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1、2020/7/13,1,量子通信基础,第五章 量子通信网 杨伯君,2020/7/13,2,量子通信网,从我们介绍的内容来看，在目前有应用前景的是量子密鈅分发，因此 量子通信网实际介绍的是量子密鈅分发网. 点对点的量子密钥分发的理论和实验，已经取得了很大发展。已开始 投入市场，国际上至少有三家公司出卖QKD的设备。但是，现在的 通信网络十分庞大，错综复杂，因此点对点的量子密钥分发根本不能满 足人们对通信的需求。所以量子密钥分发必须由单独的点对点传输发展 成为量子密钥分发网络才能够在实际通信系统中得到广泛的应用。 尽管QKD网络的发展还处于起步阶段，已经有多个QKD网络的模型提 出。第一个量子通信
2、网络DARPA是美国国防部高级研究项目管理局投资 由BBN实验室与哈佛大学、波士顿大学、美国国家标准技术局(NIST)等 多家研究机构合作开展的量子保密通信与互联网结合的五年试验计划， 并于2003年在BBN实验室开始运行。2004年，6节点的量子密钥分发网络 在哈佛大学、波士顿大学和BBN公司之间利用标准电信光缆进行了通信 1。2006年，DARPA宣布建设一个拥有8个节点的QKD网络，他们计划 建立10节点的量子密钥分发网络2。,2020/7/13,3,量子密钥分发网络,欧洲的英法德奥等国联合建立基于量子密码的安全通信网络，简 称Secoqc (Secure Communication B
3、ased on Quantum Cryptography)，并于 2008年在奥地利的维也纳实验性地建立了一个5个节点的 QKD网络4 我国近几年来已在量子密钥分发网络方面做了不少的工作。据新华社报 导：2012年2月21日新华社和中国科技大学合作建设的金融信息量子通信验 证网正式开通，此网络连接新华社新闻大厦和新华社金融信息交易所，有4 个节点，3个用户，光纤长20km，量子密钥成码率达到10kb/s。 据新华社报导：2012年3月30日全球首个规模化量子通信网在合肥建成 ，并通过省科委的验收。该网有46个节点，花费6000多万元，用光纤 1700km，通过6个接入交换和集控站连接40组“量
4、子”电话用户和16组“量子”视频用户。在这中间利用了自行研制出的具有国际领先水平的单光子探测器、量子密钥收发一体终端、量子交换机和量子集控站等一批核心元器件与关键设备。但没有见到相关的技术资料，没法介绍。 本章将分两节介绍，1，三种量子密钥分发网络，主要介绍美 国和欧洲 的网络。 2，量子中继器。,2020/7/13,4,第一节 三种量子密钥分发网络,量子密钥分发网络是由多个网络节点按照一定的拓扑结构互联而 成。目前已提出的量子密钥分发网路方案可根据其节点功能分为三 类，包括：基于光学节点QKD网络、基于信任节点QKD网络以及基 于量子节点QKD网络。 光学节点QKD网络由光器件(例如分束器，
5、光开关，WDM，光纤 光栅等)组成， DARPA系统属于此类。信任节点QKD网络是由可信 任的网络节点连接而成，Secoqc系统属于此类。量子节点QKD是由 量子中继器作为节点的网络。 本节将对这三种量子密钥分发网络进行介绍，分以下几部分: 1, 基于光学节点的QKD网络 2, 基于信任节点的QKD网络 3, 基于量子节点的QKD网络,2020/7/13,6,1, 基于光学节点的QKD网络,随后出现了许多此网络的改进型网络，例如，基于WDM的树形量子 密钥分配网络、基于光纤布拉格光栅(FBG， Fiber Bragg Grating)的总线型 量子密钥分配网络、基于光分插复用(OADM, Op
6、tical Add/Drop Multiplexer) 的总线型量子密钥分配网络、以及基于Sagnac干涉仪的环形量子密钥分配 网络。 美国国防部高级研究项目管理局投资，由BBN与哈佛大学、波士顿大学 、美国国家标准技术局(NIST)等多家研究机构合作建立的DARPA网络就是 基于光学节点的量子密钥分发网络中较为成熟的一种， DARPA拓扑结构如 图5-2所示。此网络中含有两个弱相干BB84发送端(Alice和Anna)、两个相 互兼容的接收端Bob和Boris，以及一个22的光开关。在程序的控制之下 ，光开关可以实现任意发送端与接收端的连接。Alice、Bob和光开关在 BBN的实验室中，A
7、nna在Harvard大学，Boris在波士顿大学。连接Alice、 Bob和光开关的光纤长度为几米长，连接Anna和BBN的光纤大约为10km， Boris和BBN之间的光纤约为19km，Anna和Boris通过光开关相连的光纤为 29km长。DARPA还包含Ali和Baba两个节点，他们是由NIST提供的高速自 由空间QKD系统的电子子系统，Alex和Barb是两个新加入的基于纠缠的节 点，未来还将加入由QinetiQ提供的两个自由空间QKD节点A和B。,2020/7/13,7,1, 基于光学节点的QKD网络,图5-2 DARPA QKD网络拓扑结构图,2020/7/13,8,1, 基于光
8、学节点的QKD网络,这网络支掌着不同的QKD技术，包括相位调制的弱相干系统，光 子对纠缠系统，和自由空间QKD系统，下面分别介绍： A）BBN2号弱相干系统， 系统如Fig1所示，利用衰减的在通信波段的激光器为信号源，利用 非平衡Mach-Zehnder干涉仪进行相位调制，实现编码和解码。 Alice 利用Mach-Zehnder干涉仪随机调制四个相位之一，进行编码， Bob利用另一个Mach-Zehnder干涉仪随机选择两相位之一用于解码，探 测器用InGaAs雪崩二极管，工作温度-55c.系统照片如Fig2所示。,2020/7/13,9,1, 基于光学节点的QKD网络,2020/7/13,
9、10,1, 基于光学节点的QKD网络,B）BBN/BU一号纠缠系统， 利用自发参量下转换产生偏振纠缠光子对，利用光纤传送，光源 在BU为Alex，接收器在BBN，为Barb，利用InGaAs APD测量，为了 防止光纤对偏振的扰动，光路中加偏振控制器。 利用BB84协议，而不是Ek91协议，Fig3为系统草图，Fig4是实验装 置。,2020/7/13,11,1, 基于光学节点的QKD网络,2020/7/13,12,1, 基于光学节点的QKD网络,另外两个系统是自由空间通信系统； C）NIST自由空间系统 NIST是由国家标准局（NIS） 制作的，两端为Ali和Bab 装置如Fig5所示， 工
10、作波长845nm， 振动频率1.25Gb/s， 空间间距730m， 硅二极管接收。 D）QinetiQ自由空间系统 由QinetiQ组提供的一个小型 自由空间量子传送系统。 DARPA拓扑结构如Fig5.2示,2020/7/13,13,1, 基于光学节点的QKD网络,基于光学节点的量子密钥分配网络可以实现多用户之间的密钥分配，在目前技术条件下易于实现。在网络中根据经典光学的特性对量子信息进行路由，因此量子信息在传送过程中没有被破坏。然而，光学节点引入的插入损耗使得信息的安全传输距离缩短，网络中随着节点的增多插入损耗也随之增大，所以无源光学器件组成的量子密钥分配网络系统适用于局域范围内。,202
11、0/7/13,14,2 基于信任节点的QKD网络,基于信任节点的量子密钥分发网络是由多条QKD链路与信任节点 按照一定的拓扑结构连接而成。 当网络中的两个主机要进行保密通信时，他们首先在经典信道上 通过身份认证技术建立起连接供加密后的经典信息使用。然后，利 用每个节点上生成的量子密钥对要发送的信息依次进行“加密-解密- 加密-解密”的操作。网络中的每个节点都可以完成密钥的存取， 分发，筛选，安全评估，误码协调，保密增强，密码管理等任务， 每两个节点可以通过以上的操作协商出一套共有的安全密钥，并用 这套密钥对信息进行加密解密的操作。当解密完成后，信息所在的 节点再用与下一个节点共有的密钥对信息进
12、行加密并将加密后的信 息通过经典信道传输出去。假设点对点的密钥分发的安全性可以保 证（目前这种安全性通过实验已经得到了部分证实），则通过信任 节点连接的网络就可以在理论上实现远距离多用户的绝对保密通信。 欧州 Secoqc QKD网络采用的就是这种基于信任节点的量子密钥 分发网络。,2020/7/13,15,2 基于信任节点的QKD网络,图5-3 Secoqc QKD 网络结构图,2020/7/13,16,2 基于信任节点的QKD网络,图5-3是Secoqc QKD网络结构示意图。Secoqc网络由QBB(Quantum BackBone)节点和QBB链路组成。每个主机被连接到遍布网络中的各
13、个不同QBB节点上，需要运行应用程序的主机还可以连接到 QAN(Quantum Access Node)节点上。QBB链路是连接QBB节点的特 殊链路，是普通QKD链路的延伸。每一个QBB链路都包括任意多条 量子信道和一条经典信道。量子信道是用来传输量子密钥的，多条 量子信道用于提高量子密钥分配速率。为了保证密钥传输的绝对安 全还需要一条经典信道作为辅助。这里所提到的经典信道是一个虚 拟的信道而不是物理信道。它负责传输会话密钥，路由信息，网络 管理信息等。经典信道可以是通过TCP/IP套接在公共网络上建立 的连接，也可以是一个直接连接两个相邻QBB节点的点到点连接。 QKD网络中量子信道需要在
14、QBB节点间产生本地密钥并检测出有没 有窃听存在。只要量子比特的误码率低于安全阈值，两个QKD装置 就能够从原始密钥中提取出安全的密钥。如果误码率过高，原始密 钥将被抛弃。,2020/7/13,17,2 基于信任节点的QKD网络,SecoqcQKD网络有多个量子骨干网点（QBB）其目的是在各节点 之间提供多余的通路，提升网络功能，起路由器的作用。QBB网点由 QBB链相连，网中主计算机通过网络连接QBB网点。另外利用程序运 转的主计算机连接量子通路结点（QAN）,它带有限制容量，执行小的 路由功能，为许多客户提供通路，QAN和QBB利用安全的QKD链连 接，下面给出QBB链和QBB网点的结构。
15、 QBB链是特殊的链，它连接QBB网点，如Fig4所示，它包括多 个量子通道，和一个经典通道，经典通道用于传送公开信息。单独的量 子通道不可以建立无条件密钥。,2020/7/13,18,2 基于信任节点的QKD网络,QBB网点是QKD网的主要元件，它起一般网络中路由器的作用， 如下页Fig6所示，它是一个计算机系统。它包括多个量子点到点协议 Q3P模块(Quantum Point to point Protocol)它用于链层QBB链，连接邻 近QBB网点，Q3P包括多个子模块，分别用于鉴定、编码、解码、分 束、收集、控制等，另外还有密钥存储。QBB网点还包括路由模块， 用于收集和保持局部路由
16、信息；转运模块，提供快速转运通路；还有 一些其它模块，用于管理、随机数产生等。QBB网点在量子通信网中 起路由器的作用。负责密钥的鉴定、传送、转运、存储。 基于信任节点的QKD网络可以同时保证多用户和长距离传输这两点 要求，理论上甚至可以实现跨越全球的密钥分配网络。现有技术条件 下，这种网络易于实现，但随着网络的增大，节点的增多，这种网络 的安全性会大幅度下降。,2020/7/13,19,2 基于信任节点的QKD网络,2020/7/13,20,2 基于信任节点的QKD网络,基于信任节点的QkD实验网2008年在Vienna建立，其网结构如5-4 所示。 5-4,Vienna量子密钥分发网的建筑模块，与实际地理位置。,2020/7/13,21,2 基于信任节点的QKD网络,网络中四个QKD构成矩形网，它们是SIE，ERD，GUD，和BREIT，环形长63km，另一个在St.Poelten,光纤长85km。这些装置中有IdQuartique公司提供的Plug and play系统；有日内瓦大学Gisin教授提供的Ga
