相位调制偏振编码的四态量子编码器和解码器及量子密钥分发系统技术方案

本发明专利技术公开了一种相位调制偏振编码的四态量子编码器和解码器及量子密钥分发系统，其编码器和解码器具有內禀稳定性，即工作的稳定性不受外界环境和连接光纤的影响，连接光纤可为普通单模光纤。本发明专利技术所涉及的量子编码器和解码器可应用于量子密钥分发领域，其整体系统分为发射端和接收端，发射端和接收端通过量子信道连接完成量子密钥分发过程。本发明专利技术的量子编码器和解码器结构，可实现內禀稳定的BB84协议四态量子密钥编码和解码。本发明专利技术中所有连接光纤无需使用保偏光纤，普通单模光纤也可，其外界环境对系统相位漂移和偏振变化的干扰对编码和解码过程完全没有影响。

【技术实现步骤摘要】
相位调制偏振编码的四态量子编码器和解码器及量子密钥分发系统
本专利技术涉及量子通信领域，具体地是涉及一种内禀稳定的相位调制偏振编码的四态量子编码器和解码器及量子密钥分发系统。
技术介绍
在量子保密通信技术中，最常用的编码方式为相位编码与偏振编码。而偏振编码以往通常采用光子的两个线偏振态进行编码，即利用电光晶体或Pockels池对光子的线偏振态进行编码，但由于电光晶体或Pockels池的半波电压很高(几千伏)，使用很不方便，而且很难实现高速编码。而如果利用两相互垂直的线偏振光来合成，最后得到的偏振光由两个相互垂直的线偏振光之间的相位差决定，只需要通过相位调制器调制某一线偏振光的相位从而达到改变两线偏光相位差，最后实现偏振编码，相比而言这种编码方式中所使用的相位调制器具有较低的半波电压和很高的调制速率，可实现高速编码，这一技术称为相位调制偏振编码。相位调制偏振编码技术一般采用偏振分束器，将45°线偏振光分成两路：水平线偏振光和垂直线偏振光。而后通过相位调制器对垂直线偏振光加载一定相位，再通过偏振分束器将两路光合成，通过加载相位调制最后合成光的偏振态。输出偏振态的稳定性则受到两个因素的影响，一是两路偏振分量从分束到合成处的传输光路存在相位漂移，使得输出偏振态无法完全取决于系统调制的相位，还受到两个传输光路相位漂移的影响，而无法输出稳定的偏振态；二是两路偏振分量在分束到合成过程中偏振状态的保持问题，目前尚无內禀稳定的偏振态保持结构，一般是在两个传输光路中采用保偏光纤的方式，无法使用价格便宜和加工方便的单模光纤，同时使用保偏光纤，其原理是引入高双折射的特种传输介质，在理论上仍旧无法完美保持两个偏振分量的偏振状态。目前已经发表的相位调制和偏振编码的编码器和解码器方案中，主要有基于M-Z干涉仪和Sagnac环干涉仪的相位调制偏振编码结构，但均无法针对上述两个不稳定因素同时实现內禀稳定的相位调制偏振编码。
技术实现思路
本专利技术为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷(不足)，首先提出一种偏振态的稳定性输出的相位调制偏振编码四态量子编码器。本专利技术的又一目的是提出一种相位调制偏振编码四态量子解码器。本专利技术的又一目的是提出一种基于相位调制偏振编码的四态量子编码器和解码器的量子密钥分发系统。为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案如下：一种相位调制偏振编码四态量子编码器，包括：偏振控制器PC，第一环形器CIR，第一偏振分束器PBS，第一、二、三法拉第反射旋转镜FM和第一相位调制器PM；偏振控制器PC的输入端为光波输入端，偏振控制器PC的输出端接第一环形器CIR的第一端口，第一环形器CIR的第二端口接第一偏振分束器PB的第一端口，第一偏振分束器PBS的第二、四端口分别与第一、二法拉第反射旋转镜FM连接，第一偏振分束器PBS的第三端口与第三法拉第反射旋转镜FM连接，第一相位调制器PM的两端分别与第三法拉第反射旋转镜FM、第一偏振分束器PBS的第三端口连接，第一相位调制器PM用于调制经过第一偏振分束器PBS的第三端口与第三法拉第反射旋转镜FM的光波；第一环形器CIR的第三端口为光波输出端；输入单光子波包经过偏振控制器PC调整输出45°线偏振光，135°线偏振光，左旋圆偏振光或右旋圆偏振光，使通过第一偏振分束器PBS的偏振光等概率被反射和透射；反射分量经过第一偏振分束器PBS后经过法拉第反射旋转镜FM反射后偏振方向旋转90°，之后再次进入第一偏振分束器PBS，进入第一偏振分束器PBS后发生透射，透射的光波包经过法拉第反射旋转镜FM反射，其偏振方向再次旋转90°，之后进入第一偏振分束器PBS后发生反射，再经过第一相位调制器PM后被法拉第反射旋转镜FM反射，进入第一偏振分束器PBS；另一透射分量经过第一偏振分束器PBS后经过法拉第反射旋转镜FM反射后偏振方向旋转90°，之后再次进入第一偏振分束器PBS，进入第一偏振分束器PBS后发生反射，再经过第一相位调制器PM后被法拉第反射旋转镜FM反射，其偏振方向再次旋转90°，之后进入第一偏振分束器PBS后发生透射，经过法拉第反射旋转镜FM反射后偏振方向旋转90°，之后再次进入第一偏振分束器PBS。尽管上述反射、透射两个偏振分量经过三个法拉第反射旋转镜的次序不同，但是其光程却完全相同，因此将同时到达四端口偏振分束器进行合束。优选的，第一、二、三法拉第反射旋转镜FM分别通过单模光纤或保偏光纤与第一偏振分束器PBS连接。连接第一偏振分束器PBS和第一法拉第反射旋转镜的光纤长度和第一偏振分束器PBS和第二法拉第反射旋转镜的光纤长度可以相等，也可以不相等。优选的，编码器输出的偏振态由第一相位调制器PM的加载相位确定，当其加载相位为0，v0和四种电压时，其中v0为相位调制器的半波电压，则编码器输出的偏振态分别为45°线偏振，左旋圆偏振，135°线偏振和右旋圆偏振。反射、透射两个分量在不同时间经过相位调制器，故只选择在不同分量上进行相位调制，则输出的偏振态则完全取决于相位调制器的调制电压。如果选择在反射的水平分量加载电压0，v0和则对应输出的偏振态为45°线偏振，右旋圆偏振，135°线偏振和左旋圆偏振；如果选择在透射的竖直分量上加载电压0，v0和则对应输出的偏振态为45°线偏振，左旋圆偏振，135°线偏振和右旋圆偏振。优选的，第一相位调制器PM(106)在每个码位加载的四个电压由第一随机码发生器产生，第一随机码发生器能够随机产生0，v0和四种电压。上述偏振态的输出的稳定性均可以保证：采用法拉第反射旋转镜的法拉第旋转共轭效应可以保证两个偏振分量在分束和合成的过程中保持匹配，即使所有光纤均采用单模光纤；完全相同的路径则可保证外界环境引起的相位漂移对输出偏振态没有任何影响。一种相位调制偏振编码四态量子解码器，包括：第二环形器CIR、第二偏振分束器PBS，第四、五、六法拉第反射旋转镜FM)和第二相位调制器PM；第二环形器CIR的第一端口为光波输入端，第二环形器CIR的第二端口与第二偏振分束器PBS的第一端口连接，第二偏振分束器PBS的第二、四端口分别与第四、五法拉第反射旋转镜FM连接，四端口的偏振分束器PBS的第三端口与第六法拉第反射旋转镜FM连接，第二相位调制器PM的两端分别与第二偏振分束器PBS的第三端口、第三法拉第反射旋转镜FM连接，第二相位调制器PM用于调制经过第二偏振分束器PBS的第三端口与第六法拉第反射旋转镜FM的光波；第二环形器CIR的第三端口为光波输出端。其工作原理与上述解码器类似，四端口的偏振分束器PBS和第四法拉第反射旋转镜连接的光纤长度与四端口的偏振分束器PBS和第五法拉第反射旋转镜连接的光纤长度可以相等，也可以不相等，同样可以在相位调制器上对两个不同分量选择调制以实现不同偏振基的选择：如果选择在反射的水平分量加载电压0，v0和则对应的偏振基为45°线偏振，右旋圆偏振，135°线偏振和左旋圆偏振；如果选择在透射的竖直分量上加载电压0，v0和则对应的偏振基为45°线偏振，左旋圆偏振，135°线偏振和右旋圆偏振。优选的，第四、五、六法拉第反射旋转镜FM分别通过单模光纤或保偏光纤与第二偏振分束器PBS连接。优选的，编码器输出的偏振态由第二相位调制器PM的加载相位确定，当其加载相位为0，v0和四种电压时，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种相位调制偏振编码四态量子编码器，其特征在于，包括：偏振控制器PC(101)，第一环形器CIR(102)，第一偏振分束器PBS(103)，第一、二、三法拉第反射旋转镜FM(104、105、107)和第一相位调制器PM(106)；偏振控制器PC(101)的输入端为光波输入端，偏振控制器PC(101)的输出端接第一环形器CIR(102)的第一端口，第一环形器CIR(102)的第二端口接第一偏振分束器PBS(103)的第一端口，第一偏振分束器PBS(103)的第二、四端口分别与第一、二法拉第反射旋转镜FM(104、105)连接，第一偏振分束器PBS(103)的第三端口与第三法拉第反射旋转镜FM(107)连接，第一相位调制器PM(106)调制经过第一偏振分束器PBS(103)的第三端口与第三法拉第反射旋转镜FM(107)的光波；第一环形器CIR(102)的第三端口为光波输出端。

【技术特征摘要】
1.一种相位调制偏振编码四态量子编码器，其特征在于，包括：偏振控制器PC(101)，第一环形器CIR(102)，第一偏振分束器PBS(103)，第一、二、三法拉第反射旋转镜FM(104、105、107)和第一相位调制器PM(106)；偏振控制器PC(101)的输入端为光波输入端，偏振控制器PC(101)的输出端接第一环形器CIR(102)的第一端口，第一环形器CIR(102)的第二端口接第一偏振分束器PBS(103)的第一端口，第一偏振分束器PBS(103)的第二、四端口分别与第一、二法拉第反射旋转镜FM(104、105)连接，第一偏振分束器PBS(103)的第三端口与第三法拉第反射旋转镜FM(107)连接，第一相位调制器PM(106)的两端分别与第三法拉第反射旋转镜FM(107)、第一偏振分束器PBS(103)的第三端口连接，第一相位调制器PM(106)用于调制经过第一偏振分束器PBS(103)的第三端口与第三法拉第反射旋转镜FM(107)的光波；第一环形器CIR(102)的第三端口为光波输出端。2.根据权利要求1所述的相位调制偏振编码四态量子编码器，其特征在于，第一、二、三法拉第反射旋转镜FM(104、105、107)分别通过单模光纤或保偏光纤与第一偏振分束器PBS(103)连接。3.根据权利要求2所述的相位调制偏振编码四态量子编码器，其特征在于，编码器输出的偏振态由第一相位调制器PM(106)的加载相位确定，当其加载相位为0，v0和四种电压时，其中v0为相位调制器的半波电压，则编码器输出的偏振态分别为45°线偏振，左旋圆偏振，135°线偏振和右旋圆偏振。4.根据权利要求3所述的相位调制偏振编码四态量子编码器，其特征在于，第一相位调制器PM(106)在每个码位加载的四个电压由第一随机码发生器(108)产生，第一随机码发生器(108)能够随机产生0，v0和四种电压。5.一种相位调制偏振编码四态量子解码器，其特征在于，包括：第二环形器CIR(201)、第二偏振分束器PBS(202)，第四、五、六法拉第反射旋转镜FM(203、204、206)和第二相位调制器PM(205)；第二环形器CIR(201)的第一端口为光波输入端，第二环形器CIR(201)的第二端口与第二偏振分束器PBS(202)的第一端口连接，第二偏振分束器PBS(202)的第二、四端口分别与第四、五法拉第反射旋转镜FM(203、204)连接，四端口的偏振分束器P...

【专利技术属性】
技术研发人员：王金东，金璇，解文钟，杜亚男，魏正军，秦晓娟，於亚飞，张智明，廖常俊，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：广东;44