CN114465725B - 一种量子密钥分发编码装置 - Google Patents

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CN114465725B CN202210376064.6A CN202210376064A CN114465725B CN 114465725 B CN114465725 B CN 114465725B CN 202210376064 A CN202210376064 A CN 202210376064A CN 114465725 B CN114465725 B CN 114465725B
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Abstract

一种量子密钥分发编码装置，包括偏振干涉仪、第一调相器、第二调相器以及偏振分束模块，所述偏振分束模块的端口a为编码装置的输入端口；所述偏振分束模块的端口b、偏振干涉仪的端口A分别与第一调相器的输入端口、第一调相器的输出端口相连，所述偏振分束模块的端口c、偏振干涉仪的端口B分别与第二调相器的输入端口、第二调相器输出端口相连，构成萨格纳克环。与现有技术相比，本发明可以实现偏振和相位联合编码，提高单个光子比特所携带的信息量，进而提升***的安全成码率。另外，可以实现X、Y、Z三组基矢的制备，支持BB84协议、六态协议以及RFI协议的自由切换，同时可以实现信号态和诱骗态的制备。

Description

一种量子密钥分发编码装置
技术领域
本发明涉及量子相位编码技术领域，特别涉及一种量子密钥分发编码装置。
背景技术
量子密钥分发具有信息理论安全性，其安全性由量子力学的基本原理来保障，可以抵御来自量子计算机的威胁，在保密通信中具有重要作用。量子密钥分发（QKD）协议中最先被提出的是BB84协议，随着理论和实验的发展，多种协议相继被提出，如六态协议、参考系无关协议等，在各种不同的应用场景下具有各自的优势。能够同时实现上述各种协议的编码态为模式|0>和|1>的各种叠加态，一般包括三组基矢，X基、Y基和Z基。模式|0>、|1>可以分别为前、后时间窗或者H、V偏振态，分别对应时间相位编码或偏振编码。
目前，针对特定的协议或特定协议的编码方式，需要设计相应的光路来实现该协议或编码方式，而且大多不能兼容其他协议或编码方式。因此编码装置缺乏通用性，无法根据实际应用的需求实现协议或编码方式的切换，以满足***性能的最优化。根据现有技术，要想实现协议或编码方式的切换，需要多个协议或编码方式的专用编码装置进行级联，大大增加了***的复杂度和成本。
发明内容
针对现有技术存在以上缺陷，本发明提出一种量子密钥分发编码装置。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种量子密钥分发编码装置，包括偏振干涉仪、第一调相器、第二调相器以及偏振分束模块，所述偏振分束模块的端口a为编码装置的输入端口；所述偏振分束模块的端口b、偏振干涉仪的端口A分别与第一调相器的输入端口、第一调相器的输出端口相连，所述偏振分束模块的端口c、偏振干涉仪的端口B分别与第二调相器的输入端口、第二调相器输出端口相连，构成萨格纳克环；所述偏振分束模块端口d用于输出编码态；所述偏振分束模块用于将从其端口a输入的45°线偏振光脉冲分束成两个幅度相同的脉冲分量，分别从其端口b和端口c出射，并分别沿逆时针和顺时针方向在所述萨格纳克环内传播；所述偏振干涉仪用于产生偏振相互垂直、具有时间差t的前后子脉冲；所述第一调相器、第二调相器分别用于调制在所述萨格纳克环内沿逆时针、顺时针方向传播光脉冲分量的相位；所述编码装置内部的光纤均为保偏光纤；所述第一调相器的TE模式所在方向与其输入端口的保偏光纤慢轴对准，与其输出端口的保偏光纤慢轴夹角为45°；所述第二调相器的TE模式所在方向与其输入端口的保偏光纤快轴对准，与其输出端口的保偏光纤慢轴夹角为45°。
优选地，所述偏振分束模块包括环形器和第一偏振分束器，所述环形器的端口a作为偏振分束模块的端口a；所述环形器的端口b与第一偏振分束器的端口a相连；所述第一偏振分束器的端口b和端口c分别作为偏振分束模块的端口b和端口c；所述环形器的端口c的输出保偏光纤进行45°熔接作为偏振分束模块的端口d。
优选地，所述偏振分束模块为第四偏振分束器，所述第四偏振分束器的端口a-c分别作为偏振分束模块的端口a-c；所述第四偏振分束器的端口d的输出保偏光纤进行45°熔接作为偏振分束模块的端口d。
优选地，所述偏振分束模块包括第一分束器、第一起偏器、第二起偏器和第三起偏器，所述第一分束器端口a作为偏振分束模块的端口a；所述第一分束器端口b-d分别与第二起偏器、第三起偏器和第一起偏器的输入端口相连，其中第一分束器的端口d与第一起偏器之间的保偏光纤进行45°熔接；所述第二起偏器、第三起偏器和第一起偏器的输出端口分别作为偏振分束模块的端口b-d；所述第一起偏器和第二起偏器的偏振方向均与水平偏振方向对准，第三起偏器的偏振方向与竖直偏振方向对准。
优选地，所述偏振分束模块包括第二分束器和第四起偏器，所述第二分束器的端口d与第四起偏器的输入端口通过保偏光纤进行45°熔接后连接；所述第二分束器的端口a-c分别作为偏振分束模块的端口a-c，所述第四起偏器的输出端口作为偏振分束模块的端口d；所述第一调相器和第二调相器均为单偏振工作。
优选地，所述偏振干涉仪包括第二偏振分束器和第三偏振分束器，所述第二偏振分束器和第三偏振分束器均包括一个输入端口和两个输出端口；所述第二偏振分束器和第三偏振分束器的输入端口分别作为偏振干涉仪的端口A和端口B；所述第二偏振分束器和第三偏振分束器的两个输出端口分别通过长臂光纤和短臂光纤相连，构成不等臂马赫-曾德尔干涉仪。
优选地，所述偏振干涉仪包括第五偏振分束器、第一法拉第反射镜和第二法拉第反射镜，所述第五偏振分束器包括两个输入端口和两个输出端口，所述第五偏振分束器的两个输入端口分别作为偏振干涉仪的端口A和端口B，所述第五偏振分束器的两个输出端口分别通过两根长度不同的光纤与第一法拉第反射镜和第二法拉第反射镜相连。
优选地，所述偏振干涉仪为第六偏振分束器，所述第六偏振分束器包括两个输入端口和两个输出端口，所述第六偏振分束器的一个输入端口和一个输出端口分别作为偏振干涉仪的端口A和端口B，所述第六偏振分束器的另一个输入端口和另一个输出端口直接通过保偏光纤相连。
优选地，所述偏振干涉仪为长度为L高双折射保偏光纤
与现有技术相比，本发明有以下有益效果：
本发明提出了一种量子密钥分发编码装置，采用萨格纳克环与偏振干涉仪100相结合的结构，通过分别对两个时间窗口模式进行偏振调制，可以实现偏振和相位联合编码，提高单个光子比特所携带的信息量，进而提升***的安全成码率。另外，在编码装置的输出端口增加起偏器，可以实现X、Y、Z三组基矢的制备，支持BB84协议、六态协议以及RFI协议的自由切换，同时可以实现信号态和诱骗态的制备。不仅可以实现稳定的编码，还可以同时完成信号态、诱骗态的稳定制备，无需额外的强度调制器以及相位补偿，且两个时间模式损耗一致，提升了***的稳定性和实用性。
附图说明
图1为本发明量子密钥分发编码装置的结构原理框图；
图2为本发明量子密钥分发编码装置实施例一的原理框图；
图3为本发明量子密钥分发编码装置实施例二的原理框图；
图4为本发明量子密钥分发编码装置实施例三的原理框图；
图5为本发明量子密钥分发编码装置实施例四的原理框图。
图中：偏振干涉仪-100，第二偏振分束器-110，第三偏振分束器-120，第五偏振分束器-130，第一法拉第反射镜-140，第二法拉第反射镜-150，第六偏振分束器-160，第一调相器-200，第二调相器-300，偏振分束模块-400，第一偏振分束器-410，环形器-420，第四偏振分束器-430，第一起偏器-440，第二起偏器-450，第一分束器-460，第三起偏器-470，第四起偏器-480，第二分束器-490。
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，一种用于量子密钥分发的编码装置（以下简称编码装置），包括偏振干涉仪100、第一调相器200、第二调相器300以及偏振分束模块400，所述偏振分束模块400的端口a为编码装置的输入端口；所述偏振分束模块400的端口b、偏振干涉仪100的端口A分别与第一调相器200的输入端口、输出端口相连，所述偏振分束模块400的端口c、偏振干涉仪100的端口B分别与第二调相器300的输入端口、输出端口相连，构成萨格纳克环；所述偏振分束模块400端口d用于输出编码态；所述偏振分束模块400用于将从其端口a输入的45°线偏振光脉冲分束成两个幅度相同的脉冲分量，分别从其端口b和端口c出射，并分别沿逆时针和顺时针方向在所述萨格纳克环内传播；所述偏振干涉仪100用于产生偏振相互垂直、具有时间差t的前后子脉冲；所述第一调相器200、第二调相器300分别用于调制在所述萨格纳克环内沿逆时针、顺时针方向传播光脉冲分量的相位；所述编码装置内部的光纤均为保偏光纤；所述第一调相器200的TE模式所在方向与输入端口的保偏光纤慢轴对准，与输出端口的保偏光纤慢轴夹角为45°；所述第二调相器300的TE模式所在方向与输入端口的保偏光纤快轴对准，与输出端口的保偏光纤慢轴夹角为45°。
具体编码过程如下：
45°线偏振光脉冲P0从编码装置的输入端口进入，首先进入偏振分束模块400的端 口a，被分束为竖直偏振分量P1和水平偏振分量P2。其中P1分量从偏振分束模块400的端口b 出射，按照顺时针方向沿萨格纳克环传播，经过第一调相器200时不调相，从第一调相器200 出射时变为45°偏振，随后从偏振干涉仪100的端口A进入，从端口B输出，形成具有时间差为 t的前后两个子脉冲P11和P12，并先后经过第二调相器300分别调制相位
Figure 828594DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 588478DEST_PATH_IMAGE002
，先后进 入偏振分束模块400的端口c。P2分量从偏振分束模块400的端口c出射，按照逆时针方向沿 萨格纳克环传播，经过第二调相器300时不调相，从第二调相器300出射时变为45°偏振，随 后从偏振干涉仪100的端口B进入，从端口A输出，形成前后两个子脉冲P21和P22，并先后经 过第一调相器200分别调制相位
Figure 22344DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure 496182DEST_PATH_IMAGE004
，同样具有时间差T，最后先后进入偏振分束模块 400的端口b。P11和P21具有相同的传播时间，同时从偏振分束模块400的端口d出射，二者偏 振相互垂直，经偏振分束模块400合束成为第一偏振脉冲，处于前一个时间窗口|0>；P12和 P22也具有相同的传播时间，同时从偏振分束模块400的端口d出射，二者偏振相互垂直，经 偏振分束模块400合束成第二偏振脉冲，处于后一个时间窗口|1>。所述第一偏振脉冲和第 二偏振脉冲的时间差为T，从编码装置的输出端口输出。
其中，P11和P21分别沿逆时针和顺时针在萨格纳克环内传播，二者所走的光程相 同，相位差仅与调相器调制的相位有关，为
Figure 950035DEST_PATH_IMAGE005
，合成的第一偏振脉冲偏振态为
Figure 647863DEST_PATH_IMAGE006
最后再经过45°旋转之后，第一偏振脉冲的偏振态变为
Figure 291728DEST_PATH_IMAGE007
，
P12和P22分别沿逆时针和顺时针在萨格纳克环内传播，二者的相位差为
Figure 569256DEST_PATH_IMAGE008
，合成的第二偏振脉冲偏振态为
Figure 612036DEST_PATH_IMAGE009
，
在从偏振分束模块400的端口d出射之前经过45°旋转，偏振态变为
Figure 480766DEST_PATH_IMAGE010
通过控制相位差
Figure 877506DEST_PATH_IMAGE011
和
Figure 489884DEST_PATH_IMAGE012
分别为0，π，π/2，3π/2时，可以得到4种不同的偏振态| V>、|H>、|R>、|L>。同时，控制第一偏振脉冲和第二偏振脉冲之间的相位差分别为0，π/2，π，3 π/2，且调制二者的偏振态相同时，可以实现偏振和相位复合编码。P11、P12、P21和P22分别 经过第一调相器200和第二调相器300时所调制的相位与编码态如表1所示。其中|0>表示前 一个时间模式，|1>表示后一个时间模式，下标为偏振态。
表1. 偏振和相位复合编码表
Figure 590433DEST_PATH_IMAGE014
如果所述偏振分束模块400的端口d出射之前经过一个起偏器，所述起偏器为保偏光纤慢轴工作，用于通过沿保偏光纤慢轴传播的偏振光，滤除沿保偏光纤快轴传播的偏振光。
所述起偏器的琼斯矩阵为
Figure 161223DEST_PATH_IMAGE015
因此，所述第一偏振脉冲经过起偏器之后偏振态变为水平偏振：
Figure 982942DEST_PATH_IMAGE016
相应的光强变为
Figure 631967DEST_PATH_IMAGE017
同理，所述第二偏振脉冲经过起偏器之后的光强变为
Figure 416383DEST_PATH_IMAGE018
。
通过调制第一调相器200和第二调相器300，可以分别控制第一偏振脉冲和第二偏振脉冲的光强以及二者之间的相位差，来制备X基、Y基、Z基下的编码态，同时可以制备出信号态和诱骗态。
当需要制备信号态时，P11、P12、P21和P22分别经过第一调相器200和第二调相器300时所调制的相位与编码态如表2所示。
表2 信号态下的X基、Y基、Z基编码态
Figure 116662DEST_PATH_IMAGE019
当需要制备强度为u的诱骗态时，P11、P12、P21和P22分别经过第一调相器200和第二调相器300时所调制的相位与编码态如表3所示。
表3 诱骗态下的X基、Y基、Z基编码态
Figure 189791DEST_PATH_IMAGE020
因此，编码装置可以制备出X基、Y基、Z基下的编码态，以及信号态和诱骗态，可支持BB84协议、六态协议、参考系无关协议的自由切换，编码稳定且无需额外的强度调制器来制备诱骗态。
如图2所示，本发明编码装置实施例一：
所述编码装置的结构为：所述偏振分束模块400包括环形器420和第一偏振分束器410，所述环形器420的端口a作为偏振分束模块400的端口a；所述环形器420的端口b与第一偏振分束器410的端口a相连；所述第一偏振分束器410的端口b和端口c分别作为偏振分束模块400的端口b和端口c；所述环形器420的端口c的输出保偏光纤进行45°熔接作为偏振分束模块400的端口d。所述偏振干涉仪100包括第二偏振分束器110和第三偏振分束器120，所述第二偏振分束器110和第三偏振分束器120均包括一个输入端口和两个输出端口；所述第二偏振分束器110和第三偏振分束器120的输入端口分别作为偏振干涉仪100的端口A和端口B；所述第二偏振分束器110和第三偏振分束器120的两个输出端口分别通过长臂光纤和短臂光纤相连，构成不等臂马赫-曾德尔干涉仪。
实施例一可实现偏振相位复合编码，具体过程包括为：
45°线偏振光脉冲P0从编码装置的输入端口进入，首先进入环形器420的端口a，从 端口b输出后进入第一偏振分束器410的端口a，被分束为竖直偏振分量P1和水平偏振分量 P2。其中P1分量从第一偏振分束器410的端口b出射，按照顺时针方向沿萨格纳克环传播，经 过第一调相器200时不调相，从第一调相器200出射时变为45°偏振，随后从第二偏振分束器 110的输入端口进入不等臂马赫-曾德尔干涉仪，从第三偏振分束器120的输入端口输出，形 成具有时间差为t的前后两个子脉冲P11和P12，并先后经过第二调相器300分别调制相位
Figure 845769DEST_PATH_IMAGE021
和
Figure 484692DEST_PATH_IMAGE022
，先后进入第一偏振分束器410的端口c。P2分量从第一偏振分束器410的端口c出 射，按照逆时针方向沿萨格纳克环传播，经过第二调相器300时不调相，从第二调相器300出 射时变为45°偏振，随后从第三偏振分束器120的输入端口进入不等臂马赫-曾德尔干涉仪， 从第二偏振分束器110的输入端口输出，形成前后两个子脉冲P21和P22，并先后经过第一调 相器200分别调制相位
Figure 836432DEST_PATH_IMAGE023
和
Figure 662437DEST_PATH_IMAGE024
，同样具有时间差t，最后先后进入第一偏振分束器410的端 口b。P11和P21具有相同的传播时间，同时从第一偏振分束器410的端口a出射，二者偏振相 互垂直，经第一偏振分束器410合束成为第一偏振脉冲，处于前一个时间窗口|0>；P12和P22 也具有相同的传播时间，同时从第一偏振分束器410的端口a出射，二者偏振相互垂直，经第 一偏振分束器410合束成第二偏振脉冲，处于后一个时间窗口|1>。所述第一偏振脉冲和第 二偏振脉冲的时间差为t，先后经环形器420、偏振旋转45°之后，从编码装置的输出端口输 出。
其中，P11和P21分别沿逆时针和顺时针在萨格纳克环内传播，二者所走的光程相 同，相位差仅与调相器调制的相位有关，为
Figure 918844DEST_PATH_IMAGE025
。同样，P12和P22分别沿逆时 针和顺时针在萨格纳克环内传播，二者的相位差为
Figure 146694DEST_PATH_IMAGE026
。通过控制相位差
Figure 466073DEST_PATH_IMAGE027
和
Figure 779374DEST_PATH_IMAGE028
分别为0，π，π/2，3π/2时，可以得到4种不同的偏振态|V>、|H>、|R>、|L>。同时，控 制第一偏振脉冲和第二偏振脉冲之间的相位差分别为0，π/2，π，3π/2，且调制二者的偏振态 相同时，可以实现偏振和相位复合编码。P11、P12、P21和P22分别经过第一调相器200和第二 调相器300时所调制的相位与编码态如表1所示。
如图3所示，本发明编码装置实施例二：
所述编码装置的结构为：所述偏振分束模块400为第四偏振分束器430，所述第四偏振分束器430的端口a-c分别作为偏振分束模块400的端口a-c；所述第四偏振分束器430的端口d的输出保偏光纤进行45°熔接作为偏振分束模块400的端口d。所述偏振干涉仪100包括第五偏振分束器130、第一法拉第反射镜140和第二法拉第反射镜150，所述第五偏振分束器130包括两个输入端口和两个输出端口，所述第五偏振分束器130的两个输入端口分别作为偏振干涉仪100的端口A和端口B，所述第五偏振分束器130的两个输出端口分别通过两根长度不同的光纤与第一法拉第反射镜140和第二法拉第反射镜150相连。
实施例二编码过程包括为：
45°线偏振光脉冲P0从编码装置的输入端口进入，首先进入第四偏振分束器430的 端口a，被分束为竖直偏振分量P1和水平偏振分量P2。其中P1分量从第四偏振分束器430的 端口b出射，沿保偏光纤慢轴传播，经过第一调相器200时不调相，从第一调相器200出射时 变为45°偏振，随后进入第五偏振分束器130的输入端口，被分解为竖直偏振分量P11和水平 偏振分量P12，分别从第五偏振分束器130的两个输出端口出射，经第一法拉第镜和第二法 拉第镜反射后从第五偏振分束器130的另一个输入端口输出，偏振相互垂直，时间差为t，并 先后经过第二调相器300分别调制相位
Figure 573892DEST_PATH_IMAGE021
和
Figure 921828DEST_PATH_IMAGE022
，最后进入第四偏振分束器430的端口c。 P2分量从第四偏振分束器430的端口c出射，按照逆时针方向沿萨格纳克环传播，经过第二 调相器300时不调相，从第二调相器300出射时变为45°偏振，随后进入第五偏振分束器130 的另一个输入端口，被分解为竖直偏振分量P21和水平偏振分量P22，分别从第五偏振分束 器130的两个输出端口出射，经第一法拉第镜和第二法拉第镜反射后从第五偏振分束器130 的输入端口输出，偏振相互垂直，时间差为t，并先后经过第一调相器200分别调制相位
Figure 412109DEST_PATH_IMAGE029
和
Figure 212706DEST_PATH_IMAGE030
，最后先后进入第四偏振分束器430的端口b。P11和P21具有相同的传播时间，同时从 第四偏振分束器430的端口d出射，二者偏振相互垂直，经第四偏振分束器430合束成为第一 偏振脉冲，处于前一个时间窗口|0>；P12和P22也具有相同的传播时间，同时从第四偏振分 束器430的端口d出射，二者偏振相互垂直，经第四偏振分束器430合束成第二偏振脉冲，处 于后一个时间窗口|1>。所述第一偏振脉冲和第二偏振脉冲的时间差为t，经过偏振旋转45° 之后，从编码装置的输出端口输出。
其中，P11和P21分别沿逆时针和顺时针在萨格纳克环内传播，二者所走的光程相 同，相位差仅与调相器调制的相位有关，为
Figure 76494DEST_PATH_IMAGE031
。同样，P12和P22分别沿逆时 针和顺时针在萨格纳克环内传播，二者的相位差为
Figure 729803DEST_PATH_IMAGE032
。通过控制相位差
Figure 686258DEST_PATH_IMAGE033
和
Figure 675948DEST_PATH_IMAGE034
分别为0，π，π/2，3π/2时，可以得到4种不同的偏振态|V>、|H>、|R>、|L>。同时，控 制第一偏振脉冲和第二偏振脉冲之间的相位差分别为0，π/2，π，3π/2，且调制二者的偏振态 相同时，可以实现偏振和相位复合编码。P11、P12、P21和P22分别经过第一调相器200和第二 调相器300时所调制的相位与编码态如表1所示。
如图4所示，本发明编码装置实施例三：
所述编码装置的结构为：所述偏振分束模块400包括第一分束器460、第一起偏器440、第二起偏器450和第三起偏器470，所述第一分束器460端口a作为偏振分束模块400的端口a；所述第一分束器460端口b-d分别与第二起偏器450、第三起偏器470和第一起偏器440的输入端口相连，其中第一分束器460的端口d与第一起偏器440之间的保偏光纤进行45°熔接；所述第二起偏器450、第三起偏器470和第一起偏器440的输出端口分别作为偏振分束模块400的端口b-d；所述第一起偏器440和第二起偏器450的偏振方向均与水平偏振方向对准，第三起偏器470的偏振方向与竖直偏振方向对准。所述偏振干涉仪100为第六偏振分束器160，所述第六偏振分束器160包括两个输入端口和两个输出端口，所述第六偏振分束器160的一个输入端口和一个输出端口分别作为偏振干涉仪100的端口A和端口B，所述第六偏振分束器160的另一个输入端口和另一个输出端口直接通过保偏光纤相连。
实施例三编码过程包括为：
45°线偏振光脉冲P0从编码装置的输入端口进入，首先进入第一分束器460的端口 a，分成强度相等的两个脉冲分量P1和P2，二者均为45°偏振态。其中P1分量从第一分束器 460的端口b出射，经第二起偏器450之后只透过水平偏振分量，沿保偏光纤慢轴传播，经过 第一调相器200时不调相，从第一调相器200出射时变为45°偏振，随后进入第六偏振分束器 160的输入端口，被分解为竖直偏振分量P11和水平偏振分量P12。其中P11从第六偏振分束 器160的一个输出端口直接出射，沿保偏光纤慢轴传播。P12从第六偏振分束器160的另一个 输出端口出射后沿保偏光纤进入其另一个输入端口，并从输出端口出射，沿保偏光纤快轴 传播。二者偏振相互垂直，时间差为t，并先后经过第二调相器300分别调制相位
Figure 579314DEST_PATH_IMAGE035
和
Figure 137727DEST_PATH_IMAGE036
， 经过第三起偏器470后进入第一分束器460的端口c。P2分量从第一分束器460的端口c出射， 经第三起偏器470之后只透过竖直偏振分量，沿保偏光纤慢轴传播，经过第二调相器300时 不调相，从第二调相器300出射时变为45°偏振，随后进入第六偏振分束器160的输入端口， 被分解为竖直偏振分量P21和水平偏振分量P22。其中P21从第六偏振分束器160的一个输出 端口直接出射，沿保偏光纤慢轴传播。P22从第六偏振分束器160的另一个输出端口出射后 沿保偏光纤进入其另一个输入端口，并从输出端口出射，沿保偏光纤快轴传播。二者偏振相 互垂直，时间差为t，并先后经过第二调相器300分别调制相位
Figure 671608DEST_PATH_IMAGE037
和
Figure 945332DEST_PATH_IMAGE038
，经过第二起偏器 450后进入第一分束器460的端口b。
P11和P21具有相同的传播时间，同时从第一分束器460的端口d出射，二者偏振相互垂直，经第一分束器460合束成为第一偏振脉冲，处于前一个时间窗口|0>；P12和P22也具有相同的传播时间，同时从第一分束器460的端口d出射，二者偏振相互垂直，经第一分束器460合束成第二偏振脉冲，处于后一个时间窗口|1>。所述第一偏振脉冲和第二偏振脉冲的时间差为t，经过偏振旋转45°和第一起偏器440之后，从编码装置的输出端口输出。
通过调制第一调相器200和第二调相器300，可以分别控制第一偏振脉冲和第二偏振脉冲的光强以及二者之间的相位差，可以制备X基、Y基、Z基下的编码态，同时可以制备出信号态和诱骗态。制备信号态和诱骗态情况下，P11、P12、P21和P22分别经过第一调相器200和第二调相器300时所调制的相位与编码态分别如表2和表3所示。
如图5所示，本发明编码装置实施例四：
所述编码装置的结构为：所述偏振分束模块400包括第二分束器490和第四起偏器480，所述第二分束器490的端口d与第四起偏器480的输入端口通过保偏光纤进行45°熔接后连接；所述第二分束器490的端口a-c分别作为偏振分束模块400的端口a-c，所述第四起偏器480的输出端口作为偏振分束模块400的端口d；所述第一调相器200和第二调相器300均为单偏振工作。所述偏振干涉仪100为长度为L高双折射保偏光纤。
实施例四编码过程包括为：
45°线偏振光脉冲P0从编码装置的输入端口进入，首先进入第二分束器490的端口 a，分成强度相等的两个脉冲分量P1和P2，二者均为45°偏振态。其中P1分量从第二分束器 490的端口b出射，由于第一调相器200为单偏振工作，仅沿保偏光纤慢轴传播的光可以通过 第一调相器200，通过时不调相，从第一调相器200出射时偏振旋转45°进入长度为L的高双 折射保偏光纤，被分解为竖直偏振分量P11和水平偏振分量P12，分别沿保偏光纤慢轴和快 轴传播。由于快慢轴存在折射率差Δn，P11和P12经过长度L的保偏光纤之后，时间差t=Δn* L/c（c为光在真空中的速度）。二者先后经过第二调相器300分别调制相位
Figure 652388DEST_PATH_IMAGE039
和
Figure 330887DEST_PATH_IMAGE040
，并且 由于第二调相器300为单偏振工作，仅沿保偏光纤快轴传播的光可以通过第二调相器300， 最后进入第二分束器490的端口c。P2分量从第二分束器490的端口c出射，由于第二调相器 300为单偏振工作，仅沿保偏光纤快轴传播的光可以通过第二调相器300，通过时不调相，从 第二调相器300出射时偏振旋转45°进入长度为L的高双折射保偏光纤，被分解为竖直偏振 分量P21和水平偏振分量P22，分别沿保偏光纤慢轴和快轴传播。由于快慢轴存在折射率差 Δn，P11和P12经过长度L的保偏光纤之后，时间差t=Δn* L/c。二者先后经过第一调相器 200分别调制相位
Figure 770090DEST_PATH_IMAGE041
和
Figure 327848DEST_PATH_IMAGE042
，并且由于第一调相器200为单偏振工作，仅沿保偏光纤慢轴传 播的光可以通过第一调相器200，最后进入第二分束器490的端口b。
P11和P21具有相同的传播时间，同时从第二分束器490的端口d出射，二者偏振相互垂直，经第二分束器490合束成为第一偏振脉冲，处于前一个时间窗口|0>；P12和P22也具有相同的传播时间，同时从第二分束器490的端口d出射，二者偏振相互垂直，经第二分束器490合束成第二偏振脉冲，处于后一个时间窗口|1>。所述第一偏振脉冲和第二偏振脉冲的时间差为t，经过偏振旋转45°和第四起偏器480之后，从编码装置的输出端口输出。
通过调制第一调相器200和第二调相器300，可以分别控制第一偏振脉冲和第二偏振脉冲的光强以及二者之间的相位差，可以制备X基、Y基、Z基下的编码态，同时可以制备出信号态和诱骗态。制备信号态和诱骗态情况下，P11、P12、P21和P22分别经过第一调相器200和第二调相器300时所调制的相位与编码态分别如表2和表3所示。
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，本发明提出了一种量子密钥分发编码装置，采用萨格纳克环与偏振干涉仪100相结合的结构，通过分别对两个时间窗口模式进行偏振调制，可以实现偏振和相位联合编码，提高单个光子比特所携带的信息量，进而提升***的安全成码率。另外，在编码装置的输出端口增加起偏器，可以实现X、Y、Z三组基矢的制备，支持BB84协议、六态协议以及RFI协议的自由切换，同时可以实现信号态和诱骗态的制备。不仅可以实现稳定的编码，还可以同时完成信号态、诱骗态的稳定制备，无需额外的强度调制器以及相位补偿，且两个时间模式损耗一致，提升了***的稳定性和实用性。

Claims (9)

1.一种量子密钥分发编码装置，其特征在于，包括偏振干涉仪（100）、第一调相器（200）、第二调相器（300）以及偏振分束模块（400），所述偏振分束模块（400）的端口a为编码装置的输入端口；所述偏振分束模块（400）的端口b、偏振干涉仪（100）的端口A分别与第一调相器（200）的输入端口、第一调相器（200）的输出端口相连，所述偏振分束模块（400）的端口c、偏振干涉仪（100）的端口B分别与第二调相器（300）的输入端口、第二调相器（300）输出端口相连，构成萨格纳克环；所述偏振分束模块（400）端口d用于输出编码态；所述偏振分束模块（400）用于将从其端口a输入的45°线偏振光脉冲分束成两个幅度相同的脉冲分量，分别从其端口b和端口c出射，并分别沿逆时针和顺时针方向在所述萨格纳克环内传播；所述偏振分束模块（400）还用于将入射到其端口b和端口c 的脉冲合束，进行偏振合成与偏振旋转；所述偏振干涉仪（100）用于产生偏振相互垂直、具有时间差t的前后子脉冲；所述第一调相器（200）、第二调相器（300）分别用于调制在所述萨格纳克环内沿逆时针、顺时针方向传播光脉冲分量的相位；所述编码装置内部的光纤均为保偏光纤；所述第一调相器（200）的TE模式所在方向与其输入端口的保偏光纤慢轴对准，与其输出端口的保偏光纤慢轴夹角为45°；所述第二调相器（300）的TE模式所在方向与其输入端口的保偏光纤快轴对准，与其输出端口的保偏光纤慢轴夹角为45°，所述量子密钥分发编码装置的编码过程为：
S1：45°线偏振光脉冲进入偏振分束模块（400）的端口a，被分束为竖直偏振分量P1和水平偏振分量P2，分别从偏振分束模块（400）的端口b和端口c出射；
S2：竖直偏振分量P1按照顺时针方向沿萨格纳克环传播，经过第一调相器（200）、偏振 干涉仪（100）之后形成前后两个子脉冲P11和子脉冲P12，并先后经过第二调相器300分别调 制相位
Figure 245368DEST_PATH_IMAGE001
和相位
Figure 668432DEST_PATH_IMAGE002
，先后进入偏振分束模块（400）的端口c；
S3：水平偏振分量P2按照逆时针方向沿萨格纳克环传播，经过第二调相器（200）、偏振 干涉仪（100）之后形成前后两个子脉冲P21和子脉冲P22，并先后经过第一调相器（300）分别 调制相位
Figure 201045DEST_PATH_IMAGE003
和相位
Figure 931103DEST_PATH_IMAGE004
，先后进入偏振分束模块（400）的端口b；
S4：子脉冲P11和子脉冲P21同时从偏振分束模块（400）的端口d出射，二者偏振方向相互垂直，随后被偏振分束模块（400）合束成第一偏振脉冲，并进行45°偏振旋转；子脉冲P12和子脉冲P22同时从偏振分束模块（400）的端口d出射，二者偏振方向相互垂直，随后被偏振分束模块（400）合束成第二偏振脉冲，并进行45°偏振旋转；
S5：通过调制不同的相位
Figure 678611DEST_PATH_IMAGE001
、相位
Figure 203133DEST_PATH_IMAGE002
、相位
Figure 488621DEST_PATH_IMAGE003
和相位
Figure 491212DEST_PATH_IMAGE004
，实现第一偏振脉冲和 第二偏振脉冲的偏振态调制，最终从偏振分束模块（400）的端口d输出相应编码态。
2.如权利要求1所述的量子密钥分发编码装置，其特征在于，所述偏振分束模块（400）包括环形器（420）和第一偏振分束器（410），所述环形器（420）的端口a作为偏振分束模块（400）的端口a；所述环形器（420）的端口b与第一偏振分束器（410）的端口a相连；所述第一偏振分束器（410）的端口b和端口c分别作为偏振分束模块（400）的端口b和端口c；所述环形器（420）的端口c的输出保偏光纤进行45°熔接作为偏振分束模块（400）的端口d。
3.如权利要求1所述的量子密钥分发编码装置，其特征在于，所述偏振分束模块（400）为第四偏振分束器（430），所述第四偏振分束器（430）的端口a-c分别作为偏振分束模块（400）的端口a-c；所述第四偏振分束器（430）的端口d的输出保偏光纤进行45°熔接作为偏振分束模块（400）的端口d。
4.如权利要求1所述的量子密钥分发编码装置，其特征在于，所述偏振分束模块（400）包括第一分束器（460）、第一起偏器（440）、第二起偏器（450）和第三起偏器（470），所述第一分束器（460）端口a作为偏振分束模块（400）的端口a；所述第一分束器（460）端口b-d分别与第二起偏器（450）、第三起偏器（470）和第一起偏器（440）的输入端口相连，其中第一分束器（460）的端口d与第一起偏器（440）之间的保偏光纤进行45°熔接；所述第二起偏器（450）、第三起偏器（470）和第一起偏器（440）的输出端口分别作为偏振分束模块（400）的端口b-d；所述第一起偏器（440）和第二起偏器（450）的偏振方向均与水平偏振方向对准，第三起偏器（470）的偏振方向与竖直偏振方向对准。
5.如权利要求1所述的量子密钥分发编码装置，其特征在于，所述偏振分束模块（400）包括第二分束器（490）和第四起偏器（480），所述第二分束器（490）的端口d与第四起偏器（480）的输入端口通过保偏光纤进行45°熔接后连接；所述第二分束器（490）的端口a-c分别作为偏振分束模块（400）的端口a-c，所述第四起偏器（480）的输出端口作为偏振分束模块（400）的端口d；所述第一调相器（200）和第二调相器（300）均为单偏振工作。
6.如权利要求1或2或3或4或5所述的量子密钥分发编码装置，其特征在于，所述偏振干涉仪（100）包括第二偏振分束器（110）和第三偏振分束器（120），所述第二偏振分束器（110）和第三偏振分束器（120）均包括一个输入端口和两个输出端口；所述第二偏振分束器（110）和第三偏振分束器（120）的输入端口分别作为偏振干涉仪（100）的端口A和端口B；所述第二偏振分束器（110）和第三偏振分束器（120）的两个输出端口分别通过长臂光纤和短臂光纤相连，构成不等臂马赫-曾德尔干涉仪。
7.如权利要求1或2或3或4或5所述的量子密钥分发编码装置，其特征在于，所述偏振干涉仪（100）包括第五偏振分束器（130）、第一法拉第反射镜（140）和第二法拉第反射镜（150），所述第五偏振分束器（130）包括两个输入端口和两个输出端口，所述第五偏振分束器（130）的两个输入端口分别作为偏振干涉仪（100）的端口A和端口B，所述第五偏振分束器（130）的两个输出端口分别通过两根长度不同的光纤与第一法拉第反射镜（140）和第二法拉第反射镜（150）相连。
8.如权利要求1或2或3或4或5所述的量子密钥分发编码装置，其特征在于，所述偏振干涉仪（100）为第六偏振分束器（160），所述第六偏振分束器（160）包括两个输入端口和两个输出端口，所述第六偏振分束器（160）的一个输入端口和一个输出端口分别作为偏振干涉仪（100）的端口A和端口B，所述第六偏振分束器（160）的另一个输入端口和另一个输出端口直接通过保偏光纤相连。
9.如权利要求1或2或3或4或5所述的量子密钥分发编码装置，其特征在于，所述偏振干涉仪（100）为长度为L高双折射保偏光纤。
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