[发明专利]一种量子密钥分发的偏振编码装置以及量子密钥分发系统

说明书

一种量子密钥分发的偏振编码装置，包括第一环形器和双向偏振调制模块，所述偏振编码装置内部均为保偏光纤；所述第一环形器的第一端口作为偏振编码装置的输入端口In；所述第一环形器的第二端口与双向偏振调制模块的第一端口通过45°偏振旋转器相连；所述双向偏振调制模块的第二端口通过保偏光纤L2与第一环形器第三端口相连。与现有技术相比，本发明可以稳定制备6种偏振态，无需多激光器，消除了多激光器波长不一致导致的安全性漏洞，制备偏振态非常稳定，无需任何补偿，接收端只需2个单光子探测器，降低了系统的复杂度和成本。另外，本发明的偏振编码装置可用于实现BB84协议、6态协议和参考系无关协议。

技术领域

本发明涉及量子相位编码技术领域，特别涉及一种量子密钥分发的偏振编码装置以及量子密钥分发系统。

背景技术

量子密钥分发（quantum key distribution，QKD）可以为远距离的通信双方提供无条件安全的密钥分发，其信息理论安全性由量子力学的基本原理来保障。目前，BB84协议量子密钥分发系统日益成熟，已走向实用化。在自由空间应用场景中，一般采用偏振编码方式。BB84协议常用的偏振编码的4种偏振态为、、、。为了提高量子密钥分发系统的安全性，研究者提出了6态协议，即在BB84协议4态的基础上增加2个偏振态、，可以进一步限制窃听者获取的信息量。然而，现有技术中制备6种偏振态的偏振编码装置具有较高的复杂度，如图1所示的一种典型的6态协议偏振编码QKD系统。其发送端每种偏振态都由一个激光器产生，通过偏振分束器PBS及分束器BS等耦合到同一路光纤中。接收端通过分束器分成三路，分成三组基矢，再经过偏振分束器进行偏振分析，之后在单光子探测器上进行探测。这种偏振编码的QKD方案需要6个激光器，以及6个单光子探测器。因此，该系统不仅具有体积大、成本高、系统复杂、稳定性差等缺点，还因为多激光器存在波长不一致而导致侧信道信息泄露，安全性降低。

为了解决多激光器造成的安全性问题和稳定性差的缺点，专利CN105897413A和CN110545180A分别提出了两种基于萨格纳克环的偏振调制方案，通过萨格纳克环中的相位调制器PM调节环内两个方向的偏振分量之间的相位差来产生偏振态，制备的偏振态非常稳定。然而这两种方案仅能产生4种BB84偏振态，无法产生6态协议所需的另外2种偏振态。因此需要一种无需多激光器的能够稳定产生6种偏振态的偏振编码装置。

发明内容

针对现有技术存在以上缺陷，本发明提出一种量子密钥分发偏振编码装置及系统。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种量子密钥分发的偏振编码装置，包括第一环形器和双向偏振调制模块，所述偏振编码装置内部均为保偏光纤；所述第一环形器的第一端口作为偏振编码装置的输入端口In；所述第一环形器的第二端口与双向偏振调制模块的第一端口通过45°偏振旋转器相连；所述双向偏振调制模块的第二端口通过保偏光纤L2与第一环形器第三端口相连；所述第一环形器的第四端口作为偏振编码装置的输出端口；所述双向偏振调制模块用于调制从第一端口入射光脉冲的两个偏振分量之间的相位差，并分别将所述两个偏振分量旋转90°后从第一端口输出，随后调制从第二端口入射光脉冲的两个偏振分量之间的相位差，并分别将所述两个偏振分量旋转90°后从第二端口输出。

优选地，所述双向偏振调制模块包括第一偏振分束器、第二偏振分束器、第一法拉第镜、第二法拉第镜以及第一相位调制器，所述第一偏振分束器的第一端口、第二偏振分束器的第四端口分别作为双向偏振调制模块的第一端口、第二端口；所述第一偏振分束器的第二端口、第三端口分别通过保偏光纤L3、L4与第二偏振分束器的第二端口、第三端口相连；所述第一相位调制器位于保偏光纤L3中；所述第二偏振分束器的第一端口通过保偏光纤L5与第一法拉第镜相连；所述第一偏振分束器的第四端口通过保偏光纤L6与第二法拉第镜相连。