CN109361515B - 连续变量量子密钥分发***脉冲光高速偏振锁定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种连续变量量子密钥分发***脉冲光高速偏振锁定方法，利用基于电荷放大器的积分型光信号探测器，将单个脉冲光的能量实时转换为输出电脉冲的峰值电压，实现单个光脉冲信号能量的实时测量，无需进行高速采集和后续积分，有效节省了***采集资源；同时利用FPGA硬件数据处理速度快、实时性好的特点，快速运行条件模拟退火算法搜索目标偏振态，实现脉冲光情况下高速偏振锁定；同时实时监测本地光场功率的变化，增强了***对本振光抖动攻击的防御能力。通过本发明，能够有效解决由于外场复杂环境导致的光场偏振态快速漂移的问题。

Description

连续变量量子密钥分发***脉冲光高速偏振锁定方法
技术领域
发明涉及量子保密通信领域，具体是一种连续变量量子密钥分发***脉冲光高速偏振锁定方法。
背景技术
量子密钥分发可实现无条件安全的密钥分发，其安全性依赖于量子力学原理，而不是数学计算的复杂性，结合一次一密，可以使合法通信双方实现无条件安全的保密通信，在未来的国防、金融、军事、网络等领域具有非常广阔的应用前景。
连续变量量子密钥分发类协议，其相干态光源容易制备，探测技术可采用低成本的平衡零拍探测器，探测效率高，与现有的光通信网络有良好的兼容性，在中短距离内具有成码率高等优点，近年来受到国内外科研人员的广泛关注。
高斯调制相干态连续变量量子密钥分发协议是目前应用广泛的连续变量量子密钥分发协议，在该协议中，发送端采用复用技术将信号光和本地光经过同一根长距离单模光纤传输到接收端，接收端对信号光和本地光进行偏振解复用，使用平衡零拍探测器随机测量信号光场的一对共轭正交分量。由于光场在外场复杂环境下的长距离单模光纤中传输，传输过程中有架空光纤、埋地光纤等，而且外界环境温度、应力，天气的变化都会使单模光纤产生双折射效应，导致单模光纤中本地光场和信号光场的偏振态发生漂移，本地光场和信号光场相互串扰，严重影响接收端本地光场和信号光场的相对相位锁定，以及平衡零拍探测结果等，使得***无法正常运行。由于光场偏振态漂移的速率与外场环境条件密切相关，能够实时补偿复杂环境下的偏振态漂移，成为连续变量量子密钥分发从实验室走向外场环境的关键技术之一。
现有的连续变量量子密钥分发***的偏振锁定技术(专利CN102916807A)利用有效值转换器将采集到的多个脉冲光信号积分转换成缓变的直流电压，利用该直流电压作为偏振控制算法的反馈信号，依次调节动态偏振控制器的4个挤压器电压，直到采集的直流电压满足设定值，完成偏振锁定。整个偏振锁定过程中，作为反馈的直流电压由多个脉冲光信号积分得到，且算法中是依次调节挤压器电压，从而导致整个偏振锁定周期较长，无法实时跟踪锁定光场偏振态。另一方面，在偏振锁定过程中，量子密钥分发只能暂时停止。然而在实际外场环境下，偏振态的实时高速锁定是保证高效、安全量子密钥分发的前提。
发明内容
本发明的目的在于避免现有技术的不足之处而提供一种连续变量量子密钥分发***脉冲光高速偏振锁定方法。
本发明的目的可以通过采用如下的技术措施来实现，设计一种连续变量量子密钥分发***脉冲光高速偏振锁定方法，该方法的步骤包括：对连续光源调制产生脉冲光，经分束器作用分为本地光场和信号光场，在连续变量量子密钥分发***的发送端采用时分复用、偏振复用的方式，使本地光场和信号光场在同一根光纤中传输，经过长距离单模光纤传输后到达接收端；
在接收端利用分束器分出第一部分光场，用来恢复连续变量量子密钥分发***的同步时钟信号；
剩余部分光场通过动态偏振控制器和偏振分束器实现本地光场和信号光场的偏振解复用，利用分束器将本地光场分出其中的第二部分本地光场作为高速偏振锁定的第一反馈信号；
通过积分型光信号探测装置将第一反馈信号探测转换为输出电脉冲的峰值电压，利用***同步时钟作为触发信号，通过采集电脉冲峰值电压实时监测脉冲光强变化；
同时将采集的峰值电压作为第二反馈信号，利用第二反馈信号进行条件模拟退火算法，搜索目标偏振态，确定偏振锁定信号并将偏振锁定信号加载到一动态偏振控制器，实现脉冲光偏振的高速锁定。
其中，在利用第二反馈信号模拟退火算法的步骤中，包括步骤：
设置模拟退火算法中的内循环和外循环次数l和k,初始温度T0；设置内循环初始值i＝1；外循环初始值n＝1；定义温度更新函数为指数递减函数为Tk+1＝p·Tk(0<p<1)；
采集动态偏振控制器的挤压器的固定初始电压值(V1、V2、V3、V4)，加载到动态偏振控制器，采集作为第二反馈信号的本地光场脉冲峰值Vi，经过步进电压函数计算后得到一组新的电压值(V1′、V2′、V3′、V4′)及第三反馈信号Vt，同时计算当前情况下的偏振消光比；
比较第二反馈信号计算后的增量Δ＝Vt-Vi，如果Δ<0，接受新的一组电压值(V1′、V2′、V3′、V4′)为当前解，如果Δ>0，计算概率
Figure BDA0001877415230000031
Ti为当前退火温度，设置a是0到1的随机数，若P≥a，接受新的一组电压值作为当前解，否则继续以原来的一组电压值作为当前解进行下一次计算；
更新内循环次数i＝i+1；如果i<l，返回执行前一步骤；如果i>l，更新外循环次数n＝n+1，同时更新当前退火温度Tk+1＝p·Tk；
实时监测当前偏振消光比，如果满足设定的偏振消光比阈值，则终止算法运行，完成偏振锁定，当前解即为最优解；若未满足设定的偏振消光比阈值，当n>k，循环迭代结束，将当前解作为最优解输出。
其中，在对连续光源调制产生脉冲光，经分束器作用分为本地光场和信号光场的步骤中，连续光源经由两个级联的振幅调制器后，调制为重复速率500kHz、脉宽100ns、消光比80dB的脉冲光。脉冲光经过99/1的分束器分为本地光场和信号光场。
其中，设定的偏振消光比阈值为25dB。
其中，积分型光信号探测模块基于电荷放大器原理，将单个脉冲光的能量转换为输出电脉冲的峰值电压。
其中，获取连续变量量子密钥分发***的同步时钟信号为具有延时的时钟信号，用以触发FPGA硬件控制高速A/D精确采集峰值电压，该电压一方面作为偏振锁定算法的反馈信号，同时用来监测脉冲光强的瞬时变化，增强对本振光抖动攻击的防御能力。
其中，条件模拟退火算法中采用分段步长步进电压函数，在偏振控制初始阶段，距离最优解较远，采用大步长的步进电压函数，当反馈信号达到一定值时，采用小步长的步进电压函数；步长值根据实时偏振消光比的大小来设定，以达到最佳的锁定效果。
区别于现有技术，本发明提供了一种连续变量量子密钥分发***脉冲光高速偏振锁定方法，利用基于电荷放大器的积分型光信号探测器，将单个脉冲光的能量实时转换为输出电脉冲的峰值电压，实现单个光脉冲信号能量的实时测量，无需进行高速采集和后续积分，有效节省了***采集资源；同时利用FPGA硬件数据处理速度快、实时性好的特点，快速运行条件模拟退火算法搜索目标偏振态，实现脉冲光情况下高速偏振锁定；同时实时监测本地光场功率的变化，增强了***对本振光抖动攻击的防御能力。通过本发明，能够有效解决由于外场复杂环境导致的光场偏振态快速漂移的问题。
附图说明
图1是本发明提供的一种连续变量量子密钥分发***脉冲光高速偏振锁定方法的流程示意图；
图2是本发明提供的一种连续变量量子密钥分发***脉冲光高速偏振锁定方法中高速偏振锁定结果；
图3是本发明提供的一种连续变量量子密钥分发***脉冲光高速偏振锁定方法中偏振锁定所用时间概率分布图；
图4是本发明提供的一种连续变量量子密钥分发***脉冲光高速偏振锁定方法中高速偏振锁定实验装置示意图；
图5是本发明提供的一种连续变量量子密钥分发***脉冲光高速偏振锁定方法中条件模拟退火算法的逻辑示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步更详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
参阅图1，图1是本发明提供的一种连续变量量子密钥分发***脉冲光高速偏振锁定方法的流程示意图。该方法的步骤包括：
S110：对连续光源调制产生脉冲光，经分束器作用分为本地光场和信号光场，在连续变量量子密钥分发***的发送端采用时分复用、偏振复用的方式，使本地光场和信号光场在同一根光纤中传输，经过长距离单模光纤传输后到达接收端。
在本发明的一个实施方式中，连续光源经由两个级联的振幅调制器后，调制为重复速率500kHz、脉宽100ns、消光比80dB的脉冲光。脉冲光经过99/1的分束器分为强的本地光场和弱的信号光场，信号光场经过振幅和相位调制，实现高斯调制相干态协议，采用时分复用、偏振复用技术让本地光场和信号光场在同一根长距离单模光纤中传输到达接收端。
S120：在接收端利用分束器分出第一部分光场，用来恢复连续变量量子密钥分发***的同步时钟信号。
S130：剩余部分光场通过动态偏振控制器和偏振分束器实现本地光场和信号光场的偏振解复用，利用分束器将本地光场分出其中的第二部分本地光场作为高速偏振锁定的第一反馈信号。
本地光路中利用相位调制器随机变换测量基，同时也用于信号光和本地光相对相位的锁定。最后利用平衡零拍探测器测量信号光场的正交振幅分量和正交位相分量。
长距离单模光纤经过分束器分出一部分光，利用时钟恢复模块得到可精确延时的同步时钟信号，经过动态偏振控制器和偏振分束器，信号光场和本地光场得以分离，用分束器将本地光场分出一部分作为高速偏振锁定的反馈信号；通过电荷放大器的积分型光信号探测模块，将单个脉冲光转换为输出电脉冲的峰值电压；利用***同步时钟作为触发信号，通过FPGA控制高速A/D采集积分型光信号探测模块输出电脉冲的峰值电压作为算法反馈信号，利用FPGA硬件实现条件模拟退火算法搜索目标偏振态，将输出控制信号通过数字输出口驱动动态偏振控制器，完成脉冲光情况下的高速光场偏振锁定。
S140：通过积分型光信号探测装置将第一反馈信号探测转换为输出电脉冲的峰值电压，利用***同步时钟作为触发信号，通过采集电脉冲峰值电压实时监测脉冲光强变化。
S150：同时将采集的峰值电压作为第二反馈信号，利用第二反馈信号进行条件模拟退火算法，搜索目标偏振态，确定偏振锁定信号并将偏振锁定信号加载到一动态偏振控制器，实现脉冲光偏振的高速锁定。
偏振控制单元中，使用的动态偏振控制器是由4个挤压器组成，4个挤压器与x轴方向的夹角依次为0°、45°、0°、45°，输入动态偏振控制器每个通道的电压范围0-5V，由FPGA硬件的20路数字输出口驱动动态偏振控制器。
动态偏振控制器单元中，用FPGA实现条件模拟退火算法搜索目标偏振态，以偏振消光比大于25dB作为偏振控制算法停止的判决阈值，具体实现步骤如下：
步骤(1)设置模拟退火算法中的内循环和外循环次数l和k,初始温度T0；
步骤(2)设置内循环初始值i＝1；外循环初始值n＝1；
步骤(3)定义温度更新函数为指数递减函数Tk+1＝p·Tk(0<p<1)；
步骤(4)动态偏振控制器有4个挤压器，所以取一组固定初始电压值(V1、V2、V3、V4)加载到动态偏振控制器，采集本地光场脉冲峰值Vi作为反馈信号；初始电压值经过步进电压函数后得到一组新的电压值(V1′、V2′、V3′、V4′)，采集反馈信号Vt，同时计算当前情况下的偏振消光比；比较采集到反馈信号的增量Δ＝Vt-Vi，如果Δ<0，接受新的一组电压值(V1′、V2′、V3′、V4′)为当前解，如果Δ>0，计算概率
Figure BDA0001877415230000071
Ti为当前退火温度，a是0到1的随机数，若P≥a，接受新的一组电压值作为当前解，否则继续以原来的一组电压值作为当前解进行下一次迭代。
步骤(5)更新内循环次数i＝i+1；如果i<l，返回执行步骤(4)；如果i>l，更新外循环次数n＝n+1，同时更新当前退火温度Tk+1＝p·Tk；
步骤(6)实时监测当前偏振消光比，如果满足设定的偏振消光比阈值，则终止算法运行，完成偏振锁定，当前解即为最优解，如果不满足设定偏振消光比，返回步骤(4)；
步骤(7)当n>k，循环迭代结束，此时当前解作为最优解输出。
图2所示为高速偏振锁定结果，经过高速偏振锁定以后，偏振消光比大于25dB的概率99.5％。图3是偏振锁定所用时间概率分布，偏振锁定周期的平均值为1544微秒。图4是高速偏振锁定实验装置图。图5是条件模拟退火算法原理图。
本发明提出的一种连续变量量子密钥分发***中脉冲光高速偏振锁定方法，可以高速锁定光场偏振态，有效克服长距离单模光纤在外场环境下的温度、振动等变化导致的双折射效应对于光场偏振态的影响；同时可精确实时监测光场功率的变化，增强***对本振光抖动攻击的防御能力。本发明可提高连续变量量子密钥分发***在外场复杂环境下的安全性、稳定性，为连续变量量子密钥分发的实用化发展提供了技术保障。
区别于现有技术，本发明提供了一种连续变量量子密钥分发***脉冲光高速偏振锁定方法，利用基于电荷放大器的积分型光信号探测器，将单个脉冲光的能量实时转换为输出电脉冲的峰值电压，实现单个光脉冲信号能量的实时测量，无需进行高速采集和后续积分，有效节省了***采集资源；同时利用FPGA硬件数据处理速度快、实时性好的特点，快速运行条件模拟退火算法搜索目标偏振态，实现脉冲光情况下高速偏振锁定；同时实时监测本地光场功率的变化，增强了***对本振光抖动攻击的防御能力。通过本发明，能够有效解决由于外场复杂环境导致的光场偏振态快速漂移的问题。
以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种连续变量量子密钥分发***脉冲光高速偏振锁定方法，其特征在于，包括：
对连续光源调制产生脉冲光，经分束器作用分为本地光场和信号光场，在连续变量量子密钥分发***的发送端采用时分复用、偏振复用的方式，使本地光场和信号光场在同一根光纤中传输，经过长距离单模光纤传输后到达接收端；
在接收端利用分束器分出第一部分光场，用来恢复连续变量量子密钥分发***的同步时钟信号；
剩余部分光场通过动态偏振控制器和偏振分束器实现本地光场和信号光场的偏振解复用，利用分束器将本地光场分出部分本地光场作为高速偏振锁定的第一反馈信号；
通过积分型光信号探测装置将第一反馈信号探测转换为输出电脉冲的峰值电压，利用***同步时钟作为触发信号，通过采集电脉冲峰值电压实时监测脉冲光强变化；
同时将采集的峰值电压作为第二反馈信号，利用第二反馈信号进行条件模拟退火算法，搜索目标偏振态，确定偏振锁定信号并将偏振锁定信号加载到一动态偏振控制器，实现脉冲光偏振的高速锁定；
在利用第二反馈信号进行条件模拟退火算法的步骤中，包括步骤：
设置模拟退火算法中的内循环和外循环次数l和k，初始温度T0；设置内循环初始值i＝1；外循环初始值n＝1；定义温度更新函数为指数递减函数为Tk+1＝p·Tk(0＜p＜1)；
采集动态偏振控制器的挤压器的固定初始电压值(V1，V2，V3，V4)，加载到动态偏振控制器，采集作为第二反馈信号的本地光场脉冲峰值Vi，经过部件电压函数计算后得到一组新的电压值(V1′，V2′，V3′，V4′)及第三反馈信号Vt，同时计算当前情况下的偏振消光比；
比较第二反馈信号计算后的增量Δ＝Vt-Vt，如果Δ<0，接受新的一组电压值(V1′，V2′，V3′，V4′)为当前解，如果Δ＞0，计算概率
Figure FDA0003511994740000011
Ti为当前退火温度，设置a是0到1的随机数，若P≥a，接受新的一组电压值作为当前解，否则继续以原来的一组电压值作为当前解进行下一次计算；
更新内循环次数i＝i+1；如果i＜l，返回执行前一步骤；如果i>l，更新外循环次数n＝n+1，同时更新当前退火温度Tk+1＝p·Tk；
实时监测当前偏振消光比，如果满足设定的偏振消光比阈值，则终止算法运行，完成偏振锁定，当前解即为最优解；若未满足设定的偏振消光比阈值，当n＞k，循环迭代结束，将当前解作为最优解输出。
2.根据权利要求1所述的连续变量量子密钥分发***脉冲光高速偏振锁定方法，其特征在于，在对连续光源调制产生脉冲光，经分束器作用分为本地光场和信号光场的步骤中，连续光源经由两个级联的振幅调制器后，调制为重复速率500kHz、脉宽100ns、消光比80dB的脉冲光；脉冲光经过99/1的分束器分为本地光场和信号光场。
3.根据权利要求1所述的连续变量量子密钥分发***脉冲光高速偏振锁定方法，其特征在于，设定的偏振消光比阈值为25dB。
4.根据权利要求1所述的连续变量量子密钥分发***脉冲光高速偏振锁定方法，其特征在于，所述积分型光信号探测模块基于电荷放大器原理，将单个脉冲光的能量转换为输出电脉冲的峰值电压。
5.根据权利要求1所述的连续变量量子密钥分发***脉冲光高速偏振锁定方法，其特征在于，获取连续变量量子密钥分发***的同步时钟信号为具有延时的时钟信号，用以触发FPGA硬件控制高速A/D精确采集峰值电压，该电压一方面作为偏振锁定算法的反馈信号，同时用来监测脉冲光强的瞬时变化，增强对本振光抖动攻击的防御能力。
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