CN111510224B - 基于波分复用编码和密钥存储转换的量子通信方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于波分复用编码和密钥存储转换的量子通信系统，通过波分复用技术实现多波长通道量子密钥编译，通过单根通信光纤进行多波长通道量子密钥并行传输，通过波分复用技术实现多通道量子密钥解译；利用物理域或信息域方法，将多波长通道并行量子密钥序列转换为单通道串行量子密钥序列，实现“并‑串转换量子密钥速率升级”；按照量子密钥饱和式分发存储、量子密钥按经典通信需求随取随用的技术思路，构建全时量子密钥分发(即无休止分发存储量子密钥)和非全时经典通信(实际情况下经典通信包含业务模式和待机模式)的速率适配机制，最终实现可支持更高业务等级的高速量子通信。

Description

基于波分复用编码和密钥存储转换的量子通信方法及系统

技术领域

本发明属于量子通信技术领域，涉及一种基于波分复用编码和密钥存储转换的量子通信系统，尤其涉及一种利用波分复用技术实现多波长通道量子密钥分发传输、通过对量子密钥的解析存储技术将多通道并行量子密钥序列转换为单通道串行量子密钥序列、并利用量子密钥分发系统和经典通信系统工作时间差异实现速率适配的高速量子通信技术。

背景技术

量子通信技术，基于海森堡测不准原理、量子态不可分离原理和量子态不可复制原理，是目前公认的具备“无条件安全”特性的通信技术。量子通信技术按照工作原理可分为量子隐形传态通信技术和量子密钥分发技术，其中相对较为成熟的是量子密钥分发技术，即利用量子态随机特性为通信双方构建量子密钥、对经典通信信号进行加密防护实现信息安全传输。

基于量子密钥分发技术的量子通信基本原理可概述为：发送方通过量子信道将量子密钥母本发送给接收方；接收方测量量子密钥母本量子态并将测量手段(而非测量结果)等信息通过经典信道回传给发送方；通信双方经过数据后处理和密钥纠错等手段协商获得最终有效量子密钥；发送方利用有效量子密钥对携带明文信息的经典通信信号进行逐位异或加密，通过经典信道将密文信息传送给接收方；接收方利用有效密钥对明文信息进行解密获得明文信息；窃听者可以截获密文信息，但因无法准确预测有效量子密钥而无法破解密文信息；理想情况下，上述过程即描述了量子通信的无条件安全属性。

在逐位异或加密工作模式下，量子通信工作速率主要取决于量子密钥分发速率，量子密钥分发速率越高，可支持加密的经典通信速率越高。受限于高速量子态制备、长距离传输量子态丢失、高速量子态探测等因素，现阶段量子密钥分发速率通常远低于经典通信速率，严重限制了量子通信可支持的业务范围。为解决上述问题，当前普遍采用一种混合密钥策略实现量子密钥与经典信号之间的速率适配，即通过低速量子密钥加密高速经典密钥生成混合密钥，通过混合密钥与通信信号的逐位异或实现加密防护。该策略虽然能够大幅提升量子通信工作速率，却面临固有的通信安全隐患。因此，只有提升量子密钥分发速率，实现量子密钥与经典通信信号直接逐位异或前提下的速率适配，才能真正意义上满足“全量子变换”安全通信业务需求。

在量子信息领域特别是量子通信领域，提升量子信息编码速率一直是广泛关注的研究热点和技术难点；受限于高速量子态制备、长距离传输量子态丢失、高速量子态探测等因素，量子密钥分发速率始终远低于经典通信速率，严重限制了量子通信系统业务能力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，利用波分复用系统构建可并行传输的多路量子密钥分发系统；将频域复用的并行低速量子密钥转换为时域复用的串行高速量子密钥；生成饱和式量子密钥池，无中断分发并存储量子密钥并只在经典通信业务模式下调用量子密钥，实现量子密钥与经典通信信号的平均速率适配，最终实现高速量子通信业务。

为了解决上述问题，本发明提出了一种基于波分复用编码和密钥存储转换的量子通信方法，由波分复用量子密钥编译、密钥存储和工作时间适配构成，在多个波长通道独立编译量子密钥，将多路量子密钥并纤复用传输，将频域复用并行低速量子密钥转换为时域复用串行高速量子密钥，通过饱和式量子密钥分发、量子密钥池、通信待机模式和业务模式切换带来的时间空窗，实现量子密钥分发系统和经典通信系统的速率适配。

优选的，上述波分复用量子密钥编译采用全光纤光路或芯片集成光路实现多波长并行量子密钥编译通过密集波分复用器将宽带/多波长量子光源产生的弱相干脉冲/单光子序列分离至不同空间路径，按照量子密钥分发协议对各波长弱相干脉冲/单光子序列进行量子密钥分发操作；通过密集波分复用器将多路量子密钥集总到同一光学路径并通过单纤复用传输；通过配套的量子密钥解译系统解出各通道初始量子密钥并通过后处理等协商手段获得最终多路量子密钥。

优选的，上述量子密钥分发协议包括但不限于BB84协议、E91协议、BBM92协议、COW协议、DPS协议、DPTS协议等。

优选的，上述密钥存储采用物理域方法或信息域方法实现频域复用并行低速密钥到时域复用高速串行高速密钥的并-串转换。

优选的，通过物理域转换方法实现密钥存储，即利用通信光纤固有的色散特性和接收方配置的色散时延系统，将时域同步的多波长量子密钥转换在时间轴上按序排列，通过单一/单对波长无关高速单光子探测器探测并生成时域复用串行高速密钥。

优选的，通过信息域转换方法实现密钥存储，即通过多通道量子密钥解译系统和单光子探测器阵列生成多路密钥，再经由数据处理系统按序排列将多路并行低速密钥集总为单路高速串行密钥。

优选的，上述工作时间适配是利用量子密钥池存储密钥、通过饱和式量子密钥分发和经典通信系统待机模式-业务模式工作时间适配。

优选的，上述量子密钥分发采用饱和式无中断机制，在经典通信系统待机模式运转期间将有效量子密钥存储于量子密钥池中；当经典通信系统运转于业务模式时，从量子密钥池中提取量子密钥并开展高速通信业务；当经典通信系统待机模式时间远大于业务模式时间时，可适当提升通信业务速率，借由待机模式期间量子密钥池存储的量子密钥补偿业务模式期间的量子密钥速率短板，最终实现量子通信速率的整体提升。

一种实现如上述基于波分复用编码和密钥存储转换的量子通信系统的系统，包括波分复用量子密钥编译子系统、密钥存储子系统、工作时间适配子系统以及密集波分复用子系统构成，在多个波长通道独立编译量子密钥，通过密集波分复用子系统将多路量子密钥并纤复用传输，将频域复用并行低速量子密钥转换为时域复用串行高速量子密钥，通过饱和式量子密钥分发、量子密钥池、通信待机模式和业务模式切换带来的时间空窗，实现量子密钥分发系统和经典通信系统的速率适配；

所述波分复用量子密钥编译子系统采用全光纤光路或芯片集成光路实现多波长并行量子密钥编译通过密集波分复用器将宽带/多波长量子光源产生的弱相干脉冲/单光子序列分离至不同空间路径，按照量子密钥分发协议对各波长弱相干脉冲/单光子序列进行量子密钥分发操作；通过密集波分复用器将多路量子密钥集总到同一光学路径并通过单纤复用传输；通过配套的量子密钥解译系统解出各通道初始量子密钥并通过后处理等协商手段获得最终多路量子密钥；

所述密钥存储子系统采用物理域方法或信息域方法实现频域复用并行低速密钥到时域复用高速串行高速密钥的并-串转换，通过物理域转换方法实现密钥存储，即利用通信光纤固有的色散特性和接收方配置的色散时延系统，将时域同步的多波长量子密钥转换在时间轴上按序排列，通过单一/单对波长无关高速单光子探测器探测并生成时域复用串行高速密钥；通过信息域转换方法实现密钥存储，即通过多通道量子密钥解译系统和单光子探测器阵列生成多路密钥，再经由数据处理系统按序排列将多路并行低速密钥集总为单路高速串行密钥；

所述工作时间适配子系统是利用量子密钥池存储密钥、通过饱和式量子密钥分发和经典通信系统待机模式-业务模式工作时间适配，量子密钥分发采用饱和式无中断机制，在经典通信系统待机模式运转期间将有效量子密钥存储于量子密钥池中；当经典通信系统运转于业务模式时，从量子密钥池中提取量子密钥并开展高速通信业务；当经典通信系统待机模式时间远大于业务模式时间时，可适当提升通信业务速率，借由待机模式期间量子密钥池存储的量子密钥补偿业务模式期间的量子密钥速率短板，最终实现量子通信速率的整体提升。

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的步骤。

与现有技术相比，本发明提出一种全新的技术思路，将经典光纤通信系统中较为成熟的波分复用技术引入到量子密钥分发系统中，将多路量子密钥独立编译至波长不同的多个载波上，成倍提升单系统量子密钥编译速率和单纤量子通道的密钥传输能力；通过串并转换，将频域复用的并行低速量子密钥转换为时域复用的串行高速量子密钥，同样实现量子密钥分发速率的成倍提升；构建饱和式量子密钥分发机制，生成高速量子密钥池，通过经典通信待机模式时间空窗实现量子密钥分发和经典通信业务的平均速率适配，实现有中断高速量子通信业务能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，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获得其他的附图。

图1示出了本发明波分复用多通道量子密钥分发子系统示意图；

图2示出了本发明不同量子通信模式速率示意图；2(a)为随取随用量子通信模式示意图；2(b)为存储适配量子模式示意图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本发明，并不被配置为限定本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本发明提供一种基于波分复用编码和密钥存储转换的量子通信方法，由波分复用量子密钥编译、密钥存储和工作时间适配构成，在多个波长通道独立编译量子密钥，将多路量子密钥并纤复用传输，将频域复用并行低速量子密钥转换为时域复用串行高速量子密钥，通过饱和式量子密钥分发、量子密钥池、通信待机模式和业务模式切换带来的时间空窗，实现量子密钥分发系统和经典通信系统的速率适配。

在一些实施例中，波分复用量子密钥编译采用全光纤光路或芯片集成光路实现多波长并行量子密钥编译通过密集波分复用器将宽带/多波长量子光源产生的弱相干脉冲/单光子序列分离至不同空间路径，按照量子密钥分发协议对各波长弱相干脉冲/单光子序列进行量子密钥分发操作；通过密集波分复用器将多路量子密钥集总到同一光学路径并通过单纤复用传输；通过配套的量子密钥解译系统解出各通道初始量子密钥并通过后处理等协商手段获得最终多路量子密钥。

在一些实施例中，量子密钥分发协议包括但不限于BB84协议、E91协议、BBM92协议、COW协议、DPS协议、DPTS协议等。

在一些实施例中，密钥存储采用物理域方法或信息域方法实现频域复用并行低速密钥到时域复用高速串行高速密钥的并-串转换。

在一些实施例中，通过物理域转换方法实现密钥存储，即利用通信光纤固有的色散特性和接收方配置的色散时延系统，将时域同步的多波长量子密钥转换在时间轴上按序排列，通过单一/单对波长无关高速单光子探测器探测并生成时域复用串行高速密钥。

在一些实施例中，通过信息域转换方法实现密钥存储，即通过多通道量子密钥解译系统和单光子探测器阵列生成多路密钥，再经由数据处理系统按序排列将多路并行低速密钥集总为单路高速串行密钥。

在一些实施例中，工作时间适配是利用量子密钥池存储密钥、通过饱和式量子密钥分发和经典通信系统待机模式-业务模式工作时间适配。

在一些实施例中，量子密钥分发采用饱和式无中断机制，在经典通信系统待机模式运转期间将有效量子密钥存储于量子密钥池中；当经典通信系统运转于业务模式时，从量子密钥池中提取量子密钥并开展高速通信业务；当经典通信系统待机模式时间远大于业务模式时间时，可适当提升通信业务速率，借由待机模式期间量子密钥池存储的量子密钥补偿业务模式期间的量子密钥速率短板，最终实现量子通信速率的整体提升。

在一些实施例中，波分复用编码量子密钥分发子系统不限定复用波长范围、数量、频率间隔；不限定量子光源种类和实现方式；不限定所用量子密钥分发协议和实现光路结构；不限定全光通信信号传输介质(即可面向光纤通信系统也可面向自由空间全光通信系统)；采用芯片集成光路实现波分复用编码量子密钥分发时不限定芯片材料种类、性能参数、器件结构、工艺流程。

在一些实施例中，量子密钥池和量子密钥池并-串转换，不限物理域或信息域时间方式和具体手段；

在一些实施例中，工作时间适配后，不限量子通信业务类型和通信速率。

本发明提供一种实现如上述基于波分复用编码和密钥存储转换的量子通信系统的系统，包括波分复用量子密钥编译子系统、密钥存储子系统、工作时间适配子系统以及密集波分复用子系统构成，在多个波长通道独立编译量子密钥，通过密集波分复用子系统将多路量子密钥并纤复用传输，将频域复用并行低速量子密钥转换为时域复用串行高速量子密钥，通过饱和式量子密钥分发、量子密钥池、通信待机模式和业务模式切换带来的时间空窗，实现量子密钥分发系统和经典通信系统的速率适配；

在一些实施例中，波分复用量子密钥编译子系统采用全光纤光路或芯片集成光路实现多波长并行量子密钥编译通过密集波分复用器将宽带/多波长量子光源产生的弱相干脉冲/单光子序列分离至不同空间路径，按照量子密钥分发协议对各波长弱相干脉冲/单光子序列进行量子密钥分发操作；通过密集波分复用器将多路量子密钥集总到同一光学路径并通过单纤复用传输；通过配套的量子密钥解译系统解出各通道初始量子密钥并通过后处理等协商手段获得最终多路量子密钥；

在一些实施例中，密钥存储子系统采用物理域方法或信息域方法实现频域复用并行低速密钥到时域复用高速串行高速密钥的并-串转换，通过物理域转换方法实现密钥存储，即利用通信光纤固有的色散特性和接收方配置的色散时延系统，将时域同步的多波长量子密钥转换在时间轴上按序排列，通过单一/单对波长无关高速单光子探测器探测并生成时域复用串行高速密钥；通过信息域转换方法实现密钥存储，即通过多通道量子密钥解译系统和单光子探测器阵列生成多路密钥，再经由数据处理系统按序排列将多路并行低速密钥集总为单路高速串行密钥；

在一些实施例中，工作时间适配子系统是利用量子密钥池存储密钥、通过饱和式量子密钥分发和经典通信系统待机模式-业务模式工作时间适配，量子密钥分发采用饱和式无中断机制，在经典通信系统待机模式运转期间将有效量子密钥存储于量子密钥池中；当经典通信系统运转于业务模式时，从量子密钥池中提取量子密钥并开展高速通信业务；当经典通信系统待机模式时间远大于业务模式时间时，可适当提升通信业务速率，借由待机模式期间量子密钥池存储的量子密钥补偿业务模式期间的量子密钥速率短板，最终实现量子通信速率的整体提升。

本发明提供一种计算机可读存储介质的实施例，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的步骤

本发明提供一种基于波分复用编码和密钥存储转换的量子通信系统的实施例，包括三部分：一是基于波分复用系统构建的、可单纤并行传输的多通道量子密钥分发子系统；二是基于量子密钥存储系统的并-串转换(亦可理解为频域复用-时域复用转换、低速-高速转换)密钥存储子系统；三是饱和式量子密钥分发和非全时经典通信平均速率适配工作时间适配子系统。

一种典型波分复用多通道量子密钥分发系统如图1所示：携带量子态信息的弱相干脉冲或单光子脉冲可由宽谱光源、非经典光学频率梳或多波长单光子光源产生，以图1为例，宽谱光源提供一定波长范围内等功率激光输出，宽谱光源时域参数(脉宽、重复频率等)决定弱相干脉冲时域参数；宽谱光源输出脉冲各波长分量经波分复用器分离至不同光学路径(L1-L4)，平均功率经可调谐衰减器衰减至弱相干脉冲水平(单脉冲平均光子数小于1)，此时空脉冲(不含光子)和非空脉冲(含单光子)在时间序列上的位置呈现随机特性；被分离至各光学路径的弱相干脉冲序列偏振态可由偏振控制器调整，实现基于水平方向(H)和垂直方向(V)正交基矢的二进制编码，相位可由光学移相器调整，实现基于相邻脉冲0相位差和π相位差正交基矢的二进制编码；通过波分复用器，可将完成量子密钥编译的多波长弱相干脉冲序列集总到同一光学路径中，并经由单模光纤传输至接收方。经过单模光纤并行传输的多波长弱相干脉冲序列可通过偏振分束器按偏振态编码分离至不同光学路径中，通过波分复用器进一步分离各波长弱相干脉冲序列，通过不等臂干涉仪进行弱相干脉冲时序干涉获取相位编码信息，通过单光子探测器探测弱相干脉冲序列中的非空脉冲时间序列位置，最后通过通信双方协商处理获得最终量子密钥。在通信双方采用相同正交基进行量子密钥分发时，各波长弱相干脉冲携带的量子密钥可并行分发，探测器响应结果与量子密钥编码如表1所示。

表1高维复用量子密钥编码表

以L1波长为例，当通信双方均采用偏振正交基矢进行量子密钥分发时，探测器1或2的响应对应偏振态V、探测器9或10的响应对应偏振态H；当通信双方均采用相位正交基矢进行量子密钥分发时，探测器1(2)或9(10)的单独响应对应相位差0、探测器1-2或9-10同步响应对应相位差π。各波长通道采用了不同组的单光子探测器，即保证了多波长量子密钥的并行分发。

在一些实施例中，上述过程中，每一个波长通道均可独立地完成量子密钥的编译和解译，即获得了频域复用的并行量子密钥序列。通过物理域方法(即通过色散时延将多波长弱相干脉冲序列按时间插值排列并通过同一组单光子探测器探测)或者信息域方法(即通过图1所示系统解译各波长数字密钥并按序排列)获得时域复用的串行量子密钥序列，完成并-串转换。

以表2为例，假设通信双方采用偏振正交基矢进行量子密钥分发，L1、L2、L3、L4通道有效量子密钥速率分别为R1、R2、R3、R4，则并-串转换后的有效量子密钥速率为R1+R2+R3+R4；将表2所示偏振态H标定为数字密钥1、偏振态V标定为数字密钥0、丢失或认定为误码(由“-”表示)从序列中剔除，则最终生成的串行密钥为110001110011000011011011011100。

表2频域复用并行低速量子密钥到时域复用串行高速量子密钥转换示例

时钟序列

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

L1

H

V

H

H

-

V

V

H

-

H

L2

H

V

H

-

V

V

H

-

V

H

L3

-

H

V

-

V

H

H

H

-

V

L4

V

-

V

H

-

H

V

-

H

V

量子通信包含量子密钥分发部分和经典通信部分，经过速率适配的加密经典通信速率即为量子通信速率。在一些实施例中，图2展示了传统的随取随用量子通信模式和本专利所述存储适配量子通信模式。随取随用量子通信模式可简述为：量子密钥分发速率保持为R1；经典通信在T1时间内保持在待机模式，亦即此时通信双方没有业务传输需求；经典通信在T2时间内保持在业务模式，亦即此时通信双方有业务需求；在业务时间内，经典通信信号(随取随用地)调用量子密钥，量子通信速率等于量子密钥分发速率R1。存储适配量子通信模式可简述为：量子密钥分发速率保持为R1；分发后的量子密钥若未被经典调用则自动存储在密钥池中；经典通信在T2时间内保持在业务模式，将首先调用量子密钥池中的密钥，此时量子密钥分发过程仍然保持(饱和式分发)；此时量子通信速率可等效为R1*(T1+T2)/T2，即利用经典通信待机时间T1内存储的量子密钥提升业务时间T2内的平均密钥生成速率。所谓饱和式分发是指，即使经典通信始终保持待机模式，量子密钥分发和存储过程仍然不间断进行。在特定事件(如24小时)内，若通信双方只有1小时的业务需求，则本专利所述存储适配量子通信速率可达到随取随用量子通信速率的24倍，有望将量子通信业务范围从代码数据传输扩展至音频视频传输。

本发明的还提供一种实施例，如下：

首先，根据量子密钥分发系统实现方式可将波分复用编码量子通信系统分为自由空间光路型、全光纤型和芯片集成光路型三种。以技术成熟、可行性高为评价标准，全光纤波分复用编码量子密钥分发系统是最优技术方案；采用该技术方案可直接沿用经典光纤通信光端机中的波分编码系统，只需将经典通信光源更替为宽带或多波长量子光源、将经典通信信号编码器转换为真随机数发生器。以成本低、损耗小、集成度高、稳定性好为评价标准，芯片集成波分复用编码量子密钥分发系统是最优技术方案；光电混合集成芯片制备工艺同大规模集成电路高度兼容，特别适合于构建大规模光电混合系统，是目前最有望实现可插拔板卡级量子密钥分发模块的一种技术方案，并有望实现经典通信设备到量子通信设备的升级改造。其次，可将量子密钥并-串转换分为物理域方法和信息域方法：所谓物理域方法是指利用通信光纤固有的色散特性和接收方配备的色散时延系统，将各波长量子密钥的时间同步传输特性转换为时间按序排列特性，通过单个波长无关单光子探测器探测，该方法的一个重要前提是单光子探测器速率必须远大于量子密钥传输速率；所谓信息域方法是指通过多通道单光子探测器阵列对各波长量子密钥进行探测和协商后处理，再将多路量子密钥按顺序存入量子密钥池中，完成并-串转换；物理域并-串转换方法可通过单一量子密钥解译系统实现，但对单光子探测器速率指标提出了严苛的要求；信息域并-串转换方法需要构建复杂量子密钥解译系统，但对单光子探测器阵列中的单个元器件性能指标要求有所降低。此外，量子密钥池应具备大规模数据存储能力，通过饱和式量子密钥分发弥补高速经典通信的密钥调用需求，利用经典通信系统待机时间平衡量子密钥分发速率短板，最终满足高速率量子通信业务需求。

与现有技术相比，本发明提出一种全新的技术思路，将经典光纤通信系统中较为成熟的波分复用技术引入到量子密钥分发系统中，将多路量子密钥独立编译至波长不同的多个载波上，成倍提升单系统量子密钥编译速率和单纤量子通道的密钥传输能力；通过串并转换，将频域复用的并行低速量子密钥转换为时域复用的串行高速量子密钥，同样实现量子密钥分发速率的成倍提升；构建饱和式量子密钥分发机制，生成高速量子密钥池，通过经典通信待机模式时间空窗实现量子密钥分发和经典通信业务的平均速率适配，实现有中断高速量子通信业务能力。

为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

本申请可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本申请，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。

内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。内存是计算机可读介质的示例。

计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (6)

1.一种基于波分复用编码和密钥存储转换的量子通信方法，其特征在于所述方法由波分复用量子密钥编译、密钥存储和工作时间适配构成，在多个波长通道独立编译量子密钥，将多路量子密钥并纤复用传输，将频域复用并行低速量子密钥转换为时域复用串行高速量子密钥，通过饱和式量子密钥分发、量子密钥池、通信待机模式和业务模式切换带来的时间空窗，实现量子密钥分发系统和经典通信系统的速率适配；

所述密钥存储采用物理域方法或信息域方法实现频域复用并行低速密钥到时域复用高速串行高速密钥的并-串转换；

通过物理域转换方法实现密钥存储，即利用通信光纤固有的色散特性和接收方配置的色散时延系统，将时域同步的多波长量子密钥转换在时间轴上按序排列，通过单一或单对波长无关高速单光子探测器探测并生成时域复用串行高速密钥；

通过信息域转换方法实现密钥存储，即通过多通道量子密钥解译系统和单光子探测器阵列生成多路密钥，再经由数据处理系统按序排列将多路并行低速密钥集总为单路高速串行密钥；

量子密钥分发采用饱和式无中断机制，在经典通信系统待机模式运转期间将有效量子密钥存储于量子密钥池中；当经典通信系统运转于业务模式时，从量子密钥池中提取量子密钥并开展高速通信业务；当经典通信系统待机模式时间远大于业务模式时间时，提升通信业务速率，借由待机模式期间量子密钥池存储的量子密钥补偿业务模式期间的量子密钥速率短板，最终实现量子通信速率的整体提升。

2.根据权利要求1所述的基于波分复用编码和密钥存储转换的量子通信方法，其特征在于，所述波分复用量子密钥编译采用全光纤光路或芯片集成光路实现多波长并行量子密钥编译通过密集波分复用器将宽带或多波长量子光源产生的弱相干脉冲或单光子序列分离至不同空间路径，按照量子密钥分发协议对各波长弱相干脉冲或单光子序列进行量子密钥分发操作；通过密集波分复用器将多路量子密钥集总到同一光学路径并通过单纤复用传输；通过配套的量子密钥解译系统解出各通道初始量子密钥并通过后处理协商手段获得最终多路量子密钥。

3.根据权利要求2所述的基于波分复用编码和密钥存储转换的量子通信方法，其特征在于，所述量子密钥分发协议包括BB84协议、E91协议、BBM92协议、COW协议、DPS协议、DPTS协议。

4.根据权利要求1所述的基于波分复用编码和密钥存储转换的量子通信方法，其特征在于，所述工作时间适配是利用量子密钥池存储密钥、通过饱和式量子密钥分发和经典通信系统待机模式-业务模式工作时间适配。

5.一种实现如权利要求1-4任一项所述基于波分复用编码和密钥存储转换的量子通信方法的系统，其特征在于，所述系统包括波分复用量子密钥编译子系统、密钥存储子系统、工作时间适配子系统以及密集波分复用子系统，在多个波长通道独立编译量子密钥，通过密集波分复用子系统将多路量子密钥并纤复用传输，将频域复用并行低速量子密钥转换为时域复用串行高速量子密钥，通过饱和式量子密钥分发、量子密钥池、通信待机模式和业务模式切换带来的时间空窗，实现量子密钥分发系统和经典通信系统的速率适配；

所述波分复用量子密钥编译子系统采用全光纤光路或芯片集成光路实现多波长并行量子密钥编译通过密集波分复用器将宽带或多波长量子光源产生的弱相干脉冲或单光子序列分离至不同空间路径，按照量子密钥分发协议对各波长弱相干脉冲或单光子序列进行量子密钥分发操作；通过密集波分复用器将多路量子密钥集总到同一光学路径并通过单纤复用传输；通过配套的量子密钥解译系统解出各通道初始量子密钥并通过后处理协商手段获得最终多路量子密钥；

所述密钥存储子系统采用物理域方法或信息域方法实现频域复用并行低速密钥到时域复用高速串行高速密钥的并-串转换，通过物理域转换方法实现密钥存储，即利用通信光纤固有的色散特性和接收方配置的色散时延系统，将时域同步的多波长量子密钥转换在时间轴上按序排列，通过单一或单对波长无关高速单光子探测器探测并生成时域复用串行高速密钥；通过信息域转换方法实现密钥存储，即通过多通道量子密钥解译系统和单光子探测器阵列生成多路密钥，再经由数据处理系统按序排列将多路并行低速密钥集总为单路高速串行密钥；

所述工作时间适配子系统是利用量子密钥池存储密钥、通过饱和式量子密钥分发和经典通信系统待机模式-业务模式工作时间适配，量子密钥分发采用饱和式无中断机制，在经典通信系统待机模式运转期间将有效量子密钥存储于量子密钥池中；当经典通信系统运转于业务模式时，从量子密钥池中提取量子密钥并开展高速通信业务；当经典通信系统待机模式时间远大于业务模式时间时，提升通信业务速率，借由待机模式期间量子密钥池存储的量子密钥补偿业务模式期间的量子密钥速率短板，最终实现量子通信速率的整体提升。

6.一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1-4任一项所述方法的步骤。

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