單光子三量子比特編碼的多方量子通信方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光通信技術(shù)和安全領(lǐng)域，尤其是指一種單光子三量子比特編碼的多方 量子通信方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 多方量子通信包括：量子秘密共享、量子密鑰協(xié)商、三人量子密碼等，由于它們涉 及多方參與，因此具有與兩方通信不一樣的特殊性質(zhì)，因而被國際上眾多的學(xué)者和技術(shù)人 員高度關(guān)注。由于量子秘密共享、量子密鑰協(xié)商、三人量子密碼等多方量子通信是以量子力 學(xué)的基本原理為基礎(chǔ)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(yè)和大型高科技 企業(yè)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(jīng)有十幾年的時間，第一個方案 一經(jīng)提出便引起了國際上的廣泛關(guān)注，隨后涌現(xiàn)出了眾多改進(jìn)與變化的方案，但是這些方 案都存在一個重要的問題：高保真GHZ態(tài)的分發(fā)距離非常有限，而且GHZ態(tài)的制備也是一個 比較困難的問題。目前，GHZ態(tài)實際分發(fā)距離的最遠(yuǎn)記錄不到1公里，該實驗以短文的形式 發(fā)表在光子學(xué)期刊《NaturePhotonics》上（NaturePhotonics8, 292 (2014))，引起了各國 媒體的廣泛報道?；谏鲜鲈?，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(yuǎn)距離可實用化的多方量子通信對于學(xué)者們來說是非常大的理論與技術(shù)挑戰(zhàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了解決現(xiàn)有多方量子通信技術(shù)不能應(yīng)用于遠(yuǎn)距離傳輸?shù)膯栴}，本發(fā)明提出了一 種單光子三量子比特編碼的多方量子通信方法及系統(tǒng)，
[0005] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種單光子三量子比特編碼的多方量子通信方法， 包括如下步驟：
[0006] Sl，Alice進(jìn)行第一自由度的編碼：Alice使用光學(xué)元件制備光脈沖，并將每個光 脈沖隨機地進(jìn)行第一自由度的編碼，然后將進(jìn)行第一自由度編碼后的光脈沖發(fā)送給Bob;
[0007] S2,Bob進(jìn)行第二自由度的編碼：Bob使用光學(xué)元件對從Alice發(fā)送過來的每 個光脈沖隨機地進(jìn)行第二自由度的編碼，然后將進(jìn)行第二自由度編碼后的光脈沖發(fā)送給 Charlie；
[0008]S3,Charlie進(jìn)行第三自由度的編碼：Charlie使用光學(xué)元件對從Bob發(fā)送過來的 每個光脈沖進(jìn)行第三自由度的編碼；
[0009] S4,Charlie進(jìn)行單光子的GHZ態(tài)測量：Charlie對三量子比特編碼后的單光子進(jìn) 行完備且確定的GHZ態(tài)測量；
[0010] S5，Alice、Bob和Charlie生成密鑰：Charlie通過公開信道公布GHZ態(tài)測量結(jié)果， Alice、Bob和Charlie通過已認(rèn)證的經(jīng)典信道進(jìn)行后處理，通過基矢比對、糾錯和隱私放大 形成最終的無條件安全的密鑰；
[0011] 其中，Alice、Bob和Charlie是各通信參與方的代稱。
[0012] 作為優(yōu)選，所述的第一自由度為偏振自由度，所述的第二自由度為時間自由度，所 述的第三自由度為空間自由度。
[0013] 作為另一優(yōu)選，所述的第一自由度為時間自由度，所述的第二自由度為偏振自由 度，所述的第三自由度為空間自由度。
[0014] 本發(fā)明方案結(jié)構(gòu)簡單，不需要預(yù)先制備和分發(fā)復(fù)雜和高保真的GHZ糾纏態(tài)，也不 需要使用三個獨立光子源產(chǎn)生的單光子進(jìn)行一高難度的完美干涉而進(jìn)行后選擇的三光子 GHZ態(tài)測量，只需要Alice對自己的光子進(jìn)行第一自由度的編碼后發(fā)送給Bob，Bob進(jìn)行第 二自由度的編碼后發(fā)送給Charlie，Charlie進(jìn)行第三自由度的編碼后再進(jìn)行單光子的三 量子比特的GHZ態(tài)測量。
[0015] 本發(fā)明所采用的另一技術(shù)方案是：一種單光子三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、第三 自由度編碼單元和單光子探測單元，所述的第三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、第三單光子探測器、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、第二端口和第三端口，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、第三自由度編碼單元的輸入端，所述第三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，第三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 三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三單光子探測器，第二 偏振分束器的第三端口連接第四單光子探測器。
[0016] 其中，第一偏振分束器、第二偏振分束器將光脈沖根據(jù)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、第三單光子探測器、第四單光子探測器用于探測單光子脈沖。
[0017] 作為優(yōu)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(tài)， 例如使用相位調(diào)制器調(diào)制快慢軸的相對相位而制備偏振量子態(tài)；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(tài)，例如使用不等臂干涉儀或法拉第邁克爾遜 干涉儀及相位調(diào)制器、強度調(diào)制器等制備時間比特的量子態(tài)。
[0018] 作為另一優(yōu)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(tài)，例如使用不等臂干涉儀或法拉第邁克爾遜干涉儀及相位調(diào)制器、強度調(diào)制器 等制備時間比特的量子態(tài)；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(tài)，例如使用相位調(diào)制器調(diào)制快慢軸的相對相位而制備偏振量子態(tài)。
[0019] 作為優(yōu)選，所述的第三自由度編碼單元包括第三偏振分束器、第四偏振編碼器、時 間比特翻轉(zhuǎn)器、偏振比特翻轉(zhuǎn)器、第三偏振編碼器、第二偏振分束器、第一 45度偏振旋轉(zhuǎn)器 和第二45度偏振旋轉(zhuǎn)器，所述的第三偏振分束器具有第一端口、第二端口和第三端口，所 述的第四偏振分束器具有第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，第三偏振分束器的第 一端口連接第二量子信道，第三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(zhuǎn)器的一端連接，時間比特翻轉(zhuǎn)器的另一端與第四偏 振分束器的第一端口連接，第三偏振分束器的第三端口與偏振比特翻轉(zhuǎn)器的一端連接，偏 振比特翻轉(zhuǎn)器的另一端與第三偏振編碼器的一端連接，第三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三端口與第一 45度偏振旋轉(zhuǎn)器的一端連 接，第一 45度偏振旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)器的一端連接，第二45度偏振旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)器將量子態(tài)的時間比特進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，例如使用級聯(lián)不等臂 干涉儀的，外不等臂干涉儀的臂長差為L而內(nèi)不等臂干涉儀的臂長差為2L，從而使光脈沖 實現(xiàn)時間翻轉(zhuǎn)，或者是使用光開關(guān)時間比特翻轉(zhuǎn)等；偏振比特翻轉(zhuǎn)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；第三偏振分束器、第四偏振分束器將光脈 沖根據(jù)偏振分束成兩路偏振垂直的光脈沖，水平偏振的光脈