量子通信系統中基于FPGA的偏振控制

安輝耀, 劉敦偉,2, 耿瑞華, 曾和平, 趙林欣

(1. 北京大學軟件與微電子學院, 北京 100871; 2. 航天科工防御技術研究試驗中心, 北京 100854; 3.清華大學精密儀器系, 北京 100084;4. 華東師范大學精密光譜科學與技術國家重點實驗室, 上海 200062)

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量子通信系統中基于FPGA的偏振控制

安輝耀1, 劉敦偉1,2, 耿瑞華3, 曾和平4, 趙林欣1

(1. 北京大學軟件與微電子學院, 北京 100871; 2. 航天科工防御技術研究試驗中心, 北京 100854; 3.清華大學精密儀器系, 北京 100084;4. 華東師范大學精密光譜科學與技術國家重點實驗室, 上海 200062)

由于光子偏振態在長距離光纖中無法保持穩定,因此以偏振編碼為基礎的量子保密通信系統需要進行偏振控制以保持成碼的正確性。在實用化量子保密通信的研究中,用現場可編程門陣列(field programmable gate array,FPGA)替代計算機作為系統的控制核心已經成為一個重要的研究方向,這種方案具有高效率、高集成度等優勢。針對這種情況,提出了利用FPGA實現單光子偏振控制的方案,經實驗演示證明了這套方案的有效性和穩定性,90%的成碼耗時遠高于計算機控制核心時的65%的最大值,相同編解碼、糾錯方式情況下,擁有更大的成碼耗時便可以得到更高效的密鑰生成。整個控制過程中FPGA和單光子探測以及電動偏振控制器(electric polarization controller, EPC)電壓調節機制可以統一集成,實現偏振控制的小型化。

量子通信; 現場可編程門陣列; 偏振控制

0　引　言

量子保密通信[1]是一種以單光子作為信息載體的新一代保密通信方式。它利用單光子的量子特性,在發送端和接收端之間建立起一條高度安全的信息交換通道。與傳統的利用數學算法實現安全的保密方案不同,量子保密通信的安全性是基于量子力學的基本原理的。量子不可克隆定理和測不準原理保證了對非正交量子態的復制和測量都會影響和改變原有的量子態,使得保密信道中任何非法第三方的竊聽行為都能夠被通信雙方發現,從而保證通信的絕對安全。

自從1984年Bennett提出第一個量子保密通信方案以來,一大批學者投身到這個新興的科研領域當中,經過近30年的研究,量子通信的理論基礎已日趨完善,研究重點逐漸向實用化傾斜,許多小組都進行了室外的量子通信系統演示實驗[2-4]。探索一種穩定、高效及具有高度應用價值的量子通信方案成為了一個重要的課題。在眾多可行的方案中,利用可編程邏輯器件(field programmable gate array,FPGA)作為控制核心的方案具有幾項顯著的優點[5-6]:與以計算機為核心的通信方案不同,FPGA能夠支持更快的密鑰產生速率,具有更高的硬件集成效果和更加可靠的終端安全性,因而受到廣泛的關注。

在以普通單模光纖為傳輸媒介的量子通信系統中,對單光子編碼可以采用偏振編碼方式[7-8],這種方式具有編解碼過程簡單直觀,傳輸距離長等優點,但是光子偏振態在長距離光纖中傳輸無法保持長期穩定,因此需要對信道中的偏振態進行主動控制以保證編解碼的順利進行[9-10],雖然偏振控制從Johnson的電磁擠壓光纖偏振[11]發展到電光晶體型偏振控制器[12]、低壓液晶偏振控制器[13]以及多功能磁光子晶體太赫茲可調偏振控制器件[14],再到全光纖偏振控制[15],但都是從偏振生成的角度來提高偏振控制的效率和精度,缺少偏振控制平臺上的研究,如果離開傳統計算機控制模式或許可以有更大的空間。文中在以FPGA為控制平臺的量子保密通信系統中,設計并實現了基于FPGA的偏振反饋控制系統。該系統具有控制準確度高,控制速率快,自動化程度高等優點,能夠有效的保證量子密鑰的生成。

1　基于FPGA的偏振控制

1.1光纖中的偏振控制

光子在各向同性的介質中傳輸時,其偏振態可以保持穩定。但是由于制造工藝的限制,單模光纖無法保持絕對的圓對稱性,此外,外界溫度的變化或者光纖鋪設過程中的彎曲都會導致光纖發生形變,從而引入額外的雙折射,導致偏振態隨機抖動。這種影響隨著傳輸距離的增長逐漸加大。在基于偏振編碼的量子通信系統中,偏振態的不穩定最直接的影響就是導致密鑰的誤碼率上升,因此一種可靠的偏振控制方法是系統不可或缺的一部分。

偏振控制的基本思想就是在接收端通過引入額外的雙折射以補償偏振漂移。通常采用的方法是使光纖產生形變,例如彎曲或者擠壓等[16-17],其他偏振實現方式也是可取的,但是本研究主要在于偏振控制核心平臺的改變,所以實驗中采取了擠壓光纖的方式,使用的器件是美國通用光電生產的PolaRITE II型電動偏振控制器(electric polarization controller, EPC),它是由3個軸向方向互成45°的壓電陶瓷組成,通過外部電壓驅動擠壓光纖,使偏振態以不同的角度旋轉。通過合理的配置每個擠壓器的驅動電壓,理論上可以實現對任意偏振態的調節,使得解碼時的偏振態和發射端的偏振態一致,保證偏振解碼過程的順利進行。

就偏振控制過程的執行平臺而言,以往的實驗演示中大多采用計算機來完成。相比之下,采用FPGA控制的方式具有顯著的優勢:①由于采用了硬件處理方式,數據處理速度得到提升,控制周期大大縮短,使得偏振控制過程能夠更快的完成,這在量子通信系統中將有效的提高密鑰成碼率。②利用FPGA完成偏振控制使得通信系統進一步集成,有助于終端設備的小型化,此外脫離了計算機使得量子通信系統能夠更加方便的作為一個子系統嵌入到各種不同的通信系統中,進一步拓展了它的應用范圍。

1.2基于FPGA的偏振控制方法

以FPGA為核心的偏振控制系統的結構如圖1所示。

圖1　基于FPGA的偏振控制結構圖

圖中Fiber為單模光纖;圖中Fiber為單模光纖；EPC(electric polarization controller)為偏振控制器；PBS(polarization beam splitter)為偏振分束器；SPD(single-photon detector)為單光子探測器；D/A(digital to analogue)為數模轉換電路；Amp(linear amplifier circuit)為線性放大電路。入射光經過PBS檢偏以后,按照其垂直分量和水平分量分別被兩個不同的單光子探測器接收。探測器上顯示的光子計數即代表了不同偏振分量的光強大小。光子計數信息通過數字I/O傳輸至FPGA,FPGA對當前偏振態進行分析,并通過設定的算法計算出相應的調節電壓。由于實驗中使用的D/A芯片的輸出范圍為0～3V,而EPC的工作范圍為0～150V,因此需要利用Amp電路將電壓進行50倍的放大。EPC在電壓驅動下對光纖進行擠壓,改變信道中的偏振態,FPGA對調節效果進行實時監控,由此形成一個閉環的反饋回路,調節過程周期的循環直到獲得預期的偏振態,如下:

設Umv為壓電陶瓷的驅動電壓大小,每次改變的增量為1 mv,A為可接受的目標偏振態的最小值,N為實際測量值,那么有

A=固定值;N=測量值;

Do while (A>N)

{U=U+1;}

Loop

FPGA控制函數f,EPC電壓u和前EPC電壓U組成的簡化模型為

式中,ei(i=1,2,3,4)分別為不同EPC的擠壓操作;di(i=1,2,3,4)分別為不同的單光子測量數值。

實驗中采用了EPC中的兩個壓電陶瓷來完成控制(分別定義為X1軸和X2軸)。使用的光源中心波長為1 550 nm,重復頻率為10 MHz。SPD設定的探測效率為10%,暗計數率為5×10-6,采用外觸發方式,其時鐘信號與光脈沖信號同步。由于SPD工作在計數模式,為了保證足夠的數據采樣時間,偏振控制的周期設置為20 ms。另外,由于光纖中的偏振漂移是一個緩變過程,意味著偏振控制結束后,偏振態能夠在較短的一段時間內保持穩定,穩定時間取決于光纖長度和環境等因素。在量子通信系統中,偏振穩定的這段時間將用于成碼。實驗中使用的光纖長度為25 km,相應的偏振控制的時間間隔設定為2 min。

作為量子保密通信系統中的一個重要組成部分,偏振反饋控制的設計應該具備如下要求:控制的目標偏振態可見度應該盡量高,這能減少量子密鑰分發過程中由偏振對比度不完全導致的誤碼。另外由于自由狀態下的偏振態穩定時間有限,控制過程的耗時應該盡量短,以保證系統成碼率不受太大影響。實驗中設定的偏振控制的目標可見度為97%,單次調節耗時控制在10 s以內。

在以FPGA為核心的偏振控制系統中,信號響應速率得到大幅度提升,反饋循環的周期明顯縮短。以此為前提,研究中在算法設計上采用了更為簡單有效的分段掃描方式,具體的工作流程如下:首先設定目標偏振對比度P,FPGA每隔2 min啟動偏振檢測程序,對單光子探測器接收到的光信號進行計數,如果當前偏振對比度大于P,說明偏振態保持良好,系統切換回密鑰分發狀態。如果偏振對比度小于P,則說明偏振態已經惡化,系統進入偏振控制流程。FPGA通過D/A控制壓電陶瓷X1進行逐點掃描,并監測相應的偏振變化情況,掃描結束后,X1的驅動電壓保持在最接近目標偏振態的位置,并用相同的方式開始在X2上進行掃描。掃描過程在X1和X2之間不斷的切換,一旦偏振對比度大于P,則意味著偏振控制完成,這時候保持X1和X2的當前電壓,系統切換回密鑰分發狀態。

在參數設定上,EPC驅動的單步步長為1V,單軸掃描范圍為80V,這樣可以保證EPC能夠較快的完成跨度大于兩個半波電壓的掃描。

在25 km的光纖長度下對偏振控制系統的性能進行了測試。為了模擬量子保密通信的工作環境,發端光源強度被衰減到0.1個光子每脈沖的水平。得到的測試結果如圖2所示。

圖2　偏振控制過程示意圖

2　實現BB84協議的偏振初始化

2.1偏振編碼的BB84協議

BB84協議是量子保密通信中最常用的協議之一,于1984年由Bennett和Brassard提出,協議也因此得名。BB84協議具有成碼率高,安全性強等特點,是許多實用化量子通信系統設計中的首選方案。在BB84協議中,光子被隨機的調制到兩組互不正交的量子態中,并通過經典信道中的信息比對篩選出密碼。在偏振編碼的系統中,BB84協議包含了如下內容:

(1) 在發送端,光子被隨機的調制到0°,90°,45°,-45° 4個偏振態中,分別定義為H,V,Q,R。其中HV和QR分屬于兩個不同的偏振基,在同一偏振基內的偏振態是相互正交的,而兩個偏振基之間互成45°的夾角;

(2) 在接收端,光子隨機的選擇被HV基或者QR基探測,每一個光子都有50%的幾率選擇到正確的探測基;

(3) 除了用于傳輸單光子的量子信道外,收發兩端還需要通過經典信道傳輸信息以完成密鑰的篩選和比對。

2.2FPGA控制下的偏振初始化

在BB84協議中,4個偏振態保持正確而且固定的相對偏振關系是決定密鑰是否能夠順利生成的重要因素。因此在以實用化為目的的量子保密通信的設計中,就要求系統能夠在密鑰分發之前自動的完成偏振初始化。

研究中利用FPGA設計并完成了適用于偏振編碼BB84協議的偏振自啟動方案,該方案利用經典信道在收發兩端傳輸偏振分析結果和指令以完成偏振控制。整個過程無需人為干預即可自動完成。方案的設計結構如圖3所示。其中LD為半導體脈沖激光器,其工作頻率為10 MHz,平均脈寬為100 ps;EPC1-4分別用于對H,V,Q,R4個光子偏振態進行初始化;相應的單光子探測器分別為SPD1-4;PBS1-2分別用于對HV基和QR基進行正交檢測。收發兩端的FPGA通過由光纖連接的經典信道進行通信,該通信的目的在于實現光子探測信息反饋給量子光纖信道控制端的控制端FPGA,后者在EPC1-4上實現電壓信號對偏振態的控制,總所使用的光模塊帶寬為2.5 GHz,中心波長為1 550 nm,最大傳輸距離為50 km。

偏振初始化過程中所使用的偏振控制思想與第1.2節中所提到的方法類似,不同之處在于對發送端進行偏振控制時,需要由接收端的FPGA2對單光子計數進行采集,并通過經典信道傳給發送端的FPGA1,在由發送端對EPC進行驅動完成偏振調節。整體工作流程如下:

(1) 首先將EPC1-6置初值,實驗中將EPC的兩個驅動電壓都設置在75V。

(2) 調節H偏振。FPGA1控制LDH發光,光子經PBS1檢偏后由SPD1和SPD2進行探測(計數結果定義為C1和C2),FPGA2將計數結果發送至FPGA1,FPGA1完成計算并驅動EPC1進行偏振調節,直到C1/(C1+C2)>0.97。

(3) 調節V偏振。FPGA1控制LDV發光,并根據反饋結果驅動EPC2進行偏振調節,直到C2/(C1+C2)>0.97。

(4) 調節兩個基互成45°。FPGA1控制LDV發光,FPGA2根據SPD3和SPD4的計數結果(定義為C3和C4)驅動EPC6進行偏振調節,直到C3≈C4。

(5) 調節Q偏振。FPGA1控制LDQ發光, FPGA1根據反饋結果驅動EPC3進行偏振調節,直到C3/(C3+C4)>0.97。

(6) 調節R偏振。FPGA1控制LDR發光, FPGA1根據反饋結果驅動EPC4進行偏振調節,直到C4/(C3+C4)>0.97。

圖3　FPGA控制下的偏振初始化結構圖

偏振初始化完成之后,EPC1-4的驅動電壓將被鎖定,系統自動轉入密鑰分發狀態,并且每隔2 min進行一次例行偏振檢測,如果發現偏振惡化,則啟動EPC5-6進行偏振控制。需要指出的是,對于相互正交的兩個偏振態,對其中的一個偏振態進行旋轉將對另一個產生同樣的效果,因此在密鑰分發階段進行的偏振控制,只需要矯正H和Q即可。另外,考慮到偏振對比度并非完全理想,在多次例行偏振控制后可能使同一偏振基內的正交性變差,因此系統會每隔30 min重復一次初始化過程。

偏振控制的耗時將影響量子密鑰分發的總體成碼率,偏振控制周期越短,成碼耗時越長,成碼效率(密鑰生成率)便越高,實驗對此進行了長時間的耗時統計,結果如表1所示,在大約6個小時的統計時間內,偏振控制的耗時約占總體時間的10%。而反觀在相同時間內計算機偏振控制系統的效率要低得多:在6小時的作業時長內,偏振控制的耗時從35%～43%(區分行列控制情況下,效率可以接近下限)。

表1　系統各狀態耗時比例

量子保密通信的原始輸入為偏振態,之后是由偏振控制系統調節以及接收反饋信號,最后輸出為量子密鑰生成。文中實驗體現的過程主要在偏振控制上,所以研究中的輸入為FPGA接受反饋信號,給EPC的電壓信號,而輸出的是成碼和偏振控制操作。

3　結　論

在FPGA作為控制核心的情況下,設計了反饋偏振控制過程,單光子探測器的測量結果反饋給FPGA,FPGA調節EPC電壓實現偏振調節,在362 min的作業時間周期內,僅有10%的時間用于偏振控制和偏振控制初始化,近90%的成碼耗時遠高于計算機控制核心時的65%的最大值,相同編解碼、糾錯方式情況下,擁有更大的成碼耗時便可以得到更高效的密鑰生成。

整個控制過程中兩個FPGA和單光子探測以及EPC電壓調節機制可以統一集成,實現偏振控制的小型化,實現簡易化量子保密通信的建設。

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劉敦偉(1988-),通訊作者,男,工程師,碩士,主要研究方向為量子保密通信、電子電路設計。

E-mail:liudunwei@pku.edu.cn耿瑞華(1963-),男,博士,主要研究方向為儀器科學與技術、量子通信。

E-mail:ruihuageng@163.com

曾和平(1966-),男,教授,博士,主要研究方向為新波段飛秒激光頻率梳與全波段光梳精密光譜學。

E-mail:hpzeng@phy.ecnu.edu.cn

趙林欣(1991-),女,碩士研究生,主要研究方向為量子保密通信。

E-mail:linxinzhao@163.com

Polarization controlling by FPGA for quantum security communication

AN Hui-yao1, LIU Dun-wei1,2, GENG Rui-hua3, ZENG He-ping4, ZHAO Lin-xin1

(1. School of Software and Microelectronics, Peking University, Beijing 100871, China;2. Aerospace Defense Technology Research and Testing Center, Beijing 100854, China;3. Department of Precision Instruments, Tsinghua University, Beijing 100084, China; 4. State Key Laboratory of Precision Spectroscopy, East China Normal University, Shanghai 200062, China)

The polarization of photons in the optical fiber cannot maintain stable for long distance. Therefore, polarization control is necessary for the fiber-based polarization-encoded quantum security communication system to guarantee correct key generation. With the development of the practical quantum communication, field programmable gate array (FPGA) has played an important role in the information processing and system operation due to its advantage of high efficiency, high integration and high security.A polarization control scheme and polarization initialization is presented and applied to the BB84 protocol based on FPGA to stabilize photon polarization in the fiber. 90% of a code-consuming is higher than 65% of the maximum value in the computer control center. With the same codec and error correction mode, if who has more time consuming for coding, then he will get more efficient key generation. FPGA, single photon detection, and electric polarization controller (EPC) mechanism can be unified and integrated to achieve the miniaturization of quantum polarization controlling.

quantum security communication; field programmable gate array (FPGA); polarization controlling

2015-05-15；

2015-11-03；網絡優先出版日期：2016-03-04。

國家自然科學基金(61179029)資助課題

O 463+.1

A

10.3969/j.issn.1001-506X.2016.08.30

安輝耀(1971-),男,教授,博士,主要研究方向為量子通信、微電子、數據通信安全。

E-mail:anhy@ss.pku.edu.cn

網絡優先出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2422.TN.20160304.1300.004.html