CN102769527A - 基于大规模单原子腔体量子网络的组网方法 - Google Patents

Abstract

一种基于大规模单原子腔体量子网络的组网方法，其流程为：(1)组建基于单原子腔体的量子密钥分发层，构成量子网络；(2)建立经典通信网络与量子密钥分发层相结合的模型；(3)量子密钥分发层中的量子节点、量子链路性能通过上行链路映射到经典通信网络中对应的经典网络节点和经典链路上；(4)经典通信网络执行最高分发效率路径路由算法；(5)获取的经典路由信息传输到量子密钥分发层并协助对应的量子节点；(6)量子节点之间按照得到的经典信息在量子密钥分发层建立合适的量子路径；(7)量子路径建立后，进行后续的量子密钥分发操作。本发明具有原理简单、操作简便、易实现、适用范围广、能够增强量子网络实用性和可扩展性等优点。

Description

基于大规模单原子腔体量子网络的组网方法

技术领域

本发明主要涉及到大规模量子通信网络领域，特指一种基于大规模单原子腔体量子网络的组网方法。

背景技术

量子通信是量子论和信息论相结合的产物，是通信和信息领域研究的前沿。其中，量子密钥分发(Quantum Key Distribution，QKD)技术是现今发展比较成熟的量子通信技术。量子密钥分发能够在两个远距离通信方之间绝对安全的共享密钥，这个过程是由量子力学的不可克隆原理和测不准原理保证而不是经典密钥分配所依赖的计算复杂度，从而让密钥系统的安全性提高到了一个新的高度。目前有限节点(n≤10)的量子密钥分发网络已经得到实现部署。量子密钥分发网络在民用领域和军事领域均有着广泛的应用前景。

当前所实现的量子密钥分发网络大致可以分为三类：基于无源光学器件的、基于可信中继的和基于量子中继器的。基于无源光学器件的量子密钥分发网络其节点可以利用光学开关、波分复用器件、同时采用时分复用技术、频分复用技术等来实现。

利用经典光学器件(例如光分束器/合束器。光开光，光波分复用设备等)在网络节点处构造的量子密钥分发网络可以实现多用户之间的量子密钥分发；其网络拓扑结构有环型、总线型、树型、星型等。

由信任节点构成的量子密钥分发网络是利用多个“点到点”量子密钥分发装置为链路，在节点处利用信任的中继方来进行“路由”而组成的量子密钥分发网络。在这种网络中，每组密钥在相邻两个节点之间进行独立分发。信任中继是在现实技术条件下对点对点量子密钥分配的网络扩展模式，其核心目标是利用点到点量子密钥分发技术来建立任意长距离的安全通信，这种网络节点由信任方进行中继量子密钥，即信任节点功能是独立地存储、发送、以及管理生产的密钥。

目前利用纠缠光子对进行密钥传输，在光纤中有效距离可达100km，在自由空间内有效距离可达144km。光子吸收和去相干随信道长度指数衰减，经典通信中可以利用中继器来放大和重生信号。量子的特殊物理特性，直接对量子信息进行操作是不行的，由此提出了量子中继器的概念。利用纠缠光子对的纠缠交换等一系列操作来扩展量子密钥的最大分发距离。基于量子中继器的量子密钥分发网络是构建未来全球量子密钥分发网络的基础也是必然发展趋势。

由于量子状态的不可克隆和测不准原理，以上类型的量子网络实现都是由点对点量子链路构成的，也就是只能实现点对点之间的量子密钥分发，无法实现类似经典通信网络中远距离通信方之间，可以经过多个中间节点的信息传递和分发功能。目前已经实现的量子网络中，量子节点内部无存储功能，量子信息无法在不同量子节点之间进行“存储-转发-存储…”操作，进而无法通过中间量子节点来完成远距离通信方之间的量子密钥分发功能。

为了克服量子信息在量子信道传输过程中衰落，利用量子节点代替光学节点对量子信息进行变换能够有效的提高传输距离，具有这种功能的量子节点通常称之为量子中继器(Quantum Repeater)。量子节点间的链路传输利用纠缠光子源为信息载体进行密钥分发。这些纠缠光子到达节点时不免夹杂部分噪声，为了使得在这些链路之间传输的纠缠光子具有非常好的纠缠性能，需要利用量子存储器，量子非破坏测量技术，以及纠缠纯化技术来提高纠缠光子对的纯度。在经典通信网络中，为了能够扩展量子状态在链路中的传输距离，基于原子系综和线性光的量子中继器得到广泛关注和研究。利用原子之间的纠缠来存储光子之间的纠缠，原子系综可以作为量子中继器内部所需的量子存储器。

有从业者提出了一种基于光腔体的原子-光子量子接口的实现，使用它来纠缠一个原子和一个光子。然后，把原子的量子状态映射到第二个光子，也就是单个静止原子作为量子存储器，单个飞行的光子作为量子使者。

理想的光量子存储器：1.能够接收和重造光量子比特；2.能够比其他经典设备更好的存储未知量子比特。目前量子存储器的发展：单光量子和物质之间的信息交换。这种存储器用于实际应用的根本好处：1.反对不可避免的损耗和有限的效率，可以采用预示机制，通过测量状态的方法，来指示一个光子的存储是否成功；2.允许独立的量子比特操作。

最新研究表明这种量子存储器的基本实现：通过映射光的偏振状态到一个原子或者从原子读出，这个原子是受困在光腔中的。采用全量子过程层析成像来分析性能，平均保真度达93％，低消相干速率使得存储时间可达180μs。这使得该系统可用于量子门和量子中继器。

虽然目前该类型量子存储器实现的各项指标还不是很高，但是该量子存储器的演示实现具有重大意义。如果量子通信网络中的量子节点中包含该量子存储器，那么量子信息就可以在量子节点之间“存储-转发-存储…”。这样量子节点具有了存储转发功能。那么基于该量子存储器的量子通信网络在一定条件下可以和经典通信网络进行类比。

目前，部署的量子密钥分发网络其节点都是有限的。不同用户之间的量子密钥分发：如果是基于光学器件的量子密钥分发网络，用户之间的链路切换采用的是光交换开关；如果是采用信任中继的量子密钥分发网络，首先是点对点之间协商密钥，产生的密钥传输到上层，由上层经典网络来完成远距离用户之间的密钥分发。这里就遇到一个问题，如果量子网络结构和规模变得复杂和庞大时，不同用户之间如何在众多不同量子链路中，寻找一条最佳的路线就成了一个棘手的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种原理简单、操作简便、易实现、适用范围广、能够增强量子网络实用性和可扩展性的基于大规模单原子腔体量子网络的组网方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种基于大规模单原子腔体量子网络的组网方法，其流程为：

(1)组建基于单原子腔体的量子密钥分发层，构成量子网络；所述量子网络中的量子节点由单原子腔体构成；

(2)建立经典通信网络与量子密钥分发层相结合的模型；所述经典通信网络与量子密钥分发层形成上、下层架构，经典通信网络与量子密钥分发层之间通过上、下行链路连接；量子节点在经典通信网络中存在一一对应的经典节点，使用经典节点标识量子节点的存在；

(3)量子密钥分发层中的量子节点、量子链路性能通过上行链路映射到经典通信网络中对应的经典网络节点和经典链路上，然后将经典通信网络抽象成一个加权有向图；

(4)经典通信网络执行最高分发效率路径路由算法；由于节点性能和链路性能是相互独立的，那么表示节点的权值和表示链路的权值可以做乘法，生成新的权值赋值给边作为新的权值，在有向图中找到一条效率最高的路径；即，在经典通信网络中可以找到一条分发效率最高的路径；

(5)获取的经典路由信息通过下行链路传输到量子密钥分发层并协助对应的量子节点；

(6)量子节点之间按照得到的经典信息在量子密钥分发层建立合适的量子路径；

(7)量子路径建立后，进行后续的量子密钥分发操作。

作为本发明的进一步改进：

在所述量子密钥分发层中，量子节点具备存储和转发功能；在远距离通信方之间链路上的中间量子节点采用“存储--转发”的模式，在需要通信双方之间进行量子信息的传输。

所述最高分发效率路径路由算法的流程为：

(4.1)初始化；集合S保留已知的所有顶点权值，d[]已经是最高分发效率路径的值的顶点，集合Q包含其他所有顶点；开始时，集合Q包含所有顶点，集合S为空；量子节点和相邻量子链路的值做乘积变成新的边权，即最高分发效率w；把源点s放入集合S中；

(4.2)将每个量子节点的顶点权值d[]赋值为从源点s到该节点的最高分发效率值w；与源点s不相邻，则该量子节点的顶点权值d[]为0；开始时，与源点s相邻的顶点权值有非零值，其他量子节点的顶点权值为0；

(4.3)从所有集合S中顶点权值d[]中取权值最大的量子节点，把该量子节点放入集合S，并在集合Q中删除该量子节点；以该量子节点为中间节点更新从源点s能够到达集合Q中的顶点权值；如果新的权值比已经存在的权值大，则用新的权值更新已经存在的权值；

(4.4)判断顶点集合Q是否为空；如果为是，则输出从源节点到其他节点的最高分发效率值及路径；如果为否，则重复执行步骤(4.3)；

(4.5)算法结束。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的基于大规模单原子腔体量子网络的组网方法，原理简单、操作简便、易实现、适用范围广，解决了基于单原子腔体大规模量子网络的架构问题及量子网络中任意通信双方寻找最高分发效率路径的问题。即，能够解决在大规模基于单原子腔体量子网络中，不同量子节点通信方之间寻找最优路径的问题，因此能够增强量子网络实用性和可扩展性，可以满足军事、金融、政府安全等多领域中保密通信的需求。

附图说明

图1是本发明方法流程的示意图。

图2是本发明中经典通信网络与量子密钥分发层相结合的模型的示意图。

图3是本实施例中量子节点和量子链路性能指标抽象图。

图4是本发明中最高分发效率路径路由算法的流程示意图。

图5是在具体应用实例中量子网络抽象后的有向加权图模型示意图。

图6是在具体应用实例中节点A内转发表的示意图。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明基于大规模单原子腔体量子网络的组网方法，是根据量子节点和量子链路的性能指标信息，首先在经典通信网络中找到最佳路由的信息；然后，通过下行链路传输该经典路由信息，并在该经典路由信息的协助下，在量子密钥分发层中找出一条分发效率最高的路径。最后，在通信方之间建立该路径，进而保证量子信息尽可能多的在通信方之间进行传输。

如图1所示，本发明基于大规模单原子腔体量子网络的组网方法，其具体步骤为：

(1)组建基于单原子腔体的量子密钥分发层，构成量子网络；该量子网络中的量子节点由单原子腔体构成。最新研究表明，单原子腔体可以具备存储转发光子的功能。本发明的量子密钥分发层中，量子节点具备存储和转发功能。在远距离通信方之间链路上的中间量子节点，可以采用“存储--转发”的模式，在需要通信双方之间进行量子信息的传输。

(2)建立经典通信网络与量子密钥分发层相结合的模型。如图2所示，经典通信网络与量子密钥分发层形成上、下层架构，经典通信网络与量子密钥分发层之间通过上、下行链路连接；量子节点在经典通信网络中存在一一对应的经典节点，使用经典节点标识量子节点的存在。

(3)参见图3，为量子密钥分发层中量子节点和量子链路性能指标的抽象图。量子密钥分发层中的量子节点、量子链路性能通过上行链路映射到经典通信网络中对应的经典网络节点和经典链路上，然后将经典通信网络抽象成一个加权有向图。

(4)经典通信网络执行最高分发效率路径路由算法；由于节点性能和链路性能是相互独立的，那么表示节点的权值和表示链路的权值可以做乘法，生成新的权值赋值给边作为新的权值。由此可以将问题简化，从而根据本发明所提出的算法可以在有向图中找到一条效率最高的路径。其实，也就是在经典通信网络中可以找到一条分发效率最高的路径。

(5)获取的经典路由信息通过下行链路传输到量子密钥分发层并协助对应的量子节点；

(6)量子节点之间按照得到的经典信息在量子密钥分发层建立合适的量子路径；即，在通信双方的量子节点之间建立一条分发效率最高的量子路径，进而解决大规模基于单原子腔体量子网络中，不同量子节点通信方之间寻找最优路径的问题。

(7)量子路径建立后，进行后续的量子密钥分发操作。

在本发明的最高分发效率路径路由算法中，关键是量子节点和量子链路本身性能指标的确定。本发明中量子节点的性能主要由量子生产效率、存储效率、量子状态保真度及存储时间决定，而量子链路的性能主要由光子传输损耗决定。本发明只考虑在单因素条件下，最优路径的确定，即特定条件约束下的路由选择算法。假设每个量子节点的量子存储时间及量子状态保真度都是确定的，不同的仅是量子生产效率和存储效率。用偏振自由度来编码量子比特，光子损耗降低量子协议的效率，但是不会降低它的保真度。链路对保真度的影响，在本发明的最高分发效率路径路由算法中予以忽略，链路性能仅考虑传输损耗。

本发明的最高分发效率路径路由算法主要用于寻找量子网络最高分发效率路径。综上所述：在确定量子节点的存储时间及量子节点量子状态保真度条件下，影响传输效率的因素为：1.量子生产效率；2.存储效率；3.量子链路的损耗。假设量子信息传输过程中，光子是由专门的发生器来产生的，从寻找效率最高路径的角度看，仅需考虑存储效率和量子链路的损耗这两个因素即可，而且存储效率和量子链路损耗这两个分量是相互独立的。

量子网络的量子密钥分发层中通信双方之间寻找效率最高路径的问题，可以抽象为图论上边加权有向图寻找最佳路径的问题。在具体实施例中，上述量子密钥分发层与经典通信网络相结合模型抽象出来的有向图如图3所示。

按照特点约束情况，量子节点和量子链路都有一个独立性能指标，由于量子节点存储效率R_storage和量子链路传输效率R_transmit这两个性能指标相互独立，可以对该双性能指标进行R_storage×R_transmit处理，得到的结果作为新的唯一考虑的指标，进而将求多参数约束下最高效率路径的问题转化为单参数条件下的问题。

如图3所示，图中边上的数值都是由边权w＝f(R_storage，R_transmit)＝R_storage×R_transmit这个函数得到。

如图4所示，为本发明最高分发效率路径路由算法的流程示意图，根据该算法流程图，对该算法进行详细的说明。

步骤1：初始化；集合S保留已知的所有顶点权值，d[]已经是最高分发效率路径的值的顶点，集合Q包含其他所有顶点。开始时，集合Q包含所有顶点，集合S为空。量子节点和相邻量子链路的值做乘积变成新的边权，即最高分发效率w；把源点s放入集合S中。

步骤2：将每个量子节点的顶点权值d[]赋值为从源点s到该节点的最高分发效率值w；与源点s不直接相邻，则该量子节点的顶点权值d[]为0。开始时，与源点s相邻的顶点权值有非零值，其他量子节点的顶点权值为0。

步骤3：从所有集合S中顶点权值d[]中取权值最大的量子节点，把该量子节点放入集合S，并在集合Q中删除该量子节点；以该量子节点为中间节点更新从源点s能够到达集合Q中的顶点权值。如果新的权值比已经存在的权值大，则用新的权值更新已经存在的权值。

步骤4：判断顶点集合Q是否为空；如果为是，则输出从源节点到其他节点的最高分发效率值及路径；如果为否，则重复执行步骤3。

步骤5：算法结束。

上述算法是通过为每个顶点v保留目前为止所找到的从源点s到顶点v的最高分发效率路径来工作的。初始时，若存在能直接到达的边(s，m)，则把顶点权值d[m]设为节点s到m的分发效率值w(s，m)，同时把所有其他(顶点s不能直接到达的)顶点的权值设为0，即表示不知道任何通向这些顶点的路径。当算法结束时，顶点权值d[v]中存储的便是从顶点s到顶点v的最高效率路径权值，或者如果路径不存在的话是0。

上述算法中维护着两个顶点集S和Q。集合S保留了已知的所有顶点权值d[]的值已经是最高分发效率路径的值顶点，而集合Q则保留其他所有顶点。集合S初始状态为空，而后每一步都有一个顶点从集合Q移动到集合S。这个被选择的顶点是集合Q中拥有最高分发效率的顶点权值d[u]的顶点。当一个顶点u从集合Q中转移到了集合S中，算法对每条外接边(u，v)进行扩展。

因为，所有边权0＜w＜1，如果权值w(u，v)＞w(u，y)，那么必定不会出现权值：

w(u，v)＜w(u，y)×w(y，v)

也就是说，如果存在源点出发的A→B的当前最高分发效率路径，必然不会出现从A→C→B的分发效率比A→B更高。这一特点仅限于从源节点开始的相邻节点的边权。其他路径不在此讨论范围内。

以下将结合图5和一个具体应用实例，来描述从一个源点A到节点E方向上的最高分发效率路径的算法详细实现步骤。其中，图中的边权w＝f(R_storage×R_transmit)＝R_storage×R_transmit对于不同方向如A→B和B→A的边权是不同的。

步骤一、集合S集合选入节点A，此时集合S＝{A}，以节点A为中间点，从节点A开始找，集合Q＝{B，C，D，E，F，G，H}，A→B＝0.81，A→F＝0.855，A→其他集合Q中的顶点＝0，发现A→F＝0.855的权值最高。

步骤二、选入节点F，此时集合S＝{A，F}，此时最高效率路径A→F＝0.855，以节点F为中间点，从A→F＝0.855这条最高效率路径开始找，集合Q＝{B，C，D，E，G，H}，A→F→G＝0.53865，A→F→D＝0.69255，A→F→B＝0.761805，A→F→其他集合Q中的顶点＝0，发现A→B＝0.81的权值最高。

步骤三、选入节点B，此时集合S＝{A，F，B}，此时最高效率路径：

A→F＝0.855

A→B＝0.81

Q＝{C，D，E，G，H}

A→B→C＝0.3969

A→F→D＝0.69255

A→F→G＝0.53865

A→F→其他集合Q中的顶点＝0，发现A→F→D＝0.69255的权值最高。

步骤四、选入节点D，此时集合S＝{A，F，B，D}，此时最高效率路径：

A→F＝0.855

A→B＝0.81

A→F→D＝0.69255，以节点D为中间点，从A→F→D这条最高效率路径开始找，集合Q＝{C，E，G，H}；

A→F→D→E＝0.387828

A→F→G＝0.53865

A→F→D→C＝0.436307

A→到剩余其他顶点＝0，发现A→F→D的权值为最高。

步骤五、选入节点G，此时集合S＝{A，F，B，D，G}，此时最高效率路径：

A→F＝0.855

A→B＝0.81

A→F→D＝0.69255

A→F→G＝0.53865

集合Q＝{C，E，H}，A→F→G→H＝0.486131625，A→F→G→到其他节点权值＝0，A→F→D→C＝0.436307，发现A→F→G→H的权值最大。

步骤六、选入节点H，此时集合S＝{A，F，B，D，G，H}，此时最高效率路径：

A→F＝0.855

A→B＝0.81

A→F→D＝0.69255

A→F→G＝0.53865

A→F→G→H＝0.486131625；

集合：Q＝{C，E}；

A→F→G→H→E＝0.3937666625；

A→F→G→H→D＝0.2625110775；

取A→F→D＝0.69255，A→F→D→C＝0.436307，A→F→G→H→到其他节点权值＝0，发现A→F→D→C＝0.436307的权值最大。

步骤七、选入节点C，此时集合S＝{A，F，B，D，G，H，C}，此时最高效率路径：

A→F＝0.855

A→B＝0.81

A→F→D＝0.69255

A→F→G＝0.53865

A→F→G→H＝0.486131625

A→F→D→C＝0.436307

A→F→G→H→E＝0.3937666625

集合Q＝{E}。

步骤八、选入节点E，此时集合

算法结束，节点A到所有其他点的最高效率路径全部找到。

当上述结束时，对于每个节点，都可以得到从源节点沿着它的最高效率路径的前一节点。对于每个前一节点，又得到它的前一节点，按照此方式就可以构造从源节点到所有目的节点的完整路径。通过为每个目的节点存放从节点A到它的最高效率路径上的下一跳节点，可以构造一个节点的转发表。如图6所示，为上述实例中最高效率路径和节点A中的转发表。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于大规模单原子腔体量子网络的组网方法，其特征在于，流程为：

(1)组建基于单原子腔体的量子密钥分发层，构成量子网络；所述量子网络中的量子节点由单原子腔体构成；

(2)建立经典通信网络与量子密钥分发层相结合的模型；所述经典通信网络与量子密钥分发层形成上、下层架构，经典通信网络与量子密钥分发层之间通过上、下行链路连接；量子节点在经典通信网络中存在一一对应的经典节点，使用经典节点标识量子节点的存在；

(3)量子密钥分发层中的量子节点、量子链路性能通过上行链路映射到经典通信网络中对应的经典网络节点和经典链路上，然后将经典通信网络抽象成一个加权有向图；

(4)经典通信网络执行最高分发效率路径路由算法；由于节点性能和链路性能是相互独立的，那么表示节点的权值和表示链路的权值可以做乘法，生成新的权值赋值给边作为新的权值，在有向图中找到一条效率最高的路径；即，在经典通信网络中可以找到一条分发效率最高的路径；

(5)获取的经典路由信息通过下行链路传输到量子密钥分发层并协助对应的量子节点；

(6)量子节点之间按照得到的经典信息在量子密钥分发层建立合适的量子路径；

(7)量子路径建立后，进行后续的量子密钥分发操作。

2.根据权利要求1所述的基于大规模单原子腔体量子网络的组网方法，其特征在于，在所述量子密钥分发层中，量子节点具备存储和转发功能；在远距离通信方之间链路上的中间量子节点采用“存储--转发”的模式，在需要通信双方之间进行量子信息的传输。

3.根据权利要求1或2所述的基于大规模单原子腔体量子网络的组网方法，其特征在于，所述最高分发效率路径路由算法的流程为：

(4.1)初始化；集合S保留已知的所有顶点权值，d[]已经是最高分发效率路径的值的顶点，集合Q包含其他所有顶点；开始时，集合Q包含所有顶点，集合S为空；量子节点和相邻量子链路的值做乘积变成新的边权，即最高分发效率w；把源点s放入集合S中；

(4.2)将每个量子节点的顶点权值d[]赋值为从源点s到该节点的最高分发效率值w；与源点s不相邻，则该量子节点的顶点权值d[]为0；开始时，与源点s相邻的顶点权值有非零值，其他量子节点的顶点权值为0；

(4.3)从所有集合S中顶点权值d[]中取权值最大的量子节点，把该量子节点放入集合S，并在集合Q中删除该量子节点；以该量子节点为中间节点更新从源点s能够到达集合Q中的顶点权值；如果新的权值比已经存在的权值大，则用新的权值更新已经存在的权值；

(4.4)判断顶点集合Q是否为空；如果为是，则输出从源节点到其他节点的最高分发效率值及路径；如果为否，则重复执行步骤(4.3)；

(4.5)算法结束。

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