[发明专利]一种量子通信时间相位编码装置、方法及密钥分发系统

说明书

本发明公开了一种用于量子通信的时间相位编码装置、编码方法及密钥分发系统。时间相位编码装置，包括：第一干涉仪，其经配置以接收光信号，并生成具有时间差的第一信号和第二光信号；以及第二干涉仪，其经配置以基于第一信号生成沿第一光路传输的第三光信号和沿第二光路传输的第四光信号；基于第二信号生成沿第一光路传输的第五光信号和沿第二光路传输的第六光信号；其中，第一光路的第一相位调制器和第二光路中的第二相位调制器分别对第三光信号和第四光信号中的一者增加或减少π相位；或者对第五光信号和第六光信号中的一者增加或减少π相位；以及其中，第一光路的第一相位调制器和第二光路中的第二相位调制器分别对第三光信号和第四光信号中的两者增加或减少π相位；或者对第五光信号和第六光信号中的两者增加或减少π相位。本发明通过增加π相位来实现时间相位编码，编码方法简便，相位调制精度高、成码率高。

技术领域

本发明涉及量子保密通信领域，特别地涉及一种用于量子通信的时间相位编码装置、编码方法以及量子密钥分发系统。

背景技术

保密技术是通信技术的核心之一。目前最常用的RSA加密算法在理论上并不是绝对安全的。量子保密通信作为在量子力学、现代通信以及现代密码学等基础上发展出来的新兴技术，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，具有不可破译的特性，拥有无可比拟的安全优势。

BB84协议是量子保密通信领域最为基础的量子密钥分发协议。BB84协议是利用单光子四个偏振态进行编码，这四个偏振态分属两组共轭基，同组基内两个偏振态相互正交，不同组基内的偏振态非正交。BB84协议利用了正交量子态可严格区分以及无法对共轭基偏振态进行精确测量的特性，实现了安全的密钥分发。

随着量子密钥分发的理论和技术的不断发展，BB84协议存在的缺陷也暴露出来。第一，现有技术条件下，目前尚无技术成熟、可以大规模商业化应用的BB84协议所要求的单光子光源，通常采用的是弱相干光源，但是采用该光源的量子密钥分发系统会受到光子数分离攻击，从而使得系统安全性降低。第二，BB84协议采用的是偏振态进行编码，容易受到光纤偏振扰动的影响，导致传输距离短、误码率高等问题。

针对BB84协议存在的问题，发展出了诱骗态BB84协议，并在诱骗态BB84协议基础上发展出了时间相位编码方式。时间相位编码采用时间基矢以及相位基矢进行编码，可以做到完全的偏振无关性，而且能大大降低接收端插损，从而提高系统的成码率、成码距离，以及实现抗外界环境扰动的稳定性，同时还能够适应长距离架空光缆环境。

图1示出了一种用于实现时间相位编码的现有技术。如图1所示，光源输出的光脉冲进入Sagnac干涉仪，在经过分束器BS后形成沿相反方向传播的两个相干光，经设置在环形光路上的相位调制器PM调相后生成并输出两路干涉光，经第一光路out1和第二光路out2传输至合束器合成一路输出编码光。在该现有技术中，相位调制器PM在两个相干光之间可以调制出0、π/2、π、3π/2四种不同的相位差。

如图2所示，当相位差为0或π时，编码装置只输出单个脉冲信号，但二者出现的时间位置不同。因此，通过将相位差调制为0或π时，可以获得时间位置不同的单个光脉冲信号，实现时间编码。当相位差为π/2时，在同一个时间周期内，编码装置会输出两个连续的且相位差为0的光脉冲信号；当相位差为3π/2时，在同一个时间周期内，编码装置会输出两个连续的且相位差为π的光脉冲信号。因此，通过将相位差调制为π/2或3π/2，可以获得具有不同相位差的光脉冲对，实现相位编码。