CN115065413B - 一种空分复用量子密钥分发中基于总距离的纤芯分配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种空分复用量子密钥分发中基于总距离的纤芯分配方法，本方法适用于量子密钥分发与经典光信号融合传输的系统中，对于任意纤芯排布，任意纤芯数目的多芯光纤均适用。本方法设计主要针对经典信号单向传输和经典信号双向传输两个应用场景。以量子纤芯与经典纤芯，尤其是反向经典纤芯距离最远为设计目标，旨在提高量子密钥生成率。相比于其他现有空分复用量子密钥分发系统中的纤芯分配方法，本方案具有普适性和灵活性的优势。

Description

一种空分复用量子密钥分发中基于总距离的纤芯分配方法
技术领域
本专利涉及量子通信领域，尤其涉及与经典光网络融合的量子密钥分发系统。该方案主要为基于多芯光纤的量子与经典信号共纤传输系统提供具有普适性和灵活性的纤芯分配方案，能够有效降低量子信号受到的芯间噪声干扰，提高量子密钥生成率。
背景技术
量子密钥分发(Quantum Key Distribution,QKD)为解决通信安全性问题提供了切实可靠的解决办法。目前，点对点的QKD技术的发展日益完善，将QKD与传统光网络融合成为推动QKD技术实用化的趋势。将基于空分复用的多芯光纤应用于融合传输的QKD光网络可实现高速率、大容量的目标，然而，量子信号与经典信号在多芯光纤中共纤传输的过程中，量子信号功率极小，容易受到周围纤芯中经典信号产生的各种芯间噪声干扰，如芯间串扰噪声，芯间拉曼散射噪声等。因此，在经典信号和量子信号共多芯光纤传输这一场景中，需要合理的分配纤芯资源，用以降低量子信道上的噪声，并最终提高QKD系统的性能。
目前，针对多芯光纤中量子信号与经典信号共纤传输的纤芯分配问题的研究还不多见，特别是考虑到多芯光纤的纤芯排布可能出现不规则或者复杂情况，量子纤芯数量可能出现多个的情况，需要设计一种更具有普适性和灵活性的纤芯分配方案。
发明内容
本专利针对基于多芯光纤的经典信号和量子信号融合传输这一应用场景，提出了一种空分复用量子密钥分发中基于总距离的纤芯分配方法，本方法适合任意纤芯排布和任何纤芯数量的多芯光纤。主要以如何抑制量子信号所受噪声来提高量子密钥生成率为目标，包含两个技术要点：
1、提出了一种基于总距离的经典信号单向-量子信号单向的纤芯分配方案；
2、提出了一种基于总距离的经典信号双向-量子信号单向的纤芯分配方案。此方案只适用于后向噪声大于前向噪声的情况。
针对所述的第一个技术要点具体说明如下：
提出了一种基于总距离的经典信号单向-量子信号单向的纤芯分配方案。本方案的主要思想是使量子纤芯和经典纤芯距离尽量远。该纤芯分配方案共分为7个步骤。
步骤一：分别计算每个纤芯与其他所有纤芯的距离之和，记为每个纤芯的总距离D。
步骤二：分配首个量子纤芯，总距离最大的作为首选量子纤芯；若总距离最大且相同，随机选取一个作为首选量子纤芯。
步骤三：遍历剩余纤芯与量子纤芯的距离，记为R。
步骤四：按照R的大小，从大到小进行优先级编号，距离大的优先级高，序号靠前，反之亦然；当与量子纤芯的距离R相同时，考虑总距离D，D越小优先级越低；D和R都相同时随机排序。
步骤五：分配经典纤芯，按照优先级顺序分配经典纤芯。
步骤六：分配下一量子纤芯，遍历剩余纤芯与经典纤芯距离之和，选择最大的作为下一个量子纤芯。
步骤七：重复步骤六直到所有量子纤芯分配完毕。
针对所述的第二个技术要点具体说明如下：
提出了一种基于总距离的经典信号双向-量子信号单向的纤芯分配方案。该纤芯分配方案前四个步骤与第一个技术要点相同，因此，步骤五到步骤六为：
步骤五：分配经典纤芯，按照优先级顺序分配经典纤芯，优先分配反向传输经典纤芯，反向经典纤芯分配完毕后再分配同向经典纤芯。
步骤六：分配下一量子纤芯，遍历剩余纤芯与反向经典纤芯距离之和，选择最大的作为下一个量子纤芯。
步骤七：重复步骤六直到所有量子纤芯分配完毕。
本专利所述方法可以应用于量子信号与经典信号共多芯光纤传输的光网络中，能够降低量子信号受到的多种芯间噪声，提高QKD系统的安全密钥生成率，促进QKD与经典光网络的融合。
附图说明
图1为7芯多芯光纤的截面图。
图2为本方法所述的基于总距离的经典信号单向-量子信号单向的纤芯分配方案示意图。
图3为本方法所述的基于总距离的经典信号双向-量子信号单向的纤芯分配方案示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方法及优点更加清楚明白，以下结合附图1、附图2、附图3及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本专利提出的空分复用量子密钥分发系统中基于总距离的纤芯分配方法中，多芯光纤可以为如附图1中所示的7芯光纤。在经典信号单向-量子信号单向传输场景中，假设量子纤芯的需求数目为2，经典纤芯的需求数目为2。在经典信号双向-量子信号单向传输场景中，假设量子纤芯的需求数目为2，前向传输经典纤芯的需求数目为2，后向传输经典纤芯的需求数目为2。
基于总距离的经典信号单向-量子信号单向传输的纤芯分配方案过程如附图2所示。
首先，遍历附图1中所有纤芯与其他纤芯距离之和，记为总距离D。因为外圈纤芯的总距离D都相等且最大，随机选取一个作为首选量子纤芯，如附图2(a)所示。然后遍历剩余纤芯与量子纤芯的距离,记为R，按照此距离的大小，从大到小进行优先级编号，距离大的优先级高，序号靠前，反之亦然；当与量子纤芯的距离R相同时，考虑总距离D，总距离越小优先级越低；当D和R都相同时随机排序。按照此规则，优先级最高的纤芯分配如附图2(b)所示。在附图2(c)中1号左右两个纤芯D和R两个参数都相同，因此优先级随机排序为2、3。在附图2(d)到附图2(e)中，中间纤芯虽然与剩余两个纤芯的R相同，但中间纤芯的总距离D更小，因此优先级更低。优先级分配好后可按此优先级分配经典纤芯。最后分配剩余量子纤芯。假设两个经典纤芯已经分配好，在剩余3、4、5、6号纤芯中，5号纤芯距离两个经典纤芯的距离最大，因此将其分配为下一个量子纤芯，如附图2(f)所示。
在基于总距离的经典信号单向-量子信号单向传输的纤芯分配方案基础上，进行基于总距离的经典信号双向-量子信号单向传输的纤芯分配方案过程如附图3所示。
分配首选量子纤芯和分配剩余纤芯优先级的过程和基于总距离的经典信号单向-量子信号单向传输的纤芯分配方案相同，分配好后如附图3(a)所示。现分配2个同向传输经典纤芯和2个后向传输经典纤芯。按照规则，优先分配2个后向传输的经典纤芯为1、2号纤芯，再分配2个同向传输的经典纤芯为3、4号纤芯，如附图3(b)所示。最后分配剩余量子纤芯，在剩余的5、6号纤芯中，5号纤芯距离两个后向传输的经典纤芯距离最远，因此将5号纤芯分配为下一个量子纤芯，如附图3(c)所示。

Claims (1)

1.一种空分复用量子密钥分发中基于总距离的纤芯分配方法，适合任意纤芯排布和任意纤芯数目的多芯光纤，根据对经典信号传输方向的需求，其特征在于，主要分为两类：
A、基于总距离的经典信号单向-量子信号单向传输的纤芯分配方案，所需要的经典信号传输方向为单向，量子信号传输方向也为单向，经典信号和量子信号不可以在相同纤芯传输，其特征在于，包括以下步骤：
S1、分别计算每个纤芯与其他所有纤芯的距离之和，记为每个纤芯的总距离D；
S2、分配首个量子纤芯，总距离D最大的作为首选量子纤芯；
若总距离D最大且相同，随机选取一个作为首选量子纤芯；
S3、遍历剩余纤芯与量子纤芯的距离记为R；
S4、按照R的大小，从大到小进行优先级编号，距离大的优先级高，序号靠前，距离小的优先级低，序号靠后；当与量子纤芯距离R相同时，考虑总距离D，D越小优先级越低；D和R都相同时随机排序；
S5、分配经典纤芯，按照优先级顺序分配经典纤芯；
S6、分配下一量子纤芯，遍历剩余纤芯与经典纤芯距离之和，选择最大的作为下一个量子纤芯；
S7、重复S6直到所有量子纤芯分配完毕；
B、基于总距离的经典信号双向-量子信号单向传输的纤芯分配方案，适用于经典信号对量子信号的后向噪声大于前向噪声的情况，所需要的经典信号传输方向为单向或双向，量子信号传输方向为单向，经典信号可量子信号不可以在相同纤芯传输，其特征在于，包括以下步骤：
S1、分别计算每个纤芯与其他所有纤芯的距离之和，记为每个纤芯的总距离D；
S2、分配首个量子纤芯，总距离D最大的作为首选量子纤芯；
若总距离D最大且相同，随机选取一个作为首选量子纤芯；
S3、遍历剩余纤芯与量子纤芯的距离，记为R；
S4、按照R的大小，从大到小进行优先级编号，距离大的优先级高，序号靠前，距离小的优先级低，序号靠后；当与量子纤芯距离R相同时，考虑总距离D，D越小优先级越低；D和R都相同时随机排序；
S5、分配经典纤芯，按照优先级顺序分配经典纤芯；优先分配反向传输的经典纤芯，待反向传输的经典纤芯分配完毕，再分配同向传输的经典纤芯；
S6、分配下一量子纤芯，遍历剩余纤芯与反向传输经典纤芯距离之和，选择最大的作为下一个量子纤芯；
S7、重复S6直到所有量子纤芯分配完毕。
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