[发明专利]基于偏振调制时间编码的HD-QKD系统

说明书

本发明公开了所述发送端基于光注入的方式生成偏振调制的光脉冲组，再经由基矢调制和诱骗态调制得到编码后光脉冲组，编码后光脉冲组经衰减后发送至接收端；所述接收端将来自发送端的编码后光脉冲组进行分束后分别利用Z基矢探测模块和X基矢探测模块进行探测。本发明HD‑QKD系统，采用偏振调制时间编码并采用相应的测量装置，进一步提高了测量效率。

技术领域

本发明涉及量子通信技术领域，尤其涉及一种基于偏振调制时间编码的高维量子密钥分发系统。

背景技术

随着量子信息理论和技术的发展，量子计算机将很快面世。基于计算复杂性的传统公钥系统将不再安全。长久以来人们已经知道采用对称加密，且一次一密的加密系统从信息论的角度看是安全的，这种安全并不基于计算复杂性等类似的前提，因此并不会受到量子计算机的冲击。但此类对称加密系统需要进行安全实时的远距离密钥分发工作，而这在经典系统里面是难以办到的。量子密钥分发系统(QKD)的出现，解决了密钥传输过程中的安全性问题，使得一次一密的加密系统得以实现，从根本上解决通信安全问题。

但是现有的QKD系统有一个明显的缺陷，即码率不高(几十公里光纤可到Mbps)。提升码率是QKD实用化的重要课题。而高维编码是提升码率的一个有效途径。传统的QKD系统中，一个量子态携带一个比特的信息(量子比特)，而在高维QKD系统中，一个量子态将携带多个比特的信息，从而码率将得以提升。因此高维量子密钥分发系统(HD-QKD)是QKD研究中的一个重要领域。

在高维编码系统中，X基矢和Z基矢均有d个本征态(d表示系统维度)，因此每个本征态对应为0到d-1的比特值。X基矢本征态和相应的Z基矢的本征态之间的关系可以用如下公式来描述

其中|f_n>和|t_m>分别为X基矢第n个和Z基矢的第m个本征态。

高维编码的形式也多种多样，而主流的方案为时间编码；其在实验实现上较为简单，因而被广泛研究。

在高维时间编码中，d维的量子态需要相应的d个连续的相同时间间隔(τ)构成的一个时间段(T＝dτ)来表示。对于时间间隔，从左往右用0到d-1对其标注。对于Z基矢，其任意一个本征态|t_n>在时间编码中的具体形式为：仅在第n个时间间隔中有脉冲而其余时间间隔内没有脉冲。对于X基矢，根据公式(1)不难得知，其不同基矢间的差别在于时间间隔内脉冲的相位，且每个间隔内出现脉冲的几率相同。图1给出了d＝4时，|t₀>和|f₀>的时间编码形式，且对于|f₀>根据上述公式标注了其每个间隔内脉冲的相位。

现有高维时间编码QKD的简单步骤如图2，此处以维度d＝4为例，包括：

1.Alice端的激光器生成一系列等时间间隔的激光脉冲；

2.脉冲经过由FPGA控制的第一强度调制器(IM1)调制后，以q_x和q_z的几率分别对脉冲组进行X基矢和Z基矢的调制；调制的对象为4个连续脉冲构成的脉冲组；对于Z基矢，脉冲组被等几率随机调制到4个本征态的一个，具体实现方式为通过IM1将相应三个时间间隔内的脉冲强度调制为0；对于需要进行X基矢调制的脉冲组，IM1不调制。

3.脉冲序列进入相位调制器(PM)进行相位调制；PM通过调节脉冲的相位来完成X基矢本征态的调制，且调制到任意一个本征态的几率相同；对于经过上述Z基矢调制的脉冲组，PM不进行调制。

4.随后由FPGA控制的第二强度调制器(IM2)根据几率随机调制脉冲组强度到几个选定值，该过程被称为诱骗态调制。