量子密钥分发系统的设计与实现(二)：光路子系统初步讨论

通过上一篇文章，我们对量子密钥分发系统的基本架构、硬件结构以及密钥分发流程进行了初步的总体介绍，从本文开始，我们就基于系统顶层的架构设计，开始从模块到器件，从硬件到软件开始详细讨论QKD系统的设计与实现。本文主要对系统中的光路子系统进行详细讨论

1.QKD系统的设计与实现难点

经过多年的发展，QKD系统设计目前来看基本上没有特别大的难点了，毕竟国内的厂家已经开始在小型化、集成化甚至芯片化方面发力了。这里我们主要分析一下QKD系统实现过程中的技术难点。

单光子的源制备：在量子保密通信中，理想的光源应该是每个脉冲最多一个光子，这样才能保证绝对的安全。但是由于技术发展的限制，直到目前为止，真正的单光子源还并没有实现，至少还没有出现可以被证明每个脉冲都只发射单个光子的光源。
同步系统：量子保密通信中，由于工作在脉冲的方式下，需要收发双方都处于相同的工作频率，使发射方按照一定的工作频率发送信号光子，接收方也必须按照相同的频率探测光子，并且能准确分辨相互对应的脉冲信号。为达到此目的，收发双方需要有一个同步系统作为联系，起到连接收发双方工作的作用；
探测器工作频率：实际上，目前量子通信系统的工作频率就是由单光子探测器的工作频率决定的,要提高整个系统的工作频率，就必须首先提高探测器的工作频率。但是探测器在工作在高速情况下会遇多种技术难点，如暗计数和后脉冲概率的加大、雪崩管微分响应信号的增大等可以说，目前光纤量子通信进一步提高成码率和通信距离的最大瓶颈就在于单光子探测器。

可以看出，QKD系统的视线难点基本上都集中在光路模块，QKD系统的光路部分是量子密钥分发的物理过程。其核心作用为实现系统中量子态的制备以及探测。本文我们讨论三种典型的光路子系统。

2.基于偏振编码和诱骗态的BB84协议QKD系统光路方案

关于偏振编码BB84协议请戳之前的文章：量子保密通信：密钥分发协议原理、实现及应用

如下图为基于偏振编码BB84协议系统的光路系统。这个系统主要包括发送端（Alice）、接收端（Bob）、传输光纤、手动偏振控制器(Manual polarization controller，MPC)等

该方案中光路子系统的主要工作流程如下：

Alice 中光源板的四路激光器 LD1、LD2、LD3 及 LD4 随机产生波长为 850nm 的光信号；
通过光模块的偏振状态制备功能，分别制备成 H、V、P 和 N，4 种偏振态；
对 H、V、P 和 N，4 路光信号进行合束；
将合束后的信号进行衰减到单光子状态后输出；
Alice 端的主控板的激光器 LD_sync 产生波长为 1310nm 的同步光信号。信号光和同步光分别经过量子信道及同步信道，传送至 Bob 端，同步光利用 PIN 管，将光信号转换成电信号；
Bob 端的光模块配合 MPC 将信号光对 H、V、P和 N 四路偏振光进行偏振补偿，并对 V、P 和 N 三条路径添加不同延时以进行区分。H、V、P 和 N 通过时分复用调制模块，复用到一路上；
利用单光子探测器（Single photon detector，SPD）将光信号转换成电信号；
将电信号送到接收端的信号处理模块；

下图为另一种偏振编码光路子系统方案，这个方案中的编解码模块采用了集成技术，其中强度编码和偏振编码模块都采用了Sagnac结构（插眼，后期细聊这个结构）。

该方案中，光路子系统的主要工作流程如下：

Alice端的激光器（LD）发送随机相位脉冲，脉冲信号一次通过Sagnac IM强度编码和Sagnac POL偏振编码模块，完成脉冲信号的编码；
脉冲信号通过可调衰减器（VOA）衰减为单光子量级；
单光子量级的脉冲信号通过50:50分束器（BS）将脉冲信号分成两束，其中一束接到单光子探测器（SPD）或光功率计（OPT）上来监控强度，另一束脉冲信号通过信道（Channel）发送给 Bob。Channel 为普通商用光纤。
光脉冲到达Bob端之后，首先经过偏振控制器（PC）完成基矢校准，对准偏振分束解码模块（PAM）的测量基；
光脉冲通过PAM模块，经过分束之后进入单光子探测器（SPD）完成测量，SPD发送电信到到时间数字转换器（TDC）；
最后TDC记录每台SPD发送电信号的时间；

对比这两种方案可以看出，他们有种类似“对称”的结构，上面的方案是四个发一个收，下面的是一个发四个收，这是因为偏振BB84是四态协议，这两种方案在具体设备上如何应用后面再讨论。

3.基于相位编码BB84协议QKD系统中光路方案

关于相位编码BB84协议请戳之前的文章：

量子密钥分发设备：基于相位编码的量子密钥分发系统（一）

如下图为基于相位编码BB84协议的QKD系统方案设计图。

该方案中光路子系统主要工作流程如下：

连续激光源Laser发出连续光；
连续光经过一级衰减器Att和起偏器Pol，变成连续的线偏振光；
连续线偏振光经过偏振调节pc之后进入强度调制器IM，经过IM调制后得到光脉冲。这个光脉冲是有Alice端的FPGA控制输出的；
光脉冲进行二级可调衰减，进行功率监控。再经过三级固定衰减，使光信号的强度达到单光子水平；
Alice端产生随机数并发给FPGA，FPGA根据收到的随机数产生发端相位调制器PM的驱动电压对光脉冲进行相位调制，使光脉冲随机产生4个相移；
发送端产生一个同步脉冲信号，经过适当衰减之后，通过光波分复用器与单光子信号合为一路，进入光纤信道；
信号到达Bob端后，先用光波分复用器将数据脉冲与同步脉冲分开；
单光子信号经过 Bob端 M-Z干涉仪进行相位调制和干涉后后进入到单光子探测器 SPD
同步光经过光电二极管转换为电脉冲，经过处理后分别送入SPD触发端和Bob端FPGA；
SPD会输出触发信号和探测到的数据信号，经过整形分别送入采集卡的外触发端和采样通道,采集卡进行数据采集和数模转换后,将数据通过 PCI接口送达 Bob 端PC；
收发方双通过经典信道进行五码检测和协商，经过纠错和密性放大等流程，得到最终密钥。

4.基于连续变量分发协议QKD系统光路方案

关于基于连续变量量子密钥分发协议请戳之前的文章：

量子密钥分发设备：基于连续变量的量子密钥分发系统（一）

如下图为连续变量量子密钥分发系统的总体光路图。其中红色实线代表光信号路径，我们称之为光路，紫色虚线为电控制信号走的路线，我们称之为控制电路。

该方案中光路子系统的主要工作流程为：

Alice端用两串随机数串对光信号进行调制，将信息调制在光子的振幅A(通过强度调制器)和相位φ(通过相位调制器)上，在复平面上对应着正则位置X与正则动量P；
Alice 将调制好的量子态发送到光纤量子信道中，通过单模光纤传输后到达 Bob端；
在 Bob 接收前端有一个动态偏振控制器DPC，用来校正经过长距离光纤传输后的偏振失配；
经过偏振校正之后，光信号进入Bob端，Bob随机的选择测量基，对接收到的光信号进行零差（Homdyne）检测，并用FPGA收集数据；
最后将FPGA采集到的数据发送到计算机中。Bob的计算机把得到的数据通过经典信道和 Alice 的计算机进行通信并比对。经过纠错和保密增强步骤之后即可得到最终的密钥。

5.写在最后

光路系统是QKD实现的基础，本文主要讨论了几种基础的光路系统，用于让读者直观的了解QKD系统中光路部分的视线方式，作为储备知识。在实际的工程应用中，会根据每种实现方式的特点或者应用背景等因素进行光路的优化提升设计，后期我们在具体设备的实现中可以详细讨论。另外在本文中出现了大量的光学设备和专业领域名词，大家不慌下，下一篇文章名称已经预定，就讨论QKD系统中的光学器件。

文章中由谬误的地方，还请大家不吝指出。