[发明专利]一种光量子编码装置及其编码方法

说明书

技术领域

本发明涉及量子通信装置及通信方法，特别涉及用于构建量子保 密通信网络所需的量子密码机的编码方法和实现装置。

背景技术

量子保密通信是不同于经典通信的保密通信方式，其具有理论上 可被证明的绝对安全性。量子密钥分发通过操纵和传送量子比特的方 法，可在两地之间建立一串任意长度的相同的随机数；使用该随机数 通过“一次一密”(One-Time Pad)的方式加密经典信息，即能保证 信息传递的安全性。

第一个量子密钥分发协议于1984年提出，称之为BB84。此后， 一系列的相关协议被提出，主要包括光子态制备/测量和纠缠分发两 大种。其中基于纠缠分发的量子密钥方案由于目前缺乏高亮度可实用 化的纠缠光源，还仅停留在实验室研究阶段，无法用来构建实际的量 子通信系统。本发明即通过给出一种成熟、实用而高效的光量子偏振 态编码方法，依据此方法实现的量子密码机可用来构建商用化的量子 保密通信网络。

光子态的制备/测量主要包括两种方法：一种是通过编码光子态 的相位信息实现量子密钥的分发；另一种是通过编码光子态的偏振信 息实现密钥分发。

相位编码通常采用的方式，如普遍采用马赫-泽得干涉仪的相位 编码方案，需在通信双方的发送和接收装置内实现光脉冲的一对不等 臂干涉相长和相消，起到量子态编码和解码的目的。这就要求通信双 方的编码解码装置具有一一对应的关系。比如，如果A与B通信，若 A点采用的相位编码装置其不等臂干涉仪长度之差为L，则B点采用 的相位解码装置其不等臂干涉仪长度之差也必须为L；如果此时C点 要求加入A-B，组成A-B-C-A三点的环形网络，其中A-B，A-C，B-C 均可互通，则C点的相位编码以及解码装置其不等臂干涉仪长度之差 也必须为L。另一方面，由于温度等外界干扰造成的热胀冷缩效应使 精确的长度匹配很难实现，当节点用户以网络的方式增加时，长度的 失配将极大的影响相位编码方案的密码生成率。

显然，考虑到多用户之间的网络互联模式，此方案很难实现不同 用户间干涉长度匹配的要求，不利于组成大规模不落地的量子密钥分 发网络。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种能克服现有编码方案不 足之处，且能与网络中的其他节点以较高的密钥生成率实现互联，从 而真正实现网络的扩容性的光量子编码装置及其编码方法。

该方法利用一路光脉冲分束成四路的方法，产生四种偏振态。这 四种偏振态仅具有偏振编码上的差别，因此完全满足量子密钥分发协 议所要求的量子态的制备。使用该装置产生的量子态编码，实现简单， 且对接收方的解码装置并无相应的依赖要求，因此能与整个网络中的 任意某个作为接收方的节点通信，从而保证了网络的可扩展性。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种光量子编码装置，光源出射的光脉冲与一路双端输出的光学 器件的输入端连接；这个光学器件的每个输出端连接一路双端输出的 光学器件的输入端；这两个光学器件的每个输出端(共四路：I、II、 III、IV)连接一路单端输入单端输出的光学部件的输入端；光学部件 I和II的每个输出端连接一个双端输入的光偏振分束器的输入端；这 个偏振光分束器的一个输出端连接一路双端输入的耦合器V的输入 端；光学部件III和IV的每个输出端连接一个双端输入的光偏振分束 器的输入端；这个偏振光分束器的输出端连接一路单端输入单端输出 的偏振控制器的输入端；偏振控制器的输入端连接一路上述的双端输 入的耦合器V的另一个输入端；这个耦合器的输出端输出制备好的 光量子偏振态。

一种光量子编码装置，所述光学器件到耦合器之间分出的路径长 度均基本一致。

一种光量子编码装置，所述光学器件用于将入射的一路光脉冲分 束成两路光脉冲沿两条光路传播。

一种光量子编码装置，所述光强度调制器，用于调制光脉冲的强 度以及控制光路的选通或者截断。

一种光量子编码装置，所述光偏振分束器，用于调制光脉冲到相 应的两个正交偏振态。

一种光量子编码装置，所述偏振控制器，用于将改变和控制光脉 冲的偏振态方向。