日本信息通信研究机构成功进行密钥共享的光传输试验

编译：学术plus高级观察员乔

(相关资料图)

本文主要内容及关键词

1. 简介：NICT成功在东京晴空塔至地面移动基站之间进行了密钥共享的光传输验证试验。

2. 计划：基于本次论证的成果，将继续开发可搭载在微型卫星等中的物理层密码和量子密码通信技术。

内容主要整理自外文网站相关资料

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机构介绍

日本信息通信研究机构（National Institute of Information and Communications Technology；缩写：NICT），是隶属于日本总务省的国立研究开发法人，总部位于日本东京都小金井市，下设电磁波研究所、网络研究所、网络安全研究所、未来ICT研究所、量子ICT协创中心等。

日本NICT的logo

01试验内容

1.1 亮点

此次研发是日本总务省信息通信技术（ICT）重点研究开发项目中“卫星通信中的量子密码技术研发”的一部分。

下一代太空系统技术研究组合（NeSTRA，神奈川县横滨市），信息通信技术研究机构（NICT，总部位于东京都小金井市），株式会社索尼计算机科学研究所（Sony CSL，总部位于东京都品川区），东京大学大学院工学系研究科（位于东京都文京区）和SKY Perfect JSAT株式会社（总部位于东京都港区），受总务省委托进行“卫星通信中的量子密码技术研发”。自2018财年开始实施以来，其一直在研发可应用于超小型卫星上的量子密码通信技术（指即使计算技术进步也没有被破译危险的密码技术）；并开发了地面测试模型（移动式光学地面基站），以共享无法窃听的密钥，提升服务的实用性。

2022年12月9日，上述合作机构在东京晴空塔（又称东京天空树）至上野恩赐公园第一停车场之间约3公里的距离内，进行了地面间光传输模拟试验，以共享具备信息论安全性的密钥。合作机构确认，在低轨道卫星（如国际空间站）和地面基站之间，以及传输条件比预想损失更为严重的情况下，接收到 10G clock的微弱光信号包；成功验证了应用低轨道卫星和地面移动基站之间的光通信技术进行安全的密钥共享技术（以物理层加密而不会被窃听和解密的密钥共享）。

图1 试验中使用的移动式光学地面基站

1.2 分工

下一代太空系统技术研究组合（NeSTRA）：是一家运用最尖端技术的太空产业技术研究机构。机构旨在通过与日本其他公司和研究机构合作，利用民生电子技术和加工技术，促进先进且低成本航天器的开发，加强日本航天工业的竞争力。此次负责内容：系统集成和测试、车载计算机开发。

信息通信研究机构（NICT）：是日本唯一一家专门从事信息通信领域的官方研究机构，其以综合视角推动信息通信技术从基础到应用的研发；并与大学、产业界、国内外研究机构开展合作。此次负责内容：实验设备开发、实验的主导、数据处理。

东京大学大学院工学系研究科：除了工学教育外，在研究方面强调基础研究，重视推动开拓新视野的举措。此次负责内容：视距通信QKD（Quantum Key Distribution：量子密钥分发）等的理论研究等。

SKY Perfect JSAT：日本唯一一家同时拥有太空业务和媒体业务的商业公司。在太空业务方面，拥有并运营16颗地球静止轨道卫星30多年，并提供各种卫星通信服务，如面向飞机和船舶的互联网线路，以及发生灾害时的备用线路等；此外还推动构建面向所有空间的创新通信网络和全球数据收集网络，以实现超级智能社会。在媒体业务中，除了付费多频道广播服务等，还通过媒体解决方案业务来实现业务多元化。此次负责内容：实验设备开发、实验环境提供、进度管理、实验统筹管理。

02项目简介

图2 卫星通信中量子密码技术的研发示意图

据日本总务省公布的2018年度新研发课题基本计划书，“卫星通信中量子密码技术的研发”项目概况如下。

研发背景和目标：今后不断扩大的人造卫星业务中，数据通信将起着重要的作用，对网络攻击的准备是十分必要的。

政策目标：开发可搭载在超小型卫星上的量子密码通信技术，实现具有安全性（信息理论安全性）的卫星通信网，即使计算技术不断发展也不会被窃听解读或被篡改数据。

研发目标：开发可搭载在超小型卫星上的量子密码通信技术、移动式光学地面基站及飞行器用空间光通信技术，通过飞机等进行验证实验。特别是验证以下技术：在相当于低轨道卫星——光学地面基站之间典型的空间光通信路径损耗的50dB左右的空间光通信路径中，以超过10kbps的速度发送具备信息理论安全性的密钥。

技术课题

可搭载在超小型卫星上的量子密码通信技术（装置的小型化和轻量化技术；生成密钥的高速化技术）；

移动式光学地面基站的开发（用于光学地面基站的空间光通信设备的小型化、轻量化技术；光学地面基站的移动化技术）；

飞行器用空间光通信技术（飞行器用空间光通信设备的小型化、轻量化技术；飞行器用捕捉跟踪技术）；

通过飞机等进行的验证实验（RF线路收发技术；集成验证实验）。

实现目标

加密装置的尺寸和重量，须可搭载在超小型卫星上；在由飞行器和地面基站构成的损失50dB左右的空间光通信路径中，以上文技术课题中所述方式超过10kbps的密钥生成速度验证；

空间光通信路径中，搭载在飞行器上的空间光通信装置与移动式光学地面基站间的总损失为50dB以下的耦合效率，且可实现超过10kbps的密钥生成速度的移动式光学地面基站；等。

总务省相关举措

研发期间：对超小型卫星、空间光通信、量子密码、现代密码等相关领域的国内外研发动向、商业动向以及研发期间明确的技术课题进行共享及详细调查；针对以搭载此次研发成果的卫星进行高加密通信的验证实验，规划后续研发；在会议和展览会上公布成果，参加国际合作活动等，使此次研发成果在国际上得到普及和推广。

研发期结束后：为了建立安全的卫星通信网，就今后的研发和社会推广等计划实施评估，以得到外部建议；跟踪对卫星搭载的研发和技术的产品化等成果推广状况，并应需征求外部建议；为了增加研发成果推广机会，推进需求与思路的对接，例如参加国内外会议、推广研发成果等。

03结语

NICT称，在本次研发项目中，将继续把研发成果用于实际验证，旨在实现超小型低轨道卫星与地面之间的量子密码和物理层密码通信，实现通信的高加密化。还将根据此次试验成果，在国际空间站（ISS）和地面之间进行最终试验。太空产业作为发展最快的产业之一而备受瞩目，预计卫星将用于各种用途。数据通信尤其需要进一步提高安全级别，有望得到更广泛的应用。基于本次成果，今后将继续开发可搭载在微型卫星等中的物理层密码和量子密码通信技术，以期实现安全的卫星通信网。

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