[发明专利]一种高效的量子密钥分发系统及方法

说明书

一种高效的量子密钥分发系统，包括发送端与接收端，所述发送端包括依次连接的激光器、诱骗态调制模块、发射端干涉仪以及衰减器，所述接收端包括依次连接的纠偏模块、接收端干涉仪、第三偏振分束器以及第一单光子探测器、第二单光子探测器，所述衰减器的输出端与纠偏模块的输入端连接，本发明还提供了一种量子密钥分发系统方法。与现有技术相比，本发明高效的量子密钥分发方法通过干涉仪结构设计，可以将光能量利用率提升至100％，即将QKD系统成码率提高至原始方案的2倍；发射端干涉仪结构简单，仅由一个偏振分束器和一个相位调制器构成，易于制作，且接收端干涉仪结构与发射端干涉仪完全相同，便于批量制作。

技术领域

本发明涉及量子偏振编码技术领域，特别涉及一种高效的量子密钥分发系统及方法。

背景技术

量子密钥分发可以为远距离的通信双方提供无条件安全的密钥分发，其信息理论安全性由量子力学的基本原理来保障。然而目前QKD系统的密钥产生速率较低，无法满足现有传统光纤通信的加密需求。常规的相位编码方案为不等臂马赫-增德尔干涉仪方案(美国专利U5307410)。在该方案中，发射端光脉冲经过不等臂干涉仪之后分成前后两个子脉冲，到达接收端后又经过一个相同的干涉仪进一步变成四个脉冲，不考虑器件损耗的情况下，每个脉冲的光功率为总光功率的1/4。其中两个脉冲经过的光程相同(走“长臂+短臂”和“短臂+长臂”的路径)，会在收端干涉仪第二个分束器进行干涉，另外两个脉冲分别走“长臂+长臂”和“短臂+短臂”的路径不参与干涉而被舍弃。因此干涉峰的光功率为总光功率的1/2，即该方案的光能量利用率为1/2，而最终的安全密钥率与其成正比。

发明内容

针对现有技术存在以上缺陷，本发明提供一种高效的量子密钥分发系统及方法如下：

本发明的技术方案是这样实现的：

一种高效的量子密钥分发系统，包括发送端与接收端，所述发送端包括依次连接的激光器、诱骗态调制模块、发射端干涉仪以及衰减器，所述接收端包括依次连接的纠偏模块、接收端干涉仪、第三偏振分束器以及第一单光子探测器、第二单光子探测器，所述衰减器的输出端与纠偏模块的输入端连接。

优选地，所述诱骗态调制模块包括保偏分束器以及第一相位调制器，所述保偏分束器的一端口连接第一相位调制器的输入端，二端口连接激光器的输出端，三端口连接第一相位调制器的输出端，所述发射端干涉仪包括第一偏振分束器以及第二相位调制器，所述第一偏振分束器的一端口连接第二相位调制器的输入端，二端口与保偏分束器的四端口进行45°旋转熔接，三端口连接第二相位调制器的输出端，四端口连接衰减器输入端，所述接收端干涉仪包括第二偏振分束器和第三相位调制器，所述第二偏振分束器的一端口连接第三相位调制器的输入端，二端口连接纠偏模块的输出端，三端口连接第三相位调制器的输出端，四端口与第三偏振分束器的输入端进行45°旋转熔接，所述第三偏振分束器三端口、四端口分别对应连接第一单光子探测器、第二单光子探测器。

优选地，所述衰减器的输出端与纠偏模块的输入端通过保偏光纤连接。

本发明还提供了一种高效的量子密钥分发方法，包括以下步骤：

1)激光器触发：脉冲激光器通过触发信号以一定重复频率产生一系列的脉冲光；

2)诱骗态调制：光脉冲通过诱骗态调制模块被其进行随机强度调制，成为信号态、诱骗态或者真空态；

3)发送端编码：经过强度调制的光脉冲进入发送端干涉仪产生前后两个光脉冲，由第二相位调制器进行随机相位调制，使得两个脉冲之间的相位差分别为0，π/2，π，3π/2；

4)衰减器：衰减器将光脉冲衰减至单光子量级；

5)接收端解码：光信号通过光纤信道传输之后进入接收端，先通过纠偏模块补偿偏振变化，然后进入接收端干涉仪，通过第三相位调制器随机调制相位0，π/2，进行解码得到不同的光子偏振态，并用第三偏振分束器对偏振态进行测量；