CN113708847B - 用于单光子探测器的门控装置和量子通信设备 - Google Patents

用于单光子探测器的门控装置和量子通信设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供用于单光子探测器的门控装置和量子通信设备，所述门控装置包括：系统同步单元，被配置为获取与量子通信系统的时钟同步的周期性门控信号；时钟分配器，被配置为将周期性门控信号分成两路周期性门控信号；延时器，被配置为对两路周期性门控信号中的一路周期性门控信号进行延时处理，使得一路周期性门控信号与另一路周期性门控信号在时间上相差预定持续时间；以及逻辑或门，被配置为对延时后的一路周期性门控信号和未延时的另一路周期性门控信号进行或操作，以产生与量子通信系统的时钟同步的周期性门控信号序列。本发明能够有效地减少量子通信系统中的单光子探测器在高频运行过程中因高重复频率而引起的暗计数和后脉冲计数。

Description

用于单光子探测器的门控装置和量子通信设备
技术领域
本发明涉及量子通信技术领域，尤其涉及用于单光子探测器的门控装置和量子通信设备。
背景技术
目前，在量子通信系统中，主要采用向单光子探测器施加如图5B所示的周期性门控信号来打开单光子探测器的门控以对在量子通信系统中传输的光脉冲进行探测。然而，这种施加门控信号的方式会因使用单一的周期性门控信号而导致高重复频率进而使得单光子探测器中的暗计数和后脉冲计数增加，这会导致量子通信系统在成码过程中的错误率增加，进而降低系统的成码率。
发明内容
发明的目的在于提供用于单光子探测器的门控装置和量子通信设备。
根据本发明的一方面，提供一种用于单光子探测器的门控装置，所述门控装置包括：系统同步单元，被配置为获取与量子通信系统的时钟同步的周期性门控信号；时钟分配器，被配置为将所述周期性门控信号分成相同的两路周期性门控信号；延时器，被配置为对所述两路周期性门控信号中的一路周期性门控信号进行延时处理，使得所述两路周期性门控信号中的一路周期性门控信号与另一路周期性门控信号在时间上相差预定持续时间，其中，所述预定持续时间为用于在量子通信系统中进行相位编码的不等臂干涉仪的长臂与短臂之间的光程差；以及逻辑或门，被配置为对延时后的一路周期性门控信号和未延时的另一路周期性门控信号进行或操作，以产生与量子通信系统的时钟同步的周期性门控信号序列，每个门控信号序列中的门控信号以预定持续时间彼此间隔，以使量子通信系统中的单光子探测器针对接收到的光脉冲而打开所述单光子探测器的门控。
优选地，所述量子通信系统为基于时间相位编码的量子通信系统或基于相位编码的量子通信系统。
优选地，所述门控装置还包括：窄脉冲产生单元，设置在所述系统同步单元与所述时钟分配器之间，并且被配置为使所述周期性门控信号的脉冲宽度变窄。
优选地，所述窄脉冲产生单元包括：另一时钟分配器，被配置为将所述周期性门控信号分成相同的另外两路周期性门控信号；另一延时器，被配置为对所述另外两路周期性门控信号中的一路周期性门控信号进行延时处理，使得所述另外两路周期性门控信号中的一路周期性门控信号与另一路周期性门控信号在时间上相差另一预定持续时间，其中，所述另一预定持续时间小于所述周期性门控信号的脉冲宽度；以及逻辑与门，被配置为对延时后的一路周期性门控信号和未延时的另一路周期性门控信号进行与操作，以使所述周期性门控信号的脉冲宽度变窄。
优选地，所述系统同步单元包括：同步光探测单元，被配置为将接收到的量子通信系统的同步光转换为同步电信号，以获取量子通信系统的时钟；以及锁相环，被配置为对所述同步电信号进行锁相和倍频，以获取与量子通信系统的时钟同步的周期性门控信号。
根据本发明的另一方面，提供一种量子通信设备，所述量子通信设备包括如前所述的用于单光子探测器的门控装置。
本发明提供的用于单光子探测器的门控装置和量子通信设备能够有效地减少量子通信系统中的单光子探测器在高频运行过程中因使用高重复频率的周期性门控信号而引起的暗计数和后脉冲计数，从而在很大程度上减少了量子通信系统在成码过程中的错误率。另外，本发明提供的用于单光子探测器的门控装置和量子通信设备还显著地减少了量子通信系统中所使用的单光子探测器和偏振分束器的数量，这样不仅能够大幅度降低系统实现成本，而且还能够避免因使用额外的偏振分束器而引起的插损。
附图说明
通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述目的和特点将会变得更加清楚。
图1A示出了根据本发明的示例性实施例的用于单光子探测器的门控装置的示意图。
图1B示出了根据本发明的示例性实施例的用于单光子探测器的门控装置的工作过程的信号时序示意图。
图2A示出了根据本发明的示例性实施例的用于单光子探测器的门控装置的另一示意图。
图2B示出了根据本发明的示例性实施例的用于单光子探测器的门控装置的工作过程的另一信号时序示意图。
图3A示出了根据本发明的示例性实施例的用于单光子探测器的门控装置中的窄脉冲产生单元的示意图。
图3B示出了根据本发明的示例性实施例的用于单光子探测器的门控装置中的窄脉冲产生单元的工作过程的信号时序示意图。
图4示出了根据本发明的示例性实施例的用于单光子探测器的门控装置中的系统同步单元的示意图。
图5A示出了相关技术中的基于时间相位编码的量子通信系统的示意图。
图5B示出了使用相关技术向图5A示出的量子通信系统中的单光子探测器施加门控信号以探测光脉冲携带的时间编码的示意图。
图6A示出了根据本发明的示例性实施例的基于时间相位编码的量子通信系统的示意图。
图6B示出了使用根据本发明的示例性实施例的用于单光子探测器的门控装置向图6A所示的量子通信系统中的单光子探测器施加门控信号以探测光脉冲携带的时间编码的示意图。
图7示出了使用相关技术输出的周期性门控信号和使用根据本发明的示例性实施例的用于单光子探测器的门控装置输出的周期性门控信号序列的对比的示意图。
具体实施方式
下面，将参照附图来详细说明本发明的实施例。
图1A示出了根据本发明的示例性实施例的用于单光子探测器的门控装置的示意图。图1B示出了根据本发明的示例性实施例的用于单光子探测器的门控装置的工作过程的信号时序示意图。
参照图1A和图1B，根据本发明的示例性实施例的用于单光子探测器的门控装置至少可包括系统同步单元101、时钟分配器102、延时器103和逻辑或门104。
在图1A示出的门控装置中，系统同步单元101可被配置为获取与量子通信系统的时钟（即，量子通信系统的编码信号的时钟）同步的周期性门控信号1010；时钟分配器102可被配置为将周期性门控信号1010分成相同的两路周期性门控信号1011和1012；延时器103可被配置为对两路周期性门控信号1011和1012中的一路周期性门控信号1011进行延时处理，使得两路周期性门控信号1011和1012中的一路周期性门控信号1011与另一路周期性门控信号1012在时间上相差预定持续时间△t1，该预定持续时间△t1可为用于在量子通信系统中进行相位编码的不等臂干涉仪的长臂与短臂之间的光程差；逻辑或门104可被配置为对延时后的一路周期性门控信号1013和未延时的另一路周期性门控信号1012进行或操作，以产生与量子通信系统的时钟同步的周期性门控信号序列1014，每个门控信号序列中的门控信号以预定持续时间△t1彼此间隔，以使量子通信系统中的单光子探测器针对接收到的光脉冲而打开该单光子探测器的门控（换言之，使量子通信系统中的单光子探测器针对接收到的光脉冲而工作于盖革模式下）。这样可最大限度地减少量子通信系统中的单光子探测器因不必要的重复门控信号而产生的暗计数和后脉冲计数。
在图1A示出的门控装置中，量子通信系统可以是基于时间相位编码的量子通信系统，也可以是基于相位编码的量子通信系统。作为示例，在基于时间相位编码的量子通信系统中，使用图1A示出的门控装置输出的周期性门控信号序列1014可使得单光子探测器能够针对在量子通信系统中接收到的携带时间编码的光脉冲而打开单光子探测器的门控，也可使得单光子探测器能够针对在量子通信系统中接收到的携带相位编码的光脉冲而打开单光子探测器的门控，还可使得单光子探测器能够针对在量子通信系统中接收到的携带时间编码的光脉冲和携带相位编码的光脉冲而打开单光子探测器的门控。
应当理解，尽管图1B中示出的周期性门控信号序列1014中的每个门控信号序列包括以预定持续时间△t1彼此间隔的2个门控信号，但是本发明并不限于此，根据需要，可使用比如图1A所示的器件更多的器件（诸如，但不限于，可使用更多的时钟分配器、延时器和逻辑或门等）来使得周期性门控信号序列中的每个门控信号序列包括比如图1B所示的周期性门控信号序列1014中的每个门控信号序列的门控信号更多的门控信号，这样不仅能够显著地减少在量子通信系统中所使用的单光子探测器和偏振分束器的数量，大幅度降低系统实现成本，而且还能够避免因使用额外的偏振分束器而引起的插损。
图2A示出了根据本发明的示例性实施例的用于单光子探测器的门控装置的另一示意图。图2B示出了根据本发明的示例性实施例的用于单光子探测器的门控装置的工作过程的另一信号时序示意图。
参照图2A和2B，图2A示出的门控装置除了包括图1A示出的系统同步单元101、时钟分配器102、延时器103和逻辑或门104之外，还可包括窄脉冲产生单元105，窄脉冲产生单元105可设置在系统同步单元101与时钟分配器102之间，并且可被配置为使周期性门控信号1014的脉冲宽度变窄。在门控信号的脉冲宽度超出系统阈值的情况下，这样可使得经由上述门控装置产生的门控信号的脉冲宽度能够满足量子通信系统针对单光子探测器在盖革模式下的工作要求。
下面将参照图3A和图3B来详细地描述窄脉冲产生单元105的实施。
图3A示出了根据本发明的示例性实施例的用于单光子探测器的门控装置中的窄脉冲产生单元105的示意图。图3B示出了根据本发明的示例性实施例的用于单光子探测器的门控装置中的窄脉冲产生单元105的工作过程的信号时序示意图。
参照图3A和3B，图3A示出的窄脉冲产生单元105可包括时钟分配器106、延时器107和逻辑与门108。
在图3A示出的窄脉冲产生单元105中，时钟分配器106可被配置为将周期性门控信号1010分成相同的两路周期性门控信号1016和1017；延时器107可被配置为对两路周期性门控信号1016和1017中的一路周期性门控信号1016进行延时处理，使得两路周期性门控信号1016和1017中的一路周期性门控信号1016与另一路周期性门控信号1017在时间上相差预定持续时间△t2，该预定持续时间△t2小于周期性门控信号的脉冲宽度；逻辑与门108可被配置为对延时后的一路周期性门控信号1018和未延时的另一路周期性门控信号1017进行与操作，以使周期性门控信号的脉冲宽度变窄。
应当理解，尽管图3A示出了根据本发明的示例性实施例的用于单光子探测器的门控装置中的窄脉冲产生单元105的示意图，但是本发明并不限于此，也可采用其他器件或其他器件组合来实现窄脉冲产生单元105。窄脉冲产生单元105中的器件可比图3A示出的器件多，也可比图3A示出的器件少。
下面将参照图4来详细地描述系统同步单元101的实施。
图4示出了根据本发明的示例性实施例的用于单光子探测器的门控装置中的系统同步单元101的示意图。
参照图4，根据本发明的示例性实施例的用于单光子探测器的门控装置中的系统同步单元101可包括同步光探测单元109和锁相环110。
在图4示出的系统同步单元101中，同步光探测单元109可被配置为将接收到的量子通信系统的同步光（即，与编码信号中的光脉冲同步发出的同步光）转换为同步电信号，以获取量子通信系统的时钟1009；锁相环110可被配置为对同步电信号进行锁相和倍频，以获取与量子通信系统的时钟1009同步的周期性门控信号1010。作为示例，在同步光为低频光的情况下，可通过图4示出的系统同步单元101将例如，但不限于，频率为100 kHz的同步电信号转换为例如，但不限于，频率为125 MHz周期性门控信号，以使得低频信号转换为高频信号。
应当理解，尽管图4示出了根据本发明的示例性实施例的用于单光子探测器的门控装置中的系统同步单元101的示意图，但是本发明并不限于此，也可采用其他器件或其他器件组合来实现系统同步单元101。系统同步单元101中的器件可比图4示出的器件多，也可比图4示出的器件少。
图5A示出了相关技术中的基于时间相位编码的量子通信系统的示意图。
参照图5A，在相关技术中，基于时间相位编码的量子通信系统可包括Alice端和Bob端。在图5A示出的量子通信系统中，从Alice端发出的光脉冲可通过由不等臂干涉仪M-Z1和M-Z2提供的四条路径（L2，L4）、（L1，L4）、（L2，L3）和（L1，L3）中的一条到达Bob端的单光子探测器D0、D1、D2和D3中的一者。在上述四条路径中，经由路径（L2，L4）和（L1，L3）到达Bob端的光脉冲不会发生光干涉现象，经由路径（L1，L4）和（L2，L3）到达Bob端的光脉冲会发生光现象。Alice端和Bob端可通过调制相位调制器PM1和PM2的相位来使得发生干涉的光脉冲的强度随着相位差的不同而发生变化，从而实现相位编码。除此之外，Alice端和Bob端还可对光脉冲进行时间上的调整，从而实现时间编码。
在相关技术中，携带相位编码的光脉冲可随机地分配至Bob端中的单光子探测器D0和D1中的一者中进行探测，携带时间编码的光脉冲可随机地分配至Bob端中的单光子探测器D2和D3中的一者中进行探测。作为示例，图5B示出了使用相关技术分别向图5A示出的量子通信系统中的单光子探测器D2和D3施加门控信号以探测光脉冲携带的时间编码的示意图。
图6A示出了根据本发明的示例性实施例的基于时间相位编码的量子通信系统的示意图。
参照图6A，图6A示出的基于时间相位编码的量子通信系统可包括Alice端和Bob端。在图6A示出的量子通信系统中，从Alice端发出的光脉冲可通过由不等臂干涉仪M-Z1和M-Z2提供的四条路径（L2，L4）、（L1，L4）、（L2，L3）和（L1，L3）中的一条到达Bob端的单光子探测器D0、D1、D2和D3中的一者。在上述四条路径中，经由路径（L2，L4）和（L1，L3）到达Bob端的光脉冲不会发生光干涉现象，经由路径（L1，L4）和（L2，L3）到达Bob端的光脉冲会发生光现象。Alice端和Bob端可通过调制相位调制器PM1和PM2的相位来使得发生干涉的光脉冲的强度随着相位差的不同而发生变化，从而实现相位编码。除此之外，Alice端和Bob端也可对光脉冲进行时间上的调整，从而实现时间编码。
在图6A示出的量子通信系统中，携带相位编码的光脉冲可随机地分配至Bob端中的单光子探测器D0和D1中的一者中进行探测，携带时间编码的光脉冲可直接地分配至Bob端中的单个单光子探测器D2中进行探测。作为示例，图6B示出了使用根据本发明的示例性实施例的用于单光子探测器的门控装置100向图6A示出的量子通信系统中的单光子探测器D2施加门控信号以探测光脉冲携带的时间编码的示意图。
可以看出，相比于图5A示出的量子通信系统，通过使用根据本发明的示例性实施例的用于单光子探测器的门控装置100，图6A示出的量子通信系统仅使用了单个单光子探测器D2来探测光脉冲携带的时间编码，这样不仅能够减少量子通信系统中所使用的单光子探测器的数量，降低系统实现成本，而且还能够避免因使用如图5A所示的偏振分束器BS而引起的插损，该插损在通常情况下约为3dB。
应当理解，尽管图6A和图6B分别示出了使用根据本发明的示例性实施例的用于单光子探测器的门控装置100经由单个单光子探测器D2来探测光脉冲携带的时间编码的示例，但是该示例仅仅是示意性的，本发明并不限于此，例如，根据需要，也可使用根据本发明的示例性实施例的用于单光子探测器的门控装置100经由单个单光子探测器来探测光脉冲携带的相位编码，甚至还可在根据本发明的示例性实施例的用于单光子探测器的门控装置100上进行适当的变型，例如，可通过使图1A示出的门控装置包括更多的器件（诸如，但不限于，包括更多的时钟分配器，更多的延时器，或者更多的逻辑或门）来使根据本发明的示例性实施例的用于单光子探测器的门控装置100输出的周期性门控信号序列1014中的每个门控信号序列包括2个以上的门控信号，以使单个单光子探测器既能够探测光脉冲携带的相位编码，也能够探测光脉冲携带的时间编码。
图7示出了使用相关技术输出的周期性门控信号1000和使用根据本发明的示例性实施例的用于单光子探测器的门控装置100输出的周期性门控信号序列1014的对比的示意图。
可以看出，相比于使用相关技术输出的周期性门控信号1000，使用根据本发明的示例性实施例的用于单光子探测器的门控装置100输出的周期性门控信号序列1014具有更低的重复频率，这样可减少量子通信系统中的单光子探测器在高频运行过程中因高重复频率而引起的暗计数和后脉冲计数，从而在很大程度上减少了量子通信系统在成码过程中的错误率。
相应地，本发明还提供了一种包括上述用于单光子探测器的门控装置的量子通信设备（诸如，图6A所示的Bob端），以减少量子通信系统中的单光子探测器在高频运行过程中因使用高重复频率的周期性门控信号而引起的暗计数和后脉冲计数，这样可在很大程度上减少量子通信系统在成码过程中的错误率，另外，还可显著地减少量子通信系统中所使用的单光子探测器和偏振分束器的数量，以降低系统实现成本，同时避免因使用额外的偏振分束器BS（如图5A所示）而引起的插损。
尽管已参照优选实施例表示和描述了本申请，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求限定的本申请的精神和范围的情况下，可以对这些实施例进行各种修改和变换。

Claims (6)

1.一种用于单光子探测器的门控装置，其特征在于，所述门控装置包括：
系统同步单元，被配置为获取与量子通信系统的时钟同步的周期性门控信号；
时钟分配器，被配置为将所述周期性门控信号分成相同的两路周期性门控信号；
延时器，被配置为对所述两路周期性门控信号中的一路周期性门控信号进行延时处理，使得所述两路周期性门控信号中的一路周期性门控信号与另一路周期性门控信号在时间上相差预定持续时间，其中，所述预定持续时间为用于在量子通信系统中进行相位编码的不等臂干涉仪的长臂与短臂之间的光程差；以及
逻辑或门，被配置为对延时后的一路周期性门控信号和未延时的另一路周期性门控信号进行或操作，以产生与量子通信系统的时钟同步的周期性门控信号序列，每个门控信号序列中的门控信号以所述预定持续时间彼此间隔，以使量子通信系统中的单光子探测器针对接收到的光脉冲而打开所述单光子探测器的门控。
2.根据权利要求1所述的门控装置，其特征在于，所述量子通信系统为基于时间相位编码的量子通信系统或基于相位编码的量子通信系统。
3.根据权利要求1所述的门控装置，其特征在于，所述门控装置还包括：
窄脉冲产生单元，设置在所述系统同步单元与所述时钟分配器之间，并且被配置为使所述周期性门控信号的脉冲宽度变窄。
4.根据权利要求3所述的门控装置，其特征在于，所述窄脉冲产生单元包括：
另一时钟分配器，被配置为将所述周期性门控信号分成相同的另外两路周期性门控信号；
另一延时器，被配置为对所述另外两路周期性门控信号中的一路周期性门控信号进行延时处理，使得所述另外两路周期性门控信号中的一路周期性门控信号与另一路周期性门控信号在时间上相差另一预定持续时间，其中，所述另一预定持续时间小于所述周期性门控信号的脉冲宽度；以及
逻辑与门，被配置为对延时后的一路周期性门控信号和未延时的另一路周期性门控信号进行与操作，以使所述周期性门控信号的脉冲宽度变窄。
5.根据权利要求1所述的门控装置，其特征在于，所述系统同步单元包括：
同步光探测单元，被配置为将接收到的量子通信系统的同步光转换为同步电信号，以获取量子通信系统的时钟；以及
锁相环，被配置为对所述同步电信号进行锁相和倍频，以获取与量子通信系统的时钟同步的周期性门控信号。
6.一种量子通信设备，其特征在于，所述量子通信设备包括权利要求1至5中任意一项所述的用于单光子探测器的门控装置。
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