CN111555863B - 用于时间相位-偏振联合编码的发送端、编码方法及量子密钥分发*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于时间相位‑偏振联合编码的发送端、编码方法及量子密钥分发***。本发明的编码方法包括时间相位编码步骤和偏振编码步骤。其中，在时间相位编码步骤中，使待编码的信号光经过相位调制单元以对其进行第一次相位调制，基于第一次相位调制并借助光的反射在信号光上产生时间相位编码信息。在偏振编码步骤中，使经反射且具有时间相位编码信息的信号光再次经过该相位调制单元以对其进行第二次相位调制，并基于第二次相位调制在经反射且具有时间相位编码信息的信号光上产生偏振编码信息。

Description

用于时间相位-偏振联合编码的发送端、编码方法及量子密钥 分发***

技术领域

本发明涉及量子保密通信领域，具体涉及一种用于时间相位-偏振联合编码的发送端、编码方法及量子密钥分发(QKD)***。

背景技术

量子密钥分发(QKD)与经典密钥体系的根本不同在于其采用单个光子或纠缠光子对作为密钥的载体，由量子力学的基本原理保证了该过程的不可窃听、不可破译性，从而提供了一种更为安全的密钥体系。

图1a示出了现有技术的一种用于实现时间比特-相位编码的发送端。如图所示，光源输出的激光脉冲经不等臂MZ干涉仪产生两个时间上分离的脉冲分量。为了获得X和Y基矢下的相位编码，通过相位调制器在两个脉冲分量之间加载四种相位0、π、π/2和3π/2.为了获得Z基矢下的时间比特编码，通过强度调制器(IM)对前或后脉冲分量分别调制，控制通过或消光，保留前一个或者后一个脉冲分量以得到时间态|t0>或|t1>。如果是X或Y基矢编码，则强度调制器对两个脉冲分量均通光1/2。

图1b示出了现有技术的另一种基于时间相位编码的量子密钥分发***，例如参见中国发明专利申请201610695435.1。如图所示，该量子密钥分发***包括相互光连接的发送端和接收端，发送端中的编码单元包括Z基矢时间编码模块和相位编码模块，所述相位编码模块为X基矢相位编码模块或Y基矢相位编码模块；接收端中的解码单元包括Z基矢时间测量模块和相位测量模块，相位测量模块为X基矢相位测量模块或Y基矢相位测量模块，且与所述相位编码模块相适应。

图1c示出了现有技术的又一种基于时间相位编码的量子密钥分发***。如图所示，在该***中，光源输出的激光脉冲经不等臂MZ干涉仪产生两个时间上分离的脉冲分量，这两个脉冲分量先后进入等臂干涉仪中。等臂干涉仪中包括两个相位调制器，通过调节这两个相位调制器的相对相位差可以获得不同的干涉输出光强和相位结果，而且对于不同时间到达的脉冲分量，通过切换调制电压值可以调制出不同的光强和相位结果。在量子密钥分发***的发送端处，能够进行3种基矢的编码。例如，等臂干涉仪的相位差为0、π时对应输出为消光和有光结果，此时为Z基矢编码；相位差为π/2、-π/2时都输出脉冲，脉冲之间的相位差则决定是X基矢编码或Y基矢编码。

QKD的发送端还需要对诱骗态光源进行量子态BB84编码，如常用的偏振编码。基于相位调制的偏振态编码主要原理为：

通过将光脉冲分为相互垂直的|H＞和|V＞两个分量，再调节两个分量光脉冲的相位差

对于特定的

可获得特定的偏振态，根据欧拉公式e^ix＝cosx+isinx后，分别得到

如

分别取为0时，

如

分别取为π/2时，

如

分别取为π时，

如

分别取为3π/2时，

从而获得P、R、N和L四种偏振态。

然而，在现有技术中，无论是偏振编码还是时间相位编码，都是采用2维空间进行量子密钥编解码，1个光子最多能够传输1比特信息。在远距离传输过程中，光子损耗非常严重，造成密钥生成速率比较低。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种高维的联合编码方式，对1个光子同时进行时间相位调制和偏振调制，使得1个光子同时携带2个比特信息，因而能够大大提高密钥生成速率。

具体而言，本发明的一个方面公开了一种用于实现时间相位-偏振联合编码的发送端，其包括光源1、编码模块2、第一反射单元3和第二反射单元4。其中，所述光源1用于提供待编码的信号光。所述编码模块2包括相位调制单元211，且被设置成：将所述待编码的信号光分成第一信号光分量和第二信号光分量；借助所述相位调制单元211对所述第一和第二信号光分量中的至少一个进行第一次相位调制；以及使所述第一和第二信号光分量发生干涉并输出一路或两路第一干涉光信号。所述第一反射单元3和所述第二反射单元4具有彼此不同的光程，且设置成接收所述第一干涉光信号并将其反射回所述编码模块2。所述编码模块2还设置成：接收反射光信号并将其分成第一反射光信号分量和第二反射光信号分量，其中，所述反射光信号分量具有时间相位编码信息；借助所述相位调制单元211对所述第一和第二反射光信号分量中的至少一个进行第二次相位调制；以及使所述第一和第二反射光信号分量发生干涉并输出第二干涉光信号，其中，所述第二干涉光信号具有所述时间相位编码信息和偏振编码信息。

优选地，所述第一反射单元3包括光纤和设于光纤末端的反射结构，其中：所述光纤为保偏光纤，且所述反射结构为普通的反射镜或反射膜；或者，所述光纤为保偏光纤或普通光纤，且所述反射结构为法拉第反射镜或者法拉第反射膜。并且，所述第二反射单元4包括光纤和设于光纤末端的反射结构，其中：所述光纤为保偏光纤，且所述反射结构为普通的反射镜或反射膜；或者，所述光纤为保偏光纤或普通光纤，且所述反射结构为法拉第反射镜或者法拉第反射膜。

优选地，所述编码模块2还包括偏振分束单元212和分束单元213，所述偏振分束单元212和所述分束单元213之间通过具有相同光程的第一光路和第二光路连接以形成等臂MZ干涉仪；并且，所述相位调制单元211设于所述第一和第二光路中的至少一个上。

优选地，所述偏振分束单元212接收所述待编码的信号光，以及输出具有所述时间相位编码信息和偏振编码信息的所述第二干涉光信号；并且/或者，所述分束单元213连接所述第一反射单元3和所述第二反射单元4，并且输出所述第一干涉光信号和接收所述反射光信号。

优选地，所述发送端还可以包括相位检测反馈模块，用于补偿所述等臂MZ干涉仪中的相位漂移；并且/或者，所述偏振分束单元212包括偏振分束器；并且/或者，所述分束单元213包括分束器。

优选地，所述第一次相位调制在所述第一和第二信号光分量之间形成的第一相位差θ₁为0、π/2、π、3π/2中的一个；并且/或者，所述第二次相位调制在所述第一和第二反射光信号分量之间形成的第二相位差θ₂为0、π/2、π、3π/2中的一个。

本发明的另一方面公开了一种量子密钥分发***，其包括上述发送端。

本发明的又一方面公开了一种用于时间相位-偏振联合编码的编码方法，其包括时间相位编码步骤和偏振编码步骤。其中，在时间相位编码步骤中，使待编码的信号光经过相位调制单元以对其进行第一次相位调制，基于所述第一次相位调制并借助光的反射在所述信号光上产生时间相位编码信息。在偏振编码步骤中，使经反射且具有所述时间相位编码信息的所述信号光再次经过所述相位调制单元以对其进行第二次相位调制，并基于所述第二次相位调制在经反射且具有所述时间相位编码信息的所述信号光上产生偏振编码信息。

优选地，所述时间相位编码步骤还包括以下步骤：使所述待编码的信号光按照偏振方向彼此垂直的两种分量分束成第一信号光分量和第二信号光分量；利用所述相位调制单元对所述第一和第二信号光分量中的至少一个进行所述第一次相位调制以在两者之间形成第一相位差θ₁；使具有所述第一相位差θ₁的所述第一和第二信号光分量发生第一次干涉作用，并输出一路或两路第一干涉光信号；以及，根据所述第一相位差θ₁，使所述第一干涉光信号进入具有不同光程的第一反射单元和第二反射单元中的至少一个并发生反射。

优选地，所述偏振编码步骤还包括以下步骤：使经反射且具有所述时间相位编码信息的所述信号光分为第一和第二反射光信号分量；利用所述相位调制单元对所述第一和第二反射光信号分量中的至少一个进行所述第二次相位调制以在两者之间形成第二相位差θ₂；以及使具有所述第二相位差θ₂的所述第一和第二反射光信号分量发生第二次干涉作用。

优选地，利用偏振分束单元和分束单元构建等臂MZ干涉仪，且将所述相位调制单元设于所述等臂MZ干涉仪中；所述第一次干涉作用发生在所述分束单元处或者所述第二次干涉作用发生在所述偏振分束单元处。

优选地，所述时间相位编码信息与所述第一相位差θ₁和所述反射单元的光程有关；或者，所述偏振编码信息与所述第二相位差θ₂有关。

优选地，所述第一相位差θ₁为0、π/2、π、3π/2中的一个；或者，所述第二相位差θ₂为0、π/2、π、3π/2中的一个。

附图说明

图1a示出了现有技术的一种基于时间相位编码的发送端结构；

图1b示出了现有技术的另一种基于时间相位编码的量子密钥分发***；

图1c示出了现有技术的又一种基于时间相位编码的量子密钥分发***；

图2示出了本发明的用于时间相位偏振联合编码的发送端的结构原理图；以及

图3a-3d分别说明了在第一相位差θ₁分别为0、π、π/2和3π/2时，本发明的用于时间相位偏振联合编码的发送端的编码原理。

具体实施方式

在下文中，本发明的示例性实施例将参照附图来详细描述。下面的实施例以举例的方式提供，以便充分传达本发明的精神给本发明所属领域的技术人员。因此，本发明不限于本文公开的实施例。

在本发明的方法中，将借助同一相位调制单元实现对信号光的时间相位编码和偏振编码，其编码过程基本如下：首先使待编码的信号光经过相位调制单元以对其进行第一次相位调制，并基于第一次相位调制在信号光上产生时间相位编码；随后，使经时间相位编码的信号光再次经过同一相位调制单元以对其进行第二次相位调制，并基于第二次相位调制实现对信号光的偏振态调制，由此实现偏振编码。即，使待编码的信号光在同一光路中往返，基于同一相位调制单元对信号光的先后两次相位调制分别实现对信号光的时间相位编码和偏振编码。

具体而言，先使待编码的信号光按照偏振方向彼此垂直的两种分量分束成分别沿第一光路和第二光路传播的第一信号光分量和第二信号光分量；利用相位调制单元对第一和第二信号光分量中的至少一个进行相位调制以在两者之间形成第一相位差θ₁；使具有第一相位差θ₁的这两个信号光分量发生干涉并输出第一次干涉的结果，该干涉结果与第一相位差θ₁有关。

作为示例，上述过程可以借助由偏振分束器和分束器构成的等臂MZ干涉仪和设于干涉仪中的相位调制器来实现。第一相位差θ₁可以是(0,π,π/2,3π/2)中的任何一个。

接着，作为第一次干涉的结果所输出的干涉光脉冲进入第一反射单元和第二反射单元中的至少一个，并在被反射后获得与第一相位差θ₁有关的时间相位编码。其中，第一反射单元和第二反射单元被设置成对于光信号具有不同的折返光程(分别记为时间t0和t1)，即，同一时间进入第一和第二反射单元的光信号在第一和第二反射单元中发生反射后会在不同时间t0和t1返回输入端。作为示例，第一(第二)反射单元可以包括光纤和设于光纤末端的反射结构，其中：所述光纤为保偏光纤，且所述反射结构为普通的反射镜或反射膜；或者，所述光纤为保偏光纤或普通光纤，且所述反射结构为法拉第反射镜或者法拉第反射膜。

在反射单元中返回的反射光脉冲中的每一个又被分为两个分量，它们分别再次进入第一光路和第二光路传播，此时，这些反射光脉冲分量具有时间相位编码信息。

作为示例，当θ₁＝0时，第一次干涉将输出一个干涉光脉冲，其进入第一反射单元传播且在时间t0之后返回，并被分为两个反射光脉冲分量，它们分别再次进入第一光路和第二光路，此时，第一和第二光路上的反射光脉冲分量具有与时间t0对应的时间编码信息。

当θ₁＝π时，第一次干涉同样将输出一个干涉光脉冲，但其会进入第二反射单元传播且在时间t1之后返回，并被分为两个反射光脉冲分量，它们分别再次进入第一光路和第二光路，此时，第一和第二光路上的反射光脉冲分量具有与时间t1对应的时间编码信息。

当θ₁＝π/2时，第一次干涉将输出二个干涉光脉冲，其会分别进入第一和第二反射单元传播，且分别在时间t0和t1之后返回。在时间t0返回的反射光脉冲被分为两个反射光脉冲分量，它们分别再次进入第一光路和第二光路；在时间t1返回的反射光脉冲也被分为两个反射光脉冲分量，它们分别再次进入第一光路和第二光路。此时，在第一和第二光路上，均存在两个时间上分开的反射光脉冲分量(其分别对应于时间t0和t1)，且这两个反射光脉冲分量之间具有0或π的相位差，例如在此具有相位差0，即，此时，第一(第二)光路上的两个时间上分开的反射光脉冲承载有相位编码信息(即成为相位差为0的光脉冲对)。

而当θ₁＝3π/2时，第一次干涉将输出二个干涉光脉冲，其会分别进入第一和第二反射单元传播，且分别在时间t0和t1之后返回。在时间t0返回的反射光脉冲被分为两个反射光脉冲分量，它们分别再次进入第一光路和第二光路；在时间t1返回的反射光脉冲也被分为两个反射光脉冲分量，它们分别再次进入第一光路和第二光路。此时，在第一和第二光路上，均存在两个时间上分开的反射光脉冲分量(其分别对应于时间t0和t1)，且这两个反射光脉冲分量之间具有0或π的相位差，例如在此具有相位差π，即，此时，第一(第二)光路上的两个时间上分开的反射光脉冲承载有相位编码信息(即成为相位差为π的光脉冲对)。

由此可见，在本发明中，借助第一次相位调制(第一相位差θ₁)以及第一和第二反射单元可以在待编码的信号光上实现时间相位编码。

当上述具有时间相位编码信息且源于同一反射光脉冲的两个反射光脉冲分量分别在第一和第二光路上传播时，利用同一相位调制单元对这两个反射光脉冲分量中的至少一个进行第二次相位调制以在两者之间形成第二相位差θ₂。使具有第二相位差θ₂的这两个反射光脉冲分量相互干涉并输出第二次干涉的结果，第二次干涉输出的光脉冲的偏振态将会与第二相位差θ₂有关。

因此，在本发明中，利用同一相位调制单元在待编码的信号光在同一光路往返过程中先后对其进行两次相位调制(其分别提供第一相位差θ₁和第二相位差θ₂)，可以实现对信号光的时间相位编码和偏振编码。

本领域技术人员容易理解，在本发明中，第一相位差θ₁和第二相位差θ₂可以具有任何合适的取值，以提供所需要的时间相位编码和偏振态编码。作为示例，当θ₁和θ₂在(0,π,π/2,3π/2)中取值时，可以为量子密钥的编码提供四种时间相位态和四种偏振态，共十六种时间相位-偏振态。

为了进一步说明本发明的编码方法原理，图2示出了本发明的用于时间相位-偏振编码的发送端的一种示例性实施方式。

如图所示，本发明的发送端可以包括光源1、编码模块2、第一反射单元3和第二反射单元4。

光源1用于输出待编码的信号光，其例如可以是激光器的形式以输出激光脉冲信号。

编码模块2可以包括相位调制单元211、偏振分束单元212和分束单元213。

偏振分束单元212接收光源1输出的信号光脉冲，并将其按照偏振方向彼此垂直的两种分量等分成为第一和第二信号光脉冲分量。作为示例，偏振分束单元212可以为偏振分束器(PBS)的形式，且具体如图2所示，信号光脉冲经由偏振分束单元212的第3端口进入，分束而成的第一和第二信号光脉冲分量分别经由其第1端口和第2端口输出。

第一和第二信号光脉冲分量经偏振分束单元212输出后分别沿第一光路和第二光路朝向分束单元213的两个输入端(例如端口8和7)传播。第一光路和第二光路被设置成具有相同光程，以使第一和第二信号光脉冲分量能够同时到达分束单元213。因此，偏振分束单元212、分束单元213及连接两者的第一和第二光路实质上形成等臂MZ干涉仪结构。在此处，分束单元213可以为分束器(BS)的形式。

优选地，偏振分束单元212和分束单元213连接构建等臂MZ干涉仪时，干涉仪的分束单元处的两路偏振方向都相同，也即等臂MZ干涉仪的偏振分束单元212将所述待编码的信号光按照偏振方向彼此垂直的两种分量分束成第一信号光分量和第二信号光分量，在等臂MZ干涉仪的分束单元213上进行第一次干涉时，保持同一偏振方向。

相位调制单元211设置在第一光路和第二光路中的至少一个上，用于对经过的光脉冲分量进行相位调制，从而在两个光脉冲分量之间形成预设的相位差。例如图2中所示，相位调制单元211可以被设置在第一光路上，用于对沿第一光路传输的第一信号光脉冲分量进行大小为θ₁的相位调制(即第一次相位调制)，从而在第一和第二信号光脉冲分量之间形成相位差θ₁。

具有相位差θ₁的第一和第二信号光脉冲分量同时到达分束单元213处，本领域技术人员容易理解，在本发明所公开的结构下，第一和第二信号光脉冲分量此时对于分束单元213而言表现为具有相同的偏振方向，因此这两个分量将会在此发生第一次干涉作用。本领域技术人员容易理解，第一次干涉的结果与第一相位差θ₁有关，例如，第一相位差θ₁将决定第一次干涉输出的干涉光脉冲为一个或两个，以及干涉光脉冲在分束单元213的输出端口。作为示例，当θ₁＝0时，第一次干涉的结果仅会在分束单元213的端口5处输出干涉光脉冲；当θ₁＝π时，第一次干涉的结果仅会在分束单元213的端口6处输出干涉光脉冲；当θ₁＝π/2或3π/2时，第一次干涉的结果会同时在分束单元213的端口5和6处输出干涉光脉冲。

分束单元213的两个输出端口5和6分别连接第一反射单元3和第二反射单元4。作为示例，如图2所示，第一反射单元3可以包括第三光路和用于使光发生反射的反射结构，第二反射单元4可以包括第四光路和用于使光发生反射的反射结构，且第三光路和第四光路具有不同的光程差。例如，在第一反射单元中，由分束单元213的端口5进入的光脉冲经反射会在时间t0后返回端口5；在第二反射单元中，经分束单元213的端口6进入的光脉冲经反射会在时间t1后返回端口6。

在分束单元213处，反射光脉冲也被等分成两个分量，它们分别沿第一和第二光路向偏振分束单元212传播。至此，在第一和第二光路上传播的反射光脉冲分量上将形成有时间相位编码信息，其与第一相位差θ₁有关。

随后，在第一(第二)光路上，相位调制单元211又对具有时间相位编码信息且源于同一反射光脉冲的两个反射光脉冲分量进行相位调制(即第二次相位调制)，从而在这两个分量之间形成第二相位差θ₂。例如图2所示，第一光路中的相位调制单元211对反射光脉冲分量进行大小为θ₂的相位调制，从而在具有时间相位编码信息且源于同一反射光脉冲的两个反射光脉冲分量之间形成相位差θ₂。

具有第二相位差θ₂和时间相位编码信息(其与第一相位差θ₁有关)、且源于同一反射光脉冲的两个反射光脉冲分量分别经第一和第二光路同时返回偏振分束单元212，并在此发生第二次干涉。本领域技术人员容易理解，偏振分束单元212此时输出的第二次干涉的结果(例如在图2中经其第4端口输出的干涉光脉冲)的偏振方向会与相位调制单元211提供的第二次相位调制量θ₂有关。例如，由第二次干涉输出的干涉光脉冲的偏振态可以为

显然，在编码模块2中，通过控制第二次相位调制量θ₂可以调节其输出的第二次干涉结果中的干涉光脉冲的偏振态，从而实现对信号光脉冲偏振态的调制。至此，编码模块2基于第二次干涉输出的干涉光脉冲上将具有与第一相位差θ₁有关的时间相位编码信息和与第二相位差θ₂有关的偏振编码信息，即，实现了对光源1输出的待编码信号光的时间相位编码和偏振编码。

下面以表格的形式例举了利用本发明的发送端及编码方法所能实现的时间相位-偏振编码结果。

相位调制θ₁和θ₂与编码的对应表

在本发明的发送端结构中，通过偏振分束单元212(例如偏振分束器)、分束单元213(例如分束器)及相位调制单元211构成具有相位调制功能的等臂MZ干涉仪，首先以偏振分束器212为输入端和以分束器213为输出端，基于相位调制单元211提供的第一次相位调制及第一和第二反射单元在信号光脉冲上提供时间相位编码信息，进而完成时间相位编码；同时，还能使光信号再次返回上述等臂MZ干涉仪，并以分束器213为输入端和以偏振分束器212为输出端，基于相位调制单元211提供的第二次相位调制实现对信号光脉冲的偏振态调制，从而完成偏振态编码，最终完成对信号光脉冲的时间相位编码和偏振态编码。借助这种特殊的发送端结构及编码方法，通过两个反射单元实现对信号的时间相位编码和编码模块2的复用，从而利用同一光路结构(甚至同一相位调制单元211)实现对同一信号光脉冲的时间相位和偏振编码，相比现有技术中这两种编码的光路相互独立且各自需要一个调制器来实现，本发明能够有效地降低发送端的***复杂性，降低QKD发送端的成本，提高***集成度和稳定性。并且，在这种结构下，对于相位调制电信号的要求较低，一个周期只需要区别脉冲的两个到达时刻(即只要进行两次相位调制)即可。

进一步地，本发明人注意到，由于在本发明的发送端结构中采用等臂MZ干涉仪结构，信号光脉冲在其中传播时可能会发生相位漂移。因此，在本发明中还优选在发送端中相位检测反馈模块。作为相位检测反馈模块的一个示例，其可以包括分光单元、相位检测单元、相位反馈算法单元、移相器驱动单元及移相器。分光单元被设置用于将光脉冲分出一部分至相位检测单元；相位检测单元用于检测相位漂移量；相位反馈算法单元用于根据检测到的相位漂移量计算需要反馈补偿的相位量；移相器被设置在等臂MZ干涉仪中，并且在移相器驱动单元提供的驱动信号下对信号光脉冲进行相应的相位补偿。相位检测反馈模块针对等臂MZ干涉仪的往或返的调制效果进行相位检测、相位反馈等，而等臂MZ干涉仪在本专利中具有往返的调制作用，那么干涉仪相位稳定可以使得往或返的调制效果都保持稳定。由于在已经说明相位检测反馈模块的各个单元的功能作用下情况下，本领域技术人员能够理解和实现相应的相位检测、计算及反馈过程，因此本文中不再对此进行赘述。

作为示例性地，图3a-3d分别说明了在第一相位差θ₁分别为0、π、π/2和3π/2时，基于本发明的时间相位-偏振编码方法及发送端结构下的编码过程。

图3a示出了θ₁＝0时的编码过程：光源1产生的待编码的信号光从偏振分束器212的端口3输入，并被分成第一和第二信号光脉冲分量，这两个分量分别经由偏振分束器212的端口1和2进入第一光路和第二光路。第一光路上的相位调制器211不对第一分量的相位进行调制，即，由相位调制器211在第一和第二分量之间提供的第一相位差θ₁＝0。具有零相位差的两个光脉冲分量分别同时到达分束器213的端口8和7并在此处发生干涉，此时仅会在分束器的输出端口5处有干涉光脉冲出现。该第一干涉光脉冲在第一反射单元3中经过时间t0后反射返回至分束器213，并由其分成两个反射光脉冲分量，此时的反射光脉冲分量上将具有与时间t0相关的时间比特信息。具有时间比特信息t0的两个反射光脉冲分量分别经由第一和第二光路传播，且相位调制器211可以对第一光路上的反射光脉冲分量进行第二次相位调制，从而在这两个反射光脉冲分量之间形成第二相位差θ₂。具有第二相位差θ₂且具有时间比特信息t0的这两个反射光脉冲分量同时到达偏振分束器212并发生干涉作用，此时，第二次干涉所输出的信号光的偏振态可以表达为

且具有与相位差θ₁有关的时间比特信息t0。即，此时输出的干涉光脉冲为同时承载有时间编码信息和偏振编码信息的信号光。

图3b示出了θ₁＝π时的编码过程：光源1产生的待编码的信号光从偏振分束器212的端口3输入，并被分成第一和第二信号光脉冲分量，这两个分量分别经由偏振分束器212的端口1和2进入第一光路和第二光路。第一光路上的相位调制器211对第一分量的相位施加π的调制量，即，由相位调制器211在第一和第二分量之间提供的第一相位差θ₁＝π。具有π相位差的两个光脉冲分量分别同时到达分束器213的端口8和7并在此处发生干涉，此时仅会在分束器的输出端口6处有干涉光脉冲出现。该第一干涉光脉冲在第二反射单元4中经过时间t1后反射返回至分束器213，并由其分成两个反射光脉冲分量，此时的两个反射光脉冲分量上将具有与时间t1相关的时间比特信息。具有时间比特信息t1的这两个反射光脉冲分量分别经由第一和第二光路传播，且相位调制器211可以对第一光路上的反射光脉冲分量进行第二次相位调制，从而在这两个分量之间形成第二相位差θ₂。具有第二相位差θ₂且具有时间比特信息t1的两个反射光脉冲分量同时到达偏振分束器212并发生干涉作用，此时，第二次干涉所输出的信号光的偏振态可以表达为

且具有与相位差θ₁有关的时间比特信息t1。即，此时输出的干涉光脉冲为同时承载有时间编码信息和偏振编码信息的信号光。

图3c示出了θ₁＝π/2时的编码过程：光源1产生的待编码的信号光从偏振分束器212的端口3输入，并被分成第一和第二信号光脉冲分量，这两个分量分别经由偏振分束器212的端口1和2进入第一光路和第二光路。第一光路上的相位调制器211对第一分量的相位施加π/2的调制量，即，由相位调制器211在第一和第二分量之间提供的第一相位差θ₁＝π/2。具有π/2相位差的两个光脉冲分量分别同时到达分束器213的端口8和7并在此处发生干涉，此时在分束器的输出端口5和6处均有干涉光脉冲出现。这两个干涉光脉冲分别在第一和第二反射单元中经过时间t0和t1后返回至分束器213，且分别在t0和t1时间上由其分成两个反射光脉冲分量，并经由第一和第二光路传播。此时，对应于待编码的信号光脉冲，在第一(第二)光路上存在时间上分开的两个反射光脉冲分量，其分别对应于时间t0和t1，且彼此之间具有相位差0，由此可见，这一对反射光脉冲分量上承载了相位编码信息。相位调制器211分别对应于时间t0和t1对第一和第二光路上的源于同一反射光脉冲的两个反射光脉冲分量进行第二次相位调制，并在它们之间形成第二相位差θ₂。分别对应于时间t0和t1，具有第二相位差θ₂的两组反射光脉冲分量对同时到达偏振分束器212并发生干涉作用，此时，第二次干涉所输出的光脉冲的偏振态可以表达为

由此可见，对应于待编码的信号光脉冲，第二次干涉的结果包括具有与第二相位差θ₂对应的偏振态且时间上分开的一对干涉光脉冲(其在时间上分别对应于时间t0和t1)，且这对干涉光脉冲之间的相位差与第一相位差θ₁有关，例如在此为0。即，此时输出的干涉光脉冲对上同时承载有相位编码信息和偏振编码信息。

图3d示出了θ₁＝3π/2时的编码过程，其过程与图3c所示类似，输出的干涉光脉冲对上同时承载有相位编码信息和偏振编码信息，但不同之处在于承载的相位编码信息不同于图3c，例如此时两个干涉光脉冲之间的相位差为π，而非0。

综上，借助本发明的时间相位-偏振联合编码方法及发送端结构，使得能够实现在1个光子上携带2种比特信息(时间-偏振比特或者相位-偏振比特)，大大提升QKD的密钥传输速率，在同等条件下可使密钥速率提升1倍。此外，相位检测反馈模块的设置还可以补偿相位调制受光纤环境造成光的相位产生的偏差。

此外，本发明还公开了包括上述用于时间相位-偏振联合编码的发送端的量子密钥分发***，以及包括上述时间相位-偏振联合编码方法的量子密钥分发方法。

上述说明并非对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例，且在不发生矛盾的情况下，上述各种替换方式可以相互组合使用。本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内作出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (16)

1.一种用于时间相位-偏振联合编码的发送端，其包括光源(1)、编码模块(2)、第一反射单元(3)和第二反射单元(4)，其中，

所述光源(1)用于提供待编码的信号光；

所述编码模块(2)包括相位调制单元(211)，且被设置成：将所述待编码的信号光分成第一信号光分量和第二信号光分量；借助所述相位调制单元(211)对所述第一和第二信号光分量中的至少一个进行第一次相位调制；以及使所述第一和第二信号光分量发生干涉并输出一路或两路第一干涉光信号；

所述第一反射单元(3)和所述第二反射单元(4)具有彼此不同的光程，且设置成接收所述第一干涉光信号并将其反射回所述编码模块(2)；

所述编码模块(2)还设置成：接收反射光信号并将其分成第一反射光信号分量和第二反射光信号分量，其中，所述反射光信号分量具有时间相位编码信息；借助所述相位调制单元(211)对所述第一和第二反射光信号分量中的至少一个进行第二次相位调制；以及使所述第一和第二反射光信号分量发生干涉并输出第二干涉光信号，其中，所述第二干涉光信号具有所述时间相位编码信息和偏振编码信息。

2.如权利要求1所述的发送端，其中，

所述第一反射单元(3)包括光纤和设于所述光纤的末端的反射结构，其中，所述光纤为保偏光纤，且所述反射结构为普通的反射镜或反射膜；或者，所述光纤为保偏光纤或普通光纤，且所述反射结构为法拉第反射镜或者法拉第反射膜；并且，

所述第二反射单元(4)包括光纤和设于所述光纤的末端的反射结构，其中，所述光纤为保偏光纤，且所述反射结构为普通的反射镜或反射膜；或者，所述光纤为保偏光纤或普通光纤，且所述反射结构为法拉第反射镜或者法拉第反射膜。

3.如权利要求1所述的发送端，其中，所述编码模块(2)还包括偏振分束单元(212)和分束单元(213)，所述偏振分束单元(212)和所述分束单元(213)之间通过具有相同光程的第一光路和第二光路连接以形成等臂MZ干涉仪；并且，所述相位调制单元(211)设于所述第一和第二光路中的至少一个上。

4.如权利要求3所述的发送端，其中，所述偏振分束单元(212)接收所述待编码的信号光，以及输出具有所述时间相位编码信息和偏振编码信息的所述第二干涉光信号；并且/或者，所述分束单元(213)连接所述第一反射单元(3)和所述第二反射单元(4)，并且输出所述第一干涉光信号和接收所述反射光信号。

5.如权利要求3所述的发送端，其还包括相位检测反馈模块，用于补偿所述等臂MZ干涉仪中的相位漂移；并且/或者，所述偏振分束单元(212)包括偏振分束器；并且/或者，所述分束单元(213)包括分束器。

6.如权利要求1所述的发送端，其中，所述第一次相位调制在所述第一和第二信号光分量之间形成的第一相位差θ₁为0、π/2、π、3π/2中的一个；并且/或者，所述第二次相位调制在所述第一和第二反射光信号分量之间形成的第二相位差θ₂为0、π/2、π、3π/2中的一个。

7.一种量子密钥分发***，其包括如权利要求1-6中任一项所述的发送端。

8.一种用于时间相位-偏振联合编码的编码方法，其包括，

时间相位编码步骤：使待编码的信号光经过相位调制单元以对其进行第一次相位调制，基于所述第一次相位调制并借助光的反射在所述信号光上产生时间相位编码信息；以及

偏振编码步骤：使经反射且具有所述时间相位编码信息的所述信号光再次经过所述相位调制单元以对其进行第二次相位调制，并基于所述第二次相位调制在经反射且具有所述时间相位编码信息的所述信号光上产生偏振编码信息。

9.如权利要求8所述的编码方法，其中，所述时间相位编码步骤还包括以下步骤：使所述待编码的信号光分成第一信号光分量和第二信号光分量；利用所述相位调制单元对所述第一和第二信号光分量中的至少一个进行所述第一次相位调制以在两者之间形成第一相位差θ₁；使具有所述第一相位差θ₁的所述第一和第二信号光分量发生第一次干涉作用，并输出一路或两路第一干涉光信号；以及，根据所述第一相位差θ₁，使所述第一干涉光信号进入具有不同光程的第一反射单元和第二反射单元中的至少一个并发生反射。

10.如权利要求8所述的编码方法，其中，所述偏振编码步骤还包括以下步骤：使经反射且具有所述时间相位编码信息的所述信号光分为第一和第二反射光信号分量；利用所述相位调制单元对所述第一和第二反射光信号分量中的至少一个进行所述第二次相位调制以在两者之间形成第二相位差θ₂；以及使具有所述第二相位差θ₂的所述第一和第二反射光信号分量发生第二次干涉作用。

11.如权利要求9所述的编码方法，其中：

利用偏振分束单元和分束单元构建等臂MZ干涉仪，且将所述相位调制单元设于所述等臂MZ干涉仪中，所述第一次干涉作用发生在所述分束单元处。

12.如权利要求10所述的编码方法，其中：利用偏振分束单元和分束单元构建等臂MZ干涉仪，且将所述相位调制单元设于所述等臂MZ干涉仪中，所述第二次干涉作用发生在所述偏振分束单元处。

13.如权利要求9所述的编码方法，其中，所述时间相位编码信息与所述第一相位差θ₁和所述反射单元的光程有关。

14.如权利要求10所述的编码方法，其中，所述偏振编码信息与所述第二相位差θ₂有关。

15.如权利要求9所述的编码方法，其中，所述第一相位差θ₁为0、π/2、π、3π/2中的一个。

16.如权利要求10所述的编码方法，其中，所述第二相位差θ₂为0、π/2、π、3π/2中的一个。

Images