[发明专利]一种基于非延时干涉环的高阶时间-频率调制QKD测量方法

说明书

本发明公开了一种基于非延时干涉环的高阶时间‑频率调制QKD测量方法。本方法主要为高阶时间‑频率调制的QKD系统提供了高效率的测量方案。方案中通过采用光开关、延时线以及非延时干涉环等部件代替了传统的延时干涉环。由于光开关和延时线的串并转换功能以及非延时干涉环的时间对齐式干涉特性使得信号经过干涉后只存在一个干涉波包，避免了测量过程中的额外信号损失。提出的方案能够有效的提高高阶时间‑频率调制QKD系统的测量效率，从而提高了密钥生成率，并且该方案具有易实施等特点，为高阶量子密钥分配系统的实际搭建提供了技术支持。

技术领域

本专利涉及量子通信领域，尤其涉及量子密钥分配系统的高阶调制技术。该方案主要为高阶时间-频率调制量子密钥分配系统提供优化的测量方法，能够有效提高测量效率，因此极大提高了量子密钥分配系统的安全密钥生成率。

背景技术

量子密钥分配系统(quantum key distribution，QKD)目前面临的挑战之一是较低的安全密钥生成速率问题。虽然现有的QKD实施方案中采取了密钥池存储以及与经典加密算法结合等措施来缓解这一问题，但是随着经典通信速率的提高以及经典业务加密需求的增加，必将对量子密钥生成速率提出更高的要求。近年来，研究者提出了许多可行的提高密钥生成速率的方案，包括先进的单光子探测技术、高效率的QKD协议等。除此之外，高阶的QKD调制方案也被看作是发展前景较好的方案之一。在以往的2阶QKD调制方案中，1个光子只携带1比特的信息，而高阶的QKD调制方案能够实现在1个光子上承载多个比特的信息，大大提高了编码效率，从而提高了密钥生成速率。目前较为成熟的高阶QKD调制方案为基于时间-频率的调制方案(time-frequency modulating QKD,TF QKD)。TF QKD利用光脉冲的中心频率和脉冲时延作为两组相互非正交的基，量子力学中的能量-时间不确定性关系确保了窃听者无法同时获得两组基的全部信息，从而从理论上奠定了该方案的安全性。

在TF QKD方案的实施过程中，出于安全性考虑，时域调制及频域调制中不同态的光脉冲之间的时间间隔(时域分辨率)和频率间隔(频域分辨率)的乘积为定值。在最近实验中实现了2阶的TF QKD系统，其中频域分辨率为12.5GHz，时域分辨率为35ps。在接收端采用了高速的光开关来实现时域基信号的量子态的区分，但是其有限的切换时间仍然为系统带来了一定的误码。可以看出若TF QKD系统的时域分辨率太小，会对实际的时域测量技术带来挑战。

放宽时域分辨率的手段之一是进一步缩小频域分辨率。基于这一思想，研究者提出利用延时干涉环进行频域测量的TF QKD方案，在最新的实验结果中，采用了1.25GHz的马赫-增德尔干涉仪来进行频域信号的测量，对应的时域基信号的间隔能够放宽至400ps。下面对该方案的原理进行简单介绍。对于M阶基于延时干涉环的TF QKD方案中，时域基及频域基调制下的不同量子态如图1所示(以M＝4为例)。时域基信号为单个脉冲，其不同的量子态用脉冲所在的时隙位置表示，如图1中时域基调制下有4个不同的量子态，其脉冲分别位于t₀,t₁,t₂,t₃。频域基信号可以看作M个不同时隙位置的脉冲叠加，并且每个脉冲带有特定的相位偏移，频域基信号的量子态用M个脉冲的相位差来表示。如图1中频域基调制下4个量子态均由4个脉冲叠加而成，其功率之和与时域基调制下的单个脉冲功率相等，因此光子出现在各个脉冲中的概率为1/4。4个不同的量子态中脉冲的相位差分别为0，π/2，π，3π/2。在接收端利用延时干涉环来实现频域基信号的测量，即通过调整干涉环各个臂的时延及相位偏移，使频域基信号的脉冲之间产生干涉现象，并且能够根据脉冲间的相位差从特定的端口输出，从而判断其对应的不同量子态。图2以4阶(即M＝4)频域基调制下量子态为“0”的信号为例，表示了其通过干涉环后的干涉图样。可以看出，脉冲经过延时干涉环后，由于脉冲的不对齐，在输出端口处会存在多个不同的干涉波包，而只有中心的波包是所有输入脉冲完全干涉产生的，因此只有中心的波包能够被用来判断输入信号的量子态。为了不干扰结果需要丢弃其他的干涉波包，这将造成频域基测量效率的降低，从而降低最终的密钥生成率。