CN114374441A - 一种免疫信道扰动的量子密钥分发相位解码装置 - Google Patents

一种免疫信道扰动的量子密钥分发相位解码装置 Download PDF

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Abstract

一种免疫信道扰动的量子密钥分发相位解码装置，包括第一偏振分束器、偏振干涉仪、环形器、第一单光子探测器以及第二单光子探测器；环形器的第一端口作为解码装置的输入端口；环形器的第三端口与第一单光子探测器相连；第一偏振分束器的第一输入端口、第二输入端口分别与环形器的第二端口、第二单光子探测器相连；第一偏振分束器的第一输出端口、第二输出端口分别通过第一光纤、第二光纤与偏振干涉仪的第一端口、第二端口相连。与现有技术相比，本发明通过无需主动偏振补偿模块即可实现免疫信道扰动，提高了***的稳定性。并且两个偏振分量脉冲各经过一次偏振干涉仪，相当于整个脉冲经过一次偏振干涉仪，不会额外增加接收端的损耗。

Description

一种免疫信道扰动的量子密钥分发相位解码装置
技术领域
本发明涉及量子相位编码技术领域，特别涉及一种免疫信道扰动的量子密钥分发相位解码装置。
背景技术
量子密钥分发可以为远距离的通信双方提供无条件安全的密钥分发，目前最成熟的是BB84量子密钥分发协议。光纤量子密钥分发***一般采用单模光纤作为传输信道，但由于光纤信道存在固有双折射效应，使得光子在传输过程中偏振态会发生变化，且会随着外界环境的变化而改变。相位编码将信息编码到量子态前后两个时间模式之间的相位差上，在光纤信道中传输时非常稳定，因此被广泛采用。然而，传统的基于双不等臂马赫-增德尔干涉环方案在接收端进行解码干涉时，由于光纤信道的扰动导致偏振态随机变化，从而影响干涉的稳定性，因此该***稳定性差，容易受到环境干扰。
如果在接收端通过反馈控制进行偏振跟踪与补偿，会增加***复杂度，耗时耗资源，且误码率偏高。所以，现有技术一般采用被动补偿偏振态的方式，如Plug-and-play（即插即用）往返式量子密钥分发***，使用法拉第镜将入射光偏振态旋转90度的特性，来抵消光纤信道对光子偏振态的作用，从而保证***的稳定性。但是，该容易受到木马攻击，且***的工作频率受到限制，光纤的拉曼散射效应也会增加***噪声。另一种解决方案是采用法拉第-迈克尔逊干涉仪，这样可以消除光纤双折射效应以及环境扰动对偏振态的影响，***非常稳定。但是由于光脉冲会经过调相器2次，增加了接收端的损耗，降低了***的效率。
发明内容
针对现有技术存在以上缺陷，本发明提出一种免疫信道扰动的量子密钥分发相位解码装置。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种免疫信道扰动的量子密钥分发相位解码装置，包括第一偏振分束器、偏振干涉仪、环形器、第一单光子探测器以及第二单光子探测器，所述第一偏振分束器包括第一输入端口、第二输入端口、第一输出端口和第二输出端口；所述偏振干涉仪包括第一端口和第二端口；所述环形器包括第一端口、第二端口和第三端口；所述环形器的第一端口作为解码装置的输入端口；所述环形器的第三端口与第一单光子探测器相连；所述第一偏振分束器的第一输入端口、第二输入端口分别与环形器的第二端口、第二单光子探测器相连；所述第一偏振分束器的第一输出端口、第二输出端口分别通过第一光纤、第二光纤与偏振干涉仪的第一端口、第二端口相连，所述第一光纤和第二光纤均为保偏光纤，且分别进行45°熔接。
优选地，所述偏振干涉仪包括第二偏振分束器、第一调相器、第一法拉第镜和第二法拉第镜，所述第二偏振分束器包括第一输入端口、第二输入端口、第一输出端口和第二输出端口；所述第二偏振分束器的第一输入端口、第二输入端口分别作为偏振干涉仪的第一端口、第二端口；所述第二偏振分束器的第一输出端口通过第一调相器连接第一法拉第镜，构成偏振干涉仪的长臂；所述第二偏振分束器的第二输出端口直接连接第二法拉第镜，构成偏振干涉仪的短臂。
优选地，所述偏振干涉仪包括第三偏振分束器、第四偏振分束器和第二调相器，所述第三偏振分束器、第四偏振分束器均包括输入端口、第一输出端口和第二输出端口；所述第三偏振分束器、第四偏振分束器的输入端口分别作为偏振干涉仪的第一端口、第二端口；所述第三偏振分束器的第一输出端口通过第二调相器连接第四偏振分束器的第一输出端口，构成偏振干涉仪的长臂；所述第三偏振分束器的第二输出端口直接连接第四偏振分束器的第二输出端口，构成偏振干涉仪的短臂。
优选地，所述偏振干涉仪包括第五偏振分束器和第三调相器，所述第五偏振分束器包括第一输入端口、第二输入端口、第一输出端口和第二输出端口；所述第五偏振分束器的第一输入端口、第二输出端口分别作为偏振干涉仪的第一端口、第二端口；所述第五偏振分束器的第一输出端口、第二输入端口分别通过保偏光纤与第三调相器的输入端口和输出端口相连，构成偏振干涉仪的长臂。
优选地，其特征在于，所述第一光纤和第二光纤的长度相等。
与现有技术相比，本发明有以下有益效果：
本发明通过对相位编码态脉冲进行偏振分束分别进行干涉后再进行合并探测，可以消除信道的偏振扰动导致偏振态随机变化对***造成的影响，无需主动偏振补偿模块即可实现免疫信道扰动，提高了***的稳定性。并且两个偏振分量脉冲各经过一次偏振干涉仪，相当于整个脉冲经过一次偏振干涉仪，不会额外增加接收端的损耗。
附图说明
图1为本发明免疫信道扰动的量子密钥分发相位解码装置的原理框图；
图2为本发明免疫信道扰动的量子密钥分发相位解码装置实施例一的原理框图；
图3为本发明免疫信道扰动的量子密钥分发相位解码装置实施例二的原理框图；
图4为本发明免疫信道扰动的量子密钥分发相位解码装置实施例三的原理框图。
图中：第一偏振分束器-1、偏振干涉仪-2、第二偏振分束器-2-1、第一调相器-2-2、第一法拉第镜-2-3、第二法拉第镜-2-4、第三偏振分束器-2-5、第四偏振分束器-2-6、第二调相器-2-7、第五偏振分束器-2-8、第三调相器-2-9、环形器-3、第一单光子探测器-4、第二单光子探测器-5。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明进行清楚、完整地描述。
如图1所示，如图1所示，一种免疫信道扰动的量子密钥分发相位解码装置（以下简称解码装置），包括第一偏振分束器1、偏振干涉仪2、环形器3、第一单光子探测器4以及第二单光子探测器5，所述第一偏振分束器1包括第一输入端口、第二输入端口、第一输出端口和第二输出端口；所述偏振干涉仪2包括第一端口和第二端口；所述环形器3包括第一端口、第二端口和第三端口；所述环形器3的第一端口作为解码装置的输入端口；所述环形器3的第三端口与第一单光子探测器4相连；所述第一偏振分束器1的第一输入端口、第二输入端口分别与环形器3的第二端口、第二单光子探测器5相连；所述第一偏振分束器1的第一输出端口、第二输出端口分别通过第一光纤、第二光纤与偏振干涉仪2的第一端口、第二端口相连。所述第一光纤和第二光纤均为保偏光纤且长度相等，分别进行45°熔接，所述第一光纤和第二光纤长度相等，可使两个方向进去的光同时到达偏振干涉仪，调相速率可以提高。
具体解码过程如下：
发送端发出的相位编码态前后两个时间模式相位差为
Figure 922908DEST_PATH_IMAGE001
，且偏振相同，可写为
Figure 813503DEST_PATH_IMAGE002
假设时间模式|0>和|1>的偏振态均为水平偏振。在经过单模光纤信道之后，由于存在双折射效应以及信道所处环境存在扰动，导致相位编码态在到达接收端时变成随机的偏振态，因此进入解码装置的相位编码态可写为
Figure 344979DEST_PATH_IMAGE003
其中，
Figure 688235DEST_PATH_IMAGE004
。
相位编码态进入解码装置后，首先经环形器3进入第一偏振分束器1的第一输入端口，被分成偏振相互垂直的第一偏振脉冲和第二偏振脉冲，分别从第一偏振分束器1的第一输出端口和第二输出端口出射，随后分别经过45°偏振旋转后量子态为
Figure 330569DEST_PATH_IMAGE005
其中，
Figure 75671DEST_PATH_IMAGE006
，|s>和|f>分别表示沿保偏光纤慢轴和快轴传播。
第一偏振脉冲进入偏振干涉仪2的第一端口，其中，沿保偏光纤慢轴传播的分量|s >和沿快轴传播的分量|f>分别走偏振干涉仪2的短臂和长臂，走长臂的分量调制了相位
Figure 512469DEST_PATH_IMAGE007
， 从偏振干涉仪2的第二端口出射，仍分别沿保偏光纤的慢轴和快轴传播，量子态可分别写为
Figure 343022DEST_PATH_IMAGE008
其中，由于
Figure 54626DEST_PATH_IMAGE009
的时间模式
Figure 919814DEST_PATH_IMAGE010
与分量
Figure 793092DEST_PATH_IMAGE011
的时间模式
Figure 845361DEST_PATH_IMAGE012
所走的光程相 等，二者在时间上重叠，从偏振干涉仪2的第二端口出射时干涉合成，并经过45°偏振旋转之 后成为第三偏振脉冲，量子态可写为
Figure 95077DEST_PATH_IMAGE013
相位差
Figure 814771DEST_PATH_IMAGE014
。而
Figure 858951DEST_PATH_IMAGE009
的时间模式
Figure 398516DEST_PATH_IMAGE015
与
Figure 186344DEST_PATH_IMAGE011
的时间模式
Figure 760545DEST_PATH_IMAGE016
为非干 涉峰，在时间上则分别相对第三偏振脉冲超前和滞后T，T为偏振干涉仪2的臂长差对应的时 间。通过设置单光子探测器的开门时间位置，可以将非干涉峰落在门控之外，消除其对干涉 峰的影响，因此可以不用考虑后续的传播过程。
第三偏振脉冲回到第一偏振分束器1的第二输出端口，沿保偏光纤慢轴传播的分 量|s>从第一偏振分束器1的第一输入端口出射，经环形器3到达第一单光子探测器4，光强 为
Figure 710046DEST_PATH_IMAGE017
，沿快轴传播的分量|f>从第一偏振分束器1的第二输入端口出射，进 入第二单光子探测器5，光强为
Figure 2487DEST_PATH_IMAGE018
。
同样，第二偏振脉冲进入偏振干涉仪2的第二端口，其中，沿保偏光纤慢轴传播的 分量|s>和沿快轴传播的分量|f>分别走偏振干涉仪2的短臂和长臂，走长臂的分量调制了 相位
Figure 328426DEST_PATH_IMAGE019
，从偏振干涉仪2的第一端口出射，仍分别沿保偏光纤的慢轴和快轴传播，量子态可 分别写为
Figure 288292DEST_PATH_IMAGE020
其中，由于
Figure 674274DEST_PATH_IMAGE021
的时间模式
Figure 188432DEST_PATH_IMAGE022
与分量
Figure 318062DEST_PATH_IMAGE023
的时间模式
Figure 866855DEST_PATH_IMAGE024
所走的光程相 等，二者在时间上重叠，从偏振干涉仪2的第一端口出射时干涉合成，并经过45°偏振旋转之 后成为第四偏振脉冲，量子态可写为
Figure 423738DEST_PATH_IMAGE025
相位差
Figure 425192DEST_PATH_IMAGE026
。而
Figure 358513DEST_PATH_IMAGE021
的时间模式
Figure 761813DEST_PATH_IMAGE027
与
Figure 489597DEST_PATH_IMAGE023
的时间模式
Figure 978348DEST_PATH_IMAGE028
为非干 涉峰，可以忽略。
第四偏振脉冲回到第一偏振分束器1的第一输出端口，沿保偏光纤慢轴传播的分 量|s>从第一偏振分束器1的第一输入端口出射，经环形器3到达第一单光子探测器4，光强 为
Figure 715359DEST_PATH_IMAGE029
，沿快轴传播的分量|f>从第一偏振分束器1的第二输入端口出射，进 入第二单光子探测器5，光强为
Figure 973165DEST_PATH_IMAGE030
。
因此，第一单光子探测器4和第二单光子探测器5的探测结果为第三偏振脉冲和第 四偏振脉冲分别干涉的光强之和，即为
Figure 871851DEST_PATH_IMAGE031
和
Figure 847898DEST_PATH_IMAGE032
，与入射偏振态无关， 可以免疫信道的随机扰动。可以看出，光强的最大值为1/2，这是由于存在非干涉峰，只有一 半的脉冲了干涉，因此光子的能量利用率为1/2。当发送端调制4个相位时，接收端可以调制 2个相位进行解码，相应的单光子探测器响应归一化概率如表1所示
表1：探测器响应归一化概率表
Figure 123021DEST_PATH_IMAGE033
图2所示，本发明解码装置实施例一：
所述解码装置的结构为：所述偏振干涉仪2包括第二偏振分束器2-1、第一调相器2-2、第一法拉第镜2-3和第二法拉第镜2-4，所述第二偏振分束器2-1包括第一输入端口、第二输入端口、第一输出端口和第二输出端口；所述第二偏振分束器2-1的第一输入端口、第二输入端口分别作为偏振干涉仪2的第一端口、第二端口；所述第二偏振分束器2-1的第一输出端口通过第一调相器2-2连接第一法拉第镜2-3，构成偏振干涉仪2的长臂；所述第二偏振分束器2-1的第二输出端口直接连接第二法拉第镜2-4，构成偏振干涉仪2的短臂。
实施例一解码具体过程包括为：
发送端发出的相位编码态前后两个时间模式相位差为
Figure 235334DEST_PATH_IMAGE034
，且偏振相同，可写为
Figure 570500DEST_PATH_IMAGE035
假设时间模式|0>和|1>的偏振态均为水平偏振。在经过单模光纤信道之后，由于存在双折射效应以及信道所处环境存在扰动，导致相位编码态在到达接收端时变成随机的偏振态，因此进入解码装置的相位编码态可写为
Figure 768263DEST_PATH_IMAGE036
其中，
Figure 847078DEST_PATH_IMAGE037
。
相位编码态进入解码装置后，首先经环形器3进入第一偏振分束器1的第一输入端口，被分成偏振相互垂直的第一偏振脉冲和第二偏振脉冲，分别从第一偏振分束器1的第一输出端口和第二输出端口出射，随后分别经过45°偏振旋转后量子态为
Figure 813897DEST_PATH_IMAGE038
其中，
Figure 585544DEST_PATH_IMAGE039
，|s>和|f>分别表示沿保偏光纤慢轴和快轴传播。
第一偏振脉冲进入第二偏振分束器2-1的第一输入端口，其中，沿保偏光纤慢轴传 播的分量|s>被第二偏振分束器2-1透射，从第二输出端口出射，经短臂到达第二法拉第镜 2-4被反射回到第二偏振分束器2-1的第二输出端口，从第二输入端口出射，仍沿保偏光纤 慢轴传播。沿保偏光纤快轴传播的分量|f>被第二偏振分束器2-1反射，从第一输出端口出 射，经长臂、第一调相器2-2调制相位
Figure 270603DEST_PATH_IMAGE040
后到达第一法拉第镜2-3被反射回到第二偏振分束 器2-1的第一输出端口，从第二输入端口出射，仍沿保偏光纤快轴传播。分量|s>和|f>的量 子态可分别写为
Figure 887529DEST_PATH_IMAGE041
其中，由于
Figure 974434DEST_PATH_IMAGE042
的时间模式
Figure 651403DEST_PATH_IMAGE043
与分量
Figure 823758DEST_PATH_IMAGE044
的时间模式
Figure 244375DEST_PATH_IMAGE045
所走的光程相 等，二者在时间上重叠，从第二偏振分束器2-1的第二输入端口出射时干涉合成，并经过45° 偏振旋转之后成为第三偏振脉冲，量子态可写为
Figure 185786DEST_PATH_IMAGE046
相位差
Figure 33656DEST_PATH_IMAGE047
。而
Figure 693308DEST_PATH_IMAGE042
的时间模式
Figure 652037DEST_PATH_IMAGE048
与
Figure 979113DEST_PATH_IMAGE044
的时间模式
Figure 732305DEST_PATH_IMAGE049
为非干 涉峰，可以忽略。
第三偏振脉冲回到第一偏振分束器1的第二输出端口，沿保偏光纤慢轴传播的分 量|s>从第一偏振分束器1的第一输入端口出射，经环形器3到达第一单光子探测器4，光强 为
Figure 879253DEST_PATH_IMAGE050
，沿快轴传播的分量|f>从第一偏振分束器1的第二输入端口出射，进 入第二单光子探测器5，光强为
Figure 641672DEST_PATH_IMAGE051
。
同样，第二偏振脉冲进入第二偏振分束器2-1的第二输入端口，其中，沿保偏光纤 慢轴传播的分量|s>被第二偏振分束器2-1反射，从第二输出端口出射，经短臂到达第二法 拉第镜2-4被反射回到第二偏振分束器2-1的第二输出端口，从第一输入端口出射，仍沿保 偏光纤慢轴传播。沿保偏光纤快轴传播的分量|f>被第二偏振分束器2-1透射，从第一输出 端口出射，经长臂、第一调相器2-2调制相位
Figure 557676DEST_PATH_IMAGE052
后到达第一法拉第镜2-3被反射回到第二偏 振分束器2-1的第一输出端口，从第一输入端口出射，仍沿保偏光纤快轴传播。分量|s>和|f >的量子态可分别写为
Figure 747349DEST_PATH_IMAGE053
其中，由于
Figure 116013DEST_PATH_IMAGE054
的时间模式
Figure 416544DEST_PATH_IMAGE055
与分量
Figure 452634DEST_PATH_IMAGE056
的时间模式
Figure 813208DEST_PATH_IMAGE057
所走的光程相 等，二者在时间上重叠，从第二偏振分束器2-1的第一输入端口出射时干涉合成，并经过45° 偏振旋转之后成为第四偏振脉冲，量子态可写为
Figure 669168DEST_PATH_IMAGE058
相位差
Figure 773391DEST_PATH_IMAGE059
。而
Figure 663986DEST_PATH_IMAGE054
的时间模式
Figure 195462DEST_PATH_IMAGE060
与
Figure 538718DEST_PATH_IMAGE056
的时间模式
Figure 181052DEST_PATH_IMAGE061
为非干 涉峰，可以忽略。
第四偏振脉冲回到第一偏振分束器1的第一输出端口，沿保偏光纤慢轴传播的分 量|s>从第一偏振分束器1的第一输入端口出射，经环形器3到达第一单光子探测器4，光强 为
Figure 926154DEST_PATH_IMAGE062
，沿快轴传播的分量|f>从第一偏振分束器1的第二输入端口出射， 进入第二单光子探测器5，光强为
Figure 894110DEST_PATH_IMAGE063
。
因此，第一单光子探测器4和第二单光子探测器5的探测结果为第三偏振脉冲和第 四偏振脉冲分别干涉的光强之和，即为
Figure 724663DEST_PATH_IMAGE064
和
Figure 170688DEST_PATH_IMAGE065
，与入射偏振态无关， 可以免疫信道的随机扰动。根据表1可实现稳定的相位解码。
如图3所示，本发明解码装置实施例二：
所述解码装置的结构为：所述偏振干涉仪2包括第三偏振分束器2-5、第四偏振分束器2-6和第二调相器2-7，所述第三偏振分束器2-5、第四偏振分束器2-6均包括输入端口、第一输出端口和第二输出端口；所述第三偏振分束器2-5、第四偏振分束器2-6的输入端口分别作为偏振干涉仪2的第一端口、第二端口；所述第三偏振分束器2-5的第一输出端口通过第二调相器2-7连接第四偏振分束器2-6的第一输出端口，构成偏振干涉仪2的长臂；所述第三偏振分束器2-5的第二输出端口直接连接第四偏振分束器2-6的第二输出端口，构成偏振干涉仪2的短臂。
实施例二解码具体过程包括为：
发送端发出的相位编码态前后两个时间模式相位差为
Figure 770297DEST_PATH_IMAGE066
，且偏振相同，可写为
Figure 643575DEST_PATH_IMAGE067
假设时间模式|0>和|1>的偏振态均为水平偏振。在经过单模光纤信道之后，由于存在双折射效应以及信道所处环境存在扰动，导致相位编码态在到达接收端时变成随机的偏振态，因此进入解码装置的相位编码态可写为
Figure 961423DEST_PATH_IMAGE068
其中，
Figure 211139DEST_PATH_IMAGE069
。
相位编码态进入解码装置后，首先经环形器3进入第一偏振分束器1的第一输入端口，被分成偏振相互垂直的第一偏振脉冲和第二偏振脉冲，分别从第一偏振分束器1的第一输出端口和第二输出端口出射，随后分别经过45°偏振旋转后量子态为
Figure 665254DEST_PATH_IMAGE070
其中，
Figure 709434DEST_PATH_IMAGE071
，|s>和|f>分别表示沿保偏光纤慢轴和快轴传播。
第一偏振脉冲进入第三偏振分束器2-5的输入端口，其中，沿保偏光纤慢轴传播的 分量|s>被第三偏振分束器2-5透射，从第二输出端口出射，经短臂到达第四偏振分束器2-6 的第二输出端口，从输入端口出射，仍沿保偏光纤慢轴传播。沿保偏光纤快轴传播的分量|f >被第三偏振分束器2-5反射，从第一输出端口出射，经长臂、第二调相器2-7调制相位
Figure 514579DEST_PATH_IMAGE072
后 到达第四偏振分束器2-6的第一输出端口，从输入端口出射，仍沿保偏光纤快轴传播。分量| s>和|f>的量子态可分别写为
Figure 567985DEST_PATH_IMAGE073
其中，由于
Figure 876607DEST_PATH_IMAGE074
的时间模式
Figure 357267DEST_PATH_IMAGE075
与分量
Figure 649708DEST_PATH_IMAGE076
的时间模式
Figure 710068DEST_PATH_IMAGE077
所走的光程相 等，二者在时间上重叠，从第四偏振分束器2-6的输入端口出射时干涉合成，并经过45°偏振 旋转之后成为第三偏振脉冲，量子态可写为
Figure 404354DEST_PATH_IMAGE078
相位差
Figure 55915DEST_PATH_IMAGE079
。而
Figure 570073DEST_PATH_IMAGE074
的时间模式
Figure 699703DEST_PATH_IMAGE080
与
Figure 248496DEST_PATH_IMAGE076
的时间模式
Figure 805380DEST_PATH_IMAGE081
为非干 涉峰，可以忽略。
第三偏振脉冲回到第一偏振分束器1的第二输出端口，沿保偏光纤慢轴传播的分 量|s>从第一偏振分束器1的第一输入端口出射，经环形器3到达第一单光子探测器4，光强 为
Figure 806834DEST_PATH_IMAGE082
，沿快轴传播的分量|f>从第一偏振分束器1的第二输入端口出射，进 入第二单光子探测器5，光强为
Figure 5734DEST_PATH_IMAGE083
。
同样，第二偏振脉冲进入第四偏振分束器2-6的输入端口，其中，沿保偏光纤慢轴 传播的分量|s>被第四偏振分束器2-6透射，从第二输出端口出射，经短臂到达第三偏振分 束器2-5的第二输出端口，从输入端口出射，仍沿保偏光纤慢轴传播。沿保偏光纤快轴传播 的分量|f>被第四偏振分束器2-6反射，从第一输出端口出射，经长臂、第二调相器2-7调制 相位
Figure 409033DEST_PATH_IMAGE084
后到达第三偏振分束器2-5的第一输出端口，从输入端口出射，仍沿保偏光纤快轴传 播。分量|s>和|f>的量子态可分别写为
Figure 136818DEST_PATH_IMAGE085
其中，由于
Figure 625568DEST_PATH_IMAGE086
的时间模式
Figure 85282DEST_PATH_IMAGE087
与分量
Figure 343088DEST_PATH_IMAGE088
的时间模式
Figure 507353DEST_PATH_IMAGE089
所走的光程相 等，二者在时间上重叠，从第三偏振分束器2-5的输入端口出射时干涉合成，并经过45°偏振 旋转之后成为第四偏振脉冲，量子态可写为
Figure 483399DEST_PATH_IMAGE090
相位差
Figure 492944DEST_PATH_IMAGE091
。而
Figure 870835DEST_PATH_IMAGE086
的时间模式
Figure 940423DEST_PATH_IMAGE092
与
Figure 669344DEST_PATH_IMAGE088
的时间模式
Figure 482579DEST_PATH_IMAGE093
为非干 涉峰，可以忽略。
第四偏振脉冲回到第一偏振分束器1的第一输出端口，沿保偏光纤慢轴传播的分 量|s>从第一偏振分束器1的第一输入端口出射，经环形器3到达第一单光子探测器4，光强 为
Figure 714978DEST_PATH_IMAGE094
，沿快轴传播的分量|f>从第一偏振分束器1的第二输入端口出射，进 入第二单光子探测器5，光强为
Figure 221045DEST_PATH_IMAGE095
。
因此，第一单光子探测器4和第二单光子探测器5的探测结果为第三偏振脉冲和第 四偏振脉冲分别干涉的光强之和，即为
Figure 906105DEST_PATH_IMAGE096
和
Figure 523031DEST_PATH_IMAGE097
，与入射偏振态无关， 可以免疫信道的随机扰动。根据表1可实现稳定的相位解码。
如图4所示，本发明解码装置实施例三：
所述解码装置的结构为：所述偏振干涉仪2包括第五偏振分束器2-8和第三调相器2-9，所述第五偏振分束器2-8包括第一输入端口、第二输入端口、第一输出端口和第二输出端口；所述第五偏振分束器2-8的第一输入端口、第二输出端口分别作为偏振干涉仪2的第一端口、第二端口；所述第五偏振分束器2-8的第一输出端口、第二输入端口分别通过保偏光纤与第三调相器2-9的输入端口和输出端口相连，构成偏振干涉仪2的长臂。
实施例三解码具体过程包括为：
发送端发出的相位编码态前后两个时间模式相位差为
Figure 609935DEST_PATH_IMAGE098
，且偏振相同，可写为
Figure 286904DEST_PATH_IMAGE099
假设时间模式|0>和|1>的偏振态均为水平偏振。在经过单模光纤信道之后，由于存在双折射效应以及信道所处环境存在扰动，导致相位编码态在到达接收端时变成随机的偏振态，因此进入解码装置的相位编码态可写为
Figure 459260DEST_PATH_IMAGE100
其中，
Figure 614298DEST_PATH_IMAGE101
。
相位编码态进入解码装置后，首先经环形器3进入第一偏振分束器1的第一输入端口，被分成偏振相互垂直的第一偏振脉冲和第二偏振脉冲，分别从第一偏振分束器1的第一输出端口和第二输出端口出射，随后分别经过45°偏振旋转后量子态为
Figure 86867DEST_PATH_IMAGE102
其中，
Figure 934738DEST_PATH_IMAGE103
，|s>和|f>分别表示沿保偏光纤慢轴和快轴传播。
第一偏振脉冲进入第五偏振分束器2-8的第一输入端口，其中，沿保偏光纤慢轴传 播的分量|s>被第五偏振分束器2-8透射，直接从第二输出端口出射，仍沿保偏光纤慢轴传 播。沿保偏光纤快轴传播的分量|f>被第五偏振分束器2-8反射，经长臂、第三调相器2-9调 制相位
Figure 594389DEST_PATH_IMAGE104
后到达回到的第二输入端口，从第二输出端口出射，仍沿保偏光纤快轴传播。分量 |s>和|f>的量子态可分别写为
Figure 553118DEST_PATH_IMAGE105
其中，由于
Figure 349035DEST_PATH_IMAGE106
的时间模式
Figure 367807DEST_PATH_IMAGE107
与分量
Figure 514755DEST_PATH_IMAGE108
的时间模式
Figure 277174DEST_PATH_IMAGE109
所走的光程相 等，二者在时间上重叠，从第五偏振分束器2-8的第二输出端口出射时干涉合成，并经过45° 偏振旋转之后成为第三偏振脉冲，量子态可写为
Figure 193178DEST_PATH_IMAGE110
相位差
Figure 117271DEST_PATH_IMAGE111
。而
Figure 751515DEST_PATH_IMAGE106
的时间模式
Figure 52046DEST_PATH_IMAGE112
与
Figure 88135DEST_PATH_IMAGE108
的时间模式
Figure 448710DEST_PATH_IMAGE113
为非干 涉峰，可以忽略。
第三偏振脉冲回到第一偏振分束器1的第二输出端口，沿保偏光纤慢轴传播的分 量|s>从第一偏振分束器1的第一输入端口出射，经环形器3到达第一单光子探测器4，光强 为
Figure 570249DEST_PATH_IMAGE114
，沿快轴传播的分量|f>从第一偏振分束器1的第二输入端口出射，进 入第二单光子探测器5，光强为
Figure 674472DEST_PATH_IMAGE115
。
同样，第二偏振脉冲进入第五偏振分束器2-8的第二输出端口，其中，沿保偏光纤 慢轴传播的分量|s>被第二偏振分束器2-1透射，直接从第一输入端口出射，仍沿保偏光纤 慢轴传播。沿保偏光纤快轴传播的分量|f>被第五偏振分束器2-8反射，经长臂、第一调相器 2-2调制相位
Figure 299488DEST_PATH_IMAGE116
后到达第一输出端口，从第一输入端口出射，仍沿保偏光纤快轴传播。分量| s>和|f>的量子态可分别写为
Figure 830963DEST_PATH_IMAGE117
其中，由于
Figure 174220DEST_PATH_IMAGE118
的时间模式
Figure 82133DEST_PATH_IMAGE119
与分量
Figure 827235DEST_PATH_IMAGE120
的时间模式
Figure 529612DEST_PATH_IMAGE121
所走的光程相 等，二者在时间上重叠，从第五偏振分束器2-8的第一输入端口出射时干涉合成，并经过45° 偏振旋转之后成为第四偏振脉冲，量子态可写为
Figure 625744DEST_PATH_IMAGE122
相位差
Figure 71769DEST_PATH_IMAGE123
。而
Figure 671378DEST_PATH_IMAGE118
的时间模式
Figure 544656DEST_PATH_IMAGE124
与
Figure 862505DEST_PATH_IMAGE120
的时间模式
Figure 846641DEST_PATH_IMAGE125
为非干 涉峰，可以忽略。
第四偏振脉冲回到第一偏振分束器1的第一输出端口，沿保偏光纤慢轴传播的分 量|s>从第一偏振分束器1的第一输入端口出射，经环形器3到达第一单光子探测器4，光强 为
Figure 566335DEST_PATH_IMAGE126
，沿快轴传播的分量|f>从第一偏振分束器1的第二输入端口出射，进 入第二单光子探测器5，光强为
Figure 610515DEST_PATH_IMAGE127
。
因此，第一单光子探测器4和第二单光子探测器5的探测结果为第三偏振脉冲和第 四偏振脉冲分别干涉的光强之和，即为
Figure 415660DEST_PATH_IMAGE128
和
Figure 203487DEST_PATH_IMAGE129
，与入射偏振态无关， 可以免疫信道的随机扰动。根据表1可实现稳定的相位解码。
本发明还公开了一种量子密钥分发***的发射端，包括激光器、编码装置、可调衰减器，所述编码装置的输入端口和输出端口分别连接激光器和可调衰减器，所述激光器用于产生光脉冲，所述编码装置用于多种协议的编码，产生编码脉冲，所述可调衰减器用于将编码脉冲衰减到单光子量级。
综合本发明各个实施例可知，本发明提出一种免疫信道扰动的量子密钥分发相位解码装置，通过对相位编码态脉冲进行偏振分束分别进行干涉后再进行合并探测，可以消除信道的偏振扰动导致偏振态随机变化对***造成的影响，无需主动偏振补偿模块即可实现免疫信道扰动，提高了***的稳定性。并且两个偏振分量脉冲各经过一次偏振干涉仪，相当于整个脉冲经过一次偏振干涉仪，不会额外增加接收端的损耗。

Claims (5)

1.一种免疫信道扰动的量子密钥分发相位解码装置，其特征在于，包括第一偏振分束器（1）、偏振干涉仪（2）、环形器（3）、第一单光子探测器（4）以及第二单光子探测器（5），所述第一偏振分束器（1）包括第一输入端口、第二输入端口、第一输出端口和第二输出端口；所述偏振干涉仪（2）包括第一端口和第二端口；所述环形器（3）包括第一端口、第二端口和第三端口；所述环形器（3）的第一端口作为解码装置的输入端口；所述环形器（3）的第三端口与第一单光子探测器（4）相连；所述第一偏振分束器（1）的第一输入端口、第二输入端口分别与环形器（3）的第二端口、第二单光子探测器（5）相连；所述第一偏振分束器（1）的第一输出端口、第二输出端口分别通过第一光纤、第二光纤与偏振干涉仪（2）的第一端口、第二端口相连，所述第一光纤和第二光纤均为保偏光纤，且分别进行45°熔接。
2.如权利要求1所述的免疫信道扰动的量子密钥分发相位解码装置，其特征在于，所述偏振干涉仪（2）包括第二偏振分束器（2-1）、第一调相器（2-2）、第一法拉第镜（2-3）和第二法拉第镜（2-4），所述第二偏振分束器（2-1）包括第一输入端口、第二输入端口、第一输出端口和第二输出端口；所述第二偏振分束器（2-1）的第一输入端口、第二输入端口分别作为偏振干涉仪（2）的第一端口、第二端口；所述第二偏振分束器（2-1）的第一输出端口通过第一调相器（2-2）连接第一法拉第镜（2-3），构成偏振干涉仪（2）的长臂；所述第二偏振分束器（2-1）的第二输出端口直接连接第二法拉第镜（2-4），构成偏振干涉仪（2）的短臂。
3.如权利要求2所述的免疫信道扰动的量子密钥分发相位解码装置，其特征在于，所述偏振干涉仪（2）包括第三偏振分束器（2-5）、第四偏振分束器（2-6）和第二调相器（2-7），所述第三偏振分束器（2-5）、第四偏振分束器（2-6）均包括输入端口、第一输出端口和第二输出端口；所述第三偏振分束器（2-5）、第四偏振分束器（2-6）的输入端口分别作为偏振干涉仪（2）的第一端口、第二端口；所述第三偏振分束器（2-5）的第一输出端口通过第二调相器（2-7）连接第四偏振分束器（2-6）的第一输出端口，构成偏振干涉仪（2）的长臂；所述第三偏振分束器（2-5）的第二输出端口直接连接第四偏振分束器（2-6）的第二输出端口，构成偏振干涉仪（2）的短臂。
4.如权利要求1所述的免疫信道扰动的量子密钥分发相位解码装置，其特征在于，所述偏振干涉仪（2）包括第五偏振分束器（2-8）和第三调相器（2-9），所述第五偏振分束器（2-8）包括第一输入端口、第二输入端口、第一输出端口和第二输出端口；所述第五偏振分束器（2-8）的第一输入端口、第二输出端口分别作为偏振干涉仪（2）的第一端口、第二端口；所述第五偏振分束器（2-8）的第一输出端口、第二输入端口分别通过保偏光纤与第三调相器（2-9）的输入端口和输出端口相连，构成偏振干涉仪（2）的长臂。
5.如权利要求1-4所述的任一种免疫信道扰动的量子密钥分发相位解码装置，其特征在于，所述第一光纤和第二光纤的长度相等。
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