CN102983962A - 用于偏振编码量子密钥分发系统的偏振自启动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于偏振编码量子密钥分发系统的偏振自启动方法，该方法在收发两端建立起专用的通信信道，利用这条信道实现了收发两端的数据处理芯片协同工作，并通过单光子探测器的检测结果计算出反馈量的大小，然后按照协议流程逐个驱动偏振控制器挤压光纤产生形变，从而获得满足偏振编码协议要求的四个初始偏振态，保证后续密钥产生过程的顺利进行。本发明不仅可以利用接收端的单光子探测器作为反馈对发送端的偏振控制器进行调节，还能系统化的控制收发两端的偏振控制器，使其按照协议所需的流程逐个对偏振态进行优化，最终实现对偏振抖动的精确校准以及系统自动初始化。

Description

用于偏振编码量子密钥分发系统的偏振自启动方法

技术领域

本发明涉及量子保密通信技术领域，具体讲的是在偏振编码量子密钥分发（QKD）系统中，利用收发两端的数据交换，实现对多个偏振控制器（EPC）的流程化操作，从而完成系统偏振状态的自动初始化，实现系统的全自动控制，达到真正的“即插即用”。

背景技术

量子保密通信双方利用单光子态加载与传输信息，其安全性由量子力学测不准原理和未知量子态不可克隆原理共同保证。由于单光子不可再分，窃听者任何窃听与分离操作都会在信道引入不可忽视的误差，从而被通信双方发现，因而这是一种绝对安全的信息交换方案。

现有的量子保密通信编码方案主要有偏振编码、相位编码与纠缠态编码等，其中偏振编码方案利用光子的极化进行编码，具有简单直观，插损小的优势，适合于长距离的保密通信。但是，由于光双折射效应，光偏振态很难在长距离光纤中保持长期稳定，这将对系统成码率和稳定性带来致命的影响。目前解决这一问题的方法通常是利用电动偏振控制器挤压光纤产生形变引入附加双折射来补偿光纤中的偏振随机抖动，实现目标偏振态的输出，但是这种方式通常只关注单个偏振态的变化情况，而且由于反馈信号来自于接收端的单光子探测器，所以很难对发送端的偏振状态进行操作。可以说，现有的量子密钥分发系统一直缺乏完善的、系统的、具有自启动功能的偏振控制方法，所用偏振控制方案均需手调与自动控制相结合，尤其在系统每一次上电或工作环境变化时，都需要人为参与偏振态的初始化，这无疑增加了系统的操作难度，降低了其作为实用化设备的应用价值。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种用于偏振编码量子密钥分发系统的偏振自启动方法，该方法利用专用数据信道协作收发双方的工作状态，并通过单光子探测器的检测结果计算出反馈量的大小，然后按照协议流程逐个驱动EPC挤压光纤产生形变，从而获得满足偏振编码协议要求的四个初始偏振态，保证后续密钥产生过程的顺利进行。该方法代替手动操作，提升量子通信系统的智能特性，且具有高效率和高稳定性的特点。

实现本发明目的的具体技术方案是：

在收发两端均配置了现场可编程门阵列（FPGA）逻辑芯片，通过FPGA控制光模块在两端建立起通讯连接。单光子探测器获得的光子计数信号同样输入到FPGA中进行分析，在对EPC进行偏振反馈控制的过程中，如果是对接收端的EPC进行控制，则由接收端的FPGA直接执行；如果是对发送端的EPC进行控制，则首先由接收端的FPGA将采样数据传送到发送端，然后由发送端执行。

对于不同的EPC，发送端（Alice）触发相应的激光器，进行目标偏振基的校准工作。FPGA记录下单光子探测器的计数值，并在单位时间内对计数值进行累加，计算目标偏振基的偏振对比度P，由P值的大小形成反馈量对光偏振态进行调节。按照偏振编码量子密钥分发过程的协议要求，对系统中的EPC进行逐个操控，操控过程由独立的EPC驱动模块实现，整个控制流程由双方的FPGA控制，按序实现系统的偏振态初始化。

本发明在收发两端建立起专用的通信信道，利用这条信道实现了收发两端的数据处理芯片协同工作，从而不仅可以利用接收端的单光子探测器作为反馈对发送端的偏振控制器进行调节，还能系统化的控制收发两端的偏振控制器，使其按照协议所需的流程逐个对偏振态进行优化，最终实现对偏振抖动的精确校准以及系统自动初始化。

附图说明

图1为实施本发明的系统框图；

图2 为FPGA控制偏振自启动实施图；

图3为偏振初始化流程图。

具体实施方式

以下结合附图通过实例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于本领域技术人员的理解：

参阅图1，量子密钥分发系统采用偏振编码的BB84协议方案，Alice和Bob分别作为系统的发送端与接收端。在Alice端，脉冲激光器LD1～LD4负责发送激光脉冲，经过相应的偏振控制器A1～A4调节以后，它们的偏振方向被确定为H(0°)，V(90°)，Q(45°)，R(135°)四种状态， 其中H、V构成了一对正交线偏基，Q，R则构成一对正交圆偏基。经过长距离光纤传输后，这两对基的偏振态将发生改变。在Bob端，偏振控制器B1～B2分别用于对线偏基和圆偏基的校准，从而保证四种偏振态以预期的方式进入偏振分束器进行检偏。检偏后的光子其偏振态即被确定为H、V、Q、R，并分别由四个单光子探测器D1～D4接收。

参阅图2，下面针对偏振反馈控制的原理进行说明，本发明中对收发两端的EPC采用了不同的控制方式。当对Bob端的EPC进行调节时，首先通过接收端FPGA芯片周期采样单光子探测器的计数值，并在单位时间内对计数值进行累加，计算出接收端当前偏振态的偏振对比度P，然后FPGA根据P值大小形成反馈控制信号，驱动EPC挤压光纤实现目标偏振态的校准。而对Alice端的EPC进行调节时，由于Alice端无法直接获得单光子探测器的反馈信号，所以需要Bob端通过由光模块建立起的通信信道将采样得到的计数值发送至Alice端，Alice 端FPGA对信号进行分析并计算出反馈量，然后驱动Alice端的EPC完成偏振调节。

FPGA对系统的偏振态的校准是通过反馈控制实现的，当通信双方FPGA接收到单光子探测器的采样信号后计算反馈量，依照相应的算法分别驱动各自的偏振控制器。具体实施中FPGA将数字反馈信号通过高精度数\模转换芯片转换为模拟信号，经高压放大器放大后驱动EPC挤压光纤实现偏振态的校正。Alice端需四路驱动模块分别驱动偏振控制器A1～A4，Bob端需两路驱动模块分别驱动偏振控制器B1～B2，每一路驱动模块均由高精度数模转换芯片和高压放大器构成。独立的驱动模块能够使偏振控制器快速高效的响应FPGA的控制指令，减少开机自启动和通讯中偏振校准所需的时间，进一步提高量子密钥分发的成码效率。

当量子密钥分发系统上电或重启时，光偏振态是杂乱无章的。为了将系统的偏振态初始化至协议要求的状态，需要收发两端FPGA控制模块按序对系统中的多个偏振控制器进行操作。具体的流程如图3所示：首先设置B1为某一个固定状态（为了给后续调节留有余量，可将B1的电压设置在EPC工作电压一半的位置）；接下来LD1发光，调节A1，直到D1值最大，D2值最小，这样即确定了H偏振态；同理，发送LD2，调节A2,至D2最大D1最小，即确定了V偏振态；接下来发送LD1，调节B2，至D3和D4的计数大致相等，此步骤的目的是为了确保线偏基和圆偏基之间的相对角度为45度。然后发送LD3，调节A3至D3最大D4最小；发送LD4，调节A4至D4最大D3最小。至此整个系统的初始化过程结束，所有的偏振状态已经符合BB84协议的要求，即可开始正确的密钥分发过程。

偏振态的随机抖动和系统初始化一直是困扰偏振编码QKD系统稳定性和实用化的技术难题，本发明通过优化设计，制定了一套完善的偏振控制流程，实现了系统偏振基的自动初始化，为量子保密通信系统的智能化和产业化提供了技术支持。

Claims (3)

1.一种用于偏振编码量子密钥分发系统的偏振自启动方法，其特征在于该方法包括：

a、在收发两端均配置现场可编程门阵列FPGA逻辑芯片，通过FPGA逻辑芯片控制光模块在收发两端建立起通讯连接；

b、单光子探测器获得的光子计数信号输入到接收端FPGA中进行分析，在对偏正控制器EPC进行偏振反馈控制的过程中，如果是对接收端的EPC进行控制，则由接收端的FPGA直接执行；如果是对发送端的EPC进行控制，则首先由接收端的FPGA将采样数据传送到发送端，然后由发送端执行；

c、对于收发两端的EPC，发送端触发相应的脉冲激光器，进行目标偏振基的校准；接收端FPGA记录下单光子探测器的计数值，并在单位时间内对计数值进行累加，计算目标偏振基的偏振对比度P，由P值的大小形成反馈量对光偏振态进行调节；按照偏振编码量子密钥分发过程的协议要求，对系统中的EPC进行逐个操控，操控过程由独立的EPC驱动模块实现，整个控制流程由收发端的FPGA控制，按序实现系统的偏振态初始化。

2.根据权利要求1所述的一种偏振编码量子密钥分发系统的偏振自启动方法，其特征在于所述光偏振态的调节是通过反馈控制实现，当通信双方FPGA接收到单光子探测器的采样信号后计算反馈量，分别驱动各自的偏振控制器；具体是FPGA将数字反馈信号通过数模转换芯片转换为模拟信号，经高压放大器放大后驱动EPC挤压光纤实现偏振态的校正；发送端为四路驱动模块分别驱动四个偏振控制器，接收端为两路驱动模块分别驱动两个偏振控制器。

3.根据权利要求2所述的一种偏振编码量子密钥分发系统的偏振自启动方法，其特征在于所述每一路驱动模块均由数模转换芯片和高压放大器构成。

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