一种TF-QKD系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种TF

【技术实现步骤摘要】
一种TF
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QKD系统及方法


[0001]本专利技术涉及量子保密通信领域，尤其涉及一种TF
‑
QKD系统及方法，其允许稳定地实现偏振一致性耦合。

技术介绍

[0002]理想BB84 QKD协议的安全性基于一些基本假设，若现实设备不能够完美的满足这些假设就会产生安全漏洞。例如，理想的BB84 QKD协议使用单光子源，利用单光子不可克隆原理保证通信安全，然而，真正的单光子源现实中还无法实现。2005年提出的诱骗态量子密钥分发(QKD)协议使用弱相干光源代替单光子源，可解决现实设备光源端不完美问题。探测系统是QKD实现中最脆弱的部分，众多攻击都是针对探测器端设备的安全漏洞实施的攻击，包括典型的强光致盲攻击、时移攻击等。为抵抗探测器端攻击，除了使用安全补丁方法、将设备参数模型化后包含在安全性证明中，还有一种方法是采用测量设备无关类QKD(MDI
‑
QKD)。最早于2012年由H
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KLo小组提出基于纠缠交换技术和时间反演EPR方案的测量设备无关量子密钥分发协议(原始MDI
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QKD协议)，可消除所有的探测器端侧信道，进一步地在2018年，东芝欧洲研究中心A.J.Shields研究团队提出双场量子密钥分发协议(TF
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QKD协议)，该协议继承了MDl
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QKD的测量设备无关的安全性并具有更远的安全距离，引起了国内外广泛关注。
[0003]TF
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QKD协议不同于原始的MDIr/>‑
QKD协议，主要技术难点在于如何实现两个独立的激光源的高对比度干涉，同时，还需要对全局相位差进行快速监测，无相位后选择的QKD(NPP
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QKD)还需要进一步进行快速相位反馈补偿。这里的全局相位差对应光程差的控制要求在亚波长量级，而相位差的贡献除了Alice、Bob的光源本身频率和波长差异导致的差异，还包括量子光传输信道中引入的相位扰动，该扰动在10rad/ms量级，变化非常剧烈，需要快速监测。
[0004]现有技术通常存在两类快速监测信道相位扰动的方法：一是对信号光进行快速的时分复用，将其中一部分光作为相位参考光，用于监测和估计光纤的相对相位快速漂移；二是采用不同波长的参考光进行波分复用，通过监测参考光的相位扰动来体现信号光的相位扰动，此时，可以通过提高参考光功率来支持更高的相位扰动监测的精度和远距离程度。
[0005]图1示出了现有采用波分复用技术快速监测信道相位扰动的一种方案，其中，在Charlie端将锁频光L1(波长λ1)和相位参考光L2(波长λ2)进行波分复用，以共用同一光纤信道发给Alice(通过分束器另一束发给Bob)。L1和L2在Alice(Bob)端解波分复用，并利用L1对Alice(Bob)本地的L1
A
(L1
B
)信号光进行锁频锁相，因此信号光L1
A
(L1
B
)将在相位上与L1形成关联。在发送端，再将L2和L1
A
(L1
B
)进行波分复用，以共用同一光纤发给Charlie端。Charlie端对信号光和参考光都进行干涉，干涉后通过解波分复用分出参考光的干涉信号给D2探测器，分出信号光的干涉信号给D0、D1探测器。
[0006]然后，这种方案需要实现波长不同的信号光和参考光的偏振一致性耦合及偏振补偿。图2a
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2b示出了现有技术中的一种用于实现偏振一致性耦合及偏振补偿的光路结构。如
图2a所示，发送端的L1A(波长λ1)通过第一个EPC调节偏振，以便和L2(波长入2)耦合在一起后偏振一致，实现偏振一致性耦合；之后，再经过发送端的第二个EPC实现偏振预补偿。此时，如图2b所示，Charlie端则在两臂(分别对应Alice和Bob过来的光)各放置一个偏振分束器PBS，PBS的反射端耦合在一起进入Dp探测器，该探测器的计数会通过经典网络交替发给Alice和Bob进行交替的偏振反馈以控制Alice和Bob的第二个EPC，完成偏振补偿。
[0007]在例如图2a
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2b所示的这种实现结构中，发送端的偏振一致性耦合和偏振补偿光路复杂，成本较高，实现困难，且稳定性较差需要配合人工标校。具体地，发送端有两个EPC，且需要配备2个EPC的高压控制电路，增加了电子学复杂度和发送端成本；且发送端在受到温度、振动等环境变化影响时，其内部的L1
A
或L2的偏振状态还会发生变化，导致L1
A
和L2耦合在一起的偏振并不完全一致，最终会使得Charlie端的两个光信号的偏振状态也不一致，则基于Dp探测器的偏振反馈方案不能同时将两种波长的偏振态同时反馈到一致状态(如都为最大偏振消光比的状态)。因此，在受环境扰动影响时该方案还需结合人工标校，不利于进行工业化生产和设备自动化运行。
[0008]除此之外，在现有技术中，L1和L2在Charlie端进行波分复用，然后共用同一光纤信道发给Alice，但到Alice之后未进行偏振补偿，会使得系统性能不稳定。一方面，该光纤信道的偏振扰动会导致L2的偏振发生变化，导致类似上述的结果：L1和L2耦合在一起的偏振并不完全一致，最终会使得Charlie端的两个光信号的偏振状态也不一致；另一方面，L1的偏振也发生变化，导致后续锁频(OPLL)的锁频效果发生变化，最差情况是当偏振变化太大时OPLL可能完全失锁。

技术实现思路

[0009]针对现有技术存在上述问题，例如偏振一致性耦合方案光路复杂，成本较高，实现困难，且稳定性较差需要配合人工标校，或者锁频光的偏振态不稳定，导致锁频效果不稳定。本专利技术公开了一种TF
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QKD系统及稳定的TF
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QKD实现方法，其中，通过在Charlie端将锁频参考光和相位参考光进行保偏地波分耦合成参考光信号，使得允许在Alice端和Bob端中，结合锁频技术，利用两个保偏的波分复用器配合实现量子光信号和相位参考光偏振一致地波分耦合，而无需EPC或人工干预，从而以简单的光路保证偏振一致性耦合的稳定性。此外，还可以通过在Alice端和Bob端中，首先对参考光信号进行偏振补偿，使得还允许借助本专利技术的偏振一致性耦合模块保证锁频参考光和相位参考光的稳定性，从而确保锁频效果的稳定性。
[0010]本专利技术的第一方面涉及一种TF
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QKD系统，其包括Alice端、Bob端和Charlie端；
[0011]所述Charlie端包括测量模块、第一波分复用器和第一分束模块；
[0012]所述第一波分复用器用于以保偏的方式将锁频参考光和相位参考光进行波分耦合，形成参考合束光，所述锁频参考光和相位参考光具有不同的波长；
[0013]所述第一分束模块用于将所述参考合束光分光，形成两个参考合束光分量；
[0014]所述Alice端被设置成接收所述两个参考合束光分量中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种TF
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QKD系统，其包括Alice端、Bob端和Charlie端；所述Charlie端包括测量模块、第一波分复用器和第一分束模块；所述第一波分复用器用于以保偏的方式将锁频参考光和相位参考光进行波分耦合，形成参考合束光，所述锁频参考光和相位参考光具有不同的波长；所述第一分束模块用于将所述参考合束光分光，形成两个参考合束光分量；所述Alice端被设置成接收所述两个参考合束光分量中的一个，以及向所述Charlie端发送第一信号合束光，且包括第一锁频光源、第一量子态制备模块和第一偏振一致性耦合模块；所述第一偏振一致性耦合模块被设置用于将所述参考合束光分量中的锁频参考光和相位参考光解复用，并将所述锁频参考光保偏地输出给所述第一锁频光源，以及以保偏的方式将第一量子光信号和所述相位参考光进行波分耦合，形成所述第一信号合束光；所述第一锁频光源用于利用所述锁频参考光，以锁频的方式生成第一光信号；所述第一量子态制备模块用于在所述第一光信号上制备量子态，生成所述第一量子光信号；所述Bob端被设置成接收所述两个参考合束光分量中的另一个，以及向所述Charlie端发送第二信号合束光，且包括第二锁频光源、第二量子态制备模块和第二偏振一致性耦合模块；所述第二偏振一致性耦合模块被设置用于将所述参考合束光分量中的锁频参考光和相位参考光解复用，并将所述锁频参考光保偏地输出给所述第二锁频光源，以及以保偏的方式将第二量子光信号和所述相位参考光进行波分耦合，形成所述第二信号合束光；所述第二锁频光源用于利用所述锁频参考光，以锁频的方式生成第二光信号；所述第二量子态制备模块用于在所述第二光信号上制备量子态，生成所述第二量子光信号；所述测量模块用于测量所述第一和第二量子光信号的干涉信号。2.如权利要求1所述的TF
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QKD系统，其中，所述偏振一致性耦合模块包括两个保偏的波分复用器；所述两个保偏的波分复用器中的一个被设置成将所述参考合束光分量中的锁频参考光和相位参考光解复用，并分别将所述锁频参考光和相位参考光保偏地输出给所述锁频光源和所述两个保偏的波分复用器中的另一个；所述两个保偏的波分复用器中的另一个被设置成以保偏的方式将所述相位参考光和量子光信号进行波分耦合，生成所述信号合束光。3.如权利要求1所述的TF
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QKD系统，其中，所述Alice端和Bob端中的至少一个还包括偏振监测补偿模块，其设在所述偏振一致性耦合模块之前，用于对所述参考合束光进行偏振态补偿，以使其具有预设的偏振态。4.如权利要求3所述的TF
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QKD系统，其中，所述偏振监测补偿模块包括偏振控制器、偏振分束器和光电探测器。5.如权利要求1所述的TF
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QKD系统，其还包括两个偏振监测补偿模块，分别用于对所述第一和第二信号合束光进行偏振态补偿。6.如权利要求5所述的TF
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QKD系统，其中：

【专利技术属性】
技术研发人员：汤艳琳，唐世彪，许穆岚，赵梅生，
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：