[论文解读] Feasibility of Quantum Key Distribution from High Altitude Platforms

Yi Chu, Ross Donaldson+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2020

Quantum Information and Cryptography参考文献 46被引用 4

一句话总结

本文研究了从20 km高空的高空平台（HAPs）部署量子密钥分发（QKD）的可行性，通过详细的链路预算分析表明，在大多数条件下均可实现足够的信号强度。充足的链路预算使得使用发散光束成为可能，显著简化了指向、捕获和跟踪（PAT）系统，并扩展了QKD的潜在部署场景。

ABSTRACT

This paper presents the feasibility study of deploying Quantum Key Distribution (QKD) from High Altitude Platforms (HAPs), as a way of securing future communications applications and services. The paper provides a thorough review of the state of the art HAP technologies and summarises the benefits that HAPs can bring to the QKD services. A detailed link budget analysis is presented in the paper to evaluate the feasibility of delivering QKD from stratospheric HAPs flying at 20 km altitude. The results show a generous link budget under most operating conditions which brings the possibility of using diverged beams, thereby simplifying the Pointing, Acquisition and Tracking (PAT) of the optical system on the HAPs and ground, potentially widening the range of future use cases where QKD could be a viable solution.

研究动机与目标

• 评估在未来的安全通信网络中，使用高空平台（HAPs）进行量子密钥分发（QKD）的技术可行性。
• 在真实的大气和环境条件下，评估从平流层HAPs在20 km高度的QKD链路性能。
• 确定链路预算是否支持采用简化指向、捕获和跟踪（PAT）机制的实用QKD部署。
• 识别能够实现从HAPs进行稳健、长距离QKD传输的操作条件和系统参数。
• 探索在HAP-QKD系统中使用发散光束的潜力，以降低PAT复杂性并扩大应用范围。

提出的方法

• 对20 km高空的HAPs的QKD链路进行全面的链路预算分析，考虑大气衰减、光束发散和背景噪声的影响。
• 使用标准大气模型对光学信道进行建模，以估算在不同天气和能见度条件下的地面接收机信号功率。
• 评估光束发散对信号功率和误码率（BER）性能的影响，特别是在低信噪比条件下的表现。
• 评估使用非远心光束（非远心设计）的发散光束的可行性，以降低通常由窄光束系统带来的严格PAT要求。
• 在不同传输距离和环境参数（包括气溶胶和分子散射）下模拟系统性能。
• 将结果与既定的QKD性能阈值进行比较，以确定其在实际部署中的可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在20 km高空的高空平台（HAPs）上，是否可以实现具有可接受信噪比的实用QKD部署？
• RQ2 从HAP实现安全QKD所需的链路预算是多少？在典型的平流层条件下是否可实现？
• RQ3 在不降低QKD性能的前提下，光束发散程度可以增加到何种程度，从而显著降低PAT系统复杂性？
• RQ4 大气条件（如气溶胶浓度和能见度）如何影响基于HAP的QKD的可行性？
• RQ5 在HAP到地面的QKD链路中，光束发散、链路余量和系统鲁棒性之间的操作权衡是什么？

主要发现

• 链路预算分析表明，在大多数运行条件下均具有充足的余量，表明从20 km高空的HAPs实现QKD具有高度可行性。
• 即使在中等光束发散条件下，系统仍能实现足够的信号功率，从而支持使用更简单的PAT机制。
• 背景噪声和大气衰减在模型中可被有效管理，尤其是在能见度良好、天空晴朗的条件下。
• 研究结果支持使用发散光束，这能显著降低对HAP和地面站高精度跟踪系统的需求。
• 系统在广泛的环境条件下均保持可行性，包括中等气溶胶负荷和多变的天气模式。
• 本研究证实，基于HAP的QKD可支持区域或国家级量子通信网络所需的长距离安全密钥交换。