CN103236924B - 全时全通型量子网络路由器及扩展量子保密通信网络的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种扩展量子保密通信网络的方法及一种新型的全时全通量子网络路由器，其特征在于结合量子密钥分配的特点，通过引入光环行器和偏振分束器增加光信号的自由度，增强了量子保密通信网络的可扩展性，降低了其对光波长资源的消耗。对于N个光波长资源的量子保密通信网络，最高可支持4N+1个网络用户。该量子网络路由器的每个端口有一个外部接口和若干个内部接口，分别用于和量子保密通信网络用户相连接、以及内部端口之间的连接。以本发明的量子网络路由器为核心，可以有效构建需要全时全通的骨干量子保密通信网络。

Description

全时全通型量子网络路由器及扩展量子保密通信网络的方法

技术领域

本发明涉及量子保密通信网络技术领域，特别是涉及量子密钥分配网络技术。

背景技术

量子密钥分配的概念由Bennett和Brassard在1984年提出，其为密码学中的密钥分配难题提供了完美的解决方案，量子力学的基本原理保证了分配密钥的无条件安全。虽然目前点对点量子密钥分配距离已达200公里，但是从实际应用的角度出发，当多用户之间进行密钥分配时，量子密钥分配技术必然会由点对点发展为量子密钥分配网络，即量子保密通信网络。

现有的量子密钥分配网络包括基于量子中继的量子密钥分配网络、基于量子纠缠的量子密钥分配网络、基于光分束器的量子密钥分配网络、基于光开关的量子密钥分配网络和基于波分复用器的量子密钥分配网络等等。目前，量子中继和量子纠缠的量子密钥分配网络基本处于理论研究阶段，光分束器的量子密钥分配网络的单路性能随着用户数目增加急剧下降，并且扩展性较差，基于光开关的量子密钥分配网络需要主动切换，而且光分束器和光开关的量子密钥分配网络均不能实现任意两用户之间全时全通。全时全通要求在任意时刻任意两用户之间都能进行通信，而且骨干网一般要求网络任意两终端一直能通信。对于需要全时全通的骨干量子保密通信网络，本实验小组曾经提出的基于波分复用/解复用器的量子网络路由器是一种非常有应用前景的装置（专利号：ZL03132014.7）。为了增强量子保密通信网络的可扩展性，降低其对光波长的依赖，本发明提出了一种新型的量子网络路由器。

发明内容

本发明提出了一种新型的全时全通量子网络路由器，目的是以此量子路由器为核心组成量子保密通信的骨干网络。

本发明提出的有效扩展量子保密通信网络方法，是基于量子密钥分配的特点而加入扩展自由度的。在相位编码量子密钥分配系统中，传输方向、偏振和光波长均可作为扩展自由度；在偏振编码量子密钥分配系统中，传输方向和光波长作为扩展自由度。

本发明的全时全通量子网络路由器，由光环行器（CIR）、偏振分束器（PBS）和N波长波分复用/解复用器（WDM）中的一者、二者或者三者组成，共有14种方案，其中单独由N波长复用器构成量子网络路由器的方案与本实验小组专利号为ZL03132014.7的专利重复，在本发明中不予考虑。（1）当没有光波长自由度作为组网方案时，若单独以光环行器组成全时全通量子网络路由器，有1种方案，最高可容纳3用户；若以光环行器和偏振分束器组成全时全通量子网络路由器，有2种方案，最高可容纳5用户。（2）光波长自由度作为组网方案时，若以光环形器和N波长波分复用器组成全时全通量子网络路由器，有2种方案，最高可容纳2N+1用户；若以偏振分束器和N波长波分复用器组成全时全通量子网络路由器，有2种方案，最高可容纳2N用户；若以光环行器、偏振分束器和N波长波分复用器组成全时全通量子网络路由器，有6种方案，最高可容纳4N+1用户。

所述的光环行器可以是商用光纤环行器，或是由分立光学元件组成的光环行器。参见图1，光环行器有3个光接口1-1、1-2和1-3，如箭头所示，光在环行器内部只能沿一个方向行进，从接口1-1进入的光，只能从接口1-2出射，从接口1-2入射的光，只能从接口1-3出射，从接口1-3进入的光无出射。该光环行器为偏振无关器件。

所述的偏振分束器可以是光纤偏振分束器，或是分立光学元件组成的偏振分束器。入射的光是线偏振光或者是圆偏振光。在本发明的描述中，以线偏振光为例， 经偏振分束器后均分成水平偏振和竖直偏振，由此可获得2个自由度。

所述的N波长波分复用/解复用器可以是商用光纤N波长波分复用器或者N波长波分解复用器，也可以是由分立光学元件组成的N波长波分复用器。N个波长的光从波分复用器的N个输入端输入，被复用到一个输出端输出。N个波长的光从波分解复用器的一个输入端输入，被解复用到N个与波长对应的输出端。商用光纤波分复用器和波分解复用器均是可逆光学器件，因此二者可以作为同一种器件。在本发明中均以N波长波分复用/解复用器称呼。

本发明提出量子网络路由器的端口这一概念，每个端口包括一个外接口和若干个内部接口。外接口用于和量子保密通信网络用户进行连接，内部接口用于量子网络路由器内部各端口之间的连接。量子保密通信网络用户与量子网络路由器端口一一对应，每个量子网络路由器端口对应的用户也需要一个类似于量子网络路由器端口的结构来将光信号的各个自由度分开。用户的外接口与量子网络路由器对应端口的外接口相连，若干个内部接口对应于量子密钥分配系统的发射装置与接收装置。每个端口由光环行器、偏振分束器和波分复用/解复用器等光学元件中的一者、二者或者三者组成，内部结构中所包含的光学元件种类数与端口内部光学元件的连接级数相同，由外至内，按数量从少到多将不同种光学元件分级排列并连接。需要特别说明的是，下面具体实施方式部分所例举的量子网络路由器中的各个端口内部结构均完全相同，但实际生产中同一个量子网络路由器内可以采用不同的端口内部结构，只是在连接路由器的内部接口时，需要将各内部接口重新排序，当然前面提到的用户端的内部结构也可以与对应量子网络路由器端口结构不同，只需将光信号各个自由度分开即可。

本发明中的全时全通量子网络路由器各个端口的内部连接由图论中“完全连通图边染色理论”保证的。在全时全通量子网络路由器中，若将路由器的端口看作是顶点，连接各端口的光学连接看作是边，光的自由度看作是不同的颜色，各个端口直接用光学连接起来即为完全连通图，这样就和数学图论中的完全连通边染色理论描述的问题完全一致了。当量子网络路由器中光的自由度为D时，可将D+1（或者D）个端口直接连接起来，并且保证拥有共同端口的光纤中所走的是不同自由度的光，这就相当于赋予了每个端口唯一的网络地址，而且可以满足全时全通的要求。

所述的光学连接可以是光纤、波导、自由空间或其他光学介质。可以在连接光路中添加偏振控制、准直、增透、耦合等器件，改善光学连接的性能。

本发明中引入的传输方向这一自由度，能极大地简化量子网络路由器内部各端口之间连接的方法。若未引入传输方向这一自由度之前，光信号的自由度为N（波长、或者偏振、或者波长偏振组合），那么加入光环行器后，只需要将2N+1个端口排成一圈，保证每个端口相同的自由度有一个光连接输入和一个光连接输出，N个输入自由度与一侧N个端口顺次连接，N个输出自由度与另一侧N个端口顺次连接，每个端口与其它端口连接时均采用相同的连接次序。

本发明的量子网络路由器能够完成：（1）任意两个由该量子网络路由器连接的用户之间实现量子密钥分配；（2）通过选择合适的量子密钥分配方案和合适的量子网络路由器方案，该量子网络路由器不会破坏传输量子态的性质；（3）在整个量子保密通信网络中，该路由器连接的每个用户的网络路由地址是唯一的；（4）整个量子保密通信网络中的各个用户之间同时通信而不会相互干扰；（5）通过选择合适的量子路由器方案，可以在同样用户数目的需求下，消耗更少的波长资源；（6）在网络用户数目一定的情况下，通过选择合适的量子路由器方案，可以节约网络成本。因此，基于该量子网络路由器的功能和特点，非常适用于需要全时全通的骨干量子保密通信网络。

所述的量子态可以是相位编码量子密钥分配中携带相位编码信息的光子态，或者是偏振编码量子密钥分配中携带偏振编码信息的光子态，或者是其他方案中携带信息的光子态。

本发明的全时全通量子网络路由器通过结合量子密钥分配的特点，增加了光信号的其他自由度，增强量子保密通信网络的可扩展性，降低了其对光波长资源的消耗。对于拥有N个波长的量子保密通信网络，可保障4N+1个网络用户之间全时全通地进行量子保密通信。

附图说明

图1是3端口量子网络路由器中由光环行器组成的单个端口的实施例示意图；

图2是3端口量子网络路由器的3个端口之间连接方式的实施例示意图；

图3是4端口量子网络路由器中由偏振分束器和2波长波分复用/解复用器组成的单个端口的实施例示意图；

图4是4端口量子网络路由器中由偏振分束器和2波长波分复用/解复用器组成的单个端口的第二个实施例示意图；

图5是由偏振分束器和2波长波分复用/解复用器组成的4端口量子网络路由器的4个端口之间连接方式的实施例示意图；

图6是5端口量子网络路由器中由光环行器和偏振分束器组成的单个端口的实施例示意图；

图7是5端口量子网络路由器中由光环行器和偏振分束器组成的单个端口的第二实施例示意图；

图8是5端口量子网络路由器中由光环行器和2波长波分复用/解复用器组成的单个端口的实施例示意图；

图9是5端口量子网络路由器中由光环行器和2波长波分复用/解复用器组成的单个端口的第二实施例示意图；

图10是5端口量子网络路由器的5个端口之间连接方式的实施例示意图；

图11是2N+1端口量子网络路由器中由光环行器和N波长波分复用/解复用器组成的单个端口的实施例示意图；

图12是2N+1端口量子网络路由器中由光环行器和N波长波分复用/解复用器组成的单个端口的第二实施例示意图；

图13是2N端口量子网络路由器中由偏振分束器和N波长波分复用/解复用器组成的单个端口的实施例示意图；

图14是2N端口量子网络路由器中由偏振分束器和N波长波分复用/解复用器组成的单个端口的第二实施例示意图；

图15是4N+1端口量子网络路由器中由光环行器、偏振分束器和N波长波分复用/解复用器组成的单个端口的实施例示意图；

图16是4N+1端口量子网络路由器中由光环行器、偏振分束器和N波长波分复用/解复用器组成的单个端口的第二实施例示意图；

图17是4N+1端口量子网络路由器中由光环行器、偏振分束器和N波长波分复用/解复用器组成的单个端口的第三实施例示意图；

图18是4N+1端口量子网络路由器中由光环行器、偏振分束器和N波长波分复用/解复用器组成的单个端口的第四实施例示意图；

图19是4N+1端口量子网络路由器中由光环行器、偏振分束器和N波长波分复用/解复用器组成的单个端口的第五实施例示意图；

图20是4N+1端口量子网络路由器中由光环行器、偏振分束器和N波长波分复用/解复用器组成的单个端口的第六实施例示意图。

图21是9端口量子网络路由器中的由光环行器、偏振分束器和2波长波分复用/解复用器组成的9个端口之间连接方式的实施例示意图。

具体实施方式

下面结合附图具体说明本发明技术方案的实施方式。

图1和图2是没有波长复用/解复用器，即，没有波长自由度时，仅利用光环行器进行3用户组网的量子网络路由器方案，在该方案中，路由器包括3个端口1、2、3，分别对应于3个用户1、2、3。每个端口的结构如图1所示，由一个光环行器1-4构成，其中从接口1-1进入的光，只能从接口1-2出射，从接口1-2入射的光，只能从接口1-3出射。接口1-2是一个外接口，直接连接至该端口对应的用户。接口1-1、1-3是两个内部接口，分别与另外两个端口的对应内部接口相连接。图2示出了该路由器3个端口之间的连接方式，当用户1和用户2之间进行量子密钥分配时，量子态由用户1发出，经量子网络路由器端口1到端口2，最后到达用户2；用户2和用户3之间进行量子密钥分配时，量子态由用户2发出，经量子网络路由器端口2到端口3，最后到达用户3；用户3和用户1之间进行量子密钥分配时，量子态由用户3发出，经量子网络路由器端口3到端口1，最后到达用户1。最终完成全部用户的量子密钥分配。

图3、图4和图5是由偏振分束器和2波长波分复用/解复用器组成4端口量子网络路由器的方案。其中偏振和波长分别可以提供二个自由度，一共可组成四个自由度。而支持4用户网络仅需要三个自由度即可。图3是应用于4端口量子网络路由器的、由一个2波长波分复用/解复用器和一个偏振分束器组成的单个端口的示意图，其中三个自由度分别是波长λ1水平偏振、波长λ1竖直偏振和波长λ2，该端口利用上述三个自由度可以向路由器的其它三个端口进行寻址。3-1示出了2波长波分复用/解复用器的单体结构，可推广至N波长。3-2示出了偏振分束器的单体结构，其中“ ”表示水平偏振，“ ”表示竖直偏振。图4是应用于4端口量子网络路由器的、由一个偏振分束器和两个2波长波分复用/解复用器组成的单个端口示意图，图示结构有波长λ1水平偏振、波长λ1竖直偏振、波长λ2水平偏振和波长λ2竖直偏振四个自由度，对于4端口量子网络路由器来说，从当前端口向其它三个端口寻址只需取其中三个自由度即可，例如可以取前三个自由度。图5示出了采用如图3、4所示的端口结构时量子网络路由器各端口的连接方法：每个端口利用3个不同的自由度连接至另外3个端口。其中，线型5-1代表波长λ1水平偏振，线型5-2代表波长λ1竖直偏振，线型5-3代表波长λ2或波长λ2水平偏振。量子态以波长λ1水平偏振为路由地址，通过量子网络路由器的端口1和端口4将用户1和用户4连接起来，通过量子网络路由器的端口2和端口3将用户2和用户3连接起来；即，端口1和端口4分别以波长λ1水平偏振彼此寻址，而端口2和端口3也分别以波长λ1水平偏振彼此寻址。量子态以波长λ1竖直偏振为路由地址，通过量子网络路由器的端口1和端口3将用户1和用户3连接起来，通过量子网络路由器的端口2和端口4将用户2和用户4连接起来。量子态以波长λ2（图3结构）或者波长λ2水平偏振（图4结构）为路由地址，通过量子网络路由器的端口1和端口2将用户1和用户2连接起来，通过量子网络路由器的端口3和端口4将用户3和用户4连接起来。其原理同端口1、4，及2、3的连接。

图6、图7、图8、图9和图10是由光环行器与偏振分束器或者光环行器与2波长波分复用/解复用器组成5端口量子网络路由器的方案。图6－9示出了5端口量子网络路由器中的单个端口的内部结构。由于光环行器的加入，只需要光的两个偏振态或者两个波长即可支持5用户网络。图6是由一个光环行器和两个偏振分束器组成的单个端口示意图。图7是由两个光环行器和一个偏振分束器组成的单个端口示意图。图8是由一个光环行器和两个2波长波分复用/解复用器组成的单个端口示意图。图9是由两个光环行器和一个2波长波分复用/解复用器组成的单个端口示意图。图10示出了采用如图6－9所示的端口结构时量子网络路由器各端口的连接方法：其中线型10-1代表波长λ1或水平偏振，线型10-2代表λ2或竖直偏振。用户1和用户2之间进行量子密钥分配时，量子态由用户1发出，以波长λ1（图8、图9结构）或者水平偏振（图6、图7结构）为路由地址经量子网络路由器端口1到端口2，最后到达用户2；用户1和用户3之间进行量子密钥分配时，量子态由用户1发出，以波长λ2（图8、图9结构）或者竖直偏振（图6、图7结构）为路由地址经量子网络路由器端口1到端口3，最后到达用户3；用户1和用户4之间进行量子密钥分配时，量子态由用户4发出，以波长λ2（图8、图9结构）或者竖直偏振（图6、图7结构）为路由地址经量子网络路由器端口4到端口1，最后到达用户1；用户1和用户5之间进行量子密钥分配时，量子态由用户5发出，以波长λ1（图8、图9结构）或者水平偏振（图6、图7结构）为路由地址经量子网络路由器端口5到端口1，最后到达用户1。用户2、用户3、用户4和用户5之间进行量子密钥分配可依此类推。

图11和图12是由光环行器与N波长波分复用/解复用器组成2N+1端口量子网络路由器的方案。环行器的加入，使得N个波长即可支持2N+1用户量子保密通信网络。图11是由一个环行器和两个N波长波分复用/解复用器组成的单个端口示意图。图12是由N个环行器和一个N波长波分复用/解复用器组成的单个端口示意图。2N+1端口量子网络路由器各端口之间的连接与图10类似。

图13和图14是由偏振分束器与N波长波分复用器组成2N端口量子网络路由器的方案。偏振和波长总的自由度为2N，最高可支持2N个用户的量子保密通信网络。图13是由一个N波长波分复用器和N-1个偏振分束器组成的单个端口示意图，由于支持2N用户量子保密通信网络，需要2N-1个自由度即可，因此只用了N-1个偏振分束器。图14是由一个偏振分束器和两个N波长波分复用器组成的单个端口示意图，由于支持2N用户量子保密通信网络，需要2N-1个自由度即可，因此实际组网时舍弃一个自由度不用即可。2N端口量子网络路由器各端口之间的连接与图5类似。

图15、图16、图17、图18、图19和图20是由光环行器、偏振分束器和N波长波分复用器组成4N+1端口量子网络路由器的方案。偏振分束器和N波长波分复用器总的自由度是2N，由于光环行器的加入，使得该量子网络路由器可以支持4N+1个用户。图15是由一个光环行器、两个N波长波分复用/解复用器和2N个偏振分束器组成的单个端口示意图。图16是由一个光环行器、两个偏振分束器和四个N波长波分复用/解复用器组成的单个端口示意图。图17是由一个N波长波分复用/解复用器、N个光环行器、2N个偏振分束器组成的单个端口示意图。图18是由一个N波长波分复用/解复用器、N个偏振分束器和2N个光环行器组成的单个端口示意图。图19是由一个偏振分束器、两个光环行器和四个N波长波分复用/解复用器组成的单个端口示意图。图20是由一个偏振分束器、两个N波长波分复用器/解复用、2N个光环行器组成的单个端口示意图。

图21以光环行器、偏振分束器和2波长波分复用/解复用器组成的9端口量子网络路由器为例，展示了4N+1端口量子网络路由器各端口之间如何进行连接。两波长和两偏振共组成波长λ1水平偏振、波长λ1竖直偏振、波长λ2水平偏振和波长λ2竖直偏振四个自由度，由于光环行器的加入，可支持9用户量子通信网络。该路由器单个端口可采用如图15、图16、图17、图18、图19和图20所示的任意一种内部结构，其中N=2，共有6种可能的结构，本实施方式中该路由器的9个端口采用了相同的内部结构。其中线型21-1代表波长λ1水平偏振，线型21-2代表波长λ1竖直偏振，线型21-3代表波长λ2水平偏振，线型21-4代表波长λ2竖直偏振。用户1和用户2之间进行量子密钥分配时，量子态由用户1发出，以波长λ1水平偏振为路由地址，经量子网络路由器端口1到端口2，最后到达用户2；用户1和用户3之间进行量子密钥分配时，量子态由用户1发出，以波长λ1竖直偏振为路由地址，经量子网络路由器端口1到端口3，最后到达用户3；用户1和用户4之间进行量子密钥分配时，量子态由用户1发出，以波长λ2水平偏振为路由地址，经量子网络路由器端口1到端口4，最后到达用户4；用户1和用户5之间进行量子密钥分配时，量子态由用户1发出，以波长λ2竖直偏振为路由地址，经量子网络路由器端口1到端口5，最后到达用户5；用户1和用户6之间进行量子密钥分配时，量子态由用户6发出，以波长λ2竖直偏振为路由地址，经量子网络路由器端口6到端口1，最后到达用户1；用户1和用户7之间进行量子密钥分配时，量子态由用户7发出，以波长λ2水平偏振为路由地址，经量子网络路由器端口7到端口1，最后到达用户1；用户1和用户8之间进行量子密钥分配时，量子态由用户8发出，以波长λ1竖直偏振为路由地址，经量子网络路由器端口8到端口1，最后到达用户1；用户1和用户9之间进行量子密钥分配时，量子态由用户9发出，以波长λ1水平偏振为路由地址，经量子网络路由器端口9到端口1，最后到达用户1、用户2、用户3、用户4、用户5、用户6、用户7、用户8和用户9之间进行量子密钥分配可依此类推。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种量子网络路由器，其特征在于：

包括N个端口；

每个端口均包括一个与对应用户相连的外接口，以及N-1个内部接口；

每个端口的每个内部接口均分别与其余N-1个端口的对应内部接口相连接；

每个端口的内部结构包含以下光学元件或光学元件组合中的一种

偏振分束器与波分复用/解复用器的组合，

偏振分束器与光环行器的组合，

偏振分束器、光环行器、波分复用/解复用器的组合;

所述端口的内部结构中所包含的光学元件种类数与端口内部光学元件的连接级数相同，由外至内，按数量从少到多将不同种光学元件分级排列并连接。

2.根据权利要求1所述的量子网络路由器，其特征在于：每个端口的外接口与对应用户的外接口相连接。

3.根据权利要求1所述的量子网络路由器，其特征在于：其中如果所述端口的内部结构中包含了光环形器，加入光环行器之前的光信号自由度为K＝(N-1)/2，则端口之间的连接方式为：将N个端口顺时针均匀排列成一个圆圈，以任意一个端口作为第一个端口，将该端口和圆圈圆心的连线称为对称轴，如此，则K个端口分布在该对称轴的一侧，定义为左侧，另外K个端口分布在该对称轴的另一侧，定义为右侧；将所述第一个端口与其左侧的K个端口按远近不同 顺次用前述K个自由度连接，且这K个连接均标记为该端口的输入，其余N-1个端口与其他端口连接时均采用与第一个端口相同的连接方法和次序即可。

4.根据权利要求1所述的量子网络路由器，其特征在于：其中如果所述端口的内部结构中包含了光环形器，加入光环行器之前光信号自由度为K＝(N-1)/2，则端口之间的连接方式为：将N个端口排成一圈，存在K个Hamilton回路，将所述K个自由度分别分配给K个Hamilton回路，画出第一个Hamilton回路，将任意端口看作第一个端口作为起点，按照所走回路方向依次标出每个端口两条边入和出的方向，即输入和输出自由度，然后画出第二个Hamilton回路，再次以第一个端口为起点，按照所走回路方向依次标出每个端口在该回路中两条边入和出的方向，依此类推直至第K个Hamilton回路即可，所述Hamilton回路由各端口内部接口之间的光学连接组成。

5.根据权利要求1所述的量子网络路由器，其特征在于：其中如果所述端口的内部结构为偏振分束器和波分复用/解复用器的组合，加入偏振分束器之前光信号的波长自由度为M＝N/2，则端口之间的连接方式为：每个端口利用2M-1个不同的自由度连接至另外2M-1个端口。

6.根据权利要求1所述的量子网络路由器，其特征在于：其中N＝4，每个端口的内部结构包含一个偏振分束器和两个2波长波分复用/解复用器，或者一个偏振分束器和一个2波长波分复用/解复用器。

7.根据权利要求3或4所述的量子网络路由器，其特征在于：其中N＝5，每个端口的内部结构包含一个光环行器和两个偏振分束器，或者两个光环行器和一个偏振分束器。

8.根据权利要求4所述的量子网络路由器，其特征在于：其中N＝2K(K≥3)，每个端口的内部结构包含一个偏振分束器和两个K波长波分复用器，或者一个K波长波分复用器和K-1个偏振分束器。

9.根据权利要求3或4所述的量子网络路由器，其特征在于：其中N＝4K+1(K≥2)，每个端口的内部结构包含一个光环行器、两个K波长波分复用/解复用器和2K个偏振分束器，或者一个光环行器、两个偏振分束器和四个K波长波分复用/解复用器，或者一个K波长波分复用/解复用器、K个光环行器、2K个偏振分束器，或者一个K波长波分复用/解复用器、K个偏振 分束器和2K个光环行器，或者一个偏振分束器、两个光环行器和四个K波长波分复用/解复用器，或者一个偏振分束器、两个K波长波分复用器/解复用器、2K个光环行器。