CN116667940A - 基于路径选择光路的功能可定义量子通信方法 - Google Patents

基于路径选择光路的功能可定义量子通信方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出的基于路径选择光路的功能可定义量子通信方法，将量子密钥分发、量子直接通信、量子时间同步、分布式量子传感等多种量子通信业务功能对应的光学系统集成在统一芯片集成光学平台，并按照量子态编译自由度的差异细化拆解各种通信协议，通过路径选择光路实现各种量子通信系统的灵活切换，达到“一块芯片、多种功能”的效果。本发明强调“光学器件最少用量”法则，即通过各种光学器件的复用、使用尽可能简单的光学结构实现尽可能多的量子通信功能，满足尽可能多的应用场景，为可软件定义量子通信系统研发提供了重要参考，为量子通信网络建设奠定坚实基础。

Description

基于路径选择光路的功能可定义量子通信方法
技术领域
本发明属于量子通信、量子传感和集成光学的交叉学科，具体是指一种将多种量子通信业务功能、量子通信协议对应的光学系统集成在同一光学平台，通过路径选择光路实现功能可定义切换的方法，尤其涉及一种基于路径选择光路的功能可定义量子通信方法。
背景技术
量子是能量的最小单元，满足量子不可分割原理、量子不可克隆原理和海森堡测不准原理。基于量子的信息传输技术，能够具备信道层面的无条件安全特性，即窃听者无法在不引起通信双方觉察的条件下通过分离量子的方式获取信息内容。量子通信中“通信”一词可能有多重理解，狭义的量子通信是指将量子态保真无损地从一处传递到另一处的过程，广义的量子通信则指依托量子态传输实现的各种信息传递功能，根据传递信息的不同，又可将广义量子通信细化为量子密钥分发、量子直接通信、量子时间同步等，这些不同的量子通信业务功能能够基于相同的物理原理，即狭义的量子通信。
随着量子通信应用的扩展和深化，采用单一设备解决多种问题的功能可定义系统成为主流发展趋势。功能可定义是指，将多种量子通信业务功能集成到同一系统中，通过编程控制、软件定义等方式实现各种业务功能的灵活切换，以适应不同的应用需求。
发明内容
针对上述缺陷，本发明要解决的技术问题是如何将量子密钥分发、量子直接通信、量子时间同步等多种量子通信业务功能，以及偏振编码、相位编码、模式编码等多种协议所对应的量子通信系统集成到同一光学平台上，复用量子光源、单光子探测器等核心元器件，通过路径选择光路等方法实现量子通信业务功能或通信协议的切换，实现可编程逻辑控制的功能可定义量子通信。
针对上述缺陷，本发明的目的在于提供一种基于路径选择光路的功能可定义量子通信方法，将多种量子通信业务功能以及多种量子通信协议对应的光量子信号处理光路集成到同一光学平台，所述光学平台集成同一套量子光源和单光子探测器，不同量子通信业务功能或量子通信协议对应的信号处理光路通过路径选择光路、偏振选择光路、波长选择光路控制，使得光量子根据要求通过不同的光学路径；通信双方根据实际需要选择业务功能和量子通信协议；通信双方控制路径选择光路，使光量子通过对应的调制和解调路径，借助通信实现信息交互，完成功能可定义量子通信。
优选的，上述多种量子通信业务功能包括但不限于量子密钥分发、量子直接通信、量子时间同步和分布式量子传感。
优选的，上述光学平台可以是自由空间光路、全光纤光路，优选为芯片集成光路。
优选的，上述芯片集成光路上集成同一套量子光源和单光子探测器，不同量子通信业务功能或量子通信协议对应的信号处理光路通过路径选择光路、偏振选择光路、波长选择光路控制，使得光量子根据要求通过不同的光学路径。
优选的，上述各种业务功能或量子通信的实现通过芯片集成电路控制芯片集成光学器件实现，芯片集成电路与可编程逻辑控制电路集成。
优选的，上述方法具体包括以下步骤：
S1、量子通信业务功能的异构集成，即将量子密钥分发、量子直接通信、量子时间同步、分布式量子传感等多种量子通信功能对应的信号处理系统集成到同一光学平台上，可共享相同的光源和探测器；
S2、量子通信协议的异构集成，将不同光学自由度编码的量子通信信号处理系统集成到同一光学平台，可共享相同的光源和探测器；
S3、功能定义，根据实际应用需要，选择对应的量子通信业务功能和通信协议，通过路径选择光路控制量子态产生、编译、分发、传输的过程，实现通信功能的按需定义。
本发明提供一种基于路径选择光路的功能可定义量子通信方法，包括通信双方即发送方和接收方，具体包括：
S101、通过量子光源产生光量子，光量子的不同光学自由度通过调制模块进行编译，通过解调模块解调为单光子探测器和时域分析仪能够识别的信号；
S102、所述发送方和接收方通过协商确定当前的业务需求，选择相同的业务功能以及对应的通信协议；
S103、发送方和接收方同时控制路径选择光路，使光量子通过相应的调制模块和解调模块；
S104、通信双方通过经典通信信道交互信息，完成业务功能所需的协商和信息后处理，以及不同时间节点通信双方的业务需求；
S105、组建具备功能可定义能力的量子通信网络，所述通信网络能够异构存在多种业务功能，网络业务功能的拓扑结构根据业务需要时刻转变。
优选的，上述S104中业务功能包括但不限于量子密钥分发、量子直接通信、量子时间同步。
优选的，上述量子通信协议包括但不限于BB84、E91、COW、DPS、TF、MDI。
本发明提供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。
与现有技术相比，本发明达到了以下技术效果：
首先，本发明提出一种功能可定义量子通信方法，将量子密钥分发、量子直接通信和量子安全时间同步等多种业务功能以及细化的多种量子通信协议对应的光学调制系统集成到同一平台，使得使用单一设备实现多种量子通信功能成为可能；
其次，本发明提出通过芯片集成光路实现功能可定义量子通信系统的技术方案，包含多种量子通信业务功能、多种量子通信协议的超大规模集成光路研制成本基本持平于单一量子通信光路，使得“一套设备、多重选择”的通用量子通信设备成为可能；
最后，本发明所述方法将在功能可定义量子通信网络方面得到广泛应用，为“多种业务功能一张网异构融合”提供先决条件。
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示出了本发明基于路径选择光路的功能可定义量子通信方法的一实施例示意图；
图2示出了本发明基于路径选择光路的功能可定义量子通信系统的具体实施例示意图；
图3示出了本发明基于路径选择光路的功能可定义量子通信方法的另一实施例示意图。
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。
鉴于主流的量子通信主要采用光量子作为信息载体，利用芯片集成光学平台和路径选择光路，有望将多种量子通信业务功能以及多种量子通信协议对应的光学系统、电学系统集成在同一块光电芯片上。
如图1所示，本发明提供了一种基于路径选择光路的功能可定义量子通信方法的实施例，包括：
S101、量子通信业务功能的异构集成，即将量子密钥分发、量子直接通信、量子时间同步、分布式量子传感等多种量子通信功能对应的信号处理系统集成到同一光学平台上，可共享相同的光源和探测器；
S102、量子通信协议的异构集成，即将不同光学自由度编码的量子通信信号处理系统集成到同一光学平台，可共享相同的光源和探测器；
S103、功能定义，根据实际应用需要，选择对应的量子通信业务功能和通信协议，通过路径选择光路控制量子态产生、编译、分发、传输的过程，实现通信功能的按需定义。
如图2所示，本实施例还提供一种通信授时一体化的量子通信系统，包括通信双方(发送方和接收方)，包括：
S1.量子光源产生光量子，光量子的不同光学自由度均可通过调制模块进行编译，通过解调模块解调为单光子探测器和时域分析仪能够识别的信号；
S2.发送方和接收方通过协商确定当前的业务需求，选择相同的业务功能以及对应的通信协议；
S3.发送方和接收方同时控制路径选择光路，使光量子通过相应的调制模块和解调模块；
S4.通信双方通过经典通信信道交互信息，完成量子密钥分发、量子直接通信、量子时间同步等业务功能所需的协商和信息后处理，以及不同时间节点通信双方的业务需求；
S5.基于上述功能可定义量子通信系统可以组建量子通信网络，该网络同样具备功能可定义能力，即该网络能够异构存在多种业务功能，亦即该网络业务功能的拓扑结构可以根据业务需要时刻转变。
如图3所示，本实施例展示了基于路径选择光路的功能可定义量子通信方法实施例，具体包括：
S201、将多种量子通信业务功能以及多种量子通信协议对应的光量子信号处理光路集成到同一光学平台，所述光学平台集成同一套量子光源和单光子探测器，不同量子通信业务功能或量子通信协议对应的信号处理光路通过路径选择光路、偏振选择光路、波长选择光路控制，使得光量子根据要求通过不同的光学路径；
S202、通信双方根据实际需要选择业务功能和量子通信协议；
S203、通信双方控制路径选择光路，使光量子通过对应的调制和解调路径，借助通信实现信息交互，完成功能可定义量子通信。
在一些实施例中，多种量子通信业务功能包括但不限于量子密钥分发、量子直接通信、量子时间同步和分布式量子传感。
在一些实施例中，光学平台可以是自由空间光路、全光纤光路，优选为芯片集成光路。
在一些实施例中，多种量子通信协议包括但不限于BB84、E91、COW、DPS、TF、MDI。
在一些实施例中，芯片集成光路上集成同一套量子光源和单光子探测器，不同量子通信业务功能或量子通信协议对应的信号处理光路通过路径选择光路、偏振选择光路、波长选择光路控制，使得光量子根据要求通过不同的光学路径。
在一些实施例中，各种业务功能或量子通信的实现通过芯片集成电路控制芯片集成光学器件实现，芯片集成电路与可编程逻辑控制电路集成。
在一些实施例中，通信双方需要进行量子密钥协商且信道对偏振态传输更友好，则通信双方确定业务功能为量子密钥分发、协议为BB84协议。
本发明还提供一种基于路径选择光路的功能可定义量子通信方法的实施例，将量子密钥分发、量子直接通信、量子时间同步、分布式量子传感等多种量子通信业务功能对应的光学系统集成在统一芯片集成光学平台，并按照量子态编译自由度的差异细化拆解各种通信协议，通过路径选择光路实现各种量子通信系统的灵活切换，达到“一块芯片、多种功能”的效果。
在一些实施例中，量子通信以量子态为载体进行传输，传输过程符合海森堡测不准原理、量子态不可克隆原理、量子不可分离原理。
在一些实施例中，量子通信信道可以是光纤也可以是自由空间，量子态可以是光子也可以是自旋电子。
在一些实施例中，编码自由度可以是相位、偏振、模场、到达时间等，业务功能包括但不限于量子密钥分发、量子直接通信、量子时间同步和分布式量子传感，不限定量子通信系统具体结构和工作模式。
在一些实施例中，量子通信信道可以是光纤也可以是自由空间，量子态可以是光子也可以是自旋电子，编码自由度可以是相位、偏振、模场、到达时间等，可以遵循准备-测量协议也可以遵循纠缠协议，不限定量子通信系统具体结构和工作模式。
在一些实施例中，通信双方根据实际需要选择业务功能，根据信道条件选择对应的量子通信协议，通过控制路径选择光路使光量子通过不同的调制、解调路径，完成量子通信业务功能和协议的按需切换。量子通信协议包括但不限于BB84、E91、COW、DPS、TF、MDI等，路径选择光路也可以通过偏振选择光路、波长选择光路等实现，通过控制级联干涉仪相位差实现路径选择、通过控制偏振旋转实现偏振选择、通过调谐实现波长选择等。
在一些实施例中，芯片集成光学平台能够通过CMOS兼容的工艺平台制备，所有光电器件均能通过标准制备工艺制备，集成光路和集成电路之间能够有效互联，通过集成电路控制集成光路能够实现信息逻辑向电学逻辑最后向量子逻辑的改变。
在一些实施例中，芯片集成光学平台材料包括但不限于绝缘体上硅、氮化硅、碳化硅、石英、三五族铝镓砷等。不限定具体制备工艺，不限定实现各种量子通信业务功能和协议对应的信号处理光路具体结构。
在一些实施例中，芯片集成光学平台也可以替换为自由空间光路和全光纤光路。
与现有技术相比，本发明具有以下优势：
首先，本发明提出一种功能可定义量子通信方法，将量子密钥分发、量子直接通信和量子安全时间同步等多种业务功能以及细化的多种量子通信协议对应的光学调制系统集成到同一平台，使得使用单一设备实现多种量子通信功能成为可能；
其次，本发明提出通过芯片集成光路实现功能可定义量子通信系统的技术方案，包含多种量子通信业务功能、多种量子通信协议的超大规模集成光路研制成本基本持平于单一量子通信光路，使得“一套设备、多重选择”的通用量子通信设备成为可能；
最后，本发明所述方法将在功能可定义量子通信网络方面得到广泛应用，为“多种业务功能一张网异构融合”提供先决条件。
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 (10)

1.一种基于路径选择光路的功能可定义量子通信方法，将多种量子通信业务功能以及多种量子通信协议对应的光量子信号处理光路集成到同一光学平台，所述光学平台集成同一套量子光源和单光子探测器，不同量子通信业务功能或量子通信协议对应的信号处理光路通过路径选择光路、偏振选择光路、波长选择光路控制，使得光量子根据要求通过不同的光学路径；通信双方根据实际需要选择业务功能和量子通信协议；通信双方控制路径选择光路，使光量子通过对应的调制和解调路径，借助通信实现信息交互，完成功能可定义量子通信。
2.根据权利要求1所述的基于路径选择光路的功能可定义量子通信方法，其特征在于，所述多种量子通信业务功能包括但不限于量子密钥分发、量子直接通信、量子时间同步和分布式量子传感。
3.根据权利要求1所述的基于路径选择光路的功能可定义量子通信方法，其特征在于，所述光学平台可以是自由空间光路、全光纤光路，优选为芯片集成光路。
4.根据权利要求3所述的基于路径选择光路的功能可定义量子通信方法，其特征在于，所述芯片集成光路上集成同一套量子光源和单光子探测器，不同量子通信业务功能或量子通信协议对应的信号处理光路通过路径选择光路、偏振选择光路、波长选择光路控制，使得光量子根据要求通过不同的光学路径。
5.根据权利要求3所述的基于路径选择光路的功能可定义量子通信方法，其特征在于，所述各种业务功能或量子通信的实现通过芯片集成电路控制芯片集成光学器件实现，芯片集成电路与可编程逻辑控制电路集成。
6.根据权利要求1所述的基于路径选择光路的功能可定义量子通信方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：
S1、量子通信业务功能的异构集成，即将量子密钥分发、量子直接通信、量子时间同步、分布式量子传感等多种量子通信功能对应的信号处理系统集成到同一光学平台上，可共享相同的光源和探测器；
S2、量子通信协议的异构集成，将不同光学自由度编码的量子通信信号处理系统集成到同一光学平台，可共享相同的光源和探测器；
S3、功能定义，根据实际应用需要，选择对应的量子通信业务功能和通信协议，通过路径选择光路控制量子态产生、编译、分发、传输的过程，实现通信功能的按需定义。
7.根据权利要求1所述的基于路径选择光路的功能可定义量子通信方法，包括通信双方即发送方和接收方，其特征在于所述方法具体包括：
S101、通过量子光源产生光量子，光量子的不同光学自由度通过调制模块进行编译，通过解调模块解调为单光子探测器和时域分析仪能够识别的信号；
S102、所述发送方和接收方通过协商确定当前的业务需求，选择相同的业务功能以及对应的通信协议；
S103、发送方和接收方同时控制路径选择光路，使光量子通过相应的调制模块和解调模块；
S104、通信双方通过经典通信信道交互信息，完成业务功能所需的协商和信息后处理，以及不同时间节点通信双方的业务需求；
S105、组建具备功能可定义能力的量子通信网络，所述通信网络能够异构存在多种业务功能，网络业务功能的拓扑结构根据业务需要时刻转变。
8.根据权利要求7所述的基于路径选择光路的功能可定义量子通信方法，其特征在于，所述S104中业务功能包括但不限于量子密钥分发、量子直接通信、量子时间同步。
9.根据权利要求8所述的基于路径选择光路的功能可定义量子通信方法，其特征在于，所述量子通信协议包括但不限于BB84、E91、COW、DPS、TF、MDI。
10.一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1-9任一项所述方法。
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