用于量子密碼學(xué)的方法和裝置的制造方法
【專利摘要】公開了用于在量子密碼學(xué)應(yīng)用中使用的方法和裝置。在光信號(hào)在至少兩個(gè)信號(hào)路徑上的階段，編碼用于量子密碼學(xué)的具有第一波長(zhǎng)的光信號(hào)。在所述光信號(hào)被編碼用于傳輸之前，將在所述至少兩個(gè)信號(hào)路徑上的所編碼的光信號(hào)的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換為第二波長(zhǎng)。用于傳輸?shù)木幋a應(yīng)用于在所述第二波長(zhǎng)上的光信號(hào)。
【專利說明】用于量子密碼學(xué)的方法和裝置
[0001 ]本公開設(shè)及用于保護(hù)通信安全的量子密碼學(xué)的使用。
[0002] 可W在兩個(gè)或更多設(shè)備，諸如固定和/或移動(dòng)通信設(shè)備、諸如基站的接入點(diǎn)設(shè)備、 服務(wù)器、機(jī)器類型的設(shè)備等，之間提供通信鏈路。通信可W在固定或無(wú)線連接上發(fā)生。
[0003] 可能需要保護(hù)在通信設(shè)備之間的傳輸和通信各方的隱私的安全。例如，通信可能 易受到黑客的竊聽或其它攻擊。典型地依賴于在互聯(lián)網(wǎng)或其它數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)上的安全交易 的應(yīng)用的示例包含:銀行業(yè)務(wù)、購(gòu)物和其它金融交易、電子郵件、企業(yè)通信、云計(jì)算等。
[0004] 與通信鏈路相關(guān)聯(lián)的諸如個(gè)人計(jì)算機(jī)、服務(wù)器和其它設(shè)備的設(shè)備在傳統(tǒng)上主要是 固定的W及通過電纜和/或光纖來連接。然而，通過無(wú)線接口通信的移動(dòng)設(shè)備的數(shù)量正在增 加。此外，在各種設(shè)備之間傳遞的敏感信息的數(shù)量正在增加，部分是由于各種新應(yīng)用需要安 全通信。
[0005] 用于保護(hù)數(shù)據(jù)的當(dāng)前方法基于密碼學(xué)方案，該密碼學(xué)方案依賴于用于求解某些數(shù) 學(xué)問題的計(jì)算困難度。計(jì)算機(jī)在求解問題中越來越強(qiáng)大，因此加密的復(fù)雜性不得不增加 W 跟得上安全漏桐的可能性。也在考慮保護(hù)在各方之間的通信的安全的新的方式。借助于量 子密鑰分配(QKD)的加密被認(rèn)為是用于改進(jìn)安全性的一種可能性。QKD被視為例如針對(duì)公共 密鑰分配W在授權(quán)方之間交換秘密密鑰的有前景的解決方案。QKD基于如下思想:密鑰比特 被編碼在量子系統(tǒng)中并且在各方之間交換。QKD使得各方能夠檢測(cè)試圖獲得該密鑰的知識(shí) 的第=方的存在，因?yàn)楦`聽量子系統(tǒng)的嘗試一般擾亂該系統(tǒng)。正因?yàn)槿绱?，試圖測(cè)量信號(hào)的 第；方引入了能夠檢測(cè)的異常。因此，在QKD中，信任能夠被放在物理和自然定律上而不是 增加的復(fù)雜度和計(jì)算能力。在量子密碼學(xué)中，各方裝備有光檢測(cè)器。該檢測(cè)器的效率取決于 所接收的光信號(hào)的波長(zhǎng)。
[0006] 注意的是，在本說明書中論述的問題不局限于任何特定的通信環(huán)境和裝置，而是 可W出現(xiàn)在基于量子密碼學(xué)來保護(hù)通信的安全的任何情景中。
[0007] 本發(fā)明的實(shí)施例旨在解決W上問題中的一個(gè)或若干問題。
[000引根據(jù)實(shí)施例，提供了一種方法，該方法包括:在光信號(hào)在至少兩個(gè)信號(hào)路徑上的階 段，編碼用于量子密碼學(xué)的具有第一波長(zhǎng)的光信號(hào)，在所述光信號(hào)被編碼用于傳輸之前，將 在所述至少兩個(gè)信號(hào)路徑上的所編碼的光信號(hào)的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換為第二波長(zhǎng)，W及編碼具有所述 第二波長(zhǎng)的光信號(hào)W用于傳輸。
[0009] 根據(jù)實(shí)施例，提供了一種用于處理用于量子密碼學(xué)的光信號(hào)的裝置，該裝置包括： 量子密碼學(xué)編碼器，其被配置為編碼光信號(hào)，該光信號(hào)具有第一波長(zhǎng)并且被布置在至少兩 個(gè)信號(hào)路徑上，波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器，其被配置為在所述光信號(hào)被編碼用于傳輸之前，將在所述至少 兩個(gè)信號(hào)路徑上的所編碼的光信號(hào)的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換為第二波長(zhǎng)，W及傳輸編碼器，其被配置為 編碼所述光信號(hào)W用于傳輸。
[0010] 根據(jù)更具體的方面，所述轉(zhuǎn)換包括:縮短所編碼的光信號(hào)的波長(zhǎng)。量子密碼學(xué)編碼 器可W被配置為:在0.9至2WI1范圍內(nèi)的波長(zhǎng)中高效地操作，和/或傳輸編碼器被配置為在小 于1皿的波長(zhǎng)中高效地操作。
[0011] 可W針對(duì)量子密鑰分配來轉(zhuǎn)換光信號(hào)的波長(zhǎng)。
[0012] 用于傳輸?shù)木幋a可W包括W下之一：偏振編碼、時(shí)間倉(cāng)-相位編碼（time bin-phase encoding) 、空間模式編碼和角動(dòng)量編碼。
[0013] 在至少兩個(gè)信號(hào)路徑上的光信號(hào)當(dāng)經(jīng)受波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換時(shí)可W具有相同的偏振。
[0014] 在波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換之前，可W提供自由空間模式轉(zhuǎn)換和偏振旋轉(zhuǎn)。
[0015] 可W通過單忍片或單晶體來提供波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換。
[0016] 通過轉(zhuǎn)換可W衰減光信號(hào)W用于基于微弱脈沖的量子密鑰分配。可W提供在包括 用于編碼和轉(zhuǎn)換階段的異構(gòu)忍片的混合平臺(tái)上的量子密鑰分配發(fā)射器。
[0017] 也可W提供一種裝置，該裝置包括:被配置為提供量子密碼學(xué)編碼器的基于集成 的憐化銅的忍片或基于娃的忍片、至少一個(gè)光源和至少一個(gè)透鏡。
[0018] 設(shè)備(諸如移動(dòng)通信設(shè)備、基站、機(jī)器類型終端或具有通信能力的另一個(gè)節(jié)點(diǎn)）可 W被布置為實(shí)現(xiàn)實(shí)施例。
[0019] 還可W提供一種包括程序代碼構(gòu)件的計(jì)算機(jī)程序，所述程序代碼構(gòu)件適應(yīng)于執(zhí)行 本文中描述的方法。依照另外的實(shí)施例，提供了能夠用于提供W上方法中的至少一個(gè)方法 的裝置和/或計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，所述計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品可W被具體化在計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)上。
[0020] 應(yīng)當(dāng)了解的是，可W將任何方面的任何特征與任何其它方面的任何其它特征進(jìn)行 組合。
[0021] 現(xiàn)在參照W下示例和附圖，僅通過示例，來更詳細(xì)地描述實(shí)施例，在附圖中：
[0022] 圖1示出了能夠無(wú)線通信的兩個(gè)設(shè)備的示意圖；
[0023] 圖2示出了光信號(hào)發(fā)射器的框圖；
[0024] 圖3至圖5示出了針對(duì)圖2的框的示例性組件的圖；
[0025] 圖6是針對(duì)在光信號(hào)的發(fā)射器處的操作的流程圖；
[0026] 圖7示出了在溫度控制基底上用于量子密碼學(xué)的光信號(hào)的發(fā)射器的示例；W及
[0027] 圖8示出了控制裝置的示例。
[0028] 移動(dòng)設(shè)備是設(shè)備的示例，在該設(shè)備中，能夠基于量子密碼學(xué)來提供安全通信。用于 與例如基站或另一個(gè)移動(dòng)設(shè)備通信的用戶的移動(dòng)設(shè)備通常被稱為用戶設(shè)備(UE)或終端?？?W由能夠向信道發(fā)送信號(hào)和/或在信道上接收無(wú)線信號(hào)的任何設(shè)備，來提供用于具體化W 下解釋的示例的移動(dòng)設(shè)備。移動(dòng)設(shè)備還裝備有用于在光信道上進(jìn)行通信的裝置。移動(dòng)設(shè)備 的非限制性示例包含:移動(dòng)臺(tái)(MS)，諸如移動(dòng)電話或被稱為'智能電話'，便攜式計(jì)算機(jī)，諸 如裝備有無(wú)線通信能力的膝上型計(jì)算機(jī)、平板計(jì)算機(jī)或個(gè)人數(shù)據(jù)助理(PDA),或運(yùn)些設(shè)備的 任何組合，或諸如此類。適當(dāng)?shù)囊苿?dòng)設(shè)備裝備有至少一個(gè)數(shù)據(jù)處理實(shí)體、至少一個(gè)存儲(chǔ)器W 及其它可能的組件W供在它被設(shè)計(jì)用于執(zhí)行的任務(wù)的軟件和硬件輔助運(yùn)行中使用，該任務(wù) 包含與其它方的通信的控制和有關(guān)于安全通信的特征?？蒞在適當(dāng)?shù)碾娐钒迳虾?或在忍 片組中提供數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)和其它相關(guān)控制裝置。
[0029] 能夠在保護(hù)通信安全中使用量子密鑰分配(Q邸)系統(tǒng)。量子密鑰分配(QKD)能夠與 光傳輸信道(例如自由空間（特別適用于移動(dòng)通信）、波導(dǎo)和光纖)一起使用。一種可能的用 例是與固定終端建立共享密鑰的移動(dòng)設(shè)備。量子密鑰分配方案的實(shí)現(xiàn)依賴于發(fā)送低數(shù)量的 光子，在兩個(gè)終端之間每個(gè)脈沖平均小于單光子。因此，量子密碼學(xué)是已知的，W及若干公 司提供基于光纖的量子密鑰分配設(shè)備。使用量子力學(xué)系統(tǒng)的屬性W分配安全密鑰的密碼學(xué) 方案被認(rèn)為提供高水平的安全性。例如，當(dāng)前相信的是，即使僅受物理定律限制的強(qiáng)大竊聽 者應(yīng)當(dāng)不能危害該方案的安全性。
[0030] 可W在密鑰的發(fā)送器和接收設(shè)備之間提供量子密鑰分配方案。圖1示出了發(fā)送器 設(shè)備1，W及接收設(shè)備2。終端1是量子比特發(fā)送器W及終端2是接收器。依照實(shí)施例，終端1包 括移動(dòng)設(shè)備，例如，移動(dòng)電話或智能電話、膝上型計(jì)算機(jī)、筆記本、平板計(jì)算機(jī)等。終端2包括 固定節(jié)點(diǎn)，例如，蜂窩系統(tǒng)或局域網(wǎng)系統(tǒng)的基站或機(jī)器類型終端。在設(shè)備1和設(shè)備2之間能夠 提供射頻(RF)無(wú)線鏈路3。運(yùn)兩個(gè)設(shè)備可W分別裝備有用于無(wú)線通信的通信子系統(tǒng)4和5,例 如裝備有適當(dāng)?shù)臒o(wú)線電裝置W促進(jìn)無(wú)線通信。注意的是，還可W基于其它技術(shù)，諸如經(jīng)由光 鏈路，在設(shè)備1和設(shè)備2之間提供通信信道。
[0031] 用于保護(hù)在設(shè)備1和設(shè)備2之間的通信安全的密鑰分配基于在光鏈路7(通過虛線 示出）上在設(shè)備之間的光子的發(fā)送。密鑰分配基于例如從終端1向終端2發(fā)送光子，W及在實(shí) 踐中，含有平均小于一的光子數(shù)量的微弱脈沖。本文中描述的原理能夠應(yīng)用于在光纖或自 由空間中基于微弱脈沖的大多數(shù)QKD協(xié)議。在設(shè)備1處的用于產(chǎn)生和發(fā)射光子的裝置6可W 包括:光編碼器，其適應(yīng)于編碼隨機(jī)量子比特狀態(tài)W及發(fā)射光子。還可W提供諸如用于創(chuàng)建 發(fā)射光子所需的電脈沖的控制電子產(chǎn)品的元件、（量子)隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器W及用于控制運(yùn)些組 件的處理器裝置。用于光編碼的裝置可W適應(yīng)于概率地將由光源發(fā)射的光脈沖轉(zhuǎn)換為光 子。在接收設(shè)備2處，提供適當(dāng)?shù)慕獯a和檢測(cè)器裝置8。兩個(gè)設(shè)備可W被配置為發(fā)射和檢測(cè)光 子。還可W提供適應(yīng)于處理檢測(cè)器輸出和記錄它們的時(shí)間軌跡的控制電子產(chǎn)品、用于無(wú)線 通信的通信子系統(tǒng)W及用于控制W上組件的計(jì)算機(jī)或處理器。
[0032] 例如在大約1.3和1.55WH(微米）的域中的波長(zhǎng)處，用于產(chǎn)生和傳輸光信號(hào)的光組 件（例如，激光器、調(diào)制器、在半導(dǎo)體上的集成光學(xué)）是廣泛可W獲得的，合理地運(yùn)行良好的 并且定價(jià)合理。然而，在接收側(cè)，盡管存在足夠好地用于在那些波長(zhǎng)處的傳統(tǒng)通信的檢測(cè) 器，但是用于量子密碼學(xué)所需要的單光子檢測(cè)器可能是低效的、有噪聲的、笨重的和/或昂 貴的。本發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識(shí)到的是，更加高效的低噪聲檢測(cè)器能夠用于低于1微米的波長(zhǎng)。還 可W在介電平臺(tái)（platforms)上在那些波長(zhǎng)處找到集成光子學(xué)技術(shù)?？蒞提供波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換W 改進(jìn)效率和/或解決其它問題。在基于偏振的QKD使用與要求相對(duì)低的峰強(qiáng)并且提供良好功 率效率的晶體或波導(dǎo)一起工作的設(shè)計(jì)的情況下，W下描述的實(shí)現(xiàn)方式使用交叉偏振晶體。
[0033] 圖2公開了說明依照量子密鑰分配方案的在光接口上傳輸編碼信息之前可能的波 長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的原理的框圖。該實(shí)施例旨在在不必?fù)p害整體性能的情況下提供在兩種不同波長(zhǎng)范 圍中存在的優(yōu)點(diǎn)。運(yùn)是基于W下認(rèn)知:量子密碼學(xué)系統(tǒng)具有能夠容忍損耗的階段。在傳輸之 前，在發(fā)射設(shè)備6中的轉(zhuǎn)換提供了通過上轉(zhuǎn)換或下轉(zhuǎn)換將波長(zhǎng)調(diào)節(jié)到優(yōu)選技術(shù)的自由度。運(yùn) 能夠用于解決在編碼是高效的波長(zhǎng)與檢測(cè)是高效的波長(zhǎng)之間的失配。
[0034] 發(fā)射器6可W由S個(gè)主要部件組成，在圖2中它們由框10、20、30表示，它們分別用 于執(zhí)行雙路徑編碼、波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換和偏振編碼。更具體地，第一框10可W包括光源(多個(gè))和雙軌 編碼。取決于平臺(tái)，可W在單忍片上提供運(yùn)兩個(gè)組件。來自雙路徑編碼器階段10的信號(hào)輸出 的光波長(zhǎng)僅在在它的傳輸之前在20處被轉(zhuǎn)換。運(yùn)可W是有利的，因?yàn)樵谶\(yùn)個(gè)階段，轉(zhuǎn)換效率 不是必須非常高，而是可W容忍差的效率。特別地，即使波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換對(duì)于低功率光(低功率光 可W用于例如功率節(jié)省原因）而言可能是低效的，但是發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn):在基于微弱脈沖的 量子密鑰分配的情況下，運(yùn)不是問題。實(shí)際上，在那些協(xié)議中，不論如何，光需要被衰減，W 及在傳輸之前，功率被砍掉許多數(shù)量級(jí)，W便達(dá)到單個(gè)光子水平的功率。通過如此的低效波 長(zhǎng)轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的光子的數(shù)量對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用而言仍然結(jié)結(jié)有余。在傳輸之前的轉(zhuǎn)換允許在 波長(zhǎng)域(其中，組件廣泛地可W使用，同時(shí)也使得在另一方處能夠使用更加高效的檢測(cè)器） 中的光信號(hào)的高效編碼。典型地，運(yùn)將意味著波長(zhǎng)在1微米水平之下。
[0035] 例如，在累浦光（和頻生成或四波混頻）的幫助下，可W由諸如二次諧波生成（倍 頻)或上變頻的技術(shù)來執(zhí)行波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換。
[0036] 可W在在雙路徑上實(shí)現(xiàn)編碼的階段處執(zhí)行波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換。在在20處的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換后，在 框30處執(zhí)行從雙路徑編碼到例如偏振編碼的轉(zhuǎn)換。實(shí)際上，能夠更容易地執(zhí)行波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換，同 時(shí)在兩個(gè)軌道上或光路徑上的所有光具有相同的偏振。運(yùn)與交叉偏差的薄晶體是必要的實(shí) 現(xiàn)方式相反。
[0037] 可W并行使用兩個(gè)周期極化波導(dǎo)。根據(jù)一種可能性，并行使用具有兩個(gè)準(zhǔn)直光束 的體晶體(bulk crystal)(周期極化或者不是）。運(yùn)可W由單忍片或單晶體來執(zhí)行?？蒞由 混合平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)QKD發(fā)射器的完整實(shí)現(xiàn)方式，即可W由組裝在一起的不同的異構(gòu)忍片來執(zhí) 行不同的功能性。
[0038] 在圖3中示出了具有光源和AM/PM調(diào)制的忍片的可能的實(shí)現(xiàn)方式的示例。在運(yùn)個(gè)示 例中，在憐化銅(InP)平臺(tái)11上提供光源12和雙軌編碼階段16。光源12可W包括例如集成在 忍片中的激光器?？蒞提供不只一個(gè)光源。為了最大化隨后的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換，激光源可W是鎖模 的，W便生成高于系統(tǒng)的比特速率的重復(fù)速率的脈沖。來自光源12的光經(jīng)受用于強(qiáng)度調(diào)制 的相移。狀態(tài)可W返回到零和/或誘騙態(tài)。例如，光可W通過具有相移器13的馬赫-曾德爾干 設(shè)儀W調(diào)制光源的強(qiáng)度。
[0039] 在相移階段后提供分束器14。在兩個(gè)路徑15和16上的光然后在相移部件17處被雙 路徑編碼。相移部件17包括對(duì)a，b，c相移器18。相反電壓被施加在每對(duì)的頂和底相移器。 取決于那個(gè)相移器對(duì)被激活，光將經(jīng)由頂路徑15(對(duì)應(yīng)于qbitIO〉），底路徑16(qbit|l>)或 者具有控制的相移的兩個(gè)路徑
在角輸出19處出來。
[0040] 根據(jù)哪個(gè)相移器具有施加的電壓，在忍片11下示出的真值表示出了比特編碼。
[0041] 圖2的第二框20提供了在相同時(shí)間處在頂和底路徑上的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換。在圖4A至4(：中 示出了針對(duì)可能的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的一些示例?？蒞在無(wú)引導(dǎo)的周期極化晶體或在體晶體(角 度相位匹配的晶體)中的波導(dǎo)(例如，周期極化妮酸裡(PPLN)或氧化儀(MgO)波導(dǎo)）中實(shí)現(xiàn)波 長(zhǎng)轉(zhuǎn)換。在準(zhǔn)相位匹配中，所設(shè)及的頻率沒有被彼此同相地恒定地鎖定，而是在有規(guī)律的間 隔處翻轉(zhuǎn)(flip)晶體軸。用于創(chuàng)建準(zhǔn)相位匹配晶體的常用技術(shù)是周期極化。因此，運(yùn)些晶體 被稱為周期極化晶體。通過反轉(zhuǎn)非線性極化率，運(yùn)導(dǎo)致晶體的偏振響應(yīng)與累浦光同相被轉(zhuǎn) 移回。通過創(chuàng)建非線性介質(zhì)中的周期結(jié)構(gòu)，準(zhǔn)相位匹配允許從累浦頻率到信號(hào)和閑頻 (idler打equencies)的能量的正凈流。圖4A示出了準(zhǔn)相位匹配波導(dǎo)對(duì)的原理。圖4B示出了 準(zhǔn)相位匹配體晶體。圖4C示出了可替代的角度相位匹配體晶體。
[0042] 圖2的第=框30將雙路徑編碼轉(zhuǎn)換成最終的編碼W用于傳輸。例如，在運(yùn)個(gè)階段可 W提供偏振編碼、時(shí)間倉(cāng)-相位編碼、空間模式編碼(例如，在少模光纖)或角動(dòng)量編碼。在圖 5A中示出了在自由空間布置中針對(duì)偏振編碼的示例。在該示例中，在44處，路徑中的一個(gè)路 徑的偏振被旋轉(zhuǎn)90度，然后在46處組合運(yùn)兩個(gè)路徑。運(yùn)可W經(jīng)由不對(duì)稱的馬赫-曾德干設(shè)儀 (至少一個(gè)臂是雙折射的）在自由空間中或在集成平臺(tái)（例如，二氧化娃或聚合物）中實(shí)現(xiàn)。 時(shí)間倉(cāng)-相位編碼也能夠在具有不對(duì)稱的馬赫-曾德的相同類型的平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)。在運(yùn)種情況 下，一個(gè)臂具有針對(duì)時(shí)間偏移的延遲線。圖5B示出了在集成忍片上如何可W提供組件42、44 和46。忍片可W是例如二氧化娃(silica)或聚合物忍片。當(dāng)在部件之間的模式和偏振是類 似的時(shí)，該忍片可W是彼此對(duì)接禪合。否則，自由空間模式轉(zhuǎn)換和偏振旋轉(zhuǎn)可能是必要的。 在圖2中的框40示意性地說明了運(yùn)種可能性。
[0043] 圖6示出了根據(jù)針對(duì)由發(fā)送設(shè)備的光子通信的實(shí)施例的流程圖。光信號(hào)(其被生成 W用于攜帶根據(jù)量子密碼學(xué)方案的編碼信息并且被分成兩個(gè)路徑，其具有第一波長(zhǎng))被輸 入到編碼器中并且在50處同時(shí)在兩個(gè)路徑中被編碼W用于量子密碼學(xué)。然后，在52處，在兩 個(gè)路徑中的編碼的光信號(hào)的波長(zhǎng)被轉(zhuǎn)換到第二波長(zhǎng)。在光信號(hào)被編碼W用于傳輸之前，執(zhí) 行運(yùn)個(gè)操作。然后，在54處，進(jìn)行現(xiàn)在在第二波長(zhǎng)上的光信號(hào)的編碼W用于傳輸。在運(yùn)個(gè)階 段處，能夠在單個(gè)路徑上處理光信號(hào)。
[0044] 圖7示出了在時(shí)間控制的公共基底70上的=個(gè)忍片的可能的配置。憐化銅忍片72 產(chǎn)生尺度~0.5WI1 X 3皿的兩個(gè)水平偏振輸出模式。運(yùn)些模式被轉(zhuǎn)換到垂直偏振的祉m X 8 WIi模式W被注入在下一個(gè)忍片77中。運(yùn)是使用柱面透鏡73、74和球面透鏡76和半波板75的 組合來實(shí)現(xiàn)的。在該示例中，第一柱面透鏡73提供垂直準(zhǔn)直，第二柱面透鏡74提供水平準(zhǔn) 直。InP忍片被預(yù)期為發(fā)展使得能夠在忍片中集成運(yùn)些元件中的至少一些元件。
[0045] 第二忍片77能夠被提供作為一對(duì)周期極化妮酸裡(PPLN)波導(dǎo)。
[0046] 第=忍片78可W是沿著路徑中的一個(gè)路徑插入的具有小型化波板的聚合物、二氧 化娃或氮化娃平面光波電路(PLC)。
[0047] 運(yùn)個(gè)混合忍片組合的輸出79可W被過濾W去除累浦波長(zhǎng)W及被操縱W朝向QKD接 收器。
[0048] 光信號(hào)在改變的波長(zhǎng)上攜帶編碼信息。借助于檢測(cè)器裝置(其適用于與改變的波 長(zhǎng)結(jié)合使用)來接收和解碼該信息。例如可W使用適用于所傳送的波長(zhǎng)(例如，小于1.1微米 的短波長(zhǎng))的介電集成光子電路或任何組件來進(jìn)行解碼。高效的單光子檢測(cè)器用于感測(cè)在 每個(gè)時(shí)間倉(cāng)(其由微弱脈沖的預(yù)期到達(dá)時(shí)間來限定）中的光子的存在。QKD協(xié)議可W要求傳 送器和接收器終端公開地交換信息和處理它們各自的數(shù)據(jù)W便獲得安全密鑰。
[0049] 本文中描述的實(shí)施例可W是有利的，例如因?yàn)榱孔用艽a學(xué)操作可W裝備有各種各 樣的容易獲得的高效的組件。通過將在損失能夠容忍的階段的波長(zhǎng)調(diào)整到期望的技術(shù)，可 W提供高效的、便宜和/或緊湊的基于量子密碼學(xué)的系統(tǒng)。在某些實(shí)施例中，可W使用與更 成熟的妮酸裡、娃基二氧化娃(Silica-on Silicon)或聚合物平臺(tái)組合的集成光子平臺(tái)（諸 如絕緣體上的二氧化娃或憐化銅）。也可能的是，使用高效和便宜的單光子檢測(cè)器，例如娃 雪崩光敏二極管。
[0050] 移動(dòng)設(shè)備、基站和其它通信設(shè)備典型地由至少一個(gè)適當(dāng)?shù)目刂破餮b置來控制，W 便使得能夠它們的操作W及在設(shè)備和/或基站之間的無(wú)線通信的控制?？刂蒲b置可W與其 它控制實(shí)體互連。圖8說明了控制裝置的示例，該控制裝置能夠依照實(shí)施例進(jìn)行操作，例如 被禪合到圖1的設(shè)備1和設(shè)備2和/或用于控制設(shè)備1和設(shè)備2?？刂蒲b置可W被配置為依照上 述某些實(shí)施例借助于數(shù)據(jù)處理設(shè)備來提供與各種信息的確定、各種實(shí)體之間的信息的生成 和通信相關(guān)聯(lián)的控制功能，W及/或基于此類信息的控制功能。出于運(yùn)個(gè)目的，控制裝置包 括:至少一個(gè)存儲(chǔ)器31、至少一個(gè)數(shù)據(jù)處理單元32、33和輸入/輸出接口 34?？刂蒲b置可W經(jīng) 由該接口禪合到相關(guān)節(jié)點(diǎn)的接收器和/或傳送器?？刂蒲b置可W被配置為運(yùn)行適當(dāng)?shù)能浖?代碼W提供控制功能。
[0051] 根據(jù)示例，提供適當(dāng)?shù)难b置或構(gòu)件W用于處理用于量子密碼學(xué)的光信號(hào)，其包括 量子密碼學(xué)編碼構(gòu)件W用于編碼光信號(hào)，該光信號(hào)具有第一波長(zhǎng)并且被布置在至少兩個(gè)信 號(hào)路徑上，波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換構(gòu)件W用于在光信號(hào)被變換W用于傳輸之前將在至少兩個(gè)信號(hào)路徑上 的編碼的光信號(hào)的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換到第二波長(zhǎng)，W及傳輸編碼器構(gòu)件W用于編碼光信號(hào)W用于傳 輸。
[0052] 可W借助于一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)處理器和其它硬件和軟件來提供在有關(guān)設(shè)備處的所 需的數(shù)據(jù)處理裝置、功能和電路?？蒞由分離的處理器或由集成的處理器來提供所描述的 功能。數(shù)據(jù)處理裝置可W具有適應(yīng)于本地技術(shù)環(huán)境的任何類型，W及可W包含W下中的一 個(gè)或多個(gè):作為非限制性示例，通用計(jì)算機(jī)、專用計(jì)算機(jī)、微處理器、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)、 專用集成電路(ASIC)、n級(jí)電路和基于雙核或多核處理器架構(gòu)的處理器?？蒞跨越若干數(shù) 據(jù)處理模塊來分布數(shù)據(jù)處理?？蒞借助于例如至少一個(gè)忍片來提供數(shù)據(jù)處理器。還可W在 相關(guān)設(shè)備中提供適當(dāng)?shù)拇鎯?chǔ)能力。存儲(chǔ)器或多個(gè)存儲(chǔ)器可W具有適合于本地技術(shù)環(huán)境的任 何類型，W及可W使用任何合適的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，諸如基于半導(dǎo)體的存儲(chǔ)設(shè)備、磁存 儲(chǔ)設(shè)備和系統(tǒng)、光存儲(chǔ)設(shè)備和系統(tǒng)、固定存儲(chǔ)器和可移動(dòng)存儲(chǔ)器，其包括適當(dāng)類型的隨機(jī)存 取存儲(chǔ)器(RAM)和只讀存儲(chǔ)器(ROM)。
[0053] -般地，可W在硬件或?qū)Ｓ秒娐?、軟件、邏輯或其任何組合中來實(shí)現(xiàn)各種示例性實(shí) 施例?？蒞在硬件中實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的一些方面，而在可W由控制器、微處理器或其它計(jì)算設(shè)備 運(yùn)行的固件或軟件中實(shí)現(xiàn)其它方面，盡管本發(fā)明不限制于此。雖然本發(fā)明的各種方面可W 被說明或描述成框圖、流程圖或使用一些其它圖示表示，但是很好理解的是，可W在作為非 限制性示例的硬件、軟件、固件、專用電路或邏輯(例如用于控制通信、用戶接口、和數(shù)據(jù)處 理）、通用硬件或控制器或其它計(jì)算設(shè)備或其一些組合中來實(shí)現(xiàn)本文中描述的運(yùn)些框、裝 置、技術(shù)或方法。軟件可W被存儲(chǔ)在諸如存儲(chǔ)忍片的物理介質(zhì)上，或存儲(chǔ)在被實(shí)現(xiàn)在處理器 內(nèi)的存儲(chǔ)塊上，諸如硬盤或軟盤的磁介質(zhì)W及諸如例如DVD和其數(shù)據(jù)變型CD的光介質(zhì)，W及 云存儲(chǔ)布置。
[0054] 如本文所使用的，詞語(yǔ)"電路"指W下中的全部：（a)僅硬件電路實(shí)現(xiàn)(例如，在模擬 電路和/或數(shù)字電路中的實(shí)現(xiàn)方式）；（b)電路和軟件(和/或固件)的組合，諸如(如果適用的 話）：（i)處理器（多個(gè)）的組合或（ii)處理器（多個(gè))/軟件、軟件和存儲(chǔ)器(多個(gè)）的部分(其 包括數(shù)字信號(hào)處理器(多個(gè)）），它們一起工作W使得裝置(諸如移動(dòng)電話或服務(wù)器)執(zhí)行各 種功能；W及(C)要求用于運(yùn)行的軟件或固件的電路(諸如，微處理器(多個(gè))或微處理器(多 個(gè))的一部分），即使所述軟件或固件不是物理呈現(xiàn)的。電路的運(yùn)種定義應(yīng)用于本說明書中 (包括在任何權(quán)利要求中）的運(yùn)個(gè)詞語(yǔ)的所有使用。作為進(jìn)一步示例，如本說明書所使用的， 詞語(yǔ)"電路"還涵蓋僅處理器(或多個(gè)處理器)或處理器的一部分W及它（或它們的）伴隨的 軟件和/或固件的實(shí)現(xiàn)方式。詞語(yǔ)電路例還涵蓋例如W及如果適用的話:用于移動(dòng)電話的特 定的要求保護(hù)的元件、基帶集成電路或應(yīng)用處理器集成電路。
[0055] 需要注意的是，盡管已經(jīng)使用移動(dòng)通信設(shè)備和移動(dòng)系統(tǒng)作為示例描述了實(shí)施例， 但是類似的原理能夠應(yīng)用于可W基于在通信設(shè)備之間的量子密碼學(xué)機(jī)制來提供安全的任 何其他系統(tǒng)。例如，替代在移動(dòng)臺(tái)和基站之間的通信，或者可W在兩個(gè)移動(dòng)設(shè)備之間，或在 兩個(gè)固定設(shè)備或半靜態(tài)設(shè)備之間提供機(jī)器類型終端通信。例如，可W在不提供固定設(shè)備而 是例如在自組織網(wǎng)絡(luò)中借助于多個(gè)用戶設(shè)備來提供通信系統(tǒng)的情況下，應(yīng)用該原理。還可 W在固定放置的設(shè)備之間和在使得能夠光信號(hào)通信的介質(zhì)上(例如經(jīng)由光纖通信的設(shè)備之 間）發(fā)生通信。因此，盡管W上參照針對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的某些例示架構(gòu)，通過示例描 述了某些實(shí)施例，但是實(shí)施例可W應(yīng)用于不同于本文說明和描述的那些通信系統(tǒng)的任何合 適形式的通信系統(tǒng)。
[0056]上述描述已經(jīng)通過示例性和非限制性的示例提供了本發(fā)明的示例實(shí)施例的全面 和教示性的描述。然而，當(dāng)結(jié)合附圖和所附權(quán)利要求書來閱讀時(shí)，鑒于上述描述，對(duì)于相關(guān) 領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，各種修改和適應(yīng)可W變得明顯。然而，本發(fā)明的教示的所有此類和類 似修改仍然將落入如在所附權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)。實(shí)際上，存在包 括先前論述的任何其它實(shí)施例中的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的組合的另外的實(shí)施例。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種方法，包括： 在光信號(hào)在至少兩個(gè)信號(hào)路徑上的階段，編碼用于量子密碼學(xué)的具有第一波長(zhǎng)的所述 光信號(hào)， 在所述光信號(hào)被編碼用于傳輸之前，將在所述至少兩個(gè)信號(hào)路徑上的所編碼的光信號(hào) 的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換為第二波長(zhǎng)，以及 編碼具有所述第二波長(zhǎng)的光信號(hào)以用于傳輸。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，包括縮短所編碼的光信號(hào)的波長(zhǎng)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中用于傳輸?shù)木幋a包括以下之一:偏振編碼、時(shí)間 倉(cāng)-相位編碼、空間模式編碼和角動(dòng)量編碼。4. 根據(jù)任何一個(gè)前述權(quán)利要求所述的方法，其中在所述至少兩個(gè)信號(hào)路徑上的所述光 信號(hào)當(dāng)經(jīng)受波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換時(shí)具有相同的偏振。5. 根據(jù)任何一個(gè)前述權(quán)利要求所述的方法，包括在波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換之前的自由空間模式轉(zhuǎn)換 和偏振旋轉(zhuǎn)。6. 根據(jù)任何一個(gè)前述權(quán)利要求所述的方法，包括通過單芯片或單晶體來執(zhí)行所述波長(zhǎng) 轉(zhuǎn)換。7. 根據(jù)任何一個(gè)前述權(quán)利要求所述的方法，其中轉(zhuǎn)換包括:轉(zhuǎn)換用于量子密鑰分配的 光信號(hào)的波長(zhǎng)。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，包括通過所述轉(zhuǎn)換來衰減所述光信號(hào)以用于基于微弱 脈沖的量子密鑰分配。9. 根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的方法，包括提供在包括用于編碼和轉(zhuǎn)換階段的異構(gòu)芯片的 混合平臺(tái)上的量子密鑰分配發(fā)射器。10. -種用于處理用于量子密碼學(xué)的光信號(hào)的裝置，所述裝置包括： 量子密碼學(xué)編碼器，其被配置為編碼所述光信號(hào)，所述光信號(hào)具有第一波長(zhǎng)并且被布 置在至少兩個(gè)信號(hào)路徑上， 波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器，其被配置為在所述光信號(hào)被編碼用于傳輸之前，將在所述至少兩個(gè)信號(hào) 路徑上的所編碼的光信號(hào)的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換為第二波長(zhǎng)，以及 傳輸編碼器，其被配置為編碼所述光信號(hào)以用于傳輸。11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其中所述波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器被配置為縮短被布置在所述至 少兩個(gè)信號(hào)路徑上的所編碼的光信號(hào)的波長(zhǎng)。12. 根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的裝置，其中所述量子密碼學(xué)編碼器被配置為在0.9至2μ m范圍內(nèi)的波長(zhǎng)中高效地操作，以及/或所述傳輸編碼器被配置為在小于Ιμπι的波長(zhǎng)中高效 地操作。13. 根據(jù)權(quán)利要求10至12任一所述的裝置，其中所述傳輸編碼器被配置為提供以下之 一:所述光信號(hào)的偏振編碼、時(shí)間倉(cāng)-相位編碼、空間模式編碼和角動(dòng)量編碼。14. 根據(jù)權(quán)利要求10至13任一所述的裝置，被配置為在波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換之前，提供自由空間模 式轉(zhuǎn)換和/或偏振旋轉(zhuǎn)。15. 根據(jù)權(quán)利要求10至14任一所述的裝置，包括并行的兩個(gè)周期極化波導(dǎo)、用于波長(zhǎng)轉(zhuǎn) 換的周期極化晶體或體晶體。16. 根據(jù)權(quán)利要求10至15任一所述的裝置，包括單芯片或單晶體以用于執(zhí)行波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換。17. 根據(jù)權(quán)利要求10至16任一所述的裝置，所述裝置用于基于微弱脈沖的量子密鑰分 配，其中所述波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器被配置為衰減所述光信號(hào)。18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的裝置，包括在包括用于編碼和轉(zhuǎn)換階段的異構(gòu)芯片的混合 平臺(tái)上的量子密鑰分配發(fā)射器。19. 根據(jù)權(quán)利要求10至18任一所述的裝置，包括基于集成的磷化銦的芯片或基于硅的 芯片，其被配置為提供量子密碼學(xué)編碼器、至少一個(gè)光源和至少一個(gè)透鏡。20. -種用于通信系統(tǒng)的設(shè)備包括權(quán)利10至19任一所述的裝置。21. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的設(shè)備，包括被配置為在移動(dòng)通信系統(tǒng)中使用的設(shè)備。22. -種包括代碼構(gòu)件的計(jì)算機(jī)程序，當(dāng)程序在處理器上運(yùn)行時(shí)，所述代碼構(gòu)件適應(yīng)于 執(zhí)行權(quán)利要求1至9任一的步驟。
【文檔編號(hào)】H04L9/08GK105830387SQ201380081631
【公開日】2016年8月3日
【申請(qǐng)日】2013年12月16日
【發(fā)明人】D·比陶爾德, A·尼斯卡寧
【申請(qǐng)人】諾基亞技術(shù)有限公司