一種外調(diào)制的高速誘騙態(tài)量子光源的裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及量子保密通信領(lǐng)域，用作其中高速量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中的量子態(tài)光源，具體地說是一種外調(diào)制的高速誘騙態(tài)量子光源的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]量子力學(xué)自上世紀(jì)初建立，大大推動(dòng)了物理學(xué)的發(fā)展，不僅如此，人們發(fā)現(xiàn)量子力學(xué)與信息學(xué)科進(jìn)行結(jié)合，發(fā)展出的量子信息學(xué)科可以完成經(jīng)典信息學(xué)科無法完成的任務(wù)，如量子密鑰分發(fā)(QKD)，其安全性是由物理學(xué)基本原理保證的，故這種通信方式具有無法被破解的絕對(duì)安全性。
[0003]目前在國際上獲得廣泛認(rèn)可的量子密鑰分發(fā)方案包括相位編碼方案、偏振編碼方案、糾纏態(tài)方案等?；诩m纏光子對(duì)的QKD系統(tǒng)目前還停留在實(shí)驗(yàn)室階段，離實(shí)用化還有一段距離。相位編碼方案核心是測(cè)量干涉儀中的單光子路徑，根據(jù)不同相位下的光子干涉情況篩選密鑰。但是相位編碼方案在實(shí)際系統(tǒng)中需要對(duì)光程進(jìn)行精確控制以保持干涉可見度，并且單向系統(tǒng)中還需要保證偏振穩(wěn)定，系統(tǒng)需主動(dòng)控制的單元模塊較多。針對(duì)這一問題，由Gisin小組提出的雙向的“plug-play”系統(tǒng)利用法拉第反射鏡實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)的路徑和偏振補(bǔ)償，具有很強(qiáng)的抗干擾能力，無需主動(dòng)控制就可以達(dá)到較高的單光子干涉穩(wěn)定性，但此方案是一種雙向的相位編碼方式，量子態(tài)光源和單光子探測(cè)器在接收端，相位調(diào)制位于發(fā)送端，為克服相位調(diào)制器的偏振相關(guān)性，須對(duì)通過法拉第反射鏡前后的二個(gè)正交偏振方向?qū)嵤┱{(diào)制，加載在相位調(diào)制器上的脈沖至少需覆蓋法拉第反射鏡和相位調(diào)制器之間的來回光程，導(dǎo)致信息加載時(shí)序的速度受限，另外，從接受端向發(fā)送端發(fā)送的強(qiáng)光脈沖在光纖回路中產(chǎn)生的回光散射覆蓋一定的時(shí)間寬度，對(duì)接受端的單光子探測(cè)產(chǎn)生不利影響，且單光子探測(cè)器也具有一定的時(shí)間抖動(dòng)，故此種方案不適用于GHz以上的高速Q(mào)KD系統(tǒng)。
[0004]偏振編碼的方案則是利用光子極性進(jìn)行量子保密通信，歷史上第一次量子通信的實(shí)驗(yàn)也是利用這種編碼方式。與相位系統(tǒng)相比，偏振編碼可以使用被動(dòng)的調(diào)制和解調(diào)器件，無需主動(dòng)控制，其器件的插入損耗也比較小。因偏振編碼的QKD方案中量子光源和單光子探測(cè)器位于信道兩端，故不存在“plug-play”方案中存在的問題，故適用于GHz以上的高速Q(mào)KD系統(tǒng)。
[0005]現(xiàn)實(shí)中由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的限制，無法產(chǎn)生嚴(yán)格的單光子源，所使用的量子光源一般為經(jīng)過衰減之后的弱相干光，光源中由于無法避免的多光子脈沖導(dǎo)致竊聽者Eve可以采用光子數(shù)分離(PNS)進(jìn)行攻擊，在通信雙方?jīng)]覺察的情況下攔截光子，這種缺陷導(dǎo)致了密鑰率和最大安全距離都受到影響。在通信過程中，如果雙方能夠獲知單光子脈沖的比率，通過協(xié)同進(jìn)行保密放大，可以壓縮密鑰使Eve沒法得到任何信息。這樣，通過后續(xù)過程的操作就能保證系統(tǒng)的安全性。單光子比率估計(jì)的準(zhǔn)確率直接影響保密放大的效率，所以對(duì)光源發(fā)出的脈沖中的單光子脈沖比率的準(zhǔn)確估計(jì)是量子密鑰分配的關(guān)鍵。2003年，Hwang提出采用誘騙態(tài)方法來更好的估計(jì)脈沖中的單光子比率，這使得QKD系統(tǒng)的密鑰率和最大安全距離都有顯著提高。2005年，Wang和Lo分別提出了完整的誘騙態(tài)QKD方案，2007年，中國的研宄小組聯(lián)合試驗(yàn)，完成誘騙態(tài)QKD方案的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。隨后，眾多QKD方案和實(shí)驗(yàn)有世界各地的研宄者完成，并已被證明是抵抗PNS攻擊的最有效方案。而在相位編碼方案中由于強(qiáng)度調(diào)制器的偏振相關(guān)性，即對(duì)不同偏振態(tài)光強(qiáng)度調(diào)制結(jié)果不同，故實(shí)現(xiàn)高速的誘騙態(tài)光源是很困難的。
[0006]誘騙態(tài)方案的基本想法是:Alice用強(qiáng)度不同的誘騙態(tài)脈沖代替一部分信號(hào)態(tài)脈沖。誘騙態(tài)和信號(hào)態(tài)在物理本質(zhì)上是完全相同的，它們都是由光源發(fā)出的弱相干態(tài)，只是強(qiáng)度不同而已，即具有不同的平均光子數(shù)。Eve無法區(qū)分誘騙態(tài)和信號(hào)態(tài)，在進(jìn)行PNS攻擊時(shí)對(duì)兩種信號(hào)一視同仁。然而由于誘騙態(tài)和信號(hào)態(tài)強(qiáng)度不同，故通過率和錯(cuò)誤率會(huì)不同。
[0007]目前在大多數(shù)偏振編碼QKD方案中，要用四個(gè)半導(dǎo)體激光器通過偏振控制器來手動(dòng)調(diào)節(jié)出四種偏振態(tài)，即一對(duì)線偏基(45°線偏光和135°線偏光)和一對(duì)圓偏基(左旋圓偏振光和右旋圓偏振光)共四種偏振態(tài)。若要實(shí)現(xiàn)誘騙態(tài)光源，還需將每個(gè)激光器輸出的光通過分束來分別實(shí)現(xiàn)誘騙態(tài)和信號(hào)態(tài)，這無疑增加了系統(tǒng)的冗余和成本，不利于系統(tǒng)的集成；而且由于不同激光二極管的中心波長(zhǎng)和線寬等都存在一定差異，會(huì)給整個(gè)系統(tǒng)帶來漏洞。
[0008]也可以使用內(nèi)調(diào)制方法制備誘騙態(tài)中三種不同每脈沖平均光子數(shù)的量子態(tài)，即通過控制驅(qū)動(dòng)激光二極管的電脈沖信號(hào)幅值來控制輸出激光脈沖的幅值大小，此種方法驅(qū)動(dòng)激光二極管的電脈沖信號(hào)為超短電脈沖，并且為交流信號(hào)，存在一定的負(fù)向偏置電壓，在中低頻段時(shí)可以使用，但在高頻，特別是頻率達(dá)到GHz以上時(shí)，這種存在負(fù)向偏置的電脈沖信號(hào)會(huì)造成輸出激光脈沖的形狀、幅值、脈寬等一系列的不一致性問題，會(huì)造成通信過程中的安全漏洞。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0009]本實(shí)用新型的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題而提供的一種外調(diào)制的方法產(chǎn)生偏振編碼誘騙態(tài)量子光源的裝置，該裝置采用外調(diào)制的方式調(diào)制光脈沖的強(qiáng)度，調(diào)制出的不同量子態(tài)的光脈沖具有很好的一致性，克服了內(nèi)調(diào)制由于光脈沖形狀、幅值、脈寬不一致造成安全漏洞的問題。
[0010]本實(shí)用新型的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0011]一種外調(diào)制的高速誘騙態(tài)量子光源的裝置，特點(diǎn)是該裝置由超短脈沖激光器、高速光強(qiáng)度調(diào)制模塊、偏振態(tài)產(chǎn)生光路、高速光相位調(diào)制模塊、光衰減器和高速邏輯控制芯片組成；其中，超短脈沖激光器連接高速光強(qiáng)度調(diào)制模塊，高速光強(qiáng)度調(diào)制模塊連接偏振態(tài)產(chǎn)生光路，偏振態(tài)產(chǎn)生光路一端連接高速光相位調(diào)制模塊，一端連接光衰減器，高速邏輯控制芯片分別連接超短脈沖激光器、高速光強(qiáng)度調(diào)制模塊及高速光相位調(diào)制模塊。
[0012]所述的超短脈沖激光器為電脈沖驅(qū)動(dòng)的半導(dǎo)體激光二極管，發(fā)出的激光脈沖的重復(fù)頻率可達(dá)GHz，光脈沖寬度為皮秒量級(jí)。
[0013]所述的高速光強(qiáng)度調(diào)制模塊，由高速光強(qiáng)度調(diào)制器和其驅(qū)動(dòng)電路組成，通過光纖與所述超短脈沖激光器相連，對(duì)其產(chǎn)生的超短光脈沖進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，所述的高速光強(qiáng)度調(diào)制器為基于電光效應(yīng)的光強(qiáng)度調(diào)制器，消光比要求較高；所述的驅(qū)動(dòng)電路由兩路構(gòu)成，每個(gè)時(shí)鐘周期由高速邏輯控制芯片選擇隨機(jī)驅(qū)動(dòng)一路或兩路均不觸發(fā)，分別產(chǎn)生Ip I2.0三種光強(qiáng)，其中I1 = I2= 3:1，分別對(duì)應(yīng)信號(hào)態(tài)和誘騙態(tài)。
[0014]所述的偏振態(tài)產(chǎn)生光路由光纖器件組成，可以為薩格奈克(Sagnac)干涉環(huán)或基于“plug-play”等的光路，該光路可以將入射光分為兩束線偏振光進(jìn)行相互干涉，其中一路線偏振光通過相位調(diào)制器，與另一線偏振光產(chǎn)生相位差，兩束光通過干涉后調(diào)制出線偏基(45°線偏光和135°線偏光)和圓偏基(左旋圓偏振光和右旋圓偏振光)共四種偏振態(tài)。
[0015]所述的高速光相位調(diào)制模塊由高速相位調(diào)制器和其驅(qū)動(dòng)電路組成，所述的相位調(diào)制器為基于電光效應(yīng)的調(diào)制器，調(diào)制器所用的晶體可以為KDP晶體或鈮酸鋰晶體等，當(dāng)外加在晶體上的電場(chǎng)改變時(shí)，晶體介質(zhì)折射率隨之線性變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光的調(diào)制；所述的驅(qū)動(dòng)電路由四路構(gòu)成(分別對(duì)應(yīng)0、31 /2、31 ,3 31/2的相移)，由高速邏輯控制芯片隨機(jī)驅(qū)動(dòng)任意一路。
[0016]所述的高速邏輯控制芯片可以為現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(Field Programmable GateArray,FPGA)或集成電路 ASIC(Applicat1n Specific Integrated Circuits，ASIC)等邏輯單元，所述的ASIC芯片為按系統(tǒng)要求加工制作的集成電路，因其可以量身定制故比同等工藝的FPGA執(zhí)行速度塊，由于可以節(jié)省在FPGA中的一些沒有使用的邏輯資源故大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)成本很低。
[0017]所述的光衰減器為一種衰減可調(diào)的光纖器件，通過保偏光纖與偏振態(tài)產(chǎn)生光路連接，將調(diào)制后的光脈沖信號(hào)衰減到量子態(tài)水平，產(chǎn)生共九種量子態(tài):三種強(qiáng)度光脈沖，平均每脈沖光子數(shù)分別為μ = O、μ = 0.2、μ = 0.6，即零光子態(tài)、誘騙態(tài)和信號(hào)態(tài)(數(shù)量比為1:1:3);其中平均每脈沖光子數(shù)為μ =0.2、μ =0.6的兩種光脈沖信號(hào)又分別包含四種偏振態(tài)(45°線偏光、135°線偏光、左旋圓偏振光和右旋圓偏振光)。
[0018]本實(shí)用新型的有益效果:
[0019]⑴、本實(shí)用新型采用一個(gè)激光二極管調(diào)制出九種量子態(tài)，有利于工程的集成化。
[0020]⑵、本實(shí)用新型采用外調(diào)制的方法調(diào)制光脈沖的強(qiáng)度，調(diào)制出的不同量子態(tài)的光脈沖具有很好的一致性，克服了內(nèi)調(diào)制由于光脈沖形狀、幅值、脈寬不一致造成安全漏洞的冋題。
[0021]⑶、本實(shí)用新型采用的量子態(tài)產(chǎn)生方案易于控制和同步，在高頻段如GHz甚至超高頻同樣適用。
[0022]⑷、本實(shí)用新型采用高速邏輯控制芯片作為主控制器使系統(tǒng)具有高度的可靠性和穩(wěn)定性。
[0023](5)、本實(shí)用新型采用先對(duì)光脈沖進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制再經(jīng)過偏振態(tài)產(chǎn)生光路產(chǎn)生四種偏振態(tài)的方法，避免了強(qiáng)度調(diào)制器