CN115189763A - 基于tdc的量子脉冲截取方法及量子密钥分发系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种TDC的量子脉冲截取方法，包括如下步骤：S1、在检测到探测器有光脉冲信号响应时，进行脉冲计数，同时TDC截取该光脉冲的响应时刻t_j；S2、基于响应时刻t_j计算出当前光脉冲的脉冲序号i，基于脉冲序号确定当前光脉冲i的有效信号段所在时间窗t_i±k；S3、检测时刻t_j是否位于时间窗t_i±k，若检测结果为是，则此认定此次脉冲计数有效，否则，此次脉冲计数是拖尾产生，认定此次脉冲计数无效。本发明通过TDC对探测器的响应时间进行高精度测量，并按照特定时间窗对光脉冲信号进行截取，可以剔除脉冲拖尾影响，提高探测计数的质量，降低量子密钥分发系统误码率，进而提高量子密钥分发系统的安全密钥生成率。

Description

基于TDC的量子脉冲截取方法及量子密钥分发系统

技术领域

本发明属于量子密钥分发技术领域，更具体地，本发明涉及一种基于TDC的量子脉冲截取方法及量子密钥分发系统。

背景技术

随着现代化通信技术的迅速发展，通信的环境愈来愈复杂，通信安全问题也日益加重，各行各业对于通信安全越来越重视。目前最常用的RSA加密算法在量子计算的冲击下，安全性已经难以得到保障。而量子保密通信是基于量子力学的基本定律，量子不可克隆性和海森堡测不准原理，利用“一次一密”的方式对信息进行加密保障了量子密码的无条件的安全性，量子密钥分发技术的应用也随之越来越广泛。

量子密钥分发技术中常用的编码方式主要有偏振编码及相位编码。在偏振编码光纤传输方案的量子密钥分发中,由于光纤在信道中固有的双折射效应，使得光子在传输过程中偏振态会随机发生变化，受外界环境影响较大，使得到达接收端光子偏振态无法预测，如果按照约定的偏振方向进行测量就可能产生错误的探测结果，导致传输距离短、误码率高等问题。而使用相位编码方案的量子密钥分发系统，可消除光纤信道中偏振扰动对系统的影响，环境鲁棒性更强。因此现在常用的主要是相位编码的量子密钥分发方案，通过对光子的相位差进行编码达到传递密钥信息。但采用相位编码的量子密钥分发技术方案，其探测器探测到的脉冲计数准确与否，会直接影响到系统的整体性能。信号拖尾的这部分信号相位信息发送端和接收端都并未调制，这部分引起的探测器响应计数就不符合干涉公式，其误码率在完全随机的情况下为50％，与正常探测计数极低的误码率差异巨大，因而信号拖尾导致的脉冲计数极大的降低了量子密钥分发系统的误码率，进而降低密钥生成率，并且严重影响成码的随机性。

发明内容

本发明提供一种TDC的量子脉冲截取方法，旨在改善上述问题。

本发明是这样实现的，一种TDC的量子脉冲截取方法，所述方法具体包括如下步骤：

S1、在检测到探测器有光脉冲信号响应时，进行脉冲计数，同时TDC截取该光脉冲的响应时刻t_j；

S2、基于响应时刻t_j计算出当前光脉冲的脉冲序号i，基于脉冲序号确定当前光脉冲i的有效信号段所在时间窗t_i±k；

S3、检测时刻t_j是否位于时间窗t_i±k，若检测结果为是，则此认定此次脉冲计数有效，否则，此次脉冲计数是拖尾产生，认定此次脉冲计数无效。

进一步的，基于当前光脉冲的响应时刻t_j计算当前脉冲的序号i，其计算公式具体如下：

其中，t₀表示接收端检测到光脉冲到探测器探测到该光脉冲的时间差，T为脉冲周期。

进一步的，当前光脉冲i的有效信号段所在时间窗t_i±k的确定方法具体如下：

S21、计算当前光脉冲i被探测器探测到的时间中心点t_i，；

S22、当前光脉冲i的有效信号段所在时间窗为t_i±k，其中，k为有效时间窗半宽。

进一步的，时间中心点t_i计算公式具体如下：

t_i＝t₀+T*(i-1)

其中，i为光脉冲个数，t₀为接收端检测到光脉冲到探测器探测到该光脉冲的时间差。

进一步的，k≤T/2。

进一步的，有效时间窗半宽k的确定方法具体如下：

将k从T/2～0的时间窗内按照设定步长进行取值，形成一系列的k值；

检测每个k值对应的误码率及计数率；

获取误码率变化率小于变化率阈值的k值，在获取的k值中选择计数率最大的k值，该k值即为有效时间窗半宽k的取值。

进一步的，所述设定步长为10ps。

本发明是这样实现的，一种量子密钥分发系统，所述系统包括：

发送端和接收端，其中发送端包括：激光器及FPDA1，接收端包括：探测器，TDC及FPDA2；

TDC与探测器连接，FPDA2与TDC通讯连接，FPDA1与FPDA2通讯连接。

进一步的，发送端中的激光器发出激光脉冲，FPDA1向FPDA2发送开始信号；

在探测器在探测到该光脉冲后，FPDA2进行计数，同时TDC获取探测器对该光脉冲的响应时刻t_j，并发送至FPDA2，FPDA2基于权利要求1至7任一权利要求所述TDC的量子脉冲截取方法确定该脉冲计数是否有效。

本发明通过TDC对探测器的响应时间进行高精度测量，并按照特定时间窗对光脉冲信号进行截取，可以剔除脉冲拖尾影响，提高探测计数的质量，降低量子密钥分发系统误码率，进而提高量子密钥分发系统的安全密钥生成率。

附图说明

图1为本发明实施例提供基于TDC的量子脉冲截取方法流程图；

图2为本发明实施例提供的基于TDC的量子密钥分发系统的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的脉冲周期的示意图。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

图1为本发明实施例提供基于TDC的量子脉冲截取方法流程图，该方法具体包括如下步骤：

S1、在检测到探测器有光脉冲响应信号时，进行脉冲计数，同时TDC截取该光脉冲的响应时刻t_j；

探测器给出的信号通过采样仅可以确定是周期的个数，无法确定在该周期内的响应时刻，本发明通过TDC截取该光脉冲的响应时刻t_j，其中，TDC，Time-to-DigitalConverter，“时间数字转换技术”，用于测量两个时间事件间的间隔，用于高精度的时间间隔测量，其精度达到皮秒(ps)水平。

S2、计算出当前光脉冲的脉冲序号i，基于脉冲序号确定当前光脉冲i的有效信号段所在时间窗t_i±k；

在本发明实施例中，基于当前光脉冲的响应时刻t_j计算当前脉冲的序号i，其计算公式具体如下：

其中，t₀表示接收端检测到光脉冲到探测器探测到该光脉冲的时间差，为标定值，T为脉冲周期，如图3所示，

表示向上取整。

在本发明实施例中，当前光脉冲i的有效信号段所在时间窗t_i±k的确定方法具体如下：

S21、计算当前光脉冲i被探测器探测到的时间中心点t_i，时间中心点是指光脉冲峰值的探测时间点，其计算公式具体如下：

t_i＝t₀+T*(i-1)

其中，i为光脉冲个数，t₀为接收端检测到光脉冲到探测器探测到该光脉冲的时间差。

S22、当前光脉冲i的有效信号段所在时间窗为t_i±k，其中，k为有效时间窗半宽，k≤T/2。

S3、检测时刻t_j是否位于时间窗t_i±k，若检测结果为是，则此认定此次脉冲计数有效，否则，此次脉冲计数是拖尾产生，认定此次脉冲计数无效。

在本发明实施例中，误码率随着k值的减小，误码率会降低，降低到一定的程度后，随着k值的减小，误码率趋于平衡，计数率随着k值的减小而降低，基于此，本发明实施例提供的有效时间窗半宽k的确定方法具体如下：

将k从T/2～0的时间窗内按照设定步长(例如10ps)进行取值，形成一系列的k值；

检测每个k值对应的误码率及计数率；

获取误码率变化率小于变化率阈值的k值，在获取的k值中选择计数率最大的k值，该k值即为有效时间窗半宽k的取值。

图2为本发明实施例提供的基于TDC的量子密钥分发系统的结构示意图，为了便于说明，仅示出与本发明实施例相关的部分。

该系统包括：发送端和接收端，发送端包括：激光器及FPDA1，接收端包括：探测器，TDC及FPDA2，TDC与探测器连接，FPDA2与TDC通讯连接，FPDA1与FPDA2通讯连接；

发送端中的激光器发出激光脉冲，FPDA1向FPDA2发送开始信号；

在探测器在探测到该光脉冲后，FPDA2进行脉冲计数，同时TDC获取探测器对该光脉冲的响应时刻t_j，并发送至FPDA2，FPDA2基于上述TDC的量子脉冲截取方法来确定此次该脉冲计数是否有效，量子密钥分发系统基于有效脉冲的脉冲序号可以继续获取编码随机数、进行对基、后处理(误码率)操作。

本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种TDC的量子脉冲截取方法，其特征在于，所述方法具体包括如下步骤：

S1、在检测到探测器有光脉冲信号响应时，进行脉冲计数，同时TDC截取该光脉冲的响应时刻t_j；

S2、基于响应时刻t_j计算出当前光脉冲的脉冲序号i，基于脉冲序号确定当前光脉冲i的有效信号段所在时间窗t_i±k；

S3、检测时刻t_j是否位于时间窗t_i±k，若检测结果为是，则此认定此次脉冲计数有效，否则，此次脉冲计数是拖尾产生，认定此次脉冲计数无效。

2.如权利要求1所述TDC的量子脉冲截取方法，其特征在于，基于当前光脉冲的响应时刻t_j计算当前脉冲的序号i，其计算公式具体如下：

其中，t₀表示接收端检测到光脉冲到探测器探测到该光脉冲的时间差，T为脉冲周期。

3.如权利要求1所述TDC的量子脉冲截取方法，其特征在于，当前光脉冲i的有效信号段所在时间窗t_i±k的确定方法具体如下：

S21、计算当前光脉冲i被探测器探测到的时间中心点t_i，；

S22、当前光脉冲i的有效信号段所在时间窗为t_i±k，其中，k为有效时间窗半宽。

4.如权利要求2所述TDC的量子脉冲截取方法，其特征在于，时间中心点t_i计算公式具体如下：

t_i＝t₀+T*(i-1)

其中，i为光脉冲个数，t₀为接收端检测到光脉冲到探测器探测到该光脉冲的时间差。

5.如权利要求3所述TDC的量子脉冲截取方法，其特征在于，k≤T/2。

6.如权利要求5所述TDC的量子脉冲截取方法，其特征在于，有效时间窗半宽k的确定方法具体如下：

将k从T/2～0的时间窗内按照设定步长进行取值，形成一系列的k值；

检测每个k值对应的误码率及计数率；

获取误码率变化率小于变化率阈值的k值，在获取的k值中选择计数率最大的k值，该k值即为有效时间窗半宽k的取值。

7.如权利要求6所述TDC的量子脉冲截取方法，其特征在于，所述设定步长为10ps。

8.一种量子密钥分发系统，其特征在于，所述系统包括：

发送端和接收端，其中发送端包括：激光器及FPDA1，接收端包括：探测器，TDC及FPDA2；

TDC与探测器连接，FPDA2与TDC通讯连接，FPDA1与FPDA2通讯连接。

9.如权利要求8所述量子密钥分发系统，其特征在于，发送端中的激光器发出激光脉冲，FPDA1向FPDA2发送开始信号；

在探测器在探测到该光脉冲后，FPDA2进行计数，同时TDC获取探测器对该光脉冲的响应时刻t_j，并发送至FPDA2，FPDA2基于权利要求1至7任一权利要求所述TDC的量子脉冲截取方法确定该脉冲计数是否有效。

Images