一种基于薄膜铌酸锂集成的双场量子密钥分发系统

本发明涉及量子信息，尤其涉及一种基于薄膜铌酸锂集成的双场量子密钥分发系统。

背景技术：

1、网络通信为日常生活提供了很多便利，但同时也伴随着信息安全问题。随着科技迅速发展，尤其是量子计算机的发展，其强大的计算能力使得经典数据加密算法不再可靠。而量子密钥分发(quantum key distribution，qkd)安全性由量子力学原理保证，是未来安全通信最有前途的解决方案之一。

2、如何突破无中继量子密钥分发的远距离成码率上限(plob界)，在远距离光纤链路上实现qkd，是当前大规模光纤量子通信系统所面临的一大难题。2018年，lucamaruini提出了一种新的qkd协议——双场量子密钥分发协议(twin-field quantum keydistribution，tf-qkd)，可以实现超远距离的安全密钥传输。结合所提出的“发送-不发送”改进型tf-qkd协议有效提高了系统对相位噪声的容忍，使得该协议的现实可行性提高。基于该变体协议研究人员已经实现了千公里级的tf-qkd实验演示。然而目前的tf-qkd实验系统主要是基于传统光纤光学组件搭建，其较大的体积和较高的成本是阻碍该协议大规模部署的一个关键障碍。因此，如何发展一套低成本和高度集成的晶圆级tf-qkd系统成为当前的一个研究热点。

3、通过对各种集成平台以及集成器件性能进行对比，发现薄膜铌酸锂具有宽透明窗口、较大的电光系数、较强的电光效应和非线性效应以及波导折射率高等优越特性，可以使基于薄膜铌酸锂的集成单元器件具备调制带宽高、消光比高、插入损耗低、半波电压低、相位相关损耗低等优势。这是实现高速高保真度量子态制备的关键指标。因此，为了推动tf-qkd的集成化和大规模部署，我们提出了一种基于薄膜铌酸锂平台集成的tf-qkd系统。这不仅能够使tf-qkd传输的距离和密钥率得到极大的提升，而且可以使协议具备更高的现实安全性。

技术实现思路

1、本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本技术的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

2、鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。因此，本发明提供了一种基于薄膜铌酸锂集成的双场量子密钥分发系统，用来解决实际问题中，传统光纤光学组件搭建tf-qkd实验系统，会产生体积过大和成本消耗高的问题。

3、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于薄膜铌酸锂集成的双场量子密钥分发系统，包括：

4、所述通信用户alice和bob的系统结构均包括依次连接的第一强度调制模块、第二强度调制模块、第三强度调制模块、相位调制模块和衰减监控模块；

5、所述第三方charlie包括pc1模块、pc2模块、第二十一热调谐型相移器、第二十二热调谐型相移器、第一单光子探测器、第二单光子探测器、第二十一分束器、第三单光子探测器和第四单光子探测器；

6、所述通信用户alice的第一强度调制模块与所述第二强度调制模块连接，所述第二强度调制模块与所述第三强度调制模块连接，所述第三强度调制模块与所述相位调制模块连接，所述相位调制模块与所述衰减监控模块连接，所述衰减监控模块与第三光纤耦合器连接，所述第三光纤耦合器通过第一商用光纤与所述第三方charlie的pc1模块连接，所述pc1模块分别与所述第一单光子探测器和所述第二十一热调谐型相移器连接，所述第二十一热调谐型相移器与所述第二十一分束器连接；所述通信用户bob的第一强度调制模块与所述第二强度调制模块连接，所述第二强度调制模块与所述第三强度调制模块连接，所述第三强度调制模块与所述相位调制模块连接，所述相位调制模块与所述衰减监控模块连接，所述衰减监控模块与第六光纤耦合器连接，所述第六光纤耦合器通过第二商用光纤与所述第三方charlie的pc2模块连接，所述pc2模块分别与所述第二单光子探测器和所述第二十二热调谐型相移器连接，所述第二十二热调谐型相移器与所述第二十一分束器连接，所述第二十一分束器分别和第三单光子探测器和第四单光子探测器连接；

7、所述通信用户双方alice和bob以及第三方charlie均在薄膜铌酸锂材料平台上集成。

8、作为本发明所述的基于薄膜铌酸锂集成的双场量子密钥分发系统的一种优选方案，其中：所述通信用户alice的第一强度调制模块，包括：第一分束器和第二分束器；

9、在所述第一分束器和所述第二分束器之间设有两条光臂，在第一条光臂上串联有第一热调谐型相移器和第一载流子色散型相移器，在第二条光臂上串联有第二热调谐型相移器和第二载流子色散型相移器；所述第一热调谐型相移器和所述第二热调谐型相移器都与所述第一分束器连接，所述第一载流子色散型相移器和所述第二载流子色散型相移器都与所述第二分束器连接；所述第一分束器与第一光纤耦合器连接。

10、作为本发明所述的基于薄膜铌酸锂集成的双场量子密钥分发系统的一种优选方案，其中：所述通信用户alice的第二强度调制模块，包括：第三分束器和第四分束器；

11、在所述第三分束器和所述第四分束器之间设有两条光臂，在第一条光臂上串联有第三热调谐型相移器和第三载流子色散型相移器，在第二条光臂上串联有第四热调谐型相移器和第四载流子色散型相移器；所述第三热调谐型相移器和所述第四热调谐型相移器都与所述第三分束器连接，所述第三载流子色散型相移器和所述第四载流子色散型相移器都与所述第四分束器连接；所述第二分束器与第三分束器连接。

12、作为本发明所述的基于薄膜铌酸锂集成的双场量子密钥分发系统的一种优选方案，其中：所述通信用户alice的第三强度调制模块，包括：第五分束器和第六分束器；

13、在所述第五分束器和所述第六分束器之间设有两条光臂，在第一条光臂上串联有第五热调谐型相移器和第五载流子色散型相移器，在第二条光臂上串联有第六热调谐型相移器和第六载流子色散型相移器；所述第五热调谐型相移器和所述第六热调谐型相移器都与所述第五分束器连接，所述第五载流子色散型相移器和所述第六载流子色散型相移器都与所述第六分束器连接；所述第四分束器与第五分束器连接。

14、作为本发明所述的基于薄膜铌酸锂集成的双场量子密钥分发系统的一种优选方案，其中：所述通信用户alice的相位调制模块，包括：第七载流子色散型相移器、第八载流子色散型相移器和第九载流子色散型相移器；

15、所述七载流子色散型相移器与所述第八载流子色散型相移器连接，所述第八载流子色散型相移器与所述第九载流子色散型相移器连接；所述第七载流子色散型相移器与所述第六分束器相连接，所述第九载流子色散型相移器与所述第七分束器相连接。

16、作为本发明所述的基于薄膜铌酸锂集成的双场量子密钥分发系统的一种优选方案，其中：所述通信用户alice的衰减监控模块，包括：第八分束器、第一可变光衰减器和第一光功率检测器；

17、所述第八分束器分别与所述第一可变光衰减器和所述第一光功率检测器连接，所述第一可变光衰减器与所述第七分束器连接；所述第八分束器上还分别连接了第二光纤耦合器和第三光纤耦合器。

18、作为本发明所述的基于薄膜铌酸锂集成的双场量子密钥分发系统的一种优选方案，其中：所述第三方charlie的pc1模块，包括：第一偏振旋转分束器、第十七分束器和第十八分束器；

19、在所述第一偏振旋转分束器和第十七分束器之间设有两条光臂，在第一条光臂上设有第十三热调谐型相移器，在第二条光臂上设有第十四热调谐型相移器；在所述第十七分束器和第十八分束器之间设有两条光臂，在第一条光臂上设有第十五热调谐型相移器，在第二条光臂上设有第十六热调谐型相移器；所述第一偏振旋转分束器通过第一商用光纤与第三光纤耦合器连接；所述第十八分束器分别与所述第二十一热调谐型相移器和所述第一单光子探测器连接。

20、作为本发明所述的基于薄膜铌酸锂集成的双场量子密钥分发系统的一种优选方案，其中：第二偏振旋转分束器、第十九分束器和第二十分束器；

21、在所述第二偏振旋转分束器和第十九分束器之间设有两条光臂，在第一条光臂上设有第十七热调谐型相移器，在第二条光臂上设有第十八热调谐型相移器；在所述第十九分束器和第二十分束器之间设有两条光臂，在第一条光臂上设有第十九热调谐型相移器，在第二条光臂上设有第二十热调谐型相移器；所述第二偏振旋转分束器通过第二商用光纤与第六光纤耦合器连接；所述第二十分束器分别与所述第二十二热调谐型相移器和所述第二单光子探测器连接。

22、作为本发明所述的基于薄膜铌酸锂集成的双场量子密钥分发系统的一种优选方案，其中：所述通信用户双方alice和bob以及第三方charlie均在薄膜铌酸锂材料平台上集成，包括：所有连接方式均为通过铌酸锂光波导连接。

23、与现有技术相比，发明有益效果为：

24、1、本发明可以实现稳定、安全、高速调制的双场量子密钥分发系统，不仅适用于tf-qkd协议，还支持其他主流远距离通信协议，包括“发送-不发送”改进型tf-qkd协议和相位匹配量子密钥分发(pm-qkd)；

25、2、本发明用于tf-qkd协议的强度调制可以实现很高的消光比；由于薄膜铌酸锂不涉及载流子的动态过程，可以使得相位调制的强度相关性大大降低；

26、3、本发明基于薄膜铌酸锂的强度调制器的消光比可以超过40db，三级强度调制可以实现大于120db的消光比，为tf-qkd协议中的真空态制备提供好的消光比；

27、4、本发明的相位调制模块中，由于薄膜铌酸锂的电光系数大，使得集成器件的功耗和半波电压(vπ)减小；当前，基于薄膜铌酸锂的相位调制器的半波电压可以小于1.5v，这可以减小高速电子学设计的难度和成本；

28、5、本发明的系统插入损耗低，薄膜铌酸锂体系中的波导折射率更高，透明窗口覆盖的波长范围广，从而减小了光在波导中的传输损耗；

29、6、本发明的系统安全性高，系统所述的监控模块可以实现实时的安全监控，防止恶意的外部光对编码器芯片进行攻击，进一步确保系统的安全性；

30、7、本发明的第三方charlie可以实现偏振补偿和相位补偿，可以补偿光子在传输过程中由于外部环境不稳定导致的偏振扰动和相位偏移，提高单光子干涉的干涉对比度，使得系统误码率减小，增加安全密钥率。