一种量子通信与量子时频传输的融合网络系统论文和设计-胡敏

全文摘要

本实用新型公开了一种量子通信与量子时频传输的融合网络系统，量子中继单元发射纠缠光子对，经传输单元分别发送至两个量子终端单元，量子终端单元反射输入光子并经由传输单元返回量子中继单元。量子中继单元对纠缠光子对进行HOM干涉测量，并调节光路时延，经多次测量得到HOM凹陷最大值，实现光路平衡。随后信号激光器发送激光脉冲经传输单元发送到量子终端单元，量子终端单元对输入光脉冲编码并经由传输信道传送回量子中继单元，量子中继单元得出结果并通过经典信道公布获得密钥后，通过经典信道并利用光信道监控器进行时钟同步，时频信息通过QKD分发的密钥加密，解决时频信息的信息安全问题并实现了量子通信与量子时频传输的融合。

主设计要求

1.一种量子通信与量子时频传输的融合网络系统，其特征在于：包括量子终端单元、量子中继单元和传输单元，所述量子终端单元包括Alice端和Bob端；所述量子中继单元通过传输单元与所述量子终端单元包括Alice端和Bob端相互连接；所述量子终端单元Alice端和Bob端分别包括四端口环形器、第四偏振分束器、法拉第镜片、第二分束器、光信道监控器、光隔离器、相位调制器、偏振调制器、强度调制器、可调衰减器和时钟，所述四端口环形器一路通过光纤依次与第二分束器、光隔离器、相位调制器、偏振调制器、强度调制器和可调衰减器首尾相连；另一路依次连接所述第四偏振分束器和法拉第镜片；所述第二分束器又依次连接有光信道监控器和时钟；所述量子中继单元包括测量仪、量子纠缠光源和量子通信光源；所述量子纠缠光源用于产生信号光子和闲频光子纠缠光子对；所述量子通信光源用于产生通信脉冲激光；所述测量仪对纠缠光子对的信号光子和闲频光子进行测量同时对输入的通信脉冲激光进行Bell态测量；传输单元用于传输激光脉冲同时设置所述量子中继单元与量子终端单元Alice端和Bob端之间的时延。

设计方案

1.一种量子通信与量子时频传输的融合网络系统，其特征在于：包括量子终端单元、量子中继单元和传输单元，所述量子终端单元包括Alice端和Bob端；

所述量子中继单元通过传输单元与所述量子终端单元包括Alice端和Bob端相互连接；

所述量子终端单元Alice端和Bob端分别包括四端口环形器、第四偏振分束器、法拉第镜片、第二分束器、光信道监控器、光隔离器、相位调制器、偏振调制器、强度调制器、可调衰减器和时钟，所述四端口环形器一路通过光纤依次与第二分束器、光隔离器、相位调制器、偏振调制器、强度调制器和可调衰减器首尾相连；另一路依次连接所述第四偏振分束器和法拉第镜片；所述第二分束器又依次连接有光信道监控器和时钟；

所述量子中继单元包括测量仪、量子纠缠光源和量子通信光源；

所述量子纠缠光源用于产生信号光子和闲频光子纠缠光子对；所述量子通信光源用于产生通信脉冲激光；所述测量仪对纠缠光子对的信号光子和闲频光子进行测量同时对输入的通信脉冲激光进行Bell态测量；

传输单元用于传输激光脉冲同时设置所述量子中继单元与量子终端单元Alice端和Bob端之间的时延。

2.根据权利要求1所述的量子通信与量子时频传输的融合网络系统，其特征在于：所所述信号光子经由传输单元传送至量子终端单元Alice，闲频光子经由传输单元传送至量子终端单元Bob；

所述量子终端单元Alice和Bob分别反射信号光子和闲频光子，由所述传输单元沿原光路返回测量仪；

所述量子通信光源发送脉冲激光，进入传输单元后分为两路，一路发送到量子终端单元Alice，一路发送到量子终端单元Bob；所述量子终端单元Alice和Bob分别对激光脉冲编码，由传输单元沿原光路返回测量仪。

3.根据权利要求2所述的量子通信与量子时频传输的融合网络系统，其特征在于：所述测量仪包括第三分束器、第一偏振分束器、第二偏振分束器、第一单光子探测器、第二单光子探测器、第三单光子探测器、第四单光子探测器和符合计数器；

所述第三分束器接收来自传输单元的纠缠光子对，形成在第三分束器上的量子干涉，通过第一偏振分束器、第二偏振分束器的演化，进入第一单光子探测器、第二单光子探测器、第三单光子探测器和第四单光子探测器产生响应；符合计数器对光子计数并进行符合测量，得到HOM干涉图样。

4.根据权利要求2所述的量子通信与量子时频传输的融合网络系统，其特征在于：所述量子纠缠光源包括泵浦激光器、非线性晶体、第一窄带滤波器和第二窄带滤波器；

泵浦激光器发射脉冲泵浦光，脉冲泵浦光入射到非线性晶体，产生频率相近的信号光子和闲频光子纠缠光子对，信号光子经第一窄带滤波器进入传输单元，闲频光子经第二窄带滤波器进入传输单元；

其中窄带滤波器用于过滤泵浦光和杂散光。

5.根据权利要求2所述的量子通信与量子时频传输的融合网络系统，其特征在于：所述量子通信光源包括脉冲激光器和第三偏振分束器；

所述脉冲激光器发送1550nm通信波长的脉冲激光，经第三偏振分束器，透射水平偏振光后发送到传输单元；

其中第三偏振分束器透射水平偏振光，反射垂直偏振光。

6.根据权利要求1所述的量子通信与量子时频传输的融合网络系统，其特征在于：所述传输单元包括第一分束器、第一合束器、第二合束器、第一环形器、第二环形器、电控光延时线、手动可调光延时线、第一光纤链路和第二光纤链路；

所述第一合束器接收来自量子中继单元的信号光子，经第一环形器进入电控光延时线、第一光纤链路传送到量子终端单元Alice端；

所述第二合束器接收来自量子中继单元的闲频光子，经第二环形器进入手动可调光延时线、第二光纤链路传送到量子终端单元Bob端；

第一分束器接收来自量子中继单元的1550nm通信波段的激光脉冲，分为两路，一路由第一合束器、第一环形器经电控光延时线、第一光纤链路传送到量子终端单元Alice端，另一路由第二合束器、第二环形器经手动可调光延时线、第二光纤链路传送到量子终端单元Bob端；

所述量子终端单元Alice端对激光脉冲进行信息编码后，又通过所述第一光纤链路、电控光延时线、第一环形器传回至所述量子中继单元；

所述量子终端单元Bob端对激光脉冲进行信息编码后，又通过所述第二光纤链路、手动可调光延时线、第二环形器传回至所述量子中继单元。

7.根据权利要求1所述的量子通信与量子时频传输的融合网络系统，其特征在于：所述量子终端单元Alice端或Bob端通过传输接收来自于量子中继单元的激光脉冲，经过四端口环形器进入第四偏振分束器、然后由法拉第镜片补偿环境导致的偏振漂移，反射进入四端口环形器到达第二分束器，在第二分束器分为两路：其中一路进入光信道监控器用于监控输入的光功率；另一路进入光隔离器隔离反射光，接着进入相位随机器，随机调制光脉冲的相位为[0,2π]以满足光子数态的要求，然后经过偏振调制器随机调制光子为水平(H)、垂直(V)、+45度、-45度偏正态再经过强度调制器加载为诱骗态或信号态，最后经过可变光衰减器形成平均光子数小于1的弱相干激光脉冲信号。

8.根据权利要求7所述的量子通信与量子时频传输的融合网络系统，其特征在于：所述四端口环形器用于调节光子的行走路径；所述法拉第镜片用于自动补偿传输过程中的偏振抖动。

9.根据权利要求7所述的量子通信与量子时频传输的融合网络系统，其特征在于：所述第二分束器为10:90的分束器，分束形成透射光和反射光，所述透射光用于量子密钥分发，反射光用于信道监控；

所述光信道监控器用于监控信道中的光功率水平，用于调节可变光衰减器以保证平均光子数为指定值。

10.根据权利要求7所述的量子通信与量子时频传输的融合网络系统，其特征在于：所述光信道监控器用于时钟同步；所述光隔离器用于保证光的单向传输，隔离出射光和反射光。

设计说明书

技术领域

本实用涉及量子信息以及光通信技术领域，特别涉及一种量子通信与量子时频传输的融合网络系统。

背景技术

时间频率是一个很重要的参数；时间频率标准传递在高精密授时系统中也至关重要，在定位、导航、通信等诸多领域都有广泛的应用。时频同步技术是指通过某种手段，将处于异地的时钟产生的时频信号进行比对，并形成统一时频基准的过程。精密导航离不开准确的授时服务，而授时服务的基本要求是时钟同步。

随着原子钟技术的不断发展，光频原子钟的频率不确定度达到10^{-18<\/sup>。现有的时频同步技术已经无法满足高精度时钟比对的需求，函需发展具有更高传输稳定度的时频同步方法。依托飞速发展的光纤通信技术，基于光纤的时频同步技术应运而生。光纤作为一种大带宽、高速率的传输介质，已经成为了目前世界上最庞大的通信基础设施。2017年我国新建光缆线路长度705万公里，全国光缆线路总长度达3747万公里。利用光纤传输损耗低、隔绝电噪声、分布广泛等优势，建设基于光纤的时频网络具有现实且重要的意义。}

量子通信被认为是未来通信的发展方向，其中量子密钥分发(Quantum KeyDistribution,QKD允许合法用户Alice端和Bob端之间共享理论上绝对安全的密码，结合一次一密的加密体系，实现目前可证明的唯一的安全通信。经过三十余年的发展，QKD目前已进入到测量设备无关协议(MDI，Measurement Device Independent)阶段，结合诱骗态技术，MDI-QKD一次性关闭了探测器的缺陷并解决了弱相干态单光子源的多光子成分问题，成为了目前最具有实用前景的方案，量子通信与量子时频传输的网络融合是当前亟需解决的精准授时，授时安全关键技术问题的重要探索。

但是测量设备无关协议中Alice端和Bob端发出的量子态在第三方Charlie测量成功，要求到达光子的时间、频谱、偏振等模式必须完全匹配。首先，Alice端和Bob端与Charlie之间的距离不是完全一致的，需要准确地延时使得光子到达时间完全对准。其次，Alice端和Bob端使用不同的激光器，频谱不是完全相同。第三，因为光纤的双折射效应，很难保证光子偏振态的稳定传输。虽然可以使用相位编码，但是相位漂移、时间抖动限制了QKD系统性能的提高，密钥速率较低。

同时，现有技术中，如专利201510008068.9试图解决相位调制偏振编码的测量设备无关协议稳定性问题，但是却人为地将通信距离缩短了一半。

现有技术中，如最早提出即插即用方案的瑞士日内瓦大学Gisin小组(文献:Muller A,Herzog T,Huttner B,etal.\

设计图

一种量子通信与量子时频传输的融合网络系统论文和设计

一种量子通信与量子时频传输的融合网络系统论文和设计-胡敏

全文摘要

主设计要求

设计方案

设计说明书

设计图

相关信息详情

猜你喜欢