量子通信系統(tǒng)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(xué)軟件與微電子學(xué)院, 北京 100871; 2. 航天科工防御技術(shù)研究試驗中心, 北京 100854; 3.清華大學(xué)精密儀器系, 北京 100084;4. 華東師范大學(xué)精密光譜科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室, 上海 200062)

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量子通信系統(tǒng)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(xué)軟件與微電子學(xué)院, 北京 100871; 2. 航天科工防御技術(shù)研究試驗中心, 北京 100854; 3.清華大學(xué)精密儀器系, 北京 100084;4. 華東師范大學(xué)精密光譜科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室, 上海 200062)

由于光子偏振態(tài)在長距離光纖中無法保持穩(wěn)定,因此以偏振編碼為基礎(chǔ)的量子保密通信系統(tǒng)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(xiàn)場可編程門陣列(field programmable gate array,FPGA)替代計算機作為系統(tǒng)的控制核心已經(jīng)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(yōu)勢。針對這種情況,提出了利用FPGA實現(xiàn)單光子偏振控制的方案,經(jīng)實驗演示證明了這套方案的有效性和穩(wěn)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(diào)節(jié)機制可以統(tǒng)一集成,實現(xiàn)偏振控制的小型化。

量子通信; 現(xiàn)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(fā)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(tǒng)的利用數(shù)學(xué)算法實現(xiàn)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(xué)的基本原理的。量子不可克隆定理和測不準(zhǔn)原理保證了對非正交量子態(tài)的復(fù)制和測量都會影響和改變原有的量子態(tài),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(fā)現(xiàn),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(xué)者投身到這個新興的科研領(lǐng)域當(dāng)中,經(jīng)過近30年的研究,量子通信的理論基礎(chǔ)已日趨完善,研究重點逐漸向?qū)嵱没瘍A斜,許多小組都進行了室外的量子通信系統(tǒng)演示實驗[2-4]。探索一種穩(wěn)定、高效及具有高度應(yīng)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(yōu)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(chǎn)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(guān)注。

在以普通單模光纖為傳輸媒介的量子通信系統(tǒng)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(yōu)點,但是光子偏振態(tài)在長距離光纖中傳輸無法保持長期穩(wěn)定,因此需要對信道中的偏振態(tài)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(fā)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(diào)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(tǒng)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(tǒng)中,設(shè)計并實現(xiàn)了基于FPGA的偏振反饋控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有控制準(zhǔn)確度高,控制速率快,自動化程度高等優(yōu)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(zhì)中傳輸時,其偏振態(tài)可以保持穩(wěn)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(shè)過程中的彎曲都會導(dǎo)致光纖發(fā)生形變,從而引入額外的雙折射,導(dǎo)致偏振態(tài)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(tǒng)中,偏振態(tài)的不穩(wěn)定最直接的影響就是導(dǎo)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(tǒng)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(chǎn)生形變,例如彎曲或者擠壓等[16-17],其他偏振實現(xiàn)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(chǎn)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(qū)動擠壓光纖,使偏振態(tài)以不同的角度旋轉(zhuǎn)。通過合理的配置每個擠壓器的驅(qū)動電壓,理論上可以實現(xiàn)對任意偏振態(tài)的調(diào)節(jié),使得解碼時的偏振態(tài)和發(fā)射端的偏振態(tài)一致,保證偏振解碼過程的順利進行。

就偏振控制過程的執(zhí)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(yōu)勢:①由于采用了硬件處理方式,數(shù)據(jù)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(tǒng)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(tǒng)進一步集成,有助于終端設(shè)備的小型化,此外脫離了計算機使得量子通信系統(tǒng)能夠更加方便的作為一個子系統(tǒng)嵌入到各種不同的通信系統(tǒng)中,進一步拓展了它的應(yīng)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(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　基于FPGA的偏振控制結(jié)構(gòu)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(shù)模轉(zhuǎn)換電路；Amp(linear amplifier circuit)為線性放大電路。入射光經(jīng)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(shù)即代表了不同偏振分量的光強大小。光子計數(shù)信息通過數(shù)字I/O傳輸至FPGA,FPGA對當(dāng)前偏振態(tài)進行分析,并通過設(shè)定的算法計算出相應(yīng)的調(diào)節(jié)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(qū)動下對光纖進行擠壓,改變信道中的偏振態(tài),FPGA對調(diào)節(jié)效果進行實時監(jiān)控,由此形成一個閉環(huán)的反饋回路,調(diào)節(jié)過程周期的循環(huán)直到獲得預(yù)期的偏振態(tài),如下:

設(shè)Umv為壓電陶瓷的驅(qū)動電壓大小,每次改變的增量為1 mv,A為可接受的目標(biāo)偏振態(tài)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(shù)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(shù)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(fù)頻率為10 MHz。SPD設(shè)定的探測效率為10%,暗計數(shù)率為5×10-6,采用外觸發(fā)方式,其時鐘信號與光脈沖信號同步。由于SPD工作在計數(shù)模式,為了保證足夠的數(shù)據(jù)采樣時間,偏振控制的周期設(shè)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(jié)束后,偏振態(tài)能夠在較短的一段時間內(nèi)保持穩(wěn)定,穩(wěn)定時間取決于光纖長度和環(huán)境等因素。在量子通信系統(tǒng)中,偏振穩(wěn)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(yīng)的偏振控制的時間間隔設(shè)定為2 min。

作為量子保密通信系統(tǒng)中的一個重要組成部分,偏振反饋控制的設(shè)計應(yīng)該具備如下要求:控制的目標(biāo)偏振態(tài)可見度應(yīng)該盡量高,這能減少量子密鑰分發(fā)過程中由偏振對比度不完全導(dǎo)致的誤碼。另外由于自由狀態(tài)下的偏振態(tài)穩(wěn)定時間有限,控制過程的耗時應(yīng)該盡量短,以保證系統(tǒng)成碼率不受太大影響。實驗中設(shè)定的偏振控制的目標(biāo)可見度為97%,單次調(diào)節(jié)耗時控制在10 s以內(nèi)。

在以FPGA為核心的偏振控制系統(tǒng)中,信號響應(yīng)速率得到大幅度提升,反饋循環(huán)的周期明顯縮短。以此為前提,研究中在算法設(shè)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(shè)定目標(biāo)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(shù),如果當(dāng)前偏振對比度大于P,說明偏振態(tài)保持良好,系統(tǒng)切換回密鑰分發(fā)狀態(tài)。如果偏振對比度小于P,則說明偏振態(tài)已經(jīng)惡化,系統(tǒng)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(jiān)測相應(yīng)的偏振變化情況,掃描結(jié)束后,X1的驅(qū)動電壓保持在最接近目標(biāo)偏振態(tài)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(dāng)前電壓,系統(tǒng)切換回密鑰分發(fā)狀態(tài)。

在參數(shù)設(shè)定上,EPC驅(qū)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(tǒng)的性能進行了測試。為了模擬量子保密通信的工作環(huán)境,發(fā)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(jié)果如圖2所示。

圖2　偏振控制過程示意圖

2　實現(xiàn)BB84協(xié)議的偏振初始化

2.1偏振編碼的BB84協(xié)議

BB84協(xié)議是量子保密通信中最常用的協(xié)議之一,于1984年由Bennett和Brassard提出,協(xié)議也因此得名。BB84協(xié)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(tǒng)設(shè)計中的首選方案。在BB84協(xié)議中,光子被隨機的調(diào)制到兩組互不正交的量子態(tài)中,并通過經(jīng)典信道中的信息比對篩選出密碼。在偏振編碼的系統(tǒng)中,BB84協(xié)議包含了如下內(nèi)容:

(1) 在發(fā)送端,光子被隨機的調(diào)制到0°,90°,45°,-45° 4個偏振態(tài)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(nèi)的偏振態(tài)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(fā)兩端還需要通過經(jīng)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(xié)議中,4個偏振態(tài)保持正確而且固定的相對偏振關(guān)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(shè)計中,就要求系統(tǒng)能夠在密鑰分發(fā)之前自動的完成偏振初始化。

研究中利用FPGA設(shè)計并完成了適用于偏振編碼BB84協(xié)議的偏振自啟動方案,該方案利用經(jīng)典信道在收發(fā)兩端傳輸偏振分析結(jié)果和指令以完成偏振控制。整個過程無需人為干預(yù)即可自動完成。方案的設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中LD為半導(dǎo)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(tài)進行初始化;相應(yīng)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(fā)兩端的FPGA通過由光纖連接的經(jīng)典信道進行通信,該通信的目的在于實現(xiàn)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(xiàn)電壓信號對偏振態(tài)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(jié)中所提到的方法類似,不同之處在于對發(fā)送端進行偏振控制時,需要由接收端的FPGA2對單光子計數(shù)進行采集,并通過經(jīng)典信道傳給發(fā)送端的FPGA1,在由發(fā)送端對EPC進行驅(qū)動完成偏振調(diào)節(jié)。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(qū)動電壓都設(shè)置在75V。

(2) 調(diào)節(jié)H偏振。FPGA1控制LDH發(fā)光,光子經(jīng)PBS1檢偏后由SPD1和SPD2進行探測(計數(shù)結(jié)果定義為C1和C2),FPGA2將計數(shù)結(jié)果發(fā)送至FPGA1,FPGA1完成計算并驅(qū)動EPC1進行偏振調(diào)節(jié),直到C1/(C1+C2)>0.97。

(3) 調(diào)節(jié)V偏振。FPGA1控制LDV發(fā)光,并根據(jù)反饋結(jié)果驅(qū)動EPC2進行偏振調(diào)節(jié),直到C2/(C1+C2)>0.97。

(4) 調(diào)節(jié)兩個基互成45°。FPGA1控制LDV發(fā)光,FPGA2根據(jù)SPD3和SPD4的計數(shù)結(jié)果(定義為C3和C4)驅(qū)動EPC6進行偏振調(diào)節(jié),直到C3≈C4。

(5) 調(diào)節(jié)Q偏振。FPGA1控制LDQ發(fā)光, FPGA1根據(jù)反饋結(jié)果驅(qū)動EPC3進行偏振調(diào)節(jié),直到C3/(C3+C4)>0.97。

(6) 調(diào)節(jié)R偏振。FPGA1控制LDR發(fā)光, FPGA1根據(jù)反饋結(jié)果驅(qū)動EPC4進行偏振調(diào)節(jié),直到C4/(C3+C4)>0.97。

圖3　FPGA控制下的偏振初始化結(jié)構(gòu)圖

偏振初始化完成之后,EPC1-4的驅(qū)動電壓將被鎖定,系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)入密鑰分發(fā)狀態(tài),并且每隔2 min進行一次例行偏振檢測,如果發(fā)現(xiàn)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(tài),對其中的一個偏振態(tài)進行旋轉(zhuǎn)將對另一個產(chǎn)生同樣的效果,因此在密鑰分發(fā)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(nèi)的正交性變差,因此系統(tǒng)會每隔30 min重復(fù)一次初始化過程。

偏振控制的耗時將影響量子密鑰分發(fā)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(tǒng)計,結(jié)果如表1所示,在大約6個小時的統(tǒng)計時間內(nèi),偏振控制的耗時約占總體時間的10%。而反觀在相同時間內(nèi)計算機偏振控制系統(tǒng)的效率要低得多:在6小時的作業(yè)時長內(nèi),偏振控制的耗時從35%～43%(區(qū)分行列控制情況下,效率可以接近下限)。

表1　系統(tǒng)各狀態(tài)耗時比例

量子保密通信的原始輸入為偏振態(tài),之后是由偏振控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)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(xiàn)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(jié)　論

在FPGA作為控制核心的情況下,設(shè)計了反饋偏振控制過程,單光子探測器的測量結(jié)果反饋給FPGA,FPGA調(diào)節(jié)EPC電壓實現(xiàn)偏振調(diào)節(jié),在362 min的作業(yè)時間周期內(nèi),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(diào)節(jié)機制可以統(tǒng)一集成,實現(xiàn)偏振控制的小型化,實現(xiàn)簡易化量子保密通信的建設(shè)。

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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(shè)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(xué)與技術(shù)、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(xué)。

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(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版日期：2016-03-04。

國家自然科學(xué)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(shù)據(jù)通信安全。

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

網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2422.TN.20160304.1300.004.html