面向空天地一体化网络的广域量子通信链路通用仿真方法

摘要

本发明提供了一种面向空天地一体化网络的广域量子通信链路通用仿真方法，针对光纤链路量子通信系统、自由空间链路量子通信系统以及星地量子通信网络三种实际量子通信系统的物理器件进行建模，能够获得真实系统输出结果的仿真数据。在本发明设计的仿真系统中，物理器件的参数可配置，能够使用该仿真系统对不同的量子通信系统的物理系统部分进行仿真。本发明设计的仿真系统具有较强的实用价值，应用前景良好。

说明书

技术领域

本发明涉及空天地一体化网络、广域量子通信链路的建模仿真。

背景技术

名词解释：

量子通信中通信双方分别称为Alice端和Bob端。其中，Alice端为光源端，由单光子源不断发出单光子脉冲；Bob端为探测端，单光子探测器接收来自Alice端的光子，进行测量。

空天地一体化信息网络是一种以空间平台(如同步卫星或中、低轨道卫星、平流层气球和有人或无人驾驶飞机等)为载体，实时获取、传输和处理空间信息的网络系统，通过将一体化的网络协议将天基信息网、互联网、移动通信网有机融合，在远洋航行、应急救援、导航定位、航空运输、航天测控等领域有着广泛应用前景。空天地一体化信息网络信道容易被攻击、被篡改、保密性差等问题，使得空间数据的机密性、完整性和可用性受到极大挑战。

以量子密钥分发为基础的广域量子通信技术与一次一密加密模式相结合，可以实现理论上的无条件安全，为解决空天地一体化信息网络安全提供了有效手段。广域量子通信一般基于光纤、自由空间、星地三类链路。

发明内容

本发明的目的是为了解决现存建模方法的不足，通过对光纤链路量子密钥分发系统、自由空间链路量子密钥分发系统以及星地量子密钥分发网络进行建模，结合实际物理系统的参数，计算仿真结果，从而可以获得接近真实物理系统输出结果的仿真数据，从而可应用于实际量子密钥分发系统的安全性分析、性能评估以及后处理算法的正确性验证。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

(1)根据实际量子通信系统的链路模型，计算出信道损耗，在仿真系统的Alice端配置参数，模拟单光子源，产生模拟的单光子新信号，并用字节码表示。

(2)Alice端将物理系统的参数以及字节码通过网络发送到Bob端。

(3)Bob端使用接收到的配置参数，对单光子源、量子信道以及单光子探测器的损耗等参数进行计算，计算出单光子探测器得到不同测量结果的概率。

(4)Bob端根据计算出的探测器得到不同测量结果的概率，结合来自Alice的字节码，分配测量结果，得到单光子探测器仿真结果，并用字节码表示。

上述量子通信系统为光纤链路量子密钥分发系统、自由空间链路量子密钥分发系统或星地量子密钥分发网络；通过对上述光纤链路量子密钥分发系统、自由空间链路量子密钥分发系统或星地量子密钥分发网络进行建模，结合实际物理系统的参数，计算仿真结果，从而可以获得接近真实物理系统输出结果的仿真数据。

与现有的仿真模型相比，本发明的优点在于：

(1)本发明能够对多种量子密钥分发系统模型进行仿真。

(2)本发明能够对不同的量子密钥分发系统的物理器件进行仿真。

(3)本发明能够生成接近于实际物理系统输出结果的仿真数据，可应用于实际量子密钥分发系统的安全性分析、性能评估以及后处理算法的正确性验证。

附图说明

图1是本发明所述的结构示意图；

图2是本发明所述的空天地一体化网络的广域量子通信链路通用仿真方法的Alice端工作流程图。

图3是本发明所述的空天地一体化网络的广域量子通信链路通用仿真方法的Bob端工作流程图。

图4是本发明所述的空天地一体化网络的广域量子通信链路通用仿真方法的Alice端数据格式。

图5是本发明所述的空天地一体化网络的广域量子通信链路通用仿真方法的Bob端数据格式。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施对本发明做进一步地详细说明。图1是本发明所述的空天地一体化网络的广域量子通信链路通用仿真方法的结构示意图。图2是本发明所述的空天地一体化网络的广域量子通信链路通用仿真方法的Alice端工作流程图。图3是本发明所述的空天地一体化网络的广域量子通信链路通用仿真方法的Bob端工作流程图。图4是本发明所述的空天地一体化网络的广域量子通信链路通用仿真方法的Alice端数据格式。图5是本发明所述的空天地一体化网络的广域量子通信链路通用仿真方法的Bob端数据格式。

本发明包含两个软件客户端，Alice端和Bob端。两端通过TCP/IP协议进行数据传输，通过调用Python语言的Socket函数进行数据的发送和接收，软件的结构示意图如图1所示。

Alice端的软件工作流程如图2所示。第一步，根据实际量子通信系统的链路模型，计算信道损耗，配置物理系统的参数(信道损耗、Bob端损耗、探测器效率、信号态平均光子数、暗计数率、探测器时间窗口、系统误码率和探测器产生错误测量的概率)；第二步，根据参数配置，随机生成基矢、密钥和态信息。第三步，生成字节码。第四步，开启socket端口，监听连接请求。第五步，与Bob建立连接后，将字节码信息发送给Bob。

其中，对于不同的链路模型，信道损耗的计算方法有所不同。

对于光纤链路QKD系统，整个光纤信道的损耗较为稳定，可近似看作恒定值。信道传输效率η_AB的计算公式为其中α为信道损耗系数，单位是dB/km，L为光纤长度，单位是km。

对于自由空间链路QKD系统，分为两种情况。一种是信道为水平的，整个信道的损耗系数可近似看作固定值；另一种是信道为垂直于地面的，信道的损耗系数随着高度的变化而变化。信道传输效率的计算公式为η_AB＝10^-Loss/10，Loss表示信道的总损耗(单位是dB)。

星地量子通信网络可以看作由垂直于地面的自由空间链路QKD系统与光纤链路QKD系统两部分组合而成。因此计算信道传输效率，需要将两部分链路的损耗累加。信道传输效率的计算公式为η_AB＝10^-Loss/10，Loss表示两部分信道的总损耗(单位是dB)。

量子密钥分发系统总的效率为η＝η_AB·η_Bob·η_D，其中，Loss_system表示Bob端内部的损耗(单位是dB)；η_D为Bob端探测器效率。

由信号态引起的探测器响应的概率为p_signal＝1-e^-μη，其中μ为信号态的平均光子数。暗计数的概率为p_dark＝2·DCR·t_w，其中DCR表示暗计数的频率(单位是Hz)，t_w表示探测器进行探测的时间窗口(单位是秒)。Bob端生成的筛选码的量子比特误码率(Quantum>

其中，e_s是系统误码率，e_d是探测器产生错误测量的概率。

Bob端的软件工作流程图如图3所示。第一步，配置Alice端的IP和端口信息。第二步，连接Alice端。第三步，从Alice端接收数据。第四步，随机选取测量基矢。第五步，计算探测器得到不同测量结果的概率。第六步，根据计算结果，生成符合概率分布的测量结果。第七步，生成字节码。

Alice端的数据格式如图4所示，第8位表示选用的基矢，0或1；第7位表示携带的密钥信息，0或1；第6位和第5位表示光子的类型，00，01和10分别表示vacuum态、signal态和decoy态；第4位至第1位为预留位，用0填充。

Bob端的数据格式如图5所示。第1位为选取的测量基矢，0或1；第2位和第3位表示测量结果。00，01，10和11分别表示未响应、0探测器相应、1探测器相应以及两个探测器均响应。第4位至第8位为预留位，用0填充。