本實(shí)用新型涉及量子保密通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

量子密鑰分發(fā)(QKD)是基于量子力學(xué)和密碼學(xué)而產(chǎn)生的，它的安全性由量子力學(xué)基本原理—海森堡測不準(zhǔn)原理和量子不可克隆定理保證，能夠確保密鑰分發(fā)和傳輸?shù)陌踩?。使用QKD系統(tǒng)產(chǎn)生的安全密鑰，結(jié)合“一次一密”的加密方法，可以實(shí)現(xiàn)無條件安全的保密通信。

密鑰生成速率即成碼率是衡量QKD系統(tǒng)性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)，高的成碼率可以加密更多的數(shù)據(jù)，形成更復(fù)雜的加密體系，但由于激光器、單光子探測器的工作頻率有限，僅含有單套量子發(fā)射裝置、量子接收裝置的QKD系統(tǒng)成碼率有限，采用波分復(fù)用技術(shù)(WDM)將多套QKD系統(tǒng)或含有多套量子發(fā)射裝置、量子接收裝置的QKD系統(tǒng)復(fù)用是提高成碼率的常用技術(shù)。如申請?zhí)?00680022303.7的中國專利申請公開了一種用于波分復(fù)用鏈路在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間實(shí)現(xiàn)量子密鑰分配的系統(tǒng)和方法，實(shí)現(xiàn)多個量子發(fā)射單元和多個量子接收單元的密鑰分發(fā)，這個QKD系統(tǒng)結(jié)構(gòu)能提高成碼率，但其結(jié)構(gòu)中每個量子接收單元需要兩個單光子探測器，當(dāng)有N個量子接收單元時，需要2N個單光子探測器，每個單光子探測器價格數(shù)十萬，多個單光子探測器的使用極大的增加了QKD系統(tǒng)成本，限制了其推廣應(yīng)用。

現(xiàn)有技術(shù)采用WDM技術(shù)將多套量子發(fā)射裝置、量子接收裝置復(fù)用是解決目前QKD系統(tǒng)的成碼率不高、多用戶接入和網(wǎng)絡(luò)化的常用技術(shù)。

參見圖1，現(xiàn)有基于波分復(fù)用的QKD系統(tǒng)包括發(fā)送端(Alice)、第一波分復(fù)用器(WDM1)、傳輸光纖、第二波分復(fù)用器(WDM2)、接收端(Bob)。Alice內(nèi)設(shè)置有多個光源和多個QKD編碼模塊，例如圖中的QKD編碼模塊1～QKD編碼模塊n，光源1～光源n，λ1、λ2……λn為每個光源發(fā)出的激光波長，其中任意兩個波長不相等；光源發(fā)出的光經(jīng)過衰減器(ATT)衰減到單光子狀態(tài)后進(jìn)入各自的QKD編碼模塊，每一個波長均對應(yīng)了一個QKD編碼模塊。WDM1將Alice中QKD編碼模塊輸出的多路不同波長的光信號復(fù)用到傳輸光纖中，WDM2將傳輸光纖中的多路不同波長的光信號解波分復(fù)用后，將不同波長的光輸入到Bob中的對應(yīng)QKD解碼模塊，Bob內(nèi)設(shè)置有多個QKD解碼模塊和多個單光子探測器，例如圖中的QKD解碼模塊1～QKD解碼模塊n，其中QKD解碼模塊1對應(yīng)單光子探測器D11和單光子探測器D12，QKD解碼模塊n對應(yīng)單光子探測器Dn1和單光子探測器Dn2，以實(shí)現(xiàn)QKD解碼功能。

Alice的QKD編碼模塊、Bob的QKD解碼模塊可以采用QKD系統(tǒng)中常用的偏振編碼或相位編碼的結(jié)構(gòu)，以不等臂MZ干涉相位編碼結(jié)構(gòu)為例，Alice和Bob分別用一長一短的兩臂各自組成一個不等臂的MZ干涉儀，且雙方擁有的干涉儀是完全相同的。例如一個從Alice發(fā)出的光子有四種可能的路經(jīng)到達(dá)單光子探測器D11和單光子探測器D12，分別是：

Alice短臂(L_AS)+Bob短臂(L_BS)；

Alice短臂(L_AS)+Bob長臂(L_BL)；

Alice長臂(L_AL)+Bob短臂(L_BS)；

Alice長臂(L_AL)+Bob長臂(L_BL)；

其中，經(jīng)過Alice短臂(L_AS)+Bob短臂(L_BS)的光子最早到達(dá)探測器，而經(jīng)過Alice長臂(L_AL)+Bob長臂(L_BL)的光子最后到達(dá)探測器，這兩種情況都沒有干涉現(xiàn)象。經(jīng)過Alice短臂(L_AS)+Bob長臂(L_BL)和Alice長臂(L_AL)+Bob短臂(L_BS)兩條不同路徑的光子同時到達(dá)探測器，是不可分辨的，會發(fā)生干涉現(xiàn)象，這個光子是到達(dá)D11還是D12，取決于這兩條路徑的相位差，在Alice短臂(L_AS)和Bob短臂(L_BS)中插入相位調(diào)制器PM，Alice和Bob雙方通過調(diào)整相位差實(shí)現(xiàn)對光子的編碼和解碼。

但現(xiàn)有技術(shù)中基于波分復(fù)用的QKD系統(tǒng)，一套偏振編碼BB84協(xié)議的量子接收裝置需要4個單光子探測器，一套相位編碼BB84協(xié)議的量子接收裝置需要2個單光子探測器，當(dāng)采用N套發(fā)射裝置、量子接收裝置復(fù)用時，至少需要2N個單光子探測器，而每個單光子探測器的價格都已經(jīng)十分昂貴，因此會使系統(tǒng)成本很高，不利于實(shí)際的推廣應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型提供一種QKD系統(tǒng)，在傳遞多路信號光需要分別探測時，避免采用多套單光子探測器，利用陣列探測器的方式不僅降低成本，也使產(chǎn)品上更利于集成化和小型化。

一種量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的接收端，包括對來自發(fā)送端的信號光依次處理的解碼模塊和探測器，所述信號光為至少兩路，所述探測器為陣列探測器，每路信號光在解碼模塊分別經(jīng)解碼后進(jìn)入陣列探測器中對應(yīng)的探測單元。

本實(shí)用新型中，發(fā)送端的信號光有多路，可以通過多根光纖、或多芯光纖或單根光纖等形式發(fā)送，在接收端接收后，針對各路信號光需要分別進(jìn)行解碼和探測，為了避免使用多套單光子探測器，采用了陣列探測器的方式，陣列探測器中具有多個探測單元，每個探測單元都可以視為一個單光子探測器，但整體而言，采用陣列探測器不僅降低成本，也利于產(chǎn)品小型化。

作為優(yōu)選，各信號光以波分復(fù)用的形式通過單根光纖輸入接收端，在接收端設(shè)有用于對各路信號光解復(fù)用的解復(fù)用器，該解復(fù)用器的輸出端連接解碼模塊。

在發(fā)送端，通過波分復(fù)用器可以將多路信號光用一根光纖傳遞出去，相應(yīng)的，接收端先對各路信號光解復(fù)用，而后至解碼模塊進(jìn)行解碼。

可選的，所述解碼模塊包括多個偏振解碼模塊，每個偏振解碼模塊接收所述解復(fù)用器的一路輸出。

可選的，所述解碼模塊包括多個相位解碼模塊，每個相位解碼模塊接收所述解復(fù)用器的一路輸出。

作為優(yōu)選，所述相位解碼模塊為不等臂干涉模塊，利用不等臂干涉模塊可將每路信號光經(jīng)分束以及延時處理后再次進(jìn)行干涉，并輸出兩路不同干涉結(jié)果，再對兩路不同干涉結(jié)果的分別探測。

可選的，所述陣列探測器為一個，解碼模塊的每路輸出接入該陣列探測器對應(yīng)的一個探測單元。

采用一個陣列探測器，各信號光經(jīng)解碼后得到的不同干涉結(jié)果均分別進(jìn)入陣列探測器對應(yīng)的一個探測單元。

可選的，所述陣列探測器有兩個，所述相位解碼模塊為不等臂干涉模塊，每個不等臂干涉模塊的兩路不同干涉結(jié)果分別輸入其中一個陣列探測器。

采用兩個陣列探測器時，可以分別處理其中一路干涉結(jié)果，這樣的話可以根據(jù)需要對來自不同路的信號光的干涉結(jié)果進(jìn)行二次復(fù)用傳輸，兩個陣列探測器可以采用線陣列探測器，降低陣列探測器的成本。可選的，所述陣列探測器為多通道超導(dǎo)納米線單光子探測器。

采用多通道超導(dǎo)納米線單光子探測器時，每個不等臂干涉模塊均輸出兩路不同干涉結(jié)果，所有不等臂干涉模塊的各路干涉結(jié)果分別接入多通道超導(dǎo)納米線單光子探測器中對應(yīng)的一個通道。

可選的，所述陣列探測器為基于負(fù)反饋結(jié)構(gòu)的陣列探測器，可以工作自由運(yùn)行模式，簡化系統(tǒng)控制方式。

采用兩個陣列探測器時，可選的，所述陣列探測器為兩個線陣列探測器，在接收端中還設(shè)有與每個線陣列探測器匹配的二次波分復(fù)用器和分光模塊，所有不等臂干涉模塊的其中一路干涉結(jié)果經(jīng)二次波分復(fù)用器復(fù)用后再通過分光模塊進(jìn)入線陣列探測器中對應(yīng)的一個探測單元。

所述二次波分復(fù)用器是相對于發(fā)送端對信號光的第一次波分復(fù)用處理而言，在此處相當(dāng)于進(jìn)行第二次波分復(fù)用處理。

可選的，所述分光模塊包括沿光路依次設(shè)置的準(zhǔn)直透鏡、分光棱鏡和聚焦透鏡。

可選的，所述分光模塊包括沿光路依次設(shè)置的準(zhǔn)直透鏡、衍射光柵和聚焦透鏡。

可選的，所述陣列探測器為面陣列探測器，在接收端中還設(shè)有密排光纖陣列和微透鏡陣列；解碼模塊的每路輸出依次經(jīng)密排光纖陣列和微透鏡陣列進(jìn)入面陣列探測器中對應(yīng)一個探測單元。

本實(shí)用新型還提供一種基于陣列探測器的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)，包括相匹配的發(fā)送端和接收端，所述接收端為本實(shí)用新型所述的接收端。

本實(shí)用新型在保持現(xiàn)有系統(tǒng)發(fā)送端不變的前提下，通過改進(jìn)接收端的探測器，降低了WDM復(fù)用QKD系統(tǒng)的成本，提高了QKD的成碼率。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有技術(shù)的QKD系統(tǒng)示意圖；

圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例1中探測器的示意圖；

圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例2中采用兩個陣列探測器時相應(yīng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為實(shí)施例2中色散棱鏡型分光模塊和1*N線陣列探測器的示意圖；

圖5為實(shí)施例2中衍射光柵型分光模塊和1*N線陣列探測器的示意圖；

圖6為實(shí)施例3中密排光纖陣列、微透鏡陣列和陣列探測器的示意圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

參見圖2，本實(shí)施例一種基于陣列單光子探測器的QKD系統(tǒng)，包括Alice、第一波分復(fù)用器(WDM1)、第二波分復(fù)用器(WDM2)和Bob。

Alice內(nèi)設(shè)置QKD編碼模塊1～QKD編碼模塊n，光源1～光源n，各光源發(fā)出的光經(jīng)過對應(yīng)的衰減器(ATT)衰減到單光子狀態(tài)后進(jìn)入各自的QKD編碼模塊，每一個波長均對應(yīng)了一個QKD編碼模塊。

WDM1將Alice中各QKD編碼模塊輸出的多路不同波長的光信號復(fù)用到傳輸光纖中，WDM2將傳輸光纖中的多路不同波長的光信號解波分復(fù)用后，將不同波長的光輸入到Bob中對應(yīng)的QKD解碼模塊1～QKD解碼模塊n，各個解碼模塊為不等臂干涉模塊，可將每路信號光經(jīng)分束以及延時處理后再次進(jìn)行干涉，并輸出兩路不同干涉結(jié)果進(jìn)入探測器。

參見圖3，本實(shí)施例中探測器采用多通道SNSPD，具有2n個輸入通道，每個通道對應(yīng)一個探測單元，例如QKD解碼模塊1的兩路不同干涉結(jié)果分別進(jìn)入探測單元D1和探測單元D2，QKD解碼模塊n的兩路不同干涉結(jié)果分別進(jìn)入探測單元D2n-1和探測單元D2n。單光子信號進(jìn)入多通道SNSPD的各個探測單元中，實(shí)現(xiàn)QKD系統(tǒng)中多路單光子信號探測。本實(shí)施例利用一個多通道SNSPD代替QKD系統(tǒng)中多個單光子探測器，既發(fā)揮了SNSPD高效率、高速、低噪聲的優(yōu)點(diǎn)，又減少了單光子探測器的使用，降低了成本。

多通道SNSPD可采用俄羅斯Scontel公司的6通道SNSPD，可以接入三套QKD解碼模塊，成碼率是單套QKD系統(tǒng)的三倍。

實(shí)施例2

參見圖3，本實(shí)施例與實(shí)施例1不同之處在于在探測部分設(shè)有第一陣列探測器、第二陣列探測器，并相應(yīng)的設(shè)有兩個波分復(fù)用器(WDM3和WDM4)和兩個分光模塊。

Bob內(nèi)每個波長對應(yīng)的QKD解碼模塊都有直通臂和交叉臂兩個輸出分別對應(yīng)兩種不同的干涉結(jié)果，QKD解碼模塊1對應(yīng)兩個輸出記為λ1直、λ1交，同理，QKD解碼模塊n對應(yīng)兩個輸出記為λn直、λn交。將各個QKD解碼模塊的直通臂輸出(λ1直、λ2直……λn直)與WDM3的輸入相連，WDM3將直通臂的各個波長復(fù)用到一根光纖中，攜帶有直通臂的多波長信息的WDM3輸出端與分光模塊1相連，分光模塊1將不同波長的光信號從空間上分開，入射到第一陣列探測器，第一陣列探測中的不同探測單元對應(yīng)于不同波長。

各個QKD解碼模塊的交叉臂輸出(λ1交、λ2交……λn交)與WDM4的輸入相連，WDM4將交叉臂的各個波長復(fù)用到一根光纖中，攜帶有交叉臂的多波長信息的第四WDM模塊輸出端與分光模塊2相連，分光模塊2將不同波長的光信號從空間上分開，入射到第二陣列探測器，第二陣列探測中的不同探測單元對應(yīng)于不同波長。

分光模塊1和分光模塊2相同，可以采用色散棱鏡或衍射光柵的來實(shí)現(xiàn)。第一陣列探測器、第二陣列探測器可以采用1*N的線陣列探測器。

采用色散棱鏡的分光模塊和1*N線陣列探測器的實(shí)施方式可見圖4，圖中色散棱鏡型的分光模塊包括有入射光纖、準(zhǔn)直透鏡、色散棱鏡、聚焦透鏡。

入射光纖輸入端與WDM3的輸出端相連，用于接收WDM3的輸出端的N個波長的直通臂光信號，入射光纖的輸出端放置于準(zhǔn)直透鏡的焦點(diǎn)F，準(zhǔn)直透鏡將入射光纖輸出的點(diǎn)光源準(zhǔn)直成一組波長為λ1直、λ2直……λn直的平行光入射到色散棱鏡，平行光經(jīng)過色散棱鏡后被分解成N組平行光，其中第一組平行光對應(yīng)波長λ1直，第二組平行光對應(yīng)波長λ2直，第N組平行光對應(yīng)波長λn直；N組平行光入射到聚焦透鏡，聚焦透鏡將互相平行的光匯聚到一個像點(diǎn)，N組平行光共有N個像點(diǎn)，其中第一組波長為λ1直平行光聚焦在第一陣列探測器的第1單元，第二組波長為λ2直平行光聚焦在第一陣列探測器的第2單元，第N組波長為λn直平行光聚焦在第一陣列探測器的第n單元；第一陣列探測器為1*N的InGaAs蓋革線陣APD，放置在聚焦透鏡的焦平面，蓋革線陣APD工作在異步模式，每個探測單元都有自己的激活、熄滅過程，即各個探測單元可以獨(dú)立工作。

1*N陣列探測器可以是Voxtel公司提供的Voxtel-QFC 1*64線陣探測器；1*N陣列探測器還可以是1*4SNSPD陣列探測器，SNSPD的使用可以降低暗計(jì)數(shù)、提高成碼率；具體可參見文獻(xiàn)《Superconducting-nanowire single-photon-detector linear array》(Applied Physics Letters，2013，103(14):142602-142602-4)。

色散棱鏡可以采用THORLABS公司的等邊色散棱鏡，該色散棱鏡在1550nm波長附近的色散率為：

dNdλ＝0.16*10-5

當(dāng)入射光按最小偏向角入射時，角度色散率為：

α為棱鏡的頂角，當(dāng)色散棱鏡為等邊三角形時，α＝60°，n為1550nm附近的折射率，取n＝1.6，線色散率為：

ε為焦平面對光線的傾斜角，當(dāng)正入射時，ε＝90°，D≈0.002f/nm，f是聚焦透鏡的焦距。

線色散率D表示為單位波長的兩條譜線在焦面上被分開的距離，線色散距離L＝D×Δλ，表示波長相差Δλ的兩條譜線在焦平面上被分開的距離，當(dāng)線色散距離L與陣列探測器的象元中心距ΔL相等時，可以剛好使兩個相鄰的波長落在陣列探測器的兩個相鄰單元中心，滿足空間上分光探測要求。

參見圖5，可以采用衍射光柵的分光模塊和1*N線陣列探測器，衍射光柵型分光模塊包括有入射光纖、準(zhǔn)直透鏡、衍射光柵、聚焦透鏡、陣列探測器。

入射光纖輸入端與WDM3的輸出端相連，用于接收WDM3的輸出端的N個波長的直通臂光信號，入射光纖的輸出端放置于準(zhǔn)直透鏡的焦點(diǎn)F，準(zhǔn)直透鏡將入射光纖輸出的點(diǎn)光源準(zhǔn)直成一組波長為λ1直、λ2直……λn直的平行光入射到衍射光柵，衍射光柵選用反射型，入射的平行光經(jīng)過反射式衍射光柵反射后被分解成N組平行光，其中第一組平行光對應(yīng)波長λ1直，第二組平行光對應(yīng)波長λ2直，第N組平行光對應(yīng)波長λn直；N組平行光入射到聚焦透鏡，聚焦透鏡將互相平行的光匯聚到一個像點(diǎn)，N組平行光共有N個像點(diǎn)，其中其中第一組波長為λ1直平行光聚焦在第一陣列探測器的第1單元，第二組波長為λ2直平行光聚焦在第一陣列探測器的第2單元，第N組波長為λn直平行光聚焦在第一陣列探測器的第n單元；陣列探測器采用1*N的InGaAs蓋革線陣APD。

衍射光柵可以采用THORLABS公司的反射式近紅外衍射光柵，衍射光柵的色散率與刻線的數(shù)目和譜線的級數(shù)有關(guān)，如THORLABS公司600線/mm的光柵一級譜線的色散率為1.46nm/rad，即角度色散率為

線色散率為：

線色散率D表示為單位波長的兩條譜線在焦面上被分開的距離，線色散距離L＝D×Δλ，表示波長相差Δλ的兩條譜線在焦平面上被分開的距離，當(dāng)線色散距離L與陣列探測器的象元中心距ΔL相等時，可以剛好使兩個相鄰的波長落在陣列探測器的兩個相鄰單元中心，滿足空間上分光探測要求。

對比公式(1)與公式(2)，相比色散棱鏡型，衍射光柵具有更大的線色散率，適合用于分辨更加精細(xì)的光譜和具有較大像元中心距的陣列探測器；色散棱鏡適合用于較小象元中心距的陣列探測器。

實(shí)施例3

參見圖6，與實(shí)施例2不同的是，Bob中在QKD解碼模塊后依次設(shè)置有密排光纖陣列、微透鏡陣列和陣列探測器。

Bob內(nèi)每個波長對應(yīng)QKD解碼模塊都有直通臂和交叉臂兩個輸出，QKD解碼模塊的輸出端口與密排光纖陣列的輸入端口相連，密排光纖陣列是將多根光纖有規(guī)則的集合成束以實(shí)現(xiàn)各在空間上排列成一定規(guī)則的光學(xué)元件，密排光纖陣列具有2N個光纖輸入端口和1個輸出端口，輸出端口具有2N個光纖象元，每根光纖的輸出端即為在密排光纖陣列的輸出端面上的一個像元，密排光纖陣列的輸出端面上象元的大小、排列由陣列探測器的探測單元的大小、排列確定，輸出端面上象元通過微透鏡陣列與陣列探測器的探測單元一一對應(yīng)，即陣列探測器中不同探測單元對應(yīng)著不同QKD解碼模塊的輸出信號。微透鏡陣列用于提高密排光纖陣列到陣列探測器的耦合效率。

本實(shí)施例的陣列探測器采用8*8面陣列探測器，可參見文獻(xiàn)《InGaAs/InP蓋革模式雪崩焦平面陣列的研制》(半導(dǎo)體光電，2015,36(3):356-360)。

象元中心距為150μm，QKD解碼模塊輸出的光纖是包層直徑為125μm，芯徑為9μm普通單模光纖，密排光纖陣列的光纖與QKD解碼模塊輸出相同的光纖，可以實(shí)現(xiàn)低損耗連接；在密排光纖陣列的輸出端，光纖象元直徑與光纖直徑相同，都為125μm，小于陣列探測器象元中心距(150μm)，因此密排光纖陣列輸出端的相鄰光纖象元之間間距為25μm。

一個8*8的面陣列探測器可以接收32路QKD系統(tǒng)解碼模塊的輸出信號；微透鏡陣列也采用了8*8的陣列設(shè)計(jì)，微透鏡單元直徑在125～150μm之間。

陣列探測器可以是8*8超導(dǎo)納米線(SNSPD)面陣列探測器，SNSPD面陣列探測器的使用可以降低暗計(jì)數(shù)、提高成碼率；可參見《A near-infrared 64-pixel superconducting nanowire single photon detector array with integrated multiplexed readout》(Applied Physics Letter,2015,106(19):221)

還可以是8*8陣列探測器，該陣列探測器基于負(fù)反饋結(jié)構(gòu)，可以工作自由運(yùn)行模式，簡化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，提高成碼率，可參見《Shortwave infrared negative feedback avalanche diodes and solid-state Photomultipliers》(Optical Engineering,2014,53(8):081908-081908)。