基于光学频率梳的射频与光频参考复用的TF-QKD实施方法与流程

本发明属于射频及光频频率控制技术和量子通信领域，更具体地，涉及基于光学频率梳的射频与光频参考复用的tf-qkd实施方法。

背景技术：

1、东芝欧研所的m. lucamarini团队提出新颖的双场量子密钥分发(tf-qkd)协议，将传统无中继qkd成码率与信道透过率的线性关系提升至平方根相关，从而能极大提升了无中继qkd的传输距离以及在远距离下的成码率，为未来构建天地一体化量子通信网络提供重要的技术支撑。因此在保密通信、金融交易、政府和军事通信、云计算和数据中心以及物联网安全等高度需要信息安全的领域具有广阔的应用前景。因其重要的现实意义，一经提出便迅速成为国际学术界竞相研究的热点。

2、然而，tf-qkd技术要求相当苛刻，需要两个远程独立激光器的单光子相位级干涉，就必须严格控制两台独立的激光器之间的相对频率偏差。任何激光波长/频率差或链路光纤振动引起的相位抖动都会降低单光子的干涉对比度。通常数百公里光纤的相位漂移速率在rad/ms水平，通过简单的时分或者波分复用编码方式，引入附加强相位参考光进行实时补偿或数据后处理补偿，即可将其消除。但要消除光源的相对频率快速漂移却极其困难。目前tf-qkd对于独立光源相对频率的控制技术主要分为三类，一类是利用超稳光学f-p腔作为频率参考，通过pound-drever hall（pdh）锁频技术将商用种子激光器的线宽压窄至hz，甚至亚hz，使两边独立激光器的相对频率漂移速率下降两至三个数量级，再通过时频传输或者side-band的方式将两边激光器的相对频率慢速漂移消除，使两边光源的输出频率保持一致；另一种方式是通过在测量端放置一台主激光源，同时分发给两个发送端作为光学频率参考，再通过光学锁相环或激光注入锁定将发送端的商用种子激光器锁定在光学频率参考上，由于两边的光学频率参考由同一主激光源发出，因此两边激光锁定后输出的频率保持一致；还有一种方式是，使两边独立激光自由运转，通过高计数率探测设备快速探测两边光源的外差干涉，再通过fft数据后处理算法获得两边光源的频率偏差，并在后处理中将其补偿。第一类方式需要精密的pdh锁定技术，光源成本高，体积庞大，时频传输或者side-band对独立光源相对频率慢速漂移的消除需要额外光纤或者波长信道，导致网络拓扑繁杂，应用成本高昂；第二类方式需要额外光纤信道进行光学锁相，同样会导致网络拓扑繁杂，应用成本高昂；第三类方式不需要对光源进行锁定，但需要高计数率探测设备，以及复杂的数据后处理运算。

3、综上，目前tf-qkd的实施技术中，需要消耗大量的资源来实现远程独立激光器的单光子相位级干涉，精密复杂的光源或探测设备，抑或是繁杂的网络拓扑，都阻碍了tf-qkd的真正实用化。

技术实现思路

1、为了克服现有技术中tf-qkd的独立光源相对频率控制技术繁杂，实施成本高昂，不利于实用化的问题，本发明提出一种基于光学频率梳的射频与光频参考复用tf-qkd系统搭建方法及应用。通过利用本地超稳原子钟输出的射频（如铯钟），抑或是接受到导航卫星（北斗、gps）的高稳定射频参考信号，作为锁定参考将光学频率梳的重频和零频锁定，使光学频率梳输出的所有梳齿具有射频参考同等水平的稳定度，从而保证两端光学频率梳的同一频率梳齿的相对频率偏差被束缚在khz范围内变化，对应的相位漂移与数百公里光纤链路抖动相当，即可实现全开放式的tf-qkd。

2、为了解决上述技术问题，本发明提出了基于光学频率梳的射频与光频参考复用的tf-qkd实施方法，包括如下步骤：

3、s1、alice端和bob端分别以光纤光梳激光器作为光学频率梳激光器，采用频率参考源，将两边的光梳锁定，锁定后光梳的同一梳齿频率相同；

4、s2、alice端和bob端各自利用超窄带光学滤波器，对各自锁定后的光梳进行滤波，获取相同频率梳齿作为tf-qkd的光源，再各自以时分复用的编码方式，利用强度及相位编码器实现强度和相位编码，两边编码后的光脉冲经被动衰减器衰减至信号态脉冲单光子水平后发送到charlie端；

5、s3、alice端和bob端发送过来的信号到达charlie端的分束器上，完成单光子干涉，干涉后的结果由单光子探测器一和单光子探测器二探测，再被多通道数字时间转换器记录；

6、s4、charlie端根据记录的参考脉冲干涉结果，解算出两边信道的相对相位变化，再在数据后处理过程中将相位补偿，获取信号脉冲正确筛选角度范围内的响应结果。

7、本发明还提出了基于光学频率梳的射频与光频参考复用的高维度tf-qkd实施方法，包括如下步骤：

8、s1、alice端和bob端分别通过各自的频率参考源锁定光学频率梳激光器，光信号进入密集波分复用器件一与超窄带f-p腔滤波器，获得多路窄线宽激光光源，取相同频率梳齿作为tf-qkd的光源；

9、s2、alice端和bob端各自以时分复用的编码方式，利用n个相位强度编码器实现脉冲的强度和相位编码，两边编码后的光脉冲经密集波分复用器二将梳齿合并，再经被动衰减器一衰减至信号态脉冲单为光子水平后进入到charlie端；

10、s3、到达charlie端的光脉冲经过偏振控制单元一和偏振控制单元二的偏振控制后保持相同偏振，然后通过分束器干涉，再经密集波分复用器三和密集波分复用器四将n个信道的信号分离开，最后分别被两组单光子探测器探测及数据后处理；

11、s4、charlie端根据记录的参考脉冲干涉结果，解算出两边信道的相对相位变化，再在数据后处理过程中将相位补偿，获取信号脉冲正确筛选角度范围内的响应结果。

12、进一步地，当以射频参考源作为频率参考源时，光学频率梳锁射频的具体步骤为：

13、光电探测器将光学频率梳激光器输出的光信号转换为电信号，

14、混频器将电信号与射频参考源输出的射频信号混频，将射频信号与电信号进行比较，获得误差信号；

15、误差信号经过低通放大器进入快速锁相环电路，通过鉴相、比例积分放大处理得到反馈控制信号；

16、通过驱动器控制光学频率梳激光器锁定到射频参考源上。

17、进一步地，当以光频参考源作为频率参考源时，光学频率梳锁光频的具体步骤为：

18、拍频装置将光学频率梳激光器输出的光信号与光频参考源的光信号进行拍频，获得的拍频光信号；

19、光电探测器用于将拍频光信号转换为电信号，获得误差信号；

20、误差信号经过低通放大器进入快速锁相环电路，快速锁相环电路用于通过鉴相、比例积分放大处理得到反馈控制信号；

21、驱动器控制光学频率梳激光器锁定到光频参考源上。

22、进一步地，所述光学频率梳激光器包括可见光波段、近红外以及中红外波段的锁模激光器。

23、进一步地，将两端的光学频率梳的重频锁定范围为10mhz到10ghz，并且将零频锁定在10mhz到10ghz，同时零频的锁定方向相同。

24、进一步地，采用北斗或者gps控制的超稳原子钟输出超稳射频信号作为各自的频率参考，并且兼容光学频率参考。

25、相比于现有技术，本发明具有如下有益技术效果：

26、1.实现了利用高稳定度的射频信号来锁定激光频率，且信号接收装置在接受高稳定的射频信号的同时，还能兼容现有技术中的光学参考信号，可根据实际的应用场景自由更换所需参考信号，提升了tf-qkd系统的兼容性；

27、2.不需要额外信道校正两边光源的相对频率，实现全开放式的tf-qkd，降低tf-qkd的实施技术难度，降低了系统成本，推动实用化；

28、3. 高稳定的射频信号可离线获取，对环境的温度稳定性、震动等噪声的要求较低，降低了系统的部署要求；

29、4.可通过光学频率梳激光器实现高维度tf-qkd，实现高维度量子通信，提升了成码率和传输速率。