CN113748620A - 具有受控正交值分布的光学脉冲的生成 - Google Patents

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CN113748620A CN202080031923.7A CN202080031923A CN113748620A CN 113748620 A CN113748620 A CN 113748620A CN 202080031923 A CN202080031923 A CN 202080031923A CN 113748620 A CN113748620 A CN 113748620A
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Abstract

本发明涉及一种用于生成光脉冲的设备，包括被配置为输出所述光脉冲的一激光器以及被配置为向所述激光器提供电脉冲以驱动所述激光器的一脉冲驱动器。此外，所述脉冲驱动器被配置为向所述激光器提供具有服从一预设概率分布的幅度/强度的所述电脉冲，以使所述光脉冲的正交值服从另一预设概率分布。

Description

具有受控正交值分布的光学脉冲的生成
技术领域
本发明涉及一种用于生成呈具有某种预设概率分布的正交值的光学(激光)脉冲的设备和方法。
背景技术
基于电磁脉冲的通信和密码学，例如，基于以光学激光脉冲形式的电磁脉冲的通信和密码学，正逐渐引起人们的兴趣。
Figure BDA0003324660970000014
开发用于经典和量子光学通信、并且用于生成具有预设分布的量子随机数的小型高性能光学发射器是有必要的。
许多用于光学通信发射器使用激光和外部电光调制器(如相位或强度调制器)将信息编码到激光光的脉冲上。例如，相干光学通信使用电光调制器在电磁场正交中编码信息，该电磁场正交通过使用相干检波在接收端进行测量。
上述正交，被表示为p和q，对应于光学相位空间中幅度矢量的两个垂直分量(例如，
Figure BDA0003324660970000011
和
Figure BDA0003324660970000012
其中A和
Figure BDA0003324660970000013
分别为光脉冲的幅度和相位)。在远程通信中，上述两个正交也分别称为电磁场的同相和正交分量。
电光调制器通常基于折射率或吸波随外加电场而变化的材料。例如，基于LiNbO3或半导体波导的调制器被广泛用于发射器，以引起幅度(强度)和相位调制。然而，其受到一些限制，例如：(1)驱动电功耗高，(2)大体积装置限制了发射器的紧凑性，(3)由于工作点的波动而随着时间推移带来的不稳定，以及(4)有限的电光带宽。因此，理想的是制造规避对电光调制器的需要的发射器，以使单元具备高性能、低成本、紧凑性和鲁棒性。
除了经典通信，一些量子通信的方案也依赖于外部电光调制器。另外，在量子通信中，由于***的低信噪比，上述限制将更加严重，这是弱光远距离传输时的典型特征。在这些情况下，调制器的稳定性和波动会导致非常低的性能。
在所有的量子通信技术中，量子密钥分发(Quantum Key Distribution，QKD)是最成熟的技术之一。QKD允许双方交换密钥，其中密钥的安全性由量子物理的原理进行保证。在标准QKD中，发射端(Alice)向接收端(Bob)发送量子信号。QKD协议可分为两组，离散可变QKD(Discrete Variable Quantum Key Distribution，DV-QKD)和连续可变QKD(Continuous Variable Quantum Key Distribution，CV-QKD)协议。在DV-QKD中，通过赋予单个光子的自由度离散值来编码密钥。例如，BB84 DV-QKD协议使用四种偏振态编码密钥。在CV-QKD中，量子信号对应于具有通过赋予电磁场的正交连续值来编码的密钥信息的弱衰减脉冲(弱相干态)。例如，GG02 CV-QKD协议使用具有根据随机高斯分布调制后的正交的光相干态。
DV-QKD需要昂贵的单光子技术和专用光纤通道，这极大地限制了其在现实场景中的应用。CV-QKD通过使用应用强参考脉冲的相干检波，被称为本机振荡器(LocalOscillator，LO)，去除了对单光子技术的需要来测量光脉冲的正交。CV-QKD相对于DV-QKD的一个优势在于，当量子通道与更高功率的经典通道合作传输时，其安全性受影响降低较少。可以使用为相干光学通信开发的标准组件、与经典通信共享硬件和通道来实现CV-QKD的实施。迄今为止，所有的CV-QKD实施都使用繁琐的外部光电调制器方案来调制光脉冲的相位和幅度。因此需要改进CV-QKD收发器、增加鲁棒性、简化方案、降低成本以及实现更高的比特率。
鉴于上述内容，本发明的目的在于提供一种用于在通信和密码学情景下生成光学脉冲的设备和方法，以使上述问题得到缓解。
发明内容
本发明通过提供一种用于生成光脉冲的设备来实现上述目的，所述设备包括被配置为输出所述光脉冲(光学脉冲，两个术语在本文中均可互换)的一激光器以及被配置为向所述激光器提供电脉冲以驱动所述激光器的一脉冲驱动器。此外，所述(电)脉冲驱动器被配置为向所述激光器提供具有(适时地，即，在电脉冲的一个时间重复周期/占空比内)服从一预设概率分布的幅度/强度的所述电脉冲，以使所述光脉冲的正交值服从另一预设概率分布。
根据一实施例，所述设备包括一控制手段，被配置为重复操作所述激光器a)在第一预设时间周期在所述激光阈值以下和b)随后在第二预设时间周期在所述激光阈值以上以使得随机化所述光脉冲的相位。所述激光阈值由某个阈值泵功率或阈值电流表示，并且由小信号增益正好等于谐振腔损耗的某个状态给定。
此外，通过提供一种生成呈一预设概率分布正交值的第一光脉冲的方法来实现上述目的，所述方法包括以下步骤：生成具有服从一概率分布(例如，一瑞利分布(RayleighDistribution))的幅度/强度的第一电脉冲以及通过所述生成的第一电脉冲的手段驱动一第一激光器。在此方法中，驱动所述第一激光器包括重复驱动所述第一激光器a)在第一预设时间周期在所述激光阈值以下以及b)随后在第二预设时间周期在所述激光阈值以上，以使得在一连续光脉冲序列中随机化基于所述第一电脉冲由所述第一激光器输出的所述第一光脉冲的相位(特别是，所述相位可以服从一均匀分布)。
所述正交取决于所述光脉冲的幅度(强度)和相位。根据本发明，所述正交的分布由通过一电脉冲驱动器/生成器提供的电脉冲的预设分布的配置来进行控制。通过在所述激光阈值以下和以上重复驱动/操作所述激光器，可以实现具有近似均匀分布的光学相位的一连续光脉冲序列，即，具有完全覆盖从0到2续辐射的整个范围的均匀分布的完全随机化相位。
所述脉冲驱动器可以被配置为向服从一瑞利分布的所述激光器提供电脉冲，以使所述光脉冲的幅度(强度)也服从一瑞利分布。结合所述光脉冲的相位服从为高斯分布的一均匀分布，所述光脉冲结果的正交的值(每一
Figure BDA0003324660970000031
Figure BDA0003324660970000032
和
Figure BDA0003324660970000033
其中A和
Figure BDA0003324660970000034
为所述光脉冲的幅度和相位)服从所述高斯分布(Gaussian Distribution)。
有利地，通过因此而提供的一种设备和一种方法的实施例，可以实现用于经典和量子通信目的、也用于量子密码学应用的高性能光学发射端。所述设备可以作为一量子随机数生成器和/或量子密钥分发/交换***的一部分。
所述设备还可以包括一分束器和一非平衡马赫-曾德干涉仪(Unbalanced Mach-Zehnder Interferometer)。在本实施例中，所述脉冲驱动器可以被配置为生成和提供电脉冲，所述电脉冲不仅具有预设概率分布、还具有与呈恒定/相等幅度的电脉冲相交错的概率分布的电脉冲。所述非平衡马赫-曾德干涉仪用于干涉相邻的电脉冲(其中一个呈所述恒定幅度，另一个呈根据所述概率分布的一幅度)。从而，可以提供具有预设分布的一可靠的量子随机数生成器。
此外，提供一种***，包括根据上述实施例中之一的一设备，以及还包括一检波器装置(接收端)，被配置为接收由所述激光器输出的所述光脉冲以及包括一平衡检波器手段。例如，可以用所述检波器手段进行正交测量，并从而进行对包括在由所述激光器输出的所述光脉冲中传输的随机数编码的检测，以及进行一量子密钥的接收。
例如，所述***的所述检波器装置还可以包括另一激光器(表现为一本地振荡器，提供用于测量正交值的参考信号/光脉冲)和/或用于进行所述正交测量的一90°光学混合器。
根据一些实施例，所述***可以作为一量子密码学***工作，特别是，一连续可变量子密钥分发(CV-QKD)***。此时，所述设备作为Alice(名称)工作，而所述检波器装置作为Bob(名称)工作。根据这些实施例中之一，所述设备包括用于将由所述激光器输出的所述光脉冲进行分束的一分束器，被用作输出具有恒定幅度的相对强的脉冲(相对高的幅度)的一本地振荡器的另一激光器以及用于测量正交值的另一检波器装置。可选地，除了所述分束器和所述另一检波器装置之外，不提供另一激光器，而是通过与服从例如一瑞利分布的上述概率分布的脉冲相交错的等幅相对强脉冲的手段将所述本地振荡器从Alice发射至Bob。在这些所有的情况下，所述Alice端的所述另一检波器装置都可以与上述检波器装置具有类似构造。
根据一实施例，所述***的所述设备包括另一检波器装置。本实施例的所述检波器装置可以包括一平衡检波器以及一90°光学混合器，用于通过从所述Bob端接收到的参考脉冲的手段来测量由所述设备的所述激光器提供的光脉冲的正交值。通过一分束器来对由所述脉冲驱动器驱动的所述设备的所述激光器输出的所述激光光脉冲进行分束。所述分束器的输出之一提供至一衰减器并离开所述装置，例如，经由一循环器，以通过所述***的所述检波器装置被接收。
所述分束器的另一输出被馈送到在所述设备(Alice)端提供的所述另一检波器装置。所述***的所述检波器装置(即Bob)包括为另一激光器形式的一本地振荡器，以及用于对所述另一激光器射出的光进行分束的另一分束器。所述另一分束器的输出之一由在所述Bob端一平衡检波器进行使用，以确定所述Bob端的正交，而所述另一分束器的输出(经由某个LO通道)被提供至所述设备，以用于确定所述Alice端的正交。
另外，本文提供一种生成随机数的方法。此方法包括上述生成呈正交值的一预设概率分布的光脉冲的方法的步骤。所述激光器输出的所述光脉冲的相位的均匀分布保证了随机性。可以通过光学干涉和随后使用一适当的检波器装置进行的测量来获得所述随机数。
例如，以瑞利幅度分布和近似均匀随机相位生成的所述光脉冲可以被一参考激光器(本地振荡器)干涉，并可以被一平衡检波器检测。在这种情况下，检测到的值将是真正随机的(由于相位扩散)，并且遵循一高斯分布。此外，通过与具有恒定幅度的光学脉冲和具有一瑞利分布的光学脉冲相交错并使用一非平衡马赫-曾德干涉仪来干涉相邻脉冲，可以获得一高斯分布的QRNG(Quantum Random Number Generator，量子随机数生成器)。具有一特定分布的QRNG可用于需要具有遵循某个特定概率分布的连续值的随机数的CV-QKD。
由此，提供一种生成随机数的方法，包括如上所述的生成呈正交值的一预设概率分布的光脉冲的方法的步骤，以及还包括：
生成第二电脉冲，包括第一电脉冲，服从所述概率分布并且与呈相等幅度的第三电脉冲相交错；
通过所述生成的第二电脉冲的手段驱动所述第一激光器以输出所述第一光脉冲；以及
通过一干涉仪，干涉相邻的所述生成的第二电脉冲之一，特别是，通过一非平衡马赫-曾德干涉仪。
所公开的方法因此允许简化或甚至避免电子后处理，并因此能够获得更高的随机数生成率。
此外，根据特定实施例，提供用于加密通信数据的量子密钥分发方法。根据一实施例，提供一种分发一量子密钥的方法，所述方法包括如上所述的生成呈正交值的一预设概率分布的光脉冲的方法的步骤，并进一步包括
A)在一发射端(Alice)端：生成具有恒定幅度的第二电脉冲；通过所述生成的第二电脉冲的手段驱动一第二激光器(用作本地振荡器)以输出第二光脉冲(参考光脉冲)；对所述第一光脉冲进行分束，以获得所述第一光脉冲的一第一部分和所述第一光脉冲的一第二部分；对所述第二光脉冲进行分束，以获得所述第二光脉冲的一第一部分和所述第二光脉冲的一第二部分；使用所述第二光脉冲的所述第一部分测量所述第一光脉冲的所述第一部分的正交值；复用所述第一光脉冲的所述第二部分和所述第二光脉冲的所述第二部分，以获得复用光脉冲；衰减所述复用光脉冲以获得衰减后的复用光脉冲；以及将所述衰减后的复用光脉冲发射至(通过某个通信通道连接到所述发射端的)一接收端(Bob)；
以及
B)在所述接收端：接收所述发射的衰减后的复用光脉冲并测量所述接收到的衰减后的复用光脉冲的正交值，例如，通过另一分束器、一延迟组件、一90°光学混合器和一平衡检波器的手段(另请参阅下面的详细描述)。
根据一实施例，提供一种分发一量子密钥的方法，所述方法包括如上所述的生成呈正交值的一预设概率分布的光脉冲的方法的步骤，以及还包括：
A)在一发射端(Alice)：
生成第二电脉冲，包括第一电脉冲，服从所述概率分布并且与呈相等幅度的第三电脉冲相交错；
通过所述生成的第二电脉冲的手段驱动所述第一激光器以输出所述第一光脉冲；
对所述第一光脉冲进行分束，以获得所述第一光脉冲的一第一部分和所述第一光脉冲的一第二部分；
测量所述第一光脉冲的所述第一部分的正交值；
衰减所述第一光脉冲的所述第二部分以获得衰减后的光脉冲；以及
将所述衰减后的光脉冲发射至(通过某个通信通道连接到所述发射端的)一接收端；
以及
B)在所述接收端：
测量所述接收到的衰减后的光脉冲的正交值，例如，通过另一分束器、一延迟组件、一90°光学混合器和一平衡检波器的手段(另请参阅下面的详细描述)。
本实施例中仅使用一个单个(第一)激光器，以此降低结构的复杂性。
根据另一实施例，使用表现为在所述接收端生成的一本地振荡器(即真正本地振荡器)的一第二激光器。根据本实施例，提供一种分发一量子密钥的方法，所述方法包括如上所述的生成呈正交值的一预设概率分布的光脉冲的方法的步骤，以及还包括
A)在一发射端(Alice)：
对所述第一光脉冲进行分束，以获得所述第一光脉冲的一第一部分和所述第一光脉冲的一第二部分；
通过一衰减器衰减所述第一光脉冲的所述第一部分，以获得衰减后的光脉冲；以及
发射所述衰减后的光脉冲，特别是，经由一第一循环器，发射至一接收端(通过某个通信通道连接到所述发射端的)；
以及
B)在所述接收端：
通过一第二激光器(用作一本地振荡器)生成参考光脉冲；
对所述参考光脉冲进行分束，以获得所述参考光脉冲的一第一部分和所述参考光脉冲的一第二部分；
通过所述参考光脉冲的所述第一部分的手段测量所述衰减后的光脉冲的正交值，特别是，经由一第二循环器接收到的；以及
进行发射，特别是，经由一第二循环器，将所述参考光脉冲的所述第二部分发射至所述发射端；
以及
C)在所述发射端：
接收所述参考光脉冲的第二部分，特别是，经由所述第一循环器；以及
通过所述接收到的所述参考光脉冲的第二部分的手段测量所述第一光脉冲的所述第二部分的正交值。
本发明设备的所有上述实施例都可用来实施本发明方法的所有上述实施例的至少某些步骤。
本发明的其他特征和优势将参考附图进行说明。在说明书中，参考了意在说明本发明的优选实施例的附图。应当理解，此种实施例并不代表本发明的全部范围。
图1A示意性地图示了用于生成具有受控分布正交值的光学脉冲的一设备的一实施例，并且图1B图示了用于测量正交值的一装置。
图2示出了从根据本发明的一装置获得的一正交的值的测量结果的一高斯拟合。
图3示意性地图示了一***的一实施例，用于生成和检测随机数，包括一激光器、一非平衡马赫-曾德干涉仪和一光电检波器。
图4图示了如本文所提供的具有一“发射的本地振荡器”的一连续可变量子密钥分发(CV-QKD)***的一实施例。
图5图示了一CV-QKD***的另一实施例。
图6图示了具有一“真正本地振荡器”的一CV-QKD***的一实施例。
本发明提供一种用于生成具有服从一概率分布的正交值的光/光学脉冲的设备及方法，其可以稳定地在通信和密码学应用背景下进行使用，特别是，可以稳定地用于生成随机数。此外，还提供一种用于生成和检测光脉冲的***和方法。
图1A和1B图示了本发明的一实施例。光学脉冲由激光器生成。激光器可以包括提供单模操作和高调制带宽的激光二极管(Laser Diode，LD)。激光器由驱动激光达到激光阈值以下和以上并服从预设概率分布的期望占空比的电脉冲进行供应。每个重复占空比均由在激光阈值以下操作激光器的第一时间周期和在激光阈值以上操作激光器的第二时间周期组成。电脉冲的持续时间可以低于生成的脉冲序列的重复周期/循环的50％。将电磁场的正交定义为
Figure BDA0003324660970000091
和
Figure BDA0003324660970000092
其中A和
Figure BDA0003324660970000093
分别为光脉冲的幅度和相位。因此，可以通过用于A的预设幅度分布和
Figure BDA0003324660970000094
的分布的结合来获得期望的用于p和q的分布。特别地，可以实现生成具有预设幅度分布和近似均匀分布的光学相位的光学脉冲。
激光器由向激光器提供电脉冲的某个脉冲驱动器提供的电脉冲进行驱动，该脉冲驱动器向激光装置供应电脉冲。通过脉冲驱动器的手段将激光器从激光阈值以下调制到激光阈值以上。例如，激光装置首先以在阈值至少约30％以下的电流进行操作，例如，在阈值50％至30％以下的范围内工作，以同步产生强腔场衰减和高放大自发发射(AmplifiedSpontaneous Emission，ASE)。这将所有先前的相干性衰减至可忽略的水平，而ASE，其本身为真空波动的产物，提供具有真实随机相位的屏蔽场。然后，简单地使激光在激光阈值以上，例如，直到在激光阈值10％、20％或30％以上或甚至更多，以迅速将腔场放大至宏观水平，例如，达到几十mV的峰值功率。这种放大是用电来增加数值的，因此无关于光学相位。
通过将激光从激光阈值以下调制至以上，生成具有完全随机化相位的光学脉冲。例如，根据一特定示例，激光器可以包括射出约852nm并具有36mA阈值的激光二极管。其可以在100MHz下使用持续时间约1ns的电脉冲进行电调制。根据这些说明，可以产生时宽400ps且峰值功率3.5mW的相位随机的相干光/光学脉冲。需要注意的是，光频隔离器可以正好放置在激光器之后，以避免背反射进入同一激光二极管的腔中。激光源还可以在例如有益于光学通信光纤的其他波长下操作，如在约1300或1500nm下。
脉冲驱动器提供的电脉冲遵循如图1A顶部所图示的预设分布。通过适当地为给定的占空比选择电脉冲的时间分布，可以控制光学脉冲的幅度分布，并因此控制正交的值的分布。应注意，可以为电信号添加偏置电压，以将激光从远低于阈值驱动至接近阈值。这种偏置允许光学脉冲的幅度遵循期望分布，并允许相位适当地随机化。
例如，使用服从瑞利分布的驱动电脉冲可以使得正交值(p和q)遵循高斯概率分布。在这种情况下，用于正交值的高斯分布源于近似均匀分布的相位和由电脉冲施加到光学脉冲的幅度的瑞利分布。图2示出了通过由瑞利分布的电脉冲驱动激光器所获得的实验结果。测量到的正交的值的结果分布被证明接近高斯。
详细地，该测量结果是通过使用例如连续波(Continuous Wave，CW)激光器的外部激光器进行干涉，并使用平衡检波器BD(Balanced Detector)测量干涉结果来实现的。平衡检波器BD可以包括用于检测激光脉冲的光电二极管。使用重复率为100MHz的2纳秒脉冲来进行测量。幅度遵循瑞利分布且相位遵循近似均匀分布的光学脉冲可以致使正交的分布近似于高斯分布。高斯分布的方差可以通过调整瑞利分布的方差进行控制。本文此处和上下文描述的所有其他实施例中，当使用瑞利分布的电脉冲时生成高斯分布式正交的光学脉冲仅用作示例。通过改变电脉冲的时间分布，其他概率分布(例如，混合瑞利分布(MixedRayleigh Distribution))也是可能做到的。
由于相位扩散过程，射出的光脉冲的相位是真正随机的，并且该相位遵循近似均匀的分布。相位扩散的使用，结合对电信号分布的控制，允许生成具有预设连续分布的量子随机数。例如，通过使用外部激光测量正交，能够产生提供遵循高斯分布的随机数的量子随机数生成器。
激光器提供的光学脉冲可以经由通信(量子)通道进行发射，例如，经由光纤或波导。光脉冲可以通过如图1B所示的可以用于获取如图2所示的实验结果的检波器装置进行接收。检波器装置包括作为输出参考光脉冲的本地振荡器LO(Local Oscillator)的外部激光器、90°光学混合器和两个平衡检波器BD。此方案被称为外差检波，其中同时对每个脉冲的正交p和q进行测量。或者，可以实施零差检测，其中每个脉冲的p和q都通过使用外部调制器随机移动本地振荡器的相位来进行测量。
图3图示了包括用于生成和检测随机数的设备的***的一实施例。通过电脉冲模式再次驱动激光器，其中恒定幅度的电脉冲交错在瑞利分布的脉冲之间，例如，如图3的顶行所示(具有恒定幅度的脉冲和作为瑞利分布的一部分的脉冲相互交替)。
激光器射出的光脉冲被提供至分束器。可以使用非平衡马赫-曾德干涉仪来干涉相邻的光脉冲。干涉仪由输入耦合器组成，该输入耦合器将入射光脉冲的功率均分至干涉仪的两臂中。长臂允许将复制的脉冲流相对于短臂中的脉冲延迟一个周期。两个脉冲流在干涉仪的输出耦合器中相干干涉。需要注意的是，一般来说，除了提供量子随机数生成器，图3图示的具有通过控制驱动激光器的电脉冲来调制正交值分布的能力的设备还可以用于经典和量子通信应用(例如，用于构建无调制且简易的收发器)。
图4图示了具有“发射的本地振荡器”的连续可变量子密钥分发(CV-QKD)***的一实施例。在Alice端，图4所示的***包括输出正交值服从高斯分布(信号脉冲)的第一激光器和用作本地振荡器LO以产生等幅强光脉冲(高于第一激光器输出的光脉冲幅度)的第二激光器。通常，本地振荡器的光功率比第一激光提供的信号脉冲高若干个数量级。使用两个独立的分束器BS(Beam Splitters)对本地振荡器脉冲和信号脉冲进行分束，并且Alice使用每个分束器BS的输出之一在她的站测量正交。例如，通过使用检波器装置的90°光学混合器和非平衡探测器的外差检波，可以进行此种测量。使用延迟组件和分束器BS来对分束器BS的其他输出进行时分复用。在Alice的输出端使用光学衰减器ATT(Attenuator)衰减光学脉冲进行，以获得QKD协议所需的合适的正交方差。
将衰减后的脉冲通过量子通信通道(例如，光纤链路或自由空间)发送至Bob(在接收端的另一检波器装置)，Bob还用平衡式检波器BD和90°光学混合器组件对正交值进行测量(同样参阅图1中图示的设备)。Alice和Bob的测量致使相关高斯数据可以用于获得密钥。在通过通信通道发送信号前，可以使用若干其他技术来对LO的输出和信号脉冲进行复用，例如偏振、波长或空间复用。
如图4所示的配置，本地振荡器输出被从Alice发射至Bob(“发射的本地振荡器”)。或者，Bob可以使用在他的站本地生成的第三激光测量正交。这种称为“真正本地振荡器”或“本地的本地振荡器”的方案在安全方面提供了优势。
图5示出了CV-QKD方案的另一实现，该方案可以用于双方获取密钥。这种配置只需单激光器，因此，相较于图4中图示的配置来说简化了实施。电脉冲驱动的激光器由服从瑞利分布、(信号)在等幅强脉冲(本地振荡器)间交错的电脉冲组成。具有瑞利分布的电脉冲生成的光脉冲(每个秒脉冲)的正交分布将为高斯分布。使用分束器对激光器输出的光脉冲进行分束。Alice通过测量输出之一来估量正交值。另一输出被衰减，以根据QKD协议的需求调整正交的方差。将衰减后的光脉冲发送至Bob，Bob测量正交以获得与Alice测量相关的数据。
可以用两个激光器实施的包括“真正本地振荡器”的***的实施例如图6所图示。Alice端的激光器通过使用电脉冲的瑞利分布将激光从激光阈值以下驱动至激光阈值以上来生成具有高斯调制的正交的光脉冲。然后，使用分束器BS对由激光器生成的光脉冲进行分束。然后，将输出之一衰减至GG02协议设置的期望方差，并经由循环器C1的端口1发送至Bob。在Bob端，将经由量子通道接收到的光脉冲输入循环器C2的端口2。Bob使用另一激光器(CW或脉冲)作为LO。使用分束器BS对LO的输出进行分束。分束器BS的输出之一用于在C2的端口3处测量来自Alice的进入的正交。分束器BS的另一输出馈送入C2的端口1，并通过通信通道到达Alice。Alice使用来自Bob的通过C1的端口3的进入光脉冲。Alice和Bob都可以通过使用例如用90°级光学混合器和平衡检波器BD进行的外差检波来测量正交。
所有先前讨论的实施例不旨在作为限制，而是用作说明本发明的特征和优点的示例。应当理解，上述特征中的一些或全部也可以以不同方式组合。

Claims (15)

1.一种用于生成光脉冲的设备，包括：
一激光器，被配置为输出所述光脉冲；以及，
一脉冲驱动器，被配置为向所述激光器提供电脉冲以驱动所述激光器；
其中，
所述脉冲驱动器被配置为向所述激光器提供具有一预设概率分布幅度的所述电脉冲，以使所述光脉冲的正交值服从另一预设概率分布。
2.如权利要求1所述的设备，还包括：一控制手段，被配置为重复操作所述激光器a)在第一预设时间周期在所述激光阈值以下和b)随后在第二预设时间周期在所述激光阈值以上以使得随机化所述光脉冲的相位。
3.如权利要求1或2所述的设备，其中所述脉冲驱动器被配置为向服从一瑞利分布的所述激光器提供电脉冲。
4.如上述权利要求中的任一项所述的设备，其中所述光脉冲的所述正交值服从一高斯分布。
5.如上述权利要求中的任一项所述的设备，还包括一分束器和一干涉仪，特别是，一非平衡马赫-曾德干涉仪。
6.一种***，包括如上述权利要求中的任一项所述的设备，以及，还包括一检波器装置，被配置为接收由所述激光器输出的所述光脉冲，并且其中所述检波器装置包括一平衡检波器手段。
7.如权利要求6所述的***，其中所述检波器装置还包括另一激光器和/或一90°光学混合器。
8.如权利要求6或7所述的***，其中所述设备还包括一分束器、一衰减器以及以下任一种a)另一检波器装置或者b)另一激光器和另一检波器装置。
9.如权利要求7所述的***，其中，
其中所述衰减器被配置为衰减所述装置的所述分束器的一个输出，并且其中所述装置还包括一第一循环器，被配置为向所述检波器装置提供所述衰减后的输出；以及
所述检波器装置包括：另一分束器，被配置为接收来自所述另一激光器的光脉冲，以及一第二循环器，被配置为接收所述另一分束器的一输出并将其提供至所述设备；
并且其中
所述第一循环器被配置为向所述设备的所述另一检波器装置提供由所述第二循环器提供的所述另一分束器的所述输出，以及
所述第二循环器被配置为向所述***的所述检波器装置的一平衡检波器提供经由所述第一循环器接收到的所述设备的所述分束器的所述衰减后的输出，特别是，通过一90°光学混合器。
10.一种生成呈一预设概率分布正交值的光脉冲的方法，包括以下步骤：
生成服从一概率分布的第一电脉冲；以及
通过所述生成的第一电脉冲的手段驱动一第一激光器以输出第一光脉冲；
其中驱动所述第一激光装置包括重复驱动a)所述第一激光器在第一预设时间周期在所述第一激光器的激光阈值以下以及b)随后在第二预设时间周期在所述激光阈值以上，以使得随机化所述输出的第一光脉冲的相位。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述概率分布为一瑞利分布。
12.一种生成随机数的方法，包括如权利要求10或11所述的方法的步骤，以及还包括：
生成第二电脉冲，包括第一电脉冲，服从所述概率分布并且与呈相等幅度的第三电脉冲相交错；
通过所述生成的第二电脉冲的手段驱动所述第一激光器以输出所述第一光脉冲；以及
通过一干涉仪干涉相邻的所述生成的第二电脉冲之一，特别是，通过一非平衡马赫-曾德干涉仪。
13.一种分发量子密钥的方法，包括如权利要求10或11所述的方法的步骤，以及还包括：
A)在一发射端：
生成具有恒定幅度的第二电脉冲；
通过所述生成的第二电脉冲的手段驱动一第二激光器以输出第二光脉冲；
对所述第一光脉冲进行分束，以获得所述第一光脉冲的一第一部分和所述第一光脉冲的一第二部分；
对所述第二光脉冲进行分束，以获得所述第二光脉冲的一第一部分和所述第二光脉冲的一第二部分；
使用所述第二光脉冲的所述第一部分测量所述第一光脉冲的所述第一部分的所述正交值；
复用所述第一光脉冲的所述第二部分以及所述第二光脉冲的所述第二部分，以获得复用光脉冲；
通过一衰减器衰减所述复用光脉冲以获得衰减后的复用光脉冲；以及
将所述衰减后的复用光脉冲发射至一接收端；
以及
B)在所述接收端：
接收所述发射的衰减后的复用光脉冲；以及
测量所述接收到的衰减后的复用光脉冲的正交值。
14.一种分发量子密钥的方法，包括如权利要求10或11所述的方法的步骤，以及还包括：
A)在一发射端：
生成第二电脉冲，包括所述第一电脉冲，服从所述概率分布并与呈相等幅度的第三电脉冲相交错；
通过所述生成的第二电脉冲的手段驱动所述第一激光器以输出所述第一光脉冲；
对所述第一光脉冲进行分束，以获得所述第一光脉冲的一第一部分和所述第一光脉冲的一第二部分；
测量所述第一光脉冲的所述第一部分的所述正交值；
通过一衰减器衰减所述第一光脉冲的所述第二部分以获得衰减后的光脉冲；以及
将所述衰减后的光脉冲发射至一接收端；
以及
B)在所述接收端：
测量所述接收到的衰减后的光脉冲的所述正交值。
15.一种分发量子密钥的方法，包括如权利要求10或11所述的方法的步骤，以及还包括：
A)在一发射端：
对所述第一光脉冲进行分束，以获得所述第一光脉冲的一第一部分和所述第一光脉冲的一第二部分；
通过一衰减器衰减所述第一光脉冲的所述第一部分以获得衰减后的光脉冲；以及
发射所述衰减后的复用光脉冲，特别是，经由一第一循环器，发射至一接收端；
以及
B)在所述接收端：
通过一第二激光器生成参考光脉冲；
对所述参考光脉冲进行分束，以获得所述参考光脉冲的一第一部分和所述参考光脉冲的一第二部分；
通过所述参考光脉冲的所述第一部分的手段测量经由一第二循环器接收到的所述衰减后的光脉冲的正交值；以及，
经由一第二循环器，将所述参考光脉冲的所述第二部分发射至所述发射端；
以及
C)在所述发射端：
接收所述参考光脉冲的所述第二部分，特别是，经由所述第一循环器进行接收；以及
通过所述接收到的所述参考光脉冲的第二部分的手段测量所述第一光脉冲的所述第二部分的正交值。
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