量子密钥接收端、分发设备及提升其干涉效率的方法与流程

本发明涉及量子通信技术领域，具体涉及一种量子密钥接收端、分发设备及提升其干涉效率的方法。

背景技术

量子保密通信因具有防窃听和理论上绝对安全的特性而受到广泛关注。从调制方式的角度讲，量子保密通信设备可分为偏振调制和相位调制，适用场合不同。已有的理论分析和测试结果表明，在传输线路容易受到外力影响导致偏振态快速变化的场合(如电网系统中广泛采用的架空光缆)，应尽量使用基于相位调制的量子设备。在现有的相位调制方案中，f-m型干涉环结构对偏振变化的不敏感程度较高，且容易和安全性极高的诱骗态bb84协议相结合，因而得到了广泛应用。虽然f-m型结构对偏振态具有天然不敏感性，但其要求发送端干涉臂臂差与接收端干涉臂臂差相等，否则干涉效率将会下降，严重时将无法成码。在实际应用中，发送端和接收端将会放置在两个完全独立的环境中，外界温度与震动的差异会使得两端臂差不完全相等。此外，由于制作工艺的限制，发送端臂差与接收端臂差在出厂时也会存在微小差异。目前主流量子密钥分发设备中所采用的脉冲光源的脉冲宽度大概在10ps量级，对于1550nm波段的激光器和标准单模光纤而言，10ps的脉宽意味着如果f-m型设备的发送端臂差与接收端臂差存在1mm的差别，那么本应在接收端发生干涉的两个光脉冲就将在时间上完全分开，无法实现干涉及成码。在可以预见的未来，激光器的工作频率将会越来越高，脉冲宽度将会越来越窄，对两端臂差差异的容忍度将会越来越低，这甚至有可能成为未来限制高速f-m型量子密钥分发设备进一步提高速率的主要因素。因此，减小发送端及接收端的干涉臂的臂差差异，是目前亟待解决的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供了一种量子密钥接收端、分发设备及提升其干涉效率的方法，以解决量子密钥发送端及接收端的干涉臂的臂差存在差异的问题。

根据第一方面，本发明实施例提供了一种量子密钥接收端，包括：光环行器、与所述光环行器的第一端相连的干涉仪和与所述光环行器的第二端相连的光子探测器，其特征在于：所述干涉仪包括第一干涉臂和第二干涉臂；所述第一干涉臂接所述光环行器的第一端；所述第二干涉臂包括第二法拉第镜、伸缩光纤和相位解调器；所述第二法拉第镜接所述伸缩光纤的一端，所述伸缩光纤的另一端接所述相位解调器的一端，所述相位解调器的另一端接所述光环行器的第一端；所述光子探测器的输出端经驱动电压控制电路接所述伸缩光纤；所述驱动电压控制电路用于根据所述光子探测器的输出信号的干涉条纹可见度，控制所述伸缩光纤的长度。

本发明实施例提供的量子密钥接收端，通过在第二干涉臂上增设伸缩光纤，并通过驱动电压控制电路根据输出信号的干涉条纹可见度控制伸缩光纤的长度，从而实时调整量子密钥接收端中的两个干涉臂的臂差，进而使得量子密钥接收端中的干涉臂臂差与对应的发射端中的干涉臂臂差保持一致，解决了现有技术中量子密钥发送端及接收端的干涉臂的臂差存在微小差异的问题。

结合第一方面，在第一方面第一实施方式中，所述伸缩光纤包括电致伸缩体和缠绕在所述电致伸缩体上的光纤；所述电致伸缩体的两个电极接所述驱动电压控制电路的输出端，并根据所述驱动电压控制电路输出的驱动电压调节所述光纤的长度。

本发明实施例提供的量子密钥接收端，利用电致伸缩体和光纤构建伸缩光纤，通过给电致伸缩体上电会使其径向发生微小形变，从而改变盘绕其上的光纤的长度，并且光纤长度的变化与电致伸缩体上的驱动电压的变化成正比。通过控制接在量子密钥接收端中的第二干涉臂中的电致伸缩体的驱动电压，能够实现对光纤长度的控制，进而控制量子密钥接收端中的两个干涉臂的臂差。

结合第一方面，在第一方面第二实施方式中，所述第一干涉臂包括第一法拉第镜，所述第一法拉第镜的一端接所述光环行器的第一端。

本发明实施例提供的量子密钥接收端，通过在第一干涉臂中设置第一法拉第镜，使得量子密钥接收端中的两个干涉臂能够顺利实现对接收信号的干涉及解调，从而保证量子密钥接收端顺利工作。

根据第二方面，本发明实施例提供了一种量子密钥分发设备，包括：量子密钥发射端和如第一方面或者第一方面的任意一种实施方式中所述的量子密钥接收端。

本发明实施例提供的量子密钥分发设备，由于包括能够调整干涉臂臂差的量子密钥接收端，从而使量子密钥分发设备中的发射端和接收端保持干涉臂臂差相等，进而克服客观因素带来的不利影响，始终将接收端的条纹可见度保持在一个较高的水平，提升量子密钥分发设备的成码率，并为未来可能采用的皮秒甚至亚皮秒脉冲的高速量子密钥分发系统做好技术积累。

根据第三方面，本发明实施例提供了一种提升量子密钥接收端干涉效率的方法，包括：根据光子探测器的输出信号获取当前的干涉条纹可见度；判断当前的干涉条纹可见度是否达到预设阈值；当当前的干涉条纹可见度未达到预设阈值时，通过驱动电压控制电路调节电致伸缩体的两个电极上的驱动电压，直至所述干涉条纹可见度达到或超过预设阈值。

本发明实施例提供的提升量子密钥接收端干涉效率的方法，以干涉条纹可见度为依据，通过驱动电压控制电路调节电致伸缩体上的驱动电压，进而调节缠绕在电致伸缩体上的光纤的长度，从而实现对量子密钥接收端的干涉臂臂差调节，使得接收端的干涉臂臂差与发射端的干涉臂臂差保持一致，解决了现有技术中量子密钥发送端及接收端的干涉臂臂差存在差异的问题，提高了干涉效率。

结合第三方面，在第三方面第一实施方式中，通过驱动电压控制电路调节电致伸缩体的两个电极上的驱动电压，直至所述干涉条纹可见度不小于预设阈值，包括：记录当前的第一干涉条纹可见度，当第一条纹可见度小于预设阈值时，根据预设步长及预设电压调节方向调节所述电致伸缩体的两个电极上的驱动电压，并根据光子探测器对应的输出信号获取调节后的第二干涉条纹可见度；根据所述第一干涉条纹可见度与第二干涉条纹可见度的大小关系确定驱动电压调节方向；根据所述驱动电压调节方向逐步调节所述电致伸缩体的两个电极上的驱动电压，直至干涉条纹可见度不小于预设阈值。

本发明实施例提供的提升量子密钥接收端干涉效率的方法，首先确定驱动电压调节方向，而后根据驱动电压调节方向逐步调节电致伸缩体上的驱动电压，从而逐步调节缠绕在电致伸缩体上的光纤的长度，进而使得接收端的干涉臂臂差逐步接近发射端的干涉臂臂差，以避免因发射端和接收端的干涉臂臂差差异而造成的干涉效率下降的问题，提高干涉效率。

结合第三方面第一实施方式，在第三方面第二实施方式中，根据所述第一干涉条纹可见度与第二干涉条纹可见度的大小关系确定驱动电压调节方向，包括：判断所述第二干涉条纹可见度是否大于第一干涉条纹可见度；当所述第二干涉条纹可见度大于第一干涉条纹可见度时，确定预设电压调节方向为所述驱动电压调节方向。

本发明实施例提供的提升量子密钥接收端干涉效率的方法，在按照预设电压调节方向对电致伸缩体的驱动电压进行一次调整后，通过比较调整前后的两个干涉条纹可见度，确定驱动电压调节方向，能够方便快捷地确定驱动电压调节方向。

结合第三方面第二实施方式，在第三方面第三实施方式中，当所述第二干涉条纹可见度不大于第一干涉条纹可见度时，确定预设电压调节方向的反方向为所述驱动电压调节方向。

本发明实施例提供的提升量子密钥接收端干涉效率的方法，在干涉条纹可见度因驱动电压调节后出现下降时，直接将预设电压调节方向的反方向为驱动电压调节方向，能够方便快捷地确定驱动电压调节方向。

根据第四方面，本发明实施例提供了一种提升量子密钥接收端干涉效率的装置，包括：干涉条纹可见度获取单元，用于根据光子探测器的输出信号获取当前的干涉条纹可见度；判断单元，用于判断当前的干涉条纹可见度是否达到预设阈值；调压单元，用于当当前的干涉条纹可见度未达到预设阈值时，通过驱动电压控制电路调节电致伸缩体的两个电极上的驱动电压，直至所述干涉条纹可见度达到或超过预设阈值。

根据第五方面，本发明实施例提供了一种电子设备，包括：存储器和处理器，所述存储器和所述处理器之间互相通信连接，所述存储器中存储有计算机指令，所述处理器通过执行所述计算机指令，从而执行如第一方面或者第一方面的任意一种实施方式中所述的提升量子密钥接收端干涉效率方法。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1示出了本发明实施例中的一种量子密钥接收端的一个具体示例的结构示意图；

图2示出了本发明实施例中的伸缩光纤的一个具体示例的结构示意图；

图3示出了本发明实施例中的一种量子密钥分发设备的一个具体示例的结构示意图；

图4示出了本发明实施例中的一种提升量子密钥接收端干涉效率的方法的一个具体示例的流程图；

图5示出了本发明实施例中的一种提升量子密钥接收端干涉效率的方法中实现步骤s103的一个具体示例的流程图；

图6示出了本发明实施例中的一种提升量子密钥接收端干涉效率的装置的一个具体示例的结构示意图；

图7示出了本发明实施例中的一种电子设备的一个具体示例的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种量子密钥接收端，如图1所示，该量子密钥接收端可以包括：光环行器11、干涉仪12、驱动电压控制电路13和光子探测器14。

其中，干涉仪12与光环行器11的第一端相连。干涉仪12包括第一干涉臂和第二干涉臂122。第一干涉臂接光环行器11的第一端，在一具体实施方式中，第一干涉臂由第一法拉第镜fm1和通信光纤组成，第一法拉第镜fm1的一端经通芯光纤接光环行器11的第一端。

第二干涉臂122包括第二法拉第镜fm2、伸缩光纤1222和相位解调器pm1。第二法拉第镜fm2接伸缩光纤1222的一端，伸缩光纤1222的另一端接相位解调器pm1的一端，相位解调器pm1的另一端接光环行器11的第一端。

光子探测器14的输出输入端接光环行器11的第二端，光子探测器14的输出端经驱动电压控制电路13接伸缩光纤1222。驱动电压控制电路12用于根所述光子探测器14的输出信号的干涉条纹可见度，控制伸缩光纤1222的长度。在一具体实施方式中，如图2所示，伸缩光纤1222包括电致伸缩体1222a和缠绕在电致伸缩体1222a上的光纤1222b。电致伸缩体1222a的两个电极接驱动电压控制电路13的输出端，并根据驱动电压控制电路13输出的驱动电压调节光纤的长度。利用电致伸缩体1222a和光纤1222b构建的伸缩光纤1222，通过给电致伸缩体1222a上电会使其径向发生微小形变，从而改变盘绕其上的光纤1222b的长度，并且光纤1222b长度的变化与电致伸缩体1222a上的驱动电压的变化成正比。在一具体实施方式中，伸缩光纤1222可以是压电陶瓷式光纤拉伸器，在压电陶瓷式光纤拉伸器中，多层光纤紧致盘绕在一块电致伸缩材料上，给该材料上电会使其径向发生微小形变，从而改变盘绕其上的光纤长度，并且光纤长度的变化与驱动电压的变化成正比。伸缩光纤1222通常具有高性能、低成本、封装小巧坚固的优势，其电致伸缩效应的典型值为1.3μm/v(光纤拉伸度，可定制)或0.0065ps/v(在标准单模光纤中的光延时，可定制)，插入损耗0.2db，驱动电压范围±400v，调节带宽可达300hz，完全可以满足当前10皮秒量级乃至今后亚皮秒量级的高速高精度补偿。

本发明实施例提供的量子密钥接收端，通过在第二干涉臂上增设伸缩光纤，并通过驱动电压控制电路根据输出信号的干涉条纹可见度控制伸缩光纤的长度。从而实时调整量子密钥接收端中的两个干涉臂的臂差，进而使得量子密钥接收端中的干涉臂臂差与对应的发射端中的干涉臂臂差保持一致，解决了现有技术中量子密钥发送端及接收端的干涉臂的臂差存在差异的问题。

本发明实施例还提供了一种量子密钥分发设备，如图3所示，该量子密钥分发设备可以包括量子密钥发射端2和上述量子密钥接收端1。

在图3中，脉冲光源3发出的单脉冲经量子密钥发射端2中的第一光环行器21的a端口输入，经b端口输出后变为双脉冲(脉冲n和脉冲m)，双脉冲分别进入不等长的两个干涉臂，其中一路经过相位调制器pm1加载信号(不妨设相位信号加载在了脉冲m上)，后经第四法拉利镜fm4反射后回到b端口，另一路经第三法拉利镜fm3反射后回到b端口。此时双脉冲将在时间上分开，双脉冲之间的时间间隔取决于两个干涉臂的臂差，并且第三法拉利镜fm3及第四法拉利镜fm4本身的特性能够保证双脉冲在反射回b端口时偏振保持一致，偏振与臂长差及具体路径无关；后经长光纤传输后到达量子密钥接收端1，此时双脉冲的偏振态仍然保持一致，与具体路径无关。同理，双脉冲进入量子密钥接收端1的两个不等臂的干涉臂进行时延，经时延后双脉冲将变为四脉冲(脉冲n1，脉冲n2，脉冲m1和脉冲m2)，其中脉冲n2含有调制信息，脉冲m1含有解调信息。显然，如果量子密钥接收端1的干涉臂差与量子密钥发射端2的干涉臂差完全相同，则脉冲n2与脉冲m1在时间上完全重合，四脉冲在最终进入光子探测器14前将形成完美的“三峰输出”，其中所蕴含的相位信息能够充分相互作用，此时干涉效率最高，条纹可见度最清晰。而实际情况却并非如此完美，总会有各种不理想因素使得量子密钥发射端2和量子密钥接收端1的臂差不完全相等，导致脉冲n2与脉冲m1在时间上不能完全重合，形成不完美的“四峰输出”，使得干涉效率下降，条纹可见度变低，影响后处理及最终成码。

对于第一代量子密钥分发设备而言，其使用的脉冲激光器重复频率较低(典型值为40mhz)，所产生的脉冲宽度也较宽(一般为ns～10ns量级)，因此对发射端和接收端中干涉臂的上述差异并不敏感。但随着量子保密通信技术的发展，如何在长距离光纤信道条件下提升量子密钥安全成码率逐渐成为瓶颈。目前看来，除了降低单位长度的光纤损耗、采用更高效的变种协议与后处理算法之外，最简单可行的方法就是提高激光器的工作频率。随着激光器的工作频率提高，脉冲宽度变窄，对发射端和接收端中臂差差异的容忍度将会越来越低，因此，有必要采取措施来补偿发送接收两端干涉臂臂差的微小差异，降低设备对温度、震动等外界因素的敏感性，将干涉效率(条纹可见度)始终保持在一个较高水平，从而直接提升量子密钥分发设备的成码率及稳定性，并为未来进一步采用更高的工作频率和更窄的脉冲铺平道路。

本发明实施例提供的量子密钥分发设备，在量子密钥接收端1增加主动时间补偿结构，具体来说即在光子探测器14之后增加驱动电压控制电路13，并在量子密钥接收端1的第二干涉臂122中增加伸缩光纤1222，用于闭环控制位于接收端干涉臂中的伸缩光纤1222，调节伸缩光纤1222的长度以保证接收端干涉臂差与发送端干涉臂差时刻保持相等。

本发明实施例提供的量子密钥分发设备，由于包括能够调整干涉臂臂差的量子密钥接收端，从而使量子密钥分发设备中的发射端和接收端保持干涉臂臂差相等，进而克服客观因素带来的不利影响，始终将接收端的条纹可见度保持在一个较高的水平，提升量子密钥分发设备的成码率，并为未来可能采用的皮秒甚至亚皮秒脉冲的高速量子密钥分发系统做好技术积累。

本发明实施例还提供了一种提升量子密钥接收端干涉效率的方法，如图4所示，该方法可以包括以下步骤：

步骤s101：根据光子探测器的输出信号获取当前的干涉条纹可见度。在一具体实施方式中，可以通过量子密钥接收端中的光子探测器14输出的信号，实时获取当前的干涉条纹可见度，只有在干涉条纹可见度达到要求时，才能证明当前的干涉效率能够满足要求，在光子探测器14的输出信号经过后续处理时才能最终成码。

步骤s102：判断当前的干涉条纹可见度是否达到预设阈值。当当前的干涉条纹可见度未达到预设阈值时，执行步骤s103；当当前的干涉条纹可见度达到预设阈值时，不执行任何操作。

步骤s103：通过驱动电压控制电路调节电致伸缩体的两个电极上的驱动电压，直至干涉条纹可见度达到或超过预设阈值。在一具体实施方式中，如图5所示，可以通过以下几个子步骤实现步骤s103通过驱动电压控制电路调节电致伸缩体的两个电极上的驱动电压，直至干涉条纹可见度达到或超过预设阈值的过程：

步骤s1031：根据预设步长及预设电压调节方向调节电致伸缩体的两个电极上的驱动电压，并根据光子探测器对应的输出信号获取调节后的第二干涉条纹可见度。在调节驱动电压之前，首先可以记录当前的第一干涉条纹可见度，当第一条纹可见度小于预设阈值时，再开始调节驱动电压。

步骤s1032：根据所述第一干涉条纹可见度与第二干涉条纹可见度的大小关系确定驱动电压调节方向。在确定驱动电压调节方向时，可以首先判断第二干涉条纹可见度是否大于第一干涉条纹可见度；当第二干涉条纹可见度大于第一干涉条纹可见度时，确定预设电压调节方向为驱动电压调节方向；当第二干涉条纹可见度不大于第一干涉条纹可见度时，确定预设电压调节方向的反方向为驱动电压调节方向。

步骤s1033：根据驱动电压调节方向逐步调节电致伸缩体的两个电极上的驱动电压。在一具体实施方式中，可以预先设置驱动电压的调节步长，在每一次的驱动电压调节过程中，均按照预设的调节步长对驱动电压进行增大或减小，在每次调节驱动电压后，均执行步骤s1034。

步骤s1034：判断干涉条纹可见度是否达到预设阈值。当干涉条纹可见度未达到预设阈值时，返回步骤s1033；当干涉条纹可见度达到预设阈值时，结束即可。

本发明实施例提供的提升量子密钥接收端干涉效率的方法，以干涉条纹可见度为依据，通过驱动电压控制电路调节电致伸缩体上的驱动电压，进而调节缠绕在电致伸缩体上的光纤的长度，从而实现对量子密钥接收端的干涉臂臂差调节，使得接收端的干涉臂臂差与发射端的干涉臂臂差保持一致，解决了现有技术中量子密钥发送端及接收端的干涉臂臂差存在差异的问题，提高了干涉效率。

本发明实施例还提供了一种提升量子密钥接收端干涉效率的装置，如图6所示，该装置可以包括：干涉条纹可见度获取单元601、判断单元602和调压单元603。

其中，干涉条纹可见度获取单元601用于根据光子探测器的输出信号获取当前的干涉条纹可见度；详细内容参考步骤s101所述。

判断单元，用于判断当前的干涉条纹可见度是否达到预设阈值；详细内容参考步骤s102所述。

调压单元，当当前的干涉条纹可见度未达到预设阈值时，用于通过驱动电压控制电路调节电致伸缩体的两个电极上的驱动电压，直至干涉条纹可见度达到预设阈值，详细内容参考步骤s103所述。

本发明实施例还提供了一种电子设备，如图7所示，该电子设备可以包括处理器701和存储器702，其中处理器701和存储器702可以通过总线或者其他方式连接，图7中以通过总线连接为例。

处理器701可以为中央处理器(centralprocessingunit，cpu)。处理器701还可以为其他通用处理器、数字信号处理器(digitalsignalprocessor，dsp)、专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，asic)、现场可编程门阵列(field-programmablegatearray，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等芯片，或者上述各类芯片的组合。

存储器702作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序、非暂态计算机可执行程序以及模块，如本发明实施例中的提升量子密钥接收端干涉效率的方法对应的程序指令/模块(例如，图6所示的干涉条纹可见度获取单元601、判断单元602和调压单元603)。处理器701通过运行存储在存储器702中的非暂态软件程序、指令以及模块，从而执行处理器的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例中的提升量子密钥接收端干涉效率的方法。

存储器702可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储处理器701所创建的数据等。此外，存储器702可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施例中，存储器702可选包括相对于处理器701远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至处理器701。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。

所述一个或者多个模块存储在所述存储器702中，当被所述处理器701执行时，执行如图4-5所示实施例中的提升量子密钥接收端干涉效率的方法。

上述电子设备具体细节可以对应参阅图4至图5所示的实施例中对应的相关描述和效果进行理解，此处不再赘述。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-onlymemory，rom)、随机存储记忆体(randomaccessmemory，ram)、快闪存储器(flashmemory)、硬盘(harddiskdrive，缩写：hdd)或固态硬盘(solid-statedrive，ssd)等；所述存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。

虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。