一种即插即用时间相位编码量子密钥分发系统的制作方法

本发明涉及光保密通信，特别涉及一种即插即用时间相位编码量子密钥分发系统。

背景技术：

1、量子密钥分发可以为通信双方提供无条件安全的密钥分发，在信息安全领域具有重要的作用。对于相位编码量子密钥分发协议，由于光纤信道存在双折射效应，量子光信号在传输时由于机械振动、温度变化等因素导致偏振态随机变化，因此在进行解码时需要保证进行干涉的两个时间模式偏振相同，才能保证干涉的稳定性。

2、采用法拉第镜的往返式即插即用量子密钥分发系统可以解决光纤信道的偏振变化问题，即通过法拉第镜可以自动补偿信道的偏振变化，并通过往返经过不等臂干涉仪可以自动补偿相位漂移，系统具有较高的稳定性。但是该方案采用相位编码，需要在解码时调制不等臂干涉仪上的相位调制器进行主动选基，由于光信号需要往返经过不等臂干涉仪，必须保证光信号正向经过相位调制器时不进行调制，反向经过时进行调制，这就需要复杂的时序控制，增加了系统的复杂度。专利cn106161011b通过采用时间相位编码方案，解码时无需进行主动选基，省去了不等臂干涉仪上的相位调制器。但是该方案需要使用相位调制器和强度调制器进行时间相位编码，并且需要额外的强度调制器实现诱骗态制备，在光信号正向经过调制器时不调制，经法拉第镜反射后反向经过调制器时进行调制，使得调制器的调制速率受限。另外，由于光信号经过光纤信道后偏振变得随机，这就需要相位调制器和强度调制器可以对任意偏振的光信号进行调制，常规的强度调制器无法实现这一点，因此该方案具有较大的局限性。

技术实现思路

1、针对现有技术存在以上缺陷，本发明提出一种即插即用时间相位编码量子密钥分发系统。

2、本发明的技术方案是这样实现的：

3、一种即插即用时间相位编码量子密钥分发系统，包括经光纤信道连接的发射端alice和接收端bob，

4、发射端alice包括：

5、激光器ld，用于产生相位随机化的水平偏振光脉冲；

6、第一偏振分束器pbs1，用于透射水平偏振光脉冲；

7、45°偏振旋转模块，用于将水平偏振光脉冲的偏振态旋转为45°线偏振态；

8、偏振干涉仪，用于将水平偏振光脉冲分为时间差为t、偏振相互垂直的两个子脉冲；

9、分束器bs，其两个输入端口分别连接偏振干涉仪的输出端口和第二单光子探测器spd2，输出端口通过光纤信道连接衰减器voa；

10、第一单光子探测器spd1和第二单光子探测器spd2，

11、接收端bob包括：

12、第二偏振分束器pbs2，用于将经光纤信道传输的两个子脉冲分别进行偏振分束，使每个子脉冲分别产生水平偏振分量和竖直偏振分量；

13、双向强度调制模块，包含法拉第旋光模块，用于分别同时对每个子脉冲的水平偏振分量和竖直偏振分量的光强调制相同的损耗；

14、第二偏振分束器pbs2还用于使经过强度调制的每个子脉冲的水平偏振分量和竖直偏振分量进行偏振合束，得到时间相位编码量子态；

15、时间相位编码量子态包括z基下的2个时间编码态和x基下的1个相位编码态，以及相应的诱骗态；

16、衰减器voa，用于将时间相位编码量子态衰减到单光子量级；

17、分束器bs用于将经光纤信道传输回衰减后的时间相位编码量子态进行非平衡分束后并分别进入偏振干涉仪以及第二单光子探测器spd2，其中进入偏振干涉仪的分量小于进入第二单光子探测器spd2的分量；

18、偏振干涉仪、45°偏振旋转模块以及第一偏振分束器pbs1还用于对时间相位编码量子态进行x基解码，第一单光子探测器spd1用于探测x基解码后的光信号。

19、优选地，所述偏振干涉仪包括第三偏振分束器pbs3和第四偏振分束器pbs4，第三偏振分束器pbs3的输入端口和第四偏振分束器pbs4的输出端口分别作为偏振干涉仪的输入端口和输出端口；第三偏振分束器pbs3的两个输出端口分别通过长度差为ct的保偏光纤连接第四偏振分束器pbs4的两个输入端口，c为光纤中的光速。

20、优选地，所述偏振干涉仪为第五偏振分束器pbs5，第五偏振分束器pbs5的一个输入端口和一个输出端口分别作为偏振干涉仪的输入端口和输出端口；第五偏振分束器pbs5的另一个输入端口和另一个输出端口通过长度为ct的保偏光纤相连，c为光纤中的光速。

21、优选地，所述双向强度调制模块包括第一起偏器pol1、第二起偏器pol2、第六偏振分束器pbs6、第一相位调制器pm1和第一法拉第旋转器fr1，

22、第一起偏器pol1输入端口和第二起偏器pol2输入端口分别作为双向强度调制模块的两个端口；

23、第一起偏器pol1输入端口、输出端口和第二起偏器pol2输入端口、输出端口的偏振方向均与保偏光纤慢轴对准；

24、第六偏振分束器pbs6的两个输入端口分别与第一起偏器pol1输出端口、第二起偏器pol2输出端口之间通过45°保偏光纤熔接；

25、第六偏振分束器pbs6的两个输出端口分别通过保偏光纤连接第一相位调制器pm1的一个端口和第一法拉第旋转器fr1的一个端口；

26、第一相位调制器pm1的另一个端口和第一法拉第旋转器fr1的另一个端口通过保偏光纤相连；

27、第一法拉第旋转器fr1的偏振旋转角度为90°，且两端的偏振方向分别与保偏光纤慢轴和快轴对准。

28、优选地，所述双向强度调制模块包括第三起偏器pol3、第四起偏器pol4、第七偏振分束器pbs7、第一相位调制器pm1和第一法拉第旋转器fr1，

29、第三起偏器pol3的输入端口和第四起偏器pol4的输入端口分别作为双向强度调制模块的两个端口；

30、第三起偏器pol3输入端口和第四起偏器pol4输入端口的偏振方向均与保偏光纤慢轴对准；

31、第三起偏器pol3的输出端口和第四起偏器pol4的输出端口分别与第七偏振分束器pbs7的两个输入端口贴合；

32、第三起偏器pol3输出端口和第四起偏器pol4输出端口的偏振方向均与第七偏振分束器pbs7两个输入端口的水平偏振方向夹角为45°；

33、第七偏振分束器pbs7的两个输出端口分别通过保偏光纤连接第一相位调制器pm1的一个端口和第一法拉第旋转器fr1的一个端口；

34、第一相位调制器pm1的另一个端口和第一法拉第旋转器fr1的另一个端口通过保偏光纤相连；

35、第一法拉第旋转器fr1的偏振旋转角度为90°，且两端的偏振方向分别与保偏光纤慢轴和快轴对准。

36、优选地，所述双向强度调制模块包括第五起偏器pol5、第六起偏器pol6、第二相位调制器pm2和第二法拉第旋转器fr2，

37、第五起偏器pol5的输入端口和第二法拉第旋转器fr2的输入端口分别作为双向强度调制模块的两个端口；

38、第五起偏器pol5输入端口和第六起偏器pol6输入端口的偏振方向均与保偏光纤慢轴对准；

39、第五起偏器pol5的输出端口和第六起偏器pol6的输出端口分别与第二相位调制器pm2的两个端口贴合；

40、第五起偏器pol5输出端口和第六起偏器pol6输出端口的偏振方向均与第二相位调制器pm2两个端口的水平偏振方向夹角为45°；

41、第二法拉第旋转器fr2的输出端口和第六起偏器pol6的输入端口通过保偏光纤相连；

42、第二法拉第旋转器fr2的偏振旋转角度为90°，且两端的偏振方向均与保偏光纤慢轴对准。

43、优选地，分束器bs的分束比为10：90，其中90%的端口与第二单光子探测器spd2相连。

44、优选地，激光器ld产生光脉冲的周期和第一单光子探测器spd1的门控周期均为2t，第二单光子探测器spd2的门控周期为t。

45、优选地，分束器bs与第二单光子探测器spd2之间还设置有第八偏振分束器pbs8，分束器bs的一个输入端口和第二单光子探测器spd2分别连接的第八偏振分束器pbs8的输入端口和一个输出端口，第八偏振分束器pbs8的另一个输出端口连接有第三单光子探测器spd3。

46、优选地，激光器ld产生光脉冲的周期、第一单光子探测器spd1和第二单光子探测器spd2的门控周期为2t。

47、与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

48、本发明提出一种即插即用时间相位编码量子密钥分发系统，采用往返式架构，利用偏振分束器结合双向强度调制模块实现3态时间相位编码，不仅可以实现偏振和相位自动补偿以及被动选基测量，还能够实现偏振无关的量子态制备，且结构可支持更高的速率，大大提升了系统的稳定性和实用性，并降低了系统的复杂度。