單光子三量子比特編碼的多方量子通信系統的制作方法
【技術領域】
[0001] 本實用新型設及光通信技術和安全領域，尤其是指一種單光子=量子比特編碼的 多方量子通信系統。
【背景技術】
[0002] 多方量子通信包括；量子秘密共享、量子密鑰協商、=人量子密碼等，由于它們設 及多方參與，因此具有與兩方通信不一樣的特殊性質，因而被國際上眾多的學者和技術人 員高度關注。由于量子秘密共享、量子密鑰協商、=人量子密碼等多方量子通信是W量子力 學的基本原理為基礎的，再加上"一次一密"的通信方式保證了通信能夠處于物理水平上的 絕對安全，因此它們對于保密性非常重要的國防與外交單位、大型金融企業和大型高科技 企業等而言無疑是非常重要的。
[0003] 從1999年第一個量子秘密共享方案提出至今已經有十幾年的時間，第一個方案 一經提出便引起了國際上的廣泛關注，隨后涌現出了眾多改進與變化的方案，但是該些方 案都存在一個重要的問題；高保真G監態的分發距離非常有限，而且G監態的制備也是一個 比較困難的問題。目前，G監態實際分發距離的最遠記錄不到1公里，該實驗W短文的形式 發表在光子學期刊《化化re化otonics》上（化1:腳6Photonics8, 292(2014))，引起了各國 媒體的廣泛報道。基于上述原因，具有實際操作意義的多方量子通信只能是一個理論方案， 遠距離可實用化的多方量子通信對于學者們來說是非常大的理論與技術挑戰。 【實用新型內容】
[0004] 為了解決現有多方量子通信技術不能應用于遠距離傳輸的問題，本實用新型提出 了一種單光子=量子比特編碼的多方量子通信系統，方案結構簡單，不需要預先制備和分 發復雜和高保真的G監糾纏態，也不需要使用=個獨立光子源產生的單光子進行一高難度 的完美干設而進行后選擇的=光子GHZ態測量。
[0005] 本實用新型所采用的技術方案是；一種單光子=量子比特編碼的多方量子通信， 包括光源、第一自由度編碼單元、第一量子信道、第二自由度編碼單元、第二量子信道、第= 自由度編碼單元和單光子探測單元，所述的第=自由度編碼單元為具有輸入端、第一輸出 端和第二輸出端的空間編碼單元，所述的單光子探測單元包括第一偏振分束器、第二偏振 分束器、第一單光子探測器、第二單光子探測器、第=單光子探測器、第四單光子探測器，所 述的第一偏振分束器、第二偏振分束器分別具有第一端口、第二端口和第=端口，所述的光 源連接第一自由度編碼單元的一端，所述第一量子信道的兩端分別連接第一自由度編碼單 元的另一端、第二自由度編碼單元的一端，所述第二量子信道的兩端分別連接第二自由度 編碼單元的另一端、第=自由度編碼單元的輸入端，所述第=自由度編碼單元的第一輸出 端連接第一偏振分束器的第一端口，第=自由度編碼單元的第二輸出端連接第二偏振分束 器的第一端口，第一偏振分束器的第二端口連接第一單光子探測器，第一偏振分束器的第 =端口連接第二單光子探測器，第二偏振分束器的第二端口連接第=單光子探測器，第二 偏振分束器的第=端口連接第四單光子探測器。
[0006] 其中，第一偏振分束器、第二偏振分束器將光脈沖根據偏振分束成兩路偏振垂直 的光脈沖，水平偏振的光脈沖透射，垂直偏振光脈沖反射；第一單光子探測器、第二單光子 探測器、第=單光子探測器、第四單光子探測器用于探測單光子脈沖。
[0007] 作為優選，所述的第一自由度編碼單元為第一偏振編碼器，所述的第二自由度編 碼單元為時間編碼器。第一偏振編碼器對一個光脈沖隨機編碼Z、X、Y基矢的本征量子態， 例如使用相位調制器調制快慢軸的相對相位而制備偏振量子態；時間編碼器對一個光脈沖 隨機編碼時間比特的Z、X、Y基矢的本征量子態，例如使用不等臂干設儀或法拉第邁克爾遜 干設儀及相位調制器、強度調制器等制備時間比特的量子態。
[000引作為另一優選，所述的第一自由度編碼單元為時間編碼器，所述的第二自由度編 碼單元為第一偏振編碼器。時間編碼器對一個光脈沖隨機編碼時間比特的Z、X、Y基矢的 本征量子態，例如使用不等臂干設儀或法拉第邁克爾遜干設儀及相位調制器、強度調制器 等制備時間比特的量子態；第一偏振編碼器對一個光脈沖隨機編碼Z、X、Y基矢的本征量子 態，例如使用相位調制器調制快慢軸的相對相位而制備偏振量子態。
[0009] 作為優選，所述的第=自由度編碼單元包括第=偏振分束器、第四偏振編碼器、時 間比特翻轉器、偏振比特翻轉器、第=偏振編碼器、第二偏振分束器、第一 45度偏振旋轉器 和第二45度偏振旋轉器，所述的第=偏振分束器具有第一端口、第二端口和第=端口，所 述的第四偏振分束器具有第一端口、第二端口、第=端口和第四端口，第=偏振分束器的第 一端口連接第二量子信道，第=偏振分束器的第二端口與第二偏振編碼器的一端連接，第 二偏振編碼器的另一端與時間比特翻轉器的一端連接，時間比特翻轉器的另一端與第四偏 振分束器的第一端口連接，第=偏振分束器的第=端口與偏振比特翻轉器的一端連接，偏 振比特翻轉器的另一端與第=偏振編碼器的一端連接，第=偏振編碼器的另一端與第二偏 振分束器的第二端口連接，第四偏振分束器的第=端口與第一 45度偏振旋轉器的一端連 接，第一 45度偏振旋轉器的另一端連接第一偏振分束器的第一端口，第四偏振分束器的第 四端口與第二45度偏振旋轉器的一端連接，第二45度偏振旋轉器的另一端連接第二偏振 分束器的第一端口。時間比特翻轉器將量子態的時間比特進行翻轉，例如使用級聯不等臂 干設儀的，外不等臂干設儀的臂長差為L而內不等臂干設儀的臂長差為化，從而使光脈沖 實現時間翻轉，或者是使用光開關時間比特翻轉等；偏振比特翻轉器是將水平偏振光脈沖 變成垂直偏振，將垂直偏振光脈沖變成水平偏振；第立偏振分束器、第四偏振分束器將光脈 沖根據偏振分束成兩路偏振垂直的光脈沖，水平偏振的光脈沖透射，垂直偏振光脈沖反射。
[0010] 作為優選，所述的第一量子信道、第二量子信道為光纖、光波導或自由空間。
[0011] 作為優選，所述的第=自由度編碼單元包括第一分束器、第二時間比特翻轉器、相 位調制器、第二偏振比特翻轉器和第二分束器，所述的第一分束器具有第一端口、第二端口 和第=端口，所述的第二分束器具有第一端口、第二端口、第=端口和第四端口，第一分束 器的第一端口連接第二量子信道，第一分束器的第二端口與第二時間比特翻轉器的一端連 接，第二時間比特翻轉器的另一端與第二分束器的第一端口連接，第一分束器的第=端口 與相位調制器的一端連接，相位調制器的另一端與第二偏振比特翻轉器的一端連接，第二 偏振比特翻轉器的另一端與第二分束器的第二端口連接，第二分束器的第=端口連接第一 偏振分束器的第一端口，第二分束器的第四端口連接第二偏振分束器的第一端口。第二時 間比特翻轉器將量子態的時間比特進行翻轉，例如使用級聯不等臂干設儀的，外不等臂干 設儀的臂長差為L而內不等臂干設儀的臂長差為化，從而使光脈沖實現時間翻轉，或者是 使用光開關時間比特翻轉等；第二偏振比特翻轉器是將水平偏振光脈沖變成垂直偏振，將 垂直偏振光脈沖變成水平偏振；第一分束器、第二分束器將光脈沖分束成兩束相同的光脈 沖。
[0012] 作為優選，所述的第一量子信道、第二量子信道為光纖、光波導或自由空間。
[0013] 作為優選，所述的光源為由內調制和外調制斬波方法得到的光脈沖、經衰減器衰 減后的激光脈沖光源、經衰減器衰減后的量子點單光子源或經衰減器衰減后的預報單光子 源。
[0014] 本實用新型中，；第一單光子探測器、第二單光子探測器、第=單光子探測器、第四 單光子探測器用于探測單光子脈沖。
[0015] 本實用新型的有益效果是；方案結構簡單，不需要預先制備和分發復雜和高保真 的G監糾纏態，也不需要使用=個獨立光子源產生的單光子進行一高難度的完美干設而進 行后選擇的S光子G監態測量，安全成碼率與普通的量子密鑰分發的BB84協議的成碼率在 相同信道衰減下基本