本發(fā)明涉及量子通信，尤其是量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的脈沖同步方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、量子密鑰分發(fā)(qkd)是一種利用量子物理基本定律分發(fā)對(duì)稱(chēng)密鑰的方法，可以保證加密密鑰的無(wú)條件安全。自1984年第一個(gè)qkd協(xié)議提出以來(lái)，qkd在光纖鏈路、自由空間鏈路和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方面取得了重大進(jìn)展。由于qkd系統(tǒng)依賴(lài)于極短的時(shí)間窗口來(lái)傳輸單光子級(jí)別的量子態(tài)，時(shí)鐘的微小偏差都會(huì)導(dǎo)致信號(hào)錯(cuò)位，進(jìn)而影響系統(tǒng)的誤碼率，因此收發(fā)雙方的時(shí)鐘同步至關(guān)重要。此外，發(fā)送和接收之間脈沖的精確對(duì)齊才能保證傳輸信息的準(zhǔn)確性，這對(duì)收發(fā)雙方的脈沖同步提出了很高的要求。

2、在現(xiàn)有的qkd系統(tǒng)中，鎖定參考時(shí)鐘和發(fā)送同步信號(hào)是確保收發(fā)兩端時(shí)鐘同步最常見(jiàn)的方法。在前者中，參考時(shí)鐘由銣參考時(shí)鐘或全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)提供參考時(shí)鐘，這極大依賴(lài)于輔助設(shè)備且成本較高。而在后者中，同步激光器與光學(xué)時(shí)鐘恢復(fù)儀器一起使用，不僅需要發(fā)送較強(qiáng)的同步光信號(hào)，占用一定的信道資源，而且接收端需要提供額外的設(shè)備從同步光中恢復(fù)時(shí)鐘信息。

3、常見(jiàn)的脈沖同步方法有強(qiáng)光同步和波分復(fù)用(wdm)等。傳統(tǒng)的強(qiáng)光同步方案是通過(guò)插入預(yù)先設(shè)置的同步幀，即在量子信號(hào)前添加一段設(shè)計(jì)好的強(qiáng)光同步信號(hào)，接收端能夠以較高的信噪比來(lái)獲取同步信號(hào)。加入強(qiáng)光同步信號(hào)不僅占用資源，而且可能被用于實(shí)施某些類(lèi)型的側(cè)信道攻擊，如探測(cè)器攻擊等。而實(shí)際波分復(fù)用器件的隔離度有限，部分雜散光可能進(jìn)入信號(hào)光通道，導(dǎo)致暗計(jì)數(shù)率和誤碼率升高，且波分復(fù)用對(duì)設(shè)備的依賴(lài)性和復(fù)雜度高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：本發(fā)明的目的是提供一種通過(guò)部分單光子實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步和脈沖同步的方法，無(wú)需輔助設(shè)備，不占用額外信道，利用弱光實(shí)現(xiàn)qkd系統(tǒng)中收發(fā)雙方的精確同步。

2、技術(shù)方案：本發(fā)明所述的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的脈沖同步方法，包括如下步驟：

3、發(fā)送端通過(guò)經(jīng)典公共信道發(fā)送幀信號(hào)，通過(guò)量子信道發(fā)送信號(hào)光；所述信號(hào)光s包括m幀的幀信號(hào)、m幀的幀反轉(zhuǎn)信號(hào)和密鑰信號(hào)；幀信號(hào)包括n位隨機(jī)二進(jìn)制比特，幀反轉(zhuǎn)信號(hào)由幀信號(hào)取反得到；

4、接收端根據(jù)所述信號(hào)光的到達(dá)時(shí)間計(jì)算信號(hào)周期實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步，并對(duì)信號(hào)光進(jìn)行解碼，得到解碼信號(hào)；

5、接收端逐位計(jì)算在經(jīng)典公共信道接收到的幀信號(hào)與所述解碼信號(hào)前2m幀信號(hào)之間的第一誤碼率，當(dāng)?shù)谝徽`碼率在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)時(shí)實(shí)現(xiàn)位定位；

6、實(shí)現(xiàn)位定位后，接收端逐幀計(jì)算在經(jīng)典公共信道接收到的幀信號(hào)與所述解碼信號(hào)前2m幀信號(hào)之間的第二誤碼率，當(dāng)?shù)诙`碼率在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)時(shí)實(shí)現(xiàn)脈沖同步。

7、本發(fā)明在信號(hào)光中加入了幀信號(hào)和幀反轉(zhuǎn)信號(hào)，只用部分信號(hào)光即可完成脈沖同步，讓qkd系統(tǒng)不再依賴(lài)于輔助設(shè)備。

8、進(jìn)一步地，所述接收端采集所述信號(hào)光的到達(dá)時(shí)間，通過(guò)快速傅里葉變換估計(jì)信號(hào)頻率，計(jì)算相應(yīng)的信號(hào)周期；計(jì)算信號(hào)光在信號(hào)周期中到達(dá)的位置，得到解碼信號(hào)。

9、進(jìn)一步地，接收端在所述信號(hào)周期tsignal_fft附近δ范圍內(nèi)，對(duì)信號(hào)光的到達(dá)時(shí)間ti進(jìn)行模運(yùn)算，得到取余結(jié)果mi，mi＝mod(ti,tsignal_fft±δ)；根據(jù)不同信號(hào)周期下mi的直方圖分布情況，找到信號(hào)分布最集中的直方圖，對(duì)應(yīng)周期為最佳周期；計(jì)算信號(hào)光在最佳周期中到達(dá)的位置，得到解碼信號(hào)。

10、進(jìn)一步地，在接收到下一個(gè)信號(hào)光時(shí)，在上一個(gè)信號(hào)光的所述最佳周期附近δ范圍內(nèi)尋找該信號(hào)光的最佳周期。

11、進(jìn)一步地，接收端設(shè)置滑動(dòng)窗口用于從解碼信號(hào)s'中提取出信號(hào)，所述滑動(dòng)窗口的寬度為n；所述滑動(dòng)窗口每右移一位，統(tǒng)計(jì)一次滑動(dòng)窗口中的信號(hào)與在經(jīng)典公共信道接收到的幀信號(hào)對(duì)應(yīng)位不一致的個(gè)數(shù)，計(jì)算第一誤碼率，當(dāng)所述第一誤碼率在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)時(shí)實(shí)現(xiàn)位定位。

12、進(jìn)一步地，實(shí)現(xiàn)位定位后，接收端逐幀計(jì)算在經(jīng)典公共信道接收到的幀信號(hào)與所述解碼信號(hào)中的幀信號(hào)之間的第二正誤碼率，計(jì)算在經(jīng)典公共信道接收到的幀信號(hào)與所述解碼信號(hào)中的幀反轉(zhuǎn)信號(hào)之間的第二反誤碼率；當(dāng)?shù)诙`碼率和第二反誤碼率均在其預(yù)設(shè)范圍內(nèi)時(shí)實(shí)現(xiàn)脈沖同步，否則丟棄這一段解碼信號(hào)。

13、進(jìn)一步地，所述第二正誤碼率的預(yù)設(shè)范圍為[0％，5％]，所述第二反誤碼率的預(yù)設(shè)范圍為[95％，100％]。

14、由于加入了幀反轉(zhuǎn)信號(hào)，在脈沖同步中由較低誤碼率突然驟變至較高誤碼率，說(shuō)明信號(hào)位置能夠精準(zhǔn)對(duì)齊，能夠能夠清晰的得知脈沖位置。

15、本發(fā)明所述的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的脈沖同步系統(tǒng)，包括：

16、信號(hào)收發(fā)單元，用于在發(fā)送端通過(guò)經(jīng)典公共信道發(fā)送幀信號(hào)，通過(guò)量子信道發(fā)送信號(hào)光；所述信號(hào)光s包括m幀的幀信號(hào)、m幀的幀反轉(zhuǎn)信號(hào)和密鑰信號(hào)；幀信號(hào)包括n位隨機(jī)二進(jìn)制比特，幀反轉(zhuǎn)信號(hào)由幀信號(hào)取反得到；還用于在接收端根據(jù)所述信號(hào)光的到達(dá)時(shí)間計(jì)算信號(hào)周期并對(duì)信號(hào)光進(jìn)行解碼，得到解碼信號(hào)；

17、位定位單元，用于在接收端逐位計(jì)算在經(jīng)典公共信道接收到的幀信號(hào)與所述解碼信號(hào)前2m幀信號(hào)之間的第一誤碼率，當(dāng)?shù)谝徽`碼率在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)時(shí)實(shí)現(xiàn)位定位；

18、脈沖同步單元，用于在實(shí)現(xiàn)位定位后，接收端逐幀計(jì)算在經(jīng)典公共信道接收到的幀信號(hào)與所述解碼信號(hào)前2m幀信號(hào)之間的第二誤碼率，當(dāng)?shù)诙`碼率在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)時(shí)實(shí)現(xiàn)脈沖同步。

19、本發(fā)明所述的電子設(shè)備，包括存儲(chǔ)器、處理器及存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器上并可在處理器上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序被加載至處理器時(shí)實(shí)現(xiàn)所述的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的脈沖同步方法。

20、本發(fā)明所述的計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，其特征在于，所述計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)所述的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的脈沖同步方法。

21、有益效果：本發(fā)明利用部分量子位信號(hào)光傳輸同步信息，通過(guò)取模算法計(jì)算得到精確的的時(shí)鐘周期頻率，通過(guò)位運(yùn)算位定位和幀同步幀定位算法精準(zhǔn)恢復(fù)收發(fā)兩端的信號(hào)偏移量。與傳統(tǒng)的qkd系統(tǒng)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

22、1、資源消耗少：傳統(tǒng)的qkd需要額外的信道或者額外的設(shè)備保證收發(fā)雙方時(shí)鐘一致的，同步信號(hào)光是額外產(chǎn)生的并且是強(qiáng)光；本發(fā)明不再依賴(lài)于輔助設(shè)備，不需要額外的信道；通過(guò)利用部分傳輸量子位實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步和脈沖同步的方法，實(shí)現(xiàn)收發(fā)雙方的時(shí)鐘同步和脈沖同步，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度；無(wú)需強(qiáng)光信號(hào)進(jìn)行同步，僅使用部分單光子(弱光)實(shí)現(xiàn)同步，且?guī)ㄎ凰惴ㄏ牡牧孔颖忍匦∮诳偭孔颖忍氐?％。

23、2、同步效果優(yōu)異：周期計(jì)算精度越高，時(shí)鐘同步效果越好。本發(fā)明通過(guò)取模算法計(jì)算精確的周期，最高精度可達(dá)10-5ps，確保了極高的時(shí)鐘同步效果；在位定位的基礎(chǔ)上，幀定位通過(guò)連續(xù)多幀的誤碼率計(jì)算，進(jìn)一步精確對(duì)齊發(fā)送端和接收端的信號(hào)脈沖位置，確保了脈沖同步的準(zhǔn)確性與成功率。

24、3、系統(tǒng)魯棒性增強(qiáng)：在量子信道的高衰減環(huán)境中，本發(fā)明通過(guò)引入幀反轉(zhuǎn)信號(hào)，利用誤碼率由低到高的驟變特性，能夠清晰判斷脈沖位置，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的快速精準(zhǔn)對(duì)齊。因此，本發(fā)明在大衰減條件下仍具備出色的魯棒性和同步能力。

25、4、適用性廣泛：本發(fā)明在bb84-qkd系統(tǒng)中經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明其在長(zhǎng)距離光纖鏈路中表現(xiàn)優(yōu)異，具備高度的實(shí)用性與可靠性。本發(fā)明適用于多種量子通信應(yīng)用場(chǎng)景，能夠有效滿(mǎn)足不同環(huán)境下的量子密鑰分發(fā)需求。