CN215222212U - 基于时间相位编码的量子密钥分发光芯片 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于时间相位编码的量子密钥分发光芯片，其可以包括用于对光信号进行时间相位编码的时间相位调制模块，用于调节光信号的光强以使不同量子态的光信号之间满足预设的光强关系的强度补偿模块，用于对光信号进行诱骗态编码的诱骗态强度调制模块，用于接收和输出同步光信号的同步光路，以及，用于允许获取量子密钥分发光芯片的输出光信号的光强信息的衰减监控模块。由此，该光芯片能够精确且方便地在芯片上实现时间相位编码方案及变型，很好地适应各种应用场景。

Description

基于时间相位编码的量子密钥分发光芯片

技术领域

本实用新型涉及量子保密通信领域，特别涉及一种基于时间相位编码方案的量子密钥分发光芯片。

背景技术

基于量子不确定性原理的量子密钥分发是一种已被理论证明无条件安全的实用化量子通信技术，是当前日益严重的信息安全问题的终极解决方案。随着量子通信向工程化、规模化、高性能深入发展，对投入实际应用的产品要求日益提高，包括设备自身的稳定性、可靠性、可制造性、可测试性、购置成本、运营维护成本等。现有实际器件具有各种性能缺陷和不完美因素，这将日益成为阻碍量子通信产业化飞速发展进程的因素。当代主流通信设备发展、演进方向，无外乎三个方面：1)更小尺寸、更低成本；2)更低功耗，绿色通信；3)更好的稳定性、可靠性和广泛的环境适应性。要解决以上问题，普遍适用的解决方案是持续提高产品的集成度，通过集成电子学、光电和光学单元，降低内部互连复杂度，缩减尺寸，降低功耗，通过封装技术改进机械、气候环境适应能力。因此，对于量子通信产品中光学、光电、电子学功能以及数据处理等综合集成的需求已日益迫切，受到国内外研究机构和产业主流公司的关注与重视。

实用新型内容

针对这一问题，本实用新型提出了一种适于实现时间相位编码方案的量子密钥分发光芯片结构，以精确且高效地实现光信号的时间相位编码方案及其变型，同时还提供了调试和实验功能，有利于光芯片的工作稳定性及功能扩展。

具体而言，该基于时间相位编码的量子密钥分发光芯片可以包括用于对光信号进行时间相位编码的时间相位调制模块，其特征在于还包括：诱骗态强度调制模块，其被设置用于对光信号进行诱骗态编码；以及，衰减监控模块，其被设置用于对所述光信号进行衰减，并且允许获取所述量子密钥分发光芯片的输出光信号的光强信息和/或攻击光的光强信息。

进一步地，该量子密钥分发光芯片还可以包括强度补偿模块，其被设置用于调节光信号的光强，以使不同量子态的光信号之间满足预设的光强关系。

进一步地，该量子密钥分发光芯片还可以包括同步光路，其被设置用于接收和输出同步光信号。

进一步地，该量子密钥分发光芯片还可以包括第十多模干涉耦合器和第十一多模干涉耦合器，且设有第一光信号输入接口、第二光信号输入接口、光信号输出接口、输出光强监控接口、同步光输入接口及同步光输出接口，其中：

所述第一和第二光信号输入接口被设置用于允许输入光信号；

所述第十多模干涉耦合器被设置成将经所述第一光信号输入接口输入的光信号进行分光，以分别朝向所述强度补偿模块和所述时间相位调制模块传输；

所述第十一多模干涉耦合器被设置成分别将经所述第二光信号输入接口输入的光信号和由所述强度补偿模块输出的光信号耦合至所述诱骗态强度调制模块；

所述光信号输出接口被设置用于输出所述量子密钥分发光芯片的输出光信号；

所述输出光强监控接口被设置用于允许获取所述量子密钥分发光芯片的输出光信号的光强信息；

所述同步光输入接口和同步光输出接口分别用于所述同步光信号的输入和输出。

进一步地，所述时间相位调制模块包括级联的第一等臂干涉仪和不等臂干涉仪；所述第一等臂干涉仪被设置用于通过调制两臂之间的相位差，仅在第一或第二输出端输出光信号，或者同时在所述第一和第二输出端输出光信号且所述光信号之间具有特定相位差；并且，所述不等臂干涉仪被设置成使由所述第一等臂干涉仪的不同输出端输出的光信号在一个时间周期内出现的时间位置不同。

更进一步地，所述第一等臂干涉仪包括第一多模干涉耦合器、第二多模干涉耦合器、形成于所述第一和第二多模干涉耦合器之间的第一和第二臂、以及设置于所述第一和/或第二臂上的第一相位调制器；

所述不等臂干涉仪包括所述第二多模干涉耦合器、第三多模干涉耦合器、以及形成于所述第二和第三多模干涉耦合器之间的第一和第二臂。

优选地，所述第一相位调制器为载流子色散型相位调制器；以及/或者，所述第一等臂干涉仪的第一和/或第二臂上设有可调衰减器；以及/或者，所述第一等臂干涉仪的第一和/或第二臂上设有第一相移器，用于寻找所述第一等臂干涉仪的最佳工作点；以及/或者，所述不等臂干涉仪的第一和/或第二臂上设有第四相位调制器。其中，所述第一相移器可以优选为热调谐型相移器，所述第四相位调制器可以优选为载流子色散型相位调制器。

进一步地，所述强度补偿模块包括第二等臂干涉仪；所述第二等臂干涉仪具有第五多模干涉耦合器、第六多模干涉耦合器、形成于所述第五和第六多模干涉耦合器之间的第一和第二臂、以及设置于所述第一和/或第二臂上的第二相位调制器。

更进一步地，所述第二等臂干涉仪的第一和/或第二臂上设有第二相移器，用于寻找所述第二等臂干涉仪的最佳工作点。

优选地，所述第二相位调制器为载流子色散型相位调制器；以及/或者，所述第二相移器为热调谐型相移器。

进一步地，所述诱骗态强度调制模块包括第三等臂干涉仪；所述第三等臂干涉仪具有第七多模干涉耦合器、第八多模干涉耦合器、形成于所述第七和第八多模干涉耦合器之间的第一和第二臂、以及设置于所述第一和/或第二臂上的第三相位调制器。

更进一步地，所述第三等臂干涉仪的第一和/或第二臂上设有第三相移器，用于寻找所述第三等臂干涉仪的最佳工作点。

优选地，所述第三相位调制器为载流子色散型相位调制器；以及/或者，所述第三相移器为热调谐型相移器。

进一步地，所述衰减监控模块包括可调衰减器。

更进一步地，所述衰减监控模块还可以包括第九多模干涉耦合器，其被设置成将所述时间相位调制模块输出的光信号进行分光，以分别作为所述量子密钥分发光芯片的输出光信号，以及供光强检测以便获取所述输出光信号的光强信息。

更进一步地，所述第九多模干涉耦合器为2＊2的多模干涉耦合器，以允许连接监控光电二极管来监测注入所述量子密钥分发光芯片的攻击光。

进一步地，所述同步光路包括可调衰减器和位于所述可调衰减器之后的第十二多模干涉耦合器；所述第十二多模干涉耦合器被设置用于将所述同步光信号进行分光，以便获取输出的同步光信号的光强信息。

更进一步地，所述第十多模干涉耦合器与所述时间相位调制模块之间的光路上还设有可调衰减器；以及/或者，所述第一光信号输入接口为FC/UPC或者FC/APC接口，且用于连接保偏光纤；以及/或者，所述第二光信号输入接口为FC/UPC或者FC/APC接口，且用于连接保偏光纤；以及/或者，所述光信号输出接口为FC/UPC接口，且用于连接保偏光纤；以及/或者，所述同步光输入接口和同步光输出接口为FC/UPC接口，且用于连接保偏或单模光纤；以及/或者，所述输出光强监控接口为FC/UPC接口，且用于连接保偏或单模光纤。

附图说明

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明。

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图来获得其他的附图。

图1示意性地示出了根据本实用新型的基于时间相位编码的量子密钥分发光芯片的一种实施方式。

具体实施方式

在下文中，本实用新型的示例性实施例将参照附图来详细描述。下面的实施例以举例的方式提供，以便充分传达本实用新型的精神给本实用新型所属领域的技术人员。因此，本实用新型不限于本文公开的实施例。

图1示意性地示出了根据本实用新型的基于时间相位编码的量子密钥分发光芯片的具体实施方式。

在本实用新型的光芯片中，为了实现时间相位编码功能，设置有时间相位调制模块，用于对输入的光信号进行时间相位编码。

作为示例，时间相位调制模块可以包括级联的第一等臂干涉仪和不等臂干涉仪。

第一等臂干涉仪用于通过调制两臂之间的相位差，仅在第一或第二输出端输出光信号，或者同时在第一和第二输出端输出光信号且两个光信号之间具有特定的相位差。

例如，通过在第一等臂干涉仪的两臂上的光信号之间调制形成相位差0，第一等臂干涉仪将仅在其第一输出端输出有光信号，第二输出端未有光信号输出；通过在两臂上的光信号之间形成相位差π，第一等臂干涉仪将仅在其第二输出端输出有光信号，第一输出端未有光信号输出；通过在两臂上的光信号之间形成相位差π/2，第一等臂干涉仪将同时在第一和第二输出端输出光信号，且这两个光信号之间的相位差为0；通过在两臂上的光信号之间形成相位差3π/2，第一等臂干涉仪将同时在第一和第二输出端输出光信号，且这两个光信号之间的相位差为π。

不等臂干涉仪与第一等臂干涉仪级联，用于使由第一等臂干涉仪的不同输出端输出的光信号在一个时间周期内出现的时间位置不同。由此，借助第一等臂干涉仪和不等臂干涉仪的共同作用，实现对光信号的时间相位编码。

作为一种具体实施方式，第一等臂干涉仪可以包括第一多模干涉耦合器(MMICoupler)、第二多模干涉耦合器、形成于第一和第二多模干涉耦合器之间的第一和第二臂、以及设置于第一和/或第二臂上的第一相位调制器。

第一多模干涉耦合器可以用于对光信号进行例如1∶1的分光，以使光信号分别进入第一和第二臂。

第一相位调制器用于对第一和/或第二臂上的光信号进行高速电光相位调制，以在两臂上的光信号之间形成所需要的相位差。

优选地，第一相位调制器可以采用载流子色散型相位调制器。

第二多模干涉耦合器用于使两臂上经相位调制的光信号汇合并发生干涉。

进一步地，还可以在第一等臂干涉仪的第一和/或第二臂上设置第一相移器，用于寻找第一等臂干涉仪的最佳工作点。

优选地，第一相移器可以采用热调谐型相移器。

进一步地，还可以在第一等臂干涉仪的第一和/或第二臂上设置可调衰减器(VOA)，用于提供光强调节功能。

在该具体实施方式中，不等臂干涉仪可以与第一等臂干涉仪共用第二多模干涉耦合器，因此其包括第二多模干涉耦合器、第三多模干涉耦合器、以及形成于第二和第三多模干涉耦合器之间的第一和第二臂，其中，第一和第二臂具有不同的臂长差。

作为优选示例，不等臂干涉仪的第一和/或第二臂上还可以设置有可调衰减器(VOA)，用于提供光强调节功能，以均衡两臂信号光功率。

继续参见图1，本实用新型的光芯片上还可以设置有强度补偿模块，用于调节光信号的光强，以补偿时间相位调制模块在光信号上制备不同量子态时引入的不同光强衰减，保证所制备的不同量子态的光信号之间满足预设的光强关系。

作为一种具体实施方式，强度补偿模块可以包括第二等臂干涉仪，其具有第五多模干涉耦合器、第六多模干涉耦合器、形成于第五和第六多模干涉耦合器之间的第一和第二臂、以及设置于第一和/或第二臂上的第二相位调制器。

第五多模干涉耦合器可以用于对光信号进行例如1∶1的分光，以使光信号分别进入第一和第二臂。

第二相位调制器用于对第一和/或第二臂上的光信号进行高速电光相位调制，以在两臂上的光信号之间形成所需要的相位差。

优选地，第二相位调制器可以采用载流子色散型相位调制器。

第六多模干涉耦合器用于使两臂上经相位调制的光信号汇合并发生干涉。

进一步地，还可以在第二等臂干涉仪的第一和/或第二臂上设置第二相移器，用于寻找第二等臂干涉仪的最佳工作点。

优选地，第二相移器可以采用热调谐型相移器。

继续参见图1，本实用新型的光芯片上还可以设置有诱骗态强度调制模块，用于对光信号进行诱骗态编码。

作为一种具体实施方式，诱骗态强度调制模块可以包括第三等臂干涉仪，其具有第七多模干涉耦合器、第八多模干涉耦合器、形成于第七和第八多模干涉耦合器之间的第一和第二臂、以及设置于第一和/或第二臂上的第三相位调制器。

第七多模干涉耦合器可以用于对光信号进行例如1∶1的分光，以使光信号分别进入第一和第二臂。

第三相位调制器用于对第一和/或第二臂上的光信号进行高速电光相位调制，以在两臂上的光信号之间形成所需要的相位差。

优选地，第三相位调制器可以采用载流子色散型相位调制器。

第八多模干涉耦合器用于使两臂上经相位调制的光信号汇合并发生干涉。

进一步地，还可以在第三等臂干涉仪的第一和/或第二臂上设置第三相移器，用于寻找第三等臂干涉仪的最佳工作点。

优选地，第三相移器可以采用热调谐型相移器。

继续参见图1，本实用新型的光芯片上还可以设置有衰减监控模块，用于允许获取光芯片输出光信号的光强信息，以监控光芯片中的信号衰减。

作为一种具体实施方式，衰减监控模块可以包括第九多模干涉耦合器，其用于将时间相位调制模块输出的(例如经时间相位编码的)光信号进行分光，以分别作为光芯片的输出光信号，以及供光强检测以便获取输出光信号的光强信息。

作为优选示例，第九多模干涉耦合器可以为2＊2的多模干涉耦合器，以允许连接监控光电二极管(MPD)来监测注入光芯片的攻击光。

此外，本实用新型的光芯片上还可以设置有同步光路，用于接收和输出同步光信号。

为了更好地理解本实用新型，下面将结合图1具体描述该光芯片的具体实施方式。

如图1所示，光芯片包括强度补偿模块、诱骗态强度调制模块、时间相位调制模块、衰减监控模块和同步光路等功能模块。

光芯片上还可以形成有第十多模干涉耦合器和第十一多模干涉耦合器，且设有以下光学接口：第一光信号输入接口1(Sig-in1)，第二光信号输入接口2(Sig-in2)，光信号输出接口4(Sig-out)，输出光强监控接口5(Mon)，同步光输入接口6(Syn-in)，同步光输出接口7(Syn-out)。

第一和第二光信号输入接口1、2均用于输入光信号，以便例如在光芯片中获得时间相位编码。

第十多模干涉耦合器用于将经第一光信号输入接口1输入的光信号进行分光，以分别朝向强度补偿模块和时间相位调制模块传输。

作为优选示例，在第十多模干涉耦合器与时间相位调制模块之间的光路上还可以设置可调衰减器(VOA1)，且优选设置两级可调衰减器。

第十一多模干涉耦合器用于分别将经第二光信号输入接口2输入的光信号和由强度补偿模块输出的光信号耦合至诱骗态强度调制模块。

时间相位调制模块被设置成可分别以由诱骗态强度调制模块输出的光信号和由第十多模干涉耦合器输出的光信号作为输入。

衰减监控模块用于将由时间相位调制模块输出的光信号进行分光，以分别经由光信号输出接口4和输出光强监控接口5向外输出。

作为优选示例，衰减监控模块中还可以在第九多模干涉耦合器之前设置可调衰减器(VOA)，且优选设置两级可调衰减器。

同步光路用于将经同步光输入接口6输入的同步光信号传输至同步光输出接口7。

作为优选示例，同步光路上还可以设置有可调衰减器(例如VOA6)。进一步地，同步光路上还可以在可调衰减器之后设置第十二多模干涉耦合器，用于对同步光信号进行分光，以分别用于经同步光输出接口7输出，以及供光强检测以便获取输出的同步光信号的光强信息。

在该具体实施方式中，第一和第二光信号输入接口1、2可以为FC/UPC或者FC/APC接口，且用于连接保偏光纤；光信号输出接口4可以为FC/UPC或者FC/APC接口，且用于连接保偏光纤；同步光输入接口6及同步光输出接口7可以为FC/UPC接口，且用于连接保偏或单模光纤；输出光强监控接口5可以为FC/UPC接口，且用于连接保偏或单模光纤。

基于上述描述可知，本实用新型提出了一种适用于时间相位编码方案的量子密钥分发光芯片，其允许实现多种基于时间相位编码方案的变型，且提供了多种调试和实验功能，有利于光芯片的工作稳定性，扩展了光芯片的功能性。

进一步地，如图1所示，在本实用新型的量子密钥分发光芯片中，还可以在强度补偿模块与诱骗态强度调制模块之间的光路上设置分光器和监控光电二极管(例如MPD1)，以获取该光路上的光信号的光强信息；以及在诱骗态强度调制模块与时间相位调制模块之间的光路上设置分光器和监控光电二极管(例如MPD2)，以获取该光路上的光信号的光强信息。

进一步地，还可以在时间相位调制模块的不等臂干涉仪的第一和/或第二臂上设置第四相位调制器，以便例如能够制备另外两种量子态，从而用于实现6态协议等。优选地，第四相位调制器可以为载流子色散型相位调制器。

进一步地，可以在不等臂干涉仪的第一和/或第二臂上设置可调衰减器、相位调制器、强度调制器及相移器中的一个或多个，使得其能够用于实现CVQKD协议。

尽管前面结合附图通过具体实施例对本实用新型进行了说明，但是，本领域技术人员容易认识到，上述实施例仅仅是示例性的，用于说明本实用新型的原理，其并不会对本实用新型的范围造成限制，本领域技术人员可以对上述实施例进行各种组合、修改和等同替换，而不脱离本实用新型的精神和范围。

Claims (19)

1.一种基于时间相位编码的量子密钥分发光芯片，其包括用于对光信号进行时间相位编码的时间相位调制模块，其特征在于还包括：

诱骗态强度调制模块，其被设置用于对光信号进行诱骗态编码；以及，衰减监控模块，其被设置用于对所述光信号进行衰减，并且允许获取所述量子密钥分发光芯片的输出光信号的光强信息和/或攻击光的光强信息。

2.如权利要求1所述的量子密钥分发光芯片，其特征在于还包括强度补偿模块，其被设置用于调节光信号的光强，以使不同量子态的光信号之间满足预设的光强关系。

3.如权利要求2所述的量子密钥分发光芯片，其特征在于还包括同步光路，其被设置用于接收和输出同步光信号。

4.如权利要求3所述的量子密钥分发光芯片，其特征在于还包括第十多模干涉耦合器和第十一多模干涉耦合器，且设有第一光信号输入接口、第二光信号输入接口、光信号输出接口、输出光强监控接口、同步光输入接口及同步光输出接口，其中：

所述第一和第二光信号输入接口被设置用于允许输入光信号；

所述第十多模干涉耦合器被设置成将经所述第一光信号输入接口输入的光信号进行分光，以分别朝向所述强度补偿模块和所述时间相位调制模块传输；

所述第十一多模干涉耦合器被设置成分别将经所述第二光信号输入接口输入的光信号和由所述强度补偿模块输出的光信号耦合至所述诱骗态强度调制模块；

所述光信号输出接口被设置用于输出所述量子密钥分发光芯片的输出光信号；

所述输出光强监控接口被设置用于允许获取所述量子密钥分发光芯片的输出光信号的光强信息；

所述同步光输入接口和同步光输出接口分别用于所述同步光信号的输入和输出。

5.如权利要求1所述的量子密钥分发光芯片，其特征在于，所述时间相位调制模块包括级联的第一等臂干涉仪和不等臂干涉仪；

所述第一等臂干涉仪被设置用于通过调制两臂之间的相位差，仅在第一或第二输出端输出光信号，或者同时在所述第一和第二输出端输出光信号且所述光信号之间具有特定相位差；并且，

所述不等臂干涉仪被设置成使由所述第一等臂干涉仪的不同输出端输出的光信号在一个时间周期内出现的时间位置不同。

6.如权利要求5所述的量子密钥分发光芯片，其特征在于：

所述第一等臂干涉仪包括第一多模干涉耦合器、第二多模干涉耦合器、形成于所述第一和第二多模干涉耦合器之间的第一和第二臂、以及设置于所述第一和/或第二臂上的第一相位调制器；

所述不等臂干涉仪包括所述第二多模干涉耦合器、第三多模干涉耦合器、以及形成于所述第二和第三多模干涉耦合器之间的第一和第二臂。

7.如权利要求6所述的量子密钥分发光芯片，其特征在于：

所述第一相位调制器为载流子色散型相位调制器；以及/或者，

所述第一等臂干涉仪的第一和/或第二臂上设有可调衰减器；以及/或者，

所述第一等臂干涉仪的第一和/或第二臂上设有第一相移器，用于寻找所述第一等臂干涉仪的最佳工作点；以及/或者，

所述不等臂干涉仪的第一和/或第二臂上设有第四相位调制器。

8.如权利要求7所述的量子密钥分发光芯片，其特征在于，所述第一相移器为热调谐型相移器；以及/或者，所述第四相位调制器为载流子色散型相位调制器。

9.如权利要求2所述的量子密钥分发光芯片，其特征在于所述强度补偿模块包括第二等臂干涉仪；

所述第二等臂干涉仪具有第五多模干涉耦合器、第六多模干涉耦合器、形成于所述第五和第六多模干涉耦合器之间的第一和第二臂、以及设置于所述第一和/或第二臂上的第二相位调制器。

10.如权利要求9所述的量子密钥分发光芯片，其特征在于，所述第二等臂干涉仪的第一和/或第二臂上设有第二相移器，用于寻找所述第二等臂干涉仪的最佳工作点。

11.如权利要求10所述的量子密钥分发光芯片，其特征在于，所述第二相位调制器为载流子色散型相位调制器；以及/或者，所述第二相移器为热调谐型相移器。

12.如权利要求1所述的量子密钥分发光芯片，其特征在于，所述诱骗态强度调制模块包括第三等臂干涉仪；

所述第三等臂干涉仪具有第七多模干涉耦合器、第八多模干涉耦合器、形成于所述第七和第八多模干涉耦合器之间的第一和第二臂、以及设置于所述第一和/或第二臂上的第三相位调制器。

13.如权利要求12所述的量子密钥分发光芯片，其特征在于，所述第三等臂干涉仪的第一和/或第二臂上设有第三相移器，用于寻找所述第三等臂干涉仪的最佳工作点。

14.如权利要求13所述的量子密钥分发光芯片，其特征在于，所述第三相位调制器为载流子色散型相位调制器；以及/或者，所述第三相移器为热调谐型相移器。

15.如权利要求1所述的量子密钥分发光芯片，其特征在于，所述衰减监控模块包括可调衰减器。

16.如权利要求15所述的量子密钥分发光芯片，其特征在于，所述衰减监控模块还包括第九多模干涉耦合器，其被设置成将所述时间相位调制模块输出的光信号进行分光，以分别作为所述量子密钥分发光芯片的输出光信号，以及供光强检测以便获取所述输出光信号的光强信息。

17.如权利要求16所述的量子密钥分发光芯片，其特征在于，所述第九多模干涉耦合器为2＊2的多模干涉耦合器，以允许连接监控光电二极管来监测注入所述量子密钥分发光芯片的攻击光。

18.如权利要求3所述的量子密钥分发光芯片，其特征在于：

所述同步光路包括可调衰减器和位于所述可调衰减器之后的第十二多模干涉耦合器；

所述第十二多模干涉耦合器被设置用于将所述同步光信号进行分光，以便获取输出的同步光信号的光强信息。

19.如权利要求4所述的量子密钥分发光芯片，其中，所述第十多模干涉耦合器与所述时间相位调制模块之间的光路上还设有可调衰减器；以及/或者，

所述第一光信号输入接口为FC/UPC或者FC/APC接口，且用于连接保偏光纤；以及/或者，

所述第二光信号输入接口为FC/UPC或者FC/APC接口，且用于连接保偏光纤；以及/或者，

所述光信号输出接口为FC/UPC接口，且用于连接保偏光纤；以及/或者，

所述同步光输入接口和同步光输出接口为FC/UPC接口，且用于连接保偏或单模光纤；以及/或者，

所述输出光强监控接口为FC/UPC接口，且用于连接保偏或单模光纤。

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