评估点到点QKD设备和网络部署的QKD设备的性能

一、核心性能评估维度

1. 密钥生成速率（Key Generation Rate, KGR）

• 定义：单位时间内可生成的安全密钥量，是 QKD 设备的基础性能指标。
• 点到点设备：
  • 影响因素：光纤损耗、量子光源效率、探测器灵敏度、编码协议（如 BB84、E91）。
  • 典型值：10 km 光纤下 KGR 可达 10 Mbps 以上，100 km 时降至 1 kbps 左右。
• 网络部署设备：
  • 影响因素：除上述因素外，还受中继节点数量、密钥中继效率（如可信中继的存储 - 转发延迟）影响。
  • 典型值：跨城市网络（百公里级）的端到端 KGR 可能低于 1 kbps，需通过多链路并行提升总速率。

2. 传输距离（Transmission Distance）

• 点到点设备：
  • 无中继极限：基于当前技术，单模光纤中量子信号传输约 120-150 km 后，误码率会显著上升，需通过中继扩展。
  • 扩展方案：采用级联式点到点链路（如每 50 km 部署一个中继站），但会降低整体 KGR。
• 网络部署设备：
  • 依赖中继技术：可信中继网络可通过多节点中继实现千公里级传输（如 “墨子号” 卫星与地面站的星地 QKD），但每增加一个中继节点，密钥生成延迟增加约 10-100 ms。

3. 误码率（Bit Error Rate, BER）

• 定义：密钥生成过程中错误比特的比例，直接影响密钥安全性（误码率过高会导致密钥不可用）。
• 标准阈值：通常要求 BER < 1%（不同协议略有差异，如 BB84 协议安全阈值约为 2.4%）。
• 影响因素：
  • 光纤噪声、探测器暗计数、环境干扰（温度、振动）。
  • 网络部署中，中继节点的信号处理误差会累积误码率。

4. 安全成码率（Secure Key Rate, SKR）

• 定义：考虑误码率和窃听检测后，实际可用于加密的安全密钥速率，是衡量 QKD 安全性的核心指标。
• 计算公式：SKR = KGR × [1 - f (BER) × H (BER)]，其中 f (BER) 为纠错效率因子，H (BER) 为香农熵。
• 对比：
  • 点到点设备在最优条件下（如短距离、低噪声）SKR 可达 KGR 的 80% 以上。
  • 网络部署设备因中继引入的误码和延迟，SKR 可能降至 KGR 的 10% 以下。

5. 系统稳定性与可靠性

• 连续运行时间：设备无故障运行的时长，点到点设备通常要求≥99.9% 可用性，网络设备需≥99.99%。
• 环境适应性：耐温范围（如 - 20℃~60℃）、抗电磁干扰能力（如 100 V/m 电磁场下 BER 无显著上升）。
• 故障恢复时间：网络设备需支持自动切换链路（如主备光纤切换时间 < 50 ms）。

二、网络部署特有的性能指标

1. 端到端延迟（End-to-End Latency）

• 定义：从发送端生成量子信号到接收端获得安全密钥的总时间。
• 点到点场景：通常为微秒级（如 10 km 光纤延迟约 50 μs，加上信号处理约 1 ms）。
• 网络场景：每增加一个可信中继节点，延迟增加约 10-100 ms，跨城市网络延迟可达毫秒级（如北京到上海通过 10 个中继节点，延迟约 10 ms）。

2. 网络拓扑兼容性

• 支持的拓扑结构：
  • 点到点设备：仅支持直连拓扑。
  • 网络设备：需支持星型、环型、网状网等拓扑（如环型拓扑可实现链路冗余，提升可靠性）。
• 多用户接入能力：支持同时为多个节点分发密钥的数量（如核心节点需支持≥100 个接入节点）。

3. 密钥管理效率

• 密钥更新周期：网络设备需支持动态密钥更新（如每 10 分钟自动更新），避免密钥长期使用的风险。
• 密钥分发并发数：核心节点可同时为多个链路分发密钥的数量（如≥100 路并发）。

三、实际测试与评估方法

1. 实验室测试

• 测试环境：搭建可控的光纤链路（如 20 km、50 km、100 km），模拟不同损耗场景。
• 测试工具：
  • 光谱分析仪：检测量子光源的中心波长、线宽（如 1550 nm 波段，线宽 < 1 nm）。
  • 误码率测试仪：注入模拟噪声，测试设备在不同 BER 下的 SKR。
  • 温度 / 振动模拟器：验证设备在极端环境下的稳定性。

2. 现场测试

• 实际链路部署：在真实光纤网络中测试（如城域网、长途干线），记录以下数据：
  • 不同时段的 KGR 波动（如白天因光纤温度变化导致 KGR 波动≤10%）。
  • 抗干扰能力（如附近施工产生的电磁干扰是否影响 BER）。
• 网络级测试：模拟多节点中继场景，测试端到端延迟、密钥分发成功率（如 10 个中继节点下，密钥分发成功率≥95%）。

3. 安全性验证

• 窃听模拟测试：通过弱相干光注入、时间抖动攻击等方式，验证设备的窃听检测能力（如攻击时系统应能实时报警并中断密钥分发）。
• 第三方审计：委托独立机构进行安全认证（如 ISO/IEC 18033-7 量子密钥分发标准合规性测试）。

四、应用场景与性能优先级

五、典型厂商与产品性能对比（示例）

总结