基于时间‑相位编码的量子密钥分发系统及编码装置和解码装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于时间‑相位编码的量子密钥分发系统以及相应的编码装置和解码装置，量子密钥分发系统包括相互光连接的发送端和接收端，发送端中的编码单元包括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基矢相位编码模块或Y基矢相位编码模块；接收端中的解码单元包括Z基矢时间测量模块和相位测量模块，相位测量模块为X基矢相位测量模块或Y基矢相位测量模块，且与所述相位编码模块相适应。本发明专利技术在接收端不需要加相位调制器，能够大大降低插入损耗，提高成码率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及量子加密通信
，特别涉及一种基于时间-相位编码的量子密钥分发系统以及相应的编码装置和解码装置。
技术介绍
随着社会的发展，信息变得越来越重要，随之而来的通信安全问题也变得日益突出，曾轰动一时的“棱镜门”事件引发了国人关于国家信息安全的思考，迄今为止，经典的密码系统主要是依靠计算的复杂性来确保信息的安全，但其从根本原理上无法保证信息的绝对安全，而且随着计算机性能的不断提升，特别是未来量子计算机的出现，使得经典保密系统受到了严峻的挑战，因此寻找新型的，具有绝对安全性的保密技术变得尤为重要。量子保密通信技术作为近二十年发展起来的新型信息保密领域，其以量子理论为基础，从理论上提供了保密信息交换绝对安全的方法。2009年，量子政务网、量子通信网相继在我国建成，这使得原本停留在基础理论和实验室阶段的量子保密通信技术开始在人们的日常生活中出现。量子密钥分发(QKD)作为量子保密通信中的研究重点，同时也是其中最接近实用化的领域，已经受到越来越多的关注。自从BB84协议提出以来，各种形式的QKD协议纷纷涌现，如Ekert91协议、BBM92协议、B92协议、六态协议等，但是与这些协议相比，BB84方案操作更加简单实用，且安全系数高，因此BB84方案仍是目前应用最为广泛的QKD方案。QKD的编码方式通常分为偏振编码和相位编码，其中，最早的相位编码采用的是等臂Mach-Zehnder干涉仪方案，该方案需要使用两根光纤传输，路径扰动带来的臂长差变化非常严重，因此不适合长距离传输。后来，Bennett提出了双不等臂MZI方案(C.H.Bennett,“Quantum cryptography using any two nonorthogonal states”，Physical Review Letters,vol.68,no.21,pp.3121-3124,1992.)，发送端和接收端有一对臂长差相等的干涉仪，经过发送端干涉仪长臂、接收端干涉仪短臂的光脉冲和经过发送端干涉仪短臂、接收端干涉仪长臂的光脉冲发生干涉，从而实现编解码，但是该方案中走过短臂-短臂和长臂-长臂的光脉冲并不发生干涉，从而干涉效率(发生干涉的光的能量与总能量的比值)只有50％，为了提高干涉效率，Dixon等人利用偏振选择路径的方法(Dixon A,Yuan Z,Dynes J,et al.“Continuous operation of high bit rate quantum key distribution”,Applied Physics Letters,2010,96(16):161102)，使得经过发送端干涉仪长臂(或短臂)的光脉冲只经过接收端干涉仪短臂(或长臂)，从而使干涉效率提高到100％。现有的相位编码的量子密钥分发系统，如图1所示，包括发送端、接收端和控制单元(图中未示出)。工作时，控制单元控制发送端的编码模块根据随机数发生单元产生的随机数对信号光进行相应的编码，被编码后的信号光由量子信道传送给接收端，由接收端选择基矢进行相应的解码，并将测量用的基矢和测量结果记录下来。控制单元中的光学与硬件数据处理单元对得到的测量结果进行处理得到原始密钥信息后，由软件处理单元对原始密钥进行数据后处理工作，依次包括基矢比对、认证、纠错、错误验证、隐私放大因子计算和隐私放大，最终发送端和接收端可以获得相同并且安全的最终密钥。发送端包括光源模块和编码模块，其中光源模块包括脉冲光源1，编码单元包括第一保偏分束器2、第一保偏相位调制器3(即X，Y基矢相位编码模块)、第一保偏延时线4、第一保偏偏振分束器5。接收端包括解码单元，其中解码单元包括用作X,Y基矢选择模块的第二保偏偏振分束器7、第二保偏相位调制器8、第二保偏延时线9、第二保偏分束器10、第一单光子探测器11、第二单光子探测器12，发送端和接收端之间为量子信道6。发送端的光源模块发射线性偏振的光脉冲进入编码模块，编码模块将光脉冲分束、相对延时、并对其中之一使用X,Y基矢相位编码模块编码，输出偏振态相互垂直的两个光脉冲进入量子信道传输给接收端。具体过程：脉冲光源1发射线性偏振的光脉冲，光脉冲到达第一保偏分束器2的A端口后，被分束成两束水平偏振光脉冲，一束光脉冲由第一保偏分束器2的B端口输出到达第一保偏偏振分束器5的C端口，此时定义第一保偏分束器2的B端口至第一保偏偏振分束器5的C端口为发送端短臂；另一束光脉冲由第一保偏分束器2的C端口输出到达第一保偏相位调制器(X,Y基矢相位编码模块)，第一保偏相位调制器3对光脉冲随机编码四种相位0，π/2，π，3π/2，编码后的光脉冲经第一保偏延时线4到达第一保偏偏振分束器5的B端口，此时定义第一保偏分束器2的C端口至第一保偏偏振分束器5的B端口为发送端长臂，两路光脉冲经过第一保偏偏振分束器5透射和反射成偏振相互垂直的两个光脉冲并从第一保偏偏振分束器5的A端口输出，由量子信道6到达接收端。接收端解码单元解码发送端传输过来的携带有编码信息的光脉冲，对该两个光脉冲分束、相对延时，并根据编码信息不同选择探测器输出。具体过程：发送端输出的两个光脉冲经量子信道到达接收端的第二保偏偏振分束器7的A端口，水平偏振光脉冲由第二保偏偏振分束器7的B端口输出至第二保偏分束器10的第A端口，此时定义第二保偏偏振分束器7的B端口至第二保偏分束器10的A端口为接收端短臂；垂直偏振光脉冲经第二保偏偏振分束器7反射变为水平偏振光脉冲从C端口输出至第二保偏相位调制器8，第二保偏相位调制器8对光脉冲随机编码相位0，π/2选择X或Y测量基矢，编码后的光脉冲经第二保偏延时线9到达第二保偏分束器10的C端口，此时定义第二保偏偏振分束器7的C端口至第二保偏分束器10的C端口为接收端长臂，根据偏振选择路径的方法，两束光脉冲走过的光程相等，且偏振态相同，故两束光脉冲在第二保偏分束器10中发生干涉，根据干涉信息不同分别到达不同单光子探测器输出。此外，还有一种方式是采用包含法拉第旋转镜的不等臂Michelson干涉仪实现相位编码，如公开号为CN 1651947A,专利名称为“一种偏振控制编码方法、编码器和量子密钥分配系统”的中国专利技术专利，公开了一种使用基于四端口分束器的一对不等臂F-M(Faraday-Michelson)干涉仪来实现偏振控制的相位编码、相干探测的QKD系统，但其使用了普通X型耦合器，使得单光子的路径随机选择，降低了干涉效率；公开号为CN 101150371A，专利名称为“一种相位编码偏振检测的量子密钥分配系统”的中国专利技术专利公开了一种使用基于四端口偏振分束器的一对不等臂F-M(Faraday–Michelson)干涉仪来实现偏振控制的相位编码、偏振探测的QKD系统，其与Dixon等人一样利用偏振选择路径的方法来提高干涉效率，上述方案中接收端均需要加入一个相位调制器来选择X,Y测量基矢，不但会带来额外的插入损耗，从而影响系统成码率，且其由于本身固有问题，使相位调制不精确，导致最终干涉对比度不够高，从而使成码率低，这大大限制了QKD技术的发展。综上所述，现有技术存在下列问题：1.现有的相位编码系统在接收端需要加入相位调制器选择X，Y测量基矢，而相位调制器的后端插入损本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于时间‑相位编码的量子密钥分发系统，包括相互光连接的发送端和接收端，发送端包括用于形成信号光的光源模块以及用于对所述光信号进行时间相位编码处理的编码单元，接收端中相应设有用于对经过发送端中编码单元进行相应时间相位编码处理后的信号光进行时间相位解码处理的解码单元，其特征在于，所述的编码单元包括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基矢相位编码模块或Y基矢相位编码模块；所述解码单元包括Z基矢时间测量模块和相位测量模块，相位测量模块为X基矢相位测量模块或Y基矢相位测量模块，且与所述相位编码模块相适应。

【技术特征摘要】
1.一种基于时间-相位编码的量子密钥分发系统，包括相互光连接的发送端和接收端，发送端包括用于形成信号光的光源模块以及用于对所述光信号进行时间相位编码处理的编码单元，接收端中相应设有用于对经过发送端中编码单元进行相应时间相位编码处理后的信号光进行时间相位解码处理的解码单元，其特征在于，所述的编码单元包括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基矢相位编码模块或Y基矢相位编码模块；所述解码单元包括Z基矢时间测量模块和相位测量模块，相位测量模块为X基矢相位测量模块或Y基矢相位测量模块，且与所述相位编码模块相适应。2.如权利要求1所述的基于时间-相位编码的量子密钥分发系统，其特征在于，所述编码单元还包括第一分束模块，用于将所述信号光分为两束第一子信号光并通过不同光路输出以供相位编码模块和Z基矢时间编码模块进行编码。3.如权利要求2所述的基于时间-相位编码的量子密钥分发系统，其特征在于，所述第一分束模块用于将所述信号光分为两束能量相等的第一子信号光。4.如权利要求2或3中所述的基于时间-相位编码的量子密钥分发系统，其特征在于，所述发送端和接收端之间通过一条量子信道连通，所述编码单元还包括：第一延时模块，用于对两束第一子信号光进行相对延时；合路模块，用于将所述的两束第一子信号光合为一路后通过所述量子信道发送给接收端。5.如权利要求4所述的基于时间-相位编码的量子密钥分发系统，其特征在于，所述相位测量模块还包括：第二分束模块，用于将接收到的合为一路的两束第一子信号光分别分为两路第二子信号光并通过不同光路输出；第二延时模块，与第一延时模块相匹配，用于对第二分束模块输出的两路第二子信号光进行相对延时以进行干涉。6.如权利要求5所述的基于时间-相位编码的量子密钥分发系统，其特征在于，所述编码单元还包括偏振控制模块，用于调节两束第一子信号光的偏振态使其中一束为水平偏振光，另一束为垂直偏振光。7.如权利要求6所述的基于时间-相位编码的量子密钥分发系统，其特征在于，所述的第二分束模块根据两束第一子信号光的偏振态将...

【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