[发明专利]量子通信系统的实时延时跟踪装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及量子保密通信，具体而言是在量子保密通信系统中，针对单光子探测器中时钟和信号存在的延迟漂移问题，用一种“短步长、长积分”的实时延迟跟踪方法扫描定位最佳延时点，从而保证单光子探测器获得最大的计数，确保量子密钥成码率。

背景技术

量子保密通信是近三十多年来迅速发展起来的一个热门研究领域，是目前公认的能够实现无条件安全的通信方式。量子密钥分发技术自从1984年由Bennett.C.H和G.Brassard提出以后，得到了科学界的广泛关注。如今许多国家都看好量子保密通信的前景，欧美等发达国家已经开始了高速量子通信和大规模保密通信网络的探索，我国也将其列为重点科研项目进行研究。

量子保密通信系统的实施方案有很多种，包括偏振、相位、纠缠态方案等。在量子密钥分发过程中，信息被加载到单光子上，利用其量子特性实现信息的传递，并通过后期的基比对等操作筛选出密码。在整个密钥产生的过程中，一个重要的环节就是对单光子的检测，因为单光子的能量极低，仅为10-19J量级，因此在实用化的量子通信系统中需要使用超灵敏的单光子探测设备进行检测，而且单光子探测器的性能好坏直接决定了量子通信系统中成码率和误码率等核心参数的优劣。

就目前而言，量子通信系统中最常用到的单光子探测器件为基于InGaAs的雪崩光电二极管(APD)。当其工作在“盖革模式”下时，只有当探测门脉冲出现的时间段内，APD才进入雪崩模式，实现对单光子的探测；而在没有门脉冲时，APD工作在线性区内，不发生雪崩。这种模式可以有效的使APD淬灭，并且提升了探测器的信噪比。

基于这种工作模式，单光子探测器只在门脉冲的时间内响应入射光子，因此在进行系统设计时，必须确保门脉冲和单光子脉重合，才可获得最佳的探测效率和成码率。但是在实际情况下，门脉冲和单光子脉冲往往由不同的信道提供，由于环境温度、机械振动等原因导致的光纤长度和折射率的变化，都会引起门脉冲和单光子脉冲的相对延迟发生漂移，这种漂移将直接导致计数率的下降(从而导致成码率下降)，甚至使密钥分发过程失败。

目前，解决这一问题的常用方案是中断通信，对门脉冲和单光子脉冲的相对延时重新进行扫描，以找到最佳的延时点。此方案弊端在于通信会被中断，降低系统的工作效率。本发明提出了一种新的寻找最佳延时点的方案，克服了前述方案的缺点。

发明内容

本发明的目的是：提出实时延时跟踪装置和方法，其能够实现不用中断通信即可实时找到最佳延时点。

本发明建立了一套在量子密钥分发中实时控制单光子探测器门脉冲延时的方案，利用环境变化通常为慢变过程的特点，对扫描过程采用“短步长，长积分”的方案，可以在不中断通信的条件下对探测器门脉冲的延时进行扫描，寻找出最佳延时点，这种方式不仅可以使单光子探测器的计数值始终保持在较高的水平，并且具有实时跟踪的特点。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

在量子保密通信探测模块中，利用FPGA控制延时芯片对单光子探测器门脉冲的相位延时进行“短步长”的扫描。因每一步延时改变很小，探测计数值的变化控制在很小的范围内，对通信成码影响十分微小。同时，由于单光子探测器的探测效率有一定范围的波动，加上“短步长”的延时改变不易区分出探测计数的变化，因此本发明中还采用了“长积分”的计数方法，将较长时间内的光子计数值累积保存于FPGA中，用做反馈判断。长时间的累积计数能有效减小噪声抖动带来的误差，准确的区分出延时改变前后计数大小的改变。FPGA对前后两次数据进行比较，按照相应的算法判断延迟调节的方向，从而实现对最大计数值的实时跟踪。

一种量子通信系统的实时延时跟踪装置，包括控制装置、延时装置和单光子探测器，其中，

控制装置用于控制延时装置产生一定步长的延时；

延时装置用于产生延时，并将该延时作用于单光子探测器的时钟，使得由时钟延时产生的门脉冲触发单光子探测器对入射单光子信号进行探测；

单光子探测器用于将探测到的单光子信号计数反馈到控制装置中；

控制装置将预定时间内的所述计数累积值Y与预先存储的所述预定时间内的单光子信号的计数累积值X进行比较，根据比较结果寻找正确的延时方向，进行下一步的延时跟踪。

如上所述的实时延时跟踪装置，其特征在于：

控制装置首先把预定时间内的单光子信号计数累积后存入变量X中，然后控制延时装置产生一定步长的延时，并把之后单光子探测器在所述预定时间内探测到的单光子信号计数累积后存入变量Y中；