一种用于实现全域全天时量子密钥分发的方法与流程

本发明涉及量子保密通信领域，特别涉及一种借助星地qkd网络，实现全域全天时量子密钥分发的方法。

背景技术：

1、量子密钥分发(qkd)是利用量子系统进行信息的制备、传输、接收以及提纯，得到物理原理上不会被别人窃取的安全对称密钥，这个过程可以保证通讯双方所获得的密钥是完全一致的，并且任何第三方都无法获得任何关于密钥的信息。量子密钥分发系统的发送方需要发送量子光、同步光至接受方，同时双方需要相互发送数据进行密钥协商。

2、按通信信道的不同，量子密钥分发主要包括光纤和自由空间两种实现方式。光纤qkd技术的信道稳定性较好，不易受到温度、温度等环境因素影响，可以实现基本恒定的安全码率，是当前发展最为成熟、最接近实用的一种qkd技术，“量子京沪干线”已经完成建设并交付用户试用，相关指标已经达到设计要求并且运行稳定，具备了广域光纤量子密钥系统的组网应用能力。但由于光纤的固有衰减特性，光纤qkd技术的传输距离限制在百公里量级，长距离的通信需要每几十公里设置中继站点，建设的周期长、成本高。

3、自由空间qkd技术以大气层和外太空的自由空间为量子光信号传输介质，光子在自由空间中具有低损耗特性，尤其是在外太空真空环境下趋于零损耗，而地球表面的等效大气厚度仅约10公里左右，这使得基于卫星平台的千公里以上距离的量子密钥分发成为可能，通过卫星中继的方式实现超远距离用户间的密钥协同，能够满足大尺度广域范围内的密钥保障需求。但是，在现有的星地qkd网络中，如图1所示，量子光信号在星地自由空间信道的传输受云层影响较为严重，无法在星地视线遮挡的情况下工作，因此，基于自由空间的qkd系统无法进行全天时的密钥分发，其应用效能有限。

技术实现思路

1、针对现有星地qkd中存在的上述问题，本发明公开了一种基于星地qkd网络，在全域全天时条件下实现量子密钥分发的方法。其中，通过配置能够悬浮于云层之上的高空浮空平台，并在高空浮空平台上设置第二qkd节点，使第二qkd节点能够通过光纤链路与地面上的第一qkd节点之间通信，同时又能够通过自由空间链路与卫星上的第三qkd节点之间通信，由此可以克服现有基于自由空间技术实现的量子密钥分发网络中容易受气候影响而导致性能不足的问题，使得在全域和全天时条件下实施量子密钥分发成为可能。

2、具体而言，本发明公开了一种用于实现全域全天时量子密钥分发的方法，其包括地面光纤段配置步骤、太空卫星段配置步骤和高空浮空平台段配置步骤；

3、在所述地面光纤段配置步骤中，在地面上部署qkd网络，并在所述qkd网络中配置多个第一qkd节点，使所述第一qkd节点之间能够通过光纤链路进行量子密钥分发；

4、在所述太空卫星段配置步骤中，部署一个或多个卫星，并在所述卫星上配置第三qkd节点，使所述第三qkd节点之间能够通过自由空间链路进行量子密钥分发；

5、在所述高空浮空平台段配置步骤中，部署多个悬浮于云层上方的高空浮空平台，并在所述高空浮空平台上配置第二qkd节点，使所述第二qkd节点能够通过光纤与第一qkd节点进行量子密钥分发，以及通过自由空间链路与第三qkd节点进行量子密钥分发。

6、优选地，本发明的方法用于实现基于时间相位编码协议的量子密钥分发。

7、进一步地，可以在所述第二qkd节点中配置望远镜模块、跟踪瞄准机构、量子发射/探测模块和密钥后光路处理模块；

8、利用望远镜模块向卫星发射光信号，以及接收来自卫星的光信号；

9、利用所述跟踪瞄准机构使望远镜模块与卫星光学对准；

10、利用所述量子发射/探测模块制备和探测量子光信号；

11、利用所述密钥后光路处理模块，根据量子密钥分发协议，利用量子光信号的探测结果生成量子密钥。

12、进一步地，本发明的方法还可以包括稳定所述高空浮空平台的姿态的步骤。

13、进一步地，所述光信号包括量子光信号、同步光信号、跟踪瞄准光信号和经典通信光信号。

14、更进一步地，在所述第二qkd节点配置后光路模块，用于量子光信号的基矢选择、跟踪瞄准光信号的成像、以及量子光信号、同步光信号和经典通信光信号与光纤的光学耦合。

15、优选地，在所述量子发射/探测模块中配置第一量子发射/探测单元和第二量子发射/探测单元；

16、利用所述第一量子发射/探测单元制备和探测关于第一qkd节点的量子光信号；

17、利用所述第二量子发射/探测单元制备和探测关于第三qkd节点的量子光信号。

18、进一步地，还可以在所述第一qkd节点、第二qkd节点和第三qkd节点配置密钥交换模块，用于量子密钥的中继传输。

19、优选地，所述卫星为低轨卫星和/或中高轨卫星。

20、优选地，用于第一qkd节点之间的量子光信号具有1550nm的波长；用于第一qkd节点与第二qkd节点之间的量子光信号具有1550nm的波长；用于第二qkd节点与第三qkd节点之间的量子光信号具有850nm或1550nm的波长；用于第三qkd节点之间的量子光信号具有850nm或1550nm的波长。

技术特征：

1.一种用于实现全域全天时量子密钥分发的方法，其包括地面光纤段配置步骤、太空卫星段配置步骤和高空浮空平台段配置步骤；

2.如权利要求1所述的方法，其中，基于时间相位编码协议进行量子密钥分发。

3.如权利要求1所述的方法，其中，在所述第二qkd节点中配置望远镜模块、跟踪瞄准机构、量子发射/探测模块和密钥后光路处理模块；

4.如权利要求1所述的方法，其还包括稳定所述高空浮空平台的姿态的步骤。

5.如权利要求3所述的方法，其中，所述光信号包括量子光信号、同步光信号、跟踪瞄准光信号和经典通信光信号。

6.如权利要求5所述的方法，其中，在所述第二qkd节点配置后光路模块，用于量子光信号的基矢选择、跟踪瞄准光信号的成像、以及量子光信号、同步光信号和经典通信光信号与光纤的光学耦合。

7.如权利要求3所述的方法，其中，在所述量子发射/探测模块中配置第一量子发射/探测单元和第二量子发射/探测单元；

8.如权利要求1所述的方法，其中，还在所述第一qkd节点、第二qkd节点和第三qkd节点配置密钥交换模块，用于量子密钥的中继传输。

9.如权利要求1所述的方法，其中，所述卫星为低轨卫星和/或中高轨卫星。

10.如权利要求1-8中任一项所述的方法，其中：

技术总结
本发明公开了一种用于实现全域全天时量子密钥分发的方法，其中，通过配置能够悬浮于云层之上的高空浮空平台，并在高空浮空平台上设置第二QKD节点，使第二QKD节点能够通过光纤链路与地面上的第一QKD节点之间通信，同时又能够通过自由空间链路与卫星上的第三QKD节点之间通信，由此可以克服现有基于自由空间技术实现的量子密钥分发网络中容易受气候影响而导致性能不足的问题，使得在全域和全天时条件下实施量子密钥分发成为可能。

技术研发人员：陈昊泽
受保护的技术使用者：国科量子通信网络有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15