一种基于量子密钥分发的单光子探测方法与流程

本发明涉及量子秘钥分发技术领域，特别涉及一种基于量子密钥分发的单光子探测方法。

背景技术：

在量子密钥分配的过程中，系统的发送端发送单光子信号要在接收端被探测到，这需要在发送端发送一个同步时钟作为接收端探测单光子信号的基时钟。由于单光子发射器发送的是周期(几十纳秒)相对较长的单光子信号，所以同步信号需要延时与周期时长相同或者大于周期时长方能准确的探测到单光子信号。目前市场上可编程的延时芯片可用延时范围大多数为几纳秒到十几纳秒，即使有个别芯片能做到几十纳秒的延时，但这样的芯片市场上价格较高。如果采用普通芯片级联的方式不仅会增加设计的成本，还增加了系统的冗杂度。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种基于量子密钥分发的单光子探测方法，以解决现有技术中同步时钟信号所需要的一般延时芯片可用延时范围达不到系统要求，以及采用个别能达到要求的延时芯片市场价格较高，同时采用普通芯片级联的方式不仅会增加成本还会增加系统冗杂度的技术性缺陷。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于量子密钥分发的单光子探测方法，包括用于产生信号光以及同步光的单光子发射器，所述产生的信号光经过发射端处理后通过单光子信号光纤传送至接收端进行单光子探测，所述产生的同步光经过中央处理器生成同步时钟信号后并通过同步信号光纤传送至接收端，所述同步时钟信号作为接收端单光子探测器的探测基时钟对单光子信号进行探测，其中，在同步光经过中央处理器生成同步时钟信号的过程中，对同步时钟信号进行延时处理，同步时钟信号延时时长至单光子探测器可探测单光子信号为准。

优选地，所述对同步时钟信号进行延时处理包括以下步骤：

1)延时扫描控制状态：根据单光子发射器发送的单光子信号周期t，发射端中央处理器下发一个延时扫描控制信号，状态进入延时扫描控制状态，控制扫描延时为t/n；

2)相位选择状态：控制扫描时的n个时钟相位；

3)时钟相位状态：根据相位选择状态的结果输出n个不同相位的时钟；

4)结束状态：经过以上三种状态，得到位于何种相位的时钟时可采集到信号光发生波峰，最终确定时钟需要延时的相位及时间。

优选地，所述n个时钟相位可分为四相位，分别为0、π/2、π、3π/2，其中四相位的时钟延时时间构成一个整周期t。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

本发明的基于量子密钥分发的单光子探测方法，通过对同步信号进行相位切换和分段延时扫描的方式达到单光子信号的整周期延时，在同步时钟信号延时过程中摒弃了能做到几十纳秒的延时的高价格芯片，同时也摒弃了普通芯片级联的方式，不仅降低了系统设计的成本，也降低了系统的冗杂度。

附图说明

图1为本发明量子密钥分发系统的原理框图；

图2为本发明同步时钟信号进行寻找延时处理的流程图；

图3为本发明实施例寻找同步时钟信号延时的流程图；

图4为本发明实施例寻找同步时钟信号延时实现系统图。

图中：单光子发射器1，单光子信号光纤2，发射端中央处理器3，单光子探测器4。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明进行清楚、完整地描述。

如图1所示，一种基于量子密钥分发的单光子探测方法，包括用于产生信号光以及同步光的单光子发射器1，所述单光子发射器1包括信号激光器以及同步激光器，信号激光器用于产生信号光，同步激光器用于产生同步光，所述产生的信号光经过发射端处理后并通过单光子信号光纤2传送至接收端进行单光子探测，产生的同步光经过发射端中央处理器3生成同步时钟信号后并通过同步信号光纤传送至接收端，所示发射端中央处理器3采用fpga处理单元，所述同步时钟信号作为接收端单光子探测器4的探测基时钟对单光子信号进行探测，其中，在同步光经过发射端中央处理器3生成同步时钟信号的过程中，对同步时钟信号进行延时处理，同步时钟信号延时时长至单光子探测器4可探测单光子信号为准。

如图2所示，所述对同步时钟信号进行延时处理包括以下步骤：

1)延时扫描控制状态：根据单光子发射器发送的单光子信号周期t，发射端中央处理器3下发一个延时扫描控制信号，状态进入延时扫描控制状态，控制扫描延时为t/n，其中n的取值可根据发射端中央处理器3的处理位数以及延时芯片的最大延时时间决定；

2)相位选择状态：控制扫描时的n个时钟相位；

3)时钟相位状态：根据相位选择状态的结果输出n个不同相位的时钟；

4)结束状态：经过以上三种状态，得到位于何种相位的时钟时可采集到信号光发生波峰，最终确定时钟需要延时的相位及时间。

实施例

在量子密钥分发系统中的单光子信号通过衰减、调相以及干涉会出现周期25ns的干涉峰，由于单光子和同步信号是经过不同的光纤传输的，信号的延时也是不同的。要确保单光子探测器准确探测到单光子，就要对同步信号进行25ns的延时扫描，才能找精确的延时时间，使单光子到达探测器的时间和同步信号到达探测器的时间相同，这样才能准确的探测的单光子。

如图3所示，所述n个时钟相位可分为四相位，分别为0、π/2、π、3π/2，其中四相位的时钟延时时间构成一个整周期t，且t＝25ns。

经过延时的时钟作为单光子探测器的触发时钟，不同相位的时钟经过0～6.25ns的延时输出，可以实现整周期t＝25ns的延时扫描(这样的效果和单个0相位时钟延时整个周期一样)，最终找到单光子探测器触发时钟的延时和时钟相位。

如图4所示，实施例的实现同步光信号延时的具体步骤如下：

1)发射端中央处理器下发找延时(找延时的目的，只有在同步时钟的高电平期间单光子到达探测器这样探测效率才最高)的指令后进入开始状态，该状态下对延时控制寄存器、相位控制寄存器及时钟选择寄存器进行初始化；

2)初始化完成后进入延时控制状态，首先相位控制将不同相位的时钟送入延时控制状态，然后延时控制状态对每个相位的时钟进行固定范围的延时，本实施例中，0相位的时钟经过延时控制状态后延时了6.25ns就变成了90°相位的时钟；

3)相位控制状态主要控制输出不同相位的时钟，并且把延时后的时钟传给时钟选择状态；

4)时钟选择状态把不同相位的时钟输出到单光子探测器，根据单光子探测器的输出结果选择最恰当的相位时钟，本实施例中，0相位的时钟经过了6.25ns的延时后就变成了90°相位的时钟，根据探测器的结果若发现45°相位时钟下探测效率最高，时钟选择状态最终选择45°相位时钟作为探测器的才触发时钟。

综合本发明的原理可知，本发明的基于量子密钥分发的单光子探测方法，通过对同步信号进行相位切换和分段延时扫描的方式达到单光子信号的整周期延时，在同步时钟信号延时过程中摒弃了能做到几十纳秒的延时的高价格芯片，同时也摒弃了普通芯片级联的方式，不仅降低了系统设计的成本，也降低了系统的冗杂度。

技术特征：

技术总结
一种基于量子密钥分发的单光子探测方法，包括用于产生信号光以及同步光的单光子发射器，产生的同步光经过发射端中央处理器生成同步时钟信号后并通过同步信号光纤传送至接收端，同步时钟信号作为接收端单光子探测器的探测基时钟对单光子信号进行探测，在同步光经过发射端中央处理器生成同步时钟信号的过程中，对同步时钟信号进行延时处理，同步时钟信号延时时长至单光子探测器可探测单光子信号为准。与现有技术相比，本发明通过对同步信号进行相位切换和分段延时扫描的方式达到单光子信号的整周期延时，在同步时钟信号延时过程中摒弃了能做到几十纳秒的延时的高价格芯片，同时也摒弃了普通芯片级联的方式，不仅降低了成本，也降低了系统的冗杂度。

技术研发人员：王志愿;赵义博
受保护的技术使用者：浙江九州量子信息技术股份有限公司
技术研发日：2017.06.01
技术公布日：2017.09.22