一种经典信道和量子信道的波分复用系统及方法
阅读说明：本技术 一种经典信道和量子信道的波分复用系统及方法 (Classical channel and quantum channel wavelength division multiplexing system and method ) 是由 陈柳平 万相奎 李杨 于 2019-11-01 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种经典信道和量子信道的波分复用系统及方法。系统包括发送端，接收端。发送端包括第一激光器，其发出占空比小于等于30％窄脉冲的经典光；第二激光器，发出同步光；量子密钥编码单元，进行量子密钥编码并以量子光形式发出；波分复用器，对量子光、经典光、同步光进行波分复用。接收端经典光探测器，用于对经典光进行探测；同步光探测器，用于对同步光进行探测；量子密钥探测单元，用于对量子密钥进行探测。方法包括波分复用方法以及量子密钥分发方法。本发明可以有效降低经典光的拉曼散射效应，从而降低经典光对量子光的干扰和影响，从而很大程度上提高量子密钥传输距离以及成码率。(The invention discloses a wavelength division multiplexing system and method of a classical channel and a quantum channel. The system comprises a sending end and a receiving end. The transmitting end comprises a first laser which emits classical light with a duty ratio of less than or equal to 30% of narrow pulses; a second laser for emitting a synchronous light; the quantum key coding unit is used for carrying out quantum key coding and emitting the quantum key in a quantum light form; the wavelength division multiplexer is used for carrying out wavelength division multiplexing on the quantum light, the classical light and the synchronous light. The receiving end classical light detector is used for detecting the classical light; the synchronous light detector is used for detecting synchronous light; and the quantum key detection unit is used for detecting the quantum key. The method comprises a wavelength division multiplexing method and a quantum key distribution method. The invention can effectively reduce the Raman scattering effect of classical light, thereby reducing the interference and influence of the classical light on quantum light, and improving the transmission distance and the code rate of quantum keys to a great extent.)
技术领域
本发明涉及量子保密通信技术领域，特别地涉及一种经典信道和量子信道的波分复用系统及方法。
背景技术
量子保密通信技术作为在量子力学、现代通信以及现代密码学等基础上发展出来的新兴技术，基于量子力学的基本原理，利用“一次一密”的方式对信息进行加密，具有不可破译的特性，拥有无可比拟的安全优势。量子密钥分发(Quantum Key Distribution，QKD)技术作为量子保密通信关键技术之一，对其研究的重点是如何确保量子密钥成码率高、传输距离远。
现有技术中，通常采用两种方式对量子密钥进行传输。一是采用独立光纤传输量子密钥。这种方式可以确保量子密钥被有效的传输，但是在这种情况下，经典信道和量子信道需要不同的光纤，会消耗大量的光纤资源，导致量子通信网络建设成本极高，使得量子通信停留在小规模的试验阶段，无法大规模的商业化应用。二是量子信道和经典信道通过波分复用共纤的方式。这种方式可以借助已有的完善的光纤通信网络大规模的部署量子通信网络，避免第一种方式带来的问题。然而，在实际应用中，传输距离超过50公里的情况下，就容易出现量子密钥的成码率低于安全性所要求的理论值的情况。因此，第二种方式存在着量子密钥传输距离短、误码率高的问题。如何提高量子密钥传输距离以及成码率，就是迫切需要解决的技术问题。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明提出一种经典信道和量子信道的波分复用方法，包括：接收经典信号来自第一激光器的经典光，其中所述经典光为占空比小于等于30％的窄脉冲；接收量子信号来自量子密钥编码单元的量子光；以及在波分复用器，将所述经典信道的经典光与所述量子信道的量子光波分复用。
如上所述的方法，其中所述经典光为占空比小于等于20％或10％的窄脉冲。
如上所述的方法，其中所述第一激光器为脉宽可调的激光器。
如上所述的方法，进一步包括：将所述经典光和/或所述量子光衰减。
如上所述的方法，进一步包括：接收来自第二激光器的同步光；以及，将所述同步光与所述经典光和/或所述量子光波分复用。
如上所述的方法，进一步包括：将所述同步光衰减。
根据本发明的另一个方面，提出一种经典信道和量子信道的波分复用系统的发送端，包括：第一激光器，其经配置以发出占空比小于等于30％的窄脉冲的经典光；量子密钥编码单元，其经配置以概率随机的量子密钥编码并将编码结果以量子光发出；以及第一波分复用器，其经配置以将所述经典光与所述量子光波分复用。
如上所述的发送端，进一步包括：第二激光器，其经配置以发出同步光。
如上所述的发送端，其中，所述第一波分复用器经配置以将所述同步光与所述经典光及量子光波分复用。
如上所述的发送端，进一步包括：第二波分复用器，其经配置以将所述同步光与所述经典光或所述量子光波分复用。
如上所述的发送端，其中，所述第一波分复用器经配置以将所述经典光、所述量子光、所述同步光中的两种光波分复用，所述第二波分复用器经配置以将所述第一波分复用器发出的信号光与另一种光波分复用。
如上所述的发送端，进一步包括第一衰减器、和/或第二衰减器、和/或第三衰减器；其中，第一衰减器经配置以对所述经典光的光强根据系统要求进行精确调节；第二衰减器经配置以对所述同步光的光强根据系统要求进行精确调节；第三衰减器经配置以将所述量子光衰减至单光子水平。
如上所述的发送端，进一步包括第三波分复用器，第一经典光探测器，所述第三波分复用器经配置以将本发明接收端所发出的经典光从光路中解复用后传输至所述第一经典光探测器。
如上所述的发送端，进一步包括第一光学传输单元，第一检测单元；所述第一光学传输单元包括三个光学接口，第一接口输入的光信号从第二接口输出，第二接口输入的光信号从第三接口输出；第一光学传输单元经配置其第一接口以接收所述量子光，第二接口与波分复用器直接连接，第三接口与第一检测单元连接；第一检测单元是光强检测装置，其接收由第一光学传输单元传输的光脉冲，并对光脉冲的光强进行检测。
如上所述的发送端，进一步包括第二光学传输单元，第二检测单元；所述第二光学传输单元经配置接收所述量子光，按照1:99至50:50之间的任意比例分成两束量子光输出并将其中一束输入至所述第二检测单元并进行光强检测。
如上所述的发送端，进一步包括第三光学传输单元，第一滤波单元；所述第三光学传输单元包括三个光学接口，第一接口输入的光信号从第二接口输出，第二接口输入的光信号从第三接口输出；所述第一滤波单元经配置以接收由所述第三光学传输单元所传输的所述量子光，并将所述量子光的自发辐射噪声过滤之后经所述第三光学传输单元输出。
如上所述的发送端，进一步包括诱骗态制备单元，其经配置接收所述量子光并进行概率随机的诱骗态制备。
根据本发明的另一个方面，提出一种经典信道和量子信道的波分复用系统的接收端，包括：第三激光器，其经配置发出经典光，被所述第一经典光探测器接收并探测，以建立接收端与发送端之间的通信联系；以及第四波分复用器，其经配置以接收发送端发出的信号光，并对信号光解复用，得到量子光并传输至量子密钥探测单元，得到经典光与同步光并传输至第五波分复用器；第五波分复用器，其经配置以接收所述第四波分复用器所传输的经典光与同步光，并解复用，得到经典光并传输至第六波分复用器，得到同步光传输至同步光探测单元；第六波分复用器，其经配置以接收所述第五波分复用器所传输的经典光并解复用传输至经典光探测单元；经典光探测单元，其经配置以接收所述第六波分复用器传输过来的经典光，并进行探测；同步光探测单元，其经配置以接收所述第五波分复用器所传输的同步光，并解析同步信息，以建立发送端与接收端之间的系统同步；量子密钥探测单元，其经配置以接收由所述第四波分复用器所传输的量子光，并对量子密钥编码进行探测。
如上所述的接收端，进一步包括第四光学传输单元，第二滤波单元；所述第四光学传输单元包括三个光学接口，第一接口输入的光信号从第二接口输出，第二接口输入的光信号从第三接口输出；所述第二滤波单元经配置以接收由所述第四光学传输单元所传输的所述量子光，过滤所述量子光在通信链路传输中产生的噪声后再经所述第四光学传输单元输出。
如上所述的接收端，所述量子密钥探测单元进一步包括第五光学传输单元，相位编码探测单元，时间编码探测单元；所述第五光学传输单元经配置以接收所述量子光并分成两束，其中一束传输至所述相位编码探测单元，另一束传输至所述时间编码探测单元；所述相位编码探测单元经配置以对X基矢相位编码或Y基矢相位编码进行探测；所述时间编码单元经配置以对Z基矢时间编码进行探测。
如上所述的接收端，所述时间编码探测单元进一步包括第六光学传输单元，第一时间编码探测器，第二时间编码探测器；所述第六光学传输单元经配置以接收经所述第五光学传输单元所传输的量子光，并分成两束分别传输至所述第一时间编码探测器、所述第二时间编码探测器；所述第一时间编码探测器经配置以探测Z基矢时间编码中的0编码，所述第二时间编码探测器经配置以探测Z基矢时间编码中的1编码。
如上所述的接收端，所述相位编码探测单元进一步包括第七光学传输单元，第八光学传输单元，第一法拉第反射镜，第二法拉第反射镜，调相器，第一相位编码探测单元，第二相位编码探测单元；所述第七光学传输单元包括三个光学接口，第一接口输入的光信号从第二接口输出，第二接口输入的光信号从第三接口输出；所述第一法拉第反射镜、所述第二法拉第反射镜均为90度法拉第反射镜，光信号经其反射后偏振旋转90度，可消除光纤双折射效应产生的影响；所述调相器经配置以对光信号相位变化进行补偿，以实现稳定干涉；所述第八光学传输单元经配置以接收所述第五光学传输单元所传输的量子光，并传输至所述调相器、所述第一法拉第反射镜、所述第二法拉第反射镜，经相位补偿、偏振旋转消除光纤双折射效应影响后，再分别传输至所述第一相位编码探测器、所述第二相位编码探测器；所述第一相位编码探测器经配置以对X基矢或Y基矢的0编码进行探测，所述第二相位编码探测器经配置以对X基矢或Y基矢的1编码进行探测。
根据本发明的另外一个方面，提出一种经典信道和量子信道的波分复用系统的量子密钥分发方法，包括：发送端量子密钥编码单元进行量子密钥编码，发出量子光；发送端对量子光进行滤波、衰减，得到单光子水平的量子光；由发送端的波分复用器对单光子水平的量子光与经典光，以及同步光进行波分复用，得到波分复用后的信号光；发送端将波分复用后的信号光发出，并经信道在同一根光纤中传输；接收端接收信号光，并进行解复用，得到量子光、经典光、同步光；由接收端的量子编码探测单元、经典光探测单元、同步光探测单元分别对量子光、经典光、同步光进行探测。其中，量子编码探测单元可以对X基矢或Y基矢的相位编码，Z基矢的时间编码进行探测。
根据本发明的另外一个方面，提出一种经典信道和量子信道波分复用系统，其包括如上所述的发送端或如上所述的接收端或采用如上所述波分复用方法或采用如上所述的量子密钥分发方法。
本发明的经典信道和量子信道波分复用系统及方法，可以有效降低经典光的拉曼散射效应，从而降低经典光对量子光的干扰和影响，从而很大程度上提高量子密钥传输距离以及成码率。
附图说明
图1A、图1B、图1C和图1D分别示出了根据本发明的发送端的一个示例性实施例的结构示意图；
图2A、图2B、图2C和图2D分别示出了根据本发明的发送端的一个示例性实施例的结构示意图；
图3A、图3B分别示出了根据本发明的发送端的一个示例性实施例的结构示意图；
图4A、图4B和图4C分别示出了根据本发明的发送端的一个示例性实施例的结构示意图；
图5A、图5B和图5C分别示出了根据本发明的发送端的一个示例性实施例的结构示意图；
图6A、图6B和图6C分别示出了根据本发明的发送端的一个示例性实施例的结构示意图；
图7A、图7B和图7C分别示出了根据本发明的发送端的一个示例性实施例的结构示意图；
图8示出了根据本发明的发送端的一个示例性实施例的结构示意图；
图9示出了根据本发明的接收端的一个示例性实施例的结构示意图；
图10示出了根据本发明的接收端的一个示例性实施例的结构示意图；
图11示出了根据本发明的接收端的一个示例性实施例的结构示意图；
图12示出了根据本发明的接收端的一个示例性实施例的结构示意图；
图13示出了根据本发明的量子密钥分发系统的一个示例性实施例的结构示意图；
图14示出了根据本发明的量子密钥分发方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在以下的详细描述中，可以参看作为本申请一部分用来说明本申请的特定实施例的各个说明书附图。在附图中，相似的附图标记在不同图式中描述大体上类似的组件。本申请的各个特定实施例在以下进行了足够详细的描述，使得具备本领域相关知识和技术的普通技术人员能够实施本申请的技术方案。
图1A示出了根据本发明的发送端的一个示例性实施例。通过图1A的实施例，能够示例性地说明本发明发送端的基本结构。如图1A所示，本发明的发送端可以包括第一激光器101，其用于产生经典光；第二激光器103，其用于产生同步光；量子密钥编码单元105，其用于产生量子光；第一波分复用器201，其用于将经典光和同步光进行波分复用；以及，第二波分复用器203，其用于将量子光与经波分复用后的经典光和同步光再次波分复用。
同步光是经典光纤通信所必须的，其对于波分复用影响比较小。为了简化描述，只讨论经典光与量子光波分复用的相互影响。经典光和量子光之间光子数量差异非常大。经典光的每个光脉冲可能包含数亿个光子，而传输量子密钥的量子光是单光子级别的光脉冲。经典光在光纤中传输过程中，与光纤介质分子相互作用，会形成拉曼散射效应，从而产生拉曼散射噪声光子，并且噪声光子的频谱分布范围较广。在经典光与量子光通过波分复用共享光纤的情况下，噪声光子可能延伸至量子光频谱范围，因而对量子光产生严重的干扰。
经典光产生的拉曼散射效应分为前向拉曼散射和后向拉曼散射，对于波长λd的经典光，其发射功率为I时，其在量子光波长λq处产生的正向拉曼散射强度公式(1)表示：
其在量子光波长λq处产生的后向拉曼散射强度公式(2)表示：
其中，αd为经典光波长在光纤中的衰减因子，αq为量子光波长在光纤中的衰减因子，L为光纤长度，β(λd，λq，δ)为拉曼散射系数，δ为量子信道滤波带宽。
从公式(1)与公式(2)可以看出，经典光相对量子光产生的前向拉曼散射强度与后向拉曼散射强度均与经典光发射功率I成正相关，既经典光相对量子光产生的拉曼散射强度与其发射功率I成正相关。
现有技术中的解决方案一般是将经典光进行衰减，从而减小拉曼散射的影响。然而，如背景技术中所述的，这种解决方案的效果不佳。由于各种方面的影响使得传输距离非常有限，大概在50公里左右。
经典光发射功率I与其峰值功率P以及占空比D的关系为：I＝P*D。一般而言，经典光所采用的是占空比固定为50％的激光器，例如SFP激光器。本申请的发明人提出，在发射功率I相同的情况下，通过调整占空比D减小，使得峰值功率P增加。这相当于在同一周期内将经典光的大量光子尽量集中在更窄的一个时间段中。由于量子光为单光子水平，在进行波分复用时，量子光与经典光之间能够实现更好的隔离。
在一些实施例中，提供经典光的第一激光器101，其所发出的经典光是脉冲宽度可以调制的经典光脉冲。在一些具体的实例中，经典光为占空比小于等于30％的窄脉冲；优选地，为占空比小于等于20％的窄脉冲；进一步地优选为为占空比小于等于10％的窄脉冲。例如，在带宽为100Mbp/s的系统中，第一激光器101可以发出周期为10ns的窄脉冲,其宽度可以被调制为3ns、2ns、1ns、500ps、200ps等多种不同的情况。
在一些实施例中，第二激光器103所发出的同步光可以传输符合同步数字传输所要求的同步帧，数字同步传输可以采用光纤信道实现多节点同步信息传输、复用、分插复用和交叉连接等功能。
在一些实施例中，量子密钥编码单元105可以进行量子密钥编码并将编码结果进行发送的装置，可以是偏振编码装置、时间编码装置、相位编码装置或者时间相位编码装置，优选地为时间相位编码装置。量子密钥编码单元105进行量子密钥编码的概率是随机的，在完成量子密钥编码后，以量子光的形式发出。
在一些实施例中，第一波分复用器201和第二波分复用器203包括第一端口C、第二端口R和第三端口T。波分复用器201和波分复用器203是双向光学元件，可以被设置成如下模式：当第一频率范围内的光从第二端口R入射，并且/或者第二频率范围内的光在第三端口T入射时，第二端口R和第三端口T的入射光在第一端口C合成一路输出；当光入射到第一端口C，第二端口R输出第一频率范围内的光，第三端口T输出第二频率范围内的光。其中，第一频率范围可以不同于第二频率范围。
第一波分复用器201和第二波分复用器203可以是稀疏波分复用器、密集波分复用器、带通波分复用器或者是光纤布拉格光栅，但并不限于此。由于稀疏波分复用器、密集波分复用器以及带通波分复用器具有公共端口、反射端口和透射端口，且透射端口的隔离度大于反射端口的隔离度，因此可优选使用这三种波分复用器，并将公共端口设置成第一端口C，反射端口设置成第二端口R，透射端口设置成第三端口T。
第一激光器101发出的经典光，第二激光器103发出的同步光，量子密钥编码单元105发出的量子光，可以选择波分复用器的第二端口R输入，或者可以选择波分复用器的第三端口T输入，进一步的量子密钥编码单元105发出的量子光可以选择波分复用器的第三端口T输入，可以利于隔离度最大的透射端口消除本地荧光对于量子光的影响。
在本实施例中，第一激光器101发出的经典光，第二激光器103发出的同步光可以首先通过波分复用器201进行波分复用合成一路输出，再与量子密钥编码单元105发出的量子光通过波分复用器203进行波分复用合成一路信号光输出。
本发明的经典光是可以由幅宽可调的激光器发出，经典光为占空比小于等于30％的窄脉冲，优选地为占空比小于等于20％的窄脉冲，进一步地为占空比小于等于10％的窄脉冲，可以大大减弱经典光产生的拉曼散射效应对于量子光的影响，保证了量子密钥传输距离远、成码率高。特别是经典光占空比小于等于10％的情况下，相对于现有技术，拉曼散射噪声可以降至现有技术的20％以及更低，传输距离从现有技术的50公里提高到100公里，具有实质性的进步。
图1B示出了根据本发明的发送端的一个示例性实施例，该实施例与图1A所示的实施例中，相同的装置具有相同的功能。在本实施例中，第一激光器101发出的经典光，量子密钥编码单元105发出的量子光可以首先通过第一波分复用器201进行波分复用合成一路输出，再与第二激光器103发出的同步光通过第二波分复用器203进行波分复用合成一路信号光输出。
图1C示出了根据本发明的发送端的一个示例性实施例，该实施例与图1A所示的实施例中，相同的装置具有相同的功能。在本实施例中，第二激光器103发出的同步光，量子密钥编码单元105发出的量子光可以首先通过第一波分复用器201进行波分复用合成一路输出，再与第一激光器101发出的经典光通过第二波分复用器203进行波分复用合成一路信号光输出。
图1D示出了根据本发明的发送端的一个示例性实施例，该实施例与图1A所示的实施例中，相同的装置具有相同的功能。在本实施例中，第一激光器101发出的经典光，第二激光器103发出的同步光，量子密钥编码单元105发出的量子光可以均通过第一波分复用器201进行波分复用合成一路信号光输出。
图2A示出了根据本发明的发送端的一个示例性实施例。如图2A所示，本发明的发送端可以包括第一衰减器301，其位于第一激光器101与第一波分复用器201之间的光路上。第一衰减器301可以接收第一激光器101发出的经典光，经其对经典光的光强进行调节后，输出至第一波分复用器201。第一衰减器301是光可变衰减器。在本发明中，系统可根据接收端经典光探测器灵敏度、经典光在系统链路传输过程中的衰减情况，得到系统所需要的经典光的强度值。第一衰减器301可以根据系统对于经典光强度的要求，对于第一激光器101发出的经典光的强度进行精确的调节，以符合系统的要求。
图2B示出了根据本发明的发送端的一个示例性实施例。如图2B所示，本发明的发送端可以包括第二衰减器303，其位于第二激光器103与第一波分复用器201之间的光路上。第二衰减器303可以接收第二衰减器303发出的同步光，经其对同步光的光强进行调节后，输出至第一波分复用器201。第二衰减器303可以是光可变衰减器。在本发明中，系统可根据接收端同步光探测器灵敏度、同步光在系统链路传输过程中的衰减情况，得到系统所需要的同步光的强度值。第二衰减器303可以根据系统对于同步光强度的要求，对于第二衰减器303发出的同步光的强度进行精确的调节，以符合系统的要求。
图2C示出了根据本发明的发送端的一个示例性实施例。如图2C所示，本发明的发送端可以包括第三衰减器305，其位于量子密钥编码单元105与第二波分复用器203之间的光路上。第三衰减器305可以接收量子密钥编码单元105发出的量子光，并对其接收的量子光的光强进行衰减，得到系统所需要的单光子水平的量子光，并输出至第二波分复用器203。
图2D示出了根据本发明的发送端的一个示例性实施例。如图2D所，本发明的发送端可以包括第一衰减器301，第二衰减器303，第三衰减器305，本实施例中与图2A、图2B、图2C所示的实施例中的相同的装置具有相同的功能。
图3A示出了根据本发明的发送端的一个示例性实施例。如图3A所示，本发明的发送端可以包括第三波分复用器205，第一经典光探测器401。在本实施例中，第三波分复用器205与第一波分复用器201具有相似的结构和功能。第三波分复用器205是双向光学器件，可以是稀疏波分复用器、密集波分复用器、带通波分复用器或者是光纤布拉格光栅，但并不限于此。第三波分复用器205可以将本发明的接收端发送并传输至其的经典光从光路中分解复用之后，传输至第一经典光探测器401。第三波分复用器205可以位于第一激光器101与第一波分复用器201之间的光路上，也可以位于第一波分复用器201与第二波分复用器203之间的光路上。在本实施例中，第一经典光探测器401可以是PN结型光探测器，PIN型光探测器，雪崩光电二极管(APD)探测器，拉通型雪崩光电二极管(RAPD)探测器。第一经典光探测器401用于探测本发明的接收端发出的经典光，以使得本发明的发送端与本发明的接收端之间建立起通信联系。
图3B示出了根据本发明的发送端的一个示例性实施例。如图3B所示，本发明的发送端可以包括第三波分复用器205，第一经典光探测器401，本实施例中与图3A所示的实施例中相同的装置具有相同的功能。在本实施例中，第三波分复用器205可以位于第一激光器101与第一波分复用器201之间的光路上，也可以位于第一波分复用器201与第二波分复用器203之间的光路上。在第三波分复用器205可以位于第一激光器101与第一波分复用器201之间的光路上情况下，第一衰减器301与第三波分复用器205的位置可以互换。
图4A示出了根据本发明的发送端的一个示例性实施例。如图4A所示，本发明的发送端可以包括第一光学传输单元501，第一检测单元601。第一光学传输单元501可以包括三个光学接口：第一接口、第二接口和第三接口；其中从第一接口输入的光信号从第二接口输出，从第二接口输入的光信号从第三接口输出。优选地，第一光学传输单元501可以是环形器。如图所示，第一光学传输单元501的第一接口与量子密钥编码单元105的输出连接，第一光学传输单元501的第二接口与第二波分复用器203连接，第一光学传输单元501的第三接口与第一检测单元601连接。第一检测单元601是光强检测装置，其功能是接收由第一光学传输单元501传输的光脉冲，并对光脉冲的光强进行检测，当量子信道中出现强光攻击信号时，能够立即检测到并发出警报，用来预防外部强光攻击量子密钥系统，保证量子密钥通信系统的绝对安全性。
图4B、图4C示出了根据本发明的发送端的另外的示例性实施例。如图4B、图4C所示的实施例，与图4A所示的实施例的相同装置具有相同的功能。图4A、图4B、图4C所示的实施例中，第一光学传输单元501的第二接口需要与第二波分复用器203直接连接，使得经过第二波分复用器203并传输至第一光学传输单元501第二接口的光脉冲不经过其他的光学装置。
图5A示出了根据本发明的发送端的一个示例性实施例。如图5A所示，本发明的发送端可以包括第二光学传输单元503，第二检测单元603。第二光学传输单元503的输入端口可以接收量子密钥编码单元105发出的量子光，可以将接收到的量子光可以按照1：99至50:50之间的任意比例分成两束量子光并且从不同的光路输出，其中一路输出至第二波分复用器203，另一路输出至第二检测单元603，优选地第二光学传输单元503可以是分束器。第二检测单元603可以接收经第二光学传输单元503分束后的其中一束量子光，对这束量子光的光强进行检测，并且可以将检测获得的量子光的光强数值反馈给本发明的发送端，使得发送端可以相应的调整量子密钥编码单元105发出的量子光的光强。
图5B、图5C示出了根据本发明的发送端的另外的示例性实施例。如图5B、图5C所示的实施例，与图5A所示的实施例的相同装置具有相同的功能。在图5B、图5C所示的实施例中，量子密钥编码单元105所发出的量子光，可以经第三衰减器305衰减后，再传输至第二光学传输单元503。
图6A示出了根据本发明的发送端的一个示例性实施例。如图6A所示，本发明的发送端可以包括第三光学传输单元505，第一滤波单元605。第三光学传输单元505与第一光学传输单元501具有相似的结构和功能。优选地，第三光学传输单元505可以是环形器。如图所示，第三光学传输单元505的第一接口与量子密钥编码单元105的输出连接，第三光学传输单元505的第二接口与第一滤波单元605连接，第三光学传输单元505的第三接口与第二波分复用器203连接。第一滤波单元605可以接收经第三光学传输单元505传输的量子密钥编码单元105发出的量子光，对量子光中的由激光器所产生自发辐射噪声进行过滤，在量子密钥编码单元105采用时间编码或相位编码或时间相位编码的情况下，可以增加编码的消光比从而减小系统误差，并将过滤掉噪声后的量子光输出至第三光学传输单元505第二接口。优选地，第一滤波单元605可以是滤波器，更进一步地可以是光栅滤波器。
图6B、图6C示出了根据本发明的发送端的另外的示例性实施例。如图6B、图6C所示的实施例，与图6A所示的实施例的相同装置具有相同的功能。在图6B、图6C所示的实施例中，量子密钥编码单元105所发出的量子光，可以经第三衰减器305衰减后，再传输至第三光学传输单元505。
图7A示出了根据本发明的发送端的一个示例性实施例。如图7A所示，本发明的发送端可以包括诱骗态制备单元607。在本实施例中，诱骗态制备单元607可以接收量子密钥编码单元105发出的量子光，并对接收到的量子光进行概率随机的诱骗态制备，然后将制备成诱骗态的量子光传输到第二波分复用器203。
图7B、图7C示出了根据本发明的发送端的另外的示例性实施例。如图7B、图7C所示的实施例，与图7A所示的实施例的相同装置具有相同的功能。在图7B、图7C所示的实施例中，量子密钥编码单元105发出的量子光，传输至诱骗态制备单元607并进行诱骗态制备后输出，再传输至第三衰减器305进行衰减后，传输至第二波分复用器203。
图8示出了根据本发明的发送端的一个示例性实施例。如图8所示，本发明的发送端可以包括第一激光器101，第二激光器103，量子密钥编码单元105；第一波分复用器201，第二波分复用器203，第三波分复用器205；第一衰减器301，第二衰减器303，第三衰减器305；第一经典光探测单元401；第一光学传输单元501，第一检测单元601；第二光学传输单元503，第二检测单元603；第三光学传输单元505，第一滤波单元605；诱骗态制备单元607。图8所示实施例中，与图1A至图7C中所示的实施例的相似的装置具有相似的功能。
图9示出了根据本发明的接收端的一个示例性实施例。如图9所示，本发明的接收端可以包括第三激光器107，第四波分复用器207，第五波分复用器209，第六波分复用器211，经典光探测单元701，同步光探测单元703，量子密钥探测单元705。
第三激光器107可以发出经典光，所发出的经典光可以通过经典信道传输至本发明的发送端，由发送端的第一经典光探测器401所探测，用以建立接收端与发送端之间的通信关系。
第四波分复用器207，第五波分复用器209，第六波分复用器211均与第一波分复用器201具有相似的结构与相似的功能。第四波分复用器207可以接收由本发明的发送端所发送的经信道传输过来的信号光，该信号光是第一激光器101所发出的经典光、第二激光器103发出的同步光、量子密钥编码单元105发出的量子光经波分复用后而形成。第四波分复用器207可对所接收到的信号光解复用后输出，可以解复用出量子光以及经典光与同步光的波分复用光，其中的量子光传输至量子密钥探测单元705，经典光与同步光的波分复用光传输至第五波分复用器209。
第五波分复用器209可以接收由第四波分复用器207所传输过来的经典光与同步光的波分复用光，并进行解复用，可以解复用出经典光、同步光，其中的经典光传输至第六波分复用器211，同步光传输至同步光探测单元703。第六波分复用器211可以接收由第五波分复用器209所传输过来的经典光，并传输至经典光探测单元701。
经典光探测单元701可以接收由第六波分复用器211所传输过来的经典光，并进行探测。经典光探测单元701可以包括PN结型光探测器，PIN型光探测器，雪崩光电二极管(APD)探测器，拉通型雪崩光电二极管(RAPD)探测器中的其中之一。系统可根据经典光探测单元701的灵敏度、经典光在通信链路中的衰减等信息，以确定本发明的发送端所发出的经典光的光强。
同步光探测单元703可以接收由第五波分复用器209所传输过来的同步光，并解析其中的同步帧信息，以建立本发明的发送端与接收端之间的系统同步。同步光探测单元703可以包括PN结型光探测器，PIN型光探测器，雪崩光电二极管(APD)探测器，拉通型雪崩光电二极管(RAPD)探测器中的其中之一。通过其同步位置信息建立发送端与接收端之间的系统同步；根据其强度信息以及发送端已知系统中初始化同步光光强信息可以判断链路衰减，进而调节发送端同步光以及经典光衰减、接收端经典光衰减，降低同步光、经典光引入的系统噪声。
量子密钥探测单元705可以接收由第四波分复用器207所传输过来的量子光，并对由量子光所传输的量子密钥编码进行探测，以获取其中的编码信息。量子密钥探测单元705可以探测偏振编码、时间编码、相位编码、时间相位编码等各种形式的量子密钥编码，优选地可以探测间编码、相位编码或时间相位编码。
图10示出了根据本发明的接收端的一个示例性实施例。图10所示实施例中，与图9所示的实施例的相同装置具有相同的功能。如图10所示，本发明的接收端可以包括第四光学传输单元507，第二滤波单元609。第四光学传输单元507与第一光学传输单元501具有相似的结构与功能，优选地为环形器。如图所示，第四光学传输单元507的第一接口与第四波分复用器207连接，第二接口与第二滤波单元609连接，第三接口与量子密钥探测单元705连接。第二滤波单元609与第一滤波单元605具有相似的结构与功能。优选地，第二滤波单元609可以是滤波器，更进一步地可以是光栅滤波器。第四光学传输单元507第一接口接收由第四波分复用器207所传输的量子光，经第二接口传输至第二滤波单元609，并由对第二滤波单元609所接收到的量子光进行滤波，去除量子光在通信链路传播过程中产生的噪声。经第二滤波单元609去除噪声后的量子光输出至第四光学传输单元507的第二接口，并经第三接口输出至量子密钥探测单元705。
图11示出了根据本发明的接收端的一个示例性实施例。图11所示实施例中，与图10所示的实施例的相同装置具有相同的功能。如图所示，本实施例中的量子密钥探测单元705可以包括第五光学传输单元509，相位编码探测单元707，时间编码探测单元709。第五光学传输单元509与第二光学传输单元503具有相似的结构与功能，优选地为分束器。第五光学传输单元509与第四光学传输单元507连接，可以接收第四光学传输单元507所传输的量子光，并且按照系统所需要的比例将所接收的量子光分成两束，并分别传输至相位编码探测单元707、时间编码探测单元709。相位编码探测单元707可以探测量子相位编码，对X基矢相位编码或Y基矢相位编码进行探测。时间编码探测单元709可以探测量子时间编码，对Z基矢时间编码进行探测。
图12示出了根据本发明的接收端的一个示例性实施例。图12所示实施例中，与图11所示的实施例的相同装置具有相同的功能。如图所示，本实施例中的时间编码探测单元709可以包括第六光学传输单元511，第一时间编码探测器7091，第二时间编码探测器7092；本实施例中的相位编码探测单元707可以包括第七光学传输单元513，第八光学传输单元515，第一相位编码探测器7071，第二相位编码探测器7072，调相器801，第一法拉第反射镜901，第二法拉第反射镜903。优选地，第一时间编码探测器7091、第二时间编码探测器7092、第一相位编码探测器7071以及第二相位编码探测器7072均为单光子探测器。
第六光学传输单元511与第二光学传输单元503具有相似的结构与功能，优选地为分束器。第六光学传输单元511与第五光学传输单元509连接，可以接收由第五光学传输单元509所传输的量子光，并且按照系统所需要的比例将所接收的量子光分成两束，并分别传输至第一时间编码探测器7091、第二时间编码探测器7092，其中第一时间编码探测器7091可以探测Z基矢时间编码中的0编码，第二时间编码探测器7092可以探测Z基矢时间编码中的1编码。
第七光学传输单元513第一光学传输单元501具有相似的结构与功能，优选地为环形器。如图所示，第七光学传输单元513的第一接口与第五光学传输单元509连接，第二接口与第八光学传输单元515连接，第三接口与相位编码探测器7072连接。第八光学传输单元515与第二光学传输单元503具有相似的结构与功能，优选地为分束器。调相器801可以对光信号相位变化进行补偿，以实现稳定的干涉。第一法拉第反射镜901、第二法拉第反射镜903均为90度法拉第反射镜，光信号经反射后期偏振旋转90度，可以消除光纤的双折射效应对光信号的影响。第七光学传输单元513可以接收由第五光学传输单元509连接传输的量子光，并经第八光学传输单元515传输至调相器801、第一法拉第反射镜901、第二法拉第反射镜903，经过相位补偿、偏振旋转消除光纤双折射效应的影响后，再分别传输至第一相位编码探测器7071，第二相位编码探测器7072。其中第一相位编码探测器7071可以对X基矢或Y基矢的0编码进行探测，第二相位编码探测器7072可以对X基矢或Y基矢的1编码进行探测。
图13示出了根据本发明的量子密钥分发系统。如图所示，量子密钥分发系统可以包括发送端，信道，接收端。发送端可以是图1A至图8所示实施例中的任意一种，可以将量子密钥编码单元105发出的量子光、第一激光器101发出的经典光、第二激光器103发出的同步光经波分复用后，形成信号光输出。发送端发出的信号光，经信道传输至接收端，信道可以是一根物理意义上的光纤。接收端可以接收信号光，并对信号光解复用后形成量子光、经典光、同步光，并分别由量子密钥探测单元705、经典光探测单元701、同步光探测单元703进行探测。
图14示出了根据本发明的量子密钥分发方法。如图所示，本发明的量子密钥分发方法包括如下步骤：
步骤141：发送端量子密钥编码单元进行量子密钥编码，并以量子光的形式发出；
步骤142：发送端对量子光进行滤波、衰减，得到单光子水平的量子光；
步骤143：由发送端的波分复用单元对单光子水平的量子光与占空比小于等于30％的窄脉冲经典光，以及同步光进行波分复用，得到波分复用后的信号光；
步骤144：发送端将波分复用后的信号光发出，并经信道在同一根光纤中传输；
步骤145：接收端接收信号光，并进行解复用，得到量子光、经典光、同步光；
步骤146：由接收端的量子编码探测单元、经典光探测单元、同步光探测单元分别对量子光、经典光、同步光进行探测。其中，量子编码探测单元可以对X基矢或Y基矢的相位编码，Z基矢的时间编码进行探测。
上述实施例仅供说明本发明之用，而并非是对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此，所有等同的技术方案也应属于本发明公开的范畴。