本发明专利技术公开了一种基于硅光集成芯片的偏振编码QKD系统，包括发送端和接收端，所述发送端和接收端均包括随机数发生器，FPGA和量子芯片，所述FPGA用于控制量子芯片并通过经典信道进行通信；所述随机数发生器用于产生调制信号；在发送端中，FPGA产生脉冲信号驱动强度调制器产生直流偏压驱动可调衰减器，并根据生成的调制信号驱动相位调制器和偏振调制器进行相位随机化和偏振态的制备，随后在接收端经过偏振解复用器进行解复用；在接收端中，FPGA根据随机数产生器生成的调制信号驱动偏振解调器，随机地选用测量基对接收的偏振态进行测量，通过单光子探测器进行光子数计数并记录光子计数作为测量结果。本发明专利技术降低了系统的误码率，提高了系统的传输距离。提高了系统的传输距离。提高了系统的传输距离。
【技术实现步骤摘要】
一种基于硅光集成芯片的偏振编码QKD系统及方法
[0001]本专利技术涉及微纳光电子及量子通信
，具体涉及一种基于硅光集成芯片的偏振编码QKD系统及方法。
技术介绍
[0002]QKD技术作为量子通信的重要组成部分，主要用于加密密钥的产生和分发。QKD理论上可实现绝对安全的保密通信，其安全性由不确定性原理和量子态不可复制原理等物理规律保证。
[0003]QKD技术可以利用纠缠量子态来进行密钥分发：将一组纠缠量子态分别发送给两个可信的终端，使得通信双方共享纠缠态；随后在终端处，双方分别随机地选用不同的基矢进行测量；双方通过经典信道告知对方测量所用基矢，并进行同步，保留二者同时测量到的部分。进一步地，通信双方可将数据分为两部分，一部分通过经典信道公开对应的测量结果用于贝尔不等式检验，根据贝尔不等式的破坏程度可以检测出窃听者获取的信息量；另一部分数据中保留测量基矢相同的比特作为原始密钥。
[0004]由于高速率纠缠态制备技术以及长距离纠缠态传输技术的研究仍处在起步阶段，QKD技术更多的是利用单光子叠加态来进行密钥分发：通信双方事先选取相互无偏基，制备端随机地选取相互无偏基中一组来制备相应的量子态，发射端依次记录下所选用的无偏基；随后将量子态通过量子信道发送至接收端，由接收端随机地选取相互无偏基中一组来进行测量，接收端记录下测量结果和测量所用的基；双方通过经典信道告知对方测量所用基矢，保留测量基矢相同的比特即可作为原始密钥。此时密钥已经生成并分发至通信双方，发射端可以利用密钥对经典通信信号进行加密并通过经典信道传送给接收端；接收端也可以利用密钥对经典通信信号进行解密并获得信息内容。如果窃听者截获加密的经典通信信号，则由于不掌握密钥而无法进行解密获取具体信息；如果窃听者对量子信道进行窃听，则由于不能在不干扰原始状态的情况下测量传输的量子态(量子态不可复制原理)，因而无法在不使合法通信双方察觉的情况下获取信息；当通信双方察觉传输的量子态被窃听而导致误码率异常时，可以舍弃该组密钥重新生成安全的密钥。
[0005]实际使用的QKD系统中，制备端和接收端多采用分立体光学元件搭建而成，这将占用巨大的体积，同时对光路的对准提出了较高的要求。此外还具有结构复杂、稳定性差、成本高等缺点，不利于QKD技术的推广应用。
[0006]基于偏振编码的QKD系统用偏振光子作为编码和传输量子比特的载体，其具有操控成熟，结构简单的优点。偏振光子可以是由非线性过程产生的偏振纠缠光子对，也可以是单光子偏振态，例如偏振编码BB84协议利用两组相互无偏基来编码0态与1态，因此要求发射端制备高消光比的各个偏振态。但由于光纤圆度不理想、残留应力等原因，光纤中会产生双折射效应，使得偏振态在光纤中传输很难保持稳定。
[0007]因此需要对现有的基于QKD系统进行进一步地改进，以克服体积大，结构复杂、稳定性差、成本高以及偏振态在光纤中传输不稳定的情况。
技术实现思路
[0008]为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种体积小，结构简单，稳定性好，成本低的，稳定性好的基于硅光集成芯片偏振编码QKD的系统及方法。
[0009]为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案如下：一种基于硅光集成芯片的偏振编码QKD系统，包括发送端Alice和接收端Bob，所述发送端Alice和接收端Bob均包括随机数发生器，FPGA和量子芯片，所述FPGA用于控制量子芯片并通过经典信道进行通信；所述随机数发生器用于产生调制信号；
[0010]所述量子芯片包括衬底，所述衬底上集成有强度调制器、相位调制器、可调衰减器、偏振调制器、偏振复用器、偏振解复用器和偏振解调器；
[0011]所述强度调制器、相位调制器、可调衰减器以及偏振调制器通过电信号依次连接；
[0012]所述可调衰减器出射端的下端口连接至一个单光子探测器用于以监测衰减水平；所述衰减器出射端的上端口连接至偏振调制器用于进行偏振态的制备；
[0013]所述偏振调制器通过光纤与所述偏振解复用器连接，所述偏振调制器与偏振解复用器还设置有偏振控制器；所述偏振解复用器又与偏振解调器连接；
[0014]在发送端Alice中，所述FPGA产生脉冲信号驱动强度调制器产生直流偏压驱动可调衰减器，并根据随机数生成器生成的调制信号驱动相位调制器和偏振调制器，以进行相位随机化和偏振态的制备，同时记录随机选用的制备基；制备的偏振态经过偏振复用器复用至单模光纤中进行传输，随后在接收端经过偏振解复用器进行解复用，以便执行下一步的偏振测量；
[0015]在所述接收端Bob中，所述FPGA根据随机数产生器生成的调制信号驱动偏振解调器，随机地选用测量基对接收的偏振态进行测量，并记录随机选用的测量基，通过单光子探测器进行光子数计数并记录光子计数作为测量结果。
[0016]优选地，在量子芯片中，直流光在所述强度调制器的直波导端面耦合经过强度调制器调制为光脉冲后进入所述相位调制器进行相位随机化，随机化的光脉冲的平均光子数在所述可调衰减器处衰减至单光子级别进入偏振调制器，并通过所述偏振调制器调制偏振态基矢的功率和相位；
[0017]调制后的光脉冲被偏振复用器转化为一条直波导内的对应偏振态，随后经过端面耦合进入单模光纤，偏振态经单模光纤传输后，通过端面耦合至偏振解复用器，并被偏振解复用器转化为两条直波导内的强度和相位信息；
[0018]所述偏振解调器解调偏振态基矢的功率和相位，实现投影测量；
[0019]最后光子经过端面耦合入光纤，并通过光纤传入到2个单光子探测器，在单光子探测器处产生光子计数。
[0020]优选地，所述偏振调制器包括MMI光耦合器和MZI，所述MZI包括TOPM和EOPM，衰减后的光子进入到偏振调制器后通过MZI内部的TOPM补偿两臂相差，并通过MZI内部EOPM和外部的EOPM分别调制偏振态基矢的功率和相位。
[0021]优选地，所述偏振解调器包括MMI光耦合器和MZI，所述MZI包括TOPM和EOPM，所述偏振解复用器转化后的光量子信息通过MZI内部的TOPM补偿两臂相差，通过MZI内部EOPM和外部的EOPM分别解调偏振态基矢的功率和相位。
[0022]优选地，所述衬底采用SOI体系中的SiO2材料。
[0023]优选地，所述偏振解调器的两个输出端口通过光纤分别依次连接偏振控制器和单光子探测器。
[0024]优选地，所述偏振复用器、偏振解复用器和偏振解调器均采用片上MZI结构。
[0025]优选地，所述MMI光耦合器、TOPM和EOPM均采用硅、磷化铟、铟镓砷磷、二氧化硅或氮化硅材料。
[0026]优选地，所述偏振复用器及偏振解复用器均包括顺序连接的Bi Level锥形结构和绝热耦合结构。
[0027]一种偏振补偿的QKD方法，应用了上述系统，该方法包括以下步骤：
[0028]步骤1：发送端Alice:制备偏振态H,V,A,D，并通过偏振复用器耦合到光纤线路中发送给接收端Bob；
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【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于硅光集成芯片的偏振编码QKD系统，其特征在于，包括发送端Alice和接收端Bob，所述发送端Alice和接收端Bob均包括随机数发生器，FPGA和量子芯片，所述FPGA用于控制量子芯片并通过经典信道进行通信；所述随机数发生器用于产生调制信号；所述量子芯片包括衬底，所述衬底上集成有强度调制器、相位调制器、可调衰减器、偏振调制器、偏振复用器、偏振解复用器和偏振解调器；所述强度调制器、相位调制器、可调衰减器以及偏振调制器通过电信号依次连接；所述可调衰减器出射端的下端口连接至一个单光子探测器用于以监测衰减水平；所述衰减器出射端的上端口连接至偏振调制器用于进行偏振态的制备；所述偏振调制器通过光纤与所述偏振解复用器连接，所述偏振调制器与偏振解复用器还设置有偏振控制器；所述偏振解复用器又与偏振解调器连接；在发送端Alice中，所述FPGA产生脉冲信号驱动强度调制器产生直流偏压驱动可调衰减器，并根据随机数生成器生成的调制信号驱动相位调制器和偏振调制器，以进行相位随机化和偏振态的制备，同时记录随机选用的制备基；制备的偏振态经过偏振复用器复用至单模光纤中进行传输，随后在接收端经过偏振解复用器进行解复用，然后执行下一步的偏振测量；在所述接收端Bob中，所述FPGA根据随机数产生器生成的调制信号驱动偏振解调器，随机地选用测量基对接收的偏振态进行测量，并记录随机选用的测量基，通过单光子探测器进行光子数计数并记录光子计数作为测量结果。2.如权利要求1所述的一种基于硅光集成芯片的偏振编码QKD系统，其特征在于，在量子芯片中，直流光在所述强度调制器的直波导端面耦合经过强度调制器调制为光脉冲后进入所述相位调制器进行相位随机化，随机化的光脉冲的平均光子数在所述可调衰减器处衰减至单光子级别进入偏振调制器，并通过所述偏振调制器调制偏振态基矢的功率和相位；调制后的光脉冲被偏振复用器转化为一条直波导内的对应偏振态，随后经过端面耦合进入单模光纤，偏振态经单模光纤传输后，通过端面耦合至偏振解复用器，并被偏振解复用器转化为两条直波导内的强度和相位信息；所述偏振解调器解调偏振态基矢的功率和相位，实现投影测量；最后光子经过端面耦合入光纤，并通过光纤传入到2个单光子探测器，在单光子探测器处产生光子计数。3.如权利要求1所述的一种基于硅光集成芯片的偏振编码QKD系统，其特征在于，所述偏振调制器包括MMI光耦合器和MZI，所述MZI包括TOPM和EOPM，衰减后的光子进入到偏振调制器后通过MZI内部的TOPM补偿两臂相差，并通过MZI内部EOPM和外部的EO...
【专利技术属性】
技术研发人员：王健，王乾克，刘俊，胡敏，郭邦红，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：
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