一种高效的相位编码量子密钥分发系统的制作方法

本实用新型涉及量子相位编码技术领域，特别涉及一种高效的相位编码量子密钥分发系统。

背景技术：

量子密钥分发可以为远距离的通信双方提供无条件安全的密钥分发，其信息理论安全性由量子力学的基本原理来保障。然而目前qkd系统的密钥产生速率较低，无法满足现有传统光纤通信的加密需求。常规的相位编码方案为不等臂马赫-增德尔干涉仪方案(美国专利u5307410)。在该方案中，发射端光脉冲经过不等臂干涉仪之后分成前后两个子脉冲，到达接收端后又经过一个相同的干涉仪进一步变成四个脉冲，不考虑器件损耗的情况下，每个脉冲的光功率为总光功率的1/4。其中两个脉冲经过的光程相同(走“长臂+短臂”和“短臂+长臂”的路径)，会在接收端干涉仪第二个分束器进行干涉，另外两个脉冲分别走“长臂+长臂”和“短臂+短臂”的路径不参与干涉而被舍弃。因此干涉峰的光功率为总光功率的1/2，即该方案的光能量利用率为1/2，而最终的安全密钥率与光能量利用率成正比，所以现有方案的安全密钥率可以进一步提高。

技术实现要素：

针对现有技术存在以上缺陷，本实用新型提供一种高效的相位编码量子密钥分发系统如下：

本实用新型的技术方案是这样实现的：

一种高效的相位编码量子密钥分发系统，包括发送端与接收端，所述发送端包括依次连接的脉冲激光器、光强调制器、发射端干涉仪、第一相位调制器以及衰减器，所述发射端干涉仪包括第一偏振分束器，所述第一偏振分束器第一输入口与其第一输出口连接，第二输入口连接光强调制器的输出口，第二输出口连接第一相位调制器的输入口，

所述接收端包括依次连接的纠偏模块、第二相位调制器、接收端干涉仪以及第一单光子探测器、第二单光子探测器，所述接收端干涉仪包括光纤分束器、第二偏振分束器及偏振旋转装置，所述光纤分束器第一输入口通过偏振旋转装置连接第二偏振分束器的一输入口，所述第二偏振分束器第二输出口连接光纤分束器第一输出口，所述第二偏振分束器第一输出口连接第一单光子探测器，所述光纤分束器第二输出口连接第二单光子探测器，

所述发送端的衰减器与接收端的纠偏模块通过光纤连接。

优选地，所述光纤为单模光纤。

与现有技术相比，本实用新型有以下有益效果：

本实用新型的高效的相位编码量子密钥分发系统通过对特殊的干涉仪结构改进，可以将光能量利用率提升至2/3，即可将系统成码率提高至原始方案的4/3倍；发射端干涉仪结构简单，仅由一个偏振分束器构成，降低了设计成本，且易于制作；相位调制器处于干涉仪外部，可以降低系统对调制电压的要求。

附图说明

图1为本实用新型一种高效的相位编码量子密钥分发系统的原理框图。

图中：发送端100，脉冲激光器110，光强调制器120，发射端干涉仪130，第一偏振分束器131，第一相位调制器140，衰减器150，接收端200，纠偏模块210，第二相位调制器220，接收端干涉仪230，光纤分束器231，第二偏振分束器232，偏振旋转装置233，第一单光子探测器240，第二单光子探测器250。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型进行清楚、完整地描述。

如图1所示，一种高效的相位编码量子密钥分发系统，包括发送端100与接收端200，所述发送端100包括依次连接的脉冲激光器110、光强调制器120、发射端干涉仪130、第一相位调制器140以及衰减器150，所述发射端干涉仪130包括第一偏振分束器131，所述第一偏振分束器131第一输入口与其第一输出口连接，第二输入口连接光强调制器120的输出口，第二输出口连接第一相位调制器140的输入口，

所述接收端200包括依次连接的纠偏模块210、第二相位调制器220、接收端干涉仪230以及第一单光子探测器240、第二单光子探测器250，所述接收端干涉仪230包括光纤分束器231、第二偏振分束器232及偏振旋转装置233(由光纤90°熔接得到)，所述光纤分束器231第一输入口通过偏振旋转装置233连接第二偏振分束器232的一输入口，所述第二偏振分束器232第二输出口连接光纤分束器231第一输出口，所述第二偏振分束器232第一输出口连接第一单光子探测器240，所述光纤分束器231第二输出口连接第二单光子探测器250，所述发送端100的衰减器150与接收端200的纠偏模块210通过光纤连接。

本实施例的相位编码单元工作原理如下：一种高效的相位编码量子密钥分发系统，包括发送端和接收端。在发送端，脉冲激光器产生脉冲光，经过光强调制器产生信号态和诱骗态，用于防御光子数分离攻击，然后光脉冲经过发射端干涉仪产生时间间隔为t、偏振方向相互垂直的两个光脉冲p1和p2，其中p1(偏振态为水平偏振h，光功率为总功率的1/3)先于p2(偏振态为竖直偏振v，光功率为总功率的2/3)。这两个脉冲依次经过第一相位调制器，通过电路控制使得第一相位调制器仅对光脉冲p2进行相位调制，使p1和p2直接的相位差随机调制成0，π/2，π，3π/2。随后经过衰减器衰减到单光子量级进入光纤信道中。光脉冲经过信道到达接收端，首先经过纠偏模块补偿由于信道双折射改变的光脉冲偏振态，偏振补偿模块之后的光纤均为保偏光纤。然后经过接收端第二相位调制器，通过电路控制使得第二相位调制器仅对光脉冲p1进行相位调制，随机加载相位0，π/2，π，3π/2。然后光脉冲p1经过接收端干涉仪的光纤分束器会分成两个脉冲p11和p12，光功率均为总功率的1/3。其中p11直接从光纤分束器的一个输出端口进入第一单光子探测器。而p12则沿分束器的另一个输出端口进入接收端干涉仪，经过第二保偏分束器时由于其偏振态为h会透过，经过90°偏振旋转之后变成v偏振再次进入光纤分束器，由于p12从光纤分束器输出端口重新回到输入端口的时间间隔为t，此时会和光脉冲p2相遇，二者偏振相同，从而产生干涉，而此时干涉峰的光功率为2/3。干涉输出脉冲的偏振态为v，其中一个直接进入第一单光子探测器，另外一个干涉输出经过第二保偏分束器时会被反射，进入第二单光子探测器。探测结果通过后处理过程即可在收发双方之间产生安全密钥。

一种高效的相位编码量子密钥分发系统，包括以下步骤：

1.激光器触发：脉冲激光器通过触发信号以一定重复频率产生一系列的脉冲光。

2.诱骗态调制：光脉冲通过光强调制器被其进行随机强度调制，成为信号态、诱骗态或者真空态。

3.发送端编码：经过光强调制器调制过的光脉冲进入发送端干涉仪产生两个光脉冲，由第一相位调制器进行随机相位调制，使得两个脉冲之间的相位差分别为0，π/2，π，3π/2。

4.衰减器(att)：衰减器将光脉冲衰减至单光子量级。

5.接收端解码：光信号通过光纤信道传输之后进入接收端，先通过纠偏模块补偿偏振变化，然后依次进入第二相位调制器和接收端干涉仪进行干涉完成解码过程。

6.测量：用单光子探测器测量系统结果，用于后续处理产生安全密钥。

综合本实用新型的结构与原理可知，本实用新型的高效的相位编码量子密钥分发系统通过对特殊的干涉仪结构改进，可以将光能量利用率提升至2/3，即可将系统成码率提高至原始方案的4/3倍；发射端干涉仪结构简单，仅由一个偏振分束器构成，降低了设计成本，且易于制作；相位调制器处于干涉仪外部，可以降低系统对调制电压的要求。