[发明专利]一种量子保密通信中的时间同步方法和系统

说明书

本发明提供一种量子保密通信中的时间同步方法和系统，包括步骤：S1、出射信号光和同步光；S2、将信号光和同步光耦合后经过同一根少模光纤信道传输；S3、接收耦合后的信号光和同步光并将信号光和同步光进行分束；S4、探测信号光和同步光，确定信号光光脉冲和同步光光脉冲之间的链路传输延时，对信号光进行同步修正；S5、对同步光进行帧编号，并根据每个信号光光脉冲与其所属帧的同步光光脉冲时间间隔对每个信号光光脉冲进行标号；S6、识别同步光的帧编号，测量信号光光脉冲距离其所属帧的同步光光脉冲的时间间隔；并根据时间间隔判断接收到的信号光光脉冲的标号；将接收到的信号光光脉冲的标号与发送的信号光光脉冲的标号一一对应。

技术领域

本发明涉及量子通信技术领域，特别是涉及一种量子保密通信中的时间同步方法和系统。

背景技术

量子保密通信基于量子力学基本原理，具有无条件安全的特性。量子保密通信以单光子作为载体，实现终端之间的信息保密安全地传输。近十几年，量子保密通信技术飞速发展，其核心量子密钥分发(QKD)已经实现了一系列工程化应用，为国家安全、金融、电力等领域信息业务提供量子安全保障。

量子密钥分发分为发送端Alice和接收端Bob，多采用单模光纤作为传输信道。发送端Alice随机选择一组基矢(“+”基矢或“×”基矢)和在这个基矢下的某一个态对光子进行编码，可得到四种偏振态光子，分别是水平偏振态H(记作→)、垂直偏振态V(记作↑)、+45°偏振态P(记作↗)、-45°偏振态N(记作↘)。经过信道传输后光子被接收端Bob接收。Bob接收到光子后，也随机选择一组基矢进行测量，并且将测量结果记录下来。Alice和Bob选择基矢都是随机且相互独立的。

随后，Alice和Bob通过经典信道进行基矢比对，即Bob公布其测量光子时所选用的基矢，Alice比对Bob选择的基矢与其发送光子时所选择的基矢，保留选择基矢相同的数据，选择不同基矢的数据抛弃。随后经过纠错、隐私放大等步骤得到安全的密钥。

QKD设备在正常运行工作之前，需要进行自校准。QKD设备校准工作主要包括光强反馈、延时扫描、偏振反馈以及同步修正。

光强反馈功能完成强度维稳，补偿强度调制器因外界环境变化产生的波动，使之保持在预设状态。延时扫描功能完成对门控的雪崩单光子探测器的探测效率的优化。门控单光子探测器的门控信号经过4路可调延时的延时芯片，通过调节该延时芯片的延时值得到探测效率计数率曲线并找到最大值，该情况下的延时芯片的设置值为最优值。偏振反馈功能完成基于偏振编码的QKD系统信号光脉冲的偏振态监测与反馈补偿。

最后，进行同步修正步骤。同步修正功能完成探测器接收到的信号光脉冲的时间相对于同步光脉冲到达时间的差值测量，因为光纤链路和电子学线路会对信号光和同步光产生不同的链路延时。所以在系统初始化阶段启动同步修正，通过同步修正功能得到上述时间差值，可以用于后续判断探测时间位置和发送序列位置之间的相对关系。

同步修正功能保证量子保密通信双方Alice和Bob在进行通信过程中的时间同步，确保双方是针对同一个光子态所属的基矢进行基矢比对，不会出现错位。时钟同步技术是量子保密通信系统的关键技术，决定了是否能够生成安全的量子密钥。

现有时钟同步技术主要包括两种。第一种方法是通过两根光纤来分别传输量子信号光和时钟同步的同步光信号。额外占用一根光纤用作同步光信号传输信道极大浪费光纤资源。而且，量子信号光和同步光分别在两根光纤中传输，两者的传输环境不同，在传输过程中存在相对相位抖动的缺陷。第二种是基于波分复用的方法，通过同一根光纤来传输量子信号光和同步光。比如，同步光波长有别于量子信号光波长，并且同步光频率比量子信号光频率要小很多。同步光和量子信号光通过波分复用器耦合进入同一根单模光纤中传输。通过延时模块控制量子信号光与同步光的相位差，确保同步光信号不会对量子信号光产生串扰。