[发明专利]单片硅基集成芯片及量子密钥分发系统

说明书

本发明提供了一种单片硅基集成芯片及量子密钥分发系统。其中，单片硅基集成芯片包括：第一分束器，其用于接收激光信号并分成上光路信号和下光路信号；诱骗态调制单元，其用于将上光路信号进行随机诱骗态调制；编码单元，其用于将随机诱骗态调制后的信号进行随机信息编码；第一光强衰减单元，其用于将随机信息编码后信号衰减至单光子量级并输出；随机数产生单元，其用于接收下光路信号并处理得到差分电流；其中，差分电流经处理后产生量子随机数，进而由量子随机数对应的随机数字电压信号来驱动诱骗态调制单元和编码单元工作。本发明的单片硅基集成芯片集成了量子密钥分发及量子随机数产生的功能，减少了量子密钥分发系统的体积、成本和功耗。

技术领域

本发明属于量子通信技术领域，尤其涉及一种单片硅基集成芯片及量子密钥分发系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

随机数是一种广泛使用的基础资源，而随机数发生器就是用来产生随机数序列的一种器件。性能良好的随机数发生器在众多领域比如量子通信、密码学、博彩业、蒙特卡洛模拟、数值计算、随机抽样等都有广泛应用。现有的量子随机数发生器方案中，基于单光子路径选择的方案，其比特率达到1Mbps量级；而基于光子到达时间的方案，其比特率达到了100Mbps量级。对于下一代高速量子通信系统，需要的随机数应达到10Gbps以上，这就需要新的技术方案来满足对比特率的需求。

为满足人们日益增长的带宽需求，在现代高速大容量的光传输技术中普遍采用多进制调制方式以提高光谱利用率。在多进制调制信号的处理方面相干光接收技术也成为光通信领域研究发展的热点。相干光通信系统的接收机灵敏度高，传输的中继距离长，更有利于充分利用光纤的带宽，提高通信质量。

现有量子密钥分发(QKD)系统工作原理如图1所示，激光器在脉冲驱动下输出较弱的脉冲光，此脉冲光输入诱骗态调制单元进行诱骗态调制，通常诱骗态调制单元为强度调制器，经过诱骗态调制后的光输入到编码单元中进行信息编码，编码单元通常是基于光子相位信息、光子偏振态信息或者光子(间)时间相位信息等进行信息编码，诱骗态调制单元和编码单元需在随机数源的驱动下分别进行随机诱骗态调制和随机信息编码，经过信息编码后的光经过光强衰减单元后衰减至单光子水平并输出。图1中的激光器、诱骗态调制单元、编码单元和光强衰减单元通过光纤连接，脉冲驱动输出电信号至激光器，随机数源输出数字信号至诱骗态调制单元和编码单元。其中，如图1所示的随机数源是通过FPGA基于振荡环的非相干时间采样或基于FPGA的热噪声产生并输出数字信号。

发明人发现，现有随机数源是物理随机数而非量子随机数源，这样使得量子密钥分发系统仍存在安全性问题；另外，现有的量子密钥分发系统均是由分立器件搭建而成，因此，存在体积庞大，成本高昂且功耗高的问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的第一个方面提供一种单片硅基集成芯片，其集成量子密钥分发及量子随机数产生的功能，能够减少量子密钥分发系统的体积、成本和功耗。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种单片硅基集成芯片，包括：

第一分束器，其用于接收激光信号并分成上光路信号和下光路信号；

诱骗态调制单元，其用于将上光路信号进行随机诱骗态调制；

编码单元，其用于将随机诱骗态调制后的信号进行随机信息编码；

第一光强衰减单元，其用于将随机信息编码后信号衰减至单光子量级并输出；

随机数产生单元，其用于接收下光路信号并处理得到差分电流；其中，差分电流经处理后产生量子随机数，进而由量子随机数对应的随机数字电压信号来驱动诱骗态调制单元和编码单元工作。

作为一种实施方式，所述随机数产生单元，包括：