在以偏振編碼為基礎(chǔ)的量子保密通信中，由于外界溫度、應(yīng)力以及光纖制造缺陷等因素，使得偏振態(tài)無法保持長期穩(wěn)定，增加了系統(tǒng)誤碼率，因此需要進行偏振控制以維持通信系統(tǒng)正常運行。誘騙態(tài)已經(jīng)成為現(xiàn)階段量子通信網(wǎng)絡(luò)的常規(guī)操作，利用誘騙光子作為偏振參考，有望實現(xiàn)系統(tǒng)偏振態(tài)的長時間，不間斷鎖定控制，提高通信效率。如圖1所示，項目團隊提出基于FPGA進行偏振態(tài)制備以及強光、單光子偏振控制于一體的系統(tǒng)偏振解決方案。

圖1. 偏振控制方案系統(tǒng)框圖。Laser：連續(xù)激光器；PC 1 ，PC 2 ：偏振控制器；PS：擾偏器；ATT：可調(diào)光衰減器；FPGA：現(xiàn)場可編程邏輯門陣列；D/A 1 ：數(shù)模轉(zhuǎn)換器；A/D 2 ：模數(shù)轉(zhuǎn)換器；EPC 1 ，EPC 2 ：電控偏振控制器；BS：分束器；PBS 1 ，PBS 2 ：偏振分束器；PD：光電探測器；AMP：跨阻放大器；SPD：單光子探測器。

在整個偏振控制系統(tǒng)中，通過FPGA控制擾偏器進行偏振態(tài)制備、通過強光、單光子偏振反饋進行偏振態(tài)鎖定控制。如圖2為強光和單光子偏振控制流程，強光偏振控制部分和單光子偏振控制部分分別根據(jù)光電探測器和單光子探測器的探測結(jié)果進行實時監(jiān)測及反饋控制。由FPGA完成偏振控制算法，進行偏振態(tài)循環(huán)控制。強光偏振控制流程和單光子偏振控制流程根據(jù)反饋探測的方式不同，算法控制的流程有略微不同。

圖2. (a)強光偏振控制流程；(b)單光子偏振控制流程。

基于偏振編碼的量子通信系統(tǒng)通常需要制備四種偏振態(tài)，而基于三種偏振態(tài)的量子通信協(xié)議目前也被提出并廣泛研究及應(yīng)用。圖3為偏振態(tài)制備結(jié)果，通過FPGA控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出0-5v的電壓，加載在擾偏器上，經(jīng)偏振分束后，由示波器監(jiān)測信號光，分別對應(yīng)不同的幅值，代表不同的偏振態(tài)，經(jīng)過偏振態(tài)產(chǎn)生部分，調(diào)節(jié)FPGA輸出不同的電壓，可以控制擾偏器制備不同的偏振態(tài)。

圖3. 偏振態(tài)制備，不同幅度電壓對應(yīng)于0°，45°，90°偏振態(tài)。

圖4(a)為強光在不進行偏振控制的情況下長時間自由漂移的結(jié)果圖。由示波器監(jiān)測信號光和參考光，可以看出，在不進行偏振控制的情況下，由于外界溫度，應(yīng)力以及光纖的本身缺陷等因素，光纖中偏振態(tài)的不能始終保持一個狀態(tài)，隨時間變化緩慢的產(chǎn)生偏振漂移。圖4(b)為在使用偏振控制算法對偏振態(tài)進行控制后的結(jié)果。偏振控制算法根據(jù)當前偏振態(tài)距離目標偏振態(tài)的距離進行計算步長和方向，以1kHz的尋優(yōu)頻率，尋優(yōu)時間小于4.09s，測試結(jié)果顯示，經(jīng)過尋優(yōu)后偏振態(tài)能夠鎖定在目標狀態(tài)，由于AD子卡在量程0-5v之間，測量精度為10mv，最終由強光反饋，保真度可達99.11±0.44%。

圖4. (a)強光自由偏振漂移；(b)強光偏振控制效果。reference為參考光電壓，signal為信號光電壓。

在單光子偏振控制部分，由單光子探測器監(jiān)測參考光和信號光，測試結(jié)果顯示，偏振態(tài)在沒有人為干擾的情況下自然的緩慢偏移，如圖5(a)所示。圖5(b)為施加偏振控制之后，通過單光子探測器探測光子，由FPGA進行光子計數(shù)，計算控制的電壓值加載至電控偏振控制器調(diào)整偏振態(tài)。測試結(jié)果顯示，通過單光子的反饋計數(shù)進行尋優(yōu)，可以在短時間內(nèi)尋找到目標偏振態(tài)，偏振控制保真度為97.93±0.96%。

圖5. (a)單光子偏振自由漂移；(b)單光子偏振控制效果。

結(jié)論：

本工作提出了一種用于量子保密通信系統(tǒng)的偏振態(tài)制備、強光偏振控制及單光子偏振態(tài)控制一體的實時偏振態(tài)控制系統(tǒng)。在偏振態(tài)制備部分通過FPGA控制擾偏器實現(xiàn)了不同偏振態(tài)的制備，通過強光偏振控制實時監(jiān)測和反饋控制偏振態(tài)制備保真度，實驗中偏振態(tài)制備保真度達到99.11±0.44%。在單光子偏振控制部分，通過設(shè)定合適的積分時間實時監(jiān)測單光子偏振態(tài)，通過偏振控制算法實時反饋優(yōu)化偏振保真度，保真度達到97.93±0.96%。利用FPGA流水線及并行處理的優(yōu)勢，由FPGA統(tǒng)一作為中央處理器代替計算機作為控制核心提高了系統(tǒng)的處理效率，為實現(xiàn)量子保密通信系統(tǒng)集成化、小型化實時偏振控制提供了解決方案。