CN109150524B - 一种相位解码方法、装置和量子密钥分发系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种相位解码方法、装置和量子密钥分发系统。该方法包括：将入射的任意偏振态的一路输入光脉冲分束为两路光脉冲分别在两条光路上传输，以及将两路光脉冲进行相对延时后合束输出，其中对分束前的光脉冲或者在分束至合束的过程中至少对分束得到的两路光脉冲中之一按照量子密钥分发协议进行相位调制，并且控制输入光脉冲的两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中经两条光路传输的相位差相差2π的整数倍。本发明可有效解决光脉冲偏振态随机变化对系统稳定性产生的影响，实现抗环境干扰的稳定相位解码。此外，本发明可采用不等臂马赫‑曾德尔干涉仪，光脉冲在解码时只需经过一次相位调制器，减小了接收端的插入损耗，提高了系统效率。

Description

一种相位解码方法、装置和量子密钥分发系统

技术领域

本发明涉及光传输保密通信技术领域，尤其涉及一种相位解码方法、装置和量子密钥分发系统。

背景技术

基于量子密钥分发技术和一次一密密码原理，量子保密通信在公开信道可实现信息的安全传输，并逐步走向应用。对于以不等臂干涉仪为基础的相位编码量子密钥分发系统，在光脉冲经光纤量子信道传输的过程中，因光纤制作存在截面非圆对称、纤芯折射率沿径向不均匀分布等非理想情况，以及光纤在实际环境中受温度、应变、弯曲等影响而产生双折射效应，光脉冲在到达接收端时的偏振态会发生随机变化，造成相位解码干涉仪输出结果不稳定，并且此现象随着光纤距离的增加恶化明显。

在现有技术中提出了一种不等臂法拉第-迈克尔逊干涉仪，其可使光脉冲在受到光纤信道随机双折射及源于此的偏振态变化的影响时，仍保持干涉结果稳定输出。但是，这种干涉仪损耗大，其中相位调制器的插损是引起较大损耗的主要因素之一。具体而言，当相位调制器置于干涉仪的一臂时，光脉冲由于来回传输会经过相位调制器两次，从而造成干涉仪的损耗较大，系统效率偏低。

发明内容

本发明的主要目的在于提出一种相位解码方法、装置和量子密钥分发系统，用以解决相位编码量子密钥分发应用中因前述的偏振态变化而导致的接收端干涉输出结果不稳定的问题。

本发明提供至少以下技术方案：

1.一种相位解码方法，其特征在于，所述方法包括：

将入射的任意偏振态的一路输入光脉冲分束为两路光脉冲；

分别在两条光路上传输所述两路光脉冲，并将所述两路光脉冲进行相对延时后合束输出，

其中，对分束前的所述输入光脉冲或者在分束至合束的过程中对所述两路光脉冲中的至少一路光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位调制，并且

其中，控制所述输入光脉冲的两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中经所述两条光路传输的相位差相差2π的整数倍。

2.根据方案1所述的相位解码方法，其特征在于，所述两条光路包括对于所述两个正交偏振态存在双折射的光路，和/或所述两条光路上具有对于所述两个正交偏振态存在双折射的光器件，其中所述控制所述输入光脉冲的两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中经所述两条光路传输的相位差相差2π的整数倍包括：

分别保持这两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中在所述两条光路上传输时偏振态不变；以及

调整存在双折射的光路的长度和/或存在双折射的光器件的双折射大小，使得这两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中经所述两条光路传输的相位差相差2π的整数倍。

3.根据方案1或2所述的相位解码方法，其特征在于，将所述两条光路配置为自由空间光路，将所述两条光路上的光器件配置为非双折射光器件和/或偏振保持光器件。

4.根据方案1或2所述的相位解码方法，其特征在于，将所述两条光路配置为保偏光纤光路，将所述两条光路上的光器件配置为非双折射光器件和/或偏振保持光器件。

5.根据方案2～4中任一所述的相位解码方法，其特征在于，在所述两条光路中的至少一条光路上配置保偏光纤拉伸器和/或双折射相位调制器，其中通过所述保偏光纤拉伸器和/或所述双折射相位调制器调整所述输入光脉冲的两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中经所述两条光路传输的相位差之差。

6.一种相位解码装置，其特征在于，所述相位解码装置包括：分束器；合束器；以及与所述分束器光耦合并与所述合束器光耦合的两条光路，其中所述分束器前端或者所述两条光路中的至少一条光路上具有一个相位调制器，

所述分束器用于将入射的任意偏振态的一路输入光脉冲分束为两路光脉冲；

所述两条光路用于分别传输所述两路光脉冲，并用于实现所述两路光脉冲的相对延时；

所述相位调制器用于对经其所在的光路传输的分束前的所述入射的任意偏振态的一路输入光脉冲或者所述两路光脉冲中至少之一按照量子密钥分发协议进行相位调制；

所述合束器用于将所述两路光脉冲合束输出，

其中所述两条光路及其上的光器件被构造成使得，所述输入光脉冲的两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中经所述两条光路传输的相位差相差2π的整数倍。

7.根据方案6所述的相位解码装置，其特征在于，所述两条光路为自由空间光路，所述两条光路上的光器件为非双折射光器件和/或偏振保持光器件。

8.根据方案6所述的相位解码装置，其特征在于，所述两条光路为保偏光纤光路，所述两条光路上的光器件为偏振保持光器件和/或非双折射光器件。

9.根据方案7或8所述的相位解码装置，其特征在于，所述相位解码装置还包括：

保偏光纤拉伸器，所述保偏光纤拉伸器位于所述两条光路中的任一光路上，用于调节其所在的光路的保偏光纤长度；和/或

双折射相位调制器，所述双折射相位调制器位于所述两条光路中的任一光路上，用于对通过其的光脉冲的两个正交偏振态施加不同的可调的相位调制。

10.根据方案6所述的相位解码装置，其特征在于，所述相位解码装置采用不等臂马赫-曾德尔干涉仪或不等臂迈克尔逊干涉仪的结构。

11.根据方案6或8或10所述的相位解码装置，其特征在于，所述相位解码装置采用不等臂马赫-曾德尔干涉仪的结构，所述两条光路为保偏光纤光路，其中所述两条光路的保偏光纤长度之差为保偏光纤拍长的整数倍。

12.根据方案6或8或10所述的相位解码装置，其特征在于，所述相位解码装置采用不等臂迈克尔逊干涉仪的结构，所述两条光路为保偏光纤光路，其中所述两条光路的保偏光纤长度之差为保偏光纤拍长的一半的整数倍。

13.根据方案6或10所述的相位解码装置，其特征在于，所述相位解码装置采用不等臂迈克尔逊干涉仪的结构，所述合束器与所述分束器为同一器件，所述相位解码装置还包括：

两个反射镜，所述两个反射镜分别位于所述两条光路上，分别用于将来自所述分束器的经所述两条光路传输来的所述两路光脉冲反射回所述合束器，

其中所述不等臂迈克尔逊干涉仪的输入端口和输出端口为同一端口，所述相位解码装置还包括：

光环形器，所述光环形器位于所述分束器前端，所述入射的任意偏振态的一路输入光脉冲从所述光环形器的第一端口输入并从所述光环形器的第二端口输出至所述分束器，来自所述合束器的合束输出被输入至所述光环形器的第二端口并从所述光环形器的第三端口输出。

14.一种量子密钥分发系统，其特征在于，包括：单光子源、相位编码器、量子信道、单光子探测器和方案6～13中任一所述的相位解码装置，

所述单光子源用于产生单光子光脉冲；

所述相位编码器用于对所述单光子源产生的单光子光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位编码；

所述量子信道用于传输单光子光脉冲；

所述相位解码装置用于按照量子密钥分发协议对经所述量子信道传输来的单光子光脉冲进行相位解码，其中经所述量子信道传输来的单光子光脉冲作为所述入射的任意偏振态的一路输入光脉冲；

所述单光子探测器用于对所述相位解码装置输出的单光子光脉冲进行检测，并根据检测结果以及量子密钥分发协议进行量子密钥分发，其中所述相位解码装置输出的单光子光脉冲为来自所述合束器的合束输出。

15.根据方案14所述的量子密钥分发系统，其特征在于，所述相位编码器采用方案6～13中任一所述的相位解码装置。

如前所述，通常，光脉冲经光纤量子信道传输时，会因环境影响导致传输至接收端的光脉冲的偏振态产生随机变化，影响量子保密通信系统工作稳定性。本发明可有效解决输入光脉冲偏振态随机变化对系统稳定性产生的影响，实现传输光纤环境干扰免疫的稳定相位解码。此外，本发明对相位解码装置采用的干涉仪的类型没有约束，可使用最常用的不等臂马赫-曾德尔型干涉仪，使光脉冲在解码时只需经过一次相位调制器，减小了接收端的插入损耗，可观地提高了系统效率。本发明使得能够提供一种低插损的稳定高效量子密钥分发系统技术方案。另外，本发明的方案易于实现。

附图说明

图1为本发明一优选实施例的相位解码方法的流程图；

图2为本发明一优选实施例的相位解码装置的组成结构示意图；

图3为本发明另一优选实施例的相位解码装置的组成结构示意图；

图4为本发明另一优选实施例的相位解码装置的组成结构示意图；

图5为本发明一优选实施例的量子密钥分发系统的组成结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请的一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。为了清楚和简化目的，当其可能使本发明的主题模糊不清时，对本文所描述的器件的已知功能和结构的详细具体说明将省略。

本发明一优选实施例的一种相位解码方法如图1所示，具体包括以下步骤：

步骤S101：将入射的任意偏振态的一路输入光脉冲分束为两路光脉冲。

具体的，入射的输入光脉冲的偏振态可以是任意偏振态，可以看成由两个正交偏振态组成。自然地，分束得到的两路光脉冲也可以同样看成由与入射的输入光脉冲相同的两个正交偏振态组成。

步骤S102：分别在两条光路上传输分束得到的所述两路光脉冲，并将这两路光脉冲进行相对延时后合束输出。

在该方法中，可在分束之前对分束前的所述输入光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位调制，或者在分束至合束的过程中对所述两路光脉冲中的至少一路光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位调制。

这里，相对延时和相位调制按照量子密钥分发协议的要求和规定进行，本文不作详细说明。

在该方法中，控制输入光脉冲的两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中经所述两条光路传输的相位差相差2π的整数倍。

举例而言，假设这两个正交偏振态分别为x偏振态和y偏振态，将x偏振态在分束至合束的过程中经两条光路传输的相位差表示为Δx，将y偏振态在分束至合束的过程中经两条光路传输的相位差表示为Δy，则光脉冲的两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中经两条光路传输的相位差相差2π的整数倍可以表示为：

Δx–Δy＝2π.m，

其中m为整数，可以为正整数、负整数或零。

在一种可能的实施方式中，分束与合束之间的两条光路包括对于所述输入光脉冲的两个正交偏振态存在双折射的光路，和/或这两条光路上具有对于两个正交偏振态存在双折射的光器件。在这种情况下，控制所述输入光脉冲的两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中经所述两条光路传输的相位差相差2π的整数倍包括：分别保持这两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中在所述两条光路上传输时偏振态不变；以及调整存在双折射的光路的长度和/或存在双折射的光器件的双折射大小，使得这两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中经所述两条光路传输的相位差相差2π的整数倍。可选地，这可以通过以下任一实现：i)将所述两条光路配置为保偏光纤光路，将所述保偏光纤光路上的光器件配置为非双折射光器件和/或偏振保持光器件；ii)将所述两条光路配置为自由空间光路，将所述两条光路上的光器件配置为偏振保持光器件。本文中，“保偏光纤光路”是指采用保偏光纤传输光脉冲的光路或保偏光纤连接形成的光路。“非双折射光器件”是指对于不同的偏振态(例如，两个正交偏振态)具有相同折射率的光器件。另外，偏振保持光器件也可称为保偏光器件。

在一种可能的实施方式中，可将所述两条光路配置为自由空间光路，将所述两条光路上的光器件配置为非双折射光器件。在这种情况下，这两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中在所述两条光路上传输时偏振态保持不变，并且这两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中经所述两条光路传输的相位差可以相同。

在一种可能的实现中，在所述两条光路中的至少一条光路上配置保偏光纤拉伸器和/或双折射相位调制器。保偏光纤拉伸器适于调节其所在的光路的保偏光纤长度。双折射相位调制器适于对通过其的两个正交偏振态施加不同的可调的相位调制，因而可被设置来影响和调整输入光脉冲的两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中经所述两条光路传输的相位差之差。例如，双折射相位调制器可以为铌酸锂相位调制器，通过控制施加至铌酸锂晶体的电压，可以对通过该相位调制器的两个正交偏振态各自所经受的相位调制进行控制和调整。由此，双折射相位调制器可用于影响和调整输入光脉冲的两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中经所述两条光路传输的相位差之差。

本发明一优选实施例的一种相位解码装置如图2所示，包括以下组成部分：分束器201、相位调制器202、合束器203。分束器201与合束器203通过两条光路光耦合，相位调制器202位于其中一个光路上。

分束器201用于将入射的任意偏振态的一路输入光脉冲分束为两路光脉冲。

分束器201与合束器203之间的两条光路用于分别传输分束得到的两路光脉冲，并实现这两路光脉冲的相对延时。

具体的，通过调节分束器201与合束器203之间的两条光路的物理传输长度，实现这两路光脉冲的相对延时。

相位调制器202用于对经其所在的光路传输的上述两路光脉冲中之一按照量子密钥分发协议进行相位调制。

尽管图2示出在分束器201与合束器203之间设置相位调制器，即在分束至合束的过程中对分束得到的两路光脉冲中之一按照量子密钥分发协议进行相位调制，但也可能的是，在分束器201前端设置相位调制器，即在分束之前对分束前的所述入射的任意偏振态的一路输入光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位调制。

另外，尽管图2中示出了仅一个相位调制器，但在分束器201与合束器203之间的两条光路中的每条光路上各设置一个相位调制器也是可能的。在设置有两个相位调制器的情况下，两个相位调制器所调制的相位之差由量子密钥分发协议确定。

合束器203用于将经相对延时的、分束得到的两路光脉冲合束输出。

根据本发明，所述两条光路及其上的光器件被构造成使得，所述输入光脉冲的两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中经所述两条光路传输的相位差相差2π的整数倍。

就此而言，一个光路对于两个正交偏振态可以存在双折射或不存在双折射，取决于该光路的类型。例如，自由空间光路对于一路输入光脉冲的两个正交偏振态不存在双折射，而保偏光纤光路对于一路输入光脉冲的两个正交偏振态通常存在彼此差异较大的双折射。另外，光路上的一个光器件对于两个正交偏振态可以存在双折射或不存在双折射，取决于该光器件的类型。例如，一个非双折射光器件对于一路输入光脉冲的两个正交偏振态不存在双折射，而一个偏振保持光器件对于一路输入光脉冲的两个正交偏振态通常存在彼此差异较大的双折射。

根据本发明，上述两条光路的类型和/或长度及其上的光器件的类型和/或双折射大小导致所述输入光脉冲的两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中经所述两条光路传输的相位差相差2π的整数倍。

在一种可能的实施方式中，分束器201与合束器203之间的光路为自由空间光路，相位调制器202及光路中的其他光器件为非双折射光器件和/或偏振保持光器件。对于该实施方式，在有偏振保持光器件的情况下，偏振保持光器件本身导致光脉冲的两个正交偏振态在分束器201与合束器203之间经两条光路传输的相位差相差2π的整数倍。

在一种可能的实施方式中，分束器201与合束器203之间的两条光路为保偏光纤光路，相位调制器202及光路中的其他光器件为偏振保持光器件和/或非双折射光器件。

在一种可能的实施方式中，相位解码装置还可以包括光纤拉伸器和/或双折射相位调制器。

该光纤拉伸器可位于分束器201和合束器203之间的两条光路中的任一光路上，可用于调节其所在的光路的保偏光纤长度。通过借助于光纤拉伸器调整保偏光纤长度，可有利地易于实现光脉冲的两个正交偏振态在分束器201与合束器203之间经两条光路传输的相位差相差2π的整数倍。

该双折射相位调制器可位于上述两条光路中的任一光路上，可用于对通过其的光脉冲的两个正交偏振态施加不同的相位调制。通过控制该双折射相位调制器，通过其的光脉冲的两个正交偏振态各自所经受的相位调制之差可调整。如此，通过利用双折射相位调制器，可方便地影响和调整光脉冲的两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中经所述两条光路传输的相位差之差，易于实现所述差为2π的整数倍。该双折射相位调制器可以为前文所述的铌酸锂相位调制器。

可选地，所述相位解码装置可采用不等臂马赫-曾德尔干涉仪或不等臂迈克尔逊干涉仪的结构。

在一种可能的实施方式中，所述相位解码装置采用不等臂马赫-曾德尔干涉仪的结构，干涉仪两臂的光路(即，分束器与合束器之间的两条光路)采用保偏光纤，这两条光路的保偏光纤长度之差为保偏光纤拍长的整数倍。这种情况下，两条光路中的光器件导致光脉冲的两个正交偏振态各自在分束器201与合束器203之间经两条光路传输的相位差相差2π的整数倍。

在一种可能的实施方式中，所述相位解码装置采用不等臂迈克尔逊干涉仪的结构，干涉仪两臂的光路(即，与为同一器件的分束器与合束器光耦合的、分别用于传输分束得到的两路光脉冲的两条光路)采用保偏光纤，这两条光路的保偏光纤长度之差为保偏光纤拍长的一半的整数倍。这种情况下，两条光路中的其他光器件导致光脉冲的两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中经两条光路传输的相位差相差2π的整数倍。

“保偏光纤拍长”是本领域公知的概念，指保偏光纤的两个本征偏振态沿保偏光纤传输产生2π的相位差所对应的保偏光纤长度。

对于图2的实施例，分束器201优选采用保偏分束器，合束器203优选采用保偏合束器。

在一种可能的实施方式中，所述相位解码装置采用不等臂迈克尔逊干涉仪的结构。此时，合束器与分束器为同一器件。在此情况下，相位解码装置还包括两个反射镜，这两个反射镜分别位于前述的用于传输分束得到的两路光脉冲的两条光路上，分别用于将来自分束器的经所述两条光路传输来的所述两路光脉冲反射回去以便由与分束器为同一器件的合束器合束输出。此外，不等臂迈克尔逊干涉仪的输入端口和输出端口可以为同一端口，并且相位解码装置还包括光环形器。

该光环形器可位于分束器前端。输入光脉冲可从光环形器的第一端口输入并从光环形器的第二端口输出至分束器。来自合束器(与分束器为同一器件)的合束输出可输入至光环形器的第二端口并从光环形器的第三端口输出。

本发明另一优选实施例的一种相位解码装置如图3所示，采用不等臂马赫-曾德尔干涉仪结构，包括以下组成部分：分束器303、相位调制器304、合束器305。

分束器303的一侧的两个端口301和302之一作为相位解码装置的输入端，合束器305的一侧的两个端口306和307之一作为相位解码装置的输出端，相位调制器304插入马赫-曾德尔干涉仪的两个臂中的任一臂。工作时，入射的任意偏振态的一路输入光脉冲经分束器303的端口301或302进入分束器303分成两路光脉冲传输，其中一路光脉冲直接传输至合束器305，另一路光脉冲经相位调制器304进行相位调制后传输至合束器305，两路光脉冲在相对延时后由合束器305合束并在合束后由端口306或307输出。分束器303和合束器305可以采用保偏光纤耦合器，相位调制器304可以为偏振无关器件。调整分束器303和合束器305之间两条光路的保偏光纤的长度，使得光脉冲的两个正交偏振态在分束器303与合束器305之间经两条光路传输的相位差相等或相差2π的整数倍。若分束器303与合束器305之间的光器件为非双折射光器件，或分束器303与合束器305之间有光器件对于这两个正交偏振态存在双折射且由此导致的两个正交偏振态在分束器303与合束器305之间经两条光路传输的相位差之差为2π的整数倍，调整分束器303与合束器305之间的两条光路的保偏光纤长度之差为保偏光纤拍长的整数倍。调整保偏光纤长度可通过精密切割光纤或在马赫-曾德尔干涉仪任一臂设置保偏光纤拉伸器实现。

本发明另一优选实施例的相位解码装置如图4所示，采用不等臂迈克尔逊干涉仪结构，包括以下组成部分：分束器403、相位调制器405、两个反射镜404和406。

分束器403的一侧的两个端口401和402分别作为相位解码装置的输入端和输出端；分束器403的另一侧的两个端口之一直接连接反射镜404，同侧另一端口则顺序连接相位调制器405、反射镜406。工作时，入射的任意偏振态的一路输入光脉冲经分束器403的端口401进入分束器403分成两路光脉冲进行传输，一路传输至反射镜404并经由反射镜404反射回来，另一路经相位调制器405进行相位调制后传输至反射镜406再由反射镜406反射回来，两路光在相对延时后经分束器403合束并在合束后由端口402输出。光脉冲由端口402输入、由端口401输出和以端口401或402同时作为输入和输出时，结果相同。以端口401或402同时作为不等臂迈克尔逊干涉仪的输入和输出时，同时作为输入和输出的该端口(分束器403的端口401或402)与光环形器连接；输入光脉冲经光环形器的第一端口输入并从所述光环形器的第二端口输出至分束器403，然后由分束器403分束为两路光脉冲；这两路光脉冲在相对延时后由分束器403合束输出，该输出被输入至光环形器的第二端口并从光环形器的第三端口输出。分束器403可采用保偏光纤耦合器，相位调制器405可以为偏振无关器件。调整分束器403与两个反射镜404和406之间的保偏光纤的长度，使得光脉冲的两个正交偏振态在分束器403与两个反射镜404和406之间经两条光路传输的相位差相等或相差2π的整数倍。若分束器403与两个反射镜404和406之间的光器件为非双折射光器件，或分束器403与两个反射镜404和406之间有光器件对于这两个正交偏振态存在双折射且由此导致的两个正交偏振态在分束至合束的过程中经分束器403与两个反射镜404和406之间的两条光路传输的相位差之差为2π的整数倍，调整分束器403与两个反射镜404和406之间的两条光路的保偏光纤长度差为保偏光纤拍长一半的整数倍。调整保偏光纤长度可通过精密切割光纤或在不等臂迈克尔逊干涉仪任一臂设置保偏光纤拉伸器实现。

本文中，术语“分束器”和“合束器”可互换使用，分束器亦可称为和用作合束器，反之亦然。

可以在量子密钥分发系统的接收端配置本发明的相位解码装置，用于相位解码。另外，也可以在量子密钥分发系统的发射端配置本发明的相位解码装置，用于相位编码。

尽管图3和4的实施例在分束至合束的过程中对分束得到的两路光脉冲中之一按照量子密钥分发协议进行相位调制，但也可能的是：在分束至合束的过程中对分束得到的两路光脉冲分别按照量子密钥分发协议进行相位调制，或者在分束之前对分束前的所述入射的任意偏振态的一路输入光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位调制。

本发明一优选实施例的一种量子密钥分发系统如图5所示，包括以下组成部分：单光子源501、相位编码器502、量子信道503、两个单光子探测器505和506，以及如上文介绍的相位解码装置504。

单光子源501用于产生单光子光脉冲。

相位编码器502用于对单光子源501产生的单光子光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位编码。

量子信道503用于传输单光子光脉冲。特别地，量子信道503将经相位编码的单光子光脉冲传输至相位解码装置504。

相位解码装置504用于按照量子密钥分发协议对经量子信道503传输来的单光子光脉冲进行相位解码。

单光子探测器505和506用于对相位解码装置504输出的单光子光脉冲进行检测，并根据检测结果以及量子密钥分发协议进行量子密钥分发。

单光子源501发射一个单光子光脉冲进入相位编码器502，相位编码器502对单光子光脉冲进行相位编码，相位编码后的光脉冲经量子信道503传输至相位解码装置504，相位解码装置504对入射的单光子脉冲进行相位解码，相位解码装置504输出的光脉冲发送至单光子探测器505或单光子探测器506。相位编码器502和相位解码装置504按照量子密钥分发协议分别对光脉冲进行相位编码和相位解码，并根据量子密钥分发协议进行密钥分发。

具体的，相位编码器502采用以下任意一种：不等臂马赫-曾德尔干涉仪、不等臂迈克尔逊干涉仪、不等臂法拉第-迈克尔逊干涉仪、上文描述的相位解码装置。

量子信道503可以是光波导、光纤、自由空间、分立光学元件、平面波导光学元件、纤维光学元件或上述中任意两个以上组合成的光传播通道。

通过在接收端处将入射的任意偏振态的一路输入光脉冲分束为两路分别经两条光路进行传输，并对该输入光脉冲的两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中经这两条光路传输的相位差之间的关系进行控制，本发明使得对于任意偏振态的输入光脉冲可以实现稳定干涉输出。

另外，利用本发明，接收端的相位解码装置所使用的干涉仪可以为各种类型的——包括不等臂马赫-曾德尔干涉仪在内，而不限于不等臂迈克尔逊干涉仪。因而，通过选择合适的干涉仪，在解决系统稳定性问题的同时可以实现接收端较低的插损。

通过上文的说明，应当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效有更加深入且具体的了解，然而所附图示仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。

Claims (15)

1.一种相位解码方法，其特征在于，所述方法包括：

将入射的任意偏振态的一路输入光脉冲分束为两路光脉冲；

分别在两条光路上传输所述两路光脉冲，并将所述两路光脉冲进行相对延时后合束输出，

其中，对分束前的所述输入光脉冲或者在分束至合束的过程中对所述两路光脉冲中的至少一路光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位调制，并且

其中，控制所述输入光脉冲的两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中经所述两条光路传输的相位差相差2π的整数倍。

2.根据权利要求1所述的相位解码方法，其特征在于，所述两条光路包括对于所述两个正交偏振态存在双折射的光路，和/或所述两条光路上具有对于所述两个正交偏振态存在双折射的光器件，其中所述控制所述输入光脉冲的两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中经所述两条光路传输的相位差相差2π的整数倍包括：

分别保持这两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中在所述两条光路上传输时偏振态不变；以及

调整存在双折射的光路的长度和/或存在双折射的光器件的双折射大小，使得这两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中经所述两条光路传输的相位差相差2π的整数倍。

3.根据权利要求1或2所述的相位解码方法，其特征在于，将所述两条光路配置为自由空间光路，将所述两条光路上的光器件配置为非双折射光器件和/或偏振保持光器件。

4.根据权利要求1或2所述的相位解码方法，其特征在于，将所述两条光路配置为保偏光纤光路，将所述两条光路上的光器件配置为非双折射光器件和/或偏振保持光器件。

5.根据权利要求2所述的相位解码方法，其特征在于，在所述两条光路中的至少一条光路上配置保偏光纤拉伸器和/或双折射相位调制器，其中通过所述保偏光纤拉伸器和/或所述双折射相位调制器调整所述输入光脉冲的两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中经所述两条光路传输的相位差之差。

6.一种相位解码装置，其特征在于，所述相位解码装置包括：分束器；合束器；以及与所述分束器光耦合并与所述合束器光耦合的两条光路，其中所述分束器前端或者所述两条光路中的至少一条光路上具有一个相位调制器，

所述分束器用于将入射的任意偏振态的一路输入光脉冲分束为两路光脉冲；

所述两条光路用于分别传输所述两路光脉冲，并用于实现所述两路光脉冲的相对延时；

所述相位调制器用于对经其所在的光路传输的分束前的所述入射的任意偏振态的一路输入光脉冲或者所述两路光脉冲中至少之一按照量子密钥分发协议进行相位调制；

所述合束器用于将所述两路光脉冲合束输出，

其中所述两条光路及其上的光器件被构造成使得，所述输入光脉冲的两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中经所述两条光路传输的相位差相差2π的整数倍。

7.根据权利要求6所述的相位解码装置，其特征在于，所述两条光路为自由空间光路，所述两条光路上的光器件为非双折射光器件和/或偏振保持光器件。

8.根据权利要求6所述的相位解码装置，其特征在于，所述两条光路为保偏光纤光路，所述两条光路上的光器件为偏振保持光器件和/或非双折射光器件。

9.根据权利要求7或8所述的相位解码装置，其特征在于，所述相位解码装置还包括：

保偏光纤拉伸器，所述保偏光纤拉伸器位于所述两条光路中的任一光路上，用于调节其所在的光路的保偏光纤长度；和/或

双折射相位调制器，所述双折射相位调制器位于所述两条光路中的任一光路上，用于对通过其的光脉冲的两个正交偏振态施加不同的可调的相位调制。

10.根据权利要求6所述的相位解码装置，其特征在于，所述相位解码装置采用不等臂马赫-曾德尔干涉仪或不等臂迈克尔逊干涉仪的结构。

11.根据权利要求6或8或10所述的相位解码装置，其特征在于，所述相位解码装置采用不等臂马赫-曾德尔干涉仪的结构，所述两条光路为保偏光纤光路，其中所述两条光路的保偏光纤长度之差为保偏光纤拍长的整数倍。

12.根据权利要求6或8或10所述的相位解码装置，其特征在于，所述相位解码装置采用不等臂迈克尔逊干涉仪的结构，所述两条光路为保偏光纤光路，其中所述两条光路的保偏光纤长度之差为保偏光纤拍长的一半的整数倍。

13.根据权利要求6或10所述的相位解码装置，其特征在于，所述相位解码装置采用不等臂迈克尔逊干涉仪的结构，所述合束器与所述分束器为同一器件，所述相位解码装置还包括：

两个反射镜，所述两个反射镜分别位于所述两条光路上，分别用于将来自所述分束器的经所述两条光路传输来的所述两路光脉冲反射回所述合束器，

其中所述不等臂迈克尔逊干涉仪的输入端口和输出端口为同一端口，所述相位解码装置还包括：

光环形器，所述光环形器位于所述分束器前端，所述入射的任意偏振态的一路输入光脉冲从所述光环形器的第一端口输入并从所述光环形器的第二端口输出至所述分束器，来自所述合束器的合束输出被输入至所述光环形器的第二端口并从所述光环形器的第三端口输出。

14.一种量子密钥分发系统，其特征在于，包括：单光子源、相位编码器、量子信道、单光子探测器和权利要求6～13中任一项所述的相位解码装置，

所述单光子源用于产生单光子光脉冲；

所述相位编码器用于对所述单光子源产生的单光子光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位编码；

所述量子信道用于传输单光子光脉冲；

所述相位解码装置用于按照量子密钥分发协议对经所述量子信道传输来的单光子光脉冲进行相位解码，其中经所述量子信道传输来的单光子光脉冲作为所述入射的任意偏振态的一路输入光脉冲；

所述单光子探测器用于对所述相位解码装置输出的单光子光脉冲进行检测，并根据检测结果以及量子密钥分发协议进行量子密钥分发，其中所述相位解码装置输出的单光子光脉冲为来自所述合束器的合束输出。

15.根据权利要求14所述的量子密钥分发系统，其特征在于，所述相位编码器采用权利要求6～13中任一项所述的相位解码装置。