技术摘要：
用于实现六种偏振态编码的发送端、编码方法及量子通信系统，本发明涉及一种用于量子通信系统的发送端、编码方法及量子通信系统，其能够以最少的光学元件且以最稳定的方式实现在制备BB84协议中普遍使用的四种偏振态编码，例如H、V、之外，还能够制备另外两种偏振态编码  全部
背景技术：
量子密钥分发技术能够在通信双方之间产生完全一致的无条件安全的密钥，因而 受到广泛关注。自从1984年BB84方案提出以来，各种理论方案日臻完善，技术实现逐渐成熟 并走向实际应用。在量子通信系统中，采用量子态的偏振信息编码量子比特是最主流的方 案之一。偏振编码量子通信中通常需要发射4个不同偏振的量子态，主要有两种实现方式。 一种是多激光器方案，即使用4个激光器分别出射0°线偏振态、45°线偏振态、90°线偏振态、 135°线偏振态等偏振态，再合成一束输出，由于不同激光器之间不可避免的差异(如中心波 长、光谱分布、脉冲形状等)会带来一些安全性漏洞，在量子通信中逐渐被淘汰。另一种方式 是单激光器方案，通过偏振调制器将光调制成不同的偏振态，这种方式避免了多激光器的 参数不一致的漏洞，但是使用偏振调制器成本较高，性能较差，尤其是速率太慢。 在光纤系统中，相位调制器速率很高，陆续有人提出在干涉环中使用相位调制器 来制备偏振态的方案。主要原理为先将不同偏振态的两路光，使用相位控制器调制两路之 间的相位差，再通过合束干涉形成新的偏振态输出。唐志列等人发表在《物理学报》，54 (06) ,2005:2534-2539的“相位-偏振编码的量子保密通信系统的研究”一文提出使用偏振 分束器PBS构成的干涉仪系统，制备了45°线偏振态、135°线偏振态、右旋圆偏振态和左旋圆 偏振态等四种偏振态；李申等人发表在《物理学报》,62,2013:084214的“全光纤量子通信系 统中的高速偏振控制方案”一文提出使用偏振分束器PBS构成的Sagnac干涉仪系统，制备了 45°线偏振态、135°线偏振态、右旋圆偏振态和左旋圆偏振态等四种偏振态；马海强等人在 授权公告号为CN101150371B的专利文件中提出使用偏振分束器PBS构成的不等臂干涉仪系 统，制备了45°线偏振态、135°线偏振态、右旋圆偏振态和左旋圆偏振态等四种偏振态；王金 东等人在专利公开号为CN104579564A的专利申请文件中公开提出使用偏振分束器PBS构成 的Sagnac干涉仪系统，制备了45°线偏振态、135°线偏振态、右旋圆偏振态和左旋圆偏振态 等四种偏振态。 从现有技术中不难看出，无论使用何种干涉仪结构，现有方案均只能制备四种偏 振态，而无法实现多于4个偏振态的量子通信协议，如使用0°线偏振态、45°线偏振态、90°线 偏振态、135°线偏振态、右旋圆偏振态和左旋圆偏振态等6个偏振态的6态协议和使用该6个 偏振态的参考系无关量子通信协议。 因此，在现有技术中往往采用组合两个四态量子编码器的方式来制备六种偏振 态。例如在ZL03139638.0号中国发明专利申请中公开了一种利用六态量子编码器及进行基 于BB84协议的量子密码通信方法，如图1所示，该六态量子编码器由两个四态量子编码器通 过一个同步触发器连接组成，其中将两个四态量子编码器旋转45°，使两个四态量子编码器 4 CN 111585747 A 说　明　书 2/10 页 中的偏振分束器的偏振方向成45°，因此，第一个四态量子编码器输出的45°和135°的线偏 振光对第二个四态量子编码器而言就成了0°和90°的线偏振光，而第一个四态量子编码器 输出的左旋和右旋圆偏振光对第二个四态量子编码器而言仍是左旋和右旋圆偏振光。因 此，对第二个四态量子编码器来说，有四种偏振态的输入光子，即0°和90°的线偏振以及左 旋和右旋圆偏振，当第二个四态量子编码器的相位调制器的输入电压由真随机发生器随机 产生的0，V0/2、V0、3V0/2四种输出电压来提供时，其输出的光子的偏振态则分别是0°、45°、 90°、135°的线偏振和左旋、右旋圆偏振六种非正交偏振态之一。在这种量子编码器结构下， 发送方用六态量子编码器随机地制备六种非正交偏振态的光子，通过光纤传输给接收方， 接收方用六态量子解码器随机地产生六种非正交偏振态测量基，对发送方发送的六种非正 交偏振态光子进行检测，在探测到光子的情况下，将所用的测量基通过公共信道发送给发 送方，发送方告诉接收方那些测量基选对了，然后发送方和接收方保留基一致时对应的比 特，放弃其他数据，接收方随便公布某些比特，供发送方确认有无错误，最后经发送方确认 无误、可认定无人窃听之后，剩下的比特序列留作密码本。 然而，这种六态量子编码器中需要两个4态编码器，且需要多个调制器件，其光路 较为复杂，且整体成本因器件复杂而提升不少。另一方面，在这种编码器中，采用单模光纤 连接两个干涉仪，因此需要引入偏振控制器(图1中的编码10)来准确控制偏振态，这大大降 低了系统的稳定性，容易受到环境温度变化或者振动等影响。此外，由于编码器中要采用多 个器件，其系统体积难以减小，集成度较差。 CN  201811496007.1号专利申请中公开了一种量子保密通信光路，但是其用于在 时间相位态下实现六个量子态的制备，且其实现光路同样存在结构复杂、需要多个调制器 件、系统体积难以减小、集成度较差等问题，也不能用于制备6种偏振量子态。
技术实现要素：
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提出了一种用于量子通信系统的发送端 及编码方法，其能够以最少的光学元件(例如相位调制器及其他元件)实现在制备BB84协议 中普遍使用的四种偏振态编码，例如H、V、 之外，还能够制备另 外两种偏振态编码，例如 本发明的一个方面涉及一种用于实现六种偏振态编码的发送端，其包括光源1、相 位调制模块2和光路折返模块3。所述光源1用于提供待编码的信号光；所述相位调制模块2 包括第一相位调制单元211和偏振分束单元212，且被设置成：将所述待编码的信号光分成 第一信号光分量和第二信号光分量，通过所述第一相位调制单元211在所述第一和第二信 号光分量之间形成第一相位差θ1，以及使所述第一和第二信号光分量发生干涉作用以输出 第一干涉光信号；所述光路折返模块3被设置用于接收所述第一干涉光信号并使所述第一 干涉光信号折返，其中包括用于对所述第一干涉光信号进行相位调节的第二相位调节单 元；并且所述相位调制模块2接收折返的所述第一干涉光信号，且进一步设置成：使折返的 所述第一干涉光信号发生干涉作用以形成第二干涉光信号，并使所述第二干涉光信号经所 述偏振分束单元212输出；或者，将折返的所述第一干涉光信号分成第一和第二折返光信号 5 CN 111585747 A 说　明　书 3/10 页 分量，通过所述第一相位调制单元211在所述第一和第二折返光信号分量之间形成第二相 位差θ2，以及使所述第一和第二折返光信号分量经所述偏振分束单元212耦合输出。 进一步地，所述相位调制模块2还包括分束单元213，且被进一步设置成：在所述第 一相位差θ1为第一预设值时分别经由所述分束单元213的两个输出端口输出两个所述第一 干涉光信号，以及在所述第一相位差θ1为第二预设值时仅经由所述分束单元213的两个输 出端口中的一个输出所述第一干涉光信号；所述光路折返模块3被进一步设置成：在所述第 一相位差θ1为所述第一预设值时，使两个所述第一干涉光信号之间的相位差发生相位差变 化θ3；以及所述相位调制模块2还被进一步设置成：使折返且具有所述相位差变化θ3的两个 所述第一干涉光信号在所述分束单元213处发生干涉作用以形成所述第二干涉光信号；以 及，在所述第一相位差θ1为所述第二预设值时，使折返的所述第一干涉光信号在所述分束 单元213处分成所述第一和第二折返光信号分量。 进一步地，所述光路折返模块3还包括光学环路，并且所述第二相位调节单元包括 相位调制器，其设于所述光学环路上且关于所述相位调制模块2的用于所述第一干涉光信 号的两个输出端口具有不同的光程；或者，所述光路折返模块3还包括两个反射单元，其分 别连接所述相位调制模块2的用于所述第一干涉光信号的两个输出端口，并且所述第二相 位调节单元包括相移器或相位调制器，其设置在所述两个反射单元中的至少一个中。 进一步地，所述偏振分束单元212和所述分束单元213之间通过具有相同光程的第 一光路和第二光路连接以形成等臂MZ干涉仪，且所述第一相位调制单元211设于所述第一 光路和/或所述第二光路上；并且/或者，所述偏振分束单元212包括偏振分束器；并且/或 者，所述分束单元213包括分束器；并且/或者，所述第一相位调制单元211包括相位调制器。 进一步地，本发明的发送端还包括相位检测反馈模块，所述相位检测反馈模块包 括分光单元、相位检测单元、相位反馈算法单元、相移器驱动单元及相移器。 优选地，所述第一预设值为π/2或3π/2，所述相位差变化θ3为π/2；并且/或者，所述 第二预设值为0或π，所述第二相位差θ2为0、π、π/2或3π/2。 优 选 地 ，所 述 六 种 偏 振 态 编 码 包 括 H 、V 、 本发明的另一方面涉及一种量子通信系统，其包括上述发送端。 本发明的再一方面涉及一种用于实现六种偏振态编码的编码方法，其包括，第一 次干涉作用步骤：将待编码的信号光分成第一信号光分量和第二信号光分量，利用第一相 位调制单元211在所述第一和第二信号光分量之间形成第一相位差θ1，以及使所述第一和 第二信号光分量发生干涉作用以输出第一干涉光信号；光路折返步骤：使所述第一干涉光 信号折返，且在所述第一干涉光信号为两个时对所述第一干涉光信号进行相位调节；偏振 态生成步骤：使折返的所述第一干涉光信号发生干涉作用以形成第二干涉光信号，并使所 述第二干涉光信号经偏振分束单元212输出；或者，将折返的所述第一干涉光信号分成第一 和第二折返光信号分量，利用所述第一相位调制单元211在所述第一和第二折返光信号分 量之间形成第二相位差θ2，以及使具有所述第二相位差θ2的所述第一和第二折返光信号分 量经所述偏振分束单元212耦合输出。 6 CN 111585747 A 说　明　书 4/10 页 进一步地，所述第一次干涉作用步骤还包括以下步骤：经由所述偏振分束单元212 将所述待编码的信号光分成所述第一和第二信号光分量；在所述第一相位差θ1为第一预设 值时，分别经由分束单元213的两个输出端口输出两个所述第一干涉光信号；以及，在所述 第一相位差θ1为第二预设值时，仅经由所述分束单元213的两个输出端口中的一个输出所 述第一干涉光信号；并且/或者，所述光路折返步骤还包括以下步骤：在所述第一相位差θ1 为第一预设值时，使两个所述第一干涉光信号之间的相位差发生相位差变化θ3；并且/或 者，所述偏振态生成步骤还包括以下步骤：使折返且具有相位差变化θ3的两个所述第一干 涉光信号在分束单元213处发生干涉作用以形成所述第二干涉光信号；以及，在所述第一相 位差θ1为第二预设值时，使折返的所述第一干涉光信号在所述分束单元213处分成所述第 一和第二折返光信号分量。 优选地，所述第一预设值为π/2或3π/2，所述相位差变化θ3为π/2；并且/或者，所述 第二预设值为0或π，所述第二相位差θ2为0、π、π/2或3π/2。 优选地，本发明的编码方法还包括相位检测反馈步骤。 优 选 地 ，所 述 六 种 偏 振 态 编 码 包 括 H 、V 、 优选地，本发明的编码方法利用上述发送端来实现。 附图说明 图1示出了现有技术中的一种六态量子编码器； 图2示出了现有技术中的另一种六态量子编码器； 图3示出了本发明的用于实现六种偏振态编码的发送端的一种示例性实施方式； 以及 图4a和4b分别示出了本发明的光路折返模块的两个示例性实施例。