面向当前与近期任务的实用卫星量子密钥分发架构评估

量子密钥分发（QKD）能够突破计算复杂度范式生成密码密钥，适用于需要长期安全的保密数据传输。然而，由于信号衰减的指数级增长，基于光纤的 QKD 通信距离被限制在几百公里以内。卫星 QKD（SatQKD）则可以利用自由空间光链路建立长距离连接，实现全球规模的 QKD。本文回顾了共同构成各种可能 SatQKD 架构的诸多设计选择。这些选择包括 QKD 协议及其物理实现方式，以及卫星轨道、光链路方向和是否使用可信节点中继。随后，我们从密钥生成吞吐量、延迟和最大可达通信距离，以及系统级安全性和实现复杂度等方面对这些可能的 SatQKD 架构进行了评估。鉴于实现 SatQKD 系统的技术挑战，对于近期的卫星任务，坚持采用仍能提供 QKD 服务的最简架构至关重要。因此，我们确定将低轨卫星作为可信节点、采用弱激光脉冲的制备与测量离散变量 QKD 下行链路是推荐方案。由于安全证明的成熟性、高密钥生成率和低系统复杂度，BB84 的诱骗态版本被认为是极具前景的 QKD 协议。当前和计划中的众多 SatQKD 任务正在采用这些架构选择，进一步证实了这些发现。