專利名稱：位相調(diào)制偏振態(tài)的量子編碼器和解碼器及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通信領(lǐng)域中的量子保密通信的專用設(shè)備及其應(yīng)用方法，具體是位相調(diào)制偏振態(tài)的量子編碼器和解碼器及其用于量子保密通信中的偏振補償方法。本發(fā)明是中國專利申請CN03139636.4的分案申請。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)有量子密碼通信技術(shù)中，有BB84協(xié)議、B92協(xié)議和E91協(xié)議等三大類協(xié)議，有二態(tài)編碼、四態(tài)編碼和六態(tài)編碼等三種編碼方式。BB84協(xié)議屬于四態(tài)編碼方式，而B92協(xié)議和E91協(xié)議屬于二態(tài)編碼方式，四態(tài)編碼方式的效率比較高，而二態(tài)編碼方式的效率減半。
BB84協(xié)議通常采用位相調(diào)制的編碼方式，即采用兩個完全相同的Mach-Zehnder干涉儀作為編碼和解碼器，這種編碼方式的誤碼率除電噪聲外主要由Mach-Zehnder干涉儀的干涉對比度決定，而干涉對比度由光的相干性決定，由于光的相干性在調(diào)制和傳輸過程中不可避免地受到破壞，而相干性一旦受到破壞，就無法補償，因此，這種編碼方式的誤碼率比較高。
雖然BB84協(xié)議還可采用四個非正交線偏振態(tài)或兩個線偏振加兩個圓偏振態(tài)的四態(tài)編碼方式來實現(xiàn)，但目前在技術(shù)上還不能突破。
B92協(xié)議通常有位相調(diào)制和偏振調(diào)制兩種方式，位相調(diào)制編碼方式與BB84協(xié)議基本相同，只是B92協(xié)議采用二態(tài)編碼，效率減半；而偏振調(diào)制編碼方式通常采用光子的兩個線偏振態(tài)進行編碼，即利用電光晶體(如KD*P、LiNbO3等)或Pockels池對光子的兩個線偏振態(tài)進行調(diào)制編碼，由于電光晶體或Pockels池的半波電壓很高(幾千伏)，使用很不方便，而且很難實現(xiàn)高速編碼，尤其是光的偏振態(tài)在傳輸過程中易受光纖中的應(yīng)力雙折射和偏振模色散等因素的影響以及環(huán)境的干擾，因此，誤碼率也比較高。
E91協(xié)議是采用糾纏態(tài)光子進行編碼，由于糾纏態(tài)光子產(chǎn)生比較困難，所需設(shè)備比較昂貴，很難推廣應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種位相調(diào)制偏振態(tài)的量子編碼器和解碼器，采用位相調(diào)制偏振態(tài)的方法，制造位相調(diào)制偏振態(tài)的量子編碼器和解碼器，并用所述編碼器隨機地制備六種偏振態(tài)的光子，即0°、45°、90°、135°的線偏振以及左旋和右旋圓偏振等六種非正交偏振態(tài)的光子，還可用所述解碼器隨機地產(chǎn)生六種非正交偏振態(tài)測量基，對六種非正交偏振態(tài)的光子進行檢測和解碼；所述編碼器和解碼器可用于BB84協(xié)議、B92協(xié)議的二態(tài)、四態(tài)和六態(tài)編碼的量子密碼通信。本發(fā)明的位相調(diào)制偏振態(tài)的量子編碼器和解碼器是指六態(tài)量子編碼器和解碼器。
本發(fā)明的目的在于提供所述位相調(diào)制偏振態(tài)的量子編碼器和解碼器用于量子保密通信中的偏振補償?shù)姆椒ǎ捎梦幌嗾{(diào)制偏振態(tài)技術(shù)，對信號傳輸過程中引起的偏振態(tài)畸變進行有效的補償，大大地降低誤碼率，誤碼率可以降低到10-5，調(diào)制速度從幾十赫茲到幾G赫茲，可用于BB84協(xié)議、B92協(xié)議的量子密碼通信。
所述六態(tài)量子編碼器由兩個位相--偏振控制器和一個同步觸發(fā)器組成，光路如圖1所示，方法如下將這兩個位相--偏振控制器旋轉(zhuǎn)45°角，使它們的偏振分束器的偏振方向成45°，這樣一來，第一個位相--偏振控制器輸出的45°、135°線偏振光對第二個位相--偏振控制器來說，就成了0°和90°的線偏振光，而第一個位相--偏振控制器輸出的左旋和右旋圓偏振光對第二個位相--偏振控制器來說仍然是左旋和右旋圓偏振光，因此，對第二個位相--偏振控制器來說，有四種偏振態(tài)的輸入光子，即0°、90°的線偏振和左旋、右旋圓偏振，當(dāng)?shù)诙€位相--偏振控制器的位相調(diào)制器的輸入電壓分別為0、V0/2、V0、3V0/2伏時，V0是半波電壓，其輸出的光子的偏振態(tài)可能是0°、45°、90°、135°的線偏振和左旋、右旋圓偏振等六種非正交偏振態(tài)之一。輸出光子的偏振態(tài)與兩個位相調(diào)制器的輸入電壓的關(guān)系如表1。
表1 由表1可見，輸出光子的偏振態(tài)由兩個位相--偏振控制器中的兩個位相調(diào)制器的輸入電壓控制，當(dāng)兩個位相調(diào)制器的輸入電壓隨機地選擇0、V0/2、V0、3V0/2伏時，可以隨機地產(chǎn)生0°、45°、90°、135°的線偏振和左旋、右旋圓偏振等六種非正交偏振態(tài)的光子。這樣，我們研制成了由兩個位相--偏振控制器和一個同步觸發(fā)器組成六態(tài)量子編碼器。
所述六態(tài)量子解碼器的結(jié)構(gòu)與六態(tài)量子編碼器完全一樣，它的作用是隨機地產(chǎn)生六組非正交偏振態(tài)測量基，對六種非正交偏振態(tài)光子進行檢測和解碼，這六組非正交偏振態(tài)測量基分別是0°、45°、90°、135°線偏振測量基和左旋、右旋圓偏振測量基。由表1可見，當(dāng)真隨機發(fā)生器7隨機地產(chǎn)生0、V0/2、V0、3V0/2伏四種輸出電壓時，六態(tài)量子解碼器可以隨機地產(chǎn)生六組非正交偏振態(tài)測量基。
用六態(tài)量子編碼器和解碼器進行BB84協(xié)議的量子密碼通信的方法是光路如圖2所示，發(fā)送方用六態(tài)量子編碼器隨機地制備六種非正交偏振態(tài)的光子，通過光纖傳輸給接收方，接收方用六態(tài)量子解碼器隨機地產(chǎn)生六種非正交偏振態(tài)測量基，對發(fā)送方發(fā)送的六種非正交偏振態(tài)光子進行檢測，在探測到光子的情況下，將所用的測量基通過公共信道發(fā)送給發(fā)送方，發(fā)送方告訴接收方那些測量基選對了，然后發(fā)送方和接收方保留基一致時對應(yīng)的比特，放棄其他數(shù)據(jù)，接收方隨便公布某些比特，供發(fā)送方確認有無錯誤，最后經(jīng)發(fā)送方確認無誤、可認定無人竊聽之后，剩下的比特序列留作密碼本。
位相調(diào)制偏振態(tài)的量子編碼器和解碼器用于偏振補償?shù)姆椒ㄊ钱?dāng)發(fā)送方發(fā)送的45°線偏振態(tài)的光子在傳輸過程中由于受光纖中的應(yīng)力雙折射的影響而變成右旋或左旋橢圓偏振光，這時，接收方可以通過改變位相調(diào)制器的輸入電壓，使其在 范圍內(nèi)進行微調(diào)，ΔV為補償電壓，使右旋或左旋橢圓偏振光準(zhǔn)確恢復(fù)成45°線偏振態(tài)的光子，實現(xiàn)退偏振的補償。
用位相調(diào)制偏振態(tài)的方法進行偏振補償，有效地降低誤率。由于光的偏振態(tài)在傳輸過程中不可避免地會受到光纖中的應(yīng)力雙折射和偏振模色散以及環(huán)境的影響而發(fā)生退偏現(xiàn)象，從而產(chǎn)生誤碼。因此，需要采用偏振補償技術(shù)進行糾偏。
為了實現(xiàn)采用位相調(diào)制偏振態(tài)的方法，對光的偏振態(tài)進行更準(zhǔn)確的補償，位相調(diào)制偏振態(tài)的量子編碼器和解碼器用于偏振補償?shù)母唧w的方法如下發(fā)送方發(fā)送一個標(biāo)準(zhǔn)的45°線偏振態(tài)光子給接收方，接收方用135°線偏振測量基進行檢測(根據(jù)表1，V1＝V0/2，V2＝V0/2，即可產(chǎn)生這種測量基)，如果光子在傳輸過程中其偏振態(tài)沒有改變，那么，接收方就測量不到光子，如果光子在傳輸過程中發(fā)生退偏振，變成了右旋橢圓偏振光，那么，接收方就能測量到光子，這時，接收方只需改變V1的電壓，使其在 范圍內(nèi)進行微調(diào)，直到完全測量不到光子為止，這樣，光子就恢復(fù)成標(biāo)準(zhǔn)的45°線偏振態(tài)。
同理，如果發(fā)送方發(fā)送一個標(biāo)準(zhǔn)的右圓偏振態(tài)光子給接收方，接收方用左圓偏振測量基進行檢測(根據(jù)表1，V1＝V0/2，V2＝V0，即可產(chǎn)生這種測量基)，在沒有發(fā)生退偏振情況下，則接收方就測量不到光子，如果光子在傳輸過程中發(fā)生退偏振，接收方就能測量到光子，這時，接收方只需改變V1的電壓，使其在 范圍內(nèi)進行微調(diào)，直到完全測量不到光子為止，這樣，光子就恢復(fù)成標(biāo)準(zhǔn)的右圓偏振態(tài)。由于這種偏振補償技術(shù)是采用電壓調(diào)制位相方法來實現(xiàn)，補償?shù)木确浅８?，偏振度可以達到10-5，也就是說，由傳輸過程中的退偏振所引起的誤碼率可以控制在10-5
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(1)首次在實驗上實現(xiàn)了六態(tài)編碼的量子密碼通信；(2)用位相調(diào)制偏振態(tài)的方法進行偏振調(diào)制，調(diào)制電壓低，只需0-10伏，而利用電光晶體進行偏振調(diào)制，半波電壓需幾千伏；(3)用位相調(diào)制偏振態(tài)的方法進行編碼和解碼，可以進行高精度的偏振補償，有效地降低誤碼率。


圖1是本發(fā)明六態(tài)量子編碼器的結(jié)構(gòu)框圖；圖中1、6-偏振分束器，11、16-偏振方向旋轉(zhuǎn)45°后的偏振分束器，2、3、5、12、13、15-保偏光纖，4、14-位相調(diào)制器，7、9-真隨機發(fā)生器，8-觸發(fā)器，10-單模光纖。
圖2是本發(fā)明六態(tài)量子密碼通信線路的結(jié)構(gòu)框圖；其中1、6-偏振分束器，11、16-偏振方向旋轉(zhuǎn)45°后的偏振分束器，2、3、5、12、13、15-保偏光纖，4、14-位相調(diào)制器，7、9-真隨機發(fā)生器，8-觸發(fā)器，10-單模光纖，17-傳輸光纖。
具體實施例方式
實施例1用六態(tài)量子編碼器和解碼器進行六態(tài)編碼的量子密碼通信我們首次用六態(tài)編碼方式進行了六態(tài)量子密碼通信，光路如圖2所示，發(fā)送方用六態(tài)量子編碼器隨機地制備六種非正交偏振態(tài)的光子，通過光纖傳輸給接收方，接收方用六態(tài)量子解碼器隨機地產(chǎn)生六種非正交偏振態(tài)測量基，對發(fā)送方發(fā)送的六種非正交偏振態(tài)光子進行檢測，在探測到光子的情況下，接收方將所用的測量基通過公共信道發(fā)送給發(fā)送方，發(fā)送方告訴接收方那些測量基選對了，然后發(fā)送方和接收方保留測量基一致時對應(yīng)的比特，放棄其他數(shù)據(jù)，接收方隨便公布某些比特，供發(fā)送方確認有無錯誤，最后經(jīng)發(fā)送方確認無誤、可認定無人竊聽之后，剩下的比特序列留作密碼本。
實施例2用位相調(diào)制偏振態(tài)的方法進行偏振補償用位相調(diào)制偏振態(tài)的方法對圖1、圖2所示通信線路進行偏振補償實驗發(fā)送方發(fā)送一個標(biāo)準(zhǔn)的45°線偏振態(tài)光子給接收方，接收方用135°線偏振測量基進行檢測(根據(jù)表1，V1＝V0/2，V2＝V0/2，即可產(chǎn)生這種測量基)，如果光子在傳輸過程中其偏振態(tài)沒有改變，那么，接收方就測量不到光子，如果光子在傳輸過程中發(fā)生退偏振，譬如變成右旋橢圓偏振光，那么，接收方就可能測量到光子，這時，接收方只需改變V1的電壓，使其在 范圍內(nèi)進行微調(diào)，直到完全測量不到光子為止，這樣，光子就恢復(fù)成標(biāo)準(zhǔn)的45°線偏振態(tài)。同理，如果發(fā)送方發(fā)送一個標(biāo)準(zhǔn)的右圓偏振態(tài)光子給接收方，接收方用左圓偏振測量基進行檢測(根據(jù)表1，V1＝V0/2，V2＝V0，即可產(chǎn)生這種測量基)，在沒有發(fā)生退偏振情況下，則接收方就測量不到光子，如果光子在傳輸過程中發(fā)生退偏振，接收方就可能測量到光子，這時，接收方只需改變V1的電壓，使其在 范圍內(nèi)進行微調(diào)，直到完全測量不到光子為止，這樣，光子就恢復(fù)成標(biāo)準(zhǔn)的右圓偏振態(tài)。由于這種偏振補償技術(shù)采用電壓調(diào)制位相方法來實現(xiàn)，補償?shù)木确浅８?，偏振度可以達到10-5，即由傳輸過程中的退偏振所引起的誤碼率可以控制在10-5以下。
權(quán)利要求
1.一種六態(tài)量子編碼器和解碼器，其特征在于由兩個位相--偏振控制器和一個同步觸發(fā)器組成，其光路如下將這兩個位相--偏振控制器旋轉(zhuǎn)45°角，使它們的偏振分束器的偏振方向成45°，第一個位相--偏振控制器輸出的45°、135°線偏振光對第二個位相--偏振控制器來說，就成0°和90°的線偏振光，而第一個位相--偏振控制器輸出的左旋和右旋圓偏振光對第二個位相--偏振控制器來說仍然是左旋和右旋圓偏振光，因此，對第二個位相--偏振控制器來說，有四種偏振態(tài)的輸入光子，即0°、90°的線偏振和左旋、右旋圓偏振，當(dāng)?shù)诙€位相--偏振控制器的位相調(diào)制器的輸入電壓分別為0、V0/2、V0、3V0/2伏時，V0是半波電壓，其輸出的光子的偏振態(tài)可能是0°、45°、90°、135°的線偏振和左旋、右旋圓偏振六種非正交偏振態(tài)之一。
2.權(quán)利要求1所述的六態(tài)量子編碼器和解碼器用于量子保密通信中的偏振補償方法，其特征在于當(dāng)發(fā)送方發(fā)送的45°線偏振態(tài)的光子在傳輸過程中由于受光纖中的應(yīng)力雙折射的影響而變成右旋或左旋橢圓偏振光，這時，接收方可以通過改變位相調(diào)制器的輸入電壓，使其在 范圍內(nèi)進行微調(diào)，ΔV為補償電壓，使右旋或左旋橢圓偏振光準(zhǔn)確恢復(fù)成45°線偏振態(tài)的光子，實現(xiàn)退偏振的補償。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的六態(tài)量子編碼器和解碼器用于量子保密通信中的偏振補償方法，其特征在于發(fā)送方發(fā)送一個標(biāo)準(zhǔn)的45°線偏振態(tài)光子給接收方，接收方用135°線偏振測量基進行檢測，如果光子在傳輸過程中其偏振態(tài)沒有改變，那么，接收方就測量不到光子，如果光子在傳輸過程中發(fā)生退偏振，變成橢圓偏振光，那么，接收方就能測量到光子，這時，接收方只需改變其位相調(diào)制器的輸入電壓，使其在 范圍內(nèi)進行微調(diào)，直到完全測量不到光子為止，光子就恢復(fù)成標(biāo)準(zhǔn)的45°線偏振態(tài)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的六態(tài)量子編碼器和解碼器用于量子保密通信中的偏振補償方法，其特征在于發(fā)送方發(fā)送一個標(biāo)準(zhǔn)的右圓偏振態(tài)光子給接收方，接收方用左圓偏振測量基進行檢測，在沒有發(fā)生退偏振情況下，則接收方就測量不到光子，如果光子在傳輸過程中發(fā)生退偏振，接收方就能測量到光子，這時，接收方只需改變其位相調(diào)制器的輸入電壓，使其在 范圍內(nèi)進行微調(diào)，直到完全測量不到光子為止，光子就恢復(fù)成標(biāo)準(zhǔn)的右圓偏振態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明涉及通信領(lǐng)域中的量子保密通信的專用設(shè)備及其應(yīng)用方法，具體是位相調(diào)制偏振態(tài)的六態(tài)量子編碼器和解碼器及其用于量子保密通信中的偏振補償方法；六態(tài)量子編碼器和解碼器由兩個位相—偏振控制器和一個同步觸發(fā)器組成；在量子密碼通信中通過位相調(diào)制偏振態(tài)的量子編碼器和解碼器，對信號傳輸過程中引起的偏振態(tài)畸變進行有效的補償，大大地降低誤碼率至10
文檔編號G02B6/28GK1721917SQ20051007050
公開日2006年1月18日 申請日期2003年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月30日
發(fā)明者唐志列, 廖?？? 劉頌豪 申請人:華南師范大學(xué)