CN108462576B - 本地主动相位补偿方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了本地主动相位补偿方法及系统，涉及量子保密通信技术领域，包括：基于无源时域控制和单光子计数反馈的方法，将补偿过程及分发过程分配在不同的时域进行，即：在第一时域进行A端本地主动相位补偿，在第二时域进行B端本地主动相位补偿，在第三时域进行密钥分发过程，从而缩短扫描与分发过程的转换时间，降低光学系统的复杂度，减少噪声干扰，使整个系统的工作更加高效。

Description

本地主动相位补偿方法及系统
技术领域
本发明涉及量子保密通信技术领域，尤其是涉及本地主动相位补偿方法及系统。
背景技术
现如今，密码技术已经渗透到我们日常生活中的方方面面，所以信息安全的问题不仅关乎到个人的利益，更关乎国家的安全以及社会的安定。量子密钥分发的基础是量子力学基本原理，被证明理论上能实现绝对的安全通信，但实际的量子密钥分发系统存在着一定的安全漏洞。在量子密钥分发系统中会因为各种原因引起相位漂移。相位漂移是量子密钥分配系统中误码和不稳定性的重要来源之一，量子密钥分配系统的稳定性是也是影响其实用性能的重要因素之一。
现有技术中的运用强光扫描的本地主动相位补偿方案：通过光开关的切换，实现Alice(简称为A)和Bob(简称为B)两端的本地主动相位补偿及密钥分发过程。该方案由于信号发送端与接收端临时工作点的确定都完全在本地完成，从而避免了在经典信道中交换信息的过程，使得EVE无法获取相位信息，提高了系统安全性，然而，在量子密钥分发系统中，系统的总过程需要控制在较短时间内，而在这套方案中，在本地主动相位补偿系统中使用强参考光进行主动相位补偿，并使用了有源器件光开关切换两端本地主动相位补偿过程及密钥分发过程的装置，增加了扫描与分发过程的转换时间，增加了光学系统的复杂度，也可能引起噪声干扰，降低了整个系统的工作效率。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供本地主动相位补偿方法及系统，以以避免使用光开关，减少扫描与分发过程的转换时间，降低光学系统的复杂度，减少引起噪声干扰，使整个装置系统的工作更加高效。
第一方面，本发明实施例提供了一种本地主动相位补偿方法，其中，包括：
第一控制器在第一时域控制第一强度调制器将激光连续光源调制成第一光脉冲，所述第一光脉冲用于A端主动相位补偿，所述第一光脉冲通过第一光分束耦合器并被分为两束分别沿A端短臂光纤与A端长臂光纤进行传输，两束光脉冲分别由第一法拉第镜和第二法拉第镜反射后发生叠加并在部分叠加区域进行干涉，其中，第一光脉冲的脉宽大于脉冲经过光纤干涉环的A端长臂光纤与A端短臂光纤时所引起的时间差；
所述第一控制器将扫描电压从最小调相电压以预设步长扫描到最大调相电压，在每个调相电压下利用第一单光子探测器多次探测干涉部分光脉冲的单光子数并进行累计计数，以及根据多个调相电压和相应的单光子数扫描出第一单光子干涉曲线，并获取所述第一单光子干涉曲线的四个第一工作点；
第二控制器根据来自所述第一控制器的第一触发信号调节延迟时间并在第二时域控制第二强度调制器将激光连续光源调制成第二光脉冲，所述第二光脉冲用于B端主动相位补偿，所述第二光脉冲通过第三光分束耦合器并被分为两束分别沿B端短臂光纤与B端长臂光纤进行传输，两束光脉冲分别由第三法拉第镜和第四法拉第镜反射后发生叠加并在部分叠加区域进行干涉，其中，第二光脉冲的脉宽大于脉冲经过光纤干涉环的B端长臂光纤与B端短臂光纤时所引起的时间差；
所述第二控制器将扫描电压从最小调相电压以预设步长扫描到最大调相电压，在每个调相电压下利用第一单光子探测器多次探测干涉部分光脉冲的单光子数并进行累计计数，以及根据多个调相电压和相应的单光子数扫描出第二单光子干涉曲线，并获取所述第二单光子干涉曲线的四个临时工作点；
所述第一控制器根据来自所述第二控制器的第二触发信号调节延迟时间并在第三时域再次控制所述第一强度调制器将激光连续光源调制成第三光脉冲，所述第三光脉冲用于密钥分发，所述第三光脉冲通过第一光分束耦合器并被分为两束分别沿A端长臂光纤与A端短臂光纤进行传输，在经A端长臂光纤和A端短臂光纤传输完毕后，两束光脉冲分别经一长程光纤依次入射至第二光分束耦合器和第三光分束耦合器，第三光分束耦合器将两束光脉冲分为四束光脉冲分别沿B端短臂光纤与B端长臂光纤进行传输，传输完毕后，使先沿A端长臂光纤传输、后沿B端短臂光纤传输的光脉冲与先沿A端短臂光纤、后沿B端长臂光纤传输的光脉冲在部分叠加区域进行干涉，其中，第三光脉冲的脉宽小于脉冲经过干涉环的A端长臂光纤与A端短臂光纤时所引起的时间差；
所述第二控制器将扫描电压从最小调相电压以预设步长扫描到最大调相电压，在每个调相电压下利用第一单光子探测器多次探测干涉部分光脉冲的单光子数并进行累计计数，以及根据多个调相电压和相应的单光子数扫描出联合单光子干涉曲线，从联合单光子干涉曲线找出一个与所述临时工作点关联的调相电压对应的点，并通过联合单光子干涉曲线上与该点的关联的调相电压和与该点对应的临时工作点关联的调相电压的差值得出相位漂移参数，依据所述相位漂移参数调整临时工作点得到第二工作点，完成相位补偿过程。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述第一控制器包括第一脉冲生成模块；
所述第一脉冲生成模块产生第一频率的宽方波信号，并将第一时域的抽样信号与所述宽方波信号在时域上进行整合提取出在第一时域的宽方波信号，根据所述第一时域的宽方波信号控制所述第一强度调制器将激光连续光源调制成所述第一光脉冲，所述第一光脉冲用于A端主动相位补偿。
结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述第二控制器包括第二脉冲生成模块；
所述第一脉冲生成模块在产生所述宽方波信号时，向所述第二脉冲生成模块发送所述第一触发信号，所述第二脉冲生成模块根据所述第一触发信号产生第二频率的方波信号，并将第二时域的抽样信号与所述方波信号在时域上进行整合提取出在第二时域的方波信号，将所述第二时域的方波信号进行延时，根据延时后的方波信号控制所述第二强度调制器将激光连续光源调制成所述第二光脉冲，所述第二光脉冲用于B端主动相位补偿。
结合第一方面的第二种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述第二脉冲生成模块在产生所述方波信号时，向所述第一脉冲生成模块发送所述第二触发信号，所述第一脉冲生成模块根据所述第二触发信号产生第三频率的窄方波信号，并将第三时域的抽样信号与所述窄方波信号在时域上进行整合提取出在第三时域的窄方波信号，根据所述第三时域的窄方波信号控制所述第一强度调制器将激光连续光源调制成所述第三光脉冲，所述第二光脉冲用于密钥分发。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所述第一控制器还包括第一单光子计数反馈模块，所述第一单光子计数反馈模块包括第一单光子计数模块、第一软件搜索功能模块和第一反馈调相电压模块；
所述第一单光子计数模块对所述第一单光子探测器探测到的单光子中产生的电平信号进行电平计数得到计数值，所述第一软件搜索功能模块根据计数值及相应的调相电压的电压值生成干涉条纹，并采用查找最大值的方法获取干涉条纹中与计数值最高点对应的调相电压，所述第一反馈调相电压模块将计数值最高点对应的调相电压通过电线连接反馈至第一相位调制器进行相位调制。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，所述第二控制器还包括第二单光子计数反馈模块，所述第二单光子计数反馈模块包括第二单光子计数模块、第二软件搜索功能模块和第二反馈调相电压模块；
所述第二单光子计数模块对所述第二单光子探测器探测到的单光子中产生的电平信号进行电平计数得到计数值，所述第二软件搜索功能模块根据计数值及相应的调相电压的电压值生成干涉条纹，并采用查找最大值的方法获取干涉条纹中与计数值最高点对应的调相电压，所述第二反馈调相电压模块将计数值最高点对应的调相电压通过电线连接反馈至第二相位调制器进行相位调制。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，所述四个第一工作点分别为第一单光子干涉曲线处于0相位、π/2相位、π相位以及3π/2相位时分别对应的四个第一调相电压值，其中，所述0相位为在一个周期内单光子数为极大值时的第一调相电压值对应的相位，所述π相位为在一个周期内的单光子数为极小值时的第一调相电压值对应的相位，所述π/2相位、3π/2相位为在一个周期内的单光子数为处于极大值与极小值中间的半值点时第一调相电压值分别对应的相位。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，所述四个临时工作点分别为第二单光子干涉曲线处于0相位、π/2相位、π相位以及3π/2相位时分别对应的四个第二调相电压值，其中，所述0相位为在一个周期内的单光子数为极大值时的第二调相电压值对应的相位，所述π相位为在一个周期内的单光子数为极小值时的第二调相电压值对应的相位，所述π/2相位、相位为在一个周期内的单光子数为处于极大值与极小值中间的半值点时第二调相电压值对应的相位。
第二方面，本发明实施例还提供一种本地主动相位补偿系统，其中，包括：通过长程光纤相连的A端本地主动相位补偿装置和B端本地主动相位补偿装置；
所述A端本地主动相位补偿装置包括：通过光连接的第一激光光源、第一强度调制器、第一光分束耦合器、第一相位调制器、第一单光子探测器，以及分别与所述第一强度调制器、所述第一单光子探测器、所述第一相位调制器进行电连接的第一控制器；
所述B端本地主动相位补偿装置包括：通过光连接的第二激光光源、第二强度调制器、第二光分束耦合器、第三光分束耦合器、第二相位调制器、第三单光子探测器，以及分别与所述第二强度调制器、所述第三单光子探测器、所述第二相位调制器进行电连接的第二控制器。
结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第一种可能的实施方式，其中，所述第一控制器包括第一脉冲生成模块和第一单光子计数反馈模块，所述第一单光子计数反馈模块包括第一单光子计数模块、第一软件搜索功能模块和第一反馈调相电压模块。
本发明实施例带来了以下有益效果：本发明提供的本地主动相位补偿方法及系统，包括：基于无源时域控制和单光子计数反馈的方法，将补偿过程及分发过程分配在不同的时域进行，即：在第一时域进行A端本地主动相位补偿，在第二时域进行B端本地主动相位补偿，在第三时域进行密钥分发过程，从而缩短扫描与分发过程的转换时间，降低光学系统的复杂度，减少噪声干扰，使整个系统的工作更加高效。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一提供的本地主动相位补偿系统示意图；
图2为本发明实施例二提供的本地主动相位补偿方法流程图；
图3-6为本发明实施例二提供的光脉冲在时域上的分布示意图；
图7-11为本发明实施例三提供的脉冲生成模块产生脉冲的方式示意图；
图12-13为本发明实施例四提供的对基过程示意图。
图标：
110-第一激光光源；121-第一强度调制器；122-隔离器；123-第一光衰减器；124-第一光分束耦合器；125-第一相位调制器；126-第一法拉第镜；127-第二法拉第镜；130-光分束器；140-第一单光子探测器；150-第一控制器；210-第二激光光源；221-第二强度调制器；222-第二光衰减器；223-第二光分束耦合器；224-环形器；225-第三光分束耦合器；226-第四法拉第镜；227-第二相位调制器；228-第三法拉第镜；230-第二单光子探测器；240-第三单光子探测器；250-第二控制器。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
目前，在量子密钥分发系统中会因为各种原因引起相位漂移。相位漂移是量子密钥分配系统中误码和不稳定性的重要来源之一，量子密钥分配系统的稳定性是也是影响其实用性能的重要因素之一。现有技术中的运用强光扫描的本地主动相位补偿方案：通过光开关的切换，实现A和B两端的本地主动相位补偿及密钥分发过程。然而，这套方案中，在本地主动相位补偿系统中使用强参考光进行主动相位补偿，并使用了有源器件光开关切换两端本地主动相位补偿过程及密钥分发过程的装置，增加了扫描与分发过程的转换时间，增加了光学系统的复杂度，也可能引起噪声干扰，降低了整个系统的工作效率。
基于此，本发明实施例提供的本地主动相位补偿方法及系统，可以避免使用光开关，减少扫描与分发过程的转换时间，降低光学系统的复杂度，减少引起噪声干扰，使整个装置系统的工作更加高效。
为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的本地主动相位补偿系统进行详细介绍。
实施例一：
图1为本发明实施例一提供的本地主动相位补偿系统示意图。
参照图1，本地主动相位补偿系统包括：通过长程光纤相连的A端本地主动相位补偿装置和B端本地主动相位补偿装置。在图1中虚线表示光连接，实线表示电连接。
A端本地主动相位补偿装置包括：依次进行光连接的第一激光光源110、第一强度调制器121、隔离器122、第一光衰减器123、第一光分束耦合器124，分别与第一光分束耦合器124进行光连接的第一法拉第镜126、第二法拉第镜127、在第一光分束耦合器124和第一法拉第镜126之间连接有第一相位调制器125，接着第一光分束耦合器124进行光连接的的有光分束器130、第一单光子探测器140，以及分别与第一单光子探测器140、第一强度调制器121和第一相位调制器125进行电连接的第一控制器150。
其中，光分束器130为50/50光分束器。第一相位调制器125为偏振无关相位调制器。第一法拉第镜126所在的光路为A端短臂光纤，第二法拉第镜127所在的光路为A端长臂光纤。
B端本地主动相位补偿装置包括：依次进行光连接的第二激光光源210、第二强度调制器221、第二光衰减器222、第二光分束耦合器223、环形器224、第三光分束耦合器225，分别与第三光分束耦合器225进行光连接的第三法拉第镜228、第四法拉第镜226，第三光分束耦合器225和第三法拉第镜228之间连接有第二相位调制器227，与第三光分束耦合器225进行光连接的第二单光子探测器230，与环形器224进行光连接的第三单光子探测器240，以及分别与第二强度调制器221、第二相位调制器227、第二单光子探测器230进行电连接的第二控制器250。
其中，环形器224分为1端、2端和3端，并分别对应连接于第二光分束耦合器223、第三光分束耦合器225和第三单光子探测器240。第二光分束耦合器223通过长程光纤与光分束器130相连。
另外，第一控制器150包括第一脉冲生成模块和第一单光子计数反馈模块，其中，第一单光子计数反馈模块包括第一单光子计数模块、第一软件搜索功能模块和第一反馈调相电压模块。同样，第二控制器包括第二脉冲生成模块和第二单光子计数反馈模块，其中，第二单光子计数反馈模块包括第二单光子计数模块、第二软件搜索功能模块和第二反馈调相电压模块。
实施例二：
图2为本发明实施例二提供的本地主动相位补偿方法流程图。
应用于本地主动相位补偿系统，本实施例提供的本地主动相位补偿方法分为两部分：本地主动相位补偿过程和密钥分发过程，参照图2，本地主动相位补偿流程为：光脉冲产生过程→调制处理过程→反馈控制过程。其中，本地主动相位补偿过程又分为A端本地主动相位补偿过程、B端本地主动相位补偿过程。
A端本地主动相位补偿过程具体如下。
光脉冲产生过程：第一激光光源输出激光连续光源，第一控制器在第一时域(T1)控制第一强度调制器将激光连续光源调制成第一光脉冲，第一光脉冲用于A端主动相位补偿，且第一光脉冲的脉宽大于脉冲经过光纤干涉环的A端长臂光纤与A端短臂光纤时所引起的时间差，第一光脉冲经过隔离器到达第一光衰减器衰减至单光子量级的光脉冲；其中，隔离器的作用是防止回波影响光源输出的稳定性。
调制处理过程：第一光脉冲通过第一光分束耦合器并被分为两束：一束沿A端短臂光纤进行传输到达第一法拉第镜反射，另一束沿A端长臂光纤进行传输到达第二法拉第镜反射，两束光脉冲分别由第一法拉第镜和第二法拉第镜反射后发生叠加并在部分叠加区域进行干涉，两束光脉冲将在第一光分束耦合器处进行耦合干涉，并将干涉结果经由50/50光分束器传输至第一单光子探测器；
这里，被分为两束的光脉冲在传输过程中，还可以通过第一相位调制器加载多个调相电压对沿A端短臂光纤传输的一束光脉冲进行相位调制，再使相位调制后的光脉冲与未被调制的光脉冲分别由第一法拉第镜和第二法拉第镜反射后发生叠加并在部分叠加区域进行干涉，两束光脉冲将在第一光分束耦合器处进行耦合干涉，并将干涉结果经由50/50光分束器传输至第一单光子探测器；
反馈控制过程：第一控制器将扫描电压从最小调相电压Vmin以预设步长ΔV扫描到最大调相电压Vmax，第一单光子探测器采集成等阶梯形上升的调相电压形成的干涉条纹，以及干涉后的处于多个调相电压下的光脉冲的单光子数并进行累计计数；第一控制器还根据多个调相电压和相应的单光子数扫描出第一单光子干涉曲线，并获取第一单光子干涉曲线的四个第一工作点，即，将扫描电压从Vmin以步长ΔV扫描到Vmax，每个电压等待若干个脉冲，并对第一单光子探测器进行累计计数，根据同步光经过同步信道后在通过同步光探测器后光信号转换成电信号之后所提取的同步时钟信号，取出A端的脉冲补偿光与同步时钟信号同步的数据，并根据第一单光子探测器扫描所得的干涉条纹获得第一相位调制器的四个第一工作点，四个第一工作点分别为A端的第一单光子干涉曲线处于0相位、π/2相位、π相位以及3π/2相位时分别对应的四个第一调相电压值。
这里，0相位为在一个周期内单光子数为极大值时的第一调相电压值对应的相位，所述π相位为在一个周期内的单光子数为极小值时的第一调相电压值对应的相位，所述π/2相位、3π/2相位为在一个周期内的单光子数为处于极大值与极小值中间的半值点时第一调相电压值分别对应的相位。
B端本地主动相位补偿过程具体如下。
光脉冲产生过程：第二激光光源输出激光连续光源，第二控制器根据来自第一控制器的第一触发信号调节延迟时间并在第二时域(T2)控制第二强度调制器将激光连续光源调制成第二光脉冲，第二光脉冲用于B端主动相位补偿，且第二光脉冲的脉宽大于脉冲经过光纤干涉环的B端长臂光纤与B端短臂光纤时所引起的时间差，第二光脉冲经过第二光衰减器衰减至单光子量级的光脉冲；
调制处理过程：单光子量级的光脉冲经由环形器输出至第三光分束耦合器，第三光分束耦合器将光脉冲分为两束：一束沿B端短臂光纤进行传输到达第三法拉第镜反射，另一束沿B端长臂光纤进行传输到达第四法拉第镜反射，两束光脉冲分别由第三法拉第镜和第四法拉第镜反射后发生叠加并在部分叠加区域进行干涉，两束光脉冲将在第三光分束耦合器处进行耦合干涉，并将干涉结果传输至第二单光子探测器；
这里，被分为两束的光脉冲在传输过程中，还可以通过第二相位调制器加载多个调相电压对沿B端短臂光纤传输的一束光脉冲进行相位调制，再使相位调制后的光脉冲与未被调制的光脉冲分别由第三法拉第镜和第四法拉第镜反射后，在第三光分束耦合器处进行耦合干涉，并将干涉结果传输至第二单光子探测器；
反馈控制过程：第二控制器将扫描电压从最小调相电压Vmin以预设步长ΔV扫描到最大调相电压Vmax，第二单光子探测器采集成等阶梯形上升的调相电压形成的干涉条纹，以及干涉后的处于多个调相电压下的光脉冲的单光子数并进行累计计数；第二控制器根据多个调相电压和相应的单光子数扫描出第二单光子干涉曲线，并获取第二单光子干涉曲线的四个临时工作点，即，将扫描电压从Vmin以步长ΔV扫描到Vmax，每个电压等待若干个脉冲，并对第二单光子探测器进行累计计数，根据同步光经过同步信道后在通过同步光探测器后光信号转换成电信号所之后所提取的同步时钟信号，取出B端的脉冲补偿光与同步时钟信号同步的数据，并根据第二单光子探测器扫描所得的干涉条纹获得第二相位调制器的四个临时工作点，四个临时工作点分别为B端的第二单光子干涉曲线处于0相位、π/2相位、π相位以及3π/2相位时分别对应的四个第二调相电压值。
这里，0相位为在一个周期内的单光子数为极大值时的第二调相电压值对应的相位，所述π相位为在一个周期内的单光子数为极小值时的第二调相电压值对应的相位，所述π/2相位、3π/2相位为在一个周期内的单光子数为处于极大值与极小值中间的半值点时第二调相电压值对应的相位。
密钥分发过程具体如下。
第一激光光源输出激光连续光源，第一控制器根据来自第二控制器的第二触发信号调节延迟时间并在第三时域(T3)再次控制第一强度调制器将激光连续光源调制成第三光脉冲，第三光脉冲用于密钥分发，且第三光脉冲的脉宽小于脉冲经过干涉环的A端长臂光纤与A端短臂光纤时所引起的时间差。
第三光脉冲经过隔离器、第一光衰减器后通过第一光分束耦合器并被分为两束，分别沿A端短臂光纤与A端长臂光纤进行传输，第一相位调制器在传输过程中固定加载其中一个第一工作点对应的调相电压对沿A端短臂光纤传输的一束光脉冲进行相位调制。
两束光脉冲经过第一法拉第镜及第二法拉第镜、第一光分束耦合器、50/50光分束器后分别经一长程光纤入射至第二光分束耦合器，再沿着环形器进入第三光分束耦合器。
第三光分束耦合器将两束光脉冲分为四束光脉冲分别沿B端长臂光纤与B端短臂光纤进行传输，第二相位调制器在传输过程中固定加载其中一个临时工作点对应的调相电压对先沿A端长臂光纤传输、后沿B端短臂光纤传输的一束光脉冲进行相位调制，传输完毕后，使先沿A端长臂光纤传输、后沿B端短臂光纤传输的光脉冲与先沿A端短臂光纤、后沿B端长臂光纤传输的光脉冲在第三光分束耦合器处进行耦合干涉，并将干涉结果传输至第二单光子探测器。
第二控制器将扫描电压从最小调相电压Vmin以预设步长ΔV扫描到最大调相电压Vmax，第二单光子探测器再次采集干涉后的处于多个调相电压下的光脉冲的单光子数，第二控制器还根据多个调相电压和相应的单光子数扫描出联合单光子干涉曲线，从联合单光子干涉曲线找出一个与临时工作点关联的调相电压对应的点，并通过联合单光子干涉曲线上与该点的关联的调相电压和与该点对应的临时工作点关联的调相电压的差值得出相位漂移参数，依据相位漂移参数调整临时工作点得到第二工作点，完成相位补偿过程。
激光光源产生连续光经调制得到所需要的光脉冲，通过不同的同步信号将光脉冲分布到不同的时域上。当A端在T1时域补偿完后产生第一触发信号作用于B端的第二控制器，第二控制器控制第二强度调制器工作在T2时域产生用于补偿的光脉冲。B端完成补偿后，产生第二触发信号作用于第一控制器在T3时域控制第一强度调制器调制得到用于密钥分发的量子光。
通过对上述的本地主动相位补偿过程和密钥分发过程的描述可见，为了防止A端的补偿光脉冲在同一个时域通过长程光纤进入到B端的装置中，而此时B端也在进行主动相位补偿的工作，将导致两束光脉冲重合导致无法得到对应正确的工作点的问题的发生，上述实施例采用的方法是将A、B两端的补偿光脉冲(第一光脉冲和第二光脉冲)和用于密钥分发的量子光脉冲(第三光脉冲)分到三个不同的时域中，如图3所示。
在补偿的过程中，A端的用于补偿的光脉冲被分到第一时域，A端的第一单光子探测器进行累计计数，根据同步光经过同步信道后在通过同步光探测器后光信号转换成电信号之后所提取的同步时钟信号，取出A端的脉冲补偿光与同步时钟信号同步的数据，并根据第一单光子探测器扫描所得的干涉条纹获得第一相位调制器的四个工作点，A端调制的光脉冲在时域上的分布如图4所示。
B端的用于补偿的光脉冲将被分到第二时域，与A端的用于补偿的光脉冲保持一定的延迟时间，当B端的激光发出后，经过第二强度调制器调制成宽脉冲，再经过B端的第二单光子探测器也将进行累计计数，根据同步光经过同步信道后再通过同步光探测器后光信号转换成电信号之后所提取的同步时钟信号，取出B端的脉冲补偿光与其同步时钟信号同步的数据，并根据第二单光子探测器扫描所得的干涉条纹获得第二相位调制器的四个临时工作点，时域分布如图5所示。
用于密钥分发的量子光脉冲(脉宽小于光脉冲通过干涉环的臂长差)则被分到第三时域，如图6所示。
量子光脉冲所占的时域与前两个时域互不重合，同样从单光子探测B1单光子计数的数据中提取出与所述脉冲光的同步时钟信号同步的数据，得到联合单光子干涉曲线，从而确定最终工作点。
实施例三：
图7-11为本发明实施例三提供的脉冲生成模块产生脉冲的方式示意图。
A端的第一控制器和B端的第二控制器各分出两个小模块：脉冲生成模块和单光子计数反馈模块。第一控制器包括第一脉冲生成模块和第一单光子计数反馈模块，第二控制器包括第二脉冲生成模块和第二单光子计数反馈模块。
如图7所示，第一脉冲生成模块产生第一频率的宽方波信号，将T1时域的抽样信号与宽方波信号在时域上进行整合提取出在T1时域的宽方波信号，根据T1时域的宽方波信号控制第一强度调制器将激光连续光源调制成第一光脉冲，用于A端主动相位补偿。
如图8所示，第一脉冲生成模块在接收到第二触发信号后，产生第三频率的窄方波信号，将T3时域的抽样信号与所述窄方波信号在时域上进行整合提取出在T3时域的窄方波信号，根据T3时域的窄方波信号控制第一强度调制器将激光连续光源调制成第三光脉冲，用于密钥分发。
窄方波信号和宽方波信号电耦合输出如图9所示，第一脉冲生成模块产生的窄方波信号和宽方波信号在不同时域上互不干扰，对应的，第三光脉冲和第一光脉冲在不同时域上互不干扰。
如图10所示，第一脉冲生成模块在产生所述宽方波信号时，向所述第二脉冲生成模块发送所述第一触发信号，所述第二脉冲生成模块根据所述第一触发信号产生第二频率的方波信号，将T2时域的抽样信号与所述方波信号在时域上进行整合提取出在T2时域的方波信号，将所述T2时域的方波信号进行延时，根据延时后的方波信号控制所述第二强度调制器将激光连续光源调制成第二光脉冲，用于B端主动相位补偿。
由于A端相位漂移补偿过程中从50/50光分束器进入到B端的光脉冲会影响B端的自补偿过程，所以第二脉冲生成模块接收到第一脉冲生成模块在A端补偿过程开始时发送的第一触发信号时，同时对T2时域的方波信号进行相应的时延，使得A端用于自补偿的光脉冲不会影响到B端的自补偿，实现A端和B端的光脉冲出现在不同的时域上互不干扰。这种分时域的补偿方式即为无源时域控制，最终光脉冲在时域上的结果如图11所示，T1时域用于A端的补偿过程，T2时域用于B端的补偿过程，T3时域用于量子光的密钥分发过程。
第一单光子计数反馈模块包括第一单光子计数模块、第一软件搜索功能模块和第一反馈调相电压模块。第一单光子计数模块对所述第一单光子探测器探测到的单光子中产生的电平信号进行电平计数得到计数值，所述第一软件搜索功能模块根据计数值及相应的调相电压的电压值生成干涉条纹，并采用查找最大值的方法获取干涉条纹中与计数值最高点对应的调相电压，所述第一反馈调相电压模块将计数值最高点对应的调相电压通过电线连接反馈至第一相位调制器进行相位调制。
第二单光子计数反馈模块包括第二单光子计数模块、第二软件搜索功能模块和第二反馈调相电压模块；所述第二单光子计数模块对所述第二单光子探测器探测到的单光子中产生的电平信号进行电平计数得到计数值，所述第二软件搜索功能模块根据计数值及相应的调相电压的电压值生成干涉条纹，并采用查找最大值的方法获取干涉条纹中与计数值最高点对应的调相电压，所述第二反馈调相电压模块将计数值最高点对应的调相电压通过电线连接反馈至第二相位调制器进行相位调制。
实施例四：
图12-13为本发明实施例四提供的对基过程示意图。
在A端和B端的相位漂移已经得到补偿的情况下，经过调制后用于密钥分发的两个光脉冲通过长程光纤进入B端的第二光分束耦合器，经过第三法拉第镜和第四法拉第镜反射后在第三光分束耦合器的输出端产生干涉；得到的干涉光通过第三光分束耦合器进入第二单光子探测器，还通过环形器的2端输出到3端并进入第三单光子探测器，此时在系统中的干涉结果也就是位于T3时域时的结果将在第二单光子探测器、第三单光子探测器中被测量，通过将第二单光子探测器、第三单光子探测器的结果进行对基，从而产生密钥。
现假设第一相位调制器的四个工作电压值分别为：V1、V2、V3、V4，第二相位调制器的四个工作电压分别为：V5、V6、V7、V8，在A端、B端的本地自补偿过程获得工作点的过程都是独立的，A端、B端的补偿电压值不受量子信道影响。假设V1、V2、V3、V4分别对应A端单光子探测器干涉曲线表示单光子相位为0、π/2、π、3π/2时的电压值。V5、V6、V7、V8分别对应B端单光子探测器干涉曲线表示单光子相位为0、π/2、π、3π/2时的电压值。令A的初始相位为(0、π/2)表示0，(π、3π/2)表示1。对于B端只选取(0、π/2)作为测量基，则可以通过第二单光子探测器、第三单光子探测器的结果进行对基，产生密钥。具体过程如图12、图13所示。
B端接受到的码需要根据第二单光子探测器、第三单光子探测器的结果检验得出，且仅当测量基与A端发出的码相同时的基才用于密钥分发。始终规定只有第二单光子探测器响应时结果为0，只有第三单光子探测器响应时结果为1；并且在B端选择0相位对应的调相电压点时，A端的调相电压V2、V4不被B端接收成码，因为此时第二单光子探测器、第三单光子探测器的探测结果是第二单光子探测器、第三单光子探测器都有响应，不成码。如图13，假设B端的第二相位调制器的调相电压设定为V5即B端相位
Figure BDA0001606076470000181
为0，且第二单光子探测器、第三单光子探测器的结果为只有第二单光子探测器响应，可以反推A端此时发送的码为0，而B端的校基结果也为0，即是B端接收到的码为0；若只有第三单光子探测器响应时，结果也与图13相同。若是第二单光子探测器、第三单光子探测器都有响应，则校基的结果不匹配，即图中校检X处。B端选择π/2基作为测量基时的结果也可根据图13推导，这里不再说明。另外，B端选择(0、π/2)作为测量基的结果与选择(π、3π/2)作为测量基的结果是类同的，只需对换第二单光子探测器、第三单光子探测器的响应时代表的比特值交换即可；例如，在B端选择(0、π/2)进行测量时，第二单光子探测器、第三单光子探测器响应时对应的比特值为0、1；当B端选择(π、3π/2)进行测量时，第二单光子探测器、第三单光子探测器响应时对应的比特值为1、0。B端的选基只有B端可知，而探测器的响应结果有对应两个比特值，这两个比特值是只有B端能够得知的，假如Eve能够测得探测器的输出结果，Eve也很难得到正确的成码规律，这样便大大提高了系统的安全性。所以通过B端的选基、以及第二单光子探测器、第三单光子探测器的探测结果便可得出原始密钥。另外，若信道中有Eve进行干扰，则会使误码率增高，通过检测误码率判断是否有Eve对系统进行干扰，通信的安全性得以保障。
经过对基后，B端随机选择筛选码中的N个比特通过经典信道发送给A端，A端将不一致的比特个数n告知B端，得到估计误码率
Figure BDA0001606076470000191
当误码率p≥11％，将重新进行密钥分发过程，当误码率p<11％，则进行量子密钥分发后处理。
经过误码估计后，扣除用于误码估计的N个比特后，筛选所得的筛选数据并不能保证发送端A和接收端B的数据完全一致，因此要对双方的筛选数据进行密钥纠错，通过一定的算法，利用公开信道对筛后数据进行纠错。经过密钥纠错后，还需进行保密放大操作，从部分安全的密钥中提取出具有更高安全性的密钥，提高数据保密性。通过上述步骤，最终获得安全密钥。
本发明实施例带来了以下有益效果：
本发明提供的本地主动相位补偿方法及系统，包括：基于无源时域控制和单光子计数反馈的方法，将补偿过程及分发过程分配在不同的时域进行，即：在第一时域进行A端本地主动相位补偿，在第二时域进行B端本地主动相位补偿，在第三时域进行密钥分发过程，从而缩短扫描与分发过程的转换时间，降低光学系统的复杂度，减少噪声干扰，使整个系统的工作更加高效。
本发明实施例还提供一种电子设备，包括存储器、处理器，存储器中存储有可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述实施例提供的本地主动相位补偿方法的步骤。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器运行时执行上述实施例的本地主动相位补偿方法的步骤。
另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个处理器可执行的非易失的计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种本地主动相位补偿方法，其特征在于，包括：
第一控制器在第一时域控制第一强度调制器将激光连续光源调制成第一光脉冲，所述第一光脉冲用于A端主动相位补偿，所述第一光脉冲通过第一光分束耦合器并被分为两束分别沿A端短臂光纤与A端长臂光纤进行传输，两束光脉冲分别由第一法拉第镜和第二法拉第镜反射后发生叠加并在部分叠加区域进行干涉，其中，第一光脉冲的脉宽大于脉冲经过光纤干涉环的A端长臂光纤与A端短臂光纤时所引起的时间差；
所述第一控制器将扫描电压从最小调相电压以预设步长扫描到最大调相电压，在每个调相电压下利用第一单光子探测器多次探测干涉部分光脉冲的单光子数并进行累计计数，以及根据多个调相电压和相应的单光子数扫描出第一单光子干涉曲线，并获取所述第一单光子干涉曲线的四个第一工作点；所述四个第一工作点分别为A端的第一单光子干涉曲线处于0相位、π/2相位、π相位以及3π/2相位时分别对应的四个第一调相电压值；其中，所述0相位为在一个周期内单光子数为极大值时的第一调相电压值对应的相位，所述π相位为在一个周期内的单光子数为极小值时的第一调相电压值对应的相位，所述π/2相位、3π/2相位为在一个周期内的单光子数为处于极大值与极小值中间的半值点时第一调相电压值分别对应的相位；
第二控制器根据来自所述第一控制器的第一触发信号调节延迟时间并在第二时域控制第二强度调制器将激光连续光源调制成第二光脉冲，所述第二光脉冲用于B端主动相位补偿，所述第二光脉冲通过第三光分束耦合器并被分为两束分别沿B端短臂光纤与B端长臂光纤进行传输，两束光脉冲分别由第三法拉第镜和第四法拉第镜反射后发生叠加并在部分叠加区域进行干涉，其中，第二光脉冲的脉宽大于脉冲经过光纤干涉环的B端长臂光纤与B端短臂光纤时所引起的时间差；
所述第二控制器将扫描电压从最小调相电压以预设步长扫描到最大调相电压，在每个调相电压下利用第一单光子探测器多次探测干涉部分光脉冲的单光子数并进行累计计数，以及根据多个调相电压和相应的单光子数扫描出第二单光子干涉曲线，并获取所述第二单光子干涉曲线的四个临时工作点；所述四个临时工作点分别为B端的第二单光子干涉曲线处于0相位、π/2相位、π相位以及3π/2相位时分别对应的四个第二调相电压值；其中，所述0相位为在一个周期内的单光子数为极大值时的第二调相电压值对应的相位，所述π相位为在一个周期内的单光子数为极小值时的第二调相电压值对应的相位，所述π/2相位、3π/2相位为在一个周期内的单光子数为处于极大值与极小值中间的半值点时第二调相电压值对应的相位；
所述第一控制器根据来自所述第二控制器的第二触发信号调节延迟时间并在第三时域再次控制所述第一强度调制器将激光连续光源调制成第三光脉冲，所述第三光脉冲用于密钥分发，所述第三光脉冲通过第一光分束耦合器并被分为两束分别沿A端长臂光纤与A端短臂光纤进行传输，在经A端长臂光纤和A端短臂光纤传输完毕后，两束光脉冲分别经一长程光纤依次入射至第二光分束耦合器和第三光分束耦合器，第三光分束耦合器将两束光脉冲分为四束光脉冲分别沿B端短臂光纤与B端长臂光纤进行传输，传输完毕后，使先沿A端长臂光纤传输、后沿B端短臂光纤传输的光脉冲与先沿A端短臂光纤、后沿B端长臂光纤传输的光脉冲在部分叠加区域进行干涉，其中，第三光脉冲的脉宽小于脉冲经过干涉环的A端长臂光纤与A端短臂光纤时所引起的时间差；
所述第二控制器将扫描电压从最小调相电压以预设步长扫描到最大调相电压，在每个调相电压下利用第一单光子探测器多次探测干涉部分光脉冲的单光子数并进行累计计数，以及根据多个调相电压和相应的单光子数扫描出联合单光子干涉曲线，从联合单光子干涉曲线找出一个与所述临时工作点关联的调相电压的对应点，并通过联合单光子干涉曲线上与所述对应点的关联的调相电压和与所述对应点对应的临时工作点关联的调相电压的差值得出相位漂移参数，依据所述相位漂移参数调整临时工作点得到第二工作点，完成相位补偿过程。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一控制器包括第一脉冲生成模块；
所述第一脉冲生成模块产生第一频率的宽方波信号，并将第一时域的抽样信号与所述宽方波信号在时域上进行整合提取出在第一时域的宽方波信号，根据所述第一时域的宽方波信号控制所述第一强度调制器将激光连续光源调制成所述第一光脉冲，所述第一光脉冲用于A端主动相位补偿。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第二控制器包括第二脉冲生成模块；
所述第一脉冲生成模块在产生所述宽方波信号时，向所述第二脉冲生成模块发送所述第一触发信号，所述第二脉冲生成模块根据所述第一触发信号产生第二频率的方波信号，并将第二时域的抽样信号与所述方波信号在时域上进行整合提取出在第二时域的方波信号，将所述第二时域的方波信号进行延时，根据延时后的方波信号控制所述第二强度调制器将激光连续光源调制成所述第二光脉冲，所述第二光脉冲用于B端主动相位补偿。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第二脉冲生成模块在产生所述方波信号时，向所述第一脉冲生成模块发送所述第二触发信号，所述第一脉冲生成模块根据所述第二触发信号产生第三频率的窄方波信号，并将第三时域的抽样信号与所述窄方波信号在时域上进行整合提取出在第三时域的窄方波信号，根据所述第三时域的窄方波信号控制所述第一强度调制器将激光连续光源调制成所述第三光脉冲，所述第二光脉冲用于密钥分发。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一控制器还包括第一单光子计数反馈模块，所述第一单光子计数反馈模块包括第一单光子计数模块、第一软件搜索功能模块和第一反馈调相电压模块；
所述第一单光子计数模块对所述第一单光子探测器探测到的单光子中产生的电平信号进行电平计数得到计数值，所述第一软件搜索功能模块根据计数值及相应的调相电压的电压值生成干涉条纹，并采用查找最大值的方法获取干涉条纹中与计数值最高点对应的调相电压，所述第一反馈调相电压模块将计数值最高点对应的调相电压通过电线连接反馈至第一相位调制器进行相位调制。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二控制器还包括第二单光子计数反馈模块，所述第二单光子计数反馈模块包括第二单光子计数模块、第二软件搜索功能模块和第二反馈调相电压模块；
所述第二单光子计数模块对所述第二单光子探测器探测到的单光子中产生的电平信号进行电平计数得到计数值，所述第二软件搜索功能模块根据计数值及相应的调相电压的电压值生成干涉条纹，并采用查找最大值的方法获取干涉条纹中与计数值最高点对应的调相电压，所述第二反馈调相电压模块将计数值最高点对应的调相电压通过电线连接反馈至第二相位调制器进行相位调制。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述四个第一工作点分别为第一单光子干涉曲线处于0相位、π/2相位、π相位以及3π/2相位时分别对应的四个第一调相电压值，其中，所述0相位为在一个周期内单光子数为极大值时的第一调相电压值对应的相位，所述π相位为在一个周期内的单光子数为极小值时的第一调相电压值对应的相位，所述π/2相位、3π/2相位为在一个周期内的单光子数为处于极大值与极小值中间的半值点时第一调相电压值分别对应的相位。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述四个临时工作点分别为第二单光子干涉曲线处于0相位、π/2相位、π相位以及3π/2相位时分别对应的四个第二调相电压值，其中，所述0相位为在一个周期内的单光子数为极大值时的第二调相电压值对应的相位，所述π相位为在一个周期内的单光子数为极小值时的第二调相电压值对应的相位，所述π/2相位、相位为在一个周期内的单光子数为处于极大值与极小值中间的半值点时第二调相电压值对应的相位。
9.一种本地主动相位补偿系统，其特征在于，所述系统应用权利要求1至8任一项所述的本地主动相位补偿方法，包括：通过长程光纤相连的A端本地主动相位补偿装置和B端本地主动相位补偿装置；
所述A端本地主动相位补偿装置包括：通过光连接的第一激光光源、第一强度调制器、第一光分束耦合器、第一相位调制器、第一单光子探测器，以及分别与所述第一强度调制器、所述第一单光子探测器、所述第一相位调制器进行电连接的第一控制器；
所述B端本地主动相位补偿装置包括：通过光连接的第二激光光源、第二强度调制器、第二光分束耦合器、第三光分束耦合器、第二相位调制器、第三单光子探测器，以及分别与所述第二强度调制器、所述第三单光子探测器、所述第二相位调制器进行电连接的第二控制器。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述第一控制器包括第一脉冲生成模块和第一单光子计数反馈模块，所述第一单光子计数反馈模块包括第一单光子计数模块、第一软件搜索功能模块和第一反馈调相电压模块。
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