本发明属于量子信息，特别涉及一种集成高维量子密钥分发系统及其路径-偏振编解码方法。
背景技术：
1、量子密钥分发(quantum key distribution,qkd)基于量子力学基本原理和“一次一密”加密技术，在理论上可以实现保密通信的信息理论安全性。目前，随着安全通信需求的不断增长，传统的二维qkd在信息容量上存在限制，难以满足大数据时代对高速、大容量通信的需求。为了实现更高的信息效率，高维量子密钥分发(high-dimensional qkd，hd-qkd)技术得以发展。hd-qkd使用高维量子态进行编码，可以提高密钥分发的速率和安全性。与传统的量子密钥分发相比，高维量子密钥分发具有更高的传输速率和更强的抗噪声能力。
2、传统的光纤传输存在着损耗、串扰等问题，限制了密钥分发的距离和效率。而多芯光纤技术通过内部多个纤芯的传输，极大的增加了传输速度并可以容纳更丰富的数据信息，同时可以解决单模光纤传输所面临的传输距离受限等问题。将多芯光纤技术与高维量子密钥分发技术结合，有助于提高qkd系统的传输容量与效率，获得更优越的性能。
3、此外，为了提高qkd系统的稳定性和可扩展性，集成光子学与qkd的结合逐渐成为研究热点。集成量子芯片将量子器件、光路等集成在同一芯片上，具有尺寸小、低功耗、重量轻、高稳定性、低成本等优势，有利于推动qkd的实用化进程和大规模部署。
4、公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
技术实现思路
1、根据现有技术的不足，本发明提供了一种集成高维量子密钥分发系统及其路径-偏振编解码方法，可以实现量子比特的高利用率，本系统结构通过将多个功能模块集成在一块芯片上，实现高度集成化的高维量子密钥分发系统，利用两路纤芯即可完成四维量子态的传输，提供了高信息效率、低成本、高安全性、高鲁棒性的完整集成qkd系统。
2、具体而言，本发明涉及一种基于路径-偏振编码的集成高维量子密钥分发系统，其特征在于：包括发送端芯片、多芯光纤信道、接收端芯片、单光子探测器；
3、所述发送端芯片包括依次连接的脉冲激光源模块、诱骗态调制模块、路径编码模块、光衰减模块、偏振编码模块；其中，所述脉冲激光源模块用于产生相位随机的激光脉冲，所述诱骗态调制模块用于将脉冲光调制为不同强度，所述路径编码模块用于将脉冲光编码为路径编码量子态，所述光衰减模块用于将光脉冲强度衰减至单光子水平同时平衡输出的两条路径的插入损耗，所述偏振编码模块用于对量子态的偏振进行编码；完成路径和偏振编码的量子态经多芯光纤信道传输到接收端芯片；
4、所述接收端芯片包括依次连接的两组偏振旋转分束器、四组光衰减器、四组分束器、偏振解码模块、路径解码模块；其中，所述偏振解码模块用于解码量子态的偏振信息，所述路径解码模块用于解码量子态的路径信息，完成偏振和路径解码的量子态在单光子探测器进行测量。
5、进一步地，所述路径编码模块具有路径编码模块一、路径编码模块二这两种可选的结构；
6、所述路径编码模块一包括第五分束和第六分束器；所述第五分束器与所述第六分束器之间设有两条光波导，在第一和第二条光波导上设有第六相位调制器和第七相位调制器；所述第五分束器的输入端与诱骗态调制模块连接；所述第六分束器的输出端通过两条光波导与光衰减模块连接，在第一和第二条光波导上设有第八相位调制器和第九相位调制器；
7、所述路径编码模块二包括第七分束器；所述第七分束器的输入端与诱骗态调制模块连接；所述第七分束器的输出端通过两条波导与光衰减模块连接，在第一和第二条光波导上设有第十相位调制器和第十一相位调制器。
8、进一步地，所述光衰减模块包括第一可变光衰减器和第二可变光衰减器；所述第一可变光衰减器与路径编码模块输出的上支路波导连接；所述第二可变光衰减器与路径编码模块输出的下支路波导连接。
9、进一步地，所述偏振编码模块包括偏振编码光路一和偏振编码光路二；所述偏振编码光路一的输入端与第一可变光衰减器连接，输出端与第一芯片-光纤耦合器连接；所述偏振编码光路二的输入端与第二可变光衰减器连接，输出端与第二芯片-光纤耦合器连接；
10、所述偏振编码光路一包括第八分束器、第九分束器和第一2维光栅耦合器；在所述第八分束器和第九分束器之间设有两条波导，在第一和第二条波导上设有第十二相位调制器和第十三相位调制器；在所述第九分束器和第一2维光栅耦合器之间设有两条波导，在第一和第二条波导上设有第十四相位调制器和第十五相位调制器；
11、所述偏振编码光路二包括第十分束器、第十一分束器和第二2维光栅耦合器；在所述第十分束器和第十一分束器之间设有两条波导，在第一和第二条波导上设有第十六相位调制器和第十七相位调制器；在所述第十一分束器和第二2维光栅耦合器之间设有两条波导，在第一和第二条波导上设有第十八相位调制器和第十九相位调制器。
12、进一步地，所述偏振解码模块包括偏振解码光路一、偏振解码光路二、偏振解码光路三和偏振解码光路四；
13、所述偏振解码光路一包括第十六分束器和第十七分束器；所述第十六分束器与所述第十七分束器之间设有两条波导，在第一条波导上设有第六相位补偿器；所述第十六分束器输入端有上下两条波导支路，第十六分束器输入端上支路与第十二分束器输出端上支路通过第五相位补偿器连接，第十六分束器输入端下支路与第十三分束器输出端上支路连接；
14、所述偏振解码光路二包括第十八分束器和第十九分束器；所述第十八分束器与所述第十九分束器之间设有两条波导，在第一条波导上设有第八相位补偿器；所述第十八分束器输入端有上下两条波导支路，第十八分束器输入端上支路与第十二分束器输出端下支路连接，第十八分束器输入端下支路与第十三分束器输出端下支路通过第七相位补偿器连接；
15、所述偏振解码光路三包括第二十分束器和第二十一分束器；所述第二十分束器与所述第二十一分束器之间设有两条波导，在第一条波导上设有第十相位补偿器；所述第二十分束器输入端有上下两条波导支路，第二十分束器输入端上支路与第十四分束器输出端上支路通过第九相位补偿器连接，第二十分束器输入端下支路与第十五分束器输出端上支路连接；
16、所述偏振解码光路四包括第二十二分束器和第二十三分束器；所述第二十二分束器与所述第二十三分束器之间设有两条波导，在第一条波导上设有第十二相位补偿器；所述第二十二分束器输入端有上下两条波导支路，第二十二分束器输入端上支路与第十四分束器输出端下支路连接，第二十二分束器输入端下支路与第十五分束器输出端下支路通过第十一相位补偿器连接。
17、进一步地，所述路径解码模块具有路径解码模块一、路径解码模块二这两种可选的结构；
18、所述路径解码模块一包括路径解码光路一、路径解码光路二、路径解码光路三和路径解码光路四；
19、所述路径解码光路一由两条波导组成，上支路波导将第十七分束器输出端上支路与第三芯片-光纤耦合器连接，下支路波导将第十七分束器输出端下支路与第四芯片-光纤耦合器连接；
20、所述路径解码光路二由第十三相位补偿器和第二十四分束器组成；所述第二十四分束器输入端有上下两条波导支路，第二十四分束器输入端上支路与第十九分束器输出端上支路通过所述第十三相位补偿器连接，第二十四分束器输入端下支路与第二十一分束器输出端上支路连接；所述第二十四分束器输出端的上支路波导与第五芯片-光纤耦合器连接、下支路波导与第六芯片-光纤耦合器连接；
21、所述路径解码光路三由第十四相位补偿器和第二十五分束器组成；所述第二十五分束器输入端有上下两条波导支路，第二十五分束器输入端下支路与第二十一分束器输出端下支路通过所述第十四相位补偿器连接，第二十五分束器输入端上支路与第十九分束器输出端下支路连接；所述第二十五分束器输出端的上支路波导与第七芯片-光纤耦合器连接、下支路波导与第八芯片-光纤耦合器连接；
22、所述路径解码光路四由两条波导组成，上支路波导将第二十三分束器输出端上支路与第九芯片-光纤耦合器连接，下支路波导将第二十三分束器输出端下支路与第十芯片-光纤耦合器连接；
23、所述路径解码模块二包括路径解码光路五、路径解码光路六、路径解码光路七和路径解码光路八；
24、所述路径解码光路五由第十五相位补偿器和第二十六分束器组成；所述第二十六分束器输入端有上下两条波导支路，第二十六分束器输入端上支路与第十七分束器输出端上支路通过所述第十五相位补偿器连接，第二十六分束器输入端下支路与第二十一分束器输出端上支路连接；所述第二十六分束器输出端的上支路波导与第三芯片-光纤耦合器连接、下支路波导与第四芯片-光纤耦合器连接；
25、所述路径解码光路六由第十六相位补偿器和第二十七分束器组成；所述第二十七分束器输入端有上下两条波导支路，第二十七分束器输入端上支路与第十九分束器输出端上支路通过所述第十六相位补偿器连接，第二十七分束器输入端下支路与第二十三分束器输出端上支路连接；所述第二十七分束器输出端的上支路波导与第五芯片-光纤耦合器连接、下支路波导与第六芯片-光纤耦合器连接；
26、所述路径解码光路七由第十七相位补偿器和第二十八分束器组成；所述第二十八分束器输入端有上下两条波导支路，第二十八分束器输入端下支路与第二十一分束器输出端下支路通过所述第十七相位补偿器连接，第二十八分束器输入端上支路与第十七分束器输出端下支路连接；所述第二十八分束器输出端的上支路波导与第七芯片-光纤耦合器连接、下支路波导与第八芯片-光纤耦合器连接；
27、所述路径解码光路八由第十八相位补偿器和第二十九分束器组成；所述第二十九分束器输入端有上下两条波导支路，第二十九分束器输入端下支路与第二十三分束器输出端下支路通过所述第十八相位补偿器连接，第二十九分束器输入端上支路与第十九分束器输出端下支路连接；所述第二十九分束器输出端的上支路波导与第九芯片-光纤耦合器连接、下支路波导与第十芯片-光纤耦合器连接。
28、优选地，所述相位补偿器为热调谐型相移器，所述相位调制器为载流子耗尽型相移器。
29、更进一步地，当所述路径编码模块的结构为路径编码模块一时，所述路径解码模块的结构为路径解码模块一；当路径编码模块的结构为路径编码模块二时，所述路径解码模块的结构为路径解码模块二。
30、本发明的有益技术效果：
31、(1)本发明的系统采用hd-qkd方案，单个量子态可携带更多的信息量，可以实现更高的信息效率，降低探测器恢复时间的影响；
32、(2)本发明采用的空分复用技术为多芯光纤方案，基于多芯光纤的高维qkd具有更高的传输速率和更强的抗噪声能力，允许较低信噪比的接收信号；
33、(3)本发明采用偏振-路径的编码方案，在两个自由度上产生四维量子态，利用两根纤芯即可完成四维量子态的传输；
34、(4)根据路径编码与偏振编码基矢的不同组合，可以实现多种不同的编码方案，以适应不同的工艺条件和应用场景。
1.一种基于路径-偏振编码的集成高维量子密钥分发系统，其特征在于：包括发送端芯片、多芯光纤信道、接收端芯片、单光子探测器；
2.根据权利要求1所述的一种基于路径-偏振编码的集成高维量子密钥分发系统，其特征在于：所述路径编码模块具有路径编码模块一、路径编码模块二这两种可选的结构；
3.根据权利要求1所述的一种基于路径-偏振编码的集成高维量子密钥分发系统，其特征在于：所述光衰减模块包括第一可变光衰减器和第二可变光衰减器；所述第一可变光衰减器与路径编码模块输出的上支路波导连接；所述第二可变光衰减器与路径编码模块输出的下支路波导连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于路径-偏振编码的集成高维量子密钥分发系统，其特征在于：所述偏振编码模块包括偏振编码光路一和偏振编码光路二；所述偏振编码光路一的输入端与第一可变光衰减器连接，输出端与第一芯片-光纤耦合器连接；所述偏振编码光路二的输入端与第二可变光衰减器连接，输出端与第二芯片-光纤耦合器连接；
5.根据权利要求1所述的一种基于路径-偏振编码的集成高维量子密钥分发系统，其特征在于：所述偏振解码模块包括偏振解码光路一、偏振解码光路二、偏振解码光路三和偏振解码光路四；
6.根据权利要求1所述的一种基于路径-偏振编码的集成高维量子密钥分发系统，其特征在于：所述路径解码模块具有路径解码模块一、路径解码模块二这两种可选的结构；
7.根据权利要求1-6所述的一种基于路径-偏振编码的集成高维量子密钥分发系统，其特征在于：所述相位补偿器为热调谐型相移器，所述相位调制器为载流子耗尽型相移器。
8.基于权利要求1-7任意一项所述的一种基于路径-偏振编码的集成高维量子密钥分发系统的一种高维量子密钥分发方法，其特征在于：当所述路径编码模块的结构为路径编码模块一时，对应的路径解码模块的结构为路径解码模块一；当路径编码模块的结构为路径编码模块二时，对应的路径解码模块的结构为路径解码模块二。
