【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及量子通信，尤其涉及一种用于tf-qkd系统的相位反馈方法。
技术介绍
1、自从1984年bb84协议问世以来，基于该协议的量子密钥分发(qkd)作为量子通信的核心技术之一，始终是量子通信领域的研究重点。然而在实际应用中，由于环境和链路的损耗，qkd通信距离和成码率也受到了很大的影响。近年，一种新的qkd协议——双场量子密钥分发(tf-qkd) 协议被提出，相比此前的qkd协议，具有可以实现更高的安全性，更远的分发距离以及更高的成码率。
2、现有技术的tf-qkd系统中，需要额外一根光纤进行波长锁定的种子光分发，本地需要的额外的波长锁定（光学锁相）设备，采用超稳光昂贵的需求，tf-qkd系统对光源的要求过高。
技术实现思路
1、tf-qkd有两个发送端alice端与bob端，发送采用相位编码的信号光；一个接收端charlie端，接收发送端的光，干涉后进行探测，其基本架构如图1所示。
2、alice和bob端的命名在本领域通常用于代表两个通信的双方，charlie端的命名在本领域通常用于代表用于接收并测量信号的一端，常用来描述通信协议、加密算法、量子纠缠实验等场景。在实际密钥分发中，需要alice与bob端发出的光经历光纤传输后的相位差恒定，以实现稳定的干涉。光纤在链路中的相位与波长和链路长度有关，而链路长度会随时间变化，因此需要在发送端发送参考光，在接收端对参考光进行探测，根据探测结果反馈或补偿相位差。
3、相位差与ab激光的波长差、
4、
5、其中为相位差变化量，s为光纤中光速，l为光纤链路长度，为激光频率，为链路长度（光程）变化量，为ab发送方激光的频率差。
6、为了实现tf-qkd系统所要求的稳定干涉，需要控制全系统的相位差至0。这要求同时纠正、补偿链路相位快速变化引起的相位差，以及补偿ab激光器频率差，以及频率差变化引起的相位变化。
7、目前，tf-qkd相位反馈的系统通常假设（或要求）alice端和bob端激光的波长非常一致，即足够小。现有的方案通常使用超稳激光或一个窄线宽激光作为种子源，在a、b端的声光调制器aom后使用锁相环将本地激光的频率锁定至与种子激光相同，因而保证上述公式中频率差非常小。其原理如图2所示，其中qkd为量子密钥分发。
8、现有实时相位反馈的方案步骤如下：alice与bob间光纤可能引起相位变化，在中间测量节点charlie，插入一个相位调制器件pm，通过“探测器-快速反馈运算系统-调制器”的反馈回路控制相位，补偿链路光纤引入的相位变化。具体的， charlie统计左右两个探测器的数据，然后将统计结果输入到反馈运算模块。反馈运算模块负责处理输入的数据，通过反馈算法（通常使用pid算法）生成控制电信号，输入到pm（相位调制器），pm根据输入的控制电信号执行对相位的调制，将相位差调整为预设值，实现相位反馈，如图3所示。在这种情况下，控制电信号电压基本线性影响pm改变的相位。
9、但在alice和bob光源未通过opll锁定至同一个种子光，或采用其他类似方法控制波长精确一致的情况下，则由于alice和bob光源波长的差异，其干涉结果存在频率为的拍频。其中为alice和bob光源的频率差。对于经典光强的干涉，可以通过光强直接读出拍频频率；而对单光子水平的量子光干涉，拍频会导致光子被探测的概率变化。单光子的探测通常使用单光子探测器，探测结果为在某个时间有一个光子被探测的事件。由于量子态探测事件极少，无法直接从探测结果中通过拍频恢复频率信息；由于通常激光器的频率差比较大，在通常相位补偿统计的时间范围，由于拍频干涉已变化很多周期，无法直接获取频率差，因此不能类似于采用相位补偿的方法，根据一段时间的统计结果，进行补偿。因此，当alice与bob存在比较大的波长（频率）差时，拍频会导致原有相位补偿/反馈控制方案无法补偿链路及激光器共同引起的相位差。
10、本专利技术的一种用于tf-qkd系统的相位反馈方法，包括如下步骤：
11、s1、初始控制alice与bob端的激光器，逐步降低alice与bob的光频差，直至满足执行pid运算进行反馈的初始条件；
12、s2、当初始化完成后，alice与bob开始qkd运行，发送参考光和量子态信号；
13、s3、charlie端执行相位反馈，在进行相位反馈的同时提取光频差，当所述光频差绝对值超出频率阈值时，反馈给alice与bob端，alice与bob端根据所述光频差调整激光器的波长，实现在alice与bob端激光器的波长差发生缓变的条件下，对激光器的波长、链路的相位进行补偿。
14、进一步地，步骤s1包括如下步骤：
15、s11、设置alice与bob端的激光器波长，直至波长相等；
16、s12、alice与bob端发送脉冲，在charlie端使用频谱仪校准波长差；
17、s13、系统运行前，对alice与bob端发送的数据序列使用fft运算后提取频率峰值，则调整alice与bob激光器的波长，直到出现fft峰值，出现fft峰值后，提取光频差，发送到alice端或bob端，alice端或bob端调整激光器波长；
18、s14、循环执行上述步骤，逐步降低alice与bob端的光频差。
19、进一步地，判断fft运算后生成的数据序列是否能够提取出频率差的步骤为：首先，当数据序列中的一个区域的平均值大于其他区域平均值的n倍时，则定义该区域为数据序列的峰；其次，若输入的数据序列有且仅有1个峰，则进行光频差提取；如果数据序列没有峰或有多个峰，则认定光频差提取失败，n为取值范围在3-10的预设值。
20、进一步地，步骤s13包括如下步骤：
21、调整alice与bob激光器的波长，直到出现fft峰值；取峰值内最大振幅所对应的频率，将输出到alice端或bob端，alice端或bob端的激光器调整波长；
22、若小于频率阈值h1，则初始化阶段完成。
23、进一步地，当fft提取出的光频差为时，对光频差的迭代调整：将alice端或bob端的激光器频率调整，调整后，charlie端继续提取光频差，判断新提取的光频差接近0还是接近离2；若接近0，则完成一次迭代调整；否则，则将激光器频率回调2，完成一次迭代调整，反复迭代直至。
24、进一步地，步骤s3包括如下步骤：
25、s31、charlie端的计数模块分别记录两个单光子探测器的探测事件，将计数发送给pid模块，将时间序列发送给fft模块；
26、s32、fft模块将时间序列处理成数字序列后，进行fft运算，监控光频差是否高于频率阈值，并输出到数据处理模块；
27、s33、pid模块对接收到的计数进行pid运算，将运算出的电压值分别输出到快速反馈执行模块和数据处理模块；本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于TF-QKD系统的相位反馈方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的用于TF-QKD系统的相位反馈方法，其特征在于，所述步骤S1包括如下步骤：
3.根据权利要求2所述的用于TF-QKD系统的相位反馈方法，其特征在于，判断FFT运算后生成的数据序列是否能够提取出频率差的步骤为：首先，当数据序列中的一个区域的平均值大于其他区域平均值的n倍时，则定义该区域为数据序列的峰；其次，若输入的数据序列有且仅有1个峰，则进行光频差提取；如果数据序列没有峰或有多个峰，则认定光频差提取失败；n为取值范围在3-10的预设值。
4.根据权利要求2所述的用于TF-QKD系统的相位反馈方法，其特征在于，所述步骤S13包括如下步骤：
5.根据权利要求4所述的用于TF-QKD系统的相位反馈方法，其特征在于，当FFT提取出的光频差为时，对所述光频差进行迭代调整：将Alice端或Bob端的激光器频率调整，调整后，Charlie端继续提取光频差，判断新提取的光频差接近0还是接近离2；若接近0，则完成一次迭代调整；否则，则将激光器频率回调2，完
6.根据权利要求1所述的用于TF-QKD系统的相位反馈方法，其特征在于，所述步骤S3包括如下步骤：
7.根据权利要求6所述的用于TF-QKD系统的相位反馈方法，其特征在于，数据处理模块记录下当前慢速反馈执行模块中AOM的频移量，设调整前激光器频率为v，根据所述频移量为缓变调整激光器的频率，在缓变调整时间段内，激光器频率从v开始逐步调整，直至调整至。
8.根据权利要求7所述的用于TF-QKD系统的相位反馈方法，其特征在于，第k次PID运算得到的电压值为，将相位2π对应的电压作为电压阈值：
9.根据权利要求6所述的用于TF-QKD系统的相位反馈方法，其特征在于，数据处理模块接收到电压值组成的序列，当出现2次相邻的相同类型跳变时，记录并计算相邻2次相同类型跳变的间隔时间t，提取频率差:；若相邻2次跳变的类型为第1类跳变，则符号为正；若相邻2次跳变的类型为第2类跳变，则符号为负；统计周期的PID输入值M设定为，其中、分别为统计周期内探测器L、R的计数个数；设定反馈输入值M的目标值N，PID模块根据所述目标值N执行PID运算。
10.根据权利要求8所述的用于TF-QKD系统的相位反馈方法，其特征在于，第k次PID运算时，通过下式计算电压值:
...【技术特征摘要】
1.一种用于tf-qkd系统的相位反馈方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的用于tf-qkd系统的相位反馈方法，其特征在于，所述步骤s1包括如下步骤：
3.根据权利要求2所述的用于tf-qkd系统的相位反馈方法，其特征在于，判断fft运算后生成的数据序列是否能够提取出频率差的步骤为：首先，当数据序列中的一个区域的平均值大于其他区域平均值的n倍时，则定义该区域为数据序列的峰；其次，若输入的数据序列有且仅有1个峰，则进行光频差提取；如果数据序列没有峰或有多个峰，则认定光频差提取失败；n为取值范围在3-10的预设值。
4.根据权利要求2所述的用于tf-qkd系统的相位反馈方法，其特征在于，所述步骤s13包括如下步骤：
5.根据权利要求4所述的用于tf-qkd系统的相位反馈方法，其特征在于，当fft提取出的光频差为时，对所述光频差进行迭代调整：将alice端或bob端的激光器频率调整，调整后，charlie端继续提取光频差，判断新提取的光频差接近0还是接近离2；若接近0，则完成一次迭代调整；否则，则将激光器频率回调2，完成一次迭代调整，反复迭代直至。
6.根据权利要求1所述的用于...
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