CN110995362B - 使用软核处理器的mdi-qkd的编码系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使用软核处理器的MDI‑QKD编码系统及方法。利用FPGA内的软核处理器来产生MDI‑QKD编码过程中所需要的随机数，根据产生的随机数在FPGA内产生控制光电调制器中的数字控制信号，经射频放大器与数模转换器后，转化为模拟控制信号，送入到光电调制器中，完成MDI‑QKD中的编码。本发明与其他编码系统相比，使用FPGA内的软核处理器产生随机数，然后直接送入到FPGA内其他模块中产生控制信号，降低了从随机数产生到光电调制器控制信号产生延时，减小了器件的规模，便于MDI‑QKD编码系统的小型化、集成化。

Description

使用软核处理器的MDI-QKD的编码系统及方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及量子密钥分发技术领域中的一种使用软核处理器的测量设备无关量子密钥分发MDI-QKD(Measurement-Device-IndependentQuantum Key Distribution)编码系统及方法。本发明通过采用现场可编程门阵列FPGA(Field Programmable Gate Array)中的软核处理器，结合放大器、数模转换芯片，对光学调制器的控制，实现对输入到MDI-QKD编码系统的光脉冲进行时间-相位编码。

背景技术

MDI-QKD协议是一种经典的QKD协议，其特点是整个协议的安全性不依赖于测量端设备的安全性，因此具有免疫针对测量端设备攻击的特点。目前MDI-QKD主要采用时间-相位的编码方式，而实现这种编码的光学结构有两种，分别为马赫曾德尔MZ(Mach-Zehnder)干涉仪和法拉第迈克尔干涉仪FMI(Faraday-Michelson interferometer)。而在实现MDI-QKD的时间-相位编码的电学结构过程中，为了能够大规模实用化的推广，需要使用低成本、通用化的器件来产生控制信号，用于光电调制器调制到来的光脉冲信号，从而实现量子密钥分发系统的编码。

汤艳琳在其发表的论文“实际量子密钥分发系统安全性的研究”(中国科学技术大学博士学位论文2015年)公开了一种使用电脑、主控逻辑模块FPGA、数模转换器DAC(Digital Analog Converter)与MZ干涉仪来实现时间-相位编码装置。该装置首先通过上位机电脑产生随机数，之后将产生的随机数送入到主控逻辑单元中，主控逻辑单元根据接收到的随机数产生用于控制强度调制器IM(Intensity Modulator)与相位调制器PM(PhaseModulator)的数字信号，产生的数字信号送入到数模转换器DAC模块中，数模转换器DAC模块将接收到的数字信号转化为模拟信号后送入到光电调制器当中，光电调制器根据接收到的模拟信号，调制到来的光脉冲从而完成时间-相位编码。该装置的优点是采用了现场可编程门阵列FPGA输出信号给数模转换器DAC，之后数模转换器DAC将数字信号转化为模拟信号送入到相位调制器当中，这使得相位调制器PM可以工作在多种电压下，便于实际系统运行过程中的调试。但是，该装置仍然存在不足之处是：采用电脑作为主控逻辑模块的上位机来产生随机数据，其体积大，设备复杂度高，不利于MDI-QKD的小型化、集成化。

章涛在其发表的论文“高速量子密钥分发系统电子学”(中国科学技术大学博士学位论文2010年)中公开了一种将存储在嵌入式母板中的随机数发送给现场可编程门阵列FPGA子板后控制光电调制器进行量子态编码的方法。该方法的步骤是：首先嵌入式母板中的随机数通过通用串行总线USB接口传送到现场可编程门阵列FPGA中，现场可编程门阵列FPGA将接收到的随机数后转化为光电调制器的控制信号，然后经数模转换器件后转换为模拟信号，送入到光电调制器中，用于对到达光电调制器中的光脉冲进行调制，完成量子态编码。该方法的优点是使用嵌入式母板作为主控板，不仅可以存储用于控制光电调制器的随机数，还可以通过网口与测量端的控制器件相连接，从而搭建量子密钥分发系统中的经典信道，完成量子密钥分发协议中基筛选、纠错、密性放大等量子密钥分发中的后处理过程。然而该方法仍然存在不足之处是：随机数通过通用串行总线USB接口传送到现场可编程门阵列FPGA中，之后再将随机数转化为光电调制器的控制信号，其从随机数产生到光电调制器控制信号产生延时较高，难以做到低延时控制。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出了一种使用软核处理器的MDI-QKD编码系统及方法，以解决现有技术中从随机数产生到光电调制器控制信号产生延时高，器件规模较大，结构复杂等问题。

实现本发明目的的思路是：通过现场可编程逻辑门阵列FPGA中的软核处理器产生随机数，使用现场可编程逻辑门阵列FPGA中的先入先出队列FIFO来缓存随机数，当接收到同步信号之后，将随机数从先入先出队列中读出，送入到现场可编程逻辑门阵列中的编码与输出单元中，得到强度调制器IM与相位调制器PM的数字控制信号，之后将数字控制信号通过射频放大器RFA与数模转换器DAC转化为模拟控制信号，送入到光电调制器中，对输入到光电调制器的双光脉冲信号进行调制，得到时间-编码后的量子态。

本发明的使用软核处理器的MDI-QKD编码系统，包括现场可编程门阵列FPGA模块、数模转换器DAC、射频放大器RFA、光学模块。使用现场可编程门阵列FPGA中的软核处理器来生成MDI-QKD编码所需要的随机数；所述数模转换器DAC分别与现场可编程门阵列FPGA模块和光学模块相连接；所述射频放大器RFA分别与现场可编程门阵列FPGA模块和光学模块相连接；其中：

所述现场可编程门阵列FPGA模块包括软核处理器、先入先出队列FIFO、边沿检测单元、先入先出队列FIFO读控制器单元、编码与输出单元；

所述软核处理器，用于设定一个随机数状态变量，取值为0或1，用于指示是否存在可发送给先入先出队列FIFO中的随机数，当随机数状态变量为0时，软核处理器调用随机函数，产生N组随机数，N为先入先出队列FIFO深度的一半，在先入先出队列FIFO中数据个数小于N时，所述软核处理器将产生的随机数写入到先入先出队列FIFO中，将随机数状态变量赋值为0；

所述边沿检测单元，用于在现场可编程门阵列FPGA的本地时钟信号的每个上升沿对同步信号进行采样，当采样值一个为0，下一个采样值为1时，产生一个同步到来信号发送给先入先出队列FIFO读控制器单元；

所述先入先出队列FIFO读控制器单元，用于接收到同步到来信号后产生先入先出队列FIFO读请求信号并发送读请求信号给先入先出队列FIFO，先入先出队列FIFO接收到读请求信号之后，将其存储的随机数发送给现场可编程门阵列FPGA中的编码与输出单元；

所述编码与输出单元，用于接收从先入先出队列FIFO中发送的随机数，将随机数转化为控制强度调制器IM与相位调制器PM的数字控制信号；

所述数模转换器DAC，用于接收相位调制器PM的数字控制信号，将数字控制信号的电压范围调整为{0，0.5V_PM，V_PM，1.5V_PM}后，输出为相位调制器PM的模拟控制信号，其中V_PM为相位调制器PM的半波电压；

所述射频放大器RFA，用于接收强度调制器IM的数字控制信号，将数字控制信号电压取值范围调整为{0，V_IM}，输出为强度调制器IM的模拟控制信号，其中V_IM为强度调制器IM的半波电压；

所述光学模块包括不等臂MZ干涉仪、强度调制器IM与相位调制器PM；所述不等臂MZ干涉仪用于将光脉冲信号转化为两个在时间上有先后关系的双光脉冲信号；

所述强度调制器个数为两个，通过光纤依次连接，接收强度调制器IM的数字控制信号，用于分别调节双光脉冲的前后脉冲的强度；

所述相位调制器PM，用于接收输入的数字控制信号，对输入到调制器的光脉冲进行相位上的调制，调制后得到经过时间-相位编码的量子态，完成了编码。

本发明的使用软核处理器MDI-QKD编码方法具体步骤如下：

MDI-QKD编码系统的一种使用软核处理器的MDI-QKD的编码方法，使用现场可编程门阵列FPGA内的软核处理器产生随机数据，通过内部并行总线直接写入到先入先出队列FIFO中，该方法的具体步骤包括如下：

(1)产生随机数并写入先入先出队列FIFO中：

当先入先出队列FIFO中数据个数小于先入先出队列FIFO深度的一半时，软核处理器将每连续生成的三个随机数划分为一组，通过内部并行总线直接将产生的N组随机数写入到先入先出队列FIFO中，每组的随机数依次设置为最低位、次高位、最高位，随机数中的最低位用于指示量子密钥分发中的数据信息，其余两位用于指示量子密钥分发的基矢信息，其中，N的大小为先入先出队列FIFO深度的一半；

(2)发送随机数：

(2a)测量设备无关的量子密钥分发MDI-QKD编码系统接收测量设备无关的量子密钥分发MDI-QKD系统发送的同步信号与光脉冲信号，其中同步信号为电信号，用于在光脉冲信号到达光电调制器时，将用于控制强度调制器IM与相位调制器PM的模拟控制信号输入到强度调制器IM与相位调制器PM中；

(2b)在现场可编程门阵列FPGA的本地时钟信号的每个上升沿对同步信号进行采样，当采样值一个为0，下一个采样值为1时，现场可编程门阵列FPGA中的边沿检测单元，产生一个同步到来信号发送给先入先出队列FIFO读控制器单元，用于提示同步信号到来；

(2c)现场可编程门阵列FPGA中的先入先出队列FIFO读控制器单元接收到同步到来信号后，产生先入先出队列FIFO读请求信号并发送给先入先出队列FIFO，先入先出队列FIFO接收到读请求信号之后，将其存储的每组随机数依次发送给现场可编程门阵列FPGA中的编码与输出单元；

(3)将随机数转化为数字控制信号：

(3a)现场可编程门阵列FPGA中的编码与输出单元根据每组随机数中的基矢信息选择基矢；

(3b)再从选择基矢后的每组随机数中，根据每组中的指示量子密钥分发中的数据信息的随机数确定在该基矢下的量子态；

(3c)采用随机数编码映射规则，将确定的量子态后随机数编码为数字控制信号，分别用于控制强度调制器IM与相位调制器PM；

(4)将数字控制信号转化为模拟控制信号：

将用于控制相位调制器PM的数字控制信号输入到数模转换器DAC中，该器件将数字控制信号的电压范围调整为{0，0.5V_PM，V_PM，1.5V_PM}后，得到用于控制相位调制器PM的模拟控制信号，输出到相位调制器PM中，其中V_PM表示相位调制器PM的半波电压；

将用于控制强度调制器IM的数字控制信号输入到射频放大器RFA中，该器件将数字控制信号电压取值范围调整为{0，V_IM}后，得到用于控制强度调制器IM的模拟控制信号，输出到强度调制器IM中，其中，V_IM表示强度调制器IM的半波电压；

(5)将光脉冲转化为双光脉冲：

将光脉冲信号输入到光学模块中的不等臂MZ干涉仪中，转化为两个在时间上有先后关系的双光脉冲信号；

(6)将双光脉冲调制为编码后的量子态：

模拟控制信号对双光脉冲进行强度与相位上的调制，得到经过时间-相位编码的量子态，完成编码。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，由于本发明的系统中使用了FPGA中的软核处理器生成测量设备无关的量子密钥分发MDI-QKD编码所需要的随机数，克服了现有技术的系统中以电脑作为主控逻辑模块的上位机来产生随机数据，体积大，设备复杂度高，不利于测量设备无关量子密钥分发MDI-QKD的小型化、集成化的缺点，使得本发明的系统结构简单，有利于测量设备无关的量子密钥分发MDI-QKD的实用化推广。

第二，由于本发明的方法中采用内部并行总线将软核处理器产生的随机数直接写入到先入先出队列FIFO中，克服了现有技术中随机数产生到光电调制器控制信号产生延时较高，难以做到低延时控制问题，使得本发明从随机数产生到光电调制器控制信号的延时低，有利于实现低延时控制。

附图说明

图1为本发明系统的结构示意图；

图2为本发明系统的现场可编程门阵列FPGA内部模块示意图；

图3为本发明方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述。

参照附图1对本发明的系统做进一步的描述。

本发明的编码系统包括FPGA模块、数模转换器DAC、射频放大器RFA、光学模块，使用FPGA中的软核处理器来生成MDI-QKD编码所需要的随机数。

所述数模转换器DAC分别与FPGA模块和光学模块相连接；所述射频放大器RFA分别与FPGA模块和光学模块相连接。

参照附图2对本发明系统中的现场可编程门阵列FPGA内部模块做进一步的描述。

所述FPGA模块包括软核处理器、先入先出队列FIFO、边沿检测单元、先入先出队列FIFO读控制器单元、编码与输出单元。

本发明的实施例中的软核处理器采用Altera公司的nios ii软核处理器，用于设定一个随机数状态变量，取值为0或1，用于指示是否存在可发送给先入先出队列FIFO中的随机数，当随机数状态变量为0时，软核处理器调用随机函数，产生N组随机数，N为先入先出队列FIFO深度的一半，在先入先出队列FIFO中随机数个数小于N时，所述软核处理器将产生的随机数写入到先入先出队列FIFO中，将随机数状态变量赋值为0。

所述边沿检测单元，用于在FPGA的本地时钟信号的每个上升沿对同步信号进行采样，当采样值一个为0，下一个采样值为1时，产生一个同步到来信号发送给先入先出队列FIFO读控制器单元。

所述先入先出队列FIFO读控制器单元，用于接收到同步到来信号后产生先入先出队列FIFO读请求信号并发送读请求信号给先入先出队列FIFO，先入先出队列FIFO接收到读请求信号之后，将其存储的随机数发送给FPGA中的编码与输出单元,先入先出队列FIFO读控制器单元产生一个可调延时与占空比的脉冲控制信号，送入到编码与输出单元中。

所述编码与输出单元，用于接收从先入先出队列FIFO中发送的随机数与先入先出队列FIFO读控制器发送的脉冲控制信号，将随机数转化为控制强度调制器IM与相位调制器PM的数字控制信号后，根据中的延时与脉宽信息，调节强度调制器IM与相位调制器PM的数字控制信号延时与脉宽参数后输出。

所述数模转换器DAC，用于接收相位调制器PM的数字控制信号，将数字控制信号的电压范围调整为{0，0.5V_PM，V_PM，1.5V_PM}后，输出为相位调制器PM的模拟控制信号，其中，V_PM表示相位调制器PM的半波电压。

所述射频放大器RFA，用于接收强度调制器IM的数字控制信号，将数字控制信号电压取值范围调整为{0，V_IM}，输出为强度调制器IM的模拟控制信号，其中，V_IM表示强度调制器IM的半波电压。

所述光学模块包括不等臂MZ干涉仪、强度调制器IM与相位调制器PM；所述不等臂MZ干涉仪用于将光脉冲信号转化为两个在时间上有先后关系的双光脉冲信号。

所述光学模块中的不等臂MZ干涉仪是由两个光分束器BS串连组成，其中一个光分束器BS的两个输出端口通过长度不等的光纤分别与另一个光分束器BS的两个输入端口连接。所述光分束器BS的光分束比为50:50。

所述强度调制器个数为两个，通过光纤依次连接，接收强度调制器IM的数字控制信号，用于分别调节双光脉冲的前后脉冲的强度。

所述相位调制器PM，用于接收输入的数字控制信号，对输入到调制器的光脉冲进行相位上的调制，调制后得到经过时间-相位编码的量子态，完成了编码。

下面结合图3，对本发明方法的具体步骤做进一步的描述。

步骤1，产生随机数并写入到先入先出队列FIFO中。

当先入先出队列FIFO中数据个数小于先入先出队列FIFO深度的一半时，软核处理器将每连续生成的三个随机数划分为一组，将产生的N组随机数写入到先入先出队列FIFO中，每组的随机数依次设置为最低位、次高位、最高位，随机数中的最低位用于指示量子密钥分发中的数据信息，其余两位用于指示量子密钥分发的基矢信息，其中，N的大小为先入先出队列FIFO深度的一半。

下面对软核处理器运行过程做进一步的描述。

第一步，设定一个随机数状态变量，取值为0或1，用于指示是否存在可发送给先入先出队列FIFO中的随机数。

第二步，当随机数状态变量为0时，执行本步骤的第三步，否则，执行本步骤的第四步。

第三步，软核处理器调用随机函数，产生N组随机数，N为先入先出队列FIFO深度的一半，且每组随机数为3位，其中两位用于基选择，一位用于数据，并且将随机数状态变量赋值为1。

第四步，读取先入先出队列FIFO中随机数的个数，如果先入先出队列FIFO中随机数个数小于N，则执行步骤的第五步，否则，执行本步骤的第二步。

第五步，将产生的随机数通过本发明实施例Avalon MM接口软核处理器的nios ii内部的串行总线接口，写入到先入先出队列FIFO中，且将随机数状态信息变量赋值为0。

第六步，记录执行第六步的次数，如果执行的次数小于实际需求中需要产生随机数的组数，则执行本步骤的第二步，否则，得到量子密钥分发过程中需要的随机数，并写入到先入先出队列FIFO中。

步骤2，发送随机数。

测量设备无关的量子密钥分发MDI-QKD编码系统接收测量设备无关的量子密钥分发MDI-QKD系统发送的同步信号与光脉冲信号，其中同步信号为电信号，用于在光脉冲信号到达光电调制器时，将用于控制强度调制器IM与相位调制器PM的模拟控制信号输入到强度调制器IM与相位调制器PM中。

在现场可编程门阵列FPGA的本地时钟信号的每个上升沿对同步信号进行采样，当采样值一个为0，下一个采样值为1时，现场可编程门阵列FPGA的边沿检测单元，产生一个同步到来信号发送给先入先出队列FIFO读控制器单元，用于提示同步信号到来。

现场可编程门阵列FPGA中先入先出队列FIFO读控制器单元接收到同步到来信号后，产生先入先出队列FIFO读请求信号并发送给先入先出队列FIFO，先入先出队列FIFO接收到读请求信号之后，将其存储的每组随机数依次发送给现场可编程门阵列FPGA中的编码与输出单元。

步骤3，将随机数转化为数字控制信号。

现场可编程门阵列FPGA中的编码与输出单元对接收到的每组随机数，根据该组中的基矢信息选择基矢，当基矢信息为00时，选择X基基矢，当基矢信息为01时，选择Y基基矢，当基矢信息为10或11时，选择Z基基矢。

表1不同基矢下数据信息的不同取值与量子态的对应关系表

再从选择基矢后的每组随机数中，根据该组中的指示量子密钥分发中的数据信息的随机数确定对应不同基矢的量子态。不同基矢下数据信息的不同取值与量子态的对应关系如表1所示，当选择的基矢为X基时，数据信息为0时，对应的量子态为

数据信息为1时，对应的量子态为

当选择的基矢为Y基时，数据信息为0时，对应的量子态为

数据信息为1时，对应的量子态为

当选择的基矢为Z基时，数据信息为0时，对应的量子态为|0>，数据信息为1时，对应的量子态为|1>；

采用随机数编码映射规则，将确定的量子态后随机数编码为数字控制信号，分别用于控制强度调制器IM与相位调制器PM。

表2各量子态与IM1、IM2、PM的数字控制信号对应关系表

表2介绍了各量子态与强度调制IM1、强度调制器IM2、相位调制器PM的数字控制信号对应关系，当编码的量子态为|0>时，强度调制器IM1的数字控制信号取值为1，强度调制器IM2的数字控制信号取值为0，相位调制器PM数字控制信号为D₀，当编码的量子态为|1>时，强度调制器IM1的数字控制信号取值为0，强度调制器IM2的数字控制信号取值为1，相位调制器PM数字控制信号为D₀，当编码的量子态为

时，强度调制器IM1与强度调制器IM2数字控制信号为0，强度调制器IM1与强度调制器IM2数字控制信号为0，相位调制器PM数字控制信号分别为D₂，当编码的量子态为

时，强度调制器IM1与强度调制器IM2数字控制信号为0，强度调制器IM1与强度调制器IM2数字控制信号为0，相位调制器PM数字控制信号分别为D₀，当编码的量子态为

时，强度调制器IM1与强度调制器IM2数字控制信号为0，相位调制器PM数字控制信号为D₁，当编码的量子态为

时，强度调制器IM1与强度调制器IM2数字控制信号为0，相位调制器PM数字控制信号为D₃，其中D₀、D₁、D₂、D₃由公式：

计算得出，D_n为相位调制器数字控制信号的取值，n取值为{0，1，2，3}，m为数模转换器DAC的分辨率，V_ref为数模转换器DAC的基准电压，V_PM为相位调制器PM的半波电压。

步骤4，将数字控制信号转化为模拟控制信号。

为了得到对应的量子态，需要将强度调制器IM1、IM2与相位调制器PM的数字控制信号转化为对应的模拟控制信号后，送入到光电调制器中，对输入到光电调制器中的光脉冲进行调制。表3介绍了各量子态与强度调制器IM1、强度调制器IM2、相位调制器PM的模拟控制信号对应关系。

将相位调制器PM的数字控制信号输入到数模转换器DAC中，当相位调制器PM的数字控制信号为D₀时，由数模转换器DAC输出的相位调制器PM的模拟控制信号为0，当相位调制器PM的数字控制信号为D₁时，由数模转换器DAC输出的相位调制器的模拟控制信号为0.5V_PM，当相位调制器的数字控制信号为D₂时，由数模转换器DAC输出的模拟控制信号为V_PM，当相位调制器的数字控制信号为D₂时，由数模转换器DAC输出的模拟控制信号为1.5V_PM，因此输出的模拟控制信号的电压范围为{0，0.5V_PM，V_PM，1.5V_PM}，其中V_PM为相位调制器PM的半波电压。

将强度调制器IM的数字控制信号输入到射频放大器RFA中，当输入的数字控制信号为0时，输出模拟控制信号为0，当输入的数字控制信号为1时，通过调节射频放大器RFA的放大倍数，使得输出信号电压幅度为V_IM,其中V_IM为强度调制器IM的半波电压。

表3各量子态与IM1、IM2、PM的模拟控制信号对应关系表

步骤5，将光脉冲转化为双光脉冲。

将光脉冲信号输入到光学模块中的不等臂MZ干涉仪中，转化为两个在时间上有先后关系的双光脉冲信号。

步骤6，将光脉冲调制为编码后的量子态。

模拟控制信号对双光脉冲进行强度与相位上的调制，得到经过时间-相位编码的量子态，完成编码。

Claims (7)

1.一种使用软核处理器的MDI-QKD编码系统，包括现场可编程门阵列FPGA模块、数模转换器DAC、射频放大器RFA、光学模块，其特征在于，使用现场可编程门阵列FPGA中的软核处理器来生成测量设备无关的量子密钥分发MDI-QKD编码所需要的随机数；所述数模转换器DAC分别与现场可编程门阵列FPGA模块和光学模块相连接；所述射频放大器RFA分别与现场可编程门阵列FPGA模块和光学模块相连接；其中：

所述现场可编程门阵列FPGA模块包括软核处理器、先入先出队列FIFO、边沿检测单元、先入先出队列FIFO读控制器单元、编码与输出单元；

所述软核处理器，用于设定一个随机数状态变量，取值为0或1，用于指示是否存在可发送给先入先出队列FIFO中的随机数，当随机数状态变量为0时，软核处理器调用随机函数，产生N组随机数，N为先入先出队列FIFO深度的一半，在先入先出队列FIFO中数据个数小于N时，所述软核处理器将产生的随机数写入到先入先出队列FIFO中，将随机数状态变量赋值为0；

所述边沿检测单元，用于在现场可编程门阵列FPGA的本地时钟信号的每个上升沿对同步信号进行采样，当采样值一个为0，下一个采样值为1时，产生一个同步到来信号发送给先入先出队列FIFO读控制器单元；

所述先入先出队列FIFO读控制器单元，用于接收到同步到来信号后产生先入先出队列FIFO读请求信号并发送读请求信号给先入先出队列FIFO，先入先出队列FIFO接收到读请求信号之后，将其存储的随机数发送给现场可编程门阵列FPGA中的编码与输出单元；

所述编码与输出单元，用于接收从先入先出队列FIFO中发送的随机数，将随机数转化为控制强度调制器IM与相位调制器PM的数字控制信号；

所述数模转换器DAC，用于接收相位调制器PM的数字控制信号，将数字控制信号的电压范围调整为{0，0.5V_PM，V_PM，1.5V_PM}后，输出为相位调制器PM的模拟控制信号，其中V_PM为相位调制器PM的半波电压；

所述射频放大器RFA，用于接收强度调制器IM的数字控制信号，将数字控制信号电压取值范围调整为{0，V_IM}，输出为强度调制器IM的模拟控制信号，其中V_IM为强度调制器IM的半波电压；

所述光学模块包括不等臂MZ干涉仪、强度调制器IM与相位调制器PM；所述不等臂MZ干涉仪用于将光脉冲信号转化为两个在时间上有先后关系的双光脉冲信号；

所述强度调制器个数为两个，通过光纤依次连接，接收强度调制器IM的数字控制信号，用于分别调节双光脉冲的前后脉冲的强度；

所述相位调制器PM，用于接收输入的数字控制信号，对输入到调制器的光脉冲进行相位上的调制，调制后得到经过时间-相位编码的量子态，完成编码。

2.根据权利要求1所述的使用软核处理器的MDI-QKD编码系统，其特征在于，所述光学模块中的不等臂MZ干涉仪是由两个光分束器BS串连组成，其中一个光分束器BS的两个输出端口通过长度不等的光纤分别与另一个光分束器BS的两个输入端口连接。

3.根据权利要求2所述的使用软核处理器的MDI-QKD编码系统，其特征在于，所述光分束器BS的光分束比为50:50。

4.根据权利要求1所述MDI-QKD编码系统的一种使用软核处理器的MDI-QKD的编码方法，其特征在于，使用现场可编程门阵列FPGA内的软核处理器产生随机数据，通过内部并行总线直接写入到先入先出队列FIFO中，该方法的具体步骤包括如下：

(1)产生随机数并写入先入先出队列FIFO中：

当先入先出队列FIFO中数据个数小于先入先出队列FIFO深度的一半时，软核处理器将每连续生成的三个随机数划分为一组，通过内部并行总线直接将产生的N组随机数写入到先入先出队列FIFO中，每组的随机数依次设置为最低位、次高位、最高位，随机数中的最低位用于指示量子密钥分发中的数据信息，其余两位用于指示量子密钥分发的基矢信息，其中，N的大小为先入先出队列FIFO深度的一半；

(2)发送随机数：

(2a)测量设备无关的量子密钥分发MDI-QKD编码系统接收测量设备无关的量子密钥分发MDI-QKD系统发送的同步信号与光脉冲信号，其中同步信号为电信号，用于在光脉冲信号到达光电调制器时，将用于控制强度调制器IM与相位调制器PM的模拟控制信号输入到强度调制器IM与相位调制器PM中；

(2b)在现场可编程门阵列FPGA的本地时钟信号的每个上升沿对同步信号进行采样，当采样值一个为0，下一个采样值为1时，现场可编程门阵列FPGA中的边沿检测单元，产生一个同步到来信号发送给先入先出队列FIFO读控制器单元，用于提示同步信号到来；

(2c)现场可编程门阵列FPGA中的先入先出队列FIFO读控制器单元接收到同步到来信号后，产生先入先出队列FIFO读请求信号并发送给先入先出队列FIFO，先入先出队列FIFO接收到读请求信号之后，将其存储的每组随机数依次发送给现场可编程门阵列FPGA中的编码与输出单元；

(3)将随机数转化为数字控制信号：

(3a)现场可编程门阵列FPGA中的编码与输出单元根据每组随机数中的基矢信息选择基矢；

(3b)再从选择基矢后的每组随机数中，根据每组中的指示量子密钥分发中的数据信息的随机数确定在该基矢下的量子态；

(3c)采用随机数编码映射规则，将确定的量子态后随机数编码为数字控制信号，分别用于控制强度调制器IM与相位调制器PM；

(4)将数字控制信号转化为模拟控制信号：

将用于控制相位调制器PM的数字控制信号输入到数模转换器DAC中，该器件将数字控制信号的电压范围调整为{0，0.5V_PM，V_PM，1.5V_PM}后，得到用于控制相位调制器PM的模拟控制信号，输出到相位调制器PM中，其中V_PM表示相位调制器PM的半波电压；

将用于控制强度调制器IM的数字控制信号输入到射频放大器RFA中，该器件将数字控制信号电压取值范围调整为{0，V_IM}后，得到用于控制强度调制器IM的模拟控制信号，输出到强度调制器IM中，其中，V_IM表示强度调制器IM的半波电压；

(5)将光脉冲转化为双光脉冲：

将光脉冲信号输入到光学模块中的不等臂MZ干涉仪中，转化为两个在时间上有先后关系的双光脉冲信号；

(6)将双光脉冲调制为编码后的量子态：

模拟控制信号对双光脉冲进行强度与相位上的调制，得到经过时间-相位编码的量子态，完成编码。

5.根据权利要求4所述的使用软核处理器的MDI-QKD的编码方法，其特征在于，步骤(3a)中所述的根据每组随机数中的基矢信息选择基矢指的是，当基矢信息为00时，选择X基基矢，当基矢信息为01时，选择Y基基矢，当基矢信息为10或11时，选择Z基基矢。

6.根据权利要求4所述的使用软核处理器的MDI-QKD的编码方法，其特征在于，步骤(3b)中所述的根据每组中的指示量子密钥分发中的数据信息的随机数确定在该基矢下的量子态指的是，当选择的基矢为X基时，数据信息为0时，对应的量子态为

数据信息为1时，对应的量子态为

当选择的基矢为Y基时，数据信息为0时，对应的量子态为

数据信息为1时，对应的量子态为

当选择的基矢为Z基时，数据信息为0时，对应的量子态为|0〉，数据信息为1时，对应的量子态为|1〉。

7.根据权利要求4所述的使用软核处理器的MDI-QKD的编码方法，其特征在于，步骤(3c)中所述的随机数编码映射规则，当编码的量子态为|0〉时，强度调制器IM1的数字控制信号取值为1，强度调制器IM2的数字控制信号取值为0，相位调制器PM数字控制信号为D₀，当编码的量子态为|1〉时，强度调制器IM1的数字控制信号取值为0，强度调制器IM2的数字控制信号取值为1，相位调制器PM数字控制信号为D₀，当编码的量子态为

时，强度调制器IM1与强度调制器IM2数字控制信号为0，强度调制器IM1与强度调制器IM2数字控制信号为0，相位调制器PM数字控制信号分别为D₂，当编码的量子态为

时，强度调制器IM1与强度调制器IM2数字控制信号为0，强度调制器IM1与强度调制器IM2数字控制信号为0，相位调制器PM数字控制信号分别为D₀，当编码的量子态为

时，强度调制器IM1与强度调制器IM2数字控制信号为0，相位调制器PM数字控制信号为D₁，当编码的量子态为

时，强度调制器IM1与强度调制器IM2数字控制信号为0，相位调制器PM数字控制信号为D₃，其中D₀、D₁、D₂、D₃由公式：

计算得出，D_n为相位调制器数字控制信号的取值，n取值为{0，1，2，3}，m为数模转换器DAC的分辨率，V_ref为数模转换器DAC的基准电压，V_PM为相位调制器PM的半波电压。

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