量子密钥分发系统及其发射端、接收端与通信方法技术方案

本发明专利技术公开了一种QKD系统及其发射端、接收端与通信方法，本发明专利技术技术方案中，发射端可以对光脉冲进行偏振和相位调制，实现在预设四维空间的编码，出射包括偏振信息和时间信息的光脉冲，接收端可以获取发射端出射的光脉冲，对该光脉冲进行偏振和相位解码，并对光脉冲进行探测。可见，本发明专利技术技术方案可以实现高维编码量子通信，使得一个量子态可以携带更多比特信息量，大大提高了QKD的成码率。

【技术实现步骤摘要】
量子密钥分发系统及其发射端、接收端与通信方法
本专利技术涉及量子保密通信
，更具体的说，涉及一种量子密钥分发系统及其发射端、接收端与通信方法。
技术介绍
量子密钥分发(QuantumKeyDistribution，QKD)技术能够在通信双方之间产生完全一致的无条件安全的密钥因而受到广泛关注。自从1984年BB84方案提出以来，各种理论方案日臻完善，技术实现逐渐成熟并走向实际应用。量子密钥分发(QuantumKeyDistribution，QKD)与经典密钥体系的根本不同在于其采用单个光子或纠缠光子对作为密钥的载体，由量子力学的三大基本原理(海森堡测不准原理、测量塌缩理论、量子不可克隆定律)保证了该过程的不可窃听、不可破译性，从而提供了一种更为安全的密钥体系。现有的QKD系统的成码率还不够高，如在远距离通信的条件下，目前的QKD系统的成码率无法满足通信要求，这极大的限制了QKD系统的广泛应用。故如何提高QKD系统的成码率是量子保密通信
一个亟待解决的问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术技术方案提供了一种QKD系统及其发射端、接收端与通信方法，大大提高了QKD系统的成码率。为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种QKD系统的发射端，所述发射端用于对光源装置出射的光脉冲进行偏振和相位调制以实现基于预设的四维空间编码，以向所述量子密钥分发系统的接收端发射包括偏振信息和时间信息的光脉冲。优选的，在上述发射端中，所述发射端选择向所述接收端发送包括第一基矢的第一光信号，或选择向所述接收端发送包括第二基矢的第二光信号；其中，所述第一基矢以及所述第二基矢均包括四个量子态，每个量子态均包括时间信息以及偏振信息；所述第一基矢中的不同量子态满足相互正交归一化关系，所述第二基矢中不同量子态满足相互正交归一化关系。优选的，在上述发射端中，所述第一基矢为{α}＝{|P,t1＞,|P,t2＞,|N,t1＞,|N,t2＞}；所述第二基矢为其中，P、N、V以及H为四个不同的已知偏振态，t1和t2为所述光源装置出射光脉冲的两个不同时隙位置。优选的，在上述发射端中，所述发射端包括：脉冲产生与相位调制模块和偏振调制模块；其中，所述脉冲产生与相位调制模块用于对所述光源装置出射的光脉冲进行相位调制；所述偏振调制模块用于对相位调制后的光脉冲进行偏振调制。优选的，在上述发射端中，所述光源装置中激光器均为单光子源，所述偏振调制模块出射光脉冲直接入射所述接收端；或，所述光源装置包括非单光子源的激光器，所述发射端还包括衰减控制模块，所述衰减控制模块用于对偏振调制后的光脉冲进行衰减控制。优选的，在上述发射端中，所述脉冲产生与相位调制模块包括：所述光源装置、第一分束器、第二分束器、第一相位调制器以及光开关；所述光源装置包括：第一激光器以及第二激光器；所述第一激光器出射光脉冲时，所述光脉冲依次通过所述光开关和所述偏振调制模块；所述第二激光器出射光脉冲时，所述光脉冲通过所述第一分束器分为两路，一路入射所述第二分束器的一个输入端口，另一路通过所述第一相位调制器入射所述第二分束器的另一个输入端口，入射所述第二分束器的两路光脉冲在所述第二分束器耦合后，依次通过所述光开关和所述偏振调制模块。优选的，在上述发射端中，所述脉冲产生与相位调制模块包括：所述光源装置、第一分束器、第二分束器以及光开关；所述光源装置包括：第一激光器、第二激光器以及第三激光器；所述第一激光器出射光脉冲时，所述光脉冲依次通过所述光开关和所述偏振调制模块；所述第二激光器出射光脉冲时，所述光脉冲通过所述第一分束器分为两路，两路光脉冲分别入射所述第二分束器的两个不同入射端口，入射所述第二分束器的两路光脉冲在所述第二分束器耦合后，依次通过所述光开关和所述偏振调制模块；所述第三激光器出射光脉冲时，所述光脉冲通过所述第一分束器分为两路，两路光脉冲分别入射所述第二分束器的两个不同入射端口，入射所述第二分束器的两路光脉冲在所述第二分束器耦合后，依次通过所述光开关和所述偏振调制模块。优选的，在上述发射端中，所述发射端向所述接收端发送包括第一基矢的第一光信号时，所述第一激光器工作，在t1时隙位置发射光脉冲通过所述光开关入射所述偏振调制模块，将入射光脉冲的偏振态调制为P，则出射光脉冲的量子态为|P,t1＞，在t2时隙位置发射光脉冲通过所述光开关入射所述偏振调制模块，将入射光脉冲的偏振态调制为P，则出射光脉冲的量子态为|P,t2>；或者，所述第一激光器工作，在t1时隙位置发射光脉冲通过所述光开关入射所述偏振调制模块，将入射光脉冲的偏振态调制为N，则出射光脉冲的量子态为|N,t1>，在t2时隙位置发射光脉冲通过所述光开关入射所述偏振调制模块，将入射光脉冲的偏振态调制为N，则出射光脉冲的量子态为|N,t2>。优选的，在上述发射端中，所述发射端向所述接收端发送包括第二基矢的第二光信号时，所述第二激光器工作，在t1时隙位置发射光脉冲，光脉冲通过所述第一分束器、所述第二分束器以及所述第一相位调制器组成的不等臂干涉仪形成两个光脉冲，该两个光脉冲分别对应t1时隙位置和t2时隙位置，通过所述第一相位调制器控制该两个光脉冲的相位差为0或π。优选的，在上述发射端中，所述发射端向所述接收端发送包括第二基矢的第二光信号时，所述第二激光器与所述第三激光器互补工作，所述第二激光器与所述第三激光器出射的光脉冲均经过所述第一分束器与所述第二分束器组成的不等臂干涉仪形成两个光脉冲分量，该两个光脉冲分量分别对应t1时隙位置和t2时隙位置，且相位差为0或π。优选的，在上述发射端中，所述偏振调制模块用于将所述两个光脉冲的偏振态分别调制为H或V，包括：如果入射所述偏振调制模块的两个光脉冲的相位差为0，所述偏振调制模块将t1时隙位置光脉冲的偏振态调节为H，将t2时隙位置光脉冲的偏振态调节为V，则出射光脉冲的量子态为如果入射所述偏振调制模块的两个光脉冲的相位差为0，所述偏振调制模块将t1时隙位置光脉冲的偏振态调节为V，将t2时隙位置光脉冲的偏振态调节为H，则出射光脉冲的量子态为如果入射所述偏振调制模块的两个光脉冲的相位差为π，所述偏振调制模块将t1时隙位置光脉冲的偏振态调节为H，将t2时隙位置光脉冲的偏振态调节为V，则出射光脉冲的量子态为如果入射所述偏振调制模块的两个光脉冲的相位差为π，所述偏振调制模块将t1时隙位置光脉冲的偏振态调节为V，将t2时隙位置光脉冲的偏振态调节为H，则出射光脉冲的量子态为优选的，在上述发射端中，所述脉冲产生与相位调制模块包括：所述光源装置、第一分束器、第二分束器、第一相位调制器以及第一强度调制器；所述光源装置包括：激光器；所述激光器出射光脉冲时，所述光脉冲通过所述第一分束器分为两路，一路入射所述第二分束器的一个输入端口，另一路通过所述第一相位调制器入射所述第二分束器的另一个输入端口，入射所述第二本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种量子密钥分发系统的发射端，其特征在于，所述发射端用于对光源装置出射的光脉冲进行偏振和相位调制以实现基于预设的四维空间编码，以向所述量子密钥分发系统的接收端发射包括偏振信息和时间信息的光脉冲。/n

【技术特征摘要】
1.一种量子密钥分发系统的发射端，其特征在于，所述发射端用于对光源装置出射的光脉冲进行偏振和相位调制以实现基于预设的四维空间编码，以向所述量子密钥分发系统的接收端发射包括偏振信息和时间信息的光脉冲。


2.根据权利要求1所述的发射端，其特征在于，所述发射端选择向所述接收端发送包括第一基矢的第一光信号，或选择向所述接收端发送包括第二基矢的第二光信号；
其中，所述第一基矢以及所述第二基矢均包括四个量子态，每个量子态均包括时间信息以及偏振信息；所述第一基矢中的不同量子态满足相互正交归一化关系，所述第二基矢中不同量子态满足相互正交归一化关系。


3.根据权利要求2所述的发射端，其特征在于，所述第一基矢为{α}＝{|P,t1>,|P,t2>,|N,t1>,|N,t2>}；
所述第二基矢为
其中，P、N、V以及H为四个不同的已知偏振态，t1和t2为所述光源装置出射光脉冲的两个不同时隙位置。


4.根据权利要求3所述的发射端，其特征在于，所述发射端包括：脉冲产生与相位调制模块和偏振调制模块；
其中，所述脉冲产生与相位调制模块用于对所述光源装置出射的光脉冲进行相位调制；所述偏振调制模块用于对相位调制后的光脉冲进行偏振调制。


5.根据权利要求4所述的发射端，其特征在于，所述光源装置中激光器均为单光子源，所述偏振调制模块出射光脉冲直接入射所述接收端；
或，所述光源装置包括非单光子源的激光器，所述发射端还包括衰减控制模块，所述衰减控制模块用于对偏振调制后的光脉冲进行衰减控制。


6.根据权利要求4所述的发射端，其特征在于，所述脉冲产生与相位调制模块包括：所述光源装置、第一分束器、第二分束器、第一相位调制器以及光开关；所述光源装置包括：第一激光器以及第二激光器；
所述第一激光器出射光脉冲时，所述光脉冲依次通过所述光开关和所述偏振调制模块；
所述第二激光器出射光脉冲时，所述光脉冲通过所述第一分束器分为两路，一路入射所述第二分束器的一个输入端口，另一路通过所述第一相位调制器入射所述第二分束器的另一个输入端口，入射所述第二分束器的两路光脉冲在所述第二分束器耦合后，依次通过所述光开关和所述偏振调制模块。


7.根据权利要求4所述的发射端，其特征在于，所述脉冲产生与相位调制模块包括：所述光源装置、第一分束器、第二分束器以及光开关；所述光源装置包括：第一激光器、第二激光器以及第三激光器；
所述第一激光器出射光脉冲时，所述光脉冲依次通过所述光开关和所述偏振调制模块；
所述第二激光器出射光脉冲时，所述光脉冲通过所述第一分束器分为两路，两路光脉冲分别入射所述第二分束器的两个不同入射端口，入射所述第二分束器的两路光脉冲在所述第二分束器耦合后，依次通过所述光开关和所述偏振调制模块；
所述第三激光器出射光脉冲时，所述光脉冲通过所述第一分束器分为两路，两路光脉冲分别入射所述第二分束器的两个不同入射端口，入射所述第二分束器的两路光脉冲在所述第二分束器耦合后，依次通过所述光开关和所述偏振调制模块。


8.根据权利要求6或7所述的发射端，其特征在于，所述发射端向所述接收端发送包括第一基矢的第一光信号时，
所述第一激光器工作，在t1时隙位置发射光脉冲通过所述光开关入射所述偏振调制模块，将入射光脉冲的偏振态调制为P，则出射光脉冲的量子态为|P,t1>，在t2时隙位置发射光脉冲通过所述光开关入射所述偏振调制模块，将入射光脉冲的偏振态调制为P，则出射光脉冲的量子态为|P,t2>；
或者，所述第一激光器工作，在t1时隙位置发射光脉冲通过所述光开关入射所述偏振调制模块，将入射光脉冲的偏振态调制为N，则出射光脉冲的量子态为|N,t1>，在t2时隙位置发射光脉冲通过所述光开关入射所述偏振调制模块，将入射光脉冲的偏振态调制为N，则出射光脉冲的量子态为|N,t2>。


9.根据权利要求6所述的发射端，其特征在于，所述发射端向所述接收端发送包括第二基矢的第二光信号时，所述第二激光器工作，在t1时隙位置发射光脉冲，光脉冲通过所述第一分束器、所述第二分束器以及所述第一相位调制器组成的不等臂干涉仪形成两个光脉冲，该两个光脉冲分别对应t1时隙位置和t2时隙位置，通过所述第一相位调制器控制该两个光脉冲的相位差为0或π。


10.根据权利要求7所述的发射端，其特征在于，所述发射端向所述接收端发送包括第二基矢的第二光信号时，所述第二激光器与所述第三激光器互补工作，所述第二激光器与所述第三激光器出射的光脉冲均经过所述第一分束器与所述第二分束器组成的不等臂干涉仪形成两个光脉冲分量，该两个光脉冲分量分别对应t1时隙位置和t2时隙位置，且相位差为0或π。


11.根据权利要求9或10所述的发射端，其特征在于，所述偏振调制模块用于将所述两个光脉冲的偏振态分别调制为H或V，包括：
如果入射所述偏振调制模块的两个光脉冲的相位差为0，所述偏振调制模块将t1时隙位置光脉冲的偏振态调节为H，将t2时隙位置光脉冲的偏振态调节为V，则出射光脉冲的量子态为
如果入射所述偏振调制模块的两个光脉冲的相位差为0，所述偏振调制模块将t1时隙位置光脉冲的偏振态调节为V，将t2时隙位置光脉冲的偏振态调节为H，则出射光脉冲的量子态为
如果入射所述偏振调制模块的两个光脉冲的相位差为π，所述偏振调制模块将t1时隙位置光脉冲的偏振态调节为H，将t2时隙位置光脉冲的偏振态调节为V，则出射光脉冲的量子态为
如果入射所述偏振调制模块的两个光脉冲的相位差为π，所述偏振调制模块将t1时隙位置光脉冲的偏振态调节为V，将t2时隙位置光脉冲的偏振态调节为H，则出射光脉冲的量子态为


12.根据权利要求4所述的发射端，其特征在于，所述脉冲产生与相位调制模块包括：所述光源装置、第一分束器、第二分束器、第一相位调制器以及第一强度调制器；所述光源装置包括：激光器；
所述激光器出射光脉冲时，所述光脉冲通过所述第一分束器分为两路，一路入射所述第二分束器的一个输入端口，另一路通过所述第一相位调制器入射所述第二分束器的另一个输入端口，入射所述第二分束器的两路光脉冲在所述第二分束器耦合后，依次通过所述第一强度调制器和所述偏振调制模块。


13.根据权利要求12所述的发射端，其特征在于，所述发射端向所述接收端发送包括第一基矢的第一光信号时，所述激光器工作，出射的光脉冲通过所述第一分束器、所述第二分束器以及所述第一相位调制器组成的不等臂干涉仪形成两个光脉冲，该两个光脉冲分别对应t1时隙位置和t2时隙位置，所述第一相位调制器调节该两个光脉冲的相位差为0，所述第一强度调制器选择对应t1时隙位置的光脉冲通过或是对应t2时隙位置的光脉冲通过，所述偏振调制模块调节入射光脉冲的偏振态，以出射包括第一基矢的第一光信号。


14.根据权利要求13所述的发射端，其特征在于，如果所述第一强度调制器选择对应t1时隙位置的光脉冲通过，所述偏振调制模块将光脉冲的偏振态调节为P，则出射光脉冲的量子态为|P,t1>；
如果所述第一强度调制器选择对应t2时隙位置的光脉冲通过，所述偏振调制模块将光脉冲的偏振态调节为P，则出射光脉冲的量子态为|P,t2>；
如果所述第一强度调制器选择对应t1时隙位置的光脉冲通过，所述偏振调制模块将光脉冲的偏振态调节为N，则出射光脉冲的量子态为|N,t1>；
如果所述第一强度调制器选择对应t2时隙位置的光脉冲通过，所述偏振调制模块将光脉冲的偏振态调节为N，则出射光脉冲的量子态为|N,t2>。


15.根据权利要求12所述的发射端，其特征在于，所述发射端向所述接收端发送包括第二基矢的第二光信号时，所述激光器工作，出射的光脉冲通过所述第一分束器、所述第二分束器以及所述第一相位调制器组成的不等臂干涉仪形成两个光脉冲，该两个光脉冲分别对应t1时隙位置和t2时隙位置，所述第一相位调制器调节该两个光脉冲的相位差为0或π，所述第一强度调制器选择对应t1时隙位置和对应t2时隙位置的光脉冲均通过，所述偏振调制模块调节入射光脉冲的偏振态，以出射包括第二基矢的第二光信号。


16.根据权利要求15所述的发射端，其特征在于，如果所述第一相位调制器调节相位差为0，所述偏振调制模块将对应t1时隙位置的光脉冲偏振态调节为H，将对应t2时隙位置的光脉冲偏振态调节为V，则出射光脉冲的量子态为
如果所述第一相位调制器调节相位差为0，所述偏振调制模块将对应t1时隙位置的光脉冲偏振态调节为V，将对应t2时隙位置的光脉冲偏振态调节为H，则出射光脉冲的量子态为
如果所述第一相位调制器调节相位差为π，所述偏振调制模块将对应t1时隙位置的光脉冲偏振态调节为H，将对应t2时隙位置的光脉冲偏振态调节为V，则出射光脉冲的量子态为
如果所述第一相位调制器调节相位差为π，所述偏振调制模块将对应t1时隙位置的光脉冲偏振态调节为V，将对应t2时隙位置的光脉冲偏振态调节为H，则出射光脉冲的量子态为


17.根据权利要求4所述的发射端，其特征在于，所述脉冲产生与相位调制模块包括：所述光源装置、第一环形器以及第一相位调制器；所述光源装置包括：第一激光器和第二激光器；
所述第一激光器输出的光脉冲通过所述第一环形器入射所述第二激光器，激发所述第二激光器在对应时隙位置出射光脉冲，光脉冲依次通过所述第一环形器、所述第一相位调制器和所述偏振调制模块。

【专利技术属性】
技术研发人员：唐世彪，李东东，汤艳琳，
申请(专利权)人：科大国盾量子技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：安徽;34