CN112653521B - 相位编码qkd系统及其相位补偿装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种相位编码QKD系统及其相位补偿装置及方法，本发明技术方案通过相位调制单元进行相位调制，相位调制单元可以为光纤移相器FPS，相对于现有技术采用相位调制器PM的方案，提高了效率和精度，同时大大降低了成本。而且，还可以基于经典帧信号的目标相位调制电压以及对应目标时刻，为所述相位调制单元提供相位调制电压，对量子帧信号进行主动相位补偿，基于经典帧信号的相位漂移速率对量子帧信号进行主动相位补偿，提高了相位补偿过程中相位反馈的效率和精度，减少了相位反馈时间，由于相位反馈过程不能生成密钥，减少反馈时间消耗相当于提升了生成密钥的时间，能够提高成码率。

Description

相位编码QKD系统及其相位补偿装置及方法

技术领域

本发明涉及量子密钥分发(QKD)系统技术领域，更为具体的说，涉及一种相位编码QKD系统及其相位补偿装置及方法。

背景技术

量子密钥分发(Quantum Key Distribution，QKD)是新一代密钥分配方案，它的安全性由物理原理而非算法强度所保证，其是可以保证无条件安全的信息传输，因而是量子信息技术领域研究的重点。它的编码方式主要有相位编码和偏振编码两种。

在偏振编码光纤传输的量子密钥分发中，由于受到光纤双折射效应的影响，光的偏振会发生随机变化。此时，接收端如果按照约定的偏振方向进行测量就很可能产生错误的探测结果。相比偏振编码来说，光子信号在光纤中传输时其相位信息更易保持，因此绝大多数现有的光纤量子密码系统都采用相位编码方案实现。

对于相位编码的QKD系统，其发送端和接收端均具有不等臂干涉仪，由于收发双方各自的不等臂干涉仪所处环境存在温度变化以及机械振动等干扰因素，使得收发双方的干涉仪的干涉环的相位差发生变化，这样会导致两个干涉脉冲之间的相位差也随之发生缓慢偏移，最终导致不稳定干涉的结果。为此，相位编码的QKD系统必须具备相位补偿能力。

发明内容

有鉴于此，本发明技术方案提供了一种相位编码QKD系统及其相位补偿装置及方法，可以对量子帧信号进行主动相位补偿。

为了实现上述目，本发明提供如下技术方案：

一种相位编码QKD系统的相位补偿方法，所述QKD系统具有发送端和接收端，所述发送端向所述接收端发送相位编码的光脉冲信号，所述光脉冲信号包括依次发送的第i周期信号至第n周期信号，第i周期信号具有第i经典帧信号和第i量子帧信号，n为大于1的正整数，i为不大于n的正整数，通过相位调制单元对光脉冲信号进行相位调制，所述相位补偿方法包括：

获取第i经典帧信号和第i+1经典帧信号各自的目标相位调制电压以及对应目标时刻；

基于第i经典帧信号和第i+1经典帧信号各自的目标相位调制电压，获取第i+2经典帧信号的目标相位调制电压；

如果第i+2经典帧信号满足阈值条件；

基于第i经典帧信号-第i+2经典帧信号中至少两者各自的目标相位调制电压以及对应目标时刻，为所述相位调制单元提供相位调制电压，对量子帧信号进行主动相位补偿。

优选的，在上述相位补偿方法中，获取第i经典帧信号目标相位调制电压以及对应目标时刻的方法包括：

将第i经典帧信号均分为多个经典帧时段；

计算每个经典帧时段的计数对比度；

基于所述计数对比度，获取第i经典帧信号的计数对比度极值点；

该对比度极值点对应的相位调制电压以及时刻分别为第i经典帧信号的目标相位调制电压以及对应目标时刻。

优选的，在上述相位补偿方法中，获取第i+1经典帧信号目标相位调制电压以及对应目标时刻的方法包括：

基于比特翻转随机数0或1确定是否采用π相位；

如果比特翻转随机数为0，则采用0相位；

如果比特翻转随机数为1，则采用π相位。

优选的，在上述相位补偿方法中，获取第i+1经典帧信号目标相位调制电压以及对应目标时刻的方法包括：

如果采用0相位，第i+1经典帧信号的对比度极值点对应的相位调制电压以及时刻分别为第i+1经典帧信号的目标相位调制电压以及对应目标时刻；

其中，第i经典帧信号和第i+1经典帧信号中的对比度极值点均为极大值或均为极小值。

优选的，在上述相位补偿方法中，获取第i+1经典帧信号目标相位调制电压以及对应目标时刻的方法包括：

如果采用π相位，第i+1经典帧信号对比度极值点对应的相位调制电压以及时刻分别为第i+1经典帧信号的目标相位调制电压与半波电压的和值以及对应目标时刻；

其中，第i经典帧信号和第i+1经典帧信号中，一者的对比度极值点为极大值，另一者的对比度极值点为极小值。

优选的，在上述相位补偿方法中，所述获取第i+2经典帧信号的目标相位调制电压，包括：

基于第i经典帧信号和第i+1经典帧信号各自的目标相位调制电压确定第i+2经典帧信号中能够扫描到对比度极值点的所述相位调制单元的电压值范围；

在所述电压值范围内进行扫描，获取第i+2经典帧信号的目标相位调制电压及对应目标时刻。

优选的，在上述相位补偿方法中，判断第i+2经典帧信号是否满足阈值条件的方法包括：

获取第i+2经典帧信号的计数对比度极值点；

如果该计数对比度极值点为极大值，则该计数对比度极值点大于设定阈值时，满足所述阈值条件；

如果该计数对比度极值点为极小值，则该计数对比度极值点的倒数大于所述设定阈值时，满足所述阈值条件。

优选的，在上述相位补偿方法中，还包括：

如果不满足所述阈值条件，舍弃第i周期信号-第i+2周期信号，从第j周期信号开始进行主动相位补偿，j＝i+3。

优选的，在上述相位补偿方法中，所述基于第i经典帧信号-第i+2经典帧信号中至少两者各自的目标相位调制电压以及对应目标时刻，对量子帧信号进行主动相位补偿，包括：

基于第i经典帧信号-第i+2经典帧信号中至少两者各自的目标相位调制电压以及对应目标时刻，确定相位调制电压与时刻的线性关系；

基于所述线性关系，对量子帧信号进行主动相位补偿。

优选的，在上述相位补偿方法中，所述基于所述线性关系，对量子帧信号进行主动相位补偿，包括：

将同一所述周期信号中的量子帧信号分为至少k个量子帧时段；

将所述量子帧时段的设定时刻代入所述线性关系，计算其对应的相位调制电压，将所述相位调制电压传输至所述相位调制单元，对所述量子帧时段进行主动相位补偿。

优选的，在上述相位补偿方法中，所述接收端具有用于光子计数的第一单光子探测器和第二单光子探测器；

基于所述经典帧信号的计数对比度的极值点，获取所述经典帧信号的目标相位调制电压以及对应目标时刻；

其中，所述经典帧信号的计数对比度等于所述第一单光子探测器和所述第二单光子探测器在所述经典帧时段的计数率比值。

优选的，在上述相位补偿方法中，还包括：

对所述第一单光子探测器和所述第二单光子探测器在所述经典帧时段的计数率进行校正，所述第一单光子探测器和所述第二单光子探测器的计数率校正公式均为：

其中，Cnt_D’为待校正单光子探测器的校正后的计数率，Cnt_D为所述待校正单光子探测器的计数率，T为统计所述待校正单光子探测器的计数率的时间，td为所述待校正单光子探测器的死时间，C为所述待校正单光子探测器的暗计数。

优选的，在上述相位补偿方法中，在所述暗计数的数据采用所述待校正单光子探测器监测标定的参数时，C为所述待校正单光子探测器监测标定暗计数的数值；

或者，在所述暗计数的数据使用所述QKD系统使用数据后处理得到的真空态发送脉冲概率、接收脉冲概率估算方法时，C为：

其中，M0xx为发送真空态时的、基矢对比后的x基矢的所述接收端的脉冲个数，N0x为所述发送端发送真空态时的、发送x基矢的脉冲个数，f为QKD系统的频率。

优选的，在上述相位补偿方法中，所述相位调制单元包括光纤移相器。

本发明还提供了一种用于相位编码QKD系统的相位补偿装置，所述相位补偿装置包括：

检测模块，所述检测模块用于获取所述QKD系统的发送端输出的光脉冲信号，所述光脉冲信号包括依次发送的第i周期信号至第n周期信号，第i周期信号具有第i经典帧信号和第i量子帧信号，n为大于1的正整数，i为不大于n的正整数，通过相位调制单元对光脉冲信号进行相位调制；

控制模块，所述控制模块用于执行任一种上述的相位补偿方法。

本发明还提供了一种相位编码QKD系统，所述QKD系统包括：上述相位补偿装置。

通过上述描述可知，本发明技术方案提供的相位编码QKD系统及其相位补偿装置及方法中，相位调制器PM通常由电光晶体(如铌酸锂等)制作而成，通过保偏光纤耦合输出，而本发明技术方案通过相位调制单元进行相位调制，例如相位调制单元可以为光纤移相器FPS，相对于现有技术采用相位调制器PM的方案，光纤移相器FPS可以采用多种简单方法实现(如采用压电陶瓷挤压光纤的方案)，提高了效率和精度，同时减少了插入损耗，大大降低了成本。而且，还可以基于经典帧信号的目标相位调制电压以及对应目标时刻，为所述相位调制单元提供相位调制电压，对量子帧信号进行主动相位补偿，也就是说，基于经典帧信号的相位漂移速率对量子帧信号进行主动相位补偿，提高了相位补偿过程中相位反馈的效率和精度，减少了相位反馈时间，由于相位反馈过程不能生成密钥，减少反馈时间消耗相当于提升了生成密钥的时间，能够提高成码率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为一种主动相位补偿方案获取的干涉条纹示意图；

图2为本发明实施例提供的一种相位编码QKD系统的相位补偿方法的流程示意图；

图3为本发明实施例提供的一种获取目标相位调制电压以及对应目标时刻方法的流程示意图；

图4为本发明实施例提供的一种获取目标相位调制电压以及对应目标时刻方法的流程示意图；

图5为本发明实施例提供的另一种获取目标相位调制电压以及对应目标时刻方法的流程示意图；

图6为本发明实施例所述相位补偿方法进行相位补偿的原理示意图；

图7为本发明实施例提供的一种判断是否满足阈值条件方法的流程示意图；

图8为本发明实施例提供的一种相位补偿装置的工作过程示意图；

图9为探测器计数率与相位/电压关系图；

图10为本发明实施例提供的一种相位补偿原理示意图。

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做出创造性劳动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。

为使本发明的上述目的、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发明作进一步详细的说明。

QKD系统具有发送端和接收端，所述发送端向所述接收端发送相位编码的光脉冲信号，所述接收端用于获取所述发送端发送经过编码后的光脉冲信号，接收端获取所述发送端输出的光脉冲信号，对光脉冲信号进行解码，通过单光子探测器进行探测计数。可以基于探测计数的结果产生量子密钥。

对于相位编码QKD系统，在接收端，需要设置多个探测器用于相位解码后的相位基矢的探测。探测器一般为单光子探测器。探测相位基矢的多个探测器效率可能会存在不一致特性的情况，如解码相位态0和相位态1的探测器效率会存在不一致特性，需要通过主动相位补偿解决探测效率不一致的问题。

一种主动相位补偿方式是对于相位基矢0、1比特翻转采用相位调制器PM进行0、π相位的随机调制，那么相位态0和相位态1的探测器效率都为2个探测器平均值，则实现效率一致的目的。

上述主动相位补偿方式的一种具体实施方式是将主动相位补偿分为相位漂移参获取和补偿两个过程，每次密钥分配操作前，系统首先通过扫描操作获取相位漂移参数并确定补偿参数。扫描操作包括：发送端将其自身的第一相位调制器PMa的调相电压固定位Va0，接收端以此时第一相位调制器PMa的相位ψa0作为参考相位。由于在QKD系统中，发送端和接收端相位差才能代表信息，设定Va0＝0，ψa0＝0，接收端控制其自身的第二相位调制器PMb的调相电压从设定Vmin以补偿ΔV扫描到Vmax。Vmin-Vmax至少覆盖2π的相位范围。在一个电压值Vi上，系统等待N个同步脉冲，并对单光子探测器的计数进行累加，得到计数。由此以得到一组数据，这组“电压-单光子计数”曲线为“干涉条纹”，如图1所示，图1为一种主动相位补偿方案获取的干涉条纹示意图，由图1可以看出，干涉条纹符合正弦曲线模型。在正弦曲线的最高点，第一相位调制器PMa和第二相位调制器PMb的相位相等，在正弦曲线的最低点，二者相位差为π。图1中，计数最高点对应的电压Vc_mac和最低点对应的电压Vc_min之差即为相位调制器的半波电压(曲线可能会因为探测器涨落等因素不平滑)。最后通过曲线信息计算相位偏差量(移相器工作原理决定了其相位和记载电压呈线性关系)，然后补偿到移相器参数里面。

利用相位调制器PM进行0、π相位的随机调制，实现相位基矢0/1比特翻转时，由于保偏器件相位调制器PM较为昂贵，导致系统成本高。而且一般主动相位补偿方案需要扫描完成的2π周期，耗费时间长，精度第，效率差。

为了解决上述问题，本发明实施例提供了一种相位编码QKD系统及其相位补偿装置及方法，本发明实施例提供了一种新型高效相位补偿方案，可以采用低成本的相位调制单元进行主动相位补偿，如采用相位调制单元光纤移相器FPS进行相位调制，相对于采用相位调制器PM的传统主动相位补偿方案，提高了效率和精度，同时大大降低了成本，而且不需要扫描完整的2π周期，只需要扫描几个点，减少扫描点的数量，降低方案的复杂度，提高了相位补偿过程中相位反馈的效率和精度，减少了相位反馈时间，由于相位反馈过程不能生成密钥，减少反馈时间消耗相当于提升了生成密钥的时间，能够提高成码率。

参考图2，图2为本发明实施例提供的一种相位编码QKD系统的相位补偿方法的流程示意图，所述QKD系统具有发送端和接收端，所述发送端向所述接收端发送相位编码的光脉冲信号，所述光脉冲信号包括依次发送的第i周期信号至第n周期信号，第i周期信号具有第i经典帧信号和第i量子帧信号，n为大于1的正整数，i为不大于n的正整数，通过相位调制单元对光脉冲信号进行相位调制。

该相位补偿方法包括：

步骤S11：获取第i经典帧信号和第i+1经典帧信号各自的目标相位调制电压以及对应目标时刻。

步骤S12：基于第i经典帧信号和第i+1经典帧信号各自的目标相位调制电压，获取第i+2经典帧信号的目标相位调制电压。

步骤S13：如果第i+2经典帧信号满足阈值条件。

步骤S14：基于第i经典帧信号-第i+2经典帧信号中至少两者各自的目标相位调制电压以及对应目标时刻，为所述相位调制单元提供相位调制电压，对量子帧信号进行主动相位补偿。可选的，所述相位调制单元包括光纤移相器。

如i＝1，可以从第1周期信号的第1经典帧信号开始，获取第1经典帧信号和第2经典帧信号各自的目标相位调制电压以及对应目标时刻，基于第1经典帧信号和第2经典帧信号各自的目标相位调制电压以及对应目标时刻，获取第3经典帧信号的目标相位调制电压，如果第3经典帧信号的目标相位调制电压满足阈值条件，基于第1经典帧信号-第3经典帧信号中至少两者各自的目标相位调制电压以及对应目标时刻，为所述相位调制单元提供相位调制电压，对量子帧信号进行主动相位补偿。

本发明实施例为了便于更为清楚说明所述相位补偿方法的执行过程，以i＝1进行实例说明，容易知道的，不限于i＝1，i可以为任意不大于n的正整数，可以从任意周期信号的经典帧信号开始，以通过任意三个连续的周期信号的经典帧信号，对量子帧信号进行主动相位补偿，

本发明实施例所述相位补偿方法中，获取第i经典帧信号目标相位调制电压以及对应目标时刻的方法如图3所示，图3为本发明实施例提供的一种获取目标相位调制电压以及对应目标时刻方法的流程示意图，该方法包括：

步骤S21：将第i经典帧信号均分为多个经典帧时段。

步骤S22：计算每个经典帧时段的计数对比度。

每个经典帧时段的计数对比度等于接收端中用于探测相位基矢的两个单光子探测器的计数比值。

步骤S23：基于所述计数对比度，获取第i经典帧信号的计数对比度极值点。

通过统计所述经典帧时段的单光子探测器的计数结果，可以获取经典帧时段的计数对比度，每个经典帧时段具有一个对应的计数对比度。可以基于统计的多个计数对比度，确定第i周期信号中第i经典帧信号的计数对比度极值点，如可以通过线性拟合确定计数对比度的拟合曲线，基于该拟合曲线获取第i经典帧信号的计数对比度极值点。

步骤S24：该对比度极值点对应的相位调制电压以及时刻分别为第i经典帧信号的目标相位调制电压以及对应目标时刻。

在图3所示，可以将第i经典帧信号分为m个经典帧时段，该m个经典帧时段以时间顺序依次为第1经典帧时段-第m经典帧时段，m为大于1的正整数。如i＝1，将第1经典帧信号分为m个经典帧时段。每一个经典帧时段通过相位调制单元配置对应的电压。如第1经典帧时段配置电压V1，如第2经典帧时段配置电压V2，…，第m经典帧时段配置电压Vm。设定统计该m个经典帧时段的计数对比度依次为Visb_1_1、Visb_2_1、…、Visb_m_1，可以基于统计的m个计数对比度，确定第1周期信号中第1经典帧的计数对比度极值点Visb_EVI_1，从而可以基于该计数对比度极值点Visb_EVI_1确定其对应的所述相位调制单元的目标相位调制电压Volt_T1及其对应目标时刻t1。也就是说，对于任意周期信号中经典帧信号，将其分为m个经典帧时段，可以通过扫描m个相位(或电压)值，确定任意周期信号中经典帧信号的计数对比度极值点，进而确定其相应目标相位调制电压及其对应目标时刻。

本发明实施例中，获取第i+1经典帧信号目标相位调制电压以及对应目标时刻的方法包括：基于比特翻转随机数0或1确定是否采用π相位；如果比特翻转随机数为0，则采用0相位；如果比特翻转随机数为1，则采用π相位。可以通过随机数控制相位调制单元的电压，进而使得产生0或π的相位差。

本发明实施例所述相位补偿方法中，获取第i+1经典帧信号目标相位调制电压以及对应目标时刻的方法如图4所示，图4为本发明实施例提供的一种获取目标相位调制电压以及对应目标时刻方法的流程示意图，该方法包括：

步骤S31：将第i+1经典帧信号均分为多个经典帧时段。

步骤S32：计算每个经典帧时段的计数对比度。

步骤S33：基于所述计数对比度，获取第i+1经典帧信号的计数对比度极值点。

步骤S34：如果采用0相位，第i+1经典帧信号的对比度极值点对应的相位调制电压以及时刻分别为第i+1经典帧信号的目标相位调制电压以及对应目标时刻。

其中，第i经典帧信号和第i+1经典帧信号中的对比度极值点均为极大值或均为极小值。

本发明实施例所述相位补偿方法中，获取第i+1经典帧信号目标相位调制电压以及对应目标时刻的方法如图5所示，图5为本发明实施例提供的另一种获取目标相位调制电压以及对应目标时刻方法的流程示意图，该方法包括：

步骤S41：将第i+1经典帧信号均分为多个经典帧时段。

步骤S42：计算每个经典帧时段的计数对比度。

步骤S43：基于所述计数对比度，获取第i+1经典帧信号的计数对比度极值点。

步骤S44：如果采用π相位，第i+1经典帧信号对比度极值点对应的相位调制电压以及时刻分别为第i+1经典帧信号的目标相位调制电压与半波电压的和值以及对应目标时刻。也就是说，如果采用π相位，在确定第i+1经典帧信号的目标相位调制电压时，需要进行半波电压校正，此时第i+1经典帧信号对比度极值点对应的相位调制电压等于第i+1经典帧信号的目标相位调制电压与半波电压之和。

其中，第i经典帧信号和第i+1经典帧信号中，一者的对比度极值点为极大值，另一者的对比度极值点为极小值。

本发明实施例所述相位补偿方法中，可以基于比特翻转随机数0或1确定是否采用π相位；如果比特翻转随机数为0，则采用0相位；如果比特翻转随机数为1，则采用π相位。具体的，在确定第i周期信号中第i经典帧信号目标相位调制电压以及对应目标时刻后，在下一后期信号的经典帧信号内，即在第i+1周期信号的第i+1经典帧信号内，根据比特翻转随机数1或0决定是否采用π相位。通过比特翻转随机数控制相位调制单元，如果为相位调制单元提供随机数为0，则不产生相位差，如果随机数为1，则产生π相位差。QKD系统中，接收端具有随机数控制电路，用于产生0和1的随机数，以控制相位调制单元的电压。

为了简单有效的对QKD系统进行相位漂移补偿，本发明实施例技术方案结合相位调制单元对量子帧信号进行主动相位补偿，补偿原理如图6所示，图6为本发明实施例所述相位补偿方法进行相位补偿的原理示意图，第1周期信号-第n周期信号均为包含量子帧信号以及经典帧信号，也就是说，如设定该n个周期信号的周期依次为T1、T2、…、Tn，如第i周期信号，其周期Ti为第i经典帧信号和第i量子帧信号的两部分脉冲的总时间。任意周期信号中，其经典帧信号用于进行相位漂移量的扫描测量与计算，可由此计算的结果对量子帧的相位进行补偿与调整，下面以i＝1为例，本发明实施例所述相位补偿方法可以分为如下三个过程：

1、监测过程，此过程的目的是在每个周期信号内的经典帧内扫描几个相位(或电压)值，通过比较得到目标调制电压，如将经典帧信号分为m段，仅需要m次扫描。由于相位调制单元加载的调制电压与产生的相位呈线性关系，所以其调制电压和产生相位具有相同线性关系，可以通过调制电压表征相位，或是通过相位表征调制电压。

1)在第1周期信号的第i经典帧信号内，将第1经典帧分为m个经典帧时段，如上述，每一个经典帧时段设置相应相位调制电压，第1经典帧时段配置电压V1，如第2经典帧时段配置电压V2，…，第m经典帧时段配置电压Vm，统计该m个经典帧时段的计数对比度依次为Visb_1_1、Visb_2_1、…、Visb_m_1，可以基于统计的m个计数对比度，确定第1周期信号中第1经典帧的计数对比度极值点Visb_EVI_1，从而可以基于该计数对比度极值点Visb_EVI_1确定其对应的所述相位调制单元的目标相位调制电压Volt_T1及其对应目标时刻t1。

2)在下一个周期信号，如第2周期信号的第2经典帧信号内，首先根据比特比特翻转随机数1或0，决定是否采用π相位。

a)如果不采用π相位，则同1)，找到第2经典帧信号对应的计数对比度极值点Visb_EVI_2，进而确定其对应的目标相位调制电压Volt_T2及其对应目标时刻t2。

b)如果采用π相位，和a)不同在于为每个分段配置的电压还要加半波电压Vπ，另外，对比度极值点和a)所用极值点是反向的，也就是若a)采用极大值，那么b)采用极小值，反之亦然。故此时找到第2经典帧信号对应的计数对比度极值点Visb_EVI_2后，其对应第2经典帧信号对应的目标相位调制电压Volt_T2和半波电压Vπ的和值以及对应目标时刻t2。

3)在下一个周期信号，如在第3周期信号的第3经典帧信号内，可以基于目标相位调制电压Volt_T1和目标相位调制电压Volt_T2预估第3经典帧信号中能够扫描到对比度极值点的所述相位调制单元的电压值范围，即第3经典帧信号中m个经典帧时段V1-Vm所覆盖的电压范围的一部分，这样，相对于第1经典帧信号和第2经典帧信号，第3经典帧信号可以更快的确定计数对比度极值点Visb_EVI_3，然后基于上述流程2)-4)，确定其目标相位调制电压Volt_T3及其对应目标时刻t3。

也就是说，本发明实施例所述相位补偿方法中，所述获取第i+2经典帧信号的目标相位调制电压，包括：

首先，基于第i经典帧信号和第i+1经典帧信号各自的目标相位调制电压确定第i+2经典帧信号中能够扫描到对比度极值点的所述相位调制单元的电压值范围；

然后，在所述电压值范围内进行扫描，获取第i+2经典帧信号的目标相位调制电压及对应目标时刻。此时，对第i+2经典帧信号对应的m个经典帧时段，无需扫描所有个经典帧时段，只需要扫描所述电压值范围对应的部分经典帧时段，以部分经典帧时段即可以确定第i+2经典帧信号对应的对比度极值点，进而获取第i+2经典帧信号的目标相位调制电压及对应目标时刻。

本发明实施例所述相位补偿方法中，判断第i+2经典帧信号是否满足阈值条件的方法如图7所示，图7为本发明实施例提供的一种判断是否满足阈值条件方法的流程示意图，该方法包括：

步骤S51：获取第i+2经典帧信号的计数对比度极值点。可以通过上述过程4)获取第i+2经典帧信号的计数对比度极值点。

步骤S52：如果该计数对比度极值点为极大值，则该计数对比度极值点大于设定阈值Visb_th时，满足所述阈值条件。所述设定阈值Visb_th为工程化参数，是已知参数。

步骤S53：如果该计数对比度极值点为极小值，则该计数对比度极值点的倒数大于所述设定阈值Visb_th时，满足所述阈值条件，进行后续相位补偿处理。

图7所示方式中，还包括：

步骤S54：如果不满足所述阈值条件，舍弃第i周期信号-第i+2周期信号，返回步骤S11，从第j周期信号开始进行主动相位补偿，重复上述步骤S11-S14过程。与上述过程相同，基于第j经典帧信号-第j+2经典帧信号中至少两者各自的目标相位调制电压以及对应目标时刻，为所述相位调制单元提供相位调制电压，对量子帧信号进行主动相位补偿。

例如，对于i＝1情况，第i+2经典帧信号为第3经典帧信号，如果在过程3)-4)中确定的计数对比度极值点Visb_EVI_3不满足该阈值条件，那么舍弃第1周期信号-第3周期信号时间段内采集的数据，不进入后续基矢比对等阶段累计，从第4周期重复1)-4)过程，以此类推。

实现本发明实施例所述相位补偿方法的相位补偿装置的工作过程如图8所示，图8为本发明实施例提供的一种相位补偿装置的工作过程示意图，对于一经典帧信号，在该经典帧信号时段内下发的m个电压，假如m＝3，对应采集三次计数对比度分别为Visb1、Visb2和Visb3，确定该三个计数对比度那个最高(计数对比度极大值，该处以极大值为例进行说明，如果采用计数对比度极小值，如上述需要判断计数对比度倒数最高，后续不再赘述)，并得出对比度最高的相应相位调制单元电压值。

对应相位补偿装置中模块工作过程如图8所示，检测模块11完成n组电压下的计数率数据的采集，打包输出到控制模块12，控制模块12按照上述相位补偿方法，基于确定的目标相位调制电压Volt_1、Volt_2、Volt_3及对应目标时刻t1、t2、t3，进行主动相位补偿，n个周期信号中经典帧信号分别对应一组数据。控制模块12基于上述相位补偿方法，为干涉仪光路13中的相位调制单元提供对应相位调制电压，通过反馈算法，对量子帧信号进行主动相位补偿。也就是，可以QKD系统中，在接收端设置所述相位调制单元，如低成本的光纤移相器，基于本发明实施例所述相位补偿方法进行主动相位补偿。

QKD系统中，所述接收端具有用于光子计数的第一单光子探测器D1和第二单光子探测器D2。基于所述经典帧信号的计数对比度的极值点，获取所述经典帧信号的目标相位调制电压以及对应目标时刻；其中，所述经典帧信号的计数对比度等于所述第一单光子探测器D1和所述第二单光子探测器D2在所述经典帧时段的计数率比值。QKD系统中，所述接收端具有两个单光子探测器，二者区分取决于相位补偿时发光状态和接收端相位调制单元的状态，如发送相位差为0的光进行补偿，当相位调制单元设置在0电压时，探测器计数大的单光子探测器为D1，探测计数小的为D2。

计数对比度的计算由QKD系统的接收端中探测器D1和D2的计数率比值决定。特别的，如图9所示，图9为探测器计数率与相位/电压关系图，因为探测器自身存在本底与死时间问题，为了提高对比度的灵敏度，所述第一单光子探测器D1和所述第二单光子探测器D2需要校正探测器死时间和本底的影响。

其中，死时间为固定系统设置，可以直接使用其已知数据。获取本底数据可有不同的方法。可以用探测器监测标定的参数表示，也可以用数据处理得到的真空态发送脉冲概率、接收脉冲概率来估算。前阵在探测器参数变换的情况下，需要中断QKD系统流程来重新获取探测器本底暗计数，而后者需要中断QKD系统流程，可以在QKD系统运行中的数据处理过程中提取上述参数来估算本底暗计数，而且依次数据处理可以更新依次参数，避免探测器暗计数参数变换带来的校准不准确的问题。

故，获取计数对比度前，所述相位补偿方法还包括：

对所述第一单光子探测器D1和所述第二单光子探测器D2在所述经典帧时段的计数率进行校正，所述第一单光子探测器D1和所述第二单光子探测器的计数率校正公式D2均为：

其中，Cnt_D’为待校正单光子探测器的校正后的计数率，Cnt_D为所述待校正单光子探测器的计数率，T为统计所述待校正单光子探测器的计数率的时间，td为所述待校正单光子探测器的死时间，C为所述待校正单光子探测器的暗计数。

也就是说，如果第一单光子探测器D1校正前的计数率为Cnt_D1，第二单光子探测器2校正前的计数率为Cnt_D2，二者校正后的计数率分别为Cnt_D1’、Cnt_D2’，则Cnt_D1’可以表示为：

Cnt_D2’计算公式与Cnt_D1’类似。公式(1)右侧，减号前部分代表校正探测器死时间部分数值。

在所述暗计数的数据采用所述待校正单光子探测器监测标定的参数时，C为所述待校正单光子探测器监测标定暗计数的数值；

或者，在所述暗计数的数据使用所述QKD系统使用数据后处理得到的真空态发送脉冲概率、接收脉冲概率估算方法时，C为：

其中，M0xx为发送真空态时的、基矢对比后的x基矢的所述接收端的脉冲个数，N0x为所述发送端发送真空态时的、发送x基矢的脉冲个数，f为QKD系统的频率。

2、量子帧信号分段并进计算电压调节量过程

可选的，所述基于第i经典帧信号-第i+2经典帧信号中至少两者各自的目标相位调制电压以及对应目标时刻，对量子帧信号进行主动相位补偿，包括：

首先，基于第i经典帧信号-第i+2经典帧信号中至少两者各自的目标相位调制电压以及对应目标时刻，确定相位调制电压与时刻的线性关系；

然后，基于所述线性关系，对量子帧信号进行主动相位补偿。

其中，所述基于所述线性关系，对量子帧信号进行主动相位补偿，包括

将同一所述周期信号中的量子帧信号分为至少k个量子帧时段；k为正整数。

将所述量子帧时段的设定时刻代入所述线性关系，计算其对应的相位调制电压，将所述相位调制电压传输至所述相位调制单元，对所述量子帧时段进行主动相位补偿。

如图10所示，图10为本发明实施例提供的一种相位补偿原理示意图，如图10所示，以本发明实施例所述相位补偿方法扫描所得的经典帧信号的(目标时刻，目标相位调制电压)为坐标点，例如以(t1，Volt_T1)和(t1，Volt_T1)为坐标点，如果t2所对应经典帧信号使用的比特翻转随机数为1，则需要扣除半波电压Vπ，即以(t1，Volt_T1+Vπ)和(t1，Volt_T1+Vπ)为坐标点，可以将电压值变化做近似线性处理，用于计算量子帧内的相位漂移速率，然后根据相位漂移速率，对量子帧信号进行分段，对每一段通过相位调制单元配置相应的相位调制电压。

如果通过(t1，Volt_T1)和(t1，Volt_T1)两点计算线性关系，此时比特翻转随机数为0，获得的对应线性曲线公式为：

如果通过(t1，Volt_T1+Vπ)和(t1，Volt_T1+Vπ)两点计算线性关系，此时比特翻转随机数为1，获得的对应线性曲线公式为：

其中，纵轴y坐标为电压，横轴x坐标为时间。

获得对应线性关系后，可以将各个周期信号中的量子帧信号分为k个量子帧时段，如等分为k个量子帧时段，k为正整数。k可以基于具体情况进行设定，其上限取决于FPS的器件速率，下限取决于相位漂移速率。

根据图10中量子帧信号分成的k个量子帧时段对应的设定时刻，可以为每个时段的启示时刻、中间时刻或是末尾时刻，将该设定时刻对应代入上述公式(3)或(4)的变量x，即可以计算出用于对该量子帧时段进行相位补偿的相位调制电压，各个周期分段调制电压值的方法与上述过程相同。

如果相邻两个经典帧信号内的相位漂移速率不是线性变化的，可以将经典帧信号和量子帧信号对应周期信号的周期T相应设置更短，使得两个相邻经典帧信号对应的量子帧信号的相位漂移呈现近似线性变化。

3、根据每一量子帧时段所需的电压调节量，直接将确定的电压值调节量下发到FPS，对每一量子帧时段的电压进行调节补偿，具体工作过程如图8所示，通过反馈算法和控制模块12下发电压值到干涉仪光路13，进而对干涉仪光路13上加载电压进行设置，完成相位漂移量配置。

本发明实施例所述相位补偿方法，整个相位补偿方案包含比特翻转的过程；可以设置经典帧信号的对比度阈值，如果在经典帧信号对应的反馈时间Δt内没有找到满足该对比度阈值条件的点，那么量子帧信号时间内采集的数据不仅如此后续基矢比对等阶段累计；计数对比度的计算由接收端两个探测器D1和D2的计数率比值决定，为了提高计数对比度的灵敏度，可以设置探测器D1计数率校正死时间影响，探测器D2计数率校正本底影响，获取本底数据如上述可以有不同的方法；对任意周期信号，将其量子帧信号分为k个量子帧时段，k根据具体情况分析取值，其上限取决于FPS的器件速率，下限取决于相位漂移速率；若两个相邻经典帧信号内的相位漂移速率不是线性变化，将其及对应量子帧信号所在周期信号的周期设置更短，即缩短经典帧信号和量子帧信号的切换时间，使得相邻两个经典帧对应量子帧的相位漂移呈线性变化。

与现有采用相位调制器PM的相位补偿方案相比，本发明实施例技术方案采用相位调制单元，例如相位调制单元可以为光纤移相器FPS，光纤移相器FPS可以采用多种简单方法实现(如采用压电陶瓷挤压光纤的方案)，提高了效率和精度，同时减少了插入损耗，在实现相位补偿的同时，降低了成本，通过相位调制单元，解决了相邻两经典帧信号可能的半波电压Vπ变化导致的不能精确查找目标相位调制电压的问题，而且相比于现有寻找目标相位调制电压的补偿方法，减少了确定计数对比度极值点时电压扫描的次数，同时因为针对量子帧信号的分段根据实际情况具体变化，提高了相位补偿的精度。

基于上述相位补偿方法，本发明另一实施例还提供了一种用于QKD系统的相位补偿装置，所述相位补偿装置如图8所示，包括：

检测模块11，所述检测模块11用于获取所述QKD系统的发送端输出的光脉冲信号，所述光脉冲信号包括依次发送的第1周期信号至第n周期信号，第i周期信号具有第i经典帧信号和第i量子帧信号，n为大于1的正整数，i为不大于n的正整数，通过相位调制单元对光脉冲信号进行相位调制；

控制模块12，所述控制模块12用于执行上述实施例所述的相位补偿方法。

所述相位补偿装置可以执行上述实施例所述相位补偿方法，系统成本低，解决了相邻两经典帧信号可能的半波电压Vπ变化导致的不能精确查找目标相位调制电压的问题，而且相比于现有寻找目标相位调制电压的补偿方法，减少了确定计数对比度极值点时电压扫描的次数，同时因为针对量子帧信号的分段根据实际情况具体变化，提高了相位补偿的精度。

基于上述实施例所述相位补偿方法以及相位补偿装置实施例，本发明另一实施例还提供了一种相位编码的QKD系统，其特征在于，所述QKD系统包括：上述实施例所述相位补偿装置。

本说明书中各个实施例采用递进、或并行、或递件和并行相结合的方式进行描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的相位补偿装置以及QKD系统而言，由于其与实施例公开的相位补偿方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见相位补偿方法对应部分说明即可。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (14)

1.一种相位编码QKD系统的相位补偿方法，其特征在于，所述QKD系统具有发送端和接收端，所述发送端向所述接收端发送相位编码的光脉冲信号，所述光脉冲信号包括依次发送的第i周期信号至第n周期信号，第i周期信号具有第i经典帧信号和第i量子帧信号，n为大于1的正整数，i为不大于n的正整数，通过相位调制单元对光脉冲信号进行相位调制，所述相位补偿方法包括：

获取第i经典帧信号和第i+1经典帧信号各自的目标相位调制电压以及对应目标时刻；

基于第i经典帧信号和第i+1经典帧信号各自的目标相位调制电压，获取第i+2经典帧信号的目标相位调制电压；

如果第i+2经典帧信号满足阈值条件；

基于第i经典帧信号-第i+2经典帧信号中至少两者各自的目标相位调制电压以及对应目标时刻，为所述相位调制单元提供相位调制电压，对量子帧信号进行主动相位补偿；

所述基于第i经典帧信号-第i+2经典帧信号中至少两者各自的目标相位调制电压以及对应目标时刻，对量子帧信号进行主动相位补偿，包括：基于第i经典帧信号-第i+2经典帧信号中至少两者各自的目标相位调制电压以及对应目标时刻，确定相位调制电压与时刻的线性关系；基于所述线性关系，对量子帧信号进行主动相位补偿；

所述基于所述线性关系，对量子帧信号进行主动相位补偿，包括：将同一所述周期信号中的量子帧信号分为至少k个量子帧时段；将所述量子帧时段的设定时刻代入所述线性关系，计算其对应的相位调制电压，将所述相位调制电压传输至所述相位调制单元，对所述量子帧时段进行主动相位补偿。

2.根据权利要求1所述的相位补偿方法，其特征在于，获取第i经典帧信号目标相位调制电压以及对应目标时刻的方法包括：

将第i经典帧信号均分为多个经典帧时段；

计算每个经典帧时段的计数对比度；

基于所述计数对比度，获取第i经典帧信号的计数对比度极值点；

该对比度极值点对应的相位调制电压以及时刻分别为第i经典帧信号的目标相位调制电压以及对应目标时刻；

其中，每个经典帧时段的计数对比度等于接收端中用于探测相位基矢的两个单光子探测器的计数比值。

3.根据权利要求2所述的相位补偿方法，其特征在于，获取第i+1经典帧信号目标相位调制电压以及对应目标时刻的方法包括：

基于比特翻转随机数0或1确定是否采用π相位；

如果比特翻转随机数为0，则采用0相位；

如果比特翻转随机数为1，则采用π相位。

4.根据权利要求3所述的相位补偿方法，其特征在于，获取第i+1经典帧信号目标相位调制电压以及对应目标时刻的方法包括：

如果采用0相位，第i+1经典帧信号的对比度极值点对应的相位调制电压以及时刻分别为第i+1经典帧信号的目标相位调制电压以及对应目标时刻；

其中，第i经典帧信号和第i+1经典帧信号中的对比度极值点均为极大值或均为极小值。

5.根据权利要求3所述的相位补偿方法，其特征在于，获取第i+1经典帧信号目标相位调制电压以及对应目标时刻的方法包括：

如果采用π相位，第i+1经典帧信号对比度极值点对应的相位调制电压以及时刻分别为第i+1经典帧信号的目标相位调制电压与半波电压的和值以及对应目标时刻；

其中，第i经典帧信号和第i+1经典帧信号中，一者的对比度极值点为极大值，另一者的对比度极值点为极小值。

6.根据权利要求1所述的相位补偿方法，其特征在于，所述获取第i+2经典帧信号的目标相位调制电压，包括：

基于第i经典帧信号和第i+1经典帧信号各自的目标相位调制电压确定第i+2经典帧信号中能够扫描到对比度极值点的所述相位调制单元的电压值范围；

在所述电压值范围内进行扫描，获取第i+2经典帧信号的目标相位调制电压及对应目标时刻。

7.根据权利要求1所述的相位补偿方法，其特征在于，判断第i+2经典帧信号是否满足阈值条件的方法包括：

获取第i+2经典帧信号的计数对比度极值点；

如果该计数对比度极值点为极大值，则该计数对比度极值点大于设定阈值时，满足所述阈值条件；

如果该计数对比度极值点为极小值，则该计数对比度极值点的倒数大于所述设定阈值时，满足所述阈值条件。

8.根据权利要求1所述的相位补偿方法，其特征在于，还包括：

如果不满足所述阈值条件，舍弃第i周期信号-第i+2周期信号，从第j周期信号开始进行主动相位补偿，j＝i+3。

9.根据权利要求2所述的相位补偿方法，其特征在于，所述接收端具有用于光子计数的第一单光子探测器和第二单光子探测器；

基于所述经典帧信号的计数对比度的极值点，获取所述经典帧信号的目标相位调制电压以及对应目标时刻；

其中，所述经典帧信号的计数对比度等于所述第一单光子探测器和所述第二单光子探测器在所述经典帧时段的计数率比值。

10.根据权利要求9所述的相位补偿方法，其特征在于，还包括：

对所述第一单光子探测器和所述第二单光子探测器在所述经典帧时段的计数率进行校正，所述第一单光子探测器和所述第二单光子探测器的计数率校正公式均为：

其中，Cnt_D’为待校正单光子探测器的校正后的计数率，Cnt_D为所述待校正单光子探测器的计数率，T为统计所述待校正单光子探测器的计数率的时间，td为所述待校正单光子探测器的死时间，C为所述待校正单光子探测器的暗计数。

11.根据权利要求10所述的相位补偿方法，其特征在于，在所述暗计数的数据采用所述待校正单光子探测器监测标定的参数时，C为所述待校正单光子探测器监测标定暗计数的数值；

或者，在所述暗计数的数据使用所述QKD系统使用数据后处理得到的真空态发送脉冲概率、接收脉冲概率估算方法时，C为：

其中，M0xx为发送真空态时的、基矢对比后的x基矢的所述接收端的脉冲个数，N0x为所述发送端发送真空态时的、发送x基矢的脉冲个数，f为QKD系统的频率。

12.根据权利要求1-11任一项所述的相位补偿方法，其特征在于，所述相位调制单元包括光纤移相器。

13.一种用于相位编码QKD系统的相位补偿装置，其特征在于，所述相位补偿装置包括：

检测模块，所述检测模块用于获取所述QKD系统的发送端输出的光脉冲信号，所述光脉冲信号包括依次发送的第i周期信号至第n周期信号，第i周期信号具有第i经典帧信号和第i量子帧信号，n为大于1的正整数，i为不大于n的正整数，通过相位调制单元对光脉冲信号进行相位调制；

控制模块，所述控制模块用于执行如权利要求1-12任一项所述的相位补偿方法。

14.一种相位编码QKD系统，其特征在于，所述QKD系统包括：如权利要求13所述的相位补偿装置。

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