[发明专利]基于误码率的QKD系统探测器自动校准

说明书

技术领域

本发明涉及量子密码学领域，并在量子密码学领域具有工业实用性，尤其涉及自动校准量子密钥分发(QKD)系统，以保持最佳系统性能的设备和方法，并在所述设备和方法方面具有工业实用性。

背景技术

量子密钥分发(QKD)涉及通过利用通过“量子信道”传送的弱的(例如平均0.1光子)光学信号(“光子信号”)，在发送者(“Alice”)和接收者(“Bob”)之间确定密钥。密钥分发的安全性建立在处于未知状态的量子系统的任何测量都将改变其状态的量子力学原理的基础上。从而，试图截取或者以其它方式测量光子信号的偷听者(“Eve”)将在传送的信号中引入误差，从而暴露她的存在。

量子密码学的普遍原理首先由Bennett和Brassard在他们的论文“Quantum Cryptography：Public key distribution and cointossing”，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等在论文“ExperimentalQuantum Cryptography”，J.Cryptology，(1992)5：3-28中阐明。在Bennett的美国专利No.5307410中说明了一个具体的QKD系统(′410专利)。

上面提及的出版物和′410专利都描述了一种所谓的“单向”QKD系统，其中Alice随机编码光子信号的偏振或相位，Bob随机测量光子信号的偏振或相位。′410专利中描述的单向系统基于两个光纤Mach-Zehnder干涉仪。Alice和Bob可以访问干涉系统的各个部分，以致都能够控制干涉仪的相位。从Alice发给Bob的信号(脉冲)是时分多路复用的，并且沿不同的路径而行。从而，在传输期间，干涉仪需要被主动稳定，以便补偿热漂移。

Gisin的美国专利No.6438234(′234专利)公开一种基于自动补偿干涉仪的所谓的“双向”QKD系统。已知这种干涉仪将被补偿偏振和热变化。从而，与单向QKD系统相比，′234专利的双向QKD系统对环境影响不太敏感。

当操作商用QKD系统时，多个变量需要在时间上被对准，随后保持对准状态，以便获得最佳的系统性能。例如，在商用QKD系统中，利用来自控制器的选通信号选通一个或多个单光子探测器(SPD)，以使光脉冲的探测与预期的脉冲到达时间同步。但是，一旦系统被建立，由于各种系统和环境因素的缘故，定时发生漂移。这导致光子计数下降，而光子计数的下降又导致系统的传输速率的降低，以及误码率(BER)的增大-即，不是最佳的系统性能。

虽然实验室和原型QKD系统可被调整，以考虑到在完全受控和人为条件下的系统漂移，不过在现场进行必需的调整，以保持商用QKD系统的最佳或接近最佳性能仍然是一项使人非常畏缩的工作。另外，不同于实验室或原型QKD系统，商用QKD系统的最终用户期望他们的QKD系统将在操作人员很少干预的情况下，自动以最佳的状态运行。

发明内容

本发明的第一方面是一种自动校准具有两个操作上耦接的编码站的QKD系统的方法，其中编码站之一包括操作上与控制器耦接的一个单光子探测器(SPD)单元。所述方法包括通过从控制器向SPD单元发送探测器选通信号(S3)，并在第一定时范围R1内改变探测器选通信号的到达时间T，进行探测器选通信号定时扫描。所述方法还包括确定探测器选通信号的最佳定时T_MIN，所述最佳定时T_MIN对应于当在QKD系统的编码站之间交换光子信号时的最佳BER(例如，最小BER，BER_MIN)。所述方法还包括通过在围绕T_MIN的第二定时范围R2内改变到达时间T，进行探测器选通信号定时抖动，以使BER保持在最佳值，比如保持在最小BER_MIN。

本发明的第二方面包括进行探测器选通信号宽度扫描，获得最佳的探测器选通信号宽度W_MIN，另外还进行探测器选通信号宽度抖动，以使探测器选通信号保持在最佳信号宽度或其附近。