[发明专利]一种偏振控制编码方法、编码器和量子密钥分配系统

说明书

技术领域

本发明属于光传输保密通信技术领域，特别涉及量子密钥分配中的 编码方法和装置。

背景技术

早期的量子密钥分配用光子偏振编码，这种方式适合于自由空间通 信而不适合于光纤通信体系。因为普通光纤对称性不是很好、传输路径 中的干扰表现为对光的偏振状态的影响，所以无法保持光在其中传播时 的偏振态，偏振编码也就不适合在光纤中使用。美国专利号5307410公 布了一种用一对不等臂马赫-曾特(Mach-Zehnder)干涉仪为基础的相 位编码量子密钥分配方案，其接收和发送装置内的光脉冲分别经历马赫 -曾特干涉仪的不同臂，因为不同臂受到的干扰不可能完全一致，无法 互相完全抵消，因此稳定性不好，抗干扰能力差；又因为两个光子脉冲 分别通过马赫-曾特干涉仪的不同臂经历了不同光路，进入量子信道时 两个脉冲的偏振状态不能保证确定关系，因此对量子信道中的干扰很敏 感，长程量子密钥分配时这种干扰尤为严重，该方案的多种变化版本均 无原则性的改进。

鉴于双不等臂M-Z干涉仪方案存在的稳定性问题，美国《应用物理 快报》(Appl.Phys.Lett.77(7)，793(1997))提出了一种解决方案， 用法拉第反射镜使两个光脉冲在发送和接收点之间传输一个来回，每个 光脉冲经过所有光路一次，达到了自补偿的效果。此方案假定光子脉冲 来回两次历经同一位置时干扰信号来不及变化，光脉冲所受干扰一致， 叠加时干扰效果互相抵消从而达到抗干扰和稳定的目的。而事实上，这 种稳定只在传输距离不太长和干扰频率不太高时有效，当传输距离增大 时，光脉冲来回经历同一位置的时间差增加，抗干扰能力也就随之降低； 另外，由于光脉冲要在量子信道中来回两次，信道总损耗等于实际量子 信道两倍长度时的损耗，通常采用去程强光和回程单光子的方法弥补这 种缺陷，但这种弥补方法只适用于目前的以强衰减激光脉冲模拟单光子 源的情况，理想量子密钥分配的光源应是单光子源，但目前理想单光子 源还不能实用，一旦使用理想单光子源，这种方案的极限传输距离只有 现在的一半；一个更加严重的缺陷是这种方案潜藏了安全隐患：窃听者 可能将进入接收区前的强信号按比例衰减，再用波长与工作波长非常接 近的木马信号补充，使得接收区内的总监测信号强度不变，即信号强度 监测失效，当信号返回时，木马信号可被窃听者分离并检测出所携带的 信息，再将原始信号光子由“超级低损耗信道”传回发送者，只要窃听 者适当控制信号衰减比例，就可以做到系统的接收码率不受影响，从而 不被发送者发现。对信息安全技术来说，这种可窃听的隐患是致命的。

发明内容

本发明提出一种偏振控制编码方法、根据该方法构造的偏振控制编 码器以及由这种编码器组成的量子密钥分配系统，可以在两个用户间形 成一组不被窃听的量子密钥，实现密钥的无条件安全分配。

本发明的偏振控制编码器包括：2×2 3dB分束器，用于将入射的 一个光脉冲分束成两个光脉冲，所述2×2 3dB分束器具有第一端口、 第二端口、第三端口和第四端口，其中第一端口和第二端口位于所述2 ×2 3dB分束器的一侧，第三端口和第四端口位于所述2×2 3dB分束器 的另一侧；延时线，用于对所述两个光脉冲之一施加延时；相位调制器， 用于对光脉冲按量子密钥分配协议进行相位调制；以及第一90度旋转 法拉第反射镜和第二90度旋转法拉第反射镜，其中所述2×2 3dB分束 器的第一端口作为所述偏振控制编码器的输出端，而所述2×2 3dB分 束器的第二端口作为所述偏振控制编码器的输入端；所述2×2 3dB分 束器的第三端口与第一90度旋转法拉第反射镜相连，而所述2×2 3dB 分束器的第四端口与第二90度旋转法拉第反射镜相连，以及所述2×2  3dB分束器将经第一和第二90度旋转法拉第反射镜反射的两个光脉冲 合束为一路光从输出端输出；所述延时线连接在所述2×2 3dB分束器 的第四端口和所述第二90度旋转法拉第反射镜之间；以及所述相位调 制器连接在所述2×2 3dB分束器的第三端口和所述第一90度旋转法拉 第反射镜之间，或者连接在所述2×2 3dB分束器的第四端口和所述第 二90度旋转法拉第反射镜之间，或者与所述偏振控制编码器的输出端 相连。

本发明的偏振控制编码器可以用在量子密钥分配系统的发送端中。 或者/以及，本发明的偏振控制编码器也可以用在量子密钥分配系统的 接收端中。