一种改进的HD-QKD系统技术方案

本发明专利技术公开了一种改进的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以及内调制的方式对光脉冲进行基矢调制和诱骗态调制得到编码后光脉冲组，再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；其中所述X基矢探测模块包括带法拉第旋转镜的干涉模块以及与光脉冲编码维度相应的单光子探测器，各单光子探测器分别探测相应的干涉结果。本发明专利技术解决现有装置中脉冲组之间相位随机化的问题、以及现有装置存在的偏振漂移问题。

An improved HD-QKD system

The present invention discloses an improved HD_QKD system, including a matched transmitter and a receiver. The transmitter modulates and decoys optical pulses by means of optical injection and internal modulation to obtain a coded optical pulse group, which is then attenuated and transmitted to the receiver. The receiver encodes optical pulses from the transmitter. The X-vector detection module includes an interference module with a Faraday rotating mirror and a single photon detector corresponding to the optical pulse coding dimension, and each single photon detector detects the corresponding interference results respectively. The invention solves the problem of phase randomization between pulse groups in the existing device and the problem of polarization drift in the existing device.

【技术实现步骤摘要】
一种改进的HD-QKD系统
本专利技术涉及量子通信
，尤其涉及一种高维量子密钥分发系统。
技术介绍
量子密钥分发系统(QKD)可以实现远距离的双方或多方通过不安全的信道分享安全的密钥。并且QKD系统采用的器件基本均为现有的通用光学器件，其传输线路可采用现有的光纤或直接通过真空进行，无需任何特殊的器件和传输线路使其快速走向实用化。同时，量子计算机的问世将对现有的公钥体系带来巨大冲击，其将不再安全。而基于QKD系统采用一次一密的加密系统是无条件安全的，有希望一劳永逸的解决通信安全问题。因此QKD研究具有非常重大的实用价值。传统QKD系统采用一个比特信息编码一个量子态的方式来进行，为了进一步提升密钥传输速率，高维量子密钥分发系统(HD-QKD)被提出。在HD-QKD中，一个量子态将携带多个比特的信息，从而提升密钥分发的速率。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基矢的本征态可以用如下公式来描述其中和分别为X基矢第n个和Z基矢的第m个本征态。现有高维编码的形式也多种多样，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，和的时间编码形式，且对于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：Alice端的激光器生成一系列等时间间隔的激光脉冲；脉冲经过由FPGA控制的第一强度调制器(IM1)调制后，以P和1-P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。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。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。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。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(1-P)/P；透射部分的脉冲组进入Z基矢探测模块，而反射部分的脉冲组进入X基矢探测模块。Z基矢探测模块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。X基矢探测模块(参见图3)：由三个延时干涉仪和四个光电探测器构成；第一个干涉仪由延时线1(光纤延时线)和两个分束器构成(BS1和BS2)；第二个干涉仪由延时线2和两个分束器构成(BS3和BS4)；第三个干涉仪由延时线3、相位调制器(PM)和两个分束器构成(BS5和BS6)构成；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(图中的X0～X4)在该时间间隔内有计数，则表明接收到的量子态为Bob根据上述测量装置完成信号的测量和记录工作。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。下面进行的纠错和隐私放大的过程和一般诱骗态离散变量QKD系统的过程完全相同，故不再详述。现有技术的缺陷：对于诱骗态QKD系统，其必须要进行相位随机化，即每个量子态之间的相对相位是随机的。在现有系统中，即每个脉冲组之间的相对相位是随机的；在现有技术中，由于所有脉冲均为通过对连续激光器进行强度调制而获得，其相邻脉冲组之间的相位不是随机化的；为了使相位随机化，必须给每个脉冲组内的所有脉冲均附加一个相同的随机相位，实现起来非常困难。在现有技术的X测量装置中，测量需要采用多个延时干涉装置；在现有的结构中没有任何偏振补偿的结构，因此经延时的脉冲相比未经延时的脉冲将存在偏振漂移；两路脉冲偏振的不匹配将影响干涉的结果，从而影响最终测量的结果，使得测量的错误率上升且效率下降。
技术实现思路
本专利技术提出一种改进的HD-QKD系统，采用基于光注入技术的脉冲生成装置，并结合基于法拉第旋转镜的X基矢探测模块，解决现有装置中脉冲组之间相位随机化的问题，并实现偏振漂移的被动补偿。一种改进的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以及内调制的方式对光脉冲进行基矢调制和诱骗态调制得到编码后光脉冲组，再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；其中所述X基矢探测模块包括带法拉第旋转镜的干涉模块以及与光脉冲编码维度相应的单光子探测器，各单光子探测器分别探测相应干涉结果。作为优选，所述发送端采用相位调制光源，其包括相位准备激光器和脉冲产生激光器，所述相位准备激光器用于产生长脉冲并注入到脉冲产生激光器，所述长脉冲具有与光脉冲编码维度相应的区间，相邻区间带有预调的相位差；所述脉冲产生激光器受长脉冲注入产生与光脉冲编码维度相应的短脉冲以实现X基矢调制，所述脉冲产生激光器还通过改变触发电信号以实现Z基矢调制。例如光脉冲编码维度为n，所述长脉冲具有n个区间，相邻区间通过驱动电信号的扰动会带有相位差；针对于同一长脉冲，脉冲产生激光器经长脉冲注入后激发产生n个短脉冲，每个短脉冲对应长脉冲的其中一个区间，由于长脉冲相邻区间带有预调的相位差，相应的两短脉冲之间也具有相同的相位差。所述触发电信号为脉冲产生激光器内部用于产生光脉冲的驱动电信号，通过改变其电压(或电流)即可以得到不同强度的光脉冲组，即实现强度内调制(Z基矢调制)。所述相位调制光源以P/(1-P)的概率比分别选择X基矢调制和Z基矢调制。P的取值根据实际应用需要设定，且满足0＜P＜1。作为优选，所述相位调制光源还设有三个端口的光纤环形器，所述相位准备激光器产生的长脉冲输入第一端口并经过第二端口进入脉冲产生激光器，所述脉冲产生激光器产生的编码后光脉冲组输入第二端口并经过第三端口输出。作为优选，还设有衰减器，所述编码后光脉冲组经过光纤环形器的第三端口输出至衰减器，经衰减后向接收端发送。作为优选，所述接收端包括将来自发送端的编码后光脉冲组进行分束的分束模块，分束模块设有与Z基矢探测模块相连第一输出端，以及与X基矢探测模块相连的第二输出端。作为优选，所述分束模块为分束器。该分束器的分束比为基矢调制的概率比。作为优选，所述Z基矢探测模块为一个单光子探测器。用以探测脉冲组在各时间间隔内的分布情况。X基矢探测模块中单光子探测器的数量与光脉冲编码维度相应，例如光脉冲编码维度为n，则需n个单光子探测器。作为优选，带法拉本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种改进的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以及内调制的方式对光脉冲进行基矢调制和诱骗态调制得到编码后光脉冲组，再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；其中所述X基矢探测模块包括带法拉第旋转镜的干涉模块以及与光脉冲编码维度相应的单光子探测器，各单光子探测器分别探测相应的干涉结果。

【技术特征摘要】
1.一种改进的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以及内调制的方式对光脉冲进行基矢调制和诱骗态调制得到编码后光脉冲组，再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；其中所述X基矢探测模块包括带法拉第旋转镜的干涉模块以及与光脉冲编码维度相应的单光子探测器，各单光子探测器分别探测相应的干涉结果。2.如权利要求1所述的改进的HD-QKD系统，其特征在于，所述发送端采用相位调制光源，其包括相位准备激光器和脉冲产生激光器，所述相位准备激光器用于产生长脉冲并注入到脉冲产生激光器，所述长脉冲具有与光脉冲编码维度相应的区间，相邻区间带有预调的相位差；所述脉冲产生激光器受长脉冲注入产生与光脉冲编码维度相应的短脉冲以实现X基矢调制，所述脉冲产生激光器还通过改变其触发电信号以实现Z基矢调制。3.如权利要求2所述的改进的HD-QKD系统，其特征在于，所述相位调制光源还设有三个端口的光纤环形器，所述相位准备激光器产生的长脉冲输入第一端口并经过第二端口进入脉冲产生激光器，所述脉冲产生激光器产生的编码后光脉冲组输入第二端口并经过第三端口输出。4.如权利要求1所述的改进的HD-QKD系统，其特征在于，所述接收端包括将来自发送端的编码后光脉冲组进行分束的分束模块，分束模块设有与Z基矢探测模块相连第一输出端，以及与X基矢探测模块相连的第二输出端。5.如权利要求4所述的改进的HD-QKD系统，其特征在于，所述Z基矢探测模块为一个单光子探测器。6.如权利要求4所述的改进的HD-QKD系统，其特征在于，...

【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