CN209030235U - 一种用于量子密钥分发系统的同步信号恢复系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于量子密钥分发系统的同步信号恢复系统，涉及量子通信技术领域，包括相互通信的A端和B端，A端包括A端可编程器件及与其构成控制回路的信号光激光器；B端包括B端可编程器件、延时芯片、时间位置转换芯片TDC和单光子探测器，B端可编程器件依次连接延时芯片和时间位置转换芯片TDC构成通信回路；A端可编程器件通过经典链路与B端可编程器件构成通信通道；A端的信号光激光器通过光纤与单光子探测器连接。本实用新型的有益效果是：1.消除同步光，降低了设计成本；2.有利于量子密钥生成率的提高；3.降低了设备功耗和布线难度；4.提高了设备可靠性。

Description

一种用于量子密钥分发系统的同步信号恢复系统

技术领域

本实用新型涉及量子通信技术领域，特别涉及一种用于量子密钥分发系统的同步信号恢复系统。

背景技术

当前的量子密钥分发（QKD）系统采用同步光和信号光在同一条光纤中进行传输的方案。即使用一个半导体激光器（Syn-Laser）周期性发出低频率的同步光，再使用另一个或几个半导体激光器（Sig-Laser）按照量子通信源端量子态编码的结果发出高频率的信号光（信号光的频率为同步光的整数倍）。同步光的光强很强，信号光的光强为单光子水平。两个光源产生的光信号经过光纤合束复用后，在同一根光纤中传播到对端的量子密钥生成设备进行量子密钥生成。其系统结构如图1所示：

图1是适用于普遍工程应用的方案。方案的实现方法主要有以下三种方式：

1. 同步光与信号光分别使用不同的波长，通过定义严格的量子帧格式，使两者在时间上错开。

2. 同步光与信号光分别使用不同的波长，通过滤波等方法保持两个信号之间的隔离度，不需要定义严格的量子帧格式来使两者在时间上错开。

3. 同步光与信号光使用相同的波长，通过定义严格的量子帧格式，使两者在时间上错开。

以方案1为例阐述普遍工程应用的方案：假定系统中A端（发送端）发出的同步光的频率为fsyn（相应周期为Tsyn）。A端发出的量子信号光的频率为fsig（相应周期为Tsig）。同步光和信号光经过光纤合束之后，进入一根光纤传输到B端（接收端）。其中同步光和信号光的关系如图2所示，相邻两个同步光之间的时间间隔为Tsyn。相邻两个量子信号光之间的时间间隔为Tsig。同步光与其后对应的第一个信号光之间的时间差也为Tsig。

量子信号光和同步光经过光纤传输到B端的量子设备后，先将同步光和信号光进行分离。同步光经过延时电路展宽及电平转换后进入时间位置转换芯片(TDC)，作为量子信号光位置运算的信标（即量子帧同步信标）。信号光由于为单光子水平，在经过长距离光纤传输后，绝大多数信号都会丢失，且丢失的序号随机分布，剩余的能够到达B端设备的信号进入单光子探测器转换为电信号后，同样送到TDC芯片，运算出与同步光的相对位置关系，再进行下一步的密钥生成。在B端进入探测器的信号光与同步光的关系如图3所示。

图3中由于传输过程中大量量子信号光的丢失，导致很多位置的信号光并未接收到，无法参与成码。但任意信号光与相应同步光的时间间隔必定都是Tsig的整数倍。

因此，现有技术存在的主要缺点为：

1.同步光和信号光的产生各需要一个半导体激光器，增加了硬件设计成本、设备功耗和设备复杂度，降低设备的可靠性。

2.同步光的光强很强，易对其邻近位置的信号光造成干扰，因此需要设置无光区滤除受到同步光干扰的信号光，相应代价是降低了量子密钥的成码率。

要解决的技术问题：

1.去除同步光激光器之后，B端设备无法标记收到的信号光属于哪一个量子通信帧（即同步光队列和相对位置）。不解决这个问题，难于进行普遍适用的量子密钥生成。

2. 消除同步光能够提高通过线路静默侦听发现量子通信链路，从而进行模式制式分析以及后续协议分析、量子攻击的难度，更有利于保障实际量子密钥分发系统的安全性。

实用新型内容

为了实现上述实用新型目的，针对在传统量子通信方案中消除同步光的问题，本实用新型提供一种用于量子密钥分发系统的同步信号恢复系统。

其技术方案为，包括相互通信的A端和B端，A端包括A端可编程器件及与其构成控制回路的信号光激光器；

B端包括B端可编程器件、延时芯片、时间位置转换芯片TDC和单光子探测器，B端可编程器件依次连接延时芯片和时间位置转换芯片TDC构成通信回路；

所述A端可编程器件通过经典链路与B端可编程器件构成通信通道；

所述A端的信号光激光器通过光纤与单光子探测器连接，所述单光子探测器分别与所述时间位置转换芯片TDC和B端可编程器件连接，向二者发送探测器信号。

优选为，所述B端可编程器件包括频率同步逻辑模块、延时锁相环DLL、锁相环PLL和同步信号逻辑模块；

频率同步逻辑模块与A端可编程器件通过经典链路构成通信通道；频率同步逻辑模块连接延时锁相环DLL及锁相环PLL构成控制通路，延时锁相环DLL和锁相环PLL之间设置相互通信的反馈链路；

所述锁相环PLL与同步信号逻辑模块构成通信通道；

同步信号逻辑模块与延时芯片构成控制和数据通路，同步信号逻辑模块将同步信号及延时芯片控制信号发送给所述延时芯片；

延时芯片与所述时间位置转换芯片TDC连接，构成数据通路，延时芯片将调相后的同步信号传输给所述时间位置转换芯片TDC；所述时间位置转换芯片TDC与同步信号逻辑模块连接构成反馈回路，时间位置转换芯片TDC与将信息反馈给所述同步信号逻辑模块。

本实用新型提供的技术方案带来的有益效果是：1.消除同步光，降低了设计成本；2.有利于量子密钥生成率的提高；3.降低了设备功耗和布线难度；4.提高了设备可靠性；5.提高了密钥生成的安全性。

附图说明

图1为本实用新型背景技术的当前量子密钥分发系统结构。

图2为本实用新型背景技术的A端同步光与信号光的关系示意图。

图3为本实用新型背景技术的B端同步光和信号光的关系示意图。

图4为本实用新型实施例的同步信号恢复子系统结构。

图5为本实用新型实施例的第一训练阶段信号光统计示意图。

图6为本实用新型实施例的B端TDC芯片给出的信号光与同步信号之间的位置关系。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。当然，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例1

参见图1至图6，本实用新型提供一种用于量子密钥分发系统的同步信号恢复系统，包括相互通信的A端和B端，A端包括A端FPGA及与其构成控制回路的信号光激光器；B端FPGA依次连接延时芯片和时间位置转换芯片TDC；所述A端FPGA通过经典链路与B端FPGA构成通信通道，所述A端的信号光激光器通过通信光纤连接单光子探测器，单光子探测器分别与所述时间位置转换芯片TDC和B端FPGA连接，向二者发送探测器信号；

B端FPGA包括与A端FPGA通过经典链路通信的频率同步逻辑模块，频率同步逻辑模块连接延时锁相环DLL及锁相环PLL构成控制通路，延时锁相环DLL和锁相环PLL设置相互通信的反馈链路，锁相环PLL与同步信号逻辑模块构成通信通道；同步信号逻辑模块将同步信号及延时芯片控制信号发送给所述延时芯片；延时芯片将调相后的同步信号传输给所述时间位置转换芯片TDC；时间位置转换芯片TDC将信息反馈给所述同步信号逻辑模块。

本方案的工作原理为：

A端设备生成的信号光与量子帧起点（即原同步信号位置）的位置关系是Tsig的整数倍， B端收到的信号光虽然典型值只有百分之一到千分之一量级，但任意收到的两个信号光之间的时间间隔也必定是Tsig的整数倍。因此去除同步光之后，可以根据收到的信号光来计算出每一个量子帧的起始位置（即原同步信号位置）。系统的结构框图如图4所示。

同步信号恢复的具体过程如下：

1. A端设备通过经典通道与B端设备进行协商，按照定义的量子帧格式，将要发送的同步信号频率fsyn、信号光频率fsig和信号光与其对应的同步信号之间的时间间隔tsyn通知B端，并约定2s（如果链路很长，可以适当延长时间）之后开始发送第一阶段训练数据。B端设备收到命令帧后，发送响应帧，并初始化延时芯片。A端设备收到响应帧后，计算出与B端设备之间的链路通信延时，然后算出最佳的信号发送时间。A端设备在训练阶段发送的信号光的频率为fsig。

2. B端收到A端发送的命令帧并给出响应帧之后，配置锁相环PLL生成与信号光频率相同的时钟，并等待2s的计数时间，然后对收到的信号光的个数Nsig进行统计，并在收到第一个信号光的时候开始利用TDC芯片统计相邻两个信号光的时间间隔。统计过程如图5所示。

图5中，第一个信号光与第二个信号光的时间间隔为t1，由于每个相邻信号光的时间间隔都是Tsig的整数倍，因此可以求得第一个信号光和第二个信号光之间的平均周期Tavg1为t1/3。同理，第二个信号光和第三个信号光之间的平均周期Tavg2为t2/2。第三个信号光和第四个信号光之间的平均周期Tavg3为t3/4，依次类推。FPGA对计算出的Tavg1，Tavg2，……，Tavgn进行累加得到值SUMavg，并统计个数Navg。统计足够量的数据后，即可求得均值Tavg。即Tavg=SUMavg/Navg。Tavg即为当前A端发出的信号光的实际周期。B端FPGA根据Tavg通过内部延时锁相环DLL调整锁相环PLL的反馈链路的相位即可完成与A端的频率同步。

3. B端设备完成频率同步后，通知A端进入第二同步阶段，然后使用频率同步后的时钟产生频率为fsyn的同步脉冲给TDC芯片。A端收到通知后，开始以频率fsyn发送信号光。A端发送的信号光与其内部的同步信号之间的距离如步骤1中通知的tsyn。B端的TDC芯片收到信号光脉冲后，会给出B端产生的同步电信号与收到的信号光电信号之间的第一个时间差Tb（如图6所示）。B端FPGA记录Tb，并继续统计第二个Tb，依次类推。统计到足够数量的Tb后，FPGA分析所有统计到的Tb，并与tsyn进行对比，即可算出B端产生的同步电信号与A端产生的同步信号之间的时间差td，即td=Tb-tsyn。B端调整延时芯片的延时值，减小或增大同步信号的发送延时，即可实现B端与A端同步信号的频率和位置同步，从而成功恢复出原同步信号来实现量子帧的标定。

进一步地，由于电子器件的稳定性会受环境影响而产生偏差，进入正常工作状态之后，B端可根据需要重新按照步骤2计算两端的频率偏差，然后调整锁相环PLL的相位，动态同步B端与A端的频率。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种用于量子密钥分发系统的同步信号恢复系统，包括相互通信的A端和B端，其特征在于，A端包括A端可编程器件及与其构成控制回路的信号光激光器；

B端包括B端可编程器件、延时芯片、时间位置转换芯片TDC和单光子探测器，B端可编程器件依次连接延时芯片和时间位置转换芯片TDC构成通信回路；

所述A端可编程器件通过经典链路与B端可编程器件构成通信通道；

所述A端的信号光激光器通过光纤与单光子探测器连接，所述单光子探测器分别与所述时间位置转换芯片TDC和B端可编程器件连接，向二者发送探测器信号。

2.根据权利要求1所述的用于量子密钥分发系统的同步信号恢复系统，其特征在于，所述B端可编程器件包括频率同步逻辑模块、延时锁相环DLL、锁相环PLL和同步信号逻辑模块；

频率同步逻辑模块与A端可编程器件通过经典链路构成通信通道；频率同步逻辑模块连接延时锁相环DLL及锁相环PLL构成控制通路，延时锁相环DLL和锁相环PLL之间设置相互通信的反馈链路；

所述锁相环PLL与同步信号逻辑模块构成通信通道；

同步信号逻辑模块与延时芯片构成控制和数据通路；

延时芯片与所述时间位置转换芯片TDC连接，构成数据通路；所述时间位置转换芯片TDC与同步信号逻辑模块连接构成反馈回路。