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52, 072701(2015)
激光与光电子学进展
Laser & Optoelectronics Progress
©2015《中国激光》杂志社
072701-1
单光子相位编码量子密钥分发系统中的偏振控制
刘令令 景明勇 于 波 胡建勇 肖连团 贾锁堂
山西大学激光光谱研究所量子光学与光量子器件国家重点实验室, 山西 太原 030006
摘要 在量子密钥分发系统中,由于长距离光纤信道传输引入的偏振漂移将导致密钥分发效率下降。给出了一种基
于遗传算法结合数控偏振控制器实现在单 光 子 量级下对单光子偏振的优化控制与长时间锁定的方法。在 25 km 单
模光纤传输每脉冲平均光子数小于 0.1 的单光子相位编码量子密钥分发系统中,将信号光偏振优化到最佳值,并实现
了系统长期稳定运行,密钥分发成码率高于 1.5 kbps。
关键词 量子光学; 量子保密通信; 偏振控制; 遗传算法; 单光子
中图分类号 O436 文献标识码 A
doi: 10.3788/LOP52.072701
Polarization Control in Single Photons Phase Coding Quantum Key
Distribution System
Liu Lingling Jing Mingyong Yu Bo Hu Jianyong Xiao Liantuan Jia Suotang
State Key Laboratory of Quantum Optics and Quantum Optics Devices, Institute of Laser Spectroscopy,
Shanxi University, Taiyuan, Shanxi 030006, China
Abstract In fiber- based quantum key distribution systems, the photons polarization fluctuation can lead to a
decrease of the key generation rate. A method for polarization controlling, based on the genetic algorithm and
the numerical control polarization controller is introduced. It is shown that the system could be quickly
optimized and the polarization of signal beam has been locked in long term at the single- photons level. In our
phase- modulated quantum key distribution system, the average photon number is less than 0.1 photon per
pulse. After transmitted through 25 km single mode optical fiber, the polarization state of signal beam is realized
to optimum value and keep the stable transmission for a long time, and the final key rate is up to 1.5 kpbs.
Key words quantum optics; quantum key distribution; polarization control; genetic algorithm; single photons
OCIS codes 270.5565; 060.1660; 060.2400; 060.4510; 060.5565
1 引 言
近年来,量子密钥分发(QKD)成为国内外研究的热点
[1]
,基于经典密码学与量子力学相结合,其无条件安
全性由量子力学的基本原理保证,而无关窃听者的计算能力。起初的基于 BB84 及 B92 协议的 QKD 系统都是
通过偏振编码
[2]
实现的,与单光子偏振特性相比,单光子相位受光纤双折射影响较小,而且相位调制边带干涉
更易于进行多路复用传输,因此基于相位编码
[3]
的密钥分发方式得到人们的重视与应用。然而由于光纤自身
缺陷、光纤受到的随机外力以及光纤周围温度变化等因素会引起光纤局部折射率发生变化,引发双折射效应,
单光子在长距离单模光纤传输过程中会引起光偏振态的随机变化
[4,5]
,影响系统的稳定性及密钥分发的成码率。
因此,在光纤传输中单光子偏振态的准确、快速的调节及锁定研究受到了人们的高度重视
[6-8]
。
控制偏振漂移通常采用的方法是双向往返光路偏振自补偿法
[9]
,在光路中加入法拉第镜,利用与输入光
偏 振 态 正 交 的 反 射光抵 消 光 纤 中 的 偏 振漂移 。 这 种 方 法 操 作 简单、成本低,但严重限 制 了 传 输 距 离 及效
收稿日期: 2015-01-23; 收到修改稿日期: 2015-03-01; 网络出版日期: 2015-05-13
基 金 项 目: 国 家 973 计 划 (2012CB921603)、国 家 863 计 划 (2011AA010801)、国 家 自 然 科 学 基 金 (11374196,11174187,
10934004,11204166)、教育部创新团队发展计划(IRT13076) 、高等学校博士学科点专项科研基金(20121401120016)
作者简介: 刘令令(1991—),女,硕士研究生,主要从事量子密钥分发方面的研究。E-mail: liulinglingsxdx@163.com
导师简介: 肖连团(1966—),男,教授,博士生导师,主要从事量子光学与激光光谱方面的研究。
E-mail: xlt@sxu.edu.cn( 通信联系人)
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