申请/专利权人：忻州师范学院

申请日：2018-03-28

公开（公告）日：2020-06-26

公开（公告）号：CN108494494B

主分类号：H04B10/556(20130101)

分类号：H04B10/556(20130101);H04B10/524(20130101);H04B10/70(20130101);H04L9/08(20060101)

优先权：

专利状态码：失效-未缴年费专利权终止

法律状态：2023.03.10#未缴年费专利权终止;2018.09.28#实质审查的生效;2018.09.04#公开

摘要：本发明是一种利用单光子干涉方法和单光子计数方法，基于相位估算算法及搜索算法实时锁定两个单光子光场相对相位的方法。利用单光子干涉方法将两个单光子光场的相对相位转化为物理上可测量的强度，利用单光子计数方法测量单光子强度的统计值，从而实现对两个单光子光场相对相位的测量。比较测量到的相对相位及设定的参考相位，两者偏差较大时利用相位估算算法计算优化的相位调节电压以便快速进行相位反馈，两者偏差较小时则利用搜索算法计算优化的相位调节电压，不断重复以上步骤即可锁定两个单光子光场的相对相位。这种方法可以应用于相位编码量子密钥分发系统中锁定单光子信号的相位，操作简单，锁定效率高，精度高。

主权项：1.一种实时锁定单光子相位的方法，其特征在于：包括如下步骤：S1、两个单光子光场分别记为参考光场与信号光场，其中信号光场相位能够调节，设定所需锁定的参考相位Δφr，Δφr∈[0，2π；S2、测量两个单光子光场之间的相对相位Δφ；具体如下：信号光场输入到相位调制模块输入端，相位调制模块输出端连接到光纤耦合器的一输入端，参考光场输入到光纤耦合器的二输入端，两个单光子光场在光纤耦合器内部相遇发生干涉，光纤耦合器输出端连接到单光子探测器输入端，单光子探测器输出端连接到光子计数模块输入端，光子计数模块输出端连接到相位计算模块输入端，相位计算模块输出端连接到相位调制模块电压输入端，该电压输入端电压改变调节信号光场的相位；信号光场为相干光场，其湮灭算符表示为波函数表示为|αsig；参考光场为相干光场，其湮灭算符表示为波函数表示为|αref；信号光和参考光具有相同的频率和偏振方向，两束光输入到光纤耦合器发生干涉；在海森堡绘景下，经过光纤耦合器后输出为干涉场的波函数表示为输入场波函数的直积，即|ψ1＝|αsigαref，而单光子探测器输出信号的概率其中η为系统的传输效率，最终单光子探测器输出信号的概率为 其中，|αsig|2为信号光脉冲的平均光子数，|αref|2为参考光脉冲的平均光子数，φsig为信号光相位，φref为参考光相位；若信号光脉冲与参考光脉冲的重复频率相等且为f，光子计数模块以积分时间T测量单光子计数，则在积分时间内，单光子计数为 光子计数模块将计数值N输入到相位计算模块中；为了获得真实的相位，还必须知道此时光子计数对应于相对相位的斜率该斜率通过微扰来获得，相位计算模块施加微扰电压δV到相位调制模块上，假设信号光相位变化量与相位调制模块施加电压变化量具有线性关系，则相对相位改变量为其中Vπ为相位调制模块的半波电压；光子计数模块以积分时间T采集施加微扰电压δV之后的单光子计数值N′并输入到相位计算模块中，此时，相位计算模块依据单光子计数值N、N′等参数即可确定信号光场和参考光场的相对相位Δφ；当时，相对相位当时，相对相位S3、将测量到的相对相位Δφ与设定的参考相位Δφr做比较，依据两者差值的绝对值|Δφ-Δφr|与设定阈值相位φth的大小关系，选择利用相位估算算法或者搜索算法计算出优化的相位调节电压，并调节信号光场的相位；具体如下：若相对相位Δφ与参考相位Δφr差值的绝对值|Δφ-Δφr|大于阈值相位φth，则根据相位估算算法预估优化的相位调制模块施加电压值，相位估算算法指根据公式计算相位调制模块上施加电压的改变值，新优化的相位调制模块施加电压值V′＝V+ΔV，其中V为优化前相位调制模块施加电压值；若相对相位Δφ与参考相位Δφr差值的绝对值|Δφ-Δφr|小于阈值相位φth，则使用搜索算法获取新优化的相位调制模块施加电压值，搜索算法指根据公式计算新优化的相位调制模块施加电压值，其中Δφ′是施加微扰电压δV后两束光场对应的相对相位，当|Δφ′-Δφr|-|Δφ-Δφr|＝0时，则对相位调制模块不施加电压；相位计算模块施加优化的电压信号到相位调制模块上，从而调节单光子光场的相位；S4、重复步骤S2、S3，即可实现单光子相位的实时锁定。

全文数据：实时锁定单光子相位的方法技术领域[0001]本发明属于量子通信领域，具体是一种基于单光子相位干涉和单光子计数实时锁定单光子相位的方法。背景技术[0002]随着社会的发展，安全通信技术在军事、金融、信息等各个领域将发挥越来越重要的作用。[0003]量子密钥分发由物理原理保证密钥的绝对安全性，利用安全密钥结合“一次一密”加密方式可以实现安全通信，因此量子密钥分发受到各个国家的重视并且发展迅速。目前，以单光子为载体的量子密钥分发主要利用单光子的偏振和相位加载信息。在单模光纤中，由于相位相比偏振更容易保持稳定，所以相位编码量子密钥分发通常在单模光纤中进行。但是在实际环境中，环境随机扰动引起的相位漂移会影响相位编码量子密钥分发系统的工作稳定性，降低了系统的工作性能。通信双方可以利用四相位扫描法通过扫描单光子信号的干涉强度曲线来获取相位漂移参数，从而补偿单光子的相位漂移，但是此方法需要扫描接收方4条干涉曲线，操作复杂且消耗时间长，锁定精度有限，不利于实际应用，而且通信双方需要进行信息交换，降低了系统的安全性。发明内容[0004]本发明为了解决上述存在的问题，提供了一种利用单光子干涉方法和单光子计数方法，基于相位估算算法及搜索算法实时锁定两个单光子光场相对相位的方法，可以应用于相位编码量子密钥分发系统中补偿系统的相位漂移，提高单光子的干涉可视度，双方无需进行信息交换，操作简单，锁定效率高，精度高。[0005]本发明是采用如下技术方案实现的：[0006]—种实时锁定单光子相位的方法，包括如下步骤：[0007]SI、两个单光子光场分别记为参考光场与信号光场，其中信号光场相位可以调节，设所需锁定的两个光场的参考相位为A^，[0008]S2、测量两个单光子光场之间的相对相位Δφ。[0009]测量两个单光子光场的相对相位是通过单光子干涉方法将非厄米的相位转化为厄米的强度，测量强度是通过单光子探测方法及单光子计数方法进行测量。单光子探测方法中测量单光子强度的工具为单光子探测器。单光子计数方法是对单光子探测器输出数字脉冲进行统计计数，从而获得光场的强度信息。具体如下：[0010]信号光场输入到相位调制模块输入端，相位调制模块输出端连接到50:50光纤耦合器的一输入端，参考光场输入到光纤親合器的二输入端，两个单光子光场在光纤親合器内部相遇发生干涉，光纤耦合器输出端连接到单光子探测器输入端，单光子探测器输出端连接到光子计数模块输入端，光子计数模块输出端连接到相位计算模块输入端，相位计算模块输出端连接到相位调制模块电压输入端，该电压输入端电压改变调节信号光场的相位，从而补偿由环境扰动引入的相位漂移。[0011]信号光场为相干光场，其湮灭算符表不为波函数表不为Iasig。参考光场为相干光场，其湮灭算符表示为，波函数表示为I信号光和参考光具有相同的频率和偏振方向，两束光输入到光纤耦合器发生干涉。在海森堡绘景下，经过光纤耦合器后输出为，干涉场的波函数表示为输入场波函数的直积，即，而单光子探测器输出信号的概率，其中rI为系统的传输效率，包含单光子探测器的探测效率等。最终单光子探测器输出信号的概率为[0013]其中，Iaslg12为信号光脉冲的平均光子数，Iaref12为参考光脉冲的平均光子数，Φsig为信号光相位，Φref为参考光相位。若信号光脉冲与参考光脉冲的重复频率相等且为f，光子计数模块以积分时间T测量单光子计数，则在积分时间内，单光子计数为[0015]光子计数模块将计数值N输入到相位计算模块中。[0016]为了获得准确的相位值，必须知道此时光子计数对应于相对相位的斜率该斜率通过微扰来获得，相位计算模块施加微扰电压抑到相位调制模块上，假设信号光相位变化量与相位调制模块施加电压变化量具有线性关系，则相对相位改变量为，其中νπ为相位调制模块的半波电压。光子计数模块以积分时间T采集施加微扰电压SV之后的光子计数值Ν'并输入到相位计算模块中，此时，相位计算模块依据单光子计数值Ν、π等参数即可确定信号光场和参考光场的相对相位Δφ。当时，相对相位；当时，相对相位-[0017]所述通过单光子干涉将单光子光场相位转化为强度的结构不仅限于所描述的50:50耦合器结构，也包括基于边带干涉的结构等。[0018]所述相位调制模块可以是马赫-曾德尔型调制器、电光调制器、声光调制器及带压电陶瓷的扫描镜等实现光场相位调制的器件。[0019]所述光子计数模块可以基于微控制器MCU、现场可编程门阵列FPGA等硬件编程实现。[0020]所述相位计算模块可以基于微控制器MCU、现场可编程门阵列FPGA等硬件编程实现，也可以基于计算机使用Matlab等软件编程实现。[0021]所述公式中的参数如n、f、ICtslg12以及ICtref12等视为已知值。[0022]优选的，在实际系统中选取积分时间T时，应当兼顾相位分辨率以及反馈速率。假设探测系统暗噪声较小，整个探测过程的相位分辨率受限于光子散粒噪声，则相位分辨率积分时间太小会导致相位分辨率太差，锁定精度过低。然而系统的反馈速率积分时间较大则会导致反馈速率降低，无法及时补偿变化较快的相位漂移，所以系统需要选择最佳的积分时间T。[0023]优选的，在实际系统中，微扰电压δν应当尽可能接近理想值[0024]S3、将测量到的相对相位Δφ与设定的参考相位ΔJr做比较，依据两者差值的绝对值IΔφ-ΔJrI与设定阈值相位Jth的大小关系，选择利用相位估算算法或者搜索算法计算出优化的相位调节电压，并调节信号光场的相位。[0025]相位估算算法指假设信号光光路中相位调制模块调节的相位对输入电压是线性响应，根据实际相对相位与设定参考相位的差值，计算出所需要加载到相位调制模块上的电压值。在实际相对相位与参考相位相差较远时，该步骤能够大大减小锁定所需要的时间。[0026]搜索算法指在实际相对相位距参考相位较近时，通过施加微扰，观察施加微扰前后相对相位与参考相位的差值符号，从而判断相位调节方向，选择继续向同一方向调节相位、不调节相位、反向调节相位。利用搜索算法可以在设定值附近实现更加精确的相位锁定。[0027]具体如下：[0028]在相位计算模块中，比较相对相位Δφ与参考相位ΔK，若其差值的绝对值IΔΨ_△ΨrI大于阈值相位Ψth，贝丨J根据相位估算算法预估优化的相位调制模块施加电压值。相位估算算法指根据公式计算相位调制模块上施加电压的改变值，新优化的相位调制模块施加电压值V=V+AV，其中V为优化前相位调制模块施加电压值。若其差值的绝对值IAΦ-ΔJrI小于阈值相位Jth，则使用搜索算法获取新优化的相位调制模块施加电压值。搜索算法指根据公式计算新优化的相位调制模块施加电压值，其中AΦ是施加微扰电压δν后两束光场对应的相对相位，当时，则对相位调制模块不施加电压。通过两种算法结合可以实现在相位偏移过大时，系统快速收敛到所需相位附近，而当相位偏移较小时，系统则以更高的精度进行相位反馈。[0029]相位计算模块施加优化的电压信号到相位调制模块上，从而调节单光子光场的相位。[0030]优选的，阈值相位Φth的取值范围为（Φres，31，但不能过大，否则相位偏移过大时会出现无法通过相位估算算法快速补偿相位漂移的情况。[0031]S4、重复步骤S2、S3,即可实现单光子相位的实时锁定。[0032]本发明所述的锁定单光子相位的方法具有以下优点：[0033]1、该方法的相位锁定精度高于传统相位锁定方法。[0034]2、该方法可以应用在相位编码量子密钥分发系统中用于补偿相位漂移，不需要进行相位扫描和信息交换，降低了相位补偿时间和系统复杂度，提高了锁定效率与系统安全性。[0035]3、该方法是一种通用的方法，适用于其它需要补偿单光子相位漂移的激光通信系统。[0036]本发明提供一种实时锁定单光子相位的方法，利用单光子干涉方法将两个单光子光场的相对相位转化为物理上可测量的强度，利用单光子计数方法测量单光子强度的统计值，从而实现对两个单光子光场相对相位的测量。比较测量到的相对相位及设定的参考相位，两者偏差较大时利用相位估算算法计算优化的相位调节电压以便快速进行相位反馈，两者偏差较小时则利用搜索算法计算优化的相位调节电压，不断重复以上步骤即可锁定两个单光子光场的相对相位。这种方法可以应用于相位编码量子密钥分发系统中锁定单光子信号的相位，操作简单，锁定效率高，精度高。附图说明[0037]图1表示单探头等臂马赫-曾德尔干涉仪系统中锁定单光子相位的原理框图，其中，虚线代表光信号、实线代表电信号。[0038]图2表示系统锁定单光子相位的流程图。具体实施方式[0039]下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。[0040]—种实时锁定单光子相位的方法，通过单光子脉冲的干涉强度反应单光子相位漂移的程度，利用反馈电路加载优化的控制信号到相位调制模块，保持单光子干涉计数值维持在固定值，即可有效锁定单光子的相对相位。[0041]该方法结合时分复用技术可以应用于相位编码量子密钥分发系统，比如马赫-曾德尔干涉仪系统或者边带干涉系统，提高单光子的干涉可视度，使系统实现长时间稳定的密钥输出。下边以单探头等臂马赫-曾德尔干涉仪为实验系统，详细说明该方法的实现过程。[0042]基于单探头等臂马赫-曾德尔干涉仪系统中锁定单光子相位的原理框图如图1所不，包含激光器，激光器输出端与分束器50:50的输入端相连，分束器一输出端与第一电光调制器输入端相连，第一现场可编程门阵列FPGA输出端与第一电光调制器控制端相连，第一电光调制器输出端与合束器50:50的一输入端相连。分束器二输出端与第二电光调制器输入端相连，第二FPGA输出端与第二电光调制器控制端相连，第二电光调制器输出端与合束器二输入端相连。合束器输出端与单光子探测器输入端相连，单光子探测器输出端与第三FPGA输入端相连，第三FPGA输出端与第二FPGA输入端相连。[0043]在发送方，激光器用于产生单光子脉冲光平均光子数约为0.1，分为时分复用的相位补偿脉冲和信号脉冲，相位补偿脉冲的干涉强度用于锁定单光子相位，信号脉冲用作信息载体用于生成量子密钥。第一FPGA用于产生电压信号控制第一电光调制器，第一电光调制器用于对输入单光子脉冲进行相位调制，对相位补偿脉冲进行固定相位的相位调制。[0044]在接收方，第二电光调制器用于对输入单光子脉冲进行相位解调。对相位补偿脉冲解调后，单光子探测器探测单光子的干涉强度，输出相应数字脉冲由第三FPGA进行计数统计，之后将计数值输入到第二FPGA，第二FPGA用于对计数值进行分析运算，之后输出优化的解调电压信号加载到第二电光调制器上，从而对相位补偿脉冲进行解调，使相位补偿脉冲的干涉强度维持在固定值，即可锁定相位补偿脉冲的相位。[0045]激光器输出的相位补偿脉冲经过分束器后分为两束，第一束单光子信号被第一电光调制器相位调制，其调制相位为巾3，该单光子信号的湮灭算符表示为波函数表示为aa。第二束单光子信号被第二电光调制器相位调制，其调制相位为K，该单光子信号的湮灭算符表示为，波函数表示为Iab。干涉仪两臂的单光子脉冲的平均光子数相同，两束单光子信号进入合束器后耦合到一起发生干涉，输出为3干涉场的波函数表示为输入场波函数的直积，即I如〉=Iaaab，而单光子探测器输出信号的概率为，其中η为系统的传输效率，包含单光子探测器的探测效率等。最终单光子探测器输出信号的概率为[0047]其中，为干涉仪其中一个臂上的平均光子数。设光脉冲的重复频率为f，单光子计数的积分时间为Τ，则在积分时间内，单光子探测器测到光子计数为[0049]此时两路单光子信号的相对相位为[0051]获得的相对相位处于[0，π]区间。为了获得真实的相位，还必须知道此时光子计数对应于相对相位的斜率，该斜率通过微扰来获得，即在第二电光调制器上施加微扰电压抑，假设信号光相位变化量与第二电光调制器施加电压变化量具有线性关系，则相对相位改变量为，其中νπ*第二电光调制器的半波电压。采集施加微扰电压SV之后的光子计数值N、若微扰电压δV较小，则当k0时，有;当1〇0时，有记所需锁定的参考相位为AΦηΔc}re[0,2π。利用单光子干涉方法和单光子计数统计锁定等臂马赫-曾德尔干涉仪量子密钥分发系统中单光子相位的流程如图2所示，具体包含以下步骤：[0052]1、初始化系统设置；[0053]2、第一FPGA加载固定电压信号到第一电光调制器，对相位补偿脉冲进行相位调制；[0054]3、第二FPGA施加设定电压信号到第二电光调制器，对相位补偿脉冲进行相位调制；[0055]4、单光子探测器测量相位补偿脉冲的干涉强度，第三FPGA统计积分时间T内相应的相位补偿脉冲干涉计数值Nt，并输入到第二FPGA中；[0056]5、第二FPGA施加微扰电压δν到第二电光调制器，第三FPGA统计积分时间T内相应的相位补偿脉冲干涉计数值Vt，并输入到第二FPGA中；[0057]6、第二FPGA确定通信双方的相对相位Δφ;[0058]7、在第二FPGA中，比较相对相位Δφ与参考相位ΔJr，若其差值的绝对值大于阈值相位Φth，则根据相位估算算法预估优化的加载到第二电光调制器的电压信号，相位估算算法指根据公式计算施加电压改变值，新优化的第二电光调制器的施加电压值V'=V+AV，其中V为优化前的施加电压值。若其差值的绝对值小于阈值相位Φth，则使用搜索算法获取新优化的相位调制信号，搜索算法是指根据公另计算新优化的第二电光调制器施加电压值，其中Aφ是第二FPGA施加微扰电压δν后双方对应的相对相位，当，则不对第二电光调制器施加电压。通过两种算法结合可以实现在相位距离较远时，快速收敛到所需相位附近，而当相位相距较近时，则以更高的精度进行相位反馈；[0059]8、第二FPGA施加优化的电压信号到第二电光调制器，进行相位调制；[0060]9、系统重复执行步骤4-8,即可实现单光子相位的实时锁定。[0061]最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明的技术方案的精神和范围，其均应涵盖本发明的权利要求保护范围中。

权利要求：1.一种实时锁定单光子相位的方法，其特征在于:包括如下步骤：51、两个单光子光场分别记为参考光场与信号光场，其中信号光场相位能够调节，设定所需锁定的参考相位ΔΦϊ·，ΔJre[〇,2π;52、测量两个单光子光场之间的相对相位Δφ;53、将测量到的相对相位△Φ与设定的参考相位△Φτ做比较，依据两者差值的绝对值Δφ-Δφ」与设定阈值相位φ*的大小关系，选择利用相位估算算法或者搜索算法计算出优化的相位调节电压，并调节信号光场的相位；54、重复步骤S2、S3，即可实现单光子相位的实时锁定。2.根据权利要求1所述的实时锁定单光子相位的方法，其特征在于:步骤S2具体如下：信号光场输入到相位调制模块输入端，相位调制模块输出端连接到光纤親合器的一输入端，参考光场输入到光纤親合器的二输入端，两个单光子光场在光纤親合器内部相遇发生干涉，光纤耦合器输出端连接到单光子探测器输入端，单光子探测器输出端连接到光子计数模块输入端，光子计数模块输出端连接到相位计算模块输入端，相位计算模块输出端连接到相位调制模块电压输入端，该电压输入端电压改变调节信号光场的相位；信号光场为相干光场，其湮灭算符表不为$S.ig，波函数表不为Iasig;参考光场为相干光场，其湮灭算符表示为波函数表示为|are3f;信号光和参考光具有相同的频率和偏振方向，两束光输入到光纤耦合器发生干涉；在海森堡绘景下，经过光纤耦合器后输出为,干涉场的波函数表示为输入场波函数的直积，即I也=Iaslg，而单光子探测器输出信号的概率，其中η为系统的传输效率，最终单光子探测器输出信号的概率为其中，Iaslg12为信号光脉冲的平均光子数，Icw12为参考光脉冲的平均光子数，Φμ为信号光相位，Φι^为参考光相位;若信号光脉冲与参考光脉冲的重复频率相等且为f，光子计数模块以积分时间T测量单光子计数，则在积分时间内，单光子计数为光子计数模块将计数值N输入到相位计算模块中；为了获得真实的相位，还必须知道此时光子计数对应于相对相位的斜率，该斜率通过微扰来获得，相位计算模块施加微扰电压δν到相位调制模块上，假设信号光相位变化量与相位调制模块施加电压变化量具有线性关系，则相对相位改变量为其中νπ*相位调制模块的半波电压;光子计数模块以积分时间T采集施加微扰电压δν之后的单光子计数值V并输入到相位计算模块中，此时，相位计算模块依据单光子计数值Ν、Ν'等参数即可确定信号光场和参考光场的相对相位AΦ;当时，相对相位;当时，相对相位3.根据权利要求1所述的实时锁定单光子相位的方法，其特征在于:步骤S3具体如下：若相对相位Δφ与参考相位ΔJr差值的绝对值IΔφ-ΔJrI大于阈值相位Jth，则根据相位估算算法预估优化的相位调制模块施加电压值，相位估算算法指根据公式计算相位调制模块上施加电压的改变值，新优化的相位调制模块施加电压值V'=V+△V，其中V为优化前相位调制模块施加电压值；若相对相位Δφ与参考相位ΔJr差值的绝对值IΔφ-ΔJrI小于阈值相位Jth，则使用搜索算法获取新优化的相位调制模块施加电压值，搜索算法指根据公式计算新优化的相位调制模块施加电压值，其中AΦ'是施加微扰电压δν后两束光场对应的相对相位，当IΔφ'-ΔφΓ|-|Δφ-ΔφΓI=〇时，则对相位调制模块不施加电压；相位计算模块施加优化的电压信号到相位调制模块上，从而调节单光子光场的相位。4.根据权利要求2所述的实时锁定单光子相位的方法，其特征在于：所述微扰电压，相位分辨率5.根据权利要求2所述的实时锁定单光子相位的方法，其特征在于:所述相位调制模块为马赫-曾德尔型调制器、电光调制器、声光调制器或者带压电陶瓷的扫描镜；所述光子计数模块为基于微控制器、现场可编程门阵列的硬件编程实现；所述相位计算模块为基于微控制器、现场可编程门阵列的硬件编程实现，或者基于计算机使用MatIab软件编程实现。6.根据权利要求3所述的实时锁定单光子相位的方法，其特征在于:所述阈值相位Φth的取值范围为（Φι^，π。7.根据权利要求1所述的实时锁定单光子相位的方法，其特征在于:该方法结合时分复用技术应用于量子密钥分发系统中补偿单光子的相位漂移;所述时分复用技术为相位补偿脉冲和信号脉冲交替传输，所述量子密钥分发系统是基于马赫-曾德尔干涉仪或基于边带干涉的相位编码量子密钥分发系统。

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