一种基于区间逼近的门控信号的延时值确定方法及系统与流程

1.本发明属于单光子探测技术领域，具体涉及一种基于区间逼近的门控信号的延时值确定方法及系统。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.量子密钥分发系统的初始化阶段和运行监测过程，都需要对单光子探测器的探测位置进行校准，以优化探测效率，其重点就是确定门控信号的延时值的最优值，使得在该点采集的光子的探测计数的值为最大。
4.据发明人了解，目前常用方案为按照延时芯片可以调节的最小步进，遍历扫描门控信号的延时芯片设置值，直至延时芯片可调延时的最大值，确认探测计数最大值对应的延时值为最优校准值。由于最小步进是由硬件电路设计和延时芯片器件选型决定的，且以最小步进遍历，整个过程耗费时间，造成初始化/运行监测过程中，等待设备响应时间长，响应速度慢，影响效率。


技术实现要素：

5.本发明为了解决上述问题，提出了一种基于区间逼近的门控信号的延时值确定方法及系统，本发明在不改变现有系统硬件及固件接口的情况下，通过分区，各区间逐步循环逼近的方式来确定探测计数最大时对应的门控信号延时位置，有效的减少单光子探测位置校准的时间，以提高量子密钥分发系统的速度和性能。
6.根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：
7.一种基于区间逼近的门控信号的延时值确定方法，包括以下步骤：
8.在门控信号的延时值范围内设置两个门控信号的延时值，将整个范围分为连续的三区间；
9.判断中间区间是否存在本底噪声，如果是，舍弃中间区间，并将当前最右侧区间作为起始区间，以当前延时值范围的长度为更新长度进行顺延，形成新的延时值范围；
10.如果否，则判断两个门控信号的延时值对应的探测计数大小，根据判断结果，舍去最左侧或最右侧区间，形成新的延时值范围；
11.重新设置两个门控信号的延时值，将更新后的整个范围分为连续的三区间，重复上述判断和更新过程，直至最新的门控信号延时值范围不可以再切分，此时的延时值即为最优值，实现单光子探测位置的校准。
12.作为可选择的实施方式，所述门控信号的延时值为整数。
13.作为可选择的实施方式，所述三区间中各个区间大小差值小于设定值。
14.作为可选择的实施方式，判断是否有区间存在本底噪声的具体过程包括：若两个门控信号的延时值对应的探测计数大小均小于设定阈值，则认为中间区间存在本底噪声，
以最右侧区间为新的起始区间，往右顺延mid1+t个长度，形成新的延时值范围，所述mid1为上一循环时最左侧区间的结束端点值，所述t为初始延时值范围的长度。
15.作为可选择的实施方式，判断两个门控信号的延时值对应的探测计数大小，根据判断结果，舍去最左侧或最右侧区间的具体过程包括：
16.若两个门控信号的延时值mid1、mid2对应的探测计数大小n1、n2，如果n1小于n2，舍弃当前最左侧区间，以[mid1，right]为更新后的延时值范围；如果n1大于n2，舍弃最右区间，以[left，mid2]为更新后的延时值范围，[left，right]为更新前上一循环的延时值范围。
[0017]
作为可选择的实施方式，若门控信号的延时值t在下发至量子密钥分发系统的过程中，超出了[0，a]的范围，则实际下发至量子密钥分发系统获得探测计数等同于延时值为t-a时下发获得的探测计数，a为当前循环时的延时值范围的长度。
[0018]
作为可选择的实施方式，重复判断和更新过程时，若还有区间存在本底噪声，则上报故障，校准过程失败。
[0019]
作为可选择的实施方式，所述方法的步骤在量子密钥分发系统启动时或量子密钥分发系统出现异常时执行。
[0020]
一种基于区间逼近的门控信号的延时值确定系统，包括：
[0021]
区间划分模块，被配置为在门控信号的延时值范围内设置两个门控信号的延时值，将整个范围分为连续的三区间；
[0022]
本底噪声去除模块，被配置为判断中间区间是否存在本底噪声，如果是，舍弃中间区间，并将当前最右侧区间作为起始区间，以当前延时值范围的长度为更新长度进行顺延，形成新的延时值范围；
[0023]
迭代更新模块，被配置为如果否，则判断两个门控信号的延时值对应的探测计数大小，根据判断结果，舍去最左侧或最右侧区间，形成新的延时值范围；重新设置两个门控信号的延时值，将更新后的整个范围分为连续的三区间，重复上述判断和更新过程，直至最新的门控信号延时值范围不可以再切分，此时的延时值即为最优值，实现单光子探测位置的校准。
[0024]
一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成上述方法中的步骤。
[0025]
一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成上述方法中的步骤。
[0026]
一种量子密钥分发系统，接收端为门控型探测器，采用上述方法进行门控信号的延时值确定或包括上述系统。
[0027]
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0028]
本发明适用于接收端为门控型探测器的量子密钥分发系统，无需改动硬件仅通过固件升级可实现，不增加硬件成本，且固件升级时复用之前通信接口，不影响原有系统，升级简单。
[0029]
根据曲线特点提供区间逼近法，可以快速校准单光子探测位置，减少量子密钥分发系统的启动时间，提高量子密钥分发系统的网络响应时间，减少异常处理时单光子探测位置校准时间，从而提高成码率。
[0030]
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
[0031]
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
[0032]
图1为本实施例的流程示意图；
[0033]
图2为本实施例的存在本底噪声区间的延时值范围更新示意图；
[0034]
图3为本实施例的探测计数n1大于n2时延时值范围更新示意图；
[0035]
图4为本实施例的探测计数n1小于n2时延时值范围更新示意图；
[0036]
图5为本实施例的量子密钥分发系统示意图；
[0037]
图6为本实施例的扫描门控信号延时值-探测计数曲线示意图。
具体实施方式：
[0038]
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
[0039]
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0040]
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0041]
本发明提供一种基于区间逼近的门控信号的延时值确定方法，通过设置两个门控信号的延时值将门控信号的延时值区间将分成差不多大小的三部分，比较这两个延时值对应的探测计数的大小进而缩小门控信号延时值扫描的区间，以上反复直到延时值扫描区间不可再分，从而找到门控信号延时值-探测计数曲线的峰值点，从而完成单光子探测位置校准。
[0042]
具体的，以一典型实施例来进行描述：
[0043]
如图1所示，一种基于区间逼近的门控信号的延时值确定方法，在量子密钥分发系统启动时，以及量子密钥分发系统出现异常时执行，包括以下步骤：
[0044]
(1)计算两个门控信号的延时值(mid1，mid2)，将探测器门控信号延时值范围[left，right]分为三个区间[left，mid1)，[mid1，mid2)，[mid2，right]，每个区间长度(step_length)约为整个延时值范围right-left即a(初始延时值范围right-left＝t)的1/3。
[0045]
门控信号的延时值mid1，mid2必须为整数。
[0046]
在部分实施例中，三个区间的大小可以不一致。但较为相近时，有利于节约迭代执行的时间和简化整个流程。
[0047]
同样的，在部分实施例中，三个区间也可以是[left，mid1]，(mid1，mid2]，(mid2，right]，或，[left，mid1]，(mid1，mid2)，[mid2，right]，或(left，mid1]，(mid1，mid2]，
(mid2，right)，即区间端点属于哪个区间，并没有严格的限制。
[0048]
(2)将延时值mid1，mid2分别下发至系统，获得对应的探测计数n1、n2。
[0049]
(3)比较n1、n2数值大小，
[0050]
若n1＜n且n2＜n，左区间改为的起始端点改为mid2，右区间的起始端点改为mid1+t，从而将存在本底噪声的区间(即中间区间)舍弃，形成新的[left，right](或称为[left’，right’])，如图2所示；
[0051]
为克服探测器本底噪声带来的影响设置一个阈值n，n通常为探测器的暗计数2～3倍左右。
[0052]
否则：如果n1的值更大，右区间的结束端点改为mid2(即舍弃最右区间)，如图3所示，以此时的[left，mid2]为下一循环新的[left，right]；否则左区间的起始端点改为mid1(舍弃最左侧区间)，以此时的[mid1，right]为下一循环新的[left，right]，如图4所示。
[0053]
(4)针对更新后的[left，right]或称为[left’，right’](因为此时更新后的范围已经进行了数值的替换和更新，但仍为门控信号延时值范围)，计算两个新的门控信号的延时值(mid1’，mid2’)，将更新后的探测器门控信号延时值范围(left，right)分为三个区间，每个区间长度(step_length)约为整个延时值范围right-left的1/3。
[0054]
同样的，更新后的left，right是否在区间内，属于哪个区间，并没有严格的限制，因此上文有些地方为(left，right)，有些为[left，right]，仅为示意，分区的标准只要自行统一即可。
[0055]
(5)新的门控信号的延时值mid1’，mid2’分别下发至系统，如图3、图4所示，获得对应的探测计数n1’、n2’。
[0056]
(6)比较n1’、n2’数值大小
[0057]
若n1’＜n且n2’＜n，则上报门控单光子探测器故障，校准过程失败；
[0058]
否则：如果n1’的值更大，右区间的结束端点改为mid2’(即舍弃最右区间)，以此时的[left’，mid2’]为下一循环新的[left，right]，左区间的起始端点改为mid1’(舍弃最左侧区间)，以此时的[mid1’，right’]为下一循环新的[left，right]。
[0059]
上述过程保证了整个延时值范围的长度在每一次循环时都是减少的、更新的。
[0060]
(7)重复以上(4)—(6)步骤，直到门控信号延时值区间不可以再切分(或减少)，此时找到延时值即为最优值(即为门控信号延时值-探测计数曲线的峰值点)，从而完成单光子探测位置的校准。
[0061]
以上每一轮循环的延时值t在下发过程，若超出当前循环的[0-a]的范围，则实际下发获得探测计数等同于延时值t-a下发获得探测器计数。
[0062]
上述方法适用于所有接收端为门控型探测器的量子密钥分发(qkd)系统，如图5所示。门控型探测器的结构采用现有结构即可。利用上述方法，校准门控型探测器的延时模块中的移相器调整门控信号的延时位置，快速找到与输入光脉冲信号匹配的最佳位置的门控信号延时位置。
[0063]
整个量子密钥分发系统控制发送端产生延时扫描测试光，接收端通过检测门控单光子探测器的探测计数，自动调节控制门控信号的延时位置，使门控单光子探测器的探测计数达到最大、并锁定探测计数最大时对应的门控信号延时位置。
[0064]
本发明根据曲线特点提供区间逼近法，可以快速校准单光子探测位置，减少qkd系
统的启动时间，提高qkd网络响应时间，减少异常处理时单光子探测位置校准时间，从而提高成码率。
[0065]
其中曲线为门控信号延时值-探测计数曲线，如图6所示，该图仅为示例，具体探测计数和延时值区间根据具体设计确定。由于探测器的暗计数存在，在曲线的底部会有一些噪声，如图6所示，延时值33的位置，探测计数有本底噪声导致的曲线上的一个小峰，本发明通过判断是否有存在本底噪声的区间，即步骤(3)中的第一部分，将存在本底噪声的区间舍弃，提高了正确率和效率，改善了量子密钥分发系统性能。
[0066]
利用上述方法的量子密钥分发系统也应在本发明的保护范围内。
[0067]
本发明还提供以下产品实施例：
[0068]
一种基于区间逼近的门控信号的延时值确定系统，包括：
[0069]
区间划分模块，被配置为在门控信号的延时值范围内设置两个门控信号的延时值，将整个范围分为连续的三区间；
[0070]
本底噪声去除模块，被配置为判断中间区间是否存在本底噪声，如果是，舍弃中间区间，并将当前最右侧区间作为起始区间，以所述延时值范围为更新长度进行顺延，形成新的延时值范围；
[0071]
迭代更新模块，被配置为如果否，则判断两个门控信号的延时值对应的探测计数大小，根据判断结果，舍去最左侧或最右侧区间，形成新的延时值范围；重新设置两个门控信号的延时值，将更新后的整个范围分为连续的三区间，重复判断和更新过程，直至最新的门控信号延时值范围不可以再切分，此时的延时值即为最优值，实现单光子探测位置的校准。
[0072]
一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成上述方法中的步骤。
[0073]
一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成上述方法中的步骤。
[0074]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0075]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0076]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0077]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0078]
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

技术特征：
1.一种基于区间逼近的门控信号的延时值确定方法，其特征是：包括以下步骤：在门控信号的延时值范围内设置两个门控信号的延时值，将整个范围分为连续的三区间；判断中间区间是否存在本底噪声，如果是，舍弃中间区间，并将当前最右侧区间作为起始区间，以当前延时值范围的长度为更新长度进行顺延，形成新的延时值范围；如果否，则判断两个门控信号的延时值对应的探测计数大小，根据判断结果，舍去最左侧或最右侧区间，形成新的延时值范围；重新设置两个门控信号的延时值，将更新后的整个范围分为连续的三区间，重复上述判断和更新过程，直至最新的门控信号延时值范围不可以再切分，此时的延时值即为最优值，实现单光子探测位置的校准。2.如权利要求1所述的一种基于区间逼近的门控信号的延时值确定方法，其特征是：所述门控信号的延时值为整数。3.如权利要求1所述的一种基于区间逼近的门控信号的延时值确定方法，其特征是：所述三区间中各个区间大小差值小于设定值。4.如权利要求1所述的一种基于区间逼近的门控信号的延时值确定方法，其特征是：判断是否有区间存在本底噪声的具体过程包括：若两个门控信号的延时值对应的探测计数大小均小于设定阈值，则认为中间区间存在本底噪声，以最右侧区间为新的起始区间，往右顺延mid1+t个长度，形成新的延时值范围，所述mid1为上一循环时最左侧区间的结束端点值，所述t为初始延时值范围的长度。5.如权利要求1所述的一种基于区间逼近的门控信号的延时值确定方法，其特征是：判断两个门控信号的延时值对应的探测计数大小，根据判断结果，舍去最左侧或最右侧区间的具体过程包括：若两个门控信号的延时值mid1、mid2对应的探测计数大小n1、n2，如果n1小于n2，舍弃当前最左侧区间，以[mid1，right]为更新后的延时值范围；如果n1大于n2，舍弃最右区间，以[left，mid2]为更新后的延时值范围，[left，right]为更新前上一循环的延时值范围。6.如权利要求1所述的一种基于区间逼近的门控信号的延时值确定方法，其特征是：若门控信号的延时值t在下发至量子密钥分发系统的过程中，超出了[0，a]的范围，则实际下发至量子密钥分发系统获得探测计数等同于延时值为t-a时下发获得的探测计数，a为当前循环时的延时值范围的长度。7.如权利要求1-6中任一项所述的一种基于区间逼近的门控信号的延时值确定方法，其特征是：重复判断和更新过程时，若还有区间存在本底噪声，则上报故障，校准过程失败。8.如权利要求1-6中任一项所述的一种基于区间逼近的门控信号的延时值确定方法，其特征是：各步骤在量子密钥分发系统启动时或量子密钥分发系统出现异常时执行。9.一种基于区间逼近的门控信号的延时值确定系统，其特征是：包括：区间划分模块，被配置为在门控信号的延时值范围内设置两个门控信号的延时值，将整个范围分为连续的三区间；本底噪声去除模块，被配置为判断中间区间是否存在本底噪声，如果是，舍弃中间区间，并将当前最右侧区间作为起始区间，以当前延时值范围的长度为更新长度进行顺延，形成新的延时值范围；
迭代更新模块，被配置为如果否，则判断两个门控信号的延时值对应的探测计数大小，根据判断结果，舍去最左侧或最右侧区间，形成新的延时值范围；重新设置两个门控信号的延时值，将更新后的整个范围分为连续的三区间，重复上述判断和更新过程，直至最新的门控信号延时值范围不可以再切分，此时的延时值即为最优值，实现单光子探测位置的校准。10.一种电子设备，其特征是：包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成权利要求1-8中任一项所述的方法中的步骤。11.一种计算机可读存储介质，其特征是：用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成权利要求1-8中任一项所述的方法中的步骤。12.一种量子密钥分发系统，其特征是：接收端为门控型探测器，采用完成权利要求1-8中任一项所述的方法中的步骤进行门控信号的延时值确定或包括权利要求9中所述的系统。

技术总结
本发明提供了一种基于区间逼近的门控信号的延时值确定方法及系统，本发明在不改变现有系统硬件及固件接口的情况下，通过进行区间分配，各区间逐步循环逼近的方式来确定探测计数最大时对应的门控信号延时位置，有效的减少单光子探测位置校准的时间，以提高量子密钥分发系统的速度和性能。发系统的速度和性能。发系统的速度和性能。


技术研发人员：谢志林 赵于康 武宏宇 刘酩 张泽旭 唐世彪
受保护的技术使用者：科大国盾量子技术股份有限公司
技术研发日：2021.12.31
技术公布日：2023/7/13