连续变量量子密钥分发系统脉冲光高速偏振锁定方法技术方案

本发明专利技术公开了一种连续变量量子密钥分发系统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，有效节省了系统采集资源；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，增强了系统对本振光抖动攻击的防御能力。通过本发明专利技术，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。

【技术实现步骤摘要】
连续变量量子密钥分发系统脉冲光高速偏振锁定方法
专利技术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系统脉冲光高速偏振锁定方法。
技术介绍
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，使得系统无法正常运行。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系统的偏振锁定技术(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。
技术实现思路
本专利技术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系统脉冲光高速偏振锁定方法。本专利技术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系统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系统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系统的同步时钟信号；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，利用系统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系统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，本专利技术提供了一种连续变量量子密钥分发系统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，有效节省了系统采集资源；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，增强了系统对本振光抖动攻击的防御能力。通过本专利技术，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是本专利技术提供的一种连续变量量子密钥分发系统脉冲光高速偏振锁定方法的流程示意图；图2是本专利技术提供的一种连续变量量子密钥分发系统脉冲光高速偏振锁定方法中高速偏振锁定结果；图3是本专利技术提供的一种连续变量量子密钥分发系统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是本专利技术提供的一种连续变量量子密钥分发系统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是本专利技术提供的一种连续变量量子密钥分发系统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专利技术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专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，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，都应属于本专利技术保护的范围。参阅图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种连续变量量子密钥分发系统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系统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系统的同步时钟信号；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，利用系统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。

【技术特征摘要】
1.一种连续变量量子密钥分发系统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系统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系统的同步时钟信号；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，利用系统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。2.根据权利要求1所述的连续变量量子密钥分发系统脉冲光高速偏振锁定方法，其特征在于，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Ti为当前退火温度，设置a是0到1的随机数，若P≥a，...

【专利技术属性】
技术研发人员：李永民，刘文元，王旭阳，
申请(专利权)人：山西大学，
类型：发明
国别省市：山西,14