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1、(10)申请公布号 CN 103546280 A (43)申请公布日 2014.01.29 CN 103546280 A (21)申请号 201310516971.7 (22)申请日 2013.10.28 H04L 9/08(2006.01) H04B 10/70(2013.01) (71)申请人 中国科学技术大学 地址 230026 安徽省合肥市包河区金寨路 96 号 (72)发明人 陈巍 王双 周政 李玉虎 银振强 何德勇 韩正甫 郭光灿 (74)专利代理机构 中科专利商标代理有限责任 公司 11021 代理人 赵伟 (54) 发明名称 用于量子密码通信的编码器和解码器 (57) 摘要 本。
2、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。 根据本发明， 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 k2+/2， 从而实现 BB84 协 议所需的编码功能 ； 在接收端通过光学分束器被 动地随机选择测量基， 通过两个长短臂之间的相 位差相差 k2+/2 的干涉仪完成解码功能。 通过使用多个干涉仪， 无需在干涉仪中使用高速 的相位调制器件， 解决了往返时间对速度的限制， 而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， 非常适用于实现高速量子密码通信。
3、。 如果使 用采用法拉第反射镜的迈克尔逊干涉仪 (F-M) 结 构， 则可以进一步具有对光路中偏振扰动的自适 应补偿能力。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 8 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书8页 附图3页 (10)申请公布号 CN 103546280 A CN 103546280 A 1/2 页 2 1. 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 ；。
4、 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。
5、成的前后两个波包之间的相位 差为所述第一预定相位 +k2+/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 +k2+， 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 2+3/2， 其中 k 是整数。 2. 根据权利要求 1 所述的编码器， 还包括 ： 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。 3. 根据权利要求 1 所述的编码器， 还包括 ： 随机光强调制器， 连接在所述输入端与所述一分四分光。
6、器之间， 用于对所述输入光脉 冲进行随机光强调制。 4. 根据权利要求 1 所述的编码器， 还包括 ： 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。 5. 根据权利要求 1 所述的编码器， 还包括 ： 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， 用于对所述输出光脉 冲进行随机光强调制。 6. 根据权利要求 5 所述的编码器， 还包括 ： 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， 或连接在所述随机光 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。 7. 根据权。
7、利要求 1 所述的编码器， 其中， 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。 8. 根据权利要求 1 所述的编码器， 其中， 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、 或机械型光学开关元件。 9. 根据权利要求 8 所述的编码器， 其中， 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。 权 利 要 求 书 CN 1035462。
8、80 A 2 2/2 页 3 10. 根据权利要求 1 所述的编码器， 其中， 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。 11. 根据权利要求 1 所述的编码器， 其中， 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。
9、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。 12. 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。
10、波包之间的相 位差均为 ， 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， 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 /2， 3/2 的一组基。 13. 根据权利要求 12 所述的解码器， 其中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。 权 利 要 求 书 CN 103546280 A 3 1/8 页 4 用于量子密码通信的编码器和解码器 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。
11、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，。
12、 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。
13、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。
14、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 2+/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 k2+/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 说 明 书 CN 103546280 A 4 2/8 页 5 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 。
15、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。
16、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 +k2+/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 。
17、述 第 一 预 定 相 位 +k2+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 +k2+3/2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。
18、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。
19、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 说 明 书 CN 103546280 A 5 3/8 页 6 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。 0。
20、019 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 。
21、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 ， 所述第一解码干涉仪和所。
22、述第二解码干涉仪中随机的一个解 码干涉仪对应于 0， 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 /2， 3/2 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 。
23、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。 说 明 书 CN 。
24、103546280 A 6 4/8 页 7 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。
25、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 1040。
26、3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。
27、、 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 k2+/2(k 是整数 )。不考虑对调制解调无实际影响的 k2 分量， 并将第一编码干涉仪 10401所产生的相位。
28、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 说 明 书 CN 103546280 A 7 5/8 页 8 0042 第一第四光学开关元件1030110304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。
29、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 。
30、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。
31、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。
32、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。
33、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1130111304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。 说 明 书 CN 103546280 A 8 6/8 页 9 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 30。
34、Km 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 1。
35、105 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。
36、框图。 0056 如图 3 所示， F-M 干涉仪 1140-1 包括 ： 22 分光器 1141、 法拉第反射镜 1145 和 1147、 受控相位调制器件1143。 22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， 22 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 22 分光器 1141(50 ： 50 分束器 ) 分。
37、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。。
38、 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 ： 12分光器1142(50 ： 50分束器)、 受控相位 说 明 书 CN 103546280 A 9 。
39、7/8 页 10 调制器件 1144、 21 合光器 1146(50 ： 50 合光器 )。如图 4 所示， 12 分光器 1142 左侧的 端口用作输入端口， 光脉冲进入12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 21 合光器 1146 处进行干涉， 并从 21 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。
40、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。
41、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， 第一解码干涉仪20201对应于0， 的一组基， 第二解码干涉仪 20202对应于 /2， 3/2 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， 、 /2， 3/2 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 /2。由干涉仪自身的干涉特性， 决定了干涉仪。
42、两臂输出的光脉冲波包之间的 相位差等于 ， 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 。
43、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。
44、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， 第 一解码干涉仪 21201对应于 0， 的一组基， 第二解码干涉仪 21202对应于 /2， 3/2 的一组基。 说 明 书 CN 103546280 A 10 8/8 页 11 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 。
45、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。
46、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1030110304(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。
47、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。 说 明 书 CN 103546280 A 11 1/3 页 12 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103546280 A 12 2/3 页 13 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103546280 A 13 3/3 页 14 图 5 图 6 说 明 书 附 图 CN 103546280 A 14 。