量子密钥分发系统的设计与实现(三)：量子信号的产生、调制及探测技术讨论

之前的文章我们对量子密钥分发系统功能的光路子系统进行了较为全面的分析，我们理解了光路子系统是量子密钥分发系统的基础。本文我们主要探讨下量子信号产生、调制及探测的基础技术，算是一篇承上启下的文章吧，对相关的原理进行探讨，对相关的技术实现设备和器件进行初步的展示。一方面方便大家理解原理，另一方面为后QKD系统实现进行理论知识的铺垫。

1.量子信号产生技术

1.1单光子信号产生技术

单光子信号，即光子数态中的单光子态，是光辐射场的最小能量单位。单光子信号的产生是实现BB84等量子保密通信协议的核心技术。量子通信中涉及到的两光子信号源可以分为两类，一类是单光子枪，另一类是基于弱相干光脉冲产生的准单光子源（也叫概率性单光子源）。单光子枪指的就是立项的单光子源，既然是理想的，我们就暂且不谈。我们先聊实际上广泛应用的，技术上较为成熟的弱相干准单光子源技术。

所谓“弱相干光源”是指将相干光源（激光器射出的光束即为相干光束）衰减到微弱的单光子量级的光源，在量子通信领域一般称为准单光子源。

这里激光先引申解释一下激光，激光的英文为：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(LASER)，翻译一下就是：受激辐射的光放大。是爱因斯坦的小发明，激光的特点就是就是受激辐射发射的光子与外来光子的状态完全相同，包括频率、相位、偏振、传播方向等特性。为了建立起光子和激光的联系，我们可以这样理解：激光就是大量光子组成的相干态。另外提一嘴，“激光”这个汉语名称本身是钱学森起的（一个热知识分享给大家）。

激光光源是一个宏观的光子发射过程，其发出的光子数不是单个出射的，而是大量原子跃迁的集体行为，激光器中产生的光束是相干态光束。光场的光子数满足泊松分布，当光子数等于0是，我们成为真空态；当光子数等于1时，称为单光子态；当光子数大于等于2时称为多光子态（这块下一篇文章马上解释）。

相干态包含了真空态、单光子太和多光子太，对于基于单光子的量子通信协议，应该尽可能的制备单光子态，而且要尽可能的减少多光子态（这里后面需要展开，给个两个关键词：光子束流攻击和诱骗态）。我们尽量增加光场量子态中单光子所占的比例，那么就可以认为我们获得了接近于理想单光子源的准单光子源。

到这里理论分析就结束了，博主进行一个速通版的总结：我们认为一束激光是有无数个单光子组成的，而一束激光的分布是有规律的，这个规律就是在光束上的光子数分布满足泊松分布，因此只要我们办法提升这个泊松分布中1个光子在光场量子态中所占的比例，那么得到这这种激光就乐意认为是单光子。

单光子源实际工程上的制备一般采用分布式反馈激光器（Distributed Feedback Laser,DFB）激光器产生激光脉冲，在经过光衰减器进行强度校准即可，工程上用光脉冲经过衰减来产生每个脉冲约含有0.1个光子水平的准单光子信号即可获得单光子源。比如，1MHz 的激光脉冲的强度经过衰减至-96.31 dBm 时，平均光子数等于1，就可以等效为单光子源，即准单光子源。下图为DFB激光器实物图：

1.2连续变量量子信号产生技术

连续变量量子通信协议里面包含了隐性传态、密集编码、相干态量子密钥分发等，要实现这些协议，关键步骤之一就是产生编码信息的载体，即用来制备相应量子态的光源，包括压缩态、纠缠态、相干态。由于我们讨论的范围目前局限在基于高斯调制相干态连续变量量子密钥分发协议，因此本文主要讨论相干态的产生。

CV-QKD中的光源主要指连续型光源。在实际实现中最为广泛使用的就是高斯光源中的相干态光源也叫相干光。相干在经典物理中表现为干涉，即两束同频同相同振动方向的光叠加时能产生稳定干涉，因此把一束频率相位确定并可预测的光叫相干光。在量子领域中，相干态作为一种特殊的量子态，不同分量间的波函数有明确并可预测的相位关系，这也是叫相干态的原因，也可以理解为相干态是相干光在量子领域中的描述。所以在CV-OKD系统的物理实现中，研究者们把相干光作为相干态的光源。对于连续变量量子密钥分发实验而言，对光源的选择有一定的要求。量子光源要求提供稳定的输出功率，因此输出的功率的抖动尽量要小。在连续变量量子密钥分发系统中，一般采用窄线宽激光源模块。其输出光信号的中心频率和相位几乎相同(不完全相同)，因此常作为相干光来使用，也是CV-QKD系统最重要的组成部分之一。下图为美国RIO公司的ORION系列窄线宽激光源模块：

2.量子信号调制技术

在实际的量子通信系统中，要实现信息的加载必须对激光信号的不同参量进行调制。信号源产生的量子信号必须经过适当的调制之后才能进入量子信道进行调制，进而实现量子通信协议所要求的通信过程。在前期协议的讨论中，我们知道单光子量子信号的调制，常用的调制包括偏振调制、相位调制以及频率调制；对于量子信号的调制包括高斯调制和离散调制。

2.1单光子量子信号的调制技术

对于单光子调制方法主要包括偏振调制和相位调制。这些调制方法在经典光通信中已经很成熟了，从原理上来说应用到量子通信并不困难。本文我们就讨论下之前偏振BB84协议和相位BB84协议中的两种调制技术。

2.1.1偏振调制

光信号的偏振调制是指通过调节光的偏振方向实现对信息的加载。光的偏振调节在经典通信中是成熟的技术，单光子或弱相于光的偏振调制方法类似于经典光，所以波片偏振调制在量子通信中是一种有效、简单实用的方案。我们最熟悉的偏振BB84协议原理图如下：

OK，现在问题是上面这个过程咋实现？

偏振光一般分为线偏光和椭圆偏振光。线偏振光是指光的振动方向不变，只是大小随着相位变化。也就是我们最常见的一维横波。椭圆偏振光是指光的矢量端点为椭圆。圆所在的平面垂直于传播方向。在量子保密通信中常用4种偏振态。

偏振态的获取可以采用光学器件获取，如波片、偏振片和偏振分束器等。也可以采用偏振控制器主动调制入射光的偏振方向，偏振控制器利用电光、磁光、声光或者弹光效应等改变光传播路径上的介质特性，引起双折射效应的席位变化，从而改变光束的偏振方向。

好了，我们开始讨论偏振态的调制。量子通信中，偏振调制包括主动调制和被动调制两种调制方式。

主动调制是指通过电路控制偏振控制器来调制光信号的偏振态。主动调制的系统灵活性好，操控性强，但现有的偏振控制器的调制速度制约了高速量子通信系统的发展。

被动调制是指利用玻片、偏振分束器等静态器件调节偏振方向。被动调制的调制速率高。

对于BB84协议，至少有两种方法可以制备四种信号态。一种是光信号经过两级分束器由玻片、偏振分束器等进行偏振控制，再合束成为一路信号进入传输信道。另一种方法是直接采用四个激光器，用偏振分束器等对四路光脉冲分别调制。偏振分束器等器件一般可能具有波长等依赖性，窃听者可以通过偏振以外的自由度进行攻击，从而对通信系统的安全性构成一定的威胁，但同时我们可以采取相应的措施减小或避免这方面的威胁。

在QKD系统中，主动调制和被动调制也可以同时使用，如下图所示。发送方偏振调制采用了基于偏振控制器的主动调制过程,接收方偏振解调则是利用 PBS 等静态器件被动地实现。

在偏振调制的光纤量子通信系统中，一个显著的制约因素是光纤信道中的光偏振方向会受信道的影响而发生改变。因此在实际的工程中需要采用偏振补偿。

在实际的工程中，需要对光信号的强度态和偏振态进行调制。对光信号的调制是通过基于电光效应的电光调制器(electro-optic modulators,EOM)来实现，电光效应即在介质中施加外部电场而引起的材料折射率、散射率以及吸收率变化的现象。实际中EOM 通常基于铌酸锂、硝基苯、磷酸二氢钾晶体等特殊的光电材料来实现。常见的两种调制器为：电吸收调制器（Electr Absorption Modulator, EAM）和马赫-曾德尔调制器（Mach-Zehnder Modulator,MZM）。下图是一个MZM调制器。

实际的OKD系统发送端光源主要包括激光器、强度/偏振调制器等光器件和 FPGA 主控模块、激光器和调制器的驱动电路等电子学部分。我们知道数字调制是实现将离散的数字信息加载到光学载波的一种信息加载方式，在当前光通信中应用广泛。对于二进制调制方案，调制的实现就是采用调制驱动模块驱动调制器实现调制。要实现这个调制过程，就需要进行硬件电路的设计和驱动代码的编写了，这个后期我们会详细讨论。

2.1.2相位调制

相位调制是指利用光的相位来编码信息。不管是光的经典描述还是量子化描述，相位都是一个参量，是干涉效应的关键因素，在相位编码的量子密钥分发系统中，收发端利用相位调制器PM对光脉冲进行相位调制来实现编码和解码。量子通信里面相位调制原理上主要是基于马赫-曾德尔干涉仪。

调制相位的器件常用的有移相器、相位调制器和光纤拉伸器。一般来说，相位控制器调制范围小，调制速度高，重复频率可达 GHz;移相器的调制幅度范围相对较大，调制速度在百kHz量级，可连续调节;光纤拉伸器调节范围最大，可以补偿的路径差到毫米量级。

光调制器按调制原理可以分为电光调制器、声光调制器以及磁光调制器。光调制大多数原理上都是相位调制，附加其他措施后可以实行偏振调制和振幅调制。电光调制利用的是电光效应，在介质上附加电压后，可以改变其折射率。声光调制的原理是机械波作用在介质上，应变场引起介质折射率的周期性变化，使得介质成为一个光学位相光栅，从而引起光衍射。磁光调制器是采用磁光效应中的法拉第效应，即在介质上加载磁场后使得右旋圆偏振光和左旋圆偏振光的折射率产生差异，进而在两种偏振光间产生相位差，从而可以进行相位、偏振和振幅调制。下图为相位调制器：

在实际工程的应用中，调制逻辑和偏振的原理是一样的。比如在相位调制QKD系统中，Alice端激光器发出的连续光先经过强度调制器衰减到单光子水平，然后单光子到达相位调制器（PM），相位调制器根据驱动电路产生的驱动电压对光脉冲进行相位调制。当然了实际工程中还是有一系列问题需要解决的，这个后期我们讨论具体设备的时候展开讨论，本节我们只需要知道相位调制的计数原理，以及看到相位调制器长什么样就可以了。

2.2连续变量量子信号调制技术

连续变量的定义决定了其所能采用的编码载体只能是光场的正交振幅和正交位相。但根据通信协议的不同却存在高斯调制和离散调制的区别。所谓高斯调制就是加载到光场上的信息是幅值服从高斯分布的离散数据，其信息携带量大，但后续数据不易处理。而离散调制就是将离散的0、1信号直接调制到光场的两正交分量上，信息携带量稍小，但容易实现，且易处理。近来的研究表明离散调制除了数据处理相对容易外抗干扰能力也强，适合远距离传输。下面将对两种调制方案分别介绍。

2.2.1高斯调制

高斯调制发生器的主要目标是产生统计上具有理想高斯分布的随机变量的样本。

在基于连续变量的量子密钥分发中，需要通过控制器使得光场的两个正交分量满足高斯分布。CV-QKD中使用的最主要的是光学调制器，最常用的就是电光调制器，利用电光效应完成由射频信号到光信号的转化，由于无法直接对电光调制器实施高斯调制，所以高斯调制通常使用幅度调制器配合相位调制器来完成，使调制后的光信号的幅度满足瑞利分布，相位满足均匀分布，借此来实现高斯调制。

2.2.3离散调制

离散调制在相位空间中可以表示为4个点，如下图所示，两个正交分量的0，1调制构成4种组合，也就是4种量子态，所以也称为4态协议。发送方每次将信息编码为这4个量子态中的一个，发送给接收方，接收方对这4种态加于判断，解码出相应的0，1信号，最后进行信息协调，提取安全密钥。这种通信协议与经典相干光通信非常相似，不同之处在于量子通信所调制的信号幅度非常小,任意的光路损耗或窃听都能反映到接收方数据的统计分布上来。

3.量子信号探测技术

量子通信系统中，接收端（Bob）最重要的器件是量子信号探测系统。我们已经很熟悉的是量子密钥分发协议里面是基于离散变量的量子通信协议和基于连续变量的量子通信协议。因此我们主要探讨的就是单光子信号和连续变量信号的探测技术。

3.1单光子信号探测技术

单光子探测器的性能指标直接决定了量子通信系统的性能，他就是木桶理论中的“短板”，其参数会影响通信速率、安全通信距离等。常见的单光子探测器主要有两种类型：工作在盖格（Geiger）模式下的半导体雪崩光电二极管（APD）单光子探测系统，以及基于超导体材料的超导单光子探测器系统。超导这个词听着就很贵，因此实用化量子系统里面APD几乎是当前的唯一选择。所以本文我们主要讨论APD单光子探测技术。

APD单光子探测器就是由半导体雪崩二极管和捕获雪崩信号的外围电路组成。根据不同的外围电路，可以将半导体单光子探测器分成被动、主动、门控等三种工作模式。

这里解释一下盖革模式，是指在雪崩二极管上加反偏压，且偏压高于其雪崩阈，当有半子入射进光敏面时，由光子激发出光电荷,电荷注入损耗层时就会引起二极管持续的雪崩效应,从而产生雪崩电流以此探测光子。

当前主流的单光探测器主要包括基于硅（Silicon）的可见光波段单光子探测器以及基于砷化镓铟/磷化铟（InGaAs）的通信波段单光子探测器。下图为IDQ的单光子探测器：

3.2连续变量量子信号探测技术

连续变量量子通信是将信息加载到光场的成交振幅和正交相位上，它不同于单光子只是一个单纯的强度测量，而是需要借助一束本地光进行干涉测量。而平衡零差探测（Homodyne）就是专门进行光场两个正交分量测量的，其中本地光通常远强于信号光，除了用于干涉测量之外，还可以对信号光有放大作用，因此可以进行及其微弱信号的测量。

平衡零拍探测器探测原理图如下。该探测器通常由一个50/50d的光分束器（BS），两个高效率的光电探测器和一个减法器组成。本地震荡光和信号光分别从两个通道射入50/50分束器上，经过BS之后，输出两相干叠加的光场，这两束光场分别输入两个响应度基本一致的探测器中，探测器输出的光电流信号经减法器相减可以消除本振光中包含的经典噪声，相减后的光电流经过放大电路后输出。

工程上光不能直接探测，他们通常需要转化成电子信号进行探测和分析。对于微弱荧光信号通常需要需要利用光电倍增效应或雪崩效应来进行探测，包括前面提到的单光子探测器，这里将不作介绍。对于较强的光则是通过光一电子一比一的转换来实现的光电流探测器，这里简称光电探测器，通常由进行光电转换用的光电二极管和放大电路两部分构成。与单光子探测的情形类似，光电二极管有量子效率、暗噪声和死时间等三个重要指标，通过比较这些参数可以选择所需要的光电二极管来设计相应的探测器。

4.写在最后

今天这篇内容比较多，实际上是对量子密钥分发系统的光路子系统中的基础原理进行了一次串联，我们从原理侧更加深入的理解了整个量子密钥分发过程中量子态这个什么的东西到底是如何产生、调制和探测的。结合本文不管是理解之前的协议实现方式还是后期工程上的技术手段，其实通过本文都能找到答案，比如之前文章中提到的为什么基于偏振编码的设备传输距离受限？通过本文就可以发现，其实就是偏振态本身容易受到环境影响。

这篇文章中还有很多细节值得展开，不管是向上的技术时间还是底层的量子光学原理。博主也会利用业余时间积极整理消化资料，并逐步分享给大家，敬请期待。

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