[發明專利]量子通信系統的實時延時跟蹤裝置和方法

在審

• 申請號: 201410837187.0
• 申請日: 2014-12-24
• 公開（公告）號: CN104579640A
• 公開（公告）日: 2015-04-29
• 發明（設計）人: 陳杰;劉宏敏;曾和平
• 申請（專利權）人: 上海理工大學
• 主分類號: H04L9/08
• 分類號: H04L9/08
• 代理公司: 上海脫穎律師事務所 31259
• 代理人: 張群峰

技術領域

本發明涉及量子保密通信，具體而言是在量子保密通信系統中，針對單光子探測器中時鐘和信號存在的延遲漂移問題，用一種“短步長、長積分”的實時延遲跟蹤方法掃描定位最佳延時點，從而保證單光子探測器獲得最大的計數，確保量子密鑰成碼率。

背景技術

量子保密通信是近三十多年來迅速發展起來的一個熱門研究領域，是目前公認的能夠實現無條件安全的通信方式。量子密鑰分發技術自從1984年由Bennett.C.H和G.Brassard提出以后，得到了科學界的廣泛關注。如今許多國家都看好量子保密通信的前景，歐美等發達國家已經開始了高速量子通信和大規模保密通信網絡的探索，我國也將其列為重點科研項目進行研究。

量子保密通信系統的實施方案有很多種，包括偏振、相位、糾纏態方案等。在量子密鑰分發過程中，信息被加載到單光子上，利用其量子特性實現信息的傳遞，并通過后期的基比對等操作篩選出密碼。在整個密鑰產生的過程中，一個重要的環節就是對單光子的檢測，因為單光子的能量極低，僅為10-19J量級，因此在實用化的量子通信系統中需要使用超靈敏的單光子探測設備進行檢測，而且單光子探測器的性能好壞直接決定了量子通信系統中成碼率和誤碼率等核心參數的優劣。

就目前而言，量子通信系統中最常用到的單光子探測器件為基于InGaAs的雪崩光電二極管(APD)。當其工作在“蓋革模式”下時，只有當探測門脈沖出現的時間段內，APD才進入雪崩模式，實現對單光子的探測；而在沒有門脈沖時，APD工作在線性區內，不發生雪崩。這種模式可以有效的使APD淬滅，并且提升了探測器的信噪比。

基于這種工作模式，單光子探測器只在門脈沖的時間內響應入射光子，因此在進行系統設計時，必須確保門脈沖和單光子脈重合，才可獲得最佳的探測效率和成碼率。但是在實際情況下，門脈沖和單光子脈沖往往由不同的信道提供，由于環境溫度、機械振動等原因導致的光纖長度和折射率的變化，都會引起門脈沖和單光子脈沖的相對延遲發生漂移，這種漂移將直接導致計數率的下降(從而導致成碼率下降)，甚至使密鑰分發過程失敗。

目前，解決這一問題的常用方案是中斷通信，對門脈沖和單光子脈沖的相對延時重新進行掃描，以找到最佳的延時點。此方案弊端在于通信會被中斷，降低系統的工作效率。本發明提出了一種新的尋找最佳延時點的方案，克服了前述方案的缺點。

發明內容

本發明的目的是：提出實時延時跟蹤裝置和方法，其能夠實現不用中斷通信即可實時找到最佳延時點。

本發明建立了一套在量子密鑰分發中實時控制單光子探測器門脈沖延時的方案，利用環境變化通常為慢變過程的特點，對掃描過程采用“短步長，長積分”的方案，可以在不中斷通信的條件下對探測器門脈沖的延時進行掃描，尋找出最佳延時點，這種方式不僅可以使單光子探測器的計數值始終保持在較高的水平，并且具有實時跟蹤的特點。

本發明目的實現由以下技術方案完成：

在量子保密通信探測模塊中，利用FPGA控制延時芯片對單光子探測器門脈沖的相位延時進行“短步長”的掃描。因每一步延時改變很小，探測計數值的變化控制在很小的范圍內，對通信成碼影響十分微小。同時，由于單光子探測器的探測效率有一定范圍的波動，加上“短步長”的延時改變不易區分出探測計數的變化，因此本發明中還采用了“長積分”的計數方法，將較長時間內的光子計數值累積保存于FPGA中，用做反饋判斷。長時間的累積計數能有效減小噪聲抖動帶來的誤差，準確的區分出延時改變前后計數大小的改變。FPGA對前后兩次數據進行比較，按照相應的算法判斷延遲調節的方向，從而實現對最大計數值的實時跟蹤。

一種量子通信系統的實時延時跟蹤裝置，包括控制裝置、延時裝置和單光子探測器，其中，

控制裝置用于控制延時裝置產生一定步長的延時；

延時裝置用于產生延時，并將該延時作用于單光子探測器的時鐘，使得由時鐘延時產生的門脈沖觸發單光子探測器對入射單光子信號進行探測；

單光子探測器用于將探測到的單光子信號計數反饋到控制裝置中；

控制裝置將預定時間內的所述計數累積值Y與預先存儲的所述預定時間內的單光子信號的計數累積值X進行比較，根據比較結果尋找正確的延時方向，進行下一步的延時跟蹤。

如上所述的實時延時跟蹤裝置，其特征在于：

控制裝置首先把預定時間內的單光子信號計數累積后存入變量X中，然后控制延時裝置產生一定步長的延時，并把之后單光子探測器在所述預定時間內探測到的單光子信號計數累積后存入變量Y中；