CN108075886B - 一种用于量子密钥分发系统的自动时序调整方法和装置 - Google Patents
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Abstract
用于量子密钥分发系统的自动时序调整方法和装置，量子终端设备的接收方上的FPGA对TDC参数配置、模式选择，然后给发光驱动控制单元下发发光命令，激光器发出同步光和信号光脉冲；同步光甄别模块将同步光脉冲转化成电信号，作为TDC的起始信号；单光子探测器的输出作为TDC的停止信号；TDC分别测出各路信号光相对于同步光之间的时间间隔，FPGA读取时间间隔值并进行数据处理；发光驱动控制单元接收FPGA数据处理后下发的延时值，经过不断延时调整后，各路信号光之间时间间隔小于给定技术指标。本发明具有以下优点：充分利用现有量子终端设备，无需任何辅助设备，时序调整过程中无需人工干预，自动进行。
Description
技术领域
本发明涉及一种自动时序调整方法和装置，尤其是一种用于量子密钥分发系统的自动时序调整方法和装置。
背景技术
量子通信技术以单光子为信息载体，以光纤为量子信道，量子理论的测不准原理、未知量子态不可克隆原理保证了量子通信成为一种无条件安全的通信方式。随着量子理论与技术的发展，量子密钥分发(QKD)系统已成为一项成熟的技术，量子密钥分发终端设备作为系统中关键环节，其性能稳定、安全至关重要。
QKD系统发送方为了使监听者无法获取发送方发送的状态信息，需要发信号态光和诱骗态光，并且使信号态下的各路光和诱骗态下的各路光在出口处同一个时刻发出去，即理想情况下各路光信号在时间坐标轴上完全重合，如图1所示。但是实际QKD系统中各路光信号之间由于传输路径的差异，在到达接收方时会有明显的时间间隔，如图2所示，这会给窃听者提供一定的分析价值，系统存在安全隐患。因此，要求在QKD系统发送方必须把各路光信号进行时序调整以使窃听者不可分辨当前到底是哪一路光信号到达。
图3是现有技术中典型的人工手动实现光信号时序调整的示意图，首先将同步光信号和信号光信号分别连接到高精度的示波器上，测出各路信号光相对于同步光之间的时间间隔，其表现形式为以同步光为触发条件下的信号光在示波器显示界面上的位置偏差，然后人工统计各路信号光在示波器上显示的位置偏差并由此计算出各路光信号所需的延时时间，最后人工将各路延时值手动输入到上位机软件中，通过串口或网口下发延时值到发光驱动控制单元中。延时值下发后，需要重新用高精度示波器测出各路光信号之间的时间间隔，人工计算下一次需要的延时时间并再次手动输入到上位机控制软件中通过网口或串口进行第二次延时值下发，如此循环，直至任意两路光信号时间差小于给定技术指标后停止。
显然，现有时序调整方法存在以下缺点：
1.出错概率大。需要人工不断测量、计算、不断手动下发延时值，而测量、计算、下发延时值中每一个环节都有可能出错。
2.需借助辅助设备。整个时序调整过程中需要借助PC、示波器等一系列外部辅助设备。
3.成本高。高精度的示波器(附带高质量的光探头)价格昂贵。
4.耗费人力。测量、计算、下发延时值等每个环节都需要人工参与。
5.使用不方便。高精度的示波器一般都比较庞大，不易移动，在现场调试时，一般不会带着这种大型示波器，会给调试带来困难。
6.效率低。当量子密钥分发终端设备较多时，会严重影响工作效率。
7.精度低。时序调整的精度取决于用于测试的示波器的性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供了一种无需外部辅助设备、时序调整精度高、出错概率低的自动时序调整方法，并在降低成本的同时提高时序调整的效率，能够满足量子密钥分发系统中的时序调整要求。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：一种用于量子密钥分发系统的自动时序调整方法，通过实际量子密钥分发系统中量子终端设备(接收方)完成量子终端设备(发送方)的时序自动调整。
具体的，量子终端设备(接收方)上的FPGA首先完成对时间测量单元TDC的参数配置、模式选择，然后通过经典信道给量子终端设备(发送方)上的发光驱动控制单元下发发光命令，激光器按照发光命令发出同步光脉冲和特定量子态的信号光脉冲；量子终端设备(接收方)上的同步光甄别模块将同步光脉冲转化成后级芯片能够识别的脉冲电信号，此脉冲电信号作为时间测量单元TDC的起始信号；单光子探测器进行量子态信号光脉冲的探测，只能选择一个探测器进行探测，以保证各路信号光在接收方传输路径上的一致性，单光子探测器的输出作为时间测量单元TDC的停止信号；时间测量单元TDC分别测出各路信号光相对于同步光之间的时间间隔，量子终端设备(接收方)上的FPGA读取时间测量单元中各路信号光与同步光的时间间隔值并进行数据处理；发光驱动控制单元接收经量子终端设备(接收方)上的FPGA数据处理后下发的延时值、产生相应延时电驱动信号延迟激光器发光，经过一次延时调整后，系统自动进行第二次信号光与同步光的时间间隔测量，量子终端设备(接收方)上的FPGA读取第二次测量结果并进行数据处理后再次下发延时值，如此反复，经多次测量、偏差比较、反馈控制后，各路信号光之间的偏差值会越来越小，直至各路信号光之间时间间隔小于给定技术指标后自动停止，此时可认为各路信号光脉冲在出口处同一个时刻发出。
作为更具体的技术方案，该用于量子密钥分发系统的自动时序调整方法包括如下步骤：
步骤1：量子终端设备(发送方)同步光信号端口通过光纤连接到量子终端设备(接收方)同步光信号端口；
步骤2：量子终端设备(发送方)信号光信号端口通过光纤连接到量子终端设备(接收方)信号光信号端口；
步骤3：量子终端设备(发送方)与量子终端设备(接收方)分别连接到各自的交换机上；
步骤4：设置时序调整合格的判断指标为任意两路信号光间的时间间隔小于一定值；
步骤5：设置同步光电驱动信号的频率与待时序调整的各路信号光的电驱动信号频率，同步光和各路信号光电驱动信号的频率大小要保持一致，频率范围为1Hz～1MHz；
步骤6：设置各路延时芯片的初始延时值为0；
步骤7：量子终端设备(发送方)按照预先设置的同步光和信号光电驱动信号使激光器发出对应频率的同步光和信号光脉冲；
步骤8：同步光信号经同步光甄别模块输入到时间间隔测量单元TDC，作为起始信号；探测器探测到信号光脉冲，探测器的输出作为时间间隔测量单元TDC的停止信号，时间间隔测量单元TDC测出各路信号光与同步光之间的时间间隔；
步骤9：FPGA读取各路信号光与同步光之间的时间间隔，通过数据处理，转换成各路信号光之间的时间间隔，以其中一路为基准延时一定值，各路信号光在此基准延时上按照各路信号光之间的时间间隔关系进行延时；
步骤10：FPGA将各路延时值通过经典信道传送给量子终端设备(发送方)上的发光驱动控制单元，发光驱动控制单元再根据各路延时值的大小下发给各路对应的延时芯片，延时电驱动信号使各路激光器按照设定的延时值延时发光；
步骤11：经过一次延时控制后，重复步骤8～10，即通过TDC不断的测量各路信号光相对于同步光之间的时间间隔，经FPGA进行数据处理，不断调整各路信号光所需的延时值，如此循环，各路信号光之间的时间间隔会越来越小，直至任意两路信号光之间的时间间隔小于给定的技术指标后停止，停止后将最终各路的调整值记录在量子终端设备(发送方)的只读存储器中，至此整个时序调整过程完成。
作为优化的技术方案，量子终端设备(接收方)上的FPGA根据信号光脉冲的量子态控制光学调制器，信号光脉冲经过光学调制器后进入探测器。
进一步优化的，所述光学调制器包括高压产生模块和电偏振控制器EPC，量子终端设备(接收方)上的FPGA根据信号光脉冲的量子态控制高压产生模块产生特定的EPC高压作用于电偏振控制器EPC，确保每种量子态的信号光脉冲能够被同一个探测器探测到。
作为优化的技术方案，所述步骤4中，设置时序调整合格的判断指标为任意两路信号光间的时间间隔小于20ps。
作为优化的技术方案，所述步骤5中，设置同步光电驱动信号的频率为200KHz，设置待时序调整的各路信号光的电驱动信号频率为200KHz。
作为优化的技术方案，所述步骤4中，TDC测量的模式选择为单端输入模式或者差分输入模式。
所述方法中所用的探测器可以为量子终端设备(接收方)上的任意一个探测器，所用EPC可以为量子终端设备(接收方)中任意一个EPC。
作为优化的技术方案，所述步骤9中，以其中一路为基准延时100ps，各路信号光在此基准延时上按照各路信号光之间的时间间隔关系进行延时。
本发明还公开一种用于量子密钥分发系统的自动时序调整装置，包括量子密钥分发系统中量子终端设备的接收方以及量子终端设备的发送方，量子终端设备的发送方包括依次连接的发光驱动控制单元、延时芯片、激光器，其中用于发送同步光脉冲的激光器与发光驱动控制单元直接相连，量子终端设备的接收方包括同步光甄别模块以及依次连接的FPGA、时间测量单元TDC、单光子探测器，量子终端设备的发送方同步光信号端口通过光纤连接到量子终端设备的接收方同步光信号端口，量子终端设备的发送方信号光信号端口通过光纤连接到量子终端设备的接收方信号光信号端口，量子终端设备的发送方与量子终端设备的接收方分别连接到各自的交换机上，发送方发送的同步光脉冲被接收方的同步光甄别模块接收后送入时间测量单元TDC的START输入端，发送方发送的信号光脉冲被接收方的单光子探测器探测到后送入时间测量单元TDC的STOP输入端。
作为可选择的技术方案，时间测量单元TDC测量的模式选择为单端输入模式或者差分输入模式。
优化的，该用于量子密钥分发系统的自动时序调整装置还包括光学调制器，信号光脉冲经过光学调制器后进入探测器，光学调制器连接到FPGA。
作为优化的技术方案，所述光学调制器包括高压产生模块和电偏振控制器EPC，高压产生模块输入端连接FPGA，输出端连接电偏振控制器EPC，信号光脉冲经过电偏振控制器EPC后进入探测器。
所述探测器可以为量子终端设备的接收方上的任意一个探测器。
所述电偏振控制器EPC可以为量子终端设备的接收方上的任意一个电偏振控制器EPC。
本发明相比现有技术具有以下优点：本自动时序调整方法充分利用现有量子终端设备，无需任何辅助设备，时序调整过程中无需人工干预，自动进行，节省了人力资源，加上采用高精度时间间隔测量芯片使得控制精度极高。整个时序调整过程中延时值都通过FPGA经严格的数据处理后下发，保证了时序调整过程中的准确率。无需配合使用体积庞大的高精度示波器，可以满足外场调试的需求，并有效降低了成本。在大规模量子密钥分发终端设备需要时序调整时，提高了时序调整的效率。
附图说明
图1是理想多路光信号时序调整后效果图。
图2是未经时序调整作用的多路光信号效果图。
图3是现有技术中人工手动实现光信号时序调整示意图。
图4是本发明用于诱骗态BB84协议、偏振编码的量子密钥分发系统中的自动时序调整实现框图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
图4为本发明用于诱骗态BB84协议、偏振编码的量子密钥分发系统中的自动时序调整实现框图，框图中的所有器件都存在于实际量子终端设备中，即本发明用于量子密钥分发系统的自动时序调整方法中所用到的模块全部都是现有量子终端设备中存在的成熟方案。具体实施步骤如下：
步骤1：量子终端设备(发送方)同步光信号端口通过光纤连接到量子终端设备(接收方)同步光信号端口。
步骤2：量子终端设备(发送方)信号光信号端口通过光纤连接到量子终端设备(接收方)信号光信号端口。
步骤3：量子终端设备(发送方)与量子终端设备(接收方)分别连接到各自的交换机上。
步骤4：设置时序调整合格的判断指标为任意两路信号光间的时间间隔小于20ps，TDC测量的模式选择为差分信号输入模式。TDC输入信号可以选择为单端输入或者差分输入，差分输入时精度高，本具体实施方式中选择为差分输入。
步骤5：设置同步光电驱动信号的频率为200KHz，设置待时序调整的8路信号光的电驱动信号频率为200KHz。同步光和8路信号光电驱动信号的频率大小要保持一致，频率范围为1Hz～1MHz，本具体实施方式中同步光和信号光电驱动信号频率设置为200KHz为典型值。
步骤6：设置各路延时芯片的初始延时值为0。
步骤7：量子终端设备(发送方)按照预先设置的200KHz同步光和信号光电驱动信号使激光器发出对应频率的同步光和信号光脉冲。
步骤8：同步光信号经同步光甄别模块连接到时间间隔测量单元TDC的START输入端，作为起始信号；量子终端设备(接收方)上的FPGA根据信号光脉冲的量子态(包括4种信号态和相应的诱骗态)控制高压产生模块产生特定的EPC高压以确保每种量子态的信号光脉冲能够被同一个探测器探测，探测器的输出连接到时间间隔测量单元TDC的STOP输入端，作为停止信号，时间间隔测量单元TDC测出各路信号光与同步光之间的时间间隔。本发明中所用探测器可以为四个探测器中的任意一个，所用EPC可以为两个EPC中的任意一个，本实施例中选择探测器D1及EPC1。
步骤9：FPGA读取各路信号光与同步光之间的时间间隔，通过数据处理，转换成各路信号光之间的时间间隔，以其中一路为基准延时100ps，各路信号光在此基准延时上按照各路信号光之间的时间间隔关系进行延时。
步骤10：FPGA将各路延时值通过经典信道传送给量子终端设备(发送方)上的发光驱动控制单元，发光驱动控制单元再根据各路延时值的大小下发给各路对应的延时芯片，延时电驱动信号使各路激光器按照设定的延时值延时发光。
步骤11：经过一次延时控制后，重复步骤8～10，即通过TDC不断的测量各路信号光相对于同步光之间的时间间隔，经FPGA进行数据处理，不断调整各路信号光所需的延时值，如此循环，各路信号光之间的时间间隔会越来越小，直至任意两路信号光之间的时间间隔小于给定的技术指标后停止，停止后将最终各路的调整值记录在量子终端设备(发送方)的只读存储器中，至此整个时序调整过程完成。
需要说明的是，本实施例中的8路信号光是与所采用的诱骗态BB84协议相对应的，而实际的QKD系统不限于8路信号光；对于采用其他编码方式的QKD系统，例如采用六态编码的QKD系统，只要是发送方采用多激光器方案有合束需求，且接收方能够使用TDC的QKD系统，均可以采用本发明的技术方案实现自动时序调整。另外，本实施例中采用了四个探测器，而实际的QKD系统也不限于此，即使只采用一个探测器，采用分时复用的方法也是能够实现对多路信号的探测的。再有，本实施例中的高压产生模块及EPC是用于对信号光进行偏振控制的，而实际的QKD系统不限于此，只要是能够在FPGA的控制下实现对信号光进行调制的光学调制器，均可以适用于本发明的技术方案。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (15)
1.一种用于量子密钥分发系统的自动时序调整方法，其特征在于，通过实际量子密钥分发系统中量子终端设备的接收方完成量子终端设备的发送方的时序自动调整；
量子终端设备的接收方上的FPGA首先完成对时间测量单元TDC的参数配置、模式选择，然后通过经典信道给量子终端设备的发送方上的发光驱动控制单元下发发光命令，激光器按照发光命令发出同步光脉冲和特定量子态的信号光脉冲；量子终端设备的接收方上的同步光甄别模块将同步光脉冲转化成后级芯片能够识别的脉冲电信号，此脉冲电信号作为时间测量单元TDC的起始信号；单光子探测器进行量子态信号光脉冲的探测，只能选择一个探测器进行探测，单光子探测器的输出作为时间测量单元TDC的停止信号；时间测量单元TDC分别测出各路信号光相对于同步光之间的时间间隔，量子终端设备的接收方上的FPGA读取时间测量单元中各路信号光与同步光的时间间隔值并进行数据处理；发光驱动控制单元接收经量子终端设备的接收方上的FPGA数据处理后下发的延时值、产生相应延时电驱动信号延迟激光器发光，经过一次延时调整后，系统自动进行第二次信号光与同步光的时间间隔测量，量子终端设备的接收方上的FPGA读取第二次测量结果并进行数据处理后再次下发延时值，如此反复，经多次测量、偏差比较、反馈控制后，各路信号光之间的偏差值会越来越小，直至各路信号光之间时间间隔小于给定技术指标后自动停止，此时认为各路信号光脉冲在出口处同一个时刻发出。
2.根据权利要求1所述的用于量子密钥分发系统的自动时序调整方法，其特征在于，该用于量子密钥分发系统的自动时序调整方法包括如下步骤：
步骤1：量子终端设备的发送方同步光信号端口通过光纤连接到量子终端设备的接收方同步光信号端口；
步骤2：量子终端设备的发送方信号光信号端口通过光纤连接到量子终端设备的接收方信号光信号端口；
步骤3：量子终端设备的发送方与量子终端设备的接收方分别连接到各自的交换机上；
步骤4：设置时序调整合格的判断指标为任意两路信号光间的时间间隔小于一定值，选择TDC测量模式；
步骤5：设置同步光电驱动信号的频率与待时序调整的各路信号光的电驱动信号频率，同步光和各路信号光电驱动信号的频率大小要保持一致；
步骤6：设置各路延时芯片的初始延时值为0；
步骤7：量子终端设备的发送方按照预先设置的同步光和信号光电驱动信号使激光器发出对应频率的同步光和信号光脉冲；
步骤8：同步光信号经同步光甄别模块输入到时间间隔测量单元TDC，作为起始信号；探测器探测到信号光脉冲，探测器的输出作为时间间隔测量单元TDC的停止信号，时间间隔测量单元TDC测出各路信号光与同步光之间的时间间隔；
步骤9：FPGA读取各路信号光与同步光之间的时间间隔，通过数据处理，转换成各路信号光之间的时间间隔，以其中一路为基准延时一定值，各路信号光在此基准延时上按照各路信号光之间的时间间隔关系进行延时；
步骤10：FPGA将各路延时值通过经典信道传送给量子终端设备的发送方上的发光驱动控制单元，发光驱动控制单元再根据各路延时值的大小下发给各路对应的延时芯片，延时电驱动信号使各路激光器按照设定的延时值延时发光；
步骤11：经过一次延时控制后，重复步骤8～10，即通过TDC不断的测量各路信号光相对于同步光之间的时间间隔，经FPGA进行数据处理，不断调整各路信号光所需的延时值，如此循环，各路信号光之间的时间间隔会越来越小，直至任意两路信号光之间的时间间隔小于给定的技术指标后停止，停止后将最终各路的调整值记录在量子终端设备的发送方的只读存储器中，至此整个时序调整过程完成。
3.根据权利要求1或2所述的用于量子密钥分发系统的自动时序调整方法，其特征在于，量子终端设备的接收方上的FPGA根据信号光脉冲的量子态控制光学调制器，信号光脉冲经过光学调制器后进入探测器。
4.根据权利要求3所述的用于量子密钥分发系统的自动时序调整方法，其特征在于，所述光学调制器包括高压产生模块和电偏振控制器EPC，量子终端设备的接收方上的FPGA根据信号光脉冲的量子态控制高压产生模块产生特定的EPC高压作用于电偏振控制器EPC，确保每种量子态的信号光脉冲能够被同一个探测器探测到。
5.根据权利要求2所述的用于量子密钥分发系统的自动时序调整方法，其特征在于，所述步骤4中，设置时序调整合格的判断指标为任意两路信号光间的时间间隔小于20ps。
6.根据权利要求2所述的用于量子密钥分发系统的自动时序调整方法，其特征在于，所述步骤5中，设置同步光电驱动信号的频率和待时序调整的各路信号光的电驱动信号频率的范围为1Hz～1MHz。
7.根据权利要求2所述的用于量子密钥分发系统的自动时序调整方法，其特征在于，所述步骤4中，TDC测量的模式选择为单端输入模式或者差分输入模式。
8.根据权利要求2所述的用于量子密钥分发系统的自动时序调整方法，其特征在于，所述方法中所用的探测器为量子终端设备的接收方上的任意一个探测器。
9.根据权利要求2所述的用于量子密钥分发系统的自动时序调整方法，其特征在于，所述步骤9中，以其中一路为基准延时100ps，各路信号光在此基准延时上按照各路信号光之间的时间间隔关系进行延时。
10.一种用于量子密钥分发系统的自动时序调整装置，包括量子密钥分发系统中量子终端设备的接收方以及量子终端设备的发送方，量子终端设备的发送方包括依次连接的发光驱动控制单元、延时芯片、激光器，其中用于发送同步光脉冲的激光器与发光驱动控制单元直接相连，量子终端设备的接收方包括同步光甄别模块以及依次连接的FPGA、时间测量单元TDC、单光子探测器，其特征在于，量子终端设备的发送方同步光信号端口通过光纤连接到量子终端设备的接收方同步光信号端口，量子终端设备的发送方信号光信号端口通过光纤连接到量子终端设备的接收方信号光信号端口，量子终端设备的发送方与量子终端设备的接收方分别连接到各自的交换机上，发送方发送的同步光脉冲被接收方的同步光甄别模块接收后送入时间测量单元TDC的START输入端，发送方发送的信号光脉冲被接收方的单光子探测器探测到后送入时间测量单元TDC的STOP输入端，通过实际量子密钥分发系统中量子终端设备的接收方完成量子终端设备的发送方的时序自动调整。
11.根据权利要求10所述的用于量子密钥分发系统的自动时序调整装置，其特征在于，时间测量单元TDC测量的模式选择为单端输入模式或者差分输入模式。
12.根据权利要求10所述的用于量子密钥分发系统的自动时序调整装置，其特征在于，还包括光学调制器，信号光脉冲经过光学调制器后进入探测器，光学调制器连接到FPGA。
13.根据权利要求12所述的用于量子密钥分发系统的自动时序调整装置，其特征在于，所述光学调制器包括高压产生模块和电偏振控制器EPC，高压产生模块输入端连接FPGA，输出端连接电偏振控制器EPC，信号光脉冲经过电偏振控制器EPC后进入探测器。
14.根据权利要求12所述的用于量子密钥分发系统的自动时序调整装置，其特征在于，所述探测器为量子终端设备的接收方上的任意一个探测器。
15.根据权利要求13所述的用于量子密钥分发系统的自动时序调整装置，其特征在于，所述电偏振控制器EPC为量子终端设备的接收方上的任意一个电偏振控制器EPC。
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