量子密钥分发系统基础器件（一）：光纤干涉仪
干涉仪的基本原理是利用波的叠加来获得波的相位信息，从而获取实验中所关心的物理量。光纤干涉仪是由光学干涉仪发展而来的，利用光纤实现光的干涉，由于光纤取代透镜系统构成的光路具有柔软、形状可随意变化、传输距离远等特点，当前量子密钥分发系统的光路部分多用光纤干涉仪实现。本文我们就对光纤干涉仪进行介绍。
1.光纤干涉仪的基本概念
介绍光纤干涉仪之前，我们先快速复习一下基于相位编码的BB84原理。
量子密钥分发设备：基于相位编码的量子密钥分发系统
https://blog.csdn.net/weixin_41366507/article/details/137397630?spm=1001.2014.3001.5501
在这篇文章中，我们介绍原理是提到了采用光纤型马赫-曾德尔干涉仪（MZI）来实现相位的调制。原理图如下图所示，这个图就是一个等臂长的MZI。
如果按照上面的原理图实现量子密钥分发，会面临以下问题：
- 这个系统需要两根光纤，有点费钱（工程实现成本意识一定要有！）；
- 实现过程中，光子在接收端要发生干涉，必须满足两臂的长度完全相等，因为光子所在脉冲的宽度仅为1ns，根据光在光纤中传输的经验数据1m需要 5ns。所以两臂的长度差不能超过 20cm，要使 25km 的光纤长度仅相差20cm 非常困难；
- 光子在经过长距离传输后，受到外界温度、震动和自身双折射的影响，光子的偏振态会发生较大变化，对光子的干涉会有较大的影响。
针对上述问题 ，人们提出了双不等臂干涉仪，即发送端与接收端各有一个不等臂干涉仪。在实现相位编码QKD时，在发送端和接收端MZI的长臂上分别放置一个相位调制器，这样产生干涉的两路光分别经历了一个相位调制器，这样就和单MZI等效了，相位的选择和工作原理分析也完全一致， 一般来说，量子通信的成码率取决于光纤干涉仪长臂与短臂之差的稳定性，这也是制作光纤干涉仪的关键工艺之一。
以上是基于BB84协议相位编码基于不等臂MZI的实现方案，在实际的量子密钥分发系统中，常见的光纤干涉仪还有法拉第-迈克尔逊干涉仪（Faraday-Michelson Interferometer，简称MI）和萨格纳克干涉仪（Sagnac Interferometer，简称SI），在本文中我会对这几种光纤干涉仪进行介绍和讨论。
目前国内量子领域相关企业也有支持光纤干涉仪的定制服务。
2.光纤干涉仪的用途和用法
通过上面的分析我们知道，在量子密钥分发系统中，光纤干涉仪的核心用途就是实现量子比特的编码和测量。具体来说就是实现不同相位的制备以及相位的测量。下图为光纤干涉仪安装在量子密钥分发系统机箱中的示意图。其与驱动电路和主控电路连接。在发送端实现不同相位的光脉冲输出，在测量端进行相位调制和干涉，再进入单光子探测器进行探测。
在量子密钥分发系统中，相位调制是通过相位调制器与光纤干涉仪相互作用实现的。通常将相位调制器放置在光纤传感器信号臂或参考臂中，当光信号经过相位调制器时，相位调制器通过光电效应或磁光效应来改变材料的折射率，进而改变光信号的相位。系统工作时随机数发生器生成随机数电压信号，生成相位调制器的调制信号，通过相位调制器作用就可以将随机数信息加载在单光子脉冲上，从而实现量子态的调制。
虽然双 M-Z干涉仪解决了干涉中的许多问题，但是光子经过长距离传输，偏振态会发生非常大的变化，即使加入自动偏振控制装置，在外界发生巨大变化时，也不一定能将偏振态调整到原始状态。长距离传输还会导致光子相位漂移，还有收发端干涉仪的长短和短长支路不一定完全相等，导致光子不能在同一时刻到达接收端的耦合器。为了解决上述问题，人们又提出了自动补偿相位编码系统，文献上常称之为插入即用系统(“plug and play”system)，它是目前用的最多的相位编码系统。即插即用系统示意图如下。其具体工作原理后面再详细讨论。
3.光纤干涉仪的实现原理
本文基于一项公开专利讨论光纤干涉仪的实现原理，光纤干涉仪由盘盒和光纤干涉仪模块组成。光纤干涉仪由输入光纤和输出光纤（016）和耦合器（107）组成；其中，耦合器（通常被称为分束器或合束器）MZI中的主要功能：
- 分束功能：将来自光源的光束分成两束或多束。在马赫-曾德尔干涉仪中，一个耦合（DC1）通常将入射光分为两束，分别进入信号臂和参考臂。
- 合束功能：在信号臂和参考臂中的光经过一定的路径后，它们会到达第二个耦合器（DC2）。这个耦合器的作用是将这两束光重新合并，使得它们能够在同一个空间内重叠，从而产生干涉。
其中，盘盒至少包括盘槽（101）、耦合器卡槽（102）、隔档条（103）以及开口（104）；其主要作为为对光纤干涉仪进行固定。用于量子通信系统中的光纤干涉装置提供稳定、可靠的工作环境，以确保封装在光纤干涉装置中的光纤干涉仪的干涉效果的稳定性，进而提升量子通信系统的测量灵敏度和通信速度。
除了马赫-泽德干涉仪（Mach Zehnder Interferometer，简称MZI），常用于量子密钥分发系统中光纤干涉仪还包括：
- 法拉第-迈克尔逊干涉仪（Faraday-Michelson Interferometer，简称MI）；问天量子的时间相位编码用到了这个；
- 萨格纳克干涉仪（Sagnac Interferometer，简称SI）；循态量子密钥分发专利中用到了这个装置。他们提出了一种基于Sganac环和单相位调制器的CV-QKD实现装置，用以实现高斯调制。
4.写在最后
光纤干涉仪式目前量子密钥分发系统中量子态调制的重要模块，在实际工程实现中其核心目标实现量子态的调制。在实际的工实现中其实也会有各种各样的误差产生方式，以及各种各样的误差补偿方法，后面在“手搓设备”环节，可以详细探讨。
本文如有谬误之处，还请各位小伙伴不吝指出。
5.主要参考文献
[1]翁智远，光纤信道量子密钥分发系统实验研究[D]
[2]孙国鑫，光纤干涉仪信号检测与解调[D]
[3]王钧，基于相位调制的干涉型光纤传感器的研究[D]
[4]张建，用于盘绕光纤干涉仪的盘盒和光纤干涉仪模块[P]
[5]王涛，连续变量量子密钥分发高斯调制实现装置及方法[P]
[6]李华生，针对Sagnac环结构的斑驳电压标定方法及系统[P]
[7]李东东，一种量子密钥分发系统及其通信方法[P]
[8]刘小利，基于M-Z干涉的全光纤石英增强光声光谱技术[D]
[9]陈柳平，用于光纤干涉装置的安装组件[P]
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