一种基于时间‑相位编码的即插即用量子密钥分发系统和方法以及发送端和接收端技术方案

本发明专利技术公开了一种基于时间‑相位编码的即插即用量子密钥分配系统和方法以及发送端和接收端。其中即插即用量子密钥分配系统，包括相互光连接的发送端和接收端，发送端中的编码模块包括以任意次序对光信号进行编码处理的Z基矢时间编码模块和相位编码模块，其中相位编码模块为X基矢相位编码模块；接收端中的解码模块与所述编码模块相适应。本发明专利技术即插即用量子密钥分配方法，包括在Alice端接收并反射来自Bob端的光信号后，进行Z基矢时间编码和相位编码，再发送至Bob端进行解码和探测，所述其中相位编码为X基矢相位编码。本发明专利技术使用改进后的时间‑相位编码可以实现超高对比度的编解码提高成码率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及量子密钥分发领域，特别涉及一种基于时间-相位编码的即插即用量子密钥分发系统。
技术介绍
量子保密通信作为以量子力学、电子信息科学以及计算机技术相结合的新型研究领域，已经备受各界人士的关注。为了保证数据的安全传输，用户间必须保证安全密钥交换。现如今，量子密钥分发已经成为通过公共通道进行绝对安全的密钥分发的有效途径。与传统的经典密码通信的保密原理不同，量子密钥分发利用量子力学的基本原理作为支撑，例如海森堡测不准原理，量子不可克隆定理等，实现无条件安全的随机密钥共享。许多QKD设备可以工作在自由空间或光纤，平面光波导等传输介质领域。QKD系统包括产生光源，编码解码、探测、数据采集提取、数据后处理等。在光纤QKD系统中，通常采用偏振编码和相位编码两种编码形式。在长距离传输下，相位编码QKD稳定性相比于偏振编码QKD系统稳定性更高，相位编码比偏振编码更具优势。相位编码QKD系统通常采用不等臂马赫曾德干涉仪搭建或采用90度旋转法拉第反射镜的不等臂迈克尔逊干涉仪搭建。通常在不等臂马赫曾德干涉仪构成的量子信道中，为获得较好的干涉对比度，要求两个马赫曾德干涉仪尽可能对称，这在实际操作中很难达到，故Gisin等人于1997年提出了“即插即用”型实验方案，(文献:Muller A,Herzog T,HuttnerB,etal.\plug and play\systems forquantum cryptography[J].Applied physics Letters,1997,70:793-795)。该方案主要采用三个90度旋转法拉第反射镜，脉冲光源经耦合器分成两路，光脉冲在三个90度旋转法拉第反射镜中来回反射，每个光脉冲经过所有光路一次，偏振得到自动补偿，消除光纤双折射影响。该系统的工作频率达1KHZ，当提高工作频率时，误码率也升高。为解决这一难题，获得更高的密钥生成率，Gisin等人又于1998年对“即插即用”型实验方案进行了改进(文献:Ribordy G,Gautier J D,Gisin N,et al.Automated\plug and play″quantum key distribution[J].Electronics Letters，1998，34：2116—2117)。主要采用一个不等臂马赫曾德干涉仪和一个90度旋转法拉第反射镜构成往返式光路。主要应用90度旋转法拉第反射镜将入射光反射回来，其偏振刚好旋转90度，从而克服了远距离传输时光纤的双折射效应带来的偏振漂移。同时90度旋转法拉第反射镜与不等臂马赫曾德干涉仪构成往返式回路，从而实现了相位的自补偿作用。参见图1，该相位编码量子密钥分发系统，包括相互光连接的发送端(Alice端)和接收端(Bob端)，其中Bob端的所有器件和光纤都是保偏的，Bob端中光源模块的脉冲光源100发射线性偏振的光脉冲，经环形器101进入耦合器107并分成两束水平偏振光脉冲(|H>)，两束光脉冲分别经过不等臂干涉模块中的长臂和短臂，其中经过长臂的光脉冲A经相位调制器106处理后由保偏偏振分束器105反射后以垂直偏振光脉冲(|V>)形式输出，经过短臂的光脉冲B直接以水平偏振光脉冲(|H>)形式由保偏偏振分束器105透射输出。保偏偏振分束器的作用是可以将一路反射端的水平偏振光脉冲(|H>)转到垂直偏振光脉冲(|V>)上传输或者将垂直偏振光脉冲(|V>)转到水平偏振光脉冲(|H>)上传输。两束光脉冲通过量子信道102到达Alice端的90度旋转法拉第反射镜103，经反射后两束光脉分别偏振方向旋转90度。光脉冲A经反射后为水平偏振光脉冲(|H>)经保偏偏振分束器105透射进入耦合器107；光脉冲B反射后变为垂直偏振光脉冲(|V>)经过发送端编码模块的相位调制器104处理后，经保偏偏振分束器105反射变为水平偏振光脉冲(|H>)进入耦合器107与反射后的光脉冲A发生干涉；根据干涉信息不同分别到达单光子探测器108和单光子探测器109。该系统在接收端的测量部分需要加入相位调制器，用来选择X测量基矢或Y测量基矢，所加入的相位调制器会带来额外插入损耗降低成码率，且器件本身还存在固有问题，导致干涉对比度不够高，降低成码率。中国专利ZL200610170557.5中提出使用基于四端口偏振分束器的一对不等臂的法拉第迈克尔逊干涉仪来实现偏振控制的相位编码、偏振探测的量子密钥分发。上述专利采用发送方和接收方使用一对一一对应的编码解码装置即一对不等臂干涉仪，这就要求通信双方不等臂干涉仪的臂长差(长臂与短臂之差)相等，但是现有工艺以及外界环境影响，很难做到长时间保证两个不等臂马赫曾德干涉仪臂长差相位稳定。综上所述，现有技术主要存在如下问题：1.现有不等臂马赫曾德干涉仪的相位编码QKD系统要求通信双方不等臂马赫曾德干涉仪的臂长差(长臂与短臂之差)相等。但是现有工艺以及外界环境影响，很难做到长时间保证两个不等臂马赫曾德干涉仪臂长差相位稳定。2.现有相位编码系统在接收端的测量部分需要加入相位调制器，带来了额外的衰减，降低了成码率。3.现有相位编码系统需要产生高速随机电信号主动控制非平衡基矢的选择，从而影响系统的重复频率以及相位的精确调制而降低成码率。
技术实现思路
本专利技术提供一种量子密钥分发系统的发送端，发送端中采用改进的时间-相位编码方式提高了成码率，相应的可以简化Bob端解码流程的硬件要求。一种基于时间-相位编码的即插即用量子密钥分发系统的发送端，包括用于形成反射光路的90度旋转法拉第反射镜以及布置在反射光路上编码模块，所述编码模块包括对光信号进行相应编码处理的Z基矢时间编码模块和相位编码模块，所述相位编码模块为X基矢相位编码模块。本专利技术将基于时间-相位编码方式结合在即插即用系统中，用于向编码模块发送控制信号的电路部分可以采用现有硬件构架，在相位编码过程中，仅采用X基矢相位编码，在发送端只用一个相位调制器进行相位编码，在接收端未设置相位调制器，进而降低相位调制器的器件本身带来的插入损耗，不仅如此，同时还能避免因相位调制器的外部硬件控制而造成成码率低的情况，进而在解码时提高成码率。作为优选，所述X基矢相位编码模块为相位调制器，所述Z基矢时间编码模块为强度调制器。针对X基矢相位编码以及Z基矢时间编码本身而言可采用现有硬件架构、光学系统和编码流程。就Z基矢时间编码模块和相位编码模块之间的关系而言，亦采用现有方式，即编码时随机选择基矢，以P的概率选择z基矢时间编码，以1-P的概率选择相位编码。P的取值根据实际应用需要设定，且必须满足0＜P＜1。作为优选，所述发送端还设有布置在反射光路上用以实施诱骗的反射光强度调制器。作为优选，所述反射光强度调制器位于90度旋转法拉第反射镜和编码模块之间。即在编码之前利用反射光强度调制器实施诱骗。反射光强度调制器通过改变光强实现“诱骗态”光信号的发送，能保证单光子成份的效率不被攻击者修改，而单光子成份是量子密钥分发系统中可以提取安全密钥的有效成分。相应的，在接收端的光源所产生的光为弱相干光。所述反射光强度调制器对90度旋转法拉第反射镜反射回的光信号进行强度调制以改变输出的光脉冲中的单光子成份和多光子本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于时间‑相位编码的即插即用量子密钥分发系统的发送端，包括用于形成反射光路的90度旋转法拉第反射镜以及布置在反射光路上编码模块，所述编码模块包括对光信号进行相应编码处理的Z基矢时间编码模块和相位编码模块，其特征在于，所述相位编码模块中为X基矢相位编码模块。

【技术特征摘要】
1.一种基于时间-相位编码的即插即用量子密钥分发系统的发送端，包括用于形成反射光路的90度旋转法拉第反射镜以及布置在反射光路上编码模块，所述编码模块包括对光信号进行相应编码处理的Z基矢时间编码模块和相位编码模块，其特征在于，所述相位编码模块中为X基矢相位编码模块。2.如权利要求1所述的基于时间-相位编码的即插即用量子密钥分发系统的发送端，其特征在于，所述X基矢相位编码模块为相位调制器，所述Z基矢时间编码模块为强度调制器。3.如权利要求1或2所述的基于时间-相位编码的即插即用量子密钥分发系统的发送端，其特征在于，所述发送端还设有布置在反射光路上用以实施诱骗的反射光强度调制器。4.如权利要求3所述的基于时间-相位编码的即插即用量子密钥分发系统的发送端，其特征在于，所述反射光强度调制器、相位调制器和强度调制器依次布置在反射光路上。5.一种基于时间-相位编码的即插即用量子密钥分发系统的接收端，包括用于向发送端发送光信号的光源以及接收探测来自发送端编码光信号的解码模块，所述解码模块包括对光信号进行相应解码处理的Z基矢时间探测模块和相位探测模块，其特征在于，所述相位探测模块为X基矢相位探测模块。6.如权利要求5所述的基于时间-相位编码的即插即用量子密钥分发系统的接收端，其特征在于，所述Z基矢时间探测模块包括：用于对发送端编码后光信号进行分束的分束模块；以及与分束模块第一输出端连接以进行Z基矢时间探测的单光子探测器；所述相位探测模块连接分束模块的第二输出端。7.如权利要求6所述的基于时间-相位编码的即插即用量子密钥分发系统的接收端，其特征在于，所述分束模块为分束器。8.如权利要求7所述的基于时间-相位编码的即插即用量子密钥分发系统的接收端，其特征在于，分束器输出至单光子探测器的光能量与输出至相位探测模块的光能量不相等。9.如权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：富尧，
申请(专利权)人：浙江神州量子网络科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33