CN111510225B - 基于多波长纠缠光源的量子通信组网方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多波长纠缠光源的量子通信组网方法及系统，利用多波长纠缠光源产生频率等间隔、两两配对的纠缠单光子；利用经典光纤通信系统中较为成熟的密集波分复用技术对纠缠单光子进行波长通道配置；构建独立于用户的量子网络服务器并将各波长纠缠光子分发给各用户，保证每两个用户之间能共享一对独立的纠缠单光子，最终实现多用户任意互联的量子通信网络。

Description

基于多波长纠缠光源的量子通信组网方法及系统

技术领域

本发明属于非线性光学、光纤通信、量子通信技术领域，涉及一种基于多波长纠缠光源的量子通信组网方法及系统，尤其涉及一种利用自发非线性效应实现宽带纠缠单光子输出、通过密集波分复用系统的波长通道配置实现多用户任意互联的量子通信组网技术。

背景技术

随着时代的进步和信息交互业务量的急剧提升，基于光纤通信网络的信息传输安全问题受到广泛关注。针对光纤通信线路的攻击手段主要包括“窃听”和“破解”两类。其中“窃听”是指通过宏弯、分光等手段对光纤内传输的信息进行窃取监听的行为，“破解”是指通过破解密钥解析获得明文信息的行为。一方面，早在2005年服役的美国“吉米-卡特”号潜艇就已经具备窃听海底光缆而不被运营商侦知的能力；另一方面，近年来超快计算技术特别是量子计算技术得到飞速发展，对基于数学问题复杂性的经典密钥破译能力不断提升，将在未来严重威胁到光纤通信网络信息传输安全乃至网络空间安全。

量子通信技术是目前公认的能够从物理层面实现“无条件安全”信息传输的颠覆性技术。量子是能量的基本单元，具有不可分离特性，以单量子(目前主要是光量子)作为信息载体能够有效规避信息传输过程中的分离窃听风险；量子力学中海森堡测不准原理表明，无法在测量之前准确获得一个未知量子的全部状态信息，更无法从全维度对量子态进行精确复制(即量子态不可复制原理)，因此，以量子通信信号无法被攻击者复制或伪造或预测，理论上具有无条件安全特性。

通过量子通信技术和光纤通信网络技术的交叉融合，有望构建具备防窃听、抗破译高安全性信息传输能力的量子通信网络。广义量子通信网络基于量子隐形传态通信技术，狭义量子通信网络基于量子密钥分发技术，两者共同点在于：量子通信网络中每两个用户间通信线路必须由量子信号“保驾护航”。现阶段量子通信组网主要技术路线有：(1)基于点对点量子通信系统构建的多用户任意互联量子通信网络：通信双方需要配备单独的量子通信设备，面临巨大的资源开销；业务层可信节点虽然能有效扩展双端量子通信设备并行工作能力，但同时部分丧失了量子通信固有的安全属性；(2)基于点对多量子通信系统构建的多组用户量子通信网络：需要将用户分为多个用户组，允许同组内多个用户共享同一量子设备和量子信道，但不支持组内成员间量子通信互联；(3)量子中继通信网络：主要基于量子存储技术、量子纠缠交换扩展技术和量子态路由技术，然而量子态长时间存储难题一直没有较好的解决方案；(4)基于高维量子通信协议的量子通信网络：可为多个用户提供量子通信服务，每个用户共享相同的Hilbert空间并在各自占据的子空间内独立生成量子态信息；然而，添加或删除用户需要整体修改Hilbert空间，严重影响了量子通信网络的可灵活调整性和高效工作能力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是利用自发非线性效应实现多波长纠缠单光子输出；利用密集波分复用系统对纠缠单光子进行波长通道配置；构建量子网络服务器并将纠缠单光子分发给各用户；各用户利用纠缠单光子建立任意互联的量子通信网络。

为了解决上述问题，本发明提出了一种基于多波长纠缠光源的量子通信组网方法，由多波长纠缠光源、纠缠单光子波长通道配置以及多用户任意互联量子通信组网构成；

上述多波长纠缠光源利用多波长纠缠光源实现频域等间隔、两两纠缠的纠缠单光子输出；

上述纠缠单光子波长通道配置构建量子网络服务器并对纠缠单光子进行波长通道配置；

上述多用户任意互联量子通信组网为多用户任意互联提供纠缠单光子服务，构建量子通信网络。

优选的，上述多波长纠缠光源通过两路多波长单光子序列纠缠实现或通过自发非线性效应实现。

优选的，上通过两路多波长单光子序列纠缠实现包括：

步骤S101、多波长单光子序列内包含多个波长不同的单光子，建立其中波长相同的两个单光子之间的纠缠关联；

步骤S102、通过光学晶体或周期极化波导自发频率下转换效应实现宽带纠缠单光子输出；通过光谱整形实现频域等间隔多波长纠缠单光子输出；

步骤S103、通过冷却光纤或微纳波导自发四波混频效应实现宽带纠缠单光子输出；通过光谱整形实现频域等间隔多波长纠缠单光子输出。

优选的，上述通过自发非线性效应实现通过以硅基微环腔为代表的非线性谐振腔，将非线性增益集中在谐振频率附近一定带宽内，同时具备非线性效应增强和多波长窄带滤波功能，实现高亮度多波长纠缠单光子输出。

优选的，上述纠缠单光子波长通道配置具体为构建多用户任意互联网络拓扑，计算通信网络中互联关系数量，当网络拓扑结构为N个用户直接互联时，互联关系数量为N×(N-1)，所需波长通道数量为2N×(N-1)；利用N台密集波分复用器，将具备纠缠关联的单光子合并到同一光学路径中并分发给各用户；每组互联关系的建立至少需要一对纠缠光子。

优选的，上述方法可构建量子密钥分发网络或构建量子隐形传态通信网络。

优选的，上述构建量子密钥分发网络时，可在量子网络服务器端进行量子密钥分发，或可通过量子网络服务器分发的纠缠单光子，由各用户独立进行量子密钥分发，量子密钥分发协议包括但不限于E91协议、BBM92协议、时间-能量纠缠协议等。

优选的，上述构建量子隐形传态通信网络时，可在量子网络服务器端进行量子态操作，或可由各用户独立进行量子态操作。

一种实现如上述基于多波长纠缠光源的量子通信组网方法的系统，包括

多波长纠缠光源模块，用于实现频域等间隔、两两纠缠的纠缠单光子输出；

纠缠单光子波长通道配置模块，用于构建量子网络服务器并对纠缠单光子进行波长通道配置；

多用户任意互联量子通信组网模块，用于为多用户任意互联提供纠缠单光子服务，构建量子通信网络；

其中，多波长纠缠光源模块通过两路多波长单光子序列纠缠实现或通过自发非线性效应实现，多波长单光子序列内包含多个波长不同的单光子，建立其中波长相同的两个单光子之间的纠缠关联；通过光学晶体或周期极化波导自发频率下转换效应实现宽带纠缠单光子输出；通过光谱整形实现频域等间隔多波长纠缠单光子输出；通过冷却光纤或微纳波导自发四波混频效应实现宽带纠缠单光子输出；通过光谱整形实现频域等间隔多波长纠缠单光子输出；

上述纠缠单光子波长通道配置模块为构建多用户任意互联网络拓扑，计算通信网络中互联关系数量，当网络拓扑结构为N个用户直接互联时，互联关系数量为N×(N-1)，所需波长通道数量为2N×(N-1)；利用N台密集波分复用器，将具备纠缠关联的单光子合并到同一光学路径中并分发给各用户；每组互联关系的建立至少需要一对纠缠光子。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。

与现有技术相比，本发明具有以下优势：

(1)采用独立的量子网络服务器构建多用户任意互联的量子通信网络体系，可通过权衡量子网络服务器的地理位置，保证各用户节点之间的通信距离最短；

(2)组网规模大：以四用户任意互联量子通信网络为例，点对点量子通信组网方案至少需要12套量子通信设备，而本发明所述技术方案只需一套量子网络服务器和6套量子信号解译器，随着用户规模的提升这一优势将更加明显；

(3)基于纠缠的量子通信协议不仅适用于量子密钥分发系统，还能较好地兼容量子隐形传态通信系统，亦即，本发明中纠缠光子分发直接契合未来广义量子通信网络的建设需求；

(4)能够较好地兼容经典光纤通信中较为成熟的波分复用技术，有望在已经配置的光纤通信网络体系基础上直接进行量子升级；

(5)具有灵活可调整特性，增加或删除用户只需调整波长通道配置法则，无需大幅更改Hilbert空间，为灵活可介入量子通信网络提供重要技术支撑。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本发明基于硅基波导自发四波混频效应的多波长纠缠光源结构示意图；

图2示出了本发明多波长纠缠光源波长通道配置方案示意图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本发明，并不被配置为限定本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本发明提供一种基于多波长纠缠光源的量子通信组网方法，包括三部分，一是多波长纠缠光源，二是纠缠单光子波长通道配置，三是多用户任意互联量子通信组网。

本发明提供了一种基于多波长纠缠光源的量子通信组网方法的实施例，由多波长纠缠光源、纠缠单光子波长通道配置以及多用户任意互联量子通信组网构成；

多波长纠缠光源利用多波长纠缠光源实现频域等间隔、两两纠缠的纠缠单光子输出；

纠缠单光子波长通道配置构建量子网络服务器并对纠缠单光子进行波长通道配置；

多用户任意互联量子通信组网为多用户任意互联提供纠缠单光子服务，构建量子通信网络。

在一些实施例中，多波长纠缠光源通过两路多波长单光子序列纠缠实现或通过自发非线性效应实现。

在一些实施例中，通过两路多波长单光子序列纠缠实现包括：

步骤S101、多波长单光子序列内包含多个波长不同的单光子，建立其中波长相同的两个单光子之间的纠缠关联；

步骤S102、通过光学晶体或周期极化波导自发频率下转换效应实现宽带纠缠单光子输出；通过光谱整形实现频域等间隔多波长纠缠单光子输出；

步骤S103、通过冷却光纤或微纳波导自发四波混频效应实现宽带纠缠单光子输出；通过光谱整形实现频域等间隔多波长纠缠单光子输出。

在一些实施例中，通过自发非线性效应实现通过以硅基微环腔为代表的非线性谐振腔，将非线性增益集中在谐振频率附近一定带宽内，同时具备非线性效应增强和多波长窄带滤波功能，实现高亮度多波长纠缠单光子输出。

在一些实施例中，纠缠单光子波长通道配置具体为构建多用户任意互联网络拓扑，计算通信网络中互联关系数量，当网络拓扑结构为N个用户直接互联时，互联关系数量为N×(N-1)，所需波长通道数量为2N×(N-1)；利用N台密集波分复用器，将具备纠缠关联的单光子合并到同一光学路径中并分发给各用户；每组互联关系的建立至少需要一对纠缠光子。

在一些实施例中，方法可构建量子密钥分发网络或构建量子隐形传态通信网络。

在一些实施例中，构建量子密钥分发网络时，可在量子网络服务器端进行量子密钥分发，或可通过量子网络服务器分发的纠缠单光子，由各用户独立进行量子密钥分发，量子密钥分发协议包括但不限于E91协议、BBM92协议、时间-能量纠缠协议等。

在一些实施例中，构建量子隐形传态通信网络时，可在量子网络服务器端进行量子态操作，或可由各用户独立进行量子态操作。

在一些实施例中，量子通信网络不限定多波长纠缠光源的波长范围、通道数量和频率间隔，不限定多波长纠缠光源的实现方式和纠缠关联所用自由度，不限定实现光路结构；不限定全光通信信号传输介质(即可面向光纤通信系统亦可面向自由空间全光通信系统)；采用微纳波导自发四波混频效应实现多波长纠缠光子输出时，不限定芯片材料种类、性能参数、器件结构、工艺流程、非线性谐振腔类型及结构；宽带纠缠光源光谱整形和波长通道配置不限定具体实现方式，既可使用自由空间或全光纤密集波分复用器，亦可使用芯片集成密集波分复用器。

本发明还提供一种实现如上述基于多波长纠缠光源的量子通信组网方法的系统，包括

多波长纠缠光源模块，用于实现频域等间隔、两两纠缠的纠缠单光子输出；

纠缠单光子波长通道配置模块，用于构建量子网络服务器并对纠缠单光子进行波长通道配置；

多用户任意互联量子通信组网模块，用于为多用户任意互联提供纠缠单光子服务，构建量子通信网络；

其中，多波长纠缠光源模块通过两路多波长单光子序列纠缠实现或通过自发非线性效应实现，多波长单光子序列内包含多个波长不同的单光子，建立其中波长相同的两个单光子之间的纠缠关联；通过光学晶体或周期极化波导自发频率下转换效应实现宽带纠缠单光子输出；通过光谱整形实现频域等间隔多波长纠缠单光子输出；通过冷却光纤或微纳波导自发四波混频效应实现宽带纠缠单光子输出；通过光谱整形实现频域等间隔多波长纠缠单光子输出；

在一些实施例中，纠缠单光子波长通道配置模块为构建多用户任意互联网络拓扑，计算通信网络中互联关系数量，当网络拓扑结构为N个用户直接互联时，互联关系数量为N×(N-1)，所需波长通道数量为2N×(N-1)；利用N台密集波分复用器，将具备纠缠关联的单光子合并到同一光学路径中并分发给各用户；每组互联关系的建立至少需要一对纠缠光子。

本发明还提供一种计算机可读存储介质的实施例，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。

在一些实施例中，多波长纠缠光源既可通过两路多波长单光子序列纠缠实现，也可通过宽带自发非线性效应实现，后者主要包括二阶非线性介质中的自发频率下转换效应和三阶非线性介质中的自发四波混频效应。自发四波混频效应通常在高非线性光纤(或光子晶体光纤)、高非线性微纳波导(如硅基波导)中产生；对应的多波长纠缠光源可通过两套技术方案实现：一是通过单一泵浦自发四波混频效应实现宽带纠缠单光子输出，再借由密集波分复用系统滤波实现多波长纠缠单光子输出；二是通过非线性谐振腔(主要是微纳微环腔)直接实现多波长纠缠单光子输出(亦称非经典光学频率梳输出)。

在一些实施例中，一种典型的基于硅基波导自发四波混频效应的多波长纠缠光源结构如图1所示，泵浦光由准单频激光器产生，经掺铒光纤放大器(Erbium-doped fiber-amplifier，EDFA)放大功率，利用可调谐带通滤波器(Tunable band-pass filter)滤出泵浦边带噪声，利用可调谐光学衰减器(ATT)调整入射功率，利用偏振控制器(Polarizationcontroller,PC)控制入射偏振态；泵浦光经芯片集成光子晶体光栅耦合器耦合通过硅基波导样品，通过级联阵列波导光栅(Arrayed waveguide grating,AWG,等同于密集波分复用器)滤出残留泵浦噪声并将宽带纠缠单光子整形为频率等间隔多波长纠缠单光子，利用可调谐带通滤波器进一步滤除泵浦残留噪声，利用单光子探测器(Single-photon Detector,SPD)和符合计数器(Tagger)探测各波长通道的单光子纠缠关联。

在一些实施例中，在基于自发频率下转换效应的多波长纠缠单光子中，泵浦光波长同信号光/闲频光波长分属相隔甚远的两个波段，图中掺铒光纤放大器、抑制泵浦边带噪声所用可调谐滤波器可省略。再者，在基于光纤自发四波混频效应的多波长纠缠单光子中，需对光纤进行冷却处理以抑制光纤自发拉曼散射效应。再次，图1中所示泵浦光源应为连续激光器或准连续激光器、图中所示非线性介质(硅基波导)应在泵浦波长具有通信波段近零反常色散特性，以保证宽带四波混频增益。最后，图中所示硅基波导也可替换为硅基微环腔；利用硅基波导自发四波混频效应实现的多波长纠缠单光子，频域宽度与阵列波导光栅透过谱宽度相同；利用硅基微环腔自发四波混频效应实现的多波长纠缠单光子，频域宽度与硅基微环腔谐振谱宽度相同。

在一些实施例中，一种典型的多波长纠缠光源波长通道配置方案如图2所示。以基于硅基波导自发四波混频效应的多波长纠缠光源为例，具有纠缠关联的两个单光子频率沿泵浦频率对称分布。量子网络服务器通过波长通道配置可为多个用户任意互联提供纠缠光子共享服务。以四用户任意互联量子通信网络为例，通过密集波分复用器可将Ch1-Ch2-Ch3、Ch4-Ch5-Ch10、Ch6-Ch8-Ch11、Ch7-Ch9-Ch12波长通道内的纠缠光子发送给Alice、Bob、Charlie、Dave四个用户；四用户可建立六组量子通信互联关系，每组互联关系由一对独立的纠缠单光子建立，以通道组合表示为：Alice-Bob共享Ch3-Ch10、Alice-Charlie共享Ch2-C11、Alice-Dave共享Ch1-Ch12、Bob-Charlie共享Ch5-Ch10、Bob-Dave共享Ch4-Ch9、Charlie-Dave共享Ch6-Ch7；量子网络服务器在为各用户提供纠缠单光子共享服务后，各用户可对纠缠单光子进行量子信息编译，从而构建四用户任意互联量子通信网络体系。

本发明还提供了一种实现基于多波长纠缠光源的量子通信组网方法的实施例，包括：

首先，多波长纠缠光源可以通过三种方式实现：两路多波长单光子序列技术方案可在多个光学自由度构建纠缠关联，然而很难通过单一光学系统实现多波长并行单光子纠缠关联；利用光学晶体或周期极化波导自发频率下转换效应可直接产生多波长纠缠单光子输出，然而，二阶非线性介质不具备灵活可设计特性，很难获得较大的非线性增益带宽；利用冷却光纤/微纳波导自发四波混频效应亦可直接产生多波长纠缠单光子输出，以硅基波导为代表的微纳波导具有灵活可控色散特性，可实现宽带纠缠单光子输出，同时，通过硅基微环腔等微纳结构，可直接将密集波分复用系统集成于同一芯片上，直接实现窄线宽多波长纠缠单光子输出。

其次，构建基于自发非线性效应多波长纠缠光源的量子网络服务器，将输出单光子按波长通道分为信号光子组和闲频光子组，根据能量守恒定律和相位匹配条件确定各通道之间的信号-闲频对应关系(即纠缠关联)。

最后，利用密集波分复用器，对纠缠单光子进行波长通道配置，分发给量子通信网络的各用户，保证每一组用户互联关系都能共享至少一对纠缠光子；通信双方对纠缠光子进行编译操作，即可实现量子通信功能。

通过本发明所述量子通信组网技术，可将多台点对点量子通信设备需求转移至量子网络服务器波长通道数量需求；结合密集波分复用技术有望构建多用户任意互联的量子通信网络。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)采用独立的量子网络服务器构建多用户任意互联的量子通信网络体系，可通过权衡量子网络服务器的地理位置，保证各用户节点之间的通信距离最短；

(2)组网规模大：以四用户任意互联量子通信网络为例，点对点量子通信组网方案至少需要12套量子通信设备，而本发明所述技术方案只需一套量子网络服务器和6套量子信号解译器，随着用户规模的提升这一优势将更加明显；

(3)基于纠缠的量子通信协议不仅适用于量子密钥分发系统，还能较好地兼容量子隐形传态通信系统，亦即，本发明中纠缠光子分发直接契合未来广义量子通信网络的建设需求；

(4)能够较好地兼容经典光纤通信中较为成熟的波分复用技术，有望在已经配置的光纤通信网络体系基础上直接进行量子升级；

(5)具有灵活可调整特性，增加或删除用户只需调整波长通道配置法则，无需大幅更改Hilbert空间，为灵活可介入量子通信网络提供重要技术支撑。

为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

本申请可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本申请，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。

内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。内存是计算机可读介质的示例。

计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (8)

1.一种基于多波长纠缠光源的量子通信组网方法，其特征在于所述方法由实现多波长纠缠光源、纠缠单光子波长通道配置以及多用户任意互联量子通信组网构成；

所述实现多波长纠缠光源利用多波长纠缠光源实现频域等间隔、两两纠缠的纠缠单光子输出；

所述纠缠单光子波长通道配置构建量子网络服务器并对纠缠单光子进行波长通道配置；

所述多用户任意互联量子通信组网为多用户任意互联提供纠缠单光子服务，构建量子通信网络；

所述多波长纠缠光源通过两路多波长单光子序列纠缠实现或通过自发非线性效应实现，其中，通过自发非线性效应实现是通过以硅基微环腔为代表的非线性谐振腔，将非线性增益集中在谐振频率附近一定带宽内，同时具备非线性效应增强和多波长窄带滤波功能，实现高亮度多波长纠缠单光子输出；

所述纠缠单光子波长通道配置具体为构建多用户任意互联网络拓扑，计算通信网络中互联关系数量，当网络拓扑结构为N个用户直接互联时，互联关系数量为N×(N-1)，所需波长通道数量为2N×(N-1)；利用N台密集波分复用器，将具备纠缠关联的单光子合并到同一光学路径中并分发给各用户；每组互联关系的建立至少需要一对纠缠光子。

2.根据权利要求1所述的基于多波长纠缠光源的量子通信组网方法，其特征在于，所述通过两路多波长单光子序列纠缠实现包括：

多波长单光子序列内包含多个波长不同的单光子，建立其中波长相同的两个单光子之间的纠缠关联；

通过光学晶体或周期极化波导自发频率下转换效应实现宽带纠缠单光子输出；通过光谱整形实现频域等间隔多波长纠缠单光子输出；

通过冷却光纤或微纳波导自发四波混频效应实现宽带纠缠单光子输出；通过光谱整形实现频域等间隔多波长纠缠单光子输出。

3.根据权利要求1或2所述的基于多波长纠缠光源的量子通信组网方法，其特征在于，所述方法可构建量子密钥分发网络或构建量子隐形传态通信网络。

4.根据权利要求3所述的基于多波长纠缠光源的量子通信组网方法，其特征在于，所述构建量子密钥分发网络时，可在量子网络服务器端进行量子密钥分发，或可通过量子网络服务器分发的纠缠单光子，由各用户独立进行量子密钥分发，量子密钥分发协议包括但不限于E91协议、BBM92协议、时间-能量纠缠协议。

5.根据权利要求4所述的基于多波长纠缠光源的量子通信组网方法，其特征在于，所述构建量子隐形传态通信网络时，可在量子网络服务器端进行量子态操作，或可由各用户独立进行量子态操作。

6.一种实现如权利要求1-5之一所述基于多波长纠缠光源的量子通信组网方法的系统，其特征在于，所述系统包括

多波长纠缠光源模块，用于实现频域等间隔、两两纠缠的纠缠单光子输出；

纠缠单光子波长通道配置模块，用于构建量子网络服务器并对纠缠单光子进行波长通道配置；

多用户任意互联量子通信组网模块，用于为多用户任意互联提供纠缠单光子服务，构建量子通信网络；

其中，多波长纠缠光源模块通过两路多波长单光子序列纠缠实现或通过自发非线性效应实现，其中，通过自发非线性效应实现是通过以硅基微环腔为代表的非线性谐振腔，将非线性增益集中在谐振频率附近一定带宽内，同时具备非线性效应增强和多波长窄带滤波功能，实现高亮度多波长纠缠单光子输出；

所述纠缠单光子波长通道配置模块为构建多用户任意互联网络拓扑，计算通信网络中互联关系数量，当网络拓扑结构为N个用户直接互联时，互联关系数量为N×(N-1)，所需波长通道数量为2N×(N-1)；利用N台密集波分复用器，将具备纠缠关联的单光子合并到同一光学路径中并分发给各用户；每组互联关系的建立至少需要一对纠缠光子。

7.根据权利要求6所述的基于多波长纠缠光源的量子通信组网方法的 系统，其特征在于，所述通过两路多波长单光子序列纠缠实现包括：

多波长单光子序列内包含多个波长不同的单光子，建立其中波长相同的两个单光子之间的纠缠关联；

通过光学晶体或周期极化波导自发频率下转换效应实现宽带纠缠单光子输出；通过光谱整形实现频域等间隔多波长纠缠单光子输出；

通过冷却光纤或微纳波导自发四波混频效应实现宽带纠缠单光子输出；通过光谱整形实现频域等间隔多波长纠缠单光子输出。

8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现权利要求1-5任一项所述方法的步骤。

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