基于偏振调制时间编码的HD-QKD系统技术方案

本发明专利技术公开了所述发送端基于光注入的方式生成偏振调制的光脉冲组，再经由基矢调制和诱骗态调制得到编码后光脉冲组，编码后光脉冲组经衰减后发送至接收端；所述接收端将来自发送端的编码后光脉冲组进行分束后分别利用Z基矢探测模块和X基矢探测模块进行探测。本发明专利技术HD‑QKD系统，采用偏振调制时间编码并采用相应的测量装置，进一步提高了测量效率。

HD-QKD system based on polarization modulation time coding

The invention discloses a polarization modulated optical pulse group generated by the transmitter based on optical injection, and then a coded optical pulse group is obtained by base vector modulation and decoy state modulation, and the coded optical pulse group is attenuated and transmitted to the receiving end, and the receiving end separately benefits the coded optical pulse group from the transmitter after beam splitting. The Z base vector detection module and the X base vector detection module are used for detection. The HD_QKD system of the invention adopts the polarization modulation time coding and the corresponding measuring device, thereby further improving the measuring efficiency.

【技术实现步骤摘要】
基于偏振调制时间编码的HD-QKD系统
本专利技术涉及量子通信
，尤其涉及一种基于偏振调制时间编码的高维量子密钥分发系统。
技术介绍
随着量子信息理论和技术的发展，量子计算机将很快面世。基于计算复杂性的传统公钥系统将不再安全。长久以来人们已经知道采用对称加密，且一次一密的加密系统从信息论的角度看是安全的，这种安全并不基于计算复杂性等类似的前提，因此并不会受到量子计算机的冲击。但此类对称加密系统需要进行安全实时的远距离密钥分发工作，而这在经典系统里面是难以办到的。量子密钥分发系统(QKD)的出现，解决了密钥传输过程中的安全性问题，使得一次一密的加密系统得以实现，从根本上解决通信安全问题。但是现有的QKD系统有一个明显的缺陷，即码率不高(几十公里光纤可到Mbps)。提升码率是QKD实用化的重要课题。而高维编码是提升码率的一个有效途径。传统的QKD系统中，一个量子态携带一个比特的信息(量子比特)，而在高维QKD系统中，一个量子态将携带多个比特的信息，从而码率将得以提升。因此高维量子密钥分发系统(HD-QKD)是QKD研究中的一个重要领域。在高维编码系统中，X基矢和Z基矢均有d个本征态(d表示系统维度)，因此每个本征态对应为0到d-1的比特值。X基矢本征态和相应的Z基矢的本征态之间的关系可以用如下公式来描述其中|fn>和|tm>分别为X基矢第n个和Z基矢的第m个本征态。高维编码的形式也多种多样，而主流的方案为时间编码；其在实验实现上较为简单，因而被广泛研究。在高维时间编码中，d维的量子态需要相应的d个连续的相同时间间隔(τ)构成的一个时间段(T＝dτ)来表示。对于时间间隔，从左往右用0到d-1对其标注。对于Z基矢，其任意一个本征态|tn>在时间编码中的具体形式为：仅在第n个时间间隔中有脉冲而其余时间间隔内没有脉冲。对于X基矢，根据公式(1)不难得知，其不同基矢间的差别在于时间间隔内脉冲的相位，且每个间隔内出现脉冲的几率相同。图1给出了d＝4时，|t0>和|f0>的时间编码形式，且对于|f0>根据上述公式标注了其每个间隔内脉冲的相位。现有高维时间编码QKD的简单步骤如图2，此处以维度d＝4为例，包括：1.Alice端的激光器生成一系列等时间间隔的激光脉冲；2.脉冲经过由FPGA控制的第一强度调制器(IM1)调制后，以qx和qz的几率分别对脉冲组进行X基矢和Z基矢的调制；调制的对象为4个连续脉冲构成的脉冲组；对于Z基矢，脉冲组被等几率随机调制到4个本征态的一个，具体实现方式为通过IM1将相应三个时间间隔内的脉冲强度调制为0；对于需要进行X基矢调制的脉冲组，IM1不调制。3.脉冲序列进入相位调制器(PM)进行相位调制；PM通过调节脉冲的相位来完成X基矢本征态的调制，且调制到任意一个本征态的几率相同；对于经过上述Z基矢调制的脉冲组，PM不进行调制。4.随后由FPGA控制的第二强度调制器(IM2)根据几率随机调制脉冲组强度到几个选定值，该过程被称为诱骗态调制。5.随后由FPGA控制的衰减器(ATT)将各脉冲组的强度进一步衰减到单光子水平；Alice完成量子态的制备，将其通过光纤发送给Bob。6.Bob端首先将入射脉冲组送入一个非平衡分束器(BS)，其透射和反射比为pz:px；透射部分的脉冲组进入Z基矢测量装置，而反射部分的脉冲组进入X基矢测量装置。7.Z基矢测量装置仅需一个光电探测器D1，通过探测器在哪个时间间隔内有响应来判断入射的量子态，从而确定比特值。8.X基矢测量装置(参看图3)：由三个延时干涉仪和四个单光子探测器构成；第一个干涉仪由光纤延时线1和两个分束器构成(BS1和BS2)；第二个干涉仪由光纤延时线1和两个分束器构成(BS3和BS4)；第三个干涉仪由光纤延时线相位调制器(PM)和两个分束器构成(BS5和BS6)；X基矢的测量结果取决于4个探测器在第3时间间隔的响应，某个探测器Xi在该时间间隔内有计数，则表明接收到的量子态为fi。Bob根据上述测量装置完成信号的测量和记录工作。9.通过经认证的经典通道，Alice公布每个量子态的基矢和强度信息；Bob根据上述信息保留相应基矢的测量结果。10.下面进行的纠错和隐私放大的过程和一般诱骗态离散散变量QKD系统的过程完全相同，故不再详述。现有方案的缺陷：在高维时间编码的测量系统中，Z基矢的测量和常见的量子比特编码(二维)时相同；但是X基矢测量装置的复杂性大大增加，且其复杂度和维度正相关。除去成本和系统稳定性的考虑，高维X基矢测量系统还存在一个明显的缺陷，上述X基矢测量装置其测量的效率和维度成反比，为1/d(该值不包括器件带来的损耗及光电探测器的效率)，更高维度的编码意味着更低的探测效率，这明显制约了高维时间编码QKD系统的实际应用。
技术实现思路
本专利技术提供一种HD-QKD系统，采用偏振调制时间编码以及相应的测量装置，使得X基矢的测量效率倍增。一种基于偏振调制时间编码的HD-QKD系统，包括相匹配的发送端和接收端，所述发送端基于光注入的方式生成偏振调制的光脉冲组，再经由基矢调制和诱骗态调制得到编码后光脉冲组，编码后光脉冲组经衰减后发送至接收端；所述接收端将来自发送端的编码后光脉冲组进行分束后分别利用Z基矢探测模块和X基矢探测模块进行探测。可选的，所述发送端包括：偏振脉冲组生成装置，用于生成各脉冲带有相应偏振的光脉冲组；基矢调制装置，用于对偏振调制脉冲组进行基矢调制；诱骗态调制装置，用于对基矢调制后的光脉冲进行随机强度调制得到编码后光脉冲组；衰减器，用于将编码后光脉冲组经衰减至单光子水平。本专利技术中发送端未提及的其他部件可参照现有技术实施。所述偏振脉冲组生成装置包括相位准备激光器和第一、第二脉冲产生激光器，所述相位准备激光器用于产生长脉冲并分别注入到两脉冲产生激光器，两脉冲产生激光器产生不同偏振态的脉冲组并耦合为一路输出。为了实现光路的复用，进一步简化硬件，作为优选，所述偏振脉冲组生成装置还包括：平衡分束器，相位准备激光器产生的长脉冲经由平衡分束器分为两路；第一光纤环形器，来自平衡分束器的其中一路经由第一光纤环形器进入第一脉冲产生激光器，第一脉冲产生激光器生成水平偏振的光脉冲并经由第一光纤环形器输出；第二光纤环形器，来自平衡分束器的另一路经由第二光纤环形器进入第二脉冲产生激光器，第二脉冲产生激光器生成垂直偏振的光脉冲并经由第二光纤环形器输出；偏振分束器，来自第一光纤环形器和第二光纤环形器的光脉冲经由该偏振分束器耦合为一路输出。偏振脉冲组生成装置、基矢调制装置和诱骗态调制装置相互独立时，即基矢调制和诱骗态调制均采用外调制方式，此时基矢调制装置由强度调制器和相位调制器组成；诱骗态调制装置可采用强度调制器。作为优选，所述发送端包括：偏振脉冲组生成装置，用于生成各脉冲带有相应偏振的光脉冲组；还用于对偏振调制脉冲组进行基矢调制；诱骗态调制装置，用于对基矢调制后的光脉冲进行随机强度调制得到编码后光脉冲组；衰减器，用于将编码后光脉冲组经衰减至单光子水平。此时所述基矢调制采用内调制方式，即之前方案中基矢调制装置的功能也通过偏振脉冲组生成装置实现，在硬件上更加简化，不用单独配置基矢调制装置。基矢本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于偏振调制时间编码的HD‑QKD系统，包括相匹配的发送端和接收端，其特征在于，所述发送端基于光注入的方式生成偏振调制的光脉冲组，再经由基矢调制和诱骗态调制得到编码后光脉冲组，编码后光脉冲组经衰减后发送至接收端；所述接收端将来自发送端的编码后光脉冲组进行分束后分别利用Z基矢探测模块和X基矢探测模块进行探测。

【技术特征摘要】
1.一种基于偏振调制时间编码的HD-QKD系统，包括相匹配的发送端和接收端，其特征在于，所述发送端基于光注入的方式生成偏振调制的光脉冲组，再经由基矢调制和诱骗态调制得到编码后光脉冲组，编码后光脉冲组经衰减后发送至接收端；所述接收端将来自发送端的编码后光脉冲组进行分束后分别利用Z基矢探测模块和X基矢探测模块进行探测。2.如权利要求1所述的基于偏振调制时间编码的HD-QKD系统，其特征在于，所述发送端包括：偏振脉冲组生成装置，用于生成各脉冲带有相应偏振的光脉冲组；基矢调制装置，用于对偏振调制脉冲组进行基矢调制；诱骗态调制装置，用于对基矢调制后的光脉冲进行随机强度调制得到编码后光脉冲组；衰减器，用于将编码后光脉冲组经衰减至单光子水平。3.如权利要求1所述的基于偏振调制时间编码的HD-QKD系统，其特征在于，所述发送端包括：偏振脉冲组生成装置，用于生成各脉冲带有相应偏振的光脉冲组；还用于对偏振调制脉冲组进行基矢调制；诱骗态调制装置，用于对基矢调制后的光脉冲进行随机强度调制得到编码后光脉冲组；衰减器，用于将编码后光脉冲组经衰减至单光子水平。4.如权利要求1所述的基于偏振调制时间编码的HD-QKD系统，其特征在于，所述发送端包括：偏振脉冲组生成装置，用于生成各脉冲带有相应偏振的光脉冲组；还用于对偏振调制脉冲组进行基矢调制；还用于对基矢调制后的光脉冲进行随机强度调制得到编码后光脉冲组；衰减器，用于将编码后光脉冲组经衰减至单光子水平。5.如权利要求2～4任一项所述的基于偏振调制时间编码的HD-QKD系统，其特征在于，所述偏振脉冲组生成装置包括相位准备激光器和第一、第二脉冲产生激光器，所述相位准备激光器用于产生长脉冲并分别注入到两脉冲产生激光器，两脉冲产生激光器产生不同偏振态的脉冲组并耦合为一路输出。6.如权利要求5所述的基于偏振调制时间编码的HD-QKD系统，其特征在于，所述偏振脉冲组生成装置还包括：平衡分束器，相位准备激光器产生的长脉冲经由平衡分束器分为两路；第一光纤环形器，来自平衡分束器的其中一路经由第一光纤环形器进入第一脉冲产生激光器，第一脉冲产生激光器生成水平偏振的光脉冲并经由第一光纤环形器输出；第二光纤环形器，来自平衡分束器的另一路经由第二光纤环形器进入第二脉冲产生激光器，第二脉冲产生激光器生成垂直偏振的光脉冲并经由第二光纤环形器输出；偏振分束器，来自第一光纤环形器和第二光纤环形器的光脉冲经由该偏振分束器耦合为一路输出。7.如权利要求1所述的基于...

【专利技术属性】
技术研发人员：富尧，朱伟，
申请(专利权)人：如般量子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33