[发明专利]一种时间-相位编码测量设备无关量子密钥分发系统

说明书

一种时间‑相位编码测量设备无关量子密钥分发系统，包括具有Alice时间‑相位编码模块的第一量子态制备端、具有Bob时间‑相位编码模块的第二量子态制备端以及一个测量端Charlie，其中Alice时间‑相位编码模块与Bob时间‑相位编码模块为均具有时间‑相位编码功能和自动补偿偏振变化功能的相同往返式结构。与现有技术相比，本发明仅使用单个激光器结合往返式结构，可消除2个激光器频率不一致的问题，同时可自动补偿信道偏振变化，无需采用主动纠偏模块。并且，通过采用光强调制器来进行连续光斩波的方式可以精确调整两路光的到达时间，无需使用高精度的光纤延时线。另外，本系统无需进行相位参考系校准，降低了系统的复杂度。

技术领域

本发明涉及量子偏振编码技术领域，特别涉及一种时间-相位编码测量设备无关量子密钥分发系统。

背景技术

量子密钥分发（quantum key distribution，QKD）可以为远距离的通信双方提供无条件安全的密钥分发，其信息理论安全性由量子力学的基本原理来保障。然而由于实际QKD系统的器件存在非完美性，与安全性理论模型存在一定的差距，导致其实际安全性降低。其中，测量端即单光子探测器部分存在的漏洞最多，是最容易受到攻击的部分。测量设备无关量子密钥分发协议（measurement-device-independent，MDI-QKD）的提出，移除了对测量端的可信要求，能够抵御所有针对测量端的攻击，大大提高了系统的实际安全性。

MDI-QKD协议中由合法通信双方Alice和Bob分别制备量子态，发送给不可信第三方Charlie进行贝尔态测量，相当于时间反演的EPR量子密钥分发协议。贝尔态测量的核心部分是Hong-Ou-Mandel（HOM）干涉，即由Alice和Bob发送的量子态在Charlie的分束器BS处干涉。HOM干涉对两个方向入射光子量子态的特性要求较高。要想获得较好的干涉结果，需要保证两个方向入射光子在到达时间、频率和偏振态上不可区分。而对于相位或时间相位编码的贝尔态测量情形，需要两路光子的相位参考系校准。在实际实现过程中，Alice和Bob发送的光子到达时间可以通过高精度的可调光纤延时线或电信号延时来保证一致性。然而对于频率和偏振态，由于Alice和Bob分处两地，一方面如果二者采用独立的激光器来制备量子态，很难保证二者的光谱完全一致，从而导致二者频率不一致；另一方面，光子分别从Alice和Bob两地经过光纤信道传输到Charlie端，由于光纤的双折射效应导致光子在传播过程中偏振态随环境随机变化，从而导致二者在到达Charlie端BS时偏振态不一致，需要采用主动纠偏模块校准二者的偏振态。因此，为了保证贝尔态测量的稳定性和准确性，实际的MDI-QKD系统大都采用复杂的稳定、补偿模块来保证光子的频率、偏振、到达时间以及相位的一致性和稳定性，大大降低MDI-QKD协议的实用性。

为了解决偏振不稳定的问题，专利CN107332627B提出了一种免疫信道偏振扰动的MDI-QKD系统，通过在量子态制备端加入扰偏装置，消除信道偏振变化对贝尔态测量的影响。然而该系统需采用2个激光器，仍存在中心波长不一致的问题，并且未考虑到达时间一致和相位参考系校准的问题。

而专利CN206364813U提出了一种基于“Plug Play”结构的MDI-QKD系统，可以实现时间模式自动补偿，即无需增加主动的时间补偿模块就可以保证两路光子到达时间的精确一致性。并且只采用一个激光器，解决了光子中心波长不一致的问题。但是该方案需要增加两路量子态制备端之间的光纤信道，提高了实际应用的成本。另外，由于该方案中光信号仅单次经过光纤信道，只在量子态制备模块是往返光路，这与常规的“Plug Play”结构中往返两次经过光纤信道不同，因此不能自动补偿光纤信道的偏振变化。

发明内容

针对现有技术存在以上缺陷，本发明提出一种时间-相位编码测量设备无关量子密钥分发系统，可满足仅使用单个激光器结合往返式结构，消除两个激光器频率不一致的问题，同时可自动补偿信道偏振变化，无需采用主动纠偏模块和相位参考系校准模块的技术效果。

本发明提供一种时间-相位编码测量设备无关量子密钥分发系统如下：