一种飞行器的量子密钥分配系统技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及量子信息科学
，尤其是涉及一种用于飞行器的量子密钥分配系统。
技术介绍
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宄。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，量子计算领域的研宄也有了一定的成果，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。
技术实现思路
针对现有量子密钥分配技术的不足，本专利技术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。根据本专利技术的一个方面，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。本专利技术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。本专利技术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专利技术的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本专利技术进行任何限制，在附图中:图1示出了本专利技术的量子密钥分配系统的总体框图；图2示出了本专利技术的设置在飞行器的装置结构框图；图3示出了本专利技术的设置在基站的装置的结构框图；图4示出了本专利技术的实现偏振编码的量子态调制器的结构示意图；图5示出了本专利技术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专利技术的实施例进行详细描述。本专利技术的一个实施例中，提供一种飞行器的量子密钥分配系统。图1示出了本专利技术的量子密钥分配系统的总体框图；图2示出了本专利技术的设置在飞行器的装置结构框图；图3示出了本专利技术的设置在基站的装置的结构框图；参照图1-3，本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张巍，张雪悦，金星宇，黄翊东，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11