本實用新型涉及量子加密通信技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于時間-相位編碼的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)以及相應(yīng)的編碼裝置和解碼裝置。

背景技術(shù)：

隨著社會的發(fā)展，信息變得越來越重要，隨之而來的通信安全問題也變得日益突出，曾轟動一時的“棱鏡門”事件引發(fā)了國人關(guān)于國家信息安全的思考，迄今為止，經(jīng)典的密碼系統(tǒng)主要是依靠計算的復(fù)雜性來確保信息的安全，但其從根本原理上無法保證信息的絕對安全，而且隨著計算機性能的不斷提升，特別是未來量子計算機的出現(xiàn)，使得經(jīng)典保密系統(tǒng)受到了嚴峻的挑戰(zhàn)，因此尋找新型的，具有絕對安全性的保密技術(shù)變得尤為重要。量子保密通信技術(shù)作為近二十年發(fā)展起來的新型信息保密領(lǐng)域，其以量子理論為基礎(chǔ)，從理論上提供了保密信息交換絕對安全的方法。2009年，量子政務(wù)網(wǎng)、量子通信網(wǎng)相繼在我國建成，這使得原本停留在基礎(chǔ)理論和實驗室階段的量子保密通信技術(shù)開始在人們的日常生活中出現(xiàn)。量子密鑰分發(fā)(QKD)作為量子保密通信中的研究重點，同時也是其中最接近實用化的領(lǐng)域，已經(jīng)受到越來越多的關(guān)注。

自從BB84協(xié)議提出以來，各種形式的QKD協(xié)議紛紛涌現(xiàn)，如Ekert91協(xié)議、BBM92協(xié)議、B92協(xié)議、六態(tài)協(xié)議等，但是與這些協(xié)議相比，BB84方案操作更加簡單實用，且安全系數(shù)高，因此BB84方案仍是目前應(yīng)用最為廣泛的QKD方案。QKD的編碼方式通常分為偏振編碼和相位編碼，其中，最早的相位編碼采用的是等臂Mach-Zehnder干涉儀方案，該方案需要使用兩根光纖傳輸，路徑擾動帶來的臂長差變化非常嚴重，因此不適合長距離傳輸。后來，Bennett提出了雙不等臂MZI方案(C.H.Bennett,“Quantum cryptography using any two nonorthogonal states”，Physical Review Letters,vol.68,no.21,pp.3121-3124,1992.)，發(fā)送端和接收端有一對臂長差相等的干涉儀，經(jīng)過發(fā)送端干涉儀長臂、接收端干涉儀短臂的光脈沖和經(jīng)過發(fā)送端干涉儀短臂、接收端干涉儀長臂的光脈沖發(fā)生干涉，從而實現(xiàn)編解碼，但是該方案中走過短臂-短臂和長臂-長臂的光脈沖并不發(fā)生干涉，從而干涉效率(發(fā)生干涉的光的能量與總能量的比值)只有50％，為了提高干涉效率，Dixon等人利用偏振選擇路徑的方法(Dixon A,Yuan Z,Dynes J,et al.“Continuous operation of high bit rate quantum key distribution”,Applied Physics Letters,2010,96(16):161102)，使得經(jīng)過發(fā)送端干涉儀長臂(或短臂)的光脈沖只經(jīng)過接收端干涉儀短臂(或長臂)，從而使干涉效率提高到100％。

現(xiàn)有的相位編碼的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)，如圖1所示，包括發(fā)送端、接收端和控制單元(圖中未示出)。工作時，控制單元控制發(fā)送端的編碼模塊根據(jù)隨機數(shù)發(fā)生單元產(chǎn)生的隨機數(shù)對信號光進行相應(yīng)的編碼，被編碼后的信號光由量子信道傳送給接收端，由接收端選擇基矢進行相應(yīng)的解碼，并將測量用的基矢和測量結(jié)果記錄下來?？刂茊卧械墓鈱W(xué)與硬件數(shù)據(jù)處理單元對得到的測量結(jié)果進行處理得到原始密鑰信息后，由軟件處理單元對原始密鑰進行數(shù)據(jù)后處理工作，依次包括基矢比對、認證、糾錯、錯誤驗證、隱私放大因子計算和隱私放大，最終發(fā)送端和接收端可以獲得相同并且安全的最終密鑰。

發(fā)送端包括光源模塊和編碼模塊，其中光源模塊包括脈沖光源1，編碼單元包括第一保偏分束器2、第一保偏相位調(diào)制器3(即X，Y基矢相位編碼模塊)、第一保偏延時線4、第一保偏偏振分束器5。

接收端包括解碼單元，其中解碼單元包括用作X,Y基矢選擇模塊的第二保偏偏振分束器7、第二保偏相位調(diào)制器8、第二保偏延時線9、第二保偏分束器10、第一單光子探測器11、第二單光子探測器12，發(fā)送端和接收端之間為量子信道6。

發(fā)送端的光源模塊發(fā)射線性偏振的光脈沖進入編碼模塊，編碼模塊將光脈沖分束、相對延時、并對其中之一使用X,Y基矢相位編碼模塊編碼，輸出偏振態(tài)相互垂直的兩個光脈沖進入量子信道傳輸給接收端。具體過程：脈沖光源1發(fā)射線性偏振的光脈沖，光脈沖到達第一保偏分束器2的A端口后，被分束成兩束水平偏振光脈沖，一束光脈沖由第一保偏分束器2的B端口輸出到達第一保偏偏振分束器5的C端口，此時定義第一保偏分束器2的B端口至第一保偏偏振分束器5的C端口為發(fā)送端短臂；另一束光脈沖由第一保偏分束器2的C端口輸出到達第一保偏相位調(diào)制器(X,Y基矢相位編碼模塊)，第一保偏相位調(diào)制器3對光脈沖隨機編碼四種相位0，π/2，π，3π/2，編碼后的光脈沖經(jīng)第一保偏延時線4到達第一保偏偏振分束器5的B端口，此時定義第一保偏分束器2的C端口至第一保偏偏振分束器5的B端口為發(fā)送端長臂，兩路光脈沖經(jīng)過第一保偏偏振分束器5透射和反射成偏振相互垂直的兩個光脈沖并從第一保偏偏振分束器5的A端口輸出，由量子信道6到達接收端。

接收端解碼單元解碼發(fā)送端傳輸過來的攜帶有編碼信息的光脈沖，對該兩個光脈沖分束、相對延時，并根據(jù)編碼信息不同選擇探測器輸出。具體過程：發(fā)送端輸出的兩個光脈沖經(jīng)量子信道到達接收端的第二保偏偏振分束器7的A端口，水平偏振光脈沖由第二保偏偏振分束器7的B端口輸出至第二保偏分束器10的第A端口，此時定義第二保偏偏振分束器7的B端口至第二保偏分束器10的A端口為接收端短臂；垂直偏振光脈沖經(jīng)第二保偏偏振分束器7反射變?yōu)樗狡窆饷}沖從C端口輸出至第二保偏相位調(diào)制器8，第二保偏相位調(diào)制器8對光脈沖隨機編碼相位0，π/2選擇X或Y測量基矢，編碼后的光脈沖經(jīng)第二保偏延時線9到達第二保偏分束器10的C端口，此時定義第二保偏偏振分束器7的C端口至第二保偏分束器10的C端口為接收端長臂，根據(jù)偏振選擇路徑的方法，兩束光脈沖走過的光程相等，且偏振態(tài)相同，故兩束光脈沖在第二保偏分束器10中發(fā)生干涉，根據(jù)干涉信息不同分別到達不同單光子探測器輸出。

此外，還有一種方式是采用包含法拉第旋轉(zhuǎn)鏡的不等臂Michelson干涉儀實現(xiàn)相位編碼，如公開號為CN 1651947A,專利名稱為“一種偏振控制編碼方法、編碼器和量子密鑰分配系統(tǒng)”的中國發(fā)明專利，公開了一種使用基于四端口分束器的一對不等臂F-M(Faraday-Michelson)干涉儀來實現(xiàn)偏振控制的相位編碼、相干探測的QKD系統(tǒng)，但其使用了普通X型耦合器，使得單光子的路徑隨機選擇，降低了干涉效率；公開號為CN 101150371A，專利名稱為“一種相位編碼偏振檢測的量子密鑰分配系統(tǒng)”的中國發(fā)明專利公開了一種使用基于四端口偏振分束器的一對不等臂F-M(Faraday–Michelson)干涉儀來實現(xiàn)偏振控制的相位編碼、偏振探測的QKD系統(tǒng)，其與Dixon等人一樣利用偏振選擇路徑的方法來提高干涉效率，上述方案中接收端均需要加入一個相位調(diào)制器來選擇X,Y測量基矢，不但會帶來額外的插入損耗，從而影響系統(tǒng)成碼率，且其由于本身固有問題，使相位調(diào)制不精確，導(dǎo)致最終干涉對比度不夠高，從而使成碼率低，這大大限制了QKD技術(shù)的發(fā)展。

綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)存在下列問題：

1.現(xiàn)有的相位編碼系統(tǒng)在接收端需要加入相位調(diào)制器選擇X，Y測量基矢，而相位調(diào)制器的后端插入損耗會降低系統(tǒng)成碼率；

2.現(xiàn)有的相位編碼系統(tǒng)由于接收端相位調(diào)制器的相位調(diào)制精準度低，導(dǎo)致最終干涉對比度不夠高，從而使成碼率低；

3.現(xiàn)有基于非平衡基矢方案的編碼系統(tǒng)需要使用信號發(fā)生器產(chǎn)生高速隨機電信號來主動控制非平衡基矢的選擇，該方案成本高，且器件本身性能限制了相位的精確調(diào)制，從而降低了成碼率。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實用新型提供了一種基于時間-相位編碼的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)及編碼裝置和解碼裝置，能夠有效提高量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的成碼率。

一種基于時間-相位編碼的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)，包括相互光連接的發(fā)送端和接收端，發(fā)送端包括用于形成信號光的光源模塊以及用于對所述信號光進行相應(yīng)時間相位編碼處理的編碼單元，接收端中相應(yīng)設(shè)有用于對經(jīng)過發(fā)送端中編碼單元進行時間相位編碼處理后的信號光進行時間相位解碼處理的解碼單元，所述的編碼單元包括Z基矢時間編碼模塊和相位編碼模塊，所述相位編碼模塊為X基矢相位編碼模塊或Y基矢相位編碼模塊；所述解碼單元包括Z基矢時間測量模塊和相位測量模塊，相位測量模塊為X基矢相位測量模塊或Y基矢相位測量模塊，且與所述相位編碼模塊相適應(yīng)。

實際應(yīng)用時，所述的基于時間-相位編碼的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)還包括用于控制發(fā)送端和接收端工作使二者之間形成異地共享的量子密鑰的控制單元，所述發(fā)送端中的編碼單元設(shè)有相位編碼模塊和Z基矢時間編碼模塊，控制單元按照第一概率比隨機使其中一個對發(fā)送端中光源發(fā)出的信號光進行編碼以將發(fā)送端中隨機數(shù)發(fā)生單元產(chǎn)生的隨機數(shù)加載至所述信號光上并發(fā)送給接收端；所述接收端中的解碼單元設(shè)有相應(yīng)的相位測量模塊、Z基矢時間測量模塊和基矢選擇模塊，所述基矢選擇模塊用于按照第二概率比將來自于發(fā)送端的信號光(經(jīng)過時間相位編碼后的信號光)輸入到相位測量模塊和Z基矢時間測量模塊中的一個進行測量以得到攜帶有解碼結(jié)果和測量基矢信息的測量結(jié)果并反饋給控制單元。

本實用新型中將隨機數(shù)發(fā)生單元產(chǎn)生的隨機數(shù)加載至信號光上通過如下方法實現(xiàn)：

控制單元根據(jù)隨機數(shù)發(fā)生單元產(chǎn)生的隨機數(shù)形成相應(yīng)的控制信號去控制時間相位編碼單元對信號光進行相應(yīng)的時間相位編碼。

所述的第一概率比為選擇Z基矢時間編碼模塊對信號光進行編碼的概率與選擇相位編碼模塊對信號光進行編碼的概率之比，本實用新型中選擇相位編碼模塊的概率和選擇Z基矢時間編碼模塊的概率之和為1。

所述的第二概率為選擇Z基矢時間測量模塊對信號光進行解碼的概率與選擇相位測量模塊對信號光進行解碼的概率之比，本實用新型中選擇Z基矢時間測量模塊的概率和選擇相位測量模塊的概率之和為1。

作為優(yōu)選，所述第一概率比和第二概率比均不為0和1，且二者成正比例關(guān)系。

本實用新型中進行編碼(即基于時間-相位的編碼)時由控制單元選擇按照第一概率比選擇使用Z基矢時間編碼模塊或相位編碼模塊。

接收端和發(fā)送端通過量子信道連通，所述的量子信道可以為光纖、平板光波導(dǎo)、自由空間等。

本實用新型得到的測量結(jié)果和解碼時采用的基矢和實際解碼結(jié)果具有一定的對應(yīng)關(guān)系(可認為解碼結(jié)果中攜帶有解碼結(jié)果和測量基矢信息)。例如：控制單元接收到的測量結(jié)果來自于相位解碼模塊，則認為解碼時采用的是X基矢(或Y基矢)；反正，若測量結(jié)果來自于Z基矢時間測量模塊，則認為解碼時采用的是Z基矢。

因此，控制單元根據(jù)解碼結(jié)果和測量基矢與測量結(jié)果之間的對應(yīng)關(guān)系，通過對測量結(jié)果進行后處理即可得到最終解碼結(jié)果和解碼時采用的測量基矢以用于進行基矢比對、糾錯、隱私放大等過程進而使發(fā)送端和接收端形成量子密鑰。

本實用新型的解碼單元獨立設(shè)置基矢選擇模塊來選擇基矢，由自身組成結(jié)構(gòu)直接決定了接收端接收到的信號光進入相位測量模塊還是Z基矢時間解碼模塊，可直接通過設(shè)計基矢選擇模塊來調(diào)節(jié)第二概率比。因此，本實用新型不受控于第三方，且易于實現(xiàn)第二概率比的靈活多樣性，以便于根據(jù)實際應(yīng)用情況調(diào)節(jié)第二概率比使系統(tǒng)成碼率最高，尤其適用于非平衡基矢選擇方案(即第一概率比和第二概率比不為1的情況)。

基矢選擇模塊可以根據(jù)若干光器件組合實現(xiàn)上述功能，也可以通過單個光器件完成。作為優(yōu)選，本實用新型中直接采用一個三端口的分束器作為基矢選擇模塊，該分束器具有一個輸入端，兩個分別與相位測量模塊連接和Z基矢時間測量模塊連接的輸出端，且與Z基矢時間測量模塊連接的輸出端輸出光的能量為另一輸出端輸出光的能量的比值與第二概率比相對應(yīng)：若第二概率比為選擇Z基矢時間測量模塊的概率與選擇相位測量模塊的概率比，則該比值與第二概率比相等，反之，則該比值為第二概率比的倒數(shù)。當需要調(diào)節(jié)第二概率比時，僅需要更換為相應(yīng)分束比的分束器即可。

所述編碼單元還包括第一分束模塊，用于將所述的信號光分為兩束第一子信號光并通過不同光路中傳輸以供相位編碼模塊和Z基矢時間編碼模塊進行編碼。

所述的相位編碼模塊用于對兩束第一子信號光進行相位調(diào)制使兩束第一子信號光的存在預(yù)設(shè)的相位差以完成編碼(在相位編碼模塊為X基矢相位編碼時，所述的相位差為0或π，在相位編碼模塊為Y基矢相位編碼時，所述的相位差為π/2或3π/2)，所述Z基矢時間編碼模塊用于對其中一束第一子信號光進行強度調(diào)制使該束第一子信號光的強度為0以完成編碼。

可直接在兩路第一子信號光的光路上設(shè)置受控于控制單元的強度調(diào)制器和相位調(diào)制器實現(xiàn)。為節(jié)省成本、降低插入損耗，僅配置一個相位調(diào)制器和一個強度調(diào)制器，二者都可以安設(shè)在其中的任意一條光路中，二者安設(shè)位置互不相干，可同時安設(shè)在同一光路上，也可安設(shè)在不同光路上。

作為優(yōu)選，所述第一分束模塊用于將所述信號光分為兩束能量相等的第一子信號光。

兩路第一子信號光的能量相同，此時，接收端接收到的兩路第一子信號光的能量相等，采用相位解碼時的干涉比最高，進而提高成碼率。實際應(yīng)用時，由于兩束第一子信號光傳輸至相位測量模塊所經(jīng)光路的不一致性，可能會存在不同的損耗，因此，為保證接收端中相位測量模塊接收到的兩路光信號能量一致，所述第一分束模塊用于將所述信號光分為兩束能量比可在1:1附近小幅度微調(diào)?？紤]到實現(xiàn)成本，本實用新型中第一分束模塊采用分束比接近1：1的分束器實現(xiàn)。

兩束第一子信號光通過不同光路傳輸至接收端的過程中會出現(xiàn)時間、相位、偏振態(tài)等變化不一致的情況，進而導(dǎo)致干涉效率不高，由于是遠距離傳輸時該情況更加嚴重。為避免該情況出現(xiàn)，本實用新型的量子密鑰分配系統(tǒng)中：所述發(fā)送端和接收端之間通過一條量子信道連通，所述編碼單元還包括：

第一延時模塊，用于對在不同光路上傳輸?shù)膬墒谝蛔有盘柟膺M行相對延時；合路模塊，用于將所述的兩束第一子信號光合為一路后通過所述量子信道發(fā)送給接收端。

相應(yīng)的，所述相位測量模塊還包括：

第二分束模塊，用于將接收到的合為一路的兩束第一子信號光分為兩路第二子信號光并通過不同光路輸出；第二延時模塊，與第一延時模塊相匹配，用于對第二分束模塊輸出的兩路第二子信號光進行相對延時以進行干涉。

兩路第二子信號光可以分別對應(yīng)為兩束第一子信號光的一束，(即其中一路第二子信號光為一束第一子信號光，另一路第二子信號光為另一束第一子信號光)，也可以是每一路第二子信號光中都包含兩束第一子信號光中的一部分，具體取決于系統(tǒng)光路。

根據(jù)每一路第二子信號光的組成，干涉可以為部分干涉，也可以為完全干涉。當兩路第二子信號光可以分別對應(yīng)為兩束第一子信號光的一束，可以進行完全干涉。

第一延時模塊和第二延時模塊進行相對延時的時長均無特殊要求，可根據(jù)實際應(yīng)用需求設(shè)定。但是需要保證經(jīng)過第二延時模塊延時后最終兩路第二子信號光能夠同時到達某一位置，保證能夠發(fā)生干涉進行X基矢解碼。

作為優(yōu)選，所述編碼單元還包括偏振控制模塊，用于調(diào)節(jié)兩束第一子信號光的偏振態(tài)使其中一束為水平偏振光，另一束為垂直偏振光。

相應(yīng)的，所述的第二分束模塊根據(jù)兩束第一子信號光的偏振態(tài)將合路后的兩束第一子信號光重新分為兩路第二子信號光且將兩路第二子信號光的偏振態(tài)調(diào)為一致。

通過調(diào)節(jié)偏振態(tài)后根據(jù)光的偏振態(tài)進行路徑選擇后，相位測量模塊分束得到的兩路第二子信號光實際上為發(fā)送端合路后的兩束第一子信號光，因此干涉時的干涉效率理論上可達到100％，大幅度提高了成碼率。

本實用新型還提供了一種時間-相位編碼裝置，包括用于形成信號光的光源模塊以及用于對所述信號光進行時間相位編碼的編碼單元，所述的編碼單元包括相位編碼模塊和Z基矢時間編碼模塊，所述相位編碼模塊為X基矢相位編碼模塊或Y基矢相位編碼模塊。

X基矢相位編碼模塊和Z基矢時在實際應(yīng)用時，所述時間-相位編碼裝置按照第一概率比隨機使相位編碼模塊和Z基矢時間編碼模塊中的一個對發(fā)送端中光源發(fā)出的信號光進行編碼以將發(fā)送端中隨機數(shù)發(fā)生單元產(chǎn)生的隨機數(shù)加載至所述信號光上并發(fā)送給接收端。

作為優(yōu)選，所述第一概率比不為0和1。概率比不為1，實現(xiàn)非平衡基矢編碼，提高成碼率。

作為優(yōu)選，所述時間相位編碼裝置還包括第一分束模塊，用于將所述的信號光分為兩束在不同光路中傳輸?shù)牡谝蛔有盘柟庖怨┫辔痪幋a模塊和Z基矢時間編碼模塊進行編碼。

其中，所述第一分束模塊用于將所述信號光分為兩束能量相等的第一子信號光。

進一步優(yōu)選，所述時間相位編碼裝置還包括：第一延時模塊，用于對在不同光路上傳輸?shù)膬墒谝蛔有盘柟膺M行相對延時；合路模塊，用于將所述的兩束第一子信號光合為一路后發(fā)送出去。

更優(yōu)的，所述時間相位編碼裝置還包括偏振控制模塊，用于調(diào)節(jié)兩束第一子信號光的偏振態(tài)使一束為水平偏振光，另一束為垂直偏振光。

偏振控制模塊可以僅包括一個部分，也可以使多個器件的組合，且為多個器件組合時，該多個器件可以集成為一體，也可以根據(jù)需要分別分散設(shè)置在時間相位編碼裝置中光路的不同位置，進一步為便于實現(xiàn)器件小型化，可直接集成至光路中某一器件中。

本實用新型還提供了一種時間-相位解碼裝置，包括用于對接收到的經(jīng)過時間相位編碼的信號光進行時間相位解碼的解碼單元，所述解碼單元包括相位測量模塊、Z基矢時間測量模塊和基矢選擇模塊，所述基矢選擇模塊用于隨機將所述信號光輸入到相位測量模塊和Z基矢時間測量模塊中的一個進行測量以進行相應(yīng)的解碼處理，所述相位測量模塊為X基矢測量模塊或Y基矢測量模塊。

本實用新型中基矢選擇模塊用于按照第二概率比將來自于發(fā)送端的光信號輸入到相位測量模塊和Z基矢時間測量模塊中的一個進行測量以完成相應(yīng)的解碼處理。通過解碼得到的解碼結(jié)果攜帶有測量基矢信息。作為優(yōu)選，所述第二概率比均不為0和1。

所述的時間-相位解碼裝置還包括：

第二分束模塊，用于將接收到的合為一路的兩束第一子信號光分為兩路第二子信號光并通過不同光路輸出；第二延時模塊，用于對第二分束模塊輸出的兩路第二子信號光進行相對延時以發(fā)生干涉。

其中，所述的第二分束模塊根據(jù)兩束第一子信號光的偏振態(tài)將合路后的兩束第一子信號光重新分為兩路第二子信號光且將將兩路第二子信號光的偏振態(tài)調(diào)為一致。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有如下優(yōu)點：

現(xiàn)有相位編碼系統(tǒng)在接收端的測量部分需要加入相位調(diào)制器，用來選擇X或Y測量基矢，所加入的相位調(diào)制器會帶來額外插入損耗降低成碼率。本實用新型在接收端不需要加相位調(diào)制器，能夠大大降低插入損耗，提高成碼率；

現(xiàn)有相位編碼系統(tǒng)需要使用信號發(fā)生器產(chǎn)生高速隨機電信號主動控制非平衡基矢的選擇，成本較高，且由于器件本身性能限制了系統(tǒng)相位的精確調(diào)制，從而降低成碼率。本實用新型可以根據(jù)需要改變反射光進入Z基矢時間探測模塊分束比例，無需主動調(diào)制即可實現(xiàn)測量端的被動非平衡基矢的高效QKD方案。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有的基于相位編碼的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；

圖2為實施例1的基于時間-相位編碼的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；

圖3a是實施例2的編碼單元的示意圖；

圖3b是實施例2的相位測量模塊的示意圖；

圖4a是實施例3的編碼單元的示意圖；

圖4b是實施例3的解碼單元的示意圖；

圖5a是實施例4的編碼單元的示意圖；

圖5b是實施例4的相位測量模塊的示意圖；

圖6a是實施例5的編碼單元的示意圖；

圖6b是實施例5的解碼單元的示意圖；

圖7a是實施例6的編碼單元的示意圖；

圖7b是實施例6的相位測量模塊的示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖通過具體實施方式對本實用新型作進一步的說明。

實施例1

如圖2所示，本實施例的基于時間-相位編碼的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)，包括通過量子信道進行相互光連接的發(fā)送端(Alice)和接收端(Bob)，發(fā)送端包括用于形成信號光的光源模塊以及用于對信號光進行時間相位編碼處理的編碼單元，接收端中相應(yīng)設(shè)有用于對經(jīng)過發(fā)送端中編碼單元進行時間相位編碼處理后的信號光進行時間相位解碼處理的解碼單元。

本實施例的量子信道為光纖、自由空間和平面波導(dǎo)。

本實施例中光源模塊為脈沖光源1，是理想單光子源或結(jié)合誘騙態(tài)的弱相干光源，能夠發(fā)出的信號光為單光子脈沖。

在實際應(yīng)用時，QKD系統(tǒng)的發(fā)送端中還設(shè)有隨機數(shù)發(fā)生器，同步光源等，且發(fā)送端和接收端分別設(shè)有相應(yīng)的主控單元以控制接收端和發(fā)送端中各個組成部分(或單元、模塊)的工作、且發(fā)送端和接收端的控制單元之間通信連接，可進行信息傳遞，進而完成量子密鑰分發(fā)，以在發(fā)送端和接收端之間實現(xiàn)異地共享的量子密鑰。

編碼單元包括Z基矢時間編碼模塊和相位編碼模塊，相位編碼模塊為X基矢相位編碼模塊或Y基矢相位編碼模塊；解碼單元包括Z基矢時間測量模塊和相位測量模塊，相位測量模塊為X基矢相位測量模塊或Y基矢相位測量模塊，且與發(fā)送端中的相位編碼模塊相適應(yīng)。

本實用新型中相位測量模塊與發(fā)送端中的相位編碼模塊相適應(yīng)應(yīng)理解為：

在相位編碼模塊為X基矢相位編碼模塊時，相位測量模塊應(yīng)該為X基矢測量模塊；反之，在相位編碼模塊為Y基矢相位編碼模塊時，相位測量模塊應(yīng)該為Y基矢測量模塊。

下面將以相位編碼模塊為X基矢相位編碼模塊為例進行說明，對于相位編碼模塊為Y基矢相位編碼模塊的情況不再贅述。

編碼單元還包括第一分束模塊，用于將光源模塊發(fā)出的信號光分為兩束第一子信號光并通過不同光路中輸出以供X相位編碼模塊和Z基矢時間編碼模塊進行編碼。且第一分束模塊將信號光分為兩束能量相等的第一子信號光。

本實施例中第一分束模塊為分束器2，且其分束比為1:1(實際上可在1:1附近微調(diào))。具體如圖2所示，該分束器2包括三個端口，分別為2A、2B、2C，其中2A為輸入端口，用于接收光源模塊輸出的信號光，2B、2C分別為輸出端口，分別將分束得到的兩束第一子信號光輸出到不同光路上。

本實施例中X基矢相位編碼模塊基于相位調(diào)制原理實現(xiàn)，通過對經(jīng)由第一分束模塊分為兩束的第一子信號光進行相位調(diào)制使二者之間的相位差為0或π即完成相位編碼。

本實施例中Z基矢時間編碼模塊基于強度調(diào)制原理實現(xiàn)，通過對其中一束第一子信號光進行強度調(diào)制使該束第一子信號光的強度為接近0的真空態(tài)，且進一步對兩束子信號光進行相對延時以實現(xiàn)時間上區(qū)別進而完成時間編碼。

本實施例中發(fā)送端和接收端之間僅一條量子信道。為保證分束后的信號光能夠在同一條量子信道中傳輸，編碼單元還包括合路模塊，用于將兩束第一子信號光合為一路后通過該條量子信道發(fā)送給接收端。

本實施例中合路模塊為一分束器(圖中分束器5)，其分束比為1:1，設(shè)有三個端口，分別為5A、5B和5C，其中5B、5C作為輸入端口，5A作為輸出端口。5B通過相位調(diào)制器3和延時線4與分束器2的端口2C相連，5C與分束器2的端口2B相連。

作為一種相位編碼的實現(xiàn)方式：可在兩束子信號光的其中一束的光路上設(shè)置一相位調(diào)制器3，也可將相位調(diào)制器3設(shè)置在合路后的光路上，即在分束器5的5A端口和量子信道7之間對兩束子信號光中的一束進行相位調(diào)制使兩束子信號光的相位差達到0或π。

如圖2所示，本實施例中將強度調(diào)制器設(shè)置在合路后的光路上，即使分束器5的5A與強度調(diào)制器相6連以將合束后的信號光發(fā)送給強度調(diào)制器6進行強度調(diào)制。此時，經(jīng)強度調(diào)制器6調(diào)制后的信號光直接經(jīng)由量子信道7發(fā)送至接收端。

作為一種時間編碼的實現(xiàn)方式：

在兩束子信號光的其中一束的光路上設(shè)置第一延時模塊，用于對兩束子信號光進行相對延時以進行時間上分辨，本實施例中第一延時模塊為延時線4；

并在兩束子信號光的光路上設(shè)置兩個強度調(diào)制器或在合路后的光路上設(shè)置一個強度調(diào)制器6，以進行強度調(diào)制。

本實施例中相位調(diào)制器和強度調(diào)制器均受控于發(fā)送端中的主控單元，二者在主控單元的控制下協(xié)同對信號光進行相位調(diào)制或強度調(diào)制，例如，在預(yù)設(shè)的時間段內(nèi)，若對信號光進行了相位調(diào)制，則不再對該信號光進行強度調(diào)制。且對信號光進行相位調(diào)制還是時間調(diào)制完成隨機，本實施例中選擇相位調(diào)制和選擇時間調(diào)制的概率不同，但是概率之和為1。

如圖2所示，接收端中的解碼單元包括相位測量模塊和Z基矢時間測量模塊。為保證接收到的光信號進行路徑選擇，解碼單元還設(shè)有基矢選擇模塊，該基矢選擇模塊用于按照預(yù)設(shè)的概率比將來自于發(fā)送端的光信號(經(jīng)過時間相位編碼后的光信號)輸入到相位測量模塊和Z基矢時間測量模塊中的一個進行測量以得到攜帶有解碼結(jié)果和測量基矢信息的測量結(jié)果并反饋給接收端中的控制單元。

本實施例中基矢選擇模塊采用分束器8實現(xiàn)，其分束比等于預(yù)設(shè)的概率比，具體根據(jù)發(fā)送端中采用相位編碼與采用時間編碼的概率比設(shè)定，且使進入相位測量模塊的概率與進入Z基矢時間測量模塊的概率之比正比于發(fā)送端中采用相位編碼的概率與采用時間編碼的概率之比。

分束器8設(shè)有3個端口，分別為8A、8B和8C，其中8A作為輸入端，通過量子信道7接收來自發(fā)送端的信號光(經(jīng)過時間相位編碼后的)，8B和8C分別與相位測量模塊和Z基矢時間測量模塊相連以輸入信號光。

由于信號光為單光子脈沖，根據(jù)單光子的不可分割原理，經(jīng)過分束器8的信號光要么由8B輸出，要么由8C輸出。

如圖2所示，Z基矢時間測量模塊包括一單光子探測器12，該單光子探測器與作為基矢選擇模塊的分束器8中的端口8C連接以對接收到的信號光進行強度測量。

相位解碼基于干涉原理實現(xiàn)，如圖2所示，本實施例中的相位測量模塊包括第二分束模塊、第二延時模塊、合束模塊和探測器模塊。具體如下：

第二分束模塊，用于將接收到的合為一路的兩束第一子信號光分為兩路第二子信號光并通過不同光路輸出；

本實施例中第二分束模塊直接采用分束器(分束器9)實現(xiàn)，分束器9設(shè)有3個端口，分為9A、9B和9C，其中9A作為輸入端，與分束器8的輸出端口8B連接以接收信號光，9B和9C作為輸出端口，將9A接收到的信號光分為兩路后并進行輸出。

第二延時模塊，與第一延時模塊相匹配，用于對第二分束模塊輸出的兩路第二子信號光進行相對延時以使兩路第二子信號光能夠發(fā)生干涉；

與第一延時模塊相同，第二延時模塊為延時線10，且與第一延時模塊的延時時長相同，具體延時時長以保證單光子探測器能夠探測到為準。作為一種實現(xiàn)方式，本實施例中延時線10設(shè)置在分束器9的9C輸出的一路光路上。

合束模塊，用于將第二分束模塊分出的兩路第二子信號光合束以發(fā)生干涉并將兩種干涉結(jié)果分為兩路輸出。兩種干涉結(jié)果分別指兩路第二子信號光的相位差(相應(yīng)的第一子信號光的相位差)為0時干涉的結(jié)果和相位差為π干涉時的結(jié)果。

本實施例中每一路第二子信號光實際上包括兩束光，該兩束光分別對應(yīng)于兩束第一子信號光經(jīng)過第二分束模塊分束后進入該路的部分。因此，本實施例的干涉為部分干涉。

本實施例中合束模塊采用分束器11實現(xiàn)，分束比為1:1，分束器設(shè)有4個端口，分別為11A、11B、11C和11D，其中11A和11C均作為接收端，11A與分束器9的9B連接，11C通過延時線10與分束器9的9C連接，11B和11D為輸出端，分別輸出兩種干涉結(jié)果。

探測器模塊，用于對合束模塊輸出的干涉后的兩種不同干涉結(jié)果進行測量。

本實施例中探測器模塊中設(shè)有兩個單光子探測器，分別為單光子探測器13和單光子探測器14，分別探測來自合束模塊的兩種不同干涉結(jié)果。本實施例中單光子探測器13與分束器11的11B連接以對其輸出的結(jié)果進行強度測量，單光子探測器14與分束器11的11D連接以對其輸出的結(jié)果進行強度測量。

Z基矢下探測根據(jù)接收到的光脈沖的有無(即是否接收到光脈沖)轉(zhuǎn)化成比特值，X基矢下探測是根據(jù)相位差不同到達不同的探測器轉(zhuǎn)化成比特值，生成比特值后通過經(jīng)典信道進行基矢比對，糾錯，隱私放大等后處理過程最終生成量子密鑰。

實施例2

與實施例1相同，不同之處在于，本實施例采用偏振分束器5a替代實施例1中發(fā)送端的分束器5，其中5B為透射端、5C為反射端，相應(yīng)的，采用偏振分束器9a替代實施例中接收端的分束器9，其中9B為透射端、9C為反射端，且在分束器9和延時線10之間增設(shè)一90°偏振旋轉(zhuǎn)器15，具體改動部分參見圖3a和圖3b。

實際上，90°偏振旋轉(zhuǎn)器15可以設(shè)置在分束器輸出的另一光路上。

工作時編碼和解碼方法均和實施例1相同，不同的是：

對于發(fā)送端，脈沖光源發(fā)出的線性偏振的信號光經(jīng)過分束器2分束形成兩路偏振信息相同的第一子信號光并經(jīng)由不同光路到達偏振分束器5a的兩個輸入端口(5B和5C)，兩路子信號光經(jīng)過偏振分束器5的透射和反射得到兩束偏振互相垂直的光脈沖并從偏振分束器5a的輸出端口5A輸出。

對于接收端，其接收到的信號光為兩束偏振態(tài)相互垂直的第一子信號光，相應(yīng)的相位測量模塊中的偏振分束器9a根據(jù)偏振態(tài)對接收到的信號光進行透射和反射，進而使兩束第一子信號光分開并分別在不同的光路中傳輸即得到兩路第二子信號光(兩路第二子信號光分別為兩束第一子信號)，其中一路第二子信號光經(jīng)由90°偏振旋轉(zhuǎn)器15的作用偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)90°，使兩路子信號光的偏振態(tài)一致，進而能夠在分束器11處干涉，且為完全干涉。

實施例3

與實施例2相同，不同之處在于，本實施例中走長路(延時線4所在光路)的第一子信號光通過反射端口5B進入偏振分束器5a，走短路的第一子信號光經(jīng)過透射端口5C進入偏振分束器5a(即延時線4與偏振分束器5a的反射端口5B連接，分束器2的2B與偏振分束器5a的透射端口5C連接)。

相應(yīng)的，為了在解碼單元兩束信號光能最終發(fā)生干涉，需在分束器8和偏振分束器9a之間增設(shè)一90°偏振旋轉(zhuǎn)器28，對兩束第一子信號光的偏振態(tài)進行改變，使得其中一束從水平偏振光變?yōu)榇怪逼窆?，另一束從垂直偏振光變?yōu)樗狡窆猓唧w改動部分參見圖4a 和圖4b。

實施例4

與實施例1相同，不同之處在于，本實施例將實施例1中的相位調(diào)制器、延時線、分束器(除了分束器8以外)均采用相應(yīng)的保偏器件替代，即采用保偏相位調(diào)制器3a替代實施例1中的相位調(diào)制器3、采用保偏偏振分束器5b、9b分別替代分束器5和9、采用保偏分束器2a、11a分別替代分束器2和11、采用保偏延時線4a和10a分別替代實施例1中的延時線4和10。相應(yīng)的，本實施例的量子信道只能為光纖。具體參見圖5a和圖5b所示。

工作時編碼和解碼方法均和實施例1相同，不同的是：

對于發(fā)送端，脈沖光源發(fā)出的線性偏振的信號光經(jīng)過保偏分束器2a分束形成兩束偏振信息相同的第一子信號光并經(jīng)由不同光路到達偏振保偏偏振分束器5c的兩個輸入端口(5B和5C)，兩束第一子信號光經(jīng)過偏振分束器5c的透射和反射得到兩束偏振互相垂直的光脈沖并從偏振分束器5b的輸出端口5A輸出。

對于接收端，其接收到的信號光為兩束偏振態(tài)相互垂直的第一子信號光，相應(yīng)的，相位測量模塊中的保偏偏振分束器9c根據(jù)偏振態(tài)對接收到的信號光進行透射和反射，進而使兩束第一子信號光的偏振態(tài)相同、并分開在不同的光路中傳輸即得到兩路第二子信號光(兩路第二子信號光中一路對應(yīng)為兩束第一子信號光的一束，一路為對應(yīng)為兩束第一子信號光的另一束、且偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)90°)，進而能夠在保偏分束器11a處干涉。

實施例5

與實施例4相同，不同之處在于，本實施例中走長路(保偏延時線4a所在光路)的第一子信號光經(jīng)過反射端口5B進入保偏偏振分束器5b的反射端口5B，走短路的第一子信號光經(jīng)過透射端口5C進入保偏偏振分束器5b。

相應(yīng)的，為了在解碼單元兩束信號光能最終發(fā)生干涉，需在分束器8和偏振分束器9b之間增設(shè)一90°偏振旋轉(zhuǎn)器29，對兩束第一子信號光的偏振態(tài)進行改變，使得其中一束從水平偏振光變?yōu)榇怪逼窆猓硪皇鴱拇怪逼窆庾優(yōu)樗狡窆?，具體改動部分參見圖6a和圖6b。

實施例6

與實施例1相同，不同之處在于，發(fā)送端中的編碼單元和接收端中的解碼單元中的相位測量模塊不同。

如圖7a所示，本實施例的編碼單元包括偏振分束器16，設(shè)有4個端口，分別為16A、16B、16C和16D，其中，16A與脈沖光源相連，16B依次連接有延時線17和90°法拉第旋轉(zhuǎn)鏡18，16C依次包括相位調(diào)制器19和90°法拉第旋轉(zhuǎn)鏡20，16D依次連接有強度調(diào)制器21，強度調(diào)制器21直接與量子信道連接以將編碼后的信號光發(fā)送給接收端。

16A接收脈沖光源1發(fā)出的信號光，并根據(jù)偏振態(tài)將脈沖光源1輸出的信號光分束器進行透射和反射以將接收到的信號光分為偏振態(tài)相互垂直的兩路，其中透射部分為水平偏振光，從16C輸出至相應(yīng)的光路，反射部分為垂直偏振光，從16B輸出至相應(yīng)的光路。

經(jīng)過16C和16B輸出的信號光到相應(yīng)光路中受到相應(yīng)90°法拉第旋轉(zhuǎn)鏡的作用，偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)90°后沿著原光路返回至偏振分束器16，其中：由16B返回的信號光變?yōu)樗狡窆猓客干?，并?6D輸出；由16C返回的信號光變?yōu)榇怪逼窆?，全部反射，并?6D輸出。且由于16B相連的光路上設(shè)有延時線17，因此，最終16D會輸出兩束偏振態(tài)相互垂直，一束為垂直偏振光，另一束為水平偏振光，且水平偏振光相對于垂直偏振光有延時。

相應(yīng)的，接收端中的解碼單元也應(yīng)進行適應(yīng)性改動，本實施例中解碼單元的改動在于相位測量模塊，具體如圖7b所示。相位測量模塊包括偏振分束器22，設(shè)有4個端口，分別為22A、22B、22C和22D，其中22A與基矢選擇模塊連接以接信號光，22B依次連接有λ/2波片23和探測器模塊，22C依次連接有延時線24和90°法拉第旋轉(zhuǎn)鏡25，22D連接有90°法拉第旋轉(zhuǎn)鏡26。

根據(jù)編碼單元的工作可知，偏振分束器22的22A接收到的信號光包括兩束子信號光，一束為垂直偏振光，另一束為水平偏振光，且水平偏振光相對于垂直偏振光有延時。

22A根據(jù)偏振態(tài)將接收到的信號光分為兩束輸出，具體：

垂直偏振光被反射并由22C輸出，經(jīng)過延時線24延時后，再經(jīng)過90°法拉第旋轉(zhuǎn)鏡25調(diào)為水平偏振光并沿原光路返回至偏振分束器22的22C，直接透射后從22B輸出。

水平偏振光被透射并由22D輸出，經(jīng)過90°法拉第旋轉(zhuǎn)鏡26調(diào)為垂直偏振光并沿原光路返回至偏振分束器22的22D，直接反射后從22B輸出。

可見，偏振分束器22的22B輸出的水平偏振光和垂直偏振光已經(jīng)不存在相對延時，二者在時間上已經(jīng)一致。

本實施例中，λ/2波片的快軸或慢軸方向與偏振分束器22的兩個偏振基矢成22.5°或-22.5°夾角，等效的使偏振分束器27從H/V基矢下的投影測量變?yōu)樵?45°/-45°基矢下的投影干涉，且干涉結(jié)果被探測器模塊測量。