[发明专利]相位调制偏振编码的四态量子编码器和解码器及量子密钥分发系统

说明书

本发明公开了一种相位调制偏振编码的四态量子编码器和解码器及量子密钥分发系统，其编码器和解码器具有內禀稳定性，即工作的稳定性不受外界环境和连接光纤的影响，连接光纤可为普通单模光纤。本发明所涉及的量子编码器和解码器可应用于量子密钥分发领域，其整体系统分为发射端和接收端，发射端和接收端通过量子信道连接完成量子密钥分发过程。本发明的量子编码器和解码器结构，可实现內禀稳定的BB84协议四态量子密钥编码和解码。本发明中所有连接光纤无需使用保偏光纤，普通单模光纤也可，其外界环境对系统相位漂移和偏振变化的干扰对编码和解码过程完全没有影响。

技术领域

本发明涉及量子通信领域，具体地是涉及一种内禀稳定的相位调制偏振编码的四态量子编码器和解码器及量子密钥分发系统。

背景技术

在量子保密通信技术中，最常用的编码方式为相位编码与偏振编码。而偏振编码以往通常采用光子的两个线偏振态进行编码，即利用电光晶体或Pockels池对光子的线偏振态进行编码，但由于电光晶体或Pockels池的半波电压很高(几千伏)，使用很不方便，而且很难实现高速编码。而如果利用两相互垂直的线偏振光来合成，最后得到的偏振光由两个相互垂直的线偏振光之间的相位差决定，只需要通过相位调制器调制某一线偏振光的相位从而达到改变两线偏光相位差，最后实现偏振编码，相比而言这种编码方式中所使用的相位调制器具有较低的半波电压和很高的调制速率，可实现高速编码，这一技术称为相位调制偏振编码。

相位调制偏振编码技术一般采用偏振分束器，将45°线偏振光分成两路：水平线偏振光和垂直线偏振光。而后通过相位调制器对垂直线偏振光加载一定相位，再通过偏振分束器将两路光合成，通过加载相位调制最后合成光的偏振态。输出偏振态的稳定性则受到两个因素的影响，一是两路偏振分量从分束到合成处的传输光路存在相位漂移，使得输出偏振态无法完全取决于系统调制的相位，还受到两个传输光路相位漂移的影响，而无法输出稳定的偏振态；二是两路偏振分量在分束到合成过程中偏振状态的保持问题，目前尚无內禀稳定的偏振态保持结构，一般是在两个传输光路中采用保偏光纤的方式，无法使用价格便宜和加工方便的单模光纤，同时使用保偏光纤，其原理是引入高双折射的特种传输介质，在理论上仍旧无法完美保持两个偏振分量的偏振状态。

目前已经发表的相位调制和偏振编码的编码器和解码器方案中，主要有基于M-Z干涉仪和Sagnac环干涉仪的相位调制偏振编码结构，但均无法针对上述两个不稳定因素同时实现內禀稳定的相位调制偏振编码。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷(不足)，首先提出一种偏振态的稳定性输出的相位调制偏振编码四态量子编码器。

本发明的又一目的是提出一种相位调制偏振编码四态量子解码器。

本发明的又一目的是提出一种基于相位调制偏振编码的四态量子编码器和解码器的量子密钥分发系统。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种相位调制偏振编码四态量子编码器，包括：

偏振控制器PC，第一环形器CIR，第一偏振分束器PBS，第一、二、三法拉第反射旋转镜FM和第一相位调制器PM；

偏振控制器PC的输入端为光波输入端，偏振控制器PC的输出端接第一环形器CIR的第一端口，第一环形器CIR的第二端口接第一偏振分束器PB的第一端口，第一偏振分束器PBS的第二、四端口分别与第一、二法拉第反射旋转镜FM连接，第一偏振分束器PBS的第三端口与第三法拉第反射旋转镜FM连接，第一相位调制器PM的两端分别与第三法拉第反射旋转镜FM、第一偏振分束器PBS的第三端口连接，第一相位调制器PM用于调制经过第一偏振分束器PBS的第三端口与第三法拉第反射旋转镜FM的光波；第一环形器CIR的第三端口为光波输出端；

输入单光子波包经过偏振控制器PC调整输出45°线偏振光，135°线偏振光，左旋圆偏振光或右旋圆偏振光，使通过第一偏振分束器PBS的偏振光等概率被反射和透射；