一种全域全天时量子密钥分发网络制造技术

本实用新型专利技术公开了一种全域全天时量子密钥分发网络，其包括地面光纤段、太空卫星段和高空浮空平台段。地面光纤段可以包括一个或多个地面QKD子网，其中设有多个第一QKD节点，第一QKD节点之间通过光纤形成通信连接。高空浮空平台段可以包括多个第二QKD节点，其设置在高空浮空平台上，且通过光纤与第一QKD节点形成通信连接。太空卫星段可以包括多个第三QKD节点，其设置在卫星上且通过自由空间链路相互形成通信连接。其中，第三QKD节点可以通过自由空间链路与第二QKD节点形成通信连接，以进行量子密钥分发。量子密钥分发。量子密钥分发。

【技术实现步骤摘要】
一种全域全天时量子密钥分发网络


[0001]本技术涉及量子保密通信领域，特别涉及一种全域全天时量子密钥分发网络。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]但是，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。
[0006]此外，量子信道的衰减随距离指数增长，在常规光纤上一般每10
‑
15公里衰减一半。量子密钥分发由于使用单光子量级的极微弱光，因此需工作在有限的成码距离内以确保较好的信噪比，从而获得安全码。目前，产品级系统的典型安全成码距离约为100公里，实验室最远距离约为400公里。因此，当通信双方距离超过量子密钥分发的有效、安全成码距离时，中继是拓展距离的重要手段，其中，可信中继是解决远距离量子密钥分发的一种实用化的方案。
[0007]图2示意性地示出了一种可信中继过程：在通信节点A、B之间设置中继1和中继2，构成长距离串行链路；各相邻节点两两进行量子密钥分发，三对密钥分别记为K
A1
、K
12
和K
B2
；会话密钥K在节点A与K
A1
异或得到随后通过网络传输到达中继节点1，在中继节点1先解出K，再与K
12
异或得到随后通过网络传输到达中继节点2，如前重复，最后在节点B解出K，实现通信节点A、B之间共享会话密钥K。

技术实现思路

[0008]针对现有星地一体化QKD网络，在卫星和地面节点进行量子密钥分发时，受到天气影响较为严重等问题，本技术公开了一种全域全天时量子密钥分发网络，其中通过在悬浮于云层之上的高空浮空平台上设置第二QKD节点，并使第二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。
[0009]具体而言，该全域全天时量子密钥分发网络可以包括地面光纤段和太空卫星段，特征在于还包括高空浮空平台段；
[0010]所述地面光纤段包括一个或多个地面QKD子网，所述地面QKD子网中的每一个内设有多个第一QKD节点，所述第一QKD节点之间通过光纤形成通信连接，以进行量子密钥分发；
[0011]所述高空浮空平台段包括多个第二QKD节点，所述第二QKD节点设置在高空浮空平台上，且通过光纤与第一QKD节点形成通信连接，以进行量子密钥分发；
[0012]所述太空卫星段包括多个第三QKD节点，所述第三QKD节点设置在卫星上，且通过自由空间链路相互形成通信连接，以进行量子密钥分发；并且，
[0013]所述第三QKD节点通过自由空间链路与第二QKD节点形成通信连接，以进行量子密钥分发。
[0014]进一步地，所述第二QKD节点包括望远镜模块、跟踪瞄准机构、量子发射/探测模块和密钥后光路处理模块；
[0015]所述望远镜模块被设置用于向卫星发射光信号，以及接收来自卫星的光信号；
[0016]所述跟踪瞄准机构被设置用于使望远镜模块与卫星光学对准；
[0017]所述量子发射/探测模块被设置用于量子光信号的制备和探测；
[0018]所述密钥后光路处理模块被设置用于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。
[0019]更进一步地，所述高空浮空平台包括浮空平台和动态稳定平台；
[0020]所述浮空平台被设置用于以悬浮的方式承载第二QKD节点；
[0021]所述动态稳定平台被设置用于实现浮动平台的姿态稳定。
[0022]更进一步地，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。
[0023]进一步地，所述第二QKD节点还包括后光路模块，其被设置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。
[0024]更进一步地，所述量子发射/探测模块包括第一量子发射/探测单元和第二量子发射/探测单元；
[0025]所述第一量子发射/探测单元被设置用于制备和探测关于第一QKD节点的量子光信号；
[0026]所述第二量子发射/探测单元被设置用于制备和探测关于第三QKD节点的量子光信号。
[0027]进一步地，所述第一QKD节点、第二QKD节点和第三QKD节点还包括密钥交换模块，
用于量子密钥的中继传输。
[0028]优选地，所述卫星为低轨卫星和/或中高轨卫星。
[0029]优选地，用于第一QKD节点之间的量子光信号具有1550nm的波长；以及/或者，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。
[0030]优选地，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；以及/或者用于第三QKD节点之间的量子光信号具有850nm或1550nm的波长。
附图说明
[0031]下面结合附图对本技术的具体实施方式作进一步详细的说明。
[0032]为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图来获得其他的附图。
[0033]图1示出了现有技术中基于自由空间技术的QKD网络；
[003本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种全域全天时量子密钥分发网络，其包括地面光纤段和太空卫星段，特征在于还包括高空浮空平台段；所述地面光纤段包括一个或多个地面QKD子网，所述地面QKD子网中的每一个内设有多个第一QKD节点，所述第一QKD节点之间通过光纤形成通信连接，以进行量子密钥分发；所述高空浮空平台段包括多个第二QKD节点，所述第二QKD节点设置在高空浮空平台上，且通过光纤与第一QKD节点形成通信连接，以进行量子密钥分发；所述太空卫星段包括多个第三QKD节点，所述第三QKD节点设置在卫星上，且通过自由空间链路相互形成通信连接，以进行量子密钥分发；并且，所述第三QKD节点通过自由空间链路与第二QKD节点形成通信连接，以进行量子密钥分发。2.如权利要求1所述的全域全天时量子密钥分发网络，其特征在于，所述第二QKD节点包括望远镜模块、跟踪瞄准机构、量子发射/探测模块和密钥后光路处理模块；所述望远镜模块被设置用于向卫星发射光信号，以及接收来自卫星的光信号；所述跟踪瞄准机构被设置用于使望远镜模块与卫星光学对准；所述量子发射/探测模块被设置用于量子光信号的制备和探测；所述密钥后光路处理模块被设置用于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。3.如权利要求2所述的全域全天时量子密钥分发网络，其特征在于，所述高空浮空平台包括浮空平台和动态稳定平台；所述浮空平台被设置用于以悬浮的方式承载第二QKD节点；所述动态稳定平台被设置用于实现浮动平台的姿态稳定。4.如权利要求2所述的全域全天时量子密钥分发网络，其特征在于，所述光信号包括量子光信号、同步光...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈昊泽，
申请(专利权)人：国科量子通信网络有限公司，
类型：新型
国别省市：