量子通信系统中基于FPGA的偏振控制

安辉耀, 刘敦伟,2, 耿瑞华, 曾和平, 赵林欣

(1. 北京大学软件与微电子学院, 北京 100871; 2. 航天科工防御技术研究试验中心, 北京 100854; 3.清华大学精密仪器系, 北京 100084;4. 华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室, 上海 200062)



量子通信系统中基于FPGA的偏振控制

安辉耀1, 刘敦伟1,2, 耿瑞华3, 曾和平4, 赵林欣1

(1. 北京大学软件与微电子学院, 北京 100871; 2. 航天科工防御技术研究试验中心, 北京 100854; 3.清华大学精密仪器系, 北京 100084;4. 华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室, 上海 200062)

由于光子偏振态在长距离光纤中无法保持稳定,因此以偏振编码为基础的量子保密通信系统需要进行偏振控制以保持成码的正确性。在实用化量子保密通信的研究中,用现场可编程门阵列(field programmable gate array,FPGA)替代计算机作为系统的控制核心已经成为一个重要的研究方向,这种方案具有高效率、高集成度等优势。针对这种情况,提出了利用FPGA实现单光子偏振控制的方案,经实验演示证明了这套方案的有效性和稳定性,90%的成码耗时远高于计算机控制核心时的65%的最大值,相同编解码、纠错方式情况下,拥有更大的成码耗时便可以得到更高效的密钥生成。整个控制过程中FPGA和单光子探测以及电动偏振控制器(electric polarization controller, EPC)电压调节机制可以统一集成,实现偏振控制的小型化。

量子通信; 现场可编程门阵列; 偏振控制

0　引　言

量子保密通信[1]是一种以单光子作为信息载体的新一代保密通信方式。它利用单光子的量子特性,在发送端和接收端之间建立起一条高度安全的信息交换通道。与传统的利用数学算法实现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学的基本原理的。量子不可克隆定理和测不准原理保证了对非正交量子态的复制和测量都会影响和改变原有的量子态,使得保密信道中任何非法第三方的窃听行为都能够被通信双方发现,从而保证通信的绝对安全。

自从1984年Bennett提出第一个量子保密通信方案以来,一大批学者投身到这个新兴的科研领域当中,经过近30年的研究,量子通信的理论基础已日趋完善,研究重点逐渐向实用化倾斜,许多小组都进行了室外的量子通信系统演示实验[2-4]。探索一种稳定、高效及具有高度应用价值的量子通信方案成为了一个重要的课题。在众多可行的方案中,利用可编程逻辑器件(field programmable gate array,FPGA)作为控制核心的方案具有几项显著的优点[5-6]:与以计算机为核心的通信方案不同,FPGA能够支持更快的密钥产生速率,具有更高的硬件集成效果和更加可靠的终端安全性,因而受到广泛的关注。

在以普通单模光纤为传输媒介的量子通信系统中,对单光子编码可以采用偏振编码方式[7-8],这种方式具有编解码过程简单直观,传输距离长等优点,但是光子偏振态在长距离光纤中传输无法保持长期稳定,因此需要对信道中的偏振态进行主动控制以保证编解码的顺利进行[9-10],虽然偏振控制从Johnson的电磁挤压光纤偏振[11]发展到电光晶体型偏振控制器[12]、低压液晶偏振控制器[13]以及多功能磁光子晶体太赫兹可调偏振控制器件[14],再到全光纤偏振控制[15],但都是从偏振生成的角度来提高偏振控制的效率和精度,缺少偏振控制平台上的研究,如果离开传统计算机控制模式或许可以有更大的空间。文中在以FPGA为控制平台的量子保密通信系统中,设计并实现了基于FPGA的偏振反馈控制系统。该系统具有控制准确度高,控制速率快,自动化程度高等优点,能够有效的保证量子密钥的生成。

1　基于FPGA的偏振控制

1.1光纤中的偏振控制

光子在各向同性的介质中传输时,其偏振态可以保持稳定。但是由于制造工艺的限制,单模光纤无法保持绝对的圆对称性,此外,外界温度的变化或者光纤铺设过程中的弯曲都会导致光纤发生形变,从而引入额外的双折射,导致偏振态随机抖动。这种影响随着传输距离的增长逐渐加大。在基于偏振编码的量子通信系统中,偏振态的不稳定最直接的影响就是导致密钥的误码率上升,因此一种可靠的偏振控制方法是系统不可或缺的一部分。

偏振控制的基本思想就是在接收端通过引入额外的双折射以补偿偏振漂移。通常采用的方法是使光纤产生形变,例如弯曲或者挤压等[16-17],其他偏振实现方式也是可取的,但是本研究主要在于偏振控制核心平台的改变,所以实验中采取了挤压光纤的方式,使用的器件是美国通用光电生产的PolaRITE II型电动偏振控制器(electric polarization controller, EPC),它是由3个轴向方向互成45°的压电陶瓷组成,通过外部电压驱动挤压光纤,使偏振态以不同的角度旋转。通过合理的配置每个挤压器的驱动电压,理论上可以实现对任意偏振态的调节,使得解码时的偏振态和发射端的偏振态一致,保证偏振解码过程的顺利进行。

就偏振控制过程的执行平台而言,以往的实验演示中大多采用计算机来完成。相比之下,采用FPGA控制的方式具有显著的优势:①由于采用了硬件处理方式,数据处理速度得到提升,控制周期大大缩短,使得偏振控制过程能够更快的完成,这在量子通信系统中将有效的提高密钥成码率。②利用FPGA完成偏振控制使得通信系统进一步集成,有助于终端设备的小型化,此外脱离了计算机使得量子通信系统能够更加方便的作为一个子系统嵌入到各种不同的通信系统中,进一步拓展了它的应用范围。

1.2基于FPGA的偏振控制方法

以FPGA为核心的偏振控制系统的结构如图1所示。

图1　基于FPGA的偏振控制结构图

图中Fiber为单模光纤;图中Fiber为单模光纤；EPC(electric polarization controller)为偏振控制器；PBS(polarization beam splitter)为偏振分束器；SPD(single-photon detector)为单光子探测器；D/A(digital to analogue)为数模转换电路；Amp(linear amplifier circuit)为线性放大电路。入射光经过PBS检偏以后,按照其垂直分量和水平分量分别被两个不同的单光子探测器接收。探测器上显示的光子计数即代表了不同偏振分量的光强大小。光子计数信息通过数字I/O传输至FPGA,FPGA对当前偏振态进行分析,并通过设定的算法计算出相应的调节电压。由于实验中使用的D/A芯片的输出范围为0～3V,而EPC的工作范围为0～150V,因此需要利用Amp电路将电压进行50倍的放大。EPC在电压驱动下对光纤进行挤压,改变信道中的偏振态,FPGA对调节效果进行实时监控,由此形成一个闭环的反馈回路,调节过程周期的循环直到获得预期的偏振态,如下:

设Umv为压电陶瓷的驱动电压大小,每次改变的增量为1 mv,A为可接受的目标偏振态的最小值,N为实际测量值,那么有

A=固定值;N=测量值;

Do while (A>N)

{U=U+1;}

Loop

FPGA控制函数f,EPC电压u和前EPC电压U组成的简化模型为

式中,ei(i=1,2,3,4)分别为不同EPC的挤压操作;di(i=1,2,3,4)分别为不同的单光子测量数值。

实验中采用了EPC中的两个压电陶瓷来完成控制(分别定义为X1轴和X2轴)。使用的光源中心波长为1 550 nm,重复频率为10 MHz。SPD设定的探测效率为10%,暗计数率为5×10-6,采用外触发方式,其时钟信号与光脉冲信号同步。由于SPD工作在计数模式,为了保证足够的数据采样时间,偏振控制的周期设置为20 ms。另外,由于光纤中的偏振漂移是一个缓变过程,意味着偏振控制结束后,偏振态能够在较短的一段时间内保持稳定,稳定时间取决于光纤长度和环境等因素。在量子通信系统中,偏振稳定的这段时间将用于成码。实验中使用的光纤长度为25 km,相应的偏振控制的时间间隔设定为2 min。

作为量子保密通信系统中的一个重要组成部分,偏振反馈控制的设计应该具备如下要求:控制的目标偏振态可见度应该尽量高,这能减少量子密钥分发过程中由偏振对比度不完全导致的误码。另外由于自由状态下的偏振态稳定时间有限,控制过程的耗时应该尽量短,以保证系统成码率不受太大影响。实验中设定的偏振控制的目标可见度为97%,单次调节耗时控制在10 s以内。

在以FPGA为核心的偏振控制系统中,信号响应速率得到大幅度提升,反馈循环的周期明显缩短。以此为前提,研究中在算法设计上采用了更为简单有效的分段扫描方式,具体的工作流程如下:首先设定目标偏振对比度P,FPGA每隔2 min启动偏振检测程序,对单光子探测器接收到的光信号进行计数,如果当前偏振对比度大于P,说明偏振态保持良好,系统切换回密钥分发状态。如果偏振对比度小于P,则说明偏振态已经恶化,系统进入偏振控制流程。FPGA通过D/A控制压电陶瓷X1进行逐点扫描,并监测相应的偏振变化情况,扫描结束后,X1的驱动电压保持在最接近目标偏振态的位置,并用相同的方式开始在X2上进行扫描。扫描过程在X1和X2之间不断的切换,一旦偏振对比度大于P,则意味着偏振控制完成,这时候保持X1和X2的当前电压,系统切换回密钥分发状态。

在参数设定上,EPC驱动的单步步长为1V,单轴扫描范围为80V,这样可以保证EPC能够较快的完成跨度大于两个半波电压的扫描。

在25 km的光纤长度下对偏振控制系统的性能进行了测试。为了模拟量子保密通信的工作环境,发端光源强度被衰减到0.1个光子每脉冲的水平。得到的测试结果如图2所示。

图2　偏振控制过程示意图

2　实现BB84协议的偏振初始化

2.1偏振编码的BB84协议

BB84协议是量子保密通信中最常用的协议之一,于1984年由Bennett和Brassard提出,协议也因此得名。BB84协议具有成码率高,安全性强等特点,是许多实用化量子通信系统设计中的首选方案。在BB84协议中,光子被随机的调制到两组互不正交的量子态中,并通过经典信道中的信息比对筛选出密码。在偏振编码的系统中,BB84协议包含了如下内容:

(1) 在发送端,光子被随机的调制到0°,90°,45°,-45° 4个偏振态中,分别定义为H,V,Q,R。其中HV和QR分属于两个不同的偏振基,在同一偏振基内的偏振态是相互正交的,而两个偏振基之间互成45°的夹角;

(2) 在接收端,光子随机的选择被HV基或者QR基探测,每一个光子都有50%的几率选择到正确的探测基;

(3) 除了用于传输单光子的量子信道外,收发两端还需要通过经典信道传输信息以完成密钥的筛选和比对。

2.2FPGA控制下的偏振初始化

在BB84协议中,4个偏振态保持正确而且固定的相对偏振关系是决定密钥是否能够顺利生成的重要因素。因此在以实用化为目的的量子保密通信的设计中,就要求系统能够在密钥分发之前自动的完成偏振初始化。

研究中利用FPGA设计并完成了适用于偏振编码BB84协议的偏振自启动方案,该方案利用经典信道在收发两端传输偏振分析结果和指令以完成偏振控制。整个过程无需人为干预即可自动完成。方案的设计结构如图3所示。其中LD为半导体脉冲激光器,其工作频率为10 MHz,平均脉宽为100 ps;EPC1-4分别用于对H,V,Q,R4个光子偏振态进行初始化;相应的单光子探测器分别为SPD1-4;PBS1-2分别用于对HV基和QR基进行正交检测。收发两端的FPGA通过由光纤连接的经典信道进行通信,该通信的目的在于实现光子探测信息反馈给量子光纤信道控制端的控制端FPGA,后者在EPC1-4上实现电压信号对偏振态的控制,总所使用的光模块带宽为2.5 GHz,中心波长为1 550 nm,最大传输距离为50 km。

偏振初始化过程中所使用的偏振控制思想与第1.2节中所提到的方法类似,不同之处在于对发送端进行偏振控制时,需要由接收端的FPGA2对单光子计数进行采集,并通过经典信道传给发送端的FPGA1,在由发送端对EPC进行驱动完成偏振调节。整体工作流程如下:

(1) 首先将EPC1-6置初值,实验中将EPC的两个驱动电压都设置在75V。

(2) 调节H偏振。FPGA1控制LDH发光,光子经PBS1检偏后由SPD1和SPD2进行探测(计数结果定义为C1和C2),FPGA2将计数结果发送至FPGA1,FPGA1完成计算并驱动EPC1进行偏振调节,直到C1/(C1+C2)>0.97。

(3) 调节V偏振。FPGA1控制LDV发光,并根据反馈结果驱动EPC2进行偏振调节,直到C2/(C1+C2)>0.97。

(4) 调节两个基互成45°。FPGA1控制LDV发光,FPGA2根据SPD3和SPD4的计数结果(定义为C3和C4)驱动EPC6进行偏振调节,直到C3≈C4。

(5) 调节Q偏振。FPGA1控制LDQ发光, FPGA1根据反馈结果驱动EPC3进行偏振调节,直到C3/(C3+C4)>0.97。

(6) 调节R偏振。FPGA1控制LDR发光, FPGA1根据反馈结果驱动EPC4进行偏振调节,直到C4/(C3+C4)>0.97。

图3　FPGA控制下的偏振初始化结构图

偏振初始化完成之后,EPC1-4的驱动电压将被锁定,系统自动转入密钥分发状态,并且每隔2 min进行一次例行偏振检测,如果发现偏振恶化,则启动EPC5-6进行偏振控制。需要指出的是,对于相互正交的两个偏振态,对其中的一个偏振态进行旋转将对另一个产生同样的效果,因此在密钥分发阶段进行的偏振控制,只需要矫正H和Q即可。另外,考虑到偏振对比度并非完全理想,在多次例行偏振控制后可能使同一偏振基内的正交性变差,因此系统会每隔30 min重复一次初始化过程。

偏振控制的耗时将影响量子密钥分发的总体成码率,偏振控制周期越短,成码耗时越长,成码效率(密钥生成率)便越高,实验对此进行了长时间的耗时统计,结果如表1所示,在大约6个小时的统计时间内,偏振控制的耗时约占总体时间的10%。而反观在相同时间内计算机偏振控制系统的效率要低得多:在6小时的作业时长内,偏振控制的耗时从35%～43%(区分行列控制情况下,效率可以接近下限)。

表1　系统各状态耗时比例

量子保密通信的原始输入为偏振态,之后是由偏振控制系统调节以及接收反馈信号,最后输出为量子密钥生成。文中实验体现的过程主要在偏振控制上,所以研究中的输入为FPGA接受反馈信号,给EPC的电压信号,而输出的是成码和偏振控制操作。

3　结　论

在FPGA作为控制核心的情况下,设计了反馈偏振控制过程,单光子探测器的测量结果反馈给FPGA,FPGA调节EPC电压实现偏振调节,在362 min的作业时间周期内,仅有10%的时间用于偏振控制和偏振控制初始化,近90%的成码耗时远高于计算机控制核心时的65%的最大值,相同编解码、纠错方式情况下,拥有更大的成码耗时便可以得到更高效的密钥生成。

整个控制过程中两个FPGA和单光子探测以及EPC电压调节机制可以统一集成,实现偏振控制的小型化,实现简易化量子保密通信的建设。

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刘敦伟(1988-),通讯作者,男,工程师,硕士,主要研究方向为量子保密通信、电子电路设计。

E-mail:liudunwei@pku.edu.cn耿瑞华(1963-),男,博士,主要研究方向为仪器科学与技术、量子通信。

E-mail:ruihuageng@163.com

曾和平(1966-),男,教授,博士,主要研究方向为新波段飞秒激光频率梳与全波段光梳精密光谱学。

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

赵林欣(1991-),女,硕士研究生,主要研究方向为量子保密通信。

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；网络优先出版日期：2016-03-04。

国家自然科学基金(61179029)资助课题

O 463+.1

A

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

安辉耀(1971-),男,教授,博士,主要研究方向为量子通信、微电子、数据通信安全。

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

网络优先出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2422.TN.20160304.1300.004.html