一种能执行偏振和时间反馈的TF-QKD方法及探测端与流程

本发明涉及量子通信，尤其涉及一种能执行偏振和时间反馈的tf-qkd方法及探测端。

背景技术：

1、在tf-qkd协议中，为了实现发送端alice与bob编码的光脉冲能在探测端charlie实现稳定干涉，需要使进入干涉的两路光偏振一致。但是光脉冲在光纤链路传输过程中，偏振方向会发生改变，为此在探测端光进入干涉前需要先起偏。图1为一种现有的tf-qkd探测端。pbs1和pbs2能够起偏，将入射的光分为偏振方向垂直的2束：偏振方向与pbs一致的光进入bs干涉，干涉后由单光子探测器a1、a2探测；而偏振方向与pbs方向垂直的光进入单光子探测器b1、b2。探测器a1、a2的探测结果用于执行计算相位差和成码。

2、在tf-qkd中，为了提高成码率，期望大部分光进入干涉用于成码，光在进入pbs前偏振方向尽可能与pbs设定方向一致。由于qkd运行过程中偏振在链路中改变量会有变化，为实现这一目的，需要探测pbs垂直端的光，根据探测结果调整偏振控制器，使pbs垂直端计数率低于某个设定值，实现偏振反馈。在tf-qkd中，为了实现精确干涉，需要alice与bob的光脉冲到达bs的时间精确一致。即使在qkd调试阶段做了延时校准，在qkd运行阶段延时可能有一定的变化（在ps至ns量级），从而导致光脉冲无法精确干涉，从而成码率降低。为此需要探测一部分未经干涉的光脉冲，基于探测结果alice端与bob端调整延时，使光脉冲到达干涉的时间一致，（即脉冲上升沿、波形均对齐），实现时间反馈。偏振反馈和时间反馈需要未经干涉的光脉冲的探测结果，在图1的方案中，b1、b2的探测结果用于偏振反馈和时间反馈。

3、在图1的方案中，统计探测器b1、b2的计数率，将b1、b2计数率反馈给发送端alice与bob，alice与bob根据计数率调整光脉冲的偏振，使得探测器b1、b2的计数率低于某个设定值，实现偏振反馈。在图1的方案中，周期性地统计探测器b1、b2探测结果，基于统计结果定位脉冲上升沿，alice与bob调整延时使上升沿对齐，执行时间反馈。偏振反馈的目的是使探测器b1、b2的计数率降低；但由于探测器b1、b2的探测结果用于时间反馈，所以图1方案中探测器b1、b2计数率不能太低，要维持在一定水平。

4、现有方案的缺点为：（1）在用于成码的探测器之外多使用探测器b1、b2两个单光子探测器，成本增加，且增大系统复杂度；（2）探测器b1、b2的探测结果用于延时校准，因此探测器b1、b2需要保证一定的计数率，从而使探测器a1、a2的计数率无法达到最大，降低了成码率。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提出了一种能执行偏振和时间反馈的tf-qkd方法，包括qkd调试阶段和qkd运行阶段；

2、所述qkd调试阶段，发送端向探测端发送相位参考光脉冲，探测端对所述相位参考光脉冲进行初始的偏振调整和延时调整；

3、所述qkd运行阶段，发送端单端发送具有编码周期的相位参考光脉冲和量子信号光脉冲，探测端计算发送端的相对延时，实现单端发送光脉冲的延时校准，并基于单端发送时间段内的光脉冲计数率的探测结果执行偏振反馈，使单端发送的光脉冲计数率达到最大值。

4、进一步地，所述发送端包括alice端和bob端，alice端和bob端单端按照编码周期发送相位参考光脉冲和量子信号光脉冲；相位参考光脉冲的编码周期内包含alice端发送相位参考光脉冲且bob端不发送相位参考光脉冲的时间段以及bob端发送相位参考光脉冲且alice端不发送相位参考光脉冲的时间段，所述alice端发送相位参考光脉冲且bob端不发送相位参考光脉冲的时间段的探测结果在alice端执行偏振和时间反馈，所述bob端发送相位参考光脉冲且alice端不发送相位参考光脉冲的时间段的探测结果在bob端执行偏振和时间反馈。

5、进一步地，所述编码周期由t1、t2、t3、t4时间段组成；alice端在编码周期内的t1、t3时间段编码强度高的相位参考光脉冲，在t4时间段编码单光子水平的量子信号光脉冲，在t2时间段内消光；bob端在编码周期内的t2、t3时间段编码强度高的相位参考光脉冲，在t4时间段编码单光子水平的量子信号光脉冲，在t1时间段内消光。

6、进一步地，所述qkd调试阶段包括如下步骤：

7、步骤一：探测端向alice端和bob端发送时钟信号，alice端和bob端基于所述时钟信号进行时钟同步；

8、步骤二：时钟同步完成后，alice端向探测端发送相位参考光脉冲，而bob端不发送相位参考光脉冲，探测端向alice端反馈第一探测器和第二探测器的计数率，alice端使用偏振反馈算法调整偏振控制器，将第一探测器和第二探测器的计数率之和调整到最大值m1；

9、步骤三：alice端停止向探测端发送相位参考光脉冲，同时bob端向探测端发送相位参考光脉冲，探测端向bob端反馈第一探测器和第二探测器的计数率，bob端使用偏振反馈算法调整偏振控制器，将第一探测器和第二探测器的计数率之和调整到最大值m2；

10、步骤四：alice端向探测端发送低频的相位参考光脉冲信号，bob端不发送相位参考光脉冲信号，探测端按照相位参考光脉冲信号的频率对第一探测器和第二探测器的探测结果进行累加，形成直方图。

11、进一步地，所述步骤四中，alice端发送低频的相位参考光脉冲信号，探测端根据直方图寻找alice端发送的低频的相位参考光脉冲信号的上升沿时刻，上升沿寻找方式为：设直方图最大值为n，上升沿的前一个时刻值小于n/2，上升沿时刻值大于等于n/2；

12、alice端停止发送低频的相位参考光脉冲信号，bob端向探测端发送低频的相位参考光脉冲信号，探测端根据直方图寻找bob端发送的低频的相位参考光脉冲信号的上升沿时刻；

13、计算alice端与bob端之间相位参考光脉冲信号的上升沿的相对延时,alice端与bob端基于所述相对延时进行调整，使得两端发送的低频的相位参考光脉冲信号的上升沿时刻对齐。

14、进一步地，所述qkd调试阶段还包括步骤五：alice端与bob端采用单端发光的方式，发送高频的相位参考光脉冲信号，基于第一探测器和第二探测器对高频的相位参考光脉冲信号的测量结果建立直方图，控制alice端与bob端发送的高频的相位参考光脉冲信号的上升沿时刻对齐，进行精确延时校准。

15、进一步地，所述qkd运行阶段，alice端和bob端单端按照编码周期发送相位参考光脉冲和量子信号光脉冲，探测端以t1为周期分别统计第一探测器和第二探测器在t1内所有编码周期不同时间段的计数率，并将t1时间段的计数率反馈给alice端，当计数率之和低于设定值时执行偏振反馈，反馈给alice端的偏振控制器，alice端使用偏振反馈算法将t1时间段的计数率之和维持在最大值m1；探测端将t2时间段的计数率反馈给bob端，当计数率之和低于设定值时执行偏振反馈，反馈给bob端的偏振控制器，bob端使用偏振反馈算法将t2时间段的计数率之和维持在最大值m2。

16、进一步地，探测端以t2为周期进行统计，将t2内每个编码周期的第一探测器和第二探测器在t1时间段和t2时间段内的探测结果分别累加，形成直方图；探测端根据t1时间段的直方图得到alice端光脉冲上升沿时刻，根据t2时间段的直方图得到bob端光脉冲上升沿时刻，计算alice端与bob端之间光脉冲上升沿的相对延时，将所述相对延时反馈给发送端，实现时间反馈。

17、本发明还提出了一种能执行偏振和时间反馈的tf-qkd探测端，用于实现上述的执行偏振和时间反馈的tf-qkd方法，所述tf-qkd探测端包括：起偏模块、光干涉模块、第一探测器和第二探测器；所述起偏模块为偏振分束棱镜或起偏器；

18、所述起偏模块至发送端的光纤为单模光纤，所述起偏模块至第一探测器和第二探测器的光纤为保偏光纤。

19、进一步地，所述起偏模块为偏振分束棱镜时，偏振分束棱镜的垂直端出口不连接探测器。

20、相比于现有技术，本发明具有如下有益技术效果：

21、本技术提出了一种能执行偏振和时间反馈的tf-qkd方法及探测端，相比于现有技术探测端去掉了探测器b1、b2，即tf-qkd系统基于探测器a1、a2的探测结果执行偏振和时间反馈，节约了成本，减少了系统复杂度，且采用了一种时分编码方式，能够根据光干涉模块出口探测结果的执行偏振反馈和时间反馈。

22、本技术提出还一种编码方式，周期性编码相位参考光和量子信号光，其中相位参考光编码中设置单端发光的时间段，在编码周期内选择alice/bob单端发光的方式，使探测端在特定时间段内探测到的光脉冲全部源于一个发送端；利用单端发光时间段的计数率执行偏振反馈，使单端发光时间段计数率达到最大，基于相位参考光的单端发光时间段测量结果执行偏振和时间反馈；探测器a1、a2通过编码光脉冲的测量结果，能够执行偏振反馈和时间反馈。

23、在qkd调试阶段，对单端发光的情形进行累加形成直方图，基于直方图的计算上升沿时刻的计算方法计算alice与bob相对延时，利用单端发送低频信号进行延时校准。