[发明专利]基于波分复用编码和密钥存储转换的量子通信方法及系统

说明书

本发明公开了一种基于波分复用编码和密钥存储转换的量子通信系统，通过波分复用技术实现多波长通道量子密钥编译，通过单根通信光纤进行多波长通道量子密钥并行传输，通过波分复用技术实现多通道量子密钥解译；利用物理域或信息域方法，将多波长通道并行量子密钥序列转换为单通道串行量子密钥序列，实现“并‑串转换量子密钥速率升级”；按照量子密钥饱和式分发存储、量子密钥按经典通信需求随取随用的技术思路，构建全时量子密钥分发(即无休止分发存储量子密钥)和非全时经典通信(实际情况下经典通信包含业务模式和待机模式)的速率适配机制，最终实现可支持更高业务等级的高速量子通信。

技术领域

本发明属于量子通信技术领域，涉及一种基于波分复用编码和密钥存储转换的量子通信系统，尤其涉及一种利用波分复用技术实现多波长通道量子密钥分发传输、通过对量子密钥的解析存储技术将多通道并行量子密钥序列转换为单通道串行量子密钥序列、并利用量子密钥分发系统和经典通信系统工作时间差异实现速率适配的高速量子通信技术。

背景技术

量子通信技术，基于海森堡测不准原理、量子态不可分离原理和量子态不可复制原理，是目前公认的具备“无条件安全”特性的通信技术。量子通信技术按照工作原理可分为量子隐形传态通信技术和量子密钥分发技术，其中相对较为成熟的是量子密钥分发技术，即利用量子态随机特性为通信双方构建量子密钥、对经典通信信号进行加密防护实现信息安全传输。

基于量子密钥分发技术的量子通信基本原理可概述为：发送方通过量子信道将量子密钥母本发送给接收方；接收方测量量子密钥母本量子态并将测量手段(而非测量结果)等信息通过经典信道回传给发送方；通信双方经过数据后处理和密钥纠错等手段协商获得最终有效量子密钥；发送方利用有效量子密钥对携带明文信息的经典通信信号进行逐位异或加密，通过经典信道将密文信息传送给接收方；接收方利用有效密钥对明文信息进行解密获得明文信息；窃听者可以截获密文信息，但因无法准确预测有效量子密钥而无法破解密文信息；理想情况下，上述过程即描述了量子通信的无条件安全属性。

在逐位异或加密工作模式下，量子通信工作速率主要取决于量子密钥分发速率，量子密钥分发速率越高，可支持加密的经典通信速率越高。受限于高速量子态制备、长距离传输量子态丢失、高速量子态探测等因素，现阶段量子密钥分发速率通常远低于经典通信速率，严重限制了量子通信可支持的业务范围。为解决上述问题，当前普遍采用一种混合密钥策略实现量子密钥与经典信号之间的速率适配，即通过低速量子密钥加密高速经典密钥生成混合密钥，通过混合密钥与通信信号的逐位异或实现加密防护。该策略虽然能够大幅提升量子通信工作速率，却面临固有的通信安全隐患。因此，只有提升量子密钥分发速率，实现量子密钥与经典通信信号直接逐位异或前提下的速率适配，才能真正意义上满足“全量子变换”安全通信业务需求。

在量子信息领域特别是量子通信领域，提升量子信息编码速率一直是广泛关注的研究热点和技术难点；受限于高速量子态制备、长距离传输量子态丢失、高速量子态探测等因素，量子密钥分发速率始终远低于经典通信速率，严重限制了量子通信系统业务能力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，利用波分复用系统构建可并行传输的多路量子密钥分发系统；将频域复用的并行低速量子密钥转换为时域复用的串行高速量子密钥；生成饱和式量子密钥池，无中断分发并存储量子密钥并只在经典通信业务模式下调用量子密钥，实现量子密钥与经典通信信号的平均速率适配，最终实现高速量子通信业务。

为了解决上述问题，本发明提出了一种基于波分复用编码和密钥存储转换的量子通信方法，由波分复用量子密钥编译、密钥存储和工作时间适配构成，在多个波长通道独立编译量子密钥，将多路量子密钥并纤复用传输，将频域复用并行低速量子密钥转换为时域复用串行高速量子密钥，通过饱和式量子密钥分发、量子密钥池、通信待机模式和业务模式切换带来的时间空窗，实现量子密钥分发系统和经典通信系统的速率适配。