CN117375833A - 一种基于芯片光梳的发送端全片上tf-qkd系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于芯片光梳的发送端全片上TF‑QKD系统，涉及微波光子学片上集成和量子通信领域，片上电学单元进行射频频率参考锁定，用具有高稳定性的射频信号锁定芯片光梳，使其输出与射频信号相同稳定度的高稳定性的光频信号输出；片上光学单元通过采用芯片光梳作为光源，利用射频作为频率锁定的参考，实现多信道的量子通信；Charlie端控制Alice端和Bob端传输的信号具有相同偏振，通过合束干涉后再分别进行探测。不需要额外信道传输进入发送端，在离线的情形下亦可提供频率参考，保证片上在离线情形下接收射频参考，转换到光频，使输出的光学频率得到有效操控，确保TF‑QKD的顺利实施，实现全片上集成的同时消除光源相对频率偏差的影响。
Description
技术领域
本申请涉及微波光子学片上集成和量子通信领域，尤其涉及一种基于芯片光梳的发送端全片上TF-QKD系统。
背景技术
量子密钥分发(QKD)是基于量子不可克隆定理，将随机密钥编码成非正交量子态在授权用户间传输，任何非授权第三方企图窃密钥的行为会引起严重的无码，在授权用户的信息校验过程中被发现，从而保证通信双方信息通过理论安全的方式共享一段相同随机密钥。在过几十年里，一系列新的QKD理论协议以及实验技术、手段相继被陆续提出，用来提升QKD系统的安全传输距离。尤为重要的是2018年东芝欧研所M. Lucamarini团队提出的双场量子密钥分发(TF-QKD)协议，相比于传统QKD协议，TF-QKD将密钥率随信道透过率线性下降的关系提升至平方根尺度下降，从而极大提升了无中继QKD的传输距离以及在远距离下的成码率，使QKD的安全传输距离得到了革命性的提升。
在追求QKD传输距离的同时，面向实用化及产业化的片上集成QKD技术也在迅速发展，片上集成系统能够极大降低QKD的系统规模及成本。因此芯片QKD对于量子通信的产业化发展具有重要的推动作用，尤其是目前被高度关注的TF-QKD，在所有QKD协议中最具信道损耗容忍度，同时兼具测量设备无关（MDI）安全性，是未来量子通信骨干网的完美解决方案，若能够将其实现全片上集成，对加速量子通信的产业化具有极其重要的现实意义，能够为未来构建天地一体化量子通信网络提供重要的技术支撑。
然而TF-QKD技术实施要求十分苛刻，需要精密操控两个远程独立激光器发送的双场相干性，独立激光器之间的相对频率偏差、长距离光纤链路抖动，都会引起双场的相干演化，从而降低双场的干涉对比度。通常数百公里光纤链路抖动引起的相位漂移速率在rad/ms水平，通过简单的时分或者波分复用编码方式，引入附加强相位参考光进行实时补偿或数据后处理补偿，即可将其消除。但要消除光源的相对频率快速漂移造成的快速相位抖动却极其困难。因此，为了控制独立光源发送双场的相干演化，现有的TF-QKD技术皆以光学频率作为参考，将两边光源输出频率锁定为一致，或经过复杂的后数据处理运算将相对频率偏差消除。这也导致需要消耗大量的资源来实现远程独立激光器输出的双场相干演化控制，系统不可避免地涉及到精密复杂的光源或探测设备，抑或是繁杂的网络拓扑，使得TF-QKD的片上集成极其困难，尤其是发送端的集成。由于现有的TF-QKD技术采用光学频率参考控制两边光源的相对频率，需要本地放置体积庞大、精密温控及高真空的超稳光学FP腔，或者是采用从外部输入的光信号，作为光源频率锁定的参考。显然采用超稳光学FP腔的光源频率稳定技术是无法实现片上集成的，外部提供的光信号参考又必须经过额外光纤信道进入发送端，额外光纤的使用同样使得外部输入光信号的光源相对频率控制技术无法实现片上集成。此外，通过数据后处理实现光源相对频率控制的技术不涉及到光学FP腔以及外部输入的光信号参考，但高计数率探测器件及复杂的后数据处理算法使得实验效率极低。因此，目前限制TF-QKD全片上的主要障碍是如何实现发送端全片上集成的情形下消除光源相对频率偏差的影响。
发明内容
现有的TF-QKD技术皆以光学频率作为参考，将两边光源输出频率锁定为一致，或经过复杂的后数据处理运算将相对频率偏差消除。这也导致需要消耗大量的资源来实现远程独立激光器输出的双场相干演化控制，系统不可避免地涉及到精密复杂的光源或探测设备，抑或是繁杂的网络拓扑，使得TF-QKD的片上集成极其困难，尤其是发送端的集成。考虑到目前TF-QKD发送端广泛采用的体积庞大、精密温控及高真空超稳光学FP腔，或者是从外部输入的光信号，作为光学频率参考，无法实现片上集成，限制TF-QKD全片上的集成。
本发明提供了一种发送端全片上的TF-QKD系统搭建方法，通过采用芯片光梳作为光源，利用射频作为频率锁定的参考。由于射频并不需要类似于光纤的额外信道传输进入发送端，在离线的情形下亦可提供频率参考，因此可以实现全片上集成的同时消除光源相对频率偏差的影响。光梳是连接射频和光频的转换器，芯片光梳的使用能够保证片上的同时在离线情形下接收射频参考，转换到光频，使输出的光学频率得到有效操控，确保TF-QKD的顺利实施。
一种基于芯片光梳的发送端全片上TF-QKD系统，包括：Alice端、Bob端和Charlie端；
所述Alice端和Bob端均包括：片上电学单元和片上光学单元；
所述片上电学单元用于进行射频频率参考锁定，将高稳定性的射频信号锁定芯片光梳，使其输出稳定的光频信号；
所述片上光学单元用于通过芯片光梳实现多信道的量子通信；
所述Charlie端用于控制Alice端和Bob端传输的信号具有相同偏振，通过合束干涉后再分别进行探测。
进一步地，所述片上电学单元包括：射频接收单元、误差提取单元、伺服控制单元；
通过所述射频接收单元接收高稳定性的射频信号作为芯片光梳锁定的频率参考；通过所述误差提取单元获取芯片光梳重频及零频与射频信号的相位误差；经过所述伺服控制单元实现芯片光梳的重频及零频锁定，使输出的光频梳齿具有和射频信号同等水平的稳定度。
进一步地，所述片上光学单元包括：芯片光梳、片上滤波器、片上强度及相位调制器、片上衰减器；
所述芯片光梳通过所述片上滤波器滤波，使得Alice端和Bob端选定同一频率的光信号作为TF-QKD的光源，光源信号经所述片上强度及相位调制器实现强度及相位编码，强度及相位编码后的信号经所述片上衰减器衰减至单光子水平后进入通信信道。
进一步地，所述Charlie端包括：片上偏振控制及合束单元、单光子探测器一和单光子探测器二；
经过长距离的通信信道传输之后的信号到达所述片上偏振控制及合束单元进行偏振控制，经所述偏振控制使Alice端和Bob端到达的信号保持相同偏振，合束干涉后分别被单光子探测器一和单光子探测器二探测。
进一步地，所述片上光学单元包括：芯片光梳、片上滤波器、片上密集波分复用器一、片上密集波分复用器二、多个片上强度及相位调制器、多个片上衰减器；
所述芯片光梳通过所述片上滤波器滤波，使得Alice端和Bob端选定同一频率的光信号作为TF-QKD的光源，通过所述片上密集波分复用器一分为多路光信号，每路光信号经所述片上强度及相位调制器实现TF-QKD的强度及相位编码，然后经所述片上衰减器衰减至单光子水平，利用所述片上密集波分复用器二将多路光信号合束，进入通信信道送到Charlie端。
进一步地，所述片上密集波分复用器一选择N个波长信道作为光源，每个信道间隔相同频率。
进一步地，所述Charlie端包括：片上偏振控制及合束单元、多信道波分复用器三、多信道波分复用器四和两组单光子探测器，每组单光子探测器均包括N个单光子探测器；
经过长距离的通信信道传输之后的信号到达所述片上偏振控制及合束单元进行偏振控制，经所述偏振控制使Alice端和Bob端到达的信号保持相同偏振，合束干涉后分别经多信道波分复用器三、多信道波分复用器四将N个信道的信号分离开，其中，第i个信道由单光子探测器i与单光子探测器N+i探测，根据两个单光子探测器的测量结果进行数据后处理，1≤i≤N。
相比于现有技术，本发明具有如下有益技术效果：
1. 本发明提供了一种发送端全片上的TF-QKD实施方法，
其中通过采用芯片光梳作为光源，利用射频作为频率锁定的参考。
2. 还提供了一种发送端全片上的多信道高维TF-QKD系统搭建方法，通过芯片光梳中多个梳齿频率实现多信道的量子通信，实现了单台设备多信道量子密钥分发。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的发送端全片上的TF-QKD系统结构示意图；
图2为本发明的发送端全片上的多信道高维TF-QKD系统结构示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本发明的具体实施例附图中，为了更好、更清楚的描述系统中的各元件的工作原理，表现所述装置中各部分的连接关系，只是明显区分了各元件之间的相对位置关系，并不能构成对元件或结构内的信号传输方向、连接顺序及各部分结构大小、尺寸、形状的限定。
本发明提供了一种发送端全片上的TF-QKD系统，采用芯片光梳作为光源，基于离线的高稳定性的射频信号作为频率参考，利用低噪声锁定技术，实现高稳定性的射频作为频率参考，使芯片光梳输出稳定的光学频率，从而确保发送端TF-QKD全片上集成的情形下消除光源相对频率偏差的影响。
通常高性能原子钟输出的高稳定性的射频信号稳定度优于1E-12，为对于通信波段的激光，其输出频率大约在200 THz（2E14 Hz），频率稳定度1E-12对应的频率变化为：
（1E-12） * 200 THz=200 Hz；
两台频率变化皆为200 Hz的激光源输出的相对频率偏差为：
；
对应的相对相位变化速率为：
；
这一变化速率远小于数百公里现场光纤波动引起的相位变化速率，可通过附加强相位参考光补偿光纤链路抖动的同时将其一并消除。
TF-QKD 协议同样涉及到三方通信，Alice和Bob是合法的通信方，Charlie为不可信的测量方。
如图1所示，为一种发送端全片上的TF-QKD系统示意图。Alice和Bob端均包含片上电学单元和片上光学单元。
在Alice和Bob端通过各自的片上电学单元进行射频频率参考锁定，将高稳定性的射频作为芯片光梳的频率参考使其输出定的光频信号。其中Alice和Bob端的片上电学单元分别包括射频接收单元、误差提取单元、伺服控制单元。
通过射频接收单元接收高稳定性的射频信号作为芯片光梳锁定的频率参考；通过误差提取单元获取芯片光梳重频及零频与射频信号的相位误差；经过伺服控制单元实现芯片光梳的重频及零频锁定，使输出的光频梳齿具有和高稳定性的射频信号同等水平的稳定度。
片上光学单元包括：芯片光梳、片上滤波器、片上强度及相位调制器、片上衰减器；
所述芯片光梳通过所述片上滤波器滤波，使得Alice端和Bob端选定同一频率的光信号作为TF-QKD的光源，光源信号经所述片上强度及相位调制器实现强度及相位编码，强度及相位编码后的信号经所述片上衰减器衰减至单光子水平后进入通信信道。
Charlie端包括：片上偏振控制及合束单元、单光子探测器一和单光子探测器二；经过长距离的通信信道传输之后的信号到达所述片上偏振控制及合束单元进行偏振控制，经所述偏振控制使Alice端和Bob端到达的信号保持相同偏振，合束干涉后分别被单光子探测器一和单光子探测器二探测。
本发明还提供了一种基于芯片光梳的发送端全片上的多信道高维TF-QKD系统，同样Alice和Bob是合法的通信方，Charlie为不可信的测量方。其系统结构示意图如图2所示，Alice 和 Bob端均包含片上电学单元和片上光学单元。其中Alice和Bob端的片上电学单元均包括射频接收单元、误差提取单元、伺服控制单元；Alice和Bob端的片上光学单元均包括芯片光梳、片上滤波器、片上密集波分复用器一、片上密集波分复用器二、片上强度及相位调制器、片上衰减器。
在Alice和Bob端通过各自的片上电学单元进行射频频率参考锁定，将高稳定性的射频作为芯片光梳的频率参考，使其输出稳定的光频信号。通过射频接收单元接收高稳定性的射频信号作为芯片光梳锁定的频率参考，并通过误差提取单元获取芯片光梳重频及零频与高稳定性的射频的相位误差、再经过伺服控制单元实现芯片光梳的重频及零频锁定，使其输出的光频梳齿具有和高稳定性的射频同等水平的稳定度。
锁定后的光学频率梳再通过片上滤波器（优选为窄带光学片上滤波器）滤波之后通过片上密集波分复用器一选择N个信道作为光源；例如选择5个波长信道，每个信道相隔100GHz，片上密集波分复用器一的通道间隔及个数亦可根据实际需求调整，如选择3个信道，每个信道相隔200GHz。
Alice和Bob端两边同一对应信道选定同一根梳齿作为TF-QKD的光源，经片上强度及相位调制器实现TF-QKD的强度及相位编码，然后经片上衰减器衰减至单光子水平，利用片上密集波分复用器二合束，进入通信信道并送到Charlie端。
Charlie端包括片上偏振控制及合束单元，经过长距离的通信信道传输之后的信号到达Charlie端的片上偏振控制及合束单元，先经过偏振控制，使两边到达的信号保持相同偏振，然后合束干涉，再经与发送端Alice和Bob相同的多信道波分复用器三、四将N个信道的信号分离开，其中，第i个信道由单光子探测器i与单光子探测器N+i探测，根据两个单光子探测器的测量结果进行数据后处理，1≤i≤N。
Charlie根据记录的参考脉冲干涉结果，解算出两边信道的相对相位变化，再在数据后处理过程中将其补偿，获取信号脉冲正确筛选角度范围内的响应结果并将其公布。最终Alice和Bob根据Charlie公布的筛选角度范围内信号脉冲的响应结果生成原始密钥，再经隐私放大、纠错等经典后处理过程获取最终的安全密钥。
本发明提供了一种发送端全片上的TF-QKD系统，通过采用芯片光梳作为光源，利用射频作为频率锁定的参考。
由于射频并不需要类似于光纤的额外信道传输进入发送端，在离线的情形下亦可提供频率参考，因此可以实现全片上集成的同时消除光源相对频率偏差的影响。高稳定的射频信号更易获取，对环境要求低，降低了系统的部署要求，更易集成。
芯片光梳的使用能够保证片上的同时在离线情形下接收射频参考，转换到光频，使输出的光学频率得到有效操控，确保TF-QKD的顺利实施。
芯片光梳结合技术成熟的片上集成相位调制器、强度调制器及片上衰减器，可将TF-QKD的发送端全部片上集成，极大降低了TF-QKD系统的规模与复杂度，以及实施成本，同时提高了系统的可靠性，推动TF-QKD的实用化及产业化。另外，在条件允许的情况下，也可兼容光频信号进行频率参考。
此外，光梳作为一把时间尺子，能够为TF-QKD系统提供时钟同步。另外可通过整合硬件和软件实现高性能、低成本、低功耗、高可靠性和更紧凑的设计，具有良好的互操作性和兼容性。由于芯片光梳成千上万的梳齿能够提供丰富的单频激光输出，有望实现高维的TF-QKD，可进一步提升TF-QKD的成码率和传输速率。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本申请实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者通过所述计算机可读存储介质进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如，固态硬盘(solid state disk，SSD))等。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种基于芯片光梳的发送端全片上TF-QKD系统，其特征在于，包括：Alice端、Bob端和Charlie端；
所述Alice端和Bob端均包括：片上电学单元和片上光学单元；
所述片上光学单元用于通过芯片光梳实现多信道的量子通信；
所述片上电学单元用于进行射频频率参考锁定，将高稳定性的射频信号锁定于芯片光梳，使芯片光梳输出稳定的光频信号；
所述Charlie端用于控制Alice端和Bob端传输的信号具有相同偏振，通过合束干涉后再分别进行探测。
2.根据权利要求1所述的发送端全片上TF-QKD系统，其特征在于，所述片上电学单元包括：射频接收单元、误差提取单元、伺服控制单元；
通过所述射频接收单元接收高稳定性的射频信号作为芯片光梳锁定的频率参考；通过所述误差提取单元获取芯片光梳重频及零频与射频信号的相位误差；经过所述伺服控制单元实现芯片光梳的重频及零频锁定，使输出的光频梳齿具有和射频信号同等水平的稳定度。
3.根据权利要求2所述的发送端全片上TF-QKD系统，其特征在于，所述片上光学单元包括：芯片光梳、片上滤波器、片上强度及相位调制器、片上衰减器；
所述芯片光梳通过所述片上滤波器滤波，使得Alice端和Bob端选定同一频率的光信号作为TF-QKD的光源，光源信号经所述片上强度及相位调制器实现强度及相位编码，强度及相位编码后的信号经所述片上衰减器衰减至单光子水平后进入通信信道。
4.根据权利要求3所述的发送端全片上TF-QKD系统，其特征在于，所述Charlie端包括：片上偏振控制及合束单元、单光子探测器一和单光子探测器二；
经过长距离的通信信道传输之后的信号到达所述片上偏振控制及合束单元进行偏振控制，经所述偏振控制使Alice端和Bob端到达的信号保持相同偏振，合束干涉后分别被单光子探测器一和单光子探测器二探测。
5.根据权利要求2所述的发送端全片上TF-QKD系统，其特征在于，所述片上光学单元包括：芯片光梳、片上滤波器、片上密集波分复用器一、片上密集波分复用器二、多个片上强度及相位调制器、多个片上衰减器；
所述芯片光梳通过所述片上滤波器滤波，使得Alice端和Bob端选定同一频率的光信号作为TF-QKD的光源，通过所述片上密集波分复用器一分为多路光信号，每路光信号经所述片上强度及相位调制器实现TF-QKD的强度及相位编码，然后经所述片上衰减器衰减至单光子水平，利用所述片上密集波分复用器二将多路光信号合束，进入通信信道送到Charlie端。
6.根据权利要求5所述的发送端全片上TF-QKD系统，其特征在于，所述片上密集波分复用器一选择N个波长信道作为光源，每个信道间隔相同频率。
7.根据权利要求5所述的发送端全片上TF-QKD系统，其特征在于，所述Charlie端包括：片上偏振控制及合束单元、多信道波分复用器三、多信道波分复用器四和两组单光子探测器，每组单光子探测器均包括N个单光子探测器；
经过长距离的通信信道传输之后的信号到达所述片上偏振控制及合束单元进行偏振控制，经所述偏振控制使Alice端和Bob端到达的信号保持相同偏振，合束干涉后分别经多信道波分复用器三、多信道波分复用器四将N个信道的信号分离开，其中，第i个信道由单光子探测器i与单光子探测器N+i探测，根据两个单光子探测器的测量结果进行数据后处理，1≤i≤N。
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