本發(fā)明涉及量子密鑰分發(fā)領(lǐng)域，特別涉及一種基于時間-相位編碼的即插即用量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

量子保密通信作為以量子力學(xué)、電子信息科學(xué)以及計算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的新型研究領(lǐng)域，已經(jīng)備受各界人士的關(guān)注。為了保證數(shù)據(jù)的安全傳輸，用戶間必須保證安全密鑰交換。現(xiàn)如今，量子密鑰分發(fā)已經(jīng)成為通過公共通道進(jìn)行絕對安全的密鑰分發(fā)的有效途徑。與傳統(tǒng)的經(jīng)典密碼通信的保密原理不同，量子密鑰分發(fā)利用量子力學(xué)的基本原理作為支撐，例如海森堡測不準(zhǔn)原理，量子不可克隆定理等，實現(xiàn)無條件安全的隨機(jī)密鑰共享。

許多QKD設(shè)備可以工作在自由空間或光纖，平面光波導(dǎo)等傳輸介質(zhì)領(lǐng)域。QKD系統(tǒng)包括產(chǎn)生光源，編碼解碼、探測、數(shù)據(jù)采集提取、數(shù)據(jù)后處理等。在光纖QKD系統(tǒng)中，通常采用偏振編碼和相位編碼兩種編碼形式。在長距離傳輸下，相位編碼QKD穩(wěn)定性相比于偏振編碼QKD系統(tǒng)穩(wěn)定性更高，相位編碼比偏振編碼更具優(yōu)勢。相位編碼QKD系統(tǒng)通常采用不等臂馬赫曾德干涉儀搭建或采用90度旋轉(zhuǎn)法拉第反射鏡的不等臂邁克爾遜干涉儀搭建。

通常在不等臂馬赫曾德干涉儀構(gòu)成的量子信道中，為獲得較好的干涉對比度，要求兩個馬赫曾德干涉儀盡可能對稱，這在實際操作中很難達(dá)到，故Gisin等人于1997年提出了“即插即用”型實驗方案，(文獻(xiàn):Muller A,Herzog T,HuttnerB,etal."plug and play"systems forquantum cryptography[J].Applied physics Letters,1997,70:793-795)。該方案主要采用三個90度旋轉(zhuǎn)法拉第反射鏡，脈沖光源經(jīng)耦合器分成兩路，光脈沖在三個90度旋轉(zhuǎn)法拉第反射鏡中來回反射，每個光脈沖經(jīng)過所有光路一次，偏振得到自動補(bǔ)償，消除光纖雙折射影響。該系統(tǒng)的工作頻率達(dá)1KHZ，當(dāng)提高工作頻率時，誤碼率也升高。為解決這一難題，獲得更高的密鑰生成率，Gisin等人又于1998年對“即插即用”型實驗方案進(jìn)行了改進(jìn)(文獻(xiàn):Ribordy G,Gautier J D,Gisin N,et al.Automated"plug and play″quantum key distribution[J].Electronics Letters，1998，34：2116—2117)。主要采用一個不等臂馬赫曾德干涉儀和一個90度旋轉(zhuǎn)法拉第反射鏡構(gòu)成往返式光路。主要應(yīng)用90度旋轉(zhuǎn)法拉第反射鏡將入射光反射回來，其偏振剛好旋轉(zhuǎn)90度，從而克服了遠(yuǎn)距離傳輸時光纖的雙折射效應(yīng)帶來的偏振漂移。同時90度旋轉(zhuǎn)法拉第反射鏡與不等臂馬赫曾德干涉儀構(gòu)成往返式回路，從而實現(xiàn)了相位的自補(bǔ)償作用。

參見圖1，該相位編碼量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)，包括相互光連接的發(fā)送端(Alice端)和接收端(Bob端)，其中Bob端的所有器件和光纖都是保偏的，Bob端中光源模塊的脈沖光源100發(fā)射線性偏振的光脈沖，經(jīng)環(huán)形器101進(jìn)入耦合器107并分成兩束水平偏振光脈沖(|H>)，兩束光脈沖分別經(jīng)過不等臂干涉模塊中的長臂和短臂，其中經(jīng)過長臂的光脈沖A經(jīng)相位調(diào)制器106處理后由保偏偏振分束器105反射后以垂直偏振光脈沖(|V>)形式輸出，經(jīng)過短臂的光脈沖B直接以水平偏振光脈沖(|H>)形式由保偏偏振分束器105透射輸出。保偏偏振分束器的作用是可以將一路反射端的水平偏振光脈沖(|H>)轉(zhuǎn)到垂直偏振光脈沖(|V>)上傳輸或者將垂直偏振光脈沖(|V>)轉(zhuǎn)到水平偏振光脈沖(|H>)上傳輸。

兩束光脈沖通過量子信道102到達(dá)Alice端的90度旋轉(zhuǎn)法拉第反射鏡103，經(jīng)反射后兩束光脈分別偏振方向旋轉(zhuǎn)90度。

光脈沖A經(jīng)反射后為水平偏振光脈沖(|H>)經(jīng)保偏偏振分束器105透射進(jìn)入耦合器107；光脈沖B反射后變?yōu)榇怪逼窆饷}沖(|V>)經(jīng)過發(fā)送端編碼模塊的相位調(diào)制器104處理后，經(jīng)保偏偏振分束器105反射變?yōu)樗狡窆饷}沖(|H>)進(jìn)入耦合器107與反射后的光脈沖A發(fā)生干涉；根據(jù)干涉信息不同分別到達(dá)單光子探測器108和單光子探測器109。

該系統(tǒng)在接收端的測量部分需要加入相位調(diào)制器，用來選擇X測量基矢或Y測量基矢，所加入的相位調(diào)制器會帶來額外插入損耗降低成碼率，且器件本身還存在固有問題，導(dǎo)致干涉對比度不夠高，降低成碼率。

中國專利ZL200610170557.5中提出使用基于四端口偏振分束器的一對不等臂的法拉第邁克爾遜干涉儀來實現(xiàn)偏振控制的相位編碼、偏振探測的量子密鑰分發(fā)。上述專利采用發(fā)送方和接收方使用一對一一對應(yīng)的編碼解碼裝置即一對不等臂干涉儀，這就要求通信雙方不等臂干涉儀的臂長差(長臂與短臂之差)相等，但是現(xiàn)有工藝以及外界環(huán)境影響，很難做到長時間保證兩個不等臂馬赫曾德干涉儀臂長差相位穩(wěn)定。

綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)主要存在如下問題：

1.現(xiàn)有不等臂馬赫曾德干涉儀的相位編碼QKD系統(tǒng)要求通信雙方不等臂馬赫曾德干涉儀的臂長差(長臂與短臂之差)相等。但是現(xiàn)有工藝以及外界環(huán)境影響，很難做到長時間保證兩個不等臂馬赫曾德干涉儀臂長差相位穩(wěn)定。

2.現(xiàn)有相位編碼系統(tǒng)在接收端的測量部分需要加入相位調(diào)制器，帶來了額外的衰減，降低了成碼率。

3.現(xiàn)有相位編碼系統(tǒng)需要產(chǎn)生高速隨機(jī)電信號主動控制非平衡基矢的選擇，從而影響系統(tǒng)的重復(fù)頻率以及相位的精確調(diào)制而降低成碼率。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的發(fā)送端，發(fā)送端中采用改進(jìn)的時間-相位編碼方式提高了成碼率，相應(yīng)的可以簡化Bob端解碼流程的硬件要求。

一種基于時間-相位編碼的即插即用量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的發(fā)送端，包括用于形成反射光路的90度旋轉(zhuǎn)法拉第反射鏡以及布置在反射光路上編碼模塊，所述編碼模塊包括對光信號進(jìn)行相應(yīng)編碼處理的Z基矢時間編碼模塊和相位編碼模塊，所述相位編碼模塊為X基矢相位編碼模塊。

本發(fā)明將基于時間-相位編碼方式結(jié)合在即插即用系統(tǒng)中，用于向編碼模塊發(fā)送控制信號的電路部分可以采用現(xiàn)有硬件構(gòu)架，在相位編碼過程中，僅采用X基矢相位編碼，在發(fā)送端只用一個相位調(diào)制器進(jìn)行相位編碼，在接收端未設(shè)置相位調(diào)制器，進(jìn)而降低相位調(diào)制器的器件本身帶來的插入損耗，不僅如此，同時還能避免因相位調(diào)制器的外部硬件控制而造成成碼率低的情況，進(jìn)而在解碼時提高成碼率。

作為優(yōu)選，所述X基矢相位編碼模塊為相位調(diào)制器，所述Z基矢時間編碼模塊為強(qiáng)度調(diào)制器。

針對X基矢相位編碼以及Z基矢時間編碼本身而言可采用現(xiàn)有硬件架構(gòu)、光學(xué)系統(tǒng)和編碼流程。

就Z基矢時間編碼模塊和相位編碼模塊之間的關(guān)系而言，亦采用現(xiàn)有方式，即編碼時隨機(jī)選擇基矢，以P的概率選擇z基矢時間編碼，以1-P的概率選擇相位編碼。P的取值根據(jù)實際應(yīng)用需要設(shè)定，且必須滿足0＜P＜1。

作為優(yōu)選，所述發(fā)送端還設(shè)有布置在反射光路上用以實施誘騙的反射光強(qiáng)度調(diào)制器。

作為優(yōu)選，所述反射光強(qiáng)度調(diào)制器位于90度旋轉(zhuǎn)法拉第反射鏡和編碼模塊之間。即在編碼之前利用反射光強(qiáng)度調(diào)制器實施誘騙。

反射光強(qiáng)度調(diào)制器通過改變光強(qiáng)實現(xiàn)“誘騙態(tài)”光信號的發(fā)送，能保證單光子成份的效率不被攻擊者修改，而單光子成份是量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中可以提取安全密鑰的有效成分。相應(yīng)的，在接收端的光源所產(chǎn)生的光為弱相干光。所述反射光強(qiáng)度調(diào)制器對90度旋轉(zhuǎn)法拉第反射鏡反射回的光信號進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制以改變輸出的光脈沖中的單光子成份和多光子成份的比例。

反射光路起始自90度旋轉(zhuǎn)法拉第反射鏡，反射光強(qiáng)度調(diào)制器可在編碼之前作用在光信號上，也可以在編碼之后作用于編碼后的光信號，相位調(diào)制器和強(qiáng)度調(diào)制器也可依不同順序布置在反射光路上。

作為優(yōu)選，所述反射光強(qiáng)度調(diào)制器、相位調(diào)制器和強(qiáng)度調(diào)制器依次布置在反射光路上。

本發(fā)明還提供一種基于時間-相位編碼的即插即用量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的接收端，包括用于向發(fā)送端發(fā)送光信號的光源以及接收探測來自發(fā)送端編碼光信號的解碼模塊，所述解碼模塊包括對光信號進(jìn)行相應(yīng)解碼處理的Z基矢時間探測模塊和相位探測模塊，其中相位探測模塊為X基矢相位探測模塊。

所述Z基矢時間探測模塊包括：

用于對發(fā)送端編碼后光信號進(jìn)行分束的分束模塊；以及

與分束模塊第一輸出端連接以進(jìn)行Z基矢時間探測的單光子探測器；

所述相位探測模塊連接分束模塊的第二輸出端。

作為優(yōu)選，所述分束模塊為分束器。

分束器的分束比可以根據(jù)需要任意改變。根據(jù)單光子脈沖的不可分割的特性，實際上發(fā)送端編碼后光信號經(jīng)過分束模塊后只會從其中一個輸出端口輸出(包括第一輸出端口和第二輸出端口)，即要么從第一輸出端輸出，要么從第二輸出端輸出，且由于分束比不同，從不同輸出端口輸出的概率也不同。

發(fā)送端編碼后光信號經(jīng)過分束模塊后從不同的輸出端口輸出后進(jìn)入相應(yīng)的探測器，此時進(jìn)入不同的探測器即說明選擇了相應(yīng)的探測基矢。例如：經(jīng)過第一輸出端口后到達(dá)進(jìn)行Z基矢時間探測的單光子探測器，則意味著選擇了Z基矢進(jìn)行探測，經(jīng)過第二輸出端口后到達(dá)相位探測模塊中的單光子探測器，則意味著選擇了X基矢。

本發(fā)明中，分束器應(yīng)理解為按照光信號傳遞方向不同，可實現(xiàn)分束或合束的器件，同理，第一輸出端、第二輸出端是指沿來自發(fā)射端的光信號傳遞方向，若沿接收端至發(fā)射端的光信號傳遞方向，第二輸出端也可視為輸入端。

分束器為固定分束比的光學(xué)元件，無需電信號控制，可以進(jìn)一步提高成碼率，需要改變分束比時，直接更換不同分束比的分束器即可。

作為優(yōu)選，分束器輸出至單光子探測器的光能量與輸出至相位探測模塊的光能量不相等，例如輸出至單光子探測器的光能量大于輸出至相位探測模塊的光能量。這樣實現(xiàn)非平衡基矢解碼，有利于提高成碼率。

所述相位探測模塊包括布置在分束模塊與光源之間的不等臂干涉模塊以及用于探測不等臂干涉模塊輸出光信號的探測器模塊；其中光源、不等臂干涉模塊和探測器模塊三者之間通過環(huán)形器進(jìn)行光路徑選擇。

不等臂干涉模塊接收分束模塊的另一路輸出，而環(huán)形器主要用于光路徑選擇，光源向發(fā)送端發(fā)送光信號時通過其中一條路徑(由光環(huán)形器進(jìn)行路徑選擇使光源發(fā)出的信號光經(jīng)過不等臂干涉儀后傳輸給發(fā)送端)，而接收探測來自發(fā)送端發(fā)射的編碼后光信號時則通過另一條路徑(由光環(huán)形器進(jìn)行路徑選擇使接收端返回的信號光經(jīng)過不等臂干涉儀后傳輸給探測器模塊)。

所述不等臂干涉模塊為不等臂馬赫曾德干涉儀或基于邁克爾遜原理的不等臂干涉儀。

作為可選方案，探測器模塊中的單光子探測器為兩個，分別探測來自不等臂干涉模塊的兩種不同干涉結(jié)果。

作為優(yōu)選，探測器模塊中的單光子探測器為一個，來自不等臂干涉模塊的兩種不同干涉結(jié)果通過相應(yīng)的光路元件復(fù)用至該同一個單光子探測器。

作為解碼模塊，其中不等臂干涉模塊所輸出的光信號在沒有特殊說明前提下，應(yīng)理解為接收來自發(fā)送端發(fā)射的編碼后光信號后，向單光子探測器所輸出的光信號。

作為進(jìn)一步的優(yōu)選，所述解碼模塊中的單光子探測器為一個，所述分束模塊的第一輸出端的輸出，以及不等臂干涉模塊所輸出的兩種不同干涉結(jié)果通過相應(yīng)的光路元件均耦合至該同一個單光子探測器。整個解碼模塊只有一個單光子探測器，進(jìn)一步降低了硬件開銷。

所述不等臂干涉模塊采用不等臂馬赫曾德干涉儀時：

作為一種可選方案，所述不等臂干涉模塊中，長、短臂兩端分別通過靠近環(huán)形器一側(cè)的分束器和遠(yuǎn)離環(huán)形器一側(cè)的偏振分束器耦合，在長臂上設(shè)有90度偏振旋轉(zhuǎn)器和延時線。

作為另一種可選方案，所述不等臂干涉模塊中，長、短臂兩端分別通過相應(yīng)的分束器耦合，在長臂上僅設(shè)有延時線。即省略了90度偏振旋轉(zhuǎn)器。

探測器模塊中的兩單光子探測器分別為第一單光子探測器和第二單光子探測器，靠近環(huán)形器一側(cè)的分束器中，其中一輸出端通過第一探測支路接第一單光子探測器，另一輸出端接環(huán)形器在通過第二探測支路接入第二單光子探測器，環(huán)形器的另一接口接光源。

當(dāng)探測器模塊采用一個單光子探測器時，第一探測支路和第二探測支路的輸出耦合后進(jìn)入同一單光子探測器。

例如第一探測支路經(jīng)一延時線后通過保偏偏振分束器(或分束器)耦合入第二探測支路，第一探測支路和第二探測支路耦合后進(jìn)入同一單光子探測器。同理，延時線也可以設(shè)置在第二探測支路，或者兩個探測支路都設(shè)置，只要在到達(dá)探測器的時間上可以分辨即可。

當(dāng)整個解碼模塊采用一個單光子探測器時，所述分束模塊的第一輸出端連接第三探測支路，第一探測支路和第二探測支路耦合后再經(jīng)一分束器與第三探測支路進(jìn)行耦合，三條探測支路進(jìn)入同一單光子探測器。

所述基于邁克爾遜原理的不等臂干涉儀，包括第一90度旋轉(zhuǎn)法拉第反射鏡、第二90度旋轉(zhuǎn)法拉第反射鏡、偏振分束器、延時線和半波片；且半波片的快軸或慢軸方向與偏振分束器的兩個偏振基中的任一偏振基成22.5度或-22.5度角；

其中來自發(fā)射端的反射光路中，一路經(jīng)偏振分束器透射至第一90度旋轉(zhuǎn)法拉第反射鏡，另一路經(jīng)偏振分束器反射通過延時線至第二90度旋轉(zhuǎn)法拉第反射鏡，來自第一90度旋轉(zhuǎn)法拉第反射鏡和第二90度旋轉(zhuǎn)法拉第反射鏡的反射光經(jīng)偏振分束器耦合后通過環(huán)形器經(jīng)半波片進(jìn)入探測器模塊，環(huán)形器的另一接口接光源。

此方案中，探測器模塊包括一偏振分束器和兩單光子探測器，半波片的輸出經(jīng)偏振分束器后分為兩路分別進(jìn)入相應(yīng)的單光子探測器。

本發(fā)明還提供一種基于時間-相位編碼的即插即用量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)，包括相互光連接的發(fā)送端和接收端，發(fā)送端中的編碼模塊包括對光信號進(jìn)行相應(yīng)編碼處理的Z基矢時間編碼模塊和相位編碼模塊，其中相位編碼模塊為X基矢相位編碼模塊；接收端中的解碼模塊與所述編碼模塊相適應(yīng)。

本發(fā)明即插即用量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中，關(guān)于發(fā)送端和接收端的進(jìn)一步改進(jìn)均可按照本發(fā)明提供的發(fā)送端和接收端。

本發(fā)明還提供一種基于時間-相位編碼的即插即用量子密鑰分發(fā)方法，包括在發(fā)送端接收并反射來自接收端的光信號后，進(jìn)行Z基矢時間編碼或相位編碼，再發(fā)送至接收端進(jìn)行解碼和探測，所述其中相位編碼為X基矢相位編碼；接收端解碼方式與發(fā)送端的編碼方式相適應(yīng)。

本發(fā)明即插即用量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)采用不等臂干涉儀和一個90度旋轉(zhuǎn)法拉第反射鏡構(gòu)成往反式回路，其干涉原理與Sagnac環(huán)類似。可以實現(xiàn)長時間保證不等臂干涉儀臂長差相位穩(wěn)定。兩個光脈沖在發(fā)送和接收方之間傳輸一個來回，每個光脈沖經(jīng)過所有光路一次，達(dá)到自補(bǔ)償效果。這樣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡單，成碼率更高。

現(xiàn)有相位編碼系統(tǒng)在接收端的測量部分需要加入相位調(diào)制器，用來選擇X或Y測量基矢，所加入的相位調(diào)制器會帶來額外插入損耗降低成碼率。本發(fā)明在接收端不需要加相位調(diào)制器。采用的時間-相位編碼以Z基矢和X基矢作為測量基矢，Z基矢時間編碼主要通過強(qiáng)度調(diào)制器隨機(jī)的對兩個光脈沖的強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制(將其中一個光脈沖的光強(qiáng)調(diào)制接近于0的真空態(tài)，從而實現(xiàn)隨機(jī)產(chǎn)生只有第一個光脈沖或者只有第二個光脈沖，進(jìn)而實現(xiàn)Z基矢時間編碼)，X基矢編碼通過相位調(diào)制器實現(xiàn)。

現(xiàn)有相位編碼系統(tǒng)需要使用信號發(fā)生器產(chǎn)生高速隨機(jī)電信號主動控制非平衡基矢的選擇，成本較高，且由于器件本身性能限制了系統(tǒng)相位的精確調(diào)制，從而降低成碼率。本發(fā)明可以根據(jù)需要改變反射光進(jìn)入Z基矢時間探測模塊分束比例，無需主動調(diào)制即可實現(xiàn)測量端的被動非平衡基矢的高效QKD方案。

針對干涉對比度不夠高，本發(fā)明選用Z基矢時間編碼可以實現(xiàn)超高對比度的編解碼，從而提高成碼率。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有技術(shù)即插即用量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的原理示意圖；

圖2為實施例1的即插即用量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的原理示意圖；

圖3為實施例2的原理示意圖；

圖4為實施例3的原理示意圖；

圖5為實施例4的原理示意圖；

圖6為實施例5的原理示意圖。

具體實施方式

參見圖2，本發(fā)明即插即用量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)，包括光連接的Alice端和Bob端，Alice端和Bob端之間為量子信道，其傳輸形式可以為光纖、自由空間、平面光波導(dǎo)等。

Alice端包括：90度旋轉(zhuǎn)法拉第反射鏡9和編碼模塊，編碼模塊沿反射光方向依次為作為X基矢相位編碼模塊的相位調(diào)制器8，以及作為Z基矢時間編碼模塊的強(qiáng)度調(diào)制器7，編碼時隨機(jī)采用X基矢相位編碼或Z基矢時間編碼。

Bob端包括光源模塊和解碼模塊，其中解碼模塊中包括Z基矢時間探測模塊和X基矢探測模塊。

本實施例光源模塊采用脈沖光源1，是理想單光子源或結(jié)合誘騙態(tài)的弱相干光源，Z基矢時間探測模塊包括分束模塊和單光子探測器12。

本實施例中分束模塊可以采用實現(xiàn)分束/合路功能的器件，作為優(yōu)選采用分束器6，其分束比可以根據(jù)需要任意選擇，為提高成碼率，進(jìn)入單光子探測器12的光能量應(yīng)大于或小于進(jìn)入X基矢探測模塊的光能量。

分束器6為固定分束比的光學(xué)元件，無需電信號控制，可以進(jìn)一步提高成碼率，需要改變分束比時，直接更換不同分束比的分束器即可。

X基矢探測模塊包括不等臂干涉模塊、環(huán)形器2以及單光子探測器10(第二單光子探測器)和單光子探測器11(第一單光子探測器)。其中不等臂干涉模塊可以是不等臂馬赫曾德干涉儀，也可以是邁克爾遜干涉儀。本實施例采用不等臂馬赫曾德干涉儀，主要由分束器3、90度偏振旋轉(zhuǎn)器4、延時線、偏振分束器5構(gòu)成。

偏振分束器5可以用分束器代替，但此時需要去掉90度偏振旋轉(zhuǎn)器4，替換后干涉效率將降低一半。

本實施例量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)工作時，脈沖光源1發(fā)送線性偏振的光脈沖經(jīng)過環(huán)形器2輸入到分束器3。

分束器3輸出的其中一路光脈沖通過不等臂干涉模塊的長臂，經(jīng)過90度偏振旋轉(zhuǎn)器4將其偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)90度后輸入偏振分束器5，經(jīng)過偏振分束器5反射后只有垂直偏振光脈沖(即|V>光)輸出。分束器3輸出的另一路光脈沖通過不等臂干涉模塊的短臂，直接進(jìn)入輸入到偏振分束器5，經(jīng)過偏振分束器5透射后只有水平偏振光脈沖(即|H>光)輸出。

兩束光脈沖分別經(jīng)過偏振分束器5的反射和透射后合成一路偏振相互垂直的光脈沖，再依次通過分束器6和量子信道13，到達(dá)Alice端，并依次經(jīng)過強(qiáng)度調(diào)制器7、相位調(diào)制器8到達(dá)90度旋轉(zhuǎn)法拉第反射鏡9，在此期間強(qiáng)度調(diào)制器7和相位調(diào)制器8不起作用。經(jīng)過90度旋轉(zhuǎn)法拉第反射鏡9作用后，原水平偏振光脈沖(|H>)變成垂直偏振光脈沖(|V〉)，原垂直偏振光脈沖(|V>)變成水平偏振光(|H>)。原路返回到達(dá)編碼模塊進(jìn)行編碼，編碼時隨機(jī)選擇基矢，以P的概率選擇z基矢時間編碼，以1-P的概率選擇x基矢相位編碼。

選擇z基矢時間編碼時，強(qiáng)度調(diào)制器7隨機(jī)的對兩個光脈沖進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，將其中一個光脈沖的光強(qiáng)調(diào)制接近于零的真空態(tài)，從而實現(xiàn)Z基矢時間編碼。

選擇x基矢相位編碼時，相位調(diào)制器8對兩個光脈沖中的一個進(jìn)行相位調(diào)制使兩個光脈沖的有效相位差0或pi，即進(jìn)行X基矢相位編碼，編碼后通過量子信道13返回Bob端。

光脈沖經(jīng)過分束器6后，分束器6第一輸出端接單光子探測器12，第二輸出端接偏振分束器5。

選擇進(jìn)行Z基矢探測時，通過與第一輸出端連接的單光子探測器12進(jìn)行探測。

選擇進(jìn)行X基矢探測時，偏振相互垂直的兩束光脈沖經(jīng)偏振分束器5的反射和透射分別走不等臂干涉模塊的長臂和短臂，其中：

垂直偏振光脈沖(|V〉)經(jīng)過90度偏振旋轉(zhuǎn)器4后變成水平偏振光脈沖(|H>)并輸入分束器3，水平偏振光脈沖(|H>)則直接輸入分束器3。

兩路光脈沖在分束器3處發(fā)生干涉，如果干涉前相位差為0則光經(jīng)過環(huán)形器2至單光子探測器10(第二單光子探測器)，如果干涉前相位差為pi則到達(dá)單光子探測器11(第一單光子探測器)，從而實現(xiàn)了X基矢下探測。

Z基矢下探測是接收光脈沖到達(dá)時間轉(zhuǎn)化成比特值，X基矢下探測是根據(jù)相位差不用到達(dá)不同的探測器轉(zhuǎn)化成比特值，生成比特值后通過經(jīng)典信道進(jìn)行基矢比對，糾錯，隱私放大等后處理過程最終生成量子密鑰。

實施例2

本實施例中，與實施例1的不同之處在于偏振分束器5用分束器5a代替，同時省去了90度偏振旋轉(zhuǎn)器，長臂部分原延時線4a保留，改動部分參見圖3。

實施例3

本實施例中，與實施例1的不同之處在于不等臂干涉模塊以及相關(guān)的單光子探測器，本實施例中將不等臂MZ干涉儀改為基于邁克爾遜原理的不等臂干涉儀實現(xiàn)，相應(yīng)的對單光子探測器進(jìn)行了適應(yīng)性改進(jìn)。

參見圖4，脈沖光源1發(fā)出線性偏振光脈沖經(jīng)過環(huán)形器2后到達(dá)偏振分束器15，其透射水平偏振光脈沖(|H>)，反射垂直偏振光脈沖(|V>)。

水平偏振光脈沖(|H>)走長臂，經(jīng)延時線4a延時后經(jīng)90度旋轉(zhuǎn)法拉第反射鏡16(第二90度旋轉(zhuǎn)法拉第反射鏡)反射，水平偏振光脈沖(|H>)變成垂直偏振光脈沖(|V>)經(jīng)偏振分束器15反射輸出。到達(dá)Alice端經(jīng)90度旋轉(zhuǎn)法拉第反射鏡后，垂直偏振光脈沖(|V>)變?yōu)樗狡窆饷}沖(|H>)再次經(jīng)偏振分束器15透射走短臂到達(dá)90度旋轉(zhuǎn)法拉第反射鏡17(第一90度旋轉(zhuǎn)法拉第反射鏡)，經(jīng)反射，偏振態(tài)變?yōu)榇怪逼窆饷}沖(|V>)經(jīng)偏振分束器15反射輸出到環(huán)形器2。

同理反射垂直偏振光脈沖(|V>)走短臂經(jīng)90度旋轉(zhuǎn)法拉第反射鏡17反射，偏振態(tài)變?yōu)樗狡窆饷}沖(|H>)經(jīng)偏振分束器15透射輸出到達(dá)Alice端，經(jīng)90度旋轉(zhuǎn)法拉第反射鏡后水平偏振光脈沖(H>)變?yōu)榇怪逼窆饷}沖(|V〉)，經(jīng)偏振分束器15反射而走長臂到達(dá)90度旋轉(zhuǎn)法拉第反射鏡16，經(jīng)反射偏振態(tài)變?yōu)樗狡窆饷}沖(|H〉)經(jīng)偏振分束器15透射輸出到環(huán)形器2。

兩束偏振相互垂直的光脈沖合成一路經(jīng)環(huán)形器到達(dá)半波片18，此時半波片的快軸或慢軸方向與偏振分束器15的兩個偏振基中的任一偏振基成22.5度或-22.5度角，等效的使偏振分束器19從H/V基矢下的投影測量變?yōu)樵?45°/-45°基矢下的投影測量。光脈沖到達(dá)偏振分束器19發(fā)生干涉根據(jù)相位調(diào)制器所調(diào)相位差不同，不同偏振態(tài)到達(dá)不同單光子探測器。若相位差為0，水平偏振光脈沖(|H〉)到達(dá)單光子探測器20，相位差為pi，垂直偏振光脈沖(|V>)到達(dá)單光子探測器21。

實施例4

參見圖5，本實施例中，與實施例1的不同之處在于對于X基矢探測模塊進(jìn)行改進(jìn)，將X基矢探測模塊中的兩個單光子探測器用同一個單光子探測器代替，這樣將降低成本。

在Bob端，兩束偏振相同的反射光脈沖在分束器上發(fā)生干涉時，由于Alice端相位調(diào)制器已經(jīng)完成X基矢相位編碼，因此使兩個反射光脈沖的有效相位差為0或pi。

若相位差為0則走短臂經(jīng)環(huán)形器2到達(dá)保偏偏振分束器14(或采用分束器)經(jīng)透射輸出至單光子探測器22。

若相位差為pi則走長臂經(jīng)過延時線4b延時后，到達(dá)保偏偏振分束器14(或采用分束器)經(jīng)反射輸出至單光子探測器22。

本實施例改進(jìn)方案采用兩個時刻來區(qū)分不同相位差到達(dá)單光子探測器22。在單光子探測器22的前面加一個同步時間信號，探測到達(dá)時間，若無延時則相位差為0到達(dá)單光子探測器22，若有延時則相位差為pi到達(dá)單光子探測器22。本實施例改進(jìn)方案也可與實施例2、3相結(jié)合，其中與實施例2相結(jié)合時保偏偏振分束器14替換為分束器。其中與實施例3相結(jié)合時保偏偏振分束器14替換為偏振分束器.

實施例5

參見圖6，本實施例中，與實施例4的不同之處在于對于解碼模塊進(jìn)行改進(jìn)，將所有單光子探測器用同一個單光子探測器代替，這樣將進(jìn)一步降低成本。

在Bob端的解碼模塊中，來自Alice端的經(jīng)過z基矢時間編碼的光脈沖經(jīng)分束器6反射走長臂經(jīng)延時線4c延時后到達(dá)分束器23，經(jīng)反射輸出至單光子探測器22。

來自Alice端的經(jīng)過X基矢相位編碼的兩束光脈沖，經(jīng)過不等臂干涉儀后，兩束偏振態(tài)相同的光脈沖發(fā)生干涉，若相位差為0則走短臂經(jīng)環(huán)形器2到達(dá)保偏偏振分束器14(或采用分束器)，經(jīng)透射輸出至分束器23到達(dá)單光子探測器22。

若相位差為pi則走長臂經(jīng)過延時線4b延時后到達(dá)保偏偏振分束器14(或采用分束器)經(jīng)反射輸出至分束器23到達(dá)單光子探測器22。

本實施例改進(jìn)方案采用四個時刻來區(qū)分(經(jīng)時間編碼的信號光分兩個時刻前后到達(dá)以進(jìn)行區(qū)分，經(jīng)過相位編碼的信號光也分兩個時刻前后到達(dá)以進(jìn)行區(qū)分)不同基矢下的探測，本實施例改進(jìn)方案也可與實施例2、3相結(jié)合，其中與實施例2相結(jié)合時保偏偏振分束器14替換為分束器。其中與實施例3相結(jié)合時保偏偏振分束器14替換為偏振分束器.

實施例6

本實施例中，與實施例1的不同之處在于Alice端除了強(qiáng)度調(diào)制器7之外，90度旋轉(zhuǎn)法拉第反射鏡9和相位調(diào)制器8之間加設(shè)用于實現(xiàn)“誘騙態(tài)”光源輸出的另一反射光強(qiáng)度調(diào)制器，該反射光強(qiáng)度調(diào)制器可隨機(jī)對90度旋轉(zhuǎn)法拉第反射鏡9反射回的光信號進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制以隨機(jī)改變輸出光信號中的單光子成分和多光子成份的比例。

誘騙態(tài)協(xié)議的思想是基于PNS攻擊中攻擊者對單光子和多光子的通過效率不一樣的考慮。為了發(fā)現(xiàn)攻擊者攻擊，Alice端隨機(jī)發(fā)送不同光強(qiáng)的光源，其中多光子和單光子成份比例不一樣，攻擊者由于不能區(qū)分Alice方采用哪種強(qiáng)度的光源，于是不能對多光子的通過效率進(jìn)行適應(yīng)調(diào)節(jié)，從而不能同時保證不同光源到達(dá)Bob端的統(tǒng)計結(jié)果都保持不變。相比而言，攻擊者只能保證單強(qiáng)度的光源到達(dá)Bob的統(tǒng)計結(jié)果。于是，通過提供“誘騙態(tài)”光源的方法可以保證單光子成份的效率不被攻擊者修改，而單光子成份是量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中可以提取安全密鑰的有效成分。

本實施例改進(jìn)方案也可與實施例2～5相結(jié)合，相應(yīng)的脈沖光源(激光器)所發(fā)的光為弱相干光。

實施例7

本實施例中，與實施例1的不同之處在于Alice端和Bob端之間采用光纖通信，此時可以去掉90度偏振旋轉(zhuǎn)器4，而實施例1的分束器3和偏振分束器5分別換為保偏分束器和保偏偏振分束器，其中保偏分束器和保偏偏振分束器所用的尾纖是保偏光纖。相應(yīng)環(huán)形器2為保偏環(huán)形器，以及其尾纖為保偏光纖。作為優(yōu)選，本實施例脈沖光源發(fā)送水平偏振的光脈沖。

本實施例改進(jìn)方案也可與實施例4、5相結(jié)合。