本發(fā)明涉及量子密鑰分發(fā)(qkd)領(lǐng)域，更具體地涉及一種用于雙臂信道結(jié)構(gòu)的量子密鑰分發(fā)設(shè)備(例如tf-qkd、mdi-qkd及mp-qkd等)的時(shí)間校準(zhǔn)方法及相應(yīng)的量子密鑰分發(fā)設(shè)備。

背景技術(shù)：

1、雙場量子密鑰分發(fā)(tf-qkd)設(shè)備是基于雙場量子密鑰分發(fā)協(xié)議開發(fā)的遠(yuǎn)距離qkd設(shè)備，具有測量設(shè)備無關(guān)的安全性。雙場量子密鑰分發(fā)設(shè)備在運(yùn)行過程中，由發(fā)射端alice和bob分別通過光纖鏈路發(fā)送光(脈沖)信號到探測端charlie，通過合束使兩端光信號在探測端內(nèi)產(chǎn)生干涉，通過解析探測端的干涉結(jié)果，實(shí)現(xiàn)信號態(tài)和相位態(tài)的信息統(tǒng)計(jì)，通過數(shù)據(jù)后處理產(chǎn)生成碼數(shù)據(jù)。

2、雙場量子密鑰分發(fā)設(shè)備在調(diào)制過程中，需要做到使發(fā)射端alice和bob發(fā)射的光信號在時(shí)間上對準(zhǔn)，這一對準(zhǔn)過程即為時(shí)間校準(zhǔn)過程。目前常用的實(shí)現(xiàn)方案是通過對兩邊光信號統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)做邊沿觸發(fā)位置或峰值位置取差值的方式，使用延時(shí)單元調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)光信號的這種時(shí)間對準(zhǔn)。雙場量子密鑰分發(fā)設(shè)備在運(yùn)行過程中，由于溫度等環(huán)境因素影響，會使延時(shí)位置產(chǎn)生偏差，導(dǎo)致干涉效果變差。針對這種情況，也需要實(shí)時(shí)地對發(fā)射端alice和bob發(fā)射的光信號進(jìn)行時(shí)間校準(zhǔn)。對于雙臂信道結(jié)構(gòu)的qkd設(shè)備，例如，tf-qkd設(shè)備及其相關(guān)的測量設(shè)備無關(guān)量子密鑰分發(fā)(mdi-qkd)設(shè)備和模式匹配量子密鑰分發(fā)(mp-qkd)設(shè)備均存在這類問題和需求。

3、然而，本技術(shù)的發(fā)明人注意到，在現(xiàn)有的時(shí)間校準(zhǔn)調(diào)制方案中，通過對兩邊光信號統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)做邊沿觸發(fā)位置或峰值位置取差值的方式，會受到時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器(tdc)采集精度、探測計(jì)數(shù)漲落、探測抖動等物理因素影響，使得對齊結(jié)果產(chǎn)生計(jì)算偏差，導(dǎo)致干涉結(jié)果變差，錯(cuò)誤率上升；在運(yùn)行過程中，由于溫度等環(huán)境因素影響，會使延時(shí)位置產(chǎn)生偏差，導(dǎo)致干涉效果變差，錯(cuò)誤率上升，甚至無法正常成碼。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明提出了一種用于量子密鑰分發(fā)設(shè)備的時(shí)間校準(zhǔn)方法及相應(yīng)的量子密鑰分發(fā)設(shè)備。在本發(fā)明中，利用了探測數(shù)據(jù)相關(guān)性與光干涉作用之間的邏輯關(guān)系，借助探測數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析實(shí)現(xiàn)qkd設(shè)備的時(shí)間校準(zhǔn)，由此克服探測效率不足、統(tǒng)計(jì)漲落大、數(shù)據(jù)曲線不一致等導(dǎo)致的時(shí)間對齊問題，從而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的光信號相干疊加。在本發(fā)明中，借助數(shù)據(jù)相關(guān)性分析之前的數(shù)據(jù)歸一化處理，可以解決探測效率不足、數(shù)據(jù)漲落導(dǎo)致的相關(guān)數(shù)據(jù)不一致問題；而在調(diào)制和實(shí)時(shí)校準(zhǔn)階段調(diào)整發(fā)射端alice/bob采樣數(shù)據(jù)時(shí)間位置時(shí)，利用相關(guān)系數(shù)法，根據(jù)相關(guān)系數(shù)最大值得到時(shí)間校準(zhǔn)延時(shí)差，用于兩路光信號的延時(shí)控制，找到兩路光信號的最佳干涉位置，可以解決數(shù)據(jù)曲線差異影響時(shí)間位置判定問題。同時(shí)，在探測端中采用例如偏振/波分復(fù)用等復(fù)用方案實(shí)現(xiàn)的特定光路結(jié)構(gòu)，可以在運(yùn)行階段使用監(jiān)測通道的非干涉數(shù)據(jù)代替數(shù)據(jù)通道的干涉數(shù)據(jù)做延時(shí)差跟蹤和控制，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行階段獨(dú)立的實(shí)時(shí)時(shí)間校準(zhǔn)，從而提高qkd系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2、具體而言，本發(fā)明的第一方面涉及一種用于量子密鑰分發(fā)設(shè)備的時(shí)間校準(zhǔn)方法，其中，探測端charlie中的探測器d0和d2以及d1和d3分別用于探測第一光信號的干涉分量和非干涉分量以及第二光信號的干涉分量和非干涉分量；

3、所述時(shí)間校準(zhǔn)方法包括探測數(shù)據(jù)采集步驟、數(shù)據(jù)歸一化步驟、數(shù)據(jù)相關(guān)性分析步驟及延時(shí)控制步驟；

4、所述探測數(shù)據(jù)采集步驟用于利用時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器采集探測器的探測計(jì)數(shù)，并統(tǒng)計(jì)各時(shí)間位置上的計(jì)數(shù)生成相應(yīng)的探測數(shù)據(jù)；

5、所述數(shù)據(jù)歸一化步驟用于根據(jù)探測數(shù)據(jù)中的最大計(jì)數(shù)，對探測數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理以生成相應(yīng)的歸一化數(shù)據(jù)；

6、所述數(shù)據(jù)相關(guān)性分析步驟用于在時(shí)間位置上將兩路歸一化數(shù)據(jù)中的一路朝向另一路平移δt(i)，并計(jì)算平移后的歸一化數(shù)據(jù)與另一路歸一化數(shù)據(jù)的皮爾遜相關(guān)系數(shù)k(i)；以及，將皮爾遜相關(guān)系數(shù)k(i)的最大值對應(yīng)的平移量δt(i)設(shè)為時(shí)間校準(zhǔn)延時(shí)差δ；

7、所述延時(shí)控制步驟用于根據(jù)時(shí)間校準(zhǔn)延時(shí)差δ，調(diào)節(jié)第一和/或第二光信號的延時(shí)量；其中，

8、在調(diào)制校準(zhǔn)階段，分別使發(fā)射端alice單獨(dú)發(fā)射第一光信號，發(fā)射端bob單獨(dú)發(fā)射第二光信號；借助探測數(shù)據(jù)采集步驟生成與探測器d0、d2、d1和d3對應(yīng)的探測數(shù)據(jù)fa0、fa2、fb1和fb3；借助數(shù)據(jù)歸一化步驟，基于探測數(shù)據(jù)fa0和fb1生成歸一化數(shù)據(jù)fa0’和fb1’；借助數(shù)據(jù)相關(guān)性分析步驟，基于歸一化數(shù)據(jù)fa0’和fb1’計(jì)算得到時(shí)間校準(zhǔn)延時(shí)差δ；以及，借助延時(shí)控制步驟調(diào)節(jié)第一和/或第二光信號的延時(shí)量，直至使時(shí)間校準(zhǔn)延時(shí)差δ不大于預(yù)設(shè)閾值tth；

9、并且，在時(shí)間校準(zhǔn)延時(shí)差δ不大于預(yù)設(shè)閾值tth時(shí)，借助數(shù)據(jù)歸一化步驟，基于探測數(shù)據(jù)fa2和fb3生成歸一化數(shù)據(jù)fa2’和fb3’；借助數(shù)據(jù)相關(guān)性分析步驟，基于歸一化數(shù)據(jù)fa2’和fb3’計(jì)算得到時(shí)間校準(zhǔn)延時(shí)差δ，并設(shè)為實(shí)時(shí)時(shí)間校準(zhǔn)偏移量δr；

10、在實(shí)時(shí)校準(zhǔn)階段中，使發(fā)射端alice發(fā)射第一光信號，同時(shí)使發(fā)射端bob發(fā)射第二光信號，借助探測數(shù)據(jù)采集步驟生成探測數(shù)據(jù)fa2和fb3；借助數(shù)據(jù)歸一化步驟，基于探測數(shù)據(jù)fa2和fb3生成歸一化數(shù)據(jù)fa2’和fb3’；借助數(shù)據(jù)相關(guān)性分析步驟，基于歸一化數(shù)據(jù)fa2’和fb3’計(jì)算得到時(shí)間校準(zhǔn)延時(shí)差δ；以及，根據(jù)時(shí)間校準(zhǔn)延時(shí)差δ與實(shí)時(shí)時(shí)間校準(zhǔn)偏移量δr的差值δδ，調(diào)節(jié)第一和/或第二光信號的延時(shí)量，直至使差值δδ不大于預(yù)設(shè)閾值tth。

11、進(jìn)一步地，在數(shù)據(jù)歸一化步驟中，利用公式對探測數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，xi為探測數(shù)據(jù)中的計(jì)數(shù)，yi為歸一化后的計(jì)數(shù)。

12、進(jìn)一步地，在數(shù)據(jù)相關(guān)性分析步驟中，在(δt-δ，δt+δ)內(nèi)設(shè)置多個(gè)平移量δt(i)，δt為兩路歸一化數(shù)據(jù)中最大計(jì)數(shù)對應(yīng)的時(shí)間位置之間的絕對差值，δ為預(yù)設(shè)值。

13、優(yōu)選地，平移量δt(i)＝δt+(i-n)*tth，i為0、1、…、2n，n＝[δ/tth]，[]為取整函數(shù)。

14、優(yōu)選地，可以根據(jù)光信號的脈寬設(shè)置δ。

15、優(yōu)選地，預(yù)設(shè)閾值tth為用于延時(shí)控制的調(diào)節(jié)步進(jìn)值。

16、本發(fā)明的第二方面涉及一種可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)時(shí)間校準(zhǔn)的量子密鑰分發(fā)設(shè)備，其包括發(fā)射端alice、發(fā)射端bob和探測端charlie；

17、發(fā)射端alice被設(shè)置用于發(fā)射第一光信號，且發(fā)射端bob被設(shè)置用于發(fā)射第二光信號；

18、探測端charlie包括合束模塊和探測模塊；

19、探測模塊包括探測器d0、d1、d2和d3；

20、合束模塊被設(shè)置用于基于第一光信號形成干涉分量和非干涉分量，并使其分別進(jìn)入探測器d0和d2，以及基于第二光信號形成干涉分量和非干涉分量，并使其分別進(jìn)入探測器d1和d3；

21、其中，量子密鑰分發(fā)設(shè)備被設(shè)置成根據(jù)上述時(shí)間校準(zhǔn)方法，實(shí)時(shí)地對第一和第二光信號進(jìn)行時(shí)間校準(zhǔn)。

22、可選地，合束模塊包括第一偏振復(fù)用單元、第二偏振復(fù)用單元和干涉單元；

23、第一偏振復(fù)用單元被設(shè)置用于將第一光信號解復(fù)用為第一分量和第二分量，并將第一分量作為非干涉分量傳輸至探測器d2，將第二分量作為干涉分量傳輸至干涉單元；

24、第二偏振復(fù)用單元被設(shè)置用于將第二光信號解復(fù)用為第一分量和第二分量，并將第一分量作為非干涉分量傳輸至探測器d3，將第二分量作為干涉分量傳輸至干涉單元；

25、干涉單元被設(shè)置用于允許第一光信號的第二分量和第二光信號的第二分量發(fā)生干涉，并分別將干涉結(jié)果傳輸給探測器d0和d1。

26、可選地，合束模塊包括第一波分復(fù)用單元、第二波分復(fù)用單元和干涉單元；

27、第一波分復(fù)用單元被設(shè)置用于將第一光信號解復(fù)用為第一分量和第二分量，并將第一分量作為非干涉分量傳輸至探測器d2，將第二分量作為干涉分量傳輸至干涉單元；

28、第二波分復(fù)用單元被設(shè)置用于將第二光信號解復(fù)用為第一分量和第二分量，并將第一分量作為非干涉分量傳輸至探測器d3，將第二分量作為干涉分量傳輸至干涉單元；

29、干涉單元被設(shè)置用于允許第一光信號的第二分量和第二光信號的第二分量發(fā)生干涉，并分別將干涉結(jié)果傳輸給探測器d0和d1。

30、進(jìn)一步地，本發(fā)明的量子密鑰分發(fā)設(shè)備可以為tf-qkd設(shè)備、mdi-qkd設(shè)備或者mp-qkd設(shè)備。