量子通信系統(tǒng)的實(shí)時(shí)延時(shí)跟蹤裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及量子保密通信，具體而言是在量子保密通信系統(tǒng)中，針對(duì)單光子探測(cè)器中時(shí)鐘和信號(hào)存在的延遲漂移問(wèn)題，用一種“短步長(zhǎng)、長(zhǎng)積分”的實(shí)時(shí)延遲跟蹤方法掃描定位最佳延時(shí)點(diǎn)，從而保證單光子探測(cè)器獲得最大的計(jì)數(shù)，確保量子密鑰成碼率。
【背景技術(shù)】
[0002]量子保密通信是近三十多年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的一個(gè)熱門研宄領(lǐng)域，是目前公認(rèn)的能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)條件安全的通信方式。量子密鑰分發(fā)技術(shù)自從1984年由Bennett.C.H和G.Brassard提出以后，得到了科學(xué)界的廣泛關(guān)注。如今許多國(guó)家都看好量子保密通信的前景，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)開(kāi)始了高速量子通信和大規(guī)模保密通信網(wǎng)絡(luò)的探索，我國(guó)也將其列為重點(diǎn)科研項(xiàng)目進(jìn)行研宄。
[0003]量子保密通信系統(tǒng)的實(shí)施方案有很多種，包括偏振、相位、糾纏態(tài)方案等。在量子密鑰分發(fā)過(guò)程中，信息被加載到單光子上，利用其量子特性實(shí)現(xiàn)信息的傳遞，并通過(guò)后期的基比對(duì)等操作篩選出密碼。在整個(gè)密鑰產(chǎn)生的過(guò)程中，一個(gè)重要的環(huán)節(jié)就是對(duì)單光子的檢測(cè)，因?yàn)閱喂庾拥哪芰繕O低，僅為10-19J量級(jí)，因此在實(shí)用化的量子通信系統(tǒng)中需要使用超靈敏的單光子探測(cè)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，而且單光子探測(cè)器的性能好壞直接決定了量子通信系統(tǒng)中成碼率和誤碼率等核心參數(shù)的優(yōu)劣。
[0004]就目前而言，量子通信系統(tǒng)中最常用到的單光子探測(cè)器件為基于InGaAs的雪崩光電二極管(APD)。當(dāng)其工作在“蓋革模式”下時(shí)，只有當(dāng)探測(cè)門脈沖出現(xiàn)的時(shí)間段內(nèi)，APD才進(jìn)入雪崩模式，實(shí)現(xiàn)對(duì)單光子的探測(cè)；而在沒(méi)有門脈沖時(shí)，Aro工作在線性區(qū)內(nèi)，不發(fā)生雪崩。這種模式可以有效的使APD淬滅，并且提升了探測(cè)器的信噪比。
[0005]基于這種工作模式，單光子探測(cè)器只在門脈沖的時(shí)間內(nèi)響應(yīng)入射光子，因此在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須確保門脈沖和單光子脈重合，才可獲得最佳的探測(cè)效率和成碼率。但是在實(shí)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(huán)境溫度、機(jī)械振動(dòng)等原因?qū)е碌墓饫w長(zhǎng)度和折射率的變化，都會(huì)引起門脈沖和單光子脈沖的相對(duì)延遲發(fā)生漂移，這種漂移將直接導(dǎo)致計(jì)數(shù)率的下降(從而導(dǎo)致成碼率下降)，甚至使密鑰分發(fā)過(guò)程失敗。
[0006]目前，解決這一問(wèn)題的常用方案是中斷通信，對(duì)門脈沖和單光子脈沖的相對(duì)延時(shí)重新進(jìn)行掃描，以找到最佳的延時(shí)點(diǎn)。此方案弊端在于通信會(huì)被中斷，降低系統(tǒng)的工作效率。本發(fā)明提出了一種新的尋找最佳延時(shí)點(diǎn)的方案，克服了前述方案的缺點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是:提出實(shí)時(shí)延時(shí)跟蹤裝置和方法，其能夠?qū)崿F(xiàn)不用中斷通信即可實(shí)時(shí)找到最佳延時(shí)點(diǎn)。
[0008]本發(fā)明建立了一套在量子密鑰分發(fā)中實(shí)時(shí)控制單光子探測(cè)器門脈沖延時(shí)的方案，利用環(huán)境變化通常為慢變過(guò)程的特點(diǎn)，對(duì)掃描過(guò)程采用“短步長(zhǎng)，長(zhǎng)積分”的方案，可以在不中斷通信的條件下對(duì)探測(cè)器門脈沖的延時(shí)進(jìn)行掃描，尋找出最佳延時(shí)點(diǎn)，這種方式不僅可以使單光子探測(cè)器的計(jì)數(shù)值始終保持在較高的水平，并且具有實(shí)時(shí)跟蹤的特點(diǎn)。
[0009]本發(fā)明目的實(shí)現(xiàn)由以下技術(shù)方案完成:
[0010]在量子保密通信探測(cè)模塊中，利用FPGA控制延時(shí)芯片對(duì)單光子探測(cè)器門脈沖的相位延時(shí)進(jìn)行“短步長(zhǎng)”的掃描。因每一步延時(shí)改變很小，探測(cè)計(jì)數(shù)值的變化控制在很小的范圍內(nèi)，對(duì)通信成碼影響十分微小。同時(shí)，由于單光子探測(cè)器的探測(cè)效率有一定范圍的波動(dòng)，加上“短步長(zhǎng)”的延時(shí)改變不易區(qū)分出探測(cè)計(jì)數(shù)的變化，因此本發(fā)明中還采用了 “長(zhǎng)積分”的計(jì)數(shù)方法，將較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的光子計(jì)數(shù)值累積保存于FPGA中，用做反饋判斷。長(zhǎng)時(shí)間的累積計(jì)數(shù)能有效減小噪聲抖動(dòng)帶來(lái)的誤差，準(zhǔn)確的區(qū)分出延時(shí)改變前后計(jì)數(shù)大小的改變。FPGA對(duì)前后兩次數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，按照相應(yīng)的算法判斷延遲調(diào)節(jié)的方向，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)最大計(jì)數(shù)值的實(shí)時(shí)跟蹤。
[0011]一種量子通信系統(tǒng)的實(shí)時(shí)延時(shí)跟蹤裝置，包括控制裝置、延時(shí)裝置和單光子探測(cè)器，其中，
[0012]控制裝置用于控制延時(shí)裝置產(chǎn)生一定步長(zhǎng)的延時(shí)；
[0013]延時(shí)裝置用于產(chǎn)生延時(shí)，并將該延時(shí)作用于單光子探測(cè)器的時(shí)鐘，使得由時(shí)鐘延時(shí)產(chǎn)生的門脈沖觸發(fā)單光子探測(cè)器對(duì)入射單光子信號(hào)進(jìn)行探測(cè)；
[0014]單光子探測(cè)器用于將探測(cè)到的單光子信號(hào)計(jì)數(shù)反饋到控制裝置中；
[0015]控制裝置將預(yù)定時(shí)間內(nèi)的所述計(jì)數(shù)累積值Y與預(yù)先存儲(chǔ)的所述預(yù)定時(shí)間內(nèi)的單光子信號(hào)的計(jì)數(shù)累積值X進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果尋找正確的延時(shí)方向，進(jìn)行下一步的延時(shí)跟蹤。
[0016]如上所述的實(shí)時(shí)延時(shí)跟蹤裝置，其特征在于:
[0017]控制裝置首先把預(yù)定時(shí)間內(nèi)的單光子信號(hào)計(jì)數(shù)累積后存入變量X中，然后控制延時(shí)裝置產(chǎn)生一定步長(zhǎng)的延時(shí)，并把之后單光子探測(cè)器在所述預(yù)定時(shí)間內(nèi)探測(cè)到的單光子信號(hào)計(jì)數(shù)累積后存入變量Y中；
[0018]控制裝置對(duì)X和Y進(jìn)行比較，如果Y > X，重復(fù)前面的延時(shí)過(guò)程繼續(xù)進(jìn)行延時(shí)跟蹤；如果Y〈X，將延時(shí)方向調(diào)轉(zhuǎn)，進(jìn)行反方向的延時(shí)跟蹤。
[0019]如上所述的實(shí)時(shí)延時(shí)跟蹤裝置，其特征在于:
[0020]所述控制裝置是FPGA。
[0021]如上所述的實(shí)時(shí)延時(shí)跟蹤裝置，其特征在于:
[0022]所述延時(shí)裝置是延時(shí)芯片。
[0023]如上所述的實(shí)時(shí)延時(shí)跟蹤裝置，其特征在于:
[0024]控制裝置產(chǎn)生的延時(shí)可為正向或反向。
[0025]一種量子通信系統(tǒng)的實(shí)時(shí)延時(shí)跟蹤方法，其特征在于包括如下步驟:
[0026]控制裝置預(yù)先存儲(chǔ)單光子探測(cè)器在預(yù)定時(shí)間內(nèi)探測(cè)到的入射單光子信號(hào)計(jì)數(shù)累積值X ；
[0027]控制裝置控制延時(shí)裝置產(chǎn)生一定步長(zhǎng)的延時(shí)；
[0028]延時(shí)裝置產(chǎn)生延時(shí)，并將該延時(shí)作用于單光子探測(cè)器的時(shí)鐘，使得由時(shí)鐘延時(shí)產(chǎn)生的門脈沖觸發(fā)單光子探測(cè)器對(duì)入射單光子信號(hào)進(jìn)行探測(cè)；
[0029]單光子探測(cè)器將探測(cè)到的單光子信號(hào)計(jì)數(shù)反饋到控制裝置中；
[0030]控制裝置將預(yù)定時(shí)間內(nèi)的所述計(jì)數(shù)累積值Y與預(yù)先存儲(chǔ)的所述計(jì)數(shù)累積值X進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果尋找正確的延時(shí)方向，進(jìn)行下一步的延時(shí)跟蹤。
[0031]如上所述的實(shí)時(shí)延時(shí)跟蹤方法，其特征在于:
[0032]控制裝置首先把預(yù)定時(shí)間內(nèi)的單光子信號(hào)計(jì)數(shù)累積后存入變量X中，然后控制延時(shí)裝置產(chǎn)生一定步長(zhǎng)的延時(shí)，并把之后單光子探測(cè)器在所述預(yù)定時(shí)間內(nèi)探測(cè)到的單光子信號(hào)計(jì)數(shù)累積后存入變量Y中；
[0033]控制裝置對(duì)X和Y進(jìn)行比較，如果Y > X，重復(fù)前面的延時(shí)過(guò)程繼續(xù)進(jìn)行延時(shí)跟蹤；如果Y〈