[发明专利]光量子相位调制系统

说明书

技术领域

本发明涉及量子密码领域，具体内容是一种光量子相位调制系统，用于高速量子密钥分配，能够实现量子密码系统所需的光量子态高速随机调制功能。

背景技术

随着通信技术的发展，特别是在保密通信领域需求增加。在理论上具有绝对安全性的量子保密通信的优越性越来越受到重视。量子密钥分配(QKD)是量子密码技术的核心，它可以在远程用户之间实现密码学意义上无条件安全的密钥分发。将量子密钥分配技术与一次一密(One-time-pad)加密结合，可以实现无条件安全的保密通信。因此，量子密码技术作为密码学的新方向受到了广泛关注。

量子密钥分配系统的工作速率是决定其密钥生成率的重要因素，更高的密钥生成速率意味着可以为更广泛的应用提供安全保障。因此，提高量子密钥分配系统的工作速率具有重要的意义。BB84协议是最广泛的量子密钥分配协议。该协议要求对光量子进行四态随机编码，即将光量子的相位、偏振等物理量随机调制成两组非正交基的四个量子态中的一个。在普通的单模光纤中，由于光纤固有存在的双折射效应会改变光子的偏振态，因此多采用相位编码方案。

如何实现量子信号的随机高速编码和解码是实现高速QKD系统的关键技术之一。对于高速相位调制系统来说，一般采用基于铌酸锂(LiNbO₃)波导材料的电光调制器件实现对光子相位的调制，调制的相位与加载到其驱动电极的电压驱动信号直接相关，调制电压的精度决定了相位调制的精度。由于QKD系统的误码率与量子态的调制精度直接相关，因此用于相位QKD系统相位调制的驱动信号对于信噪比和平坦度的要求很高。现有的产生量子态调制信号的方法主要包括数模转换、模拟开关等方法。这些方法在200MHz以内的QKD系统中，一般可以满足调制电压切换的速度和精度的要求。但是由于数模转换存在的建立和稳定时间、模拟开关存在的切换时间等因素的限制，使这些方法难以满足1Gbps以上调制速率的要求。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提出了一种光量子相位调制系统，用于高速量子密钥分配，能够实现量子密码系统所需的光量子态高速随机调制功能。

根据本发明的第一方案，提出了一种光量子相位调制系统，包括：随机数发生单元，用于产生随机数字信号；并/串转换单元，用于对随机数发生单元产生的随机数字信号进行并/串转换，得到串行随机数字信号；高速串行收发器，用于接收并/串转换单元产生的串行随机数字信号，并输出两路独立的数字驱动信号；增益控制网络，用于分别对两路独立的数字驱动信号进行增益控制，产生用于驱动电光相位调制器的两路驱动信号；电光相位调制器，具有两个独立的调制电极，每个调制电极接收两路驱动信号中相应的一个，用于对输入光量子进行相位调制，根据两路独立的数字驱动信号的组合，实现对输入光量子的四相位调制。

根据本发明的第二方案，提出了一种光量子相位调制系统，包括：随机数发生单元，用于产生随机数字信号；并/串转换单元，用于对随机数发生单元产生的随机数字信号进行并/串转换，得到串行随机数字信号；高速串行收发器，用于接收并/串转换单元产生的串行随机数字信号，并输出两路独立的数字驱动信号；加法电路，用于对两路独立的数字驱动信号进行模拟求和，得到四电平驱动信号；增益控制网络，用于对四电平驱动信号进行增益控制，产生用于驱动电光相位调制器的四电平驱动信号；电光相位调制器，具有单一的调制电极，所述调制电极接收用于驱动电光相位调制器的四电平驱动信号，用于对输入光量子进行相位调制，根据两路独立的数字驱动信号的组合，实现对输入光量子的四相位调制。

根据本发明的第三方案，提出了一种光量子相位调制系统，包括：随机数发生单元，用于产生随机数字信号；并/串转换单元，用于对随机数发生单元产生的随机数字信号进行并/串转换，得到串行随机数字信号；高速串行收发器，用于接收并/串转换单元产生的串行随机数字信号，并输出两路独立的数字驱动信号；增益控制网络，用于分别对两路独立的数字驱动信号进行增益控制，产生用于两路驱动信号；加法电路，用于对两路驱动信号进行模拟求和，得到用于驱动电光相位调制器的四电平驱动信号；电光相位调制器，具有单一的调制电极，所述调制电极接收用于驱动电光相位调制器的四电平驱动信号，用于对输入光量子进行相位调制，根据两路独立的数字驱动信号的组合，实现对输入光量子的四相位调制。