在以偏振編碼為基礎的量子保密通信中，由于外界溫度、應力以及光纖制造缺陷等因素，使得偏振態無法保持長期穩定，增加了系統誤碼率，因此需要進行偏振控制以維持通信系統正常運行。誘騙態已經成為現階段量子通信網絡的常規操作，利用誘騙光子作為偏振參考，有望實現系統偏振態的長時間，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進行偏振態制備以及強光、單光子偏振控制于一體的系統偏振解決方案。

圖1. 偏振控制方案系統框圖。Laser：連續激光器；PC 1 ，PC 2 ：偏振控制器；PS：擾偏器；ATT：可調光衰減器；FPGA：現場可編程邏輯門陣列；D/A 1 ：數模轉換器；A/D 2 ：模數轉換器；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中，通過FPGA控制擾偏器進行偏振態制備、通過強光、單光子偏振反饋進行偏振態鎖定控制。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光電探測器和單光子探測器的探測結果進行實時監測及反饋控制。由FPGA完成偏振控制算法，進行偏振態循環控制。強光偏振控制流程和單光子偏振控制流程根據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通常需要制備四種偏振態，而基于三種偏振態的量子通信協議目前也被提出并廣泛研究及應用。圖3為偏振態制備結果，通過FPGA控制模數轉換器輸出0-5v的電壓，加載在擾偏器上，經偏振分束后，由示波器監測信號光，分別對應不同的幅值，代表不同的偏振態，經過偏振態產生部分，調節FPGA輸出不同的電壓，可以控制擾偏器制備不同的偏振態。

圖3. 偏振態制備，不同幅度電壓對應于0°，45°，90°偏振態。

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果圖。由示波器監測信號光和參考光，可以看出，在不進行偏振控制的情況下，由于外界溫度，應力以及光纖的本身缺陷等因素，光纖中偏振態的不能始終保持一個狀態，隨時間變化緩慢的產生偏振漂移。圖4(b)為在使用偏振控制算法對偏振態進行控制后的結果。偏振控制算法根據當前偏振態距離目標偏振態的距離進行計算步長和方向，以1kHz的尋優頻率，尋優時間小于4.09s，測試結果顯示，經過尋優后偏振態能夠鎖定在目標狀態，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，由單光子探測器監測參考光和信號光，測試結果顯示，偏振態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，計算控制的電壓值加載至電控偏振控制器調整偏振態。測試結果顯示，通過單光子的反饋計數進行尋優，可以在短時間內尋找到目標偏振態，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。

結論：

本工作提出了一種用于量子保密通信系統的偏振態制備、強光偏振控制及單光子偏振態控制一體的實時偏振態控制系統。在偏振態制備部分通過FPGA控制擾偏器實現了不同偏振態的制備，通過強光偏振控制實時監測和反饋控制偏振態制備保真度，實驗中偏振態制備保真度達到99.11±0.44%。在單光子偏振控制部分，通過設定合適的積分時間實時監測單光子偏振態，通過偏振控制算法實時反饋優化偏振保真度，保真度達到97.93±0.96%。利用FPGA流水線及并行處理的優勢，由FPGA統一作為中央處理器代替計算機作為控制核心提高了系統的處理效率，為實現量子保密通信系統集成化、小型化實時偏振控制提供了解決方案。