CN106658238A - 一种用于量子通信的多粒度量子交换节点结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于量子通信的多粒度量子交换节点结构。本结构结合量子信号的特性，分为光纤级、波带级和波长级三个粒度，主要用于高效处理大规模量子用户请求，减小光交换矩阵的规模，提高交换灵活性与智能性。具有高效率、低成本、易实施等特点，为高效的量子交换机设计提供了结构设计基础。

Description

一种用于量子通信的多粒度量子交换节点结构
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种适用于大规模量子用户进行信息交换的多粒度量子交换节点的结构设计。该结构主要用于处理大规模量子用户请求，减小光交换矩阵的规模，提高交换灵活性与智能性。尤其涉及光交换设备技术领域。
背景技术
随着因特网的应用和发展，信息安全已经成为一个日益严重的问题。而计算机计算能力的不断提高使得传统的对称和非对称加密算法正在经受严峻的考验，传统加密手段越来越不能满足人们对通信安全性的要求。量子密码学是量子力学和密码学结合的产物，量子密钥分配(QKD)使得通信双方能够通过不安全的信道共享实时的安全密钥。密钥信息被单光子携带，根据海森堡不确定性原理，窃听者不能获取光子的全部信息，他对光子的测量会破坏部分信息，最终会被原本通信的双方发现，以此可以检测窃听者的存在。同时，结合“一次一密”的加密方式，可以实现无条件安全的信息传输。在过去的几年里，基于单光子的点对点光纤QKD系统已经取得了巨大的进步。
未来的量子密钥分配网络将会支持更多的用户，这就对支持量子用户信息交换的光交换设备提出了更高的要求。量子光交换节点是未来量子交换光网络的主要互连设备，通过光网络交换技术可以扩展交换的容量，节省组建量子密钥分配网络的成本，并大大提高网络的灵活性和可靠性。要组成多用户智能化的量子密钥分配光网络，迫切需要研究基于量子密钥的光网络交换技术。
目前，量子交换节点多是基于光开关的单粒度交换节点，然而，随着用户的增多，基于光开关的量子交换节点存在端口规模过大的问题,导致光交叉连接器的结构越加复杂,稳定性下降。此外，由于量子信号具有一定的特殊性：不可克隆，不能被放大，信号及其微弱等，使得经典光通信中的交换节点不能直接应用于量子领域。
发明内容
本发明提供了一种支持量子密钥的三层多粒度光交换节点模型，用以提高量子密钥分配网络的灵活性和稳定性。
模型结构如图1所示，使用图1进行说明。该模型由“光纤级交换层”，“波带级交换层”，“波长级交换层”三层架构组成。光纤级交换层主要由4X4的光开关矩阵组成；波带级交换层主要由8X8的光开关矩阵和波长选择开关WSS(Wavelength Selective Switch)组成；波长级交换层则由8X8的光开关矩阵和密集波分复用器DWDM(Dense Wavelength DivisionMultiplexing)组成。WSS的使用增加了结构的灵活性。
在量子交换节点中，每个用户需要三个波长分别用于传输数据信号、量子光信号和同步光信号。数据信号用于量子密钥分配过程中进行与协议相关的服务如对基等也可以用来传输数据业务；量子光信号用来分配量子密钥；同步光信号则是在量子密钥分配过程中提供时钟信号，触发量子接收端的探测器进行量子信号的探测。由同步光信号的作用可以得出：在整个交换过程中，同步光信号必须与量子光信号保持路径一致，不能分开传输。但数据信号的交换路径则不一定要与同步光信号与量子光信号一致。假设在一个由多个交换节点组成的网络中，数据信号可以通过选择资源利用率低的路径到达目的地，而不一定要与量子光和同步光走同一条路径。
多用户的复用的量子信号与数据信号进行合波后，进入同一根光纤，传输至该交换节点的输入端口之后,多路波长信号进入“光纤级交换层”，根据其传输目的地的情况来决定其交换方式。传输目的地相同的用户信号(即目的地均为A或者均为B)，直接经过“光纤级交换层”进行交换；传输目的地不一致的用户信号(即部分用户目的地为A部分用户目的地为B)，则需进入“波带级交换层”进行交换；若用户的经典信号需要选择与同步信号及量子信号不同的传输路径，则需要在波长级交换层实现。此外下路到本地用户的信号或者本地用户需要上路至远端的信号也需要经过“波长级交换层”才能完成。在“波长级交换层”中，保证量子信号和同步信号同步传输，这和传统的多粒度交换中的波长级交换有所区别。
假设在一定的时间内，有N个用户到达交换节点，分别为User1,User2,…,UserN。第n个用户用Usern{Dn,Sn,Qn,OUTn1,OUTn2}来表示，其中Dn,Sn,Qn分别表示第n个用户数据信号、同步信号及量子信号的波长；OUTn1表示第n个用户数据信号的出口。OUTn2表示第n个用户量子信号和同步信号的出口。不妨设出口分别为A，B，当所有用户的三个波长出口均相同即OUT11＝OUT12＝OUT21＝OUT22＝…＝OUTN1＝OUTN2时，只需进行光纤级交换；当部分用户目的地为A、部分用户目的地为B且同一用户的三个波长出口相同时，需进行波带级交换；当同一用户的三个波长从不同端口输出时，需进行波长级交换。
附图说明
图1为多粒度量子交换节点设计图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明适用于量子城域网以及量子用户规模较大的局域网中。本发明设计的节点结构具有高度的实用性，相较于常见的单粒度交换结构，可以极大的减小光开关的端口规模，从而提高系统的稳定性和可靠性。此外，该节点结构灵活性强，波带级利用WSS进行波长分配，可以保证波长灵活分配。

Claims (2)

1.一种适用于大规模量子用户进行信息交换的多粒度量子交换节点结构，目的在于提高用户请求的分发效率，减少光开关的规模，增强系统的灵活性，主要过程包括：
A.结合量子信号的特性，根据量子用户请求类型分为光纤级，波带级，波长级三层多粒度交换结构；
B.将请求的用户进行分组，同组用户若到达目的地相同，则通过光纤级交换层；若同组用户到达目的地不一致，则通过波带级交换层；若同组中的任一用户的三个波长到达的目的地不一致，则通过波长级交换层。
C.波带级交换层使用WSS(波长选择开关)器件，能够实现灵活的信道波长配置。
2.如权利要求1所述方法，其特征在于适用于量子通信领域，每个用户需要分配三个波长，这点有别于经典光通信，三个波长分别用于传输数据信号、量子光信号和同步光信号，通过光纤级，波带级，波长级三层交换结构，可以完成多用户一次性分配。
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