基于FPGA的量子通信系统偏振态制备及控制集成化研究

在以偏振编码为基础的量子保密通信中，由于外界温度、应力以及光纤制造缺陷等因素，使得偏振态无法保持长期稳定，增加了系统误码率，因此需要进行偏振控制以维持通信系统正常运行。诱骗态已经成为现阶段量子通信网络的常规操作，利用诱骗光子作为偏振参考，有望实现系统偏振态的长时间，不间断锁定控制，提高通信效率。如图1所示，项目团队提出基于FPGA进行偏振态制备以及强光、单光子偏振控制于一体的系统偏振解决方案。

图1. 偏振控制方案系统框图。Laser：连续激光器；PC 1 ，PC 2 ：偏振控制器；PS：扰偏器；ATT：可调光衰减器；FPGA：现场可编程逻辑门阵列；D/A 1 ：数模转换器；A/D 2 ：模数转换器；EPC 1 ，EPC 2 ：电控偏振控制器；BS：分束器；PBS 1 ，PBS 2 ：偏振分束器；PD：光电探测器；AMP：跨阻放大器；SPD：单光子探测器。

在整个偏振控制系统中，通过FPGA控制扰偏器进行偏振态制备、通过强光、单光子偏振反馈进行偏振态锁定控制。如图2为强光和单光子偏振控制流程，强光偏振控制部分和单光子偏振控制部分分别根据光电探测器和单光子探测器的探测结果进行实时监测及反馈控制。由FPGA完成偏振控制算法，进行偏振态循环控制。强光偏振控制流程和单光子偏振控制流程根据反馈探测的方式不同，算法控制的流程有略微不同。

图2. (a)强光偏振控制流程；(b)单光子偏振控制流程。

基于偏振编码的量子通信系统通常需要制备四种偏振态，而基于三种偏振态的量子通信协议目前也被提出并广泛研究及应用。图3为偏振态制备结果，通过FPGA控制模数转换器输出0-5v的电压，加载在扰偏器上，经偏振分束后，由示波器监测信号光，分别对应不同的幅值，代表不同的偏振态，经过偏振态产生部分，调节FPGA输出不同的电压，可以控制扰偏器制备不同的偏振态。

图3. 偏振态制备，不同幅度电压对应于0°，45°，90°偏振态。

图4(a)为强光在不进行偏振控制的情况下长时间自由漂移的结果图。由示波器监测信号光和参考光，可以看出，在不进行偏振控制的情况下，由于外界温度，应力以及光纤的本身缺陷等因素，光纤中偏振态的不能始终保持一个状态，随时间变化缓慢的产生偏振漂移。图4(b)为在使用偏振控制算法对偏振态进行控制后的结果。偏振控制算法根据当前偏振态距离目标偏振态的距离进行计算步长和方向，以1kHz的寻优频率，寻优时间小于4.09s，测试结果显示，经过寻优后偏振态能够锁定在目标状态，由于AD子卡在量程0-5v之间，测量精度为10mv，最终由强光反馈，保真度可达99.11±0.44%。

图4. (a)强光自由偏振漂移；(b)强光偏振控制效果。reference为参考光电压，signal为信号光电压。

在单光子偏振控制部分，由单光子探测器监测参考光和信号光，测试结果显示，偏振态在没有人为干扰的情况下自然的缓慢偏移，如图5(a)所示。图5(b)为施加偏振控制之后，通过单光子探测器探测光子，由FPGA进行光子计数，计算控制的电压值加载至电控偏振控制器调整偏振态。测试结果显示，通过单光子的反馈计数进行寻优，可以在短时间内寻找到目标偏振态，偏振控制保真度为97.93±0.96%。

图5. (a)单光子偏振自由漂移；(b)单光子偏振控制效果。

结论：

本工作提出了一种用于量子保密通信系统的偏振态制备、强光偏振控制及单光子偏振态控制一体的实时偏振态控制系统。在偏振态制备部分通过FPGA控制扰偏器实现了不同偏振态的制备，通过强光偏振控制实时监测和反馈控制偏振态制备保真度，实验中偏振态制备保真度达到99.11±0.44%。在单光子偏振控制部分，通过设定合适的积分时间实时监测单光子偏振态，通过偏振控制算法实时反馈优化偏振保真度，保真度达到97.93±0.96%。利用FPGA流水线及并行处理的优势，由FPGA统一作为中央处理器代替计算机作为控制核心提高了系统的处理效率，为实现量子保密通信系统集成化、小型化实时偏振控制提供了解决方案。