基于圆偏光的量子密钥分发系统、编码器、解码器及方法

技术领域

本发明属于量子通信技术领域，更具体地，涉及一种基于圆偏光的量子密钥分发系统、编码器、解码器及方法。

背景技术

量子密钥分发(quantum key distribution，即QKD)利用微观粒子作为载体进行密钥分发，密钥的安全性由基本物理原理保证，理论上说，通信双方利用量子密钥分发结合“一次一密”加密方式，可以确保分隔两地的用户安全交换密钥，实现安全通信。

目前，在空间量子密钥分发系统普遍采用的基于线偏光的量子BB84协议，但空间量子密钥分发系统两端都是动态平台，每次对准后都需要较长一段时间的进行偏振控制才能进行量子密钥分发，然而目前的量子密钥分发系统的空间链路往往存在维持时间短、动态稳定差的问题，偏振控制过程的存在大大降低了空间量子密钥分发的工作效率。

发明内容

针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于圆偏光的量子密钥分发系统、编码器、解码器及方法，减少了系统在完成空间对准后需要进行的偏振控制，增加了建链时间内量子密钥分发时间，提高了系统工作效率。

为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种基于圆偏光的量子密钥分发系统，包括：

第一偏振分束器(PBS1)，将单光子信号分成正交相等的垂直偏振分量和水平偏振分量；第一端相位调制器，用于对垂直偏振分量进行相位调制，获得垂直偏振分量调制信号；第一偏振合束器(PBS2)，用于对垂直偏振分量调制信号和水平偏振分量进行合束；第一四分之一玻片，用于将垂直偏振分量调制信号和水平偏振分量转换成左旋圆偏振分量和右旋圆偏振分量；第二四分之一玻片，用于将左旋圆偏振分量和右旋圆偏振分量恢复成垂直偏振分量调制信号和水平偏振分量；第二偏振分束器(PBS3)，用于将恢复的垂直偏振分量调制信号和水平偏振分量分开；第二端相位调制器，用于对恢复的水平偏振分量进行相位调制；第二偏振合束器(PBS4)，用于对恢复的水平偏振分量调制信号和垂直偏振分量调制信号进行合束。

进一步地，基于圆偏光的量子密钥分发系统还包括：单光子源，用于产生线偏振单光子信号输出给所述第一偏振分束器(PBS1)。

进一步地，基于圆偏光的量子密钥分发系统还包括第三偏振分束器(PBS5)，用于对所述第二偏振合束器(PBS4)输出的信号进行选择，所述第三偏振分束器(PBS5)的光轴相比所述第二偏振合束器(PBS4)的光轴旋转45°。

进一步地，基于圆偏光的量子密钥分发系统还包括：两个单光子探测器，分别位于所述第三偏振分束器(PBS5)的两个输出端。

进一步地，所述第一四分之一玻片和所述第二四分之一玻片的光轴不总是一致。

进一步地，，若所述第一端相位调制器和所述第二端相位调制器的选基一致时，所述第二偏振合束器(PBS4)的输出为线偏单光子，若所述第一端相位调制器和所述第二端相位调制器的选基不同时，所述第二偏振合束器(PBS4)的输出为圆偏单光子。

进一步地，若进入所述第三偏振分束器(PBS5)的为线偏单光子，则两个所述单光子探测器的响应固定，若进入所述第三偏振分束器(PBS5)的为圆偏单光子，则两个所述单光子探测器的响应随机。

按照本发明的第二方面，提供了一种基于圆偏光的量子密钥分发编码器，包括：

第一偏振分束器(PBS1)，将单光子信号分成正交相等的垂直偏振分量和水平偏振分量；第一端相位调制器，用于对垂直偏振分量进行相位调制，获得垂直偏振分量调制信号；第一偏振合束器(PBS2)，用于对垂直偏振分量调制信号和水平偏振分量进行合束；第一四分之一玻片，用于将合束后的信号转换成左旋圆偏振分量和右旋圆偏振分量。

按照本发明的第三方面，提供了一种基于圆偏光的量子密钥分发解码器，包括：

第二四分之一玻片，用于将接收的左旋圆偏振分量和右旋圆偏振分量恢复成垂直偏振分量调制信号和水平偏振分量；第二偏振分束器(PBS3)，用于将恢复的垂直偏振分量调制信号和水平偏振分量分开；第二端相位调制器，用于对恢复的水平偏振分量进行相位调制；第二偏振合束器(PBS4)，用于对恢复的水平偏振分量调制信号和垂直偏振分量调制信号进行合束。

按照本发明的第四方面，提供了一种基于圆偏光的量子密钥分发方法，包括步骤：

将单光子信号分成正交相等的垂直偏振分量和水平偏振分量；

对垂直偏振分量进行相位调制，获得垂直偏振分量调制信号；

对垂直偏振分量调制信号和水平偏振分量进行合束；

将垂直偏振分量调制信号和水平偏振分量转换成左旋圆偏振分量和右旋圆偏振分量；

将左旋圆偏振分量和右旋圆偏振分量恢复成垂直偏振分量调制信号和水平偏振分量；

将恢复的垂直偏振分量调制信号和水平偏振分量分开；

对恢复的水平偏振分量进行相位调制；

对恢复的水平偏振分量调制信号和垂直偏振分量调制信号进行合束。

总体而言，本发明与现有技术相比，具有有益效果：在Alice端，通过PBS1将单光子分成两个正交相等的偏振分量，对垂直偏振分量进行相位调制，然后通过PBS2合束，再经过1/4玻片分别转变成左旋圆偏振分量和右旋圆偏振分量，即将空间信道中传输的光子转换成圆偏振态；在Bob端，经过1/4玻片再次变成垂直偏振分量和水平偏振分量，即将圆偏振态恢复成线偏态，然后对恢复的水平偏振分量进行相位调制，从而减少了空间量子密钥分发系统在完成空间对准后需要进行的偏振控制，增加了建链时间内量子密钥分发时间，提高了空间量子密钥分发系统的工作效率。

附图说明

图1是本发明实施例的基于圆偏光的空间量子密钥分发系统的示意图；

图2为本发明实施例提供的Alice端的{0，π}基对应的PBS4输出示意图；

图3为本发明实施例提供的Alice端的{π/2，3π/2}基对应的PBS4输出示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明实施例的一种基于圆偏光的量子密钥分发系统，包括：第一偏振分束器(PBS1)，将单光子信号分成正交相等的垂直偏振分量和水平偏振分量；第一端相位调制器，用于对垂直偏振分量进行相位调制，获得垂直偏振分量调制信号；第一偏振合束器(PBS2)，用于对垂直偏振分量调制信号和水平偏振分量进行合束；第一四分之一玻片，用于将垂直偏振分量调制信号和水平偏振分量转换成左旋圆偏振分量和右旋圆偏振分量；第二四分之一玻片，用于将左旋圆偏振分量和右旋圆偏振分量恢复成垂直偏振分量调制信号和水平偏振分量；第二偏振分束器(PBS3)，用于将恢复的垂直偏振分量调制信号和水平偏振分量分开；第二端相位调制器，用于对恢复的水平偏振分量进行相位调制；第二偏振合束器(PBS4)，用于对恢复的水平偏振分量调制信号和垂直偏振分量调整信号进行合束。

进一步地，基于圆偏光的量子密钥分发系统还包括单光子源，用于产生线偏单光子信号输出给所述第一偏振分束器(PBS1)。

进一步地，基于圆偏光的量子密钥分发系统还包括第三偏振分束器(PBS5)，用于对所述第二偏振合束器(PBS4)输出的信号进行选择，所述第三偏振分束器(PBS5)的光轴相比所述第二偏振合束器(PBS4)的光轴旋转45°。

进一步地，基于圆偏光的量子密钥分发系统还包括：两个单光子探测器，分别位于所述第三偏振分束器(PBS5)的两个输出端。

单光子源、第一偏振分束器(PBS1)、第一端相位调制器、第一偏振合束器(PBS2)、第一1/4玻片构成了Alice端，第二1/4玻片、第二偏振分束器(PBS3)、第二端相位调制器、第二偏振合束器(PBS4)、第三偏振分束器(PBS5)和两个单光子探测器构成了Bob端。

Alice发送端采用是相位编码。由随机数源通过相位调制器对单光子进行二阶相位调制，发射单光子的量子态可包含四种随机相位信息0，π/2，π，3π/2，分别对应两组基为{0，π}，{π/2，3π/2}。通过1/4玻片，将空间信道中传输的线偏光子信息转换成圆偏振光子信息，并在接收端通过1/4玻片恢复成线偏光子信息，减少了接收端空间对准后需要进行的偏振控制。Bob接收端通过对正交偏振分量相位调制选基，将Alice相位编码信息转换成偏振信息，采用BB84协议可完成量子密钥分发过程。

具体实施流程如下：

1.在Alice端通过PBS1将单光子分成两个正交相等的偏振分量，垂直偏振分量和水平偏振分量；

2.经过第一相位调制器利用随机数源1对垂直偏振分量进行二阶相位调制，形成两组基{0，π}，{π/2，3π/2}，而对平行偏振分量不做调制；

3.Alices调制后的垂直偏振分量和未调制的水平偏振分量通过PBS2合束成单光子，再经过1/4玻片发射到空间信道，则单光子的调制后的垂直偏振分量和未调制的水平偏振分量分别转变成左旋圆偏振分量和右旋圆偏振分量；

4.经过空间信道，在Bob端经过1/4玻片左旋圆偏振分量和右旋圆偏振分量再次变成调制后的垂直偏振分量和未调制的水平偏振分量；

5.经过1/4玻片处理后的单光子经PBS3分束，再次调制后的垂直偏振分量和未调制的水平偏振分量独立分开；

6.过第二相位调制器利用随机数源2对未调制的水平偏振分量进行{0，π/2}相位调制，而垂直偏振分量不调制；

7.通过PBS4将两路进行偏振合束，选基一致时，合束后输出为线偏单光子，而选基不同时，则合束后输出为圆偏单光子；

8.偏振分束器PBS5光轴相比PBS4的光轴旋转45°，对PBS4输出的单光子进行选择；

9.两个单光子探测器位于PBS5的两个输出端，探测选择后的光子信号，进入PBS5是线偏单光子时，单光子探测器响应固定，而进入PBS5是圆偏单光子时，单光子探测器响应随机。

10.根据BB84协议，进行经典交互，完成量子密钥分发过程。

如图2所示，Alice端调制信号为{0，π}的垂直分量，与Bob端调制信号为{0，π/2}的水平分量，进行偏振合束后对应的偏振态信息，选基一致时，合束后输出为线偏单光子，单光子探测器响应固定，而选基不同时，则合束后输出为圆偏单光子，单光子探测器响应随机，符合BB84协议的探测器响应机制。

如图3所示，Alice端调制信号为{π/2，3π/2}的垂直分量，与Bob端调制信号为{0，π/2}的水平分量，进行偏振合束后对应的偏振态信息，选基一致时，合束后输出为线偏单光子，单光子探测器响应固定，而选基不同时，则合束后输出为圆偏单光子，单光子探测器响应随机，符合BB84协议的探测器响应机制。

本发明提供的基于圆偏振光的空间量子密钥分发系统，通过1/4玻片，将空间信道中传输的光子转换成圆偏振态，并在接收端通过1/4玻片恢复成线偏态，减少了空间量子密钥分发系统在完成空间对准后需要进行的偏振控制过程，增加了建链时间内量子密钥分发时间，提高了空间量子密钥分发系统的工作效率。

本发明实施例的一种基于圆偏光的量子密钥分发编码器，包括：

第一偏振分束器(PBS1)，将单光子信号分成正交相等的垂直偏振分量和水平偏振分量；第一端相位调制器，用于对垂直偏振分量进行相位调制，获得垂直偏振分量调制信号；第一偏振合束器(PBS2)，用于对垂直偏振分量调制信号和水平偏振分量进行合束；第一四分之一玻片，用于将垂直偏振分量调制信号和水平偏振分量转换成左旋圆偏振分量和右旋圆偏振分量。

编码器的实现原理、技术效果与上述系统类似，此处不再赘述。

本发明实施例的一种基于圆偏光的量子密钥分发解码器，包括：

第二四分之一玻片，用于将接收的左旋圆偏振分量和右旋圆偏振分量恢复成垂直偏振分量调制信号和水平偏振分量；第二偏振分束器(PBS3)，用于将恢复的垂直偏振分量调制信号和水平偏振分量分开；第二端相位调制器，用于对恢复的水平偏振分量进行相位调制；第二偏振合束器(PBS4)，用于对恢复的水平偏振分量调制信号和垂直偏振分量调制信号进行合束。

解码器的实现原理、技术效果与上述系统类似，此处不再赘述。

本发明实施例的一种基于圆偏光的量子密钥分发方法，包括步骤：

将单光子信号分成正交相等的垂直偏振分量和水平偏振分量；

对垂直偏振分量进行相位调制，获得垂直偏振分量调制信号；

对垂直偏振分量调制信号和水平偏振分量进行合束；

将垂直偏振分量调制信号和水平偏振分量转换成左旋圆偏振分量和右旋圆偏振分量；

将左旋圆偏振分量和右旋圆偏振分量恢复成垂直偏振分量和水平偏振分量；

将恢复的垂直偏振分量和水平偏振分量分开；

对恢复的水平偏振分量进行相位调制；

对恢复的水平偏振分量和垂直偏振分量调制信号进行合束。

方法的实现原理、技术效果与上述系统类似，此处不再赘述。

必须说明的是，上述任一实施例中，方法并不必然按照序号顺序依次执行，只要从执行逻辑中不能推定必然按某一顺序执行，则意味着可以以其他任何可能的顺序执行。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。