【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及量子信息与鬼成像领域，具体是一种基于量子时域鬼成像方法评估量子设备时域响应特性的装置和方法，主要针对量子设备时域响应特性进行全时域监测，提高量子信息系统的安全性。
技术介绍
1、密码学是信息安全的核心，而随着量子计算机的提出与不断发展，其出现必定会对现有的密码体制产生极大的冲击。量子密钥分配(quantum key distribution,qkd)结合“一次一密”的加密手段能实现无条件安全的保密通信。这种可以无条件安全分发密钥的特性，自1984年被提出一直以来广受研究者的关注。随着qkd技术的不断发展，人们对qkd的需求不再只满足于原理性验证，实用化、商业化、小型化的qkd产品也在不断研发与改进。
2、目前qkd系统的搭建包含多个操作环节，如量子态的制备、传输、测量等，每一部分功能的实现都需要连接多个量子设备。然而受限于现在工艺的制造水平等一系列外在因素的影响，实际量子设备与理想设备模型之间存在差异。例如，单光子雪崩探测器作为qkd系统中的核心测量设备，具有高灵敏度、低暗计数率、低时间抖动等特点。在理想的情况下，单光子雪崩探测器的探测效率希望能够达到100％。然而在实际qkd系统中，探测器的探测效率随时间变化，满足一定的分布且与所加的门电压信号成正比。因此，当触发的入射光子的时间信息被擦除时，随时间变化的探测效率可能对qkd系统带来严重的安全漏洞，容易受到攻击者的攻击。目前，针对现有qkd系统所提出的攻击方案达二十多种。而在这些攻击方案中，针对量子设备的时间侧信道信息进行攻击的方案是最多也是最严重的。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种评估表征量子设备时域响应特性的装置和方法，使用量子关联特性和时域鬼成像的技术手段，实现对量子设备的时域特性进行全时域监测，从而提高量子信息系统的实际安全性。
2、为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于量子时域鬼成像方法评估量子设备时域响应特性的实验装置，包括光源处理模块、参量转换模块、以及单光子探测和符合测量模块、环形器；
3、所述光源处理模块，包括连续光激光器激光器(laser)，工作波长为1550nm，用于产生泵浦光；强度调制器(im)，用于调节泵浦光的波形；干涉滤波器(bpf)，用于对泵浦光进行滤波，消除背景噪声对系统的影响；掺铒光纤放大器(edfa)，用于控制参量转换的输入泵浦功率；偏振控制器(pc)，用于控制泵浦光的偏振状态；
4、所述参量转换模块，包括倍频晶体ppktp，用于产生非线性效应，生成780nm的参量光，制备高亮度的偏振关联光子对；光纤反射镜(fm)，用于反射上转换光子，使得参量光反射入射到倍频晶体中进行下转换，产生1550nm的量子关联光子对；
5、所述单光子探测和符合模块，包括滤波片(notch filter)，用于滤除非线性效应产生的杂散光，消除背景噪声；密集波分复用(dwdm)用于分离下转换产生的光联光子对；物体(object)为待测量子设备，通过对该量子设备的时域响应特性进行全时域监控与测量，可以有效提升系统的安全性；慢速探测器(ds)，放置于待测量子设备之后，无任何时域分辨能力，仅做触发探测器使用；快速探测器(df)，放置于参考臂端，用来实时分辨参量光的时间信息；符合计数与关联计算模块(coincidence)，用于同步记录两臂的单道计数和符合计数，随后根据记录结果进行关联计算，快速重构出待测量子设备的时域信息。
6、所述环形器(circ)，用以将泵浦光高效传输到倍频晶体上，同时还能有效隔离反射过来的参量光，降低背景噪声，提高系统效率；
7、优选地，所述强度调制器im位于激光器之后，可以通过电光调制，控制输入泵浦光的时域斩波形状，以对重构图像的时域分布以及采样时长进行精准控制；
8、优选地，所述偏振控制器pc位于环形器之前，可以通过手动调节三浆机械旋转结构改变光的偏振态，使其与倍频晶体的转换效率达到最高匹配，产生高亮度的量子光联光子对；
9、按照本专利技术的另一方面，提供了一种评估量子设备时域响应特性的量子时域鬼成像方法，包括：
10、将斩波后的泵浦光入射到倍频晶体中，发生非线性效应，产生1550nm高亮度的参量下转换光子对；
11、将量子关联光子对分成两路；test端的光子传输经过待测量子设备object后，被无时域分辨能力的慢速探测器ds探测，判断是否有光子到达；reference端的关联光子直接被有时域分辨能力的快速探测器df进行同步测量，用于探测量子光源的时域信息；
12、通过符合计数与关联计算模块同步记录两路的测量结果，进行关联计算，恢复出高质量高分辨率的待测设备的时域信号。
13、总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案和现有技术相比，能够取得下列有益效果：
14、首先，在成像过程中，参考臂的快速探测器不与物体发生任何接触，而在测试臂的慢速探测器无任何时域分辨能力，因此窃听者仅获取其中一路的测量结果，无法有效重构物体信息；
15、其次，慢速探测器做触发探测器使用，仅判断单次测量是否有信号到达，因此该成像方法对时域物体与探测器之间的失真不敏感，即使是在噪声或者湍流的背景条件下，也有利于重建时域信号；
16、最后，利用量子关联特性可以从原理上突破瑞利衍射分辨极限，达到超分辨的目的，可以有效减少测量次数，降低采样时长，提高成像效率。
17、本专利技术提出的方法，装置结构简单，可实现对待测量子设备时域信号的高质量高分辨率重构，可准确地评估表征量子设备的时域响应特性，实现对量子设备的时域特性进行全时域监测，对提高实际量子通信系统安全性有着重要的应用前景。
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1.一种基于量子时域鬼成像技术评估量子设备时域响应特性的装置，其特征在于，包括光源处理模块、参量转换模块、单光子探测和符合测量模块以及环形器；
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，强度调制器IM为基于铌酸锂材料的马赫-曾德尔干涉型调制器，通过电信号改变内部折射率从而影响光信号的相位分布，进而影响强度分布，实现电光调制，控制输入泵浦光的时域斩波形状，以对重构图像的时域分布以及采样时长进行精准控制。
3.根据权利要求1和2所述的装置，其特征在于，偏振控制器PC由保偏光纤和三浆机械旋转结构构成，可以通过手动调节三浆机械旋转结构改变光的偏振态，使其与倍频晶体的转换效率达到最高匹配，产生高亮度的量子光联光子对。
4.一种评估量子设备时域响应特性的量子时域鬼成像方法，其特征在于，包括：
【技术特征摘要】
1.一种基于量子时域鬼成像技术评估量子设备时域响应特性的装置，其特征在于，包括光源处理模块、参量转换模块、单光子探测和符合测量模块以及环形器；
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，强度调制器im为基于铌酸锂材料的马赫-曾德尔干涉型调制器，通过电信号改变内部折射率从而影响光信号的相位分布，进而影响强度分布，实现电光调制，控制输入泵浦光的时域斩波...
【专利技术属性】
技术研发人员：伍娟，王纺翔，陈巍，王仲根，兰世豪，
申请(专利权)人：安徽理工大学，
类型：发明
国别省市：
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