專利名稱：：一種相位編碼偏振檢測的量子密鑰分配系統的制作方法
技術領域：
：本發明涉及光傳輸保密通信
技術領域：
，特別涉及量子密鑰分配系統。
背景技術：
：量子信息科學是量子力學與信息科學相結合的產物，定將對人類社會產生重大影響的新興前沿科學。量子密鑰分發是量子信息科學中的重要分支，也是當前量子信息中最接近實用的領域。1992年，Bennett等人基于BB84協議，以強衰減的激光脈沖做單光子源，信息加載在單光子的偏振上，第一次成功地在自由空間完成了演示性實驗，從而掀起了量子密鑰分配實驗研究的高潮。美國專利號5307410提出的基于雙不等臂馬赫-曾德爾(Mach-Zehnder，簡稱M-Z)干涉儀的量子密要分配系統，光子單向傳輸；該方案有效地制止了木馬攻擊，在通信雙方各自的干涉儀內部光脈沖沿不同的路徑傳播。雖然后來的方案有偏振保持光纖的應用，但是兩個光脈沖分別通過不等臂馬赫-曾德爾干涉儀的不同臂，經歷不同的光學器件，由于光纖、光學器件的雙折射的影響，很難保證兩個光脈沖偏振狀態的確定關系。為克服上述方案的缺陷，如文獻A.Muller等人在1997年Appl.Phys.Lett.(Vol70)發表了"Plugandplaysystemsforquantumcryptography",首次提出基于法拉第旋轉鏞的時分復用干涉儀的方案。該方案中采用了90。旋轉法拉第反射鏡，兩個光脈沖在通信的雙方傳輸一個來回，每個光脈沖經過所有的光路一次，它們的偏振就得到了自動的補償，從而消除了光纖、光學器件的雙折射的影響。方案中的另一個特點就是，解決了波導型相位調制器的偏振依賴工作特性。但是，該方案的缺陷是采用理想的單光子源，由于光脈沖要在量子信道中來回兩次，極限通信距離只有單向傳輸的一半。對于該方案通常采用的方法是去時利用強光、回程時衰減成單光子源，但是，光路中的回損又增加了誤碼率，而且不能有效的防止木馬攻擊。中國專利申請號200410013996.6發明名稱"一種偏振控制編碼方法、編碼器和量子密鑰分配系統"提出了以偏振控制編碼器為核心組成的量子密鑰分配系統，由于在通信的雙方的安全區內部所采用的普通X型耦合器，單光子的路徑的隨機選擇，會造成效率的降低。另外，上述的各種方法均采用的是相位編碼、相干檢測方案，該方案除了上述的不足，另外編碼方式和探測方法單一，限制了量子密鑰分發技術的發展。
發明內容本發明的目的是克服現有技術的不足，提供一種相位編碼、偏振檢測的量子密鑰分配系統。為了達到上述目的，本發明采取如下技術方案。一種相位編碼偏振檢測的量子密鑰分配系統，由發送方和接收方通過量子信道相連接；發送方包括第一偏振分束/合路器2，一單光子源1設置在所述第一偏振分束/合路器2的第一端口A處，所述第一偏振分束/合路器2的第二端口B處依次連接第一相位調制器3和第一90°旋轉法拉第鏡4形成發送方長路，第三端口C與第二90°旋轉法拉第鏡5連接形成發送方短路，第四端口D與量子信道14的一端連接；接收方包括第二偏振分束/合路器6，其所述第二偏振分束/合路器6的第一端口E與量子信道14的另一端連接，所述第二偏振分束/合路器6的第二端口F依次連接到第二相位調制器7、第三卯°旋轉法拉第鏡8形成接收方長路，所述第二偏振分束/合路器6的第三端口G與第四90。旋轉法拉第鏡9連接形成接收方短路，所述第二偏振分束/合路器6的第四端口H依次連接到入/2波片10和第三偏振分束/合路器11的第一端口，所述第三偏振分束/合路器11的第二端口連接到第一單光子探測器12,所述第三偏振分束/合路器11的第三端口連接到第二單光子探測器13。在上述技術方案中，進一步地，所述第一偏振分束/合路器2的第二端口B和所述第二偏振分束/合路器6的第二端口F是相應偏振分束/合路器的反射光輸出端口。在上述技術方案中，進一步地，所述第一偏振分束/合路器2的第二端口B和所述第二偏搌分束/合路器6的第二端口F是相應偏振分束/合路器的透射光輸出端口。在上述技術方案中，進一步地，所述發送方短路與接收方長路的光程之和與發送方長路與接收方短路的光程之和相等。在上述技術方案中，進一步地，所述單光子源l可以是由衰減激光光脈沖而獲得的單光子源或其它方法獲得的單光子源。在上述技術方案中，進一步地，在接收方的光路中，由第三和第四90°旋轉法拉第鏡反射的兩個光脈沖返回到所述第二偏振分束/合路器6的第四端口H進行合束時，兩個光脈沖的振幅相等。在上述技術方案中，進一步地，在接收方的光路中，所述入/2波片IO的的快軸或慢軸方向應與所述第一偏振分束/合路器2和第二偏振分束/合路器6的兩個偏振基中的任一偏振基成22,5°或-22.5°角。與現有技術相比，本發明的優勢在于-本發明提供的一種相位編碼、偏振檢測的量子密鑰分配系統，接收方和發送方采用了四端口僱振分束/合路器、相位調制器、9(T旋轉法拉第鏡的組合，結構簡單，自動補償光纖及器件的雙折射效應，提高了量子密鑰分配系統的抗干擾能力及單光子的利用效率。通信雙方按照量子密鑰協議的約定進行相位編碼、偏振檢測，迸而建立它們的密碼本，實現量子密鑰的無條件安全分配系統。本發明可以用于保密通信，例如軍事、政治、商業情報等領域。附國說明圖1是本發明相位編碼、偏振檢測的量子密鑰分配系統基本組成示意圖。圖2是本發明一實施例的相位調制器所加電壓與兩單光子探測器的計數關系圖。圖面說明:1-3-5-7-8-10-11-12-14--單光子源，-第一相位調制器，2-4一-第一偏振分束/合路器；-第一90°旋轉法拉第鏡;-第二卯°旋轉法拉第鏡，6——第二偏振分束/合路器;-第二相位調制器，-第三90°旋轉法拉第鏡，9——第四90°旋轉法拉第鏡;一X/2波片，一第三偏振分束/合路器，-第一單光子探測器，-量子信道13——第二單光子探測器;A、B、C、D、E、F、G、H--相應偏振分束/合路器的各端口,具體實施方式下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細描述如圖1所示，相位編碼、偏振檢測的量子密鑰分配系統，發送方的光路結構是由單光子濂1發射的一個光脈沖通過輸入端口A輸入到一個四端口的第一偏振分束/合路器2后,被四端口偏振分束/合路器2的反射及透射而分成偏振相互垂直的兩個光脈沖，分別耦合進四端口偏振分束/合路器2的第二輸出端口B和第三輸出端口C。其中，第三輸出端口C直接與第二90。旋轉法拉第鏡5相連，定義為發送方短路；第二輸出口B與第一相位調制器3、第一90G旋轉法拉第鏡4依次連接而成，定義為發送方長路。這兩個偏振相互垂直的光脈沖分別經90e旋轉法拉第鏡反射后，返回到四端口偏振分束/合路器2合成一路，由其第四個端口D輸出至量子信道14。接收方的光路是:來自于量子信道14偏振相互垂直的光脈沖通過第二偏振分束/合路器6的第一端口E耦合進四端口的第二偏振分束/合路器6而被分開，分別耦合進四端口偏振分束/合路器6的另外兩個輸出口，即第二端口F和第三端口G。其中，第三端口G直接與第四卯G旋轉法拉第鏡9相連，定義為接收方短路，第二端口F與第二相位調制器7、第三9(^旋轉法拉第鏡8依次連接，定義為接收方長路。這兩個偏振相互垂直的光脈沖分別經90G旋轉法拉第鏡反射后，再次返回到四端口偏振分束/合路器6合成一路，由四端口偏振分束/合路器的第四個端口H輸出，經入/2波片10后輸入到三端口的偏振分束/合路器11的第一端口即公共端口，其兩個偏振輸出口即第二端口和第三端口分別接第一單光子探測器12和第二單光子探測器13。第一偏振分束/合路器2和第二偏振分束/合路器6對于從任一端口輸入的光，總是分成傳振相互垂直的兩個光脈沖，并且一個被反射，另一個透射。在本實施例中，發送方的第一相位調制器3與接收方的第二相位調制器7分別同時放在第一偏振分束/合路器2和第二偏振分束/合路器6的反射光輸出口B和反射光輸出口F。實際上還可以這樣設置發送方的第一相位調制器3與接收方的第二相位調制器7分別同時放在第一偏振分束/合路器2和第二偏振分束/合路器6的透射光輸出口C和透射光輸出口G上。使用一臺輸出中心波長在1310nm的脈沖激光器，輸出光偏振態為+45°線偏振光，經衰減器衰減到平均每十個脈沖含有一個光子，這樣可近似地看為單光子源l。輸入到四端口的第一偏振分束/合路器2，被反射的光定義為垂直偏振光沿短路傳輸，Pl，瓊斯矩陣表示為lv^;透射的光定義為水平偏振光沿長路傳輸，P2,瓊斯矩陣表示為|/〉=垂直偏振光，Pl，經相位調制器到達9(^旋轉法拉第鏡而被原路返回，同時，偏振態也變為水平偏振。兩次經過相位調制器，且通過時的偏振方向相互垂直，給相位調制器所加的電脈沖寬度大于來回兩次經過的時間，從而解決了波導型相位調制器的單偏振工作模式，同時將要調制的信息也加載在了光脈沖上。透射的為水平皿光，P2，直接被90Q旋轉法拉第鏡被反射，沿原路返回，同時，偏振態也變為垂直偏振。當P1，P2再次到達四端口的偏振分束/合路器時，它們的偏振態分別為i尸2〉,[D〗.卜〉其中9a和eu是由于短路和長路的光纖引入的相位，①Pm是發送方用相位調制器所調制的相位。P1就會透射而P2被反射，它們被合成一路，從四端口的偏振分束/合路器的第四個端口輸出耦合進量子信道。經量子信道，此處實施例所用的量子信道是市場所售的50公里通信光纖，必要時在接收方前加一偏振控制器。Pl，P2初次到達接收方的四端口的偏振分束/合路器時，Pl就會透射沿短路傳輸而P2被反射沿長路傳輸。那么，Pl直接被9(^旋轉法拉第鏡被反射，沿原路返回，同時，偏振態也變為垂直偏振；P2經相位調制器到達90C旋轉法拉第鏡而被原路返回，同時，偏振態也變為水平偏振，兩次經過相位調制器，且通過時的偏振方向相互垂直，給相位調制器所加的電脈沖寬度大于來回兩次經過的時間，從而解決了波導型相位調制器的單偏振工作模式，同時將要調制的信息也加載在了光脈沖上。當Pl,P2再次到達四端口的偏振分束/合路器時，它們的偏振態分別為l尸l〉-exp[/(^"幼+D].|v〉i尸2〉-exp[/(^+^+0船)].l/z〉其中6sb和6u是由于接收方的短路和長路的光纖引入的相位，d^是接收方用相位調制器所調制的相位。這樣，Pl就會透射而P2被反射。因為發送方短路與接收方長路的光程之和與發送方長路與接收方短路的光程之和相等，那么P1，P2就合束為一個偏振態的光脈沖出來，其偏振態4>可表示為exp[氛+0船)exp[札+-幼十①腦)].=exp[/(+-幼+0簡)]'exp[執-A^+A0>21)1其中厶eA=au-ea,△eB=euresb,△(D2l=<iw-(iw。顯然，aeA=△e8因為發送方短路與接收方長路的光程之和與發送方長路與接收方短路的光程之和相等。于是，小僅與發送方和接收方所加的相位差有關系。對于4>的檢測，首先使其通過一個入/2波片，它的的快軸方向與水平方向成22.5、然后輸入到三端口的偏振分束/合路器的公共端口，其水平偏振態光輸出端與豎直偏振態光輸出端分別接單光子探測器。對于不同的發送方和接收方所加的相位，光子在水平偏振態光輸出端、豎直偏振態光輸出端的概率，可得出如表格1所述的關系表格l<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>選擇(0，iO，(ii/2，3n/2)為兩套共軛基，可以看出當且僅當雙方選擇的基一致時，光子在水平偏振態光輸出端或豎直偏振態光輸出端出現的概率是確定的，否則就是完全睫機的，即可以實現四態的BB84協議的量子密鑰方案。也可選擇(O，Jt/2)，(n,3JI/2)為兩套非共軛基，發送方隨機的選擇0或n/2調制，接收方隨機的選擇m,3ji/2調制，那么接收方根據探測結果和所選用的調制相位，可以準確地推斷出發送方所用的相位，也即可以實現兩態的B92協議的量子密鑰方案。按照上述，掃描加在接收方相位調制器上的電壓在發送方相位調制器所加電壓始終為0的條件下，測得的水平偏振態光輸出端和豎直偏振態光輸出端光子計數的變化如圖2。所用相位調制器半波電壓約為5.3伏特。本實觼例中的各器件采用市場所售的常規器件。最后所應說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制。盡管參照實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，都不脫離本發明技術方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。權利要求1、一種相位編碼偏振檢測的量子密鑰分配系統，由發送方和接收方通過量子信道相連接；其特征是，發送方包括第一偏振分束/合路器(2)，一單光子源(1)設置在所述第一偏振分束/合路器(2)的第一端口(A)處，所述第一偏振分束/合路器(2)的第二端口(B)處依次連接第一相位調制器(3)和第一90°旋轉法拉第鏡(4)形成發送方長路，第三端口(C)與第二90°旋轉法拉第鏡(5)連接形成發送方短路，第四端口(D)與量子信道(14)的一端連接；接收方包括第二偏振分束/合路器(6)，其所述第二偏振分束/合路器(6)的第一端口(E)與量子信道(14)的另一端連接，所述第二偏振分束/合路器(6)的第二端口(F)依次連接到第二相位調制器(7)、第三90°旋轉法拉第鏡(8)形成接收方長路，所述第二偏振分束/合路器(6)的第三端口(G)與第四90°旋轉法拉第鏡(9)連接形成接收方短路，所述第二偏振分束/合路器(6)的第四端口(H)依次連接到λ/2波片(10)和第三偏振分束/合路器(11)的第一端口，所述第三偏振分束/合路器(11)的第二端口連接到第一單光子探測器(12)，所述第三偏振分束/合路器(11)的第三端口連接到第二單光子探測器(13)。2、根據權利要求1所述相位編碼偏振檢測的量子密鑰分配系統，其特征是，所述第一偏搌分束/合路器(2)的第二端口(B)和所述第二偏振分束/合路器(6)的第二端口(F)是相應偏振分束/合路器的反射光輸出端口。3、根據權利要求1所述相位編碼偏振檢測的量子密鑰分配系統，其特征是，所述第一偏振分束/合路器(2)的第二端口(B)和所述第二偏振分束/合路器(6)的第二端口(F)是相應偏振分束/合路器的透射光輸出端口。4、根據權利要求1所述相位編碼偏振檢測的量子密鑰分配系統，其特征是，所述發送方短路與接收方長路的光程之和與發送方長路與接收方短路的光程之和相等。5、根據權利要求1所述相位編碼偏振檢測的量子密鑰分配系統，其特征是，所述單光子源(1)是由衰減激光光脈沖而獲得的單光子源。6、根據權利要求1所述相位編碼偏振檢測的量子密鑰分配系統，其特征是，在接收方的光路中，由第三和第四90°旋轉法拉第鏡反射的兩個光脈沖返回到所述第二偏振分束/合路器(6)的第四端口(H)進行合束時，兩個光脈沖的振幅相等。7、根據權利要求1所述相位編碼偏振檢測的量子密鑰分配系統，其特征是，在接收方的光路中，所述入/2波片(10)的快軸或慢軸方向與所述第一偏振分束/合路器(2)和第二偏振分束/合路器(6)的兩個偏振基中的任一偏振基成22.5。或-22.5°角。全文摘要本發明公開一種相位編碼偏振檢測的量子密鑰分配系統，由發送方和接收方通過量子信道相連接；發送方與接收方均含有相同的四端口偏振分束合路器，所述四端口偏振分束合路器的反射口依次連接相位調制器和90°旋轉法拉第鏡形成長路，透射口與90°旋轉法拉第鏡連接形成短路。所述發送方的四端口偏振分束合路器的入射口連接單光子源，出射口與量子信道的一端連接；所述接收方的四端口偏振分束/合路器的入射口與量子信道的另一端連接，出射口依次連接到λ/2波片和三端口偏振分束/合路器的公共端口，所述三端口偏振分束/合路器的反射口和透射口分別連接單光子探測器。本發明具有結構簡單、自動補償光纖及器件雙折射效應、強抗干擾能力等優點。文檔編號H04B10/18GK101150371SQ20061017055公開日2008年3月26日申請日期2006年12月26日優先權日2006年9月22日發明者吳令安,馬海強申請人:中國科學院物理研究所