技术领域
[0001] 本
发明属于量子密码通信技术领域，特别涉及用于量子密码通信的编码器和解码器。
背景技术
[0002] 量子密码通信结合了量子物理原理和现代通信技术。量子密码通信藉由物理原理保障异地密钥协商过程和结果的安全性，与“一次一密”加密技术结合，可以实现不依赖
算法复杂度的保密通信。
[0003] 目前，量子密码技术的主要用光量子作为实现载体，通过自由空间或光纤信道进行分发。经典随机比特通过偏振编码、
相位编码等方式加载到光量子的偏振、相位等物理量之上。现今，光纤通信已经成为现代信息传输的
基础架构和发展趋势，在光纤信道中进行量子密码通信具有非常重要的意义和应用前景。在光纤信道中传输光量子
信号时，其偏振状态会受到光纤自身固有的双折射特性的影响，而光路和信道中的双折射特性会受到外界环境的影响而发生变化，因此为了保证偏振编码量子密码系统的
稳定性，需要使用偏振反馈装置。当系统受到的干扰变化较快时，反馈过程将变得更加耗时，保持系统稳定运行的难度也将大大增加。
[0004] 密钥生成速率是量子密码通信系统的核心指标之一。因此，高工作
频率的量子密码系统是量子密码通信技术发展的一个重要方向。随着系统工作频率的提高，系统需要使用高带宽的
相位调制器，由此会对系统实现会带来几方面的困难：
[0005] (1)要求偏振态相互垂直的
光子均能够在调相器中以较低损耗传输，而常规光通信等应用中使用的调相器大多只允许单一偏振态通过，与其垂直的偏振态在其中传输将具有较大损耗，因此对调相器设计的工艺和实现技术提出了特殊的要求；
[0006] (2)高带宽的电光相位调制器件一般需要以低阻抗
电阻进行匹配，因此需要驱动
电路提供较大的驱动
电流，并且长时间工作有可能产生热量，对系统稳定性造成影响；
[0007] (3)为了调制光子，使其获得稳定而精确的相位，需要调制驱动
电压在光子到达的时刻保持稳定，而往返式结构会使这一时间延长，从而有可能限制系统工作速率的提高；
[0008] (4)为了获得高带宽、稳定、精确可调、且具有较大驱
动能力的调相器驱动信号，对系统的驱动电路提出了更高的要求；
[0009] (5)收发双发都需要主动控制相位，因此，收发双方都需要有真随机数驱动源。
发明内容
[0010] 本发明提出了用于量子密码通信的编码器和解码器，可以实现BB84协议的编码和解码功能。本发明的特点在于：在发射端使用光学
开关器件使光脉冲随机通过多个干涉仪，干涉仪的长短臂之间的
相位差依次相差k·2π+π/2，从而可以完成BB84协议所需的编码功能；在接收端通过光学分束器被动的随机选择测量基，通过两个长短臂之间的相位差相差k·2π+π/2的干涉仪完成解码功能。通过使用多个干涉仪，可以无需在干涉仪中使用高速的相位调制器件，从而解决了往返时间对速度的限制，并且调相驱动电路可以使用低速设计方案和器件实现，大大降低了高速量子密码通信系统实现的难度，因此非常适合用于实现高速量子密码通信。如果使用采用法拉第反射镜的迈克尔逊干涉仪(F-M)结构，则可以具有对光路中偏振扰动的自适应补偿能力。
[0011] 根据本发明的一个方案，提出了一种用于量子密码通信的编码器，包括：由第一光学开关元件和第一编码干涉仪构成的第一分支；由第二光学开关元件和第二编码干涉仪构成的第二分支；由第三光学开关元件和第三编码干涉仪构成的第三分支；由第四光学开关元件和第四编码干涉仪构成的第四分支；一分四分光器，与输入端、所述第一分支、所述第二分支、所述第三分支和所述第四分支相连，用于将输入光脉冲分为四个光脉冲，分别输入到所述第一分支、所述第二分支、所述第三分支和所述第四分支；四合一合光器，与所述第一分支、所述第二分支、所述第三分支、所述第四分支和输出端相连，用于将所述第一分支、所述第二分支、所述第三分支和所述第四分支输出的编码后的光脉冲合为一路从输出端输出，其中，所述第一编码干涉仪对光脉冲进行干涉后生成的前后两个波包之间的相位差为第一预定相位 所述第二编码干涉仪对光脉冲进行干涉后生成的前后两个波包之间的相位差为所述第一预定相位+k·2π+π/2所述第三编码干涉仪对光脉冲进行干涉后生成的前后两个波包之间的相位差为所述第一预定相位+k·2π+π 所述第四编码干涉
仪对光脉冲进行干涉后生成的前后两个波包之间的相位差为所述第一预定相位+k·2π+3π/2 其中k是整数。
[0012] 优选地，所述编码器还可以包括：光学开关元件驱动电路，用于根据随机信号，随机导通所述第一光学开关元件、所述第二光学开关元件、所述第三光学开关元件和所述第四光学开关元件之一。
[0013] 优选地，所述编码器还可以包括：随机光强调制器，连接在所述输入端与所述一分四分光器之间，用于对所述输入光脉冲进行随机光强调制。更优选地，所述随机光强调制器可以选用
波导型电光强度调制器，所述输入端至所述一分四分光器之间可以采用保偏型单模光纤。
[0014] 优选地，所述编码器还可以包括：
衰减器，连接在所述四合一合光器与所述输出端之间，用于对输出光脉冲进行光强控制，使光脉冲达到单光子量级。
[0015] 优选地，所述编码器还可以包括：随机光强调制器，连接在所述四合一合光器与所述输出端之间，用于对输出光脉冲进行随机光强调制，实现诱骗态协议。
[0016] 优选地，所述编码器还可以包括：衰减器，连接在所述四合一合光器与所述随机光强调制器之间，或连接在随机光强调制器与所述输出端之间，用于对输出光脉冲进行光强控制，使光脉冲达到单光子量级。
[0017] 优选地，所述一分四分光器将输入光脉冲等分为四个光脉冲，分别输入到所述第一分支、所述第二分支、所述第三分支和所述第四分支。更优选地，所述一分四分光器的输入选用保偏型单模光纤。
[0018] 优选地，所述第一光学开关元件、所述第二光学开关元件、所述第三光学开关元件和所述第四光学开关元件是电光强度调制器、微光
机电系统光开关、基于非线性效应的全光开关(NOLM和SOA)、或机械型光学开关元件。更优选地，所述第一光学开关元件、所述第二光学开关元件、所述第三光学开关元件和所述第四光学开关元件是波导型电光强度调制器。
[0019] 优选地，所述第一编码干涉仪、所述第二编码干涉仪、所述第三编码干涉仪和所述第四编码干涉仪是使用法拉第反射镜的迈克尔逊干涉仪或Mach-Zehnder型干涉仪。
[0020] 优选地，所述第一光学开关元件连接在所述一分四分光器与所述第一编码干涉仪之间，或者连接在所述第一编码干涉仪与所述四合一合光器之间；所述第二光学开关元件连接在所述一分四分光器与所述第二编码干涉仪之间，或者连接在所述第二编码干涉仪与所述四合一合光器之间；所述第三光学开关元件连接在所述一分四分光器与所述第三编码干涉仪之间，或者连接在所述第三编码干涉仪与所述四合一合光器之间；所述第四光学开关元件连接在所述一分四分光器与所述第四编码干涉仪之间，或者连接在所述第四编码干涉仪与所述四合一合光器之间。
[0021] 根据本发明的另一方案，提出了一种用于量子密码通信的解码器，包括：由第一解码干涉仪和第一单光子探测器、第二单光子探测器构成的第一分支；由第二解码干涉仪和第三单光子探测器、第四单光子探测器构成的第二分支；一分二分光器，与输入端、所述第一分支和所述第二分支相连，用于将输入光脉冲分为两个光脉冲，分别输入到所述第一分支和所述第二分支，其中，所述第一解码干涉仪和所述第二解码干涉仪各自输出的前后两个波包之间的相位差均为π，所述第一解码干涉仪和所述第二解码干涉仪中随机的一个解码干涉仪对应于{0，π}的一组基，所述第一解码干涉仪和所述第二解码干涉仪中的另一个解码干涉仪对应于{π/2，3π/2}的一组基。
[0022] 优选地，所述一分二分光器是
波长不敏感型器件，即，对不同波长的输入光，分光比实质上一致。
附图说明
[0023] 通过下面结合附图说明本发明的优选
实施例，将使本发明的上述及其它目的、特征和优点更加清楚，其中：
[0024] 图1是根据本发明的
光学编码器1000的示意方
框图；
[0025] 图2是根据本发明实施例的光学编码器1100的示意方框图；
[0026] 图3是根据本发明一个实施例的编码干涉仪1140-1的示意方框图；
[0027] 图4是根据本发明另一实施例的编码干涉仪1140-2的示意方框图；
[0028] 图5是根据本发明的光学解码器2000的示意方框图；以及
[0029] 图6是根据本发明实施例的光学编码器2100的示意方框图。
具体实施方式
[0030] 下面参照附图对本发明的优选实施例进行详细说明，在描述过程中省略了对于本发明来说是不必要的细节和功能，以防止对本发明的理解造成混淆。
[0031] 首先，将结合图1，对根据本发明的光学编码器1000进行详细说明，图1是根据本发明的光学编码器1000的示意方框图。
[0032] 如图1所示，光学编码器1000包括：由第一光学开关元件10301和第一编码干涉仪10401构成的第一分支；由第二光学开关元件10302和第二编码干涉仪10402构成的第二分支；由第三光学开关元件10303和第三编码干涉仪10403构成的第三分支；由第四光学开关元件10304和第四编码干涉仪10404构成的第四分支；一分四分光器1010，与输入端IN和第一～第四分支相连，用于将输入光脉冲分为四个光脉冲(可以是等比例或不等比例的)，分别输入到第一～第四分支；四合一合光器1020，与第一～第四分支和输出端OUT相连，用于将第一～第四分支输出的编码后的光脉冲合为一路从输出端OUT输出。
[0033] 第一光学开关元件10301可以连接在一分四分光器1010与第一编码干涉仪10401之间，或者连接在第一编码干涉仪10401与四合一合光器1020之间；第二光学开关元件10302可以连接在一分四分光器1010与第二编码干涉仪10402之间，或者连接在第二编码干涉仪10402与四合一合光器1020之间；第三光学开关元件10303可以连接在一分四分光器1010与第三编码干涉仪10403之间，或者连接在第三编码干涉仪10403与四合一合光器1020之间；第四光学开关元件10304可以连接在一分四分光器1010与第四编码干涉仪
10404之间，或者连接在第四编码干涉仪10404与四合一合光器1020之间。
[0034] 光学编码器1000还可以包括：光学开关元件驱动电路(未示出)，用于根据随机信号，随机导通第一～第四光学开关元件10301～10304之一。由此，可以选择第一～第四编码干涉仪10401～10404之一对输入光脉冲进行调制，即，只有一个分支起到调制编码的作用。
[0035] 一分四分光器1010可以将输入光脉冲等分为四个光脉冲，分别输入到所述第一分支、所述第二分支、所述第三分支和所述第四分支。
[0036] 第一～第四编码干涉仪10401～10404可以是使用法拉第反射镜的迈克尔逊干涉仪或Mach-Zehnder型干涉仪。光脉冲经过干涉仪后，被分为前后两个波包，前后波包相差的相位 由干涉仪的长短臂光路长度差△L和其中的调相器件调制的相位 决定。例如，相位差 可以满足以下公式：
[0037]
[0038] 对于实现BB84协议的系统，要求第一～第四编码干涉仪10401～10404的长短臂之间的相位差的相对相位差为k·2π+π/2(k是整数)。不考虑对调制解调无实际影响的k·2π分量，并将第一编码干涉仪10401所产生的相位差 作为相位的参考原点，则其余三个干涉仪(第二～第四编码干涉仪10402～10404)的调制位相差满足以下关系：
[0039]
[0040]
[0041]
[0042] 第一～第四光学开关元件10301～10304可以是电光强度调制器、微光机电系统光开关、基于非线性效应的全光开关(NOLM和SOA)、或机械型光学开关元件。为了满足告诉量子密钥分配的需要，更优选地，第一～第四光学开关元件10301～10304可以采用波导型电光强度调制器。
[0043] 在之前的相位编码的高速量子密码通信系统中，一般需要使用高调制带宽的波导型电光相位调制器件。本发明在用于高速量子密码通信系统中时，由于通过第一～第四光学开关元件10301～10304实现了快速的光子随机相位选择，因此可以使用慢速的调相器件，例如，压电陶瓷相位调制器件等，这大大降低了系统对于
电子学控制的要求。本发明所选用的调相器件不局限于高带宽器件，因此可以选择偏振不敏感型、以及具有极低插入损耗的调相器件(第一～第四编码干涉仪10401～10404)。
[0044] 图2～图4具体示出了根据本发明实施例的光学编码器1100和其中的编码干涉仪1140的示意方框图。
[0045] 参考图2，示出了根据本发明实施例的光学编码器1100的示意方框图。与图1中相同或相似的元件，以相似的附图标记标识，并在适当的情况下，省略对其的详细描述。
[0046] 光学编码器1100包括：由第一光学开关元件11301和第一编码干涉仪11401构成的第一分支；由第二光学开关元件11302和第二编码干涉仪11402构成的第二分支；由第三光学开关元件11303和第三编码干涉仪11403构成的第三分支；由第四光学开关元件11304和第四编码干涉仪11404构成的第四分支。一分四分光器1110，与第一～第四分支相连，用于将输入光脉冲分为四个光脉冲(可以是等比例或不等比例的)，分别输入到第一～第四分支；四合一合光器1120，与第一～第四分支相连，用于将第一～第四分支输出的编码后的光脉冲合为一路输出。
[0047] 光学编码器1100还包括：随机光强调制器1105，连接在输入端IN与一分四分光器1110之间，用于对输入光脉冲进行随机光强调制，从而实现诱骗态协议要求的随机光强调制功能；衰减器1125，连接在四合一合光器1120与输出端OUT之间，用于对输出光脉冲进行光强调制，实现光脉冲整体强度控制，使进入
量子信道的光脉冲达到单光子
水平。
[0048] 随机光强调制器(1105)和衰减器(1125)的设置并不局限于此。例如，作为另一示例(未示出)，随机光强调制器(1105)可以连接在四合一合光器(1120)与输出端(OUT)之间，用于对输出光脉冲进行随机光强调制，从而实现诱骗态协议要求的随机光强调制功能；衰减器(1125)可以连接在四合一合光器(1120)与随机光强调制器(1105)之间，或者可以连接在随机光强调制器(1105)与输出端(OUT)之间，用于对输出光脉冲进行光强控制，使光脉冲达到单光子量级。
[0049] 随机光强调制器可以选用波导型电光强度调制器。
[0050] 输入端IN至一分四分光器1110之间可以采用保偏型单模光纤。
[0051] 在本实施例中，第一～第四光学开关元件10301～10304是波导型高速光强调制器。
[0052] 类似地，光学编码器1100还可以包括：光学开关元件驱动电路(未示出)，用于根据随机信号，随机导通第一～第四光学开关元件11301～11304之一。由此，可以选择第一～第四编码干涉仪11401～11404之一对输入光脉冲进行调制，即，只有一个分支起到调制编码的作用。
[0053] 当前量子密码系统所使用的
光源大多为经过强衰减的相干态
激光器。这类光源存在一定比例(通常小于1％)的多光子脉冲。在量子信道较长时(通常约在30Km以上)会使系统无法达到理想的无条件安全。此类攻击被称作光子数分离(PNS)攻击。诱骗态技术通过随机调制每一个脉冲的光强(由随机光强调制器1105完成)，通过联立信号态和诱骗态的计数率和误码率方程组，评估窃听者获取的信息量，并计算最终的安全码率，从而达到抵御PNS攻击的目的。用于BB84协议的诱骗态实现的信号态、诱骗态光强通常分别设定为平均0.6光子/脉冲和0.2光子/脉冲，并将
真空态作为第二诱骗态。在本实施例中，诱骗态光强调制的速度应与光脉冲发送的速度相同，因此在高速系统中，通常使用一个单独的高速波导光强调制器1105进行诱骗态强度调制。由于第一～第四光学开关元件10301～10304使用高速波导类电光强度调制器，一般其插入损耗会随电压变化，此时可以通过对第一～第四光学开关元件10301～10304加载不同的开关电压，使通过相应光学开关元件
1030i的光强的衰减按照诱骗态的要求随机变化，可以省略随机光强调制器1105。
[0054] 图3和图4分别示出了可以用在本发明实施例中的编码干涉仪(第一～第四编码干涉仪11401～11404中的任意一个或多个)的示例实施例。
[0055] 图3是根据本发明一个实施例的使用法拉第反射镜的迈克尔逊干涉仪(F-M)1140-1的示意方框图。
[0056] 如图3所示，F-M干涉仪1140-1包括：2×2分光器1141、法拉第反射镜1145和1147、受控相位调制器件1143。2×2分光器1141同一侧的两端分别作为F-M干涉仪1140-1的输入端和输出端，2×2分光器1141另一侧的两端分别连接法拉第反射镜1145和1147，构成两个干涉臂。受控相位调制器件1143连接在这两个干涉臂之一上。
[0057] 受控相位调制器件1143可以是波导型相位调制器、压电陶瓷调相器等。进入F-M干涉仪1140-1的光脉冲首先经过2×2分光器1141(50：50分束器)分成相等的两个波包，分别进入不等臂干涉仪1140-1的长臂和短臂。由于法拉第反射镜的作用是将输入的任意⊥偏振光P的偏振状态变为其
正交态P 之后原路返回，设干涉仪单模光纤的琼斯矩阵为L，则这一过程可以描述为：
[0058]*
[0059] 其中， 表示矩阵共轭转置运算，FM表示法拉第反射镜的琼斯矩阵，(·) 表示矩阵共轭运算，det(·)表示矩阵行列式运算。由此可见，经过法拉第反射镜返回来的光脉冲再到达50：50分束器时的偏振态，总是与其输入时的偏振态正交。因为经过50：50分束器进入长短两臂的两个光脉冲波包的偏振态相同，因此反射回来的两个波包的偏振态也相同。对于信道扰动来说，由于这两个相同偏振的波包时间间隔很短，因此可以视为在信道中的偏振态变化相同，如果在接收端也采用同样的结构，则可以保证进行干涉的两个光脉冲波包的偏振态始终相同。由此，无论干涉仪和信道的光纤偏振状态如何变化，整个干涉系统都可以自适应地进行补偿，从而可以保证整个系统的偏振鲁棒性。
[0060] 图4是根据本发明另一实施例的Mach-Zehnder型干涉仪(M-Z)1140-2的示意方框图。
[0061] 如图4所示，M-Z干涉仪1140-2包括：1×2分光器1142(50：50分束器)、受控相位调制器件1144、2×1合光器1146(50：50合光器)。如图4所示，1×2分光器1142左侧的端口用作输入端口，光脉冲进入1×2分光器1142后分为两个光脉冲，分别通过包含了受控相位调制器件1144的臂和不包含受控相位调制器件1144的臂，之后，在2×1合光器1146处进行干涉，并从2×1合光器1146右侧的端口输出。受控相位调制器件1144可以采用与受控相位调制器件1143类似的元件构成。在图4所示的结构中，光脉冲只从干涉仪中单向通过。该结构无法完成对光路偏振态的自适应补偿，需要添加额外的偏振恢复模
块。
[0062] 接下来，将结合图5，对根据本发明的光学解码器2000进行详细说明，图5是根据本发明的光学解码器2000的示意方框图。
[0063] 如图5所示，解码器2000包括：由第一解码干涉仪20201和第一单光子探测器20301、第二单光子探测器20302构成的第一分支；由第二解码干涉仪20202和第三单光子探测器20303、第四单光子探测器20304构成的第二分支；一分二分光器2010，与输入端IN、第一分支和第二分支相连，用于将输入光脉冲分为两个光脉冲(可以是等比例或不等比例的)，分别输入到第一分支和第二分支，其中，第一解码干涉仪20201和第二解码干涉仪
20202各自输出的前后两个波包之间的相位差均为π，第一解码干涉仪20201对应于{0，π}的一组基，第二解码干涉仪20202对应于{π/2，3π/2}的一组基。一分二分光器2010在此可以作为一种量子随机数发生器，实现对BB84协议两组基的被动随机选择。第一解码干涉仪20201和第二解码干涉仪20202是两个独立的解码干涉仪，分别随机地对应于BB84协议的{0，π}、{π/2，3π/2}两组基，第一解码干涉仪20201和第二解码干涉仪20202的基础相位相差π/2。由干涉仪自身的干涉特性，决定了干涉仪两臂输出的光脉冲波包之间的相位差等于π，由此可以实现对BB84协议的四个量子态的解码。
[0064] 这里，出于系统安全性考虑，通过调节第一解码器与第二解码器的相位调制单元，使其与基矢分组的对应关系随机发生变化，调
制模式可以由解码端的随机发生器生成，且无需对外公布。
[0065] 一分二分光器2010可以采用波长不敏感型器件，即，对不同波长的输入光，分光比基本一致。
[0066] 第一解码干涉仪20201和第二解码干涉仪20202可以使用Mach-Zehnder型干涉仪(M-Z)，也可以采用使用法拉第反射镜的迈克尔逊干涉仪(F-M)。
[0067] 以下，将以F-M干涉仪为例，给出对本发明的具体实施例的详细说明。这里，采用F-M干涉仪的好处在于可以实现对光路偏振态变化的鲁棒性。
[0068] 图6是根据本发明实施例的光学编码器2100的示意方框图。与图5中相同或相似的元件，以相似的附图标记标识，并在适当的情况下，省略对其的详细描述。
[0069] 如图6所示，光学编码器2100包括：由第一环行器21251、第一解码干涉仪21201和第一单光子探测器21301、第二单光子探测器21302构成的第一分支；由第二环行器21252、第二解码干涉仪21202和第三单光子探测器21303、第四单光子探测器21304构成的第二分支；一分二分光器2110，与输入端IN、第一分支和第二分支相连，用于将输入光脉冲分为两个光脉冲(可以是等比例或不等比例的)，分别输入到第一分支和第二分支，其中，第一解码干涉仪21201和第二解码干涉仪21202各自输出的前后两个波包之间的相位差均为π，第一解码干涉仪21201对应于{0，π}的一组基，第二解码干涉仪21202对应于{π/2，3π/2}的一组基。
[0070] 经过一分二分光器2110分光的光脉冲波包分别经过第一环行器21251和第二环行器21252的1→2端口，进入第一解码干涉仪21201和第二解码干涉仪21202(迈克尔逊干涉仪)，干涉仪的两臂输出分别直接进入单光子探测器(第二单光子探测器21302和第四单光子探测器21304)，以及通过第一环行器21251和第二环行器21252的2→3端口进入单光子探测器(第一单光子探测器21301和第三单光子探测器21303)。由此可以完成光子量子态的解码。第一解码干涉仪21201和第二解码干涉仪21202中使用的相位调制器件，同样可以是低速调制的相位调制器件。
[0071] 第一解码干涉仪21201和第二解码干涉仪21202可以具有如图3所示的结构，包括安装在不等臂干涉仪的长臂或短臂上的受控相位调制器件。具体描述可参考图3的相关描述，在此不再赘述。
[0072] 针对诱骗态技术，可以实现两种强度的光脉冲、以及真空态一共三种状态的随机调制，其中实现真空态时，激光器不产生光脉冲(不发光)，即产生一个光子数为0的空脉冲(真空态)。可以通过对激光器的发光光强、或者对随机光强调制器1105的调制电压、或者对第一～第四光学开关元件10301～10304(波导型高速光强调制器)的调制电压进行调制或控制，以产生适当的光强和/或消光比。
[0073] 光学开关元件驱动电路可以由FPGA实现，随机信号可以由外部的真随机数或伪随机数发生器产生，也可以使用FPGA内部生成的随机序列。可以采用两比特高速串行信号来实现，以分别控制四个光学开关元件。例如，随机数00、01、10、11与四个光学开关元件10301～10304(11301～11304)之间的控制关系(通/断)可以采用下表所示来实现。
[0074]
[0075] 至此已经结合优选实施例对本发明进行了描述。应该理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种其它的改变、替换和添加。因此，本发明的范围不局限于上述特定实施例，而应由所附
权利要求所限定。
