专利名称：一种光量子编码装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及量子通信装置，特别涉及用于构建量子保密通信网络所需的量子 密码机的实现装置。
背景技术：
量子保密通信是不同于经典通信的保密通信方式，其具有理论上可被证明的绝对 安全性。量子密钥分发通过操纵和传送量子比特的方法，可在两地之间建立一串任意长度 的相同的随机数；使用该随机数通过“一次一密”(One-Time Pad)的方式加密经典信息，即 能保证信息传递的安全性。第一个量子密钥分发协议于1984年提出，称之为BB84。此后，一系列的相关协议 被提出，主要包括光子态制备/测量和纠缠分发两大种。其中基于纠缠分发的量子密钥方 案由于目前缺乏高亮度可实用化的纠缠光源，还仅停留在实验室研究阶段，无法用来构建 实际的量子通信系统。本实用新型即通过给出一种成熟、实用而高效的光量子偏振态编码 方法，依据此方法实现的量子密码机可用来构建商用化的量子保密通信网络。光子态的制备/测量主要包括两种方法一种是通过编码光子态的相位信息实现 量子密钥的分发；另一种是通过编码光子态的偏振信息实现密钥分发。相位编码通常采用的方式，如普遍采用马赫_泽得干涉仪的相位编码方案，需在 通信双方的发送和接收装置内实现光脉冲的一对不等臂干涉相长和相消，起到量子态编码 和解码的目的。这就要求通信双方的编码解码装置具有一一对应的关系。比如，如果A与 B通信，若A点采用的相位编码装置其不等臂干涉仪长度之差为L，则B点采用的相位解码 装置其不等臂干涉仪长度之差也必须为L ；如果此时C点要求加入A-B，组成A-B-C-A三点 的环形网络，其中A-B，A-C，B-C均可互通，则C点的相位编码以及解码装置其不等臂干涉仪 长度之差也必须为L。另一方面，由于温度等外界干扰造成的热胀冷缩效应使精确的长度匹 配很难实现，当节点用户以网络的方式增加时，长度的失配将极大的影响相位编码方案的 密码生成率。显然，考虑到多用户之间的网络互联模式，此方案很难实现不同用户间干涉长度 匹配的要求，不利于组成大规模不落地的量子密钥分发网络。
实用新型内容本实用新型针对现有技术的不足，提供了一种能克服现有编码方案不足之处，且 能与网络中的其他节点以较高的密钥生成率实现互联，从而真正实现网络的扩容性的光量 子编码装置。本实用新型是通过以下技术方案实现的一种光量子编码装置，光源出射的光脉冲与一路双端输出的光学器件的输入端连 接；这个光学器件的每个输出端连接一路双端输出的光学器件的输入端；这两个光学器件 的每个输出端(共四路1、II、III、IV)连接一路单端输入单端输出的光学部件的输入端；光学部件I和II的每个输出端连接一个双端输入的光偏振分束器的输入端；这个偏振光分 束器的一个输出端连接一路双端输入的耦合器V的输入端；光学部件III和IV的每个输出 端连接一个双端输入的光偏振分束器的输入端；这个偏振光分束器的输出端连接一路单端 输入单端输出的偏振控制器的输入端；偏振控制器的输入端连接一路上述的双端输入的耦 合器V的另一个输入端；这个耦合器的输出端输出制备好的光量子偏振态。一种光量子编码装置，所述光学器件到耦合器之间分出的路径长度均基本一致。一种光量子编码装置，所述光学器件用于将入射的一路光脉冲分束成两路光脉冲 沿两条光路传播。一种光量子编码装置，所述光强度调制器，用于调制光脉冲的强度以及控制光路 的选通或者截断。一种光量子编码装置，所述光偏振分束器，用于调制光脉冲到相应的两个正交偏 振态。一种光量子编码装置，所述偏振控制器，用于将改变和控制光脉冲的偏振态方向。本实用新型采用的装置是偏振编码装置。本实用新型的方案并不要求通信的双方 实现一对不等臂干涉仪，自然也就不存在臂长差严格相等的要求。该装置并不要求发射方 与接收方存在一一对应关系，因此后续节点能很容易地加入现有网络，在保证自身严格实 现了我们所要求的编码方法后，能与网络中的其他节点以较高的密码生成率实现互联，从 而真正实现网络的扩容性。用光量子的偏振态编码实现量子密钥分发，常用的做法是采用四路激光器产 生四路光脉冲，并对每路光脉冲进行偏振调制，将光脉冲的偏振制备到相应的偏振态 上。 比如论文((Practical Aspects ofQuantum Cryptographic Key Distribution)) (J. Cryptology (2000) 13 207-220)中给出的偏振编码解决方案即是采用四路激光脉冲偏 振调制的方式。需要指出的是，该方案要求四路激光产生的光脉冲除偏振特性可以有差别 外，其余特性均需保持一致，否则该方案具有安全性上的漏洞。这对激光器的控制和稳定性 方面的要求较高，实现难度较大。而我们采用的方案只需要一路激光器，因而不存在此类困 难。此外，对于某些密钥分发协议，可能要求制备不同强度的激光脉冲，此方案要求激光器 相应扩展至协议要求的数目(比如诱骗态密码协议需八路激光器)，实现难度进一步提高。 而我们的方案可采用强度可调的光强度调制器实现，实现难度较低。
图1为该偏振编码实现装置组成结构示意图。图2为实施例2装置组成局部结构示意图。
具体实施方式
实施例1参见附图1所示。本实用新型光源出射的光脉冲经过端口 1连接一路光分束器2 ；此一路光分束器 2输出端分为两路分别连接两个光分束器3，4，两个光分束器3，4中的每个光分束器再分出 两路，每路的脉冲信号输出端分别连接一个光强度调制器5，6，7，8的信号输入端；四路光
4强度调制器信号5，6，7，8输出端与两路光偏振分束器9，10的四路信号输入端连接；其中一 路光偏振分束器9的信号输出端与一路耦合器12的输入端相连，另一路光偏振分束器10 的信号输出端与一路偏振控制器11输入端相连，该偏振控制器11的输出端再连接上述的 耦合器12的另一个输入端。光分束器2至耦合器12之间分出的长度应基本保持一致。其 中光分束器2，3，4用于将入射的一路光脉冲分束成两路光脉冲沿两条光路传播。其中光强 度调制器5，6，7，8，用于控制光路的通断或者调制光强到任意比例。光偏振分束器9，10，用 于将两路输入光的偏振制备到一对正交的偏振态之上。偏振控制器11，用于将光脉冲的控 制和改变偏振方向到一定角度。对光强度调制器5、6、7、8的要求是，可实现任意比例的光强的调制或者控制该路 光的通过和截断。对光偏振分束器9、10的要求是，光偏振分束器的两路输入分别迫使输入 光位于一对相互正交的光偏振态上。偏振控制器11的要求是，偏振控制器将输入脉冲的偏 振方向旋转增加45度。本实用新型可以将此方案通过多个光分束器实现多路，不限于实施例中四路。实施例2参见附图2所示。偏振控制器11和耦合器12可以合并为一个耦合器14，该耦合 器14的两路输入迫使光脉冲偏振位于一对相差45度的偏振态之上。其余同实施例1。
权利要求一种光量子编码装置，光源出射的光脉冲经过端口连接至少一路用于将一束光分成多条光路出射的光学器件输入端；所述每路光学器件的脉冲信号输出端连接至少两个用于控制光路导通或截断，并且在导通状态下可控制光强幅度的光学部件信号输入端；所述两个光学部件信号输出端至少连接一个光偏振分束器信号输入端；至少一个光偏振分束器的信号输出端均通过耦合器与出射端口连接。
2.根据权利要求1所述的一种光量子编码装置，其特征在于所述光学器件的信号输出 端分出两路，每路再分别与一个所述光学器件连接并分出两路；分出后的两路分别与所述 光学部件信号输入端连接。
3.根据权利要求1所述的一种光量子编码装置，其特征在于所述耦合器与光偏振分束 器之间设有至少一个用于改变和控制光偏振方向的偏振控制器。
4.根据权利要求1所述的一种光量子编码装置，其特征在于所述光学器件至耦合器之 间分出的多个路径长度均一致。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种光量子编码装置，其特征在于所述光学器件为 光分束器或光多路器。
6.根据权利要求5所述的一种光量子编码装置，其特征在于所述光学器件为光分束ο
7.根据权利要求1-3任意一项所述的一种光量子编码装置，其特征在于所述光学部件 为光强度调制器或光开关。
8.根据权利要求7所述的一种光量子编码装置，其特征在于所述光学部件为光强度 调制器。
专利摘要本实用新型涉及一种光量子编码装置，光源出射的光脉冲经过端口连接至少一路用于将一束光分成多条光路出射的光学器件输入端；所述每路光学器件的脉冲信号输出端连接至少两个用于控制光路导通或截断，并且在导通状态下可控制光强幅度的光学部件信号输入端；所述两个光学部件信号输出端至少连接一个光偏振分束器信号输入端；至少一个光偏振分束器的信号输出端均通过耦合器与出射端口连接。本实用新型提供了一种能与网络中的其他节点以较高的密钥生成率实现互联，从而真正实现网络的扩容性的光量子编码装置。
文档编号H04L9/00GK201689217SQ20102011223
公开日2010年12月29日 申请日期2010年2月4日 优先权日2010年2月4日
发明者刘洋, 居磊, 彭承志, 杨涛, 潘建伟, 陈腾云 申请人:安徽量子通信技术有限公司