CN113949462A - 一种基于飞艇中继的量子密钥分发方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于飞艇中继的量子密钥分发方法，包括：将飞艇作为用于实现量子密钥的接收功能和发送功能的中继节点；接收由卫星端发送的第一量子密钥，以便卫星端与飞艇共享所述第一量子密钥；接收由地面站发送的第二量子密钥；将第一量子密钥和第二量子密钥进行运算，得到第三量子密钥；将第三量子密钥发送到地面站，以便地面站根据第二量子密钥和第三量子密钥获得第一量子密钥。本发明还同时公开了一种基于飞艇中继的量子密钥分发系统。

Description

一种基于飞艇中继的量子密钥分发方法及系统
技术领域
本发明涉及量子通信领域，具体地涉及一种量子密钥分发方法及系统。
背景技术
量子通信作为当今物理学的前沿领域之一，是量子信息学最先走向实用化的一个发展方向。量子通信的核心就是量子密钥分发，它基于量子力学的基本物理原理，解决了密钥的安全分发难题，再结合“一次一密”的理论，可以实现理论上无条件安全的保密通信。自从1984年首个量子密钥分发协议被提出以来，量子密钥分发在近几十年里取得了长足的发展，并逐渐迈入了实用化的进程。近地面的自由空间链路由于吸收损耗以及大气湍流等原因将量子密钥分发的传输距离限制在百公里级别。基于卫星中继的星地量子密钥分发，是实现全球化广域量子通信网络的有效解决方案，并获得了广泛的关注。
然而在星地量子密钥分发中，地面端链路受天气环境的影响很大，在阴雨天气下，激光无法穿透大气，通信信道被阻断，无法进行量子密钥分发，这极大地限制了量子通信可应用的场景，无法实现全天候的量子密钥分发。且单颗卫星过境时间固定，每次与地面的通信时间较短，想要实现实时的量子密钥分发需要发射多颗卫星组成量子通信卫星组网。然而，卫星的发射成本较高，技术也要求相对复杂，实现量子通信卫星组网的建设还需要一定的时间。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于飞艇中继的量子密钥分发方法及系统，以期部分地解决上述技术问题中的至少之一。
根据本发明的一个方面，提供了一种基于飞艇中继的量子密钥分发方法，包括：
将飞艇作为用于实现量子密钥的接收功能和发送功能的中继节点；
接收由卫星端发送的第一量子密钥，以便卫星端与飞艇共享第一量子密钥；
接收由地面站发送的第二量子密钥；
将第一量子密钥和第二量子密钥进行运算，得到第三量子密钥；
将第三量子密钥发送到地面站，以便地面站根据第二量子密钥和第三量子密钥获得第一量子密钥。
根据本发明的实施例，将第一量子密钥和第二量子密钥进行运算，得到第三量子密钥包括：
将第一量子密钥和第二量子密钥进行异或运算，获得第三量子密钥。
根据本发明的实施例，地面站根据第二量子密钥和第三量子密钥获得第一量子密钥包括：
将第二量子密钥和第三量子密钥进行异或运算，获得第一量子密钥。
根据本发明的另一个方面，提供了一种基于飞艇中继的量子密钥分发系统，包括：
飞艇，用于实现量子密钥的接收功能和发送功能的中继节点；
卫星，用于向飞艇发送第一量子密钥，以便卫星与飞艇共享第一量子密钥；
地面站，用于向飞艇发送第二量子密钥；
其中，飞艇，还用于将第一量子密钥和第二量子密钥进行运算，得到第三量子密钥；将第三量子密钥发送到地面站，以便地面站根据第二量子密钥和第三量子密钥获得第一量子密钥。
根据本发明的实施例，上述系统包括多个飞艇，所述飞艇之间可以进行量子密钥的传输。
根据本发明的实施例，飞艇包括：
接收装置，用于接收第一量子密钥和第二量子密钥；
第一计算单元，用于将第一量子密钥和第二量子进行运算，得到第三量子密钥；
发送装置，用于将第三量子密钥分别发送到卫星和地面站。
根据本发明的实施例，地面站包括第二计算单元，第二计算单元用于第二量子密钥和第三量子密钥进行运算，获得第一量子密钥。
根据本发明的实施例，发送装置包括：
量子光发送部件，用于完成量子态的制备与发送；
第一激光通信发送部件，用于完成下行激光信号的发送；
第一激光通信接收部件，用于完成上行激光信号的探测与接收；
第一光学望远镜，用于发送和接收激光信号。
根据本发明的实施例，接收装置包括：
量子光接收部件，用于完成量子态信号的接收和探测；
第二激光通信发送部件，用于完成上行激光信号的发送功；
第二激光通信接收部件，用于完成下行激光信号的接收和探测；
第二光学望远镜，用于发送和接收激光信号。
本发明公开的基于飞艇中继的量子密钥分发方法，通过将飞艇作为卫星和地面站之间的中继节点，提高了卫星和地面站之间的全天候通信的能力，实现了地面站在任意气候条件下都能与卫星进行通信的目标。同时，本发明公开的基于飞艇中继的量子密钥分发系统，利用飞艇飞行在平楼层这一特性，很好地规避了天气问题，另外，飞艇可以长时间在平流层滞空，对于平流层飞艇上的量子密钥分发载荷，既可以作为接收端与量子卫星对接，也可以作为发射端与地面对接，还可以在两个飞艇之间相互对接，形成组网应用，大大地降低了使用成本。
附图说明
附图1是根据本发明实施例的基于飞艇中继的量子密钥分发方法的流程图；
图2是根据本发明实施例的基于飞艇中继的量子密钥运算及分发过程图；
图3是根据本发明实施例的基于飞艇中继的量子密钥分发系统的结构示意图；
图4是根据本发明实施例的基于飞艇中继的量子密钥分发系统组网示意图；
图5是根据本发明实施例的飞艇的结构示意图；
图6是根据本发明实施例的飞艇发送装置的结构示意图；
图7是根据本发明实施例的飞艇接收装置的结构示意图；
图8是根据本发明实施例的基于量子密钥分发系统发送端和接收端的工作示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
作为本发明的一个方面，提供了一种基于飞艇中继的量子密钥分发方法，如图1所示，包括操作S110～操作S150。
在操作S110，将飞艇作为用于实现量子密钥的接收功能和发送功能的中继节点；
在操作S120，接收由卫星端发送的第一量子密钥，以便卫星端与飞艇共享第一量子密钥；
在操作S130，接收由地面站发送的第二量子密钥；
在操作S140，将第一量子密钥和第二量子密钥进行运算，得到第三量子密钥；
在操作S150，将第三量子密钥发送到地面站，以便地面站根据第二量子密钥和第三量子密钥获得第一量子密钥。
本发明公开的上述量子密钥分发方法，通过将飞艇作为卫星和地面站之间的中继节点，充分利用飞艇可在平流层滞空的特性，实现了卫星和地面站之间全天候的通信目标。
根据本发明的实施例，将第一量子密钥和第二量子密钥进行运算，得到第三量子密钥包括：
将第一量子密钥和第二量子密钥进行异或运算，获得第三量子密钥。
根据本发明的实施例，地面站根据第二量子密钥和第三量子密钥获得第一量子密钥包括：
将第二量子密钥和第三量子密钥进行异或运算，获得第一量子密钥。
下面参照图2，对上述量子密钥之间的运算进行详细说明。
图2是根据本发明实施例的基于飞艇中继的量子密钥运算及分发过程图。
如图2所示，卫星作为发送端，飞艇作为接收端，完成量子密钥分发，共享密钥数据K1；再以飞艇作为发送端，地面站作为接收端，进行量子密钥分发，共享密钥数据K2，K1与K2进行异或运算，得到K3＝K1⊕K2，再将K3发送到地面；当地面站得到K3后，将其与K2进行异或运算得到密钥数据K1＝K2⊕K3。这样，就完成了卫星端和地面站的量子密钥共享，即密钥数据K1。
通过利用飞艇作为量子密钥运算的中继节点，上述量子密钥运算，能够实现卫星的量子密钥和地面站的量子密钥之间安全、高效地共享。
图3是根据本发明另一个方面所提供的一种基于飞艇中继的量子密钥分发系统。
如图3所示，上述量子密钥分发系统300包括卫星310，飞艇320以及地面站330。
飞艇320，用于实现量子密钥的接收功能和发送功能的中继节点；
卫星310，用于向飞艇发送第一量子密钥，以便卫星与飞艇共享第一量子密钥；
地面站330，用于向飞艇发送第二量子密钥；
其中，飞艇，还用于将第一量子密钥和第二量子密钥进行运算，得到第三量子密钥；将第三量子密钥发送到地面站，以便地面站根据第二量子密钥和第三量子密钥获得第一量子密钥。
利用上述量子密钥分发系统，可以在恶劣天气的情况下，保证卫星和地面站之间的量子密钥传递不受影响，提高了卫星和地面站通信利用率。
根据本发明的实施例，上述量子密钥分发系统包括多个飞艇，每个飞艇之间可以进行量子密钥的传输。
通过多个飞艇之间量子密钥的传输，有效地扩大覆盖的范围，能够让卫星端的量子密钥传输到多个相距较远的地面站。
图4是根据本发明实施例的基于飞艇中继的量子密钥分发系统组网示意图。
结合图4，对上述量子密钥分发系统作进一步的详细说明。
如图4所示，当卫星作为发送端时，飞艇1作为接收端；飞艇1作为发送端时，飞艇2作为接收端；飞艇1作为发送端时，地面作为接收端。
当天气情况不允许卫星与地面站直接通信；或者想要与卫星通信的地面站距离较远，无法与卫星直接通信时，就可以将飞艇作为中继，完成通信。
图5是根据本发明实施例的飞艇的结构示意图。
如图5所示，飞艇500包括接收装置510、第一计算单元520和发送装置530。
接收装置510，用于接收第一量子密钥和第二量子密钥；
第一计算单元520，用于将第一量子密钥和第二量子进行运算，得到第三量子密钥；
发送装置530，用于将第三量子密钥分别发送到卫星和地面站。
利用上述飞艇的结构，可以让飞艇作为中继节点实现对量子密钥的接收和发送，同时作为中继节点，飞艇还具有计算能力，可以将接收或发送的量子密钥在飞艇内通过计算进行相应的加密，保证了量子密钥通信的安全。
根据本发明的实施例，地面站包括第二计算单元，第二计算单元用于第二量子密钥和第三量子密钥进行运算，获得第一量子密钥。
本发明实施例所公开的上述计算单元，能够高效完成量子密钥之间的运算，在保证信息准确安全的前提下，大大地提高了计算效率。
图6是根据本发明实施例的飞艇发送装置的结构示意图。
如图6所示，飞艇的发送装置600包括量子光发送部件610、第一激光通信发送部件620、第一激光通信接收部件630和第一光学望远镜640：
量子光发送部件610，用于完成量子态的制备与发送；
第一激光通信发送部件620，用于完成下行激光信号的发送；
第一激光通信接收部件630，用于完成上行激光信号的探测与接收；
第一光学望远镜640，用于发送和接收激光信号。
图7是根据本发明实施例的飞艇接收装置的结构示意图。
如图7所示，飞艇的接收装置700包括量子光接收部件710、第二激光通信发送部件720、第二激光通信接收部件730和第二光学望远镜740，其中：
量子光接收部件710，用于完成量子态信号的接收和探测；
第二激光通信发送部件720，用于完成上行激光信号的发送功；
第二激光通信接收部件730，用于完成下行激光信号的接收和探测；
第二光学望远镜740，用于发送和接收激光信号。
图8是根据本发明实施例的基于量子密钥分发系统发送端和接收端的工作示意图。
下面结合图8，对量子密钥分发系统发送端和接收端的工作过程作进一步的详细说明。
如图8所示，量子光发送主要完成量子态的制备与发送；激光通信发送主要完成下行激光信号的发送功能；激光通信接收主要完成上行激光信号的探测与接收；量子光发送量子光发送和激光通信发送分别通过光纤输出，通过波分复用器(WDM)进行合束后，使用单根光纤连接到光学望远镜，在光学望远镜中经过准直扩束后经自由空间信道输出。同时，光学望远镜接收通过自由空间信道输入的上行激光信号。
接收端包括量子光接收、激光通信接收、激光通信发送、接收端望远镜。
量子光接收主要完成量子态信号的接收和探测功能。激光通信接收主要完成下行激光信号的接收和探测；激光通信发送主要完成上行激光信号的发送功能；在接收端，激光通信发送通过光纤连接到光学望远镜，在光学望远镜中经过准直扩束后经自由空间信道输出。同时，光学望远镜接收通过自由空间信道输入的光信号，并经过波分复用(WDM)分离出量子光信号和激光信号。分离出的量子光信号由量子光接收进行接收和探测，分离出的激光信号由激光通信接收进行接收和探测。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于飞艇中继的量子密钥分发方法，包括：
将飞艇作为用于实现量子密钥的接收功能和发送功能的中继节点；
接收由卫星端发送的第一量子密钥，以便所述卫星端与所述飞艇共享所述第一量子密钥；
接收由地面站发送的第二量子密钥；
将所述第一量子密钥和所述第二量子密钥进行运算，得到第三量子密钥；
将所述第三量子密钥发送到所述地面站，以便所述地面站根据所述第二量子密钥和所述第三量子密钥获得所述第一量子密钥。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述将所述第一量子密钥和所述第二量子密钥进行运算，得到第三量子密钥包括：
将所述第一量子密钥和所述第二量子密钥进行异或运算，获得所述第三量子密钥。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述地面站根据所述第二量子密钥和所述第三量子密钥获得所述第一量子密钥包括：
将所述第二量子密钥和所述第三量子密钥进行异或运算，获得所述第一量子密钥。
4.一种基于飞艇中继的量子密钥分发系统，包括：
飞艇，用于实现量子密钥的接收功能和发送功能的中继节点；
卫星，用于向所述飞艇发送第一量子密钥，以便所述卫星与所述飞艇共享所述第一量子密钥；
地面站，用于向所述飞艇发送第二量子密钥；
其中，所述飞艇，还用于将所述第一量子密钥和所述第二量子密钥进行运算，得到第三量子密钥；将所述第三量子密钥发送到所述地面站，以便所述地面站根据所述第二量子密钥和所述第三量子密钥获得所述第一量子密钥。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述系统包括多个飞艇，所述飞艇之间可以进行量子密钥的传输。
6.根据权利要求4所述的系统，其中，所述飞艇包括：
接收装置，用于接收所述第一量子密钥和所述第二量子密钥；
第一计算单元，用于将所述第一量子密钥和所述第二量子进行运算，得到第三量子密钥；
发送装置，用于将所述第三量子密钥发送到地面站。
7.根据权利要求4所述的系统，其中，所述地面站包括第二计算单元，所述第二计算单元用于所述第二量子密钥和所述第三量子密钥进行运算，获得所述第一量子密钥。
8.根据权利要求6所述的系统，其中，所述发送装置包括：
量子光发送部件，用于完成量子态的制备与发送；
第一激光通信发送部件，用于完成下行激光信号的发送；
第一激光通信接收部件，用于完成上行激光信号的探测与接收；
第一光学望远镜，用于发送和接收激光信号。
9.根据权利要求6所述的系统，其中，所述接收装置包括：
量子光接收部件，用于完成量子态信号的接收和探测；
第二激光通信发送部件，用于完成上行激光信号的发送功；
第二激光通信接收部件，用于完成下行激光信号的接收和探测；
第二光学望远镜，用于发送和接收激光信号。
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