CN113556184A - 自由空间变量量子密钥分发系统的数据采集方法及系统 - Google Patents

自由空间变量量子密钥分发系统的数据采集方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种自由空间变量量子密钥分发系统的数据采集方法及系统，所述方法包括如下步骤：步骤S1：在发送端对本振光和量子信号光进行偏振复用传输；步骤S2：在接收端将本振光和量子信号光分离；步骤S3：利用本振光生成采样时钟；同时对量子信号光同一脉冲内不同时刻值进行采样；步骤S4：对采样数据进行处理；步骤S5：调整延时模块的延时值，采样时钟的上升沿和处理后的数据的峰值位置点对齐，得到峰值采样。本发明提出一种实现对自由空间连续变量量子密钥分发系统进行数据采集的方法。且该方法具有高精度易实现的优点。

Description

自由空间变量量子密钥分发系统的数据采集方法及系统
技术领域
本发明涉及自由空间连续变量量子密钥分发系统的技术领域，具体地，涉及自由空间连续变量量子密钥分发系统的数据采集方法，尤其涉及一种自由空间连续变量量子密钥分发系统的数据采集技术。
背景技术
随着信息时代的发展，信息传输量在快速增加，伴随而来的是信息技术对信息安全的要求日益增加。占据主导地位的经典密码系统随着计算机算力的增加，被加密系统破译的风险的也在逐步增加，现有的安全体现面临重大挑战。由于量子密钥分发技术能够在物理上保证通信的无条件安全性，吸引了许多研究人员的目光。量子密钥分发技术主要可以分为两类：离散变量量子密钥分发以及连续变量量子密钥分发技术。其中连续变量量子密钥分发多采用光纤传输方案。近年来自由空间连续变量量子密钥分发技术由于其在链路建立方面的灵活性而得到关注。由于在自由空间连续变量量子密钥分发系统中，透过率会随时间变化，导致对信号峰值进行采样存在一定难度，若不能精确采样到峰值，则会对密钥率产生影响。因此，精确峰值采样对自由空间连续变量量子密钥分发系统十分重要。
对于连续变量量子密钥分发系统的数据采集方案主要为通过使用远高于调制频率的采样器对信号进行采样，即通过在一个脉冲周期内采样多个数据点后通过一定算法进行峰值的查找。但是这种方案的不足之处在于一旦调制频率相对较高但是采样带宽有限的情况下，采集到的数据精度会很大程度的降低，甚至于无法寻找到可用的峰值点，对安全密钥率有很大的影响。还有一种在光纤中使用同频采样的方式，即使用与调制频率相同的采样频率，在每个脉冲周期内采集一个点的数据，通过时钟延时反馈控制回路以及一定的算法比较不同点的数据来寻找出最大值，但是由于自由空间连续变量量子密钥分发系统的透过率是变化的，这种方案无法使用在自由空间连续变量量子密钥分发系统中。
在公开号为CN112968768A的中国专利文献中公开了一种连续变量量子密钥分发系统中内生量子随机数的方法，其中发送端内生量子随机数的方法中引入时钟精确延时模块和时域平衡零拍探测器，接收端内生量子随机数的方法中对用于校准散粒噪声基准的数据进行复用。
针对上述中的相关技术，需要提出一种技术方案以改善上述技术问题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种自由空间变量量子密钥分发系统的数据采集方法及系统。
根据本发明提供的一种自由空间变量量子密钥分发系统的数据采集方法，所述方法包括如下步骤：
步骤S1：在发送端对本振光和量子信号光进行偏振复用传输；
步骤S2：在接收端将本振光和量子信号光分离；
步骤S3：利用本振光生成采样时钟；同时对量子信号光同一脉冲内不同时刻值进行采样；
步骤S4：对采样数据进行处理；
步骤S5：调整延时模块的延时值，采样时钟的上升沿和处理后的数据的峰值位置点对齐，得到峰值采样。
优选地，所述步骤S2将接收到的信号光通过偏振分束器，将本振光和量子信号光分离。
优选地，所述步骤S3通过偏振分束器将本振光分出一部分，通过时钟生成器生成时钟信号；将量子信号光分为两路，采用两个采样频率与调制信号频率相同的模/数转换器分别对两路信号的相邻时刻值进行采样；
所述步骤S4通过计算比较出两个相邻时刻所采集的数据功率大小，确定延时模块的延时大小。
优选地，所述采集方法适用于复杂的透过率可变的信道，采用可编程延时模块同时对两路ADC进行相邻时刻的采样，使用算法处理数据来调整延时模块的延时，通过反复调节时延值来找到最佳采样点，使时钟的上升沿接近峰值点，完成采样。
优选地，所述采集方法使用数据处理算法判别两采样点的功率大小，通过对比采样点功率计算出时延控制信息，传递给延时模块，调整时钟延时以采集到峰值。
本发明还提供一种自由空间变量量子密钥分发系统的数据采集系统，所述系统包括如下模块：
模块M1：在发送端对本振光和量子信号光进行偏振复用传输；
模块M2：在接收端将本振光和量子信号光分离；
模块M3：利用本振光生成采样时钟；同时对量子信号光同一脉冲内不同时刻值进行采样；
模块M4：对采样数据进行处理；
模块M5：调整延时模块的延时值，采样时钟的上升沿和处理后的数据的峰值位置点对齐，得到峰值采样。
优选地，所述模块M2将接收到的信号光通过偏振分束器，将本振光和量子信号光分离。
优选地，所述模块M3通过偏振分束器将本振光分出一部分，通过时钟生成器生成时钟信号；将量子信号光分为两路，采用两个采样频率与调制信号频率相同的模/数转换器分别对两路信号的相邻时刻值进行采样；
所述模块M4通过计算比较出两个相邻时刻所采集的数据功率大小，确定延时模块的延时大小。
优选地，所述采集系统适用于复杂的透过率可变的信道，采用可编程延时模块同时对两路ADC进行相邻时刻的采样，使用算法处理数据来调整延时模块的延时，通过反复调节时延值来找到最佳采样点，使时钟的上升沿接近峰值点，完成采样。
优选地，所述采集系统使用数据处理算法判别两采样点的功率大小，通过对比采样点功率计算出时延控制信息，传递给延时模块，调整时钟延时以采集到峰值。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明可适用于透过率可变的信道环境，不同于以往的信道透过率稳定的光纤信道连续变量量子密钥分发数据采集方法，该方法适用于复杂信道下，如自由空间连续变量量子密钥分发系统的数据采集，即即使在信道透过率变化时，依然可以采集到检测器输出信号的峰值，保证连续变量量子密钥分发系统安全有效运行；
2、本发明具有很高的精度。传统数据采集方案通常采用高采样带宽的ADC来在一个脉冲周期内采集多个点并通过算法筛选出最大值点来找到峰值。但是这种方案所获取的数据精度很依赖于ADC的采样带宽，现有的商用ADC的带宽约GHz水平。这意味着两个采样点间隔在ns量级，所以采用这种方案的误差也会被限制在ns量级，从而影响安全密钥率。本发明采取可编程延时模块，其采集精度仅取决于可编程延时模块的步进精度，就目前商用的延时模块精度可到达ps量级甚至更低，相比于使用高带宽的ADC而言精度高了一个数量级；
3、本发明的成本相对较低。商用高带宽的ADC的价格十分昂贵，而高精度的延时模块价格以及低带宽的ADC的价格相对低了很多。本发明采用两个低带宽的ADC以及延时模块，从成本而言降低了很多。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明所提方案的流程示意图；
图2为本发明信号延时采样示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
参照图1和图2，一种自由空间变量量子密钥分发系统的数据采集方法及系统，可实现透过率变化的信道下的连续变量量子密钥分发系统数据采集，包括以下步骤：
步骤S1：在发送端对本振光和量子信号光进行偏振复用传输；步骤S2：在接收端将本振光和量子信号光分离。使接收到的信号光通过一个偏振分束器，将本振光和量子信号光分离；步骤S3：利用本振光生成时钟。通过一个分束器将本振光分出一小部分本，通过时钟生成器来生成时钟信号；步骤S4：同时对信号同一脉冲内不同时刻值进行采样。将量子信号光均分为两路，采用两个采样频率与调制信号频率相同的模/数转换器(ADC)分别对两路信号的相邻时刻值进行采样；步骤S5：对采样数据进行处理。通过算法计算比较出两个相邻时刻所采集的数据功率大小，确定延时模块的延时大小；步骤S6：通过算法反馈来调整可编程延时模块的延时值，使得采样时钟的上升沿和峰值位置点严格对齐，以实现精确的峰值采样。通过多次采样对比寻找到最大值所在的时刻，调整可编程延时模块的延时值对峰值点进行采样。
基于自由空间连续变量量子密钥分发系统的数据采集方法，可适用于复杂的透过率可变的信道，采用可编程延时模块同时对两路ADC进行相邻时刻的采样，使用算法处理数据来调整延时模块的延时，通过反复调节时延值来找到最佳采样点，使时钟的上升沿尽可能接近峰值点，完成高精确度采样。
自由空间连续变量量子密玥分发系统的数据采集技术，使用数据处理算法判别两采样点的功率大小。通过对比采样点功率计算出时延控制信息，传递给延时模块，调整时钟延时以采集到峰值。
由于自由空间内透过率为时变这一特性，不同时间所采集到的数据不能直接进行比较。根据每个周期只有一个峰值点，峰值点左边波形斜率为正，峰值点左边波形斜率为负这一特性。对比同一时间内两路ADC所采集的数据统计功率大小，记录两点斜率k。
对发送端调制脉冲进行建模：假设调制脉冲的重复频率为fr＝10MHz，占空比为20％。此时，每个脉冲的持续时间为100ns，调制信号宽度小于20ns。通过时钟生成器得到的时钟频率也为10MHz。假设延时模块的可调延时步进精度为5ps，最大延时时间大于100ns，即最大延时时间大于一个脉冲周期持续时间。此时，即使ADC的采样频率为10MHz，但是通过引入可编程延时结构，则ADC可以采集到4000个不同位置点的数据。
设k(i)为第i次延迟时两路ADC的斜率，系统开始运行时的一路时钟的初始延时为0ps，令一路时钟的初始延时为5ps，即ADC1初始延迟为0ps，ADC2初始延迟为5ps，对两个时刻进行多次采样。通过计算功率判定比较得到大小关系。PADC1>PADC2记k(0)为+1，反之记-1。而后两路时钟各延时5ps，再次进行采样分析。若k(i)＝-1且k(i-1)＝1，则可以判断第i次延迟后ADC1所对应的采样值点为峰值点。
本发明还提供一种自由空间变量量子密钥分发系统的数据采集系统，所述系统包括如下模块：模块M1：在发送端对本振光和量子信号光进行偏振复用传输。
模块M2：在接收端将本振光和量子信号光分离；将接收到的信号光通过偏振分束器，将本振光和量子信号光分离。
模块M3：利用本振光生成采样时钟；同时对量子信号光同一脉冲内不同时刻值进行采样；通过偏振分束器将本振光分出一部分，通过时钟生成器生成时钟信号；将量子信号光分为两路，采用两个采样频率与调制信号频率相同的模/数转换器分别对两路信号的相邻时刻值进行采样。
模块M4：对采样数据进行处理；通过计算比较出两个相邻时刻所采集的数据功率大小，确定延时模块的延时大小。
模块M5：调整延时模块的延时值，采样时钟的上升沿和处理后的数据的峰值位置点对齐，得到峰值采样。
采集系统适用于复杂的透过率可变的信道，采用可编程延时模块同时对两路ADC进行相邻时刻的采样，使用算法处理数据来调整延时模块的延时，通过反复调节时延值来找到最佳采样点，使时钟的上升沿接近峰值点，完成采样。
采集系统使用数据处理算法判别两采样点的功率大小，通过对比采样点功率计算出时延控制信息，传递给延时模块，调整时钟延时以采集到峰值。
本发明可适用于透过率可变的信道环境，不同于以往的信道透过率稳定的光纤信道连续变量量子密钥分发数据采集方法，该方法适用于复杂信道下，如自由空间连续变量量子密钥分发系统的数据采集，即即使在信道透过率变化时，依然可以采集到检测器输出信号的峰值，保证连续变量量子密钥分发系统安全有效运行。
本发明具有很高的精度。传统数据采集方案通常采用高采样带宽的ADC来在一个脉冲周期内采集多个点并通过算法筛选出最大值点来找到峰值。但是这种方案所获取的数据精度很依赖于ADC的采样带宽，现有的商用ADC的带宽约GHz水平。这意味着两个采样点间隔在ns量级，所以采用这种方案的误差也会被限制在ns量级，从而影响安全密钥率。本发明采取可编程延时模块，其采集精度仅取决于可编程延时模块的步进精度，就目前商用的延时模块精度可到达ps量级甚至更低，相比于使用高带宽的ADC而言精度高了一个数量级。
本发明的成本相对较低。商用高带宽的ADC的价格十分昂贵，而高精度的延时模块价格以及低带宽的ADC的价格相对低了很多。本发明采用两个低带宽的ADC以及延时模块，从成本而言降低了很多。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种自由空间变量量子密钥分发系统的数据采集方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤S1：在发送端对本振光和量子信号光进行偏振复用传输；
步骤S2：在接收端将本振光和量子信号光分离；
步骤S3：利用本振光生成采样时钟；同时对量子信号光同一脉冲内不同时刻值进行采样；
步骤S4：对采样数据进行处理；
步骤S5：调整延时模块的延时值，采样时钟的上升沿和处理后的数据的峰值位置点对齐，得到峰值采样。
2.根据权利要求1所述的自由空间变量量子密钥分发系统的数据采集方法，其特征在于，所述步骤S2将接收到的信号光通过偏振分束器，将本振光和量子信号光分离。
3.根据权利要求1所述的自由空间变量量子密钥分发系统的数据采集方法，其特征在于，所述步骤S3通过偏振分束器将本振光分出一部分，通过时钟生成器生成时钟信号；将量子信号光分为两路，采用两个采样频率与调制信号频率相同的模/数转换器分别对两路信号的相邻时刻值进行采样；
所述步骤S4通过计算比较出两个相邻时刻所采集的数据功率大小，确定延时模块的延时大小。
4.根据权利要求1所述的自由空间变量量子密钥分发系统的数据采集方法，其特征在于，所述采集方法适用于复杂的透过率可变的信道，采用可编程延时模块同时对两路ADC进行相邻时刻的采样，使用算法处理数据来调整延时模块的延时，通过反复调节时延值来找到最佳采样点，使时钟的上升沿接近峰值点，完成采样。
5.根据权利要求1所述的自由空间变量量子密钥分发系统的数据采集方法，其特征在于，所述采集方法使用数据处理算法判别两采样点的功率大小，通过对比采样点功率计算出时延控制信息，传递给延时模块，调整时钟延时以采集到峰值。
6.一种自由空间变量量子密钥分发系统的数据采集系统，其特征在于，所述系统包括如下模块：
模块M1：在发送端对本振光和量子信号光进行偏振复用传输；
模块M2：在接收端将本振光和量子信号光分离；
模块M3：利用本振光生成采样时钟；同时对量子信号光同一脉冲内不同时刻值进行采样；
模块M4：对采样数据进行处理；
模块M5：调整延时模块的延时值，采样时钟的上升沿和处理后的数据的峰值位置点对齐，得到峰值采样。
7.根据权利要求6所述的自由空间变量量子密钥分发系统的数据采集系统，其特征在于，所述模块M2将接收到的信号光通过偏振分束器，将本振光和量子信号光分离。
8.根据权利要求6所述的自由空间变量量子密钥分发系统的数据采集系统，其特征在于，所述模块M3通过偏振分束器将本振光分出一部分，通过时钟生成器生成时钟信号；将量子信号光分为两路，采用两个采样频率与调制信号频率相同的模/数转换器分别对两路信号的相邻时刻值进行采样；
所述模块M4通过计算比较出两个相邻时刻所采集的数据功率大小，确定延时模块的延时大小。
9.根据权利要求6所述的自由空间变量量子密钥分发系统的数据采集系统，其特征在于，所述采集系统适用于复杂的透过率可变的信道，采用可编程延时模块同时对两路ADC进行相邻时刻的采样，使用算法处理数据来调整延时模块的延时，通过反复调节时延值来找到最佳采样点，使时钟的上升沿接近峰值点，完成采样。
10.根据权利要求6所述的自由空间变量量子密钥分发系统的数据采集系统，其特征在于，所述采集系统使用数据处理算法判别两采样点的功率大小，通过对比采样点功率计算出时延控制信息，传递给延时模块，调整时钟延时以采集到峰值。
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