面向量子密钥分发系统的 FPGA 基于时间-数字转换器非线性安全性研究
量子物理
2026-04-02 v1 硬件体系结构
摘要
FPGA 基于时间-数字转换器（TDC）的内在非线性往往被视为校准问题，主要通过后校正指标进行评估。在量子密钥分发（QKD）中，原始延迟线非均匀性会影响 coincidence 计时，从而影响偶发 coincidence 率和量子位误差率（QBER）。本文分析测量得到的 FPGA-TDC 非线性如何传播至 QKD 计时指标，使用一种保守的系统级模型将随机计时不确定性与确定性非线性相结合。我们还提出了基于 LUT 辅助延迟制造和布置约束的 fabric 级缓解策略，以无需统计校准地减少严重的 bin 宽不规则性。该方法通过再现两个开源 TDC 实现于低成本 Zynq-7000 FPGA 上的实现进行评估。我们观察到与非优化设计相比，积分非线性（INL）降低了14%-21%，从而降低了 QBER 贡献，并在估计的密钥配额上实现3.7%-14.2%的改进。这些结果表明，原始 FPGA-TDC 非线性值得在计时敏感型 QKD 实现中予以明确考虑。
引用
@article{arxiv.2604.00229,
title = {A Security-Aware Nonlinearity Study of FPGA-Based Time-to-Digital Converters for Quantum Key Distribution Systems},
author = {Kun Qin and Carsten Trinitis},
journal= {arXiv preprint arXiv:2604.00229},
year = {2026}
}