一种相位编码量子密钥分发系统

技术领域

本发明涉及光传输保密通信技术领域，具体涉及一种相位编码量子密钥分发系统。

背景技术

量子密钥分发是量子物理与信息科学相结合的交叉热点领域，基于量子力学海森堡不确定关系、量子不可克隆定理等物理原理，可以检测到潜在的窃听行为，能够基于公开信道实现通信双方加密密钥的安全共享，可广泛应用于国防、政务、金融、电力等高安全信息传输需求的领域。

地面量子密钥分发主要基于光纤信道传输，因相位编码对光纤信道双折射不敏感，故在光纤量子密钥分发中得到了广泛应用。目前相位编码主要采用不等臂干涉仪方案，这种方案在解码干涉时存在三个峰，只有中间的干涉峰对成钥有贡献，导致效率低。

发明内容

本发明所要解决的是以不等臂干涉仪相位编码量子密钥分发效率低的问题，提供一种相位编码量子密钥分发系统，其通过基于多芯光纤实现等臂干涉仪实现相位编码量子密钥分发。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种相位编码量子密钥分发系统，包括：单光子源、第一光耦合器、第一相位调制器、多芯光纤、第二光耦合器、第二相位调制器、以及一个或两个单光子探测器；单光子源用于产生单光子脉冲；第一光耦合器包含至少一个输入端口和两个输出端口，用于接收单光子源产生的单光子脉冲，并将单光子源产生的单光子脉冲分束为两路子光脉冲，分别由第一光耦合器的两个输出端口输出；多芯光纤为量子信道，用于传输第一光耦合器两个输出端口输出的两路子光脉冲；多芯光纤的纤芯数不少于两个，其中一个纤芯与第一光耦合器两个输出端口中的一个端口连接，用于传输两路子光脉冲中的一路子光脉冲，另一个纤芯与第一光耦合器两个输出端口中的另一个端口连接，用于传输两路子光脉冲中的另一路子光脉冲；第二光耦合器包含两个输入端口和至少一个输出端口，第二光耦合器的两个输入端口中的一个输入端口与多芯光纤中传输一路子光脉冲的一个纤芯连接，用于接收一路子光脉冲；第二光耦合器的两个输入端口中的另一个输入端口与多芯光纤中传输另一路子光脉冲的另一个纤芯连接，用于接收另一路子光脉冲；一路子光脉冲和另一路子光脉冲经第二光耦合器合束后由第二光耦合器的一个或两个输出端口输出；单光子探测器用于对第二光耦合器的输出端口输出的单光子脉冲进行探测；第一相位调制器设置于第一光耦合器的一个输出端口与多芯光纤中一个纤芯相连接的光路上，或设置于第一光耦合器的另一个输出端口与多芯光纤中另一个纤芯相连接的光路上；第一相位调制器用于量子密钥分发系统编码相位调制；第二相位调制器设置于第二光耦合器的一个输入端口与多芯光纤中一个纤芯相连接的光路上，或设置于第二光耦合器的另一个输入端口与多芯光纤中另一个纤芯相连接的光路上；第二相位调制器用于量子密钥分发系统解码相位调制。

当单光子探测器为一个时，第一相位调制器随机调制0度、90第、180度或270度四种相位；第二相位调制器随机调制0度、90第、180度或270度四种相位。

当单光子探测器为两个时，第一相位调制器随机调制0度、90第、180度或270度四种相位；第二相位调制器随机调制0度或90度两种相位。

上述方案中，单光子源为弱相干光源，并由脉冲激光器和光衰减器构成；脉冲激光器产生脉冲光，衰减器将光脉冲衰减为单光子脉冲。

所述相位编码量子密钥分发系统还包括强度调制器；强度调制器设置于单光子源和第一光耦合器之间的光路上，用于调制单光子光脉冲的平均光子数。

所述相位编码量子密钥分发系统还包括偏振控制器；偏振控制器设置于第一光耦合器的一个输出端口与多芯光纤中一个纤芯相连接的光路上，或设置于第一光耦合器的另一个输出端口与多芯光纤中另一个纤芯相连接的光路上；或设置于第二光耦合器的一个输入端口与多芯光纤中一个纤芯相连接的光路上，或设置于第二光耦合器的另一个输入端口与多芯光纤中另一个纤芯相连接的光路上。

单光子源的输出端至第一光耦合器的输入端口形成系统的输入侧支路；第二光耦合器的输出端口至第一单光子探测器的输入端形成系统的输出侧支路；第一光耦合器的输出端口经由第一相位调制器、多芯光纤、第二相位调制器至第二光耦合器的输入端口形成系统的为量子信道；其中输入侧支路和输出侧支路的数量均为2条以上。此时：

相位编码量子密钥分发系统还包括第一波分复用器和/或第二波分复用器；第一波分复用器设置于第一光耦合器的一个输出端口与多芯光纤中一个纤芯相连接的光路上；其中第一波分复用器的两个以上的分束端与每条输入侧支路的第一光耦合器的一个输出端口相连接，第一波分复用器的合束端与多芯光纤中一个纤芯相连接；第二波分复用器设置于第一光耦合器的另一个输出端口与多芯光纤中另一个纤芯相连接的光路上；其中第二波分复用器的两个以上的分束端与每条输入侧支路的第一光耦合器的另一个输出端口相连接，第一波分复用器的合束端与多芯光纤中另一个纤芯相连接。

相位编码量子密钥分发系统还包括第一波分解复用器和/或第二波分解复用器；第一波分解复用器设置于第二光耦合器的一个输入端口与多芯光纤中一个纤芯相连接的光路上；其中第一波分解复用器的合束端与多芯光纤中一个纤芯相连接，第一波分解复用器的两个以上的分束端与每条输出侧支路的第二光耦合器的一个输入端口相连接；第二波分解复用器设置于第二光耦合器的另一个输入端口与多芯光纤中另一个纤芯相连接的光路上；其中第一波分解复用器的合束端与多芯光纤中另一个纤芯相连接，第二波分解复用器的两个以上的分束端与每条输出侧支路的第二光耦合器的另一个输入端口相连接。

与现有技术相比，本发明提供了一种易于实现和应用的高效相位编码量子密钥分发系统方案，通过使用多芯光纤作为量子信道，可以保证环境干扰对光纤长度变化的一致性，从而可以在长距离传输时实现相位编码等臂干涉仪方案，能够支持实际环境干扰下的高效量子密钥分发，避免了不等臂干涉仪相位编码效率低的问题。

附图说明

图1为第一种相位编码量子密钥分发系统的结构示意图。

图2为第二种相位编码量子密钥分发系统的结构示意图。

图3为第三种相位编码量子密钥分发系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，对本发明进一步详细说明。

实施例1：

参见图1，一种相位编码量子密钥分发系统，包括：单光子源、强度调制器、第一光耦合器、第一相位调制器、偏振控制器、多芯光纤、第二光耦合器、第二相位调制器、以及第一单光子探测器。

单光子源用于产生单光子脉冲。单光子源的一种可能的配置为弱相干光源，由脉冲激光器和光衰减器构成，其中脉冲激光器产生脉冲光，衰减器将光脉冲衰减为单光子脉冲。

强度调制器配置在单光子源和第一光耦合器之间，用于调制单光子光脉冲的平均光子数。

第一光耦合器包含至少一个输入端口和两个输出端口，用于接收单光子源产生的单光子脉冲，并将单光子源产生的单光子脉冲分束为两路子光脉冲，分别由第一光耦合器的两个输出端口输出。在本实施例中，第一光耦合器为1×2光耦合器。

多芯光纤为量子信道，用于传输第一光耦合器两个输出端口输出的两路子光脉冲。多芯光纤的纤芯数不少于两个，其中一个纤芯与第一光耦合器两个输出端口中的一个端口连接，用于传输两路子光脉冲中的一路子光脉冲，另一个纤芯与第一光耦合器两个输出端口中的另一个端口连接，用于传输两路子光脉冲中的另一路子光脉冲。

第二光耦合器包含两个输入端口和至少一个输出端口，第二光耦合器的两个输入端口中的一个输入端口与多芯光纤中传输一路子光脉冲的一个纤芯连接，用于接收一路子光脉冲。第二光耦合器的两个输入端口中的另一个输入端口与多芯光纤中传输另一路子光脉冲的另一个纤芯连接，用于接收另一路子光脉冲。一路子光脉冲和另一路子光脉冲经第二光耦合器合束后由第二光耦合器的一个输出端口输出。在本实施例中，第二光耦合器为2×1光耦合器。

第一单光子探测器用于对第二光耦合器输出的单光子脉冲进行探测。

偏振控制器用于两路子光脉冲之一的偏振态的控制。偏振控制器设置于第一光耦合器的一个输出端口与多芯光纤中一个纤芯相连接的光路上，或设置于第一光耦合器的另一个输出端口与多芯光纤中另一个纤芯相连接的光路上，或设置于第二光耦合器的一个输入端口与多芯光纤中一个纤芯相连接的光路上，或设置于第二光耦合器的另一个输入端口与多芯光纤中另一个纤芯相连接的光路上。在本实施例中，偏振控制器设置于第一光耦合器的另一个输出端口与多芯光纤中另一个纤芯相连接的光路上。

第一相位调制器用于量子密钥分发系统编码相位调制，第二相位调制器用于量子密钥分发系统解码相位调制。第一相位调制器和第二相位调制器设置在第一光耦合器的输出端口与第二光耦合器的输入端口之间的不同光路上或相同光路上。以设置在相同光路上为例，即：第一相位调制器设置于第一光耦合器的一个输出端口与多芯光纤中一个纤芯相连接的光路上。第一相位调制器随机调制0度、90第、180度或270度四种相位。第二相位调制器设置于第二光耦合器的一个输入端口与多芯光纤中一个纤芯相连接的光路上。第二相位调制器随机调制0度、90第、180度或270度四种相位。

本相位编码量子密钥分发系统的工作过程和原理如下：单光子源产生单光子脉冲传输至强度调制器，强度调制器调制单光子脉冲的平均光子数再传输至输入光耦合器，输入光耦合器将单光子脉冲分束为两路子光脉冲。一路子光脉冲经第一光耦合器的一个输出端口输出至编码相位调制的第一相位调制器，经相位调制后传输至双芯光纤的一根光纤中，并传输至第二光耦合器的一个输入端口；另一路子光脉冲经第一光耦合器的另一个输出端口输出至双芯光纤的另一根光纤中，并传输至解码相位调制的第二相位调制器经相位调制后输出至第二光耦合器的另一个输入端口。第二光耦合器将两路子光脉冲合束后经输出端口输出至第一单光子探测器，并按照量子密钥分发协议生成共享密钥。其中，编码相位调制的第一相位调制器随机调制0度、90度、180度或270度相位，解码相位调制的第二相位调制器随机调制0度、90度、180度或270度相位。

实施例2：

参见图2，一种相位编码量子密钥分发系统，包括：单光子源、强度调制器、第一光耦合器、第一相位调制器、多芯光纤、第二光耦合器、第二相位调制器、第一单光子探测器、以及第二单光子探测器。

单光子源用于产生单光子脉冲。单光子源的一种可能的配置为弱相干光源，由脉冲激光器和光衰减器构成，其中脉冲激光器产生脉冲光，衰减器将光脉冲衰减为单光子脉冲。

强度调制器配置在单光子源和第一光耦合器之间，用于调制单光子光脉冲的平均光子数。

第一光耦合器包含至少一个输入端口和两个输出端口，用于接收单光子源产生的单光子脉冲，并将单光子源产生的单光子脉冲分束为两路子光脉冲，分别由第一光耦合器的两个输出端口输出。在本实施例中，第一光耦合器为1×2光耦合器。

多芯光纤为量子信道，用于传输第一光耦合器两个输出端口输出的两路子光脉冲。多芯光纤的纤芯数不少于两个，其中一个纤芯与第一光耦合器两个输出端口中的一个端口连接，用于传输两路子光脉冲中的一路子光脉冲，另一个纤芯与第一光耦合器两个输出端口中的另一个端口连接，用于传输两路子光脉冲中的另一路子光脉冲。

第二光耦合器包含两个输入端口和至少一个输出端口，第二光耦合器的两个输入端口中的一个输入端口与多芯光纤中传输一路子光脉冲的一个纤芯连接，用于接收一路子光脉冲。第二光耦合器的两个输入端口中的另一个输入端口与多芯光纤中传输另一路子光脉冲的另一个纤芯连接，用于接收另一路子光脉冲。一路子光脉冲和另一路子光脉冲经第二光耦合器合束后由第二光耦合器的两个输出端口输出。在本实施例中，第二光耦合器为2×2光耦合器。

第一单光子探测器和第二单光子探测器用于对第二光耦合器输出的单光子脉冲进行探测。

第一相位调制器用于量子密钥分发系统编码相位调制，第二相位调制器用于量子密钥分发系统解码相位调制。第一相位调制器和第二相位调制器设置在第一光耦合器的输出端口与第二光耦合器的输入端口之间的不同光路上或相同光路上。以设置在不同光路上为例，即第一相位调制器设置于第一光耦合器的另一个输出端口与多芯光纤中另一个纤芯相连接的光路上。第一相位调制器随机调制0度、90第、180度或270度四种相位。第二相位调制器设置于第二光耦合器的一个输入端口与多芯光纤中一个纤芯相连接的光路上。第二相位调制器随机调制0度或90第两种种相位。

本相位编码量子密钥分发系统的工作过程和原理如下：单光子源产生单光子脉冲传输至强度调制器，强度调制器调制单光子脉冲的平均光子数再传输至输入光耦合器，输入光耦合器将单光子脉冲分束为两路子光脉冲。一路子光脉冲经第一光耦合器的一个输出端口输出至编码相位调制的第一相位调制器，经相位调制后传输至双芯光纤的一根光纤中，并传输至第二光耦合器的一个输入端口；另一路子光脉冲经第一光耦合器的另一个输出端口输出至双芯光纤的另一根光纤中，并传输至解码相位调制的第二相位调制器经相位调制后输出至第二光耦合器的另一个输入端口。第二光耦合器将两路子光脉冲合束后经两个输出端口输出至第一单光子探测器或第二单光子探测器，并按照量子密钥分发协议生成共享密钥。其中，编码相位调制的第一相位调制器随机调制0度、90度、180度或270度相位，解码相位调制的第二相位调制器随机调制0度或90度相位。

实施例3：

参见图3，一种相位编码量子密钥分发系统，包括：2个单光子源、2个强度调制器、2个第一光耦合器、2个第一相位调制器、第一波分复用器、第二波分复用器、多芯光纤、2个第二光耦合器、2个第二相位调制器、第一解波分复用器、第二波分解复用器、以及2个第一单光子探测器。

单光子源的输出端至第一光耦合器的输入端形成系统的输入侧支路，在本实施例中，输入侧支路为2条。第二光耦合器的输出端至第一单光子探测器的输入端形成系统的输出侧支路，在本实施例中，输出侧支路为2条。第一光耦合器的输出端经由第一相位调制器、多芯光纤、第二相位调制器至第二光耦合器的输入端形成系统的为量子信道。

单光子源用于产生单光子脉冲。单光子源的一种可能的配置为弱相干光源，由脉冲激光器和光衰减器构成，其中脉冲激光器产生脉冲光，衰减器将光脉冲衰减为单光子脉冲。

强度调制器配置在单光子源和第一光耦合器之间，用于调制单光子光脉冲的平均光子数。

第一光耦合器包含至少一个输入端口和两个输出端口，用于接收单光子源产生的单光子脉冲，并将单光子源产生的单光子脉冲分束为两路子光脉冲，分别由第一光耦合器的两个输出端口输出。在本实施例中，第一光耦合器为1×2光耦合器。

多芯光纤为量子信道，用于传输第一光耦合器两个输出端口输出的两路子光脉冲。多芯光纤的纤芯数不少于两个，其中一个纤芯与第一光耦合器两个输出端口中的一个端口连接，用于传输两路子光脉冲中的一路子光脉冲，另一个纤芯与第一光耦合器两个输出端口中的另一个端口连接，用于传输两路子光脉冲中的另一路子光脉冲。

第二光耦合器包含两个输入端口和至少一个输出端口，第二光耦合器的两个输入端口中的一个输入端口与多芯光纤中传输一路子光脉冲的一个纤芯连接，用于接收一路子光脉冲。第二光耦合器的两个输入端口中的另一个输入端口与多芯光纤中传输另一路子光脉冲的另一个纤芯连接，用于接收另一路子光脉冲。一路子光脉冲和另一路子光脉冲经第二光耦合器合束后由第二光耦合器的一个输出端口输出。在本实施例中，第二光耦合器为2×1光耦合器。

第一单光子探测器用于对第二光耦合器输出的单光子脉冲进行探测。

第一相位调制器用于量子密钥分发系统编码相位调制，第二相位调制器用于量子密钥分发系统解码相位调制。第一相位调制器和第二相位调制器设置在第一光耦合器的输出端口与第二光耦合器的输入端口之间的不同光路上或相同光路上。以设置在不同光路上为例，即：第一相位调制器设置于第一光耦合器的一个输出端口与多芯光纤中一个纤芯相连接的光路上。第一相位调制器随机调制0度、90第、180度或270度四种相位。第二相位调制器设置于第二光耦合器的另一个输入端口与多芯光纤中另一个纤芯相连接的光路上。第二相位调制器随机调制0度、90第、180度或270度四种相位。

波分复用器用于实现多个量子密钥分发系统发射单元复用同一量子信道。第一波分复用器设置于第一光耦合器的一个输出端口与多芯光纤中一个纤芯相连接的光路上；其中第一波分复用器的两个以上的分束端与每条输入侧支路的第一光耦合器的一个输出端口相连接，第一波分复用器的合束端与多芯光纤中一个纤芯相连接。第二波分复用器设置于第一光耦合器的另一个输出端口与多芯光纤中另一个纤芯相连接的光路上；其中第二波分复用器的两个以上的分束端与每条输入侧支路的第一光耦合器的另一个输出端口相连接，第一波分复用器的合束端与多芯光纤中另一个纤芯相连接。当第一波分复用器或第二波分复用器与第一相位调制器位于第一光耦合器与多芯光纤之间的同一条光路上时，第一波分复用器或第二波分复用器需要设置在靠近多芯光纤的一侧。

波分解复用器用于实现将多个量子密钥分发系统发射单元经同一量子信道传输后解复用至多个量子密钥分发系统接收单元。第一波分解复用器设置于第二光耦合器的一个输入端口与多芯光纤中一个纤芯相连接的光路上；其中第一波分解复用器的合束端与多芯光纤中一个纤芯相连接，第一波分解复用器的两个以上的分束端与每条输出侧支路的第二光耦合器的一个输入端口相连接。第二波分解复用器设置于第二光耦合器的另一个输入端口与多芯光纤中另一个纤芯相连接的光路上；其中第二波分解复用器的合束端与多芯光纤中另一个纤芯相连接，第二波分解复用器的两个以上的分束端与每条输出侧支路的第二光耦合器的另一个输入端口相连接。当第一波分解复用器或第二波分解复用器与第二相位调制器位于多芯光纤与第二光耦合器之间的同一条光路上时，第一波分解复用器或第二波分解复用器需要设置在靠近多芯光纤的一侧。

本发明通过基于多芯光纤实现等臂干涉仪实现相位编码量子密钥分发，以解决不等臂干涉仪相位编码量子密钥分发效率低的问题。同时，能够实现对两路以上传输光纤的长度控制，并保持两根以上传输光纤受环境干扰时长度差不变。

需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。