[发明专利]高速偏振编码的诱骗态量子光源制备方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于量子密钥分发类，具体涉及一种适用于高速偏振编码的量子密钥分发（QKD）系统的诱骗量子态的制备，即高速偏振编码的诱骗态量子光源制备方法及装置。

背景技术

量子密码术源于1984年Bennett 与 Brassard所提出“BB84协议”，相较于传统基于算法复杂度的加密方式，量子密钥分发（Quantum Key Distribution, QKD）的安全性是由物理学基本原理所保证的，因而是无法被破解的绝对安全的通信方式。现有主流的QKD系统主要有以下三种方案构成：基于“plug & play”的相位编码的QKD方案、基于偏振编码的QKD方案和基于纠缠光子对的QKD方案。基于纠缠光子对的QKD方案目前还在实验研究阶段，距离实用化的应用实施还有一段距离。基于“plug & play”的相位编码QKD方案因其系统结构具有偏振补偿的优势；但是，由于量子态光源与单光子探测器均在通信的一方，信息加载时序受限于单光子探测器的时间抖动，该方案不适用于超过吉赫兹的高速QKD。基于偏振编码的QKD方案光源与单光子探测器分别处在通信两端，属于端到端的通信，因而不存在“plug & play”相位编码QKD方案的时间控制上限，适合于高速量子密钥分发。

虽然基于偏振编码的QKD方案通信速率可以达到吉赫兹以上，但是该方案在截至目前的技术实施尚需很多主动控制元件，控制难度大，也缺乏高速偏振编码模块。近年来，单光子探测技术快速发展，例如，基于最近提出的自平衡探测方法或正弦门探测技术，近红外单光子探测器的探测速率已经提升到高于2GHz，基本达到InGaAs雪崩二极管的响应光子的速度极限。在吉赫兹高速单光子探测技术不断提升的情况下，人们亟需实现能够达到同等速率的量子编码解决方案，以提高量子密码的成码率。

单光子源是QKD系统的重要组成部分，通信双方要将密文加载到单光子的相位或偏振信息上。目前，真正的单光子源距离工程化实施还有很长的距离，现阶段实验与实用化工程实施过程中使用的大都是经过衰减的弱相干光源，该光源采用现有通信系统非常成熟的半导体激光二极管，具有成本低、体积小、易于集成等特点。但是，由于该光源不是理想的单光子源，每一个光子脉冲中存在一定的多光子概率，而实际的（非理想）量子信道存在一定的光子损耗，窃听者通过光子数分离攻击（PNS攻击）方法实施不被发现的窃听。为杜绝这一安全漏洞，科学家们提出了诱骗态量子编码方案，使得弱相干光源同样可以用于无安全漏洞的QKD。诱骗态方案要求发送端以特定比例 (具体根据计数统计涨落优化设计)随机产生每脉冲平均光子数为μ=0、μ=0.2、μ=0.6的光脉冲信号；其中，μ=0对应零光子态，μ=0.6对应信号态，μ=0.2对应诱骗态。该方案要求，信号态光脉冲与诱骗态光脉冲除平均光子数有差别外，其他特征参数均完全相同。现有系统中通常利用两个激光二极管来分别产生信号态和诱骗态，由于采用了两个激光二极管，所发射的光信号中心波长、光谱宽度、脉冲宽度等光学特征参数很难保持一致，攻击者便可以借助于该不一致性区分信号态与诱骗态，因而存在安全漏洞。另一方面，中心波长与光谱宽度的不一致性会导致光信号在长距离光纤传输中存在偏振色散，降低接受端单光子探测器的探测效率，进而降低系统成码效率。

偏振编码QKD方案采用四个激光二极管加上四个起偏器进行编码，调制产生一对“线偏基”（45°线偏光与135°线偏光）与一对“圆偏基”（左旋圆偏光与右旋圆偏光），接受端再利用相应的偏振基解码，由此完成信息的传递。这里同样要使用四个激光二极管来产生四个偏振态，中心波长与光谱宽度不一致的缺点再一次凸显出来。结合诱骗态方案，系统共需要八个激光二极管，这无疑增加了系统的复杂度，降低了系统紧凑程度，不利于QKD系统的工程化集成。

如何实现高速的诱骗态量子编码是当前QKD技术向高速高成码效率发展的关键。 

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提出的一种适用于高速偏振编码QKD系统的诱骗量子态的制备，即高速偏振编码的诱骗态量子光源制备方法及装置，其解决了高速系统中存在的诱骗态信号产生、偏振态随机调制、高速窄脉冲产生、高速射频电脉冲耦合、系统时序逻辑控制等技术难题。

本发明的目的是这样实现的：

一种高速偏振编码的诱骗态量子光源制备方法，该方法包括以下具体步骤：

a）诱骗态光脉冲产生