[实用新型]一种基于模式编码的量子密钥分发系统

说明书

本实用新型提供一种基于模式编码的量子密钥分发系统，包括通过多模光纤信道连接的发送端和接收端；所述发送端发出的光信号通过所述多模光纤信道发送至所述接收端；所述发送端包括光源模块和编码单元；所述接收端包括解码单元和量子探测单元；所述光源模块和所述编码单元相连，所述编码单元和所述解码单元通过所述多模光纤信道相连，所述量子探测单元和所述解码单元相连；所述光源模块出射光信号至所述编码单元，所述编码单元将所述光信号编码后发送至所述解码单元，所述解码单元将所述光信号解码后经所述量子探测单元探测后获取解码信息。能够大大提高量子通信编码效率和通信成码率。

技术领域

本实用新型涉及量子通信技术领域，特别是涉及一种基于模式编码的量子密钥分发系统。

背景技术

量子密钥分发(Quantum Key Distribution，简称QKD)技术能够在通信双方之间产生无条件安全的密钥因而受到广泛关注。自从1984年BB84方案提出以来，各种理论方案日臻完善，技术实现逐渐成熟并走向实际应用。

量子通信中最重要的编码方式为偏振编码和相位编码。

偏振编码量子通信方案是使用光子的不同偏振态代表信息，如文献OpticsExpress18(8),8587(2010)中所示。该文献中根据BB84方案，选择|H>|V>|+＞|-＞四种偏振态进行信息编码。探测器测量得到|H>和|+>代表信息0，探测器测量得到|V>和|->代表信息1。

相位编码方案是利用一对相邻光脉冲之间的不同相位差来代表信息，如文献Physical Review A 88,022308(2013)中所示。该文献中根据BB84方案，选择0，π/4，π/2，3π/4等四种不同的相位态来进行信息编码。探测器测量得到0，π/4，代表信息0，探测器测量得到π/2，3π/4代表信息1。

还有一种高维的编码方式，即利用光子轨道角动量进行编码，如文献《光束轨道角动量的量子通信编码方法研究》所示。光子的轨道角动量表示光场的空间分布，不同的分布对应着不同的轨道角动量状态，具有不同的轨道角动量量子数。不同的轨道角动量状态之间相互正交。利用光子的轨道角动量状态可以代表不同的信息，测量得出的轨道角动量量子数即为编码的信息比特。使用N个轨道量子数的状态进行编码，可以获得log₂N位比特。使用这种编码方式，可以大大提高编码效率，进而提高通信速率。如使用N＝8个轨道量子数进行信息传递，传输一个光子，可以获取3bit信息量。

利用自由空间信道(大气)和光纤信道都可以实现量子密钥分发。由于光纤信道容量大，布置简单，干扰少等优势，光纤量子密钥分发逐渐成为主流，尤其是在城市地区。同时利用光纤可以方便的搭建网络，实现信息共享。国内和国际上均建立了多个量子通信光纤网络，并在银行、金融、保险、政务等多个领域逐渐应用。随着量子通信越来越广泛的应用，迫切的需要提高量子通信速率来满足各种应用中越来越高的带宽需求。使用偏振编码或者相位编码方式中，发射一个光脉冲只能代表1bit信息，制约着信息速率。在通信距离很远的情况下，链路衰减很高，量子通信成码率很低。

从物理本质上来看，使用偏振编码或者相位编码均为2维Hilbert空间编码，1个光子只能够表示1bit信息。而使用光子轨道角动量进行编码，本质是使用高维Hilbert空间来进行编码，使用N个光子轨道角动量，表示N维Hilbert空间，1个光子可以代表log₂N比特信息，可以大大提高通信成码率。遗憾的是，光子轨道角动量状态比较脆弱，容易受到环境扰动，通常只能在自由空间即大气信道中传输，在普通光纤中不能正常传输。

实用新型内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种基于模式编码的量子密钥分发系统，用于解决现有技术中使用偏振编码或者相位编码方式中链路衰减高、量子通信成码率低；或者容易受环境扰动、只能在大气信道中传输不能在普通光纤中正常传输的问题。