高速时间相位编码装置、方法及量子通信系统与流程

本发明涉及量子通信和光量子编解码，尤其涉及一种高速时间相位编码装置、方法及量子通信系统。

背景技术：

1、量子通信是量子信息学的一个重要分支，量子通信是利用量子比特作为载体来进行信息交互的通信技术，可在确保信息安全等方面突破经典信息技术的极限，因此在多个领域中均具有较高的应用价值。

2、量子通信系统的物理实现，如量子密钥分发和量子直接通信的物理实现，均需对量子态进行编码和解码。不同协议的量子通信系统对量子态的编解码需求不同，如何在同一个光量子编解码装置中兼容多种量子通信协议，灵活地实现多种量子态编解码需求是的目前量子通信应用的一个重要问题。

3、为适应多种通信协议需求，需要使编码装置具备三组基六态的编码能力，根据协议需求制备相应的时间相位编码量子态。时间相位编码采用时间基矢以及相位基矢进行编码，具有抗环境扰动、高效成码等优势，受到业界重视，已成为量子通信主要编码方式之一。

4、因此，如何实现高速且稳定的、能够兼容多种协议的时间相位量子态编码是量子通信应用中一个有待解决的问题。

技术实现思路

1、本技术提供一种高速时间相位编码装置、方法及量子通信系统，用以解决现有技术中提及的技术问题。

2、根据本技术的第一方面，提供一种高速时间相位编码装置，包括：不等臂干涉仪、干涉仪、光传输单元、第一相位调制器以及第一驱动器，

3、所述不等臂干涉仪包括：第一光耦合器、第二光耦合器、第一传输光路以及与所述第一传输光路光程不相等的第二传输光路；所述第一光耦合器包含三个端口，分别为端口a、端口b和端口c；所述第二光耦合器包含四个端口，分别为端口d、端口e、端口f和端口g；所述第一传输光路连接所述第一光耦合器的端口b和所述第二光耦合器端口d；所述第二传输光路连接所述第一光耦合器的端口c和所述第二光耦合器端口e；

4、所述干涉仪包括：第二光耦合器以及第三传输光路，所述第二光耦合器端口g和端口f通过所述第三传输光路连接，所述第二光耦合器用于将输入所述干涉仪的光脉冲分束为两路子光脉冲；

5、所述第一相位调制器设置于所述第三传输光路上，所述第一相位调制器包含三个端口，分别为端口l、端口m和电端口n，端口l和端口m分别为所述第一相位调制器的正向输入光端口和反向输入光端口；所述电端口n和所述第一驱动器连接，用于接收所述第一驱动器施加的调制信号，所述第一相位调制器在被施加频率高于指定阈值的高频调制信号后处于非互易状态，对两路子光脉冲中由正向输入光端口输入的一路子光脉冲的调制效率与对由反向输入光端口输入的一路子光脉冲的调制效率的比值大于预设阈值；

6、所述光传输单元设置于所述第一传输光路上，所述光传输单元与所述第一光耦合器之一作为所述高速时间相位编码装置的光输入端，另一个作为所述高速时间相位编码装置的光输出端。

7、在其中一些实现方式中，所述光传输单元包含三个端口，分别为端口x、端口y和端口z；所述光传输单元端口z和端口y通过所述第一传输光路分别与所述第一光耦合器端口b和所述第二光耦合器端口d连接；

8、所述光传输单元作为所述高速时间相位编码装置的光输入端时，从所述光传输单元端口x输入的光信号经所述光传输单元后由端口y输出，从所述光传输单元端口y输入的光信号经所述光传输单元后由端口z输出；所述光传输单元作为所述高速时间相位编码装置的光输出端时，从所述光传输单元端口z输入的光信号经所述光传输单元后由端口y输出，从所述光传输单元端口y输入的光信号经所述光传输单元后由端口x输出。

9、在其中一些实现方式中，当所述光传输单元端口x为所述高速时间相位编码装置的光输出端口，所述第一光耦合器端口a为所述高速时间相位编码装置的光输入端口时，

10、所述第一光耦合器将通过端口a输入的一路光脉冲分束为两路子光脉冲，分别为第一路子光脉冲和第二路子光脉冲；所述第一路子光脉冲经第一传输光路由所述第二光耦合器端口d输入所述第二光耦合器后，从所述第二光耦合器端口g和端口f输出；所述第二路子光脉冲经第二传输光路由所述第二光耦合器端口e输入所述第二光耦合器后，从所述第二光耦合器的端口g和端口f输出；所述第一路子光脉冲经所述第二光耦合器端口g输出的第一路反射子光脉冲和所述第二路子光脉冲经所述第二光耦合器端口g输出的第二路透射子光脉冲组成第三路子光脉冲，沿所述第三传输光路逆时针方向经所述第一相位调制器后传输至所述第二光耦合器端口f；所述第一路子光脉冲经所述第二光耦合器端口f输出的第一路透射子光脉冲和所述第二路子光脉冲经所述第二光耦合器端口f输出的第二路反射子光脉冲组成第四路子光脉冲，沿所述第三传输光路顺时针方向经所述第一相位调制器后传输至所述第二光耦合器端口g；第三路子光脉冲和第四路子光脉冲在一个脉冲周期内均包含前后两个时隙的光脉冲；

11、所述第一相位调制器对由正向输入光端口输入的第三路子光脉冲进行相位调制，或对第三路子光脉冲的两个时隙之一进行相位调制；

12、所述第二光耦合器对经过所述第一相位调制器后的第三路子光脉冲和第四路子光脉冲合束，由所述第二光耦合器端口d输出至所述光传输单元端口y，并经所述光传输单元端口x输出。

13、在其中一些实现方式中，所述光传输单元端口x为所述高速时间相位编码装置的光输入端口，所述第一光耦合器端口a为所述高速时间相位编码装置的光输出端口时，

14、通过所述光传输单元端口x输入一路光脉冲，由所述光传输单元端口y输出至所述第二光耦合器端口d，由所述第二光耦合器分束为两路子光脉冲，分别为第一路子光脉冲和第二路子光脉冲；所述第一路子光脉冲由所述第二光耦合器端口g输出，沿所述第三传输光路逆时针方向经所述第一相位调制器后传输至所述第二光耦合器端口f；所述第二路子光脉冲由所述第二光耦合器端口f输出，沿所述第三传输光路顺时针方向经所述第一相位调制器后传输至所述第二光耦合器端口g；

15、所述第一相位调制器对由正向输入光端口输入的第一路子光脉冲进行相位调制；

16、所述第二光耦合器对经过第一相位调制器后的第一路子光脉冲和第二路子光脉冲合束，并经由第二光耦合器的端口d和端口e输出，由端口d输出的光脉冲输出至所述光传输单元端口y，经所述光传输单元端口z输出至所述第一光耦合器端口b；由端口e输出的光脉冲输出至所述第一光耦合器端口c；由所述第一光耦合器端口b和端口c输入所述第一光耦合器的两路光脉冲合束后从所述第一光耦合器端口a输出。

17、在其中一些实现方式中，所述第一相位调制器对第三路子光脉冲的两个时隙之一调制0°或180°。

18、在其中一些实现方式中，所述两路子光脉冲同时经过所述第一相位调制器。

19、在其中一些实现方式中，所述第一相位调制器对两路子光脉冲中由正向输入光端口输入的一路子光脉冲随机调制0°、90°、180°或270°。

20、在其中一些实现方式中，所述装置还包括：第二相位调制器和第二驱动器，

21、所述第二相位调制器设置于所述第三传输光路上，与所述第一相位调制器串联；

22、所述第二相位调制器包含三个端口，分别为端口l＇、端口m＇和电端口n＇，端口l＇和端口m＇分别为所述第二相位调制器的正向输入光端口和反向输入光端口；端口l＇、端口m＇通过所述第三传输光路分别与所述第二光耦合器端口f和所述第一相位调制器端口m连接，或者端口m＇、端口l＇通过所述第三传输光路分别与所述第二光耦合器端口f和所述第一相位调制器端口m连接；所述第二相位调制器电端口n＇与所述第二驱动器连接；通过所述电端口n＇接收所述第二驱动器施加的调制信号，所述第二相位调制器在被施加频率高于指定阈值的高频调制信号后处于非互易状态，对由正向输入光端口输入的光脉冲的调制效率与对由反向输入光端口输入的光脉冲的调制效率的比值大于预设阈值。

23、在其中一些实现方式中，所述装置还包括：第三相位调制器和第三驱动器，

24、所述第三相位调制器设置于所述第三传输光路上，与所述第一相位调制器及第二相位调制器串联；

25、所述第三相位调制器包含三个端口，分别为端口l＂、端口m＂和端口n＂，端口l＂和端口m＂分别为所述第三相位调制器的正向输入光端口和反向输入光端口，所述第三相位调制器电端口n＂与所述第三驱动器连接，通过所述电端口n＂接收所述第三驱动器施加的调制信号，所述第三相位调制器在被施加频率高于指定阈值的高频调制信号后处于非互易状态，对由正向输入光端口输入的光脉冲的调制效率与对由反向输入光端口输入的光脉冲的调制效率的比值大于预设阈值。

26、在其中一些实现方式中，所述装置还包括：第二相位调制器和第二驱动器，

27、所述第二相位调制器设置于所述第三传输光路上，与所述第一相位调制器串联；

28、所述第二相位调制器包含三个端口，分别为端口l＇、端口m＇和电端口n＇，端口l＇和端口m＇分别为所述第二相位调制器的正向输入光端口和反向输入光端口；端口l＇、端口m＇通过所述第三传输光路分别与所述第二光耦合器端口f和所述第一相位调制器端口m连接，或者端口m＇、端口l＇通过所述第三传输光路分别与所述第二光耦合器端口f和所述第一相位调制器端口m连接；所述第二相位调制器电端口n＇与所述第二驱动器连接；通过所述电端口n＇接收所述第二驱动器施加的调制信号，所述第二相位调制器在被施加频率高于指定阈值的高频调制信号后处于非互易状态，对由正向输入光端口输入的光脉冲的调制效率与对由反向输入光端口输入的光脉冲的调制效率的比值大于预设阈值。

29、在其中一些实现方式中，所述光传输单元为：光耦合器或光环形器。

30、在其中一些实现方式中，所述装置还包括：衰减器，

31、所述衰减器设置于所述第一传输光路或所述第二传输光路，用于调节所述不等臂干涉仪两臂的损耗。

32、在其中一些实现方式中，所述第一传输光路、第二传输光路和/或第三传输光路为保偏光纤。

33、在其中一些实现方式中，所述第二光耦合器端口g和端口f均与所述第三传输光路的保偏光纤慢轴耦合，或均与所述第三传输光路的保偏光纤快轴耦合。

34、在其中一些实现方式中，所述第一光耦合器和/或第二光耦合器为保偏光纤耦合器。

35、根据本技术的第二方面，提供一种高速时间相位编码方法，其应用上述任一项所述的高速时间相位编码装置实现高速时间相位编码。

36、根据本技术的第三方面，提供一种量子通信系统，包括上述任一项所述的高速时间相位编码装置。

37、综上所述，本技术提供的高速时间相位编码装置、方法及量子通信系统，至少具有以下有益效果：

38、本技术的高速时间相位编码装置包括不等臂干涉仪、干涉仪、光传输单元、第一相位调制器以及第一驱动器，其中，不等臂干涉仪基于第一光耦合器、第二光耦合器、第一传输光路以及第二传输光路，对光束进行处理；干涉仪基于第二光耦合器以及第三传输光路，将输入干涉仪的光脉冲分束为两路子光脉冲；第一相位调制器接收第一驱动器施加的调制信号，对两路子光脉冲进行相位调制，在两路子光脉冲之间形成相位差。本技术的高速时间相位编码装置、方法及量子通信系统，在对设置在干涉仪光路结构中的第一相位调制器施加高频调制信号，使得第一相位调制器对正反向输入的光脉冲调制相位具有非互易性，从而第一相位调制器对正向输入的光脉冲能够有效的进行相位调制，对反向输入的光脉冲不能有效的进行相位调制；从而当正向传输的光脉冲和反向传输的光脉冲都经过高频调制的相位调制器时，正向传输的光脉冲获得相位调制，反向传输的光脉冲没有相位调制，在两路光脉冲之间形成相位差，能够实现10ghz或更高速的时间相位量子态编解码。

39、另外，在干涉仪光路中，顺时针和逆时针两路光脉冲传输经过的光路完全相同，对环境干扰具有自补偿功能，可以补充环境变化引起的光路和相位调制器带来的相位漂移，无需温控措施或主动相位补充，具有抗干扰高稳定性的优势。

40、另外，本技术可以实现对两组基四种偏振态的稳定调制，也可以实现三组基六种偏振态或三组基四种偏振态等时间相位量子态的编码，实现了兼容多种量子通信协议对量子态编码需求。

41、因此，本技术提供了一种易于实现和应用的兼容多种量子通信协议的高速稳定时间相位编码装置的实现方案。