一种高速的量子密钥生成系统同步方法及装置与流程

本申请涉及量子通信领域，具体涉及一种高速的量子密钥生成系统同步方法及装置。

背景技术：

在量子通信系统中，通信双方以同步信号为时间基准实现信号同步。同步光通常采用低重复频率的光，信号光通常采用高重复频率的光，同步光的相邻两个信号脉冲之间通常有固定个数的信号光的信号脉冲。发送方将同步光的第一个信号脉冲与信号光的第一个信号脉冲对齐，并将同步光和信号光共纤传输给接收方。由于通信系统中的光纤长度、设备差异性、光纤色散等原因，同步光与信号光到达接收方处理单元的时间差不能确定，需要通过标定过程测量其延时差，并在后续的处理过程中利用该测定的延时差对信号光进行处理，从而完成通信双方的同步过程。

现有的同步过程如图1以及如图2所示的示意图，其步骤如下：(1)发送方将信号光的第一个信号脉冲与同步光的第一个信号脉冲对齐，且信号光在同步光的相邻两个信号脉冲之间不发光，信号光的脉冲信号形式如图1实线所示的信号光示意图。(2)接收方在每个同步光的周期内只能接收到一个信号光的信号脉冲，并对该信号脉冲的到达时间进行统计，得出最终的延时差t0。最后利用t0对信号光脉冲进行时间修正，完成通信双方同步功能。

然而，实际同步过程中由于量子密钥生成系统中的探测器为门控探测器，只有门控制探测器开门的时间与光子到达时间精确同步，才能确保门控制探测器有最优的探测效率。例如门控制探测器的开门时间为1～2ns，信号光的脉宽基本约为500ps，因此当同步的误差较大时，则探测到的信号光的脉宽会超出门控制探测器开门的时间，该信号光的脉冲不会被探测到，从而使得探测的误差较大。除此之外，量子密钥生成系统中还包括时间滤波窗口，该窗口的作用是通过时间维度进行滤波，一般该时间滤波窗口的宽度约为1ns，若当同步的误差较大时，探测到的信号光的脉宽会超出时间滤波窗口的宽度，该处的信号光就会被认为是噪声波而被舍弃。因此，为了精确的同步，则需要统计的误差小于1％，而统计误差的计算公式为由此可知需要至少统计10000个有效值。

但是，现有的方案在完成信号光到达时间的统计过程中，由于统计误差需要控制在1％以内，需要在较长的时间。这是因为现有的方案每个同步光的信号脉冲周期内只输出一个信号光的信号脉冲，这就意味着信号光的信号脉冲发光重复频率只有10⁵每秒量级，由于量子通信系统中的信号光出口光强通常在单光子水平，并且由于传输链路衰减以及探测效率等原因，使得系统中信号光的衰减通常在30db以上，即只有小于千分之一的单光子会被接收方探测到，则接收方每秒探测到小于100个有效值，至少需要100秒的时间才能统计到10000个有效值。因此，同步标定过程需要的时间过长，导致通信系统初始化时间过长，通信系统建立链接所需要的时间长。

另外，信号光的周期为tx，同步光的周期为tt＝1000tx，同步光的周期tt一般在10us量级，测量时间精度一般在100ps以内，意味着现有的方案需要的统计区间数量级在10⁵～10⁶之间，即系统需要处理10⁵～10⁶个tt的同步光脉冲信号以及信号光脉冲信号，则需要的缓存至少为10⁶×16bit，即至少需要16mbit，这对于硬件处理器来说无疑是一个无法承受的资源消耗。

技术实现要素：

本申请提供一种高速的量子密钥生成系统同步方法及装置，以解决现有的量子密钥生成系统同步方法造成系统同步时间过长、通信系统建立链接所需要的时间长问题。

一种高速的量子密钥生成系统同步方法，包括，

发送方：

控制信号光的第一个光脉冲与同步光的第一个光脉冲对齐，且在每个同步光的周期tt内控制信号光连续的n个周期内不发光，n≥1，n为正整数；

接收方：

以每次接收到同步光的光脉冲为起始时间，对接收到的信号光脉冲进行时间测量，将所有的测量结果存入tdi中；

计算tdi/tx，整数记为t1i，余数记为t2i；

对t2i进行时间分布统计，选择时间分布最多的一组对应的时间为t4；

对t1i进行数值分布统计，找出信号光n个周期内不发光的位置，则得到信号光的第一个光脉冲与同步光的光脉冲之间包含tx的整数个数t3；

计算延时差t0＝t3×tx+t4，并实现同步。

优选地，所述对t2i进行时间分布统计，包括，

在0至tx区间内划分成若干个计数单元；

若t2i的数值落入相应的计数单元内，则该计数单元的计数数值加1。

优选地，对t1i进行数值分布统计，找出信号光n个周期内不发光的位置，包括，

划分tt/tx个计数单元，若t1i的数值与计数单元的编号相等，则该计数单元的计数结果加1，将所有t1i的数值统计后，找出连续n个计数数值最小的计数单元，则这n个计数单元的位置即为对应的信号光n个周期内不发光的位置。

优选地，n≥5，n为正整数。

优选地，控制信号光在每个同步光的周期tt内控制信号光连续的最后n个周期内不发光。

一种高速的量子密钥生成系统同步装置，包括，

发送方：

控制模块，控制信号光的第一个光脉冲与同步光的第一个光脉冲对齐，且在每个同步光的周期tt内控制信号光连续的n个周期内不发光，n≥1，n为正整数

接收方：

测量模块，用于以每次接收到同步光的光脉冲为起始时间，对接收到的信号光脉冲进行时间测量，将所有的测量结果存入tdi中；

计算模块，用于计算tdi/tx，整数记为t1i，余数记为t2i；

统计模块，用于对t2i进行时间分布统计，选择时间分布最多的一组对应的时间为t4，

对t1i进行数值分布统计，找出信号光n个周期内不发光的位置，则得到信号光的第一个光脉冲与同步光的光脉冲之间包含tx的整数个数t3；

同步模块，用于计算延时差t0＝t3×tx+t4，并实现同步。

由以上方案可知，本申请提供一种高速的量子密钥生成系统同步方法，包括，发送方：控制信号光的第一个光脉冲与同步光的第一个光脉冲对齐，且在每个同步光的周期tt内控制信号光连续的n个周期内不发光，n≥1，n为正整数；接收方：以每次接收到同步光的光脉冲为起始时间，对接收到的信号光脉冲进行时间测量，将所有的测量结果存入tdi中；计算tdi/tx，整数记为t1i，余数记为t2i；对t2i进行时间分布统计，选择时间分布最多的一组对应的时间为t4；对t1i进行数值分布统计，找出信号光n个周期内不发光的位置，则得到信号光的第一个光脉冲与同步光的光脉冲之间包含tx的整数个数t3；计算延时差t0＝t3×tx+t4，并实现同步。

因此，本申请方法的信号光在每个周期tt除去n个连续的不发光的位置，其余相应的位置均有发光，这些发光的位置均可参与t1i与t2i的统计过程中，统计时间相对于现有的方法只发单个信号光脉冲的方式降低了数个数量级，几百毫秒甚至更短的时间即可完成统计过程。另外本申请的统计区间只需要10⁴，即缓存只需要0.16mbit即可满足需求。故本申请方法具有对硬件处理器消耗少，统计时间短的特点，能够明显改善系统同步过程中所需要消耗的时间，缩短通信系统建立链接所需要的时间。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有方法中发射方发射的同步光与信号光的发光示意图；

图2为现有方法中接收方根据接收的同步光与信号光计算延时差的示意图；

图3为本申请的方法中延时值计算示意图；

图4为本申请的方法中延时值计算流程框图。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。

本申请的实施例提供一种高速的量子密钥生成系统同步方法，包括，发送方：控制信号光的第一个光脉冲与同步光的第一个光脉冲对齐，且在每个同步光的周期tt内控制信号光连续的n个周期内不发光，n≥1，n为正整数；接收方：以每次接收到同步光的光脉冲为起始时间，对接收到的信号光脉冲进行时间测量，将所有的测量结果存入tdi中；计算tdi/tx，整数记为t1i，余数记为t2i；对t2i进行时间分布统计，选择时间分布最多的一组对应的时间为t4；对t1i进行数值分布统计，找出信号光n个周期内不发光的位置，则得到信号光的第一个光脉冲与同步光的光脉冲之间包含tx的整数个数t3；计算延时差t0＝t3×tx+t4，并实现同步。

其中，以每次接收到同步光的光脉冲为起始时间，对接收到的信号光脉冲进行时间测量，也就说，当接收方每次接收到同步光脉冲时，则接收到同步光脉冲这一刻的时间为测量的起始时间。为了方便理解，本申请以举例的方式进行说明，假设延时不发生变化，接收方接收到同步光脉冲时，此刻时间为起始时间，接收到信号光的第一个光脉冲的时间假设为10ns，则接收方接收到下一个同步光脉冲时，此刻时间为下一个tt内测量信号光的起始时间，则下一个tt内信号光的第一个光脉冲的时间为10ns。

在量子密钥生成系统中，信号光的传输过成中是有衰减的，若每个tt内包含有1000个信号光脉冲，由于量子通信系统中的信号光出口光强通常在单光子水平，并且由于传输链路衰减以及探测效率等原因，使得系统中信号光的衰减通常在30db以上，即只有小于千分之一的单光子会被接收方探测到，则接收方在每个周期tt内平均接收到1个信号光脉冲。因此接收方在每个tt内的每个信号光脉冲被接收到的几率是相等的，由于每个周期tt内信号光的延时几乎是相等的，因此，余数t2i大多在实际延时整除周期tx的余数附近。而本申请的延时差t0分成整周期时间t3×tx与余数t4组成，因此将测量到的t2i进行统计，即可选择出最优选的值，该值即为实际的延时整除周期tx的余数值t4。本申请信号光不发光的位置(即空缺位置)不会被探测到，从而对整数t1i进行统计时，t1i基本上为除空缺位置的整数周期，因此统计t1i即可找出空缺位置，然后再根据空缺位置在信号光中的位置，从而找到信号光第一个光脉冲的位置与同步光的光脉冲之间包含tx的整数个数t3。

相对于现有的方案，本申请的方法在每个周期tt内平均接收到1个信号光脉冲，因此每个周期tt内得到1个有效的余数值，则统计10000个有效值，只需要10000tt的时间即可完成统计工作，一般的同步光周期tt大多在10微秒量级，因此该过程一般只需要几百毫秒以内即可得到10000个以上的整数值以及余数值，相对于现有的100秒才能将统计误差控制在1％以下，本申请的统计时间降低了近3个数量级。此外，本申请的统计区间数量在10⁴即可，即系统需要处理10⁴个tt的同步光脉冲信号以及信号光脉冲信号，即缓存只需要0.16mbit即可满足需求，对硬件处理器的资源消耗少。

此外，信号光在每个周期tt除去n个连续的不发光的位置，其余相应的位置均有发光，这些发光的位置均可参与t1i与t2i的统计过程中，统计时间相对于现有的方法只发单个信号光脉冲的方式降低了数个数量级，几百毫秒甚至更短的时间即可完成统计过程。故本申请方法具有对硬件处理器消耗少，统计时间短的特点，能够明显改善系统同步过程中所需要消耗的时间，缩短通信系统建立链接所需要的时间。

其中，对t2i进行时间分布统计，包括，在0至tx区间内划分成若干个计数单元；若t2i的数值落入相应的计数单元内，则该计数单元的计数数值加1。本申请为了方便理解举例说明，例如，信号光脉冲的周期tx为10ns，如选择的探测器的计数周期为50ps，则可划分为200个计数单元。每当t2i有在0～50ps的值时，第一个计数单元的计数数值就加1，每当t2i有在51～100ps的值时，第二个计数单元的计数数值就加1，依次类推，每当t2i有在9051～10000ps的值时，第二百个计数单元的计数数值就加1。直至将所有的t2i统计结束后，在这两百个计数单元中找出计数值最大的一组，该组对应的时间即为t4值。

其中，对t1i进行数值分布统计，找出信号光n个周期内不发光的位置，包括，划分tt/tx个计数单元，若t1i的数值与计数单元的编号相等，则该计数单元的计数结果加1，将所有t1i的数值统计后，找出连续n个计数数值最小的计数单元，则这n个计数单元的位置即为对应的信号光n个周期内不发光的位置。本申请为了方便理解举例说明，例如，每个tt内信号光包含1000个光脉冲，则划分1000个计数单元，计数单元的编号从0至999。每当t1i的值为0时，编号为0的计数单元的计数数值就加1，每当t1i的值为1时，编号为1的计数单元的计数数值就加1，依次类推，直至将t1i全部统计结束后，由于有n个空缺的位置，则中必然有n个最小的计数值，这n个计数值最小的位置即为信号光空缺的位置。

需要说明的是，理想情况下，n个空缺的位置应该没有信号光到达接收方，即n个位置的计数值应该为0。但是由于探测器的暗计数等原因，计数单元在该n个位置上可能也有计数输出，也就是说该n个位置也会出现计数值，只不过这n个位置上的计数值非常小。统计结束后，在这n个位置上，可能有些位置没有计数值，有些位置有计数值，即使有计数值也会非常小，通常计数值为1～2个，与正常发光的位置计数值相差非常大，因此，不会影响到空缺位置的识别。

本申请的一种优选方案，n≥5，n为正整数。在每个同步光的周期tt内控制信号光n个连续的周期内不发光，在一个周期tt内的不发光的位置可以是任意位置，但是必须保证空缺是连续的。此外n的取值至少为1个，但是取1个时可能由于信号光的衰减或者探测器的探测效率损失，导致个别位置计数数值过低，可能找出的空缺位置偏差较大。因此，优选地空缺位置可以为5个以上，如5个或10个等，由信号光的衰减或者探测器的探测效率损失等原因导致连续出现几个以上的统计值非常低的可能性机会为0，因此只要出现连续的选择的个数空缺位置即可认为是信号光空缺位置所在。当然空位越多越容易识别，但是空位较多时，会增加统计时间以及消耗过多的处理器资源；而空位较少时，例如1个空位，由于信号光的衰减或者探测器的探测效率损失等原因导致正常发光位置中有1个的统计值非常低的可能性还是比较大的，因此空位数少时，可能会引起误差率的增加。

本申请的一种优选方案，控制信号光在每个同步光的周期tt内控制信号光连续的最后n个周期内不发光。因此，当找到空缺位置后，那么空缺位置之后的第一个位置即为信号光的第一个光脉冲的位置，信号光第一个光脉冲的位置对应的整数个信号光周期tx的个数t3等于空缺位置之后的第一个位置的编号。例如，第二探测器中为空缺的之后的第一个位置的编号为500，则t3＝500，则t0＝500×tx+t4。

综上所述，本申请的高速的量子密钥生成系统同步方法，若每个tt内信号光包含1000个光脉冲，由于信号光除去空缺位置，其余的位置均可参与t1i以及t2i的统计过程中，因此所需要统计时间相对于以往的单脉冲方法，统计时间缩短了接近3个数量级。因此本申请的方法能够明显改善系统同步修正过程中所需要消耗的时间，缩短系统光路切换过程中所需要的校准时间，提升了系统性能，极大地改善用户体验。

本申请还提供一种高速的量子密钥生成系统同步装置，包括，发送方：控制模块，用于控制信号光的第一个光脉冲与同步光的第一个光脉冲对齐，且在每个同步光的周期tt内控制信号光连续的n个周期内不发光，n≥1，n为正整数；接收方：测量模块，用于以每次接收到同步光的光脉冲为起始时间，对接收到的信号光脉冲进行时间测量，将所有的测量结果存入tdi中；计算模块，用于计算tdi/tx，整数记为t1i，余数记为t2i；统计模块，用于对t2i进行时间分布统计，选择时间分布最多的一组对应的时间为t4，对t1i进行数值分布统计，找出信号光n个周期内不发光的位置，则得到信号光的第一个光脉冲与同步光的光脉冲之间包含tx的整数个数t3；同步模块，用于计算延时差t0＝t3×tx+t4，并实现同步。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本申请进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本申请的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本申请精神和范围的情况下，可以对本申请技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本申请的范围内。本申请的保护范围以所附权利要求为准。