CN111385033A - 一种用于量子密钥分发系统的时间同步系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种用于量子密钥分发系统的时间同步系统及方法。该方法包括由量子密钥分发系统的发送端发送预设的第一同步光脉冲序列的步骤；对应于第一同步光脉冲序列，量子密钥分发系统的接收端探测到第二同步光脉冲序列的步骤；以及，基于光脉冲在同步光脉冲序列上的出现时间，对第一同步光脉冲序列和第二同步光脉冲序列中在出现时间上重合的光脉冲的数量进行计数，并根据计数来确定发送端和接收端之间的时间同步的步骤；其中，第一同步光脉冲序列包括多个光脉冲，且同步光脉冲序列以最小时间间隔为时间单位。

Description

一种用于量子密钥分发系统的时间同步系统及方法
技术领域
本发明涉及量子通信领域，具体涉及一种用于量子密钥分发系统的时间同步系统及方法。
背景技术
量子通信作为量子力学和电子信息科学、计算机科学完美结合的一个新型研究领域和实用化技术，正日新月异地蓬勃发展。量子密钥分发是量子通信技术中最先实用化的应用。量子密钥分发是利用量子系统来进行信息的制备、传输、接收以及提纯来得到物理原理上不会被别人窃取的安全对称密钥。
由于量子密钥分发协议中含有基矢比对、纠错等过程，为了避免信号错位导致密钥生成失败，要求系统两端能够实现高精度的同步。目前的方案为系统的一端安装一台同步光激光器发射周期性的经典光脉冲信号，另一端探测该光脉冲信号还原时间信息，再与量子光信号进行比对，从而提取出量子光信号的时间信息。如果同步光信号与量子光信号的波长相同，则需要使用不同的光纤进行传输。如果同步光信号与量子光型号的波长不同，则可以利用波分复用技术在相同的光纤中进行传输。
但是由于同步光信号一般需要额外占用一根光纤，即使通过波分复用技术，也需要占用一条波道。在大规模组网的情况下，考虑每一对量子密钥分发系统都需要一束同步光进行同步，非常浪费光纤资源。另外，同步光一般光强较强，在波分复用的情况下，会在光纤中产生斯托克斯或反斯托克斯散射，从而增加单光子探测器的暗计数，产生额外的误码率，降低成码率。由此可知，基于独立同步光的量子密钥分发系统难以进行大规模的量子保密通信的网络化部署。
因此，如何更加有效的完成量子密钥分发系统的同步问题，是目前本领域技术人员需要解决的技术问题。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明的一个方面提出了一种用于量子密钥分发系统的时间同步系统，其包括设置在所述量子密钥分发系统的发送端的第一时钟、激光器和衰减器，设置在所述量子密钥分发系统的接收端的单光子探测器、时间事件记录器和第二时钟，以及数据处理单元。在所述发送端，所述第一时钟用于在所述发送端产生第一时钟信号，所述激光器基于所述第一时钟信号生成第一同步光脉冲序列，所述第一同步光脉冲序列包括多个光脉冲，并且所述衰减器用于使所述第一同步光脉冲序列中的所述光脉冲的强度衰减至单光子水平。在所述接收端，所述第二时钟用于在所述接收端产生第二时钟信号，所述单光子探测器对到达所述接收端的所述光脉冲进行探测，所述时间事件记录器基于所述单光子探测器输出的探测结果记录所述光脉冲的到达时间。对应于所述第一同步光脉冲序列，所述单光子探测器探测到第二同步光脉冲序列，且所述同步光脉冲序列以最小时间间隔为时间单位；所述数据处理单元基于所述光脉冲在所述同步光脉冲序列上的出现时间，对所述第一同步光脉冲序列和所述第二同步光脉冲序列中在所述出现时间上重合的所述光脉冲的数量进行计数，并根据所述计数来确定所述发送端和所述接收端之间的时间同步。
进一步地，所述数据处理单元还被设置成，将所述第一同步光脉冲序列中的所述最小时间间隔之一与所述第二同步光脉冲序列中的所述最小时间间隔之一在时间上对齐，并基于此对所述第一同步光脉冲序列和所述第二同步光脉冲序列中在所述出现时间上重合的所述光脉冲的数量进行计数。
进一步地，所述数据处理单元进一步设置成改变所述第一同步光脉冲序列或所述第二同步光脉冲序列中用于时间对齐的所述最小时间间隔，并基于此对所述第一同步光脉冲序列和所述第二同步光脉冲序列中在所述出现时间上重合的所述光脉冲的数量进行计数，直至获得所述计数的最大值。
进一步地，所述数据处理单元基于所述计数的最大值确定所述发送端和所述接收端之间的时间同步。
进一步地，本发明的时间同步系统可以为量子密钥分发系统所复用。
本发明的另一方面提出了一种用于量子密钥分发系统的时间同步方法，其包括，
同步光发送步骤：由所述量子密钥分发系统的发送端发送预设的第一同步光脉冲序列，其中，所述第一同步光脉冲序列包括多个光脉冲；
同步光探测步骤：对应于所述第一同步光脉冲序列，所述量子密钥分发系统的接收端探测到第二同步光脉冲序列；以及，
时间同步确定步骤：基于所述光脉冲在所述同步光脉冲序列上的出现时间，对所述第一同步光脉冲序列和所述第二同步光脉冲序列中在所述出现时间上重合的所述光脉冲的数量进行计数，并根据所述计数来确定所述发送端和所述接收端之间的时间同步；
其中，所述同步光脉冲序列以最小时间间隔为时间单位。
进一步地，所述时间同步确定步骤还包括将所述第一同步光脉冲序列中的所述最小时间间隔之一与所述第二同步光脉冲序列中的所述最小时间间隔之一在时间上对齐，并基于此对所述第一同步光脉冲序列和所述第二同步光脉冲序列中在所述出现时间上重合的所述光脉冲的数量进行计数的步骤。
进一步地，所述时间同步确定步骤还包括改变所述第一同步光脉冲序列或所述第二同步光脉冲序列中用于时间对齐的所述最小时间间隔，并基于此对所述第一同步光脉冲序列和所述第二同步光脉冲序列中在所述出现时间上重合的所述光脉冲的数量进行计数，直至获得所述计数的最大值的步骤。
进一步地，其中，当所述第一同步光脉冲序列中的所述最小时间间隔与所述第二同步光脉冲序列中的所述最小时间间隔之间的时间对齐使得所述计数达到最大值时，所述发送端和所述接收端之间实现时间同步。
本发明的上述方法可以基于本发明所提出的用于量子密钥分发系统的时间同步系统来实现。
附图说明
图1示出了根据本发明的用于量子密钥分发系统的时间同步系统的示意图；
图2示出了本发明的用于时间同步的光脉冲序列的一种示例；
图3示出了在发送端发出图2所示光脉冲序列时，在接收端探测到的光脉冲序列；
图4示出了发送端的同步光脉冲序列与接收端的同步光脉冲序列在某种时间对齐基础上进行符合计数的过程；
图5示出了发送端的同步光脉冲序列与接收端的同步光脉冲序列在另一种时间对齐基础上进行符合计数的过程；
图6示出了发送端的同步光脉冲序列与接收端的同步光脉冲序列在又一种时间对齐基础上进行符合计数的过程；以及
图7示出了本发明的同步方法的一种示例性实施例。
具体实施方式
在下文中，本发明的示例性实施例将参照附图来详细描述。下面的实施例以举例的方式提供，以便充分传达本发明的精神给本发明所属领域的技术人员。因此，本发明不限于本文公开的实施例。
图1示出了根据本发明的用于量子密钥分发系统的时间同步系统的示意图。如图所示，时间同步系统包括设置在量子密钥分发系统发送端的时钟、激光器和衰减器，以及设置在量子密钥分发系统接收端的单光子探测器、时间事件记录器和时钟。在该同步系统的工作过程中，在发送端，时钟用于产生时钟信号以触发激光器发出激光同步信号(例如同步光脉冲)，激光同步信号经衰减器后衰减为单光子信号并从发送端发出；在接收端，来自发送端的激光同步信号(单光子信号)进入单光子探测器并经其探测转换为电信号，时间事件记录器接收该电信号以记录单光子信号到达时间，时钟为接收端提供时钟信号。在本发明的时间同步系统中，还可以设置数据处理单元，用于根据发送端发出的激光同步信号和接收端由单光子探测器和时间事件记录器记录的激光同步信号探测结果进行发送端和接收端之间的时间同步。
本领域技术人员容易理解，在本发明的时间同步系统中，设于接收端的单光子探测器、时间事件记录器和时钟，以及设于接收端的单光子探测器、时间事件记录器和时钟，它们本身就是量子密钥分发系统的发送端和接收端所包含的部件，且它们的设置位置及作用均与其在量子密钥分发系统中相同，由此可见，本发明的用于量子密钥分发系统的时间同步系统可以为量子密钥分发系统所复用，换言之，本发明的时间同步系统可以由量子密钥分发系统来实现，而无需在量子密钥分发系统之外额外设置激光器或者探测器。
下面将结合本发明的时间同步方法来进一步说明本发明的时间同步系统的工作原理。
在量子密钥分发正式开始前，发送端向接收端发送事先约定好的光脉冲序列(即作为同步光信号)。例如，光脉冲序列可以包括多个光脉冲，且相邻光脉冲之间间隔一定数量的最小时间间隔，不同相邻光脉冲之间间隔的最小时间间隔的数量可以相同，也可以不同,，该数量可以为零，也可以不为零。为了方便理解，图2示出了一种光脉冲序列的示例，该光脉冲序列包括6个光脉冲，且第一个光脉冲与第二个光脉冲之间间隔1个最小时间间隔，第二个光脉冲与第三个光脉冲之间间隔2个最小时间间隔，第三个光脉冲与第四个光脉冲之间间隔3个最小时间间隔，第四个光脉冲与第五个光脉冲之间间隔4个最小时间间隔，第五个光脉冲与第六个光脉冲之间间隔5个最小时间间隔。图2还给出了一种记录光脉冲序列的方法，即将出现光脉冲的最小时间间隔记为1，将未出现光脉冲的最小时间间隔记为0,由此记录整个光脉冲序列的内容，当然，本领域技术人员容易理解，反之亦可。例如，在图2所示的光脉冲序列中，在第1、3、6、10、15和21个最小时间间隔上出现(同步)光脉冲。
如前所述，在本发明中，同步光脉冲将与用于量子密钥的量子光脉冲具有相同量级的光强，例如均为单光子级别。因此，在经过衰减器和光路衰减作用之后，同步光脉冲会随便被衰减掉，所以，同步光脉冲序列到达接收端并被单光子探测器探测时，其中包含的光脉冲数量可能减少，但是保留的光脉冲之间的相对时间关系不变。
由时间事件记录器记录获得单光子探测器探测到的同步光脉冲序列，例如类似地可以记录每一个最小时间间隔对应的序号，如图3所示的接收端记录的同步光脉冲序列上，在第1、8和19个最小时间间隔处探测到光脉冲，相应记为1，其他最小时间间隔处没有探测到光脉冲，相应记为0。
接着，将发送端发出的同步光脉冲序列与接收端探测到的同步光脉冲序列进行符合度比较操作。在两个同步光脉冲序列的比较操作中，可以在两个同步光脉冲序列中各选择一个最小时间间隔作为比较的起点(即在时间上将两个同步光脉冲序列上的这两个最小时间间隔对齐)，统计发送端和接收端的同步光脉冲序列上光脉冲的符合计数，即在发送和接收的同步光脉冲序列中，在与作为比较起点的最小时间间隔具有相同的相对时间关系的最小时间间隔上都存在光脉冲的数量。例如在图4所示的时间对齐状态(其中将发送的同步光脉冲序列中第一个出现光脉冲的最小时间间隔与接收的同步光脉冲序列中第一个出现光脉冲的最小时间间隔在时间上对齐，将这两个最小时间间隔作为两个同步光脉冲序列进行符合度比较操作的起点)，两个同步光脉冲序列的符合计数为1，即，在这种对齐方式下，两者只在作为比较起点的最小时间间隔上同时存在光脉冲。
随后，依次平移接收的同步光脉冲序列以改变两个同步光脉冲序列之间的相对时间关系(即改变两者在时间上的对齐的最小时间间隔)，并再次统计两个同步光脉冲序列上光脉冲的符合计数。
例如图5所示，其中使接收的同步光脉冲序列平移一个最小时间间隔，使得接收的同步光脉冲序列中第一个出现光脉冲的最小时间间隔在时间上不再与发送的同步光脉冲序列中第一个出现光脉冲的最小时间间隔相对应，而是对应于发送的同步光脉冲序列中第一个出现光脉冲的最小时间间隔之后的最小时间间隔。此时，两个同步光脉冲序列的符合计数为0。
又例如图6所示，其中使接收的同步光脉冲序列平移2个最小时间间隔，使得接收的同步光脉冲序列中第一个出现光脉冲的最小时间间隔在时间上不再与发送的同步光脉冲序列中第一个出现光脉冲的最小时间间隔相对应，而是对齐于与发送的同步光脉冲序列中第一个出现光脉冲的最小时间间隔之后第2个最小时间间隔。此时，两个同步光脉冲序列的符合计数为3。
可以很容易的发现，当且仅当将接收端探测到的光脉冲和实际与其对应的发送端发出的光脉冲对齐的时候，即发送的同步光脉冲序列与接收的同步光脉冲序列在时间上达到同步的时候，这两个光脉冲序列之间的符合计数才会达到最大。
例如在图2-6所描述的示例中，接收端的同步光脉冲序列中第一个探测到的光脉冲(出现在第一个最小时间间隔上)实际对应于发射端的同步光脉冲序列中第三个最小时间间隔处发射的光脉冲，只有在将这两个光脉冲所在的最小时间间隔对齐(两个同步光脉冲序列的符合计数最大)时，这才实现了发送端和接收端之间的时间同步。
在通过将发送端的同步光脉冲序列和接收端的同步光脉冲序列进行时间对齐实现量子密钥分发系统的发送端和接收端的时间同步之后，即可以开始进行量子密钥的分发过程。
图7示出了本发明的同步方法的一种示例性实施例。
如图7所示，在该实施例中，在发送端处，例如借助时钟产生时序信号以触发激光器生成光脉冲序列的步骤；随后，对激光器输出的光脉冲序列进行强度衰减，例如使其中的光脉冲衰减为单光子强度；最后，由发送端发出同步光脉冲序列。
在接收端，单光子探测器对接收到的同步光脉冲序列(如前所述，其中包含的光脉冲数量可能与发送端发出的同步光脉冲序列不同)进行探测；借助时钟基于单光子探测器的探测结果记录光脉冲的到达时间，从而获得接收端的同步光脉冲序列。
将发送端的同步光脉冲序列中出现第一个光脉冲的最小时间间隔与接收端探测到的同步光脉冲序列中出现第一个光脉冲的最小时间间隔对齐，并基于此记录两个同步光脉冲序列中同时出现光脉冲的最小时间间隔的计数，即符合计数。
随后，在时间上相对于发送端的同步光脉冲序列平移接收端的同步光脉冲序列，例如平移一个最小时间间隔，即在时间上将发送端的同步光脉冲序列和接收端的同步光脉冲序列重新对齐，并基于此记录两个同步光脉冲序列中同时出现光脉冲的最小时间间隔的计数。
重复上述时间平移和记录符合计数的步骤，直至找到符合计数的峰值，并记录此时发送端的同步光脉冲序列和接收端的同步光脉冲序列之间的时间对应关系(例如记录发送端的同步光脉冲序列和接收端的同步光脉冲序列中的序号对应关系)，在该时间对应关系下，发送端和接收端之间的时间完成了同步。
借助本发明的时间同步系统及方法，可以基于类似分时的方式将同样可以用于生成量子密钥的光脉冲用于时间同步的同步光，有效解决了现有技术中为了实现量子密钥分发系统中的时间同步而额外使用同步光进行时间同步的问题。与此同时，本发明还能够实现以下优点：
1、相比额外使用同步光进行同步的时间同步系统，本发明中无需在量子密钥分发系统之外增加任何额外部件，无需使用额外的激光器或占用额外波长，这显然有利于大规模组网应用。
2、相比额外使用同步光进行同步的系统，本发明中使用的同步光的光强和用于量子密钥分发的量子光保持在同一量级，都为单光子级别，并且时间上分开，因此不会因为引入较强的同步光而产生额外的暗计数。这种优势同样适用于多套量子密钥分发系统波分复用单根光纤的情况，尤其有利于大规模组网应用。
3、相比需要及时进行同步处理的时间同步系统，本发明的同步数据处理可以在数据后处理时统一进行，因此不会占用额外的工作时间，大大提高量子密钥分发系统的效率。
4、相比接收端和发送端都需要处理同步信号的时间同步系统，本发明在一对多的场合中，可以将所有有关时间同步的计算过程放在服务端，从而减少用户侧的成本。
上述说明并非对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例，且在不发生矛盾的情况下，上述各种替换方式可以相互组合使用。本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内作出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种用于量子密钥分发系统的时间同步系统，其包括设置在所述量子密钥分发系统的发送端的第一时钟、激光器和衰减器，设置在所述量子密钥分发系统的接收端的单光子探测器、时间事件记录器和第二时钟，以及数据处理单元；
在所述发送端，所述第一时钟用于在所述发送端产生第一时钟信号，所述激光器基于所述第一时钟信号生成第一同步光脉冲序列，所述第一同步光脉冲序列包括多个光脉冲，并且所述衰减器用于使所述第一同步光脉冲序列中的所述光脉冲的强度衰减至单光子水平；
在所述接收端，所述第二时钟用于在所述接收端产生第二时钟信号，所述单光子探测器对到达所述接收端的所述光脉冲进行探测，所述时间事件记录器基于所述单光子探测器输出的探测结果记录所述光脉冲的到达时间；
对应于所述第一同步光脉冲序列，所述单光子探测器探测到第二同步光脉冲序列，且所述同步光脉冲序列以最小时间间隔为时间单位；
所述数据处理单元基于所述光脉冲在所述同步光脉冲序列上的出现时间，对所述第一同步光脉冲序列和所述第二同步光脉冲序列中在所述出现时间上重合的所述光脉冲的数量进行计数，并根据所述计数来确定所述发送端和所述接收端之间的时间同步。
2.如权利要求1所述的时间同步系统，其中，所述数据处理单元还被设置成，将所述第一同步光脉冲序列中的所述最小时间间隔之一与所述第二同步光脉冲序列中的所述最小时间间隔之一在时间上对齐，并基于此对所述第一同步光脉冲序列和所述第二同步光脉冲序列中在所述出现时间上重合的所述光脉冲的数量进行计数。
3.如权利要求2所述的时间同步系统，其中，所述数据处理单元进一步设置成改变所述第一同步光脉冲序列或所述第二同步光脉冲序列中用于时间对齐的所述最小时间间隔，并基于此对所述第一同步光脉冲序列和所述第二同步光脉冲序列中在所述出现时间上重合的所述光脉冲的数量进行计数，直至获得所述计数的最大值。
4.如权利要求3所述的时间同步系统，其中，所述数据处理单元基于所述计数的最大值确定所述发送端和所述接收端之间的时间同步。
5.如权利要求1所述的时间同步系统，其为所述量子密钥分发系统所复用。
6.一种用于量子密钥分发系统的时间同步方法，其包括，
同步光发送步骤：由所述量子密钥分发系统的发送端发送预设的第一同步光脉冲序列，其中，所述第一同步光脉冲序列包括多个光脉冲；
同步光探测步骤：对应于所述第一同步光脉冲序列，所述量子密钥分发系统的接收端探测到第二同步光脉冲序列；以及，
时间同步确定步骤：基于所述光脉冲在所述同步光脉冲序列上的出现时间，对所述第一同步光脉冲序列和所述第二同步光脉冲序列中在所述出现时间上重合的所述光脉冲的数量进行计数，并根据所述计数来确定所述发送端和所述接收端之间的时间同步；
其中，所述同步光脉冲序列以最小时间间隔为时间单位。
7.如权利要求6所述的方法，其中，所述时间同步确定步骤还包括将所述第一同步光脉冲序列中的所述最小时间间隔之一与所述第二同步光脉冲序列中的所述最小时间间隔之一在时间上对齐，并基于此对所述第一同步光脉冲序列和所述第二同步光脉冲序列中在所述出现时间上重合的所述光脉冲的数量进行计数的步骤。
8.如权利要求7所述的方法，其中，所述时间同步确定步骤还包括改变所述第一同步光脉冲序列或所述第二同步光脉冲序列中用于时间对齐的所述最小时间间隔，并基于此对所述第一同步光脉冲序列和所述第二同步光脉冲序列中在所述出现时间上重合的所述光脉冲的数量进行计数，直至获得所述计数的最大值的步骤。
9.如权利要求6-7中任一项所述的方法，其中，当所述第一同步光脉冲序列中的所述最小时间间隔与所述第二同步光脉冲序列中的所述最小时间间隔之间的时间对齐使得所述计数达到最大值时，所述发送端和所述接收端之间实现时间同步。
10.如权利要求6-9中任一项所述的方法，其是在如权利要求1-5中任一项所述的用于量子密钥分发系统的时间同步系统中实现的。
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