[发明专利]时间相位编码的量子密钥分发系统及其组件

说明书

本发明公开了一种特别适合相位编码和时间相位编码且结构更为简化的脉冲光源、采用该光源的编码装置、相应的解码装置及基于时间相位编码的量子密钥分发系统。同时，在本发明中还对脉冲光源的结构作了进一步改进，使其能够更为高效地用于进行相位和时间相位的编码和解码。

技术领域

本发明涉及量子保密通信技术领域，具体涉及基于时间相位编码的量子密钥分发系统及其光源、编码装置、解码装置的简化或优化。

背景技术

通信技术作为当代社会不可或缺的关键技术，其发展迅猛，日新月异。量子保密通信就是通信技术领域中极有应用前景的新兴技术。作为量子力学、现代通信和现代密码学的结晶，量子保密通信相较于经典通信方式有无可比拟的安全性优势。量子密钥分发就是量子保密通信所涵盖的诸多细分领域中，最为常用且最易推广的一个方向。量子密钥分发基于量子力学的基本原理，利用“一次一密”的方式对信息进行加密，从原理上保证了保密通信的不可破译的特性，这对保密性要求较高的国防单位、金融机构、政府部门，乃至高速发展的互联网金融都是开创性的一大进步。

自从1984年诞生以来，作为第一套量子密钥分发协议，BB84协议就日益发展，目前已经成为世界上应用最广泛，技术最成熟，综合效果最好的一套量子密钥分发协议。BB84协议基于四态编码，利用偏振或者相位的方式，对信息进行编码，将经过偏振或者相位编码的光子在量子信道中进行传输，再通过一套由波片、分束器、光电管、相应电路等器件组成的简单的解码装置对信息进行解码。其结构简单，系统技术要求不高，易于维护和大规模生产，工艺成熟，在成码率、成码距离上，相比其他协议有着无可比拟的优势。

结合诱骗态方案的BB84协议能很好地解决非理想单光子源安全隐患，是目前应用最广泛和实用化程度最高的方案。其BB84编码方案中主要采用偏振编码、相位编码和时间比特-相位编码等编码方式。对于偏振编码，其优势为成本低廉且结构简单，而其劣势为偏振系统容易受到光纤偏振扰动的影响，直接影响其误码率，由此而导致的对偏振的补偿措施，造成了时间上的浪费以致成码率降低或者不稳定。

相比于偏振编码，采用相位编码方式的方案通过不等臂干涉仪制备光脉冲，利用前后光脉冲的相位差作为信息载体，而光纤的偏振变化对相位差的影响较小，因此偏振变化不会造成误码率上升，有利于远距离传输或在有强烈外界干扰的环境使用。其劣势为传统相位系统的接收端插损很大，导致成码率以及最远成码距离低于偏振系统。

在上述背景下发展出的时间比特-相位编码方式，采用了2个基矢来编码，即时间基矢和相位基矢。

图1示出了一种用于实现时间比特-相位编码的编码装置。如图1中所示，光源输出的激光脉冲经不等臂MZ干涉仪产生两个时间上分离的脉冲分量，这两个脉冲分量先后进入等臂干涉仪中。等臂干涉仪中包括两个相位调制器(PM)，通过调节这两个相位调制器的相对相位差可以获得不同的干涉输出光强和相位结果，而且对于不同时间到达的脉冲分量，通过切换调制电压值可以调制出不同的光强和相位结果。图1中的编码装置能够进行3种基矢的编码。例如，等臂干涉仪的相位差为0、π时对应输出为消光和有光结果，此时为Z基矢编码；相位差为π/2、-π/2时都输出脉冲，脉冲之间的相位差则决定是X基矢编码或Y基矢编码。

图2示出了另一种用于实现时间比特-相位编码的编码装置。如图2所示，光源输出的激光脉冲经不等臂MZ干涉仪产生两个时间上分离的脉冲分量。为了获得X和Y基矢下的相位编码，通过相位调制器在两个脉冲分量之间加载四种相位0、π、π/2和3π/2.为了获得Z基矢下的时间比特编码，通过强度调制器(IM)对前或后脉冲分量分别调制，控制通过或消光，保留前一个或者后一个脉冲分量以得到时间态|t₀>或|t₁>。如果是X或Y基矢编码，则强度调制器对两个脉冲分量均通光1/2。由于强度调制器可以看做是一个等臂干涉仪，因此，图1和图2的编码装置在编码原理上是一致的。