CN104993925A - 一种飞行器的量子密钥分配系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种飞行器的量子密钥分配系统，包括：角锥反射镜、量子态调制器、激光光源、发射器、接收器和量子态探测器；角锥反射镜和量子态调制器设置在飞行器上，激光光源、发射器、接收器和量子态探测器设置在基站；激光光源发射脉冲激光到所述发射器，发射器将激光脉冲发射到飞行器，飞行器上的角锥反射镜接收到脉冲激光后，反射形成单光子脉冲，并且单光子脉冲通过所述量子态调制器进行编码，然后发送到所述接收器，所述接收器接收到编码后的单光子脉冲后发送到所述量子态探测器进行检测。本发明通过将角锥反射镜安装在飞行器，依赖角锥反射器将入射光原路返回的特征，在实现量子密钥分配功能的同时极大的简化飞行器的光学系统结构。

Description

一种飞行器的量子密钥分配系统

技术领域

本发明涉及量子信息科学技术领域，尤其是涉及一种用于飞行器的量子密钥分配系统。

背景技术

量子信息科学技术是量子力学和信息科学相结合发展起来的交叉学科，近年来受到了广泛的关注和研究。由于采用量子态作为信息的载体，量子信息在通信和计算等科技领域有着经典信息技术无法比拟的优势和前景，具有重要的学术意义和应用价值。

量子密钥分配是量子信息科学技术中一项重要的技术。传统的加密方式大多基于计算量的不匹配性，如大数分解理论等。这些加密方式都基于一个假设：窃听者的计算能力在传统范围之内。但目前为止，更快的能够攻击传统加密方式的算法并没有被证明是不存在的。另一方面，Peter Shor提出的算法，为量子计算机的出现奠定了基础，此后，量子计算领域的研究也有了一定的成果，如果量子计算机问世，将意味着计算能力极大的提升，那么传统的加密方式很有可能面临危机。

而量子密钥分配(QKD)使用单光子作为密钥传送的媒介，在单光子上以偏振、相位等方式进行编码，通过一定的协议，可以在量子密钥分配的双方建立密钥。量子密钥分配基于单光子不可再分、海森堡不确定关系、测量塌缩原理和量子不可克隆原理，是一种可以从理论上证明绝对安全的密钥建立和分发的方式。量子密钥分配是当代量子保密通信技术的基础。

无人机等飞行器与地面控制中心间的通信对保密性的要求极高，需要可靠的手段在两者间建立和分配密钥，在这方面，量子密钥分配技术有非常重要的应用前景。目前，面向地面与卫星间的量子保密通信需要，在自由空间量子密钥分配技术上人们已经取得了一些进展。目前已经提出的方案往往需要在相隔遥远的两处基站分别建立复杂的自由空间光学对准系统，通过闭环反馈控制锁定两处的望远镜指向从而实现稳定的光子传输通道。由于实现双向自由空间光学动态对准需要加装光源、衰减控制器、快速调向平面镜等用于发射光路的元件，还需要较大口径的望远镜、四象限光探测器或CMOS摄像头等用于接收光路并且计算光线偏移量的装置，这使得量子密钥分配双方的光学系统都十分复杂。然而，对于飞行器与地面控制中心间量子密钥分配的应用，由于飞行器的载荷有限，不易支持如此复杂的光学对准系统，因此需要探索新的量子密钥分配方案，在实现量子密钥分配功能的同时，尽可能简化飞行器端光学系统的结构。

发明内容

针对现有量子密钥分配技术的不足，本发明提供一种飞行器的量子密钥分配系统，通过将角锥反射镜安装在飞行器，依赖角锥反射器将入射光原路返回的特征，在实现量子密钥分配功能的同时极大的简化飞行器的光学系统结构。

根据本发明的一个方面，提供一种飞行器的量子密钥分配系统，其特征在于，包括：

角锥反射镜、量子态调制器、激光光源、发射器、接收器和量子态探测器；

其中，所述角锥反射镜和量子态调制器设置在飞行器上，所述激光光源、发射器、接收器和量子态探测器设置在基站；

所述激光光源发射脉冲激光到所述发射器，所述发射器将所述激光脉冲发射到所述飞行器，所述飞行器上的角锥反射镜接收到所述脉冲激光后，反射形成单光子脉冲，并且所述单光子脉冲通过所述量子态调制器进行编码，然后发送到所述接收器，所述接收器接收到编码后的单光子脉冲后发送到所述量子态探测器进行检测。

其中，所述量子态调制器对所述单光子脉冲进行随机的量子态调制。

其中，所述系统还包括：

设置在飞行器和基站之间的无线电通信装置，用于当所述量子态探测器检测到的所述调制后的单光子脉冲的数量达到阈值时，所述基站通过所述无线电通信装置发送指令到所述飞行器，停止密钥分配，并指示所述飞行器返回量子态调制编码信息到所述基站；

所述系统还包括处理装置，用于比对所述量子态调制器的量子态调制编码信息与所述基站的量子态探测器接收的调制后的单光子脉冲，并利用量子密钥分配协议实现量子密钥分配。

其中，所述量子密钥分配协议为BB84协议或诱骗态协议。

其中，所述系统还包括定位装置，所述定位装置用于对所述飞行器进行定位；

并且通过上述定位装置对飞行器的定位调整所述发射器的发射角度。

其中，所述激光脉冲的波段为850nm、1064nm和1550nm中的任一种。

其中，所述量子态调制器对所述单光子脉冲进行调制的自由度为所述单光子脉冲的偏振或相位。

其中，当所述量子态调制器对所述单光子脉冲进行调制的自由度为所述单光子脉冲的偏振时，所述角锥反射镜设置为四个，并且量子态调制器具体包括：放置在每个所述角锥反射镜前端检偏器以及放置在每个所述检偏器前端的光开关；

其中，所述检偏器的方向为水平、垂直、正45度和负45度；

并且当所述发射器发射激光脉冲到所述角锥反射镜时，所述光开关中的一个处于打开状态，其他为关断状态。

其中，所述量子态探测器具体包括：分束镜、以此分别设置在所述分束镜的两个光路上的半波片、偏振分束镜，以及分别设置在每个所述偏振分束镜的两个光路上的单光子探测器；

其中，所述单光子探测器分别探测处于水平、垂直、正45度和负45度偏振态的单光子脉冲。

本发明充分利用了角锥反射镜将入射光原路返回的特点大大简化了飞行器端量子密钥分配系统的光学设计。一方面，利用基站发射的照射光束远大于角锥尺寸的特点，为发射光束引入大的反射损耗将它衰减到单光子水平，由此在飞行器端实现了基于弱相干光脉冲的伪单光子源。另一方面，利用角锥反射镜将入射光束原路返回的特性形成飞行器与地面基站间低损耗的单光子传送信道。角锥反射镜将入射光束原路返回的特性使得在飞行器端无需复杂的自由空间光学对准系统，大大简化了飞行器端的光学系统结构。本发明在飞行器端不需要复杂的光学对准系统即可动态实现量子密钥分配功能，可用于飞行器与地面基站间的自由空间量子保密通信。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1示出了本发明的量子密钥分配系统的总体框图；

图2示出了本发明的设置在飞行器的装置结构框图；

图3示出了本发明的设置在基站的装置的结构框图；

图4示出了本发明的实现偏振编码的量子态调制器的结构示意图；

图5示出了本发明的实现偏振编码的量子态探测器的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的实施例进行详细描述。

本发明的一个实施例中，提供一种飞行器的量子密钥分配系统。

图1示出了本发明的量子密钥分配系统的总体框图；图2示出了本发明的设置在飞行器的装置结构框图；图3示出了本发明的设置在基站的装置的结构框图；

参照图1-3，本发明的实施例的飞行器的量子密钥分配系统具体包括：

角锥反射镜10、量子态调制器20、激光光源30、发射器40、接收器50和量子态探测器60；

角锥反射镜10和量子态调制器20设置在飞行器100上，激光光源30、发射器40、接收器50和量子态探测器60设置在基站200；

激光光源30发射脉冲激光到发射器40，发射器40将所述激光脉冲发射到飞行器，飞行器上的角锥反射镜10接收到脉冲激光后，反射形成单光子脉冲，并且单光子脉冲通过所述量子态调制器20进行编码，然后发送到所述接收器50，所述接收器50接收到编码后的单光子脉冲后发送到所述量子态探测器60进行检测。

上述实施例中，量子态调制器20对所述单光子脉冲进行随机的量子态调制。

上述实施例中，所述系统还包括：

设置在飞行器和基站之间的无线电通信装置，用于当量子态探测器检测到的调制后的单光子脉冲的数量达到阈值时，基站通过无线电通信装置发送指令到所述飞行器，停止密钥分配，并指示所述飞行器返回量子态调制编码信息到所述基站；

并且基于上述无线通信装置，所述系统还包括处理装置，用于比对所述量子态调制器的量子态调制编码信息与所述基站的量子态探测器接收的调制后的单光子脉冲，并利用量子密钥分配协议实现量子密钥分配。

另外，所述系统还包括定位装置，所述定位装置用于对所述飞行器进行定位；并且通过上述定位装置对飞行器的定位调整所述发射器的发射角度。

在上述过程中，为保证稳定的量子密钥分配，在整个量子密钥分配工作过程中，不断通过空间定位装置获取飞行器位置，并对应地调整发射器的发射角度以使得飞行器始终处于地面基站发出的光束中心。

在本实施例中，所述激光脉冲的波段为850nm、1064nm和1550nm中的任一种。

此外，所述量子态调制器对所述单光子脉冲进行调制的自由度为所述单光子脉冲的偏振或相位。

在进一步的实施例中，当所述量子态调制器对所述单光子脉冲进行调制的自由度为所述单光子脉冲的偏振时，所述角锥反射镜设置为四个，并且量子态调制器具体包括：放置在每个所述角锥反射镜前端检偏器以及放置在每个所述检偏器前端的光开关；

其中，所述检偏器的方向为水平、垂直、正45度和负45度；

并且当所述发射器发射激光脉冲到所述角锥反射镜时，所述光开关中的一个处于打开状态，其他为关断状态。

其中，所述量子态探测器具体包括：分束镜、以此分别设置在所述分束镜的两个光路上的半波片、偏振分束镜，以及分别设置在每个所述偏振分束镜的两个光路上的单光子探测器；

其中，所述单光子探测器分别探测处于水平、垂直、正45度和负45度偏振态的单光子脉冲。

本发明的量子密钥分配系统的工作过程具体为：

本发明的量子密钥分配系统分为地面基站部分和飞行器部分，两者间有无线电通信信道进行公开的经典通信，同时利用飞行器上的角锥反射镜建立从飞行器到地面基站的单光子传送通道。

在地面基站处，脉冲激光通过发射器发出，照射飞行器。飞行器上安装角锥反射镜，它可以将部分基站发出的光原路返回，通过光学设计，使得照射在飞行器上的光束的直径远大于角锥反射镜的直径，形成大的反射损耗，使得角锥反射镜反射回的光脉冲在单光子水平。在角锥反射镜前，安装量子态调制器，使角锥反射的单光子的量子态可以在一对非正交基间切换输出，实现量子态的编码。

飞行器反射的光子经量子态调制编码后，通过自由空间原路返回地面基站。考虑到返回的光子存在衍射造成的空间发散，在基站端安装一大口径的接收器接收飞行器反射回的光子，并将它们送入量子态探测器，记录单光子量子态的探测结果。

飞行器与地面基站利用无线电通信信道作为公开的经典信道比对飞行器部分量子态调制的基选择和地面基站部分量子态探测的结果，通过BB84协议，诱骗态协议等量子密钥分配协议实现量子密钥分配功能。

具体过程为:

准备阶段：地面基站向飞行器发出实施量子密钥分配的指令，飞行器飞到指定区域并通过空间定位系统获取自身位置，并通过无线电信道将位置信息发回地面基站。地面基站根据飞行器的位置信息通过调整发射器将脉冲激光照射飞行器。为保证稳定的量子密钥分配，在整个量子密钥分配工作过程中，不断通过空间定位系统获取飞行器位置，并通过以上过程调整发射器指向使得飞行器始终处于地面基站发出的光束中心。

量子密钥分配阶段：在光路稳定的基础上，通过无线电通信信道发送同步信号给飞行器启动量子密钥分配操作。飞行器端随机选择量子态调制器的状态，从而使返回的单光子水平光脉冲带有量子态调制信息。地面基站通过接收器接收返回的单光子，将接收的单光子送入单光子量子态探测器进行检测。积累足够单光子探测记录后，通过无线电通信信道发指令给飞行器，停止密钥分配，并让飞行器返回量子态调制的基选择信息。通过比对飞行器端的量子态调制基选择和地面基站端的量子态测量结果，利用BB84协议，诱骗态协议等量子密钥分配协议实现量子密钥分配功能。完成后地面基站通过无线电通信信道发送指令让飞行器脱离。

以下通过一个具体实施例来具体说明本发明的量子密钥分配系统的可行性。

考虑一个地面基站与其所控制的无人机间实施基于BB84协议和偏振编码的量子密钥分配。为了进行量子密钥分配操作，地面基站首先将无人机召回到指定空域，在指定姿态和指定速度下飞行。此时，无人机距离基站5km，飞行速度45m/s。每隔0.5秒，无人机通过GPS确定自身位置并通过无线电通信信道发送给地面基站，GPS定位精度取15米，考虑到无人机飞行速度，则地面基站发射的脉冲激光光束在无人机处的光束直径应大于30米才能确保光束始终照射无人机，这要求光束的发散角大约为6毫弧度。无论是850nm波段还是1550nm波段，支持6毫弧度发散角的望远镜系统容易实现。

无人机上角锥反射镜的通光孔径为10mm，则对应30米的发射光束直径，被角锥反射镜反射的光功率要比发射端光功率低76dB。考虑到量子态调制器引入的附加损耗，实际被角锥反射镜反射的光功率要比发射端光功率低90dB以上。这样，通过控制发射端脉冲激光平均功率到10毫瓦量级以下，即可控制被角锥反射镜反射的光脉冲到单光子水平，由此在无人机端实现了基于弱相干光脉冲的伪单光子源。

在无人机端，为角锥反射镜反射的单光子脉冲进行偏振调制。实现偏振调制的量子态调制器结构如图4所示。该调制器由四个角锥反射镜101～104，四个检偏器211～214和四个光开关221～224实现。四个检偏器分别放置在四个角锥反射器前，四个检偏器方向分别设为水平，垂直，正45度和负45度线偏振。四个光开关分别放在四个检偏器前，使得每个单光子脉冲通过角锥反射镜反射时有且仅有一个光开关处于打开状态，其他处于关断状态。由此，在光脉冲照射下，仅有一个角锥反射镜反射特定偏振状态的单光子，由此在无人机端实现了单光子水平的偏振编码输出。

在地面基站安装接收望远镜接收无人机反射回的带偏振调制信息的单光子。反射望远镜的口径由角锥反射镜的衍射发散角决定。如果选用850nm的激光波长，则典型的角锥反射经衍射发散角为0.2毫弧度，经过5公里光传播，到基面基站处单光子光束的直径大约为1米。若选择直径0.3米的望远镜作为接收望远镜，则从无人机到地面基站接收端的光路损耗大约17dB，满足实现量子密钥分配的工程要求。

在地面基站端，单光子经过望远镜接收后，送入量子态探测系统进行量子态测量。针对偏振调制的量子态探测系统的设计如附图5所示，包括一个分束镜601，两个半波片611和612，两个偏振分束镜621和622以及四个单光子探测器631～634。通过调整半波片，使得四个单光子探测器分别对应光子的偏振态处于水平，垂直，正45度和负45度的情况。经过偏振调制的单光子送入系统，单光子探测器探测结果被记录下来。积累足够单光子探测记录后，通过无线电通信信道发指令给无人机，停止密钥分配，并让飞行器返回偏振调制编码信息，也即四个角锥反射镜前光开关的打开和关断信息。通过比对飞行器端的偏振调制基选择和地面基站端的四个单光子探测器测量结果，利用BB84协议，诱骗态协议等量子密钥分配协议实现量子密钥分配功能。完成后地面基站通过无线电通信信道发送指令让飞行器脱离。

本发明充分利用了角锥反射镜将入射光原路返回的特点大大简化了飞行器端量子密钥分配系统的光学设计。一方面，利用基站发射的照射光束远大于角锥尺寸的特点，为发射光束引入大的反射损耗将它衰减到单光子水平，由此在飞行器端实现了基于弱相干光脉冲的伪单光子源。另一方面，利用角锥反射镜将入射光束原路返回的特性形成飞行器与地面基站间低损耗的单光子传送信道。角锥反射镜将入射光束原路返回的特性使得在飞行器端无需复杂的自由空间光学对准系统，大大简化了飞行器端的光学系统结构。本发明在飞行器端不需要复杂的光学对准系统即可动态实现量子密钥分配功能，可用于飞行器与地面基站间的自由空间量子保密通信。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (9)

1.一种飞行器的量子密钥分配系统，其特征在于，包括：

角锥反射镜、量子态调制器、激光光源、发射器、接收器和量子态探测器；

其中，所述角锥反射镜和量子态调制器设置在飞行器上，所述激光光源、发射器、接收器和量子态探测器设置在基站；

所述激光光源发射脉冲激光到所述发射器，所述发射器将所述激光脉冲发射到所述飞行器，所述飞行器上的角锥反射镜接收到所述脉冲激光后，反射形成单光子脉冲，并且所述单光子脉冲通过所述量子态调制器进行编码，然后发送到所述接收器，所述接收器接收到编码后的单光子脉冲后发送到所述量子态探测器进行检测。

2.根据权利要求1所述的飞行器的量子密钥分配系统，其特征在于，所述量子态调制器对所述单光子脉冲进行随机的量子态调制。

3.根据权利要求1所述的飞行器的量子密钥分配系统，其特征在于，所述系统还包括：

设置在飞行器和基站之间的无线电通信装置，用于当所述量子态探测器检测到的所述调制后的单光子脉冲的数量达到阈值时，所述基站通过所述无线电通信装置发送指令到所述飞行器，停止密钥分配，并指示所述飞行器返回量子态调制编码信息到所述基站；

所述系统还包括处理装置，用于比对所述量子态调制器的量子态调制编码信息与所述基站的量子态探测器接收的调制后的单光子脉冲，并利用量子密钥分配协议实现量子密钥分配。

4.根据权利要求3所述的飞行器的量子密钥分配系统，其特征在于，所述量子密钥分配协议为BB84协议或诱骗态协议。

5.根据权利要求1所述的飞行器的量子密钥分配系统，其特征在于，所述系统还包括定位装置，所述定位装置用于对所述飞行器进行定位；

并且通过上述定位装置对飞行器的定位调整所述发射器的发射角度。

6.根据权利要求1所述的飞行器的量子密钥分配系统，其特征在于，所述激光脉冲的波段为850nm、1064nm和1550nm中的任一种。

7.根据权利要求3所述的飞行器的量子密钥分配系统，其特征在于，所述量子态调制器对所述单光子脉冲进行调制的自由度为所述单光子脉冲的偏振或相位。

8.根据权利要求1所述的飞行器的量子密钥分配系统，其特征在于，当所述量子态调制器对所述单光子脉冲进行调制的自由度为所述单光子脉冲的偏振时，所述角锥反射镜设置为四个，并且量子态调制器具体包括：放置在每个所述角锥反射镜前端检偏器以及放置在每个所述检偏器前端的光开关；

其中，所述检偏器的方向为水平、垂直、正45度和负45度；

并且当所述发射器发射激光脉冲到所述角锥反射镜时，所述光开关中的一个处于打开状态，其他为关断状态。

9.根据权利要求8所述的飞行器的量子密钥分配系统，其特征在于，所述量子态探测器具体包括：分束镜、依次分别设置在所述分束镜的两个光路上的半波片、偏振分束镜，以及分别设置在每个所述偏振分束镜的两个光路上的单光子探测器；

其中，所述单光子探测器分别探测处于水平、垂直、正45度和负45度偏振态的单光子脉冲。