一种模式波长双复用的双场量子密钥分发系统的制作方法

本技术涉及量子密钥分发设备领域，具体涉及一种模式波长双复用的双场量子密钥分发系统。

背景技术：

1、在近三十年来，量子密钥分发(quantum key distribution，qkd)是量子密码中取得较大发展并逐步推向应用。

2、自第一个量子密钥分发的协议(bb84协议)提出以来，研究人员尝试各种方法来实现量子密钥分发技术。理想的单光子源在现实中难以获得，易受到光子数分离攻击(photonnumber splittingattack，pns)，无法保证密钥传输过程中的绝对安全。2003年研究人员提出诱骗态的思想，可有效抵御pns的攻击。光源端的问题利用诱骗态方法解决后，qkd系统中探测端的安全性问题就更为突出。2012年，测量设备无关的量子密钥分发协议被提出，彻底解决了针对探测端攻击的安全漏洞。由于量子信号在传输过程中无法被放大，以及通信距离增大，损耗也随之增大，限制了通信距离与成码率，最终会达到距离-成码率极限。2018年东芝欧洲研究院的科研人员提出了一种名为双场量子密钥分发的协议(twin-field，tf-qkd)，将原来的成码率和信道透射率的线性关系变为平方根关系，极大的提高了量子密钥分发的通信距离与成码率。

3、tf-qkd设备需要实现远距离单光子干涉，而双场光源自身的频率差和相位差，以及在传输过程中由于光纤链路温度的变化、扰动等因素的影响均会导致严重的相位漂移，大大降低干涉对比度，导致误码率升高甚至不能成码。

4、目前一般采用时分复用技术和波分复用技术来稳定光纤链路的相位漂移。但是，时分复用技术是将脉冲光分为参考信号和量子信号，通过参考信号反馈链路中的相位漂移，距离越远需要参考信号的功率就越高，而更高功率的参考信号在光纤中的瑞利散射就会更严重，对量子信号的探测影响也更大，最终导致误码率升高。波分复用技术是使用不同波长的光作为参考信号和量子信号，这样虽然能够大大降低参考光瑞利散射噪声的影响，但是强参考信号在信道中除了带来瑞利散射噪声外，还伴随有拉曼散射噪声，也会影响到量子信号的探测，导致误码率升高。

5、因此，需要对现有技术进行改进提出能够降低瑞利散射噪声和拉曼散射噪声对量子信号的探测影响的双场量子密钥分发设备。

技术实现思路

1、本实用新型为了解决目前tf-qkd设备的误码率因光纤中瑞利散射噪声和拉曼散射噪声的影响而升高的技术问题，提出了一种模式波长双复用的双场量子密钥分发系统。

2、为实现上述目的，本实用新型采取的技术方案如下：

3、一种模式波长双复用的双场量子密钥分发系统，包括charlie信号发送与探测端、alice用户端和bob用户端；所述charlie信号发送与探测端通过少模光纤分别与alice用户端、bob用户端连接；

4、所述charlie信号发送与探测端包括第一激光器、第二激光器、第一模式复用器、第一分束器、第一模式解复用器、第二模式解复用器、参考信号探测模块和量子信号探测模块；其中，第一激光器和第二激光器分别用于发出不同波长的光信号；

5、所述alice用户端包括第三激光器、第二分束器、第一光学锁相环、第三模式解复用器、第一编码模块和第二模式复用器；

6、所述bob用户端包括第四激光器、第三分束器、第二光学锁相环、第四模式解复用器、第二编码模块和第三模式复用器；

7、所述第一激光器的输出端、第二激光器的输出端分别与第一模式复用器的输入端连接，第一模式复用器的输出端通过第一分束器分别与第三模式解复用器的输入端、第四模式解复用器的输入端连接；

8、第三模式解复用器的输出端分别与第一光学锁相环的第一端口、第二模式复用器的第一端口连接，第一光学锁相环的第二端口与第三激光器的输入端连接，第三激光器的输出端与第二分束器的第一端口连接，第二分束器的第二端口与第一光学锁相环的第三端口连接，第二分束器的第三端口与第一编码模块的输入端连接，第一编码模块的输出端与第二模式复用器的第二端口连接；

9、第四模式解复用器的输出端分别与第二光学锁相环的第一端口、第三模式复用器的第一端口连接，第二光学锁相环的第二端口与第四激光器的输入端连接，第四激光器的输出端与第三分束器的第一端口连接，第三分束器的第二端口与第二光学锁相环的第三端口连接，第三分束器的第三端口与第二编码模块的输入端连接，第二编码模块的输出端与第三模式复用器的第二端口连接；

10、第二模式复用器的第三端口通过第一模式解复用器分别与参考信号探测模块的输入端、量子信号探测模块的输入端连接，第三模式复用器的第三端口通过第二模式解复用器分别与参考信号探测模块的输入端、量子信号探测模块的输入端连接。

11、优选的，所述charlie信号发送与探测端还包括第一偏振补偿模块、第二偏振补偿模块、第一相位调制器和第二相位调制器；

12、第二模式复用器的第三端口与第一偏振补偿模块的输入端连接，第一偏振补偿模块的输出端与第一模式解复用器的第一端口连接，第一模式解复用器的第二端口与参考信号探测模块的输入端连接，第一模式解复用器的第三端口与第一相位调制器的第一端口连接，第一相位调制器的第二端口与量子信号探测模块的输入端连接，量子信号探测模块的输出端与第一相位调制器的第三端口连接；

13、第三模式复用器的第三端口与第二偏振补偿模块的输入端连接，第二偏振补偿模块的输出端与第二相位调制器的第一端口连接，第二相位调制器的第二端口与参考信号探测模块的输出端连接，第二相位调制器的第三端口与第二模式解复用器的第一端口连接，第二模式解复用器的第二端口与参考信号探测模块的输入端连接，第二模式解复用器的第三端口与量子信号探测模块的输入端连接。

14、优选的，所述参考信号探测模块包括第四分束器和参考信号探测器；

15、所述第一模式解复用器的第二端口、第二模式解复用器的第二端口分别与第四分束器的输入端连接，第四分束器的输出端与参考信号探测器的输入端连接，参考信号探测器的输出端与第二相位调制器的第二端口连接。

16、优选的，所述参考信号探测器为光电探测器。

17、优选的，所述量子信号探测模块包括第五分束器、第一量子信号探测器和第二量子信号探测器；

18、所述第一相位调制器的第二端口、第二模式解复用器的第三端口分别与第五分束器的输入端连接，第五分束器的输出端分别与第一量子信号探测器的输入端、第二量子信号探测器的输入端连接，第一量子信号探测器的输出端与第一相位调制器的第三端口连接。

19、优选的，所述第一量子信号探测器、第二量子信号探测器均采用超导单光子探测器。

20、优选的，所述第一激光器、第二激光器均采用连续光纤激光器。

21、优选的，所述第一模式复用器、第二模式复用器和第三模式复用器均采用全光纤模式选择耦合器。

22、优选的，所述第一分束器为50：50分束器。

23、优选的，所述第二分束器、第三分束器均为90：10分束器。

24、本实用新型有益的技术效果：

25、本实用新型提供了一种模式波长双复用的双场量子密钥分发系统，通过模式复用器将第一激光器和第二激光器分别发出的不同波长光信号复用到少模光纤中进行传输，实现了模式波长双复用，通过少模光纤中大模场面积和由模分复用提供的额外的模态隔离，能够有效抑制光纤中的瑞利散射噪声和拉曼散射噪声，极大地降低瑞利散射噪声和拉曼散射噪声对量子信号探测的影响，防止误码率因光纤中瑞利散射噪声和拉曼散射噪声的影响而升高。同时，还通过激光注入锁定实现alice用户端和bob用户端中从激光器的激光频率稳定以及相位锁定，具有较高的实用性。