用于量子密钥分发和光通信的光量子芯片及相位补偿方法与流程

本发明涉及保密通信，特别涉及一种用于量子密钥分发和光通信的光量子芯片及相位补偿方法。

背景技术：

1、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，目前最成熟的是bb84量子密钥分发协议。光纤量子密钥分发系统一般采用单模光纤作为传输信道，但由于光纤信道存在固有双折射效应，使得光子在传输过程中偏振态会发生变化，且会随着外界环境的变化而改变。然而，传统的基于双不等臂马赫-增德尔干涉环方案在接收端进行解码干涉时，由于光纤信道的扰动导致偏振态随机变化，并且干涉仪长短臂偏振变化不同，从而影响干涉的稳定性，因此该系统稳定性差，容易受到环境干扰。另外，对于相位编码的量子密钥分发系统，一般采用主动量子态制备的方式，需要在不等臂干涉仪的一臂上加入调相器进行调相，不仅增大干涉仪的制作难度，还需要复杂的adc驱动电路来驱动调相器，增加系统的复杂度。

2、现有技术中，一种解决偏振扰动的方案是采用法拉第-迈克尔逊干涉仪，这样可以消除光纤双折射效应以及环境扰动对偏振态的影响，并且可以自动补偿长短臂的偏振变化，系统非常稳定。还有一种解决方案如专利cn210041849u所公布的干涉仪，采用了法拉第旋转器，同样基于法拉第效应来自动补偿信道偏振扰动和长短臂不同的偏振变化。然而这些方案中由分立光学元件搭建的干涉仪体积大、结构复杂、稳定性差、成本高，难以大批量生产，并且干涉仪臂长差的制作精度较低，既可能导致系统稳定性较差，也无法满足系统需求集成化、小型化的需求。

3、为了提高干涉仪的集成度，专利cn109391471b以及文献zhang g w, et al.polarization-insensitive interferometer based on a hybrid integrated planarlight-wave circuit[j]. photonics research, 2021, 9(11): 2176-2181将法拉第-迈克尔逊干涉仪进行了混合集成，由于该方案存在反射模块如反射镜或法拉第镜等磁光晶体，导致干涉仪集成度较低、体积较大、制作复杂。类似地，专利cn210041849u的方案进行集成化时同样会面临包含磁光晶体而增大集成难度的问题。并且这类方案采用主动相位调制的方式进行量子态的制备，需要高速的调相结构，与集成光路中的热调相结构相比速率要求高，对相应的驱动电路的复杂度要求也高。

技术实现思路

1、针对现有技术存在以上缺陷，本发明提出一种基于干涉仪芯片的被动量子密钥光通信系统及相位补偿方法。

2、本发明的技术方案是这样实现的：

3、一种用于量子密钥分发和光通信的光量子芯片，包括由光纤信道连接的发送端和接收端，

4、发送端包括光源、包含第一不等臂马赫-曾德尔干涉仪amzi1、第二不等臂马赫-曾德尔干涉仪amzi2、第三不等臂马赫-曾德尔干涉仪amzi3、 第四不等臂马赫-曾德尔干涉仪amzi4的第一集成光芯片、4x1保偏合束器bc和可调衰减器voa；第一集成光芯片的每个不等臂马赫-曾德尔干涉仪amzi至少设置有1个输入端口和1个输出端口；光源的4个输出端口分别连接第一集成光芯片的4个输入端口；第一集成光芯片的4个输出端口分别连接4x1保偏合束器bc的4个输入端口；4x1保偏合束器bc的输出端口连接可调衰减器voa；可调衰减器voa的输出端口作为发送端的输出端口；光源以预定的重复频率随机分时从其一个输出端口输出一路光信号；第一集成光芯片中的4个不等臂马赫-曾德尔干涉仪amzi的长短臂相位差分别为0，π/2，π，3π/2；

5、接收端包括消偏器、偏振分束器pbs、包含第五不等臂马赫-曾德尔干涉仪amzi5、第六不等臂马赫-曾德尔干涉仪amzi6的第二集成光芯片以及4个单光子探测器spd；第二集成光芯片的每个不等臂马赫-曾德尔干涉仪amzi设置有1个输入端口和2个输出端口；消偏器的输入端口作为接收端的输入端口；消偏器的输出端口连接偏振分束器pbs的输入端口；偏振分束器pbs的两个输出端口分别连接第二集成光芯片的2个输入端口；第二集成光芯片的4个输出端口分别各连接一个单光子探测器；消偏器用于将经过光纤信道传输的光信号变为随机偏振态，结合偏振分束器pbs实现等概率的测量基矢选择；第二集成光芯片中的2个不等臂马赫-曾德尔干涉仪amzi的长短臂相位差分别为0，π/2。

6、优选地，所述第一集成光芯片中的4个不等臂马赫-曾德尔干涉仪amzi的长臂以及第二集成光芯片中的2个不等臂马赫-曾德尔干涉仪amzi的长臂上各设置有一个移相器。

7、优选地，第一集成光芯片中的4个不等臂马赫-曾德尔干涉仪amzi分别设置有2个输入端口，每个不等臂马赫-曾德尔干涉仪amzi的其中1个输入端口均连接有一个光电探测器pd；4x1保偏合束器bc与可调衰减器voa之间还设置有环形器cir；环形器cir的第一端口、第二端口、第三端口分别连接连续激光器、4x1保偏合束器bc的输出端口、可调衰减器voa的输入端口。

8、优选地，光源包括1个脉冲激光器和1x4光开关os；脉冲激光器连接1x4光开关os的输入端口，1x4光开关os的4个输出端口分别作为光源的4个输出端口。

9、优选地，光源包括4个脉冲激光器。

10、优选地，4个脉冲激光器后各设置有一个光纤隔离器。

11、本发明还公开了一种相位补偿方法，包括以下步骤：

12、s1：发送端光信号只经过第一集成光芯片的第一不等臂马赫-曾德尔干涉仪amzi1，设置可调衰减器voa衰减值使出射光强相比量子信号为强光；

13、s2：接收端分别调节第二集成光芯片的第五不等臂马赫-曾德尔干涉仪amzi5和第六不等臂马赫-曾德尔干涉仪amzi6的长短臂相位差，直至其中第五不等臂马赫-曾德尔干涉仪amzi5的输出端口对应的第一单光子探测器spd1计数值达到最大，第二单光子探测器spd2计数值达到最小，第五不等臂马赫-曾德尔干涉仪amzi5长短臂相位差为0；第六不等臂马赫-曾德尔干涉仪amzi6的两个输出端口对应的第三单光子探测器spd3和第四单光子探测器spd4计数值相等，第六不等臂马赫-曾德尔干涉仪amzi6长短臂相位差为π/2；

14、s3：发送端光信号只经过第一集成光芯片的第二不等臂马赫-曾德尔干涉仪amzi2，调节其相应的长短臂相位差，使第二集成光芯片的第五不等臂马赫-曾德尔干涉仪amzi5的两个输出端口对应的第一单光子探测器spd1和第二单光子探测器spd2计数值相等；同时使第二集成光芯片的第六不等臂马赫-曾德尔干涉仪amzi6的两个输出端口对应的第三单光子探测器spd3计数值达到最大，第四单光子探测器spd4计数值到达最小，第二不等臂马赫-曾德尔干涉仪amzi2长短臂相位差为π/2；

15、s4：发送端光信号只经过第一集成光芯片的第三不等臂马赫-曾德尔干涉仪amzi3，调节其相应的长短臂相位差，使第二集成光芯片的第五不等臂马赫-曾德尔干涉仪amzi5的两个输出端口对应的第一单光子探测器spd1计数值达到最小，第二单光子探测器spd2计数值达到最大；同时使第二集成光芯片的第六不等臂马赫-曾德尔干涉仪amzi6的两个输出端口对应的第三单光子探测器spd3和第四单光子探测器spd4计数值相等，第一集成光芯片的第三不等臂马赫-曾德尔干涉仪amzi3的长短臂相位差为π；

16、s5：发送端光信号只经过第一集成光芯片的第四不等臂马赫-曾德尔干涉仪amzi4，调节其相应的长短臂相位差，使第二集成光芯片的第五不等臂马赫-曾德尔干涉仪amzi5的两个输出端口对应的第一单光子探测器spd1和第二单光子探测器spd2计数值相等；同时使第二集成光芯片的第六不等臂马赫-曾德尔干涉仪amzi6的两个输出端口对应的第三单光子探测器spd3计数值达到最小，第四单光子探测器spd4计数值到达最大，第一集成光芯片的第四不等臂马赫-曾德尔干涉仪amzi4的长短臂相位差为3π/2。

17、本发明还公开了另一种相位补偿方法一种相位补偿方法，包括以下步骤：

18、s1：发送端连续激光器产生的连续光信号经环形器cir同时进入第一集成光芯片的4个不等臂马赫-曾德尔干涉仪amzi，同时扫描4个不等臂马赫-曾德尔干涉仪amzi的长短臂相位差并记录4个光电探测器pd的探测结果，得到4条相位扫描曲线；

19、s2：发送端根据相应的相位扫描曲线设置第一集成光芯片的4个不等臂马赫-曾德尔干涉仪amzi的长短臂相位差分别为0，π/2，π，3π/2，并将相应的4个光电探测器pd探测结果作为基准值；

20、s3：系统正常工作时，发送端利用pid算法持续调节第一集成光芯片的4个不等臂马赫-曾德尔干涉仪amzi的长短臂相位差，使4个光电探测器pd探测结果稳定在各自的基准值；

21、s4：系统正常工作时，接收端利用基不匹配的数据和误码率计算第五不等臂马赫-曾德尔干涉仪amzi5和第六不等臂马赫-曾德尔干涉仪amzi6各自长短臂相位差的漂移量和 ，并进行实时相位补偿。

22、优选地，计算长短臂相位差的漂移量的方法为：

23、s1：统计发送端制备量子态相位差π/2时，接收端第一单光子探测器spd1和第二单光子探测器spd2的计数和 ，以及制备量子态相位差3π/2时，接收端第一单光子探测器spd1和第二单光子探测器spd2的计数和 ；同时统计发送端制备量子态相位差π时，接收端第三单光子探测器spd3和第四单光子探测器spd4的计数和 ，以及制备量子态相位差0时，接收端第三单光子探测器spd3和第四单光子探测器spd4的计数和；

24、s2：根据公式和分别计算出第五不等臂马赫-曾德尔干涉仪amzi5和第六不等臂马赫-曾德尔干涉仪amzi6的相位差漂移量和 。

25、与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

26、本发明提出一种用于量子密钥分发和光通信的光量子芯片及相位补偿方法，采用被动量子态制备的方式，无需复杂的高速电压驱动模块，并通过将干涉仪集成到光芯片中，有效降低系统的复杂度与制作难度。另外，通过在接收端采用消偏器结合偏振分束器，可以免疫信道偏振扰动，同时实现被动选基，且可抵御窃听者的偏振和波长攻击，采用实时相位补偿方法可以不间断进行密钥分发，提高了系统的稳定性与安全性。