CN215420318U - 一种用于量子密钥分发的时间同步系统 - Google Patents

一种用于量子密钥分发的时间同步系统 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种用于量子密钥分发的时间同步系统，包括第一控制单元、第一通信单元、信号光发生器、同步光发生器和光波分复用、第二控制单元、第二通信单元、单光子探测器、同步光检测器和光波分解复用，其中：所述信号光发生器用于产生单光子信号，同步光发生器用于生成同步光和魔术字前导光，光波分复用设备把信号光与同步光复用到一根光纤上传输。实用新型采用一种相对时间同步的方法，Alice在同步光信道上发送魔术字前导光序列，延时一个固定的时间T或计数值，再发送单光子信号。Bob检测前导光序列，以检测到前导光序列为基点，延时与Alice端一样时间或计数值，开启单光子探测器，并开始位置号计数，随后连续探测单光子，并记录下单光子的位置号。

Description

一种用于量子密钥分发的时间同步系统
技术领域
本实用新型涉及量子信息处理与光同步系统领域，具体涉及一种用于量子密钥分发的时间同步系统。
背景技术
在量子密钥分发系统中，发送方Alice按照一定的工作频率发送信号光子，而接收方 Bob也必须按照相同的工作频率探测光子。Bob将正确探测到光子的位置号和测量基记录下来，通过经典网络发给Alice，Alice端负责基矢比对，检验Bob返回过来的测量基信息，在位置号一一对应的地方，与发送时量子比特的测量基是否一致。Alice通过经典网络，告诉Bob，哪些位置上的测量基是正确的。然后Alice与Bob双方进行下一步的误码率估计和密钥纠错、密性放大后处理。
这里有一个关键问题，就是用于基矢比对的Alice端与Bob端，测量基位置号必须一一对应，收发基矢比对才有意义。收发双方需要建立一个可靠的时间同步系统，保障Alice 与Bob基矢比对时比特对齐。
由于量子通信系统工作时的脉冲宽度很窄，在纳秒量级，这就决定了同步系统需要有高精度、高稳定性的特点。同步系统的稳定度不够，不但可能引入不必要的误码率，甚至有可能使整个系统完全错位而无法成码。
量子通信信道分为量子信道和经典信道，量子信道是光子传输量子态的路径，而经典信道是传统经典通信信息传递的通道。
传统的QKD采用绝对时间同步，比如GPS或北斗授时，Alice和Bob两端每比特信息都打上绝对时间信息，或标记为相对某个GPS时间起始点的计数。这种方式相对比较复杂，且不容易获得高精度的GPS或北斗信号。
因此，需要对现有技术进行改进提出一种成本低，同步精度高的量子密钥分发系统的时间同步系统。
实用新型内容
为了解决上述技术问题，提出了提出一种成本低，同步精度高的量子密钥分发系统的时间同步系统。
为实现上述目的，本实用新型采取的技术方案如下：一种用于量子密钥分发的时间同步系统，包括Alice端和Bob端，所述Alice端包括第一控制单元、第一通信单元、信号光发生器、同步光发生器和光波分复用；所述Bob端包含第二控制单元、第二通信单元、单光子探测器、同步光检测器、光波分解复用、倍频器和魔术字前导光检测器，其中：
所述第一控制单元控制所述信号光发生器用于产生单光子信号光；控制所述同步光发生器生成同步光和魔术字前导光；
所述新光子信号光、同步光和魔术字前导光输入到光波分复用设备中，所述光波分复用设备把信号光、同步光和魔术字前导光复用到一根光纤上传输；
所述第二控制单元控制所述单光子探测器探测信号光，控制同步光检测器检测同步光，控制所述魔术字前导光检测器检测魔术字前导光；
Alice端的同步光信号经同步光检测器光电转换后输入Bob端倍频器倍频得到Bob端接收数据的时钟，因此，Alice端与Bob端时钟边沿是对齐的，Alice端与Bob端时钟同源。
优选地，所述Alice端与Bob端时间同步的过程如下：
步骤1：Alice端的第一控制单元#1通过第一通信单元#1将时间同步命令通过经典信道发送给Bob端，Bob端接收到时间同步命令后，进入接收测试同步光状态；
步骤2：Alice端在量子信道上发送测试同步光，并验证Alice端与Bob端间的量子信道，此时Bob端处于检测测试同步光的状态：
若同步光检测器没有检测到测试同步光，则系统同步失败；
若同步光检测器检测到测试同步光，Bob端通过经典信道回复量子信道检测ok帧，此时 Alice端处于等待收到Bob量子信道检测帧状态；
步骤3：Alice端等待收到Bob量子信道检测帧过程如下：
若Alice端没有收到Bob端回复的量子信道检测ok帧，则系统同步失败；
若Alice端正确收到Bob端回复的量子信道检测ok帧，则在同步光信道上发送魔术字前导光，此时Bob处于检测魔术字前导光状态；
步骤4：Bob端检测魔术字前导光过程如下：
若Bob端的魔术字前导光检测器没有检测到魔术字前导光，则系统同步失败；
若Bob端的魔术字前导光检测器检测到魔术字前导光，则通过经典信道回复Alice端前导光检测成功帧，此时Alice端处于延时时间T状态：
步骤5：Alice端处于延时时间T状态过程如下：
若Alice端在延时时间T内没有收到Bob端前导光检测成功帧，则系统同步失败；
若Alice端在延时时间T内收到Bob端前导光检测成功帧，则系统同步成功，此时Alice 端开始发送单光子；
步骤6：Bob端在正确检测到魔术字前导光后，延时时间T，开始探测单光子。
优选地，所述同步光和信号光复用在一根光纤上传输，
优选地，所述同步光与信号光频率不同。
优选地，所述Alice端先发送X bit魔术字前导光，然后延时Y个同步光周期T后，发送第一个单光子。
优选地，所述Bob端接收到X bit魔术字后，延时时间T后，探测第一个光子。
优选地，所述同步光等于
Figure BDA0003134799990000031
信号光等于[K]MHz。
优选地，同步光与信号光同源，同步光由信号光n分频得到。
本实用新型有益的技术效果：本实用新型采用一种相对时间同步的方法，Alice在同步光信道上发送魔术字前导光序列，延时一个固定的时间T或计数值，再发送单光子信号。 Bob检测前导光序列，以检测到前导光序列为基点，延时与Alice端一样时间或计数值，开启单光子探测器，并开始位置号计数，随后连续探测单光子，并记录下单光子的位置号。
本方法不需要借助外部GPS或北斗对时，利用量子信道同步光，相对时间同步的方法，完成收发两端的时间同步，成本降低且可以达到较高的同步精度。
附图说明
图1为本实用新型的硬件原理框图；
图2为本实用新型基于魔术字前导光的系统时间同步流程图；
图3位本实用新型带魔术字前导光同步光帧格式定义图。
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，以下结合实施例对本实用新型进行进一步详细说明，但本实用新型要求保护的范围并不局限于下述具体实施例。
如图1-3所示，一种用于量子密钥分发的时间同步系统，包括Alice端和Bob端，所述Alice端包括第一控制单元、第一通信单元、信号光发生器、同步光发生器和光波分复用；所述Bob 端包含第二控制单元、第二通信单元、单光子探测器、同步光检测器、光波分解复用、倍频器和魔术字前导光检测器，其中：
所述第一控制单元控制所述信号光发生器用于产生单光子信号光；控制所述同步光发生器生成同步光和魔术字前导光；
所述新光子信号光、同步光和魔术字前导光输入到光波分复用设备中，所述光波分复用设备把信号光、同步光和魔术字前导光复用到一根光纤上传输；
所述第二控制单元控制所述单光子探测器探测信号光，控制同步光检测器检测同步光，控制所述魔术字前导光检测器检测魔术字前导光；
Alice端的同步光信号经同步光检测器光电转换后输入Bob端倍频器倍频得到Bob端接收数据的时钟，因此，Alice端与Bob端时钟边沿是对齐的，Alice端与Bob端时钟同源。
所述信号光发生器用于产生单光子信号，所述同步光发生器用于生成同步光和魔术字前导光。魔术字前导光是在发送连续同步光之前，先发送出来的一段有特征码的光脉冲序列，魔术字前导光脉冲序列相当于同步光脉冲序列的“帧头”，接收方通过“帧头”的检测判别，可以确定同步光的起始位置。
魔术字前导光检测器检测魔术字前导光的原理为：魔术字前导光检测器通过检测魔术字前导光脉冲序列中的光脉冲序列中的特征码，例如魔术字特征码序列为“1110010”，可通过FPGA状态机实现魔术字特征码序列检测，FPGA状态机检测特征码序列“1110010”的方法如下：
初始状态为S0，魔术字特征码检测器接收到一个“1”时，魔术字特征码检测器进入S1状态，如果在S1状态接收到“1”时，魔术字特征码检测器进入S2状态，如果在S2状态接收到“1”时，魔术字特征码检测器进入S3状态，如果在S3状态接收到“0”时，魔术字特征码检测器进入S4状态，如果在S4状态接收到“0”时，魔术字特征码检测器进入 S5状态，如果在S5状态接收到“1”时，魔术字特征码检测器进入S6状态，如果在S6状态接收到“0”时，魔术字特征码检测器进入S7状态，如果魔术字特征码检测器处于S7状态，则表示接收到了一个连续的特征码序列“1110010”，此结果表明已检测到魔术字前导光。
Alice端的第一控制单元通过第一通信单元将时间同步命令通过经典信道发送给Bob 端，Bob端的第二通信单元接收到时间同步命令后，将时间同步命令发送给第二控制单元，第二控制单元控制Bob进入接收测试同步光状态；
Alice端的第一控制单元控制同步光发生器产生测试同步光，测试同步光通过量子信道到达Bob端，Bob端的同步光检测器对接收到的同步光进行检测。
若一定时间内同步光检测器没有检测到测试同步光，则验证量子信道失败，系统同步失败；
若同步光检测器检测到测试同步光，Bob端的第二控制单元通过第二通信单元经过经典信道回复量子信道检测ok帧，此时Alice端处于等待收到Bob量子信道检测帧状态；
Alice端等待收到Bob量子信道检测帧状态如下：
若Alice端没有收到Bob端回复的量子信道检测帧，则系统同步失败；
若Alice端正确收到Bob端回复的量子信道检测帧，则第一控制单元控制同步光发生器在同步光信道上发送魔术字前导光，此时Bob端处于检测魔术字前导光状态；
Bob端检测魔术字前导光状态如下：
若如果Bob端的魔术字前导光检测器没有检测到魔术字前导光，则系统同步失败；
若Bob魔术字前导光检测器检测到魔术字前导光，则Bob端的第二控制单元通过第二通信单元经过经典信道回复Alice前导光检测成功帧，此时Alice处于延时时间T状态，具体的T的取值为：大于等于200毫秒，小于等于1000毫秒。
Alice端处于延时时间T状态过程如下：
若Alice端在延时时间T内没有收到Bob前导光检测成功帧，则系统同步失败；
若Alice在延时时间T内收到Bob前导光检测成功帧，则系统同步成功，此时Alice开始发送单光子；
Bob在正确检测到魔术字前导光后，同样延时时间T，开始探测单光子。
具体地，同步光和信号光复用在一根光纤上传输，且同步光与信号光频率不同。
所述Alice端先发送X bit魔术字前导光，然后Y个同步光周期T(持续时间T＝Y*t,T 预先设定，与前述延时时间T相等，同步光周期等于t)延时后，发送第一个单光子。
所述Bob端接收到X bit魔术字后，延时同样的时间T后，探测第一个光子，保障探测光子与发送光子的第一个比特对齐，进而保障收发双发位置号一一对应。
本实用新型同步光和信号光复用在一根光纤上传输，如果同步光设计成与信号光同频，比如，都是[K]MHz。同步光是强光，信号光是单光子信号，因此同步光会对信号光产生较大的影响，导致成码率低。本实用新型将同步光与信号光设计成不同频，降低同步光对信号光的干扰。同步光等于
Figure BDA0003134799990000061
信号光等于[K]MHz。同步光与信号光同源，同步光由信号光n分频得到。
本实用新型通过传输低频同步信号，减少同步光对信号光的影响。在接收端，通过倍频器的倍频方式产生和信号光频率一致的探测器门控信号。该同步系统在相同信号发光速率的情况下，大大降低同步光对信号光的影响，降低错误率，提升成码率。
由于Bob端接收数据的时钟是由Alice端的同步光信号，经同步光检测器光电转换后，由Bob倍频器倍频得到，可以认为收发两端的时钟边沿是对齐的，Alice端与Bob端时钟同源。采用本实用新型Alice和Bob系统时间同步比特对齐后，源同步方式保障数据接收采样不漂移，数据采样稳定，达到了高精度同步的目标。
根据上述说明书的揭示和教导，本实用新型所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本实用新型并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对实用新型的一些修改和变更也应当落入本实用新型的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对实用新型构成任何限制。

Claims (7)

1.一种用于量子密钥分发的时间同步系统，其特征在于，包括Alice端和Bob端，所述Alice端包括第一控制单元、第一通信单元、信号光发生器、同步光发生器和光波分复用；所述Bob端包含第二控制单元、第二通信单元、单光子探测器、同步光检测器、光波分解复用、倍频器和魔术字前导光检测器，其中：
所述第一控制单元分别与所述信号光发生器、同步光发生器以及通信单元连接，所述信号光发生器与同步光发生器产生的信号光与同步光分别输入到光波分复用上，所述光波分复用通过量子信道与光波分解复用通信，所述第一通信单元通过经典信道与第二通信单元通信；
所述光波分解复用中的信号光输入到单光子探测器，同步光输入到同步光检测器，所述同步光检测器通过倍频器又与所述单光子探测器连接，所述单光子探测器与通过电信号与第二控制单元连接，所述同步光检测器、魔术字前导光检测器与第二控制单元依次顺序连接，所述第二通信单元通过电信号与所述第二控制单元连接。
2.如权利要求1所述的一种用于量子密钥分发的时间同步系统，其特征在于，所述同步光和信号光复用在一根光纤上传输。
3.如权利要求2所述的一种用于量子密钥分发的时间同步系统，其特征在于，所述同步光与信号光频率不同。
4.如权利要求2所述的一种用于量子密钥分发的时间同步系统，其特征在于，所述Alice端先发送X bit魔术字前导光，然后延时Y个同步光周期T后，发送第一个单光子。
5.如权利要求4所述的一种用于量子密钥分发的时间同步系统，其特征在于，所述Bob端接收到X bit魔术字后，延时时间T后，探测第一个光子。
6.如权利要求2所述的一种用于量子密钥分发的时间同步系统，其特征在于，所述同步光等于
Figure FDA0003134799980000011
信号光等于K MHz。
7.如权利要求6所述的一种用于量子密钥分发的时间同步系统，其特征在于，同步光与信号光同源，同步光由信号光n分频得到。
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