[发明专利]一种偏振编码量子密钥分发的解码器

说明书

本发明公开了一种偏振编码量子密钥分发的解码器，包括：分束器、第一偏振分束器、第二偏振分束器、第一延迟线、第二延迟线、第一单光子探测器和第二单光子探测器。分束器含两个输出端。第一偏振分束器含两个输入端和两个输出端。用于分离同一组偏振基所包含的两个互相垂直的偏振态。第二偏振分束器含两个输入端和两个输出端。用于耦合同一组偏振基所包含的两个互相垂直的偏振态。第一单光子探测器和第二单光子探测器各含一个输入端。用于探测单光子水平的量子信号。本发明采用了偏振分束(耦合)器来替代偏振无关光耦合器。避免了偏振无关光耦合器导致的光学损耗，令初始量子密钥生成率提高一倍以上。

技术领域

本发明属于量子信息技术领域，具体涉及一种用于偏振编码量子密钥分发的解码装置。

背景技术

量子密钥分发的作用是令通信双方共享一串无条件安全的随机数，即量子密钥。量子密钥结合“一次一密”协议，可以实现无条件安全的加密通信。量子密钥分发可基于离散变量和连续变量。其中，BB84是目前主流的离散变量量子密钥分发协议，其编码方式主要有相位编码和偏振编码两种。

在偏振编码方式中，BB84协议规定的光子偏振态有两组：水平/竖直偏振和±45°线偏振。发射方将光子的偏振态随机地制备为上述四种偏振态中的一种。接收方随机选取两组偏振基对光子进行测量，进而完成解码。传统的测量方案是采用四个单光子探测器分别探测上述四种偏振态。然而，目前，单光子探测器价格昂贵，导致上述测量方案成本较高。

现有对上述问题的常规解决方案是：

四路偏振信号分别经过光学延迟，再通过两个2x1或者一个4x1的偏振无关光耦合器耦合至单个单光子探测器。该方案本质上利用光学延迟实现了偏振信号的时分复用探测。在该方案中，如果使用两个2x1偏振无关光耦合器，则只需使用一个单光子探测器，但它们会额外引入3dB的光学损耗，导致初始量子密钥减少1/2。而如果使用一个4x1偏振无关光耦合器，则仅需使用1个单光子探测器，但它会额外引入6dB的光学损耗，导致初始量子密钥减少3/4。虽然该方案中，单光子探测器的数量减少了，但偏振无关光耦合器会额外引入光学损耗，导致量子密钥生成率大幅减少。

发明内容

本发明的目的在于克服上述解码方案额外引入较多光学损耗的问题，提出一种偏振编码量子密钥分发的解码器。

本发明是这样实现的：

一种偏振编码量子密钥分发的解码器，包括：分束器、第一偏振分束器、第二偏振分束器、第一延迟线、第二延迟线、第一单光子探测器和第二单光子探测器。

所述分束器含两个输出端。所述分束器将入射的量子信号分束为两个光脉冲，用于BB84量子密钥分发协议中两组偏振基测量的被动选择。

所述第一偏振分束器含两个输入端和两个输出端。用于分离同一组偏振基所包含的两个互相垂直的偏振态。所述第一偏振分束器的第一输入端与所述分束器的第一输出端通过第一光路相连，所述第一偏振分束器的第二输入端与所述分束器的第二输出端通过第二光路相连。

所述第二偏振分束器含两个输入端和两个输出端。用于耦合同一组偏振基所包含的两个互相垂直的偏振态。所述第二偏振分束器的第一输入端与所述第一偏振分束器的第一输出端通过第三光路相连，所述第二偏振分束器的第二输入端与所述第一偏振分束器的第二输出端通过第四光路相连。

所述第一单光子探测器含一个输入端。用于探测单光子水平的量子信号。所述单光子探测器的输入端与所述第二偏振分束器的第一输出端通过第五光路相连。

所述第二单光子探测器含一个输入端。用于探测单光子水平的量子信号。所述单光子探测器的输入端与所述第二偏振分束器的第二输出端通过第六光路相连。

所述第一延迟线位于所述第一光路、第二光路、第五光路或者第六光路中。用于产生BB84量子密钥分发协议中两组偏振基之间的测量时间差。