS)，此时需要将量子密钥接收机的第一探测模块中的不等臂干涉仪输入端也更换为偏振分束器(PBS)，这样就可以使得在量子密钥发射机中走不等臂干涉仪长臂的光在量子密钥接收机中走不等臂干涉仪的短臂，在量子密钥发射机中走不等臂干涉仪短臂的光在量子密钥接收机中走不等臂干涉仪的长臂，使得相位态中的光脉冲对走的路径相同，这样能够减少系统3dB的损耗，增加系统成码率以及最远成码距离。除此之外，本申请的的装置适用于三态协议(three-state protocal)，简化版BB84协议(SimplifiedBB84 Protocal)；变种三态协议(The variant of three-state protocal)。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本申请进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本申请的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本申请精神和范围的情况下，可以对本申请技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本申请的范围内。本申请的保护范围以所附权利要求为准。

Claims (13)

1.一种量子密钥发射机，其特征在于，包括光源模块以及量子比特编码模块：

所述光源模块，用于产生光脉冲；

所述量子比特编码模块包括不等臂干涉仪、设置于不等臂干涉仪的第一臂上的第一强度调制器以及设置于不等臂干涉仪的第二臂上的第二强度调制器；

所述不等臂干涉仪的输入端将通过的所述光源模块产生的每个光脉冲均分成两个相干脉冲的脉冲对，该脉冲对的一个相干脉冲经过不等臂干涉仪的第一臂，另一个相干脉冲经过不等臂干涉仪的第二臂；

所述第一强度调制器用于将第一臂上的相干脉冲调制为所需强度，所述第二强度调制器用于将第二臂上的相干脉冲制为所需强度；

所述不等臂干涉仪的输出端将调制后的两个相干脉冲输出后得到编码的量子比特信号。

2.根据权利要求1所述的量子密钥发射机，其特征在于，所述量子密钥发射机还包括维稳模块；

所述维稳模块用于根据接收的所述第一强度调制器调制后的光脉冲测量反馈调节第一强度调制器，使所述第一强度调制器输出的光强符合系统要求；

所述维稳模块用于根据接收的所述第二强度调制器调制后的光脉冲测量反馈调节第二强度调制器，使所述第二强度调制器输出的光强符合系统要求。

3.根据权利要求2所述的量子密钥发射机，其特征在于，所述维稳模块包括第一维稳装置以及第二维稳装置；

所述第一维稳装置用于反馈调节第一强度调制器；

所述第二维稳装置用于反馈调节第二强度调制器。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的量子密钥发射机，其特征在于，所述光源模块发出的光通过注入锁定的方式获得。

5.根据权利要求1-3任意一项所述的量子密钥发射机，其特征在于，所述光源模块中的激光器采用电吸收激光器或者内调制激光器。

6.根据权利要求1-3任意一项所述的量子密钥发射机，其特征在于，所述光源模块发出的光通过斩波的方式获得。

7.一种量子密钥分发系统，包括量子密钥发射机以及量子密钥接收机，其特征在于，该量子密钥发射机为权利要求1-6任意一项所述的量子密钥发射机。

8.根据权利要求7所述的量子密钥分发系统，其特征在于，所述量子密钥接收机通过主动基矢选择或被动基矢选择对接收的量子比特信号进行解码。

9.根据权利要求8所述的量子密钥分发系统，其特征在于，所述量子密钥接收机包括第一探测模块：

第一探测模块包括第一不等臂干涉仪单元以及第一光电探测单元，所述第一光电探测单元与所述不等臂干涉仪单元的输出端连接，用于探测利用时间基矢编码的量子比特以及利用相位基矢编码的量子比特。

10.根据权利要求9所述的量子密钥分发系统，其特征在于，所述量子密钥接收机还包括分束器，以及分别连接所述分束器两个输出端的第一探测模块和第二探测模块：

所述分束器将接收的量子比特信号分成两路，一路输入至第一探测模块，另一路输入至第二探测模块；

所述第一探测模块用于探测利用相位基矢编码的量子比特；

所述第二探测模块包括第二光电探测单元，用于探测利用时间基矢编码的量子比特。

11.根据权利要求8所述的量子密钥分发系统，其特征在于，所述量子密钥接收机包括分束器、相位解码模块、时间解码模块、第一光开关以及光电探测器；

所述分束器将接收的量子比特信号分成两路，一路输入至相位解码模块，另一路输入至时间解码模块；

所述第一光开关将相位解码模块或时间解码模块输出的信号传输至光电探测器。

12.根据权利要求8所述的量子密钥分发系统，其特征在于，所述量子密钥接收机包括第三探测模块，第三探测模块包括不等臂干涉仪单元、第一光电探测单元以及第四强度调制器，所述第四强度调制器设置在所述不等臂干涉仪单元的一臂上，所述第一光电探测单元与所述不等臂干涉仪单元的输出端连接；

通过控制所述第四强度调制器的工作状态，选择探测利用时间基矢编码的量子比特和/或利用相位基矢编码的量子比特。

13.根据权利要求8所述的量子密钥分发系统，其特征在于，所述量子密钥接收机包括第二光开关，以及分别连接所述光开关两个输出端的第四探测模块和第五探测模块：

所述第二光开关将接收的量子比特信号分成两路，一路输入至第四探测模块，另一路输入至第五探测模块；

第四探测模块包括第二不等臂干涉仪单元以及第三光电探测单元，所述第三光电探测单元与所述第二不等臂干涉仪单元的输出端连接，用于探测利用利用相位基矢编码的量子比特

第五探测模块包括第三光电探测单元，用于探测利用相位基矢编码的量子比特；

通过控制所述第二光开关的工作状态，选择探测利用相位基矢编码的量子比特或利用时间基矢编码的量子比特。

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