CN116032376B - 用于量子通信系统的寻优方法、装置、介质和设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供用于量子通信系统的寻优方法、装置、介质和设备，所述方法包括：反复执行用于控制光源输出光脉冲的第一指令序列，第一指令序列包括主模式指令序列和帧模式指令序列；从帧模式指令序列中提取出与主模式指令序列中的指令不同的指令组成第二指令序列；根据提取出的指令在帧模式指令序列中的索引位置从在编码时钟的各个延时位置处探测到的第一单光子计数序列中提取出单光子计数组成第二单光子计数序列；计算第二单光子计数序列与第二指令序列之间的相关系数；将编码时钟的延时位置锁定至相关系数在达到预定阈值时对应的编码时钟的延时位置。本发明能够使得发射端和接收端定位到同一光脉冲以确保来自发射端的光脉冲在接收端中被正确地探测。

Description

用于量子通信系统的寻优方法、装置、介质和设备

技术领域

本发明涉及量子通信技术领域，尤其涉及用于量子通信系统的寻优方法、装置、介质和设备。

背景技术

在量子通信系统（诸如，量子密钥分发系统）中，发射端用于对发射的光脉冲进行编码，接收端用于对接收的光脉冲进行解码，因此要求发射端的操作和接收端的操作必须保持同步并且定位到同一光脉冲才能保证来自发射端的光脉冲在接收端中被正确地探测和标记。然而，在相关技术中，尽管可通过发射端产生的系统时钟来确保发射端和接收端以相同的频率操作光脉冲序列，但是却无法保证发射端和接收端定位到同一光脉冲，这使得来自发射端的光脉冲在接收端中无法被正确地探测和标记，进而降低系统的成码率。因此，确保发射端和接收端能够准确地定位到同一光脉冲上对于提升系统的成码率有着至关重要的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供用于量子通信系统的寻优方法、装置、介质和设备。

根据本发明的一方面，提供了一种用于量子通信系统的寻优方法，所述方法包括：反复执行用于控制光源输出光脉冲的第一指令序列，所述第一指令序列包括多个连续相邻的主模式指令序列和单个帧模式指令序列；从所述帧模式指令序列中提取出在相同索引位置上与所述主模式指令序列中的指令不同的指令以组成第二指令序列；按照预定步长改变用于所述量子通信系统的编码时钟的延时位置，以从单光子探测器获取在所述编码时钟的各个延时位置处探测到的第一单光子计数序列；根据提取出的指令在所述帧模式指令序列中的索引位置分别从在所述编码时钟的各个延时位置处探测到的第一单光子计数序列中提取出在对应索引位置上的单光子计数以分别组成在所述编码时钟的各个延时位置处探测到的第二单光子计数序列；计算在所述编码时钟的各个延时位置处探测到的第二单光子计数序列与所述第二指令序列之间的相关系数；获取计算的相关系数在达到预定阈值时对应的所述编码时钟的延时位置；将所述编码时钟的延时位置锁定至获取到的所述编码时钟的延时位置，其中，所述光源包括在所述量子通信系统的发射端中，所述单光子探测器包括在所述量子通信系统的接收端中。

根据本发明的一个实施例，所述量子通信系统的编码方式基于偏振编码、时间编码、相位编码和时间相位编码中的至少一种。

根据本发明的一个实施例，所述指令序列中的各个指令包括发光信息或不发光信息。

根据本发明的一个实施例，所述主模式指令序列的长度和所述帧模式指令序列的长度均与所述第一单光子计数序列的长度相同，所述第二指令序列的长度与所述第二单光子计数序列的长度相同。

根据本发明的一个实施例，所述第一指令序列中的各个指令的执行以及所述第一单光子计数序列中的各个单光子计数的获取均与用于所述量子通信系统的编码时钟同步。

根据本发明的另一方面，还提供了一种用于量子通信系统的寻优装置，所述装置包括：光脉冲输出控制单元，被配置为反复执行用于控制光源输出光脉冲的第一指令序列，所述第一指令序列包括多个连续相邻的主模式指令序列和单个帧模式指令序列；帧模式指令提取单元，被配置为从所述帧模式指令序列中提取出在相同索引位置上与所述主模式指令序列中的指令不同的指令以组成第二指令序列；光子计数采集单元，被配置为按照预定步长改变用于所述量子通信系统的编码时钟的延时位置，以从单光子探测器获取在所述编码时钟的各个延时位置处探测到的第一单光子计数序列；光子计数提取单元，被配置为根据提取出的指令在所述帧模式指令序列中的索引位置分别从在所述编码时钟的各个延时位置处探测到的第一单光子计数序列中提取出在对应索引位置上的单光子计数以分别组成在所述编码时钟的各个延时位置处探测到的第二单光子计数序列；相关系数计算单元，被配置为计算在所述编码时钟的各个延时位置处探测到的第二单光子计数序列与所述第二指令序列之间的相关系数；相关系数寻优单元，被配置为获取计算的相关系数在达到预定阈值时对应的所述编码时钟的延时位置；系统位置锁定单元，被配置为将所述编码时钟的延时位置锁定至获取到的所述编码时钟的延时位置，其中，所述光源包括在所述量子通信系统的发射端中，所述单光子探测器包括在所述量子通信系统的接收端中。

根据本发明的一个实施例，所述量子通信系统的编码方式基于偏振编码、时间编码、相位编码和时间相位编码中的至少一种。

根据本发明的一个实施例，所述指令序列中的各个指令包括发光信息或不发光信息。

根据本发明的一个实施例，所述主模式指令序列的长度和所述帧模式指令序列的长度均与所述第一单光子计数序列的长度相同，所述第二指令序列的长度与所述第二单光子计数序列的长度相同。

根据本发明的一个实施例，所述第一指令序列中的各个指令的执行以及所述第一单光子计数序列中的各个单光子计数的获取均与用于所述量子通信系统的编码时钟同步。

根据本发明的另一方面，还提供了一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，当所述计算机程序在被处理器执行时，实现如前面所述的用于量子通信系统的寻优方法。

根据本发明的另一方面，还提供了一种计算机设备，所述计算机设备包括：处理器；存储器，存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现如前面所述的用于量子通信系统的寻优方法。

本发明所提供的用于量子通信系统的寻优方法、装置、介质和设备能够使得量子通信系统的发射端和接收端定位到同一光脉冲，以确保来自发射端的光脉冲在接收端中被正确地探测和标记，这样可在很大程度上提升系统的成码率。

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1示出了根据本发明的示例性实施例的用于量子通信系统的寻优方法的示意性流程图。

图2示出了根据本发明的示例性实施例的包括多个连续相邻的主模式序列指令和单个帧模式指令的第一指令序列的示意性结构图。

图3示出了根据本发明的示例性实施例的在编码时钟的各个延时位置处探测到的第一单光子计数序列的示意性结构图。

图4示出了根据本发明的示例性实施例的用于量子通信系统的寻优装置的示意性结构框图。

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1示出了根据本发明的示例性实施例的用于量子通信系统的寻优方法的示意性流程图。

参照图1，图1示出的方法可包括如下步骤。

在步骤101，反复执行用于控制光源输出光脉冲的第一指令序列，第一指令序列包括多个连续相邻的主模式指令序列和单个帧模式指令序列。

这里，用于输出光脉冲的光源可包括在量子通信系统的发射端中，用于控制光源输出光脉冲的指令序列中的各个指令可包括发光信息或不发光信息，并且第一指令序列中的各个指令的执行可与用于量子通信系统的编码时钟同步。

图2示出了根据本发明的示例性实施例的包括多个连续相邻的主模式序列指令和单个帧模式指令的第一指令序列的示意性结构图。

在图2示出的第一指令序列中，可包括63个主模式指令序列MainPattern和1个帧模式指令序列FramePattern，其中，“1”表示发光，“0”表示不发光，主模式指令序列MainPattern{1,0,0,0,0,0,1,0,0,0,0,0,1,0,0,0,0,0,0,0}和帧模式指令序列FramePattern{0,0,1,0,0,0,0,0,1,0,0,0,0,0,1,0,0,0,0,0}均可包括20个指令。在示例中，可通过在发射端持续不断地反复发送由上述63个主模式指令序列MainPattern和1个帧模式指令序列FramePattern组成的第一指令序列来寻找最佳的编码时钟的延时位置以使得发射端和接收端定位到同一光脉冲，实现两端在光脉冲上的对齐。由于这种指令序列仅包括1个帧模式指令序列FramePattern，因此，为简化后续的处理，可仅针对以帧模式指令序列FramePattern发出的光脉冲收集与其相关的探测数据进行相关系数的计算，其相应的计算结果中的达到阈值的相关系数可用于确定最优的用于量子通信系统的编码时钟的延时位置，这样可使得量子通信系统的发射端和接收端定位到同一光脉冲，实现两端在光脉冲上的对齐。

在步骤102，从帧模式指令序列中提取出在相同索引位置上与主模式指令序列中的指令不同的指令以组成第二指令序列。

下面将结合图2详细地描述步骤102的处理过程。

在图2示出的示例中，帧模式指令序列FramePattern中对应于索引位置Index[0]的指令“0”不同于主模式指令序列MainPattern中对应于索引位置Index[0]的指令“1”；帧模式指令序列FramePattern中对应于索引位置Index[2]的指令“1”不同于主模式指令序列MainPattern中对应于索引位置Index[2]的指令“0”；帧模式指令序列FramePattern中对应于索引位置Index[6]的指令“0”不同于主模式指令序列MainPattern中对应于索引位置Index[6]的指令“1”；帧模式指令序列FramePattern中对应于索引位置Index[8]的指令“1”不同于主模式指令序列MainPattern中对应于索引位置Index[8]的指令“0”；帧模式指令序列FramePattern中对应于索引位置Index[12]的指令“0”不同于主模式指令序列MainPattern中对应于索引位置Index[12]的指令“1”；帧模式指令序列FramePattern中对应于索引位置Index[14]的指令“1”不同于主模式指令序列MainPattern中对应于索引位置Index[14]的指令“0”。因此，可从帧模式指令序列FramePattern中提取出在相同索引位置上与主模式指令序列MainPattern中的指令不同的指令以组成第二指令序列{0,1,0,1,0,1}。

在步骤103，按照预定步长改变用于量子通信系统的编码时钟的延时位置，以从单光子探测器获取在编码时钟的各个延时位置处探测到的第一单光子计数序列。

这里，用于接收光脉冲的单光子探测器可包括在量子通信系统的接收端中，其在单光子探测器的各个延时位置探测到的单光子计数可记录至第一单光子计数序列中。在接收端中，第一单光子计数序列中的各个单光子计数的获取可与用于量子通信系统的编码时钟同步，并且主模式指令序列中包括的指令的数量（即，主模式指令序列的长度）和帧模式指令序列中包括的指令的数量（即，帧模式指令序列的长度）均与第一单光子计数序列中包括的单光子计数的数量（即，第一单光子计数序列的长度）相同。例如，可针对如图2所示的指令序列记录在单光子探测器的不同延时位置Delay0、Delay1、Delay2、Delay3、…… 等处探测到的单光子计数序列，如下所示。

从上述探测数据可以看出，在单光子探测器的延时位置Delay0处探测到的单光子计数序列为{7,0,0,0,0,0,9,0,0,0,0,0,8,0,0,0,0,0,0,0}，该单光子计数序列可包括20个单光子计数，其中，“7”表示探测到7个光子，“9”表示探测到9个光子，“8”表示探测到8个光子，“0”表示未探测到光子。在其他延时位置Delay1、Delay2、Delay3、…… 等处探测到的单光子计数序列与此类似，在此不再一一赘述。

在步骤104，根据提取出的指令在帧模式指令序列中的索引位置分别从在编码时钟的各个延时位置处探测到的第一单光子计数序列中提取出在对应索引位置上的单光子计数以分别组成在编码时钟的各个延时位置处探测到的第二单光子计数序列。

下面将结合图3详细地描述步骤102的处理过程。

图3示出了根据本发明的示例性实施例的在编码时钟的各个延时位置处探测到的第一单光子计数序列的示意性结构图。

如图3所示，根据前述提取出的指令序列{0,1,0,1,0,1}中的各个指令在帧模式指令序列FramePatternn中的索引位置Index[0]、Index[2]、Index[6]、Index[8]、Index[12]和Index[14]（如图2所示），可从在编码时钟的延时位置Delay0处探测到的单光子计数序列中提取出在对应索引位置Index[0]、Index[2]、Index[6]、Index[8]、Index[12]和Index[14]上的单光子计数以组成在编码时钟的延时位置Delay0处探测到的第二单光子计数序列{7,0,9,0,8,0}；可从在编码时钟的延时位置Delay1处探测到的单光子计数序列中提取出在对应索引位置Index[0]、Index[2]、Index[6]、Index[8]、Index[12]和Index[14]上的单光子计数以组成在编码时钟的延时位置Delay1处探测到的第二单光子计数序列{0,0,0,0,0,0}；可从在编码时钟的延时位置Delay2处探测到的单光子计数序列中提取出在对应索引位置Index[0]、Index[2]、Index[6]、Index[8]、Index[12]和Index[14]上的单光子计数以组成在编码时钟的延时位置Delay2处探测到的第二单光子计数序列{0,9,0,8,0,9}；可从在编码时钟的延时位置Delay3处探测到的单光子计数序列中提取出在对应索引位置Index[0]、Index[2]、Index[6]、Index[8]、Index[12]和Index[14]上的单光子计数以组成在编码时钟的延时位置Delay3处探测到的第二单光子计数序列{0,0,0,0,0,0}；类似地，还可以以同样的方式从在编码时钟的其他延时位置处探测到的单光子计数序列中提取出在对应索引位置Index[0]、Index[2]、Index[6]、Index[8]、Index[12]和Index[14]上的单光子计数以组成在编码时钟的其他延时位置处探测到的第二单光子计数序列。

在步骤105，计算在编码时钟的各个延时位置处探测到的第二单光子计数序列与第二指令序列之间的相关系数。

在图2和图3示出的示例中，可计算前述提取出的在编码时钟的延时位置Delay0处探测到的第二单光子计数序列{7,0,9,0,8,0}与前述提取出的指令序列{0,1,0,1,0,1}之间的相关系数、前述提取出的在编码时钟的延时位置Delay1处探测到的第二单光子计数序列{0,0,0,0,0,0}与前述提取出的指令序列{0,1,0,1,0,1}之间的相关系数、前述提取出的在编码时钟的延时位置Delay2处探测到的第二单光子计数序列{0,9,0,8,0,9}与前述提取出的指令序列{0,1,0,1,0,1}之间的相关系数以及前述提取出的在编码时钟的延时位置Delay3处探测到的第二单光子计数序列{0,0,0,0,0,0}与前述提取出的指令序列{0,1,0,1,0,1}之间的相关系数。类似地，还可以以同样的方式计算前述提取出在编码时钟的其他延时位置处探测到的第二单光子计数序列与前述提取出的指令序列{0,1,0,1,0,1}之间的相关系数。

这里，计算的相关系数越大，表明用于计算该相关系数的单光子计数序列与指令序列之间越相关，因此，当计算的相关系数达到预定阈值（例如，但不限于，0.98）时，可基于用于计算相关系数的单光子计数序列确定对应的编码时钟的延时位置。换言之，量子通信系统可基于此锁定或设置接收端中的编码时钟的延时位置，这样可使得量子通信系统的发射端和接收端定位到同一光脉冲，以确保来自发射端的光脉冲在接收端中被正确地探测和标记，进一步提升系统的成码率。为此，可继续执行如下步骤以实现两端在光脉冲上的对齐。

在步骤106，获取计算的相关系数在达到预定阈值时对应的编码时钟的延时位置。

在步骤107，将编码时钟的延时位置锁定至获取到的编码时钟的延时位置。

图1示出的方法可适用于各种量子通信系统，因此，量子通信系统的编码方式可以是基于偏振编码的，也可以是基于时间编码的，还可以是基于相位编码或时间相位编码的，或者是基于其他光脉冲编码方式的，对此本发明没有限制。

由此可见，图2示出的方法能够使得量子通信系统的发射端和接收端定位到同一光脉冲，以确保来自发射端的光脉冲在接收端中被正确地探测和标记，这样可在很大程度上提升系统的成码率。

图4示出了根据本发明的示例性实施例的用于量子通信系统的寻优装置的示意性结构框图。

参照图4，图4示出的装置至少可包括光脉冲输出控制单元401、帧模式指令提取单元402、光子计数采集单元403、光子计数提取单元404、相关系数计算单元405、相关系数寻优单元406和系统位置锁定单元407。

在图4示出的装置中，光脉冲输出控制单元201可被配置为反复执行用于控制光源输出光脉冲的第一指令序列，第一指令序列包括多个连续相邻的主模式指令序列和单个帧模式指令序列；帧模式指令提取单元202可被配置为从帧模式指令序列中提取出在相同索引位置上与主模式指令序列中的指令不同的指令以组成第二指令序列；光子计数采集单元203可被配置为按照预定步长改变用于量子通信系统的编码时钟的延时位置，以从单光子探测器获取在编码时钟的各个延时位置处探测到的第一单光子计数序列；光子计数提取单元204可被配置为根据提取出的指令在帧模式指令序列中的索引位置分别从在编码时钟的各个延时位置处探测到的第一单光子计数序列中提取出在对应索引位置上的单光子计数以分别组成在编码时钟的各个延时位置处探测到的第二单光子计数序列；相关系数计算单元205可被配置为计算在编码时钟的各个延时位置处探测到的第二单光子计数序列与第二指令序列之间的相关系数；相关系数寻优单元206可被配置为获取计算的相关系数在达到预定阈值时对应的编码时钟的延时位置；系统位置锁定单元207可被配置为将编码时钟的延时位置锁定至获取到的编码时钟的延时位置。

在图4示出的装置中，光源可包括在量子通信系统的发射端中，单光子探测器可包括在量子通信系统的接收端中。

在图4示出的装置中，指令序列中的各个指令可包括发光信息或不发光信息，主模式指令序列的长度和帧模式指令序列的长度可均与第一单光子计数序列的长度相同，相应地，第二指令序列的长度可与第二单光子计数序列的长度相同。

在图4示出的装置中，第一指令序列中的各个指令的执行以及第一单光子计数序列中的各个单光子计数的获取可均与用于量子通信系统的编码时钟同步。

图4示出的装置可包括在各种量子通信系统中，因此，量子通信系统的编码方式可以是基于偏振编码的，也可以是基于时间编码的，还可以是基于相位编码或时间相位编码的，或者是基于其他光脉冲编码方式的，对此本发明没有限制。

由此可见，图4示出的装置同样能够使得量子通信系统的发射端和接收端定位到同一光脉冲，以确保来自发射端的光脉冲在接收端中被正确地探测和标记，这样可在很大程度上提升系统的成码率。

此外，根据本发明的示例性实施例还可提供一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质。该计算机可读存储介质存储有当被处理器执行时使得处理器执行根据本发明的示例性实施例的用于量子通信系统的寻优方法的计算机程序。该计算机可读记录介质是可存储由计算机系统读出的数据的任意数据存储装置。计算机可读记录介质的示例包括：只读存储器、随机存取存储器、只读光盘、磁带、软盘、光数据存储装置和载波（诸如经有线或无线传输路径通过互联网的数据传输）。

此外，根据本发明的示例性实施例还可提供一种计算设备。该计算设备包括处理器和存储器。存储器用于存储计算机程序。所述计算机程序被处理器执行使得处理器执行根据本发明的示例性实施例的用于量子通信系统的寻优方法的计算机程序。

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 (12)

1.一种用于量子通信系统的寻优方法，其特征在于，包括：

反复执行用于控制光源输出光脉冲的第一指令序列，所述第一指令序列包括多个连续相邻的主模式指令序列和单个帧模式指令序列；

从所述帧模式指令序列中提取出在相同索引位置上与所述主模式指令序列中的指令不同的指令以组成第二指令序列；

按照预定步长改变用于所述量子通信系统的编码时钟的延时位置，以从单光子探测器获取在所述编码时钟的各个延时位置处探测到的第一单光子计数序列；

根据提取出的指令在所述帧模式指令序列中的索引位置分别从在所述编码时钟的各个延时位置处探测到的第一单光子计数序列中提取出在对应索引位置上的单光子计数以分别组成在所述编码时钟的各个延时位置处探测到的第二单光子计数序列；

计算在所述编码时钟的各个延时位置处探测到的第二单光子计数序列与所述第二指令序列之间的相关系数；

获取计算的相关系数在达到预定阈值时对应的所述编码时钟的延时位置；

将所述编码时钟的延时位置锁定至获取到的所述编码时钟的延时位置，

其中，所述光源包括在所述量子通信系统的发射端中，所述单光子探测器包括在所述量子通信系统的接收端中。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述量子通信系统的编码方式基于偏振编码、时间编码、相位编码和时间相位编码中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述指令序列中的各个指令包括发光信息或不发光信息。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述主模式指令序列的长度和所述帧模式指令序列的长度均与所述第一单光子计数序列的长度相同，所述第二指令序列的长度与所述第二单光子计数序列的长度相同。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一指令序列中的各个指令的执行以及所述第一单光子计数序列中的各个单光子计数的获取均与用于所述量子通信系统的编码时钟同步。

6.一种用于量子通信系统的寻优装置，其特征在于，包括：

光脉冲输出控制单元，被配置为反复执行用于控制光源输出光脉冲的第一指令序列，所述第一指令序列包括多个连续相邻的主模式指令序列和单个帧模式指令序列；

帧模式指令提取单元，被配置为从所述帧模式指令序列中提取出在相同索引位置上与所述主模式指令序列中的指令不同的指令以组成第二指令序列；

光子计数采集单元，被配置为按照预定步长改变用于所述量子通信系统的编码时钟的延时位置，以从单光子探测器获取在所述编码时钟的各个延时位置处探测到的第一单光子计数序列；

光子计数提取单元，被配置为根据提取出的指令在所述帧模式指令序列中的索引位置分别从在所述编码时钟的各个延时位置处探测到的第一单光子计数序列中提取出在对应索引位置上的单光子计数以分别组成在所述编码时钟的各个延时位置处探测到的第二单光子计数序列；

相关系数计算单元，被配置为计算在所述编码时钟的各个延时位置处探测到的第二单光子计数序列与所述第二指令序列之间的相关系数；

相关系数寻优单元，被配置为获取计算的相关系数在达到预定阈值时对应的所述编码时钟的延时位置；

系统位置锁定单元，被配置为将所述编码时钟的延时位置锁定至获取到的所述编码时钟的延时位置，

其中，所述光源包括在所述量子通信系统的发射端中，所述单光子探测器包括在所述量子通信系统的接收端中。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述量子通信系统的编码方式基于偏振编码、时间编码、相位编码和时间相位编码中的至少一种。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述指令序列中的各个指令包括发光信息或不发光信息。

9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述主模式指令序列的长度和所述帧模式指令序列的长度均与所述第一单光子计数序列的长度相同，所述第二指令序列的长度与所述第二单光子计数序列的长度相同。

10.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一指令序列中的各个指令的执行以及所述第一单光子计数序列中的各个单光子计数的获取均与用于所述量子通信系统的编码时钟同步。

11.一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其特征在于，当所述计算机程序被处理器执行时，实现权利要求1至5中任意一项所述的用于量子通信系统的寻优方法。

12.一种计算设备，其特征在于，包括：

处理器；

存储器，存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现权利要求1至5中任意一项所述的用于量子通信系统的寻优方法。

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