技术领域
[0001] 本
发明属于通信领域，涉及量子保密通信技术，具体是一种利用单
光子相位编码的量子密钥分发系统，通过对激光调制产生单光子边带，通信双方利用相位的差异实现单光子边带的干涉，从而实现双边带干涉的相位编码量子密钥分发的方法。
背景技术
[0002] 基于相位编码的量子密钥分发是在单光子的相位维度上加载信息。相位编码密钥分发的基本装置是
马赫-曾德尔干涉仪，发送方、接收方各有一个
相位调制器放置于干涉仪的一个臂上，发送方光脉冲被分为两束，经过两个臂时分别被两个调制器调制后到达接收方发生干涉，干涉结果携带相位信息，从而双方可以共享安全密钥。之后，发展了可实际使用的即插即用系统和差分
相移系统等。即插即用系统利用法拉第镜使光脉冲在相同光纤中来回往返两次，有效补偿了偏振漂移，但是即插即用系统由于其往返传输的特性，导致成码效率为单向系统的一半。差分相移装置则是利用前后两个光脉冲来编码。这些装置由于效率低从而限制了其在实际保密通信网络中的应用。
发明内容
[0003] 本发明为了解决已有相位编码量子密钥分发存在效率低的问题，提供了一种双通道复用的相位编码量子密钥分发系统及方法。
[0004] 本发明是采用如下技术方案实现的：一种双边带干涉的相位编码量子密钥分发方法，包括如下步骤：
发送方
激光器发出单频脉冲光，利用调制器加载具有多个相位独立的射频调制
信号，产生相应正负一阶调制边带，由数字
移相器控制
射频信号的相位实现单光子的相位编码，调节边带光强达到单光子量级，之后经过光纤传输后到达接收方。
[0005] 接收方利用调制器加载同频的相位独立的射频调制信号，产生对应的正负一阶调制边带，由数字移相器控制射频信号的相位实现单光子的相位编码。那么发送与接收双方在边带
位置的干涉结果由双方的
相位差决定，当相位差为0°时，干涉相长的单光子存在于右边带；当相位差为180°时，干涉相长的单光子存在于左边带；当相位差为90°时，单光子分别以50%的概率随机地落在左边带或右边带，但最终只存在于一个边带。接收方利用窄带可调谐光栅选择边带并用单光子探测器分别进行探测，测到光子时通信双方把对应的相位信息按照约定转化为比特信息，即可共享安全密钥。
[0006] 边带干涉结果只依赖于射频信号的相位，在实际中可通过数字移相器精确控制；而且基于复载波技术可以实现多边带同时分发密钥，不同用户可以利用不同的边带进行通信，成码效率成倍提高。尤其适用于短距离的城域网络，从而极大地提高了光纤网络的工作效率。
[0007] 基于上述方法，提供了一种双边带干涉的相位编码量子密钥分发系统，包括发送方和接收方。
[0008] 发送方包括第一FPGA（可编程
门阵列），所述第一FPGA的一输出端与DG645外触发端口连接，所述DG645的输出端口与第一强度调制器的控制端连接，所述第一强度调制器的输入端与信号光激光器的输出端连接。
[0009] 所述第一FPGA的二输出端与第一
开关的控制端连接，所述第一开关的输入端与第一射频信号源的输出端连接，所述第一开关的两输出端分别与第一移相器的输入端和第二移相器的输入端连接，第一移相器的输出端和第二移相器的输出端通过第一合束器合在一起后与第一电
衰减器连接。
[0010] 所述第一FPGA的三输出端与第二开关的控制端连接，所述第二开关的输入端与第二射频信号源的输出端连接，所述第二开关的两输出端分别与第三移相器的输入端和第四移相器的输入端连接，第三移相器的输出端和第四移相器的输出端通过第二合束器合在一起后与第二电衰减器连接。
[0011] 第一电衰减器的输出端和第二电衰减器的输出端通过第三合束器连接到第二强度调制器的控制端；所述第二强度调制器的输入端与第一强度调制器的输出端连接，所述第二强度调制器的输出端与光衰减器的输入端连接。
[0012] 所述第一FPGA的四输出端与第三强度调制器的控制端连接；第三强度调制器的输入端与同步激光器的输出端连接；所述光衰减器的输出端和第三强度调制器的输出端与第一波分复用器的两输入端分别连接，所述第一波分复用器的输出端与光纤的输入端连接。
[0013] 光纤的输出端与第二波分复用器的输入端连接，所述第二波分复用器的一输出端与偏振
控制器的输入端连接；所述第二波分复用器的二输出端与光电探测器的输入端连接，所述光电探测器的输出端与
放大器的输入端连接，所述放大器的输出端与第二FPGA的一输入端、第一单光子探测器的触发端、第二单光子探测器的触发端和第三单光子探测器的触发端分别连接。
[0014] 所述偏振控制器的输出端与相位调制器的输入端连接，所述相位调制器的输出端与第一环形器的一号端口连接，所述第一环形器的二号端口与第一光栅的输入端连接，所述第一光栅的输出端与第一单光子探测器的输入端连接；所述第一环形器的三号端口与第二环形器的一号端口连接，所述第二环形器的二号端口与第二光栅的输入端连接，所述第二光栅的输出端与第二单光子探测器的输入端连接；所述第二环形器的三号端口与第三环形器的一号端口连接，所述第三环形器的二号端口与第三光栅的输入端连接，所述第三光栅的输出端与第三单光子探测器的输入端连接。
[0015] 第一单光子探测器的输出端、第二单光子探测器的输出端、第三单光子探测器的输出端分别与第二FPGA的二输入端、三输入端、四输入端连接。
[0016] 所述第二FPGA的一输出端与第三开关的控制端连接，所述第三开关的输入端与第三射频信号源的输出端连接，所述第三开关的两输出端分别与第五移相器的输入端、第六移相器的输入端连接，第五移相器的输出端和第六移相器的输出端通过第四合束器合在一起后与第三电衰减器连接。
[0017] 所述第二FPGA的二输出端与第四开关的控制端连接，所述第四开关的输入端与第四射频信号源的输出端连接，所述第四开关的两输出端分别与第七移相器的输入端、第八移相器的输入端连接，第七移相器的输出端和第八移相器的输出端通过第五合束器合在一起后与第四电衰减器连接。
[0018] 第三电衰减器的输出端和第四电衰减器的输出端通过第六合束器连接到相位调制器的控制端。
[0019] 上述系统中总体上分为信号光路和同步光路。
[0020] 信号光一路包括信号光激光器，信号光激光器输出激光依次经过第一强度调制器、第二强度调制器、光衰减器、第一波分复用器、光纤、第二波分复用器、偏振控制器、相位调制器、第一环形器、第一光栅、第一单光子探测器、第二环形器、第二光栅、第二单光子探测器、第三环形器、第三光栅和第三单光子探测器。
[0021] 同步光一路包括同步光激光器，同步光激光器输出激光依次经过第三强度调制器、第一波分复用器、光纤、第二波分复用器、探测器、放大器。
[0022] 工作时，信号光激光器输出单频线偏振的激光进入第一强度调制器，第一FPGA触发DG645产生
数字信号，使得第一强度调制器把连续信号光斩成窄脉冲光，同时第一FPGA控制第一开关和第二开关，例如，使得2.6GHz、6.0GHz的两个射频信号各自经过两组移相器中的一路，实现随机移相，最终这两个射频信号经过衰减器和合束器加载到第二强度调制器，第二强度调制器对信号光进行调制同时产生+/-2.6GHz、+/-6.0GHz的四个调制边带，之后经过衰减器边带光强衰减到单光子量级，与第一FPGA触发第三强度调制器生成的同步光脉冲经过第一波分复用器合在一起进入光纤。光脉冲经过光纤后到达第二波分复用器，分两个通道输出，同步光脉冲首先进入光电探测器转化为
电信号，之后被放大器放大后，分别触发第二FPGA和三个单光子探测器。信号光经过偏振控制器调节偏振对准相位调制器的光轴，之后第二FPGA控制第三开关和第四开关，使得2.6GHz、6.0GHz的两个射频信号各自经过两组移相器中的一路，实现随机移相，最终这两个射频信号经过衰减器和合束器加载到相位调制器，相位调制器调制信号光同时产生+/-2.6GHz、+/-6.0GHz的四个边带，最后经过环形器和65MHz超窄带宽的光栅选择主峰和+2.6GHz、+6.0GHz边带分别被三个单光子探测器单独探测，第二FPGA记录干涉结果，经过
数据处理后双方即可建立安全密钥。
[0023] 本发明利用通信双方对单光子加载调制相位的差异，实现单光子的干涉，从而进行量子密钥分发的系统及方法。发送方对单频激光进行调制，产生两个调制边带，经过光纤传输后到达接收方，接收方进行同频解调，也产生对应的两个调制边带，边带干涉结果由双方的相位差决定，利用光栅和单光子探测器测量干涉结果，从而通信双方可以共享安全密钥。这种装置可以基于载波调制使得多边带同时分发密钥，不同用户可以利用不同的边带进行保密通信。解决了传统相位调制系统使用效率低的问题，尤其适用于短距离的城域网络，提高了光纤网络的使用效率。
附图说明
[0024] 图1是基于B92协议下的两边带干涉的实验装置图。
[0025] 图2是扫描FP腔得到的发送方（或接收方）的两个调制边带的示意图。
[0026] 图3是边带光强衰减到单光子量级，用单光子探测器测量光栅透过的任意一个边带（2.6GHz或者6.0GHz）的干涉强度随相位差的变化图。
[0027] 图中：1-信号光激光器， 2-第一强度调制器，3-第二强度调制器，4-光衰减器，5-第一波分复用器，6-光纤，7-第二波分复用器，8-偏振控制器，9-相位调制器，10-第一环形器，11-第一光栅，12-第一单光子探测器，13-第二环形器，14-第二光栅，15-第二单光子探测器，16-第三环形器，17-第三光栅，18-第三单光子探测器，19-同步光激光器，
20-第三强度调制器，21-
光探测器，22-电放大器，23-第一FPGA，24-DG645，25-第一射频源，26-第一开关，27-第一移相器，28-第二移相器，29-第一合束器，30-第一电衰减器，
31-第二射频源，32-第二开关，33-第三移相器，34-第四移相器，35-第二合束器，36-第二电衰减器，37-第三合束器，38-第二FPGA，39-第三射频源，40-第三开关，41-第五移相器，
42-第六移相器，43-第四合束器，44-第三电衰减器，45-第四射频源，46-第四开关，47-第七移相器，48-第八移相器，49-第五合束器，50-第四电衰减器，51-第六合束器。
具体实施方式
[0028] 下面结合附图对本发明的具体
实施例进行详细说明。
[0029] 一种双边带干涉的相位编码量子密钥分发系统，包括发送方和接收方，如图1所示，包括第一FPGA 23，所述第一FPGA 23的一输出端与DG645 24外触发端口连接，所述DG645 24的输出端口与第一强度调制器2的控制端连接，所述第一强度调制器2的输入端与信号光激光器1的输出端连接。
[0030] 所述第一FPGA 23的二输出端与第一开关26的控制端连接，所述第一开关26的输入端与第一射频信号源25的输出端连接，所述第一开关26的两输出端分别与第一移相器27的输入端和第二移相器28的输入端连接，第一移相器27的输出端和第二移相器28的输出端通过第一合束器29合在一起后与第一电衰减器30连接。
[0031] 所述第一FPGA 23的三输出端与第二开关32的控制端连接，所述第二开关32的输入端与第二射频信号源31的输出端连接，所述第二开关32的两输出端分别与第三移相器33的输入端和第四移相器34的输入端连接，第三移相器33的输出端和第四移相器34的输出端通过第二合束器35合在一起后与第二电衰减器36连接。
[0032] 第一电衰减器30的输出端和第二电衰减器36的输出端通过第三合束器37连接到第二强度调制器3的控制端；所述第二强度调制器3的输入端与第一强度调制器2的输出端连接，所述第二强度调制器3的输出端与光衰减器4的输入端连接。
[0033] 所述第一FPGA 23的四输出端与第三强度调制器20的控制端连接；第三强度调制器20的输入端与同步激光器19的输出端连接；所述光衰减器4的输出端和第三强度调制器20的输出端与第一波分复用器5的两输入端分别连接，所述第一波分复用器5的输出端与光纤6的输入端连接。
[0034] 光纤6的输出端与第二波分复用器7的输入端连接，所述第二波分复用器7的一输出端与偏振控制器8的输入端连接；所述第二波分复用器7的二输出端与光电探测器21的输入端连接，所述光电探测器21的输出端与放大器22的输入端连接，所述放大器22的输出端与第二FPGA 38的一输入端、第一单光子探测器12的触发端、第二单光子探测器15的触发端和第三单光子探测器18的触发端分别连接。
[0035] 所述偏振控制器8的输出端与相位调制器9的输入端连接，所述相位调制器9的输出端与第一环形器10的一号端口连接，所述第一环形器10的二号端口与第一光栅11的输入端连接，所述第一光栅11的输出端与第一单光子探测器12的输入端连接；所述第一环形器10的三号端口与第二环形器13的一号端口连接，所述第二环形器13的二号端口与第二光栅14的输入端连接，所述第二光栅14的输出端与第二单光子探测器15的输入端连接；所述第二环形器13的三号端口与第三环形器16的一号端口连接，所述第三环形器16的二号端口与第三光栅17的输入端连接，所述第三光栅17的输出端与第三单光子探测器18的输入端连接。
[0036] 第一单光子探测器12的输出端、第二单光子探测器15的输出端、第三单光子探测器18的输出端分别与第二FPGA38的二输入端、三输入端、四输入端连接。
[0037] 所述第二FPGA 38的一输出端与第三开关40的控制端连接，所述第三开关40的输入端与第三射频信号源39的输出端连接，所述第三开关40的两输出端分别与第五移相器41的输入端、第六移相器42的输入端连接，第五移相器41的输出端和第六移相器42的输出端通过第四合束器43合在一起后与第三电衰减器44连接。
[0038] 所述第二FPGA 38的二输出端与第四开关46的控制端连接，所述第四开关46的输入端与第四射频信号源45的输出端连接，所述第四开关46的两输出端分别与第七移相器47的输入端、第八移相器48的输入端连接，第七移相器47的输出端和第八移相器48的输出端通过第五合束器49合在一起后与第四电衰减器50连接。
[0039] 第三电衰减器44的输出端和第四电衰减器50的输出端通过第六合束器51连接到相位调制器9的控制端。
[0040] 上述系统进行量子密钥分发，发送方信号光激光器1输出1550.12nm的单频激光进入第一强度调制器2，第一FPGA 23触发DG645 24产生TTL信号加载到第一强度调制器2，从而把连续信号光斩成6ns脉宽的脉冲光。第一FPGA 23控制第一开关26，使得第一射频源25输出的2.6GHz射频信号随机经过第一移相器27、第二移相器28中的一路，射频信号被随机移相0°或者90°，之后第一移相器27输出端和第二移相器28输出端通过第一合束器29合在一起，通过第一电衰减器30调节至恰当幅度；同时第一FPGA 23控制第二开关32，使得第二射频源31输出的6.0GHz射频信号随机经过第三移相器33、第四移相器34中的一路，射频信号被随机移相0°或者90°，之后第三移相器33输出和第四移相器34输出通过第二合束器35合在一起，通过第二电衰减器36调节至恰当幅度，第一电衰减器30输出和第二电衰减器36输出通过第三合束器37合在一起连接到第二强度调制器3的控制端（
偏压点设置为45°附近），使得信号光脉冲被第二强度调制器3调制产生+/-2.6GHz、+/-6.0GHz相位随机的调制边带，由于加载的调制深度很小，所以忽略二阶边带的影响。信号光脉冲经过衰减器4调节边带光强，使得对应于单光子探测器门宽内，边带上每脉冲平均光子数为一个光子，使得单光子脉冲占发射光脉冲的比例最大，从而最大化通信双方的安全信息量。第一FPGA 23产生TTL信号加载到第三强度调制器20的控制端，使得同步光激光器19发出的同步光被斩成脉冲光。最终，信号光脉冲与同步光脉冲通过波分复用器5合在一起进入25km光纤6。精确调节各路信号的加载时刻，保证信号光脉冲被第二强度调制器3完全调制，同时满足同步光比信号光先到达接收方，使得接收端设备逐个依次探测信号光脉冲。
[0041] 光脉冲经过25km光纤6传输后到达接收方，首先通过第二波分复用器7把同步光脉冲和信号光脉冲分开，同步光进入光电探测器21转换为电脉冲信号，再经过放大器22放大信号强度，之后经过不同的延时后依次触发第二FPGA 38、第一单光子探测器12、第二单光子探测器15、第三单光子探测器18，使得相位调制器9能对信号光进行正确的调制，并且单光子探测器能够逐一探测。信号光脉冲首先进入偏振控制器8调节偏振对准相位调制器9的光轴，从而使得后路损耗降到最低。之后信号光脉冲被相位调制器9调制产生+/-2.6GHz、+/-6.0GHz相位随机的调制边带，随机相位的实现原理及方法与发送方一致。具体地，第二FPGA 38控制第三开关40，使得第三射频源39输出的2.6GHz信号随机经过第五移相器41、第六移相器42中的一路，2.6GHz信号被随机移相180°或者270°，第五移相器41和第六移相器42的输出通过第四合束器43合在一起，经过第三电衰减器44调节到合适的幅度；同时第二FPGA 38控制第四开关46，使得第四射频信号源45输出的6.0GHz射频信号随机经过第七移相器47、第八移相器48中的一路，6.0GHz信号被随机移相180°或者
270°，第七移相器47和第八移相器48输出通过第五合束器49合在一起，之后经过第四电衰减器50调节幅度，最终，第三电衰减器44与第四电衰减器50的输出通过第六合束器51合在一起加载到相位调制器9的控制端，实现对信号光的调制。这时双方调制信号光产生的+/-2.6GHz、+/-6.0GHz的边带会发生干涉，干涉结果由双方的相位差决定。输出光首先进入第一环形器10，第一光栅11选择主峰信号透过进入第一单光子探测器12，主峰信号作为强参考光防止窃听，监视参考光用于提高系统的安全性；其它
频率的光则被反射，由第一环形器10输出进入第二环形器13，第二光栅14只选择+2.6GHz边带透过，第二单光子探测器15测量干涉结果；其它频率的光则被反射，由第二环形器13输出进入第三环形器16，第三光栅17只选择+6.0GHz边带透过，第三单光子探测器18探测干涉结果；第二FPGA 38同时采集第一单光子探测器12，第二单光子探测器15，第三单光子探测器18的
输出信号。
[0042] 整个系统工作于B92协议，接收方探测+2.6GHz、+6.0GHz的边带用于生成密钥，监视主峰光作为参考光保证安全性。双方提前约定调制相位0°、270°记为比特1；90°、180°记为比特0。Bob端测到光子即可成码。对于+2.6GHz边带的某一次探测结果，当Bob端对应单光子探测器测到光子时，通知Alice保留此比特，如果接收方利用180°（270°）相位进行解调，则Alice端调制相位必定为90°（0°），之后双方按照约定将相位信息转化为比特信息，即可建立共同的密钥。本系统基于载波调制使得多边带同时分发密钥，不同用户可以利用不同的边带进行量子保密通信，成码效率成倍提高。
[0043] 整个系统工作速率为2.5MHz，双方基于光同步实现时钟对准，除去25km光纤6为单模光纤外，其它光纤均为保偏光纤用于保持偏振稳定。信号光激光器1、第一强度调制器2、第二强度调制器3、相位调制器9、第一光栅11、第二光栅14和第三光栅17均放置于外部高
精度温控箱中用于改善
温度稳定性。第一单光子探测器12、第二单光子探测器15、第三单光子探测器18都工作于门控模式（2.5MHz触发速率）。由于不同光栅、环形器、单光子探测器的损耗不同，最终两个边带的成码效率不同。系统测试结果为：+2.6GHz边带的筛选码率约为4.4kbit/s，误码率约为4%；+6.0GHz边带的筛选码率约为1.2kbit/s，误码率约为
7.8%。
[0044] 最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行
修改或者等同替换，都不脱离本发明的技术方案的精神和范围，其均应涵盖本发明的
权利要求保护范围中。
