[发明专利]一种具备偏振态补偿功能的量子通信系统及方法

说明书

本发明公开一种具备偏振态补偿功能的量子通信系统及方法。本发明提供了一种利用波片组同时补偿单模光纤及动态跟踪系统偏振退化的方法。该方法利用斯托克斯参量对偏振光进行表示，并使用穆勒矩阵表达量子通信系统及单模光纤对偏振态产生的扰动，通过波片组补偿后，使的整个光学链路的所有光学元件组合产生的穆勒矩阵为单位矩阵，再通过矩阵的运算得到相应的波片组补偿矩阵，计算出波片组中每个波片需要旋转的角度，完成波片组对量子通信系统偏振态扰动的动态补偿。该方法的优点在于确保了量子光之间的绝对同轴度，同时在系统光学元件发生退化后，可以更新波片补偿角度达到偏振保持的功能，从而延长系统的使用寿命。

技术领域

本发明涉及一种具备偏振态补偿功能的量子通信系统及方法，可以实时补偿光学通信终端对量子通信光偏振态造成的干扰。

背景技术

量子通信由于量子力学的基本性质，提供了唯一的内在无条件安全方法，也是量子信息领域中最实际的方向之一，有望大幅度提高信息传输的安全性、信息传输通道容量和效率等，是未来信息技术发展的重要战略性方向，并极有可能引起诸多科学和技术领域的革命，对经济和社会的进步产生难以估量的影响。近年来，量子通信研究进展迅速，远距离量子通信则成为了国际激烈竞争的焦点。目前量子通信的技术手段主要包括：基于光纤通道、基于自由空间通道的量子传输。由于光纤的损耗和退相干效应无法避免，目前低损耗光纤的性能已经逼近理论极限，利用光纤在相距100公里以上的两点建立量子信道变得非常困难。自由空间量子信道是当前实现远距离量子通信实验的最为可行的方案之一，空间量子通信正处于从原理性研究走向实用化应用的关键时期。由于大气低吸收和可忽略的非双折射特性，卫星相比地面量子通信可以提供更大的距离安全通信是一个更具吸引力的解决方案。

自由空间QKD的密钥编码方式一般采用BB84方案,其密钥是利用单光子的偏振态来进行二进制编码，为了防止窃听者的非相干攻击，一般采用基于诱骗态的量子密钥分发(QKD)技术来判断是否存在窃听者，判断窃听者的主要依据是通过诱骗态与信号态之间的比例关系，而4种偏振态之间的接收效率关系对该比例的判断至关重要，设计绝对同轴的量子编码模块对是否存在窃听者意义重大，但是由于光纤的引入会导致偏振的退化，同时量子通信终端都需要具备偏振保持的功能，要求量子光经过的光学元件都需要具备偏振保持的功能，导致设备生产成本增加，同时量子通信终端的偏振特性相对容易被破坏，众多分光片、反射镜中一旦一片出现问题，就会导致系统偏振退化，影响最终的通信效果。随着量子通信研究的进一步深入，量子保密通信势必会进入商业化运营，通信端机的偏振退化会直接导致其寿命下降。

针对以上问题，本发明提供了一种具备偏振态补偿功能的量子通信系统及方法，本发明主要进行量子通信终端的实时动态极化补偿方法的研究，借助1/4波片和1/2波片可以对偏振光进行幺正变换的特性，利用波片组来同时补偿光纤及光学系统导致的偏振退化，同时在光学系统内部发生基矢旋转时，波片角度随之旋转来进行动态偏振补偿，该方法的优点在于：可以降低单个光学元件对保偏性能的要求；确保了量子光之间的绝对同轴性；光学元件发生退化时，可以通过测量退化情况，改变波片补偿角度来确保整机偏振性能满足使用要求，从而增加设备的使用寿命。

发明内容

本发明的目的是提供一种具备偏振态补偿功能的量子通信系统及方法，本发明装置如附图1所示：

BB84模块1对量子信号光进行编码，编码后的量子信号光以某种偏振态的方式耦合到带准直镜的单模光纤2中，量子信号光经过带准直镜的单模光纤2传输后产生准直光，准直光束依次通过可旋转角度的第一1/4波片3，可旋转角度的第二1/4波片4，可旋转角度的1/2波片5组成的波片组，然后依次经过后光路6、中继光路7及前光路8扩束后发射出去，其中后光路6与中继光路7之间存在相对旋转；中继光路7及前光路8之间存在相对旋转。

该方法由以下步骤组成：

1、带准直镜的单模光纤2偏振传输矩阵的获取