CN117240354A - 基于信标光强度变化的星地量子密钥分发成码量估算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于信标光强度变化的星地量子密钥分发成码量估算方法，该方法包括以下步骤：步骤1、在星地量子通信过程中，根据晴朗夜空和非晴朗夜空两种天气情况，分别对链路效率进行基准标定；步骤2、测量星地量子通信的实际参数；步骤3、根据实际天气情况，选择对应基准标定的链路效率，并根据测量的实际参数，带入GLLP公式计算每一个时刻量子密钥分发的成码率；步骤4、根据每一个时刻量子密钥分发成码率在有效时间内对时间积分，得到星地量子密钥分发的成码量。本发明能准确计算卫星量子密钥分发的链路效率，从而精准估算出实际量子密钥分发成码率和成码量。
Description
技术领域
本发明涉及卫星量子密钥分发领域，尤其涉及一种基于信标光强度变化的星地量子密钥分发成码量估算方法。
背景技术
量子密钥分发是利用量子叠加原理或量子纠缠效应在发送者和接受者分发密钥的一种方法，是一种不依赖于数学计算复杂度的密钥分发方法，具有信息论上的绝对安全性。
量子密钥分发的成码率影响着量子密钥的应用范围。城域量子密钥分发的距离通常在百公里以内，城际甚至洲际量子密钥分发则需要更远的距离。以典型的BB84协议为例，量子光的重复频率、链路效率、链路保真度、探测器暗计数等因素都是影响量子密钥成码率的重要因素。对于远距离量子密钥分发而言，链路效率是最重要的因素。光纤链路的效率和距离成指数衰减，在相距千公里级的两点之间很难成码。卫星链路的效率和距离平方成反比，在千公里级的星地量子密钥成码率可以达到1kbps以上，目前公开报道的整轨平均密钥成码率最高可达47.8kbps。此前的卫星量子密钥分发主要集中在天文台进行，视宁度好，背景噪声低，相对容易通过云量相机观察到天空是否有薄云影响密钥成码率。随着卫星量子密钥分发逐步走向实用化，在城市环境下进行卫星量子密钥分发是趋势所在。由于城市环境背景噪声较大，干扰杂光较多，较难通过云量相机判断是否存在云层影响量子密钥成码率的影响。
卫星在过境时，和地面进行量子密钥分发的实际通信距离一直在动态变化中，不同于光纤链路中的静态评估方法。同时，此前基于云量相机或者卫星云图的方案存在一定的不确定性。为此，亟需研究一种能动态计算成码量的方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种基于信标光强度变化的星地量子密钥分发成码量估算方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明提供一种基于信标光强度变化的星地量子密钥分发成码量估算方法，该方法包括以下步骤：
步骤1、在星地量子通信过程中，根据晴朗夜空和非晴朗夜空两种天气情况，分别对链路效率进行基准标定；
步骤2、测量星地量子通信的实际参数；
步骤3、根据实际天气情况，选择对应基准标定的链路效率，并根据测量的实际参数，带入GLLP公式计算每一个时刻量子密钥分发的成码率；
步骤4、根据每一个时刻量子密钥分发成码率在有效时间内对时间积分，得到星地量子密钥分发的成码量。
进一步地，本发明的所述步骤1中对链路效率进行基准标定的方法为：
分别在晴朗夜空和非晴朗夜空时，根据已知接收端强度和发射端强度的信标光，结合信标光发散角、量子卫星距离地面站的距离以及信标光的固定衰减，计算得到额外链路衰减；
将额外链路衰减，结合信号光的固定衰减、信号光发散角以及量子卫星距离地面站的距离，得到链路效率。
进一步地，本发明的所述步骤1中对链路效率进行基准标定的方法为：
量子卫星距离地面站的距离为L1；在量子卫星载荷上天之前，通过平行光管进行标定信号光发散角为θs，信标光发散角为θb；
在T1时刻，信号光和信标光的链路效率分别表示为和/>，其中为T1时刻由于云层导致的额外链路衰减，/>和/>为信号光和信标光的固定衰减部分；
通过接收探测器，测量得到信标光接收端强度，信标光的接收端强度的理论公式为：
其中，为信标光接收端强度，/>为信标光发射端强度，为标定好的固定值，通过公式可得到T1时刻由于云层导致的额外链路衰减/>；将其带入信号光的链路效率公式中，得到标定好的链路效率/>。
进一步地，本发明的所述步骤2中的实际参数包括：
信号态平均光子数、探测器效率、信号态误码率、单光子相位错误率、纠错效率、系统背景噪声。
进一步地，本发明的所述步骤3中计算每一个时刻量子密钥分发的成码率R的公式为：
其中，对于均衡基矢，q=0.5；为二元熵函数；f为纠错效率，根据纠错算法选取1.15-1.2；/>为信号态误码率； e1为单光子相位错误率，为发出脉冲探测的单光子探测率；
其中信号态增益为：
其中，总效率；/>为探测器效率，/>为基准标定的链路效率；/>为系统背景噪声；/>为信号态平均光子数。
进一步地，本发明的所述步骤4中得到星地量子密钥分发的成码量S的公式为：
其中，t为时间，Ri为第i个成码率。
本发明提供一种基于信标光强度变化的星地量子密钥分发成码量估算系统，包括：
链路效率标定单元，用于在星地量子通信过程中，根据晴朗夜空和非晴朗夜空两种天气情况，分别对链路效率进行基准标定；
实际参数测量单元，用于测量星地量子通信的实际参数；
成码率计算单元，用于根据实际天气情况，选择对应基准标定的链路效率，并根据测量的实际参数，带入GLLP公式计算每一个时刻量子密钥分发的成码率；
成码量计算单元，用于根据每一个时刻量子密钥分发成码率在有效时间内对时间积分，得到星地量子密钥分发的成码量。
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，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的基于信标光强度变化的星地量子密钥分发成码量估算方法的步骤。
本发明产生的有益效果是：
1、本发明提供了一种基于信标光强度变化的星地量子密钥分发成码量的精确估算方法。公开的估算方法例如依靠云量相机、云图、恒星等方式都是简单估算，无精确估算链路效率，从而无法精确估算成码率。
2、本发明提出一种能够基于卫星量子通信信标光的方法，准确计算卫星量子密钥分发链路效率，从而精准估算出实际量子密钥分发成码率。特别地，这种方法的应用可以额外监测量子密钥分发精细跟踪是否存在异常。
3、本发明针对不同的天气情况进行基准标定，能够得到不同天气情况的链路效率，在后续计算中分别带入使用，提高了计算的准确性。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例的方法流程图；
图2是本发明实施例的采用信标光和信号光进行基准标定的示意图。
具体实施方式
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说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图1所示，本发明实施例的基于信标光强度变化的星地量子密钥分发成码量估算方法，该方法包括以下步骤：
1、标定参数：
在星地量子通信过程中，根据晴朗夜空和非晴朗夜空两种天气情况，分别对链路效率进行基准标定；
如图2所示，晴朗夜空效率基准标定（假定为图中T1时刻）。选择一个晴朗无云的夜空，标定信号光、信标光强度基准，并且记录下实时量子密钥成码率数值和轨道距离之间的关系。
例如，在T1时刻，量子卫星距离地面站的距离为L1，此距离可通过卫星TLE文件获取。信号光发散角为θs，信标光发散角为θb，这两个值可以通过卫星载荷上天之前通过平行光管进行标定。因此，此时信号光和信标光的链路效率可以分别表示为和，其中/>为T1时刻由于云层导致的额外链路衰减，/>和/>为信号光和信标光的固定衰减部分，和星地两端的望远镜设计相关，为固定常数，不随时间或者距离变化。
由于信标光的跟踪的强度较大，可以相对精准地得到发射端和接收端的信号强度，从而可以精确得到全链路效率，计算出，从而可以得到信号光的全链路效率，可以通过晴朗夜空的情况进行标定。
其中，为信标光接收端强度，可通过接收端探测器测量，/>为信标光发射端强度，为固定值，事先标定好。根据该公式可得到/>，从而得到信号光的链路效率。
非晴朗夜空效率基准标定（假定为图中T2时刻）。由于城市背景情况下，偶尔有薄云，不太容易通过肉眼或者云量相机等手段拍摄。可以通过晴朗夜空中的参数标定，在T2时刻首先测定出接收到信标光的强度，从而得到链路效率，反推出/>，从而计算出信号光的链路效率/>。
2、实际参数测量：
测量星地量子通信的实际参数，包括信号态平均光子数、探测器效率、信号态误码率、单光子相位错误率、纠错效率、系统背景噪声等。
3、GLLP公式计算：
根据实际天气情况，选择对应基准标定的链路效率，并根据测量的实际参数，带入GLLP公式计算每一个时刻量子密钥分发的成码率；
星地量子密钥分发的成码量为每一个时刻量子密钥分发成码率在有效时间内对时间积分。以平衡基矢的诱骗态协议为例，可以根据GLLP公式进行估算。假设已知调制激光器的调制频率频率、信号态平均光子数/>，诱骗态平均光子数/>，真空态平均光子数（为0）及相应的比例，探测器效率/>，链路效率/>等参数，可以计算出信号态增益为/>、诱骗态增益为/>、信号态误码率为/>、诱骗态误码率为/>等，从而计算出每一时刻的量子密钥成码率。
成码率R的公式为：
其中，对于均衡基矢，q=0.5；为二元熵函数；f为纠错效率，根据纠错算法选取1.15-1.2；/>为信号态误码率； e1为单光子相位错误率，为发出脉冲探测的单光子探测率；
其中信号态增益为：
其中，总效率；/>为探测器效率，/>为基准标定的链路效率；/>为包含探测器暗计数与信道杂散光等造成的系统背景噪声；/>为信号态平均光子数。
对于典型的暗光纤链路而言，以上各个参数均不会发生变化，可以较为精准地计算出光纤链路的成码率，通常是常数，从而很容易计算出量子密钥成码量。
对于卫星链路而言，链路效率是动态的，会随着卫星的移动而发生变化，同时会受气象条件的影响，尤其是路径中云层的厚度等因素影响。通常，这些因素可以通过全天相机、云图等手段大致评估，精确评估存在一定困难。所以，本发明提出了链路效率的基准标定方法，通过该方法可以有效的解决该问题。
4、对时间积分：
根据每一个时刻量子密钥分发成码率在有效时间内对时间积分，得到星地量子密钥分发的成码量。
成码量的计算公式为：
如果最后的估算结果和实际的结果有偏差，通常可以认为是薄云层导致的信号光跟踪接收误差大于信标光的跟踪接收误差导致，可以针对性优化或者检查系统是否存在精跟踪故障。
实施例2
本发明实施例提供一种基于信标光强度变化的星地量子密钥分发成码量估算系统，包括：
链路效率标定单元，用于在星地量子通信过程中，根据晴朗夜空和非晴朗夜空两种天气情况，分别对链路效率进行基准标定；
实际参数测量单元，用于测量星地量子通信的实际参数；
成码率计算单元，用于根据实际天气情况，选择对应基准标定的链路效率，并根据测量的实际参数，带入GLLP公式计算每一个时刻量子密钥分发的成码率；
成码量计算单元，用于根据每一个时刻量子密钥分发成码率在有效时间内对时间积分，得到星地量子密钥分发的成码量。
实施例3
本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现上述实施例1的基于信标光强度变化的星地量子密钥分发成码量估算方法的步骤。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于信标光强度变化的星地量子密钥分发成码量估算方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1、在星地量子通信过程中，根据晴朗夜空和非晴朗夜空两种天气情况，分别对链路效率进行基准标定；
所述步骤1中对链路效率进行基准标定的方法为：
分别在晴朗夜空和非晴朗夜空时，根据已知接收端强度和发射端强度的信标光，结合信标光发散角、量子卫星距离地面站的距离以及信标光的固定衰减，计算得到额外链路衰减；
将额外链路衰减，结合信号光的固定衰减、信号光发散角以及量子卫星距离地面站的距离，得到链路效率；具体为：
量子卫星距离地面站的距离为L1；在量子卫星载荷上天之前，通过平行光管进行标定信号光发散角为θs，信标光发散角为θb；
在T1时刻，信号光和信标光的链路效率分别表示为和/>，其中/>为T1时刻由于云层导致的额外链路衰减，/>和/>为信号光和信标光的固定衰减部分；
通过接收探测器，测量得到信标光接收端强度，信标光的接收端强度的理论公式为：
其中，为信标光接收端强度，/>为信标光发射端强度，为标定好的固定值，通过公式可得到T1时刻由于云层导致的额外链路衰减/>；将其带入信号光的链路效率公式中，得到标定好的链路效率/>；
步骤2、测量星地量子通信的实际参数；
步骤3、根据实际天气情况，选择对应基准标定的链路效率，并根据测量的实际参数，带入GLLP公式计算每一个时刻量子密钥分发的成码率；
步骤4、根据每一个时刻量子密钥分发成码率在有效时间内对时间积分，得到星地量子密钥分发的成码量。
2.根据权利要求1所述的基于信标光强度变化的星地量子密钥分发成码量估算方法，其特征在于，所述步骤2中的实际参数包括：
信号态平均光子数、信号态误码率、单光子相位错误率、纠错效率、系统背景噪声。
3.根据权利要求1所述的基于信标光强度变化的星地量子密钥分发成码量估算方法，其特征在于，所述步骤3中计算每一个时刻量子密钥分发的成码率R的公式为：
其中，对于均衡基矢，q=0.5；为二元熵函数；f为纠错效率，根据纠错算法选取1.15-1.2；/>为信号态误码率； e1为单光子相位错误率，/>为发出脉冲探测的单光子探测率；
其中信号态增益为：
其中，总效率；/>为探测器效率，/>为基准标定的链路效率；/>为系统背景噪声；/>为信号态平均光子数。
4.根据权利要求3所述的基于信标光强度变化的星地量子密钥分发成码量估算方法，其特征在于，所述步骤4中得到星地量子密钥分发的成码量S的公式为：
其中，t为时间，Ri为第i个成码率。
5.一种基于信标光强度变化的星地量子密钥分发成码量估算系统，其特征在于，包括：
链路效率标定单元，用于在星地量子通信过程中，根据晴朗夜空和非晴朗夜空两种天气情况，分别对链路效率进行基准标定；
所述链路效率标定单元中对链路效率进行基准标定的方法为：
分别在晴朗夜空和非晴朗夜空时，根据已知接收端强度和发射端强度的信标光，结合信标光发散角、量子卫星距离地面站的距离以及信标光的固定衰减，计算得到额外链路衰减；
将额外链路衰减，结合信号光的固定衰减、信号光发散角以及量子卫星距离地面站的距离，得到链路效率；具体为：
量子卫星距离地面站的距离为L1；在量子卫星载荷上天之前，通过平行光管进行标定信号光发散角为θs，信标光发散角为θb；
在T1时刻，信号光和信标光的链路效率分别表示为和/>，其中/>为T1时刻由于云层导致的额外链路衰减，/>和/>为信号光和信标光的固定衰减部分；
通过接收探测器，测量得到信标光接收端强度，信标光的接收端强度的理论公式为：
其中，为信标光接收端强度，/>为信标光发射端强度，为标定好的固定值，通过公式可得到T1时刻由于云层导致的额外链路衰减/>；将其带入信号光的链路效率公式中，得到标定好的链路效率/>；
实际参数测量单元，用于测量星地量子通信的实际参数；
成码率计算单元，用于根据实际天气情况，选择对应基准标定的链路效率，并根据测量的实际参数，带入GLLP公式计算每一个时刻量子密钥分发的成码率；
成码量计算单元，用于根据每一个时刻量子密钥分发成码率在有效时间内对时间积分，得到星地量子密钥分发的成码量。
6.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1～4任一项所述的基于信标光强度变化的星地量子密钥分发成码量估算方法的步骤。
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| CN117240354B (zh) | 2024-01-12 |
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