NJP编辑优选：星地量子密钥分发链路的调度可行性探索
文章介绍
Xingyu Wang（王星宇）, Taoyong Li（李涛泳）, Chen Dong（东晨）, Jiahua Wei（魏家华）, Huicun Yu（于惠存）, Shanghong Zhao（赵尚弘） and Lei Shi（石磊）
通讯作者：
- 石磊，空军工程大学
研究背景：
作为量子信息技术成熟应用之一，量子密钥分发（Quantum Key Distribution，QKD）引领着量子信息技术兴起，并为大规模量子网络的建立奠定了基础。“墨子号”量子科学实验卫星升空和国内外多个空间量子通信计划的实施，初步验证了星地量子密钥分发（SatQKD）的可行性，为解决全球化安全通信问题提供了新的思路。量子卫星向不同地面节点独立地进行SatQKD，可使远距离地面通信双方实现安全密钥共享，减少对地面量子中继的依赖。而随着未来地面节点数量增加，还应合理利用SatQKD链路资源以提升系统工作效率。借鉴地球观测卫星的观测时间调度思路，结合轨道运动规律和大气影响因素建立SatQKD链路分析性能模型对预期密钥生成结果进行比较，并通过对下行链路进行优化调度，可有效提升SatQKD效率。
研究内容：
图1 SatQKD下行链路性能建模思路
本文首先采用两行轨道根数（TLE）的星历数据文件，结合地面站地理位置信息并通过算法以特定时间步长计算确定不同时刻的两者间相对俯仰角与链路长度。然后利用已报道的相关实验设备参数资料和光学云层厚度数据资料，建立瞬时链路损耗估计模型。使用诱骗态QKD方法理论估计瞬时渐进BB84密钥生成率并以此对一段可视窗口持续时间内的密钥生成结果进行积分，得到最终安全密钥长度。
图2 不同SatQKD链路调度策略下的密钥分配情况
在完成链路建模基础上，本文对SatQKD链路执行不同任务需要的调度优化，包括：1）一般性链路调度分发策略（S-GD）实现对远距离节点间的密钥生成数量最大化；2）优先级链路调度分发策略（S-PD）实现对共同可视窗口内的更高等级用户优先密钥分发；3）按需形式的链路调度分发策略（S-TD）实现地面组网用户之间的密钥按需分配，提升进一步用于对称密钥加密的量子安全密钥使用效率。
作者介绍
- 石磊，空军工程大学教授，博导。长期从事机载量子通信、面向航空环境的自适应跟瞄技术等研究，主持国家自然科学基金面上项目、陕西省自然科学基金等项目，在EPJ Quantum Technology、Physics Review A、New journal of Physics、Chinese Optics Letters等国内外高水平期刊发表论文70余篇。曾获全国百篇优秀博士论文提名等多项奖励。
- 王星宇，空军工程大学讲师，从事星地量子密钥分发、机载量子通信、基于深度学习的自适应补偿系统实验研究，在Photonics Research、New journal of Physics、Optics Express、Quantum Information Processing 等国内外SCI期刊发表论文9篇，授权国家发明专利8项。
期刊介绍
- 2022年影响因子：3.3 Citescore：6.3
- New Journal of Physics（NJP）是IOP和德国物理学会共同出版，是第一本发表物理学各领域原创性研究成果的开放获取期刊。NJP是发表优秀科学论文的领军刊物，吸引了全球物理学界的关注和兴趣，内容范围包括：量子物理（包括量子信息）；原子和分子物理；光学、光子学和器件物理；凝聚态；纳米科学；软物质和聚合物；化学物理学；统计力学、热力学和非线性系统；流体动力学；等离子体；核和粒子物理学；宇宙学和天体物理学；生物和医学物理学；地球科学和地球物理学等。