[发明专利]一种用于量子密钥生成系统的实时位同步修正方法

说明书

本申请提供一种用于量子密钥生成系统的实时位同步修正方法，该方法利用多个局域延时值测量获取探测器最佳延时值，通过延时控制单元调控，实现实时位同步修正。主要步骤包括：①设定每个探测器计数的计数积累时间,记录并更新各探测器单位时间最大计数值；②计算各探测器的位同步修正延时搜索范围和所需搜索的延时值；③延时控制单元调节各探测器的延时值；④探测器计数；⑤位同步处理单元判断是否完成位同步修正延时搜索范围的搜索，未完成则回到第四步；⑥位同步处理单元根据计数得到各探测器的最佳延时值，并把最佳延时值发送给延时控制单元，延时控制单元据此控制各探测器的延时设置，实现实时位同步修正。

技术领域

一种量子密钥生成系统的实时位同步修正方法，以解决现有技术中由于外部环境变化，造成量子密钥生成系统接收端探测计数降低，从而导致安全密钥生成速率降低的问题。

背景技术

进入二十一世纪以来，随着互联网的全面推广，全球信息化水平持续提升，政府、国防、企业、个人对信息安全的关注程度日益增强，对信息安全的需求也与日俱增。与此同时信息安全也面临着越来越严重的威胁，特别是于1994年提出的基于量子计算机的Shor算法，颠覆性得破坏了基于计算复杂度的经典密码学协议的基础。

而近年来，量子密钥分发(QKD，Quantum Key Distribution)技术引起了广泛的关注，因为其无条件安全性是由量子力学的基本原理所保证。国际上许多科研机构对其理论和应用进行了深入研究，同时一些公司也陆续推出了商用化的量子密钥分发产品。

在量子密钥分发系统中，发射端通过对量子信号(光子)进行编码后通过量子信道发送至接收端。常用的量子信道包括光纤和自由空间(即：大气)。接收端需要确认光子到达的时间，以便使用探测器在正确时刻进行探测，这一过程即为位同步过程。完成位同步过程后，量子密钥分发系统才可以进行后续的协商处理过程产生安全密钥。

发明人在本申请的研究过程中发现，探测器进行探测的最佳时刻是随着时间而变化的。这是因为光子在量子信道的传输时间通常受到环境的影响而发生变化，特别是环境温度发生变化时，量子信道的长度和折射率也会随之变化。当光子传输时间发生变化时，探测器进行探测的最佳时刻也随之变化。使用变化前的“探测最佳时刻”进行探测将会导致探测器的有效探测效率降低，探测计数随之降低，量子密钥分发系统的安全密码生成速率也将明显降低甚至无法正常运行。

以基于光纤的量子信道为例说明如下：随着环境温度的变化，光纤的长度和折射率均会发生变化，光子的传输时间改变量Δt计算如下：

式中，n_eff为折射率，L_eff为光纤长度，ΔTemp为温度变化量，α为线性膨胀系数，ξ为折射率温度系数。

对于熔融石英光纤，线性膨胀系数α＝5.5×10^-7/℃，折射率温度系数ξ＝n_eff×0.68×10^-5/℃，那么根据上述公式计算可知：每公里光纤在每摄氏度的温度改变下，光子传输时间的变化约为30ps。那么对于一个运行在北京地区的量子信道长度为100km的量子密钥分发系统，光子传输时间的变化最大可以达到30000ps。(根据中国气象局天气2018年10月18日预报结果：多云，13～23摄氏度，东风3～4级。)

为了保证量子密钥生成系统的稳定运行，需要在量子密钥生成系统在工作过程中根据外部环境的变化调整探测器进行探测的最佳时刻，这一过程称之为位同步修正过程。目前常见的位同步修正方案为中断式位同步修正方案。除此以外，还可以通过波长优选方案以降低外部环境对量子密钥生成系统的影响。

目前的中断式位同步修正的解决方案为:当探测器计数值出现明显降低时(例如：当前探测器计数值小于探测器计数最大值的50％)，会导致系统的整体信噪比明显降低，误码率显著提升，此时量子密钥生成系统已经无法正常工作，需要停止量子密钥生成系统的密钥生成流程，启动位同步流程，完成位同步流程后再次重新启动量子密钥生成系统的密钥生成流程。