CN111510283B - 一种用于量子密钥生成系统的实时位同步修正方法 - Google Patents

一种用于量子密钥生成系统的实时位同步修正方法 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种用于量子密钥生成系统的实时位同步修正方法，该方法利用多个局域延时值测量获取探测器最佳延时值，通过延时控制单元调控，实现实时位同步修正。主要步骤包括：①设定每个探测器计数的计数积累时间,记录并更新各探测器单位时间最大计数值；②计算各探测器的位同步修正延时搜索范围和所需搜索的延时值；③延时控制单元调节各探测器的延时值；④探测器计数；⑤位同步处理单元判断是否完成位同步修正延时搜索范围的搜索，未完成则回到第四步；⑥位同步处理单元根据计数得到各探测器的最佳延时值，并把最佳延时值发送给延时控制单元，延时控制单元据此控制各探测器的延时设置，实现实时位同步修正。

Description

一种用于量子密钥生成系统的实时位同步修正方法
技术领域
一种量子密钥生成系统的实时位同步修正方法，以解决现有技术中由于外部环境变化，造成量子密钥生成系统接收端探测计数降低，从而导致安全密钥生成速率降低的问题。
背景技术
进入二十一世纪以来，随着互联网的全面推广，全球信息化水平持续提升，政府、国防、企业、个人对信息安全的关注程度日益增强，对信息安全的需求也与日俱增。与此同时信息安全也面临着越来越严重的威胁，特别是于1994年提出的基于量子计算机的Shor算法，颠覆性得破坏了基于计算复杂度的经典密码学协议的基础。
而近年来，量子密钥分发(QKD，Quantum Key Distribution)技术引起了广泛的关注，因为其无条件安全性是由量子力学的基本原理所保证。国际上许多科研机构对其理论和应用进行了深入研究，同时一些公司也陆续推出了商用化的量子密钥分发产品。
在量子密钥分发系统中，发射端通过对量子信号(光子)进行编码后通过量子信道发送至接收端。常用的量子信道包括光纤和自由空间(即：大气)。接收端需要确认光子到达的时间，以便使用探测器在正确时刻进行探测，这一过程即为位同步过程。完成位同步过程后，量子密钥分发系统才可以进行后续的协商处理过程产生安全密钥。
发明人在本申请的研究过程中发现，探测器进行探测的最佳时刻是随着时间而变化的。这是因为光子在量子信道的传输时间通常受到环境的影响而发生变化，特别是环境温度发生变化时，量子信道的长度和折射率也会随之变化。当光子传输时间发生变化时，探测器进行探测的最佳时刻也随之变化。使用变化前的“探测最佳时刻”进行探测将会导致探测器的有效探测效率降低，探测计数随之降低，量子密钥分发系统的安全密码生成速率也将明显降低甚至无法正常运行。
以基于光纤的量子信道为例说明如下：随着环境温度的变化，光纤的长度和折射率均会发生变化，光子的传输时间改变量Δt计算如下：
Figure GDA0002894005910000011
式中，neff为折射率，Leff为光纤长度，ΔTemp为温度变化量，α为线性膨胀系数，ξ为折射率温度系数。
对于熔融石英光纤，线性膨胀系数α＝5.5×10-7/℃，折射率温度系数ξ＝neff×0.68×10-5/℃，那么根据上述公式计算可知：每公里光纤在每摄氏度的温度改变下，光子传输时间的变化约为30ps。那么对于一个运行在北京地区的量子信道长度为100km的量子密钥分发系统，光子传输时间的变化最大可以达到30000ps。(根据中国气象局天气2018年10月18日预报结果：多云，13～23摄氏度，东风3～4级。)
为了保证量子密钥生成系统的稳定运行，需要在量子密钥生成系统在工作过程中根据外部环境的变化调整探测器进行探测的最佳时刻，这一过程称之为位同步修正过程。目前常见的位同步修正方案为中断式位同步修正方案。除此以外，还可以通过波长优选方案以降低外部环境对量子密钥生成系统的影响。
目前的中断式位同步修正的解决方案为:当探测器计数值出现明显降低时(例如：当前探测器计数值小于探测器计数最大值的50％)，会导致系统的整体信噪比明显降低，误码率显著提升，此时量子密钥生成系统已经无法正常工作，需要停止量子密钥生成系统的密钥生成流程，启动位同步流程，完成位同步流程后再次重新启动量子密钥生成系统的密钥生成流程。
另外一种优化同步光波长的修正方案为而近年来，量子密钥分发(QKD，QuantumKey Distribution)技术引起了广泛的关注，因为其无条件安全性是由量子力学的基本原理所保证。国际上许多科研机构对其理论和应用进行了深入研究，同时一些公司也陆续推出了商用化的量子密钥分发产品。
在量子密钥分发系统中，发射端通过对量子信号(光子)进行编码后通过量子信道发送至接收端。常用的量子信道包括光纤和自由空间(即：大气)。接收端需要确认光子到达的时间，以便使用探测器在正确时刻进行探测，这一过程即为位同步过程。完成位同步过程后，量子密钥分发系统才可以进行后续的协商处理过程产生安全密钥。
发明人在本申请的研究过程中发现，探测器进行探测的最佳时刻是随着时间而变化的。光子在量子信道的传输时间通常受到环境的影响而发生变化，特别是环境温度发生变化时，量子信道的长度和折射率也会随之变化。当光子传输时间发生变化时，探测器进行探测的最佳时刻也随之变化。使用变化前的“探测最佳时刻”进行探测将会导致探测器的有效探测效率降低，探测计数随之降低，量子密钥分发系统的安全密码生成速率也将明显降低甚至无法正常运行。
以基于光纤的量子信道为例说明如下：随着环境温度的变化，光纤的长度和折射率均会发生变化，光子的传输时间改变量Δt计算如下：
Figure GDA0002894005910000021
式中，neff为折射率，Leff为光纤长度，ΔTemp为温度变化量，α为线性膨胀系数，ξ为折射率温度系数。
对于熔融石英光纤，线性膨胀系数α＝5.5×10-7/℃，折射率温度系数ξ＝neff×0.68×10-5/℃，那么根据上述公式计算可知：每公里光纤在每摄氏度的温度改变下，光子传输时间的变化约为30ps。那么对于一个运行在北京地区的量子信道长度为100km的量子密钥分发系统，光子传输时间的变化最大可以达到30000ps。(根据中国气象局天气2018年10月18日预报结果：多云，13～23摄氏度，东风3～4级。)
为了保证量子密钥生成系统的稳定运行，需要在量子密钥生成系统在工作过程中根据外部环境的变化调整探测器进行探测的最佳时刻，这一过程称之为位同步修正过程。目前常见的位同步修正方案为中断式位同步修正方案。除此以外，还可以通过波长优选方案以降低外部环境对量子密钥生成系统的影响。
目前的中断式反馈的解决方案为:当探测器计数值出现明显降低时(例如：当前探测器计数值小于探测器计数最大值的50％)，会导致系统的整体信噪比明显降低，误码率显著提升，此时量子密钥生成系统已经无法正常工作，需要停止量子密钥生成系统的密钥生成流程，启动位同步流程，完成位同步流程后再次重新启动量子密钥生成系统的密钥生成流程。
另外一种优化同步光波长的解决方案为，量子密钥生成系统之间的同步采用同步光的方式实现，为了降低环境对光子传输时间的影响，选取同步光波长和量子信号光波长之间的波长差尽可能得小。
但是，发明人在本申请的研究过程中发现，这种中断式的反馈方案效率较低，将会降低量子密钥生成系统的有效工作时间。特别是随着外部环境温度变化的加速和量子信道长度的增加，光子传输时间变化速率随之增加，中断式的反馈方案启动频率将会随之提高，严重影响量子密钥生成系统稳定运行。
优化同步光波长的解决方案只是降低环境变化对探测器最优探测时间的影响，但是当环境变化进一步加剧或者量子信道长度进一步增加时，还是存在探测器进行探测的最佳时刻随环境温度影响而变化的问题。同时，该方案受限于现有波分复用技术，当同步光波长和量子信号光波长差异较小时，同步光对量子信号光的影响将不可忽略，所引入的噪声将降低量子密钥生成系统的性能。
发明内容
本申请提供一种用于量子密钥生成系统的实时位同步修正的方法。该方法实时得监测探测计数值，当因为光子传输时间发生变化而导致探测计数值降低的时候，该方法启动实时位同步修正过程以获取探测最佳时刻，而无需中断量子密钥生成系统的安全密钥生成流程。
本方法设置了合适的相对于探测器最大计数的探测器计数最低阈值，并据此最低阈值实时判断探测器的计数值是否超出此阈值，从而判读探测器进行探测的最佳时刻是否发生变化。
通常设置的最低计数阈值比较靠近最大计数值，当出现当前探测器计数值超出设定的最低阈值这一事件时，探测器的最佳延时值的变化值相对较小，这意味着可以在当前延时值附近的一个相对较小范围内进行搜索以找到最优探测时刻(即，不需要在整个脉冲范围内搜索)。在当前延时值附近的一个较小范围内，探测器的计数值不会明显降低，虽然量子密钥生成系统的工作性能会轻微降低，但仍可以继续正常生成安全密钥而无需中断密钥生成流程的。
整个方法的工作流程如图1所示，所述方法包括以下步骤：
第一步，位同步处理单元持续读取探测器实时计数值及其对应的探测器实时的延时值，并获取探测器的延时效率关系、单位时间最大计数值及其对应的最佳延时值，其中探测器延时效率关系为探测器的计数值与延时值的关系；
第二步，位同步处理单元计算各个探测器的位同步修正延时搜索范围和所需搜索的延时值；
第三步，延时控制单元调节每个探测器的延时值为第二步得到的延时值中的一个；
第四步，探测器根据第三步所设延时值进行计数累积；
第五步，位同步处理单元判断是否完成位同步修正延时搜索范围的搜索，完成则进入下一步，未完成则回到第三步；
第六步，位同步处理单元根据计数值得到各探测器的最佳延时值，并把最佳延时值发送给延时控制单元，延时控制单元据此控制各个探测器的延时设置，实现实时位同步修正。
优选地，第一步中的所述单位时间，包括，
本轮位同步修正启动时或启动之前设定的某个固定的时间；
或一种通常使用的基本时间单位。
优选地，第一步中的所述延时效率关系，是预先标定的离散的点对点的关系，或是预先标定的根据离散的点对点关系得到的函数关系；或是在实际使用时，实时标定或通过机器学习等方式得到的离散的点对点的关系或根据离散的点对点关系得到的函数关系。
优选地，第一步中的所述探测器实时计数值，包括，实时探测的计数值，或是在单位时间内根据实时探测的计数得到的累计计数值。
优选地，所述第一步中的获取探测器单位时间最大计数值，是根据当前探测器实时单位时间计数值和当前记录的单位时间最大计数值做比较后得到的；
当前探测器实时单位时间计数值大于当前记录的探测器单位时间最大计数值，则把当前记录的探测器单位时间最大计数值更新为当前探测器实时单位时间计数值；当前探测器实时单位时间计数值小于或等于当前记录的探测器单位时间最大计数值，则保持当前记录的探测器单位时间最大计数值不变；
或者，当前探测器实时单位时间计数值大于或等于当前记录的探测器单位时间最大计数值，则把当前记录的探测器单位时间最大计数值更新为当前探测器实时单位时间计数值；当前探测器实时单位时间计数值小于当前记录的探测器单位时间最大计数值，则保持当前记录的探测器单位时间最大计数值不变。
优选地，第二步的延时搜索范围是根据当前探测器实时探测的单位时间的计数值归一化到探测器单位时间计数的最大值后，在探测器的延时效率关系中，归一化的探测效率值对应的两个延时值之间的延时差值来确定的。
优选地，每次进入第三步的调节探测器的延时值时，调节探测器的延时值为第二步中的一个不同于之前的延时值。
优选地，其特征在于，所述计数累积为所述的单位时间内的计数累积，或所述计数累积为任意时间长度内的计数累积。
优选地，所述第五步的判断的依据是，
探测器是否扫描完所述第二步得到的全部延时值；或者探测器是否完成了所述第二步得到的全部延时值中的连续n个延时值的扫描，且这n个延时值对应的探测器的单位时间计数值的除两端之外的任意一个为这n计数值中的最大值，其中n为大于等于3的整数。
优选地，每个探测器完成所述第二步得到的全部延时值的扫描，并根据所得计数值得到每个探测器的全部延时值的单位时间探测计数值，探测器根据单位时间计数值，找到某个探测器的最佳延时值和通道号，然后根据各探测器之间的相对延时、各探测器的延时初值，计算和/或查找延时效率关系得到各探测器的最佳延时值；
或，每个探测器完成所述第二步得到的全部延时值中的连续n个延时值的扫描，且这n个延时值对应的探测器的单位时间计数值的除两端之外的任意一个为这n个计数值中的最大值，并得到探测器相应的n个单位时间计数值，探测器根据单位时间计数值，找到某个探测器的最佳延时值和通道号，然后根据各探测器之间的相对延时、各探测器的延时初值，计算和/或查找延时效率关系得到各探测器的最佳延时值，其中n为大于等于3的整数。
优选地，第六步结束后立即回到第一步，重新开始新一轮位同步修正操作。
本方案具有以下优点：
1.本发明能够实时对探测器计数进行统计和监控。当因为光子传输时间发生变化而导致探测计数值降低的时候，该方法启动实时位同步修正过程以获取探测最佳时刻，而无需中断量子密钥生成系统的安全密钥生成流程。
2.本发明中探测器计数累积时间并非固定，而是根据探测器计数实现了量子信道的自适应调整，当探测器的单位时间计数值较高时，探测器计数累积时间可以相应的缩短，这有助于提升实时位同步方案的效率。
本方法实时监控探测器的计数值，然后进行统计。根据探测器计数值的变化判断是否需要进行位同步修正。当因为光子传输时间发生变化而导致探测计数值降低的时候，该方法启动实时位同步修正过程以获取探测最佳时刻，而无需中断量子密钥生成系统的安全密钥生成流程。
本申请所提供的方案为当探测器计数值出现降低时(例如：当前探测器计数值小于探测器计数最大值的95％)，无需停止量子密钥生成系统的密钥生成流程，实时得进行反馈，从而增加了量子密钥分发系统的有效工作时间，提高了量子密钥分发系统的安全密钥产生速率。
同时，该方案通过这种反馈的方式也降低了外部环境对量子密钥分发系统的影响，提高了量子密钥分发系统的鲁棒性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，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为本申请的量子密钥生成系统的实时位同步修正方法流程原理图；
图2为探测器有延时效率关系的示意图；
图3为探测器延时搜索范围的等延时间隔划分，Pari为探测器出厂设置值，ti,e<Pari的情况下的示意图；
图4为探测器延时搜索范围的等延时间隔划分，Pari为探测器出厂设置值，ti,e>Pari的情况下的示意图；
图5为探测器延时搜索范围的等延时间隔划分，Pari为位同步修正过程初始设定值的情况下的示意图；
图6为探测器延时搜索范围的任意间隔划分的示意图。
具体实施方式
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。
本申请提供一种实时位同步修正方法，该方法利用多个探测器同时进行局域延时值测量，综合多个局域延时值测量结果从而获取最优延时值，从而实现降低位同步修正建立时间的目的。主要步骤包括：
第一步，位同步处理单元持续读取探测器实时计数值及其对应的探测器实时的延时值，并获取探测器延时效率关系、探测器最大单位时间计数值及其对应的最佳延时值。
第二步，位同步处理单元计算各个探测器的位同步修正延时搜索范围和所需搜索的延时值。
第三步，延时控制单元调节每个探测器的延时值为上一步得到的延时值中的一个；
第四步，探测器根据第三步所设延时值进行计数累积；
第五步，位同步处理单元判断是否完成位同步修正延时搜索范围的搜索，完成则进入下一步，未完成则回到第三步；
第六步，位同步处理单元根据各个探测器的延时值的计数值找到每个探测器单位时间计数最大值，该探测器单位时间计数最大值所对应的延时值即为该探测器的最佳探测延时值，并把最佳时刻发送给延时控制单元，延时控制单元据此控制各个探测器的延时设置，实现实时位同步修正。
本发明对探测器计数进行实时统计，实时地根据探测器计数值来获取探测最佳时刻，而无需中断量子密钥生成系统的安全密钥生成流程。
本申请的方法中，探测器计数累积时间并非固定，而是根据探测器计数实现了量子信道的自适应调整，当探测器的单位时间计数值较高时，探测器计数累积时间可以相应的缩短，这有助于提升实时位同步修正方案的效率。
本申请所提供的方案为当探测器计数值出现降低时，无需停止量子密钥生成系统的密钥生成流程，实时得进行反馈，从而增加了量子密钥分发系统的有效工作时间，提高了量子密钥分发系统的安全密钥产生速率。
同时，该方案通过这种反馈的方式也降低了外部环境对量子密钥分发系统的影响，提高了量子密钥分发系统的鲁棒性。
【实施例1】
步骤101，位同步处理单元持续读取探测器实时计数值及其对应的探测器实时的延时值，并获取探测器延时效率关系、探测器最大单位时间计数值及其对应的最佳延时值。
位同步处理单元针对每个探测器，设定合适的探测器有效计数积累时间，然后根据积累时间来统计探测器单位时间计数值，与此同时记录并更新每个探测器单位时间计数最大值det_cnti,max，脚标中的i表示第i个探测器。
探测器计数累积时间Ti根据当前单位时间的探测器单位时间的计数值current_det_cnti确定，具体方法如下：
当current_det_cnti小于Ni,1个/秒，探测器计数有效累积时间Si设置为Si,1；
current_det_cnti大于Ni,2个/秒，探测器计数有效累积时间Ti设置为Si,2；
current_det_cnti不小于Ni,1个/秒，且current_det_cnti不大于Ni,2个/秒，探测器计数有效累积时间Si设置为；
Figure GDA0002894005910000061
上述Ni,0、Ni,1、Ni,2、Si,1、Si,2可根据自身需要设置合适的数值。
步骤102，位同步处理单元计算各个探测器的位同步修正延时搜索范围和所需搜索的延时值。
第i个探测器的位同步修正延时搜索范围Rangei是根据探测器响应特性设定的。通常某个探测器探测延时效率关系如图2所示，其中纵轴数据已经归一化到探测器的最大计数值det_cntmax，则第i个探测器的位同步修正延时搜索范围Rangei的计算方式如下：
Rangei＝ΔTi×γi
式中，ΔTi为图2中第i个探测器所设的最低阈值对应的两个延时值之间的延时差值，γi为人为设定的某个数值。
正常情况下，探测器应当工作于图2中的峰值处，即探测器的延时值即为峰值时刻。设该峰值对应的延时值到峰值左侧阈值点对应的延时值的延时差值为Rangei,1，到峰值右侧阈值点对应的延时值的延时差值为Rangei,2
设Pari为第i个探测器的实时位同步修正过程所设置的延时步进，tc,i为延时单元设定的第i个探测器的当前延时初值。探测器在每个tc,i附近进行计数累积，一般探测器在制造完成后，Pari保持不变。设
Figure GDA0002894005910000062
①当Pari>ti,e≥0时，则该探测器的位同步修正延时搜索范围内需要进行搜索的延时值数量ni为：
Figure GDA0002894005910000063
其中，
Figure GDA0002894005910000064
表示取整，其值为
Figure GDA0002894005910000065
的最大正整数。
如图3所示，可把该ti,e段并归到划分后的任意第je段的延时范围内，即划分后第je段延时范围增加ti,e，由此第i个探测器需要进行搜索的延时值Ti,j为：
Figure GDA0002894005910000071
当je＝0时
Figure GDA0002894005910000072
Figure GDA0002894005910000073
②当Pari<ti,e时，此时需要进行搜索的延时值数量为ni+1
如图4所示，把ti,e另设为一个单独的延时段，设此单独延时段为
Figure GDA0002894005910000074
则第i个探测器需要进行搜索的延时值Ti,j为：
Figure GDA0002894005910000075
当je＝0时
Figure GDA0002894005910000076
Figure GDA0002894005910000077
特别的，当
Figure GDA0002894005910000078
时，Ti,j＝ti,j。
特别的，可以通过调整γi，使得ti,e＝0。
特别的，第i个探测器的位同步修正延时搜索范围Rangei和需进行搜索的延时值数量ni可以在该探测器制造完成后标定得到，无需实时计算。
步骤103，延时控制单元调节第i个探测器的延时值为Ti,j。
步骤104，获取第i个探测器的延时值Ti,j下的探测器单位时间的计数值cnti,j。
步骤105，判断是否完成位同步修正延时搜索范围的搜索。此时存在两种情形：
①探测器是否扫描完步骤102得到的全部延时值，如果是，则判断为完成。
②探测器是否完成了连续k(k≥3)个延时值的扫描，且这k个延时值中除去两端的两个点之外的某一个对应的探测器的单位时间计数值为最大值，如果是，则判断为完成。
步骤106，根据各个探测器的单位时间计数值cnti,j找到各个探测器单位时间计数最大值，第i个该探测器单位时间计数最大值所对应的延时值Ti,j即为该探测器的最佳探测延时值，并将此延时值记为Ti,max。
①在每个探测器的的全部的计数值中，找到计数最大值，该最大值对应的延时值即为相应探测器的最佳延时值；
②在每个探测器在任意连续k(k≥3)个延时值对应的单位时间计数值中，除去两个端点延时值之外的某一延时值对应的探测器计数值为这k个计数的最大值时，该最大值对应的延时值即为相应探测器的最佳延时值；
位同步处理单元第i个探测器的最佳探测延时值发送给延时控制单元，延时控制单元把第i个探测器的最佳探测延时值设置为Ti,max，从而实现实时位同步修正。
特别的，以上搜索过程可以进行一轮或一轮以上。
【实施例2】
步骤201同步骤101
步骤202，位同步处理单元计算各个探测器的位同步修正延时搜索范围和所需搜索的延时值。
第i个探测器的位同步修正延时搜索范围Rangei是根据探测器响应特性设定的。通常某个探测器探测延时效率关系如图2所示，其中纵轴数据已经归一化到探测器的最大计数值det_cntmax，则第i个探测器的位同步修正延时搜索范围Rangei的计算方式如下：
Rangei＝ΔTi×γi
式中，ΔTi为图2中第i个探测器所设的最低阈值对应的两个延时值之间的延时差值，γi为人为设定的某个数值。
正常情况下，探测器应当工作于图2中的峰值处，即探测器的延时值即为峰值时刻。设该峰值对应的延时值到峰值左侧阈值点对应的延时值的延时差值为Rangei,1，到峰值右侧阈值点对应的延时值的延时差值为Rangei,2
设该探测器的位同步修正延时搜索范围内需要进行搜索的延时值数量为ni，Pari为第i个探测器的实时位同步修正过程所设置的延时步进，则：
Figure GDA0002894005910000081
经上式后，Pari在本轮位同步修正过程中保持不变，如图3所示。
令tc,i为延时单元设定的第i个探测器的当前延时初值。探测器在每个tc,i附近进行探测器计数累积。令
ti,j＝tc,i-Rangei,1+j×Pari, (j＝0,1,2,…,ni-1)
Figure GDA0002894005910000082
Ti,j即为探测器需要搜索的延时值。
特别的，当
Figure GDA0002894005910000083
时，Ti,j＝ti,j。。
特别的，第i个探测器的位同步修正延时搜索范围Rangei和需进行搜索的延时值数量ni可以在该探测器制造完成后标定得到，无需实时计算。
步骤203同步骤103。
步骤204同步骤104。
步骤205同步骤105。
步骤206同步骤106。
特别的，以上搜索过程可以进行一轮或一轮以上。
【实施例3】
步骤301同步骤101.
步骤302，计算各个探测器的位同步修正延时搜索范围和所需搜索的延时值。
第i个探测器的位同步修正延时搜索范围Rangei是根据探测器响应特性设定的。通常某个探测器延时效率关系如图2所示，其中纵轴数据已经归一化到探测器的最大计数值det_cntmax，则第i个探测器的位同步修正延时搜索范围Rangei的计算方式如下：
Rangei＝ΔTi×γi
式中，ΔTi为图2中第i个探测器所设的最低阈值对应的两个延时值之间的延时差值，γi为人为设定的某个数值。
正常情况下，探测器应当工作于图2中的峰值处，即探测器的延时值即为峰值时刻。设该峰值对应的延时值到峰值左侧阈值点对应的延时值的延时差值为Rangei,1，到峰值右侧阈值点对应的延时值的延时差值为Rangei,2
设tc,i为延时单元设定的第i个探测器的当前延时初值，此后第i个探测器的实时位同步修正过程的延时值设置如下：将Rangei任意分为连续的ni段，每段延时范围记为Δti,j(j＝0,1,2,…,ni-1，如图4所示，此时探测器的每个延时步进Pari,j可以任意，也可以是固定值。每个探测器在每个Δti,j处进行一段时间的计数累积，如图6所示。
令
Figure GDA0002894005910000091
Figure GDA0002894005910000092
当
Figure GDA0002894005910000093
时，Ti,j＝ti,j即为第i个探测器需要进行搜索的延时值。
步骤303同步骤103。
步骤304同步骤104。
步骤305同步骤105。
步骤306同步骤106。
特别的，以上搜索过程可以进行一轮或一轮以上。
以上几个实施方式给出了延时搜索范围按照探测器出厂的延时步进进行均匀划分，延时搜索范围按照需要自行设定的延时步进进行均匀划分，以及延时搜索范围任意非均匀划分的几类情况，但所涉延时搜索范围可以是所述均匀划分和任意非均匀划分相结合，这些延时划分方式均落在本申请的保护范围内。
【实施例4】
步骤401同步骤101.
步骤402，计算各个探测器的位同步修正延时搜索范围和所需搜索的延时值。
第i个探测器的位同步修正延时搜索范围Rangei是根据探测器响应特性设定的。通常某个探测器延时效率关系如图2所示，其中纵轴数据已经归一化到探测器的最大计数值det_cntmax，则第i个探测器的位同步修正延时搜索范围Rangei的计算方式如下：
Rangei＝ΔTi×γi
式中，ΔTi为图2中第i个探测器所设的最低阈值对应的两个延时值之间的延时差值，γi为人为设定的某个数值。
正常情况下，探测器应当工作于图2中的峰值处，即探测器的延时值即为峰值时刻。设该峰值对应的延时值到峰值左侧阈值点对应的延时值的延时差值为Rangei,1，到峰值右侧阈值点对应的延时值的延时差值为Rangei,2
设Pari为第i个探测器的实时位同步修正过程所设置的延时步进，则该探测器的位同步修正延时搜索范围内需要进行搜索的延时值数量ni为：
Figure GDA0002894005910000101
其中，
Figure GDA0002894005910000102
表示取整，其值为
Figure GDA0002894005910000103
的最大正整数。
令tc,i为延时单元设定的第i个探测器的当前延时值。探测器在每个tc,i附近进行一段时间的计数累积。
设
Figure GDA0002894005910000104
考虑到算法所需的延时步长和ti,e的存在：
①当Pari>ti,e≥0时，则可把ti,e并归到任意某个步长内。
此时本方案中的延时步进Pari,j为：
Figure GDA0002894005910000105
当jm＝0时，
Figure GDA0002894005910000106
②当Pari<ti,e时，则可把ti,e另设为一个单独的延时搜索段，此时需要进行搜索的延时值数量为ni+1。
此时本方案中的延时步进Pari,j为：
Figure GDA0002894005910000107
当jm＝0时，
Figure GDA0002894005910000108
特别的，可以通过调整γi、Pari等参数中的一个或一个以上，使得ti,e＝0。
特别的，第i个探测器的位同步修正延时搜索范围Rangei和需进行搜索的延时值数量ni可以在该探测器制造完成后标定得到，无需实时计算。
后续，本方案采用爬坡算法进行延时值的计算和选择：
首先，设定第i个探测器的第1次搜索和第2次搜索的延时值：
当tc,i≥Pari,j时
Figure GDA0002894005910000111
当tc,i<Pari,j时
Figure GDA0002894005910000112
后续第j(j≥3)次搜索的延时值采用爬坡算法进行计算，具体计算方式为
当cnti,j-2>cnti,j-1且ti,j-2<ti,j-1且ti,j-2≥Pari,j时，ti,j＝ti,j-2-Pari,j；
当cnti,j-2>cnti,j-1且ti,j-2<ti,j-1且ti,j-2<Pari,j时，
Figure GDA0002894005910000113
当cnti,j-2>cnti,j-1且ti,j-2>ti,j-1且
Figure GDA0002894005910000114
时，ti,j＝ti,j-2+Pari,j；
当cnti,j-2>cnti,j-1且ti,j-2>ti,j-1且
Figure GDA0002894005910000115
时，ti,j＝0；
当cnti,j-2≤cnti,j-1且ti,j-2<ti,j-1且
Figure GDA0002894005910000116
时，ti,j＝ti,j-1+Pari,j；
当cnti,j-2≤cnti,j-1且ti,j-2<ti,j-1且
Figure GDA0002894005910000117
时，ti,j＝0；
当cnti,j-2≤cnti,j-1且ti,j-2>ti,j-1且ti,j-1≥Pari,j时，ti,j＝ti,j-1-Pari,j；
当cnti,j-2≤cnti,j-1且ti,j-2>ti,j-1且ti,j-1<Pari,j时，
Figure GDA0002894005910000118
步骤403，控制延时单元，调节延时值为ti,j。
步骤404同步骤104。
步骤405同步骤105。
步骤406同步骤106。
实施例4给出了一种算法应用的例子，本实施例中，对于延时步进Pari,j的大小并没有限定，可以相同，也可以不同。该实施例并不妨碍其他算法应用到本发明所述的情形。当然，其他算法中，相邻两个延时值之间的延时差值，可能因不同算法需要而不断改变。这些算法和/或算法的组合也落入本发明的保护范围内。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本申请进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本申请的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本申请精神和范围的情况下，可以对本申请技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本申请的范围内。本申请的保护范围以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种用于量子密钥生成系统的实时位同步修正方法，其特征在于，该方法包括，
第一步，位同步处理单元持续读取探测器实时计数值及其对应的探测器实时的延时值，并获取探测器的延时效率关系、单位时间最大计数值及其对应的最佳延时值，其中探测器延时效率关系为探测器的计数值与延时值的关系；
第二步，位同步处理单元计算各个探测器的位同步修正延时搜索范围和所需搜索的延时值；
第三步，延时控制单元调节每个探测器的延时值为第二步得到的延时值中的一个；
第四步，探测器根据第三步所设延时值进行计数累积；
第五步，位同步处理单元判断是否完成位同步修正延时搜索范围的搜索，完成则进入下一步，未完成则回到第三步；
第六步，位同步处理单元根据计数值得到各探测器的最佳延时值，并把延时值发送给延时控制单元，延时控制单元据此控制各个探测器的延时设置，实现实时位同步修正。
2.根据权利要求1所述的用于量子密钥生成系统的实时位同步修正方法，其特征在于，
第一步中的所述延时效率关系，是预先标定的离散的点对点的关系，或是预先标定的根据离散的点对点关系得到的函数关系；或是在实际使用时，实时标定或通过机器学习的方式得到的离散的点对点的关系或根据离散的点对点关系得到的函数关系。
3.根据权利要求1所述的用于量子密钥生成系统的实时位同步修正方法，其特征在于，第一步中的所述探测器实时计数值，包括，实时探测的计数值，或是在单位时间内根据实时探测的计数得到的累计计数值。
4.根据权利要求1所述的用于量子密钥生成系统的实时位同步修正方法，其特征在于，所述第一步中的获取探测器单位时间最大计数值，是根据当前探测器实时单位时间计数值和当前记录的单位时间最大计数值做比较后得到的；
当前探测器实时单位时间计数值大于当前记录的探测器单位时间最大计数值，则把当前记录的探测器单位时间最大计数值更新为当前探测器实时单位时间计数值；当前探测器实时单位时间计数值小于或等于当前记录的探测器单位时间最大计数值，则保持当前记录的探测器单位时间最大计数值不变；
或者，当前探测器实时单位时间计数值大于或等于当前记录的探测器单位时间最大计数值，则把当前记录的探测器单位时间最大计数值更新为当前探测器实时单位时间计数值；当前探测器实时单位时间计数值小于当前记录的探测器单位时间最大计数值，则保持当前记录的探测器单位时间最大计数值不变。
5.根据权利要求1所述的用于量子密钥生成系统的实时位同步修正方法，其特征在于，第二步的延时搜索范围是根据当前探测器实时探测的单位时间的计数值归一化到探测器单位时间计数的最大值后，在探测器的延时效率关系中，归一化的探测效率值对应的两个延时值之间的延时差值来确定的。
6.根据权利要求1所述的用于量子密钥生成系统的实时位同步修正方法，其特征在于，每次进入第三步的调节探测器的延时值时，调节探测器的延时值为第二步中的一个不同于之前的延时值。
7.根据权利要求1所述的用于量子密钥生成系统的实时位同步修正方法，其特征在于，所述第五步的判断的依据是，
探测器是否扫描完所述第二步得到的全部延时值；或者探测器是否完成了所述第二步得到的全部延时值中的连续n个延时值的扫描，且这n个延时值对应的探测器的单位时间计数值的除两端之外的任意一个为这n计数值中的最大值，其中n为大于等于3的整数。
8.根据权利要求1所述的用于量子密钥生成系统的实时位同步修正方法，其特征在于，所述的第六步的根据计数得到各探测器的最佳延时值的步骤如下：
每个探测器完成所述第二步得到的全部延时值的扫描，并根据所得计数值得到每个探测器的全部延时值的单位时间探测计数值，探测器根据单位时间计数值，找到某个探测器的最佳延时值和通道号，然后根据各探测器之间的相对延时、各探测器的延时初值，计算和/或查找延时效率关系得到各探测器的最佳延时值；
或，每个探测器完成所述第二步得到的全部延时值中的连续n个延时值的扫描，且这n个延时值对应的探测器的单位时间计数值的除两端之外的任意一个为这n个计数值中的最大值，并得到探测器相应的n个单位时间计数值，探测器根据单位时间计数值，找到某个探测器的最佳延时值和通道号，然后根据各探测器之间的相对延时、各探测器的延时初值，计算和/或查找延时效率关系得到各探测器的最佳延时值，其中n为大于等于3的整数。
9.根据权利要求1所述的位同步修正方法，其特征在于：
第六步结束后立即回到第一步，重新开始新一轮位同步修正操作。
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