本發(fā)明涉及光傳輸保密通信技術(shù)領(lǐng)域,尤其涉及一種偏振和相位糾纏編碼方法、裝置和量子密鑰分配系統(tǒng)。
背景技術(shù):
實(shí)現(xiàn)廣域量子保密通信的主要技術(shù)途徑之一是,建立天基量子保密通信衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和地面城域/城際量子保密通信光纖網(wǎng)絡(luò),通過(guò)自由空間信道量子衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)連接地面光纖信道各城域/城際量子保密通信網(wǎng)絡(luò)的主要節(jié)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)廣域量子保密通信。廣域量子保密通信系統(tǒng),編碼的光量子需要在自由空間和光纖兩種信道傳輸,并且在到達(dá)通信雙方前的傳輸過(guò)程中不能被探測(cè)。光量子偏振編碼是自由空間信道量子密鑰分配采用的主要編碼方式,光量子相位編碼和偏振編碼是光纖信道量子密鑰分配采用的兩種主要編碼方式。光纖信道采用相位編碼,尤其是采用不等臂法拉第-邁克爾遜干涉儀相位編碼,能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)境干擾免疫的光纖信道量子密鑰分配系統(tǒng),具備穩(wěn)定、長(zhǎng)程的量子密鑰分配能力。若在自由空間信道采用偏振編碼、在光纖信道采用相位編碼,則需要實(shí)現(xiàn)偏振編碼與相位編碼之間的轉(zhuǎn)換。目前,量子保密通信中偏振編碼與相位編碼之間的轉(zhuǎn)換方法鮮有報(bào)道。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明的主要目的在于提出一種偏振和相位糾纏編碼方法、裝置和量子密鑰分配系統(tǒng),用以解決基于糾纏光子對(duì)的量子密鑰分配系統(tǒng)的偏振編碼轉(zhuǎn)換為相位編碼的難題,實(shí)現(xiàn)偏振和相位糾纏的難題,以及建立可應(yīng)用于自由空間和光纖混合信道的偏振和相位糾纏量子密鑰分配系統(tǒng)的難題。
為實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明提供了一種偏振和相位糾纏編碼方法,所述方法包括:
將偏振糾纏光源產(chǎn)生的偏振糾纏光子對(duì)中的第一光子由偏振編碼轉(zhuǎn)換為相位編碼;
將轉(zhuǎn)換為相位編碼的第一光子與所述偏振糾纏光子對(duì)中的第二光子形成偏振和相位糾纏光子對(duì);其中,所述第二光子為偏振編碼;
將第一光子由偏振編碼轉(zhuǎn)換為相位編碼的方法,包括:
通過(guò)偏振分束器將第一光子分束為在兩條子光路上傳輸?shù)墓庾?,通過(guò)分別設(shè)置于所述兩條子光路上的相位編碼器,對(duì)在所述兩條子光路上傳輸?shù)墓庾舆M(jìn)行相位編碼,并通過(guò)合束器將經(jīng)過(guò)相位編碼后的在所述兩條子光路上傳輸?shù)墓庾雍鲜鵀橐粭l光路輸出的光子,所述合束為一條光路輸出的光子有確定的偏振態(tài)。
可選的,所述分別設(shè)置于所述兩條子光路上的相位編碼器編碼的相位相差180度。
可選的,在所述兩條子光路上傳輸?shù)墓庾油降竭_(dá)所述合束器,并合束為一條光路輸出的光子。
可選的,所述偏振分束器的正交基的本征態(tài)與所述第一光子的正交偏振態(tài)相同,所述偏振分束器將所述第一光子的正交偏振態(tài)分束到所述兩條子光路上。
可選的,當(dāng)入射至所述合束器的在所述兩條子光路上傳輸?shù)墓庾拥钠駪B(tài)相同時(shí),所述合束器采用偏振無(wú)關(guān)合束器;
當(dāng)入射至所述合束器的在所述兩條子光路上傳輸?shù)墓庾拥钠駪B(tài)為正交偏振態(tài)時(shí),所述合束器采用偏振無(wú)關(guān)合束器或偏振合束器;當(dāng)所述合束器采用偏振合束器時(shí),在所述兩條子光路上傳輸?shù)墓庾拥恼黄駪B(tài)為所述偏振合束器的正交基的本征態(tài)。
可選的,所述相位編碼器采用以下任意一種:不等臂馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x、不等臂邁克爾遜干涉儀、不等臂法拉第-邁克爾遜干涉儀。
可選的,當(dāng)所述相位編碼器采用不等臂邁克爾遜干涉儀或不等臂法拉第-邁克爾遜干涉儀時(shí),所述偏振合束器與所述偏振分束器為同一器件。
可選的,控制所述合束為一條光路輸出的光子有確定的偏振態(tài)的方法包括:
在所述合束器之后設(shè)置起偏器;或者,
在所述偏振分束器和所述合束器之間的兩條子光路上分別設(shè)置起偏器;或者,
在所述偏振分束器和所述合束器之間的一條或兩條子光路上設(shè)置偏振控制器。
可選的,所述偏振分束器、所述相位編碼器、所述合束器、所述偏振控制器、所述起偏器以及傳導(dǎo)光使用的分立器件和波導(dǎo)器件均為偏振控制型器件,對(duì)光路中光子的偏振態(tài)進(jìn)行控制,使得所述合束為一條光路輸出的光子有確定的偏振態(tài)。
此外,為實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明還提供一種偏振和相位糾纏編碼裝置,包括:偏振分束器、合束器和相位編碼器;
所述偏振分束器用于將偏振糾纏光源產(chǎn)生的偏振糾纏光子對(duì)中的第一光子分束為在兩條子光路上傳輸?shù)墓庾樱?/p>
所述相位編碼器分別設(shè)置于所述兩條子光路上,所述相位編碼器用于對(duì)在所述兩條子光路上傳輸?shù)墓庾舆M(jìn)行相位編碼;
所述合束器用于將經(jīng)過(guò)相位編碼后的在所述兩條子光路上傳輸?shù)墓庾雍鲜鵀橐粭l光路輸出的光子。
可選的,所述分別設(shè)置于所述兩條子光路上的相位編碼器編碼的相位相差180度。
可選的,在所述兩條子光路上傳輸?shù)墓庾油降竭_(dá)所述合束器,并合束為一條光路輸出的光子。
可選的,所述偏振分束器的正交基的本征態(tài)與所述第一光子的正交偏振態(tài)相同,所述偏振分束器將所述第一光子的正交偏振態(tài)分束到所述兩條子光路上。
可選的,當(dāng)入射至所述合束器的在所述兩條子光路上傳輸?shù)墓庾拥钠駪B(tài)相同時(shí),所述合束器采用偏振無(wú)關(guān)合束器;
當(dāng)入射至所述合束器的在所述兩條子光路上傳輸?shù)墓庾拥钠駪B(tài)為正交偏振態(tài)時(shí),所述合束器采用偏振無(wú)關(guān)合束器或偏振合束器;當(dāng)所述合束器采用偏振合束器時(shí),在所述兩條子光路上傳輸?shù)墓庾拥恼黄駪B(tài)為所述偏振合束器的正交基的本征態(tài)。
可選的,所述相位編碼器采用以下任意一種:不等臂馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x、不等臂邁克爾遜干涉儀、不等臂法拉第-邁克爾遜干涉儀。
可選的,當(dāng)所述相位編碼器采用不等臂邁克爾遜干涉儀或不等臂法拉第-邁克爾遜干涉儀時(shí),所述偏振合束器與所述偏振分束器為同一器件。
可選的,所述裝置還包括:起偏器或偏振控制器;所述起偏器或偏振控制器用于控制所述合束為一條光路輸出的光子有確定的偏振態(tài);
當(dāng)所述裝置包括起偏器時(shí),所述起偏器設(shè)置于所述合束器之后,或者所述起偏器分別設(shè)置于所述偏振分束器和所述合束器之間的兩條子光路上;
當(dāng)所述裝置包括偏振控制器時(shí),所述偏振控制器設(shè)置于所述偏振分束器和所述合束器之間的一條或兩條子光路上。
可選的,所述偏振分束器、所述相位編碼器、所述合束器、所述偏振控制器、所述起偏器以及傳導(dǎo)光使用的分立器件和波導(dǎo)器件均為偏振控制型器件,對(duì)光路中光子的偏振態(tài)進(jìn)行控制,使得所述合束為一條光路輸出的光子有確定的偏振態(tài)。
此外,為實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明還提供一種量子密鑰分配系統(tǒng),包括:偏振糾纏光源、相位解碼器、偏振解碼器、單光子探測(cè)器和上述介紹的偏振和相位糾纏編碼裝置;
所述偏振糾纏光源用于產(chǎn)生偏振糾纏光子對(duì);
所述偏振和相位糾纏編碼裝置用于將所述偏振糾纏光子對(duì)中的第一光子由偏振編碼轉(zhuǎn)換為相位編碼;
所述相位解碼器用于對(duì)轉(zhuǎn)換為相位編碼的第一光子進(jìn)行解碼操作;
所述偏振解碼器用于對(duì)所述偏振糾纏光子對(duì)中的第二光子進(jìn)行解碼操作;其中,所述第二光子為偏振編碼;
所述單光子探測(cè)器用于對(duì)由所述相位解碼器和所述偏振解碼器輸出的光子進(jìn)行檢測(cè),并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果以及量子密鑰分配協(xié)議進(jìn)行量子密鑰分配。
可選的,所述相位解碼器中設(shè)置的相位與所述偏振和相位糾纏編碼裝置中任意一個(gè)相位編碼器設(shè)置的相位一致或者相差90度,并按量子密鑰分配協(xié)議進(jìn)行相位調(diào)制。
可選的,所述系統(tǒng)還包括:量子信道;
所述量子信道用于傳輸光子;所述量子信道由至少以下一種組成:光波導(dǎo)、光纖、自由空間、分立光學(xué)元件、平面波導(dǎo)光學(xué)元件、纖維光學(xué)元件。
可選的,所述偏振糾纏光源與所述偏振和相位糾纏編碼裝置之間的量子信道,以及所述偏振糾纏光源與所述偏振解碼器之間的量子信道均為非消偏振量子信道。
可選的,所述系統(tǒng)還包括:偏振無(wú)關(guān)分束器;
所述偏振無(wú)關(guān)分束器用于接收由所述偏振和相位糾纏編碼裝置發(fā)送來(lái)的光子,并將所述偏振和相位糾纏編碼裝置發(fā)送來(lái)的光子等概率的分束至兩個(gè)相位解碼器中;
所述偏振無(wú)關(guān)分束器還用于接收所述偏振糾纏光源發(fā)送來(lái)的第二光子,并將所述第二光子等概率的分束至兩個(gè)偏振解碼器中。
可選的,所述相位解碼器采用以下任意一種:不等臂馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x、不等臂邁克爾遜干涉儀、不等臂法拉第-邁克爾遜干涉儀。
可選的,當(dāng)所述相位解碼器采用不等臂馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x時(shí),所述相位解碼器的兩個(gè)輸出端口分別與單光子探測(cè)器連接;
當(dāng)所述相位解碼器采用不等臂邁克爾遜干涉儀或不等臂法拉第-邁克爾遜干涉儀時(shí),所述系統(tǒng)還包括:光環(huán)形器;
所述光環(huán)形器的第一端口接收所述偏振和相位糾纏編碼裝置或所述偏振無(wú)關(guān)分束器發(fā)送來(lái)的光子,所述光子從所述光環(huán)形器的第二端口輸出至所述相位解碼器,并通過(guò)所述相位解碼器發(fā)送至單光子探測(cè)器;所述光環(huán)形器的第二端口接收所述相位解碼器發(fā)送來(lái)的光子,并通過(guò)所述光環(huán)形器的第三端口輸出至另一個(gè)單光子探測(cè)器。
采用上述技術(shù)方案,本發(fā)明至少具有下列優(yōu)點(diǎn):
本發(fā)明所述的偏振和相位糾纏編碼方法、裝置和量子密鑰分配系統(tǒng),將偏振糾纏光子對(duì)中的第一光子的偏振編碼轉(zhuǎn)換為相位編碼,以實(shí)現(xiàn)所述偏振糾纏光子對(duì)中的第二光子與所述轉(zhuǎn)換為相位編碼的第一光子形成偏振和相位糾纏光子對(duì)?;谄窈拖辔患m纏編碼裝置組成的量子密鑰分配系統(tǒng)可充分利用不同編碼在不同信道中的傳輸優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)不同信道傳輸時(shí),光子由偏振編碼轉(zhuǎn)換為相位編碼,為建立天地一體化的廣域量子保密通信網(wǎng)絡(luò)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。例如,通過(guò)偏振和相位糾纏編碼裝置產(chǎn)生的偏振和相位糾纏光子對(duì),光子對(duì)中偏振編碼的光子在自由空間信道傳輸,相位編碼的光子在光纖信道傳輸,可實(shí)現(xiàn)自由空間和光纖混合信道量子密鑰分配。再例如,偏振和相位糾纏光子對(duì)中一個(gè)偏振編碼的光子在自由空間信道傳輸,另一個(gè)偏振編碼的光子在自由空間傳輸一段距離后耦合進(jìn)入光纖信道傳輸,該光子在空間信道傳輸時(shí)采用偏振編碼,由空間信道耦合至光纖信道時(shí)進(jìn)行偏振編碼轉(zhuǎn)相位編碼,轉(zhuǎn)換為相位編碼后在光纖信道傳輸。本發(fā)明方法簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn),可有效解決糾纏光源偏振編碼轉(zhuǎn)換為相位編碼,實(shí)現(xiàn)偏振和相位糾纏,以及實(shí)現(xiàn)應(yīng)用于自由空間和光纖混合信道的量子糾纏分發(fā)和量子密鑰分配等難題。
附圖說(shuō)明
圖1為本發(fā)明第一實(shí)施例的偏振和相位糾纏編碼方法的流程圖;
圖2為本發(fā)明第二實(shí)施例的偏振和相位糾纏編碼裝置的組成結(jié)構(gòu)示意圖;
圖3為本發(fā)明第三實(shí)施例的偏振和相位糾纏編碼裝置的組成結(jié)構(gòu)示意圖;
圖4為本發(fā)明第四實(shí)施例的偏振和相位糾纏編碼裝置的組成結(jié)構(gòu)示意圖;
圖5為本發(fā)明第五實(shí)施例的偏振和相位糾纏編碼裝置的組成結(jié)構(gòu)示意圖;
圖6為本發(fā)明第六實(shí)施例的偏振和相位糾纏編碼裝置的組成結(jié)構(gòu)示意圖;
圖7為本發(fā)明第七實(shí)施例的偏振和相位糾纏編碼裝置的組成結(jié)構(gòu)示意圖;
圖8為本發(fā)明第八實(shí)施例的偏振和相位糾纏編碼裝置的組成結(jié)構(gòu)示意圖;
圖9為本發(fā)明第九實(shí)施例的不等臂馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x的組成結(jié)構(gòu)示意圖;
圖10為本發(fā)明第十實(shí)施例的不等臂邁克爾遜干涉儀的組成結(jié)構(gòu)示意圖;
圖11為本發(fā)明第十一實(shí)施例的不等臂法拉第-邁克爾遜干涉儀的組成結(jié)構(gòu)示意圖;
圖12和13為本發(fā)明第十二實(shí)施例的量子密鑰分配系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖來(lái)具體描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例,其中,附圖構(gòu)成本申請(qǐng)一部分,并與本發(fā)明的實(shí)施例一起用于闡釋本發(fā)明的原理。為了清楚和簡(jiǎn)化目的,當(dāng)其可能使本發(fā)明的主題模糊不清時(shí),將省略本文所描述的器件中已知功能和結(jié)構(gòu)的詳細(xì)具體說(shuō)明。
本發(fā)明實(shí)施例的主要目的是提供一種偏振和相位糾纏編碼方法、根據(jù)該方法構(gòu)造的偏振和相位糾纏編碼裝置,以及由這種編碼裝置組成的量子密鑰分配系統(tǒng)。本發(fā)明將糾纏光源產(chǎn)生的偏振糾纏光子對(duì)中的第一光子由偏振編碼轉(zhuǎn)換為相位編碼。將第一光子由偏振編碼轉(zhuǎn)換為相位編碼的方法為:通過(guò)偏振分束器將第一光子分束為在兩條子光路上傳輸?shù)墓庾?,?duì)在所述兩條子光路上傳輸?shù)墓庾臃謩e進(jìn)行相位編碼調(diào)制,再將在兩條子光路上傳輸?shù)墓庾雍鲜鵀橐粭l光路輸出的光子,并使所述合束為一條光路輸出的光子有確定的偏振態(tài)。將轉(zhuǎn)換為相位編碼的第一光子與所述偏振糾纏光子對(duì)中的第二光子形成偏振和相位糾纏光子對(duì)。利用不同編碼在不同信道中的傳輸優(yōu)勢(shì),建立滿足不同信道傳輸需求的量子密鑰分配系統(tǒng)。該方法簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)。
下面就通過(guò)幾個(gè)具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
本發(fā)明第一實(shí)施例,一種偏振和相位糾纏編碼方法,如圖1所示,包括以下具體步驟:
步驟s101:將偏振糾纏光源產(chǎn)生的偏振糾纏光子對(duì)中的第一光子由偏振編碼轉(zhuǎn)換為相位編碼。
具體的,偏振糾纏光源產(chǎn)生一對(duì)偏振糾纏光子。偏振糾纏光子對(duì)的偏振態(tài)是一組正交偏振態(tài),常用的正交偏振態(tài)為水平和垂直極化的一組線偏振態(tài)、45度和-45度極化的一組線偏振態(tài)、左旋和右旋圓極化的一組圓偏振態(tài)。以水平和垂直極化的一組線偏振態(tài)為例,偏振糾纏光源產(chǎn)生的一對(duì)偏振糾纏光子是四個(gè)bell態(tài)
進(jìn)一步的,將第一光子由偏振編碼轉(zhuǎn)換為相位編碼的方法,包括:
通過(guò)偏振分束器將第一光子分束為在兩條子光路上傳輸?shù)墓庾?,通過(guò)分別設(shè)置于所述兩條子光路上的相位編碼器,對(duì)在所述兩條子光路上傳輸?shù)墓庾舆M(jìn)行相位編碼,并通過(guò)合束器將經(jīng)過(guò)相位編碼后的在所述兩條子光路上傳輸?shù)墓庾雍鲜鵀橐粭l光路輸出的光子,所述合束為一條光路輸出的光子有確定的偏振態(tài)。
其中,所述分別設(shè)置于所述兩條子光路上的兩個(gè)相位編碼器編碼的相位相差180度。
其中,在所述兩條子光路上傳輸?shù)墓庾油降竭_(dá)所述合束器,并合束為一條光路輸出的光子。
其中,所述偏振分束器的正交基的本征態(tài)與所述第一光子的正交偏振態(tài)相同,所述偏振分束器將所述第一光子的正交偏振態(tài)分束到所述兩條子光路上。
例如,常見(jiàn)的偏振分束器可對(duì)水平和垂直極化偏振態(tài)分別進(jìn)行透射和反射傳輸,對(duì)左右旋圓極化偏振態(tài)可使用90度玻片和半玻片轉(zhuǎn)換為水平和垂直極化偏振態(tài)后再入射至偏振分束器,對(duì)45度和-45度極化偏振態(tài)可使用半玻片轉(zhuǎn)換為水平和垂直極化偏振態(tài)后再入射至偏振分束器或者將對(duì)水平和垂直極化偏振態(tài)分別進(jìn)行透射和反射的偏振分束器旋轉(zhuǎn)45度。
其中,所述合束器包括:偏振無(wú)關(guān)合束器或偏振合束器;當(dāng)入射至所述合束器的在所述兩條子光路上傳輸?shù)墓庾拥钠駪B(tài)相同時(shí),所述合束器采用偏振無(wú)關(guān)合束器;當(dāng)入射至所述合束器的在所述兩條子光路上傳輸?shù)墓庾拥钠駪B(tài)為正交偏振態(tài)時(shí),所述合束器采用偏振無(wú)關(guān)合束器或偏振合束器;當(dāng)所述合束器采用偏振合束器時(shí),在所述兩條子光路上傳輸?shù)墓庾拥恼黄駪B(tài)為所述偏振合束器的正交基的本征態(tài)。
其中,所述相位編碼器采用以下任意一種:不等臂馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x、不等臂邁克爾遜干涉儀、不等臂法拉第-邁克爾遜干涉儀。
其中,當(dāng)所述相位編碼器采用不等臂邁克爾遜干涉儀或不等臂法拉第-邁克爾遜干涉儀時(shí),所述偏振合束器與所述偏振分束器為同一器件。
更進(jìn)一步的,所述合束為一條光路輸出的光子有確定的偏振態(tài),控制所述合束為一條光路輸出的光子有確定的偏振態(tài)的方法包括:
在所述合束器之后設(shè)置起偏器;或者,
在所述偏振分束器和所述合束器之間的兩條子光路上分別設(shè)置起偏器;或者,
在所述偏振分束器和所述合束器之間的一條或兩條子光路上設(shè)置偏振控制器。
此外,所述偏振分束器、所述相位編碼器、所述合束器、所述偏振控制器、所述起偏器以及傳導(dǎo)光使用的分立器件和波導(dǎo)器件均為偏振控制型器件,對(duì)光路中光子的偏振態(tài)進(jìn)行控制,使得所述合束為一條光路輸出的光子有確定的偏振態(tài)。
步驟s102:將轉(zhuǎn)換為相位編碼的第一光子與所述偏振糾纏光子對(duì)中的第二光子形成偏振和相位糾纏光子對(duì);其中,所述第二光子為偏振編碼。
在本實(shí)施例中偏振糾纏光源產(chǎn)生一對(duì)偏振糾纏光子,將偏振糾纏光子對(duì)中的任意一個(gè)光子入射至偏振分束器,偏振分束器將該光子分束為在兩條子光路上傳輸?shù)墓庾?,?duì)在兩條子光路上傳輸?shù)墓庾臃謩e通過(guò)相位編碼器進(jìn)行相位編碼,通過(guò)合束器將相位編碼后的在兩條子光路上傳輸?shù)墓庾雍鲜鵀橐粭l光路輸出的光子。在兩條子光路上分別設(shè)置的相位編碼器編碼的相位相差180度。為使合束后輸出的光子的偏振態(tài)與相位不關(guān)聯(lián),兩條子光路上傳輸?shù)墓庾雍鲜鵀橐粭l光路輸出的光子后有確定的偏振態(tài)。使兩條子光路上傳輸?shù)墓庾雍鲜筝敵鰰r(shí)有確定的偏振態(tài)的方法包括:將合束后輸出的光子經(jīng)過(guò)起偏器后輸出至傳輸?shù)牧孔有诺溃换蛘咴谄穹质骱秃鲜髦g的兩條子光路中放置起偏器,使兩條子光路的光子有相同的偏振態(tài)后合束輸出至傳輸?shù)牧孔有诺溃换蛘咴谄穹质髋c合束器之間的一條或兩條子光路中放置偏振控制器,將兩條子光路的光子調(diào)制為相同偏振態(tài)后合束輸出至傳輸?shù)牧孔有诺?。糾纏光源產(chǎn)生的糾纏光子對(duì)中的另一個(gè)光子保持偏振編碼不變,這樣就產(chǎn)生了偏振和相位糾纏光子對(duì),一個(gè)光子采用相位編碼,另一個(gè)光子采用偏振編碼。
本發(fā)明第二實(shí)施例,一種偏振和相位糾纏編碼裝置,如圖2所示,具體包括以下組成部分:偏振分束器201、兩個(gè)相位編碼器202和203,以及合束器204;
1)偏振分束器201用于將偏振糾纏光源產(chǎn)生的偏振糾纏光子對(duì)中的第一光子分束為在兩條子光路上傳輸?shù)墓庾印?/p>
具體的,偏振分束器201的正交基的本征態(tài)與所述第一光子的正交偏振態(tài)相同,偏振分束器201將所述第一光子的正交偏振態(tài)分束到所述兩條子光路上。
2)相位編碼器202和203分別設(shè)置于偏振分束器201和合束器204之間的兩條子光路上,相位編碼器202和203用于對(duì)在所述兩條子光路上傳輸?shù)墓庾舆M(jìn)行相位編碼。
具體的,相位編碼器202和相位編碼器203編碼的相位相差180度。
具體的,相位編碼器202和203對(duì)光子進(jìn)行相位編碼,相位編碼器202和203采用以下任意一種:不等臂馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x、不等臂邁克爾遜干涉儀、不等臂法拉第-邁克爾遜干涉儀。
3)合束器204用于將經(jīng)過(guò)相位編碼后的在所述兩條子光路上傳輸?shù)墓庾雍鲜鵀橐粭l光路輸出的光子。
具體的,合束器204包括:偏振無(wú)關(guān)合束器或偏振合束器;當(dāng)入射至合束器204的在所述兩條子光路上傳輸?shù)墓庾拥钠駪B(tài)相同時(shí),合束器204采用偏振無(wú)關(guān)合束器;當(dāng)入射至合束器204的在所述兩條子光路上傳輸?shù)墓庾拥钠駪B(tài)為一組正交的偏振態(tài)時(shí),合束器204為偏振無(wú)關(guān)合束器或偏振合束器;當(dāng)合束器204使用所述偏振合束器時(shí),在所述兩條子光路上傳輸?shù)墓庾拥恼黄駪B(tài)為所述偏振合束器的正交基的本征態(tài)。
進(jìn)一步的,相位編碼器202和203采用所述不等臂邁克爾遜干涉儀或所述不等臂法拉第-邁克爾遜干涉儀時(shí),偏振合束器204與偏振分束器201為同一個(gè)器件。
進(jìn)一步的,偏振分束器201分束后的在所述兩條子光路上傳輸?shù)墓庾油降竭_(dá)合束器204并合束為一路輸出。
進(jìn)一步的,將所述偏振糾纏光子對(duì)中的經(jīng)過(guò)偏振和相位糾纏編碼裝置的第一光子與所述偏振糾纏光子對(duì)中的第二光子形成偏振和相位糾纏光子對(duì)。
更進(jìn)一步的,所述裝置還包括:起偏器或偏振控制器;所述起偏器或偏振控制器用于控制所述合束為一條光路輸出的光子有確定的偏振態(tài);
當(dāng)所述裝置包括起偏器時(shí),所述起偏器設(shè)置于合束器204之后,或者所述起偏器分別設(shè)置于偏振分束器201和合束器204之間的兩條子光路上;或者
當(dāng)所述裝置包括偏振控制器時(shí),所述偏振控制器設(shè)置于偏振分束器201和合束器204之間的一條或兩條子光路上。
此外,偏振分束器201、相位編碼器202和203、合束器204、所述偏振控制器、所述起偏器以及傳導(dǎo)光使用的分立器件和波導(dǎo)器件均為偏振控制型器件,對(duì)光路中光子的偏振態(tài)進(jìn)行控制,使得所述合束為一條光路輸出的光子有確定的偏振態(tài)。
本發(fā)明第三實(shí)施例,一種偏振和相位糾纏編碼裝置,如圖3所示,具體包括以下組成部分:偏振分束器301、兩個(gè)相位編碼器302和305、兩個(gè)反射鏡303和304、合束器306,以及起偏器307。
偏振糾纏光源產(chǎn)生的偏振糾纏光子對(duì)中的任意一個(gè)光子輸入至偏振分束器301,偏振分束器301將入射光子的兩個(gè)正交偏振態(tài)分束到兩條子光路傳輸。一路經(jīng)過(guò)相位編碼器302進(jìn)行相位編碼后,通過(guò)反射鏡303反射至合束器306的一個(gè)輸入端口;另一路通過(guò)反射鏡304反射后,經(jīng)相位編碼器305進(jìn)行相位編碼并輸出至合束器306的另一個(gè)輸入端口。兩條子光路同步到達(dá)合束器306,合束器306將兩條子光路傳輸?shù)墓庾雍鲜筝敵鲋疗鹌?07。起偏器307使入射光子的兩個(gè)偏振態(tài)有相同的概率通過(guò)并輸出。合束器306可使用偏振合束器也可使用偏振無(wú)關(guān)合束器。反射鏡303和304用于調(diào)節(jié)光路的傳播方向,也可用波導(dǎo)器件替代進(jìn)行光子傳輸以及調(diào)節(jié)光路的傳播方向。偏振和相位糾纏編碼裝置中,傳導(dǎo)光使用的分立器件和波導(dǎo)器件、相位編碼器、偏振分束器、合束器、起偏器等均為偏振控制型器件。
本發(fā)明第四實(shí)施例,一種偏振和相位糾纏編碼裝置,如圖4所示,具體包括以下組成部分:偏振分束器401、兩個(gè)相位編碼器402和403,以及起偏器404。
糾纏光源產(chǎn)生的偏振糾纏光子對(duì)中的任意一個(gè)光子經(jīng)偏振分束器401的第一端口a輸入,偏振分束器401將入射光子的兩個(gè)正交偏振態(tài)分束到兩條子光路傳輸。一路由偏振分束器401的第三端口c輸出至相位編碼器402進(jìn)行相位編碼,經(jīng)反射后由相位編碼器402輸入端口輸出至偏振分束器401。另一路由偏振分束器401第四端口d輸出至相位編碼器403進(jìn)行相位編碼,經(jīng)反射后由相位編碼器403輸入端口輸出至偏振分束器401。相位編碼器402和403采用不等臂法拉第-邁克爾遜干涉儀。反射回來(lái)的兩路光子同步到達(dá)偏振分束器401合束為一路,并由偏振分束器401第二端口b輸出至起偏器404,起偏器404使入射光子的兩個(gè)偏振態(tài)有相同的概率通過(guò)并輸出。偏振和相位糾纏編碼裝置中,傳導(dǎo)光使用的分立器件和波導(dǎo)器件、相位編碼器、偏振分束器、起偏器等均為偏振控制型器件。
本發(fā)明第五實(shí)施例,一種偏振和相位糾纏編碼裝置,如圖5所示,具體包括以下組成部分:光環(huán)形器501、偏振分束器502、兩個(gè)相位編碼器503和504,以及起偏器505。
糾纏光源產(chǎn)生的偏振糾纏光子對(duì)中的任意一個(gè)光子經(jīng)光環(huán)形器501的第一端口a輸入,并經(jīng)光環(huán)形器501的第二端口b輸出至偏振分束器502。偏振分束器502將入射光子的兩個(gè)正交偏振態(tài)分束到兩條子光路傳輸。一路經(jīng)相位編碼器503進(jìn)行相位編碼,經(jīng)反射后由相位編碼器503的輸入端口輸出至偏振分束器502。另一路經(jīng)相位編碼器504進(jìn)行相位編碼,經(jīng)反射后由相位編碼器504的輸入端口輸出至偏振分束器502。相位編碼器503和504采用不等臂邁克爾遜干涉儀。反射回來(lái)的兩路光子同步到達(dá)偏振分束器502合束為一路,并經(jīng)偏振分束器502的輸入端口輸出至光環(huán)形器501的第二端口b,光環(huán)形器501將第二端口b輸入的光子傳輸至光環(huán)形器第三端口c并輸出至起偏器505,起偏器505使入射光子的兩個(gè)偏振態(tài)有相同的概率通過(guò)并輸出。偏振和相位糾纏編碼裝置中,傳導(dǎo)光使用的分立器件和波導(dǎo)器件、相位編碼器、偏振分束器、光環(huán)形器、起偏器等均為偏振控制型器件。
本發(fā)明第六實(shí)施例,一種偏振和相位糾纏編碼裝置,如圖6所示,具體包括以下組成部分:偏振分束器601、兩個(gè)相位編碼器602和606、兩個(gè)反射鏡604和605、兩個(gè)起偏器603和607,以及合束器608。
糾纏光源產(chǎn)生的偏振糾纏光子對(duì)中的任意一個(gè)光子輸入至偏振分束器601,偏振分束器601將入射光子的兩個(gè)正交偏振態(tài)分束到兩條子光路。一路經(jīng)過(guò)相位編碼器602進(jìn)行相位編碼后,通過(guò)起偏器603出射至反射鏡604,經(jīng)反射鏡604反射至合束器608的一個(gè)入射端口;另一路通過(guò)反射鏡605反射后,經(jīng)相位編碼器606進(jìn)行相位編碼并輸出至起偏器607,經(jīng)過(guò)起偏器607輸出至合束器608的另一個(gè)輸入端口。兩條子光路同步到達(dá)合束器608。起偏器603和607使兩條子光路輸出的光子的偏振態(tài)相同,并有相同的概率分別通過(guò)起偏器603和607。偏振和相位糾纏編碼裝置中,傳導(dǎo)光使用的分立器件和波導(dǎo)器件、相位編碼器、偏振分束器、合束器、起偏器等均為偏振控制型器件。反射鏡604和605用于調(diào)節(jié)光路的傳播方向,也可用波導(dǎo)器件替代進(jìn)行光子傳輸以及調(diào)節(jié)光路的傳播方向。改變相位編碼器602和起偏器603之間的順序,以及改變相位編碼器606和起偏器607之間的順序,結(jié)果不受影響。
本發(fā)明第七實(shí)施例,一種偏振和相位糾纏編碼裝置,如圖7所示,具體包括以下組成部分:偏振分束器701、兩個(gè)相位編碼器702和706、兩個(gè)反射鏡704和705、兩個(gè)偏振控制器703和707,以及合束器708。
糾纏光源產(chǎn)生的偏振糾纏光子對(duì)中的任意一個(gè)光子輸入至偏振分束器701,偏振分束器701將入射光子的兩個(gè)正交偏振態(tài)分束到兩條子光路傳輸。一路經(jīng)過(guò)相位編碼器702進(jìn)行相位編碼后,通過(guò)偏振控制器703調(diào)制偏振態(tài)后出射至反射鏡704,經(jīng)反射鏡704反射至合束器708的一個(gè)入射端口;另一路通過(guò)反射鏡705反射后,經(jīng)相位編碼器706進(jìn)行相位編碼并輸出至偏振控制器707,經(jīng)過(guò)偏振控制器707調(diào)制偏振態(tài)后輸出至合束器708的另一個(gè)輸入端口。兩條子光路同步到達(dá)合束器708。調(diào)制偏振控制器703和707使兩條子光路傳輸?shù)墓庾犹幵谙嗤钠駪B(tài)入射至合束器708。偏振和相位糾纏編碼裝置中,傳導(dǎo)光使用的分立器件和波導(dǎo)器件、相位編碼器、偏振分束器、合束器、偏振控制器等均為偏振控制型器件。反射鏡704和705用于調(diào)節(jié)光路的傳播方向,也可用波導(dǎo)器件替代進(jìn)行光子傳輸以及調(diào)節(jié)光路的傳播方向。改變相位編碼器702和偏振控制器703之間的順序,以及改變相位編碼器706和偏振控制器707之間的順序,結(jié)果不受影響。
本發(fā)明第八實(shí)施例,一種偏振和相位糾纏編碼裝置,如圖8所示,具體包括以下組成部分:偏振分束器801、兩個(gè)相位編碼器802和806、兩個(gè)反射鏡804和805、偏振控制器803,以及合束器807。
糾纏光源產(chǎn)生的偏振糾纏光子對(duì)中的任意一個(gè)光子輸入至偏振分束器801,偏振分束器801將入射光子的兩個(gè)正交偏振態(tài)分束到兩條子光路。一路經(jīng)過(guò)相位編碼器802進(jìn)行相位編碼后,通過(guò)偏振控制器803調(diào)制偏振態(tài)后出射至反射鏡804,經(jīng)反射鏡804反射至合束器807的一個(gè)入射端口;另一路通過(guò)反射鏡805反射后,經(jīng)相位編碼器806進(jìn)行相位編碼并輸出至合束器807的另一個(gè)輸入端口。兩條子光路同步到達(dá)合束器807。偏振控制器803調(diào)制該光路輸入至合束器807的偏振態(tài)與另一光路輸入至合束器807的偏振態(tài)一致。偏振和相位糾纏編碼裝置中,傳導(dǎo)光使用的分立器件和波導(dǎo)器件、相位編碼器、偏振分束器、合束器、偏振控制器等均為偏振控制型器件。反射鏡804和805用于調(diào)節(jié)光路的傳播方向,也可用波導(dǎo)器件替代進(jìn)行光子傳輸以及調(diào)節(jié)光路的傳播方向。改變相位編碼器802和偏振控制器803之間的順序,結(jié)果不受影響。偏振控制器803放置于另一光路時(shí),結(jié)果不受影響。
本發(fā)明第九實(shí)施例,一種不等臂馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x,如圖9所示,具體包括以下組成部分:兩個(gè)2×2的3db偏振保持分束器903和906、偏振保持延時(shí)線904,以及一個(gè)偏振保持相位調(diào)制器905。
3db偏振保持分束器903的一側(cè)的兩個(gè)端口901和902之一作為相位編碼器的輸入端,3db偏振保持分束器906的另一側(cè)的兩個(gè)端口907和908之一作為相位編碼器的輸出端,偏振保持延時(shí)線904和偏振保持相位調(diào)制器905分別插入馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x的兩個(gè)臂。工作時(shí),光子經(jīng)偏振保持分束器903的端口901或902進(jìn)入偏振保持分束器903分成兩路傳輸,一路經(jīng)過(guò)偏振保持延時(shí)線904延時(shí),另一路經(jīng)偏振保持相位調(diào)制器905進(jìn)行相位調(diào)制,相對(duì)延時(shí)后的在兩條光路上傳輸?shù)墓庾咏?jīng)偏振保持分束器906合成一路由端口907或908輸出。當(dāng)偏振保持延時(shí)線904和偏振保持相位調(diào)制器905位于馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x的同一臂時(shí),上述結(jié)果不受影響。
本發(fā)明第十實(shí)施例,一種不等臂邁克爾遜干涉儀,如圖10所示,具體包括以下組成部分:2×2的3db偏振保持分束器1003、兩個(gè)反射鏡1005和1007、偏振保持相位調(diào)制器1006,以及偏振保持延時(shí)線1004。
3db偏振保持分束器1003的一側(cè)的兩個(gè)端口1001和1002分別作為相位編碼器的輸入和輸出端,3db偏振保持分束器1003的另一側(cè)的兩端口之一依次連接偏振保持延時(shí)線1004、反射鏡1005,同側(cè)另一端口則順序連接偏振保持相位調(diào)制器1006、反射鏡1007。工作時(shí),光子經(jīng)偏振保持分束器1003的端口1001進(jìn)入偏振保持分束器1003分成兩路傳輸,一路經(jīng)偏振保持延時(shí)線1004延時(shí),由反射鏡1005反射回來(lái),另一路經(jīng)偏振保持相位調(diào)制器1006進(jìn)行相位調(diào)制后再經(jīng)反射鏡1007反射回來(lái),反射回來(lái)的在兩條光路上傳輸?shù)墓庾咏?jīng)偏振保持分束器1003合成一路由端口1002輸出。當(dāng)偏振保持延時(shí)線1004和偏振保持相位調(diào)制器1006串接在同一端口時(shí),上述結(jié)果不受影響。光子由1002端口輸入、1001端口輸出和以端口1001或1002同時(shí)作為輸入和輸出時(shí)結(jié)果相同。
本發(fā)明第十一實(shí)施例,一種不等臂法拉第-邁克爾遜干涉儀,如圖11所示,具體包括以下組成部分:2×2的3db分束器1103、兩個(gè)90度旋轉(zhuǎn)法拉第反射鏡1105和1107、延時(shí)線1104,以及相位調(diào)制器1106。
3db分束器1103的一側(cè)的兩個(gè)端口1101和1102分別作為相位編碼器的輸入和輸出端,3db分束器1103的另一側(cè)的兩端口之一依次連接延時(shí)線1104、90度旋轉(zhuǎn)法拉第反射鏡1105,同側(cè)另一端口則順序連接相位調(diào)制器1106、90度旋轉(zhuǎn)法拉第反射鏡1107。工作時(shí),光子經(jīng)分束器1103的端口1101進(jìn)入分束器1103分成兩路傳輸,一路經(jīng)過(guò)延時(shí)線1104延時(shí),由90度旋轉(zhuǎn)法拉第反射鏡1105反射回來(lái),另一路經(jīng)相位調(diào)制器1106進(jìn)行相位調(diào)制后再經(jīng)90度旋轉(zhuǎn)法拉第反射鏡1107反射回來(lái),反射回來(lái)的在兩條光路上傳輸?shù)墓庾咏?jīng)分束器1103合成一路由端口1102輸出。當(dāng)相位調(diào)制器1104和延時(shí)線1106串接在同一端口時(shí),上述結(jié)果不受影響。光子由1102端口輸入、1101端口輸出和以端口1101或1102同時(shí)作為輸入和輸出時(shí)結(jié)果相同。
本發(fā)明第十二實(shí)施例,一種量子密鑰分配系統(tǒng),如圖12所示,具體包括以下組成部分:偏振糾纏光源1201、量子信道1202、1204和1212、兩個(gè)偏振無(wú)關(guān)分束器1205和1213、兩個(gè)相位解碼器1206和1209、兩個(gè)偏振分束器1214和1217、八個(gè)單光子探測(cè)器1207、1208、1210、1211、1215、1216、1218和1219,以及上述介紹的偏振和相位糾纏編碼裝置1203。
偏振糾纏光源1201用于產(chǎn)生偏振糾纏光子對(duì)。
量子信道1202、1204和1212用于傳輸光子。
偏振和相位糾纏編碼裝置1203用于將所述偏振糾纏光子對(duì)中的第一光子由偏振編碼轉(zhuǎn)換為相位編碼。
相位解碼器1206和1209用于對(duì)轉(zhuǎn)換為相位編碼的第一光子進(jìn)行解碼操作;
偏振分束器1214和1217用于對(duì)所述偏振糾纏光子對(duì)中的第二光子進(jìn)行解碼操作;其中,所述第二光子為偏振編碼;
單光子探測(cè)器1207、1208、1210和1211分別用于檢測(cè)由相位解碼器1206和1209輸出的光子,單光子探測(cè)器1215、1216、1218和1219分別用于檢測(cè)由偏振分束器1214和1217輸出的光子;并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果以及量子密鑰分配協(xié)議進(jìn)行量子密鑰分配。
偏振糾纏光源1201產(chǎn)生的偏振糾纏光子對(duì)中的第一光子先后經(jīng)過(guò)量子信道1202、偏振和相位糾纏編碼裝置1203、量子信道1204入射至偏振無(wú)關(guān)分束器1205分為兩條光路傳輸,一路經(jīng)相位解碼器1206解碼輸出至單光子探測(cè)器1207或單光子探測(cè)器1208,另一路經(jīng)相位解碼器1209解碼輸出至單光子探測(cè)器1210或單光子探測(cè)器1211;所述偏振糾纏光子對(duì)的第二光子經(jīng)量子信道1212入射至偏振無(wú)關(guān)分束器1213分為兩條光路傳輸,一路經(jīng)偏振分束器1214解碼輸出至單光子探測(cè)器1215或單光子探測(cè)器1216,另一路經(jīng)偏振分束器1217解碼輸出至單光子探測(cè)器1218或單光子探測(cè)器1219。
量子信道1202、1204和1212可以是光波導(dǎo)、光纖、自由空間、分立光學(xué)元件、平面波導(dǎo)光學(xué)元件、纖維光學(xué)元件或上述中任意兩個(gè)以上組合成的光傳播通道。優(yōu)選的,量子信道1202和1204是非消偏振量子信道。
進(jìn)一步的,相位解碼器采用以下任意一種:不等臂馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x、不等臂邁克爾遜干涉儀、不等臂法拉第-邁克爾遜干涉儀。
相位解碼器1206和1209中設(shè)置的相位與偏振和相位糾纏編碼裝置1203中任意一個(gè)相位編碼器設(shè)置的相位一致或者相差90度,并按量子密鑰分配協(xié)議進(jìn)行相位調(diào)制。
進(jìn)一步的,當(dāng)相位解碼器1206和1209使用不等臂馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x時(shí),相位解碼器1206的兩個(gè)輸出端口分別與單光子探測(cè)器1207和1208連接,相位解碼器1209的兩個(gè)輸出端口分別與單光子探測(cè)器1210和1211連接。
當(dāng)相位解碼器1206和1209使用的是不等臂邁克爾遜干涉儀或不等臂法拉第-邁克爾遜干涉儀時(shí),相位解碼器1206和1209的輸入端口也是輸出端口之一,此時(shí),所述系統(tǒng)還包括:光環(huán)形器。光環(huán)形器位于偏振無(wú)關(guān)分束器1205與相位解碼器1206之間,以及位于偏振無(wú)關(guān)分束器1205與相位解碼器1209之間。
光環(huán)形器的連接方式如圖13所示,光環(huán)形器1301的第一端口a接收偏振無(wú)關(guān)分束器發(fā)送來(lái)的光子,所述光子從光環(huán)形器1301的第二端口b輸出至相位解碼器1302,相位解碼器1302的一個(gè)輸出端口與單光子探測(cè)器1303連接;相位解碼器1302的另一個(gè)輸出端口為其輸入端口,光環(huán)形器1301的第二端口b接收相位解碼器1302發(fā)送來(lái)的光子,并通過(guò)光環(huán)形器1301的第三端口c輸出至單光子探測(cè)器1304。
偏振和相位糾纏編碼裝置1203按照量子密鑰分配協(xié)議進(jìn)行相位設(shè)置,相位解碼器1206和1209、偏振分束器1214和1217分別按照bell不等式檢驗(yàn)形式以及量子密鑰分配協(xié)議對(duì)光子相位和偏振態(tài)進(jìn)行解碼,根據(jù)量子密鑰分配協(xié)議進(jìn)行量子密鑰分配。
本發(fā)明實(shí)施例中介紹的偏振和相位糾纏編碼方法、裝置及量子密鑰分配系統(tǒng),將偏振糾纏光子對(duì)中的任意一個(gè)光子的偏振編碼轉(zhuǎn)換為相位編碼,實(shí)現(xiàn)一個(gè)光子偏振態(tài)與另一個(gè)光子的相位糾纏,產(chǎn)生偏振和相位糾纏光子對(duì)?;谄窈拖辔患m纏編碼裝置組成的量子密鑰分配系統(tǒng)可充分利用不同編碼在不同信道中的傳輸優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)不同信道傳輸時(shí),光子由偏振編碼轉(zhuǎn)換為相位編碼,為建立天地一體化的廣域量子保密通信網(wǎng)絡(luò)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。例如,通過(guò)偏振和相位糾纏編碼裝置產(chǎn)生的偏振和相位糾纏光子對(duì),光子對(duì)中偏振編碼的光子在自由空間信道傳輸,相位編碼的光子在光纖信道傳輸,可實(shí)現(xiàn)自由空間和光纖混合信道量子密鑰分配。再例如,偏振和相位糾纏光子對(duì)中一個(gè)偏振編碼的光子在自由空間信道傳輸,另一個(gè)偏振編碼的光子在自由空間傳輸一段距離后耦合進(jìn)入光纖信道傳輸,該光子在空間信道傳輸時(shí)采用偏振編碼,由空間信道耦合至光纖信道時(shí)進(jìn)行偏振編碼轉(zhuǎn)相位編碼,轉(zhuǎn)換為相位編碼后在光纖信道傳輸。本發(fā)明方法簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn),可有效解決糾纏光源偏振編碼轉(zhuǎn)換為相位編碼,實(shí)現(xiàn)偏振和相位糾纏,以及實(shí)現(xiàn)應(yīng)用于自由空間和光纖混合信道的量子糾纏分發(fā)和量子密鑰分配等難題。
通過(guò)具體實(shí)施方式的說(shuō)明,應(yīng)當(dāng)可對(duì)本發(fā)明為達(dá)成預(yù)定目的所采取的技術(shù)手段及功效得以更加深入且具體的了解,然而所附圖示僅是提供參考與說(shuō)明之用,并非用來(lái)對(duì)本發(fā)明加以限制。