[实用新型]一种改进的HD-QKD系统以及接收端

说明书

本实用新型公开了一种改进的HD‑QKD系统以及接收端，HD‑QKD系统包括相匹配的发送端和接收端，所述发送端基于光注入以及内调制的方式对光脉冲进行基矢调制和诱骗态调制得到编码后光脉冲组，再经衰减后发送至接收端；所述接收端将来自发送端的编码后光脉冲组进行分束后分别利用Z基矢探测模块和X基矢探测模块进行探测；其中所述X基矢探测模块包括带法拉第旋转镜的干涉模块以及与光脉冲编码维度相应的单光子探测器，各单光子探测器分别探测相应的干涉结果。本实用新型解决现有装置中脉冲组之间相位随机化的问题、以及现有装置存在的偏振漂移问题。

技术领域

本实用新型涉及量子通信技术领域，尤其涉及一种高维量子密钥分发系统。

背景技术

量子密钥分发系统(QKD)可以实现远距离的双方或多方通过不安全的信道分享安全的密钥。并且QKD系统采用的器件基本均为现有的通用光学器件，其传输线路可采用现有的光纤或直接通过真空进行，无需任何特殊的器件和传输线路使其快速走向实用化。同时，量子计算机的问世将对现有的公钥体系带来巨大冲击，其将不再安全。而基于QKD系统采用一次一密的加密系统是无条件安全的，有希望一劳永逸的解决通信安全问题。因此QKD研究具有非常重大的实用价值。

传统QKD系统采用一个比特信息编码一个量子态的方式来进行，为了进一步提升密钥传输速率，高维量子密钥分发系统(HD-QKD)被提出。在HD-QKD中，一个量子态将携带多个比特的信息，从而提升密钥分发的速率。

在高维编码系统中，X基矢和Z基矢均有d个本征态(d表示系统维度)，因此每个本征态对应为0到d-1的比特值。X基矢本征态和相应的Z基矢的本征态可以用如下公式来描述

其中|f_n>和|t_m>分别为X基矢第n个和Z基矢的第m个本征态。

现有高维编码的形式也多种多样，主流的方案为时间编码；其在实验实现上较为简单，因而被广泛研究。

在高维时间编码中，d维的量子态需要相应的d个连续的相同时间间隔(τ)构成的一个时间段(T＝dτ)来表示。对于时间间隔，从左往右用0到d-1对其标注。对于Z基矢，其任意一个本征态|t_n>在时间编码中的具体形式为：仅在第n个时间间隔中有脉冲而其余时间间隔内没有脉冲。对于X基矢，根据公式(1)不难得知，其不同基矢间的差别在于时间间隔内脉冲的相位，且每个间隔内出现脉冲的几率相同。图1给出了d＝4时，|t₀>和|f₀>的时间编码形式，且对于|f₀>根据上述公式标注了其每个间隔内脉冲的相位。

现有高维时间编码QKD的简单步骤如图2，此处以维度d＝4为例：

Alice端的激光器生成一系列等时间间隔的激光脉冲；

脉冲经过由FPGA控制的第一强度调制器(IM1)调制后，以P和1-P的几率分别对脉冲组进行X基矢和Z基矢的调制；调制的对象为4个连续脉冲构成的脉冲组；对于Z基矢，脉冲组被等几率随机调制到4个本征态的一个，具体实现方式为通过IM1将相应三个时间间隔内的脉冲强度调制为0；对于需要进行X基矢调制的脉冲组，IM1不调制。

脉冲序列进入相位调制器(PM)进行相位调制；PM通过调节脉冲的相位来完成X基矢本征态的调制，且调制到任意一个本征态的几率相同；对于经过上述Z基矢调制的脉冲组，PM不进行调制。

随后由FPGA控制的第二强度调制器(IM2)根据几率随机调制脉冲组强度到几个选定值，该过程被称为诱骗态调制。

随后由FPGA控制的衰减器(ATT)将各脉冲组的强度进一步衰减到单光子水平；Alice完成量子态的制备，将其通过光纤发送给Bob。