用于量子密碼通信的編碼器和解碼器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了用于量子密碼通信的編碼器和解碼器，可以實現(xiàn)BB84協(xié)議的編碼和解碼功能。根據(jù)本發(fā)明，在發(fā)射端使用光學開關(guān)器件使光脈沖隨機通過多個干涉儀，干涉儀的長短臂之間的相位差依次相差k·2π+π/2，從而實現(xiàn)BB84協(xié)議所需的編碼功能；在接收端通過光學分束器被動地隨機選擇測量基，通過兩個長短臂之間的相位差相差k·2π+π/2的干涉儀完成解碼功能。通過使用多個干涉儀，無需在干涉儀中使用高速的相位調(diào)制器件，解決了往返時間對速度的限制，而且調(diào)相驅(qū)動電路可以使用低速設計方案和器件實現(xiàn)，大大降低了高速量子密碼通信系統(tǒng)實現(xiàn)的難度，非常適用于實現(xiàn)高速量子密碼通信。如果使用采用法拉第反射鏡的邁克爾遜干涉儀(F-M)結(jié)構(gòu)，則可以進一步具有對光路中偏振擾動的自適應補償能力。
【專利說明】用于量子密碼通信的編碼器和解碼器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于量子密碼通信【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及用于量子密碼通信的編碼器和解碼器。
【背景技術(shù)】
[0002]量子密碼通信結(jié)合了量子物理原理和現(xiàn)代通信技術(shù)。量子密碼通信藉由物理原理保障異地密鑰協(xié)商過程和結(jié)果的安全性，與“一次一密”加密技術(shù)結(jié)合，可以實現(xiàn)不依賴算法復雜度的保密通信。
[0003]目前，量子密碼技術(shù)的主要用光量子作為實現(xiàn)載體，通過自由空間或光纖信道進行分發(fā)。經(jīng)典隨機比特通過偏振編碼、相位編碼等方式加載到光量子的偏振、相位等物理量之上。現(xiàn)今，光纖通信已經(jīng)成為現(xiàn)代信息傳輸?shù)幕A架構(gòu)和發(fā)展趨勢，在光纖信道中進行量子密碼通信具有非常重要的意義和應用前景。在光纖信道中傳輸光量子信號時，其偏振狀態(tài)會受到光纖自身固有的雙折射特性的影響，而光路和信道中的雙折射特性會受到外界環(huán)境的影響而發(fā)生變化，因此為了保證偏振編碼量子密碼系統(tǒng)的穩(wěn)定性，需要使用偏振反饋裝置。當系統(tǒng)受到的干擾變化較快時，反饋過程將變得更加耗時，保持系統(tǒng)穩(wěn)定運行的難度也將大大增加。
[0004]密鑰生成速率是量子密碼通信系統(tǒng)的核心指標之一。因此，高工作頻率的量子密碼系統(tǒng)是量子密碼通信技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。隨著系統(tǒng)工作頻率的提高，系統(tǒng)需要使用高帶寬的相位調(diào)制器，由此會對系統(tǒng)實現(xiàn)會帶來幾方面的困難:
[0005](I)要求偏振態(tài)相互垂直的光子均能夠在調(diào)相器中以較低損耗傳輸，而常規(guī)光通信等應用中使用的調(diào)相器大多只允許單一偏振態(tài)通過，與其垂直的偏振態(tài)在其中傳輸將具有較大損耗，因此對調(diào)相器設計的工藝和實現(xiàn)技術(shù)提出了特殊的要求；
[0006](2)高帶寬的電光相位調(diào)制器件一般需要以低阻抗電阻進行匹配，因此需要驅(qū)動電路提供較大的驅(qū)動電流，并且長時間工作有可能產(chǎn)生熱量，對系統(tǒng)穩(wěn)定性造成影響；
[0007](3)為了調(diào)制光子，使其獲得穩(wěn)定而精確的相位，需要調(diào)制驅(qū)動電壓在光子到達的時刻保持穩(wěn)定，而往返式結(jié)構(gòu)會使這一時間延長，從而有可能限制系統(tǒng)工作速率的提高；
[0008](4)為了獲得高帶寬、穩(wěn)定、精確可調(diào)、且具有較大驅(qū)動能力的調(diào)相器驅(qū)動信號，對系統(tǒng)的驅(qū)動電路提出了更高的要求；
[0009](5)收發(fā)雙發(fā)都需要主動控制相位，因此，收發(fā)雙方都需要有真隨機數(shù)驅(qū)動源。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明提出了用于量子密碼通信的編碼器和解碼器，可以實現(xiàn)BB84協(xié)議的編碼和解碼功能。本發(fā)明的特點在于:在發(fā)射端使用光學開關(guān)器件使光脈沖隨機通過多個干涉儀，干涉儀的長短臂之間的相位差依次相差k.2 π + π /2，從而可以完成ΒΒ84協(xié)議所需的編碼功能；在接收端通過光學分束器被動的隨機選擇測量基，通過兩個長短臂之間的相位差相差k.2 π + π /2的干涉儀完成解碼功能。通過使用多個干涉儀，可以無需在干涉儀中使用高速的相位調(diào)制器件，從而解決了往返時間對速度的限制，并且調(diào)相驅(qū)動電路可以使用低速設計方案和器件實現(xiàn)，大大降低了高速量子密碼通信系統(tǒng)實現(xiàn)的難度，因此非常適合用于實現(xiàn)高速量子密碼通信。如果使用采用法拉第反射鏡的邁克爾遜干涉儀(F-M)結(jié)構(gòu)，則可以具有對光路中偏振擾動的自適應補償能力。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的一個方案，提出了一種用于量子密碼通信的編碼器，包括:由第一光學開關(guān)元件和第一編碼干涉儀構(gòu)成的第一分支；由第二光學開關(guān)元件和第二編碼干涉儀構(gòu)成的第二分支；由第三光學開關(guān)元件和第三編碼干涉儀構(gòu)成的第三分支；由第四光學開關(guān)元件和第四編碼干涉儀構(gòu)成的第四分支；一分四分光器，與輸入端、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連，用于將輸入光脈沖分為四個光脈沖，分別輸入到所述第一分支、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，與所述第一分支、所述第二分支、所述第三分支、所述第四分支和輸出端相連，用于將所述第一分支、所述第二分支、所述第三分支和所述第四分支輸出的編碼后的光脈沖合為一路從輸出端輸出，其中，所述第一編碼干涉儀對光脈沖進行干涉后生成的前后兩個波包之間的相位
差為第一預定相位(Δ%Να )，所述第二編碼干涉儀對光脈沖進行干涉后生成的前后兩個波包之間的相位差為所述第一預定相位+k.2 + Ji /2 ( Δ^ΚΝ(:2 = Δζ3ΚΝα +k-Ιπ + πΙΙ )，所述第三編碼干涉儀對光脈沖進行干涉后生成的前后兩個波包之間的相位差為所述第一預定相位+k.2 π + Ji ( A^enc3 = Δζ3ΕΝ01 +Η.2π + π )，所述第四編碼干涉儀對光脈沖進行干涉后生成的前后兩個波包之間的相位差為所述第一預定相位+k.2 +3 Ji /2 ( Δζ3ΕΝ04 = A^knci +Κ.2π + 1>πH )，其中 k 是整數(shù)。
[0012]優(yōu)選地，所述編碼器還可以包括:光學開關(guān)元件驅(qū)動電路，用于根據(jù)隨機信號，隨機導通所述第一光學開關(guān)元件、所述第二光學開關(guān)元件、所述第三光學開關(guān)元件和所述第四光學開關(guān)兀件之一。
[0013]優(yōu)選地，所述編碼器還可以包括:隨機光強調(diào)制器，連接在所述輸入端與所述一分四分光器之間，用于對所述輸入光脈沖進行隨機光強調(diào)制。更優(yōu)選地，所述隨機光強調(diào)制器可以選用波導型電光強度調(diào)制器，所述輸入端至所述一分四分光器之間可以采用保偏型單模光纖。
[0014]優(yōu)選地，所述編碼器還可以包括:衰減器，連接在所述四合一合光器與所述輸出端之間，用于對輸出光脈沖進行光強控制，使光脈沖達到單光子量級。
[0015]優(yōu)選地，所述編碼器還可以包括:隨機光強調(diào)制器，連接在所述四合一合光器與所述輸出端之間，用于對輸出光脈沖進行隨機光強調(diào)制，實現(xiàn)誘騙態(tài)協(xié)議。
[0016]優(yōu)選地，所述編碼器還可以包括:衰減器，連接在所述四合一合光器與所述隨機光強調(diào)制器之間，或連接在隨機光強調(diào)制器與所述輸出端之間，用于對輸出光脈沖進行光強控制，使光脈沖達到單光子量級。
[0017]優(yōu)選地，所述一分四分光器將輸入光脈沖等分為四個光脈沖，分別輸入到所述第一分支、所述第二分支、所述第三分支和所述第四分支。更優(yōu)選地，所述一分四分光器的輸入選用保偏型單模光纖。
[0018]優(yōu)選地，所述第一光學開關(guān)元件、所述第二光學開關(guān)元件、所述第三光學開關(guān)元件和所述第四光學開關(guān)兀件是電光強度調(diào)制器、微光機電系統(tǒng)光開關(guān)、基于非線性效應的全光開關(guān)(NOLM和SOA)、或機械型光學開關(guān)元件。更優(yōu)選地，所述第一光學開關(guān)元件、所述第二光學開關(guān)元件、所述第三光學開關(guān)元件和所述第四光學開關(guān)元件是波導型電光強度調(diào)制器。
[0019]優(yōu)選地，所述第一編碼干涉儀、所述第二編碼干涉儀、所述第三編碼干涉儀和所述第四編碼干涉儀是使用法拉第反射鏡的邁克爾遜干涉儀或Mach-Zehnder型干涉儀。
[0020]優(yōu)選地，所述第一光學開關(guān)元件連接在所述一分四分光器與所述第一編碼干涉儀之間，或者連接在所述第一編碼干涉儀與所述四合一合光器之間；所述第二光學開關(guān)元件連接在所述一分四分光器與所述第二編碼干涉儀之間，或者連接在所述第二編碼干涉儀與所述四合一合光器之間；所述第三光學開關(guān)元件連接在所述一分四分光器與所述第三編碼干涉儀之間，或者連接在所述第三編碼干涉儀與所述四合一合光器之間；所述第四光學開關(guān)元件連接在所述一分四分光器與所述第四編碼干涉儀之間，或者連接在所述第四編碼干涉儀與所述四合一合光器之間。
[0021]根據(jù)本發(fā)明的另一方案，提出了一種用于量子密碼通信的解碼器，包括:由第一解碼干涉儀和第一單光子探測器、第二單光子探測器構(gòu)成的第一分支；由第二解碼干涉儀和第三單光子探測器、第四單光子探測器構(gòu)成的第二分支；一分二分光器，與輸入端、所述第一分支和所述第二分支相連，用于將輸入光脈沖分為兩個光脈沖，分別輸入到所述第一分支和所述第二分支，其中，所述第一解碼干涉儀和所述第二解碼干涉儀各自輸出的前后兩個波包之間的相位差均為η，所述第一解碼干涉儀和所述第二解碼干涉儀中隨機的一個解碼干涉儀對應于{0，π}的一組基，所述第一解碼干涉儀和所述第二解碼干涉儀中的另一個解碼干涉儀對應于{> /2，3 π /2}的一組基。
[0022]優(yōu)選地，所述一分二分光器是波長不敏感型器件，S卩，對不同波長的輸入光，分光比實質(zhì)上一致。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]通過下面結(jié)合【專利附圖】

【附圖說明】本發(fā)明的優(yōu)選實施例，將使本發(fā)明的上述及其它目的、特征和優(yōu)點更加清楚，其中:
[0024]圖1是根據(jù)本發(fā)明的光學編碼器1000的示意方框圖；
[0025]圖2是根據(jù)本發(fā)明實施例的光學編碼器1100的示意方框圖；
[0026]圖3是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的編碼干涉儀1140-1的示意方框圖；
[0027]圖4是根據(jù)本發(fā)明另一實施例的編碼干涉儀1140-2的示意方框圖；
[0028]圖5是根據(jù)本發(fā)明的光學解碼器2000的示意方框圖；以及
[0029]圖6是根據(jù)本發(fā)明實施例的光學編碼器2100的示意方框圖。
【具體實施方式】
[0030]下面參照附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳細說明，在描述過程中省略了對于本發(fā)明來說是不必要的細節(jié)和功能，以防止對本發(fā)明的理解造成混淆。
[0031]首先，將結(jié)合圖1，對根據(jù)本發(fā)明的光學編碼器1000進行詳細說明，圖1是根據(jù)本發(fā)明的光學編碼器1000的示意方框圖。[0032]如圖1所示，光學編碼器1000包括:由第一光學開關(guān)元件IOSO1和第一編碼干涉儀KMO1構(gòu)成的第一分支；由第二光學開關(guān)元件10302和第二編碼干涉儀10402構(gòu)成的第二分支；由第三光學開關(guān)元件10303和第三編碼干涉儀10403構(gòu)成的第三分支；由第四光學開關(guān)元件10304和第四編碼干涉儀10404構(gòu)成的第四分支；一分四分光器1010，與輸入端IN和第一~第四分支相連，用于將輸入光脈沖分為四個光脈沖(可以是等比例或不等比例的)，分別輸入到第一~第四分支；四合一合光器1020，與第一~第四分支和輸出端OUT相連，用于將第一~第四分支輸出的編碼后的光脈沖合為一路從輸出端OUT輸出。
[0033]第一光學開關(guān)元件IOSO1可以連接在一分四分光器1010與第一編碼干涉儀KMO1之間，或者連接在第一編碼干涉儀KMO1與四合一合光器1020之間；第二光學開關(guān)元件10302可以連接在一分四分光器1010與第二編碼干涉儀10402之間，或者連接在第二編碼干涉儀10402與四合一合光器1020之間；第三光學開關(guān)元件10303可以連接在一分四分光器1010與第三編碼干涉儀10403之間，或者連接在第三編碼干涉儀10403與四合一合光器1020之間；第四光學開關(guān)元件10304可以連接在一分四分光器1010與第四編碼干涉儀10404之間，或者連接在第四編碼干涉儀10404與四合一合光器1020之間。
[0034]光學編碼器1000還可以包括:光學開關(guān)元件驅(qū)動電路(未示出)，用于根據(jù)隨機信號，隨機導通第一~第四光學開關(guān)元件IOSO1~10304之一。由此，可以選擇第一~第四編碼干涉儀KMO1~10404之一對輸入光脈沖進行調(diào)制，即，只有一個分支起到調(diào)制編碼的作用。
[0035]—分四分光器1010可以將輸入光脈沖等分為四個光脈沖，分別輸入到所述第一分支、所述第二分支、所述第三分支和所 述第四分支。
[0036]第一~第四編碼干涉儀KMO1~10404可以是使用法拉第反射鏡的邁克爾遜干涉儀或Mach-Zehnder型干涉儀。光脈沖經(jīng)過干涉儀后，被分為前后兩個波包，前后波包相差
的相位由干涉儀的長短臂光路長度差Λ L和其中的調(diào)相器件調(diào)制的相位Δ%μ決定。
例如，相位差可以滿足以下公式:
[0037]
【權(quán)利要求】
1.一種用于量子密碼通信的編碼器，包括: 由第一光學開關(guān)兀件和第一編碼干涉儀構(gòu)成的第一分支； 由第二光學開關(guān)元件和第二編碼干涉儀構(gòu)成的第二分支； 由第三光學開關(guān)元件和第三編碼干涉儀構(gòu)成的第三分支； 由第四光學開關(guān)元件和第四編碼干涉儀構(gòu)成的第四分支； 一分四分光器，與輸入端、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連，用于將輸入光脈沖分為四個光脈沖，分別輸入到所述第一分支、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，與所述第一分支、所述第二分支、所述第三分支、所述第四分支和輸出端相連，用于將所述第一分支、所述第二分支、所述第三分支和所述第四分支輸出的編碼后的光脈沖合為一路從輸出端輸出， 其中，所述第一編碼干涉儀對光脈沖進行干涉后生成的前后兩個波包之間的相位差為第一預定相位，所述第二編碼干涉儀對光脈沖進行干涉后生成的前后兩個波包之間的相位差為所述第一預定相位+k.2 π + π /2，所述第三編碼干涉儀對光脈沖進行干涉后生成的前后兩個波包之間的相位差為所述第一預定相位+k.2 π + Ji，所述第四編碼干涉儀對光脈沖進行干涉后生成的前后兩個波包之間的相位差為所述第一預定相位+k.2 +3 Ji /2,其中k是整數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的編碼器，還包括: 光學開關(guān)元件驅(qū)動電路，用于根據(jù)隨機信號，隨機導通所述第一光學開關(guān)元件、所述第二光學開關(guān)元件、所述第三光學開關(guān)元件和所述第四光學開關(guān)元件之一。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的編碼器，還包括: 隨機光強調(diào)制器，連接在所述輸入端與所述一分四分光器之間，用于對所述輸入光脈沖進行隨機光強調(diào)制。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的編碼器，還包括: 衰減器，連接在所述四合一合光器與所述輸出端之間，用于對輸出光脈沖進行光強控制，使光脈沖達到單光子量級。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的編碼器，還包括: 隨機光強調(diào)制器，連接在所述四合一合光器與所述輸出端之間，用于對所述輸出光脈沖進行隨機光強調(diào)制。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的編碼器，還包括: 衰減器，連接在所述四合一合光器與所述隨機光強調(diào)制器之間，或連接在所述隨機光強調(diào)制器與所述輸出端之間，用于對輸出光脈沖進行光強控制，使光脈沖達到單光子量級。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的編碼器，其中，所述一分四分光器將輸入光脈沖等分為四個光脈沖，分別輸入到所述第一分支、所述第二分支、所述第三分支和所述第四分支。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的編碼器，其中，所述第一光學開關(guān)元件、所述第二光學開關(guān)元件、所述第三光學開關(guān)兀件和所述第四光學開關(guān)兀件是電光強度調(diào)制器、微光機電系統(tǒng)光開關(guān)、基于非線性效應的全光開關(guān)、或機械型光學開關(guān)元件。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的編碼器，其中，所述第一光學開關(guān)元件、所述第二光學開關(guān)元件、所述第三光學開關(guān)元件和所述第四光學開關(guān)元件是波導型電光強度調(diào)制器。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的編碼器，其中，所述第一編碼干涉儀、所述第二編碼干涉儀、所述第三編碼干涉儀和所述第四編碼干涉儀是使用法拉第反射鏡的邁克爾遜干涉儀或Mach-Zehnder 型干涉儀。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的編碼器，其中， 所述第一光學開關(guān)元件連接在所述一分四分光器與所述第一編碼干涉儀之間，或者連接在所述第一編碼干涉儀與所述四合一合光器之間； 所述第二光學開關(guān)元件連接在所述一分四分光器與所述第二編碼干涉儀之間，或者連接在所述第二編碼干涉儀與所述四合一合光器之間； 所述第三光學開關(guān)元件連接在所述一分四分光器與所述第三編碼干涉儀之間，或者連接在所述第三編碼干涉儀與所述四合一合光器之間； 所述第四光學開關(guān)元件連接在所述一分四分光器與所述第四編碼干涉儀之間，或者連接在所述第四編碼干涉儀與所述四合一合光器之間。
12.一種用于量子密碼通信的解碼器，包括: 由第一解碼干涉儀和第一單光子探測器、第二單光子探測器構(gòu)成的第一分支； 由第二解碼干涉儀和第三單光子探測器、第四單光子探測器構(gòu)成的第二分支； 一分二分光器，與輸入端、所述第一分支和所述第二分支相連，用于將輸入光脈沖分為兩個光脈沖，分別輸入到所述第一分支和所述第二分支， 其中，所述第一解碼干涉儀和所述第二解碼干涉儀各自輸出的前后兩個波包之間的相位差均為η，所述第一解碼干涉儀和所述第二解碼干涉儀中隨機的一個解碼干涉儀對應于{0，π}的一組基，所述第一解碼干涉儀和所述第二解碼干涉儀中的另一個解碼干涉儀對應于{π/2,3π/2}的一組基。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的解碼器，其中所述一分二分光器是波長不敏感型器件，SP，對不同波長的輸入光，分光比實質(zhì)上一致。
【文檔編號】H04L9/08GK103546280SQ201310516971
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年10月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月28日
【發(fā)明者】陳巍, 王雙, 周政, 李玉虎, 銀振強, 何德勇, 韓正甫, 郭光燦 申請人:中國科學技術(shù)大學