一种高速量子密钥编码装置及编码方法与流程

本申请涉及量子通信技术领域，具体涉及一种高速量子密钥编码装置及编码方法。

背景技术：

量子密钥分发是量子通信领域的研究热点之一，随着量子通信产业化的推进，实现高速的量子密钥分发对提高量子通信性能增加用户体验等具有重大意义。

高速量子密钥分发需要有对应的高速量子密钥编码装置，在现有的编码装置中系统输出的光脉冲频率基本为百兆赫兹（mhz）级别，超过吉赫兹（ghz）的高速编码装置实现难度大解决方案较少，主要限制在于编码装置中某些光学器件与其驱动信号频率的匹配。高频率、高幅值的脉冲驱动信号实现难度大，生成的驱动信号质量不高，例如：信号一致性、平坦度差，导致其驱动某些光学器件工作时，调制结果出现较大偏差，最终导致成码率较低。

时间-相位编码是重要的量子密钥分发编码方案之一，该方案结合了时间基矢和相位基矢，相比于其他编码方案有诸多优点，例如时间基矢不受环境影响，稳定性好，所以在一定程度上提高了成码率，另外，相位基矢可以适当摆脱系统对偏振的影响以适应复杂的外界环境。

图1所示为现有技术中简化的基于时间-相位编码装置，该装置若要实现系统频率为吉赫兹（ghz）的高速编码，则要求光源、相位调制器以及强度调制器的驱动信号频率均要达到吉赫兹（ghz）级别，但是由于技术条件的限制，目前市场上用以量子密钥分发的光源、强度调制器以及相位调制器在施加频率超过吉赫兹（ghz）的驱动信号时工作精度不高、误差较大，无法满足诱骗态制备以及相位编码时高精度的要求，最终导致系统成码率较低而不能得到实施，导致现有时间-相位编码方案尚无法实现真正意义上的高速，基于相关光学器件现有技术的限制，需要一种驱动信号频率相对较低而系统输出频率较高的编码方案。

技术实现要素：

本申请提供一种高速量子密钥编码装置及编码方法，以解决现有时间-相位编码方案中难以实现超过吉赫兹（ghz）高速编码的问题。

一种高速量子密钥编码装置，所述编码装置包括：第一信号光源、第二信号光源、不等臂干涉仪、第一相位调制器、强度调制器、第四分束器；所述第一信号光源与所述不等臂干涉仪依次串联，所述第二信号光源与所述强度调制器依次串联，所述第四分束器包括两个输入端和一个输出端，所述不等臂干涉仪与所述第四分束器的一个输入端连接，所述强度调制器与所述第四分束器的另一个输入端连接；所述不等臂干涉仪包括长臂与短臂，所述第一相位调制器设置于所述长臂或短臂；所述第一信号光源、第二信号光源、第一相位调制器、强度调制器的驱动信号频率大小相同。

优选地，所述编码装置还包括主光源、第一分束器、第一环形器、第二环形器，所述第一分束器包括一个输入端和两个输出端，所述主光源的输出端与所述第一分束器的输入端连接，所述第一分束器的一个输出端与所述第一环形器的第一端口连接，所述第一分束器的另一个输出端与所述第二环形器的第一端口连接，所述第一信号光源的输出端与所述第一环形器的第二端口连接，所述第一环形器的第三端口与所述不等臂干涉仪连接，所述第二信号光源的输出端与所述第二环形器的第二端口连接，所述第二环形器的第三端口与所述强度调制器连接。

优选地，所述编码装置还包括第二相位调制器，所述第一相位调制器设置于所述长臂所述第二相位调制器设置于所述短臂或者所述第一相位调制器设置于所述短臂所述第二相位调制器设置于所述长臂。

优选地，所述编码装置还包括实时维稳系统，所述强度调制器连接于所述实时维稳系统。

优选地，所述编码装置还包括滤波器，所述滤波器连接于所述第四分束器的输出端。

优选地，所述编码装置还包括可变光衰减器，所述可变光衰减器设置于所述编码装置的末端。

优选地，所述第一信号光源与所述第二信号光源的驱动信号频率为10mhz~1ghz。

优选地，所述第二相位调制器的驱动信号频率与所述第一信号光源的驱动信号频率大小相同。

优选地，所述第一信号光源与所述第二信号光源为具有内调制功能的光源。

一种高速量子密钥编码方法，应用于高速量子密钥编码装置，所述编码装置包括第一信号光源、第二信号光源、不等臂干涉仪、第一相位调制器、强度调制器、第四分束器；所述第一信号光源与所述不等臂干涉仪依次串联，所述第二信号光源与所述强度调制器依次串联，所述第四分束器包括两个输入端和一个输出端，所述不等臂干涉仪与所述第四分束器的一个输入端连接，所述强度调制器与所述第四分束器的另一个输入端连接；所述不等臂干涉仪包括长臂与短臂，所述第一相位调制器设置于所述长臂或短臂；所述方法包括以下步骤：驱动信号频率为f的第一信号光源随机产生用于相位编码的第一光脉冲；驱动信号频率为f的第二信号光源随机产生时间编码或真空态编码的第二光脉冲；不等臂干涉仪与驱动信号频率为f的第一相位调制器进行相位编码，不等臂干涉仪将第一信号光源产生的一束光脉冲变成时间上分开的两束第一子光脉冲，驱动信号频率为f的第一相位调制器调节两束第一子光脉冲的相位差，使得合路后的两束第一子光脉冲的相位差为0或π，并得到合路后频率为2f的光脉冲；驱动信号频率为f的强度调制器进行诱骗态制备，驱动信号频率为f的强度调制器将用于制备诱骗态的第二光脉冲的强度衰减；第四分束器将第一信号光源与第二信号光源产生的两路光脉冲合为一路，得到输出频率为2f的光脉冲。

由以上本申请提供的技术方案可见，提供了一种全新的高速量子密钥编码装置及编码方法，该装置采用频率较低的驱动信号即可使得系统输出频率较高的光脉冲；通过该编码装置，对实现精度要求较高的光脉冲制备、相位编码、诱骗态调制过程可以采用频率较低的驱动信号，以提高高速编码的成码率，由于低频驱动与现有相关光学器件配合较好，因此该装置的设置能使相关光学器件达到很高的准确度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中简化的时间-相位编码装置；

图2为本申请高速量子密钥编码装置示意图；

图3为本申请包括注入锁定的高速量子密钥编码装置示意图；

图4为本申请包括两个相位调制器的高速量子密钥编码装置示意图；

图5为本申请包括实时维稳系统的高速量子密钥编码装置示意图；

图6为本申请包括滤波器的高速量子密钥编码装置示意图；

图7为本申请包括可变光衰减器的高速量子密钥编码装置示意图；

图8为本申请实时维稳系统示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案作详细说明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围内。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本发明提供一种高速量子密钥编码装置及编码方法，能够解决现有时间-相位编码方案中难以实现超过吉赫兹（ghz）高速编码的问题。

本申请中光学连接是指两个或多个光学器件之间通过光纤或者保偏光纤相连接，当然通过其他光学方式将光学器件连接起来也称为光学连接。

参照图2所示，本申请实施方式中提供的一种高速量子密钥编码装置，包括：第一信号光源、第二信号光源、不等臂干涉仪、第一相位调制器pm1、强度调制器im、第四分束器pmbs4；第一信号光源与不等臂干涉仪依次串联，第二信号光源与强度调制器im依次串联，第四分束器pmbs4包括两个输入端和一个输出端，不等臂干涉仪与第四分束器pmbs4的一个输入端连接，强度调制器im与第四分束器pmbs4的另一个输入端连接；不等臂干涉仪包括长臂与短臂，第一相位调制器im设置于不等臂干涉仪的长臂或短臂；第一信号光源、第二信号光源、第一相位调制器pm1、强度调制器im的驱动信号频率大小相同。具体地，参照图2所示，不等臂干涉仪包括第二分束器pmbs2、第三分束器pmbs3、长臂与短臂，第一信号光源的输出端与第二分束器pmbs2的输入端连接，第三分束器pmbs3的输出端与第四分束器pmbs4的一个输入端连接，第二信号光源的输出端与强度调制器im的输入端连接，强度调制器im的输出端与第四分束器pmbs4的另一个输入端连接，第四分束器pmbs4的输出端用以输出编码后的光脉冲。

在一种可行的实施例中，不等臂干涉仪中第二分束器pmbs2与第三分束器pmbs3的分光比为50:50（实际上可在50:50附近微调），不等臂干涉仪中长臂的光程大于短臂的光程，第二分束器pmbs2用于将第一信号光源发出的一束光脉冲分为两束第一子光脉冲并通过不同光路输出，第三分束器pmbs3用于将分别经过长臂和短臂的两束第一子光脉冲合路后输出。

优选地，第二信号光源采用具有内调制功能的光源例如电吸收调制激光器，内调制光源发出的光脉冲强度已经进行了部分强度调制，可以直接调制出时间编码或真空态编码的第二光脉冲。第一信号光源也可以采用具有内调制功能的光源例如电吸收调制激光器，但是本领域技术人员能够认识到，任何能够满足编码需求的光源均可以被使用。

在一个编码周期内，第一信号光源与第二信号光源中仅有一个光源输出光脉冲。

参照图3所示，本申请的高速量子密钥编码装置还可以包括主光源、第一分束器pmbs1、第一环形器、第二环形器，形成注入锁定模块；第一分束器pmbs1包括一个输入端和两个输出端，主光源的输出端与第一分束器pmbs1的输入端连接，第一分束器pmbs1的一个输出端与第一环形器的第一端口1连接，第一分束器pmbs1的另一个输出端与第二环形器的第一端口1连接，第一信号光源的输出端与第一环形器的第二端口2连接，第一环形器的第三端口3与不等臂干涉仪连接，第二信号光源的输出端与第二环形器的第二端口2连接，第二环形器的第三端口3与强度调制器im连接。主光源发出的光脉冲注入锁定第一信号光源与第二信号光源，得到第一光脉冲与第二光脉冲，以使第一光脉冲与第二光脉冲之间的一致性较好，例如光强、线宽。

在一种可行的实施例中，参照图4所示，高速编码装置中还可以包括第二相位调制器pm2，第一相位调制器pm1设置于不等臂干涉仪的长臂则第二相位调制器pm2设置于不等臂干涉仪的短臂，或者，第一相位调制器pm1设置于不等臂干涉仪的短臂则第二相位调制器pm2设置于不等臂干涉仪的长臂。第二相位调制器pm2同样适用于相位编码，与第一相位调制器pm1配合分别调制两束第一子光脉冲的相位。

参照图5所示，本申请的高速量子密钥编码装置还可以包括实时维稳系统，所述实时维稳系统连接于强度调制器im。参照图8所示，具体地，实时维稳系统包括光强监控器、波分器件、参考光源以及第五分束器pmbs5，参考光源发出的是参考光，参考光只用于维稳，因此本申请的实时维稳系统可以在不影响通讯效率的情况下进行维稳工作，如图8所示，信号光源发出的信号光脉冲与参考光经过第五分束器pmbs5输出合束光，将所述合束光发送至强度调制器im，强度调制器im用于将所述合束光进行调制并输出调制光，将所述调制光发送至波分器件，波分器件用于将所述调制光进行分束，分别得到调制信号光脉冲即信号光源发出并经调制后的光脉冲与调制参考光，调制信号光脉冲输送给不等臂干涉仪，调制参考光输送给光强监控器，光强监控器用于根据测量的调制参考光的平均光功率值实时反馈调节强度调制器im的工作点电压，使输出的调制信号光脉冲的光强符合系统要求。波分器件可以是密集波分复用器或其他常见的波分器件，只要能将调制光进行分束即可。

高速量子密钥编码装置还可以包括滤波器，参照图6所示，滤波器连接于第四分束器pmbs4的输出端，用于对编码后的光脉冲滤波。

参照图7所示，高速量子密钥编码装置还可以包括可变光衰减器att，可变光衰减器att设置于所述编码装置的末端，可变光衰减器att可以用于将整体信号强度减至每个脉冲的最优光子数以完成量子态制备。

在图2所示实施例的基础上，高速量子密钥编码装置可以具有多种实施方式，图2所示实施例的编码装置还可以包括注入锁定模块、实时维稳系统、滤波器、第二相位调制器pm2、可变光衰减器att中的一种或多种的任意组合。例如，一种可行的实施方式，在图2所示实施例的基础上，高速量子密钥编码装置还可以同时包括注入锁定模块、实时维稳系统、滤波器、第二相位调制器pm2、可变光衰减器att，其中，主光源的输出端与第一分束器pmbs1的输入端连接，第一分束器pmbs1的一个输出端与第一环形器的第一端口1连接，第一分束器pmbs1的另一个输出端与第二环形器的第一端口1连接，第一信号光源的输出端与第一环形器的第二端口2连接，第一环形器的第三端口3与不等臂干涉仪的输入端连接，第二信号光源的输出端与第二环形器的第二端口2连接，第二环形器的第三端口3与强度调制器im的输入端连接，实时维稳系统连接于强度调制器im，不等臂干涉仪的输出端与第四分束器pmbs4的一个输入端连接，强度调制器im的输出端与第四分束器pmbs4的另一个输入端连接，第四分束器pmbs4的输出端与滤波器的输入端连接，滤波器的输出端与可变光衰减器att的输入端连接，由可变光衰减器att输出最终编码后的光脉冲。以上是一种包含光学器件较多的一种实施例，在连接关系保持不变的情况下，注入锁定模块、实时维稳系统、滤波器、第二相位调制器pm2、可变光衰减器att中可以减去一种或多种以形成其他实施例。

在上述各个实施例中，第一信号光源、第二信号光源、第一相位调制器、强度调制器的驱动信号频率大小相同，第一信号光源与第二信号光源的驱动信号频率范围为10mhz~1ghz。在包含第二相位调制器pm2的实施例中，第二相位调制器的驱动信号频率与第一信号光源的驱动信号频率大小相同。具体地，第一信号光源发出的一束光脉冲经过不等臂干涉仪后变为合路后的两束第一子光脉冲，光脉冲的频率变为了之前的两倍，因此，编码装置最终输出的光脉冲频率是第一信号光源输出的光脉冲频率的两倍，相应地，编码装置最终输出的光脉冲频率是第一信号光源、第二信号光源、第一相位调制器、强度调制器的驱动信号频率大小的两倍；为了使得编码装置最终输出的光脉冲频率超过吉赫兹以实现高速量子密钥编码，优选地，第一信号光源、第二信号光源、第一相位调制器、强度调制器的驱动信号频率大小为625mhz~1ghz。

一种高速量子密钥编码方法，应用于高速量子密钥编码装置，具体地，所述编码装置包括第一信号光源、第二信号光源、不等臂干涉仪、第一相位调制器、强度调制器、第四分束器，第一信号光源与不等臂干涉仪依次串联，第二信号光源与强度调制器依次串联，第四分束器包括两个输入端和一个输出端，不等臂干涉仪与第四分束器的一个输入端连接，强度调制器与第四分束器的另一个输入端连接；不等臂干涉仪包括长臂与短臂，第一相位调制器设置于所述长臂或短臂；高速量子密钥编码方法方法包括以下步骤：

在第一步骤中，驱动信号频率为f的第一信号光源随机产生用于相位编码的第一光脉冲。

在第二步骤中，驱动信号频率为f的第二信号光源随机产生时间编码或真空态编码的第二光脉冲，第二信号光源为具有内调制功能的光源，第二光脉冲一旦发出已经是时间编码或真空态编码后的光脉冲。

在第三步骤中，不等臂干涉仪与驱动信号频率为f的第一相位调制器进行相位编码，不等臂干涉仪将第一信号光源产生的一束光脉冲变成时间上分开的两束第一子光脉冲，驱动信号频率为f的第一相位调制器调节两束第一子光脉冲的相位差，使得合路后的两束第一子光脉冲的相位差为0或π，并得到合路后频率为2f的光脉冲。例如，可以调节第一相位调制器pm1使得通过第一相位调制器pm1的一束第一子光脉冲的相位改变π，或者，可以调节第一相位调制器pm1使得通过第一相位调制器pm1的一束第一子光脉冲的相位改变0。

在第四步骤中，驱动信号频率为f的强度调制器进行诱骗态制备，驱动信号频率为f的强度调制器将用于制备诱骗态的第二光脉冲的强度衰减。具体地，通过强度调制器将诱骗态时间编码的光脉冲进行强度压制，而信号态时间编码的光脉冲强度保持不变，优选地，将用于诱骗态时间编码的光脉冲的强度衰减到原来的一半。

在第五步骤中，第四分束器将第一信号光源与第二信号光源产生的两路光脉冲合为一路，得到输出频率为2f的光脉冲。

在上述高速量子密钥编码方法中，在一个编码周期内，第一信号光源与第二信号光源中仅有一个光源输出光脉冲。

在上述高速量子密钥编码方法中，还可以包括注入锁定步骤，使用驱动信号频率为f的主光源通过第一环形器与第二环形器注入锁定，得到第一光脉冲与第二光脉冲。

在上述高速量子密钥编码方法中，还可以使用两个相位调制器调制两束第一子光脉冲的相位差，使得合路后的两束第一子光脉冲的相位差为0或π。例如，可以调节第一相位调制器pm1使得通过第一相位调制器pm1的一束第一子光脉冲的相位改变π/2，同时调节第二相位调制器pm2使得通过第二相位调制器pm2的另一束第一子光脉冲的相位改变-π/2，本领域技术人员可以采用多种相位调制方式，使得合路后的两束第一子光脉冲的相位差为0或π，本申请在此仅为举例说明并不作具体的限定。

在上述高速量子密钥编码方法中，还可以包括量子态制备步骤，使用可变光衰减器att将整体光脉冲信号强度减少至每个光脉冲的最优平均光子数，得到量子态信号。

在上述高速量子密钥编码方法中，还可以包括滤波的步骤，将最终合路后的光脉冲进行滤波，去除杂波影响。

本领域技术人员能够认识到，本申请提供的高速量子密钥编码装置适用于多种编码协议，包括但不限于基于诱骗态bb84协议、rfiqkd协议、三态协议、简化的bb84协议、mdiqkd协议等编码方案。

需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的和区别类似的对象，两者之间并不存在先后顺序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本申请进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本申请的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本申请精神和范围的情况下，可以对本申请技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本申请的范围内。本申请的保护范围以所附权利要求为准。