CN1943161B - 用于量子密钥分发的调制器定时 - Google Patents

Abstract

公开了用于为具有带有相应调制器(MA，MB)的QKD站(Alice，Bob)的QKD系统(100)建立调制器定时的方法。该定时方法包括：在两个QKD站之间交换非量子信号(P1，P2)，并通过以相对粗的定时间隔(ΔT1C，ΔT2C)和相对宽的(粗的)调制器电压信号(W1C，W2C)扫描调制器定时域来执行相应的粗定时调整。当在交换的非量子信号中产生调制时，通过观察单光子检测器(32a，32b)之间的检测器计数中的改变来建立粗定时(T1C，T2C)。该方法还包括：通过以相应的精细定时间隔(ΔT1R，ΔT2R)和相应的相对窄的调制器电压信号(W1R，W2R)扫描调制器定时域来执行精细定时调整，并再次观察交换的非量子信号的检测器计数中的改变。重复该操作直到对于两个调制器获得期望的最终调制器定时(T1F，T2F)和期望的最终激活信号宽度(W1F，W2F)。

Description

用于量子密钥分发的调制器定时

要求优先权

本申请要求于2004年3月2日提交的美国临时专利申请60/549,356的优先权。

技术领域

本发明涉及量子加密技术，更具体地说，涉及用于在量子密钥分发(QKD)系统中建立调制器的操作的定时的方法。

背景技术

量子密钥分发涉及通过使用在“量子信道”上发送的弱的(例如平均0.1光子(photon))光信号在发送者(“Alice”)和接收者(“Bob”)之间建立密钥。密钥分发的安全性是基于量子机制原理的：处于未知状态的量子系统的任意测量将修改其状态。结果，尝试截取或另外测量量子信号的窃听者(“Eve”)将在发送的信号中引入差错，因此显示其存在。

Bennett和Brassard在他们的文章“Quantum Cryptography：Public key distribution and coin tossing”Proceedings of theInternational Conference on Computers，Systems and SignalProcessing，Bangalore，India，1984，pp.175-179(IEEE，New York，1984)中首次阐述了量子加密技术的一般原理。在C.H.Bennett等发表的、题为“Experimental Quantum Cryptography，”J.Cryptology 5：3-28(1992)，以及C.H.Bennett的题为“Quantum Cryptography UsingAny Two Non-Orthogonal States”Phys.Rev.Lett.682121(1992)，以及Bennett的美国专利5,307,410(“‘410专利”)中描述了具体的QKD系统。在Bouwmeester等的书“The Physics of QuantumInformation”Springer-Verlag 2001的Section2.3，pages27-33中描述了用于执行QKD的一般处理。

Bennett的上述出版物以及专利描述了所谓的“单向”QKD系统，其中，Alice在系统的一端对单光子的偏振和相位随机编码，而Bob在系统的另一端随机测量该光子的偏振和相位。Bennett在1992年的文章中描述的单向系统是基于两个光纤Mach-Zehnder干涉仪的。Alice和Bob可访问干涉仪系统的各个部分，从而可控制干涉仪的相位。在传输期间，需要将干涉仪活动地稳定在量子信号波长部分中，以补偿热漂移。

Gisin的美国专利6,438,234(‘234专利)公开了一种所谓的“双向”QKD系统，其通过借助于干涉仪来回地发送脉冲而自动补偿偏振和热漂移。因此，‘234专利的双向QKD系统的光层比单向QKD系统更不容易受环境作用的影响。

诸如在‘410专利和‘234专利中描述的QKD系统的单向QKD系统和双向QKD系统通常被描述为操作在其理想操作状态，而没有描述如何达到理想状态。此外，自动补偿和活动稳定性指的是系统的光层，但没有应用于设置系统，或者结合诸如电子和定时系统的、不经常讨论QKD系统的所有其它方面在理想或接近理想的状态中操作系统。

发明内容

如下详述，本发明的第一方面是一种设置用于QKD系统的调制器的定时的方法。为了示例性而考虑双向QKD系统。对于双向QKD系统，该方法包括：为调制器中的一个(即Bob调制器)选择初始定时、初始调制电压和相对大的初始调制器电压信号宽度。该方法还包括：从Bob向Alice发送延迟的非量子脉冲，并接收回到Bob的光子，而不在Alice调制器MA处进行任何调制。该方法还包括：对将由Bob在Bob检测器处调制的脉冲进行计数。如果没有产生由Bob调制器进行的调制，则该方法包括：将调制器激活信号定时反复增加粗定时间隔，并观察检测器是否指示产生调制。当如由检测器之间的计数中的移位指示的那样产生调制时，将电压定时重置为产生检测器计数中的改变的时间。其后，将粗时间间隔再划分为精细时间间隔。减少调制器激活信号宽度，通过增加精细时间间隔来调整定时，以进一步窄化精确的激活信号定时。重复进行以下处理：反复重置定时；对先前的时间间隔进行再划分；其后将定时增加新的子间隔，直到将最终调制器电压定时T1F推导为期望的精度。可按照将调制器激活信号集中到将要调制的脉冲的到达的方向来最终调整激活信号定时。

一旦建立Bob定时，就固定Bob调制器电压，并将Alice调制器激活信号设置为提供选择调制。此外，将Alice的调制器信号宽度设置为相对大，并选择(新的)初始激活信号定时。关于对Alice调制器MA的调制器激活信号宽度进行定时和调整以建立最终定时的粗调整和精细调整，对Bob重复上述反复处理，对Alice基本相同。

在QKD系统为双向QKD系统的示例性实施例中，当脉冲中的一个进入Alice时以及当其离开Alice时，对其进行调制。这允许Alice调制器调制用于正交偏振的脉冲。由于相位调制器趋向于对偏振敏感，因此该方法用于减少由脉冲中的偏振改变引起的调制误差。

附图说明

图1是作为示例性QKD系统的双向QKD系统的示意图；

图2是在图1的QKD系统中为Bob调制器建立调制器定时的方法的示例性实施例的流程图；以及

图3是在图1的QKD系统中为Alice调制器建立调制器定时的方法的示例性实施例的流程图。

具体实施方式

本发明涉及量子加密技术，并具有关于量子加密技术的工业实用性，并关注用于在QKD系统中执行量子信号的调制的系统和方法。虽然本发明可应用于单向和双向系统中，但下面结合双向QKD系统讨论本发明。在以下的讨论中，“量子信号”或“量子脉冲”具有光子的平均数μ≤1，而“非量子信号”或“非量子脉冲”具有光子的平均数μ＞1。

双向QKD系统的理想操作

为了示例性的原因，结合双向QKD系统描述本发明。图1是包括两个QKD站(Alice和Bob)的双向QKD系统100的示意图。Bob包括发射光脉冲P0的激光器12。激光器12耦合到时间复用/解复用(M/D)光系统104。M/D光系统104从激光器12接收输入脉冲P0，并将每一脉冲划分为两个时间复用脉冲(“量子信号”)P1和P2。相似地，M/D光系统104从Alice接收时间复用脉冲对(以下讨论)并将它们组合(干涉)为单个脉冲。M/D光系统104包括耦合到M/D光系统104的相位调制器MB。光纤链路FL耦合到M/D光系统104，并将Bob连接到Alice。Bob还包括耦合到调制器MB的电压控制器44以及耦合到电压控制器的随机数生成器(RNG)单元46。

Bob还包括耦合到M/D光系统104的两个检测器32a和32b。Bob还包括操作性地耦合(例如电气地耦合)到激光器12、检测器32a和32b、电压控制器44和RNG单元46的控制器50。

Alice包括在一端耦合到光纤链路FL并在另一端耦合到Faraday镜FM的相位调制器MA。Alice还包括耦合到调制器MA的电压控制器14，以及耦合到电压控制器的随机数生成器(RNG)单元116。Alice还包括耦合到RNG 116和电压控制器14的控制器20。

Bob控制器50经由同步链路(信道)SL(光或电地)耦合到Alice控制器20以同步Alice和Bob的操作。具体地说，由在同步链路SL上交换同步信号SS的控制器20和50协调相位调制器MA和MB的操作。在示例性实施例中，从控制器20或控制器50控制包括本发明的调制器定时设置的整个QKD系统的操作。

双向QKD系统的理想化操作

在双向QKD系统100的操作的示例性实施例中，B0b控制器50将信号S0发送到激光器12，激光器12响应于此而发起相对强的、短的激光器脉冲P0。在示例性实施例中，由可变光衰减器VOA13B其后对脉冲P0进行衰减。脉冲P0到达M/D光系统104，M/D光系统104将脉冲划分为具有正交偏振的两个弱脉冲P1和P2。脉冲P1直接传到Alice，而P2被延迟。P1和P2中的一个(例如P2)被延迟并通过MB(此时仍旧禁用MB)，以及脉冲沿着光纤链路FL传输到Alice，其中，如所示的那样，一个脉冲在另一脉冲之后，例如脉冲P2在脉冲P1之后。

注意，在系统100的另一实施例中，脉冲P0和P1可以是相对较强的脉冲，由位于Alice的VOA 13A对其进行衰减，其中，对脉冲进行衰减，从而在它们返回Bob之前变为弱(量子)脉冲。

所述脉冲通过Alice调制器MA并由Faraday镜FM反射，所述Faraday镜将脉冲的偏振改变90°。在脉冲通过调制器MA传输返回时，Alice让脉冲P1通过其，而不进行调制，但是对第二脉冲P2的相位进行调制(即，将相移

施加给第二脉冲P2)。

此时，系统以非常类似单向系统的方式而运行，其中Alice调制量子脉冲并将其发送到Bob，Bob也调制信号并在检测器32a和32b中的一个中检测它。

如以下详述的那样，由在控制器20和50之间共享的同步信号SS提供用于Alice调制器MA的定时。由向RNG单元116提供良好定时的信号S1的控制器20执行在Alice处的调制，RNG单元116将表示随机数的信号S2提供给电压控制器14。响应于此，电压控制器14发送从一组基准信号(电压)(例如V[+3π/4]、V[-3π/4]、V[+π/4]以及V[-π/4])中随机选择的激活信号(电压)V2＝V_A。这样将调制器MA的相位设置为对应的基准相位(例如+3π/4、-3π/4、π/4或-π/4)中的一个。

其后，两个脉冲P1和P2传输回到Bob，其中，脉冲P2未改变地通过M/D光系统104，而脉冲P1被延迟并通过调制器MB，其中调制器MB将相移φ_B施加给脉冲P1。如下面更详细描述的那样，由在控制器20和控制器50之间共享的同步信号SS提供在Bob处的脉冲P1(或任意其它选择的脉冲)的调制的定时。由向RNG单元46提供良好定时的信号S3的控制器50进行调制，所述RNG单元46向电压控制器44提供表示随机数的信号S4。响应于此，电压控制器44发送从一组基准信号(电压)(例如v[+π/4]或v[-π/4])中随机选择的激活信号(电压)V1＝V_B。这样将调制器MB的相位设置为对应的基准相位值中的一个，例如+π/4或-π/4。

此外，当脉冲P1和脉冲P2进入M/D光系统104时，将脉冲P1延迟等于当脉冲从Bob离开时最初施加给脉冲P2的延迟量的相同量。其后，M/D光系统104对脉冲P1和P2进行干涉以创建干涉的脉冲(未示出)。

布置检测器32a和32b，从而由检测器32a检测相长干涉(φ_A-φ_B＝0)，而由检测器32b检测相消干涉(φ_A-φ_B＝π)。当Bob施加与Alice相同的基准相位时，检测器32a中的计数指示二进制的0，检测器32b中的计数指示二进制的1。然而，当Bob的基准相位不同于Alice时，不存在相关性，以相等概率在检测器32a或32b中处理计数(即在每一检测器中检测到干涉的脉冲的机会是50∶50)。

调制器定时设置

上面的描述针对理想化的QKD系统操作。然而，实际上，在理想状态下，QKD系统不会自动保持操作。此外，必须首先快速地设置可在商业上实现的系统来进行操作，其后，必须能够补偿其操作状态的改变，以确保正在进行的理想操作状态或接近于理想操作状态。

因此，在以上述理想化方式运行QKD系统之前，必须首先设置并校准系统以正确地操作。这包括校准调制器(相位或偏振)，从而实现正确的调制。

然而，为了校准QKD系统中的调制器，必须首先建立调制器的激活的正确的定时。具体地说，必须在需要被调制的量子脉冲通过特定调制器的精确时刻激活每一调制器。在尝试获得关于交换的密钥的信息的过程中，最小化激活调制器的时间量减少了确定调制器状态的窃听者的机会。

因此，本发明的示例性实施例包括设置调制器定时。对于每一调制器，该方法包括两个主要步骤：以相对宽的调制激活信号进行的粗定时调整；其后，以窄调制激活信号宽度进行的精细定时调整。

现将参照图1的QKD系统100和图2的流程图详细描述这些基本步骤。注意，在示例性实施例中，在调制器定时设置过程中，控制器20不是通过RNG单元16而是经由相应的校准信号SC1与相应的电压控制器14直接通信的，控制器50不是通过RNG单元46而是经由相应的校准信号SC2与相应的电压控制器44直接通信的。

Bob调制器的定时

在示例性实施例中，虽然也可首先建立Alice定时，但是，建立Bob调制器MB的定时。

参照图2的流程图200，在202，Bob控制器50在同步信道SL上将信号SS发送到控制器20以指示：如果Alice相位调制器没有关闭，则控制器20关闭Alice相位调制器。可用固定调制来替换地设置Alice调制器，但使其停止比较容易。在此意义上，Alice调制器被称为处于“固定的调制”，其包括当禁用调制器时没有调制的情况。

在204，其后，控制器50命令电压控制器44对调制器MB将激活信号(电压)V1＝V_B设置为诸如V_B[π]的相对大的调制值，以生成π相移。因为与每个脉冲需要更多(例如几千个)光子的其它调制设置相比，V_B[π]的电压设置允许每个脉冲使用较少的光子(例如几百个)，因此，V_B[π]的电压设置是优选的。这被转换为较快的扫描时间，并因此转换为较快的定时设置过程。因此，在示例性实施例中，即使用于密钥交换操作的特定基准可能不包括π的基准相位设置，但为了尽快设置调制器定时，也使用这样的相位设置，即非基准相位设置。

在206，控制器50还命令电压控制器44将调制器激活信号V1的宽度W1设置为与最终激活信号宽度相比相对较大，即50ns，而最终激活信号宽度通常在2ns到10ns的范围内。这个相对粗的宽度被称为W1C。在208，控制器50选择初始调制器电压时间T01，在T01，将时间激活信号V_B[π]应用于调制器MB。在示例性实施例中，T01＝0。

其后，在210，控制器50将信号S0发送到激光器12以按给定的重复率(例如1MHz)生成脉冲P0。脉冲P0不必是量子脉冲，并且可具有例如成百上千个光子。在示例性实施例中，脉冲P0为非量子脉冲，从而它们具有足够的光子以容易辨别在检测器32a和32b中检测的光信号。在此情况下，μ通常在1到10之间。

在212，在时间T01时以宽度W1C经由激活信号V1＝V_B[π]调制调制器MB，并测量在检测器32a和32b处的光子计数。如果调制器MB的定时不正确，则将不调制脉冲，在检测器32a处的光子计数将是高的，而在检测器32a处的光子计数将是低的，并大部分地从暗电流和其它伪效应中产生。

注意，在图1的系统100中，从脉冲P0中创建两个脉冲P1和P2。这些脉冲从Alice反射并返回Bob。在如上所述的系统100中，由检测器32a和32b测量沿着光纤链路FL在来回行程的端部在P1和P2之间的相对相位差。

在系统100中，由于来自MA和MB的相位调制是最终测量的脉冲之间的总的相对相位差，而不是任意特定脉冲的相位，因此可由Alice和Bob将其施加给P1，由Alice和Bob将其施加给P2，由Bob将其施加给P1，以及由Alice将其施加给P2，反之亦然。然而，必须预先由Alice和Bob同意特定相位调制方法，以将调制器电压幅度和电压脉冲定时为正确的水平。

在下述示例性实施例中，为了示例性原因而假设，由Alice和Bob调制脉冲P1。相移为每一调制器给出的总和，并将相移与未调制的脉冲P2的相位比较。因此，在调制器定时设置的示例性实施例中，通过Alice的脉冲P1的调制需要定时。如果将要调制的脉冲P1和P2，则本发明的定时设置方法以直接方式应用于该情况。例如，如果由B0b调制P1并由Alice调制P2，则需要将以V_B＝V_A＝V[π]的偏置相位电压形式的调制器激活信号提供给两个调制器以确保零相位差。

为了安全性的原因，Bob发出的脉冲P1和P2未被调制是重要的，因为这将向窃听者揭示Bob调制器状态的信息。当使用高的平均光子电平μ时，这是特别真实的，因为这样允许窃听者在没有检测的情况下在光纤链路FL上放置抽头。

在足够的采样间隔之后，这导致在出现外部噪声的情况下至少检测到十个或更多的非量子信号，此时记录每一检测器的光子计数(即“点击”数量)，在214，将(例如在电压信号的前面的边缘所测量的)脉冲定时T01增加定时间隔ΔT1。将ΔT1的值选择为稍微小于初始宽的激活信号V1＝V_B。例如，对于来自激光器12的1MHz重复率，按照1μs分离脉冲P0。即可将该间隔划分为25段以定义(粗)时间增量ΔT1＝40ns，可用50ns调制器脉冲宽度来覆盖其以保证交迭。

此外，在214，再次检查光子计数以查看是否产生调制。如果没有产生调制，则将T0增加另一ΔT1等，并重复212，重复214的光子计数检查。在示例性实施例中，对于T01+nΔT1来n次重复(迭代)步骤212至214，直到覆盖连续的非量子脉冲之间的整个定时间隔(即定时域)，其后建立产生检测器计数中的改变的定时间隔。在另一示例性实施例中，当检测到检测器计数中的改变时，停止迭代。

注意，通过将调制器激活信号V1设置为V_B[π]，如同在建立量子密钥中的正常QKD系统操作的情况一样，与将调制器激活信号V1设置为V_B[π/4]相比，当最终产生相位调制时，在检测器32a和32b处的光子计数中的移位是明显的。

对于双向QKD系统，该处理产生两个时间间隔，在这两个时间间隔期间，不是在检测器32a而是在检测器32b上检测光子。当在向Alice传输期间由调制器MB调制来自激光器12的光子时，产生一个这样的时间间隔，并且当光子从Alice传输返回通过调制器MB时产生一个间隔。如果改变光纤链路FL的长度从而增加来回行程传输时间，则输出脉冲将同时示出调制，同时返回脉冲将在与由于增加来回行程传输时间导致的延迟对应的时间产生调制。

可通过改变将光子脉冲P0发送到系统的速率而在不改变物理光纤的情况下产生相似的效果。由于光纤链路FL中存在多于一个的脉冲，因此这将导致在返回脉冲的位置的明显改变。因此，在215，将调制器MB设置为仅调制输入到Bob的脉冲并与改变位置的脉冲对应的粗定时T1C。

一旦光子计数从一个检测器移动到另一检测器从而标识输出(粗)激活信号定时T1C，则处理就进入216，其中，将激活信号定时实际地设置为T1C。然而，仅知道此时的调制定时在初始设置为例如50ns的相对较大值的定时间隔ΔT1内。

需要将相对较粗的调制激活信号宽度W1C减少为更合理的值W1R。理想地，激活信号V1＝V_B最后具有尽可能小的最终宽度W1F，从而仅对用于调制输入脉冲P1所需的最短时间量激活调制器MB。此外，最终激活信号宽度W1＝W1F需要足够小，从而接近于输入脉冲P1的输入脉冲P2(例如在几个纳秒之内)通过调制器MB而不被调制。

因此，在217，将激活信号宽度减少为例如W1R＝5ns。考虑物理带宽以及设置对调制器电压驱动器14的限制而选取该值。因此，在218，将定时间隔ΔT1划分为多个大小减少的间隔ΔT1R，例如(50ns)/(25)＝2ns。该间隔应该小于新减少的激活信号宽度W1R，以允许在扫描期间交迭。

其后，在222，使用减少的时间增量并基于关系式T1R＝T1+nΔT1R改变定时来重复212-218，直到确定T1R的真实值(减小的定时)在ΔT1R内(在此，ΔT1R＝2ns)。在224，将激活定时信号V1集中到下述间隔，在所述间隔，在检测器处的光子计数显示出用于指示由调制器MB进行的调制的改变。

如果需要，在226，以对应于较小的时间间隔的甚至进一步减小的激活定时信号T1R以及可选地较小的激活信号宽度W1R，重复217-224中的寻找调制激活定时T1和T1R、(可选地)窄化电压信号宽度W1为减小的宽度W1R、以及将时间间隔ΔT1再划分为更小的段ΔT1R的处理。重复该处理，直到建立用于调制器MB的调制器激活信号V1＝V_B的最终定时T1F为期望的精确度，例如大约2ns等，并且直到实现期望的最终激活信号宽度W1F，例如大约2ns等。

Alice调制器的定时

一旦建立Bob调制器MB的定时，就需要建立Alice调制的定时。

因此，继续参照图1，并还参照图3的流程图300，在302，以V1＝V_B[π]来设置Bob调制器电压。

在304，Alice控制器20将信号SC2发送到电压控制器14，以指示其将调制器激活(电压)信号V2＝V_A＝-V_B＝V_A[-π]发送到调制器MA。这用于将调制器MA的相位设置为(标称地)-π。在Alice调制器定时设置期间，以V1＝V_B[π]将Bob调制器MB保持不变。由于在Bob调制器激活信号V1＝V_B的情况下，将Alice调制器激活信号V_A设置为相对大的调制值，例如V2＝V_A[-π]，从而如果在调制器MA处产生调制，(标称地)为0的总相移基本上使所有调制的光子在检测器32a处被检测。如果在调制器MA处没有产生调制，则脉冲将具有在Bob由调制器MB施加的π相位，这样基本上导致所有调制的脉冲在检测器32b处被检测。

在306，如同Bob在206中那样，与最终信号宽度W2F(通常大约10ns)相比，控制器20还指令电压控制器44使调制器激活信号V2＝V_A[π]的宽度W2＝WTR相对大，即50ns。这个相对大的(粗的)宽度被称为W2C。

在308，如同Bob在208中那样，控制器20选择(新的)初始时间T02，在T02，将调制器激活信号V2＝V_A[-π]应用于调制器MA。

注意，在示例性实施例中，在进入和离开Alice的方向上对在Alice处将被调制的光脉冲进行调制。这要求激活信号宽度W2C足够宽，从而当脉冲通过调制器传输到Faraday镜并通过调制器返回时对其进行调制，并且要求所述宽度足够窄，从而不调制脉冲P1和P2。这种调制方法具有减少调制器对脉冲偏振中的改变的偏振灵敏度的优点。

其后，在310，如同Bob在210中那样，控制器50将信号S0发送到激光器12以按诸如1MHz的给定重复率来生成脉冲P0。

在312，如同Bob在212中那样，测量在检测器32a和32b处的光子计数。如果调制器MA的定时不正确，则将不在Alice处调制在返回Bob的方向上通过调制器的脉冲P2，并且在检测器32b处的光子计数将是高的，而在检测器32a处的光子计数将是低的并大部分是由于暗电流和其它伪效应引起的。

回到图1的系统100，从脉冲P0创建两个脉冲P1和P2。这些脉冲从Alice被反射，并返回Bob。在如上所述的系统100中，由Alice调制脉冲P1或脉冲P2，或由Bob调制脉冲P1或脉冲P2。因此，在用于Alice的调制器定时设置中，先前同意的脉冲P1或P2的调制需要被定时，并且需要在进入Alice的方向上和离开Alice的方向上对其进行调制。

与在Bob处的情况不同，公知的是，光子从调制器MA传输到Faraday镜FM并返回调制器MA的来回行程时间不会改变到任何可感知的程度。来回行程时间小于分割P1和P2的时间。以足够窄的调制器激活信号来驱动调制器MA，以观察光子检测器计数中的两个改变：一个改变与进入或离开P1的转变对应，第二改变与离开P2的转变对应。调制器激活信号V2具有足够的宽度来同时覆盖P1或P2的传输方向。

如果光子计数指示没有产生调制，则如同Bob在214中那样，在314，将初始电压信号定时T02增加ΔT2。例如通过得知脉冲P1和P2之间的时间间隔从而保证一次仅调制一个脉冲来选择ΔT2的值。在314，再次检查光子计数以查看是否产生调制。如果没有产生调制，则将T02增加另一ΔT2等，并重复检查光子计数。对于T2C＝T02+nΔT2重复该过程n次，直到覆盖连续脉冲之间的整个时间间隔(域)。其后，在316，将导致检测器计数中的改变的T2C的值设置为用于调制器MA的粗定时值。

回想之前的情况，在Bob处，调制器激活信号V1＝V_B仅覆盖脉冲P1或P2的一个传输方向。然而，在Alice中，调制器激活信号V2＝V_A覆盖脉冲的两个传输方向。因此，在Bob的情况下，小于大约50％的光子计数的改变将不会完全指示调制中的改变。另一方面，在Alice处的这种改变可良好地指示已经产生将要调制的脉冲的两个调制中的至少一个，并指示至少已经建立定时的粗略估计。

一旦在316建立用于调制器激活信号V2＝V_A[-π]的定时T2，则就如同Bob在217那样，在317将粗激活信号宽度W2C减少为较小的(减小的)大小W2R，以使得窃听者对调制器MA的探测更加困难。在示例性实施例中，对激活信号宽度W2C进一步减小，以形成减小的激活信号宽度W2R，并以较小的信号宽度重复步骤312-316。

其后，如同Bob在218那样，在318，将定时间隔ΔT2划分为较精细(减少)的子间隔ΔT2R，并在322重复步骤312-317。如果光子计数中产生的改变指示改变回到“未调制”状态，则在324，如同Bob在224那样，调整调制器电压定时T2R以移动窄化的电压信号，直到重新建立调制，并且优选的是，窄化的电压信号集中在脉冲P2上。其后，在326，重复步骤317-324(或318-324)，直到建立最终期望的激活信号定时T2F，以及最终期望的激活信号宽度W2F。在示例性实施例中，Alice的最终激活信号宽度W2F大约是Bob的激活信号W1F的5倍，例如W1F＝2ns及W2F＝10ns。

在示例性实施例中，通过包括具有用于执行上面讨论的并在对应的流程图中示出的定时方法的指令的控制器20和50中的软件来实现调制器定时设置。

还应当注意，如果光纤长度改变(例如与新的光纤链路FL连接，或光交换到新的光路)，或如果qbit更新率改变，则必须重复调制器定时设置处理。这样做的另一原因在于，对于商业上可行的QKD系统来说，具有这样的调制器定时设置过程是重要的。

本发明的优点在于，该方法的示例性实施例可采用非量子信号来校准调制器定时，从而能够在QKD系统的正常操作期间交换量子信号。

此外，如果在QKD系统的正常操作期间光子计数下降，则可周期性地执行本发明的方法，从而重新建立调制器定时，或者作为用于得知是否由于调制器定时而导致光子计数下降的诊断。调制器的周期重新定时有助于确保QKD系统在理想或接近理想条件下操作。

在前面的详细描述中，为了方便理解，将各种特征都一起聚合在各种示例性的实施例中。根据说明书，本发明的所述许多特征和优点都是显而易见的，因此，意欲由所附权利要求来覆盖所述装置的所有这些特征和优点，所述特征和优点都落入了本发明的实际精神和范围之内。另外，由于对于本领域的技术人员来说，很容易作出各种修改和改变，因此，本发明不打算被限定于这里描述的确切的构造、操作和示例性实施例。因此，其它实施例也是在所附权利要求的范围之内的。

Claims (13)

1.一种用于在量子密钥分发系统中建立用于第一调制器和第二调制器的定时的方法，包括：

将第二调制器设置为固定的调制；

在定时值的范围上增量式地扫描用于第一调制器的激活信号，以基于交换的非量子信号的检测器计数中的改变来确定第一调制器激活信号定时；

将第一调制器设置为固定的调制；以及

在定时值的范围上增量式地扫描用于第二调制器的激活信号，以基于交换的非量子信号的检测器计数中的改变来确定第二调制器激活信号定时。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述量子密钥分发系统是双向系统，以及所述第一调制器和第二调制器是相位调制器。

3.如权利要求2所述的方法，其中，所述第一调制器处于用于生成非量子信号的第一量子密钥分发站Bob中，所述第二调制器处于用于将非量子信号反射回到所述第一量子密钥分发站的反射量子密钥分发站Alice中，其中，所述方法还包括：

在与进入和离开所述第一量子密钥分发站的非量子信号关联的两个定时间隔之间进行辨别，以确保第一调制器仅对进入所述第一量子密钥分发站的非量子信号或量子信号进行调制。

4.如权利要求1所述的方法，其中，当交换的非量子信号经历调制的改变时，用于第一调制器和第二调制器的激活信号提供导致检测器计数中的最大改变的各个调制。

5.如权利要求1所述的方法，其中，用于第一调制器和第二调制器的激活信号提供不作为与建立量子密钥相关联的基准调制的各个调制。

6.如权利要求1所述的方法，其中，在第一检测器和第二检测器中产生检测器计数，其中所述第一检测器和第二检测器被布置成使得在第一检测器中检测相长干涉的非量子信号，而在第二检测器中检测相消干涉的非量子信号。

7.如权利要求1所述的方法，对于每一个调制器，包括：

建立粗定时间隔；

将粗定时间隔划分为多个子间隔；以及

增量式地扫描子间隔以建立更精确的调制器定时。

8.如权利要求7所述的方法，包括：减少用于每一个调制器的调制器激活信号的宽度。

9.一种用于通过交换非量子信号而在量子密钥分发系统中的两个调制器之间建立定时的方法，对于每一个调制器，该方法包括：

a)交换通过每一个调制器的非量子信号；

b)通过在可能的调制器定时的范围上增量式地扫描相对宽的调制器激活信号来执行粗定时调整，以建立粗定时值，所述粗定时值与由于非量子信号的调制的改变而检测到的非量子信号的数量的改变相对应；以及

c)通过在集中于步骤b)中所确定的粗定时值周围的定时间隔上增量式地扫描相对窄的调制器激活信号来执行精细定时调整，以建立精细定时值，所述精细定时值与由于非量子信号的调制的改变而检测到的非量子信号的数量的改变相对应。

10.如权利要求9所述的方法，其中，步骤c)中的定时间隔与步骤b)中的相对宽的激活信号的宽度相同。

11.一种在具有第一光学链接的量子密钥分发站和第二光学链接的量子密钥分发站的量子密钥分发系统中用于建立第一调制器激活信号V1和第二调制器激活信号V2的定时的方法，所述第一调制器激活信号V1和第二调制器激活信号V2分别用于第一量子密钥分发站Bob中的第一调制器MB和第二量子密钥分发站Alice中的第二调制器MA，该方法包括：

a)将第二调制器MA设置为固定的调制；

b)将第一激活信号V1设置为相对大的初始宽度W1C；

c)以关于初始定时T10的粗增量ΔT1来改变第一激活信号定时，以通过观察交换的非量子脉冲的检测器计数中的改变来建立第一激活信号的粗定时T1C；

d)将第一激活信号设置为减少的宽度W1R＜W1C；

e)通过关于粗定时T1C的减少的定时间隔ΔT1R＜ΔT1来改变第一激活信号定时，以通过观察交换的非量子脉冲的检测器计数中的改变来建立第一激活信号的精细定时T1F；

f)将第一调制器MB设置为固定的调制；

g)将第二激活信号V2设置为相对大的初始宽度W2C；

h)通过关于初始定时T20的粗定时间隔ΔT2来改变第二激活信号定时，以通过观察交换的非量子脉冲的检测器计数中的改变来建立第二激活信号的粗定时T2C；

i)将第二激活信号设置为减少的宽度W2R＜W2C；以及

j)以关于粗定时T2C的减少的定时增量ΔT2R＜ΔT2来改变第二激活信号定时，以通过观察交换的非量子脉冲的检测器计数中的改变来建立第二激活信号的精细定时T2F。

12.如权利要求11所述的方法，包括：当在交换的非量子脉冲中产生调制的改变时，设置第一调制器激活信号和第二调制器激活信号以使得检测器计数的最大改变。

13.如权利要求11所述的方法，其中，所述量子密钥分发系统是双向系统，其中第一量子密钥分发作为“Bob”，并且该方法还包括：

当交换量子脉冲以建立量子密钥时，在与进入和离开所述第一量子密钥分发站的脉冲相关联的定时间隔之间进行辨别，以确保在所述量子密钥分发系统的操作期间仅对正进入第一量子密钥分发站的量子脉冲进行调制。

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