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城域网中量子与经典光共纤传输技术研究

中国电子科学研究院学报 2021年第11期16卷 1150-1155页

作者：张平罗广军许华醒王昌雷王少华中国电子科学研究院北京100041 中国电子科技集团公司第三十四研究所广西桂林541004

基于光纤信道的量子密钥分发(QKD)方案,为了避免经典光信号对量子信号的干扰,量子通信通常额外使用独立的光纤来进行传输,这就造成了对光纤资源的大量消耗,实现量子与经典光共纤传输是QKD走向实用化的重要途径。城域网是QKD应用的主要... 详细信息

基于光纤信道的量子密钥分发(QKD)方案,为了避免经典光信号对量子信号的干扰,量子通信通常额外使用独立的光纤来进行传输,这就造成了对光纤资源的大量消耗,实现量子与经典光共纤传输是QKD走向实用化的重要途径。城域网是QKD应用的主要场景之一,文中针对城域网量子与经典光信号共纤传输应用,开展了系统的理论建模和仿真分析,详细研究了经典光信号与量子光信号同向传输和反向传输、传输距离、经典光信号功率等对QKD误码率和成码率的影响。仿真结果显示:基于BB84协议,当经典信号光功率为10 dBm时,量子光信号与经典光信号同向共纤传输系统的最大传输距离可达到85.5 km,验证了量子与经典光信号共纤传输系统在城域网应用是可行的。

关键词：量子密钥分发量子通信经典通信共纤传输拉曼散射

量子信号与经典光信号共纤传输中的噪声消除机制研究

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量子信号与经典光信号共纤传输中的噪声消除机制研究

作者：卢奕杉北京邮电大学

学位级别：硕士

基于海森堡不确定原理、测量塌缩原理和量子态不可克隆原理的量子密钥分配(Quantum Key Distribution, QKD)技术可以实现绝对安全的保密通信。目前,基于单光子的点对点QKD技术已经取得了巨大的进步,为了使QKD得到更广泛的应用,如何将微... 详细信息

基于海森堡不确定原理、测量塌缩原理和量子态不可克隆原理的量子密钥分配(Quantum Key Distribution, QKD)技术可以实现绝对安全的保密通信。目前,基于单光子的点对点QKD技术已经取得了巨大的进步,为了使QKD得到更广泛的应用,如何将微弱的量子信号与功率较高的经典光信号复用到同一根光纤中进行传输成为亟待解决的关键问题。本文主要针对量子信号与经典光信号共纤传输中的噪声消除机制进行研究。一、提出了一种用户信道交织的非等间隔波长分配方案。针对共纤传输中的噪声问题,本文充分研究了四波混频、拉曼散射等非线性效应以及信道间串扰对量子信号及系统量子误比特率的影响,确定了四波混频在所有噪声中处于主导地位。然后提出了一种用户信道交织的非等间隔波长分配方案,可以有效避免或削弱共纤传输中非线性效应及信道间串扰对量子信号的影响。二、自主开发四波混频效应仿真软件,并进行方案的仿真与验证。利用MATLAB用户图形化界面编写四波混频效应仿真软件,实现对仿真参数的快捷设置及仿真结果的读取和分析,并验证了用户信道交织的非等间隔波长分配方案的可行性。三、提出了一种基于MapReduce的算法,实现对本文所提波长分配方案中非等间隔的快速计算。本文首先分析了非等间隔的计算问题属于NP完全的整数线性规划问题,并利用整数线性规划实现了信道数较少情况下的求解,然后提出了一种基于MapReduce的算法以解决整数线性规划算法在时间复杂度方面的不足,最后通过仿真验证了当信道规模不断增大时MapReduce算法在运算效率方面的优势。

关键词：量子密钥分配共纤传输四波混频波长分配方案

量子信号与经典光信号共纤传输中的噪声抑制波长分配方案

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量子信号与经典光信号共纤传输中的噪声抑制波长分配方案

作者：张鹏北京邮电大学

学位级别：硕士

量子密钥分发（Quantum Key Distribution,QKD）技术依靠量子力学的三大定律,能够大大提升通信过程的安全性。为了推广QKD的大规模应用,将QKD与现有光网络融合成为了关键一步。在融合方案中,采用将量子信号与经典信号通过一根光纤传输... 详细信息

量子密钥分发（Quantum Key Distribution,QKD）技术依靠量子力学的三大定律,能够大大提升通信过程的安全性。为了推广QKD的大规模应用,将QKD与现有光网络融合成为了关键一步。在融合方案中,采用将量子信号与经典信号通过一根光纤传输的共纤传输技术具有提高传输容量以及减少成本等优势,利于实际应用。然而共纤传输时,由于经典信号功率较强,其产生的噪声会对量子信号造成严重影响,因而如何减少共纤传输过程中量子信号受到的噪声成为了亟待解决的难题。本文将针对量子信号与经典光信号共纤传输过程中的噪声抑制波长分配方案进行研究。具体创新性工作如下:第一,提出了量子信号与经典光信号分段或交织两种波长分配方案。针对已有的波长分配方案算法复杂,且不便于实际工程应用的问题,本文通过研究共纤传输过程中的噪声,理论分析了四波混频和拉曼散射为主的噪声特性,进一步提出了更为实用的量子信号与经典光信号分段或交织两种波长分配方案。其中分段方案将量子信号置于高频段而经典信号置于低频段,交织方案则将两种信号采用频率交织的放置方法,并且两种方案通过精心设计量子-量子、经典-经典、量子-经典三种信道间隔来大大降低量子信号受到的噪声影响。通过在标准单模光纤中的仿真分析与实验测量,结果表明两种方案都能够基本消除四波混频的噪声干扰,并且在文中仿真条件下,通过合理的信道间隔设置,分段和交织方案分别能最多降低约30%和5.3%的拉曼散射噪声。进一步对比在同等带宽条件下的两种方案,交织方案相比分段方案能够提升14%的安全密钥速率,表明标准单模光纤中交织方案更为适用。此外,还实验测量了同等带宽条件下利用多芯光纤传输,且量子信号与经典信号置于不同纤芯时两种方案的性能,结果表明分段方案在该场景下更为适用。第二,提出了选择性噪声避免方案。针对已有波长分配方案中,完全避免四波混频噪声所带来的拉曼散射抑制性能降低以及信道资源利用率低下等问题,提出了选择性噪声避免方案。该方案通过有选择地避免简并或非简并四波混频,减少对于量子信道的频率限制,从而提升对于拉曼散射噪声的抑制程度,同时提高了信道资源利用率。通过仿真分析以及实验测量,在文中仿真条件下,相比其它常见的波长分配方案,选择性噪声避免方案最多能够降低约18.6%的噪声。此外,实验测量了多芯光纤中量子信号与经典信号共芯与不共芯传输时的性能。相比传统方案,选择性噪声避免方案在共芯时能够降低24%～79.6%的噪声,不共芯时也能够降低11%～24%的噪声,表明选择性噪声避免方案在多芯光纤中同样具有优势。

关键词：量子密钥分发共纤传输四波混频拉曼散射波长分配

支持量子和经典信号共纤传输的波长分配与交换技术

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支持量子和经典信号共纤传输的波长分配与交换技术

作者：叶梦荷北京邮电大学

学位级别：硕士

随着计算机技术的高速发展,建立在计算复杂度基础上的传统密钥加密系统正面临着非常严峻的考验。同时现代社会对保密工作又日益重视,国防、军事、金融等对信息安全要求较高的领域急需一种足够安全的密钥体系。量子保密通信所使用的量子... 详细信息

随着计算机技术的高速发展,建立在计算复杂度基础上的传统密钥加密系统正面临着非常严峻的考验。同时现代社会对保密工作又日益重视,国防、军事、金融等对信息安全要求较高的领域急需一种足够安全的密钥体系。量子保密通信所使用的量子密钥是采用单光子的量子态或纠缠态等作为载体进行分发的,该技术建立在量子力学三大定律的基础上,确保密钥被窃取之后可以被及时的发现,从而使得量子密钥具有无条件安全性。因此量子保密通信成为目前的一大研究热点。由于量子信号的单光子特性,其信号强度相当微弱,在网络中进行传输和交换时都和经典信号有所不同。尽管量子通信领域已经在量子材料及技术方面取得了一定的成就,但还无法满足搭建实用的量子通信网络的需求。目前世界上已建成的量子密钥分配示范网络都是基于经典光网络的,我们研究重点就是量子信号和经典信号的共纤传输方法和相应的量子交换技术。本文在研究了量子信号与经典信号共纤传输的可行性后提出一种信道分配方法,并通过仿真结果分析了其有效性。紧接着本文提出了一种符合其需求的量子交换节点模型,两者相辅相成,可以有效的实现量子密钥分配网络与光网络的融合,提高量子密钥分配网络的通信效率。本文还就我们所搭建的点对点量子密钥分配功能验证系统的结构及工作原理做了详细介绍,并结合量子密钥组网技术提出了一些实验方案,可以通过点对点量子密钥分配系统的拓展实现,本文所提出的信道分配方法和节点模型也可以在拓展后的实验网络上进行功能验证。尽管量子保密通信在近十多年来取得了很大进展,但是仍有很多技术需要进一步的研究,本文在最后对量子通信的未来做出了展望。

关键词：量子密钥分配共纤传输资源分配量子交换节点

开放型量子保密通信系统架构及共纤传输技术研究与实验

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电信科学 2018年第9期34卷 28-36页

作者：唐建军李俊杰张成良丛煜华龚浩敏中国电信股份有限公司北京研究院北京102209 科大国盾量子技术股份有限公司安徽合肥230088 烽火通信科技股份有限公司湖北武汉430205

量子保密通信因其具有理论上的无条件安全性,在国防、金融、政务、商业等领域的应用潜力巨大,同时也对通信网络提出了一定的要求。在研究量子保密通信的基础上,提出了开放型量子保密通信的系统架构;同时为了更好地与现有通信系统融合,... 详细信息

量子保密通信因其具有理论上的无条件安全性,在国防、金融、政务、商业等领域的应用潜力巨大,同时也对通信网络提出了一定的要求。在研究量子保密通信的基础上,提出了开放型量子保密通信的系统架构;同时为了更好地与现有通信系统融合,提出了一种量子密钥分发(QKD)系统与大容量光通信系统共纤传输方案,并通过实验验证了QKD系统和80×100 Gbit/s DWDM系统共纤传输的可行性,在超过100 km共纤(G.654超低损光纤)传输条件下同时实现了QKD成码率超1 kbit/s和8 Tbit/s DWDM系统无误码传输。

关键词：量子保密通信共纤传输波分复用

量子信号与经典光信号共纤传输中的噪声抑制技术

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电信科学 2018年第9期34卷 37-47页

作者：孙咏梅牛佳宁纪越峰北京邮电大学信息光子学与光通信国家重点实验室北京100876

目前基于光纤的点对点量子密钥分配所需的器件和系统技术正逐步成熟并呈现商业化应用趋势,因此如何将量子信号和经典光信号复用在一根光纤中以大幅提高系统容量和节约光纤资源成为学术界近年来关注的热点问题之一。主要研究了量子信号... 详细信息

目前基于光纤的点对点量子密钥分配所需的器件和系统技术正逐步成熟并呈现商业化应用趋势,因此如何将量子信号和经典光信号复用在一根光纤中以大幅提高系统容量和节约光纤资源成为学术界近年来关注的热点问题之一。主要研究了量子信号与经典光信号共纤传输中的噪声抑制问题,首先分析四波混频和拉曼散射这两种主要噪声因素对量子信道产生的影响;然后针对不同信道间隔和不同传输距离的应用场景分别提出了一种基于非等间隔波长分配的四波混频噪声抑制算法以及一种针对四波混频和拉曼散射进行联合优化的波长分配算法;最后采用仿真验证了所提算法的性能优越性,为未来不同应用场景下的量子信号与经典光信号共纤传输提供了良好的技术方案。

关键词：量子密钥分配共纤传输四波混频拉曼散射噪声抑制波长分配

量子密钥分发系统与经典光通信系统共纤传输分析

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电子技术（上海） 2022年第5期51卷 104-105页

作者：张启发安徽问天量子科技股份有限公司安徽241002

阐述量子信号与经典信号共纤传输的技术难点和解决办法,结合实际经典网络特点,提出了量子密钥分发系统与经典光通信系统共纤传输方案,为量子密钥分发系统与经典光通信系统共纤传输技术进一步研究提供参考,从而促进量子密钥网络的发展。

关键词：光通信系统量子信号共纤传输量子密钥分发

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基于量子安全的电力通信网资源管理技术研究

基于量子安全的电力通信网资源管理技术研究

作者：韦华燊北京邮电大学

学位级别：硕士

随着新能源出行、物联网、智能家居、智能电网等概念和技术逐步落地,接入用户数量迅速增长,网络边界日益模糊,电力通信网的通信安全威胁日益增大,迫切需要先进的加密技术保障信息通信安全。由量子力学的三条基本物理定律可知,量子密钥分... 详细信息

随着新能源出行、物联网、智能家居、智能电网等概念和技术逐步落地,接入用户数量迅速增长,网络边界日益模糊,电力通信网的通信安全威胁日益增大,迫切需要先进的加密技术保障信息通信安全。由量子力学的三条基本物理定律可知,量子密钥分发(Quantum Key Distribution,QKD)和“一次一密”技术相结合可以在理论上实现两个用户之间的远程信息安全传输。因此,将QKD与现有的电力通信网融合组网,能够更好地保障现有电力业务传输的安全,是未来电力通信网发展的一个重要方向。利用共纤传输技术(即量子信号与电力通信光信号在同一根光纤中传输)在电力通信网中部署QKD技术时,需要考虑电力通信光信号与量子信号的资源竞争问题,在电力业务的可靠性和安全密钥生成率(Secure Key Rate,SKR)两者之间取得平衡。本文聚焦于QKD技术与不同电力通信网融合组网过程中的资源管理技术,结合不同的电力通信网场景,分别提出了相对应的资源管理方案。具体创新性工作如下:第一,提出了一种量子安全配电通信网络中噪声抑制的自适应功率控制方案。在量子安全配电通信网中,基于网络流量数据的潮汐特征和量子密钥池的管理能力,本文设计了一种TWDM-PON(Time Wavelength Division Multiplexing Passive Optical Networks)网络架构以及自适应功率控制方案,有效地减少噪声对量子信号的干扰。自适应功率控制方案在确保电力通信光信号被接收机无误码接收的前提下,根据量子密钥池的密钥资源情况动态调整电力通信光信号的发射功率,从而降低对量子信号的噪声干扰,提高安全密钥生成率,达成共同优化电力业务的可靠性和安全密钥生成率的目标,使得密钥资源短缺时提高安全密钥生成率,充足时优先提升电力业务的可靠性。结果表明自适应功率控制方案相比最小功率控制方案和无功率控制方案,能够有效地降低密钥池中密钥资源耗尽或溢出的概率,将密钥资源维持在一个安全可用的水平。与此同时,电力业务的可靠性没有降低,该方案在集中采集模式和随机补采模式两种数据采集模式下的平均Q因子分别比最小功率控制方案至少提升了 14.58%和 196.4%。第二,提出了一种量子安全电力数据中心网络中流量感知的业务重构方案。在量子安全电力数据中心网络场景中,基于网络流量数据的重尾分布特征,本文设计了一种量子安全电力数据中心网络中流量感知的业务重构方案,旨在减少业务重构对电力业务影响的同时提高网络的安全密钥生成率。首先,该方案使用机器学习算法预测网络的流量数据趋势,在确保电力业务被接收机无误码接收的前提下,在网络业务的闲暇时间段利用流量感知的业务重构算法对电力业务的发射功率、量子业务的波长进行重构,以最大化安全密钥生成率。随后,确定了合适的重构阈值以及QKD设备数,用尽可能少的业务重构次数最大化密钥生成率。结果表明流量感知的业务重构算法相比波长未重构算法和波长重构算法,安全密钥生成能力有显著的提升,能够有效地提高网络的安全密钥生成总量,至少提升了 24.18%。最后对比不同网络拓扑中的密钥生成能力可知,在流量数据大小一定时,网络节点数量的增加会提升网络的密钥生成能力。

关键词：量子密钥分发电力通信网共纤传输噪声抑制资源分配量子密钥池

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超低损耗光纤在量子保密通信中的应用研究

电力信息与通信技术 2018年第4期16卷 24-28页

作者：姜利民陈皓中南电力设计院湖北武汉430071 康宁光通信中国上海200233

量子保密通信技术(Quantum Key Distribution,QKD)是提升电网信息安全传输的重要手段。由于量子保密通信系统在器件上的局限性,目前只能实现百公里以内的传输距离。为提升传输距离,除了在传输设备、器件和编码技术进行优化以外,降低线... 详细信息

量子保密通信技术(Quantum Key Distribution,QKD)是提升电网信息安全传输的重要手段。由于量子保密通信系统在器件上的局限性,目前只能实现百公里以内的传输距离。为提升传输距离,除了在传输设备、器件和编码技术进行优化以外,降低线路光纤衰减也是有效的技术手段之一。文章介绍了用于电力通信系统超长跨距传输中的超低损耗光纤及其在量子保密通信系统中的应用,并且通过实验验证了在量子保密通信系统中,超低损耗光纤相比于常规G.652光纤,可实现更长的传输距离或更高的成码率。

关键词：超低损耗光纤量子密钥分发传输距离共纤传输