一種飛行器的量子密鑰分配系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及量子信息科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種用于飛行器的量子密鑰分配系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]量子信息科學(xué)技術(shù)是量子力學(xué)和信息科學(xué)相結(jié)合發(fā)展起來的交叉學(xué)科，近年來受到了廣泛的關(guān)注和研宄。由于采用量子態(tài)作為信息的載體，量子信息在通信和計算等科技領(lǐng)域有著經(jīng)典信息技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢和前景，具有重要的學(xué)術(shù)意義和應(yīng)用價值。
[0003]量子密鑰分配是量子信息科學(xué)技術(shù)中一項重要的技術(shù)。傳統(tǒng)的加密方式大多基于計算量的不匹配性，如大數(shù)分解理論等。這些加密方式都基于一個假設(shè):竊聽者的計算能力在傳統(tǒng)范圍之內(nèi)。但目前為止，更快的能夠攻擊傳統(tǒng)加密方式的算法并沒有被證明是不存在的。另一方面，Peter Shor提出的算法，為量子計算機(jī)的出現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)，此后，量子計算領(lǐng)域的研宄也有了一定的成果，如果量子計算機(jī)問世，將意味著計算能力極大的提升，那么傳統(tǒng)的加密方式很有可能面臨危機(jī)。
[0004]而量子密鑰分配(QKD)使用單光子作為密鑰傳送的媒介，在單光子上以偏振、相位等方式進(jìn)行編碼，通過一定的協(xié)議，可以在量子密鑰分配的雙方建立密鑰。量子密鑰分配基于單光子不可再分、海森堡不確定關(guān)系、測量塌縮原理和量子不可克隆原理，是一種可以從理論上證明絕對安全的密鑰建立和分發(fā)的方式。量子密鑰分配是當(dāng)代量子保密通信技術(shù)的基礎(chǔ)。
[0005]無人機(jī)等飛行器與地面控制中心間的通信對保密性的要求極高，需要可靠的手段在兩者間建立和分配密鑰，在這方面，量子密鑰分配技術(shù)有非常重要的應(yīng)用前景。目前，面向地面與衛(wèi)星間的量子保密通信需要，在自由空間量子密鑰分配技術(shù)上人們已經(jīng)取得了一些進(jìn)展。目前已經(jīng)提出的方案往往需要在相隔遙遠(yuǎn)的兩處基站分別建立復(fù)雜的自由空間光學(xué)對準(zhǔn)系統(tǒng)，通過閉環(huán)反饋控制鎖定兩處的望遠(yuǎn)鏡指向從而實現(xiàn)穩(wěn)定的光子傳輸通道。由于實現(xiàn)雙向自由空間光學(xué)動態(tài)對準(zhǔn)需要加裝光源、衰減控制器、快速調(diào)向平面鏡等用于發(fā)射光路的元件，還需要較大口徑的望遠(yuǎn)鏡、四象限光探測器或CMOS攝像頭等用于接收光路并且計算光線偏移量的裝置，這使得量子密鑰分配雙方的光學(xué)系統(tǒng)都十分復(fù)雜。然而，對于飛行器與地面控制中心間量子密鑰分配的應(yīng)用，由于飛行器的載荷有限，不易支持如此復(fù)雜的光學(xué)對準(zhǔn)系統(tǒng)，因此需要探索新的量子密鑰分配方案，在實現(xiàn)量子密鑰分配功能的同時，盡可能簡化飛行器端光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對現(xiàn)有量子密鑰分配技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種飛行器的量子密鑰分配系統(tǒng)，通過將角錐反射鏡安裝在飛行器，依賴角錐反射器將入射光原路返回的特征，在實現(xiàn)量子密鑰分配功能的同時極大的簡化飛行器的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種飛行器的量子密鑰分配系統(tǒng)，其特征在于，包括:
[0008]角錐反射鏡、量子態(tài)調(diào)制器、激光光源、發(fā)射器、接收器和量子態(tài)探測器；
[0009]其中，所述角錐反射鏡和量子態(tài)調(diào)制器設(shè)置在飛行器上，所述激光光源、發(fā)射器、接收器和量子態(tài)探測器設(shè)置在基站；
[0010]所述激光光源發(fā)射脈沖激光到所述發(fā)射器，所述發(fā)射器將所述激光脈沖發(fā)射到所述飛行器，所述飛行器上的角錐反射鏡接收到所述脈沖激光后，反射形成單光子脈沖，并且所述單光子脈沖通過所述量子態(tài)調(diào)制器進(jìn)行編碼，然后發(fā)送到所述接收器，所述接收器接收到編碼后的單光子脈沖后發(fā)送到所述量子態(tài)探測器進(jìn)行檢測。
[0011]其中，所述量子態(tài)調(diào)制器對所述單光子脈沖進(jìn)行隨機(jī)的量子態(tài)調(diào)制。
[0012]其中，所述系統(tǒng)還包括:
[0013]設(shè)置在飛行器和基站之間的無線電通信裝置，用于當(dāng)所述量子態(tài)探測器檢測到的所述調(diào)制后的單光子脈沖的數(shù)量達(dá)到閾值時，所述基站通過所述無線電通信裝置發(fā)送指令到所述飛行器，停止密鑰分配，并指示所述飛行器返回量子態(tài)調(diào)制編碼信息到所述基站；
[0014]所述系統(tǒng)還包括處理裝置，用于比對所述量子態(tài)調(diào)制器的量子態(tài)調(diào)制編碼信息與所述基站的量子態(tài)探測器接收的調(diào)制后的單光子脈沖，并利用量子密鑰分配協(xié)議實現(xiàn)量子密鑰分配。
[0015]其中，所述量子密鑰分配協(xié)議為BB84協(xié)議或誘騙態(tài)協(xié)議。
[0016]其中，所述系統(tǒng)還包括定位裝置，所述定位裝置用于對所述飛行器進(jìn)行定位；
[0017]并且通過上述定位裝置對飛行器的定位調(diào)整所述發(fā)射器的發(fā)射角度。
[0018]其中，所述激光脈沖的波段為850nm、1064nm和1550nm中的任一種。
[0019]其中，所述量子態(tài)調(diào)制器對所述單光子脈沖進(jìn)行調(diào)制的自由度為所述單光子脈沖的偏振或相位。
[0020]其中，當(dāng)所述量子態(tài)調(diào)制器對所述單光子脈沖進(jìn)行調(diào)制的自由度為所述單光子脈沖的偏振時，所述角錐反射鏡設(shè)置為四個，并且量子態(tài)調(diào)制器具體包括:放置在每個所述角錐反射鏡前端檢偏器以及放置在每個所述檢偏器前端的光開關(guān)；
[0021]其中，所述檢偏器的方向為水平、垂直、正45度和負(fù)45度；
[0022]并且當(dāng)所述發(fā)射器發(fā)射激光脈沖到所述角錐反射鏡時，所述光開關(guān)中的一個處于打開狀態(tài)，其他為關(guān)斷狀態(tài)。
[0023]其中，所述量子態(tài)探測器具體包括:分束鏡、以此分別設(shè)置在所述分束鏡的兩個光路上的半波片、偏振分束鏡，以及分別設(shè)置在每個所述偏振分束鏡的兩個光路上的單光子探測器；
[0024]其中，所述單光子探測器分別探測處于水平、垂直、正45度和負(fù)45度偏振態(tài)的單光子脈沖。
[0025]本發(fā)明充分利用了角錐反射鏡將入射光原路返回的特點大大簡化了飛行器端量子密鑰分配系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計。一方面，利用基站發(fā)射的照射光束遠(yuǎn)大于角錐尺寸的特點，為發(fā)射光束引入大的反射損耗將它衰減到單光子水平，由此在飛行器端實現(xiàn)了基于弱相干光脈沖的偽單光子源。另一方面，利用角錐反射鏡將入射光束原路返回的特性形成飛行器與地面基站間低損耗的單光子傳送信道。角錐反射鏡將入射光束原路返回的特性使得在飛行器端無需復(fù)雜的自由空間光學(xué)對準(zhǔn)系統(tǒng)，大大簡化了飛行器端的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。本發(fā)明在飛行器端不需要復(fù)雜的光學(xué)對準(zhǔn)系統(tǒng)即可動態(tài)實現(xiàn)量子密鑰分配功能，可用于飛行器與地面基站間的自由空間量子保密通信。
【附圖說明】
[0026]通過參考附圖會更加清楚的理解本發(fā)明的特征和優(yōu)點，附圖是示意性的而不應(yīng)理解為對本發(fā)明進(jìn)行任何限制，在附圖中:
[0027]圖1示出了本發(fā)明的量子密鑰分配系統(tǒng)的總體框圖；
[0028]圖2示出了本發(fā)明的設(shè)置在飛行器的裝置結(jié)構(gòu)框圖；
[0029]圖3示出了本發(fā)明的設(shè)置在基站的裝置的結(jié)構(gòu)框圖；
[0030]圖4示出了本發(fā)明的實現(xiàn)偏振編碼的量子態(tài)調(diào)制器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖5示出了本發(fā)明的實現(xiàn)偏振編碼的量子態(tài)探測器的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0032]下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0033]本發(fā)明的一個實施例中，提供一種飛行器的量子密鑰分配系統(tǒng)。
[0034]圖1示出了本發(fā)明的量子密鑰分配系統(tǒng)的總體框圖；圖2示出了本發(fā)明的設(shè)置在飛行器的裝置結(jié)構(gòu)框圖；圖3示出了本發(fā)明的設(shè)置在基站的裝置的結(jié)構(gòu)框圖；
[0035]參照圖1-3，本發(fā)明的實施例的飛行器的量子密鑰分配系統(tǒng)具體包括:
[0036]角錐反射鏡10、量子態(tài)調(diào)制器20、激光光源30、發(fā)射器40、接收器50和量子態(tài)探測器60 ;
[0037]角錐反射鏡10和量子態(tài)調(diào)制器20設(shè)置在飛行器100上，激光光源30、發(fā)射器40、接收器50和量子態(tài)探測器60設(shè)置在基站200 ;
[0038]激光光源30發(fā)射脈沖激光到發(fā)射器40，發(fā)射器40將所述激光脈沖發(fā)射到飛行器，飛行器上的角錐反射鏡10接收到脈沖激光后，反射形成單光子脈沖，并且單光子脈沖通過所述量子態(tài)調(diào)制器20進(jìn)行編碼，然后發(fā)送到所述接收器50，所述接收器50接收到編碼后的單光子脈沖后發(fā)送到所述量子態(tài)探測器60進(jìn)行檢測。
[0039]上述實施例中，量子態(tài)調(diào)制器20對所述單光子脈沖進(jìn)行隨機(jī)的量子態(tài)調(diào)制。
[0040]上述實施例中，所述系統(tǒng)還包括:
[0041]設(shè)置在飛行器和基站之間的無線電通信裝置，用于當(dāng)量子態(tài)探測器檢測到的調(diào)制后的單光子脈沖的數(shù)量達(dá)到閾值時，基站通過無線電通信裝置發(fā)送指令到所述飛行器，停止密鑰分配，并指示所述飛行器返回量子態(tài)調(diào)制編碼信息到所述基站；
[0042]并且基于上述無線通信裝置，所述系統(tǒng)還包括處理裝置，用于比對所述量子態(tài)調(diào)制器的量子態(tài)調(diào)制編碼信息與所述基站的量子態(tài)探測器接收的調(diào)制后的單光子脈沖，并利用量子密鑰分配協(xié)議實現(xiàn)量子密鑰分配。
[0043]另外，所述系統(tǒng)還包括定位裝置，所述定位裝置用于對所述飛行器進(jìn)行定位；并且通過上述定位裝置對飛行器的定位調(diào)整所述發(fā)射器的發(fā)射角度。
[0044]在上述過程中，為保證穩(wěn)定的量子密鑰分配，在整個量子密鑰分配工作過程中，不斷通過空間定位裝置獲取飛行器位置，并對應(yīng)地調(diào)整發(fā)射器的發(fā)射角度以使得飛行器始終處于地面基站發(fā)出的光束中心。
[0045]在本實施例中，所述激光脈沖的波段為850nm、1064nm和1550nm中的任一種。
[0046]此外，所述量子態(tài)調(diào)制器對所述單光子脈沖進(jìn)行調(diào)制的自由度為所述單光子脈沖的偏振或相位。
[0047]在進(jìn)一步的實施例中，當(dāng)所述量子態(tài)調(diào)制器對所述單光子脈沖進(jìn)行調(diào)制的自由度為所述單光子脈沖的偏振時，所述角錐反射鏡設(shè)置為四個，并且量子態(tài)調(diào)制器具體包括:放置在每個所述角錐反射鏡前端檢偏器以及放置在每個所述檢偏器前端的光開關(guān)；
[0048]其中，所述檢偏器的方向為水平、垂直、正45度和負(fù)45度；
[0049]并且當(dāng)所述發(fā)射器發(fā)射激光脈沖到所述角錐反射鏡時，所述光開關(guān)中的一個處于打開狀態(tài)，其他為關(guān)斷狀態(tài)。
[0050]其中，所述量子態(tài)探測器具體包括:分束鏡、以此分別設(shè)置在所述分束鏡的兩個光路上的半波片、偏振分束鏡，以及分別設(shè)置在每個所述偏振分束鏡的兩個光路上的單光子探測器；
[0051]其中，所述單光子探測器分別探測處于水平、垂直、正45度和負(fù)45度偏振態(tài)的單光子脈沖。
[0052]本發(fā)明的量子密鑰分配系統(tǒng)的工作過程具體為:
[0053]本發(fā)明的量子密鑰分配系統(tǒng)分為地面基站部分和飛行器部分，兩者間有無線電通信