基于路径选择光路的功能可定义量子通信方法

本发明属于量子通信、量子传感和集成光学的交叉学科，具体是指一种将多种量子通信业务功能、量子通信协议对应的光学系统集成在同一光学平台，通过路径选择光路实现功能可定义切换的方法，尤其涉及一种基于路径选择光路的功能可定义量子通信方法。

背景技术：

1、量子是能量的最小单元，满足量子不可分割原理、量子不可克隆原理和海森堡测不准原理。基于量子的信息传输技术，能够具备信道层面的无条件安全特性，即窃听者无法在不引起通信双方觉察的条件下通过分离量子的方式获取信息内容。量子通信中“通信”一词可能有多重理解，狭义的量子通信是指将量子态保真无损地从一处传递到另一处的过程，广义的量子通信则指依托量子态传输实现的各种信息传递功能，根据传递信息的不同，又可将广义量子通信细化为量子密钥分发、量子直接通信、量子时间同步等，这些不同的量子通信业务功能能够基于相同的物理原理，即狭义的量子通信。

2、随着量子通信应用的扩展和深化，采用单一设备解决多种问题的功能可定义系统成为主流发展趋势。功能可定义是指，将多种量子通信业务功能集成到同一系统中，通过编程控制、软件定义等方式实现各种业务功能的灵活切换，以适应不同的应用需求。

技术实现思路

1、针对上述缺陷，本发明要解决的技术问题是如何将量子密钥分发、量子直接通信、量子时间同步等多种量子通信业务功能，以及偏振编码、相位编码、模式编码等多种协议所对应的量子通信系统集成到同一光学平台上，复用量子光源、单光子探测器等核心元器件，通过路径选择光路等方法实现量子通信业务功能或通信协议的切换，实现可编程逻辑控制的功能可定义量子通信。

2、针对上述缺陷，本发明的目的在于提供一种基于路径选择光路的功能可定义量子通信方法，将多种量子通信业务功能以及多种量子通信协议对应的光量子信号处理光路集成到同一光学平台，所述光学平台集成同一套量子光源和单光子探测器，不同量子通信业务功能或量子通信协议对应的信号处理光路通过路径选择光路、偏振选择光路、波长选择光路控制，使得光量子根据要求通过不同的光学路径；通信双方根据实际需要选择业务功能和量子通信协议；通信双方控制路径选择光路，使光量子通过对应的调制和解调路径，借助通信实现信息交互，完成功能可定义量子通信。

3、优选的，上述多种量子通信业务功能包括但不限于量子密钥分发、量子直接通信、量子时间同步和分布式量子传感。

4、优选的，上述光学平台可以是自由空间光路、全光纤光路，优选为芯片集成光路。

5、优选的，上述芯片集成光路上集成同一套量子光源和单光子探测器，不同量子通信业务功能或量子通信协议对应的信号处理光路通过路径选择光路、偏振选择光路、波长选择光路控制，使得光量子根据要求通过不同的光学路径。

6、优选的，上述各种业务功能或量子通信的实现通过芯片集成电路控制芯片集成光学器件实现，芯片集成电路与可编程逻辑控制电路集成。

7、优选的，上述方法具体包括以下步骤：

8、s1、量子通信业务功能的异构集成，即将量子密钥分发、量子直接通信、量子时间同步、分布式量子传感等多种量子通信功能对应的信号处理系统集成到同一光学平台上，可共享相同的光源和探测器；

9、s2、量子通信协议的异构集成，将不同光学自由度编码的量子通信信号处理系统集成到同一光学平台，可共享相同的光源和探测器；

10、s3、功能定义，根据实际应用需要，选择对应的量子通信业务功能和通信协议，通过路径选择光路控制量子态产生、编译、分发、传输的过程，实现通信功能的按需定义。

11、本发明提供一种基于路径选择光路的功能可定义量子通信方法，包括通信双方即发送方和接收方，具体包括：

12、s101、通过量子光源产生光量子，光量子的不同光学自由度通过调制模块进行编译，通过解调模块解调为单光子探测器和时域分析仪能够识别的信号；

13、s102、所述发送方和接收方通过协商确定当前的业务需求，选择相同的业务功能以及对应的通信协议；

14、s103、发送方和接收方同时控制路径选择光路，使光量子通过相应的调制模块和解调模块；

15、s104、通信双方通过经典通信信道交互信息，完成业务功能所需的协商和信息后处理，以及不同时间节点通信双方的业务需求；

16、s105、组建具备功能可定义能力的量子通信网络，所述通信网络能够异构存在多种业务功能，网络业务功能的拓扑结构根据业务需要时刻转变。

17、优选的，上述s104中业务功能包括但不限于量子密钥分发、量子直接通信、量子时间同步。

18、优选的，上述量子通信协议包括但不限于bb84、e91、cow、dps、tf、mdi。

19、本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述方法。

20、与现有技术相比，本发明达到了以下技术效果：

21、首先，本发明提出一种功能可定义量子通信方法，将量子密钥分发、量子直接通信和量子安全时间同步等多种业务功能以及细化的多种量子通信协议对应的光学调制系统集成到同一平台，使得使用单一设备实现多种量子通信功能成为可能；

22、其次，本发明提出通过芯片集成光路实现功能可定义量子通信系统的技术方案，包含多种量子通信业务功能、多种量子通信协议的超大规模集成光路研制成本基本持平于单一量子通信光路，使得“一套设备、多重选择”的通用量子通信设备成为可能；

23、最后，本发明所述方法将在功能可定义量子通信网络方面得到广泛应用，为“多种业务功能一张网异构融合”提供先决条件。

技术特征：

1.一种基于路径选择光路的功能可定义量子通信方法，将多种量子通信业务功能以及多种量子通信协议对应的光量子信号处理光路集成到同一光学平台，所述光学平台集成同一套量子光源和单光子探测器，不同量子通信业务功能或量子通信协议对应的信号处理光路通过路径选择光路、偏振选择光路、波长选择光路控制，使得光量子根据要求通过不同的光学路径；通信双方根据实际需要选择业务功能和量子通信协议；通信双方控制路径选择光路，使光量子通过对应的调制和解调路径，借助通信实现信息交互，完成功能可定义量子通信。

2.根据权利要求1所述的基于路径选择光路的功能可定义量子通信方法，其特征在于，所述多种量子通信业务功能包括但不限于量子密钥分发、量子直接通信、量子时间同步和分布式量子传感。

3.根据权利要求1所述的基于路径选择光路的功能可定义量子通信方法，其特征在于，所述光学平台可以是自由空间光路、全光纤光路，优选为芯片集成光路。

4.根据权利要求3所述的基于路径选择光路的功能可定义量子通信方法，其特征在于，所述芯片集成光路上集成同一套量子光源和单光子探测器，不同量子通信业务功能或量子通信协议对应的信号处理光路通过路径选择光路、偏振选择光路、波长选择光路控制，使得光量子根据要求通过不同的光学路径。

5.根据权利要求3所述的基于路径选择光路的功能可定义量子通信方法，其特征在于，所述各种业务功能或量子通信的实现通过芯片集成电路控制芯片集成光学器件实现，芯片集成电路与可编程逻辑控制电路集成。

6.根据权利要求1所述的基于路径选择光路的功能可定义量子通信方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：

7.根据权利要求1所述的基于路径选择光路的功能可定义量子通信方法，包括通信双方即发送方和接收方，其特征在于所述方法具体包括：

8.根据权利要求7所述的基于路径选择光路的功能可定义量子通信方法，其特征在于，所述s104中业务功能包括但不限于量子密钥分发、量子直接通信、量子时间同步。

9.根据权利要求8所述的基于路径选择光路的功能可定义量子通信方法，其特征在于，所述量子通信协议包括但不限于bb84、e91、cow、dps、tf、mdi。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现权利要求1-9任一项所述方法。

技术总结
本发明提出的基于路径选择光路的功能可定义量子通信方法，将量子密钥分发、量子直接通信、量子时间同步、分布式量子传感等多种量子通信业务功能对应的光学系统集成在统一芯片集成光学平台，并按照量子态编译自由度的差异细化拆解各种通信协议，通过路径选择光路实现各种量子通信系统的灵活切换，达到“一块芯片、多种功能”的效果。本发明强调“光学器件最少用量”法则，即通过各种光学器件的复用、使用尽可能简单的光学结构实现尽可能多的量子通信功能，满足尽可能多的应用场景，为可软件定义量子通信系统研发提供了重要参考，为量子通信网络建设奠定坚实基础。

技术研发人员：郭凯,曹毅宁
受保护的技术使用者：中国人民解放军军事科学院系统工程研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14