CN116418496A - 单光子探测位置校准方法、探测器及量子密钥分发系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种单光子探测位置校准方法、探测器及量子密钥分发系统，根据设置的初始延时值和延时值变化的步进，下发对应延时值，获得探测计数，根据探测计数比较找到门控信号延时值‑探测计数曲线的特征点位置，通过调节延时值步进方向和延时值步进大小，使延时值不断逐渐逼近所述曲线的峰值位置，直至确定最佳延时值，完成校准；本发明可以减少量子通信网络中量子密钥分发系统的部署时间、异常恢复时间、信道切换时间，提高系统成码时间及成码率，利于量子密钥分发设备产品化及商用化。
Description
技术领域
本发明属于量子保密通信技术领域，具体涉及一种单光子探测位置校准方法、探测器及量子密钥分发系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
量子密钥分发(QKD)系统中，在初始化阶段需要校准单光子探测器的探测位置，完成对门控的雪崩单光子探测器的探测效率的优化。同时，在QKD系统运行中，监测系统出现异常时，也需进行单光子探测器的探测位置校准。
门控单光子探测器的门控信号经过可调延时的延时芯片，通过调节延时芯片的延时设置值从而移动探测器的门控信号，进行单光子探测位置的校准的核心就是找到合适的门控信号延时值，使得在该点采集的光子的探测计数的值为最大。
目前校准单光子探测位置的方案：通过逐点遍历扫描门控信号的延时芯片设置值(步进为延时芯片可以调节的最小步进，具体值与硬件电路设计和延时芯片器件选型相关)直到达到延时芯片的量程T(即延时芯片可调延时范围的最大值，具体值与硬件电路设计和延时芯片器件选型相关)，获得延时值-探测计数曲线并找到探测计数最大值，下发探测计数最大值时的延时值，这样使得到达探测器的光信号和延时后的门控信号很好地匹配，使得探测效率最大，该情况下的延时芯片的设置值为最优校准值。
现有方案通过逐个扫描门控信号的延时芯片延时设置值来获得单光子探测位置最优校准值，因下发延时值设置门控信号稳定需要时间，且探测计数累计需要时间，故逐个扫描延时芯片延时设置值存在扫描点较多会导致探测位置校准耗时长的问题。在设备初始化过程会导致设备启动时间较长，QKD系统组网时响应时间较长，尤其在需进行频繁光交换切换的应用场景。同时，在QKD系统出现异常时异常恢复时间较长，影响QKD系统性能和QKD网络的整体性能。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出一种单光子探测位置校准方法、探测器及量子密钥分发系统，本发明可以减少量子通信网络中量子密钥分发系统的部署时间、异常恢复时间、信道切换时间，提高系统成码时间及成码率，利于量子密钥分发设备产品化及商用化。
根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：
一种单光子探测位置校准方法，包括：
根据设置的初始延时值和延时值变化的步进，下发对应延时值，获得探测计数，根据探测计数比较找到门控信号延时值-探测计数曲线的特征点位置，通过调节延时值步进方向和延时值步进大小，使延时值不断逐渐逼近所述曲线的峰值位置，直至确定最佳延时值，完成校准。
作为可选择的实施方式，所述特征点位置，包括递增位置、递减位置、曲线波峰位置和曲线波谷位置中的至少一部分。
作为可选择的实施方式，初始延时值为可调延时范围的最大值T的一半。
作为可选择的实施方式，初始延时值变化的步进为2n，n的值根据可调延时范围进行确定。
作为可选择的实施方式，下发对应延时值时，同时下发多个相邻延时值。
作为可选择的实施方式，每次都下发三个延时值。
作为可选择的实施方式，根据探测计数比较找到门控信号延时值-探测计数曲线的特征点位置，调节延时值步进方向和延时值步进大小的具体过程包括：若下发的多个延时值得到的探测计数值单调递增或递减，保持当前延时值步进不变，调整步进方向为增加或减少，以上一轮次中位于中间位置处的延时值为起点，根据延时值步进及步进方向确定本轮的延时值。
作为进一步的限定，下发三个延时值，若是三个延时值得到的探测计数值单调递增，保持当前延时值步进不变，调整步进方向为增加，以上一轮次中位于中间位置处的延时值为起点，根据延时值步进及步进方向确定本轮的延时值；
若是三个延时值得到的探测计数值单调递减，保持当前延时值步进不变，调整步进方向为减少，以上一轮次第一个延时值与当前延时值步进的差值为起点，根据延时值步进及步进方向确定本轮的延时值。
作为可选择的实施方式，若下发的多个延时值得到的探测计数值，位于中间的延时值对应得到的探测计数值最大，且该探测计数值大于设定阈值，则延时值步进减半，以位于中间位置处的延时值与最新的步进的差值为起点，根据更新后的延时值步进及步进方向确定本轮的延时值。
作为可选择的实施方式，若下发的多个延时值得到的探测计数值，位于中间的延时值对应得到的探测计数值最大，且该探测计数值小于设定阈值，则延时值步进不变，以探测计数值最大对应的延时值加上可调延时范围的最大值的一半的值为起点，确定本轮的延时值。
作为可选择的实施方式，若下发的多个延时值得到的探测计数值，位于中间的延时值对应得到的探测计数值最小，则延时值步进不变，以探测计数值最小对应的延时值加上可调延时范围的最大值的一半的值为起点，确定本轮的延时值。
作为可选择的实施方式，直至确定最佳延时值的标准为延时值步进为可以调节的最小步进，延时值为门控信号延时值-探测计数曲线的峰值点。
作为可选择的实施方式，若确定的延时值超过了[0，可调延时范围的最大值T]，在确定值的基础上，增加或减少可调延时范围的最大值，得到最终的计算值。
一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行上述方法的步骤。
一种终端设备，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行上述方法的步骤。
一种门控型探测器，在倍频模块和放大模块之间设置有延时模块，利用上述方法调整延时模块的延时位置，确定与输入光脉冲信号匹配的最佳位置的门控信号延时位置。
一种量子密钥分发系统，包括发送端和接收端，所述接收端包括门控型探测器，门控型探测器的倍频模块和放大模块之间设置有延时模块；
发送端用于产生延时扫描测试光；
接收端用于进行延时扫描，通过检测门控型探测器的探测计数，利用上述方法控制门控信号的延时位置，使门控型探测器的探测计数达到最大。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明在不改变现有系统硬件及固件接口的情况下，仅通过优化软件算法的方法来减少单光子探测位置校准的时间，提高QKD系统及QKD网络的性能及使用体验。无需改动硬件降低成本，无需改变固件接口提高兼容性。
本发明在系统运行过程中引入快速延时扫描方案，通过校准延时模块中的移相器调整门控信号的延时位置，快速找到与输入光脉冲信号匹配的最佳位置的门控信号延时位置。
本发明在量子密钥分发系统运行过程中引入的快速延时扫描方案为，将遍历法延时扫描修改成快速扫描逐步逼近最优值，可克服探测器底噪的影响。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明至少一个实施例的门控型单光子探测器组成结构图；
图2为本发明至少一个实施例的量子分发系统延时扫描控制示意图；
图3为本发明至少一个实施例的扫描门控信号延时值-探测计数曲线。
图4为本发明至少一个实施例的快速延时扫描的流程示意图；
图5为本发明至少一个实施例的延时值的步进和方向判断的流程示意图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
一种快速校准单光子探测位置的校准方法，根据门控信号延时值-探测计数曲线确定快速单光子探测位置的校准。
具体过程包括：根据初始的延时值和延时值变化的步进下发延时值获得探测计数，通过探测计数比较找到所处曲线的位置(递增位置、递减位置、曲线波峰位置、曲线波谷位置)，通过调节延时值步进方向和延时值步进大小不断逐渐逼近曲线的峰值位置，从而完成校准功能。
其中，门控信号延时值-探测计数曲线是如图3所示，为单调递增/递减单峰的曲线(下图仅是举例说明，具体探测计数和延时值区间根据具体设计确定)，在实际系统，由于探测器的暗计数存在，在曲线的底部会有一些噪声(例如图3中延时值33的位置，探测计数有底噪导致的曲线上的一个小峰)。
下面以同时发送三个延时值为例进行详细说明。当然，需要注意的是，在其他实施例中，可以同时下发其他数量的延时值。
如图4所示，先设定一个初始的延时值t0(为延时芯片可调延时范围的最大值T的一半：T/2)和一个延时调节步进Δ(△＝2n，n的值根据延时芯片可调延时范围的最大值来确定。若延时芯片可调延时范围的最大值为64，n设置为2)，延时调节步进方向为增加，阈值N(N为克服探测器底噪对算法的干扰的一个预设值，为探测器的暗计数2～3倍左右)。初始下发的三个延时值为t0、t1＝t0+Δ、t2＝t0+2*Δ；
根据获得三个延时值对应的探测计数n0、n1、n2，对探测计数进行判断从而确定下一轮延时值t0、t1、t2，从而不停逼近门控信号延时值-探测计数曲线的峰值点。
如图5所示，具体判断如下:
A、若n0、n1、n2单调递增(n0＜n1＜n2)，则延时值步进Δ不变，步进方向为增加，以上一轮中间一个延时值(t1)作为本轮延时值的起点(t0)，根据延时值步进及步进方向确定本轮的三个延时值：
t0＝上一轮t1，
t1＝上一轮t2，
t2＝上一轮t2+Δ。
或者：
t0＝上一轮t1，
t1＝本轮t0+Δ，
t2＝本轮t0+2*Δ。
B、若n0、n1、n2单调递减(n0＞n1＞n2)，则延时值步进Δ不变，步进方向为减少，以上一轮第一个延时值(t0)减少一个延时值步进作为起点(t0-Δ)，根据步进及步进方向确定本轮的三个延时值：
t0＝上一轮t0-Δ，
t1＝上一轮t0，
t2＝上一轮t1。
或者：
t0＝上一轮t0-Δ，
t1＝本轮t0-Δ，
t2＝本轮t0-2*Δ。
C、若n1最大(n1＞n2且n1＞n0)
若n1＞N，则延时值步进Δ减半(Δ＝Δ/2)，以上一轮第二个延时值(t1)作为中间值，左右各减去一个延时步进值(t1-Δ,t1,t1+Δ)作为本轮的三个延时值t0、t1、t2：
t0＝上一轮t1-Δ，
t1＝上一轮t1，
t2＝上一轮t1+Δ。
若n1＜N，则以上一轮第二个延时值(t1)+T/2为起点，步进方向为递增，则延时值步进Δ不变，确定本轮三个延时值t0、t1、t2：
t0＝上一轮t1+T/2，
t1＝t0+Δ，
t2＝t0+2*Δ。
若n1最小(n1＜n2且n1＜n0)，则延时值步进Δ不变，以上一轮第二个延时值(t1)+T/2为起点，步进方向为增加，确定本轮三个延时值t0、t1、t2：
t0＝上一轮t1+T/2，
t1＝t0+Δ，
t2＝t0+2*Δ。
经过如上的判断，从而获得下一轮延时值t0、t1、t2，将延时值下发再去采集延时值对应的探测计数，若之前已经下发相应延时值，则不重复下发(注：因下发延时值再去获得探测计数会耗费时间，为节省时间，三个延时值不是全部下发去获得探测计数，而是下发之前轮没有下发的延时值，之前轮已下发的延时值不再重复下发，复用之前轮的延时值获得探测器计数)。
3)上述步骤2)如此反复，直到延时值步进Δ为延时芯片可以调节的最小步进，此时找到延时值即为最优值(即为门控信号延时值-探测计数曲线的峰值点)，从而完成单光子探测位置的校准。
以上延时值若在计算过程超出[0-T]的范围，可在其基础上通过增加T或较少T的计算来满足在[0-T]的范围。
应用在所有接收端为门控型探测器的量子密钥分发(QKD)系统中，如图2所示。上述系统在探测电路中设置有延时模块，如图1所示，并在系统运行过程中引入快速延时扫描方案，通过校准延时模块中的移相器调整门控信号的延时位置，快速找到与输入光脉冲信号匹配的最佳位置的门控信号延时位置。
系统运行过程中引入的延时扫描方案为，系统控制发送端产生延时扫描测试光，接收端通过检测门控单光子探测器的探测计数，自动调节控制门控信号的延时位置，使门控单光子探测器的探测计数达到最大、并锁定探测计数最大时对应的门控信号延时位置。
系统控制发送端产生延时扫描测试光，控制接收端进行延时扫描，通过检测门控单光子探测器的探测计数，控制门控信号的延时位置，使门控单光子探测器的探测计数达到最大。上述系统运行过程中引入的快速延时扫描方案为，将遍历法延时扫描修改成快速扫描逐步逼近最优值，同时可克服探测器底噪对该算法的影响。
本发明能够在不改变现有系统硬件及固件接口的情况下，仅通过优化软件算法的方法来减少单光子探测位置校准的时间，可以快速校准单光子探测位置，减少QKD系统的启动时间，提高QKD网络响应时间，减少异常处理时单光子探测位置校准时间从而提高成码率，提高QKD系统及QKD网络的性能及使用体验。无需改动硬件降低成本，无需改变固件接口提高兼容性。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (17)
1.一种单光子探测位置校准方法，其特征是：包括：
根据设置的初始延时值和延时值变化的步进，下发对应延时值，获得探测计数，根据探测计数比较找到门控信号延时值-探测计数曲线的特征点位置，通过调节延时值步进方向和延时值步进大小，使延时值不断逐渐逼近所述曲线的峰值位置，直至确定最佳延时值，完成校准。
2.如权利要求1所述的一种单光子探测位置校准方法，其特征是：所述特征点位置，包括递增位置、递减位置、曲线波峰位置和曲线波谷位置中的至少一部分。
3.如权利要求1所述的一种单光子探测位置校准方法，其特征是：初始延时值为可调延时范围的最大值T的一半。
4.如权利要求1所述的一种单光子探测位置校准方法，其特征是：初始延时值变化的步进为2n，n的值根据可调延时范围进行确定。
5.如权利要求1所述的一种单光子探测位置校准方法，其特征是：下发对应延时值时，同时下发多个相邻延时值。
6.如权利要求1或5所述的一种单光子探测位置校准方法，其特征是：每次都下发三个延时值。
7.如权利要求1所述的一种单光子探测位置校准方法，其特征是：根据探测计数比较找到门控信号延时值-探测计数曲线的特征点位置，调节延时值步进方向和延时值步进大小的具体过程包括：若下发的多个延时值得到的探测计数值单调递增或递减，保持当前延时值步进不变，调整步进方向为增加或减少，以上一轮次中位于中间位置处的延时值为起点，根据延时值步进及步进方向确定本轮的延时值。
8.如权利要求6所述的一种单光子探测位置校准方法，其特征是：下发三个延时值，若是三个延时值得到的探测计数值单调递增，保持当前延时值步进不变，调整步进方向为增加，以上一轮次中位于中间位置处的延时值为起点，根据延时值步进及步进方向确定本轮的延时值；
若是三个延时值得到的探测计数值单调递减，保持当前延时值步进不变，调整步进方向为减少，以上一轮次第一个延时值与当前延时值步进的差值为起点，根据延时值步进及步进方向确定本轮的延时值。
9.如权利要求1-8中任一项所述的一种单光子探测位置校准方法，其特征是：若下发的多个延时值得到的探测计数值，位于中间的延时值对应得到的探测计数值最大，且该探测计数值大于设定阈值，则延时值步进减半，以位于中间位置处的延时值与最新的步进的差值为起点，根据更新后的延时值步进及步进方向确定本轮的延时值。
10.如权利要求1-8中任一项所述的一种单光子探测位置校准方法，其特征是：若下发的多个延时值得到的探测计数值，位于中间的延时值对应得到的探测计数值最大，且该探测计数值小于设定阈值，则延时值步进不变，以探测计数值最大对应的延时值加上可调延时范围的最大值的一半的值为起点，确定本轮的延时值。
11.如权利要求1-8中任一项所述的一种单光子探测位置校准方法，其特征是：若下发的多个延时值得到的探测计数值，位于中间的延时值对应得到的探测计数值最小，则延时值步进不变，以探测计数值最小对应的延时值加上可调延时范围的最大值的一半的值为起点，确定本轮的延时值。
12.如权利要求1-8中任一项所述的一种单光子探测位置校准方法，其特征是：直至确定最佳延时值的标准为延时值步进为可以调节的最小步进，延时值为门控信号延时值-探测计数曲线的峰值点。
13.如权利要求1-8中任一项所述的一种单光子探测位置校准方法，其特征是：若确定的延时值超过了[0，可调延时范围的最大值T]，在确定值的基础上，增加或减少可调延时范围的最大值，得到最终的计算值。
14.一种计算机可读存储介质，其特征是：其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行权利要求1-13中任一项所述的方法的步骤。
15.一种终端设备，其特征是：包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并权利要求1-13中任一项所述的方法的步骤。
16.一种门控型探测器，在倍频模块和放大模块之间设置有延时模块，其特征是：利用权利要求1-13中任一项所述的方法调整延时模块的延时位置，确定与输入光脉冲信号匹配的最佳位置的门控信号延时位置。
17.一种量子密钥分发系统，包括发送端和接收端，所述接收端包括门控型探测器，门控型探测器的倍频模块和放大模块之间设置有延时模块；
发送端用于产生延时扫描测试光；
其特征是：接收端用于进行延时扫描，通过检测门控型探测器的探测计数，利用权利要求1-13中任一项所述的方法控制门控信号的延时位置，使门控型探测器的探测计数达到最大。
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| CN202111677095.7A CN116418496A (zh) | 2021-12-31 | 2021-12-31 | 单光子探测位置校准方法、探测器及量子密钥分发系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116418496A true CN116418496A (zh) | 2023-07-11 |
Family
ID=87051894
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111677095.7A Pending CN116418496A (zh) | 2021-12-31 | 2021-12-31 | 单光子探测位置校准方法、探测器及量子密钥分发系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
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-
2021
- 2021-12-31 CN CN202111677095.7A patent/CN116418496A/zh active Pending
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