[发明专利]用于偏振编码量子密钥分发系统的偏振自启动方法

说明书

技术领域

本发明涉及量子保密通信技术领域，具体讲的是在偏振编码量子密钥分发（QKD）系统中，利用收发两端的数据交换，实现对多个偏振控制器（EPC）的流程化操作，从而完成系统偏振状态的自动初始化，实现系统的全自动控制，达到真正的“即插即用”。

背景技术

量子保密通信双方利用单光子态加载与传输信息，其安全性由量子力学测不准原理和未知量子态不可克隆原理共同保证。由于单光子不可再分，窃听者任何窃听与分离操作都会在信道引入不可忽视的误差，从而被通信双方发现，因而这是一种绝对安全的信息交换方案。

现有的量子保密通信编码方案主要有偏振编码、相位编码与纠缠态编码等，其中偏振编码方案利用光子的极化进行编码，具有简单直观，插损小的优势，适合于长距离的保密通信。但是，由于光双折射效应，光偏振态很难在长距离光纤中保持长期稳定，这将对系统成码率和稳定性带来致命的影响。目前解决这一问题的方法通常是利用电动偏振控制器挤压光纤产生形变引入附加双折射来补偿光纤中的偏振随机抖动，实现目标偏振态的输出，但是这种方式通常只关注单个偏振态的变化情况，而且由于反馈信号来自于接收端的单光子探测器，所以很难对发送端的偏振状态进行操作。可以说，现有的量子密钥分发系统一直缺乏完善的、系统的、具有自启动功能的偏振控制方法，所用偏振控制方案均需手调与自动控制相结合，尤其在系统每一次上电或工作环境变化时，都需要人为参与偏振态的初始化，这无疑增加了系统的操作难度，降低了其作为实用化设备的应用价值。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种用于偏振编码量子密钥分发系统的偏振自启动方法，该方法利用专用数据信道协作收发双方的工作状态，并通过单光子探测器的检测结果计算出反馈量的大小，然后按照协议流程逐个驱动EPC挤压光纤产生形变，从而获得满足偏振编码协议要求的四个初始偏振态，保证后续密钥产生过程的顺利进行。该方法代替手动操作，提升量子通信系统的智能特性，且具有高效率和高稳定性的特点。

实现本发明目的的具体技术方案是：

在收发两端均配置了现场可编程门阵列（FPGA）逻辑芯片，通过FPGA控制光模块在两端建立起通讯连接。单光子探测器获得的光子计数信号同样输入到FPGA中进行分析，在对EPC进行偏振反馈控制的过程中，如果是对接收端的EPC进行控制，则由接收端的FPGA直接执行；如果是对发送端的EPC进行控制，则首先由接收端的FPGA将采样数据传送到发送端，然后由发送端执行。

对于不同的EPC，发送端（Alice）触发相应的激光器，进行目标偏振基的校准工作。FPGA记录下单光子探测器的计数值，并在单位时间内对计数值进行累加，计算目标偏振基的偏振对比度P，由P值的大小形成反馈量对光偏振态进行调节。按照偏振编码量子密钥分发过程的协议要求，对系统中的EPC进行逐个操控，操控过程由独立的EPC驱动模块实现，整个控制流程由双方的FPGA控制，按序实现系统的偏振态初始化。

本发明在收发两端建立起专用的通信信道，利用这条信道实现了收发两端的数据处理芯片协同工作，从而不仅可以利用接收端的单光子探测器作为反馈对发送端的偏振控制器进行调节，还能系统化的控制收发两端的偏振控制器，使其按照协议所需的流程逐个对偏振态进行优化，最终实现对偏振抖动的精确校准以及系统自动初始化。

附图说明

图1为实施本发明的系统框图；

图2 为FPGA控制偏振自启动实施图；

图3为偏振初始化流程图。

具体实施方式

以下结合附图通过实例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于本领域技术人员的理解：

参阅图1，量子密钥分发系统采用偏振编码的BB84协议方案，Alice和Bob分别作为系统的发送端与接收端。在Alice端，脉冲激光器LD1～LD4负责发送激光脉冲，经过相应的偏振控制器A1～A4调节以后，它们的偏振方向被确定为H(0°)，V(90°)，Q(45°)，R(135°)四种状态， 其中H、V构成了一对正交线偏基，Q，R则构成一对正交圆偏基。经过长距离光纤传输后，这两对基的偏振态将发生改变。在Bob端，偏振控制器B1～B2分别用于对线偏基和圆偏基的校准，从而保证四种偏振态以预期的方式进入偏振分束器进行检偏。检偏后的光子其偏振态即被确定为H、V、Q、R，并分别由四个单光子探测器D1～D4接收。