[发明专利]基于自发辐射光源的量子密钥分发光源

说明书

本公开提供了一种基于自发辐射光源的量子密钥分发光源，脉冲发生器用于驱动第一强度调制器、第二强度调制器和偏振调制器；自发辐射光源用于输出连续的直流光信号；偏振分束器用于产生线偏振的直流光信号；滤波器用于对线偏振的直流光信号进行光谱滤波；第一强度调制器用于对滤波器输出的光信号进行调制，产生窄的光脉冲信号；第二强度调制器用于对第一强度调制器产生的窄的光脉冲信号进行调制，产生量子密钥分发所需的信号态、诱骗态、真空态；偏振调制器用于对第二强度调制器输出的光信号进行调制，产生量子密钥分发所需的+、‑、L、R偏振态；衰减器用于对偏振调制器输出的光信号进行能量的衰减并输出。

技术领域

本公开涉及量子通信领域，特别涉及一种基于自发辐射光源的量子密钥分发光源。

背景技术

量子通信作为当今物理学的前沿领域之一，其基于量子力学的基本物理原理保证了信息传输的无条件安全性，是量子信息学最先走向实用化的一个发展方向。量子通信的核心就是量子密钥分发(Quantum Key Distribution，QKD)，量子密钥分发可以实现相距遥远的通信双方共享无条件安全的量子密钥，再结合“一次一密”的加密方法，可以实现经过信息论严格数学证明的安全通信。通过发射多颗量子卫星，组建覆盖全球的量子星座，再结果地面城际和城域的量子光纤网络，可以构建出天地一体化的量子保密通信网络，服务于国家政务、军事、金融等领域的重大战略需求。

BB84协议是Bennett等人于1984提出的第一个QKD协议，也是迄今为止使用最广泛的QKD之一。由于理想单光子源目前在技术实现上尚不成熟，通过采用基于弱相干激光源进行替代，再结合诱骗态理论，是目前比较常见的QKD光源解决方案。在自由空间和星地的QKD实验中，由于大气对偏振态的保真度较好，因此多采用基于偏振态进行编码，对应的就需要采用偏振态的QKD光源，来实现对两个正交基矢的四种偏振态和诱骗态理论的三种强度态的随机调制。

QKD光源将信息编码在光子的偏振态和强度态上，但是也需要保证在光谱、时间、空间、相位等侧信道的一致性，以避免窃听者通过测量侧信道信息对通信系统的安全性构成威胁。目前，QKD光源主要采用激光器产生的弱相干激光作为初始的光信号，它的主要优点之一是调制带宽高、相干性好、能量集中、脉冲宽度窄，非常适合QKD光源的需求。但是弱相干激光也存在一定的缺点，激光器发光的原理是受激辐射产生的相干光，由于激光器腔体内部的光子和载流子具有一定的寿命，在高重复频率下没有完全耗散，前一个脉冲激发后会对后一个脉冲产生影响，导致前后的激光脉冲之间存在一定的相位关联性。特别是在系统重复频率逐渐提高时，这种关联性就逐渐凸显出来，这会对QKD的安全性构成威胁。针对基于激光器的QKD弱相干光源前后脉冲的相位关联性，目前可以通过频率转换、主动相位外调制等两种方法来实现相位随机化。但是频率转换方法需要使用泵浦光和非线性晶体对量子光进行频率转换，系统结构复杂、体积大且技术实现难度高，主动相位外调制方法由于需要实现连续多个相位态的高速外调制，多个相位调制器的使用使系统集成度下降且成本显著增加。这两种解决方法都极大地增加了QKD系统的复杂度和实现难度，难以满足量子通信系统集成化和实用化的需求。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决以上问题，本公开提出了一种基于自发辐射光源的量子密钥分发光源，量子密钥分发光源系统结构简单、成本更低、易于实现和工业集成。与激光器不同，自发辐射光源的发光原理是基于自发辐射，其产生的光信号从原理上就是相位随机的，本公开有效地解决了传统基于激光器的QKD光源的相位关联性问题，避免了相位侧信道信息泄露对通信系统造成的安全隐患。

(二)技术方案