一种应用于MDI-QKD的本地主动相位补偿方法和系统

技术领域

本发明涉及量子保密通信技术领域，更具体地说，涉及一种应用于MDI-QKD的本地主动相位补偿方法和系统。

背景技术

量子密码通信是一种在物理法则层面上被证明了能够实现绝对信息安全的通信方法，其中量子密钥分发是量子密码通信研究的基础，测量设备无关量子密钥分发协议(MDI-QKD)及其一些变体协议(如双场协议(TF-QKD))，由于具有较好的距离－成码率性能表现，是最有望进行实际应用的量子密钥分发协议，但实际的量子密钥分发系统往往因各种因素产生相位漂移，最终影响通信的安全性和稳定性。

现有技术的缺点和问题：现有的本地主动相位补偿方法已广泛使用强光参考、光开关切换和FPGA接收单光子探测器(SPD)光子计数进行反馈控制相结合的办法，使Alice(简称A)和Bob(简称B)无须通过经典信道交换信息来确定电光相位调制器的临时工作点，从而避免了来自Eve的窃听，提高了通信的安全性，但是上述方法使用的光开关是将信号光和补偿光从路径上分开来进行补偿，即光束在补偿阶段进入补偿光路，在QKD阶段进入信道，补偿效率受到切换速率的影响，因此会降低系统整体的运行速率；另一方面，SPD反馈光子计数给FPGA处理的过程时间较长，逻辑较为复杂，SPD的使用意味着这种方案的成本偏高，采用光电探测器的本地主动相位补偿方案也被用于QKD协议中，但是采用在无中继QKD协议中因而通信距离受限，而且对于使用了光电探测器的控制模块的物理组成结构和有关电路参数的设定并未有详细的设计，MDI-QKD协议能将QKD通信距离拓展至原来的两倍，特别是对于离散变量的时间相位编码的MDI-QKD协议的本地主动相位补偿仍然存在技术空白。

因此，针对上述问题提出一种一种应用于MDI-QKD的本地主动相位补偿方法和系统。

发明内容

1.要解决的技术问题

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供针对离散变量的测量设备无关量子密钥分发协议的本地主动相位补偿方法和系统，采用光纤延时叠加环与法拉第干涉环相结合的方法，利用光纤延时叠加环拆分参考光和信号光，利用法拉第干涉环和控制模块完成本地主动相位补偿工作，通过控制模块的组成结构和电路重要参数的确定方法，使得光开关的作用不再是切换补偿光路和信道，从而使得补偿效率得到提升，补偿阶段在整段通信周期中的占比更低，使得该方案补偿方法的精度高、速度快、FPGA的逻辑处理相对简单、应用起来更加简单。

2.技术方案

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

一种应用于MDI-QKD的本地主动相位补偿方法和系统，所述一种应用于MDI-QKD的本地主动相位补偿方法包括以下步骤：

S1：从光源发出的光首先经过光纤延迟叠加环结构，从光源发出的光经过第一光分束耦合器或第四光分束耦合器会分成一路参考光和一路信号光，它们分别接受强度调制器调制，随后在第二光分束耦合器或第五光分束耦合器处进行合束；

S2：在第二光分束耦合器或第五光分束耦合器合束的光经过光环形器，随后由第三光分束耦合器或第六光分束耦合器的第一入射臂入射并被分成强度均匀的两束光后从第三光分束耦合器或第六光分束耦合器的两条出射臂出射，一束光经过第一相位调制器或第二相位调制器调制后被第一法拉第镜或第三法拉第镜反射，一束光经过第一光纤衰减器或第二光纤衰减器后被第二法拉第镜或第四法拉第镜反射。

S3：两束反射光在第三分束耦合器或第六分束耦合器处形成干涉，干涉后的光从第三分束耦合器或第六分束耦合器的两条入射臂出射。从第一入射臂出射的光的干涉结果会被第一光电探测器或第二光电探测器接收；

S4：从法拉第干涉环出射的光经过第一光开关和第二光开关，光开关阻挡补偿光通过，第一光开关和第二光开关的控制波形分别与第二强度调制器和第四强度调制器相反；

S5：从第一光开关和第二光开关通过的信号光经过第一台式光衰减器或第二台式光衰减器衰减后在信道中传输，Alice和Bob的信号光在Charlie处产生多光子干涉并宣布测量结果；

S6：Alice和Bob筛选原始密钥，进行误差检测和保密增强等后处理步骤。

进一步的，所述本地主动相位补偿方法专用于离散变量的时间相位编码的测量设备无关量子密钥分发协议，采用了光纤延迟叠加环与法拉第干涉环相结合的方法，光纤延时叠加环在时域上分离参考光和信号光。

进一步的，所述S4中第二强度调制器的控制信号和第四强度调制器的控制信号的决定方法是：测量双方法拉第干涉环应用被动补偿措施的条件下，在QKD阶段，控制模块持续输出第一临时工作点电压时，光电探测器所接收光强能稳定的最长时间加稳定时间和扫描时间，记为t，则控制信号的频率为f＝1/t；控制信号是脉冲信号，由信号发生器发出，脉冲信号的脉宽应大于稳定阶段时间加扫描阶段时间，当脉冲到来时，控制模块开始进行稳定重置和扫描的工作。

进一步的，所述S5和S6中，Alice和Bob的光路和补偿结构采用对称式设计，是针对各自相位调制器工作点漂移的补偿，方案应用在MDI-QKD中，双方的无须通过额外信道交换补偿信息。

进一步的，一种应用于MDI-QKD的本地主动相位补偿系统，包括光纤相连接的A端本地主动相位补偿系统，B端本地主动相位补偿系统和C端多光子干涉测量系统，所述A端本地主动相位补偿系统包括第一连续光光源模块、第一环形器模块、第一分束器模块、第一电光强度调制器模块、第一电光相位调制器模块、第一法拉第镜模块、第一光纤衰减器模块、第一台式光衰减器模块和第一控制模块。

进一步的，所述B端本地主动相位补偿系统包括第二连续光光源模块、第二环形器模块、第二分束器模块、第二电光强度调制器模块、第二电光相位调制器模块、第二法拉第镜模块、第二光纤衰减器模块、第二台式光衰减器模块和第二控制模块，所述C端多光子干涉测量系统包括第三分束器模块、第三偏振控制器模块和第三单光子探测器模块。

进一步的，所述第一控制模块包括第一信号放大器、第一模数转换模块、第一FPGA开发板、第一数模转换模块、第二信号放大器。

进一步的，所述第二控制模块包括第三信号放大器、第二模数转换模块、第二FPGA开发板、第二数模转换模块、第四信号放大器。

进一步的，所述第一控制模块和第二控制模块中的第一信号放大器和第三信号放大器的放大倍数的确定方法是：若补偿时间为T，设频率F＝1/T，向第一信号放大器和第三信号放大器输入一个频率大于等于F，幅值约为光电探测器最大输出电压幅值的正弦波信号，调节放大倍数，当信号放大器线性放大上述正弦波信号，且幅值位于模数转换模块的输入噪声容限时，此时的放大倍数满足要求。

进一步的，所述第一控制模块和第二控制模块中的第二信号放大器和第四信号放大器的放大倍数的确定方法是：若补偿时间为T，设频率F＝1/T，向第二信号放大器和第四信号放大器输入一个频率大于等于F，幅值为数模转换模块最大输出电压幅值的锯齿波信号，调节放大倍数，当锯齿波能够被线性放大，且放大后的信号幅值大于相位调制器两倍半波电压时，此时的放大倍数满足要求。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的优点在于：

(1)本方案相比于使用光强检测装置的本地主动相位补偿方案，通过控制模块的结构组成和其电路参数的确定方法，使得在光开关的使用上并不是使其在信道和补偿光路之间切换，而是使其控制信道的通断，节省两条光路切换的空当时间，因而提高了补偿效率，补偿阶段在整段通信周期中的占比更低，使得该方案补偿方法的精度高、速度快、FPGA的逻辑处理相对简单、应用起来更加简单。

附图说明

图1为本发明的QKD工作流程示意图；

图2为本发明的MDI-QKD使用本地主动相位补偿的光路图；

图3为本发明的FPGA结构示意图；

图4为本发明的预期实验结果示意图；

图5为本发明的存在signal信号时示意图。

图中标号说明：

LD1/2：1550nm连续光光源；CIR1/2：环形器；BS1～7：光分束耦合器；IM1～4：电光强度调制器；PM1/2：电光相位调制器；FM1～4：法拉第镜；VOA：光纤衰减器；ATT：台式光衰减器；CLK：同步时钟；SS：信号发生器；CMA(CMB)：控制模块Alice(Bob)；PC：偏振控制器；SPD：单光子探测器；OS：光开关。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第二”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1：

请参阅图1，一种应用于MDI-QKD的本地主动相位补偿方法和系统，一种应用于MDI-QKD的本地主动相位补偿方法包括以下步骤：

S1：从光源发出的光首先经过光纤延迟叠加环结构，从光源发出的光经过第一光分束耦合器或第四光分束耦合器会分成一路参考光和一路信号光，它们分别接受强度调制器调制，随后在第二光分束耦合器或第五光分束耦合器处进行合束；

S2：在第二光分束耦合器或第五光分束耦合器合束的光经过光环形器，随后由第三光分束耦合器或第六光分束耦合器的第一入射臂入射并被分成强度均匀的两束光后从第三光分束耦合器或第六光分束耦合器的两条出射臂出射，一束光经过第一相位调制器或第二相位调制器调制后被第一法拉第镜或第三法拉第镜反射，一束光经过第一光纤衰减器或第二光纤衰减器后被第二法拉第镜或第四法拉第镜反射。

S3：两束反射光在第三分束耦合器或第六分束耦合器处形成干涉，干涉后的光从第三分束耦合器或第六分束耦合器的两条入射臂出射。从第一入射臂出射的光的干涉结果会被第一光电探测器或第二光电探测器接收；

S4：从法拉第干涉环出射的光经过第一光开关和第二光开关，光开关阻挡补偿光通过，第一光开关和第二光开关的控制波形分别与第二强度调制器和第四强度调制器相反；

S5：从第一光开关和第二光开关通过的信号光经过第一台式光衰减器或第二台式光衰减器衰减后在信道中传输，Alice和Bob的信号光在Charlie处产生多光子干涉并宣布测量结果；

S6：Alice和Bob筛选原始密钥，进行误差检测和保密增强等后处理步骤。

本地主动相位补偿方法专用于离散变量的时间相位编码的测量设备无关量子密钥分发协议，采用了光纤延迟叠加环与法拉第干涉环相结合的方法，光纤延时叠加环在时域上分离参考光和信号光。

S4中第二强度调制器的控制信号和第四强度调制器的控制信号的决定方法是：测量双方法拉第干涉环应用被动补偿措施的条件下，在QKD阶段，控制模块持续输出第一临时工作点电压时，光电探测器所接收光强能稳定的最长时间加稳定时间和扫描时间，记为t，则控制信号的频率为f＝1/t；控制信号是脉冲信号，由信号发生器发出，脉冲信号的脉宽应大于稳定阶段时间加扫描阶段时间，当脉冲到来时，控制模块开始进行稳定重置和扫描的工作。

S5和S6中，Alice和Bob的光路和补偿结构采用对称式设计，是针对各自相位调制器工作点漂移的补偿，方案应用在MDI-QKD中，双方的无须通过额外信道交换补偿信息。

本方案有鉴于以上陈述的问题，在于提供一种速率更快、成本更低和逻辑更简单的本地主动相位补偿方法，使扫描补偿阶段时间尽可能短，占比尽可能低，同时降低光学系统的复杂度，减少相位调制器工作点漂移对于通信协议性能的影响，使整个装置系统的工作更加高效。

请参阅图2-5，一种应用于MDI-QKD的本地主动相位补偿系统，包括光纤相连接的A端本地主动相位补偿系统、B端本地主动相位补偿系统和C端多光子干涉测量系统，A端本地主动相位补偿系统包括第一连续光光源模块、第一环形器模块、第一分束器模块、第一电光强度调制器模块、第一电光相位调制器模块、第一法拉第镜模块、第一光纤衰减器模块、第一台式光衰减器模块和第一补偿模块。

B端本地主动相位补偿系统包括第二连续光光源模块、第二环形器模块、第二分束器模块、第二电光强度调制器模块、第二电光相位调制器模块、第二法拉第镜模块、第二光纤衰减器模块、第二台式光衰减器模块和第二补偿模块，C端多光子干涉测量系统包括第三分束器模块、第三偏振控制器模块和第三单光子探测器模块。

第一控制模块包括第一信号放大器、第一模数转换模块、第一FPGA开发板、第一数模转换模块、第二信号放大器。

第二控制模块包括第三信号放大器、第二模数转换模块、第二FPGA开发板、第二数模转换模块、第四信号放大器。

第一控制模块和第二控制模块中的第一信号放大器和第三信号放大器的放大倍数的确定方法是：若补偿时间为T，设频率F＝1/T，向第一信号放大器和第三信号放大器输入一个频率大于等于F，幅值约为光电探测器最大输出电压幅值的正弦波信号，调节放大倍数，当信号放大器线性放大上述正弦波信号，且幅值位于模数转换模块的输入噪声容限时，此时的放大倍数满足要求。

第一控制模块和第二控制模块中的第二信号放大器和第四信号放大器的放大倍数的确定方法是：若补偿时间为T，设频率F＝1/T，向第二信号放大器和第四信号放大器输入一个频率大于等于F，幅值为数模转换模块最大输出电压幅值的锯齿波信号，调节放大倍数，当锯齿波能够被线性放大，且放大后的信号幅值大于相位调制器两倍半波电压时，此时的放大倍数满足要求。

本方案每个控制模块由FPGA开发板主体、模数转换模块、数模转换模块以及运算放大器构成(实验中使用的型号分别是ALINXAlteraFPGA开发板AX515/AX530、AN926、AN9767和OPA177)，该模块的输入分别是来自PD1/PD2的模拟信号、来自SS的宽脉冲信号以及来自上位机的0/1信号；输出是发送至相位调制器的补偿电信号，(运算放大器1放置在AN926之前用于放大来自PD的电信号(幅值0～20mV无法直接被FPGA处理，因为AN926本身具有20mV的底噪)；运算放大器2放置在AN9767与相位调制器之间使发出的电信号幅值基本大于相位调制器两倍半波电压)，其工作流程工作周期包括三个阶段：稳定阶段、扫描阶段、QKD阶段，FPGA的工作周期与宽脉冲的周期相等，因此FPGA是由宽脉冲信号的上升沿指示FPGA开始工作。

稳定阶段：FPGA接收到宽脉冲上升沿后首先输出一个时长为100us的低电平给相位调制器用于稳定其工作状态，这时PD输出的电信号在理想情况下是一条直线(稳定时长根据具体电路模块的实验条件可做调整)；

扫描阶段：FPGA在33us内输出一段呈线性增长的扫描电压给相位调制器，该扫描电压U

QKD阶段：当宽脉冲下降沿到来时开始QKD阶段。在QKD阶段中，FPGA根据上位机提供的0或者1信号分别输出U

相比于使用光强检测装置的本地主动相位补偿方案，本方案对于控制模块的结构组成和其电路参数的确定方法进行了详细的阐述，相比于使用光强检测装置的本地主动相位补偿方案，本方案在光开关的使用上并不是使其在信道和补偿光路之间切换，而是使其控制信道的通断，这样就不存在两条光路切换的空当时间，因而提高了补偿效率。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式；但本发明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发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。