[发明专利]量子位解码设备、系统和方法

说明书

一种量子位解码设备（200），其被配置成接收具有用光子的属性编码的qubit的所述光子，量子位解码设备（200）包括解调设备（210）。解调设备（210）包括可配置成随机地将用于解码qubit的多个调制值之一应用于光子的属性的光调制器（212）以及用于根据qubit路由光子的光路由器（214、414）。量子位解码设备（200）还包括光延迟设备（220），光延迟设备（220）具有光组合器（222）、从光路由器到光组合器的第一光路（224）、以及从光路由器到光组合器的第二光路（226）。第二光路（226）具有不同于第一光路的光路长度，以在这些光路之间引入时间延迟。量子位解码设备（200）进一步包括检测设备（230），检测设备（230）被配置成检测光子，并且可操作以确定检测到的光子是否相对于参考时间被延迟并根据确定的时间延迟来确定qubit。

技术领域

本发明涉及量子位（quantum bit）解码设备并且涉及包括量子位解码设备的量子位解码系统。本发明进一步涉及量子密钥分发系统并且涉及通信网络节点。本发明进一步涉及用于解码在光子上编码的量子位的方法。

背景技术

量子通信系统利用传送以量子态编码的信息的可能性，所述信息以使得两个通信伙伴中间的窃听者不可避免地引入可检测的干扰的方式进行准备。在光通信中，通过光子的物理属性（如例如，偏振态、相位或自旋）对量子信息进行编码。

量子密钥分发QKD为对称加密系统中的密钥分发问题提供了解决方案。理论上，应该使用一次一密加密（one-time pad encryption）来将量子加密应用于要传送的整个消息。然而，这将不可接受地损害通信信道的容量和时延，因为可行的QKD系统只能逐渐达到几个Mbit/s，并且要求处理时间来使发送者和接收者在没有错误的情况下约定最终密钥。在实践中，QKD仅用于产生和分发密钥，而不用于传送消息数据。然后，与经典的加密算法一起使用密钥来对在经典的大容量通信信道上传送的消息进行加密和解密。

在基于BB84协议的QKD中，如由例如A. Ruiz-Alba等人的“Practical QuantumKey Distribution based on the BB84 protocol”（Waves, 2011，第4-14页）所描述，发送者Alice生成随机位，即，“0”或“1”，并通过光子的恰当选择的物理属性用两个不同基之一对它进行编码。然后，使用第一个基来对“0”位进行编码，并将另一个基用于对“1”位进行编码。

由于接收者Bob不知道Alice的基选择，所以他通过随机选择这两个可能的基之一来测量入射光子的基。如果他使用Alice所使用的相同基，那么他将确定性地测量正确的位值。相反，如果他选择了错误的基，那么他的测量结果将是在所编码的基的可能值上的随机投影，这只会以50%的概率给出正确的结果。在已经交换了一长串光子之后，Alice和Bob比较他们各自已经用于编码和测量的基，以便经由“经典”信道进行通信。他们只保留利用匹配的基生成和检测到的随机位，这些位被说成构成“经过筛选的密钥”。在没有噪声、缺陷和干扰的理想系统中，经过筛选的密钥是相同的，并且它们可用作私有密钥。

BB84协议的两种常见实现使用光子的偏振或相位属性作为基。对于偏振编码情况，在图1(a)中所示，发送者Alice在使用偏光器选择的两个不同的偏振基上进行编码，这两个偏振基相对于彼此旋转45°，它们称为直线0°和90°与对角线45°和135°。在接收者Bob处，偏振分束器PBS将光子的偏振编码变换到空间解码中，其中通过两个单光子雪崩光电探测器SPD之一来接收光子。对于相位编码方案，在图1(b)中所示，并且例如由Yan Hui等人的“Efficient Phase-Encoding Quantum Key Generation with Narrow-Band SinglePhotons”（Chinese Physics Letters，第28卷，第7期，2011年5月20日）所报告，发送者使用Mach-Zehnder干涉仪MZI来引入四个不同的相移（例如，）之一。前两个相移对‘0’位进行编码，而后两个相移对‘1’位进行编码。然后，接收者使用第二个MZI来随机地引入两个相移（例如，）之一。这里，在考虑差分相位的情况下进行空间解码。