1.一种无需偏振反馈的量子通信系统,其特征在于,包括通信接收模块、通信发送模块和双方之间的量子信道;
所述通信接收模块包括激光源、衰减器、第一循环器、第一分束器、第二分束器、第一相位调制器、第一单光子探测器和第二单光子探测器;所述激光源与所述衰减器连接,所述衰减器与所述第一循环器连接,所述第一循环器与所述第一分束器连接,所述第一分束器分别与所述第一相位调制器和所述第二分束器连接,所述第一循环器上连接有所述第一单光子探测器,所述第一分束器上连接有所述第二单光子探测器;所述激光源、所述衰减器、所述第一循环器、所述第一分束器、所述第二分束器、所述第一相位调制器、所述第一单光子探测器和所述第二单光子探测器之间的连接为通过保偏光纤连接;
所述通信发送模块包括滤波耦合器、编码光路模块和安全性检测光路模块;
所述编码光路模块包括第一保偏分束器、第二相位调制器和法拉第旋转器;所述第一保偏分束器与所述第二相位调制器和所述法拉第旋转器分别连接,所述第二相位调制器与所述法拉第旋转器连接;所述第一保偏分束器、所述第二相位调制器和所述法拉第旋转器之间的连接均为通过保偏光纤连接;
所述安全性检测光路模块包括第二循环器、第二保偏分束器、第三保偏分束器、第三分束器、第四分束器、第三相位调制器、第三单光子探测器和第四单光子探测器;所述第二循环器通过单模光纤与所述第二保偏分束器和所述第三单光子探测器分别连接;所述第三保偏分束器通过单模光纤与所述第四单光子探测器连接;所述第二保偏分束器与所述第三分束器和所述第四分束器连接,所述第三分束器与所述第四分束器、所述第三相位调制器、所述第三保偏分束器分别连接,所述第四分束器与所述第三相位调制器、所述第三保偏分束器分别连接;所述第二循环器、所述第三分束器、所述第四分束器、所述第三相位调制器、所述第三保偏分束器之间的连接均为通过保偏光纤连接;
所述滤波耦合器与所述第一保偏分束器之间通过单模光纤延迟线连接,所述滤波耦合器与所述第二循环器之间通过单模光纤连接;
所述量子信道为单模光纤,所述通信接收模块中的所述第二分束器与所述通信发送模块中的所述滤波耦合器通过单模光纤连接。
2.按照权利要求1所述的量子通信系统,其特征在于:所述激光源为激光二极管,所述第一单光子探测器、所述第二单光子探测器、所述第三单光子探测器和所述第四单光子探测器均为超导纳米线单光子探测器。
3.一种利用权利要求1所述的量子通信系统进行量子安全直接通信的方法,其特征在于,所述方法包括:
步骤S1,所述激光源发出光束,所述光束通过所述衰减器形成单光子脉冲,单光子脉冲到达所述第一分束器后被分为两束光;其中一束光沿短臂传输到所述第二分束器,设为P1短;另一束光沿长臂经所述第一相位调制器调制相位后传输到所述第二分束器,设为P1长;
所述第二分束器将两束光合成一束;
步骤S2,所述第二分束器将合成一束的光发送到所述滤波耦合器,所述滤波耦合器将光束分为两束,其中一束光发送到所述安全性检测光路模块,另一束光沿所述单模光纤延迟线发送到所述编码光路模块;
步骤S3,到达所述安全性检测光路模块的光束通过所述第二循环器,再被所述第二保偏分束器分成两正交偏振分量,其中水平偏振态光束设为P2H,垂直偏振态光束设为P2V;
水平偏振态光束P2H传输到所述第三分束器,被所述第三分束器分成两束,一束沿短臂传输到所述第四分束器,设为P2H短,另一束沿长臂经所述第三相位调制器调制相位后传输到所述第四分束器,设为P2H长;光束P2H短和光束P2H长在通过所述第四分束器时都分别被分成两束光,一束反射回所述第二保偏分束器,另一束传输到所述第三保偏分束器;
垂直偏振态光束P2V传输到所述第四分束器,被所述第四分束器分成两束,一束沿短臂传输到所述第三分束器,设为P2V短,另一束沿长臂经过所述第三相位调制器调制相位后传输到所述第三分束器,设为P2V长;光束P2V短和光束P2V长在通过所述第三分束器时都分别被分成两束光,一束反射回所述第二保偏分束器,另一束传输到所述第三保偏分束器;
光束在分别通过所述第二保偏分束器和所述第三保偏分束器时发生干涉,则所述第三单光子探测器和所述第四单光子探测器可以探测得到光束量和光束干涉的情况,若探测比特错误率高于或等于预先设定的阙值,则编码光路不编码信息,若探测比特错误率小于预先设定的阙值,则编码光路执行编码信息;
步骤S4,到达到所述编码光路模块的光束被所述第一保偏分束器分成两正交偏振分量,其中水平偏振态光束设为P1H,垂直偏振态光束设为P1V;
水平偏振态光束P1H依次经过所述第二相位调制器、所述法拉第旋转器,光束被所述法拉第旋转器旋转90°,设为P1HV,随后反射回所述第一保偏分束器;垂直偏振态光束P1V先经过所述法拉第旋转器并被旋转90°,设为P1VH,再经过所述第二相位调制器,随后反射回所述第一保偏分束器;光束P1HV和光束P1VH在所述第一保偏分束器合成一束光,沿光路反射回所述第二分束器,所述第二分束器将其分为两束光,一束沿短臂传输回所述第一分束器,设为P返短,另一束先经过所述第一相位调制器再传输回所述第一分束器,设为P返长,两束光通过所述第一分束器发生的干涉结果由所述第二单光子探测器进行探测。
4.按照权利要求3所述的方法,其特征在于,步骤S1中:单光子脉冲满足泊松分布;光束P1长被所述第一相位调制器用 四种态随机调制相位;光束P1短比光束P1长先到达所述第二分束器,所述第二分束器将光束P1短和光束P1长首尾相连合为一束光。
5.按照权利要求3所述的方法,其特征在于,步骤S2中:发送到所述安全性检测光路模块的光束先到达,发送到所述编码光路模块的光束后到达。
6.按照权利要求3所述的方法,其特征在于,步骤S3中:光束P2H长和光束P2V长在分别经过所述第三相位调制器时,都被所述第三相位调制器用 两种态对光束的每一个光子进行随机调制。
7.按照权利要求3所述的方法,其特征在于,步骤S3中:光束在分别通过所述第二保偏分束器和所述第三保偏分束器时发生干涉;两发生干涉的光束的相位差若为 则所述第三单光子探测器响应,若相位差为0则所述第四单光子探测器响应;若探测比特错误率高于或等于预先设定的阙值,则编码光路不编码信息,若探测比特错误率小于预先设定的阙值,则编码光路执行编码信息。
8.按照权利要求3所述的方法,其特征在于,步骤S4中:
光束P1H和光束P1VH在分别经过所述第二相位调制器时,被所述第二相位调制器用{0,π}两种态对每一个光子进行调制;
光束P1HV和光束P1VH在所述第一保偏分束器合成一束光,沿光路反射回所述第二分束器,所述第二分束器将其分为两束光,一束沿短臂传输回所述第一分束器,设为P返短,另一束先经过第一相位调制器再传输回所述第一分束器,设为P返长,两束光通过所述第一分束器时发生干涉,若两束光的相位差为π,则所述第一单光子探测器响应,若两束光的相位差为0,则所述第二单光子探测器响应,所述通信接收模块即可知道通信发送模块对光束执行的操作和量子比特。