[發(fā)明專利]基于相位調(diào)制光源的QKD系統(tǒng)發(fā)送端、接收端以及QKD系統(tǒng)和方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201611129167.3
• 申請(qǐng)日: 2016-12-09
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN106603161A
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-04-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 富堯;王真真
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 浙江神州量子網(wǎng)絡(luò)科技有限公司
• 主分類(lèi)號(hào): H04B10/548
• 分類(lèi)號(hào): H04B10/548;H04B10/70
• 代理公司: 杭州君度專利代理事務(wù)所(特殊普通合伙)33240
• 代理人: 解明鎧,劉靜靜

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及量子通信領(lǐng)域，尤其涉及基于相位調(diào)制光源的QKD系統(tǒng)發(fā)送端、接收端以及QKD系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)

基于相位調(diào)制的編碼系統(tǒng)是量子密鑰分發(fā)(QKD)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的主要類(lèi)型之一，因?qū)庾拥南辔徽{(diào)制在光纖中傳輸抗干擾能力較強(qiáng)，已得到廣泛的應(yīng)用。基于相位調(diào)制的編碼系統(tǒng)主要包括雙不等臂Mach-Zehnder干涉儀系統(tǒng)、Michelson干涉儀“即插即用”系統(tǒng)和Sagnac環(huán)系統(tǒng)。對(duì)光子進(jìn)行相位調(diào)制的主要實(shí)現(xiàn)方式是外部調(diào)制，通過(guò)對(duì)某些電光材料的相位調(diào)制器施加電場(chǎng)來(lái)改變材料的折射率，以此來(lái)改變光相位。常用的相位調(diào)制器為基于LiNbO3晶體或半導(dǎo)體波導(dǎo)的相位調(diào)制器。但是相位調(diào)制器只能接收脈沖電壓的調(diào)制，且半波電壓要求高，因此需要復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)控制電路，造成系統(tǒng)發(fā)送端和接收端結(jié)構(gòu)笨重，也增加了系統(tǒng)的控制難度。而高半波電壓不僅耗費(fèi)能源也限制了量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的高速應(yīng)用。

文獻(xiàn)“Directly Phase-Modulated Light Source”(PHYSICAL REVIEW X 6，031044(2016))提出一種在光源內(nèi)部直接進(jìn)行光脈沖相位調(diào)制的方案，即相位調(diào)制光源。基于光注入的思想，使用兩個(gè)激光器分別進(jìn)行相位預(yù)調(diào)制和發(fā)射脈沖，利用相位預(yù)調(diào)制脈沖固定兩個(gè)次級(jí)脈沖的相位，以較低的半波調(diào)制電壓便實(shí)現(xiàn)光源內(nèi)部脈沖相位的內(nèi)調(diào)制。文獻(xiàn)中將此光源分別應(yīng)用到BB84協(xié)議和DPS協(xié)議的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中，以驗(yàn)證其在量子通信中的多功能應(yīng)用，得到了相對(duì)滿意的結(jié)果。

但是文獻(xiàn)中該方案僅集成了量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的發(fā)送端，省去了發(fā)送端對(duì)相位調(diào)制器的使用，而在量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的接收端，尤其是在BB84協(xié)議中，使用兩組相位基矢編解碼導(dǎo)致解碼模塊仍需要一個(gè)相位 調(diào)制器，接收端的結(jié)構(gòu)和控制仍然受到調(diào)制器的影響，系統(tǒng)的高速應(yīng)也用依然受到調(diào)制器件的限制。

此外，文獻(xiàn)中并未提及如何實(shí)現(xiàn)脈沖的強(qiáng)度調(diào)制問(wèn)題。量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)光脈沖強(qiáng)度調(diào)制的方式一般為在光源外部使用強(qiáng)度調(diào)制器，常用強(qiáng)度調(diào)制器為基于LiNbO3晶體的Mach-Zehnder電光調(diào)制器。與上述相位調(diào)制器一樣，強(qiáng)度調(diào)制器只能接收脈沖電壓的調(diào)制，需要較高的半波電壓，因此也需要復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)控制電路，這同樣增加了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制負(fù)擔(dān)、限制系統(tǒng)的高速應(yīng)用。且Mach-Zehnder電光調(diào)制器具有周期性的傳輸函數(shù)，為避免信號(hào)失真，必須使調(diào)制器工作在最佳偏置點(diǎn)，即在量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的應(yīng)用中需時(shí)刻控制強(qiáng)度調(diào)制器的偏置點(diǎn)，但由于受時(shí)間漂移、環(huán)境溫度、系統(tǒng)激光器功率即光纖插入和耦合損耗等諸多因素影響，實(shí)際很難控制偏置點(diǎn)穩(wěn)定，導(dǎo)致強(qiáng)度調(diào)制器輸出信號(hào)劣化。

現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題：

現(xiàn)有技術(shù)應(yīng)用相位調(diào)制光源的BB84協(xié)議量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)沒(méi)有避免接收端對(duì)相位調(diào)制器的使用，實(shí)際系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和性能仍受相位調(diào)制器影響。現(xiàn)有技術(shù)應(yīng)用相位調(diào)制光源的BB84協(xié)議量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)沒(méi)有考慮脈沖強(qiáng)度調(diào)制的復(fù)雜問(wèn)題，對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的集成具有局限性。量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中強(qiáng)度調(diào)制器和相位調(diào)制器一樣都需要復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)控制電路，造成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制的復(fù)雜度，且強(qiáng)度調(diào)制器需要時(shí)刻控制偏置點(diǎn)穩(wěn)定，實(shí)際難以做到；強(qiáng)度調(diào)制器和相位調(diào)制器一樣也都需要較高的半波電壓，不僅耗費(fèi)能源且限制系統(tǒng)的高速編解碼應(yīng)用。而脈沖強(qiáng)度調(diào)制的誘騙態(tài)方案是QKD系統(tǒng)普遍采用的源端攻擊抵御方案，因此現(xiàn)有技術(shù)也不可避免的面臨脈沖強(qiáng)度調(diào)制的復(fù)雜問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供一種基于相位調(diào)制光源的QKD系統(tǒng)發(fā)送端、接收端以及QKD系統(tǒng)和方法，并采用相位-時(shí)間非平衡基矢編碼方式，使用相位調(diào)制光源進(jìn)行光源內(nèi)部光脈沖產(chǎn)生、相位調(diào)制的量子態(tài)制備過(guò)程，以及強(qiáng)度調(diào)制的量子態(tài)制備過(guò)程和誘騙態(tài)方案實(shí)施過(guò)程。

在本發(fā)明中，一種基于相位調(diào)制光源的QKD系統(tǒng)發(fā)送端，包括相位調(diào)制光源，在所述相位調(diào)制光源中通過(guò)相位編碼和Z基矢時(shí)間編碼方式編碼光脈沖對(duì)，再發(fā)送至接收端；其中所述相位編碼采用X基矢相位編碼或Y基矢相位編碼中的一種。

本發(fā)明的相位調(diào)制光源在針對(duì)相位編碼過(guò)程中，僅采用X基矢相位編碼或僅采用Y基矢相位編碼，因此在接收端不需設(shè)置相位調(diào)制器或其他調(diào)制器件。

文獻(xiàn)PHYSICAL REVIEW X 6，031044(2016)的相位調(diào)制光源中包含了一個(gè)脈沖產(chǎn)生激光器，光源發(fā)出的脈沖序列和脈沖強(qiáng)度實(shí)際受控于此脈沖產(chǎn)生激光器，因此可以通過(guò)控制脈沖產(chǎn)生激光器的輸出光強(qiáng)實(shí)現(xiàn)在相位調(diào)制光源內(nèi)部的強(qiáng)度調(diào)制。將此光源應(yīng)用到量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中可避免系統(tǒng)對(duì)強(qiáng)度調(diào)制器及背景技術(shù)中各控制模塊的使用。