[实用新型]一种基于时间相位编码的QKD系统

说明书

本实用新型公开了一种基于时间相位编码的QKD系统，其QKD接收方包括基于PLC实现的解码芯片。解码芯片包括第一和第二分束器，且形成有多个对外端口。其中，第一和第二分束器均为四端口器件，分别用作基矢选择单元和时间相位解码单元。输入端口通过第一波导连接第一端口，第二端口通过第二波导连接时间基矢信号输出端口，第三端口通过第三波导连接第五端口，第六端口通过第四波导连接第一反射端口，第七端口通过第五波导连接第二反射端口，第八端口通过第六波导连接第一相位基矢信号输出端口，第四端口通过第七波导连接第二相位基矢信号输出端口，第一和第二反射单元分别设于第一和第二反射端口处，使光信号发生反射且偏振态发生90度偏转。

技术领域

本实用新型涉及量子信息技术领域，特别涉及一种基于时间相位编码的QKD系统。

背景技术

量子保密通信是不同于经典通信的一种保密通信方式，能够在通信双方之间产生完全一致的无条件安全密钥，支持通过“一次一密”的方式加密经典信息，能够保证信息传递的高度安全性，因而受到广泛关注。现有的量子保密通信系统主要是基于量子密钥分发(QKD)技术实现的。QKD系统包括发送方和接收方，发送方采用编码器实现量子态的编码和发送，接收方采用解码器对量子态进行解码和探测。解码器是接收方的核心器件之一，决定QKD系统的成码率和错误率等系统指标。在基于相位或时间相位方案的QKD系统中，对发送方发出的含有相位编码信息的脉冲光子对进行干涉解调后实现单光子探测。

基于BB84协议的时间相位编解码方案中，基矢包括相位基矢和时间基矢，在相位基矢上能够编码产生具有特定相位差的前后两个脉冲形成的光子对，形成相位编码的光脉冲；在时间基矢上能够编码产生在时域上前后分布的脉冲光子，形成时间编码的光脉冲。在解码时，通过基矢选择单元先进行基矢选择，之后分别由不同的探测器测量不同基矢下的量子态。其中，相位编码的光脉冲在相位态探测前，主要通过不等臂干涉仪进行干涉解调。现有的芯片化时间相位解码器中，主要采用硅基等工艺的芯片材料进行时间相位量子态解码。

图1示出了一种现有的高速硅基芯片化QKD编解码系统，其在时间相位解码器中采用了与发送方互易的芯片进行解码，具体包含一个等臂干涉仪和一个不等臂干涉仪，其中，等臂干涉仪用于对| 0＞、|1＞态进行测量，不等臂干涉仪用于对|+＞、|一＞态进行测量。干涉后的光脉冲最终由片外单光子探测器进行探测。

CN111934868A号专利文献公开了一种量子密钥分发的解码芯片及解码方法，其主要用于基于时间相位编码协议的QKD系统中。如图2所示，解码芯片包括输入波导、定向耦合器、相位调制器、延迟线结构和输出波导等结构。解码芯片可实现分束比可调，使双时间隙脉冲光功率平衡，因而优化干涉可见度，减小误码率。此解码芯片的干涉可见度相对于温度变化不敏感，即，由光器件引起的误码率相对于温度变化不敏感。

CN109343173A号专利文献公开了一种混合波导集成的干涉仪，其用于实现相位编码协议的QKD系统的编解码功能。如图3所示，该干涉仪包含光纤、波导耦合器、光波导芯片(含延迟线)、相位波导调制器、反射模块等结构。在该干涉仪中，臂长差易于控制，有利于降低不等臂干涉仪的生产成本；光波导芯片构成的干涉仪更加稳定，对于外部温度、振动等变化也更加不敏感；体积更小，封装更为方便。

图1和2所示的解码器内部集成有相位调制器，主要以硅或氮氧化硅等材料作为芯片材料，波导芯片主要工作在TE或TM模式，在由光纤传输链路耦合进入芯片之前偏振态随机，导致进入波导芯片后非工作模式的光子直接损耗，引起系统性能下降、系统成码率波动大等问题。若要解决该问题，往往需要增加外置偏振控制器，会明显增加接收方体积和系统复杂度。除此之外，硅基芯片与光纤模场直径差异大，光纤与芯片的光耦合工艺要求高、损耗大，同样会引起系统成码率下降。因此，此类方案往往性能低且工艺要求高。图3中的干涉仪虽然实现了芯片化，但还需外置光环形器和相位调制模块，整个QKD接收方的体积仍较大。综上可以发现，现有用于QKD系统的解码器存在体积和性能相互制约的问题。

实用新型内容