一种光量子编码装置及其编码方法.pdf

本发明涉及一种光量子编码装置及其编码方法，光源出射的光脉冲经过端口连接至少一路用于将一束光分成多条光路出射的光学器件输入端；所述每路光学器件的脉冲信号输出端连接至少两个用于控制光路导通或截断，并且在导通状态下可控制光强幅度的光学部件信号输入端；所述两个光学部件信号输出端至少连接一个光偏振分束器信号输入端；至少一个光偏振分束器的信号输出端均通过耦合器与出射端口连接。本发明提供了一种能与网络中的其他节点以较高的密钥生成率实现互联，从而真正实现网络的扩容性的光量子编码装置及其编码方法。

权利要求书
1.  一种光量子编码装置，光源出射的光脉冲经过端口连接至少一路用于将一束光分成多条光路出射的光学器件输入端；所述每路光学器件的脉冲信号输出端连接至少两个用于控制光路导通或截断，并且在导通状态下可控制光强幅度的光学部件信号输入端；所述两个光学部件信号输出端至少连接一个光偏振分束器信号输入端；至少一个光偏振分束器的信号输出端均通过耦合器与出射端口连接。

2.  根据权利要求1所述的一种光量子编码装置，其特征在于所述光学器件的信号输出端分出两路，每路再分别与一个所述光学器件连接并分出两路；分出后的两路分别与所述光学部件信号输入端连接。

3.  根据权利要求1所述的一种光量子编码装置，其特征在于所述耦合器与光偏振分束器之间设有至少一个用于改变和控制光偏振方向的偏振控制器。

4.  根据权利要求1所述的一种光量子编码装置，其特征在于所述光学器件至耦合器之间分出的多个路径长度均一致。

5.  根据权利要求1-4任一项所述的一种光量子编码装置，其特征在于所述光学器件为光分束器或光多路器。

6.  根据权利要求5所述的一种光量子编码装置，其特征在于所述光学器件为光分束器。

7.  根据权利要求1-3所述的一种光量子编码装置，其特征在于所述光学部件为光强度调制器或光开关。

8.  根据权利要求7所述的一种光量子编码装置，其特征在于所述光学部件为光强度调制器。

9.  根据权利要求1所述的一种光量子编码装置的编码方法，其特征在于光源出射的光脉冲经过光分束器分成两路光脉冲，这两路光脉冲的每路再分别经过至少一个光分束器，分成至少两路光脉冲，这至少四路光脉冲每路分别经过光强度调制器，对光路进行光强调制，将调制后的至少四路光脉冲每两路光信号输出到光偏振分束器，光偏振分束器将输入光信号的偏振进行制备，至少两个光偏振分束器的其中一个或多个将制备后的光脉冲通过偏振控制器进行控制和改变光偏振方向，将制备后的光脉冲偏振态通过耦合器耦合出射。

说明书一种光量子编码装置及其编码方法
技术领域
本发明涉及量子通信装置及通信方法，特别涉及用于构建量子保密通信网络所需的量子密码机的编码方法和实现装置。
背景技术
量子保密通信是不同于经典通信的保密通信方式，其具有理论上可被证明的绝对安全性。量子密钥分发通过操纵和传送量子比特的方法，可在两地之间建立一串任意长度的相同的随机数；使用该随机数通过“一次一密”(One-Time Pad)的方式加密经典信息，即能保证信息传递的安全性。
第一个量子密钥分发协议于1984年提出，称之为BB84。此后，一系列的相关协议被提出，主要包括光子态制备/测量和纠缠分发两大种。其中基于纠缠分发的量子密钥方案由于目前缺乏高亮度可实用化的纠缠光源，还仅停留在实验室研究阶段，无法用来构建实际的量子通信系统。本发明即通过给出一种成熟、实用而高效的光量子偏振态编码方法，依据此方法实现的量子密码机可用来构建商用化的量子保密通信网络。
光子态的制备/测量主要包括两种方法：一种是通过编码光子态的相位信息实现量子密钥的分发；另一种是通过编码光子态的偏振信息实现密钥分发。
相位编码通常采用的方式，如普遍采用马赫-泽得干涉仪的相位编码方案，需在通信双方的发送和接收装置内实现光脉冲的一对不等臂干涉相长和相消，起到量子态编码和解码的目的。这就要求通信双方的编码解码装置具有一一对应的关系。比如，如果A与B通信，若A点采用的相位编码装置其不等臂干涉仪长度之差为L，则B点采用的相位解码装置其不等臂干涉仪长度之差也必须为L；如果此时C点要求加入A-B，组成A-B-C-A三点的环形网络，其中A-B，A-C，B-C均可互通，则C点的相位编码以及解码装置其不等臂干涉仪长度之差也必须为L。另一方面，由于温度等外界干扰造成的热胀冷缩效应使精确的长度匹配很难实现，当节点用户以网络的方式增加时，长度的失配将极大的影响相位编码方案的密码生成率。
显然，考虑到多用户之间的网络互联模式，此方案很难实现不同用户间干涉长度匹配的要求，不利于组成大规模不落地的量子密钥分发网络。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供了一种能克服现有编码方案不足之处，且能与网络中的其他节点以较高的密钥生成率实现互联，从而真正实现网络的扩容性的光量子编码装置及其编码方法。
该方法利用一路光脉冲分束成四路的方法，产生四种偏振态。这四种偏振态仅具有偏振编码上的差别，因此完全满足量子密钥分发协议所要求的量子态的制备。使用该装置产生的量子态编码，实现简单，且对接收方的解码装置并无相应的依赖要求，因此能与整个网络中的任意某个作为接收方的节点通信，从而保证了网络的可扩展性。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种光量子编码装置，光源出射的光脉冲与一路双端输出的光学器件的输入端连接；这个光学器件的每个输出端连接一路双端输出的光学器件的输入端；这两个光学器件的每个输出端(共四路：I、II、III、IV)连接一路单端输入单端输出的光学部件的输入端；光学部件I和II的每个输出端连接一个双端输入的光偏振分束器的输入端；这个偏振光分束器的一个输出端连接一路双端输入的耦合器V的输入端；光学部件III和IV的每个输出端连接一个双端输入的光偏振分束器的输入端；这个偏振光分束器的输出端连接一路单端输入单端输出的偏振控制器的输入端；偏振控制器的输入端连接一路上述的双端输入的耦合器V的另一个输入端；这个耦合器的输出端输出制备好的光量子偏振态。
一种光量子编码装置，所述光学器件到耦合器之间分出的路径长度均基本一致。
一种光量子编码装置，所述光学器件用于将入射的一路光脉冲分束成两路光脉冲沿两条光路传播。
一种光量子编码装置，所述光强度调制器，用于调制光脉冲的强度以及控制光路的选通或者截断。
一种光量子编码装置，所述光偏振分束器，用于调制光脉冲到相应的两个正交偏振态。
一种光量子编码装置，所述偏振控制器，用于将改变和控制光脉冲的偏振态方向。
一种光量子编码装置的编码方法，光源出射的光脉冲经过光分束器分成两路光脉冲，这两路光脉冲的每路再分别经过至少一个光分束器，分成至少两路光脉冲，这至少四路光脉冲每路分别经过光强度调制器，对光路进行光强调制，将调制后的至少四路光脉冲每两路光信号输出到光偏振分束器，光偏振分束器将输入光信号的偏振进行制备，至少两个光偏振分束器的其中一个或多个将制备后的光脉冲通过偏振控制器进行控制和改变光偏振方向，将制备后的光脉冲偏振态通过耦合器耦合出射。
为了克服背景技术中所述的困难，本发明采用的方法是偏振编码方案。本发明的方案并不要求通信的双方实现一对不等臂干涉仪，自然也就不存在臂长差严格相等的要求。该方案并不要求发射方与接收方存在一一对应关系，因此后续节点能很容易地加入现有网络，在保证自身严格实现了我们所要求的编码方法后，能与网络中的其他节点以较高的密码生成率实现互联，从而真正实现网络的扩容性。
用光量子的偏振态编码实现量子密钥分发，常用的做法是采用四路激光器产生四路光脉冲，并对每路光脉冲进行偏振调制，将光脉冲的偏振制备到相应的偏振态上。比如论文《Practical Aspects ofQuantum Cryptographic Key Distribution》(J.Cryptology(2000)13：207-220)中给出的偏振编码解决方案即是采用四路激光脉冲偏振调制的方式。需要指出的是，该方案要求四路激光产生的光脉冲除偏振特性可以有差别外，其余特性均需保持一致，否则该方案具有安全性上的漏洞。这对激光器的控制和稳定性方面的要求较高，实现难度较大。而我们采用的方案只需要一路激光器，因而不存在此类困难。此外，对于某些密钥分发协议，可能要求制备不同强度的激光脉冲，此方案要求激光器相应扩展至协议要求的数目(比如诱骗态密码协议需八路激光器)，实现难度进一步提高。而我们的方案可采用强度可调的光强度调制器实现，实现难度较低。
附图说明
图1为该偏振编码实现装置组成结构示意图。
图2为实施例2装置组成局部结构示意图。
具体实施方式
实施例1
参见附图1所示。
本发明光源出射的光脉冲经过端口1连接一路光分束器2；此一路光分束器2输出端分为两路分别连接两个光分束器3，4，两个光分束器3，4中的每个光分束器再分出两路，每路的脉冲信号输出端分别连接一个光强度调制器5，6，7，8的信号输入端；四路光强度调制器信号5，6，7，8输出端与两路光偏振分束器9，10的四路信号输入端连接；其中一路光偏振分束器9的信号输出端与一路耦合器12的输入端相连，另一路光偏振分束器10的信号输出端与一路偏振控制器11输入端相连，该偏振控制器11的输出端再连接上述的耦合器12的另一个输入端。光分束器2至耦合器12之间分出的长度应基本保持一致。其中光分束器2，3，4用于将入射的一路光脉冲分束成两路光脉冲沿两条光路传播。其中光强度调制器5，6，7，8，用于控制光路的通断或者调制光强到任意比例。光偏振分束器9，10，用于将两路输入光的偏振制备到一对正交的偏振态之上。偏振控制器11，用于将光脉冲的控制和改变偏振方向到一定角度。
对光强度调制器5、6、7、8的要求是，可实现任意比例的光强的调制或者控制该路光的通过和截断。对光偏振分束器9、10的要求是，光偏振分束器的两路输入分别迫使输入光位于一对相互正交的光偏振态上。偏振控制器11的要求是，偏振控制器将输入脉冲的偏振方向旋转增加45度。
光源出射的光脉冲经过光分束器分成两路光脉冲，这两路光脉冲的每路再分别经过至少一个光分束器，分成至少两路光脉冲，这至少四路光脉冲每路分别经过光强度调制器，对光路进行光强调制，将调制后的至少四路光脉冲每两路光信号输出到光偏振分束器，光偏振分束器将输入光信号的偏振进行制备，至少两个光偏振分束器的其中一个或多个将制备后的光脉冲通过偏振控制器进行控制和改变光偏振方向，将制备后的光脉冲偏振态通过耦合器耦合出射。
本发明可以将此方案通过多个光分束器实现多路，不限于实施例中四路。
实施例2
参见附图2所示。偏振控制器11和耦合器12可以合并为一个耦合器14，该耦合器14的两路输入迫使光脉冲偏振位于一对相差45度的偏振态之上。其余同实施例1。