【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及量子保密通信领域，特别涉及一种基于时间相位编码芯片实现的时间相位编码方法。
技术介绍
1、量子保密通信是不同于经典通信的一种保密通信方式，能够在通信双方之间产生完全一致的无条件安全密钥，支持通过“一次一密”的方式加密经典信息，能够保证信息传递的高度安全性，因而受到广泛关注。现有的量子保密通信系统主要是基于量子密钥分发(qkd)技术实现的。qkd系统包括发送方和接收方，发送方采用编码器实现量子态的编码和发送，接收方采用解码器对量子态进行解码和探测。
2、时间相位编码方案是量子密钥分发中主流的方案之一，目前时间相位编码的主要方式是通过一级等臂干涉仪和一级不等臂干涉仪级联的方式实现时间相位编码，前后两个干涉仪的位置可以互换。基于bb84协议的时间相位编码方案中，基矢包括相位基矢和时间基矢，相位基矢对应一对特定相位差的前后脉冲光子对，时间基矢对应在时域上前后分布的脉冲光子。可将不等臂干涉仪作为第一级，将激光器发出的光脉冲分为具有固定延时差的前后脉冲光子对，且在第一级不等臂干涉仪内部调节该脉冲光子对的相对相位差为0或π，制备相位基矢量子态；或者通过第二级等臂干涉仪使得在输出端口的前一个或后一个光脉冲发生干涉相涨或相消，制备时间基矢量子态。
3、也可将等臂干涉仪作为第一级，通过控制第一级等臂干涉仪上下两臂的相位差，使其输出的光脉冲全部从下一级不等臂干涉仪的上臂或下臂走，从而制备时间基矢量子态；或者使其输出至下一级不等臂干涉仪上下两臂的光脉冲各占一半，制备相位基矢量子态。
4、图1示出了一种用
5、图2示出了一种高速硅基芯片化qkd编码系统，其在编码时，先通过热相移器将待调制干涉仪其中一臂的相位静态预偏置在π/2并保持不变，然后通过载流子耗尽型调制器(cdm)随机在上臂或下臂加载π/2相移，如此，上下两臂总的相位差为0(π/2-π/2)或π(π/2+π/2)，原先需要通过cdm方式调制到π电压，通过这种组合调制方式只需要cdm调制到π/2即可实现同样的相位差调制效果，减小了相位调制相关损耗现象。
6、外部激光器通过强度调制产生弱相干脉冲，耦合进入硅光芯片，该芯片包含一个非对称的马赫-曾德尔干涉仪(mzi)，将一个光脉冲分为在时域上前后分布的两个光脉冲。当只有前一个光脉冲时，编码为|0>；当只有后一个光脉冲时，编码为|1>；前后两个光脉冲都有且相位差为0时，编码为|+>，前后两个光脉冲都有且相位差为π时，编码为|->。
7、非对称mzi的上臂中包含一组mzi，mzi中有热相移器，以此来平衡上下两臂的损耗及出射光强。非对称mzi中的热相移器用于调节分离光脉冲前后直流相对相位差，cdm用于快速在|+>和|->态之间切换，非对称mzi后面的分束器(bs)用一个mzi进行代替，其中热相移器作为偏置，使前后两个光脉冲均衡叠加，两个cdm用于选择第一个或第二个光脉冲耦合进入光纤。
8、现有的片上时间相位编码器是通过高速相位调节来实现的，输出光的编码态与所调制干涉仪的上下两臂间的相位差相关。目前硅基相位调制器的半波电压(实现π相移所需的驱动电压)一般较大。对基于bb84时间相位编码协议的量子密钥分发而言，一般至少需要使用4个态进行编码，相位差φ＝0时制备其中一个时间态，相位差为π时制备另一个时间态。当φ＝π/2时，制备一个相位态；φ＝3π/2时，制备另一个相位态。为此，最大调制电压往往需要达到1.5倍的半波电压，并且还需要随机实现4个不同电平(0、0.5倍的半波电压、半波电压和1.5倍的半波电压)间高速切换。
9、另外，在硅基材料中实现高速相位调制，是基于等离子色散效应的原理，典型的调制类型有载流子沉积型、载流子注入型和载流子耗尽型等，普遍存在调制相关损耗的问题，即调制出不同相位时，其产生的衰减也不同。为此，存在编码器在调制不同时间相位态时，对光的衰减也存在差异，产生功率不均衡的编码态。虽然图2中系统采用热相移器和载流子耗尽型调制器组合调制的方式，可以适当减小cdm所需的调制相位，但并未完全消除此效应的影响，所制备的四种态仍旧存在功率不一致的现象。
10、由于量子密钥分发中，理论上除了编码态，其余维度需要不可区分。即理论上，编码器不应该引入功率的不均衡。虽然，已有研究报道可以通过后期算法修正等方式，牺牲一定的安全成码率解决该问题。但研究衰减一致的编码器，可以从硬件上提升安全成码率，降低对算法的要求。
11、此外，现有时间相位编码器方案中，普遍采用不等臂干涉仪产生前后脉冲光子对，干涉仪的长短臂光程之差依赖于所刻蚀的波导长度。波导实际长度受工艺影响较大，尤其是长波导受影响更大，容易出现不同批次间的延时长度差异大，甚至同批次间延时长度不相等，进而影响到发送端和接收端干涉仪臂长差匹配。如此，大大的阻碍了时间相位编码量子密钥分发芯片的产品化。
技术实现思路
1、针对现有技术中存在的上述问题，本专利技术公开了一种基于时间相位编码芯片实现的时间相位编码方法，其借助两种相位驱动电平和最大vπ/2的相位驱动电平值，实现量子密钥分发所需的4种时间相位态，无需复杂的四电平驱动和复杂的监测和补偿；借助功率均衡步骤，可以更方便地在编码不同时间相位态时实现功率均衡，无需采用额外的算法修正；同时，借助延时差配置步骤，可以有效解决量子密钥分发中发送方和接收方的干涉仪臂长差不一致问题，改善量子密钥分发效率和误码率。
2、具体而言，本专利技术涉及一种基于时间相位编码芯片实现的时间相位编码方法，所述时间相位编码芯片包括诱骗态制备模块和时间相位编码模块；
3、所述时间相位编码模块包括等臂干涉仪芯片模块和不等臂干涉仪芯片模块；
4、所述不等臂干涉仪芯片模块的两个光臂中的至少一个上设置有可调光延迟模块，其包括一个或级联的多个延迟切换单元；
5、延迟切换单元基于干涉仪结构实现，用于为光信号提供延迟量的切换；
6、其中，所述时间相位编码方法包括延时差配置步骤、诱骗态制备步骤和时间相位态编码步骤；
7、所述延时差配置步骤用于，通过改变干涉仪结构的参数以切换光信号的传输路径，将不等臂干涉仪芯片模块的两个光臂之间的延时差设为目标延迟量；
8、所述诱骗态制备步骤用于，利用诱骗态制备模块在光信号上制备诱骗态或信号态；
9、所述时间相位态编码步骤用于，利用时间相位编码模块在光信号上制备时间相位态。
10、进一步地，所述时间相位编码模块包括第一光分束器、第二光分束器和第三光分束器；
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【技术保护点】
1.一种基于时间相位编码芯片实现的时间相位编码方法，所述时间相位编码芯片包括诱骗态制备模块和时间相位编码模块；
2.如权利要求1所述的时间相位编码方法，其中，所述时间相位编码模块包括第一光分束器、第二光分束器和第三光分束器；
3.如权利要求1或2所述的时间相位编码方法，其中，所述延迟切换单元包括光路选择组件、第六波导、第七波导和第四光分束器；
4.如权利要求3所述的时间相位编码方法，其还包括预设步骤，用于设立不等臂干涉仪芯片模块的延时差与光路选择组件的等臂MZ干涉仪的两臂相位差之间的查询表；
5.如权利要求3所述的时间相位编码方法，其中，所述第六波导和第七波导上分别设有可调光衰减器；
6.如权利要求1或2所述的时间相位编码方法，其中，所述延迟切换单元包括第五光分束器和第六光分束器，所述第五光分束器的两个输出端分别通过第八波导和第九波导连接第六光分束器的两个输入端，所述第八波导和第九波导上分别设置有可调光衰减器，且所述第八波导和第九波导具有不同的光程；
7.如权利要求1所述的时间相位编码方法，其中，所述不等臂干
8.如权利要求7所述的时间相位编码方法，其中，所述衰减控制模块包括载流子注入型衰减器。
9.如权利要求2所述的时间相位编码方法，其中，所述第一波导上设有第一高速相位调制器和第二高速相位调制器，所述第二波导上设有第三高速相位调制器；
10.如权利要求1所述的时间相位编码方法，其中，所述诱骗态制备模块包括MZ干涉仪，其具有第七光分束器和第八光分束器；
11.如权利要求10所述的时间相位编码方法，其中，所述相位调制器为高速相位调制器或基于热光效应的低速相位调制器。
12.如权利要求1所述的时间相位编码方法，其中，所述诱骗态制备模块的第一输出端通过第五波导连接时间相位编码模块，并在所述第五波导上设有第四高速相位调制器；
13.如权利要求1所述的时间相位编码方法，其中，所述诱骗态制备模块的第一和第二输出端处分别设有可调光衰减器和光电探测器；
14.如权利要求9-12中任一项所述的时间相位编码方法，其中，高速相位调制器基于等离子色散效应原理实现，或者为载流子注入型、载流子沉积型或载流子耗尽型。
15.如权利要求5所述的时间相位编码方法，其中，所述可调光衰减器基于载流子注入原理实现或者基于MZ干涉仪实现。
16.如权利要求1-2、7-13中任一项所述的时间相位编码方法，其中，光分束器为多模干涉仪或定向耦合器，以及/或者，所述时间相位编码芯片由硅材料形成。
...【技术特征摘要】
1.一种基于时间相位编码芯片实现的时间相位编码方法，所述时间相位编码芯片包括诱骗态制备模块和时间相位编码模块；
2.如权利要求1所述的时间相位编码方法，其中，所述时间相位编码模块包括第一光分束器、第二光分束器和第三光分束器；
3.如权利要求1或2所述的时间相位编码方法，其中，所述延迟切换单元包括光路选择组件、第六波导、第七波导和第四光分束器；
4.如权利要求3所述的时间相位编码方法，其还包括预设步骤，用于设立不等臂干涉仪芯片模块的延时差与光路选择组件的等臂mz干涉仪的两臂相位差之间的查询表；
5.如权利要求3所述的时间相位编码方法，其中，所述第六波导和第七波导上分别设有可调光衰减器；
6.如权利要求1或2所述的时间相位编码方法，其中，所述延迟切换单元包括第五光分束器和第六光分束器，所述第五光分束器的两个输出端分别通过第八波导和第九波导连接第六光分束器的两个输入端，所述第八波导和第九波导上分别设置有可调光衰减器，且所述第八波导和第九波导具有不同的光程；
7.如权利要求1所述的时间相位编码方法，其中，所述不等臂干涉仪芯片模块的两个光臂中的至少一个上设有衰减控制模块，用于为沿光臂传播的光信号提供可控的衰减；
8.如权利要求7所述的时间相位编码方法，其中，所述衰减控制模块包括载流子注入...
【专利技术属性】
技术研发人员：陶俊，刘仁德，唐世彪，
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：
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