[发明专利]一种用于飞行器的自由空间量子密钥分发系统及方法

说明书

本发明公开了一种用于飞行器的自由空间量子密钥分发系统和方法。携带本发明中量子密钥分发设备的飞行器与任一同样携带此设备的飞行器或地面站之间能够实现理论上绝对安全的点对点量子保密通信。通信的发送方首先对强激光进行衰减得到平均光子数为单光子级别的准单光子激光，然后根据偏振BB84协议对其进行偏振态调制，并通过光学天线经由自由空间发送给接收方。接收方通过光学天线接收来自发送方的单光子，并通过量子信号接收系统解调单光子所携带的密钥信息。由于未知量子态的单个光子具有不可复制、不可分割的特性，使得第三方无法在不被发现的情况下窃取通信双方的密钥信息，保证了飞行器通信信息的安全性。

技术领域

本发明涉及量子密钥分发领域，具体涉及一种用于飞行器的自由空间量子密钥分发系统及方法。

背景技术

随着互联网的大范围普及，信息传递达到了前所未有的数量和频率，各种隐私信息越来越多地暴露在互联网上，因此，人们对保密通信的需求也到了前所未有的高度。量子密钥分发以量子态为信息载体，基于量子力学的测不准关系和量子不可克隆定理，通过量子信道使通信双方共享密钥，是密码学与量子力学相结合的产物。量子密钥分发技术在通信中并不传输密文，只是利用量子信道传输密钥，将密钥分发到通信双方。

BB84协议是IBM公司的C.H.Bennett和加拿大Montreal大学的G.Brassard在1984年提出的第一个量子密钥分发协议。基于BB84协议、B92协议及其它协议实现超远距离量子通信一直是量子信息领域的难点之一。由于光纤本身而非形变、纯度、缺陷所造成的光衰减的影响，光信号在光纤信道的传输损耗已难以随着制备工艺的发展而进一步大幅度降低，通过光纤信道实现的量子通信的距离已经接近极限距离。与之相对的是，部分频率的光子在大气中传输时其损耗远远小于在光纤信道中传输的损耗，尤其是在位于40Km大气层以上的外层空间，光功率衰减几乎为零。因此，自由空间光通信技术能够有效弥补光纤信道远距离光通信损耗过高的问题，将卫星、飞机等应用于量子密钥分发领域，有望实现城域甚至全球范围内的量子保密通信。

光纤由于其双折射特性，使得在光纤中传输的光信号的偏振状态会在传输过程中不断的变化。尽管在实际应用中可以使用保偏光纤实现光波的偏振态传输，但随着传输距离的增加，光波的偏振状态同样会有一定的改变，而这种改变足以造成实际通信中误码的增加，降低通信的速率。而在自由空间光传输中，即使光波传输很远的距离，光波的偏振状态也几乎没有变化。这种特性使得自由空间更适合用于实现偏振调制的量子密钥分发系统。

专利技术201810955173.7，公开了一种基于自主反馈航空量子加密通信方法，应用于任意二架航空器之间，航空器之间通过量子信道和经典信道进行航空量子通信，实现了对航空器发送的数据信息进行量子加密。但是仅涉及两架航空器之间的量子保密通信，未涉及航空器与固定地面站，移动地面或海面载具之间保密通信。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种能够应用于飞机器，使飞行器通过利用自由空间进行量子密钥分发的方式实现量子保密通信。搭载此设备的任一飞行器能够与地面站或另一飞行器建立实时的量子密钥分发通信链路。

本发明的另一目的是提供一种基于以上一种用于飞行器的自由空间量子密钥分发系统的密钥分发方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：一种用于飞行器的自由空间量子密钥分发系统，包括飞行器F_n与地面站G_m设备，所述飞行器F_n与地面站G_m设备均包括量子密钥分发系统，所述量子密钥分发系统用于发送和接收量子通信信号，所述量子密钥分发系统发送量子通信信号时为发送方，接收量子通信信号时为接收方，其中：

所述量子密钥分发系统包括通信信号产生模块、通信信号收发模块、通信信号接收选择模块、偏振基矢探测模块、量子信号探测模块、精跟踪信标产生模块、精跟踪信标探测模块、精跟踪信标收发模块及光学天线模块；