CN110677244A - 一种适用于连续变量量子密钥分发系统的自平衡方法 - Google Patents

一种适用于连续变量量子密钥分发系统的自平衡方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于连续变量量子密钥分发系统的自平衡方法，包括如下步骤：步骤一、当CV‑QKD系统进入平衡校准阶段时，首先通过输入光控制模块控制断开信号光；步骤二、输入光控制模块控制本振光路输入直流光，完成平衡光路的强度平衡较准；步骤三、输入光控制模块控制本振光路输入周期性的脉冲光信号，完成平衡光路的延时匹配校准。本发明的积极效果是：通过断开信号光路，校准零差探测系统的强度和延时，可以减少信号光路对自平衡校准的干扰，从而提高平衡精度；通过采用直流光校准强度平衡，周期性脉冲光校准延时匹配的方法，消除了强度不平衡和延时不匹配同时校准时二者之间的相互干扰，从而减小控制算法对特征提取的难度。

Description

一种适用于连续变量量子密钥分发系统的自平衡方法
技术领域
本发明涉及一种适用于连续变量量子密钥分发系统的自平衡方法。
背景技术
不同于经典密码，量子密码的安全性并非基于数学复杂性，而是基于量子力学的基本原理，从理论上讲具有无条件安全性。量子密钥分发(Quantum Key Distribution,QKD)是过去三十年中发展最为成熟的量子密码技术，在理论和实验上都有重要突破，现已逐步进入实用阶段。连续变量量子密钥分发(CV-QKD)采用光场的正交分量加载信息，它具备光源制备简单，探测技术相对成熟且探测效率高，能够兼容于经典光纤通信系统信道等优点。
在CV-QKD系统中，安全密钥生成速率是衡量密钥分发系统性能的核心参数，其大小与探测系统的测量精度密切相关，主要包括探测器的共模抑制比和系统的长期工作稳定性。目前，CV-QKD系统的接收端一般采用零差探测来探测量子态的正则分量信息，在零差探测系统中，通过调整两路光的延时差和强度相等，实现两路光的高精度平衡，是提高探测系统共模抑制比和稳定性的重要手段。实现零差探测系统平衡调节的方式有手动平衡调节和自动平衡调节，手动平衡调节调试时间长，调节精度低，对调节人员经验依赖度较高，并且不便于集成和小型化实现，而自动平衡调节平衡精度高，调节时间短，更便于集成化。目前，自动平衡调节一般是利用本振光和信号光的互相干涉，然后接收端运用零差探测的原理，将量子级别的弱光信号转变为电信号，并将两路电信号相减得到差模信号并进行放大，为处理模块提供数据，处理模块用特定的算法对差模信号进行数据处理，并根据处理结果判断两光路是否处于平衡状态。若处于平衡状态，则反馈信息到平衡光路模块，保持此时的延时和衰减；若不处于平衡状态，则反馈信息到平衡光路模块，调节此时的延时和衰减。现有的自动平衡调节方法是利用本振光和信号光的相干结果，反馈控制平衡调节光路，由于信号光是量子级别的微弱信号，本身容易受到干扰，如果用于平衡调节，会使自动平衡调节的复杂程度和难度增加，并且使平衡的稳定性降低；其次，强度平衡和延时匹配同时校准会使强度不平衡和延时不匹配对平衡探测的结果相互干扰，从而使平衡调节的算法难度和成本提高，系统的平衡精度和稳定性降低。
发明内容
为了克服现有技术的上述难点，本发明提供了一种适用于连续变量量子密钥分发系统的自平衡方法，旨在解决现有的自动平衡调节方法是利用本振光和信号光的相干结果，反馈控制平衡调节光路，由于信号光是量子级别的微弱信号，本身容易受到干扰，如果用于平衡调节，会使自动平衡调节的复杂程度和难度增加，并且使平衡的稳定性降低；其次，强度平衡和延时匹配同时校准会使强度不平衡和延时不匹配对平衡探测的结果相互干扰，从而使平衡调节的算法难度和成本提高，系统的平衡精度和稳定性降低。本发明通过断开信号光路，消除信号光路对系统平衡调节的影响，通过强度平衡和延时匹配分开校准的方式，消除强度较准和延时校准之间的相互干扰，降低了平衡校准的实现难度，同时提高了系统的平衡校准精度和稳定性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种适用于连续变量量子密钥分发系统的自平衡方法，包括如下步骤：
步骤一、当CV-QKD系统进入平衡校准阶段时，首先通过输入光控制模块控制断开信号光；
步骤二、输入光控制模块控制本振光路输入直流光，完成平衡光路的强度平衡较准；
步骤三、输入光控制模块控制本振光路输入周期性的脉冲光信号，完成平衡光路的延时匹配校准。
与现有技术相比，本发明的积极效果是：
(1)通过断开信号光路，校准零差探测系统的强度和延时，可以减少信号光路对自平衡校准的干扰，从而提高平衡精度；
(2)通过采用直流光校准强度平衡，周期性脉冲光校准延时匹配的方法，消除了强度不平衡和延时不匹配同时校准时二者之间的相互干扰，从而减小控制算法对特征提取的难度，降低实现难度和成本，有效提高平衡的精度和稳定性，进而提高CV-QKD系统的安全密钥生成速率。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1为本发明的高精度自平衡工作原理图。
具体实施方式
本发明提出了一种适用于连续变量量子密钥分发系统的自平衡方法，以解决现有自平衡方法中因信号光干扰，强度和延时同时校准时强度失配与延时失配结果互干扰引起的零差探测系统的检测精度和稳定性性能降低的问题，进一步提高零差探测系统的检测精度和稳定性，从而提高CV-QKD系统的安全密钥生成速率。
如图1所示，本发明包括如下模块：输入光控制模块、50:50耦合器、两个平衡调节光路模块、零差探测模块、自平衡控制模块及其包括的模数转换模块、算法模块、数模转换模块等，其中：
1、输入光控制模块由控制板卡和光开关组成，控制板卡接受控制指令，控制光开关的通断，以此实现光路的开断控制；
2、50:50耦合器是一种常用的分束比为50：50的2x2的光纤耦合器，功能是实现平衡调节光路模块两臂的强度大致相等；
3、平衡调节光路模块与CV-QKD系统常用的平衡光路一致，包括强度调节模块和延时调节模块，一般采用电控衰减器调节强度衰减，采用电控光纤延迟线调节延时；
4、零差探测模块采用高增益、低噪声、高共模抑制比的平衡零差探测器，实现光电转换和差模放大输出；
5、自平衡控制模块包括模数转换模块、算法模块、数模转换模块等，模数转换模块对零差探测模块的模拟电信号进行采样得到数字信号并发送给算法模块，算法模块由DSP或FPGA或计算机等硬件逻辑电路和算法流程组成，主要功能是计算出强度不平衡的偏移量和延时不匹配的偏移量大小，然后通过数模转换模块调节平衡调节光路的强度和延时，使平衡调节光路的强度平衡，延时匹配。
本方案的技术细节如下：通过输入光控制模块控制信号光路断开，减少信号光路对自平衡调节的干扰，本振光经50:50耦合器和零差探测模块，实现光电信号转换和差模信号放大输出，自平衡控制模块通过检测零差检测模块的输出结果，通过算法处理获得平衡状态的偏移量以及偏移控制量，对平衡调节光路进行平衡调节。
具体实现过程如下：1)当CV-QKD系统进入平衡校准阶段，先通过输入光控制模块控制断开信号光，减少信号光路对自平衡调节的干扰；2)当输入光控制模块控制本振光路输入直流光，完成平衡光路的强度平衡较准。当本振光为直流光时，此时零差探测模块的输出不平衡主要是由平衡光路强度不平衡造成。通过自平衡控制模块中的模数转换模块完成零差探测模块的输出电压值采集，并发送给算法模块，算法模块通过获得的电压值的大小和正负号，与相应的阈值电压进行比较，获得强度平衡状态偏移量的大小，再经过查找标定好的电控衰减器电压与衰减量的关系表，给出合适的驱动电压，通过数模转换模块驱动平衡光路的强度调节器件，调节平衡光路的光功率，如此循环直到零差探测模块的输出稳定在某一阈值范围内，如此便完成了强度平衡的校准；3)当输入光控制模块控制本振光路输入周期性的脉冲光信号，脉冲周期与CV-QKD系统适配。通过自平衡控制模块中的模数转换模块完成零差探测器的输出电压值采集，并发送给算法模块，算法模块通过获得的电压值的大小和正负号，与相应的阈值电压进行比较，获得延时不匹配状态偏移量的大小，再经过查找标定好的电控光纤延时线电压与延时的关系表，给出合适的驱动电压，通过数模转换模块驱动平衡光路的长度调节器件，改变平衡光路长度，如此循环直到零差探测器的输出稳定在某一阈值范围内，如此便完成了延时匹配的校准。

Claims (8)

1.一种适用于连续变量量子密钥分发系统的自平衡方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、当CV-QKD系统进入平衡校准阶段时，首先通过输入光控制模块控制断开信号光；
步骤二、输入光控制模块控制本振光路输入直流光，完成平衡光路的强度平衡较准；
步骤三、输入光控制模块控制本振光路输入周期性的脉冲光信号，完成平衡光路的延时匹配校准。
2.根据权利要求1所述的一种适用于连续变量量子密钥分发系统的自平衡方法，其特征在于：所述周期性的脉冲光信号的脉冲周期与CV-QKD系统适配。
3.根据权利要求1所述的一种适用于连续变量量子密钥分发系统的自平衡方法，其特征在于：步骤二所述对平衡光路的强度平衡较准方法为：所述直流光通过50:50耦合器实现平衡调节光路模块两臂的强度大致相等，通过自平衡控制模块中的模数转换模块完成零差探测模块的输出电压值采集，并发送给算法模块，算法模块通过获得的电压值的大小和正负号，与相应的阈值电压进行比较，获得强度平衡状态偏移量的大小，再经过查找标定好的电控衰减器电压与衰减量的关系表，确定驱动电压并发送给数模转换模块，通过数模转换模块驱动平衡调节光路模块的强度调节器件，调节平衡光路的光功率，如此循环直到零差探测模块的输出稳定在某一阈值范围内。
4.根据权利要求1所述的一种适用于连续变量量子密钥分发系统的自平衡方法，其特征在于：步骤三所述对平衡光路的延时匹配校准方法为：所述脉冲光通过50:50耦合器实现平衡调节光路模块两臂的强度相等，通过自平衡控制模块中的模数转换模块完成零差探测器的输出电压值采集，并发送给算法模块，算法模块通过获得的电压值的大小和正负号，与相应的阈值电压进行比较，获得延时不匹配状态偏移量的大小，再经过查找标定好的电控光纤延时线电压与延时的关系表，确定驱动电压并发送给数模转换模块，通过数模转换模块驱动平衡调节光路模块的长度调节器件，改变平衡光路长度，如此循环直到零差探测模块的输出稳定在某一阈值范围内。
5.根据权利要求3或4所述的一种适用于连续变量量子密钥分发系统的自平衡方法，其特征在于：所述50:50耦合器是分束比为50：50的2x2的光纤耦合器。
6.根据权利要求3或4所述的一种适用于连续变量量子密钥分发系统的自平衡方法，其特征在于：所述平衡调节光路模块包括强度调节模块和延时调节模块，采用电控衰减器调节强度衰减，采用电控光纤延迟线调节延时。
7.根据权利要求3或4所述的一种适用于连续变量量子密钥分发系统的自平衡方法，其特征在于：所述零差探测模块采用高增益、低噪声、高共模抑制比的平衡零差探测器，实现光电转换和差模放大输出。
8.根据权利要求1所述的一种适用于连续变量量子密钥分发系统的自平衡方法，其特征在于：所述输入光控制模块由控制板卡和光开关组成，控制板卡接受控制指令，控制光开关的通断。
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