[发明专利]HD-QKD的量子态制备方法、分发方法及装置

说明书

本申请提供一种HD‑QKD的制备方法、分发方法及装置，其中本申请的HD‑QKD的制备方法中选择X基矢制备量子态时，则只制备1个量子态|X〉，由此可知本申请的X基矢制备的量子态种类只有一种，远小于现有技术中需要制备d个量子的难度，且所需光电探测器的数量也较少，光电探测器的数量只需一个即可，因此不仅大大降低探测难度，还节省了光电探测器降低了设备的成本。本申请的HD‑QKD制备的量子态种类只有一种，因此探测模块中的不等臂干涉仪的也数量会大大减少，因而不等臂干涉仪的臂长差的误差很容易控制，大大降低了探测模块的制造难度，且减小了设备的体积。

技术领域

本申请涉及量子通信技术领域，具体涉及一种HD-QKD的制备方法、分发方法及装置。

背景技术

量子密钥分发(QKD)是利用物质（如光子）的量子特性来设计加解密方案，其安全性是基于量子力学的基本原理而不是数学计算的复杂性。QKD利用海森堡不确定性原理和未知量子态不可克隆原理来发现窃听的存在，理论上确保了信息的无条件安全性。在实际应用中，QKD利用这一原理，可使事先没有共享秘密信息的双建立通信密钥，再采用香农已证明的“一次一密”密码通信，即可保证双方的通信安全。

其中QKD最简单的形式是每个光子编码一个比特，用 0或者1的方式，即一个量子态携带一个比特的信息。科学家已经表明单个光子能够编码更多的信息，即一个量子态将携带多个比特的信息，从而码率将得以提升，也被称为高维量子密钥分发(HD-QKD)。现有的高维量子密钥分发技术实用化发展的核心问题是高维量子态的制备和测量，常规高维量子密钥分发如下：

在高维量子态编码中，d维的量子态需要制备包含d个状态编码的X基矢和包含d个状态编码的Z基矢，d为大于等于4的整数，具体高维量子态编码本申请的背景技术以时间相位的4维编码为例：

Alice端：激光器发射出周期脉冲光，每4个连续的相同时间间隔的脉冲构成一组脉冲组，通过强度调制器和相位调制器对脉冲组的调制得到Z基矢和X基矢的编码。具体编码请参考图1所示的示意图：相位调制器不调制时，通过强度调制器对脉冲组中的脉冲等几率随机将相应三个时间间隔内的脉冲强度调制为0，剩余的一个脉冲的强度不调制得到Z基矢的编码，剩余的一个脉冲的强度进行调制得到Z基矢的诱骗态编码；通过相位调制器对脉冲组中的脉冲的相位进行调制，且等几率随机调制出4种相位，强度调制器不调制得到X基矢的编码，强度调制器参与调制得到X基矢的诱骗态编码。Alice端完成高维编码，将其通过光纤发送给Bob端。Bob端通过分束器(BS)分别连接有Z基矢解码装置和X基矢解码装置，其中Z基矢解码装置通常为一只光电探测器，根据在哪个时间间隔内有响应来判断编码信息，从而确定比特值；X基矢的解码装置，由三个不等臂干涉仪和四个单光子探测器构成，具体结构请参见图2所示的示意图，X基矢的测量步骤及方法可以参考现有利用图2结构解码X基矢的方法，Bob根据上述测量装置完成信号的测量和记录工作。

由此可以看出，仅仅只是4维系统就需要4组X基矢的编码和4组Z基矢的编码，每增加一个维度其编码数量是上一维度的两倍，因此维度越高编码的形态就越多也越困难，因此对Alice端的制备要求很高。此外Bob端的X基矢的解码结构相对复杂的多，每增加一个维度，则不等臂干涉仪的数量和光电探测器的数量则需要是上一维度数量的两倍。因此，现有的HD-QKD系统不仅编解码方法非常复杂繁琐，而且X基矢解码装置的结构也非常复杂，需要较多的不等臂干涉仪以及光电探测器，这就导致不等臂干涉仪的两臂误差要非常精确才能实现X基矢的解码，另外较多的不等臂干涉仪也会导致解码出的X基矢信号强度非常低而致使光电探测器探测困难，最后较多的不等臂干涉仪以及光电探测器等器件数量的增加也会大大提高HD-QKD系统的成本。因此需要一种具有较为简单的编解码方法、简单的装置结构以及低廉成本的HD-QKD系统。

发明内容

本申请提供一种HD-QKD的制备方法、分发方法及装置，以解决现有技术中HD-QKD不仅制备量子态方法非常复杂繁琐，而且探测解码装置的结构也非常复杂的问题。

本申请第一方面提供一种HD-QKD的量子态制备方法，所述制备方法包括：