使用纠缠光子实现量子通信的系统的制作方法

1.本发明涉及量子通信方法，并且更具体地涉及使用纠缠光子对的量子通信方法。


背景技术：

2.目前，信息的传输基本上是使用电磁波进行的，无论电磁波是短波长(如光)还是长波长(如甚高频波)。
3.传输的波可以由金属电缆或光纤引导，也可以通过空间传输。
4.这些方法使用波的传播来传输能量，从而传输由接收器收集的物理粒子，这些物理粒子使得推断信息项成为可能，这些信息项例如通过它们的波长或通过波列的持续时间的调制来编码。
5.最近，已经开发了所谓的“量子”通信方法。
6.例如，光子的物理状态，例如其偏振，可以用于传输信息，例如通过光纤传输信息。比特的值被任意地分配给光子的方向或偏振模式。然后可以发送偏振光子序列，以便传输形成消息的二进制序列。
7.在量子密码学的范围内，特别已知使用纠缠光子对来安全地传输信息。纠缠光子是指，无论它们之间的距离如何，其量子态，例如其偏振，都相互依赖的光子。
8.这种量子纠缠现象已经被多次观测和实验证明，例如shasi prabkhar等人的文章“two-photon quantum interference and entanglement at 2.1μm”(sci adv，2020)。
9.专利kr101003886b1描述了一种用于传输加密信息的系统，其中纠缠光子被同时发射，并且每个光子被朝向位于不同位置的希望彼此通信的两个目标发送。两个目标接收到的光子形成共轭比特的纠缠随机序列，这些序列被用作加密密钥。该系统可以在两个不同的位置几乎瞬时接收相同的随机数序列，但不能传输信息。
10.wang的文章“superluminal telecommunication:an observable contradiction between quantum entanglement and relativistic causality”公开了一种量子通信系统，它可以通过使用朝向希望彼此通信的两个接收器发送的纠缠光子对来超光速传输信息。光子被纠缠，并测量沿着彼此成45
°
的不同方向到达第一接收器的光子的线性偏振。在第二接收器处，对第二光子进行倍增，并测量倍增后的通量的平均偏振，以便确定测量第一光子的方向。
11.然而，光子的偏振不一定是二元的，就像自旋的偏振一样，甚至不是四元的。它特别可以表示在jones球体上，jones球体表征了偏振的取向和椭圆：具体地，偏振可以是线性的，其中电场总是平行于与光子传播方向垂直的轴线；或者偏振可以是圆形的，其中电场围绕该轴线旋转；或者偏振可以介于这两者之间：电场描述围绕传播轴线的椭圆。在偏振不是圆形的情况下，取向度量该轴线的方向，离心率度量椭圆的扁平度。
12.上述装置不能够利用偏振的所有配置，并且它们事实上在可以传输的信息项的数量和类型方面受到限制。
13.需要进一步改进量子通信系统和方法，特别是那些能够在两点之间快速、准瞬时
且不因传输距离而延迟地传输信息项、特别是连续值的系统和方法。


技术实现要素：

14.本发明旨在满足这一需求，并且根据其第一方面，通过使用量子通信系统来实现这一点，该量子通信系统包括：
15.·
纠缠光子的发射器，所述发射器包括被配置为生成至少一对纠缠光子的源，所述至少一对纠缠光子包括在第一传播路径上发射的第一光子和同时在不同于所述第一传播路径的第二传播路径上发射的第二光子；
16.·
第一接收器，所述第一接收器布置在所述第一传播路径上，并且包括复合吸收器，所述复合吸收器被配置为，吸收处于从至少两个不同的互补偏振态对中的状态中选择的偏振态的光子，除了正好两个垂直的线性偏振对之外，在所述正好两个垂直的线性偏振对中，一个对的偏振与另一个对的偏振方向成45
°
；
17.·
第二接收器，所述第二接收器布置在所述第二传播路径上，以便在所述第一光子到达所述第一接收器之后由所述第二光子到达所述第二接收器，所述第二接收器包括：
[0018]-光学放大器，所述光学放大器能够在保持所述第二光子的偏振的同时使所述第二光子倍增，以及
[0019]-布置在所述放大器下游的测量仪器，所述测量仪器能够测量倍增后的光子的平均偏振。
[0020]
根据本发明的系统被布置为在两个位置之间准瞬时地传输一系列连续或离散的值。
[0021]
由于第一光子和第二光子纠缠，第一光子在第一接收器处的瞬时吸收决定了第二光子的偏振，特别是在第二光子到达第二接收器之前。
[0022]
然后，测量在第二接收器处倍增后的光子的平均偏振能够检测吸收第一光子的偏振态，并由此推断出传输的信息。
[0023]
因此，该系统能够在没有延迟时间的情况下传输信息，而不管希望通信的两个位置之间的距离任何，并且通过只使用光子，这几乎不需要能量。
[0024]
例如，该系统用于地球、天空和/或空间中的通信网络和计算机网络，特别是用于与远离地球的系统(如卫星或航天器)通信。
[0025]
琼斯偏振
[0026]
术语“互补偏振态”，以下也称为“互补吸收偏振态”，是指光的两种偏振态，其中，通过线性光学元件，特别是反射镜、双折射板和/或棱镜(包括四分之一波片)，对光的偏振进行修改，对于它们中的一种，允许光被第一偏振滤光器吸收，而对于另一种，允许光被第二滤光器吸收，该第二滤光器的偏振与第一滤光器可以吸收的偏振正交。
[0027]
在下文中，术语“偏振态”和“偏振”可以互换地使用。
[0028]
第一接收器被有利地布置为使得其用户可以从由琼斯形式定义的任何一种可能的偏振中，特别是从由偏振的取向和椭圆表征的一组椭圆(也称为“椭球”)偏振中，选择吸收光子的偏振态。
[0029]
光子被第一接收器吸收的偏振因此可以改变，以便将一系列信息项传输到第二接收器。
[0030]
例如，通过选择10个例如彼此间隔开9
°
的不同的偏振方向、以及21个也间隔开9
°
的不同的相移，可以定义210个不同的偏振态，从而可以传输210个不同信号。
[0031]
例如，对于到达接收器的纠缠光子对中的每一对，可以传输大写或小写字母表中的字母、数字和一定数量的其他特殊字符。
[0032]
复合吸收器
[0033]
术语“复合吸收器”描述了第一光子到达的组件，它可以从一定数量的互补偏振对中确定一互补偏振对，并吸收处于预定偏振对中的两个偏振态之一的第一光子。
[0034]
优选地，第一接收器的复合吸收器被配置为吸收处于预定的互补偏振对中的一种状态的光子，所述一种状态是从至少三个不同互补偏振对的状态中选择的，并且优选地是从根据要传输的不同值的数量选择的多个不同的互补偏振对的状态中选择的。
[0035]
优选地，复合吸收器包括：
[0036]-至少一个吸收仪器，所述至少一个吸收仪器能够吸收处于一对互补偏振(例如两个正交线性偏振)中的两种状态中的一种或另一种状态的光子。
[0037]-偏振修改器，所述偏振修改器布置在所述吸收仪器的上游并且被配置为将所述第一光子的偏振转换为所述吸收仪器吸收光子所沿着的所选择的偏振。
[0038]
术语“所选择的偏振”是指根据要传输的信息预先确定的一对互补偏振。
[0039]
偏振修改器
[0040]
光子的线性偏振可以通过以下方式转换为如琼斯形式所表示的椭球偏振，首先通过用线性偏振和已知方向修改光子的偏振取向，从而以预定的方式在轴线x和与轴线x垂直的轴线y之间分布电场，其次通过沿着两个垂直方向中的一个(例如轴线y)修改电场的相位。
[0041]
偏振修改器优选地包括布置在偏振相位修改器上游的偏振方向修改器。
[0042]
例如，如果θ是线性偏振的旋转角，φ是沿轴线y的相移，ω是波的角频率，则旋转后的电场分量e
x
和ey为：
[0043]ex
＝e cos(θ)cos(ωt)
[0044]ey
＝e sin(θ)cos(ωt)
[0045]
并且在相移之后：
[0046]ex
＝e cos(θ)cos(ωt)
[0047]ey
＝e sin(θ)cos(ωt+φ)
[0048]
偏振方向修改器
[0049]
线性偏振方向可以以各种方式修改，例如通过半波片或替选地通过双四分之一波片来修改。
[0050]
偏振方向修改器可以包括在第一光子的传播路径上一个接一个地布置的两个四分之一波片，这两个四分之一波片中的至少一个的取向是可变的。
[0051]
第一四分之一波片例如将线性偏振修改为圆形偏振，第二四分之一波片例如将圆形偏振转换为线性偏振，该线性偏振的方向沿着取决于第二四分之一波片的轴线的方向的轴线取向。
[0052]
因此，该第二四分之一波片的轴线的旋转能够修改光子的线性偏振的方向。如果该波片是半波片，则该半波片的旋转能够修改光子的线性偏振的方向。
[0053]
替选地，第一四分之一波片的取向可以被修改，第二四分之一波片的取向被固定，或者两个四分之一波片的取向都可以被修改。
[0054]
四分之一波片或半波片的旋转例如是通过对传感器或使其能够旋转的电动调节装置的机械从动而获得的，例如通过压电材料或电动机装置(例如用直流电操作的电动机装置)设定在运动中的轴上的摩擦而获得的。
[0055]
替选地，可以使用多个用于旋转线性偏振的装置，每个装置都允许不同的旋转角度，这些旋转角度例如是固定的，但很可能是可修改的，选择器能够将光子发送到这些旋转装置中的一个，并且在所述旋转装置的出口处，朝向公共波导或公共传输轴线传导所述光子。
[0056]
这些选择器可以包括反射镜，其轴线的方向由例如电气装置调节，或者替选地它们可以由棱镜或板组成，这些棱镜或板由折射率取决于电场的材料制成：普克尔盒、或者由具有非线性折射率或其他光通量的透明材料制成，该透明材料例如横向的并且优选地具有不同于光子的波长的波长，并且不能产生具有与光子的波长相同的波长的光子，这会改变所述非线性材料的折射率，从而调节光子从所述材料出射的位置和可选的方向。由于四分之一波片的转动惯量可能很高，因此光子可以依次发送到例如已经通过上述机械旋转装置之一预先调整了方向的不同的四分之一波片，从而允许有时间在两次光子通过之间修改这些四分之一波片中的每一个的方向。
[0057]
作为变型，可以使用手性材料或旋转材料来改变线性偏振方向。
[0058]
偏振方向修改器可以包括由手性材料或旋转材料制成的板或棱镜，该板或棱镜引起偏振旋转一定角度，该角度取决于波进入所述手性材料或旋转材料的位置。特别地，该材料可以布置在两个普克尔盒之间。
[0059]
第一光子可以被投影到形成普克尔盒的第一板或第一棱镜上，该普克尔盒的折射率由电场控制以使其在不同位置从中射出，特别是射出到至少部分由手性材料或旋转材料制成的中间板或棱镜上，在光子进入形成普克尔盒的第二板或第二棱镜之前，该中间板或棱镜将光子的电偏振轴线旋转取决于波进入所述中间波片或棱镜的位置的角度，该第二板或第二棱镜的折射率相对于第一板或第一棱镜的折射率对称地调节，以便使光子沿着相同的方向出射，就像第一板或棱镜和第二板或棱镜的折射率都具有固定值。折射率也可以调节(例如电力调节)的第三板有利地放置在第二板或棱镜之后，以允许光子从板和棱镜组的出射位置与所选择的第一板或棱镜的折射率无关。
[0060]
由中间材料制成的板或棱镜例如由两个相邻的对称棱镜组成，这两个棱镜具有相同的折射率但不同的手性或旋转功率，两个棱镜中的第一个具有例如手性或旋转功率，而第二个不具有手性或旋转功率，或者替换地以与第一棱镜施加的旋转相反的方向旋转电场。
[0061]
两个中间棱镜中的一个可以包括手性材料，例如直径约为1.4nm至2.4nm的硒化镉(cdse)纳米粒子，如visheratina、anastasia和nicholas a.kotov在文章“inorganic nanostructures with strong chiroptical activity”(ccs chemistry 2.3(2020):583-604)中所述的；另一个中间棱镜优选地不是手性的，或者替选地具有与所述第一中间棱镜的手性相反的手性。由于穿过手性材料的波的电场旋转与所述手性材料的厚度成比例，因此穿过中间板的电场的旋转取决于穿过它的光进入它的位置。
[0062]
两个中间棱镜中的一个还可以包括“旋转”材料，例如偶数个四分之一波片在每一层上以预定角度递增的方向彼此堆叠的叠加，使得沿着材料的第一切片的轴线线性偏振的波从堆叠体中出射，其偏振旋转了与堆叠体的厚度成比例的角度。
[0063]
偏振相位修改器
[0064]
被称为“偏振相位修改器”的第二装置也可以被布置在偏振方向修改器的下游，以便将光子的电场分量沿着两个固定轴线之一相移预定角度。
[0065]
优选地，偏振相位修改器包括第一双折射波板或棱镜，该第一双折射板或棱镜布置为将光束分成具有线性偏振的两个电磁波，一个沿着第一轴线，另一个沿着第二轴线，并且具有可变折射率的延迟板被布置在第二轴线上。
[0066]“光束”是指在光的二元性意义上由第一光子组成的光波。
[0067]
延迟板使沿第二轴线取向的波在通过新的双折射板或棱镜再次与沿第一轴线取向的波混合之前，相对于沿第一轴线取向的波获取预定的相移，从而可以将偏振场垂直的两个波沿同一轴线组合。
[0068]
延迟板可以包括普克尔盒或非线性材料。可变折射率使得能够选择施加在沿第二轴线取向的波上的相移。
[0069]
在第一示例性实施方式中，如上所述，相位修改器以间隔开9
°
并在-45
°
和+36
°
之间变化的角度旋转线性偏振，并以在-90
°
和+90
°
之间的间隔开9
°
的角度改变相位，从而定义210个可能的偏振态。如下所述，例如，210个可能的偏振中的209个被用于对数据进行编码，并且第210个线性偏振被用于吸收在接收到用于对数据编码的光子之后的预定时间内接收到的任何纠缠光子。
[0070]
在第二示例性实施方式中，相位修改器在光子被吸收之前将偏振轴线旋转45
°
，以传输例如0，并将光子的偏振转换为圆形偏振，以传输例如1。
[0071]
第一光子的反射
[0072]
本发明还涉及一种量子通信系统，包括：
[0073]
·
纠缠光子的发射器，所述发射器包括被配置为生成至少一对纠缠光子的源，所述至少一对纠缠光子包括在第一传播路径上发射的第一光子和同时在不同于所述第一传播路径的第二传播路径上发射的第二光子；
[0074]
·
第一接收器，所述第一接收器布置在所述第一传播路径上，包括：
[0075]-至少一个第一吸收仪器，所述至少一个第一吸收仪器被布置为吸收处于一对互补偏振中的两种状态中的一种状态的第一光子，所述偏振在所述第一仪器吸收光子所依据的可观测基上是不确定的，
[0076]-光学选择器，所述光学选择器布置在所述至少一个第一仪器的上游并且被配置为允许所述第一光子朝向所述至少一个第一测量仪器通过或者防止所述第一光子被测量；
[0077]
·
第二接收器，所述第二接收器布置在所述第二传播路径上，以便在所述第一光子到达所述光学选择器之后和/或在所述第一光子能够到达所述第一接收器的测量仪器之后由所述第二光子到达所述第二接收器，所述第二接收器包括：光学放大器，所述光学放大器能够在保持所述第二光子的偏振的同时使所述第二光子倍增；以及布置在所述放大器下游的测量仪器，所述测量仪器能够测量倍增后的光子的平均量子态。
[0078]“可观测基”是指两个互补偏振(例如两个正交的线性偏振)的基础。
[0079]
术语“偏振在可观测基上是不确定的”是指在可观测基的两个预定偏振之一中观测到的光子的偏振没有定义，也就是说它是随机的，例如是等概率的。
[0080]
由于第一光子和第二光子纠缠，因此第一光子在第一接收器处的瞬时吸收决定了第二光子的偏振，特别是在第二光子到达第二接收器之前。
[0081]
然后，测量在第二接收器处倍增后的光子的偏振能够检测第一光子是否已经被吸收，并由此推断出已经传输的信息。该系统传输的信息例如是二进制类型的。
[0082]
第一接收器可以包括至少一个第二吸收仪器，光学选择器布置在第一仪器和第二仪器的上游，并且被配置为允许第一光子通过，同时将其朝向仪器中的一个或另一个引导，或者防止其被吸收。
[0083]
使用两个仪器能够传输三种不同的信息项，例如值0、1和2，值0例如被分配给反射，值1被分配给第一仪器，值2被分配给第二仪器。
[0084]
光学选择器
[0085]
第一接收器的光学选择器可以是各种类型的。如果需要的话，它被有利地放置在测量仪器的上游，以便能够防止入射光子到达测量仪器。
[0086]
为此，选择器优选地包括反射器，特别是受控反射镜，使得例如能够在不同于第一光子的入射传播路径的传播路径上反射第一光子，特别是在不包含测量仪器的传播路径上反射第一光子。
[0087]“受控反射镜”是指这样的装置，其一些特性，例如折射特性或反射方向，由连接到反射镜的辅助装置控制，该辅助装置特别是电子装置，例如产生电场的装置。
[0088]
光学选择器优选地包括折射率和/或反射方向被控制、特别是通过使用电场或光通量来控制的装置。
[0089]
替选地，光学选择器包括例如布拉格反射镜，特别是其反射方向由压电材料调节的布拉格反射镜，该压电材料本身由电场控制。
[0090]
作为变型，光学选择器包括棱镜，特别是包括普克尔盒，其折射率由电场控制，电场的施加使得能够将光子朝向测量仪器或其中一个测量仪器或朝向布拉格反射镜引导，该布拉格反射镜有利地相对于到达它的电磁波的入射方向倾斜，使得所述波被朝向优选地不同于它们到达棱镜入口所来自的位置的位置反射。
[0091]
在另一个变型中，光学选择器包括一个或一系列布拉格滤光器，这些布拉格滤光器中的一些层是折射率由电场控制的普克尔盒，所述布拉格滤光器根据是否施加电场来反射光波或允许其通过。
[0092]
替选地，上面使用的普克尔盒可以用由强光照射的非线性晶体代替，该强光可以改变光子通过的介质的折射率，强光的波长优选地不同于光子的波长。
[0093]
特别地，光学选择器使得能够使光子在三个不同的方向上取向，一个方向例如使得光子能够不被检测到，第二个方向使得能够测量光子的线性偏振，第三个方向使得能够测量圆形偏振。
[0094]
保护装置
[0095]
优选地，量子通信系统还包括用于保护至少一个光子的量子态的装置，特别是防止测量或吸收至少一个光子的装置，该装置布置在第一接收器附近，以能够保护第一光子在其反射之后的量子态，防止其被一个或多个测量仪器吸收或测量，第一光子的所述量子
态至少在第二光子在第二接收器处倍增之前受到保护。
[0096]
用于保护量子态的装置靠近第一接收器放置，以便当第一光子被光学选择器反射和/或偏离其入射传播路径以使其在那里不被观测到时，即当不希望它被第一接收器的测量仪器吸收时，保护第一光子的量子态。
[0097]
优选地，用于保护量子态的装置包括透明空间、特别是透明空间和至少一个反射镜。透明空间可以是空的或者填充有气体或液体。
[0098]
优选地，用于保护量子态的装置包括多个布拉格反射镜，这些布拉格反射镜相对于透明空间布置，以便在如上所述的合适长度的路径、也就是说对应于到达第二接收器的第二光子在那里被放大所需的时间的长度的路径上捕获该装置接收的光子。
[0099]
作为一个变型，该保护装置包括光纤，该光纤的长度使得第一光子能够在其中循环，同时等待已经到达第二接收器的第二光子在那里被放大。
[0100]
在另一个变型中，该装置可以是空间或大气的一部分，该部分是空的或填充有气体，为此确保没有反射光或吸收光的物体通过。
[0101]
用于吸收第一光子的仪器
[0102]
在第一接收器处，第一光子可以在一对互补偏振的两种状态中的一种状态下被至少一个吸收仪器吸收。
[0103]
优选地，吸收仪器包括至少一个滤光器，该至少一个滤光器能够根据第一光子的偏振态将第一光子发送到至少一个光子检测器，特别是发送到两个光子检测器中的一个或另一个，滤光器优选地是由双折射材料制成的棱镜或板。
[0104]
吸收仪器还可以包括偏振滤光器和位于所述偏振滤光器之后的光子检测器。
[0105]
吸收仪器还可以包括半透明反射镜，该半透明反射镜将圆形偏振光子朝向第一光子检测器反射，并允许其他光子通过第二光子检测器，如mai、wending等人在“broadband transparent chiral mirrors:design methodology and bandwidth analysis”(aip advances 9.4(2019):045305)的文章中所述的。
[0106]
光子的发射
[0107]
光子对发射器
[0108]
优选地，发射器通过自发参数下转换(spdc)产生纠缠光子对，也就是说，根据初始光子(也称为“泵浦”光子)被一分为二并且其频率被具有非线性折射率的光学介质中的四波混合现象减半的过程产生纠缠光子对，如amanti等人的文章“量子技术核心的纠缠光子集成源(integrated sources of entangled photons at the heart of quantum technologies)”(photoniques,no.91,2018)中所述的。
[0109]
这种类型的光子对发射器能够产生纠缠相对稳健的光子，但缺点是有时一次产生多于一对的光子，这是不期望的，因为它是不受控制的。可以实施辅助装置，以便处理这些“寄生”的多个对，如下所述。
[0110]
作为一个变型，可以使用包括量子点的发射器来生成纠缠光子对，如上文引用的文章中所述，这使得能够以更规则的方式获得对。然而，用这种方法获得的光子的纠缠特性有时可能是不稳定的。
[0111]
也可以使用由双折射晶体制成的光纤，如smith等人在文章“photon pair generation in birefringent optical fibers”(optics express,vol.17,issue 26,
2009)中所述的。
[0112]
优选地，发射器被配置为连续地生成多个纠缠光子对。
[0113]
纠缠光子可以以各种方式在发射器出口处的第一传播路径和第二传播路径上发送。
[0114]
以预定偏振发射
[0115]
光子优选地以预定偏振发射。术语“预定偏振”是指处于预定的互补偏振对中的两种状态之一，例如具有特定方向的线性偏振。例如，双折射板可以根据两个纠缠光子的竖直或水平线性偏振来分离它们。
[0116]
发送到每个接收器的纠缠光子的预定偏振使得特别能够知道对于任何选择的互补偏振对处于一种偏振或其互补偏振的状态的概率。
[0117]
因此，可以在接收器接收到所述光子时生成随机比特序列，所述序列在两个接收器处是互补的，在第二接收器处接收到的光子的偏振是与在第一接收器处观测到的偏振互补的偏振。
[0118]
当在第一接收器处使用四分之一波片以便旋转第一光子的偏振方向时，预定的偏振也是必要的。
[0119]
为了沿着预定线性偏振发射光子，例如在发射器的出口处布置板或棱镜，该板或棱镜包括双折射光学透明材料，例如铌酸锂或金红石(tio2)，其光学指数取决于两个光子中的至少一个通过的光偏振轴线。
[0120]
因此，根据线性偏振，该光子在两个不同位置中的一个位置从棱镜中出射。
[0121]
如果纠缠光子源在相同方向上并且沿着与双折射光学透明材料的普通轴线垂直的轴线发射两个光子，第一光子在棱镜的出口处被收集，电场平行于双折射光学透明材料的普通轴线的电磁波在该位置通过该出口出射，以便将第一光子发送到第一接收器。
[0122]
以同样的方式，通过具有垂直于普通轴线的场的电磁波出射的位置出射的第二光子被收集，以便将其发送到第二接收器。
[0123]
在两个纠缠光子从在不同位置和/或在不同方向上的发射器产生的情况下，可以在垂直于每个棱镜的普通轴线的方向上将两个光子中的每一个投射到双折射棱镜上，并且将每个光子重定向到用于其的接收器，通过棱镜的不同位置出射的光子优选地通过投射到吸收表面上而损失或被破坏。
[0124]
例如，对于第一纠缠光子，可以使用从第一双折射板或具有平行于第一轴线的线性偏振的第一双折射晶体出射的光子，以及作为第二纠缠光子，使用以平行于用于第二板或第二棱镜的晶体的第一轴线的线性偏振出射的光子，第二板或第二棱镜已被调整以允许光子沿着预定偏振出射，该预定偏振对应于与从第一板或第一双折射棱镜以平行于第一轴线的方向出射的光子纠缠的光子的偏振。
[0125]
为了促进所述光子朝向接收器的传输，将所述光子的线性偏振转换为圆形偏振的双折射延迟板优选地放置在光子从棱镜出射的位置的出口处。
[0126]
然后优选地在每个接收器的入口处布置另一个双折射延迟板，以便将光子的圆形偏振重新转换为线性偏振，这种转换为线性偏振使得能够精确地调整偏振轴线。
[0127]
光子的传输
[0128]
光子可以通过空间、大气、光纤或这些手段的组合从发射器向接收器传输。
[0129]
透镜可以用于光子的传输，特别是用于通过空间或大气的传输。在适当的情况下，抗反射层优选地布置在所述透镜上。所使用的透镜的尺寸优选地与光子的空间或大气传输的长度相匹配。
[0130]
可以使用反射在发射器处发射的光的共轭反射镜，以便调整共轭光子的发射方向以用于空间或大气传输。例如，激光发射器可以扫描空间，以便检测其中的接收器，接收器将发射的光反射到空间，然后调整共轭光子的方向，以便与共轭反射镜反射的光的方向平行或重合。
[0131]
由激光发射器发射的光可以具有接近纠缠光子的波长的波长，并且通过二向色棱镜被引入光子所使用的物镜中。
[0132]
作为一个变型，如果波长与纠缠光子的波长相同，则当所述光子具有线性偏振时，可以通过双折射棱镜引入光，用于引导的光的偏振然后垂直于被引导向同一接收器的纠缠光子的偏振。当引导光到达时，接收器上游的普克尔盒可以用于将光引导向共轭反射镜。
[0133]
在另一个变型中，用于瞄准的光波可以平行于纠缠光子发射，但例如相隔几厘米的距离，以便被共轭反射镜反射。
[0134]
在另一个变型中，可以不使用共轭反射镜，但仍然可以观测接收器或靠近接收器的目标，根据其接收目标的信息由另一通信装置传送，例如通过无线电信号或量子传输来传送。
[0135]
可以通过对所述接收器可能位于其中的区域进行测绘侦察来识别要扫描的区域。
[0136]
此外，当接收器相对于发射器相对旋转时，特别是由于地球或卫星的旋转，可以使用上述相位修改器，以便允许在相对于发射器的固定方向上发射的光子以相对于接收器确定的固定方向进入每个接收器。
[0137]
校准方法
[0138]
光子从它们的发射位置到达两个接收器所通过的各种介质可能会引起它们的相位的改变，这不一定是期望的或预期的。
[0139]
此外，根据光子是朝向第一接收器还是第二接收器被引导，这些修改可以是不同的。最后，这些修改可能会随着时间的推移而变化，特别是根据材料在使用期间的天气或温度而变化。
[0140]
根据本发明的系统可以通过使光子以属于预定互补偏振对中的偏振被第一接收器吸收来周期性地校准，并且对于这些对中的每一个，通过观测纠缠光子被第二接收器检测到的两个可能偏振中的一个来周期性地校准。
[0141]
因此，本发明还涉及一种用于校准如上所述的系统的方法，使得能够根据到达第二接收器的光子的纠缠光子在第一接收器处被吸收的偏振态，确定到达第二接收器的光子的偏振态，该方法包括在于以下的步骤：
[0142]-从发射器生成纠缠光子对，所述对中的第一光子朝向第一接收器发射，同时所述对中的第二光子朝向第二接收器发射，所述第一光子和所述第二光子就它们的偏振态而言纠缠，
[0143]-在所述第一接收器处以预定的偏振对吸收所述第一光子，存储已经被吸收的每个光子所处的两个可能的偏振中的一个，以及一旦已经观测到预定数量的不同偏振中的每个偏振，就停止由所述发射器发送光子，
[0144]-在第二接收器处，通过使用放大装置复制第二光子以形成倍增后的光子的通量，每个倍增后的光子都保持了第二光子的偏振态，
[0145]-测量偏振态，也就是说，每个倍增后的光子通量的偏振方向和相移，并存储这些测量值及其接收时间，
[0146]-将所存储的光子的偏振和接收时间的列表从所述第一接收器传输到所述第二接收器，
[0147]-从在所述第二接收器处接收的光子的列表中删除与在所述第一接收器处接收到的光子不对应的光子，并且类似地，从在所述第一检测器处接收的光子的列表中删除其对应光子未在所述第二接收器处被接收到的光子，以及
[0148]-一方面，借助于在第一接收器处以互补偏振检测到并且其纠缠光子已经到达第二接收器的两个光子的偏振态的知识，另一方面，借助于在第二接收器处接收到的对应纠缠光子的偏振态的知识，来计算琼斯矩阵，使得能够从在第一接收器处接收的光子的偏振推断在第二接收器处接收的光子的偏振。
[0149]
状态的存储以及琼斯矩阵的计算由任何合适的电子装置，例如微控制器来执行。
[0150]
以这种方式计算的琼斯矩阵使得能够根据位于第一接收器处的复合吸收器吸收第一光子的偏振，计算在第二接收器处接收的第二纠缠光子的偏振。
[0151]
可以进行第二校准，包括确定任何光子到达第二接收器的概率，该光子的纠缠光子在其朝向第一检测器的行进期间已经被吸收，该纠缠光子属于第二接收器可检测或可识别的互补偏振对的每个范围；偏振p的范围被定义为被偏振测量仪器同化为具有偏振p的偏振的集合。
[0152]
因此，本发明还涉及一种用于校准如上所述的系统的方法，该方法使得能够确定光子在从发射器行进到第一接收器期间损失的概率，该方法包括：
[0153]-配置所述第一接收器的所述复合吸收器，以便吸收处于一对吸收偏振的两个互补偏振中的一个偏振的在所述第一接收器处接收的光子，
[0154]-从发射器连续生成多个纠缠光子对，所述对中的第一光子朝向第一接收器发射，同时所述对中的第二光子朝向第二接收器发射，所述第一光子和所述第二光子就它们的偏振态而言是纠缠的，
[0155]-对在所述第二接收器处接收的处于所述第二接收器可检测的偏振范围中的每一个偏振范围的光子的数量进行计数，所述偏振范围不同于由所述第一检测器吸收的光子的纠缠光子的两个偏振范围之一。
[0156]
因此，可以检测偏振范围，在该偏振范围中，在朝向第一检测器行进的传输期间损失的光子的纠缠光子优先到达，或者最有可能到达，并且因此优选地避免使用相应的吸收偏振，以便将数据从第一接收器传输到第二接收器。
[0157]
因此，通过取在第二接收器处接收的光子的数量与对应于在第一接收器处的两个吸收偏振之一的偏振之一之间的商，可以计算光子在发射器和第二接收器之间的传输比。
[0158]
第二接收器的测量仪器
[0159]
第二接收器的测量仪器优选地包括至少一个光子检测器，该至少一个光子检测器被布置为测量源自第二光子的倍增的光的偏振。
[0160]
第二接收器的测量仪器包括，例如，布置在光学放大器下游的一系列半反射板，所
述板以相等的强度朝向偏振测量仪器引导倍增后的光子的通量，即光通量，所述偏振测量仪器被布置为例如测量沿着两个垂直轴线的通量的强度和/或光在这两个轴线之间的相移。
[0161]
光也可以在通过一个或一系列放大光束横截面的透镜之后，被朝向各种偏振滤光器引导，从而允许多个反射镜或透镜将该光束的一部分朝向各种偏振光测量仪器引导。
[0162]
各种偏振测量仪器优选地使得能够：
[0163]
·
测量沿着第一轴线x的光的电场分量的强度，
[0164]
·
测量沿垂直于第一轴线x的第二轴线y的光的电场分量的强度，
[0165]
·
测量光沿其轴线x和沿其轴线y之间的相移，
[0166]
·
以及，优选地，测量光沿其轴线x’(为x和y的平分线)与光沿其轴线y’之间的相移。
[0167]
光沿着两个垂直轴线的强度的测量例如是通过由双折射板或棱镜沿着两个垂直轴线分离光、之后是由放置在所述板或所述棱镜的出口处的两个光强度传感器进行的。测量两个垂直分量之间的相移例如是通过以下来进行的：由双折射板或棱镜沿着两个垂直轴线分离光，然后对于沿着两个轴线之一偏振的波，通过将该偏振轴线旋转90
°
(例如通过使用旋转或手性材料或通过连续的四分之一波片来旋转)，然后是对这两个波联合投射，其中一个波经历了电场的旋转，通过杨氏狭缝投射到屏幕上，两个光源的干涉产生条纹，条纹的位置取决于所述相移。
[0168]
光学放大器
[0169]“光学放大器”是指一种装置，它能够复制引入其中的光子，特别是一对纠缠光子中的第二光子，同时保持其偏振态。
[0170]
优选地，所述光学放大器是掺杂光纤放大器。
[0171]
例如，可以使用铒放大器(edfa)，例如具有4m的长度，将要放大的光子与具有较短波长的放大波同时引入到该铒放大器中，这使得能够放大与引入的光子相对应的波，增益可以是大约37db/m。
[0172]
也可以采用使用除铒以外的掺杂剂的掺杂光纤放大器(dfa)。
[0173]
作为一个变型，光学放大器例如是垂直腔放大器(vcsoa)或半导体类型的放大器(soa)。
[0174]
抗反射层
[0175]
为了避免光子的损失，抗反射层优选地布置在光子所通过的具有不同折射率的相邻透明介质之间的界面处，以及光子所通过的双折射棱镜和板的界面处，抗反射层优选地与材料的一个或多个折射率、一个或多个入射角和偏振方向以及打算通过它的光子的波长相匹配。
[0176]
二向色滤光器
[0177]
第一接收器和/或第二接收器优选地包括一个或多个二向色滤光器，其使得能够仅允许具有给定波长的光子通过，并且特别是由色散透明材料组成的棱镜，该一个或多个滤光器优选地布置在一个或多个测量仪器之前或第一接收器的光学选择器之前，在通过施加强大的光通量来修改非线性材料的折射率时尤其是这种情况。
[0178]
将光子分配给具有同步时钟的信息
[0179]
当光子到达第二接收器时，能够区分它们是否应该被分配给所发送的信息，是否是多次发送的信息项，或者是否是尚未被编码到一对纠缠光子上的信息项是有用的。
[0180]
这是因为光子发射有时是不规则的，并且例如如上所述的spds类型的发射器可以发射双光子对，而这不是所期望的。
[0181]
发射器和每个接收器优选地包括时钟，发射器和接收器的时钟彼此同步。
[0182]
当与光子在发射器和每个接收器之间的飞行时间的知识相结合时，这使得能够确定优选重复的编码时段和接收时段，在此期间，光子可以在编码时段中在第一接收器处被编码，并且其纠缠光子可以在接收时段中到达第二接收器。
[0183]
如果在接收时段期间接收到多个光子，则第一接收器保持不变状态，直到处于例如接收时段结束后的非发射时间的四分之一与下一个接收时段前的非发射时间δt’的一半之间的时刻。
[0184]
第二接收器优选记录每个接收时段所接收的比特。然后，第二接收器有利地周期性地，例如，没有光子的每3000个接收间隔或每100个接收间隔，向第一接收器发送(特别是如果装置使用反射来发送比特或三进制数位的话)没有接收到光子的接收时段的列表，其中所发送的光子可能已经损失，或者在该时间段内发射器没有发射光子，而第一发射器不知道它是否在这些时段期间反射了光子，特别是如果装置没有光子检测器的话。
[0185]
该列表的发送可以通过使用下面描述的根据本发明的方法的瞬时通信来进行，或者通过常规通信手段来进行。在接收到该列表时，第一接收器然后发送与没有光子到达第二接收器的这些发送时段相对应的比特。
[0186]
作为变型，第一接收器仅使用两个不同的测量仪器来发送信息，一个测量仪器检测线性偏振，另一个测量仪器检测圆形偏振。
[0187]
然后，第一接收器在选择适合于它将在该发送时段内发送的每个比特的测量仪器的同时重新发送每个比特，并且优选地将选择器保持在相同的状态，直到它接收光子的发送时段结束，从而允许它选择用于下一个比特的发送的测量仪器。
[0188]
第二接收器当在发送时段期间接收光子时，如果它接收到其中的一些光子，则测量这些光子在每个发送时段的偏振态，并从中推导出它应该添加到所接收的比特列表中的比特。
[0189]
如果发射器和第一接收器之间的传输线具有一定的不透明度并且可以吸收通过它的一定比例的光子，则一些光子可能在接收时段期间以随机偏振到达第二接收器。
[0190]
第二接收器然后可以被配置为识别以如下偏振态到达的光子中的至少一些，该偏振态不能是在第一接收器处被吸收或反射的纠缠光子的偏振态。
[0191]
时钟的偏差
[0192]
优选地，作为系统部件的时钟，即发射器和两个接收器的时钟，被配置为考虑在不同位置、特别是每个部件的不同高度处的不同时间运行的现象。
[0193]
接收器之间的发送时段的同步
[0194]
可以实施允许第一接收器和第二接收器同步它们的时钟的方法。
[0195]
例如，当测量第一光子时，第一接收器使用其自己的时钟来记录所述光子撞击测量仪器的时间。
[0196]
随后将所记录的时间以及优选地引用传输间隔，特别是开始时间和可选地预期光
子的持续时间发送到第二接收器。
[0197]
第二接收器记录第二光子的接收时间，以便调整其自身的时钟，使得发送时段的开始与第一光子撞击在第一接收器的测量仪器上的时间之间的偏差与第二接收器处的第二光子的接收时段的开始与该时钟给定的用于接收第二光子的时间之间的偏差相同。
[0198]
如果发射器与两个接收器中的一个接收器或另一个接收器之间的传输线吸收了一些光子，则发射器可以以预定数量或在预定持续时间内发送光子，并且两个接收器中的每一个可以记录各个光子的平均接收时间，然后一个接收器可以将所述平均时间传送给另一个接收器。
[0199]
平均时间可以通过取各个光子的接收时间的平均值，或者仅取接收到的第一个和最后一个光子的接收时间的平均值来计算。发送的光子的预定数量或其发送的持续时间优选地特别根据发射器与接收器之间的两条路径中的每一条上的各个光子的传输/损失比以及光子的平均发送频率来调整。
[0200]
由于光子在发射器与每个接收器之间的行进持续时间可能不同，因此每个接收器之间时钟的同步可能不同，这取决于是否涉及在一个方向或另一个方向上的信息传输。于是，每个接收器都可以具有同步寄存器，用于将所述接收器的时钟时间增加流逝时间(time lapse)，或者相反地从中减去该流逝时间，该流逝时间可在同步期间调整，以便从中推断出为接收来自另一个接收器的信息而同步的时钟的时间。
[0201]
发射器和接收器之间的传输
[0202]
可以实施一种方法，该方法使得能够同步将光子发送到接收器的时段和在接收器处的接收时段，这些时段是光子可以离开发射器或到达接收器的时间间隔。
[0203]
为此，发射器可以发射简短的第一光信号，随后或之前是形成消息的其他光信号，这些光信号优选地通过数字签名来签名，该数字签名指示在其时钟上发送信号的精确时间。
[0204]
在接收到所述第一光信号时，接收器记录接收时间，然后读取信号的发送时间，取发送信号的时间与光子发送时段(在光子发送时段期间发送信号)的开始(或者，如果信号在发送时段外发送，则取前一发送时段的开始)的时间之间的差值，并且对信号的接收时间与接收时段开始的时间进行同样的处理。
[0205]
如果信号的发射日期与发送时段的开始之间的差值大于接收日期与接收时段的开始之间的差值，则接收器可以将发送时段的开始向前移动，或者在相反的情况下相反地移动。
[0206]
校准有利地重复多次，并且对结果取平均，从而使得能够以比所述光信号的发送和接收时间的不精确度更高的精度来调整时钟。
[0207]
用于光信号的波长优选地与纠缠光子的波长相同，使得其可以以与纠缠光子相同的速度传输。
[0208]
在没有同步时钟的情况下将光子分配给信息
[0209]
作为同步时钟的一个变型，第一接收器可以包括检测器-发送器和等待元件，例如被布置为以不同于检测器-发送器可检测的偏振的预定偏振来反射第一光子的反射器，或者替选地被布置为以不同于检测器-发送器的偏振的预定偏振吸收第一光子的元件。
[0210]
检测器-发送器的偏振优选地是互补的，使得朝向吸收剂等待元件被引导的任何
光子都被吸收。
[0211]
检测器-发送器优选地被布置为以至少四种不同的偏振来检测光子的偏振，这些偏振被分组为互补的对，使得朝向检测器-发送器被引导的任何光子因此被检测和吸收，而不管其初始偏振如何。
[0212]
使用第一接收器的一个或多个检测器-发送器，以便通过选择所使用的检测器对来发送信息。
[0213]
在接收到用于发送信息项的光子之后，第一接收器在预定时段(也称为“休息时段”)期间接收到的每个光子被发送到等待元件，该预定时段的持续时间优选地是固定的，并且优选地是接收器的时钟不精确量的两倍以上，并且该休息时段的开始由传感器或吸收光子的已经被用来发送信息的两个传感器中的一个来确定。
[0214]
第二接收器优选地一方面按顺序布置，
[0215]
·
忽略与朝向等待元件发送的光子配对的光子，另一方面，
[0216]
·
将未与朝向等待元件发送的光子配对的两个连续光子解释为连续比特(如果它们至少与休息时段分离的话)，从休息时段减去接收器的时钟不精确量，最后
[0217]
·
例如，将在小于或等于休息时段四分之三的时间内连续接收的两个光子解释为代表同一比特。
[0218]
因此，如果在休息时段减去接收器的时钟不精确量的时间更少的时间内接收到两个具有不同偏振的、未与朝向等待元件发送的光子配对的连续光子，则第二接收器可以检测到信息传输中的误差。
[0219]
这种方法的优点是既不需要在发射器处放置开关来限制纠缠光子的发射，也不需要时钟同步。
[0220]
因此，第一接收器的一个或多个检测器-发送器可以与等待元件同时使用，特别是如果它们检测光子的偏振是可调整的，并且因此可以被调整到等待元件使用的偏振以便吸收光子的话。
[0221]
抗噪声装置
[0222]
在放大信号期间或在没有信号的情况下，在放大器介质的分子或原子已经被泵浦信号激发之后，光学放大器具有在与传播信号相反的方向上发射光子的趋势。
[0223]
第二接收器包括，例如，布置在光学放大器前面的开关，以便限制放大器朝向装置的纠缠光子源发射的光子的数量。
[0224]
例如，第二接收器的开关被配置为在预定时间间隔内吸收或反射到达所述第二接收器的第一光子之后的一个或多个光子。
[0225]
第二接收器的开关可以连接到第二接收器的测量仪器，以便允许光在第一光子到达之后仅在一个方向或另一个方向上通过，直到预期下一个光子，或者在该时刻之前的预定时间，例如上面所述的休息时段的一半。
[0226]
替选地，第二接收器的开关可以允许光子仅在它们所预期的时段期间通过，特别是在上述光子的处理时间间隔期间通过。
[0227]
在没有同步时钟的情况下，使用具有低透明度的光传输装置将光子分配给信息
[0228]
光纤虽然是透明的，但并不能传输在它们的入口处存在的所有光子。每千米0.20db的损失是常见的，例如在50km内损失10db，即90％的光子。
[0229]
然而，在发射器和第一接收器之间的行进中损失的光子的影响不同于在朝向第二接收器行进时损失的光子损失的影响；在发射器与第一接收器之间损失的光子的纠缠光子能够以与在朝向第一接收器的线路中吸收的纠缠光子的偏振相对应的任何偏振到达第二接收器，而在通往第二接收器的线路中光子的损失必然导致潜在携带信息的光子的消失，也就是说，该光子是其纠缠光子已经到达第一接收器的光子。
[0230]
此外，在到达第二接收器的光子的纠缠光子在朝向第一接收器的行进中被吸收之后该到达第二接收器的光子的偏振不一定在所有可能的可观测偏振之间均匀分布。
[0231]
为了传输信息，优选使用互补偏振对，当在第二接收器处检测到的光子的纠缠光子在其朝向第一接收器的行进期间被吸收时，在第二接收器处观测到的对应偏振较少。
[0232]
本发明还涉及一种用于校准如上所述的系统的方法，使得能够确定两个琼斯矩阵，其中一个琼斯矩阵使得能够根据在第一接收器处吸收的光子的偏振计算到达第二接收器的光子的偏振，其中，优选地，在第二接收器处可观测到的不同偏振的量是发射器与第一接收器之间光子传输比的倒数的两倍以上，该方法包括：
[0233]-配置所述第一接收器的所述复合吸收器，以便吸收处于一对吸收偏振的两个互补偏振中的一个偏振的在所述第一接收器处接收的光子，
[0234]-从发射器连续生成多个纠缠光子对，所述对中的第一光子朝向第一接收器发射，同时第二光子朝向第二接收器发射，第一光子和第二光子就它们的偏振态而言是纠缠的，
[0235]-对于在第二接收器处接收光子的每个偏振，对已经以该相同偏振到达所述第二接收器的光子的数量进行计数，
[0236]-当在所述第二接收器处已经接收到预定数量的光子时，停止发送光子，
[0237]-确定在第二接收器处最经常接收光子的两个偏振，这些偏振被认为是与在第一接收器处的光子的吸收偏振相对应的偏振，
[0238]-计算变换偏振的两个可能的琼斯矩阵，使得能够从在第一接收器处接收的光子的偏振推断出在第二接收器处接收的光子的偏振。
[0239]
此外，记录在第一接收器接收的至少一个光子的偏振和在第二接收器接收的其纠缠光子的偏振，例如通过使用它们各自的接收时间来进行对应，这使得能够从两个计算出的琼斯矩阵中选择一个琼斯矩阵，该琼斯矩阵使得能够根据在第二接收器处接收的光子的纠缠光子的在第一接收器处可能接收的偏振，计算在第二接收器处接收的光子的偏振。
[0240]
为了将信息项从第一接收器传输到第二接收器，还可以使用以下方法，该方法包括以下的步骤：
[0241]-从发射器连续产生多个纠缠光子对，所述对中的第一光子朝向第一接收器发射，同时第二光子朝向第二接收器发射，第一光子和第二光子就它们的偏振态而言是纠缠的，
[0242]-对于要传输的每个信息项，配置第一接收器的复合吸收器，以便吸收处于预定的互补偏振对(称为“吸收偏振对”)的与要传输的信息项相对应的npt个传输光子，然后，如果要传输的下一个信息项还未知或者与刚刚发送的信息项相同，则以被称为“等待偏振对”的偏振对配置吸收器，以及如果所述信息项与刚刚发送过的信息项相同，则至少计数以该“等待偏振对”吸收的npt个光子，
[0243]
在第二接收器处，对于每个互补偏振对，对自最后可能接收到信号以来以所述偏振的两个偏振中的一个偏振接收到的光子的数量进行计数。一旦计数器超过其中一个对的
预定阈值数量nsp，并且该互补偏振对与接收到的最后一个信号的互补偏振对不同，则将与该偏振对相对应的信息项视为新信号，以及如果该最后一个信息项不与等待偏振对相对应，则将该信息项添加到所接收的信息项的列表中。
[0244]
替选地，在第一接收器处，偏振吸收器被系统地配置，以便在发送任何信息之后以两个等待偏振中的一个偏振吸收至少npt个光子。
[0245]
例如，为了传输信息项，将使用以下内容：
[0246]
·
发射器与每个接收器之间的传输线，其具有10db的衰减，即90％的光子损失，
[0247]
·
复合吸收器之间的传输线，其被配置为吸收450对互补偏振的光子，这些对代表在第二接收器处接收的光子的纠缠光子在朝向第一接收器行进中被吸收的情况下，该在第二接收器处接收的光子的80％，
[0248]
·
npt可以选择200个光子，nsp可以选择6个光子，根据发明人的计算，这使得能够获得小于1/10000的传输误差比。
[0249]
在另一个示例中，在97％的误差比对应于信号衰减15db的情况下，根据发明人的计算，通过使用450对互补偏振，每个偏振和相移彼此分离约5
°
，在第一接收器处对1200个光子进行编码(也就是说npt＝1200)，并且阈值数量nsp固定在14，这使得如果在第二接收器处由向第一接收器行进期间吸收的光子产生的光子在所有可观测到的偏振上均匀分布，则能够获得小于1/150000的误差比。
[0250]
同时发送的光子对的处理
[0251]
发射器有时可能会将纠缠光子对发送得非常近。因此，位于第一接收器处的光子检测器优选地对所吸收的光子的数量进行计数，而不仅仅是对所述第一接收器上的光子撞击的数量进行计数。这种计数使得例如能够考虑撞击光子检测器的电磁波的强度。
[0252]
因此，光子组可以几乎同时到达第二接收器，第二接收器不能将光子的偏振彼此区分。偏振检测器能够检测“同时”检测到的所有光子的平均偏振，即同时到达第二接收器的光子组的偏振，也就是说，其产生的光强度例如比单个光子产生的强度大50％，这有利地不引起以不同偏振接收的光子的计数器的增加。然而，有时可能是多个光子到达第一接收器，但它们的纠缠光子中只有一个纠缠光子到达第二接收器，然后对其进行计数。
[0253]
装置的性能
[0254]
在发射器与第一接收器之间使用无损耗或低损耗的线路，例如这允许光子在真空中行进，使得能够减少或避免在第二检测器处接收的具有随机偏振的光子。
[0255]
同样，在第二接收器处使用精确的测量仪器，使得能够增加互补偏振对的数量，或者忽略具有随机偏振的大量光子，这可以使得能够：
[0256]
·
增加光子的传输距离，
[0257]
·
通过减少传输光子数量npt来提高波特率。
[0258]
第一接收器的复合吸收器的偏振的增加的切换速度使得能够增加由发射器发送的纠缠光子的发送频率。
[0259]
如上所述，第二接收器的偏振检测器的时间精度提高，这使得能够区分在时间上非常接近地接收的不同光子的寄生，也使得能够使用更高的纠缠光子通量，还也能够减少“同时”接收到的光子的接收次数。
[0260]
这种方法的优点是既不需要在发射器处放置开关来限制纠缠光子的发射，也不需
要时钟同步。
[0261]
光子朝向发射器的返回处理
[0262]
光子有时会从接收器朝向发射器反射。为了防止它们被发射器反射回接收器中的一个，通过波混合产生纠缠光子的空腔或材料(其折射率是非线性的)优选地被吸收波长等于纠缠光子的波长的光的材料包围或覆盖。
[0263]
量子通信方法
[0264]
本发明还涉及一种使用上述系统的量子通信方法，包括以下的步骤：
[0265]-从发射器生成纠缠光子对，该对中的第一光子朝向第一接收器发射，同时该对中的第二光子朝向第二接收器发射，第一光子和第二光子纠缠，第二接收器比第一接收器更远离发射器位于第二光子的传播路径上，使得第二光子更晚到达第二接收器，
[0266]-通过使用偏振修改器，将第一光子到达第一接收器时的偏振态修改为取决于要传输的信息的偏振态，该偏振态是从至少两对不同的互补吸收偏振中选择的，除了正好两对垂直线性偏振之外，在正好两对垂直线性偏振中，一对的偏振方向与另一对的偏振方向成45
°
，
[0267]-通过使用吸收仪器，吸收处于所选择的对的两个互补偏振之一的第一光子，
[0268]-在第二接收器处，通过使用放大装置复制第二光子以形成倍增后的光子的通量，所产生的光保持了第二光子的偏振态，
[0269]-测量光通量的平均偏振态，并根据该测量确定第一光子的偏振态，以便从中推导出由第一接收器传输的信息。
[0270]
该互补光子对优选地从至少三个不同的互补偏振对中选择。
[0271]
该互补偏振对例如从210个不同的吸收偏振对中选择，特别是从在其偏振方向上间隔开9
°
并且相移间隔开9
°
的偏振中选择。
[0272]
本发明还涉及一种使用上述系统的量子通信方法，包括以下的步骤：
[0273]
·
从发射器生成纠缠光子对，该对中的第一光子朝向第一接收器发射，同时该对中的第二光子朝向第二接收器发射，第一光子和第二光子纠缠，第二接收器比第一接收器更远离发射器位于第二光子的传播路径上，使得第二光子更晚到达第二接收器，
[0274]
·
根据要传输的信息，当第一光子到达第一接收器时，通过使用光学选择器选择吸收或不吸收处于两个互补偏振对中的一对中的第一光子，该光学选择器将所述光子朝向或不朝向一个仪器或多个仪器引导，
[0275]
·
在选择不吸收处于预定偏振的光子的情况下，将所述第一光子捕获在保护装置中，使得至少只要第二光子还没有到达第二接收器就可以避免第一光子被吸收，
[0276]
·
在第二接收器处，通过使用放大装置复制第二光子以形成倍增后的光子的通量，每个倍增后的光子都保持了第二光子的量子态，
[0277]
·
测量倍增后的光子通量的平均量子态，并根据该测量和/或使用所述仪器确定第一光子是否已在第一接收器处被吸收，以便从中推断出第一接收器传输的信息。
[0278]
优选地，纠缠光子对的偏振在互补偏振对的一个或多个偏振中是不确定的，第一接收器的仪器吸收这些纠缠光子对。
[0279]
例如，该纠缠光子对以线性纠缠偏振到达接收器，两个互补吸收偏振中的一个是圆形的，第二接收器被布置为区分倍增后的光子通量的平均偏振是圆形还是线性的，并且
根据该区分来确定第一光子是否已经被测量。
[0280]
作为变型，纠缠光子对以圆形纠缠偏振到达接收器，光子的吸收量子态是线性偏振，第二接收器被布置为区分倍增后的光子通量的平均偏振是圆形还是线性地，并且根据该区分来确定第一光子是否已经被测量。
[0281]
作为变型，纠缠光子对以竖直或水平线性偏振到达接收器，在第一接收器处测量的量子态是与竖直或水平方向成45
°
或-45
°
的线性偏振，所述第二接收器被布置为区分倍增后的光子通量(p20)的平均线性偏振是在45
°
还是-45
°
，或者是竖直还是水平，并且根据该区分来确定第一光子是否已经被测量。
[0282]
信息的传输
[0283]
根据本发明的系统和上述量子通信方法使得能够在第一接收器和第二接收器之间传输二进制类型的、比特形式的、或者离散或连续值的信息项。
[0284]
优选地，发射器连续生成多个纠缠光子对，每个光子对使得能够将例如二进制类型的信息项从第一接收器传输到第二接收器。
[0285]
例如，可以进行选择以在第一接收器处吸收第一光子以传输比特1，并反射它以传输比特0。在第二接收器处对倍增后的光子通量的平均量子态的测量使得能够确定是比特1还是比特0准瞬时地从第一接收器传输。
[0286]
可以实施多种方法，以确保通信安全并避免传输误差，例如由于同时发射的双光子对而产生的误差。
[0287]
例如，在通过使用上述时钟预先建立的时间间隔期间，优选地仅考虑到达接收器的第一个光子，忽略随后的光子。
[0288]
如上所述，当光子到达偏振检测器时，可以对光子进行计数。如果计数显示在预定的时间间隔内有多于一个的光子到达，则该比特在该时间间隔内不被传输，并且例如在下一时间间隔内被传输，或者优选地，相同的比特被再次传输。
[0289]
在第二接收器处，对在时间间隔内到达的预期的光子进行计数可以有利地使得能够创建未接收的比特的临时列表。
[0290]
双向通信
[0291]
为了允许双向通信，也就是说，为了允许两个接收器中的每一个向另一个接收器发送信息，可以使用多个发射器。
[0292]
根据本发明的系统可以特别地包括能够生成一个或多个纠缠光子对的第二发射器，与第一接收器相比，第二发射器更靠近第二接收器。
[0293]
作为变型，可以使光子中的至少一些沿着间接路径行进，以便延长它们朝向接收器之一的传输时间，例如通过使光子在一个或多个中间反射镜上反射，或者使它们通过具有高折射率的介质，或者替选地通过在具有不同长度的光纤中传输它们来延长。
[0294]
例如，这种延长的行程可以以根据需求而固定或可变的速率与未延长的行程交替，以便能够有时使用纠缠光子来将信息从一个点传输到另一个点，有时能够在另一个方向上传输。可以安装位于接收器上游并与附接到发射器的开关同步的光学开关，使得能够在延长的路径上发送光子，以便将所述光子发送到如上所述的第一接收器类型的接收器，或者相反地，发送到第二接收器类型的接收器。
[0295]
传输密钥并验证该传输是否被窃听的方法。
[0296]
通过实施以下步骤，可以验证由从发射器到第二接收器的光子通量传输的信息项没有被窃听：
[0297]-所述第二接收器建立传达所述信息项的光子的接收日期的第一列表，以及指定接收每个光子的两个互补偏振中的偏振的相对偏振；
[0298]-第二接收器生成包含在前一步骤中收集的列表的消息，创建该列表的电子签名，并将所述列表和签名发送给接收器；
[0299]-第一接收器接收该列表和签名，然后验证所述签名；
[0300]-所述第一接收器制作由所述第一列表的元素组成的第二列表，对于第二列表，所述第一接收器和第二接收器接收到的光子的相对偏振相等，或者实际上所述纠缠光子从未到达所述第一接收器，两个纠缠光子具有不同的相对偏振；
[0301]-如果所述第二列表中被限制为纠缠光子对(所述纠缠光子对的两个光子中的每一个到达其各自的接收器)的元素的数量低于预定比率乘以所述第一列表中被限制为纠缠光子对(所述纠缠光子对的两个光子中的每一个到达其各自的接收器)的元素的计数的乘积，则该信息项被声明为已经被传输而没有被窃听。
[0302]
然后可以进行以下步骤：
[0303]-如果信息项被声明为已被传输而未被窃听，则第二列表由第一接收器签名并发送到第二接收器，然后由第一接收器创建第三列表，该列表由在第一列表中出现但在第二列表中未出现的光子的相对偏振组成，
[0304]-在第二接收器接收到第二列表并且在验证签名之后，使用第一列表和第二列表在第二接收器中重新创建第三列表，然后由第二接收器向第一接收器发送确认成功接收第二列表的签名消息；以及
[0305]-所述第二接收器使用所述第三列表作为与所述第一接收器的共享密钥，并且，在所述第一接收器接收到由前一步骤中的第二接收器传输的消息时，所述第一接收器使用所述第三列表作为与第二接收器的交换的共享密钥。
[0306]
偏振滤光器可以被放置在第二接收器的上游。
附图说明
[0307]
通过阅读以下对本发明的非限制性示例性实施方式的详细描述，并通过研究附图，本发明将被更清楚地理解，其中：
[0308]
[图1a]部分且示意性地表示根据本发明的一个量子通信系统，
[0309]
[图1b]部分且示意性地表示根据本发明的另一个量子通信系统，
[0310]
[图2a]部分且示意性地表示线性偏振光子，
[0311]
[图2b]部分且示意性地表示圆形偏振光子，
[0312]
[图3]图3部分且示意性地表示光子从发射器到接收器的传输细节，
[0313]
[图4a]部分且示意性地表示根据本发明的光学选择器的一个示例，
[0314]
[图4b]部分且示意性地表示图4a的选择器的变型，
[0315]
[图4c]部分且示意性地表示根据本发明的光学选择器的另一个示例，
[0316]
[图5a][图5b]图5a和图5b示意性地表示包括四分之一波片的偏振方向修改器的一个示例，
[0317]
[图5c]图5b示意性地表示包括手性材料的偏振方向修改器的另一个示例，
[0318]
[图6]图6示意性地表示偏振相位修改器的一个示例，
[0319]
[图7]部分且示意性地表示用于吸收线性偏振光子的仪器的一个示例，
[0320]
[图8]部分且示意性地表示用于吸收线性偏振光子的仪器的另一个示例，
[0321]
[图9]部分且示意性地表示包括掺杂光纤放大器的第二光子的接收器的一个示例，
[0322]
[图10a]部分且示意性地表示包括一系列半反射板的第二接收器的测量仪器的一个示例，
[0323]
[图10b]部分且示意性地表示用于第二接收器的测量仪器的杨氏干涉仪的一个示例，
[0324]
[图11a]是部分示出了量子通信系统的操作以便传输比特0的示例的框图，
[0325]
[图11b]是部分示出了量子通信系统的操作以便传输比特1的示例的框图，
[0326]
[图12]是部分示出了量子通信系统的操作以便传输一系列离散值的示例的框图，
[0327]
[图13]是部分示出了用于对接收器中光子的到达加时间戳的方法的示例的框图，
[0328]
[图14]部分且示意性地示出了在放大器前面放置“抗噪声”装置的可能性，
[0329]
[图15]部分且示意性地表示使用根据本发明的系统来在两个位置之间建立双向通信的可能性，以及
[0330]
[图16]图16示出了本发明的实现方式的一个变型。
具体实施方式
[0331]
图1a示出了根据本发明的量子通信系统1。该系统包括发射一对纠缠光子(p1，p2)的发射器2，第一光子p1在传播路径d1上传播，第二光子d2在不同于路径d1的传播路径d2上传播。同时发射光子p1和p2。
[0332]
由于光的性质和光子的波粒二象性，术语“波”、“光子”和“粒子”在下面可互换使用，以表示发射器2发射的产物。
[0333]
术语“测量仪器”和“吸收仪器”可互换使用，以表示根据特定偏振吸收光子的仪器。
[0334]
系统1包括位于第一光子p1的传播路径d1上的第一接收器3和位于第二光子p2的传播路径d2上的第二接收器4。
[0335]
接收器3比接收器4更靠近发射器2，使得光子p1在光子p2到达接收器4之前到达接收器3。
[0336]
在所考虑的示例中，接收器3包括复合吸收器31，复合吸收器31包括偏振修改器32和吸收仪器35。
[0337]
复合吸收器31被配置为吸收处于从多个不同的互补偏振对(优选至少三个对)中选择的偏振态的光子。
[0338]
偏振修改器31被配置为根据所选择的互补偏振对传输光子p1，并且吸收仪器35使得能够确定光子p1处于该对的两种状态中的哪一种。在进入吸收仪器35之前，光子p1的偏振态例如是以等概率加权的所选择的对的两种状态的叠加。
[0339]
图1b示出了根据本发明的量子通信系统1的另一个示例。在该示例中，接收器3包
括两个测量仪器35和光学选择器30，这两个测量仪器35被布置为测量第一光子p1的量子态，光学选择器30被布置在测量仪器35的上游并且被配置为将第一光子p1朝向双折射棱镜36发送(该双折射棱镜36根据光子偏振的线性方向引导光子，然后在路径d1’或d1”上朝向测量仪器35中的一个或另一个引导光子)，或者防止第一光子p1被测量，例如通过将第一光子p1反射到不同于路径d1的传播路径d3上来防止。
[0340]
特别地，方向d3被选择为使得光子p1在其纠缠光子在第二接收器4处倍增之前不被吸收。
[0341]
如图所示，系统1优选地包括用于保护光子的量子态的装置5，该装置5被布置在接收器3附近，特别是在所考虑的示例中的传播路径d3上。
[0342]
该装置使得能够例如在光子p1被光学选择器30反射到路径d3上的情况下“捕获”光子p1成为可能，例如，以防止光子p1被测量或吸收，至少直到第二光子p2已经到达第二接收器4。5d光子检测器(未示出)可以放置在装置5的端部，以便在光子的纠缠光子已经到达第二接收器之后检测在装置5中捕获的光子。
[0343]
第二接收器4包括光学放大器40和测量仪器45，光学放大器40使得能够在保持第二光子p2的偏振的同时对其进行倍增，测量仪器45使得能够测量倍增后的光子的平均偏振。
[0344]
光子p1和p2的传输可以以各种方式并且在各种介质中进行。例如，光子在光纤或波导中传播，或在空间中自由传播，空间是空的或填充有气体。
[0345]
光子可以通过具有不同折射率的多种介质。例如，为了防止不期望的光学现象，特别是由发射器2发射的波的菲涅耳反射，可以适当地将抗反射板插入光子通过的两种介质之间。
[0346]
发射器2包括，例如，一个或多个透镜，其被选择为具有足够的尺寸以使光子在几乎没有衍射的情况下到达它们各自的接收器，例如允许至少99.99％的发射波到达接收器。
[0347]
发射器2还可以包括系统，特别是电子装置，使得能够调整光子p1和p2分别发射的初始方向。
[0348]
该调整可以特别考虑光子通过的介质的不同折射率，以及由此可能导致的光子轨迹的修改，例如，对于从空间发射进入大气的光子。
[0349]
发射波的波长例如是根据要通过的一种或多种介质来选择的；例如，当红外范围内的光子必须穿过大气或空气时，将优选地使用这些光子。
[0350]
发射器2通过使用自发参数下转换(spdc)的方法来产生例如纠缠光子对。发射器2例如被配置为平均每单位时间发射少于一对，例如每纳秒发射一对，这对应于1ghz的光子传输频率。
[0351]
当它们被发射时，光子p例如是线性偏振的，也就是说，相应的电磁波具有方向垂直于其传播方向d的电场。在适当的情况下，光子的偏振可以是竖直v或水平h，如图2a所示。
[0352]
与光子的偏振相对应的量子态有时是不确定的，只要它没有被测量或吸收。因此，在被测量之前，光子的量子态有时被认为是可能状态的叠加，即在本示例中被认为是45
°
角的偏振和-45
°
角的偏振的叠加。
[0353]
在图2b所示的变型中，光子p在发射时是圆形偏振的，也就是说，相应电场的方向在旋转运动中发生变化，而其范数保持不变。
[0354]
在适当的情况下，光子的偏振由电场的旋转方向来定义，顺时针方向c1或逆时针方向c2。在被测量之前，线性偏振光子处于不确定的量子态，被认为是两个具有相反旋转方向的圆形偏振态的叠加。
[0355]
在某些情况下，如图3所示，可以在发射器2与接收器3和/或4之间的光子传播路径上引入两个四分之一波片6和8。
[0356]
根据其取向，波片6通过使沿垂直于晶体的普通轴线的轴线传播的电磁波相对于具有平行于所述普通轴线的电场的波利用垂直于同一轴线的电场前进或延迟，将例如光子的线性偏振转换为圆形偏振。
[0357]
从波片6出射的光子例如通过光纤7朝向另一个四分之一波片传输，在朝向接收器3或4传播之前，该四分之一波片将圆形偏振场转换为线性偏振场。
[0358]
发射光子的偏振的这种转换特别使得能够在接收器处不必考虑由发射器发射的光子的偏振方向。
[0359]
光学选择器30可以以各种方式制造，其中一些示例如图4a至图4d所示。
[0360]
例如，光学选择器30包括如图4a所示的受控液晶反射镜，该反射镜包括包围液晶的板310。例如，电极315和320被放置在板310的相对侧上，以便使液晶经受电场，从而能够控制其折射率nc。
[0361]
根据折射率nc，入射光子p1可以被反射到传播路径d3上，或者它可以通过板310并在传播路径d1’上朝向测量仪器35传输，该传播路径d1’可以与路径d1相同或不同。
[0362]
在图4b所示的变型中，光子p1通过液晶板310，并沿d3或d1’出射，在所考虑的示例中，方向d1、d1’和d3平行。
[0363]
反射镜325，特别是布拉格反射镜，可以放置在传播轴线d3上，以便在另一个方向上反射光子，例如朝向保护装置5反射光子。
[0364]
抗反射板可以有利地放置在板310的每个面上，并且当光子通过时根据光子的进入角和离开角进行调整。
[0365]
在图4c所示的变型中，光学选择器30是由非线性光纤控制的反射镜。它包括两个光纤330和335。光纤335例如由非线性材料形成。
[0366]
在第一光子p1到达第一接收器时，第一光子p1进入光纤330。可以选择与光信号f(也称为“控制信号”)同时照射光纤335。
[0367]
信号f是例如由激光器发射的高强度光波，其波长与光子p1的波长不同。
[0368]
如果光纤335被信号f照射，则光子p1例如在光纤出口处通过布置在传播路径d3上的棱镜345之前保留在光纤330中。以与上述类似的方式，反射镜325，特别是布拉格反射镜，可以被放置在传播轴线d3上，以便在期望的方向上反射光子，例如朝向保护装置5反射光子，或者将光子直接反射回光纤330中。
[0369]
如果光纤335没有被信号f照射，则光子p1从光纤330传输到光纤335。光子p1从光纤335出射，并且例如在朝向测量仪器35传输之前通过棱镜340。棱镜340优选地由色散材料组成，该色散材料允许照明光通过不同的位置并且以不同于光子方向的方向出射。仅返回所述照明光并允许光子通过的布拉格反射镜(未示出)可以被放置在光纤335和棱镜340之间，例如，以便在除朝向棱镜340之外的方向上反射所述照明光线，或者甚至将其反射到光纤中。
[0370]
抗反射板(未示出)可以被放置在棱镜340和345的入口和出口处，并且被调整到光子p1的波长。
[0371]
现在将描述产生图1b的系统的偏振修改器32的各种方式。
[0372]
偏振修改器32优选地包括布置在相位修改器32b上游的偏振方向修改器32a。
[0373]
在偏振方向修改的第一示例性实施方式中，偏振方向修改器32a包括波片510的堆叠体，板510特别是四分之一波片，它们彼此取向不同，如图5a所示，使得进入这些四分之一波片之一的圆形波508作为沿着与所述波片相关联的方向线性偏振的波511出射。
[0374]
这些板可以被设计为与波508一起操作，波508以平行于这些波片的边缘521和522的平分线的方向进入这些板。这些波片优选地由单轴双折射晶体组成，例如由金红石组成。这种双折射晶体可以形成这些波片的整个质量，或者可以集中在一个切片上，例如，集中在在波508所通过的边缘523之一上，如图5a所示。
[0375]
这些波片可以彼此并置并形成结构524，如图5b所示，使得出射波511或512具有线性偏振，其电场方向取决于圆形偏振的两个波508或509进入组件524的位置，并且出射波的方向平行于边缘521和522的平分线。
[0376]
因此，进入四分之一波片501的具有确定方向和线性偏振的波505沿着方向507通过它，并在进入晶体502(例如在由电极516产生的电场的作用下晶体502的折射率是可调整的)之前在其中变为圆形偏振，然后优选地进入例如在由电极517产生的电场的作用下折射率也可调整的另一晶体503，电极517产生的电场垂直于电极516产生的电场。
[0377]
圆形偏振波508和509然后从晶体503出射并根据施加在晶体503上的折射率的选择而在不同的位置进入组件524。光线的方向根据这些位置而不同，边缘520和521的方向优选地对于组件524的每个元件510是不同的。
[0378]
因此，在图5b所示的图中，波511和512是光线通过组件524的两种可能性。这些波从组件524出射，沿着不同的方向线性偏振，并且具有相同的传播方向，但是在组件524的边界514上的不同位置。它们进入折射率可通过电极518电调整的另一晶体504，然后优选地进入折射率通过电极519也可调整的另一个晶体505，该电极519产生的电场垂直于电极518产生的电场，电极518的电压根据所选择的晶体502和503的折射率而被调整，使得所有光波从晶体505作为在相同位置515具有相同方向的波513出射。
[0379]
晶体502、503、504和505是例如merck e7液晶，例如，如果每对的电极之间的距离为5mm，则电极在这些晶体的端子处施加0到5000v的电压，使得能够将它们的折射率在1.5和1.67之间改变。电极优选地覆盖有介电膜。由电场修改的这些折射率可以根据光的电场的相对方向和电场的方向而不同，施加连续的垂直电压使得能够修改所述光的两个分量中的每一个分量的折射率，所述光是电场垂直于图5b的波和电场垂直于传播方向并在图平面内的波的叠加。
[0380]
在偏振方向的修改的第二示例性实施方式(未示出)中，沿着确定的方向线性偏振的波进入将其偏振转换为圆形偏振的第一四分之一波片，然后进入第二四分之一波片，该第二四分之一波片将该圆形偏振转换为沿着取决于该第二四分之一波片的取向的可调整方向的线性偏振。该第二四分之一波片的取向例如通过对传感器或使其能够旋转的电调节装置的机械从动而获得，例如通过压电材料或电动机装置(例如用直流操作)设定在运动中的轴上的摩擦而获得。
[0381]
在第三示例中，如图5c所示，使用液晶来控制沿相同偏振方向线性偏振的入射光子526的线性电场的旋转，该入射光子526例如通过优选垂直地通过两个0.2μm的透明电极527中的一个透明电极而开始，该一个透明电极在其一个面528上涂覆有在入射光子526的偏振方向上使与所述面527相邻的液晶粒子529取向的材料，然后入射光子526在通过第二透明电极527之前通过2μm以上的液晶529，该第二透明电极的面528优选地平行于第一电极，并且也涂覆有使得液晶能够在垂直于第一电极的涂层施加的方向的方向上对准的材料。因此，两个电极之间的液晶的方向相对于其初始取向逐渐从0
°
改变为例如60
°
。施加例如0和1v之间的电压逐渐使液晶重新取向，以便在光子的传播方向的轴线上对液晶施加方向，从而逐渐减小液晶在垂直于光子运动的两个偏振之间的折射率差和装置的旋转功率。因此，该装置能够在0
°
和60
°
之间连续选择入射光子的偏振的离开方向。
[0382]
诸如图5b中所示的装置有利地用于类似于上述和图5a中所示装置的装置中，例如放置在板524和504之间，例如4个元件510中的每一个使得能够将入射光子的线性偏振放置在四个精确方向之一上，四个精确方向例如-90
°
、-45
°
、0
°
和+45
°
，然后，将图5b中描述的每个装置放置在后面，其优选地与从其之前的装置510中出射的光子的传播方向对准，使得能够将例如0
°
到45
°
的任何角度的旋转增加到该旋转。
[0383]
图6示出了根据本发明的偏振相位修改器32b。相位修改器32b包括第一双折射板或棱镜310，其被布置为将具有偏振场e的入射光子p1分成在两个不同轴线x1和x2上具有线性偏振e1和e2的两个电磁波。
[0384]
具有可变折射率的延迟板321，例如包括由电极322或非线性材料调节的诸如铌酸锂的普克尔盒，被布置在第二轴线x2上，以使沿第二轴线x2取向的波e2相对于沿第二轴线x1取向的波e1获取预定相移。
[0385]
另一个双折射板310，例如由副黄碲矿组成，被布置在相位修改器32b的出口处，使得能够在同一轴线x上将偏振场e1和e2互相垂直的两个波组合成一个波或光子p1，该波或光子p1的场e’已经相对于场e获取相移。替选地，为了利用根据光的电场方向相对于修改折射率的电场方向不同地修改晶体折射率，可以使用具有电极322但不具有板310的简单的普克尔盒321。
[0386]
第一接收器3的测量仪器35可以是各种类型的并且包括各种元件。这些元件尤其取决于当光子p1由发射器2发射时光子p1的偏振性质。一些示例如图7和图8所示，如下所述。
[0387]
在图7所示的示例中，测量仪器35包括布置在光子p1的传播路径d1上的偏振滤光器350和布置在同一传播路径上的在滤光器350下游的光子检测器355。
[0388]
偏振滤光器350仅允许具有特定线性偏振的光子通过，并吸收偏振与之垂直的光子。因此，能够选择具有特定方向的线性偏振的光子。
[0389]
在所考虑的示例中，偏振滤光器350是由竖直线(例如金属线)形成的格栅。它只允许具有水平线性偏振h的光子通过。
[0390]
在一个变型中，如图8所示，测量仪器35包括各向异性面板360，例如一个双折射板、一个双折射棱镜或两个相互附接的双折射棱镜。例如，该面板由β-硼酸钡(bab2o4、bbo)制成。
[0391]
待测量量子态的光子p1在入射传播路径d1上到达面板360，并在两个传播路径中
的一个d11或d12上传输，例如，这取决于光子p1的偏振是在板360的平面内(也就是说，垂直于图8的平面)还是垂直于板360的平面。
[0392]
测量仪器35还包括两个检测器355，每个检测器355被放置在光子p1的传播路径d11或d12上。
[0393]
在该示例中，与偏振滤光器相反，所有光子都可以被检测器355检测到，而与它们的偏振无关。
[0394]
在一些实施方式中，四分之一波片被放置在各向异性板360的上游，以便将光子的圆形偏振转换为线性偏振，从而检测圆形偏振光子的旋转方向。
[0395]
第二接收器4可以包括各种类型的光学放大器40和测量仪器45。
[0396]
例如，使用如图9所示的掺杂光纤放大器。
[0397]
在该示例中，放大器40包括光纤400，特别是由非线性材料制成的光纤，当第二光子p2到达接收器4时，在通过二向色棱镜401之后将第二光子p2引入到光纤400中。
[0398]
用于提供能量并使光子p2倍增的控制电磁波f通过光纤410被引入到同一二向色棱镜401中，其引入点和方向使得它像光子p2一样从光纤400出射，光子p2和控制波f具有不同的波长。
[0399]
控制波f优选地具有高发光强度，并且优选地具有比光子p2的波长更短的波长。
[0400]
当光子p2通过光纤400时，在光通量f的作用下，光子p2被倍增为n个光子p20，然后这n个光子和光通量f通过第二二向色棱镜402，它们从第二二向色棱镜402以不同的方向出射。然后，n个光子被有利地朝向测量仪器45引导，从而能够确定光通量的偏振，图10a和图10b给出了光通量的偏振的示例性实施方式。
[0401]
由第一接收器传输的信息可以从测量仪器45的测量中推导出来，因为装置40对光子p2的放大保持了其偏振。
[0402]
特别地，如果光子p2是以第一接收器已知的两个互补偏振中的一个偏振吸收的光子p1的纠缠光子，则测量n个倍增后的光子p20，其偏振可以通过使用在校准期间计算的琼斯矩阵从光子p1的吸收偏振推导出来，如上所述。
[0403]
测量仪器45可以包括一系列半反射板452和反射镜453，如图10a所示。板452和反射镜453将形成光通量的倍增后的光子p20朝向棱镜350引导，棱镜350例如由双折射材料制成，优选具有相等强度。滤光器350将光通量分成两个正交偏振的光通量，使得检测器455可以确定所述光通量沿着每个正交方向的强度，或者例如通过迈克尔逊干涉仪或杨氏狭缝干涉仪确定光通量的两个正交分量之间的相移。
[0404]
干涉仪优选地被布置为使得两个正交分量的光路相同，源自单个光子的倍增的光通量非常短。使用多对正交方向，例如彼此偏移45
°
的正交方向，有利地能够多次测量偏振，也就是说，偏振的方向以及两个方向之间的相移，从而允许更高的测量精度。
[0405]
图10b表示这种杨氏狭缝干涉仪的示例。两个波460和463来自棱镜350。波460例如通过棱镜461，棱镜461恢复其传播方向，使得在462处它变得与波463平行。波463例如通过半波片，使得能够将所述波465的电场与波462的电场平行。然后，波462和465在相互干涉之前通过在屏幕466中形成的两个孔，以便在屏幕467上形成条纹，该屏幕467由相机观测或配备有光敏传感器，从而能够确定所述屏幕467上最亮条纹的位置。
[0406]
信息项，特别是二进制类型的信息项，可以在系统1的接收器3和4(如图1b所示的
接收器3和4)之间传输，例如通过遵循图11a和图11b所示的步骤来传输。
[0407]
要传输的信息项之间的对应协议，例如发送比特“0”或比特“1”与第一光子p1的测量或不测量之间的对应协议，在传输开始之前确定。
[0408]
例如，进行以下选择：不测量第一光子p1以传输“0”，测量第一光子p1以传输“1”。当然，相反的选择或任何其他合适的对应关系也是有效的。
[0409]
在步骤10中，两个纠缠光子p1和p2分别从发射器2朝向接收器3和4同时发射，如上所述，接收器3被放置得比接收器4更靠近发射器2。
[0410]
发射的光子p1和p2具有在预定的互补偏振对中的不确定的量子态，例如，如果它们是线性偏振的，则具有45
°
的偏振(互补偏振为0
°
和90
°
)。
[0411]
在步骤11中，光子p1到达接收器3的光学选择器30。
[0412]
如果要传输比特“0”，例如，光子p1被图11a所示示例中的垂直路径(尽管可能有任何其他路径)上的光学选择器反射，从而无法到达测量仪器35。特别地，至少只要第二光子p2还没有到达第二接收器4，光子p1可以在步骤12中被捕获在用于保护其量子态的装置5中，以便避免其吸收。
[0413]
例如，光子p1将其偏振保持在45
°
。
[0414]
如果要传输比特“1”，则光子p1例如通过光学选择器30，以便朝向测量仪器35被引导，如图11b所示。
[0415]
然后在步骤13中通过测量仪器35测量光子p1的量子态。
[0416]
光子p1现在具有确定的量子态，例如垂直偏振(90
°
)或水平偏振(0
°
)。在步骤13中进行的测量瞬时将纠缠光子p2投射到确定的状态。
[0417]
在步骤15中，无论要传输的信息项是什么，光子p2都到达第二接收器4的光学放大器40，在那里它被复制以形成倍增后的光子p20的通量，每个光子p20都保持了光子p2的偏振。
[0418]
在步骤16中，通过测量仪器45测量光子p20的通量的偏振。
[0419]
如果平均获得中间结果，例如45
°
的偏振，则由此推断出第一光子p1尚未被测量，并且接收到比特“0”。
[0420]
如果获得了与第一接收器3中的测量相对应的量子态，例如竖直(90
°
)或水平(0
°
)偏振，则由此推断出第一光子p1已经被测量，并且接收到比特“1”。
[0421]
此外，可以在系统1的接收器3和4(如图1a所示的接收器3和4)之间传输一系列离散值，例如，通过遵循图12中所示的步骤来传输。
[0422]
在步骤10中，两个纠缠光子p1和p2例如以线性偏振同时从发射器2分别朝向接收器3和4发射。
[0423]
在步骤17中，光子p1到达偏振修改器32，偏振修改器32将光子p1的线性偏振转换为选择的互补偏振对，该对是根据琼斯形式选择的，并且对应于要传输的离散值。
[0424]
在步骤13中，光子p1以所选择的对的两个互补状态之一被仪器35吸收，从而将纠缠光子p2投射到其互补状态。
[0425]
随后的步骤15和17与上述步骤类似；通过放大然后吸收来测量光子p2的偏振，并推导出传输的离散值。
[0426]
本发明不限于光子的线性偏振的测量。可以测量其他类型的量子态和/或可以使
用其他测量手段，特别是以其他可观测基的测量。
[0427]
光子p1和p2例如以圆形纠缠偏振发射，并且通过测量线性偏振，测量仪器35将纠缠的光子p1和光子p2投射到线性偏振基中。
[0428]
作为一个变型，光子p1和p2以线性纠缠偏振发射，并且通过测量圆形偏振，测量仪器35根据该可观测基投射纠缠的光子p1和光子p2。
[0429]
在另一个示例中，光子p1和p2以垂直或水平纠缠线性偏振发射，并且测量仪器35测量与竖直或水平成45
°
或-45
°
的线性偏振。
[0430]
在一个变型中，接收器3包括两个测量仪器35，一个测量线性偏振，另一个测量圆形偏振。例如，如果要传输比特“1”，则光学选择器将光子p1朝向第一测量仪器发送，如果要传输比特“2”，则将光子p1朝向第二测量仪器发送，并且如果要测量比特“0”，则防止对光子p1进行测量。
[0431]
在上面的每个示例中，第二接收器4的测量仪器45可以被配置为检测第一光子p1是否已经被测量，并且如果是的情况下，在第一接收器处测量到哪种偏振。
[0432]
此外，在发射器2以及接收器3和4处可以使用陀螺仪，以便确定光子p1和p2的偏振方向，如果它们以线性偏振发射并朝向接收器传输的话。
[0433]
如上所述，接收器3和4以及装置5可以设置有用于在光子吸收期间以及可选地在它们等待吸收其纠缠光子之后对光子进行计数的装置，这可以伴随着它们的到达而加时间戳，如图13所示。例如，这能够控制纠缠光子对和传输的比特之间的对应关系。
[0434]
例如，每个光子通过在步骤80中到达接收器，特别是通过到达测量仪器35或5d之一来触发加时间戳的过程。在该触发事件之后，在步骤82中，接收器3复制例如所述接收器的时钟上的当前时间h，例如写入空闲存储器寄存器m上的寄存器r中，这优选地在已经从到达5d检测器的时间减去光子在等待装置5中的行进时间之后进行。
[0435]
类似的装置(未示出)可以被布置在第二接收器4处。
[0436]
优选地，使刚才描述的加时间戳成为可能的时钟对于两个接收器3和4是同步的，这可选地使得能够定义两个接收器共用的光子处理时间间隔，并且能够处理由发射器2发射的“多个”双光子对。
[0437]
此外，第二接收器4可以包括开关50，开关50放置在光学放大器40的前面，并且被配置为吸收或反射在相同处理时间间隔内在光子p2之后到达接收器4的可能的一个或多个不期望的光子pe2，如图14所示。
[0438]
开关50还可以在信号的放大期间或者在放大器介质的分子或原子的弛豫期间吸收由放大器40朝向发射器2发射的可能的光子pa2。
[0439]
开关50例如由电子机构(未示出)调节，当多个测量仪器45或其中一个测量仪器检测光子时，电子机构本身由测量仪器45控制。
[0440]
在一些实施方式中，根据本发明的系统可以包括相对于接收器不同地布置的多个发射器，特别是以便建立双向通信。
[0441]
在图15所示的示例中，系统1包括两个发射器21和22，每个发射器朝向两个接收器91和92发射纠缠光子对。
[0442]
与接收器92相比，发射器21更靠近接收器91，并且与接收器91相比，发射器22更靠近接收器92。这种布置使得接收器91和92能够双向通信；由发射器21发射的光子p11首先到
达接收器91，接收器91然后可以充当第一接收器3，也就是说，它可以向接收器92传输信息项，接收器92接收其纠缠光子p12并充当第二接收器4。
[0443]
相反，由发射器22发射的光子p21首先到达接收器92，这一次使得接收器92能够向接收器91发送信息项，接收器91接收纠缠光子p22。例如，传输信息，特别是二进制信息的机制类似于上面参考图11和图12描述的机制。
[0444]
反射装置93和94可以分别布置在接收器91和92附近，以便反射可能由接收器91和92反射的光子。
[0445]
参考图16，现在将描述本发明的实施方式的变型，该变型旨在验证发射器2发送的信息没有被窃听，并且在适当的情况下基于已知未被窃听的信息的传输生成用于接收器3和4之间的信息交换的共享密钥。
[0446]
通过在进入接收器4之前添加至少一个偏振滤光器46，对图16的系统进行了修改，该滤光器的偏振方向对应于从发射器行进到接收器4的光子的预期偏振方向。因此偏振滤光器46被放置在由接收器3向接收器4发送信息所引发的光子偏振变化的上游。
[0447]
滤光器46防止欺骗接收器代替真实接收器4，防止在所述光子倍增之后观测纠缠光子的精确偏振，然后防止向真实接收器4发送欺骗光子而不是真实光子，接收器4必然会观测到欺骗光子具有与真实光子相同的相对偏振，因为一方面，如果所述光子没有与另一个光子纠缠，则其偏振在通过滤光器46之后不会改变，因此其将具有滤光器46施加的偏振，而不是真实光子的偏振，另一方面，如果欺骗光子与称为第二欺骗光子的另一个光子纠缠，如果其纠缠光子的相对偏振通过第三件设备被证实不充分的话，则不可能设置这些欺骗光子的相对偏振，也不可能在所述欺骗光子通过滤光器46之后破坏或停止所述欺骗光子。
[0448]
因此，如果接收器3和4观测到的一组纠缠光子的相对偏振仍然不同，那么在其他地方观测到这些纠缠光子的全部或部分光子是极不可能的。
[0449]
通过应用以下方法，可以在统计上验证用于传输到达两个接收器3和4中的每一个的信息项的光子的量子态的相等性，并由此推断观测到一些光子的概率较低：
[0450]
在接收器3和4中的每一个接收光子时，接收器通过使用光子检测器而不仅仅是它们所属的互补偏振对来记录接收时间和光子的精确偏振。然而，优选地，不记录彼此太近而不能独立测量其偏振或其到达时间的所检测到的光子的时间和偏振，并且两个接收器3和4优选地具有同步时钟。
[0451]
在已经接收到确定数量的承载信息i的光子之后，第二接收器4生成包含每个光子的精确检测时间和偏振的消息，所述光子的这些属性被记录并且被认为是在传输信息，并且因此属于具有给定偏振或实际上是该偏振的互补偏振的nsp个或更多光子的组；nsp在上面被定义为以给定偏振或其互补偏振接收的光子的预定阈值数量，从而允许识别信息的接收。
[0452]
该消息由接收器4签名，优选地使用专利申请us 20210165914 a1中描述的随机散列技术签名，然后与所述签名一起发送到接收器3，优选地采用如上所述的量子传输装置来发送，然后验证所接收消息的签名，对于两个光子都到达接收器的光子对，两个接收器接收的光子的相对偏振的对应关系也进行验证。如果签名的验证指示该信息i是真实的并且如果不对应的偏振的比例低于给定阈值(例如如果使用450个不同的偏振对则为1％，或者是两对不同的纠缠光子在接收器不可分辨的时间发射的概率的倍数，例如2)，则该信息i可以
被声明为在两个接收器之间传输期间没有被窃听。
[0453]
此外，被认为是在传输信息i的光子的偏振对中的每一对的一个相对偏振，如果该相对偏振被验证为对于到达每个接收器的每个光子是不同的，则可以被用于形成比特序列，该比特序列形成仅为每个接收器所知的随机生成密钥；验证了相对偏振的伴随性的接收器3将向另一个接收器4发送签名消息，该签名消息优选地使用随机散列技术进行签名，并且该签名消息由相对偏振不对应的光子的接收日期的列表或者其纠缠光子从未被接收器3接收到的光子的接收日期的列表形成。
[0454]
因此，在一个示例中，实施以下步骤。
[0455]
步骤1
[0456]
接收器4从发射器2接收传达信息的光子通量，并建立用于定义该信息的光子的接收日期的第一列表、以及指定接收光子的两个互补偏振中的偏振的相对偏振。
[0457]
步骤2
[0458]
接收器4形成由在前一步骤中收集的信息的列表组成的消息，创建该列表的电子签名，并将所述列表和签名发送到接收器3。
[0459]
步骤3
[0460]
接收器3接收该列表和签名，然后验证所述签名。
[0461]
步骤4
[0462]
接收器3制作由第一列表的元素组成的第二列表，对于第二列表，接收器3和4接收到的光子的相对偏振相同，或者纠缠光子从未到达接收器3，所述接收器3在寄存器中存储了用于传输信息的每个光子的相对偏振及其接收日期。知道纠缠光子在发射器2与两个接收器3和4中的每一个之间的路径上行进所花费的时间的差，即路径时间的差，接收器3可以针对第一列表的每个光子，确定在接收器4接收光子的日期减去路径时间接收到的光子的相对偏振。该第二列表优选地由两个单独的部分组成，这两个部分中的第一部分包含其纠缠光子从未到达第一接收器3的光子，并且这两个部分中的第二部分包含其两个纠缠光子都到达其各自的接收器但具有相等的相对偏振的光子。
[0463]
步骤5
[0464]
如果第二列表中被限制为纠缠光子对(其两个光子中的每一个到达其各自的接收器)的元素的数量低于预定比率乘以被限制为缠绕光子对(其两个光子中的每一个到达其各自的接收器)的第一列表中的元素的计数的乘积，则该信息被声明为已经被传输而没有被窃听。
[0465]
步骤6
[0466]
如果信息被声明为已被传输而未被窃听，则第二列表由接收器3签名并发送到接收器4，然后由接收器4创建第三列表，该第三列表由在第一列表中出现但在第二列表中没有出现的光子、即观测到相对偏振不同的光子的相对偏振组成。
[0467]
在相反的情况下，即，如果上述乘积高于所述阈值，则指示传输可能被窃听的消息由接收器3发送到接收器4。
[0468]
步骤7
[0469]
在接收器4接收到第二列表并且在验证签名之后，使用第一列表和第二列表在接收器4中重新创建第三列表，然后由接收器4向接收器3发送确认成功接收第二列表的签名
消息。
[0470]
步骤8
[0471]
接收器4可以使用第三列表作为与接收器3的共享密钥，并且在接收器3接收到在步骤7中发送的消息时，接收器3可以使用第三表作为与接收器4的共享密钥。

技术特征：
1.一种量子通信系统(1)，包括：
·
纠缠光子的发射器(2)，所述发射器包括被配置为生成至少一对纠缠光子的源，所述至少一对纠缠光子包括在第一传播路径(d1)上发射的第一光子(p1)和同时在不同于所述第一传播路径的第二传播路径(d2)上发射的第二光子(p2)；
·
第一接收器(3)，所述第一接收器布置在所述第一传播路径(d1)上，并且包括复合吸收器(31)，所述复合吸收器被配置为吸收处于从至少两个不同的互补偏振态对中的状态中选择的偏振态的光子，除了正好两个垂直的线性偏振对之外，在所述正好两个垂直的线性偏振对中，一个对的偏振与另一个对的偏振方向成45
°
；
·
第二接收器(4)，所述第二接收器布置在所述第二传播路径(d2)上，以便在所述第一光子(p1)到达所述第一接收器(3)之后由所述第二光子(p2)到达所述第二接收器，所述第二接收器(4)包括：-光学放大器(40)，所述光学放大器用于在保持所述第二光子(p2)的偏振的同时使所述第二光子(p2)倍增，以及-布置在所述放大器下游的测量仪器(45)，所述测量仪器用于测量倍增后的光子(p20)的平均偏振。2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述复合吸收器(31)被配置为吸收处于预定偏振态的光子，所述预定偏振态是从至少三个不同互补偏振对的状态中选择的。3.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述复合吸收器(31)包括：-至少一个仪器(35)，所述至少一个仪器用于吸收处于两个互补偏振态中的一者或另一者的光子，-偏振修改器(32)，所述偏振修改器布置在所述仪器(35)的上游并且被配置为将所述第一光子(p1)的偏振转换为所选择的偏振，所述仪器(35)吸收沿着所选择的偏振的光子。4.根据前一项权利要求所述的系统，其中，所述偏振修改器(32)包括布置在偏振相位修改器(32b)上游的偏振方向修改器(32a)。5.根据前一项权利要求所述的系统，其中，所述偏振方向修改器(32a)包括在所述第一光子(p1)的传播路径上一个接一个地布置的两个四分之一波片(310)，这两个四分之一波片中的至少一个的取向是可变的。6.根据权利要求4所述的系统，其中，所述偏振方向修改器(32a)包括由手性材料或旋转材料(316)制成的板或棱镜，所述板或棱镜引起偏振旋转一角度，所述角度取决于波进入所述手性材料或旋转材料的位置，特别地，所述材料布置在两个普克尔盒之间。7.根据权利要求4所述的系统，其中，所述偏振相位修改器(32b)包括第一双折射板或棱镜，所述第一双折射板或棱镜将光束分成具有线性偏振的两个电磁波，一个电磁波沿着第一轴线，另一个电磁波沿着第二轴线，并且具有可变折射率的延迟板被布置在所述第二轴线上。8.根据权利要求3所述的系统，其中，所述至少一个仪器(35)包括至少一个滤光器(350；360)，所述至少一个滤光器用于根据所述第一光子的偏振态将所述第一光子发送到至少一个光子检测器(355)，特别是发送到两个光子检测器(355)中的一个或另一个，所述滤光器优选地是由双折射材料制成的棱镜或板。9.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述第二接收器(4)的测量仪器(45)
包括至少一个光子检测器(455)，所述至少一个光子检测器被布置为测量源自所述第二光子(p2)的倍增的光(p20)的偏振。10.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述第二接收器(4)的测量仪器(45)包括布置在所述光学放大器(40)下游的一系列半反射板，所述板以相等的强度朝向偏振测量仪器引导倍增后的光子(p20)的通量，所述偏振测量仪器被布置为测量沿着两个垂直轴线的通量(p20)的强度和光在这两个轴线之间的相移。11.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述光学放大器(40)是掺杂光纤放大器。12.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述发射器(2)被配置为连续地生成多个纠缠光子对。13.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述发射器(2)和每个所述接收器(3；4)包括时钟，所述发射器和所述接收器的时钟彼此同步。14.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述第二接收器(4)包括布置在所述光学放大器(40)前面的开关(50)，所述开关被配置为在预定时间间隔内吸收或反射到达所述第二接收器的第一光子之后的一个或多个光子。15.根据前述权利要求中任一项所述的系统，包括能够生成一个或多个纠缠光子对的第二发射器(22)，所述第二发射器距离所述第二接收器(92)比距离所述第一接收器(91)更近。16.一种使用根据权利要求1至15中任一项所述的系统的量子通信方法，包括：-从发射器(2)生成纠缠光子对，所述对中的第一光子(p1)朝向第一接收器(3)发射，同时所述对中的第二光子(p2)朝向第二接收器(4)发射，所述第一光子和所述第二光子纠缠，所述第二接收器(4)比所述第一接收器(3)更远离所述发射器(2)位于所述第二光子(p2)的传播路径(d2)上，使得所述第二光子更晚到达所述第二接收器，-通过使用偏振修改器(32)，将所述第一光子(p1)到达所述第一接收器(3)时的偏振态修改为取决于要传输的信息的偏振态，该偏振态是从至少两个不同的互补吸收偏振对中选择的，除了正好两对垂直线性偏振之外，在所述正好两对垂直线性偏振中，一对的偏振方向与另一对的偏振方向成45
°
，-通过使用吸收仪器(35)吸收处于所选择的对的两个互补偏振之一的所述第一光子(p1)，-在所述第二接收器(4)处，通过使用放大装置(40)复制所述第二光子(p2)以形成倍增后的光子(p20)的通量，所产生的光(p20)保持了所述第二光子(p2)的偏振态，-测量所述光通量(p20)的平均偏振态，并根据该测量确定所述第一光子(p1)的偏振态，以便从中推导出由所述第一接收器(3)传输的信息。17.根据前一项权利要求所述的方法，其中，所述吸收偏振对从至少三个不同的吸收偏振对中选择。18.根据权利要求16或17所述的方法，其中，所述吸收偏振对从至少210个不同的吸收偏振对中选择，特别是从在偏振方向上间隔开9
°
并且相移间隔开9
°
的偏振中选择。19.根据权利要求16至18中任一项所述的方法，其中，所述发射器(2)连续生成多个纠缠光子对，每个光子对使得能够将信息项从所述第一接收器(3)传输到所述第二接收器
(4)。20.根据权利要求16至19中任一项所述的方法，其中，通过实施以下步骤，验证由从所述发射器(2)到所述第二接收器(4)的光子通量传输的信息项没有被窃听：-所述第二接收器(4)建立传达所述信息项的光子的接收日期的第一列表，以及指定接收每个光子的两个互补偏振中的偏振的相对偏振；-所述第二接收器(4)生成包含在前一步骤中收集的所述列表的消息，创建所述列表的电子签名，并将所述列表和所述签名发送给所述接收器(3)；-所述第一接收器(3)接收所述列表和所述签名，然后验证所述签名；-所述第一接收器(3)制作由所述第一列表的元素组成的第二列表，对于所述第二列表，所述第一接收器(3)和所述第二接收器(4)接收到的光子的相对偏振相等，或者实际上所述纠缠光子从未到达所述第一接收器(3)，两个纠缠光子具有不同的相对偏振；-如果所述第二列表中被限制为两个光子中的每一个到达其各自的接收器的纠缠光子对的元素的数量低于预定比率乘以所述第一列表中被限制为两个光子中的每一个到达其各自的接收器的纠缠光子对的元素的计数的乘积，则该信息项被声明为已经被传输而没有被窃听。21.根据权利要求20所述的方法，其中：-如果所述信息项被声明为已被传输而未被窃听，则所述第二列表由所述第一接收器(3)签名并发送到所述第二接收器(4)，然后由所述第一接收器(3)创建第三列表，所述第三列表由在所述第一列表中出现但在所述第二列表中未出现的光子的相对偏振组成，-在所述第二接收器(4)接收到所述第二列表并且在验证所述签名之后，使用所述第一列表和所述第二列表在所述第二接收器(4)中重新创建所述第三列表，然后由所述第二接收器(4)向所述第一接收器(3)发送确认成功接收所述第二列表的签名消息；以及-所述第二接收器(4)使用所述第三列表作为与所述第一接收器(3)的共享密钥，并且，在所述第一接收器(3)接收到由前一步骤中的所述第二接收器传输的消息时，所述第一接收器(3)使用所述第三列表作为与所述第二接收器(4)的交换的共享密钥。22.根据权利要求20和21中任一项所述的方法，其中，偏振滤光器(46)被放置在所述第二接收器(4)的上游。23.一种用于校准如权利要求1至15中任一项所述的系统的方法，用于根据到达所述第二接收器的光子的纠缠光子被所述第一接收器吸收的偏振态，确定到达所述第二接收器的所述光子的偏振态，所述方法包括：-从发射器(2)生成纠缠光子对，所述对中的第一光子(p1)朝向第一接收器(3)发射，同时所述对中的第二光子(p2)朝向第二接收器(4)发射，所述第一光子和所述第二光子就它们的偏振态而言是纠缠的，-在所述第一接收器处吸收处于预定的偏振对的所述第一光子，存储两个可能的偏振中的已经被吸收的每个光子所处的一个偏振，以及一旦已经观测到预定数量的不同偏振中的每个偏振，就停止由所述发射器发送光子，-在所述第二接收器(4)处，通过使用放大装置(40)复制所述第二光子(p2)以形成倍增后的光子(p20)的通量，每个倍增后的光子(p20)都保持了所述第二光子(p2)的偏振态，-测量偏振态，也就是说，测量每个倍增后的光子的通量的偏振方向和相移，并存储这
些测量值及其接收时间，-将所述光子的所存储的偏振和接收时间的列表从所述第一接收器传输到所述第二接收器，-从在所述第二接收器处接收的光子的列表中删除与在所述第一接收器处接收的光子不对应的光子，并且类似地，从在所述第一检测器处接收的光子的列表中删除其对应光子未在所述第二接收器处被接收到的光子，以及-一方面，借助于在所述第一接收器处以互补偏振检测到并且其纠缠光子已经到达所述第二接收器的两个光子的偏振态的知识，另一方面，借助于在所述第二接收器处接收到的对应纠缠光子的偏振态的知识，来计算琼斯矩阵，使得能够从在所述第一接收器处接收的光子的偏振推断出在所述第二接收器处接收的光子的偏振。24.一种用于校准如权利要求1至15中任一项所述的系统的方法，用于确定光子(p1)在从所述发射器行进到所述第一接收器期间损失的概率，所述方法包括：-配置所述第一接收器的所述复合吸收器(31)，以吸收在所述第一接收器(3)处接收的处于一对吸收偏振的两个互补偏振中的一个偏振的光子，-从发射器(2)连续生成多个纠缠光子对，所述对中的第一光子(p1)朝向第一接收器(3)发射，同时所述对中的第二光子(p2)朝向第二接收器(4)发射，所述第一光子和所述第二光子就它们的偏振态而言是纠缠的，以及-对在所述第二接收器处接收的处于所述第二接收器可检测的偏振范围中的每一个偏振范围的光子的数量进行计数，所述偏振范围不同于由所述第一检测器吸收的光子的纠缠光子的两个偏振范围之一。25.一种用于校准如权利要求1至15中任一项所述的系统的方法，用于确定两个琼斯矩阵，其中一个琼斯矩阵使得能够根据在所述第一接收器处吸收的光子的偏振计算到达所述第二接收器的光子的偏振，其中，优选地，在所述第二接收器处可观测到的不同偏振的量是所述发射器与所述第一接收器之间光子传输比的倒数的两倍以上，所述方法包括：-配置所述第一接收器的所述复合吸收器，以吸收在所述第一接收器处接收的处于一对吸收偏振的两个互补偏振中的一个偏振的光子，-从发射器(2)连续生成多个纠缠光子对，所述对中的第一光子(p1)朝向第一接收器(3)发射，同时所述对中的第二光子(p2)朝向第二接收器(4)发射，所述第一光子和所述第二光子就它们的偏振态而言是纠缠的，-对于在所述第二接收器处接收光子的每个偏振，对已经以该相同偏振到达所述第二接收器的光子的数量进行计数，-当在所述第二接收器处已经接收到预定数量的光子时，停止发送光子，-确定在所述第二接收器处最多接收的光子所处的两个偏振，这些偏振被认为是与在所述第一接收器处的光子的吸收偏振相对应的偏振，-计算变换偏振的两个可能的琼斯矩阵，使得能够从在所述第一接收器处接收的光子的偏振推断出在所述第二接收器处接收的光子的偏振。

技术总结
本发明涉及一种实现量子通信的系统(1)，包括：


技术研发人员：布鲁诺
受保护的技术使用者：布鲁诺
技术研发日：2022.07.15
技术公布日：2023/8/14