[发明专利]基于相位调制光源的QKD系统发送端、接收端以及QKD系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及量子通信领域，尤其涉及基于相位调制光源的QKD系统发送端、接收端以及QKD系统和方法。

背景技术

基于相位调制的编码系统是量子密钥分发(QKD)实验系统的主要类型之一，因对光子的相位调制在光纤中传输抗干扰能力较强，已得到广泛的应用。基于相位调制的编码系统主要包括双不等臂Mach-Zehnder干涉仪系统、Michelson干涉仪“即插即用”系统和Sagnac环系统。对光子进行相位调制的主要实现方式是外部调制，通过对某些电光材料的相位调制器施加电场来改变材料的折射率，以此来改变光相位。常用的相位调制器为基于LiNbO3晶体或半导体波导的相位调制器。但是相位调制器只能接收脉冲电压的调制，且半波电压要求高，因此需要复杂的驱动控制电路，造成系统发送端和接收端结构笨重，也增加了系统的控制难度。而高半波电压不仅耗费能源也限制了量子密钥分发系统的高速应用。

文献“Directly Phase-Modulated Light Source”(PHYSICAL REVIEW X 6，031044(2016))提出一种在光源内部直接进行光脉冲相位调制的方案，即相位调制光源。基于光注入的思想，使用两个激光器分别进行相位预调制和发射脉冲，利用相位预调制脉冲固定两个次级脉冲的相位，以较低的半波调制电压便实现光源内部脉冲相位的内调制。文献中将此光源分别应用到BB84协议和DPS协议的量子密钥分发系统中，以验证其在量子通信中的多功能应用，得到了相对满意的结果。

但是文献中该方案仅集成了量子密钥分发系统的发送端，省去了发送端对相位调制器的使用，而在量子密钥分发系统的接收端，尤其是在BB84协议中，使用两组相位基矢编解码导致解码模块仍需要一个相位 调制器，接收端的结构和控制仍然受到调制器的影响，系统的高速应也用依然受到调制器件的限制。

此外，文献中并未提及如何实现脉冲的强度调制问题。量子密钥分发实验系统中实现光脉冲强度调制的方式一般为在光源外部使用强度调制器，常用强度调制器为基于LiNbO3晶体的Mach-Zehnder电光调制器。与上述相位调制器一样，强度调制器只能接收脉冲电压的调制，需要较高的半波电压，因此也需要复杂的驱动控制电路，这同样增加了系统的结构和控制负担、限制系统的高速应用。且Mach-Zehnder电光调制器具有周期性的传输函数，为避免信号失真，必须使调制器工作在最佳偏置点，即在量子密钥分发系统的应用中需时刻控制强度调制器的偏置点，但由于受时间漂移、环境温度、系统激光器功率即光纤插入和耦合损耗等诸多因素影响，实际很难控制偏置点稳定，导致强度调制器输出信号劣化。

现有技术存在的问题：

现有技术应用相位调制光源的BB84协议量子密钥分发系统没有避免接收端对相位调制器的使用，实际系统结构和性能仍受相位调制器影响。现有技术应用相位调制光源的BB84协议量子密钥分发系统没有考虑脉冲强度调制的复杂问题，对系统结构的集成具有局限性。量子密钥分发系统中强度调制器和相位调制器一样都需要复杂的驱动控制电路，造成系统结构和控制的复杂度，且强度调制器需要时刻控制偏置点稳定，实际难以做到；强度调制器和相位调制器一样也都需要较高的半波电压，不仅耗费能源且限制系统的高速编解码应用。而脉冲强度调制的诱骗态方案是QKD系统普遍采用的源端攻击抵御方案，因此现有技术也不可避免的面临脉冲强度调制的复杂问题。

发明内容

本发明提供一种基于相位调制光源的QKD系统发送端、接收端以及QKD系统和方法，并采用相位-时间非平衡基矢编码方式，使用相位调制光源进行光源内部光脉冲产生、相位调制的量子态制备过程，以及强度调制的量子态制备过程和诱骗态方案实施过程。

在本发明中，一种基于相位调制光源的QKD系统发送端，包括相位调制光源，在所述相位调制光源中通过相位编码和Z基矢时间编码方式编码光脉冲对，再发送至接收端；其中所述相位编码采用X基矢相位编码或Y基矢相位编码中的一种。

本发明的相位调制光源在针对相位编码过程中，仅采用X基矢相位编码或仅采用Y基矢相位编码，因此在接收端不需设置相位调制器或其他调制器件。

文献PHYSICAL REVIEW X 6，031044(2016)的相位调制光源中包含了一个脉冲产生激光器，光源发出的脉冲序列和脉冲强度实际受控于此脉冲产生激光器，因此可以通过控制脉冲产生激光器的输出光强实现在相位调制光源内部的强度调制。将此光源应用到量子密钥分发系统中可避免系统对强度调制器及背景技术中各控制模块的使用。