空间量子密钥分发体制验证及其应用

Quantum key distribution (QKD) based on satellite is proposed to be a feasibly way to establish a global-scale quantum network, and a low-earth-orbit (LEO) satellite named “Micius” was launched for this purpose, the satellite to-ground QKD have been demonstrated for the first time. At present, the sifted key rate of the satellite to ground QKD is around 1-14 kbps and the final key rate is around 1 kbps with the communication time is about 300 s, so the length of final key is limited to a great deal of applications. Based on the quantum science experiment satellite, this project proposes to optimize the control parameters, upgrade the existing ground stations and do research on the multi-aperture synthetic receiving system to improve the reception efficiency to increase sifted key rate of the satellite to ground QKD up to 100 kbps; to carry out QKD with ground stations in Europe to demonstrate the feasibility of inter-continent and wide-area QKD applications; to develop technologies of composite applications of the laser communication and the QKD system to low the time of the post-processing of QKD. All technologies lay the foundation of a wide-area, a high-key-rate practical quantum key communication Network.

基于卫星平台的量子密钥分发是构建覆盖全球量子保密通信网的最为可行的手段，2016年发射的”墨子号”量子科学实验卫星已经完成世界首次星地量子密钥分发实验，为构建覆盖全球的量子通信网络迈出了成功的第一步。目前星地量子密钥分发筛选码分发速率1-14kbps，安全成码率为约1kbps，通信时间较短约为300s，一轨实验生成的300kbit密钥，对于大数据量通信加密应用而言该密钥量有限。本项目利用已有的量子科学实验卫星，优化天地一体化系统参数，对现有地面站进行技术改造，提升量子密钥接收能力，发展多孔径合成接收、激光通信与量子通信复合应用、量子密钥数据在线处理等技术，实现千公里级星地量子密钥分发，分发速率达到100kbps；实现洲际量子密钥分发实验，开展广域量子密钥应用演示，为建立覆盖面广、成码率高的实用化的量子密钥通信网络打下基础。

基于卫星平台的量子密钥分发是构建覆盖全球量子保密通信网的最为可行的手段，2016年发射的"墨子号"量子科学实验卫星已经完成世界首次星地量子密钥分发实验，为构建覆盖全球的量子通信网络迈出了成功的第一步。但成码量不高，对于大数据量通信加密应用而言该密钥量有限。本项目研究目标是发展提高星地量子密钥分发速率的新方法和新技术、实现高速星地量子密钥分发及广域量子密钥应用演示；探索量子密钥数据在线处理算法验证。.项目研究非平衡基矢量子密钥分发方案，结合星地实际信道特征，优化全系统参数，完成卫星载荷和地面站改造，实现了筛选码分发速率峰值462kcps，单轨成码量超过10Mbit的高速星地量子密钥分发实验，相对原有方案提升约40倍，实验成果结合京沪干线量子保密通信网络，建立了天地一体化量子保密通信网络雏形；项目积极开展与奥地利、意大利、俄罗斯等团队量子密钥分发国际合作，在此基础上完成了北京与奥地利Graz相距7600km两个地面站的密钥共享，基于共享密钥，联合团队在北京到维也纳之间演示了图片加密传输，并建立了一套北京到维也纳的加密视频通信系统，支持了洲际量子保密视频会议；项目完成星地量子密钥数据在线处理算法优化，利用墨子号搭载光通信终端，完成星地密钥提取实验；研制小型化地面站、多孔径地面站，开展多地面站的实用化量子密钥分发实验研究。.项目成果为建立覆盖面广、成码率高的实用化的量子密钥通信网络打下基础。