[實用新型]一種改進的HD-QKD系統以及接收端

有效

• 申請號: 201820642987.0
• 申請日: 2018-05-02
• 公開（公告）號: CN208386565U
• 公開（公告）日: 2019-01-15
• 發明（設計）人: 富堯;朱偉
• 申請（專利權）人: 如般量子科技有限公司
• 主分類號: H04L9/08
• 分類號: H04L9/08;H04B10/70
• 代理公司: 杭州君度專利代理事務所(特殊普通合伙) 33240
• 代理人: 解明鎧;劉靜靜

本實用新型公開了一種改進的HD?QKD系統以及接收端，HD?QKD系統包括相匹配的發送端和接收端，所述發送端基于光注入以及內調制的方式對光脈沖進行基矢調制和誘騙態調制得到編碼后光脈沖組，再經衰減后發送至接收端；所述接收端將來自發送端的編碼后光脈沖組進行分束后分別利用Z基矢探測模塊和X基矢探測模塊進行探測；其中所述X基矢探測模塊包括帶法拉第旋轉鏡的干涉模塊以及與光脈沖編碼維度相應的單光子探測器，各單光子探測器分別探測相應的干涉結果。本實用新型解決現有裝置中脈沖組之間相位隨機化的問題、以及現有裝置存在的偏振漂移問題。

技術領域

本實用新型涉及量子通信技術領域，尤其涉及一種高維量子密鑰分發系統。

背景技術

量子密鑰分發系統(QKD)可以實現遠距離的雙方或多方通過不安全的信道分享安全的密鑰。并且QKD系統采用的器件基本均為現有的通用光學器件，其傳輸線路可采用現有的光纖或直接通過真空進行，無需任何特殊的器件和傳輸線路使其快速走向實用化。同時，量子計算機的問世將對現有的公鑰體系帶來巨大沖擊，其將不再安全。而基于QKD系統采用一次一密的加密系統是無條件安全的，有希望一勞永逸的解決通信安全問題。因此QKD研究具有非常重大的實用價值。

傳統QKD系統采用一個比特信息編碼一個量子態的方式來進行，為了進一步提升密鑰傳輸速率，高維量子密鑰分發系統(HD-QKD)被提出。在HD-QKD中，一個量子態將攜帶多個比特的信息，從而提升密鑰分發的速率。

在高維編碼系統中，X基矢和Z基矢均有d個本征態(d表示系統維度)，因此每個本征態對應為0到d-1的比特值。X基矢本征態和相應的Z基矢的本征態可以用如下公式來描述

其中|f_n>和|t_m>分別為X基矢第n個和Z基矢的第m個本征態。

現有高維編碼的形式也多種多樣，主流的方案為時間編碼；其在實驗實現上較為簡單，因而被廣泛研究。

在高維時間編碼中，d維的量子態需要相應的d個連續的相同時間間隔(τ)構成的一個時間段(T＝dτ)來表示。對于時間間隔，從左往右用0到d-1對其標注。對于Z基矢，其任意一個本征態|t_n>在時間編碼中的具體形式為：僅在第n個時間間隔中有脈沖而其余時間間隔內沒有脈沖。對于X基矢，根據公式(1)不難得知，其不同基矢間的差別在于時間間隔內脈沖的相位，且每個間隔內出現脈沖的幾率相同。圖1給出了d＝4時，|t₀>和|f₀>的時間編碼形式，且對于|f₀>根據上述公式標注了其每個間隔內脈沖的相位。

現有高維時間編碼QKD的簡單步驟如圖2，此處以維度d＝4為例：

Alice端的激光器生成一系列等時間間隔的激光脈沖；

脈沖經過由FPGA控制的第一強度調制器(IM1)調制后，以P和1-P的幾率分別對脈沖組進行X基矢和Z基矢的調制；調制的對象為4個連續脈沖構成的脈沖組；對于Z基矢，脈沖組被等幾率隨機調制到4個本征態的一個，具體實現方式為通過IM1將相應三個時間間隔內的脈沖強度調制為0；對于需要進行X基矢調制的脈沖組，IM1不調制。

脈沖序列進入相位調制器(PM)進行相位調制；PM通過調節脈沖的相位來完成X基矢本征態的調制，且調制到任意一個本征態的幾率相同；對于經過上述Z基矢調制的脈沖組，PM不進行調制。

隨后由FPGA控制的第二強度調制器(IM2)根據幾率隨機調制脈沖組強度到幾個選定值，該過程被稱為誘騙態調制。

隨后由FPGA控制的衰減器(ATT)將各脈沖組的強度進一步衰減到單光子水平；Alice完成量子態的制備，將其通過光纖發送給Bob。