量子密钥分发系统的信道自适应方法及基于其的qkd系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及量子通信领域，特别是提供了一种量子信道自适应的方法以及基于该 方法的量子密钥分发系统，可以提高量子通信网络中QKD系统的工作效率以及运行的可靠 性，具有量子密钥分发设备产品化及商用化方面的创新性和实用性。
【背景技术】
[0002] 量子密钥分发（QuantumKeyDistribution,QKD)作为量子通信领域中最贴近于 实用化的一个方向，近几年取得了引人注目的进展，QKD网络的研究也随之大力开展开来。 在QKD网络中，通常将用于传输信号光和同步光的信道叫做量子信道，将用于传输密钥协 商信息等其他信息的信道叫做经典信道，量子信道与经典信道是相对而言的。本发明所述 的信道自适应指的是量子信道自适应。
[0003]目前实用化的QKD网络中，采用光纤作为量子信道，采用BB84协议，采用偏振编码 方式的QKD系统，该系统具有成码率高、终端设备稳定、易于互联互通等优点；但由于光纤 的双折射效应，外界环境对光纤量子信道干扰影响较大，QKD系统工作过程中还需要进行偏 振反馈。QKD系统在正式上线运行（启动工作）前，需要对同步光和信号光的光强进行设 置。
[0004] 一方面，同步光相对于信号光是强光，在实用化的QKD网络中，考虑成本及维护等 因素，QKD系统的同步光光强一般设置为一固定的值，在系统运行过程中不对其进行调节。 该同步光光强的设置，只要满足同步光在经过QKD系统能够支持的最大路径衰减后，仍然 能够被接收端的同步光探测器正确地甄别到（没有丢失）即可。由于同步光探测器通常采 用普通光电探测器，其对光强的容忍范围较宽，这样即使QKD网络中节点间的路径衰减较 小，采用该固定光强的同步光仍然能保证系统的正常工作。所述的路径衰减，是指节点间量 子信道的路径衰减，或称信道衰减。
[0005]另一方面，QKD系统的安全性要求系统进行密钥生成时，需要使用单光子信号。现 有的做法是系统发送端根据计算好的理论值，设置信号光激光器的衰减值，将信号光衰减 到单光子水平，即每脉冲的平均光子数小于1。这个衰减值设置后就保持不变，通常称为默 认衰减值。QKD系统启动工作后，每个阶段使用的信号光都是这样经过强衰减得到的弱光信 号。
[0006]现有技术中QKD系统的工作流程如图1所不，QKD系统启动后，首先进打系统初 始化，系统初始化完成之后，才能正式进入密钥生成的阶段。系统初始化主要包括两部分： 延时扫描和偏振反馈。延时扫描的过程一般是指，系统发送端按照固定的频率发送包含不 同偏振态的信号光，系统接收端通过调节单光子探测器的门控信号的延时，使得单光子探 测器的开门时刻与信号光光子的到达时刻在时序上达到一致，从而保证探测器能够正确的 探测到光子。当在一定时间内，探测器的计数达到最大时（出现了扫描峰值），也即探测器 门控信号的延时调节到了最佳位置，延时扫描过程结束，此时系统接收端的单光子探测器 能够最大程度的探测到信号光光子。偏振反馈的过程一般是指，系统发送端按照固定的频 率发送只包含某一种偏振态的信号光光子，例如，只发送一路含水平偏振态（H偏振态）的 信号光，由于信号光在光纤信道中传输时，其偏振态可能会发生较大改变，H偏振态可能会 变成与其正交的垂直偏振态（V偏振态），致使该信号被与V偏振态相对应的单光子探测器 (V路探测器）探测到，从而引起系统误码率的增加，因此系统接收端需要对该路信号光的 偏振态进行反馈调节，使得与H偏振态相对应的单光子探测器（H路探测器）的计数达到最 大，而V路探测器的计数达到最小。
[0007] 上述系统初始化的过程，是根据系统接收端单光子探测器对信号光的探测计数来 进行反馈调节的。当QKD网络中某两个节点间路径衰减较大（但不超过QKD系统能够支持 的最大路径衰减），所发送信号光的出口光强为单光子水平的情况下，系统接收端单光子探 测器的计数会很少，并且探测器存在一定的本底计数，这些因素会造成系统初始化的过程 耗时增加，甚至系统初始化无法完成，即QKD系统不能很好的适应这两个节点间的量子信 道，无法快速有效地建立起QKD过程。
[0008] 现有QKD网络中各节点间的量子信道性能，由于实际环境的不同而存在较大差 异，当某两个节点之间的信道衰减较大时，就会出现上述不能适应该量子信道的问题，这会 造成QKD网络整体性能的下降。
[0009] 现有的技术方案中，如专利号为US7242775B2的美国专利《Opticalpulse calibrationforquantumkeydistribution》中提到一种QKD系统中校准光脉冲的方法， 其方案是断开发送端和接收端之间的光路，并且使用光功率计测量发送端出口光强，然后 在可调范围内调节可调光衰减器（V0A)的衰减值，记录发送的光功率和衰减值的设置之间 的关系，并存储形成一个表，根据该表再手动调节V0A至合适的衰减值，即上文所述的默认 衰减值，使得QKD系统发送端的出口光强衰减到预期的单光子水平，对应于信号光每脉冲 的平均光子数小于1，例如为〇. 3。本发明专利申请的方案是在上述过程完成后，即信号光 已衰减成单光子水平后，在不同的量子信道环境下，解决如何调节信号光强度，使得QKD系 统能适应不同性能的量子信道，从而快速有效地建立起QKD过程的问题。
[0010] 综上所述，现有技术中的缺点包括：
[0011] 1、现有QKD系统在系统初始化阶段使用与量子密钥生成阶段相同强度的信号光， 该信号光是已衰减至单光子水平的弱光信号，当QKD网络中某两个节点间信道衰减较大 时，会造成系统初始化的过程耗时增加甚至无法完成，致使相应节点间的QKD过程不能快 速有效地建立起来，QKD网络整体性能下降；
[0012] 2、现有QKD系统不能自动适应路径衰减较大的量子信道，即不能做到信道自适 应，不利于组网运行。
【发明内容】
[0013] 本发明所要解决的技术问题在于提供量子密钥分发系统的信道自适应方法以及 基于上述量子密钥分发系统的信道自适应方法的QKD系统，使得系统初始化的过程能够顺 利完成，使QKD过程能够快速有效地建立起来。
[0014] 本发明通过以下手段解决上述技术问题的：一种量子密钥分发系统的信道自适应 方法，是在系统初始化阶段减少发送端对信号光的衰减，增大信号光的出口光强，然后开始 系统初始化的过程，包括延时扫描和偏振反馈，使得系统初始化的过程完成，系统初始化完 成后，将信号光的衰减恢复为默认衰减值对应的单光子水平，开始量子密钥生成的过程。
[0015] 作为上述方案的进一步改进，所述在系统初始化阶段减少发送端对信号光的衰 减，增大信号光的出口光强是通过以下步骤实现的：首先确定出需要下发的补偿衰减值，然 后将该补偿衰减值下发给QKD系统发送端，QKD系统发送端根据该补偿衰减值重新调整信 号光的衰减。
[0016] 确定出需要下发的补偿衰减值的方法可以采用以下三种的任一种：
[0017] 第一种：
[0018] 确定出需要下发的补偿衰减值的方法包括以下步骤：
[0019] 步骤SI:QKD系统启动；
[0020] 步骤S2 :根据QKD系统的参数进行信道评估，建立起一张反映信道衰减值与探测 器理论总计数值关系的第一表格，再根据第一表格，建立反映探测器实际总计数值与补偿 衰减值关系的第二表格；
[0021] 步骤S3 :然后启动延时扫描，得到扫描峰值，根据扫描峰值，相当于探测器实际总 计数值，查找上述第二表格，确定出需要下发的补偿衰减值。
[0022] 该种技术方案，信道评估建立表格的过程，是在QKD系统启动后进行，这种情况适 用各种型号及参数设置的QKD系统。
[0023] 第二种：
[0024] 确定出需要下发的补偿衰减值的方法包括以下步骤：
[0025] 步骤S10 :首先根据已知QKD系统的参数进行信道评估，建立起一张反映信道衰减 值与探测器理论总计数值关系的第一表格，再根据第一表格，建立反映探测器实际总计数 值与补偿衰减值关系的第二表格；
[0026] 步骤S20 :然后进行QKD系统启动；
[0027] 步骤S30 :启动