CN116260508A - 相位稳定的tf-qkd方法、系统及其相位扰动监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种用于TF‑QKD系统的相位扰动监测方法，以及由此实现相位稳定的TF‑QKD方法和系统，其允许借助雪崩探测器实现TF‑QKD系统中的探测功能，同时能够满足量子光信号的高信噪比和相位参考光信号的高计数率。

Description

相位稳定的TF-QKD方法、系统及其相位扰动监测方法

技术领域

本发明涉及量子保密通信领域，尤其涉及一种用于TF-QKD系统的相位扰动监测方法，以及由此实现相位稳定的TF-QKD方法和系统。

背景技术

理想BB84 QKD协议的安全性基于一些基本假设，若现实设备不能够完美的满足这些假设就会产生安全漏洞。例如，理想的BB84QKD协议使用单光子源，利用单光子不可克隆原理保证通信安全，然而，真正的单光子源现实中还无法实现。2005年提出的诱骗态量子密钥分发(QKD)协议使用弱相干光源代替单光子源，可解决现实设备光源端不完美问题。探测系统是QKD实现中最脆弱的部分，众多攻击都是针对探测器端设备的安全漏洞实施的攻击，包括典型的强光致盲攻击、时移攻击等。为抵抗探测器端攻击，除了使用安全补丁方法、将设备参数模型化后包含在安全性证明中，还有一种方法是采用测量设备无关类QKD(MDI-QKD)。最早于2012年由H-K Lo小组提出基于纠缠交换技术和时间反演EPR方案的测量设备无关量子密钥分发协议(原始MDI-QKD协议)，可消除所有的探测器端侧信道，进一步地在2018年，东芝欧洲研究中心A.J.Shields研究团队提出双场量子密钥分发协议(TF-QKD协议)，该协议继承了MDI-QKD的测量设备无关的安全性并具有更远的安全距离，引起了国内外广泛关注。

TF-QKD协议不同于原始的MDI-QKD协议，主要技术难点在于如何实现两个独立的激光源的高对比度干涉，同时，还需要对全局相位差进行快速监测，无相位后选择的QKD(NPP-QKD)还需要进一步进行快速相位反馈补偿。这里的全局相位差对应光程差的控制要求在亚波长量级，而相位差的贡献除了Alice、Bob的光源本身频率和波长差异导致的差异，还包括量子光传输信道中引入的相位扰动，该扰动在10rad/ms量级，变化非常剧烈，需要快速监测。

为实现信道相位扰动的快速监测，目前存在两类解决方案。一种是对信号光进行快速的时分复用，将其中一部分光作为相位参考光，以此来监测和估计光纤的相对相位快速漂移。另一种是采用不同波长的参考光进行波分复用，通过监测参考光的相位扰动来体现信号光的相位扰动，其中可以通过提高参考光功率来支持更高的相位扰动监测精度和远距离程度，但该方案仍然存在量子光残余相位扰动需要监测，也需要结合第一种时分复用的解决方案。

现有技术中，时分复用中的信号光分出的相位参考光需要在较短的时间内积累较大计数率，以便降低计数率涨落导致的计算结果偏差。但同时，信号光中的量子光成分则需要保持较高的信噪比，需要最大程度地降低同波长的相位参考光对量子光的信噪比影响。这对探测器提出了既要高计数率又要高信噪比的较高要求。

由于雪崩探测器本身性能的限制，例如其在高信噪比、低后脉冲和高计数率性能之间存在互相牵制作用，难以直接应用于上述相位扰动监测方案中，因此，在现有的TF-QKD相位扰动监测方案中，通常采用的是超导探测器，这导致现有系统复杂性和尺寸大大增加。

发明内容

针对现有技术存在上述问题，本发明提出了一种用于TF-QKD系统的相位扰动监测方法，以及由此实现相位稳定的TF-QKD方法和系统，其允许借助雪崩探测器实现TF-QKD系统中的探测功能，同时能够满足量子光信号的高信噪比和相位参考光信号的高计数率。

具体而言，本发明第一方面涉及一种用于TF-QKD系统的相位扰动监测方法，其包括以下步骤：

由发送端向接收端发送第二输出光，其中，通过在不同时间向光信号提供不同调制，使所述第二输出光以时分复用的方式包含有量子光信号和第一相位参考光信号；

在所述接收端中，使来自不同发送端的第二输出光发生干涉以生成干涉信号，其中，所述干涉信号以时分复用的方式包含有由所述量子光信号发生干涉生成的第一干涉信号，以及由所述第一相位参考光信号发生干涉生成的第二干涉信号；并且，

在所述接收端中，利用雪崩探测器对所述干涉信号进行探测，以根据所述第二干涉信号监测TF-QKD系统中的相位扰动，其中，使所述雪崩探测器在第一死时间下探测所述第一干涉信号，而在第二死时间下探测所述第二干涉信号，所述第一死时间大于第二死时间。

进一步地，本发明的相位扰动监测方法还可以包括以下步骤：

在所述接收端中，以保偏的方式将具有第一波长的锁频参考光与具有第二波长的第二相位参考光信号进行波分耦合以形成第一输出光，其中，所述第一波长不同于第二波长；

在所述发送端中，以保偏的方式将所述第一输出光中的锁频参考光和第二相位参考光信号解复用，基于所述锁频参考光以锁频的方式生成所述光信号，并以保偏的方式将所述量子光信号、第一相位参考光信号与第二相位参考光信号波分耦合，形成所述第二输出光；

在所述接收端中，将所述干涉信号中的第一波长成分和第二波长成分解复用，并利用雪崩探测器对由所述第二相位参考光信号发生干涉生成的第三干涉信号进行探测，以根据所述第三干涉信号监测所述TF-QKD系统中的相位扰动。

本发明的第二方面涉及一种相位稳定的TF-QKD系统，其包括接收端和多个发送端；

所述接收端包括测量模块、锁频参考光源和第一分束器；

所述锁频参考光源被设置用于生成锁频参考光；

所述第一分束器被设置用于将所述接收端的第一输出光分光，其中，所述第一输出光包括所述锁频参考光；

所述发送端包括锁频光源、参考光调制模块和量子态制备模块；

所述锁频光源被设置成基于所述第一输出光中的锁频参考光，以锁频的方式生成光信号；

所述量子态制备模块被设置用于在所述光信号上制备量子态；

所述参考光调制模块被设置用于对所述光信号进行调制，以使所述发送端的第二输出光中以时分复用的方式包含有量子光信号和第一相位参考光信号；

所述测量模块包括保偏的第二分束器、雪崩探测器和控制单元；

所述第二分束器被设置用于允许来自不同发送端的第二输出光发生干涉以生成干涉信号，其以时分复用的方式包含有由所述量子光信号发生干涉生成的第一干涉信号，以及由所述第一相位参考光信号发生干涉生成的第二干涉信号；

所述雪崩探测器被设置用于探测所述干涉信号；

所述控制单元被设置用于使所述雪崩探测器在探测所述第一干涉信号时具有第一死时间，而在探测所述第二干涉信号时具有第二死时间，所述第一死时间大于第二死时间。

进一步地，其中，所述控制单元被设置成：通过控制用于雪崩探测器的雪崩门控信号来控制所述死时间；或者，通过设置雪崩探测器的探测数据的有效时间区间来控制所述死时间。

进一步地，所述发送端还包括连续光斩波单元；以及/或者，所述量子态制备模块包括诱骗态调制单元、相位调制单元和光衰减单元。

进一步地，所述发送端还包括偏振补偿模块，用于对所述第一输出光进行偏振态补偿，以使其具有预设的偏振态；以及/或者，所述接收端还包括偏振补偿模块，用于对所述第二输出光进行偏振态补偿，以使其具有预设的偏振态。

进一步地，所述接收端还包括快速相位补偿模块，用于补偿来自不同发送端的第二输出光中的量子光信号之间的相位扰动。

进一步地，所述锁频光源基于注入锁定、光学锁相环或时频传输，利用所述锁频参考光生成所述光信号。

进一步地，所述发送端的数量为N个，N为大于1的正整数，所述接收端还设置有支持2：N端口的光开关，用于允许选择接入的发送端。

进一步地，所述接收端还包括相位参考光源和第一波分复用器；

所述相位参考光源用于生成具有第二波长的第二相位参考光信号，且所述锁频参考光具有第一波长，所述第一波长不同于第二波长；

所述第一波分复用器被设置用于以保偏的方式将所述锁频参考光和第二相位参考光信号进行波分耦合，以使所述第一输出光包括所述锁频参考光和第二相位参考光信号的合束；

所述发送端还包括偏振一致性耦合模块，其被设置用于将所述第一输出光中的锁频参考光和第二相位参考光信号解复用，并将所述锁频参考光保偏地输出给所述锁频光源，以及以保偏的方式将所述量子光信号、第一相位参考光信号与第二相位参考光信号进行波分耦合，以使所述第二输出光包括所述量子光信号、第一相位参考光信号和第二相位参考光信号的合束；

所述测量模块还包括波分复用器，其设置在所述雪崩探测器之前，用于将所述干涉信号中的第一波长成分和第二波长成分解复用，以便分别由不同的雪崩探测器进行探测。

更进一步地，所述偏振一致性耦合模块包括两个保偏的波分复用器；

所述两个保偏的波分复用器中的一个被设置成将所述第一输出光中的锁频参考光和第二相位参考光信号解复用，并分别将所述锁频参考光和第二相位参考光信号保偏地输出给所述锁频光源和所述两个保偏的波分复用器中的另一个；

所述两个保偏的波分复用器中的另一个被设置成以保偏的方式将所述量子光信号、第一相位参考光信号与第二相位参考光信号进行波分耦合。

更进一步地，所述接收端还包括慢速相位补偿模块，用于补偿所述第二输出光中的量子光信号和第二相位参考光信号之间的相位扰动。

本发明的第三方面涉及一种TF-QKD方法，其包括以下步骤：

由接收端向发送端发送第一输出光，所述第一输出光包括锁频参考光；

在所述发送端中，基于所述锁频参考光以锁频的方式生成光信号，并在所述光信号上进行调制以生成第二输出光，所述第二输出光以时分复用的方式包含有量子光信号和第一相位参考光信号；

在所述接收端中，使来自不同发送端的第二输出光发生干涉以生成干涉信号，其中，所述干涉信号以时分复用的方式包含有由所述量子光信号发生干涉生成的第一干涉信号，以及由所述第一相位参考光信号发生干涉生成的第二干涉信号；

在所述接收端中，利用雪崩探测器对所述干涉信号进行探测，其中，使所述雪崩探测器在第一死时间下探测所述第一干涉信号，而在第二死时间下探测所述第二干涉信号，所述第一死时间大于第二死时间；

在所述接收端中，根据所述第二干涉信号的探测数据计算TF-QKD系统中的相位扰动，并根据所述相位扰动提供相位补偿；以及，将所述第一干涉信号的探测数据发送给所述发送端。

进一步地，本发明的TF-QKD方法还可以包括以下步骤：

在所述接收端中，以保偏的方式将所述锁频参考光与具有第二波长的第二相位参考光信号进行波分耦合以形成所述第一输出光，其中所述锁频参考光具有第一波长，所述第一波长不同于第二波长；

在所述发送端中，以保偏的方式将所述第一输出光中的锁频参考光和第二相位参考光信号解复用，以及以保偏的方式将所述量子光信号、第一相位参考光信号与第二相位参考光信号波分耦合，形成所述第二输出光；以及，

在所述接收端中，将所述干涉信号中的第一波长成分和第二波长成分解复用，以分别由不同的雪崩探测器进行探测。

进一步地，本发明的TF-QKD方法还可以包括以下步骤：

在所述发送端对所述第一输出光进行偏振补偿并保偏输出；以及/或者，

在所述接收端对所述第二输出光进行偏振补偿并保偏输出。

进一步地，本发明的TF-QKD方法还包括以下步骤：

在所述接收端中，对来自不同发送端的第二输出光中的量子光信号之间的相位扰动进行快速补偿；以及/或者，

在所述接收端中，对所述第二输出光中的量子光信号和第二相位参考光信号之间的相位扰动进行慢速补偿。

优选地，借助上述TF-QKD系统来实现该方法。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

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使用的附图作简单地介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图来获得其他的附图。

图1示出了根据本发明的TF-QKD系统的一种实施方式；

图2示出了根据本发明的TF-QKD系统的进一步实施方式；

图3示出了根据本发明的偏振一致性耦合模块的一种示例。

具体实施方式

在下文中，本发明的示例性实施例将参照附图来详细描述。下面的实施例以举例的方式提供，以便充分传达本发明的精神给本发明所属领域的技术人员。因此，本发明不限于本文公开的实施例。

图1示出了根据本发明的TF-QKD系统的一种实施方式，其包括发送端1、发送端2和接收端。

接收端可以包括锁频参考光源、第一分束器和测量模块。

锁频参考光源具有第一波长，用于生成锁频参考光。

锁频参考光作为第一输出光，在接收端处被第一分束器分光，以分别被输出给发送端1和发送端2。

由于TF-QKD系统中的发送端可以具有相同的结构，因此，出于简洁的目的，下面将以发送端1为例描述发送端的结构。

在本发明中，接收端的第一输出光可以通过第一单模或保偏光纤信道被传输给发送端1。

由于在传输过程中，光信号的偏振态可能会发生变化，因此，可以在发送端1中设置偏振补偿模块，用于对到达发送端1的第一输出光进行偏振补偿，使其具有预设的偏振态，并以保偏的方式输出。

作为示例，偏振补偿模块可以借助偏振控制器来实现偏振补偿。例如，偏振控制器可以为电动偏振控制器(EPC)。

本领域技术人员容易理解，可以借助偏振分束器和光电探测器来监测例如第一输出光等光信号的偏振状态，以便于对其进行偏振补偿，以在光信号上实现预设的偏振态。

继续参见图1，发送端1还可以包括锁频光源、参考光调制模块和量子态制备模块。

在发送端1中，第一输出光中的锁频参考光继续传输进入锁频光源。锁频光源利用例如(但不限于)注入锁定技术、光学锁相环OPLL技术、时频传输技术等，将其频率锁定在锁频参考光的第一波长上，从而输出其频率稳定在第一波长上的光信号。

量子态制备模块用于在光信号上制备量子态。

作为示例，量子态制备模块可以包括相位调制单元、诱骗态调制单元和光衰减单元。

进一步地，发送端还可以包括连续光斩波单元，用于将锁频光源输出的连续光信号形成为脉冲光信号。

参考光调制模块可以在光信号上提供不同的调制，以形成量子光信号和第一相位参考光信号。例如，参考光调制模块可以在预设的参考光时间区间对光信号进行调制以形成第一相位参考光信号，而在预设的量子光时间区间对光信号进行调制以形成量子光信号。

因此，在发送端1通过第二单模/保偏光纤信道向接收端发送的第二输出光中，以时分复用的方式存在量子光信号和第一相位参考光信号。

类似地，第二输出光经例如第二单模/保偏光纤信道到达接收端时，其偏振态同样可能会发生变化。因此，还可以设置偏振补偿模块，用于对第二输出光进行偏振补偿，使其具有预设的偏振态。

需要说明的是，在对第二输出光进行偏振补偿时，第二输出光的偏振状态监测需要在接收端进行。换言之，可以在接收端中设置偏振分束器和光电探测器，来监测第二输出光的偏振态。

本领域技术人员容易理解，由于需要在接收端对来自两个不同发送端的第二输出光进行偏振补偿，因此，可以在接收端中另外设置分束器，以允许共用一个光电探测器来实现对不同第二输出光的偏振态监测，以提高系统的集成度。其中，该另外设置的分束器可以被设置在光电探测器之前，将分别来自不同发送端的第二输出光的分光合成一路，以允许借助一个光电探测器实现对两路第二输出光的分光的探测。

继续参见图1，测量模块可以包括保偏的第二分束器(PMBS)、雪崩探测器1、2和控制单元。

第二分束器具有两个输入端和两个输出端，其中，来自发送端1和发送端2的两路第二输出光分别经两个输入端输入并发生干涉，最后分别经由两个输出端输出干涉信号。

本领域技术人员能够理解，由于第二输出光中以时分复用的方式包含有量子光信号和第一相位参考光信号，因此，干涉信号中也相应地以时分复用的方式包含有由量子光信号发生干涉生成的第一干涉信号，以及由第一相位参考光信号发生干涉生成的第二干涉信号。

两个雪崩探测器分别设置在第二分束器的两个输出端侧，以对干涉信号进行探测。

当第一干涉信号到达雪崩探测器时，控制单元使雪崩探测器具有相对较长的第一死时间，因此可以保证低后脉冲概率的高信噪比量子光探测；而当第二干涉信号到达雪崩探测器时，控制单元使雪崩探测器具有相对较短的第二死时间，因此可以允许较高的后脉冲概率，实现对相位参考光的高计数率。由此，可以在利用雪崩探测器实现TF-QKD系统中的探测功能的情况下，同时实现相位参考光的高计数率和量子信号光的高信噪比，即，同时允许实现高精确的相位参考光探测和量子信号光探测。

作为示例，为实现雪崩探测器死时间的控制，控制单元可以通过控制用于雪崩探测器的雪崩门控信号来实现，例如，可以停止提供雪崩门控信号来延长雪崩探测器的死时间。

作为另一种示例，控制单元还可以通过设置雪崩探测器的探测数据的有效时间区间来控制死时间。例如，控制单元可以丢弃一段时间内的雪崩探测器的探测数据来延长雪崩探测器的死时间。

在本发明的一种示例中，参考光调制模块可以按照预设的切换周期实现量子光信号和第一相位参考光信号之间的切换调制。例如，切换周期可以为1-100微秒，或者1-100毫秒。

通过设置合适的切换周期，可以借助第二干涉信号实现对TF-QKD系统中的快速相位扰动或慢速相位扰动的监测。

如图1所示，接收端中还可以设置有快速相位补偿模块，以便允许根据快速相位扰动的监测结果，对不同发送端(例如发送端1和发送端2)的第二输出光中的量子光信号之间的相位扰动进行补偿。

作为示例，快速相位补偿模块可以包括相位调制器(PM)。

图2示出了根据本发明的TF-QKD系统的进一步实施方式。

如图2所示，还可以在接收端中设置相位参考光源和第一波分复用器(WDM)。

相位参考光源具有第二波长，用于生成第二相位参考光信号，其中，第一波长不同于第二波长。

第一波分复用器具有公共端、第一波长端和第二波长端。其中，第一波长端连接锁频参考光源，第二波长端连接相位参考光源，因此允许锁频参考光和第二相位参考光信号输入第一波分复用器中，以保偏的方式进行波分耦合形成合束，并通过公共端输出。因此，接收端的第一输出光可以包括锁频参考光和第二相位参考光信号的合束。

第一波分复用器的公共端例如通过单模或保偏光纤连接第一分束器，以允许将第一输出光同时发送给两个发送端，例如发送端1和发送端2。

继续参见图2，发送端还可以包括偏振一致性耦合模块，其用于将第一输出光中的锁频参考光和第二相位参考光信号解复用，并将锁频参考光保偏地输出给锁频光源，以及以保偏的方式将量子光信号、第一相位参考光信号与第二相位参考光信号进行波分耦合，以使第二输出光包括所述量子光信号、第一相位参考光信号和第二相位参考光信号的合束。

图3示出了根据本发明的偏振一致性耦合模块的一种示例。

如图3所示，偏振一致性耦合模块可以包括两个保偏的波分复用器，例如第二波分复用器和第三波分复用器，其均具有公共端、第一波长端和第二波长端。

在第二波分复用器中，公共端作为偏振一致性耦合模块的双波长输入端1，用于接收(例如由偏振补偿模块保偏输出的)第一输出光，因此，允许将第一输出光中的锁频参考光和第二相位参考光信号解复用并由第一波长端(其作为偏振一致性耦合模块的单波长输出端2)保偏输出锁频参考光，由第二波长端保偏输出第二相位参考光信号。

锁频参考光经第一波长端输出后，将进入锁频光源。本领域技术人员能够理解，通过事先利用偏振补偿模块对第一输出光进行偏振态补偿，可以使得到达第二波分复用器(即，偏振一致性耦合模块)的第一输出光具有稳定的偏振态，因此，经第二波分复用器解复用输出的锁频参考光和第二相位参考光信号可以具有稳定的光强。由于用于锁频光源的锁频过程的锁频参考光具有稳定光强，因此其锁频效果也得以稳定，由此可以允许锁频光源稳定地输出光信号。

在第三波分复用器中，第一波长端(其作为偏振一致性耦合模块的单波长输入端3)保偏地接收量子光信号和第一相位参考光信号，第二波长端保偏连接第二波分复用器的第二波长端，因此，允许以保偏的方式将量子光信号、第一相位参考光信号和第二相位参考光信号进行波分耦合，并经公共端(其作为偏振一致性耦合模块的双波长输出端4)向外输出第二输出光。此时，第二输出光包括量子光信号、第一相位参考光信号和第二相位参考光信号的合束。

通过在接收端中设置保偏的第一波分复用器将第二相位参考光信号和锁频参考光以偏振一致的方式进行波分耦合形成第一输出光，同时在发送端设置由两个保偏的波分复用器构成的偏振一致性耦合模块，可以允许在无需EPC参与和人工干预的情况下，仅借助光学器件本身固有的光学特性，在发送端实现量子光信号、第一相位参考光信号和第二相位参考光信号的偏振一致性耦合，这种偏振一致性的实现不会受到发送端温度、振动等环境影响，实现上更为稳定，且无需复杂控制，能够有效减低系统成本、提高系统集成度和稳定性。

继续参见图2，在接收端的测量模块中，还可以在第二分束器的两个输出端分别设置第四波分复用器，用于将干涉信号中的第一波长成分(第一干涉信号和第二干涉信号)与第二波长成分(由第二相位参考光信号干涉形成的第三干涉信号)分开。

第四波分复用器同样可以具有公共端、第一波长端和第二波长端。其中，公共端连接第二分束器的输出端以接收干涉信号，第一波长端和第二波长端分别连接有雪崩探测器。

因此，如前所述，第一波长端的雪崩探测器用于以时分复用的方式对第一干涉信号和第二干涉信号进行探测。第二波长端的雪崩探测器用于对第三干涉信号进行探测，以提供对系统中的相位扰动监测。

在图2所示的实施方式中，通过对第三干涉信号的探测，可以很好地实现对TF-QKD系统中的快速相位扰动监测。因此，可以通过为参考光调制模块设置合适的切换周期，借助第二干涉信号实现对TF-QKD系统中的慢速相位扰动监测。

因此，还可以相应地在接收端设置慢速相位补偿模块，用于补偿第二输出光中的量子光信号和第二相位参考光信号之间的相位扰动。

作为示例，慢速相位补偿模块可以包括保偏的第五波分复用器和保偏的第六波分复用器，两者同样均具有公共端、第一波长端和第二波长端。

第五和第六波分复用器的第一波长端之间通过第一臂连接，第五和第六波分复用器的第二波长端之间通过第二臂连接。

第五波分复用器的公共端被设置成接收第二输出光，因此允许将第二输出光进行波分解复用，并分别通过第一和第二波长端输出量子光信号、第一相位参考光信号和第二相位参考光信号，以使它们分别沿第一和第二臂朝向第六波分复用器传输。

可以在第一和第二臂中的至少一个上设置相移器(PS)，以在量子光信号和第二相位参考光信号之间进行相位补偿。

第一相位参考光信号、量子光信号和第二相位参考光信号分别从第一和第二波长端进入第六波分复用器，并以保偏的方式发生波分耦合，再次形成第二输出光。此时，借助相移器的作用，第二输出光中量子光信号和第二相位参考光信号之间的慢速相位扰动可以得到补偿。

进一步地，根据本发明的TF-QKD系统可以包括N个发送端，且在接收端设置有支持2：N端口的光开关。其中，N为大于1的正整数。

因此，可以通过控制支持2：N端口的光开关，在N个发送端中切换2个发送端与接收端形成连接。

此外，本发明还提出一种用于TF-QKD系统的相位扰动监测方法。

根据本发明，可以由接收端向发送端输出第一输出光，其中，第一输出光可以包括锁频参考光。

发送端则利用该锁频参考光以锁频的方式生成光信号，通过在不同时间向光信号提供不同调制以生成量子光信号或第一相位参考光信号，并以第二输出光的形式发送给接收端。因此，第二输出光以时分复用的方式包含有量子光信号和第一相位参考光信号。

在这一过程中，优选还可以对接收到的第一输出光进行偏振补偿，以使其具有预设的偏振态。

接收端在接收到来自不同发送端的两路第二输出光之后，则可以使这两路第二输出光发生干涉以生成干涉信号。此时，该干涉信号相应地以时分复用的方式包含有由量子光信号发生干涉生成的第一干涉信号，以及由第一相位参考光信号发生干涉生成的第二干涉信号。

因此，可以利用雪崩探测器对干涉信号进行探测，以根据第二干涉信号监测TF-QKD系统中的相位扰动。

在探测过程中，可以借助控制单元使雪崩探测器在第一死时间下探测第一干涉信号，而在第二死时间下探测第二干涉信号，第一死时间大于第二死时间。其中，死时间的控制过程可以参见上文，此处不再赘述。

在本发明的相位扰动监测方法的进一步实施例中，还可以在接收端利用相位参考光源生成第二相位参考光信号，其中，第二相位参考光信号具有不同于锁频参考光的第一波长的第二波长。

因此，还在接收端以保偏的方式将锁频参考光和第二相位参考光信号进行波分耦合，形成第一输出光。

相应地，还在发送端中以保偏的方式将第一输出光中的锁频参考光和第二相位参考光信号解复用，并以保偏的方式将量子光信号、第一相位参考光信号与第二相位参考光信号波分耦合，形成第二输出光。

当来自不同发送端的两路第二输出光到达接收端并发生干涉时，所产生的干涉信号中将包含第一波长成分和第二波长成分，其中，第一波长成分包括第一干涉信号和第二干涉信号，第二波长成分将包括由第二相位参考光信号干涉形成的第三干涉信号。因此，需要在接收端将干涉信号中的第一波长成分和第二波长成分解复用，并利用雪崩探测器对第三干涉信号进行探测，以根据第三干涉信号监测TF-QKD系统中的相位扰动。此时，由于第三干涉信号能够反映出系统中存在的快速相位扰动，因此，可以合理设置第二输出光中量子光信号和第一相位参考光信号之间的切换周期，以允许通过第二干涉信号承载系统中存在的慢速相位扰动。

另外，本发明还公开了一种TF-QKD方法，其允许利用雪崩探测器精确且实时地监测系统中的相位扰动，由此允许实现系统的相位稳定。

在本发明的TF-QKD方法中，由接收端向发送端发送第一输出光，所述第一输出光包括锁频参考光。

发送端则可以利用锁频参考光以锁频方式生成光信号，通过在不同时间向光信号提供不同调制以生成量子光信号或第一相位参考光信号，并以第二输出光的形式发送给接收端。因此，第二输出光以时分复用的方式包含有量子光信号和第一相位参考光信号。

发送端则利用该锁频参考光以锁频的方式生成光信号，通过在不同时间向光信号提供不同调制以生成量子光信号或第一相位参考光信号，并以第二输出光的形式发送给接收端。因此，第二输出光以时分复用的方式包含有量子光信号和第一相位参考光信号。

在这一过程中，优选还可以对接收到的第一输出光进行偏振补偿，以使其具有预设的偏振态。

接收端在接收到来自不同发送端的两路第二输出光之后，则可以使这两路第二输出光发生干涉以生成干涉信号。此时，该干涉信号相应地以时分复用的方式包含有由量子光信号发生干涉生成的第一干涉信号，以及由第一相位参考光信号发生干涉生成的第二干涉信号。

因此，可以利用雪崩探测器对干涉信号进行探测，以根据第二干涉信号监测TF-QKD系统中的相位扰动。

在探测过程中，可以借助控制单元使雪崩探测器在第一死时间下探测第一干涉信号，而在第二死时间下探测第二干涉信号，第一死时间大于第二死时间。其中，死时间的控制过程可以参见上文，此处不再赘述。

在获得干涉信号的探测数据之后，则可以由接收端将第一干涉信号的探测数据发送给发送端，以便发送端结合相位扰动信息进行基矢比对、纠错、保密增强等数据处理。同时，还可以根据通过第二干涉信号计算获得的相位扰动，提供相应的相位补偿。

在本发明的TF-QKD方法的进一步实施例中，还可以在接收端利用相位参考光源生成第二相位参考光信号，其中，第二相位参考光信号具有不同于锁频参考光的第一波长的第二波长。

因此，还在接收端以保偏的方式将锁频参考光和第二相位参考光信号进行波分耦合，形成第一输出光。

相应地，还在发送端中以保偏的方式将第一输出光中的锁频参考光和第二相位参考光信号解复用，并以保偏的方式将量子光信号、第一相位参考光信号与第二相位参考光信号波分耦合，形成第二输出光。

当来自不同发送端的两路第二输出光到达接收端并发生干涉时，所产生的干涉信号中将包含第一波长成分和第二波长成分，其中，第一波长成分包括第一干涉信号和第二干涉信号，第二波长成分将包括由第二相位参考光信号干涉形成的第三干涉信号。因此，需要在接收端将干涉信号中的第一波长成分和第二波长成分解复用，并利用雪崩探测器对第三干涉信号进行探测，以根据第三干涉信号监测TF-QKD系统中的相位扰动。此时，由于第三干涉信号能够反映出系统中存在的快速相位扰动，因此，可以合理设置第二输出光中量子光信号和第一相位参考光信号之间的切换周期，以允许通过第二干涉信号承载系统中存在的慢速相位扰动。

由此，可以对来自不同发送端的第二输出光中的量子光信号之间的相位扰动进行快速补偿，以及对第二输出光中的量子光信号和第二相位参考光信号之间的相位扰动进行慢速补偿。

作为一种优选方式，该TF-QKD方法可以借助本发明的TF-QKD系统来实现。

借助本发明，使得能够在TF-QKD中使用雪崩探测器，同时实现相位参考光信号的高计数率和量子光信号的高信噪比需求，相比现有技术中采用超导探测器的TF-QKD具有更好的成熟度、稳定性、易用性，且系统易于小型化。

尽管前面结合附图通过具体实施例对本发明进行了说明，但是，本领域技术人员容易认识到，上述实施例仅仅是示例性的，用于说明本发明的原理，其并不会对本发明的范围造成限制，本领域技术人员可以对上述实施例进行各种组合、修改和等同替换，而不脱离本发明的精神和范围。

Claims (17)

1.一种用于TF-QKD系统的相位扰动监测方法，其包括以下步骤：

由发送端向接收端发送第二输出光，其中，通过在不同时间向光信号提供不同调制，使所述第二输出光以时分复用的方式包含有量子光信号和第一相位参考光信号；

在所述接收端中，使来自不同发送端的第二输出光发生干涉以生成干涉信号，其中，所述干涉信号以时分复用的方式包含有由所述量子光信号发生干涉生成的第一干涉信号，以及由所述第一相位参考光信号发生干涉生成的第二干涉信号；并且，

在所述接收端中，利用雪崩探测器对所述干涉信号进行探测，以根据所述第二干涉信号监测TF-QKD系统中的相位扰动，其中，使所述雪崩探测器在第一死时间下探测所述第一干涉信号，而在第二死时间下探测所述第二干涉信号，所述第一死时间大于第二死时间。

2.如权利要求1所述的相位扰动监测方法，其还包括以下步骤：

在所述接收端中，以保偏的方式将具有第一波长的锁频参考光与具有第二波长的第二相位参考光信号进行波分耦合以形成第一输出光，其中，所述第一波长不同于第二波长；

在所述发送端中，以保偏的方式将所述第一输出光中的锁频参考光和第二相位参考光信号解复用，基于所述锁频参考光以锁频的方式生成所述光信号，并以保偏的方式将所述量子光信号、第一相位参考光信号与第二相位参考光信号波分耦合，形成所述第二输出光；

在所述接收端中，将所述干涉信号中的第一波长成分和第二波长成分解复用，并利用雪崩探测器对由所述第二相位参考光信号发生干涉生成的第三干涉信号进行探测，以根据所述第三干涉信号监测所述TF-QKD系统中的相位扰动。

3.一种相位稳定的TF-QKD系统，其包括接收端和多个发送端；

所述接收端包括测量模块、锁频参考光源和第一分束器；

所述锁频参考光源被设置用于生成锁频参考光；

所述第一分束器被设置用于将所述接收端的第一输出光分光，其中，所述第一输出光包括所述锁频参考光；

所述发送端包括锁频光源、参考光调制模块和量子态制备模块；

所述锁频光源被设置成基于所述第一输出光中的锁频参考光，以锁频的方式生成光信号；

所述量子态制备模块被设置用于在所述光信号上制备量子态；

所述参考光调制模块被设置用于对所述光信号进行调制，以使所述发送端的第二输出光中以时分复用的方式包含有量子光信号和第一相位参考光信号；

所述测量模块包括保偏的第二分束器、雪崩探测器和控制单元；

所述第二分束器被设置用于允许来自不同发送端的第二输出光发生干涉以生成干涉信号，其以时分复用的方式包含有由所述量子光信号发生干涉生成的第一干涉信号，以及由所述第一相位参考光信号发生干涉生成的第二干涉信号；

所述雪崩探测器被设置用于探测所述干涉信号；

所述控制单元被设置用于使所述雪崩探测器在探测所述第一干涉信号时具有第一死时间，而在探测所述第二干涉信号时具有第二死时间，所述第一死时间大于第二死时间。

4.如权利要求3所述的TF-QKD系统，其中，所述控制单元被设置成：通过控制用于雪崩探测器的雪崩门控信号来控制所述死时间；或者，通过设置雪崩探测器的探测数据的有效时间区间来控制所述死时间。

5.如权利要求3所述的TF-QKD系统，其中，所述发送端还包括连续光斩波单元；以及/或者，所述量子态制备模块包括诱骗态调制单元、相位调制单元和光衰减单元。

6.如权利要求3所述的TF-QKD系统，其中，所述发送端还包括偏振补偿模块，用于对所述第一输出光进行偏振态补偿，以使其具有预设的偏振态；以及/或者，所述接收端还包括偏振补偿模块，用于对所述第二输出光进行偏振态补偿，以使其具有预设的偏振态。

7.如权利要求3所述的TF-QKD系统，其中，所述接收端还包括快速相位补偿模块，用于补偿来自不同发送端的第二输出光中的量子光信号之间的相位扰动。

8.如权利要求3所述的TF-QKD系统，其中，所述锁频光源基于注入锁定、光学锁相环或时频传输，利用所述锁频参考光生成所述光信号。

9.如权利要求3所述的TF-QKD系统，其中，所述发送端的数量为N个，N为大于1的正整数，所述接收端还设置有支持2：N端口的光开关，用于允许选择接入的发送端。

10.如权利要求3-9中任一项所述的TF-QKD系统，其中：

所述接收端还包括相位参考光源和第一波分复用器；

所述相位参考光源用于生成具有第二波长的第二相位参考光信号，且所述锁频参考光具有第一波长，所述第一波长不同于第二波长；

所述第一波分复用器被设置用于以保偏的方式将所述锁频参考光和第二相位参考光信号进行波分耦合，以使所述第一输出光包括所述锁频参考光和第二相位参考光信号的合束；

所述发送端还包括偏振一致性耦合模块，其被设置用于将所述第一输出光中的锁频参考光和第二相位参考光信号解复用，并将所述锁频参考光保偏地输出给所述锁频光源，以及以保偏的方式将所述量子光信号、第一相位参考光信号与第二相位参考光信号进行波分耦合，以使所述第二输出光包括所述量子光信号、第一相位参考光信号和第二相位参考光信号的合束；

所述测量模块还包括波分复用器，其设置在所述雪崩探测器之前，用于将所述干涉信号中的第一波长成分和第二波长成分解复用，以便分别由不同的雪崩探测器进行探测。

11.如权利要求10所述的TF-QKD系统，其中，所述偏振一致性耦合模块包括两个保偏的波分复用器；

所述两个保偏的波分复用器中的一个被设置成将所述第一输出光中的锁频参考光和第二相位参考光信号解复用，并分别将所述锁频参考光和第二相位参考光信号保偏地输出给所述锁频光源和所述两个保偏的波分复用器中的另一个；

所述两个保偏的波分复用器中的另一个被设置成以保偏的方式将所述量子光信号、第一相位参考光信号与第二相位参考光信号进行波分耦合。

12.如权利要求10所述的TF-QKD系统，其中，所述接收端还包括慢速相位补偿模块，用于补偿所述第二输出光中的量子光信号和第二相位参考光信号之间的相位扰动。

13.一种TF-QKD方法，其包括以下步骤：

由接收端向发送端发送第一输出光，所述第一输出光包括锁频参考光；

在所述发送端中，基于所述锁频参考光以锁频的方式生成光信号，并在所述光信号上进行调制以生成第二输出光，所述第二输出光以时分复用的方式包含有量子光信号和第一相位参考光信号；

在所述接收端中，使来自不同发送端的第二输出光发生干涉以生成干涉信号，其中，所述干涉信号以时分复用的方式包含有由所述量子光信号发生干涉生成的第一干涉信号，以及由所述第一相位参考光信号发生干涉生成的第二干涉信号；

在所述接收端中，利用雪崩探测器对所述干涉信号进行探测，其中，使所述雪崩探测器在第一死时间下探测所述第一干涉信号，而在第二死时间下探测所述第二干涉信号，所述第一死时间大于第二死时间；

在所述接收端中，根据所述第二干涉信号的探测数据计算TF-QKD系统中的相位扰动，并根据所述相位扰动提供相位补偿；以及，将所述第一干涉信号的探测数据发送给所述发送端。

14.如权利要求13所述的TF-QKD方法，其还包括以下步骤：

在所述接收端中，以保偏的方式将所述锁频参考光与具有第二波长的第二相位参考光信号进行波分耦合以形成所述第一输出光，其中所述锁频参考光具有第一波长，所述第一波长不同于第二波长；

在所述发送端中，以保偏的方式将所述第一输出光中的锁频参考光和第二相位参考光信号解复用，以及以保偏的方式将所述量子光信号、第一相位参考光信号与第二相位参考光信号波分耦合，形成所述第二输出光；以及，

在所述接收端中，将所述干涉信号中的第一波长成分和第二波长成分解复用，以分别由不同的雪崩探测器进行探测。

15.如权利要求13所述的TF-QKD方法，其还包括以下步骤：

在所述发送端对所述第一输出光进行偏振补偿并保偏输出；以及/或者，

在所述接收端对所述第二输出光进行偏振补偿并保偏输出。

16.如权利要求14所述的TF-QKD方法，其还包括以下步骤：

在所述接收端中，对来自不同发送端的第二输出光中的量子光信号之间的相位扰动进行快速补偿；以及/或者，

在所述接收端中，对所述第二输出光中的量子光信号和第二相位参考光信号之间的相位扰动进行慢速补偿。

17.如权利要求13-16中任一项所述的TF-QKD方法，其借助如权利要求3-12中任一项所述的TF-QKD系统来实现。

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