单光子三量子比特编码的多方量子通信系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型设及光通信技术和安全领域，尤其是指一种单光子=量子比特编码的 多方量子通信系统。
【背景技术】
[0002] 多方量子通信包括；量子秘密共享、量子密钥协商、=人量子密码等，由于它们设 及多方参与，因此具有与两方通信不一样的特殊性质，因而被国际上众多的学者和技术人 员高度关注。由于量子秘密共享、量子密钥协商、=人量子密码等多方量子通信是W量子力 学的基本原理为基础的，再加上"一次一密"的通信方式保证了通信能够处于物理水平上的 绝对安全，因此它们对于保密性非常重要的国防与外交单位、大型金融企业和大型高科技 企业等而言无疑是非常重要的。
[0003] 从1999年第一个量子秘密共享方案提出至今已经有十几年的时间，第一个方案 一经提出便引起了国际上的广泛关注，随后涌现出了众多改进与变化的方案，但是该些方 案都存在一个重要的问题；高保真G监态的分发距离非常有限，而且G监态的制备也是一个 比较困难的问题。目前，G监态实际分发距离的最远记录不到1公里，该实验W短文的形式 发表在光子学期刊《化化re化otonics》上（化1:脚6Photonics8, 292(2014))，引起了各国 媒体的广泛报道。基于上述原因，具有实际操作意义的多方量子通信只能是一个理论方案， 远距离可实用化的多方量子通信对于学者们来说是非常大的理论与技术挑战。 【实用新型内容】
[0004] 为了解决现有多方量子通信技术不能应用于远距离传输的问题，本实用新型提出 了一种单光子=量子比特编码的多方量子通信系统，方案结构简单，不需要预先制备和分 发复杂和高保真的G监纠缠态，也不需要使用=个独立光子源产生的单光子进行一高难度 的完美干设而进行后选择的=光子GHZ态测量。
[0005] 本实用新型所采用的技术方案是；一种单光子=量子比特编码的多方量子通信， 包括光源、第一自由度编码单元、第一量子信道、第二自由度编码单元、第二量子信道、第= 自由度编码单元和单光子探测单元，所述的第=自由度编码单元为具有输入端、第一输出 端和第二输出端的空间编码单元，所述的单光子探测单元包括第一偏振分束器、第二偏振 分束器、第一单光子探测器、第二单光子探测器、第=单光子探测器、第四单光子探测器，所 述的第一偏振分束器、第二偏振分束器分别具有第一端口、第二端口和第=端口，所述的光 源连接第一自由度编码单元的一端，所述第一量子信道的两端分别连接第一自由度编码单 元的另一端、第二自由度编码单元的一端，所述第二量子信道的两端分别连接第二自由度 编码单元的另一端、第=自由度编码单元的输入端，所述第=自由度编码单元的第一输出 端连接第一偏振分束器的第一端口，第=自由度编码单元的第二输出端连接第二偏振分束 器的第一端口，第一偏振分束器的第二端口连接第一单光子探测器，第一偏振分束器的第 =端口连接第二单光子探测器，第二偏振分束器的第二端口连接第=单光子探测器，第二 偏振分束器的第=端口连接第四单光子探测器。
[0006] 其中，第一偏振分束器、第二偏振分束器将光脉冲根据偏振分束成两路偏振垂直 的光脉冲，水平偏振的光脉冲透射，垂直偏振光脉冲反射；第一单光子探测器、第二单光子 探测器、第=单光子探测器、第四单光子探测器用于探测单光子脉冲。
[0007] 作为优选，所述的第一自由度编码单元为第一偏振编码器，所述的第二自由度编 码单元为时间编码器。第一偏振编码器对一个光脉冲随机编码Z、X、Y基矢的本征量子态， 例如使用相位调制器调制快慢轴的相对相位而制备偏振量子态；时间编码器对一个光脉冲 随机编码时间比特的Z、X、Y基矢的本征量子态，例如使用不等臂干设仪或法拉第迈克尔逊 干设仪及相位调制器、强度调制器等制备时间比特的量子态。
[000引作为另一优选，所述的第一自由度编码单元为时间编码器，所述的第二自由度编 码单元为第一偏振编码器。时间编码器对一个光脉冲随机编码时间比特的Z、X、Y基矢的 本征量子态，例如使用不等臂干设仪或法拉第迈克尔逊干设仪及相位调制器、强度调制器 等制备时间比特的量子态；第一偏振编码器对一个光脉冲随机编码Z、X、Y基矢的本征量子 态，例如使用相位调制器调制快慢轴的相对相位而制备偏振量子态。
[0009] 作为优选，所述的第=自由度编码单元包括第=偏振分束器、第四偏振编码器、时 间比特翻转器、偏振比特翻转器、第=偏振编码器、第二偏振分束器、第一 45度偏振旋转器 和第二45度偏振旋转器，所述的第=偏振分束器具有第一端口、第二端口和第=端口，所 述的第四偏振分束器具有第一端口、第二端口、第=端口和第四端口，第=偏振分束器的第 一端口连接第二量子信道，第=偏振分束器的第二端口与第二偏振编码器的一端连接，第 二偏振编码器的另一端与时间比特翻转器的一端连接，时间比特翻转器的另一端与第四偏 振分束器的第一端口连接，第=偏振分束器的第=端口与偏振比特翻转器的一端连接，偏 振比特翻转器的另一端与第=偏振编码器的一端连接，第=偏振编码器的另一端与第二偏 振分束器的第二端口连接，第四偏振分束器的第=端口与第一 45度偏振旋转器的一端连 接，第一 45度偏振旋转器的另一端连接第一偏振分束器的第一端口，第四偏振分束器的第 四端口与第二45度偏振旋转器的一端连接，第二45度偏振旋转器的另一端连接第二偏振 分束器的第一端口。时间比特翻转器将量子态的时间比特进行翻转，例如使用级联不等臂 干设仪的，外不等臂干设仪的臂长差为L而内不等臂干设仪的臂长差为化，从而使光脉冲 实现时间翻转，或者是使用光开关时间比特翻转等；偏振比特翻转器是将水平偏振光脉冲 变成垂直偏振，将垂直偏振光脉冲变成水平偏振；第立偏振分束器、第四偏振分束器将光脉 冲根据偏振分束成两路偏振垂直的光脉冲，水平偏振的光脉冲透射，垂直偏振光脉冲反射。
[0010] 作为优选，所述的第一量子信道、第二量子信道为光纤、光波导或自由空间。
[0011] 作为优选，所述的第=自由度编码单元包括第一分束器、第二时间比特翻转器、相 位调制器、第二偏振比特翻转器和第二分束器，所述的第一分束器具有第一端口、第二端口 和第=端口，所述的第二分束器具有第一端口、第二端口、第=端口和第四端口，第一分束 器的第一端口连接第二量子信道，第一分束器的第二端口与第二时间比特翻转器的一端连 接，第二时间比特翻转器的另一端与第二分束器的第一端口连接，第一分束器的第=端口 与相位调制器的一端连接，相位调制器的另一端与第二偏振比特翻转器的一端连接，第二 偏振比特翻转器的另一端与第二分束器的第二端口连接，第二分束器的第=端口连接第一 偏振分束器的第一端口，第二分束器的第四端口连接第二偏振分束器的第一端口。第二时 间比特翻转器将量子态的时间比特进行翻转，例如使用级联不等臂干设仪的，外不等臂干 设仪的臂长差为L而内不等臂干设仪的臂长差为化，从而使光脉冲实现时间翻转，或者是 使用光开关时间比特翻转等；第二偏振比特翻转器是将水平偏振光脉冲变成垂直偏振，将 垂直偏振光脉冲变成水平偏振；第一分束器、第二分束器将光脉冲分束成两束相同的光脉 冲。
[0012] 作为优选，所述的第一量子信道、第二量子信道为光纤、光波导或自由空间。
[0013] 作为优选，所述的光源为由内调制和外调制斩波方法得到的光脉冲、经衰减器衰 减后的激光脉冲光源、经衰减器衰减后的量子点单光子源或经衰减器衰减后的预报单光子 源。
[0014] 本实用新型中，；第一单光子探测器、第二单光子探测器、第=单光子探测器、第四 单光子探测器用于探测单光子脉冲。
[0015] 本实用新型的有益效果是；方案结构简单，不需要预先制备和分发复杂和高保真 的G监纠缠态，也不需要使用=个独立光子源产生的单光子进行一高难度的完美干设而进 行后选择的S光子G监态测量，安全成码率与普通的量子密钥分发的BB84协议的成码率在 相同信道衰减下基本