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一种抗偏振扰动的 相位编码量子密钥分发系统

阅读：294发布：2023-01-23

专利汇可以提供一种抗偏振扰动的相位编码量子密钥分发系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种抗偏振扰动的相位编码量子密钥分发系统，包括发送模块和接收模块；所述接收模块包括光纤环形器、第一偏振分束器、第一马赫曾德尔干涉仪、第二偏振分束器、第一单光子探测器和第二单光子探测器；所述发送模块的输出端连接光纤环形器的输入端，光纤环形器的一个输出端连接第一单光子探测器的输入端，光纤环形器的另一个输出端与第一偏振分束器的输入端双向连接，第一偏振分束器的两个输出端与第一马赫曾德尔干涉仪的两端对应双向连接，第一马赫曾德尔干涉仪的另外两端均连接第二偏振分束器的输入端，第二偏振分束器的输出端连接第二单光子探测器的输入端。本发明消除了信道偏振扰动对分发系统的影响，提高了分发系统的稳定性。，下面是一种抗偏振扰动的相位编码量子密钥分发系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种抗偏振扰动的相位编码量子密钥分发系统，其特征在于：包括发送模块(1)和接收模块(2)；所述接收模块(2)包括光纤环形器(21)、第一偏振分束器(22)、第一马赫曾德尔干涉仪(23)、第二偏振分束器(24)、第一单光子探测器(25)和第二单光子探测器(26)；所述发送模块(1)的输出端连接光纤环形器(21)的输入端，光纤环形器(21)的一个输出端连接第一单光子探测器(25)的输入端，光纤环形器(21)的另一个输出端与第一偏振分束器(22)的输入端双向连接，第一偏振分束器(22)的两个输出端与第一马赫曾德尔干涉仪(23)的两端对应双向连接，第一马赫曾德尔干涉仪(23)的另外两端均连接第二偏振分束器(24)的输入端，第二偏振分束器(24)的输出端连接第二单光子探测器(26)的输入端。
2.根据权利要求1所述的一种抗偏振扰动的相位编码量子密钥分发系统，其特征在于：
所述发送模块(1)包括脉冲激光器(11)、强度调制器(12)、第二马赫曾德尔干涉仪(13)和电可调衰减器(14)；所述脉冲激光器(11)的输出端连接强度调制器(12)的输入端，强度调制器(12)的输出端连接第二马赫曾德尔干涉仪(13)的一端，第二马赫曾德尔干涉仪(13)的另一端连接电可调衰减器(14)的输入端，电可调衰减器(14)的输出端连接光纤环形器(21)的输入端。
3.根据权利要求2所述的一种抗偏振扰动的相位编码量子密钥分发系统，其特征在于：
所述第一马赫曾德尔干涉仪(23)和第二马赫曾德尔干涉仪(13)的结构相同；所述第一马赫曾德尔干涉仪(23)包括第一分束器(27)、第二分束器(28)和第一相位调制器(29)；所述第一分束器(27)的第一端分别与第二分束器(28)的第一端和第一相位调制器(29)的一端双向连接，第一相位调制器(29)的另一端与第二分束器(28)的第一端双向连接，第二分束器(28)的第二端与第一偏振分束器(22)的输出端双向连接，且第二分束器(28)的第二端连接第二偏振分束器(24)的输入端，第一分束器(27)的第二端与第一偏振分束器(22)的输出端双向连接，且第一分束器(27)的第二端连接第二偏振分束器(24)的输入端；
所述第二马赫曾德尔干涉仪(13)包括第三分束器(15)、第四分束器(16)、第二相位调制器(17)；所述第三分束器(15)的输出端分别连接第四分束器(16)和第二相位调制器(17)的输入端，第二相位调制器(17)的输出端连接第四分束器(16)的输入端，第四分束器(16)的输出端连接电可调衰减器(14)的输入端，第三分束器(15)的输入端连接强度调制器(12)的输出端。
4.根据权利要求3所述的一种抗偏振扰动的相位编码量子密钥分发系统，其特征在于：
所述第一马赫曾德尔干涉仪(23)和第二马赫曾德尔干涉仪(13)均采用不等臂马赫曾德尔干涉仪。
5.根据权利要求4所述的一种抗偏振扰动的相位编码量子密钥分发系统，其特征在于：
所述第一分束器(27)与第二分束器(28)直接相连接的连接段为第一马赫曾德尔干涉仪(23)的短臂，第一分束器(27)与第二分束器(28)经由第一相位调制器(29)相连接的连接段为第一马赫曾德尔干涉仪(23)的长臂；所述第三分束器(15)与第四分束器(16)直接相连接的连接段为第二马赫曾德尔干涉仪(13)的短臂，第三分束器(15)与第四分束器(16)经由第二相位调制器(17)相连接的连接段为第二马赫曾德尔干涉仪(13)的长臂。
6.根据权利要求5所述的一种抗偏振扰动的相位编码量子密钥分发系统，其特征在于：
由所述脉冲激光器(11)发出的脉冲经过所述强度调制器(12)的调制后，传输至第二马赫曾德尔干涉仪(13)，经由第二马赫曾德尔干涉仪(13)分束后出射的脉冲P1和脉冲P2传输至电可调衰减器(14)，经由电可调衰减器(14)衰减为光脉冲P1和光脉冲P2；所述光脉冲P1和光脉冲P2经过光纤环形器(21)后传输至第一偏振分束器(22)，光脉冲P1经由第一偏振分束器(22)分解成两个相互垂直的偏振光脉冲，即偏振光脉冲P1H和偏振光脉冲P1V，光脉冲P2经由第一偏振分束器(22)分解成两个相互垂直的偏振光脉冲，即偏振光脉冲P2H和偏振光脉冲P2V；其中，偏振光脉冲P1H和偏振光脉冲P2H均从上路进入第一分束器(27)，由于第一分束器(27)的分束，偏振光脉冲P1H分成两个脉冲并分别经由第一马赫曾德尔干涉仪(23)的短臂和长臂，偏振光脉冲P2H分成两个脉冲并分别经由第一马赫曾德尔干涉仪(23)的短臂和长臂，偏振光脉冲P1H和偏振光脉冲P2H分成的脉冲分别经由短臂和长臂之后同时到达第二分束器(28)进行干涉；同理，偏振光脉冲P1V和偏振光脉冲P2V从下路进入第二分束器(28)，并分别经由短臂和长臂到达第一分束器(27)进行干涉；所述偏振光脉冲P1H与偏振光脉冲P2H分成的脉冲在第二分束器(28)进行干涉之后，干涉结果分成两个分量分别在第一偏振分束器(22)和第二偏振分束器(24)处进行合成；同理，所述偏振光脉冲P1V和偏振光脉冲P2V分成的脉冲在第一分束器(27)进行干涉之后，干涉结果分成两个分量分别在第一偏振分束器(22)和第二偏振分束器(24)处进行合成；最终，由第一偏振分束器(22)合成的光脉冲通过第一单光子探测器(25)测量得到光子计数，由第二偏振分束器(24)合成的光脉冲通过第二单光子探测器(26)测量得到光子计数。

说明书全文

一种抗偏振扰动的相位编码量子密钥分发系统

技术领域

[0001] 本发明属于光纤量子密钥分发系统领域，具体地讲涉及一种抗偏振扰动的相位编码量子密钥分发系统。

背景技术

[0002] 光纤量子密钥分发系统一般采用单模光纤作为传输信道，但由于光纤信道存在固有双折射效应，使得光子在传输过程中偏振态会发生变化，且会随着外界环境的变化而改变，从而使得光子在进入接收端时偏振态无法预测。因此，传统的基于双不等臂马赫-增德尔干涉环方案的量子密钥分发系统稳定性差，容易受到环境干扰。

[0003] 为了提高量子密钥分发系统的稳定性与实用性，研究者提出了两类解决方案。其中一类是主动偏振补偿，在接收端增加偏振补偿模块，通过反馈控制进行偏振跟踪与补偿，这类方案会增加系统复杂度，耗时耗资源，且误码率偏高。另外一类是对偏振态被动补偿，如Plug-and-play(即插即用)往返式量子密钥分发系统，使用法拉第镜将入射光偏振态旋转90度的特性，来抵消光纤信道对光子偏振态的作用，从而保证系统的稳定性；但是，由于其往返式结构，使得这种方案存在安全隐患，容易受到木马攻击，而且系统的工作频率受到限制，光纤的拉曼散射效应也会增加系统噪声。还有一种解决方案是在发送端增加一个消偏器，在光子进入光纤信道之前进行偏振态随机化，这样可以消除光纤双折射效应以及环境扰动对偏振态的影响，在接收端增加一个偏振分束器进行起偏，可以获得稳定的干涉结果，但是这个方案会增加一倍的损耗，使系统的效率降低了一半。

发明内容

[0004] 根据现有技术中存在的问题，本发明提供了一种抗偏振扰动的相位编码量子密钥分发系统，其消除了信道偏振扰动对分发系统的影响，提高了分发系统的稳定性。

[0005] 本发明采用以下技术方案：

[0006] 一种抗偏振扰动的相位编码量子密钥分发系统，包括发送模块和接收模块；所述接收模块包括光纤环形器、第一偏振分束器、第一马赫曾德尔干涉仪、第二偏振分束器、第一单光子探测器和第二单光子探测器；所述发送模块的输出端连接光纤环形器的输入端，光纤环形器的一个输出端连接第一单光子探测器的输入端，光纤环形器的另一个输出端与第一偏振分束器的输入端双向连接，第一偏振分束器的两个输出端与第一马赫曾德尔干涉仪的两端对应双向连接，第一马赫曾德尔干涉仪的另外两端均连接第二偏振分束器的输入端，第二偏振分束器的输出端连接第二单光子探测器的输入端。

[0007] 优选的，所述发送模块包括脉冲激光器、强度调制器、第二马赫曾德尔干涉仪和电可调衰减器；所述脉冲激光器的输出端连接强度调制器的输入端，强度调制器的输出端连接第二马赫曾德尔干涉仪的一端，第二马赫曾德尔干涉仪的另一端连接电可调衰减器的输入端，电可调衰减器的输出端连接光纤环形器的输入端。

[0008] 进一步优选的，所述第一马赫曾德尔干涉仪和第二马赫曾德尔干涉仪的结构相同；所述第一马赫曾德尔干涉仪包括第一分束器、第二分束器和第一相位调制器；所述第一分束器的第一端分别与第二分束器的第一端和第一相位调制器的一端双向连接，第一相位调制器的另一端与第二分束器的第一端双向连接，第二分束器的第二端与第一偏振分束器的输出端双向连接，且第二分束器的第二端连接第二偏振分束器的输入端，第一分束器的第二端与第一偏振分束器的输出端双向连接，且第一分束器的第二端连接第二偏振分束器的输入端；

[0009] 所述第二马赫曾德尔干涉仪包括第三分束器、第四分束器、第二相位调制器；所述第三分束器的输出端分别连接第四分束器和第二相位调制器的输入端，第二相位调制器的输出端连接第四分束器的输入端，第四分束器的输出端连接电可调衰减器的输入端，第三分束器的输入端连接强度调制器的输出端。

[0010] 更进一步优选的，所述第一马赫曾德尔干涉仪和第二马赫曾德尔干涉仪均采用不等臂马赫曾德尔干涉仪。

[0011] 更进一步优选的，所述第一分束器与第二分束器直接相连接的连接段为第一马赫曾德尔干涉仪的短臂，第一分束器与第二分束器经由第一相位调制器相连接的连接段为第一马赫曾德尔干涉仪的长臂；所述第三分束器与第四分束器直接相连接的连接段为第二马赫曾德尔干涉仪的短臂，第三分束器与第四分束器经由第二相位调制器相连接的连接段为第二马赫曾德尔干涉仪的长臂。

[0012] 更进一步优选的，由所述脉冲激光器发出的脉冲经过所述强度调制器的调制后，传输至第二马赫曾德尔干涉仪，经由第二马赫曾德尔干涉仪分束后出射的脉冲P1和脉冲P2传输至电可调衰减器，经由电可调衰减器衰减为光脉冲P1和光脉冲P2；所述光脉冲P1和光脉冲P2经过光纤环形器后传输至第一偏振分束器，光脉冲P1经由第一偏振分束器分解成两个相互垂直的偏振光脉冲，即偏振光脉冲P1H和偏振光脉冲P1V，光脉冲P2经由第一偏振分束器分解成两个相互垂直的偏振光脉冲，即偏振光脉冲P2H和偏振光脉冲P2V；其中，偏振光脉冲P1H和偏振光脉冲P2H均从上路进入第一分束器，由于第一分束器的分束，偏振光脉冲P1H分成两个脉冲并分别经由第一马赫曾德尔干涉仪的短臂和长臂，偏振光脉冲P2H分成两个脉冲并分别经由第一马赫曾德尔干涉仪的短臂和长臂，偏振光脉冲P1H和偏振光脉冲P2H分成的脉冲分别经由短臂和长臂之后同时到达第二分束器进行干涉；同理，偏振光脉冲P1V和偏振光脉冲P2V从下路进入第二分束器，并分别经由短臂和长臂到达第一分束器进行干涉；所述偏振光脉冲P1H与偏振光脉冲P2H分成的脉冲在第二分束器进行干涉之后，干涉结果分成两个分量分别在第一偏振分束器和第二偏振分束器处进行合成；同理，所述偏振光脉冲P1V和偏振光脉冲P2V分成的脉冲在第一分束器进行干涉之后，干涉结果分成两个分量分别在第一偏振分束器和第二偏振分束器处进行合成；最终，由第一偏振分束器合成的光脉冲通过第一单光子探测器测量得到光子计数，由第二偏振分束器合成的光脉冲通过第二单光子探测器测量得到光子计数。

[0013] 本发明的有益效果在于：

[0014] 1)本发明通过接收模块的结构组成设置，可以将输入的光脉冲经由第一偏振分束器分解成两个相互垂直的偏振光脉冲，并且分别干涉之后再在第一偏振分束器和第二偏振分束器进行合成，相当于接收模块起到了一个与偏振无关的干涉仪的作用；使得偏振变化不影响干涉结果，进而实现抗信道偏振扰动，消除了信道偏振扰动对分发系统的影响，提高了分发系统的稳定性。

[0015] 2)本发明分解后的两个相互垂直的偏振光脉冲分别从相反的方向经过第一相位调制器，相当于整体偏振光脉冲仅经过一次相位调制，损耗没有额外增加，因此本分发系统在实现抗信道偏振扰动的同时，还能保持整体性能的高效性。附图说明

[0016] 图1为本发明的分发系统的结构组成图。

[0017] 附图标记：1-发送模块，2-接收模块，11-脉冲激光器，12-强度调制器，13-第二马赫曾德尔干涉仪，14-电可调衰减器，15-第三分束器，16-第四分束器，17-第二相位调制器，21-光纤环形器，22-第一偏振分束器，23-第一马赫曾德尔干涉仪，24-第二偏振分束器，25-第一单光子探测器，26-第二单光子探测器，27-第一分束器，28-第二分束器，29-第一相位调制器。

具体实施方式

[0018] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0019] 如图1所示，一种抗偏振扰动的相位编码量子密钥分发系统，包括发送模块1和接收模块2；所述接收模块2包括光纤环形器21、第一偏振分束器22、第一马赫曾德尔干涉仪23、第二偏振分束器24、第一单光子探测器25和第二单光子探测器26；所述发送模块1的输出端连接光纤环形器21的输入端，光纤环形器21的一个输出端连接第一单光子探测器25的输入端，光纤环形器21的另一个输出端与第一偏振分束器22的输入端双向连接，第一偏振分束器22的两个输出端与第一马赫曾德尔干涉仪23的两端对应双向连接，第一马赫曾德尔干涉仪23的另外两端均连接第二偏振分束器24的输入端，第二偏振分束器24的输出端连接第二单光子探测器26的输入端。

[0020] 所述发送模块1包括脉冲激光器11、强度调制器12、第二马赫曾德尔干涉仪13和电可调衰减器14；所述脉冲激光器11的输出端连接强度调制器12的输入端，强度调制器12的输出端连接第二马赫曾德尔干涉仪13的一端，第二马赫曾德尔干涉仪13的另一端连接电可调衰减器14的输入端，电可调衰减器14的输出端连接光纤环形器21的输入端。

[0021] 所述第一马赫曾德尔干涉仪23和第二马赫曾德尔干涉仪13的结构相同；所述第一马赫曾德尔干涉仪23包括第一分束器27、第二分束器28和第一相位调制器29；所述第一分束器27的第一端分别与第二分束器28的第一端和第一相位调制器29的一端双向连接，第一相位调制器29的另一端与第二分束器28的第一端双向连接，第二分束器28的第二端与第一偏振分束器22的输出端双向连接，且第二分束器28的第二端连接第二偏振分束器24的输入端，第一分束器27的第二端与第一偏振分束器22的输出端双向连接，且第一分束器27的第二端连接第二偏振分束器24的输入端；

[0022] 所述第二马赫曾德尔干涉仪13包括第三分束器15、第四分束器16、第二相位调制器17；所述第三分束器15的输出端分别连接第四分束器16和第二相位调制器17的输入端，第二相位调制器17的输出端连接第四分束器16的输入端，第四分束器16的输出端连接电可调衰减器14的输入端，第三分束器15的输入端连接强度调制器12的输出端。

[0023] 所述第一马赫曾德尔干涉仪23和第二马赫曾德尔干涉仪13均采用不等臂马赫曾德尔干涉仪。

[0024] 所述第一分束器27与第二分束器28直接相连接的连接段为第一马赫曾德尔干涉仪23的短臂，第一分束器27与第二分束器28经由第一相位调制器29相连接的连接段为第一马赫曾德尔干涉仪23的长臂；所述第三分束器15与第四分束器16直接相连接的连接段为第二马赫曾德尔干涉仪13的短臂，第三分束器15与第四分束器16经由第二相位调制器17相连接的连接段为第二马赫曾德尔干涉仪13的长臂。

[0025] 本发明的分发系统在工作时，由所述脉冲激光器11发出的脉冲经过所述强度调制器12的调制后，传输至第二马赫曾德尔干涉仪13，经由第二马赫曾德尔干涉仪13分束后出射的脉冲P1和脉冲P2传输至电可调衰减器14，经由电可调衰减器14衰减为光脉冲P1和光脉冲P2；所述光脉冲P1和光脉冲P2经过光纤环形器21后传输至第一偏振分束器22，光脉冲P1经由第一偏振分束器22分解成两个相互垂直的偏振光脉冲，即偏振光脉冲P1H和偏振光脉冲P1V，光脉冲P2经由第一偏振分束器22分解成两个相互垂直的偏振光脉冲，即偏振光脉冲P2H和偏振光脉冲P2V；其中，偏振光脉冲P1H和偏振光脉冲P2H从上路进入第一分束器27，由于第一分束器27的分束，偏振光脉冲P1H和偏振光脉冲P2H均分成两个脉冲并分别经由第一马赫曾德尔干涉仪23的长臂和短臂，即偏振光脉冲P1H经由短臂，偏振光脉冲P2H经由长臂，偏振光脉冲P1H和偏振光脉冲P2H分别经由短臂和长臂之后同时到达第二分束器28进行干涉；同理，偏振光脉冲P1V和偏振光脉冲P2V从下路进入第二分束器28，并分别经由短臂和长臂到达第一分束器27进行干涉；所述偏振光脉冲P1H与偏振光脉冲P2H在第二分束器28进行干涉之后，干涉结果分成两个分量分别在第一偏振分束器22和第二偏振分束器24处进行合成；同理，所述偏振光脉冲P1V和偏振光脉冲P2V在第一分束器27进行干涉之后，干涉结果分成两个分量分别在第一偏振分束器22和第二偏振分束器24处进行合成；最终，由第一偏振分束器22合成的光脉冲通过第一单光子探测器25测量得到光子计数，由第二偏振分束器24合成的光脉冲通过第二单光子探测器26测量得到光子计数。

[0026] 本发明通过接收模块2的结构组成设置，可以将输入的光脉冲经由第一偏振分束器22分解成两个相互垂直的偏振光脉冲，并且分别干涉之后再分别在第一偏振分束器22和第二偏振分束器23进行合成，相当于接收模块2起到了一个与偏振无关的干涉仪的作用；使得偏振变化不影响干涉结果，进而实现抗信道偏振扰动，消除了信道偏振扰动对分发系统的影响，提高了分发系统的稳定性。

[0027] 同时，分解后的两个相互垂直的偏振光脉冲分别从相反的方向经过第一相位调制器29，相当于整体偏振光脉冲仅经过一次相位调制，损耗没有额外增加，因此本分发系统在实现抗信道偏振扰动的同时，还能保持整体性能的高效性。

[0028] 综上所述，本发明提供了一种抗偏振扰动的相位编码量子密钥分发系统，其消除了信道偏振扰动对分发系统的影响，提高了分发系统的稳定性。

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