一种基于B92协议的逆向调制自由空间QKD系统

一种基于b92协议的逆向调制自由空间qkd系统
技术领域
1.本发明涉及量子密码与光通信领域，特别是涉及一种基于b92协议的逆向调制自由空间qkd系统。


背景技术：

2.量子密钥分发(qkd)基于量子力学原理保证密钥分发的安全性。该技术最早由bennett和brassard于1984年在一场会议上提出。而会议上所提出的使用两对非正交基实现量子密钥分发的方法也被称为bb84协议。在1992年，bennett 由提出了一种与bb84协议相似的b92协议。该协议通过使用任意两个非正交的偏振态实现量子密钥的分发。
3.根据密钥传输的不同信道，可以分为光纤qkd和自由空间qkd系统。光纤 qkd实现简单，能够实现地面通信站之间端到端的通信。但由于光纤的固有损耗，通信距离难以达到千公里级，很难实现广域的量子保密通信应用。自由空间qkd 的自由空间链路衰减远小于光纤，能够实现上千公里的通信。基于卫星-地面的量子密钥分发技术能够实现洲际的量子保密通信，并且自由空间qkd灵活的链路还适用于飞机、汽车等移动平台。这些是光纤qkd无法比拟的优势。
4.传统的自由空间qkd系统需要通信双方都配备复杂的通信设备和atp (acquisition、tracking and pointing)设备，终端体积大、能耗高、成本高。逆向调制自由空间qkd作为一种新型的自由空间qkd系统，具有非对称式的光通信系统结构。通信一方负责光信号的产生与量子信号的测量，被称为询问端，通信的另一方通过逆向调制技术负责信号的调制，被称为逆向调制端。询问端与传统的自由空间qkd系统的通信终端相似。而逆向调制端的设备简单，它不需要配备复杂庞大的atp系统，也不需要高性能的量子态测量系统，大大降低了设备的成本、重量和能耗。逆向调制自由空间qkd技术大大降低了自由空间qkd系统的应用门槛，可广泛应用于微小卫星量子网络、无人机通信等场景。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种新型的基于b92协议的逆向调制量子密钥分发系统，该系统基于垂直偏振态叠加的原理，通过强度调制的方式实现对信号的偏振调制，解决了不被需要的信号噪声的泄露问题。通过高速的多量子阱强度调制器实现了高速的偏振调制。该系统结合了高速多量子阱强度调制器与逆向调制量子密钥分发技术，以极低的设备成本实现了较高调制速率自由空间量子密钥分发，为推动全球化的量子网络与用户端的移动加密通信应用发展做出了贡献。
6.为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
7.一种基于b92协议的逆向调制自由空间qkd系统，包括询问端、自由空间信道和逆向调制端；所述询问端和逆向调制端通过自由空间信道进行量子密钥分发；
8.所述询问端包括信号产生模块和信号测量模块；所述信号产生模块包括脉冲激光器、四分之一波片、第一分束器和第一光学天线；所述脉冲激光器、四分之一波片、第一分束
器、第一光学天线依次连接，所述第一分束器与所述信号测量模块连接；
9.所述逆向调制端包括相互连接的第二光学天线和信号调制模块；
10.所述第一光学天线与第二光学天线通过自由空间信道连接；
11.所述脉冲激光器产生一系列的垂直线偏振脉冲信号，经过四分之一波片变成右旋圆偏振信号，信号通过第一分束器分成两束信号，一束为透射信号，一束反射信号；透射信号作为询问信号经过第一光学天线，并通过自有空间信道传输到逆向调制端；
12.所述逆向调制端通过第二光学天线接收询问端发送的询问信号，经信号调制模块调制后，依次通过第二光学天线和自由空间信道反向传输回询问端；
13.所述询问端的第一光学天线接收到反射信号后传输到第一分束器，经第一分束器反射后进入信号测量模块进行偏振态测量。
14.优选地，所述四分之一波片的快轴与入射信号的偏振方向成45
°
角；用琼斯矢量与琼斯矩阵表示即为
[0015][0016]
其中，是光轴方向为45
°
的四分之一波片的琼斯矩阵；为垂直线偏振态的琼斯矢量；e
′
为垂直线偏振信号经过所述四分之一波片后的输出信号，e0为光场振幅。
[0017]
优选地，所述第一分束器为10：90分束器；第一分束器将入射信号分成透射信号和反射信号；所述透射信号强度为入射信号强度的10％，反射信号强度为入射信号强度的90％。
[0018]
优选地，所述信号测量模块包括第一半波片、第二分束器、对角基测量单元和直角基测量单元；所述第一半波片与所述第一分束器和第二分束器连接；所述第二分束器与所述对角基测量单元和直角基测量单元连接；所述第一半波片的光轴通过旋转电机调节其方向，可将任意θ和θ 45
°
线偏振的入射信号分别转换成45
°
和0
°
线偏振的输出信号；
[0019]
所述对角基测量单元包括第二半波片、第一偏振分束器、第一单光子探测器和第二单光子探测器；所述第二半波片与所述第一偏振分束器和第二分束器连接；所述第一偏振分束器与第一单光子探测器和第二单光子探测器连接；
[0020]
所述直角基测量单元包括与第二分束器连接的第二偏振分束器以及与所述第二偏振分束器连接的第三单光子探测器和第四单光子探测器。
[0021]
优选地，所述询问端的第一光学天线接收到反射信号后传输到第一分束器，经过第一分束器反射后，进入到第一半波片进行偏振补偿，原非对角基或非直角基的信号，经过偏振补偿后转换对角基或直角基信号；经过偏振补偿后的信号入射到第二分束器，入射到第二分束器的信号有50％的概率透射和50％的概率反射；
[0022]
当输入第二分束器的信号被反射时，经过第二半波片进行基矢转换后输入到第一偏振分束器，输入信号的水平偏振分量会从第一偏振分束器透射，入射到第一单光子探测器引起响应；输入信号的垂直偏振分量会从第一偏振分束器反射，入射到单光子探测器引起响应；
[0023]
当入射到第二分束器的信号透射时，会经过偏振分束器，输入的信号的水平偏振
分量会从偏振分束器透射，入射到第四单光子探测器引起响应；输入信号的垂直偏振分量会从偏振分束器反射，入射到第三单光子探测器引起响应。
[0024]
优选地，所述信号调制模块包括第一强度调制器、第三偏振分束器以及与第三偏振分束器连接的水平分量逆向调制单元和垂直分量逆向调制单元；
[0025]
所述水平分量逆向调制单元包括依次连接第一正透镜、第二强度调制器和第一反射镜；
[0026]
所述垂直分量逆向调制单元包括依次连接第二正透镜、第三强度调制器和第二反射镜；
[0027]
所述第一正透镜和第二正透镜与所述第三偏振分束器连接；
[0028]
所述第二光学天线将接收到的询问信号发送到所述第一强度调制器进行强度调制后，入射到第三偏振分束器，入射信号为右旋圆偏振的信号，经过第三偏振分束器之后分成透射信号和反射信号，所述透射信号为水平线偏振信号，信号强度为入射信号的一半；反射信号为垂直线偏振信号，信号强度为入射信号的一半。
[0029]
优选地，所述第一强度调制器为多量子阱调制器，所述多量子阱调制器为电调制吸收型光强度调制器，所述第一强度调制器输出信号强度为输入信号强度的 m倍；m为第一强度调制器的调制效率，其数值小于1。
[0030]
优选地，所述水平线偏振信号经过第一正透镜聚焦到第二强度调制器上进行强度调制，出射光束被第一反射镜反射，然后该光束第二次反向经过第二强度调制器进行强度调制，最终反向通过第一正透镜输出；最终从第一正透镜反向输出的信号偏振态与从第一正透镜正向输入的信号相同，传输方向平行且相反；从第一正透镜反向输出的信号强度为从第一正透镜正向输入的信号强度的m
12
倍；第二强度调制器为多量子阱调制器；m1为第二强度调制器的调制效率，其数值小于 1。
[0031]
优选地，所述垂直线偏振信号经过第二正透镜聚焦到第三强度调制器上进行强度调制，出射光束被第二反射镜反射，然后该光束第二次反向经过第三强度调制器进行强度调制，最终反向通过第二正透镜输出，最终从第二正透镜反向输出的信号偏振态与从第二正透镜正向输入的信号相同，传输方向平行且相反，从第二正透镜输出的信号强度为从第二正透镜正向输入的信号强度的m
22
倍，第三强度调制器为与第二度调制器完全相同的多量子阱调制器，m2为第三强度调制器的调制效率，其数值小于1。
[0032]
优选地，从所述第一正透镜反向输出的水平线偏振信号，进入第三偏振分束器透射；从所述第二正透镜反向输出的垂直线偏振信号，进入第三偏振分束器反射；所述水平线偏振信号与垂直线偏振信号合束，两束信号的强度比值为m
12
：m
22
，所述水平线偏振信号和垂直线偏振信号之间的相位差为2nπ，合束信号由琼斯矢量表示为
[0033][0034]
与现有技术相比，本发明取得的有益效果为：
[0035]
本发明提供了一种新型的基于b92协议的逆向调制量子密钥分发系统，该系统基于垂直偏振态叠加的原理，通过强度调制的方式实现对信号的偏振调制，解决了不被需要的信号噪声的泄露问题。通过高速的多量子阱强度调制器实现了高速的偏振调制。该系统结合了高速多量子阱强度调制器与逆向调制量子密钥分发技术，以极低的设备成本实现了
较高调制速率自由空间量子密钥分发，为推动全球化的量子网络与用户端的移动加密通信应用发展做出了贡献。
附图说明
[0036]
图1为本发明提供的逆向调制自由空间qkd系统的系统示意图；
[0037]
图2为本发明提供的逆向调制自由空间qkd系统的整体装置图；
[0038]
图3为本发明提供的逆向调制自由空间qkd系统中询问端的装置图；
[0039]
图4为本发明提供的逆向调制自由空间qkd系统中逆向调制端的装置图；
[0040]
图5为本发明提供的逆向调制自由空间qkd系统中系统工作流程图；
[0041]
附图标记说明：
[0042]
1询问端，2自由空间信道，3逆向调制端，4对角基测量单元，5直角基测量单元，6水平分量逆向调制单元，7垂直分量逆向调制单元；
[0043]
01脉冲激光器，02四分之一波片，03第一分束器，04第一半波片，05第二分束器，06第二半波片，07第一偏振分束器，08第二偏振分束器，09第一单光子探测器，10第二单光子探测器，11第三单光子探测器，12第四单光子探测器， 13第一光学天线，14第二光学天线，15第一强度调制器，16第三偏振分束器，17第一正透镜，18第二正透镜，19第二强度调制器，20第三强度调制器，21 第一反射镜，22第二反射镜。
具体实施方式
[0044]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明，但本发明要求保护的范围并不局限于下述具体实施例。
[0045]
如图1至图5所示，一种基于b92协议的逆向调制自由空间qkd系统，包括询问端1、自由空间信道2和逆向调制端3；所述询问端1和逆向调制端3通过自由空间信道2进行连接；
[0046]
所述询问端1包括相互连接的信号产生模块和信号测量模块；所述信号产生模块包括脉冲激光器01、四分之一波片02、第一分束器03和第一光学天线13；所述脉冲激光器01、四分之一波片02、第一分束器03、第一光学天线13依次连接，所述第一分束器03与所述信号测量模块连接；
[0047]
所述信号测量模块包括第一半波片04、第二分束器05、对角基测量单元4 和直角基测量单元5；所述第一半波片04与所述第一分束器03和第二分束器05 连接；所述第二分束器05与所述对角基测量单元和直角基测量单元5连接。
[0048]
所述对角基测量单元4包括第二半波片06、第一偏振分束器07第一单光子探测器09和第二单光子探测器10，所述第二半波片06与第一偏振分束器07和第二分束器05连接；所述第一偏振分束器07与第一单光子探测器09和第二单光子探测器10连接；
[0049]
所述直角基测量单元5包括与第二分束器05连接的第二偏振分束器08以及与所述第二偏振分束器08连接的第三单光子探测器11和第四单光子探测器12。
[0050]
所述逆向调制端3包括相互连接的第二光学天线14和信号调制模块；所述第一光学天线13与第二光学天线14通过自由空间信道2连接；
[0051]
所述信号调制模块包括第一强度调制器15、第三偏振分束器16以及与第三偏振分束器16连接的水平分量逆向调制单元6和垂直分量逆向调制单元7；
[0052]
所述水平分量逆向调制单元6包括依次连接第一正透镜17、第二强度调制器19和第一反射镜21；
[0053]
所述垂直分量逆向调制单元7包括依次连接第二正透镜18、第三强度调制器20和第二反射镜22；
[0054]
所述第一正透镜17和第二正透镜18与所述第三偏振分束器16连接。
[0055]
所述脉冲激光器01产生一系列的脉冲信号；该信号为垂直线偏振态的经典脉冲光信号，经过所述四分之一波片02变成右旋圆偏振信号。所述四分之一波片的快轴与入射信号的偏振方向成45
°
角；用琼斯矢量与琼斯矩阵表示即为
[0056][0057]
其中，是光轴方向为45
°
的四分之一波片的琼斯矩阵；为垂直线偏振态的琼斯矢量；e
′
为垂直线偏振信号经过光轴方向为45
°
的所述四分之一波片后的输出信号，e0为光场振幅。
[0058]
所述右旋圆偏振信号通过第一分束器03分成两束信号，一束为透射信号，一束为反射信号。分束器03为10：90分束器。透射信号强度为入射信号强度的 10％，反射信号强度为入射信号强度的90％。舍弃反射信号。透射信号作为询问信号经过光学天线13，通过自由空间信道2传输到逆向调制端。
[0059]
逆向调制端3通过光学天线14接收询问端1发送的询问信号。询问信号首先经过第一强度调制器15进行强度调制。输出信号偏振态与输入信号相同，输出信号强度为输入信号强度的m倍。m为第一强度调制器15的调制效率，其数值小于1。
[0060]
第一强度调制器15为多量子阱调制器，所述多量子阱调制器为电调制吸收型光强度调制器。
[0061]
信号随后入射到第三偏振分束器16。入射信号为右旋圆偏振的信号，经过第三偏振分束器16之后。透射信号为水平线偏振信号，信号强度为入射信号的一半。反射信号为垂直线偏振信号，信号强度为入射信号的一半。
[0062]
经过第三偏振分束器16透射的水平线偏振分量经过第一正透镜17会聚到第二强度调制器19上进行强度调制，出射光束被第一反射镜21反射。然后该光束第二次反向经过第二强度调制器19进行强度调制，最终反向通过正透镜17输出。最终从第一正透镜17反向输出的信号偏振态与从第一正透镜17正向输入的信号相同，传输方向平行且相反。从第一正透镜17反向输出的信号强度为从第一正透镜17正向输入的信号强度的m
12
倍。第二强度调制器19为多量子阱调制器。m1为第二强度调制器19的调制效率，其数值小于1。
[0063]
第一反射镜21紧密贴合第二强度调制器19的背面，可近似认为第二强度调制器19和第一反射镜21位于同一平面，且该平面与第一正透镜17的焦平面重合。
[0064]
经过第三偏振分束器反射的垂直线偏振分量经过第二正透镜18会聚到第三强度调制器20上进行强度调制，出射光束被第二反射镜22反射。然后该光束第二次反向经过第三强度调制器20进行强度调制，最终反向通过第二正透镜18 输出，最终从第二正透镜18反向输出的信号偏振态与从第二正透镜18正向输入的信号相同，传输方向平行且相反。从第二正透镜18反向输出的信号强度为从第二正透镜18正向输入的信号强度的m
22
倍，第三强度
调制器20为与第二强度调制器19完全相同的多量子阱调制器，m2为第三强度调制器20的调制效率，其数值小于1。
[0065]
第二反射镜22紧密贴合第三强度调制器20的背面，可近似认为第三强度调制器20和第二反射镜22位于同一平面，且该平面与第二正透镜18的焦平面重合。
[0066]
从所述第一正透镜反向输出的水平线偏振信号，进入第三偏振分束器透射；从所述第二正透镜反向输出的垂直线偏振信号，进入第三偏振分束器反射；所述水平线偏振信号与垂直线偏振信号合束，两束信号的强度比值为m
12
：m
22
，所述水平线偏振信号和垂直线偏振信号之间的相位差为2nπ，合束之后的输出信号为线偏振信号，合束信号用琼斯矢量表示为
[0067][0068]
线偏振的光轴ψ满足ψ＝arctan(m2/m1)。通过控制m2/m1的值，来输出ψ＝22.5
°
和67.5
°
的线偏振。
[0069]
经过第三偏振分束器16合束之后的信号反向经过第一强度调制器15进行强度调制，输出信号强度为输入信号强度的m倍。询问信号被第一强度调制器15 调制了两次。通过控制调制效率m实现信号在信号态、诱惑态或真空态之间的选择。
[0070]
最终从第一强度调制器15输出的信号为22.5
°
或67.5
°
线偏振的量子信号。该信号通过第二光学天线14，经自由空间信道2传输回询问端1，被的第一光学天线13接收。由于自由空间信道2几乎不改变信号的偏振态，因此反射信号依然是线偏振态。但由于询问端1和逆向调制端3的相对空间位置与姿态并不固定。询问端1接收到的反射信号并不一定是22.5
°
或67.5
°
线偏振，而是θ或θ 45
°
线偏振(其中θ为[0，360)，θ由询问端1和逆向调制端3的相对空间位置与姿态决定)。
[0071]
所述反射信号首先会传输到第一分束器03。信号有10％的概率经过第一分束器03透射，透射的信号为选择舍弃掉的无效信号；有90％的概率经过第一分束器03反射，进行后续的偏振态测量。
[0072]
经过第一分束器03反射的信号首先经过第一半波片04偏振补偿，原非对角基或非直角基的信号，经过偏振补偿后转换对角基或直角基信号。第一半波片 04的光轴可以通过旋转电机控制。通过调节第一半波片04光轴的方向，能够将θ和θ 45
°
线偏振的输入信号分别转换成45
°
和0
°
线偏振的输出信号。
[0073]
所述第二分束器05为50：50分束器。经过偏振补偿后的信号入射到第二分束器05，第二分束器05时，有50％的概率透射和50％的概率反射。
[0074]
当输入第二分束器05的信号被反射时，会进入对角基测量单元4。反射的信号先经过第二半波片06。第二半波片06的光轴与水平偏振态的夹角为22.5
°
。输入的直角基信号会转换为对角基信号，输入的对角基信号会转换为直角基信号。
[0075]
从第二半波片06输出的信号会输入到第一偏振分束器07。输入信号的水平偏振分量会从第一偏振分束器07透射，入射到第一单光子探测器09引起响应。输入信号的垂直偏振分量会从第一偏振分束器07反射，入射到单光子探测器10 引起响应。
[0076]
当入射到第二分束器05的信号透射时，会进入直角基测量单元5。透射的信号会经过偏振分束器08。输入到偏振分束器08的信号的水平偏振分量会从偏振分束器08透射，入
射到第四单光子探测器12引起响应。输入信号的垂直偏振分量会从偏振分束器08反射，入射到第三单光子探测器11引起响应。
[0077]
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内，包括但不限于：将两个强度调制器更改成一个强度调制器加一个固定光衰减器；将两个强度调制器更改成单个具有偏振相关性的强度调制器等方式。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。