[发明专利]时间相位-偏振编码装置、解码装置及量子通信系统

说明书

本发明提出了一种基于时间相位‑偏振编码的编码装置、解码装置及量子通信系统，其中将时间相位编码与偏振编码有机结合，使得能够在同一个光脉冲信号上实现时间相位编码和偏振编码，大大提高成码率；同时有机地将时间、相位和偏振解码结合在一起，大大简化解码结构，并借助非平衡基矢设置减少解码端的固有损耗，实现时间基矢无损解码或减少系统时间窗口。

技术领域

本发明涉及量子通信领域，具体涉及可用于时间相位-偏振编解码装置及量子通信系统。

背景技术

量子通信作为当代通信技术发展的主要方向和发展前沿，由于其相对传统通信而言，在原理上可以保证通信的绝对安全性，因此吸引了各国科技工作者的注意，其发展日新月异。随着应用和研究的飞速进行，人们越来越意识到量子通信原理上绝对安全性这一传统通信无可比拟的优势。

在量子通信领域中，应用最广泛和成熟的是量子密钥分发方向。量子密钥分发以量子不可复制等基本原理为出发点，通过“一次一密”的加密方式，将信息非常安全地传输，非常适用于对保密性要求很高的国防单位、政府机关、科研单位和金融机构等。

如今的量子密钥分发的编码方案中，应用范围较广的是偏振编码和相位编码方案。

其中，1984年最早提出的偏振编码方案，优点在于接收端插损低、成本低且结构简单，因此目前为最主要的编码方案。其不足之处在于光纤偏振扰动对偏振系统的影响较大，直接影响误码率。在实际应用中，针对架空光缆环境还需要频繁起动偏振反馈机制或者增设快偏模块以控制误码率达到正常水平才能保证成码。然而增加的结构和机制也带来了时间上的浪费以致成码率降低或者不稳定。

相较而言，相位编码方案使用不等臂干涉仪制备光脉冲，通过对前后两个光脉冲增加相对相位差，并以此来承载信息。由于相位编码方案受光纤的偏振变化的影响较小，因此即使偏振发生变化而导致接收的计数率下降，也不会导致光学误码率上升。这使得相位编码方案更加适合偏振变化比较剧烈的情形。然而，该方案的劣势是传统相位系统的接收端插损很大，比偏振编码系统的接收端增加至少3dB。当外界环境恶劣时，接收损耗还会继续增加，导致成码率以及最远成码距离低于偏振系统。

在上述基础上，人们提出了时间比特-相位编码的方案。该方案结合了时间基矢和相位基矢。由于时间基矢比偏振和相位要稳定得多，所以在一定程度上提高了成码率。而相位基矢可以适当摆脱系统对偏振的影响，以适应复杂的外界环境。然而由于相位基矢的存在，该方案也继承了一部分相位编码方案的缺点：相位基矢接收端插损大且非干涉部分存在3dB固有损耗。这一点可以通过改变时间基矢和相位基矢的选择比例，以及适当增加信号光的偏振态调制机制来优化。然而，相应的，系统的控制过程极其复杂，例如对温度等参数进行高精度控制，结构上也增加了成本和复杂程度。

上述三种主流的编码方案都存在各自的优缺点。然而，编码方案普遍存在的问题却是成码率不够高，传输距离不够远。即使使用非平衡基矢等方案，提高幅度仍然有限。

因此，人们又提出了诸多的优化编码方案，试图解决上述问题。

2010年王金东等人提出了一种结合BB84协议和DPS协议的高效量子通信协议(见文献J.Phys.B 43,095504(2010))。图1示意性地示出了根据该协议的编解码结构，其中，单个光子先任意选择4种偏振态进行编码，再分成三个脉冲并进行延时，然后在相邻的两个脉冲之间进行差分相位编码，从而将单个光子的密钥产生效率提升至7/6。

2013年赵顾颢等人对图1所示的方案进行了改进(见文献J.OptoeletronicsLaser24,133(2013)),其中在偏振维度编码和相位维度编码中均使用了BB84协议。图2示出了基于此改进方案的编解码结构示意图，其中使用4个激光器分别产生偏振编码所需要的4种偏振量子态，然后这四路光信号进行合束，之后的光子进入不等臂干涉仪分成前后两束光脉冲用于进行相位编码。在解码端，光子先进入不等臂干涉仪进行相位解码，再通过分束器和偏振分束器进行偏振解码。