專利名稱：基于誤碼率的qkd系統(tǒng)探測(cè)器自動(dòng)校準(zhǔn)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及量子密碼學(xué)領(lǐng)域，并在量子密碼學(xué)領(lǐng)域具有工業(yè)實(shí)用 性，尤其涉及自動(dòng)校準(zhǔn)量子密鑰分發(fā)(QKD)系統(tǒng)，以保持最佳系統(tǒng) 性能的設(shè)備和方法，并在所述設(shè)備和方法方面具有工業(yè)實(shí)用性。
背景技術(shù)：
量子密鑰分發(fā)(QKD)涉及通過(guò)利用通過(guò)"量子信道"傳送的弱 的(例如平均0.1光子)光學(xué)信號(hào)("光子信號(hào)")，在發(fā)送者("Alice") 和接收者("Bob")之間確定密鑰。密鑰分發(fā)的安全性建立在處于未
知狀態(tài)的量子系統(tǒng)的任何測(cè)量都將改變其狀態(tài)的量子力學(xué)原理的基 礎(chǔ)上。從而，試圖截取或者以其它方式測(cè)量光子信號(hào)的偷聽(tīng)者("Eve")
將在傳送的信號(hào)中引入誤差，從而暴露她的存在。
量子密碼學(xué)的普遍原理首先由Bennett和Brassard在他們的論 文"Quantum Cryptography: Public key distribution and coin tossing", Proceedings of the International Conference on Computers, Systems and Signal Processing, Bangalore, India, 1984， pp.175-179
(IEEE, New York, 1984 )，以及在Bennett等在論文"Experimental Quantum Cryptography", J. Cryptology, ( 1992) 5:3-28中闡明。 在Bennett的美國(guó)專利No.5307410中說(shuō)明了一個(gè)具體的QKD系統(tǒng)
('410專利)。
上面提及的出版物和'410專利都描述了一種所謂的"單向"QKD 系統(tǒng)，其中Alice隨機(jī)編碼光子信號(hào)的偏振或相位，Bob隨機(jī)測(cè)量光 子信號(hào)的偏振或相位。'410專利中描述的單向系統(tǒng)基于兩個(gè)光纖 Mach-Zehnder干涉儀。Alice和Bob可以訪問(wèn)干涉系統(tǒng)的各個(gè)部分， 以致都能夠控制干涉儀的相位。從Alice發(fā)給Bob的信號(hào)(脈沖)是時(shí)分多路復(fù)用的，并且沿不同的路徑而行。從而，在傳輸期間，干涉 儀需要被主動(dòng)穩(wěn)定，以便補(bǔ)償熱漂移。
Gisin的美國(guó)專利No.6438234 (，234專利)公開(kāi)一種基于自動(dòng)補(bǔ) 償干涉儀的所謂的"雙向"QKD系統(tǒng)。已知這種干涉儀將被補(bǔ)償偏振 和熱變化。從而，與單向QKD系統(tǒng)相比，，234專利的雙向QKD系 統(tǒng)對(duì)環(huán)境影響不太敏感。
當(dāng)操作商用QKD系統(tǒng)時(shí)，多個(gè)變量需要在時(shí)間上被對(duì)準(zhǔn)，隨后 保持對(duì)準(zhǔn)狀態(tài)，以便獲得最佳的系統(tǒng)性能。例如，在商用QKD系統(tǒng) 中，利用來(lái)自控制器的選通信號(hào)選通一個(gè)或多個(gè)單光子探測(cè)器(SPD )， 以使光脈沖的探測(cè)與預(yù)期的脈沖到達(dá)時(shí)間同步。但是， 一旦系統(tǒng)被建 立，由于各種系統(tǒng)和環(huán)境因素的緣故，定時(shí)發(fā)生漂移。這導(dǎo)致光子計(jì) 數(shù)下降，而光子計(jì)數(shù)的下降又導(dǎo)致系統(tǒng)的傳輸速率的降低，以及誤碼 率(BER)的增大一即，不是最佳的系統(tǒng)性能。
雖然實(shí)驗(yàn)室和原型QKD系統(tǒng)可被調(diào)整，以考慮到在完全受控和 人為條件下的系統(tǒng)漂移，不過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行必需的調(diào)整，以保持商用 QKD系統(tǒng)的最佳或接近最佳性能仍然是一項(xiàng)使人非常畏縮的工作。 另外，不同于實(shí)驗(yàn)室或原型QKD系統(tǒng)，商用QKD系統(tǒng)的最終用戶 期望他們的QKD系統(tǒng)將在操作人員很少干預(yù)的情況下，自動(dòng)以最佳 的狀態(tài)運(yùn)4亍。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一方面是一種自動(dòng)校準(zhǔn)具有兩個(gè)操作上耦接的編碼 站的QKD系統(tǒng)的方法，其中編碼站之一包括操作上與控制器耦接的 一個(gè)單光子探測(cè)器(SPD)單元。所述方法包括通過(guò)從控制器向SPD 單元發(fā)送探測(cè)器選通信號(hào)(S3)，并在第一定時(shí)范圍Rl內(nèi)改變探測(cè) 器選通信號(hào)的到達(dá)時(shí)間T，進(jìn)行探測(cè)器選通信號(hào)定時(shí)掃描。所述方法 還包括確定探測(cè)器選通信號(hào)的最佳定時(shí)TMIN，所述最佳定時(shí)T旭N對(duì) 應(yīng)于當(dāng)在QKD系統(tǒng)的編碼站之間交換光子信號(hào)時(shí)的最佳BER(例如， 最小BER， BERMIN)。所述方法還包括通過(guò)在圍繞TMm的第二定時(shí)范圍R2內(nèi)改變到達(dá)時(shí)間T,進(jìn)行探測(cè)器選通信號(hào)定時(shí)抖動(dòng)，以使BER 保持在最佳值，比如保持在最小BERMIN。
本發(fā)明的第二方面包括進(jìn)行探測(cè)器選通信號(hào)寬度掃描，獲得最佳 的探測(cè)器選通信號(hào)寬度W證N，另外還進(jìn)行探測(cè)器選通信號(hào)寬度抖動(dòng)， 以使探測(cè)器選通信號(hào)保持在最佳信號(hào)寬度或其附近。
本發(fā)明的第三方面是一種在量子密鑰分發(fā)(QKD)系統(tǒng)中交換 密鑰的方法，所述QKD系統(tǒng)具有兩個(gè)編碼站，以及操作上與編碼站 之一中的控制器耦接的一個(gè)SPD單元。所述方法包括在QKD系統(tǒng)中 的編碼站之間交換光子信號(hào)，從而確定誤碼率(BER)。所述方法還 包括通過(guò)在探測(cè)器選通信號(hào)到達(dá)時(shí)間T的范圍內(nèi)，從控制器向SPD 單元發(fā)送探測(cè)器選通信號(hào)，進(jìn)行第一探測(cè)器選通信號(hào)定時(shí)掃描，從而 確定與第一最佳BER對(duì)應(yīng)的第一最佳到達(dá)時(shí)間TMIN。所述方法還包 括當(dāng)確定第一TMm時(shí)，終止第一探測(cè)器選通信號(hào)定時(shí)掃描，隨后進(jìn)行
第一探測(cè)器選通信號(hào)定時(shí)抖動(dòng)。通過(guò)控制器在圍繞第一T磁N的到達(dá)時(shí)
間范圍R2內(nèi)，變更(最佳)探測(cè)器選通信號(hào)的到達(dá)時(shí)間T，以便在 范圍R2內(nèi)保持第一最佳BER(比如說(shuō)，BERMIN)，或者不同的最佳 BER(比如說(shuō)，BER'MIN)，實(shí)現(xiàn)第一探測(cè)器選通信號(hào)定時(shí)抖動(dòng)?？?選的是，所述方法包括進(jìn)行探測(cè)器選通信號(hào)寬度掃描和信號(hào)寬度抖 動(dòng)，以確定和保持對(duì)應(yīng)于最佳BER的最佳探測(cè)器選通信號(hào)寬度WMIN。 本發(fā)明的第三方面是上面剛剛說(shuō)明的本發(fā)明的第二方面的方法 的繼續(xù)，其中進(jìn)行探測(cè)器選通信號(hào)定時(shí)抖動(dòng)產(chǎn)生新的最佳到達(dá)時(shí)間 T'MIN。本發(fā)明的第三方面的方法包括終止探測(cè)器選通信號(hào)抖動(dòng)，進(jìn)行 第二探測(cè)器選通信號(hào)定時(shí)掃描，終止該第二掃描，隨后進(jìn)行第二探測(cè)
器選通信號(hào)定時(shí)抖動(dòng)，以自動(dòng)重新確定位于最佳BER或其附近的誤 碼率，從而確定最佳(或接近最佳)的系統(tǒng)性能。 下面更詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明的這些和其它方面。


圖1是適合于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的方法的雙向QKD系統(tǒng)的例證實(shí)施例；
圖2是圖解說(shuō)明探測(cè)器自動(dòng)校準(zhǔn)方法的例證實(shí)施例的流程圖，該 方法包括探測(cè)器選通信號(hào)的定時(shí)的掃描和抖動(dòng)，可選的是還包括掃描
和抖動(dòng)探測(cè)器選通信號(hào)寬度，以優(yōu)化交換光子信號(hào)時(shí)的BER;
圖3是表示如圖1中所示的QKD系統(tǒng)的單光子探測(cè)器選通信號(hào) 定時(shí)掃描的例證曲線圖，其中Y軸為BER， X軸是探測(cè)器選通信號(hào) S3的定時(shí)(到達(dá)時(shí)間)T;和
圖4是探測(cè)器選通信號(hào)的定時(shí)圖，所述定時(shí)解說(shuō)明與可選地 掃描和抖動(dòng)探測(cè)器選通信號(hào)寬度W,以確定最佳信號(hào)寬度WMIN相關(guān) 的定時(shí)范圍。
附圖中描繪的各個(gè)元件僅僅是代表性的，不必按比例繪制。其某 些部分可能被放大，而其它部分可能被最小化。附圖意解說(shuō)明本
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明涉及進(jìn)行QKD系統(tǒng)的自動(dòng)校準(zhǔn)，以保持最佳的系統(tǒng)性能 的方法。特別地，本發(fā)明涉及進(jìn)行探測(cè)器選通信號(hào)掃描，以確定最佳 的探測(cè)器選通信號(hào)位置(定時(shí))，以及進(jìn)行探測(cè)器選通信號(hào)定時(shí)抖動(dòng)， 以便在QKD系統(tǒng)的工作期間，保持探測(cè)器選通信號(hào)的最佳定時(shí)。這 導(dǎo)致QKD系統(tǒng)中的最佳光子信號(hào)探測(cè)(即，數(shù)目最大的光子信號(hào)計(jì) 數(shù))，所述最佳光子信號(hào)探測(cè)一般對(duì)應(yīng)于整個(gè)QKD系統(tǒng)的最佳操作。
在一個(gè)例證實(shí)施例中，本發(fā)明由程控控制器執(zhí)行，以致能夠在操 作人員不進(jìn)行干預(yù)的情況下，使系統(tǒng)保持在理想或接近理想的狀態(tài)下 工作。對(duì)于商用QKD系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這樣的自動(dòng)校準(zhǔn)是重要的。
本發(fā)明適用于使用偏振編碼或相位編碼的，以及使用 一個(gè)或多個(gè) 單光子探測(cè)器的單向、雙向、環(huán)形布局和n向QKD系統(tǒng)。下面在于 利用相位編碼和一個(gè)具有兩個(gè)探測(cè)器的單光子探測(cè)器單元的雙向 QKD系統(tǒng)的例證實(shí)施例，說(shuō)明本發(fā)明。QKD系統(tǒng)的這種選擇只是為 了便于舉例說(shuō)明本發(fā)明的方法，并不意圖限制本發(fā)明。另外，在下面的說(shuō)明中，"選通信號(hào)，，是激活該信號(hào)被發(fā)往的元件
的信號(hào)，其中元件的激活對(duì)應(yīng)于該信號(hào)的持續(xù)時(shí)間(寬度w)。從而，
探測(cè)器選通信號(hào)持續(xù)探測(cè)器選通信號(hào)的持續(xù)時(shí)間(寬度W )激活SPD 探測(cè)器單元，其中所述激活起始于信號(hào)的前沿，結(jié)束于信號(hào)的后沿。 就脈沖激光器來(lái)說(shuō)，在激光器選通信號(hào)的寬度內(nèi)的某一點(diǎn)(比如說(shuō)， 在選通信號(hào)的上升沿)，激光器選通信號(hào)從激光器產(chǎn)生光脈沖。所得 到的光脈沖可具有比激光器選通信號(hào)的寬度小的光信號(hào)寬度。
另外，在下面的討論中，激光器產(chǎn)生用于在QKD系統(tǒng)的兩個(gè)編 碼站之間交換密鑰，以及確定BER的光脈沖。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中， 在離開(kāi)激光器之后，光脈沖被衰減，從而形成平均具有一個(gè)光子或更 少光子的量子脈沖(下面稱為"光子信號(hào)，，)。從而，在下面的說(shuō)明以 及在權(quán)利要求中，短語(yǔ)"激光器產(chǎn)生的光子信號(hào)，，和類似短語(yǔ)被理解成 包括其中激光器產(chǎn)生稍后被衰減(例如，借助可變衰減器)，從而形 成光子信號(hào)的較強(qiáng)光脈沖的情況，以及其中激光器是單光子源或者被 包括在單光子源中的情況。
另外，這里使用的術(shù)語(yǔ)"最小BER，，通常指的是以例如利用標(biāo)準(zhǔn) BER測(cè)量和BER校正程序測(cè)量QKD過(guò)程中的誤碼率為基礎(chǔ)的指標(biāo) 值。
QKD系統(tǒng)實(shí)施例
圖1是本發(fā)明的方法適合于的折疊式QKD系統(tǒng)200的例證實(shí)施 例的示意圖。系統(tǒng)200包括操作上耦接的兩個(gè)密鑰編碼站發(fā)射/接收 站Bob和反射站Alice,下面簡(jiǎn)稱為"Bob，，和"Alice"。
Bob
繼續(xù)參見(jiàn)圖1， Bob包括發(fā)出光脈沖204的激光器202。在例證 實(shí)施例中，激光器202是激光二極管，并且包括背光監(jiān)視器(BFM) 203。激光器202與時(shí)分多路復(fù)用/時(shí)分多路分用光學(xué)系統(tǒng)206耦接， 所述光學(xué)系統(tǒng)206具有輸入端208A、輸入/輸出端208B和探測(cè)器輸出 端208C。光學(xué)系統(tǒng)206在輸入端208A接收輸入光脈沖204,將每個(gè) 脈沖分成兩個(gè)時(shí)分多路復(fù)用的正交偏振的光脈沖Pl和P2，并在輸入/輸出端208B輸出它們。同樣地，光學(xué)系統(tǒng)206也在輸入/輸出端208B 接收光脈沖，如下所述。
操作上，單光子探測(cè)器(SPD)單元216在探測(cè)器輸出端208C 與光學(xué)系統(tǒng)206耦接。在一個(gè)例證實(shí)施例中，SPD單元216包括兩個(gè) SPD 216A和216B。這里SPD單元216也被稱為"探測(cè)器"。調(diào)相器 (PM) 220操作上與光學(xué)輸入/輸出端208B耦接(例如通過(guò)光纖)。 光纖240在PM 220連接Bob和Alice。
Bob還包括操作上與激光器202、 BFM 203、 SPD單元216和 PM 220耦接(例如，電連接)，以便如下所述控制這些元件的操作 的控制器248。在一個(gè)例證實(shí)施例中，控制器248是或者包括能夠執(zhí) 行保存在計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)250上的指令(例如，"軟件，，)的可編程計(jì) 算機(jī)。在一個(gè)例證實(shí)施例中，保存在計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)250上的指令包 括如下所述的按照本發(fā)明的方法。
Alice
Alice包括與光纖240連接的可變光學(xué)衰減器(VOA) 264。調(diào) 相器(PM) 266^f皮安排在VOA 264的下游，并且操作上與VOA 264 光學(xué)耦接。法拉第鏡270被安排在PM 266的下游，并且操作上與PM 266光學(xué)耦接。
Alice還包括操作上與PM 266和VOA 264耦接(例如電連接) 的控制器288。在一個(gè)例證實(shí)施例中，控制器288包括能夠執(zhí)行保存 在計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)289上的指令(例如"軟件")的可編程計(jì)算機(jī)。在 一個(gè)例證實(shí)施例中，保存在計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)289上的指令包括如下所 述的按照本發(fā)明的方法。
控制器248和288通過(guò)同步鏈路290鏈接(例如，電連接或光學(xué) 連接)，以使Alice和Bob的操作同步。特別地，當(dāng)改變Alice和Bob 之間的量子密鑰時(shí)，控制器248和288分別針對(duì)激勵(lì)光脈沖204，利 用選通信號(hào)S0、S2、S3和Sl，控制和協(xié)調(diào)激光器202、調(diào)相器220 266、 SPD單元216的操作。從而，在一個(gè)例證實(shí)施例中，控制器248和288 被認(rèn)為構(gòu)成QKD系統(tǒng)的單一控制器。QKD系統(tǒng)操作
繼續(xù)參見(jiàn)圖1,在系統(tǒng)200的操作中，激光器選通信號(hào)SO由控 制器248發(fā)給激光器202，以便產(chǎn)生光脈沖204。光脈沖204隨后被 時(shí)分多路復(fù)用/多路分用光學(xué)系統(tǒng)206分成兩個(gè)獨(dú)立的脈沖Pl和P2。 在一個(gè)例證實(shí)施例中，脈沖Pl和P2是較弱的脈沖，不過(guò)可以是稍后 在返回Bob之前，在Alice被衰減的強(qiáng)脈沖。光脈沖Pl和P2從光學(xué) 系統(tǒng)輸入/輸出端208B傳給PM220， PM220被選通，從而允許脈沖 未調(diào)制地通過(guò)PM 220。脈沖Pl和P2隨后通過(guò)光纖240傳給Alice。 脈沖Pl和P2繼續(xù)傳播到VOA 264， VOA 264可酌情衰減脈沖。脈 沖隨后通過(guò)PM 266，并被法拉第鏡270反射，隨后第二次通過(guò)PM 266。
在脈沖Pl和P2任意一次通過(guò)PM 266期間，PM調(diào)制脈沖之一 _比如說(shuō)P1—從而形成調(diào)相脈沖Pl'。這可通過(guò)當(dāng)脈沖Pl經(jīng)過(guò)PM 266時(shí)，由控制器288發(fā)送短時(shí)間(即，小于脈沖之間的時(shí)間間隔) 激勵(lì)PM 266的時(shí)機(jī)正好的選通信號(hào)Sl來(lái)實(shí)現(xiàn)。脈沖Pl和P2隨后 返回通過(guò)VOA 264， VOA 264可酌情衰減脈沖，以保證在Bob和Alice 之間交換光子信號(hào)(即，平均光子數(shù)為1或更小的光脈沖)。
脈沖隨后以光子信號(hào)的形式返回給Bob，并傳給PM 220。 PM 220 隨后被指令利用選擇調(diào)相值之一任意調(diào)制脈沖之一一比如說(shuō)剩余的 未調(diào)制脈沖P2—從而形成調(diào)制脈沖P2，。這可通過(guò)由控制器248向PM 220提供在脈沖P2經(jīng)過(guò)PM 220的短時(shí)間內(nèi)，激勵(lì)調(diào)相器的時(shí)機(jī)正好 的選通信號(hào)S2來(lái)實(shí)現(xiàn)。
調(diào)制的脈沖Pl'和P2，繼續(xù)傳播到光學(xué)系統(tǒng)206。光學(xué)系統(tǒng)206 組合脈沖，從而形成組合脈沖P3，組合脈沖P3被引出探測(cè)器輸出端 208C，到達(dá)SPD單元216。 SPD單元21接收組合脈沖P3。 SPD 216A 和216B由探測(cè)器選通信號(hào)S3選通，從而，只持續(xù)和探測(cè)器選通信號(hào) 的寬度(即，選通間隔)相同的時(shí)間處于有效狀態(tài)。如果在探測(cè)器選 通間隔內(nèi)，組合脈沖P3到達(dá)SPD之一，那么SPD單元216向控制器 248輸出與分別由PM 266和206給予脈沖Pl P2的相對(duì)相位對(duì)應(yīng)的信號(hào)。在一個(gè)例證實(shí)施例中，探測(cè)器216A和216B之一接收干涉脈沖 P3,這取決于干涉是建設(shè)性的還是破壞性的。如果給予的相位既不是 建設(shè)性的，也不是破壞性的，那么脈沖P3以相同的概率到達(dá)(wind up ) 任意SPD。
一旦交換了所需數(shù)目的光子信號(hào)，通過(guò)利用標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)一例如 Alice和Bob公開(kāi)地比較他們的測(cè)量基礎(chǔ)，并且只保持與相同的測(cè)量 基礎(chǔ)對(duì)應(yīng)的測(cè)量(比特)，得出密鑰。這形成移位密鑰。隨后，如在 Bennett等的上述論文"Experimental quantum cryptography"的第 8-10頁(yè)中所述，移位密鑰中的比特位置(bit position )被改變次序， 并且改變次序的密鑰被分成多個(gè)塊。Alice和Bob隨后關(guān)于奇偶性測(cè) 試每個(gè)塊，并識(shí)別和丟棄錯(cuò)誤的比特。重復(fù)該處理，直到移位密鑰中 的錯(cuò)誤的數(shù)目令人滿意地減少或者消除，從而確定保密的量子密鑰。 該過(guò)程也便于確定BER，并在本發(fā)明的一個(gè)例證實(shí)施例中用于按照下 面^兌明的方法確定BER。
由于正被交換的光子的量子特性，光纖240上Eve截取或以其 它方式試圖測(cè)量正在Bob和Alice之間傳送的弱光脈沖的偷聽(tīng)行動(dòng)必 然將在密鑰中引入錯(cuò)誤。但是，比特誤差也起因于噪聲(例如，探測(cè) 器暗電流)或者起因于系統(tǒng)未被正確地校準(zhǔn)。例如，如果激光器202 的激勵(lì)定時(shí)或者SPD單元的選通定時(shí)不是最佳，那么將不在正確的時(shí) 間發(fā)送或探測(cè)脈沖204，這將增大BER。
維持最佳的系統(tǒng)操作的方法
圖2是本發(fā)明的維持圖1的QKD系統(tǒng)200的最佳系統(tǒng)操作的方 法的流程圖302。該方法涉及按照下面說(shuō)明的方式進(jìn)行探測(cè)器選通掃 描和探測(cè)器選通抖動(dòng)。
在312中，通過(guò)指令光源202發(fā)出光脈沖，以致能夠從Bob向 Alice發(fā)送時(shí)分多路復(fù)用光脈沖Pl和P2，控制器248啟動(dòng)密鑰交換過(guò) 程。該過(guò)程包括控制器228指令PM 266對(duì)脈沖之一調(diào)相，4吏脈沖傳 回Bob，調(diào)制剩余的脈沖，組合調(diào)制的脈沖，并在SPD單元216中檢 測(cè)組合脈沖P3，如上所述。持續(xù)足以確定BER的時(shí)間進(jìn)行密鑰交換過(guò)程。
值得注意的是在SPD單元216包括兩個(gè)探測(cè)器216A和216B的 情況下，在SPD單元中發(fā)生的漂移(例如，熱漂移)基本相同程度地 影響SPD 216A和216B,以致這兩個(gè)SPD—起漂移通常是一個(gè)合適 的假定。從而，在一個(gè)例證實(shí)施例中，探測(cè)器選通信號(hào)S3用于選通 SPD216A和216B。
在314，執(zhí)行探測(cè)器選通掃描。圖3是如圖1中所示的QKD系 統(tǒng)的探測(cè)器選通掃描的例證曲線圖，其中Y軸是BER， X軸是探測(cè) 器選通信號(hào)S3的定時(shí)(到達(dá)時(shí)間)T。執(zhí)行探測(cè)器選通掃描涉及在選 擇的定時(shí)值范圍Rl內(nèi)改變探測(cè)器選通信號(hào)S3的定時(shí)(例如，到達(dá)時(shí) 間T)，從而確定最佳選通信號(hào)定時(shí)(到達(dá)時(shí)間)TMIN，所述TMIN 產(chǎn)生由SPD單元216中的計(jì)數(shù)產(chǎn)生的最佳誤碼率BERMIN。
圖4是探測(cè)器選通信號(hào)的定時(shí)圖。在探測(cè)器選通掃描的例證實(shí)施 例中，在315中，可選地，還在選擇的寬度范圍RW1內(nèi)改變("掃描，，) 探測(cè)器選通信號(hào)寬度W,以確定產(chǎn)生最佳(例如最小)的誤碼率 BERMIN的最佳探測(cè)器選通信號(hào)寬度WMIN。
一旦T腿N和最佳誤碼率BERivnN被確定，那么過(guò)程進(jìn)入316，在 316中，探測(cè)器選通信號(hào)定時(shí)掃描(或者寬度掃描)被終止(即，被 關(guān)閉)。
在318中，進(jìn)行探測(cè)器選通信號(hào)定時(shí)抖動(dòng)。這涉及在圍繞最大到 達(dá)時(shí)間TM^的選擇定時(shí)范圍R2內(nèi)反復(fù)少量地改變探測(cè)器選通信號(hào)S3 的定時(shí)(例如，到達(dá)時(shí)間T)。如果需要，那么將到達(dá)時(shí)間T從其初 始最佳值T固N(yùn)改變?yōu)樾碌淖罴阎礣'MIN,以使誤碼率BER維持在最 小值BERMIN (或者另一方面，改變?yōu)樾碌淖钚≌`碼率BER'MIN)。 注意，選擇范圍R2小于Rl (即，R2<R1)，并且被選擇成圍繞在 TMm周圍的較小范圍。
探測(cè)器選通信號(hào)定時(shí)被抖動(dòng)，直到它收斂到光子計(jì)數(shù)的最小(或 者接近最大)數(shù)目為止。從而，在單光子探測(cè)器216A和216B的正常 操作期間，探測(cè)器選通信號(hào)抖動(dòng)過(guò)程保持高的單光子靈敏度。在一個(gè)說(shuō)明書(shū)第10/11頁(yè)
例證實(shí)施例中，周期性地，例如每秒進(jìn)行探測(cè)器選通信號(hào)抖動(dòng)。這種 速率正比于接收的單光子計(jì)數(shù)的數(shù)目。
在一個(gè)例證實(shí)施例中，在319中，執(zhí)行可選的探測(cè)器選通信號(hào)寬 度抖動(dòng)，其中在圍繞最佳信號(hào)寬度W陋N的小范圍RW2(RW2<RW1 ) 內(nèi)抖動(dòng)寬度W。
在320中，給出通過(guò)啟動(dòng)另一探測(cè)器選通信號(hào)定時(shí)掃描，進(jìn)行探 測(cè)器選通信號(hào)S3的自動(dòng)校準(zhǔn)的選擇。如果需要這樣的自動(dòng)校準(zhǔn)，或 者認(rèn)為這樣的自動(dòng)校準(zhǔn)是必需的，那么方法進(jìn)入322。在322，探測(cè) 器選通信號(hào)定時(shí)或?qū)挾榷秳?dòng)被關(guān)閉，過(guò)程返回314的探測(cè)器選通信號(hào) 定時(shí)掃描，或者315的探測(cè)器選通信號(hào)寬度掃描，從而執(zhí)行探測(cè)器選 通信號(hào)定時(shí)和/或探測(cè)器選通信號(hào)寬度的更新校準(zhǔn)，以找出新的最佳到 達(dá)時(shí)間T固N(yùn)和/或最佳信號(hào)寬度WMIN。由于多種原因，比如發(fā)現(xiàn)環(huán)境 方面的變化，或者由于正常的系統(tǒng)漂移，可能需要進(jìn)行這種更新校準(zhǔn)。 在一個(gè)例證實(shí)施例中，當(dāng)出現(xiàn)任意下述條件時(shí)進(jìn)行探測(cè)器自動(dòng)校準(zhǔn) a )光子計(jì)數(shù)水平的變化超出統(tǒng)計(jì)極限，b )發(fā)生大于預(yù)定量，比如0.5°C 的環(huán)境溫度變化，c)光路具有不同于事件a)的變化結(jié)構(gòu)(比如通過(guò) 開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)元件)，如同在光子計(jì)數(shù)水平變化之前將發(fā)送待決事件的消 息中一樣，d)由于已知的溫度日循環(huán)，每天按時(shí)地進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)， 和e)固定時(shí)間地，比如每小時(shí)進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)，而不論需要與否。
由于探測(cè)器選通抖動(dòng)和探測(cè)器選通掃描會(huì)相互干擾，因此在進(jìn)行 探測(cè)器選通掃描之前，需要關(guān)閉探測(cè)器選通抖動(dòng)。具體地說(shuō)，在探測(cè) 器選通掃描試圖平滑地(即，遞增地)增大單光子探測(cè)器選通信號(hào)的 定時(shí)或?qū)挾鹊臅r(shí)候，探測(cè)器選通抖動(dòng)試圖在較小的增量范圍內(nèi)來(lái)回調(diào) 整變量，以便保持光子計(jì)數(shù)的最大數(shù)目。于是，這兩個(gè)竟?fàn)庍^(guò)程會(huì)產(chǎn) 生假性結(jié)果。從而，在304的探測(cè)器選通信號(hào)定時(shí)掃描期間的探測(cè)器 選通信號(hào)參數(shù)的掃描和更新之后，探測(cè)器選通信號(hào)定時(shí)抖動(dòng)被自動(dòng)地 (或者另一方面，手動(dòng)地)重新打開(kāi)。對(duì)探測(cè)器選通信號(hào)寬度掃描和 抖動(dòng)同樣如此。
如果不需要進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)，那么在324中，該方法返回(或者停留在)18的探測(cè)器選通信號(hào)定時(shí)抖動(dòng)模式或者319的探測(cè)器選通信號(hào) 寬度抖動(dòng)模式。周期性的探測(cè)器選通信號(hào)定時(shí)抖動(dòng)過(guò)程通常導(dǎo)致TMIN 的值輕微變化，以便保持最小誤碼率BERMIN，或者另一方面，使誤 碼率保持在新的最小值BER，Mw、 BER"Mm等等。為了清楚和簡(jiǎn)潔起 見(jiàn)，在本發(fā)明中，"最小誤碼率，，可意指BERMIN、 BER'MIN、 BER'，MIN 等等。同樣地，"最佳到達(dá)時(shí)間T固n"可變化，從而在本發(fā)明中可意指 Tmin、 T'min、 T"Mm等等。就探測(cè)器選通信號(hào)寬度抖動(dòng)過(guò)程和WMIN 來(lái)說(shuō)同樣如此。
在一個(gè)例證實(shí)施例中，本發(fā)明的上述方法被包含在計(jì)算機(jī)可讀介 質(zhì)250和289至少之一中，并由控制器248和288至少之一執(zhí)4亍，以 便在QKD系統(tǒng)200中執(zhí)行該方法。
在一個(gè)例證實(shí)施例中，本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)方法被包含在計(jì)算機(jī) 可讀介質(zhì)250和289至少之一中，并由控制器248和288至少之一執(zhí) 行。
權(quán)利要求
1、一種自動(dòng)校準(zhǔn)量子密鑰分發(fā)(QKD)系統(tǒng)的方法，所述QKD系統(tǒng)具有操作上耦接的編碼站和其中一個(gè)編碼站中的單光子探測(cè)器(SPD)單元，所述方法包括a)通過(guò)向SPD單元發(fā)送探測(cè)器選通信號(hào)，并在第一范圍R1內(nèi)改變探測(cè)器選通信號(hào)的到達(dá)時(shí)間T，執(zhí)行探測(cè)器選通信號(hào)定時(shí)掃描，從而確定最佳到達(dá)時(shí)間TMIN，所述最佳到達(dá)時(shí)間TMIN對(duì)應(yīng)于在兩個(gè)編碼站之間交換的光子信號(hào)的最佳誤碼率(BER)BERMIN；和b)通過(guò)在圍繞TMIN的第二范圍R2內(nèi)改變到達(dá)時(shí)間T，執(zhí)行探測(cè)器選通信號(hào)定時(shí)抖動(dòng)，以使BER保持在BERMIN或其附近。
2、 按照權(quán)利要求1所述的方法，包括終止探測(cè)器選通信號(hào)定時(shí)抖動(dòng)，并執(zhí)行另一探測(cè)器選通信號(hào)定時(shí)掃描。
3、 按照權(quán)利要求1所述的方法，其中QKD系統(tǒng)包括可編程控 制器和計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，其中探測(cè)器選通信號(hào)由控制器提供，其中所述方法嵌入在計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)中，以致控制器能夠指令 QKD系統(tǒng)執(zhí)行動(dòng)作a )和b )。
4、 按照權(quán)利要求1所述的方法，包括通過(guò)在第一寬度范圍RW1內(nèi)改變探測(cè)器選通信號(hào)的寬度W,執(zhí) 行探測(cè)器選通信號(hào)寬度掃描，以確定與最佳誤碼率對(duì)應(yīng)的最佳寬度 WMINo
5、 按照權(quán)利要求4所述的方法，包括通過(guò)在第二寬度范圍RW2內(nèi)改變寬度W，執(zhí)行探測(cè)器選通信號(hào) 寬度抖動(dòng)，其中RW2〈RW1，以使探測(cè)器選通信號(hào)寬度保持在最佳寬度Wmhv或其附近。
6、 一種其中嵌入有指令的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，所述指令指引具有 探測(cè)器單元的量子密鑰分發(fā)(QKD )系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)執(zhí)行下述自動(dòng)校 正QKD系統(tǒng)的方法a)通過(guò)向激光器發(fā)送探測(cè)器選通信號(hào)，并在第一范圍Rl內(nèi)改 變探測(cè)器選通信號(hào)的到達(dá)時(shí)間T，執(zhí)行探測(cè)器選通信號(hào)定時(shí)掃描，從 而確定最佳到達(dá)時(shí)間TMIN，所述最佳到達(dá)時(shí)間T腿n對(duì)應(yīng)于最佳誤碼 率(BER) BER畫(huà)。
7、 按照權(quán)利要求6所述的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，還包括其中嵌入的指引計(jì)算機(jī)通過(guò)在圍繞Tmw的第二范國(guó)R2內(nèi)改變探測(cè)器選通信號(hào)的到達(dá)時(shí)間T,執(zhí)行探測(cè)器選通信號(hào)定時(shí)抖動(dòng)，從而使BER保持在最 佳誤碼率BERmw或其附近的指令，其中R2〈R1。
8、 按照權(quán)利要求6所述的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，其中最佳誤碼率 BER畫(huà)是最小BER。
9、 一種在具有操作上與控制器耦接的單光子探測(cè)器(SPD)單 元的量子密鑰分發(fā)(QKD)系統(tǒng)中交換密鑰的方法，所述方法包括在QKD系統(tǒng)中的編碼站之間交換光子信號(hào)，以確定誤碼率 (BER);通過(guò)在到達(dá)時(shí)間T的范圍內(nèi)，從控制器向SPD單元發(fā)送探測(cè)器選通信號(hào)，執(zhí)行第一探測(cè)器選通信號(hào)定時(shí)掃描；確定與第 一最佳誤碼率BERMIN對(duì)應(yīng)的探測(cè)器選通信號(hào)的第 一最 佳到達(dá)時(shí)間TMINo
10、 按照權(quán)利要求9所述的方法，包括 當(dāng)確定第一tm^時(shí)，終止第一探測(cè)器選通信號(hào)定時(shí)掃描；和通過(guò)控制器在圍繞第一TMm的到達(dá)時(shí)間范圍R2內(nèi)，變更到達(dá)時(shí) 間T，執(zhí)行第一探測(cè)器選通信號(hào)定時(shí)抖動(dòng)，以使BER保持為BERMIN， 或者保持為不同的最小誤碼率BER，MIN。
11、 按照權(quán)利要求10所述的方法，其中執(zhí)行探測(cè)器選通信號(hào)定 時(shí)抖動(dòng)產(chǎn)生與誤碼率BER'Mm相關(guān)的新的最佳到達(dá)時(shí)間T'MIN。
12、 按照權(quán)利要求IO所述的方法，還包括 終止第一探測(cè)器選通信號(hào)定時(shí)抖動(dòng)的執(zhí)行； 執(zhí)行第二探測(cè)器選通信號(hào)定時(shí)掃描； 終止第二探測(cè)器選通信號(hào)定時(shí)掃描；和 執(zhí)行第二探測(cè)器選通信號(hào)定時(shí)抖動(dòng)。
13、 按照權(quán)利要求9所述的方法，還包括通過(guò)在第一寬度范圍RW1內(nèi)改變探測(cè)器選通信號(hào)的寬度W，執(zhí) 行探測(cè)器選通信號(hào)寬度掃描，從而確定與最佳BER對(duì)應(yīng)的最佳寬度 W麗。
14、 按照權(quán)利要求13所述的方法，還包括 通過(guò)在第二范圍RW2內(nèi)改變寬度W，執(zhí)行探測(cè)器選通信號(hào)寬度抖動(dòng)，從而使探測(cè)器選通信號(hào)寬度保持在對(duì)應(yīng)于最佳BER的最佳寬 度WMm或其附近，其中RW2〈RW1。
15、 一種具有嵌入其中的指令的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，所述指令指引 量子密鑰分發(fā)(QKD)系統(tǒng)中的適合于控制QKD系統(tǒng)操作的計(jì)算機(jī) 執(zhí)4亍下述自動(dòng)校準(zhǔn)QKD系統(tǒng)的方法通過(guò)在QKD系統(tǒng)中的操作上耦接的編碼站之間發(fā)送光子信號(hào)， 確定誤碼率(BER)，其中一個(gè)編碼站包括由具有到達(dá)時(shí)間T的探測(cè) 器選通信號(hào)選通的單光子探測(cè)器(SPD);通過(guò)在到達(dá)時(shí)間的范圍Rl內(nèi)改變到達(dá)時(shí)間T，執(zhí)行第一探測(cè)器 選通信號(hào)定時(shí)掃描，以確定與第一最小誤碼率BERMm對(duì)應(yīng)的第一最 佳到達(dá)時(shí)間TMIN;當(dāng)確定第一TMm時(shí)，終止第一探測(cè)器選通信號(hào)定時(shí)掃描；和 通過(guò)在圍繞第一TMm的到達(dá)時(shí)間的范圍R2內(nèi)，變更到達(dá)時(shí)間T, 執(zhí)行第一探測(cè)器選通信號(hào)定時(shí)抖動(dòng)，以便a)保持第一最小誤碼率 BERMIN，或者b)確定不同的最小誤碼率BER，M!N，其中R2<R1。
16、 一種自動(dòng)校準(zhǔn)量子密鑰分發(fā)(QKD)系統(tǒng)的方法，所述QKD 系統(tǒng)具有操作上耦接的編碼站，同時(shí)其中一個(gè)編碼站具有操作上與控 制器耦接的單光子探測(cè)器(SPD)單元，所述控制器適合于向SPD單 元提供探測(cè)器選通信號(hào)，所述方法包括在QKD系統(tǒng)中的編碼站之間交換光子信號(hào)，以確定誤碼率； 通過(guò)改變探測(cè)器選通信號(hào)的到達(dá)時(shí)間T,執(zhí)行探測(cè)器選通信號(hào)定 時(shí)掃描，從而確定與最佳誤碼率BERMm對(duì)應(yīng)的最佳到達(dá)時(shí)間TMIN;和圍繞TV頻抖動(dòng)到達(dá)時(shí)間T，從而a)使誤碼率保持在第一最佳誤 碼率BER磁N或其附近，或者b)確定第二最佳誤碼率BER'旭jv。
17、 按照權(quán)利要求16所述的方法，其中探測(cè)器選通信號(hào)具有寬 度W，還包括通過(guò)在寬度范圍RWl內(nèi)改變寬度W，執(zhí)行探測(cè)器選通 信號(hào)寬度掃描，從而確定最小誤碼率。
18、 一種自動(dòng)校準(zhǔn)具有操作上耦接的編碼站的量子密鑰分發(fā) (QKD)系統(tǒng)的方法，其中一個(gè)編碼站包括操作上與控制器耦接的單光子探測(cè)器(SPD)單元，所述控制器適合于借助探測(cè)器選通信號(hào)選 通SPD單元的操作，所述方法包括執(zhí)行探測(cè)器選通信號(hào)定時(shí)掃描，以確定探測(cè)器選通信號(hào)的最佳到 達(dá)時(shí)間，所述最佳到達(dá)時(shí)間與當(dāng)在編碼站之間交換光子信號(hào)時(shí)的最佳誤碼率對(duì)應(yīng)；終止探測(cè)器選通信號(hào)定時(shí)掃描；和通過(guò)圍繞最佳到達(dá)時(shí)間值改變探測(cè)器選通信號(hào)的到達(dá)時(shí)間，執(zhí)行 探測(cè)器選通信號(hào)定時(shí)抖動(dòng)，從而使誤碼率保持在最佳誤碼率或其附 近。
19、 按照權(quán)利要求18所述的方法，其中最佳誤碼率是最小誤碼率。
20、 按照權(quán)利要求18所述的方法，其中探測(cè)器選通信號(hào)具有寬 度W，還包括調(diào)整探測(cè)器選通信號(hào)寬度，使誤碼率保持在最佳誤碼率 或其附近。
全文摘要
公開(kāi)一種自動(dòng)校準(zhǔn)量子密鑰分發(fā)(QKD)系統(tǒng)(200)中的單光子探測(cè)器(SPD)單元的方法。所述方法包括交換光子信號(hào)(P1、P2)，以確定誤碼率(BER)。所述方法還包括進(jìn)行改變信號(hào)到達(dá)時(shí)間(T)的探測(cè)器選通信號(hào)定時(shí)掃描(314)，以確定和最佳(例如最小)BER對(duì)應(yīng)的最佳到達(dá)時(shí)間(T_MIN)。隨后抖動(dòng)(318)探測(cè)器選通信號(hào)(S3)的定時(shí)。這涉及圍繞最佳到達(dá)時(shí)間改變探測(cè)器選通信號(hào)到達(dá)時(shí)間，以保證QKD系統(tǒng)以最佳BER(BER_MIN)或接近最佳BER(BER_MIN)工作。
文檔編號(hào)H04K1/00GK101558590SQ200680020401
公開(kāi)日2009年10月14日 申請(qǐng)日期2006年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月20日
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