CN110545182B - 双路即插即用量子密钥分发系统的自适应光路补偿方法 - Google Patents

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Abstract

针对现有双路即插即用量子密钥分发系统中光学器件容易受到外界环境的影响而导致系统不能长时间高效稳定运行的问题，本发明提供一种双路即插即用量子密钥分发系统的自适应光路补偿方法，属于量子通信技术领域。本发明针对Alice端的相位调制器，Bob端的相位调制器及Alice端探测光子的单光子探测器SPD0、SPD1的控制时钟延时进行精确控制与补偿，并分别在启动时和运行过程中进行实时补偿，使量子密钥分发系统能够在每次开机运行前核心光学器件的工作参数处于较好的状态，并且能够维持系统长时间处于一种高效工作的状态，以保持量子密钥分发系统的高效稳定运行。

Description

双路即插即用量子密钥分发系统的自适应光路补偿方法
技术领域
本发明涉及一种量子密钥分发系统，特别涉及一种自适应光路补偿后的量子密钥分发系统，属于量子通信技术领域。
背景技术
量子密钥分发(QKD)利用量子力学的基本原理来实现密钥的安全分发。近年来QKD得到了快速的发展，并逐步进入实用阶段。QKD系统一般分为三部分：物理层、后处理层及控制层。物理层是量子密钥分发系统的基础，负责量子态的制备、传输和测量，生成原始密钥；后处理层的功能是将物理层生成的原始密钥转换为最终安全密钥，包括筛选、误码协商、保密增强和信道认证等过程；控制层负责控制物理层与后处理层的正常工作。
控制层作为QKD系统的重要组成部分在维持系统的高效稳定运行中发挥着重要作用。QKD系统的控制层通常包括时钟信号生成控制、时钟同步控制、信号处理等本领域技术人员已提出了一些控制方案。例如，现有技术中有一种帧格式编码方案来实现信息同步。Park B现有技术中有一种光路补偿算法来保持系统稳定，可以有效地补偿雪崩光电二极管(APD)的计数率随光纤环境的变化。
但实际QKD系统中存在的一些问题还没有很好的解决方案。例如，环境的变化不仅会影响雪崩光电二极管，而且会影响基于相位调制的QKD系统的另一个核心器件——相位调制器；系统不仅在开机时需要保证物理层的单光子探测器和相位调制器处于正常的工作状态，在运行过程中雪崩光电二极管的工作效率也会受到温度的影响而降低。因此对量子密钥分发系统中的核心光学器件进行自适应的参数控制调节对于维持系统长时间的稳定运行是十分必要的。
发明内容
针对现有双路即插即用量子密钥分发系统中光学器件容易受到外界环境的影响而导致系统不能长时间高效稳定运行的问题，本发明提供一种双路即插即用量子密钥分发系统的自适应光路补偿方法。
本发明的一种双路即插即用量子密钥分发系统的自适应光路补偿方法，双路即插即用量子密钥分发系统在启动过程中，所述自适应光路补偿方法包括：
S1、根据系统光路参数计算出每个工作周期内系统中各个核心光学器件的控制时钟延时理论值；单光子探测器SPD0和SPD1分别在量子密钥分发系统中的两路光脉冲P1和P2的相位差为π的偶数倍、奇数倍时探测到达Bob端的光子；
S2、根据单光子探测器SPD0的探测值大小和S1中计算出的单光子探测器SPD0的控制时钟延时理论值，以该理论值为中心设置单光子探测器SPD0的控制时钟延时调节区间，调节Alice端和Bob端的相位加载模式，使光子到达Bob端时全部分布在单光子探测器SPD0上，在所述单光子探测器SPD0的控制时钟延时调节区间内对单光子探测器SPD0的控制时钟延时进行调节，获取单光子探测器SPD0的探测值最大值对应的控制时钟延时作为单光子探测器SPD0初始工作控制时钟延时，结合单光子探测器SPD0与单光子探测器SPD1工作控制时钟延时的固定差值，确定单光子探测器SPD1初始工作控制时钟延时，验证单光子在单光子探测器SPD0上的探测值是否符合设定的阈值，若是，转入S3，若否，则调节失败；
S3、根据S1中计算出的Bob端相位调制器控制时钟延时理论值，以该理论值为中心设置Bob端相位调制器的控制时钟延时调节区间，调节Alice端和Bob端的相位加载模式，在所述相位调制器的控制时钟延时调节区间内调节Bob端相位调制器的延时，使得光子均匀分布在单光子探测器SPD0和单光子探测器SPD1上，将此时的Bob端相位调制器的延时作为Bob端相位调制器的实际控制时钟延时，验证单光子在单光子探测器SPD0和单光子探测器SPD1上的探测值是否符合设定的阈值，若是，转入S4，若否，则调节失败，返回S2；
S4、根据S1中计算出的Alice端相位调制器控制时钟延时理论值，以该理论值为中心设置Alice端相位调制器的控制时钟延时调节区间，调节Alice端和Bob端的相位加载模式，在所述Alice端相位调制器的控制时钟延时调节区间内调节Bob端相位调制器的延时，使得全部分布在单光子探测器SPD1上，将此时的Alice端相位调制器的延时作为Alice端相位调制器的实际控制时钟延时，验证单光子在单光子探测器SPD0和单光子探测器SPD1上的探测值是否符合设定的阈值，若是，转入S5，若否，则调节失败，返回S2；
S5、在S2中单光子探测器SPD0初始工作控制时钟延时及单光子探测器SPD1初始工作控制时钟延时、S3中Bob端相位调制器的实际控制时钟延时及S4中Alice端相位调制器的实际控制时钟延时的基础上，调节Alice端和Bob端的相位加载模式，判断系统中的单光子是否全部分布在单光子探测器SPD0上，及单光子探测器SPD0上的探测值是否符合设定阈值，若是，完成补偿，系统开始运行，若否，则调节失败，返回S2。
作为优选，所述S1中，通过公式
Figure BDA0002232789290000031
计算出每个工作周期内系统中各个核心光学器件的控制时钟理论延时值，其中L表示光子从发射端到光子到达相应光学器件的路径的光纤长度，C为光速。
作为优选，所述S2中，调节Alice端和Bob端的相位加载模式为：Bob端编码设为0相位，Alice端编码设为0相位的模式；
所述S3中，调节Alice端和Bob端的相位加载模式为：Bob端编码设为π/2相位，Alice端编码设为0相位；
所述S4中，调节Alice端和Bob端的相位加载模式包括两种，首先调节为：将Bob端编码设为0相位，Alice端编码设为π相位，然后调节为：将Bob端编码设为π/2相位，Alice端编码设为3π/2相位；
所述S5中，调节Alice端和Bob端的相位加载模式为：Bob端编码设为π/2相位，Alice端编码设为π/2相位。
作为优选，所述方法还包括：
判断返回S2的次数，若是大于设定阈值N，则系统停止运行。
作为优选，所述双路即插即用量子密钥分发系统在运行过程中，所述自适应光路补偿方法还包括：
S6、根据单光子探测器SPD0和单光子探测器SPD1初始工作控制时钟延时分别创建单光子探测器SPD0和单光子探测器SPD1延时有效调节范围；
S7、在S6确定的延时有效调节范围内，以单光子探测器SPD0/SPD1初始的工作控制时钟延为中心，选择一对或者多对控制时钟延时值；
S8、在S7选择的控制时钟延时值下，单光子探测器SPD0/SPD1进行多次测量并获得单光子探测器SPD0/SPD1在每个控制时钟延时值下的平均值；
S9、选择平均值最大对应的控制时钟延时作为单光子探测器SPD0/SPD1新的初始工作控制时钟延时；
S10、转入S6，直到系统停止运行。
作为优选，所述S7中，以单光子探测器SPD0/SPD1初始的工作控制时钟延为中心，对称选择一对或者多对控制时钟延时值。
本发明的有益效果，本发明从启动和运行过程中来解决量子密钥分发系统中光学器件容易受到外界环境的影响而导致系统不能长时间高效稳定运行的问题，本发明能够使量子密钥分发系统能够在每次开机运行前核心光学器件的工作参数处于较好的状态，并且能够维持系统长时间处于一种高效工作的状态，以保持量子密钥分发系统的高效稳定运行。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中双路即插即用量子密钥分发系统的工作原理图；
图2为本发明具体实施方式中双路即插即用量子密钥分发系统在启动中的自适应光路补偿的方法工作流程图；
图3为发明具体实施方式中的相位编码示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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作出创造性劳动的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。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
本发明的自适应光路补偿方法针对的是双路即插即用量子密钥分发系统，双路即插即用的工作原理如图1所示。具体为：在Bob端，激光器LD发出波长为1550nm的线性偏振脉冲激光，待耦合进保偏光纤后，经过保偏环行器Circulator及50/50分束器BS并一分为二为两束光P1和P2；P1经过Bob端相位调制器PMB，P2经过延迟光纤DL，P1和P2在Bob端保偏合束器PBS处进行耦合经过单模光纤SMF到达Alice端；在Alice端，光束将经过一个衰减器ATT进行强衰减，在通过存储光纤后，光线进入Alice端保偏分束器PBS，P1进行顺时针旋转通过法拉第转镜FR，经过Alice端的相位调制器PMA和强度调制器IM之后进入保偏合束器PBS；P2作逆时针旋转，经过强度调制器IM和相位调制器PMA，但是此时强度调制器IM和相位调制器PMA不工作，然后经过法拉第转镜FR进入保偏分束器PBS；两脉冲再次通过信道返回Bob端；Bob端控制层工作，使相位调制器PMB工作对P2进行相位加载；P1和P2同时到达Bob端的分束器BS并在此进行干涉，此时Bob端控制层控制单光子探测器SPD0和单光子探测器SPD1进行数据采集并上传至后处理层。单光子探测器SPD0和SPD1分别在P1和P2的相位差为π的偶数倍、奇数倍时探测到达Bob端的光子；
相对于其他光学器件，Alice端的相位调制器PMA，Bob端的相位调制器PMB以及单光子探测器SPD0、SPD1的控制时钟延时需要进行精确的控制与补偿。否则，会因为光子到达时间与其工作时间的不匹配，导致量子密钥分发系统无法正常工作。同时，实际的量子密钥分发系统会因外界环境的变化而导致其工作效率下降。本实施方式在量子密钥分发系统启动时和运行过程中进行实时补偿。
本实施方式双路即插即用量子密钥分发系统在启动时进行自适应光路补偿的方法如图2所示，方法如下：
步骤一：系统光路核心光学器件的控制时钟延时计算：
根据系统光路参数，通过公式
Figure BDA0002232789290000051
计算出每个工作周期内系统中各个核心光学器件的控制时钟理论延时值，其中L表示光子从发射端到光子到达相应光学器件的路径的光纤长度，C为光速；
步骤二：单光子探测器SPD0控制时钟延时补偿：
基于步骤一得到的单光子探测器的控制时钟延时理论值，并以此为中心设置单光子探测器SPD0的控制时钟延时调节区间，采用图3的相位编码方法采用将Bob端编码设为0相位，Alice端设为0相位的模式，使光子到达Bob端时几乎全部分布在单光子探测器0，在所述单光子探测器SPD0的控制时钟延时调节区间内对单光子探测器SPD0的控制时钟延时进行调节，获取单光子探测器SPD0的探测值最大值对应的控制时钟延时作为单光子探测器SPD0初始工作控制时钟延时，结合单光子探测器SPD0与单光子探测器SPD1工作控制时钟延时的固定差值，确定单光子探测器SPD1初始工作控制时钟延时；验证单光子在单光子探测器SPD0上的探测值是否符合设定的阈值，若是，转入S3，若否，则调节失败；
步骤三：Bob端相位调制器控制时钟延时补偿：
基于步骤一得到的Bob端相位调制器控制时钟延时的理论值对Bob端相位调制器的延时进行适当的调节并验证。具体而言，采用图3的相位编码方法将系统的相位加载模式设为Bob端为π/2相位，Alice端为0相位，在所述相位调制器的控制时钟延时调节区间内调节Bob端相位调制器的延时，使得光子均匀分布在单光子探测器SPD0和单光子探测器SPD1上，将此时的Bob端相位调制器的延时作为Bob端相位调制器的实际控制时钟延时，验证单光子在单光子探测器SPD0和单光子探测器SPD1上的探测值是否符合设定的阈值，若是，转入S4，若否，则调节失败，返回S2；
步骤四：Alice端相位调制器控制时钟延时补偿：
基于步骤一得到的Alice端相位调制器控制时钟延时理论值对Alice端相位调制器的延时进行适当的调节并验证。具体而言，采用图3的相位编码方法，与步骤三不同的是，步骤四需要将系统的相位加载模式设为Bob端为0相位、Alice端为π相位与Bob端为π/2相位、Alice端为3π/2相位等两种，使得光子几乎全部分布在单光子探测器SPD1上，将此时的Alice端相位调制器的延时作为Alice端相位调制器的实际控制时钟延时，验证单光子在单光子探测器SPD0和单光子探测器SPD1上的探测值是否符合设定的阈值，若是，转入步骤五，若否，则调节失败，返回步骤二；
步骤五：相位调制器控制时钟延时验证：
基于步骤二、三、四得到的不同器件的控制时钟延时值验证延时值是否正确。
具体而言，将系统的相位加载模式设为Bob端为π/2相位，Alice端为π/2相位，验证单光子在是否几乎全部分在单光子探测器SPD0上，且其值符合设定的阈值，如果不满足则调节失败，返回步骤二重新进行调节。
步骤六：如果整个调节过程中返回步骤二的次数大于设定阈值N，则系统不运行，否则，系统开始运行。
系统开始运行，本实施方式的双路即插即用量子密钥分发系统在运行过程中对单光子探测器进行自适应补偿的方法，包括：
步骤一：根据单光子探测器SPD0/SPD1初始工作控制时钟延时创建有效调节范围。
有效调节范围是基于初始单光子探测器控制时钟延时进行扩展的范围，其取决于所使用的SPD的性能。值得注意的是在此范围内，虽然SPD的计数可能会发生振动，但几乎不影响QKD系统的效率。
步骤二：控制时钟调节延时值选取：
在步骤一确定的有效调节范围内，以单光子探测器SPD0/SPD1初始的工作控制时钟延为中心，选择一对或者多对控制时钟延时值；例如选择一对，这一对控制时钟延时值在有效调节范围内位于单光子探测器SPD0/SPD1初始的工作控制时钟延两侧，优选实施例，这一对控制时钟延时值关于单光子探测器SPD0/SPD1初始的工作控制时钟延对称，本实施方式选择了三个控制时钟延时值；
步骤三：单光子数量测量：
在步骤二确定的三个控制时钟延时值下，单光子探测器SPD0/SPD1进行多次测量并，单光子探测器SPD0/SPD1在每个控制时钟延时值下的平均值。
步骤四：确定新的初始控制时钟延时：
选择平均值最大对应的控制时钟延时作为单光子探测器SPD0/SPD1新的初始工作控制时钟延时；
步骤五：转入步骤一，直到系统停止运行。
本实施方式从启动和运行过程中来解决量子密钥分发系统中光学器件容易受到外界环境的影响而导致系统不能长时间高效稳定运行的问题，能够使量子密钥分发系统能够在每次开机运行前核心光学器件的工作参数处于较好的状态，并且能够维持系统长时间处于一种高效工作的状态，以保持量子密钥分发系统的高效稳定运行。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (4)

1.一种双路即插即用量子密钥分发系统的自适应光路补偿方法，其特征在于，双路即插即用量子密钥分发系统在启动过程中，所述自适应光路补偿方法包括：
S1、根据系统光路参数计算出每个工作周期内系统中各个核心光学器件的控制时钟延时理论值；单光子探测器SPD0和SPD1分别在量子密钥分发系统中的两路光脉冲P1和P2的相位差为π的偶数倍、奇数倍时探测到达Bob端的光子；
S2、根据单光子探测器SPD0的探测值大小和S1中计算出的单光子探测器SPD0的控制时钟延时理论值，以该理论值为中心设置单光子探测器SPD0的控制时钟延时调节区间，调节Alice端和Bob端的相位加载模式，使光子到达Bob端时全部分布在单光子探测器SPD0上，在所述单光子探测器SPD0的控制时钟延时调节区间内对单光子探测器SPD0的控制时钟延时进行调节，获取单光子探测器SPD0的探测值最大值对应的控制时钟延时作为单光子探测器SPD0初始工作控制时钟延时，结合单光子探测器SPD0与单光子探测器SPD1工作控制时钟延时的固定差值，确定单光子探测器SPD1初始工作控制时钟延时，验证单光子在单光子探测器SPD0上的探测值是否符合设定的阈值，若是，转入S3，若否，则调节失败；
S3、根据S1中计算出的Bob端相位调制器控制时钟延时理论值，以该理论值为中心设置Bob端相位调制器的控制时钟延时调节区间，调节Alice端和Bob端的相位加载模式，在所述相位调制器的控制时钟延时调节区间内调节Bob端相位调制器的延时，使得光子均匀分布在单光子探测器SPD0和单光子探测器SPD1上，将此时的Bob端相位调制器的延时作为Bob端相位调制器的实际控制时钟延时，验证单光子在单光子探测器SPD0和单光子探测器SPD1上的探测值是否符合设定的阈值，若是，转入S4，若否，则调节失败，返回S2；
S4、根据S1中计算出的Alice端相位调制器控制时钟延时理论值，以该理论值为中心设置Alice端相位调制器的控制时钟延时调节区间，调节Alice端和Bob端的相位加载模式，在所述Alice端相位调制器的控制时钟延时调节区间内调节Bob端相位调制器的延时，使得光子全部分布在单光子探测器SPD1上，将此时的Alice端相位调制器的延时作为Alice端相位调制器的实际控制时钟延时，验证单光子在单光子探测器SPD0和单光子探测器SPD1上的探测值是否符合设定的阈值，若是，转入S5，若否，则调节失败，返回S2；
S5、在S2中单光子探测器SPD0初始工作控制时钟延时及单光子探测器SPD1初始工作控制时钟延时、S3中Bob端相位调制器的实际控制时钟延时及S4中Alice端相位调制器的实际控制时钟延时的基础上，调节Alice端和Bob端的相位加载模式，判断系统中的单光子是否全部分布在单光子探测器SPD0上，及单光子探测器SPD0上的探测值是否符合设定阈值，若是，完成补偿，系统开始运行，若否，则调节失败，返回S2；
所述S1中，通过公式
Figure FDA0003676825870000021
计算出每个工作周期内系统中各个核心光学器件的控制时钟理论延时值，其中L表示光子从发射端到光子到达核心光学器件的路径的光纤长度，C为光速；
所述S2中，调节Alice端和Bob端的相位加载模式为：Bob端编码设为0相位，Alice端编码设为0相位的模式；
所述S3中，调节Alice端和Bob端的相位加载模式为：Bob端编码设为π/2相位，Alice端编码设为0相位；
所述S4中，调节Alice端和Bob端的相位加载模式包括两种，首先调节为：将Bob端编码设为0相位，Alice端编码设为π相位，然后调节为：将Bob端编码设为π/2相位，Alice端编码设为3π/2相位；
所述S5中，调节Alice端和Bob端的相位加载模式为：Bob端编码设为π/2相位，Alice端编码设为π/2相位。
2.根据权利要求1所述的双路即插即用量子密钥分发系统的自适应光路补偿方法，其特征在于，所述方法还包括：
判断返回S2的次数，若是大于设定阈值N，则系统停止运行。
3.根据权利要求1所述的双路即插即用量子密钥分发系统的自适应光路补偿方法，其特征在于，所述双路即插即用量子密钥分发系统在运行过程中，所述自适应光路补偿方法还包括：
S6、根据单光子探测器SPD0和单光子探测器SPD1初始工作控制时钟延时分别创建单光子探测器SPD0和单光子探测器SPD1延时有效调节范围；
S7、在S6确定的延时有效调节范围内，以单光子探测器SPD0和单光子探测器SPD1初始的工作控制时钟延时为中心，选择一对或者多对控制时钟延时值；
S8、在S7选择的控制时钟延时值下，单光子探测器SPD0和单光子探测器SPD1进行多次测量并获得单光子探测器SPD0和单光子探测器SPD1在每个控制时钟延时值下的平均值；
S9、选择平均值最大对应的控制时钟延时作为单光子探测器SPD0和单光子探测器SPD1新的初始工作控制时钟延时；
S10、转入S6，直到系统停止运行。
4.根据权利要求3所述的双路即插即用量子密钥分发系统的自适应光路补偿方法，其特征在于，所述S7中，以单光子探测器SPD0和单光子探测器SPD1初始的工作控制时钟延时为中心，对称选择一对或者多对控制时钟延时值。
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