一种不等臂干涉环和量子密钥分配系统技术方案

本发明专利技术提供一种基于单个分束器的不等臂干涉环，一种基于偏振分束器和保偏分束器的不等臂干涉环，以及一种发送端和接收端至少一端采用上述不等臂干涉环构成的量子密钥分配系统。该不等臂干涉环和干涉方法大幅提高了单个探测端的量子安全密钥率；该量子密钥分配系统不会增加系统的偏振控制和相位补偿的复杂度。总之，本发明专利技术在不增加方案复杂度的前提下提高了单探测端的量子安全密钥率，具有较高的实用价值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于量子信息
，具体涉及一种不等臂干涉环和量子密钥分配系统。
技术介绍
量子密钥分配可以保证无条件安全的信息传输，因而是前沿
研究的重点。它的编码方式主要有相位编码和偏振编码两种。在光纤传输中，由于受到光纤双折射效应的影响，量子光信号的偏振会发生随机变化。与偏振相比，光的相对相位在光纤传输过程则表现得非常稳定。因此，相位编码方式是光纤量子密钥分配系统的主要编码方式。在单向传输中，最主要的相位编码方案是美国专利(U5307410)提出的对称“不等臂马赫-曾德(Mach-Zehnder)干涉环”方案。在该方案中，光脉冲通过发送端的不等臂干涉环会被分为前后两个脉冲。在接收端，这两个脉冲经过不等臂干涉环后进一步分为四个脉冲，每个脉冲占总光能量的1/4(不考虑衰减)。这四个脉冲中，有两个脉冲同时到达接收方的3dB分束器后重叠形成干涉，其中一个先后经过发送方干涉环的“短臂”和接收方干涉环的“长臂”，另外一个先后经过发送方干涉环的“长臂”和接收方干涉环的“短臂”。因此，参与干涉的光能量对总光能量的利用率仅为1/2，而最终的量子安全密钥率与该能量利用率近乎成正比。为了克服这一问题，GobbyC等人巧妙地利用偏振分束器将总光能量利用率提高到100％(不考虑器件衰减)[GobbyC,YuanZL,ShieldsAJ.Quantumkeydistributionover122kmofstandardtelecomfiber[J].AppliedPhysicsLetters,2004,84(19):3762-3764.]。但由于该方案发送端的不等臂干涉环输出的两个脉冲偏振态相互垂直，光纤线路的双折射效应不仅会影响总光能量利用率的大小，还会改变两个干涉脉冲的相对相位。因此，该方案不仅需要补偿光纤线路的双折射效应以最大化总光能量利用率，还需要进行额外的相位补偿以稳定相对相位，方案复杂，不利于实施。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种不等臂干涉环和量子密钥分配系统，以解决现有不等臂干涉环无法既提高光能量利用率又不增加方案复杂度的问题。提供一种不等臂干涉环，包括分束器、延迟线及调相器，分束器具有第一端口、第二端口、第三端口及第四端口，其中第一端口和第二端口位于分束器的一侧，第三端口和第四端口位于分束器的另一侧，第一端口作为不等臂干涉环的输入端，第三端口作为不等臂干涉环的输出端；延迟线连接在第二端口和第四端口之间从而形成光回路，该延迟线用于增加在光回路中传输的光脉冲的延迟；调相器，用于对光脉冲进行相位调制，以实现量子密钥分配协议规定的相位编码，连接在输入端或者连接在光回路中。进一步地，还包括偏振补偿器，偏振补偿器连接在光回路中，用于保持在分束器上发生干涉的两个光脉冲的偏振一致。进一步地，还包括衰减器，衰减器连接在光回路中，用于调节不等臂干涉输出的紧邻的两个光脉冲之间的平均光能量之比。进一步地，分束器为可变分束器。提供一种不等臂干涉环，包括保偏分束器、偏振分束器、保偏延迟线、保偏调相器及环形器，保偏分束器具有第一端口、第二端口、第三端口及第四端口，其中第一端口和第二端口位于保偏分束器的一侧，第三端口和第四端口位于保偏分束器的另一侧，偏振分束器包括第五端口、第六端口及第七端口，环形器包括第八端口、第九端口及第十端口，第八端口作为不等臂干涉环的输入端，第十端口作为不等臂干涉环的输出端，第五端口连接第九端口形成第一光路，第六端口连接第三端口形成第二光路，第七端口连接第一端口形成第三光路；延迟线连接在第二端口和第四端口之间从而形成光回路，保偏调相器连接在第一光路或光回路中，或者与输入端连接，第二光路和/或第三光路中连接有用于实现水平偏振和竖直偏振互相转换的转换器，第二光路、第三光路及光回路均为保偏光路。进一步地，转换器为偏振补偿器或法拉第旋转器。进一步地，还包括衰减器，衰减器连接在光回路中。提供一种量子密钥分配系统，包括发送端、量子信道及接收端，发送端包括激光器、第一干涉环和强衰减器，且第一干涉环的输入端连接激光器，输出端连接强衰减器的输入端，强衰减器的输出端连接量子信道；接收端包括第二干涉环和单光子探测器，第二干涉环的输入端连接量子信道，输出端连接单光子探测器，第二干涉环为上述任一个不等臂干涉环。进一步地，第一干涉环为上述任一个不等臂干涉环。进一步地，单光子探测器采用门控模式单光子探测器。与美国专利(U5307410)公布的现有主流技术相比，本专利技术的量子密钥分配系统中，发射端不等臂干涉环分束出来的两个相干脉冲光能量不同。当使用3dB分束器且不考虑衰减时，发射端分束出来的第一个脉冲和第二个脉冲分别占总能量的2/3和1/3。第一当个脉冲在接收端被3dB分束器分为光能量相同的两束，该两束均占总光能量的1/3。其中一束通过光回路回到分束器时，第二个脉冲正好也到达该分束器，两者形成叠加干涉。因此，干涉脉冲对总光能量的利用率为2/3，这意味着量子安全密钥率可提升至原来(1/2)的4/3倍。由于本专利技术的不等臂干涉环仅有一个输出端，因此，本专利技术适用于单探测端相位编码量子密钥分配方案，该方案不仅可以规避由于双探测器的差异引起的安全漏洞，还具有低成本和小型化的优势。通过选择合适的分束比，本专利技术的不等臂干涉环单个输出端口的光能量利用率还可从2/3进一步提高至3/4左右(考虑器件衰减时会略有降低)。虽然该利用率仍低于GobbyC等研究者提出的方案，但应用本专利技术的不等臂干涉环的量子密钥分配系统不需要令发射端出射的两个相干脉冲偏振态互相垂直，因此，无需复杂的中间量子信道的偏振变化补偿以及相对相位漂移补偿。总之，本专利技术在不增加方案复杂度的前提下提高了单探测端的量子安全密钥率，具有较高的实用价值。附图说明此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：图1为本专利技术不等臂干涉环实施例1的结构示意图；图2为本专利技术不等臂干涉环实施例2的结构示意图；图3为本专利技术不等臂干涉环实施例3的结构示意图；图4为本专利技术不等臂干涉环实施例4的结构示意图；图5为本专利技术不等臂干涉环实施例5的结构示意图；图6为本专利技术不等臂干涉环实施例6的结构示意图；图7为本专利技术量子密钥分配系统的框架示意图。具体实施方式为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图及具体实施例，对本申请作进一步地详细说明。为简单起见，以下描述中省略了本领域技术人员公知的某些技术特征。实施例1：一种不等臂干涉环，如图1所示，它包括一个2x2分束器4，一个延迟线7和一个调相器2。第一端口3作为不等臂干涉环的输入端，第三端口5作为不等臂干涉环的输出端，延迟线7连接在第二端口8和第四端口6之间从而形成光回路，调相器2连接第一端口3。第一个光脉冲先从输入光路1进入不等臂干涉环，通过调相器2时被施加相位调制，随后经第一端口3进入分束器4，经过分束器4时被分束为两个光脉冲；其中一个光脉冲沿第三端口5直接输出，另外一个光脉冲经第四端口6进入光回路，通过延迟线7延迟后从第二端口8回到分束器4；这时，后进入不等臂干涉环的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种不等臂干涉环，包括分束器、延迟线及调相器，所述分束器具有第一端口、第二端口、第三端口及第四端口，其中第一端口和第二端口位于分束器的一侧，第三端口和第四端口位于分束器的另一侧，其特征在于：所述第一端口作为不等臂干涉环的输入端，所述第三端口作为不等臂干涉环的输出端，所述延迟线连接在第二端口和第四端口之间从而形成光回路，所述调相器连接输入端或者连接在光回路中。

【技术特征摘要】
1.一种不等臂干涉环，包括分束器、延迟线及调相器，所述分束器具有第一端口、第二端口、第三端口及第四端口，其中第一端口和第二端口位于分束器的一侧，第三端口和第四端口位于分束器的另一侧，其特征在于：所述第一端口作为不等臂干涉环的输入端，所述第三端口作为不等臂干涉环的输出端，所述延迟线连接在第二端口和第四端口之间从而形成光回路，所述调相器连接输入端或者连接在光回路中。2.根据权利要求1所述的不等臂干涉环，其特征在于：还包括偏振补偿器，偏振补偿器连接在所述光回路中。3.根据权利要求1或2所述的不等臂干涉环，其特征在于：还包括衰减器，衰减器连接在所述光回路中。4.根据权利要求1或2所述的不等臂干涉环，其特征在于：所述分束器为可变分束器。5.一种不等臂干涉环，包括保偏分束器、偏振分束器、保偏延迟线、保偏调相器及环形器，所述保偏分束器具有第一端口、第二端口、第三端口及第四端口，其中第一端口和第二端口位于所述保偏分束器的一侧，第三端口和第四端口位于所述保偏分束器的另一侧，所述偏振分束器包括第五端口、第六端口及第七端口，所述环形器包括第八端口、第九端口及第十端口，其特征在于：所述第八端口作为所述不等臂干涉环的输入端...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈华，周保琢，张至怡，郭继文，陈粤海，宋勇，
申请(专利权)人：四川航天机电工程研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51