HD-QKD的量子态制备方法、分发方法及装置与流程

本申请涉及量子通信技术领域，具体涉及一种hd-qkd的制备方法、分发方法及装置。

背景技术：

量子密钥分发(qkd)是利用物质（如光子）的量子特性来设计加解密方案，其安全性是基于量子力学的基本原理而不是数学计算的复杂性。qkd利用海森堡不确定性原理和未知量子态不可克隆原理来发现窃听的存在，理论上确保了信息的无条件安全性。在实际应用中，qkd利用这一原理，可使事先没有共享秘密信息的双建立通信密钥，再采用香农已证明的“一次一密”密码通信，即可保证双方的通信安全。

其中qkd最简单的形式是每个光子编码一个比特，用0或者1的方式，即一个量子态携带一个比特的信息。科学家已经表明单个光子能够编码更多的信息，即一个量子态将携带多个比特的信息，从而码率将得以提升，也被称为高维量子密钥分发(hd-qkd)。现有的高维量子密钥分发技术实用化发展的核心问题是高维量子态的制备和测量，常规高维量子密钥分发如下：

在高维量子态编码中，d维的量子态需要制备包含d个状态编码的x基矢和包含d个状态编码的z基矢，d为大于等于4的整数，具体高维量子态编码本申请的背景技术以时间相位的4维编码为例：

alice端：激光器发射出周期脉冲光，每4个连续的相同时间间隔的脉冲构成一组脉冲组，通过强度调制器和相位调制器对脉冲组的调制得到z基矢和x基矢的编码。具体编码请参考图1所示的示意图：相位调制器不调制时，通过强度调制器对脉冲组中的脉冲等几率随机将相应三个时间间隔内的脉冲强度调制为0，剩余的一个脉冲的强度不调制得到z基矢的编码，剩余的一个脉冲的强度进行调制得到z基矢的诱骗态编码；通过相位调制器对脉冲组中的脉冲的相位进行调制，且等几率随机调制出4种相位，强度调制器不调制得到x基矢的编码，强度调制器参与调制得到x基矢的诱骗态编码。alice端完成高维编码，将其通过光纤发送给bob端。bob端通过分束器(bs)分别连接有z基矢解码装置和x基矢解码装置，其中z基矢解码装置通常为一只光电探测器，根据在哪个时间间隔内有响应来判断编码信息，从而确定比特值；x基矢的解码装置，由三个不等臂干涉仪和四个单光子探测器构成，具体结构请参见图2所示的示意图，x基矢的测量步骤及方法可以参考现有利用图2结构解码x基矢的方法，bob根据上述测量装置完成信号的测量和记录工作。

由此可以看出，仅仅只是4维系统就需要4组x基矢的编码和4组z基矢的编码，每增加一个维度其编码数量是上一维度的两倍，因此维度越高编码的形态就越多也越困难，因此对alice端的制备要要求很高。此外bob端的x基矢的解码结构相对复杂的多，每增加一个维度，则不等臂干涉仪的数量和光电探测器的数量则需要是上一维度数量的两倍。因此，现有的hd-qkd系统不仅编解码方法非常复杂繁琐，而且x基矢解码装置的结构也非常复杂，需要较多的不等臂干涉仪以及光电探测器，这就导致不等臂干涉仪的两臂误差要非常精确才能实现x基矢的解码，另外较多的不等臂干涉仪也会导致解码出的x基矢信号强度非常低而致使光电探测器探测困难，最后较多的不等臂干涉仪以及光电探测器等器件数量的增加也会大大提高hd-qkd系统的成本。因此需要一种具有较为简单的编解码方法、简单的装置结构以及低廉成本的hd-qkd系统。

技术实现要素：

本申请提供一种hd-qkd的制备方法、分发方法及装置，以解决现有技术中hd-qkd不仅制备量子态方法非常复杂繁琐，而且探测解码装置的结构也非常复杂的问题。

本申请第一方面提供一种hd-qkd的量子态制备方法，所述制备方法包括：

alice端每次随机选择z基矢或者x基矢可制备的量子态中的一种量子态进行制备，具体步骤如下：

若选择z基矢时，则等几率随机的制备出d种量子态|zm〉，其中m用于表示z基矢量子态的种类，d为高维量子密钥分发系统的维度；

若选择x基矢时，则只制备出一种量子态|x〉。

优选地，所述高维量子密钥分发系统的维度为大于等于4维的任意一种维度。

优选地，所述z基矢用于制备时间态，所述x基矢用于制备相位态。

优选地，所述若选择z基矢时，则等几率随机的制备出d种量子态|zm〉包括：

将光源发出的脉冲通过强度调制器将d-1个时间间隔内的脉冲强度调制为0，剩余的一个时间间隔的强度不调制从而得到z基矢的量子态；

若选择x基矢时，则只制备出一种量子态|x〉，包括：

将光源发出的脉冲通过强度调制器调制出d个等时间间隔的脉冲从而制备出量子态|x〉。

本申请第二方面提供一种hd-qkd的量子态制备装置，alice端包括处理模块以及态制备模块：

所述处理模块，用于每次随机选择z基矢或者x基矢可制备的量子态中的一种量子态进行制备，具体步骤如下：

若选择z基矢时，则控制态制备模块等几率随机的制备出d种量子态|zm〉，其中m用于表示z基矢量子态的种类，d为高维量子密钥分发系统的维度；

若选择x基矢时，则控制态制备模块则只制备出一种量子态|x〉。

本申请第三方面提供一种hd-qkd的分发方法，

alice端按照上述第一方面提供的任意一项所述的量子态制备方法进行量子态制备，并将制备完成的量子态发送至bob端；

bob端对接收的量子态进行测量；

alice端和bob端通过基矢比对、纠错以及隐私放大后，得到绝对安全的量子密钥；

重复上述步骤，完成量子密钥的分发。

本申请第四方面提供一种hd-qkd的分发设备，所述分发设备包括alice端和bob端，alice端和bob端按照上述第三方面提供的所述的分发方法进行量子密钥分发。

优选地，所述alice端包括处理模块、光源模块以及态制备模块，所述处理模块用于控制光源模块发出光脉冲，以及控制所述态制备模块根据选择的z基矢或者x基矢制备量子态，其中x基矢只制备1个量子态；

所述bob端包括光分束模块、z基矢探测模块和x基矢探测模块，所述光分束模块分别连z基矢探测模块和x基矢探测模块，其中z基矢探测模块为一只光电探测器；x基矢探测模块，由x基矢解码单元和一只光电探测器构成。

本申请提供一种hd-qkd的制备方法、分发方法及装置，与现有技术相比有以下优点：

1、本申请的hd-qkd的制备方法中选择x基矢制备量子态时，则只制备1个量子态|x〉，由此可知本申请的x基矢制备的量子态种类只有一种，远小于现有技术中需要制备d个量子的难度。

2、由于本申请的hd-qkd制备的量子态种类只有一种，所需光电探测器的数量也较少，光电探测器的数量只需一个即可，因此不仅大大降低探测难度，还节省了光电探测器降低了设备的成本。

3、由于本申请的hd-qkd的制备的量子态种类只有一种，因此探测模块中的不等臂干涉仪的也数量会大大减少，因而不等臂干涉仪的臂长差的误差很容易控制，大大降低了探测模块的制造难度，且减小了设备的体积。

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alice端的结构示意图；

图2为现有技术中bob端的结构示意图；

图3为本申请的一种高维量子态的脉冲示意图；

图4为本申请的一种hd-qkd的量子态制备装置示意图；

图5为本申请的一种bob端的结构示意图；

图6为本申请的一种hd-qkd的分发设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本申请第一方面提供一种hd-qkd的量子态制备方法，所述制备方法包括：alice端每次随机选择z基矢或者x基矢可制备的量子态中的一种量子态进行制备，具体步骤如下：若选择z基矢时，则等几率随机的制备出d种量子态|zm〉，其中m用于表示z基矢量子态的种类，如量子态|z1〉、量子态|z2〉…等，d为高维量子密钥分发系统的维度。其中本申请以x基矢具有几个本征态作为hd-qkd系统的维度，现有技术中也有用一个光子可以携带的比特数表示hd-qkd系统的维度，即用2^d中的d表示，此时d=2时和本申请所说的4维表示的维度相同。接下来本申请以4维为例具体说明，若选择z基矢时，则可将光源发出的每四个脉冲组成一组脉冲组，通过强度调制器等几率随机将脉冲组中相应三个时间间隔内的脉冲强度调制为0，剩余的一个时间间隔的强度不调制得到z基矢的量子态。例如，脉冲组中第一个时间间隔的强度不调制，将之后的三个时间间隔的光脉冲强度调制为0，则制备出量子态|z1〉，量子态|z2〉、量子态|z3〉以及量子态|z4〉的制备方法与量子态|z1〉类似，不在赘述。除此之外还可将光源发出的每个脉冲通过强度调制器等几率随机将相应三个时间间隔内的脉冲强度调制为0，剩余的一个时间间隔的强度调制且不等于0则制备出z基矢量子态的诱骗态。当然也按照考图3中（a）所示的示意图制备量子态|z1〉、量子态|z2〉、量子态|z3〉以及量子态|z4〉，将光源发出的脉冲通过强度调制器进行斩波得到相应三个时间间隔内的脉冲强度调制为0，剩余的一个时间间隔的强度不调制从而得到z基矢的量子态，或者将剩余的一个时间间隔的强度调制且不等于0则制备出z基矢量子态的诱骗态。除此之外，将剩余的一个时间间隔的强度也调制为0则制备出真空态。

若选择x基矢时，则只制备出一种量子态|x〉。接下来本申请以4维为例具体说明，则可通过相位调制器将连续的四个脉冲间的相位差调为一个恒定值，则制备出量子态|x〉。当然也可按照图3中（b）所示的示意图进行制备量子态|x〉，则可将光源发出的脉冲通过强度调制器调制出四个等时间间隔的脉冲，从而制备出量子态|x〉。由此可知本申请的x基矢制备的量子态种类只有一种，远小于现有技术中需要制备d个量子的难度，除此之外，由于只制备出一种量子态|x〉可通过强度调制器进行制备得到，因此可以不使用相位调制器，简化了alice端的结构，降低了alice端的成本。

所述高维量子密钥分发系统的维度为大于等于4维的任意一种维度。使用本申请hd-qkd的量子态制备方法由于制备高维量子态非常简便，不仅能够制备出较高维度的量子态，也可以是奇数维度的量子态，例如可以制备5维、6维、7维、8维等，无论是多少维度，x基矢只制备一种量子态，z基矢制备的量子态种类与维度相同。现有技术中x基矢需要制备d种量子态，这就导致需要使用到强度调制器和相位调制器，会受到alice端中强度调制器和相位调制器等器件的性能制约。不仅如此，也受到bob端解码、探测以及成本的制约，解码时维度越高所使用的不等臂干涉仪数量以及光电探测器数量也越多，不仅需要不等臂干涉仪之间的臂长差的误差就需要约精确，而且还会导致bob端结构非常复杂体积巨大，制造成本非常高。因此，本申请x基矢只制备一种量子态，不需要使用相位调制器或者强度调制器，因此能够调制的维度只受到其中一个器件性能的制约，另外，由于x基矢只制备一种量子态，bob端的解码模块结构简单且只使用一只光电探测器即可完成对量子态|x〉的探测，因此，alice端能够制备的维度受到bob端解码、探测以及成本的制约的程度较小。

本申请制备的量子态首选时间相位态编码，其中z基矢用于制备时间态，所述x基矢用于制备相位态。当然本申请也可选择其他编码方式，例如偏振态编码、轨道角动量编码等制备方式，无论哪种制备方式目前均不如时间相位制备简单、密钥分发效果好。本申请提供一种时间相位制备方法，具体步骤如下：

所述若选择z基矢制备量子态时，则等几率随机的制备出d种量子态|zm〉包括：将光源发出的脉冲通过强度调制器将d-1个时间间隔内的脉冲强度调制为0，剩余的一个时间间隔的强度不调制从而得到z基矢的量子态；若选择x基矢制备量子态时，则只制备出一种量子态|x〉，包括：将光源发出的脉冲通过强度调制器调制出d个等时间间隔的脉冲从而制备出量子态|x〉。

本申请第二方面提供一种hd-qkd的量子态制备装置，具体结构可参考图4所示的示意图，alice端包括处理模块以及态制备模块：

所述处理模块，用于每次随机选择z基矢或者x基矢可制备的量子态中的一种量子态进行制备，处理模块根据系统要求随机选择用z基矢和者x基矢制备量子态，z基矢制备的量子态用于系统成码，x基矢制备的量子态用于错误率估计，因此选择z基矢的概率大于选择x基矢的概率。具体步骤如下：若选择z基矢时，则控制态制备模块等几率随机的制备出d种量子态|zm〉，其中m用于表示z基矢量子态的种类，d为高维量子密钥分发系统的维度；若选择x基矢时，则控制态制备模块则只制备出一种量子态|x〉。

本申请第三方面提供一种hd-qkd的分发方法，

alice端按照上述任意一项所述的量子态制备方法进行量子态制备，并将制备完成的量子态发送至bob端，即alice端单位时间内按照制备量子态的方法制备出一种量子态发送给bob端。本申请以4维为例，若选择x基矢制备量子态，则alice端单位时间内等几率随机的制备量子态|z1〉、量子态|z2〉、量子态|z3〉以及量子态|z4〉中的一种发送给bob端，若选择x基矢制备量子态，则alice端单位时间内制备量子态|x〉发送给bob端。

bob端对接收的量子态进行测量；alice端和bob端通过基矢比对、纠错以及隐私放大后，得到绝对安全的量子密钥；重复上述步骤，完成量子密钥的分发。其中本申请由于x基矢只制备出一种量子态|x〉，而现有技术中由于x基矢需要制备出d种量子态。

本申请第四方面提供一种hd-qkd的分发设备，所述分发设备包括alice端和bob端，alice端和bob端按照上述所述的分发方法进行量子密钥分发。所述alice端包括处理模块、光源模块以及态制备模块，所述处理模块用于控制光源模块发出光脉冲，以及控制所述态制备模块根据选择的z基矢或者x基矢制备量子态，其中x基矢只制备1个量子态；所述bob端包括光分束模块、z基矢探测模块和x基矢探测模块，其结构可以参考图5所示的示意图，其中所述光分束模块分别连z基矢探测模块和x基矢探测模块，其中z基矢探测模块为一只光电探测器；x基矢探测模块，由x基矢解码单元和一只光电探测器构成。其中x基矢解码单元包括第一不等臂干涉仪和第二不等臂干涉仪，且第一不等臂干涉的输出端与第二不等臂干涉仪的输入端共用一个分束器，第一不等臂干涉仪的短臂透射的光信号进入到第二不等臂干涉仪的短臂，第一不等臂干涉仪的长臂透射的光信号进入到第二不等臂干涉仪的长臂，第一不等臂干涉仪的短臂反射的光信号进入到第二不等臂干涉仪的长臂，第一不等臂干涉仪的长臂反射的光信号进入到第二不等臂干涉仪的短臂。

alice端和bob端组成hd-qkd的分发设备，具体结构如图6所示的结构示意图，alice端中第一激光器通过环形器与第二激光器连接，第二激光器发出的光脉冲经过强度调制器后制备出符合要求的量子态，光衰减器（att）将经过的光脉冲衰减至单光子强度后发送给bob端，alice端的处理模块用于控制第一激光器、第二激光器以及强度调制器的工作状态，通常处理模块为fpga，也可以是cpu、gpu等具有运算控制功能的芯片。bob端中分束模块通常为光分数器（bs），bs的透射端与x基失探测模块连接，bs的反射端与z失探测模块连接，其中x基失探测模块包括x基失解码单元。

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。