量子城域网系列（五）：几种典型的量子密钥分发网络组网结构

news2024/9/25 23:17:14

在上之前文章中，我们介绍了最基本的点对点量子保密通信网络形式以及组网方案，但是显然在实际的应用中，点对点的通信是比较少的，大多还是需要多个终端进行互联才能构成网络。本文我们就讨论一下几种基础的量子密钥分发网络组网结构。

1.关于量子密钥分发网络

量子密钥分发网络（Quantum Key Distribution Network，QDKN ）是指由多个量子密钥分发节点通过量子密钥分发链路连接组成的网络。在量子密钥分发网络中，通信双方能够产生并分享一个随机的、安全的密钥，用于加密和解密消息。这种密钥分发方式理论上被认为是无条件安全的，其安全性由量子力学的基本原理保证。

由于QKD设备具有量子信道独占性、密钥分发速率受限性等特征，经典网络的结构设计方法无法直接应用于QKD网络。为此，研究学者们相继开展了一些针对 QKD 网络结构设计的研究工作。QKD 网络结构设计的主要任务是在经典网络的基础上，通过设计 QKD 设备的部署策略，来达到在限定成本下获取最高网络性能的目的。以下为几种基本的QKD网络结构。

2.星型QKD网络

星型拓扑中有一个节点作为中心节点来控制整个网络的密钥分发，在整个网络中起到核心的作用，它可以是一个终端节点，也可以是一个交换机。2005年Kumavor提出无源星型网络(Passive-Star multi-userQKD Network)，用Alice作为网络控制器，采用分束器，随机的将光子分给N个用户。Kumavor原始文献里面的图片如下：

这种网络实现比较简单。但由于 Alice 通过脉冲激光源发出的光子是随机地分配到接收端，即没有路由功能，不能分配到指定用户，于是随着用户数的增加，QKD 网络的密钥分发效率比较低。因此限制了 QKD 网络规模。上图所示的方案一方面使密钥速率降低为1/N，造成衰减;另一方面由于随机发放，造成不确定性(探测速率的不确定性)，影响通信效率。Kumawa提出了一种波长路由网络(Wavelength-routed multi-user QkhNetwok)，通过波长选路策略能决定哪一个用户接收光子。如下图所示：

上图方案中的关键器件为阵列波导光栅（AWG）----波分解复用器，其他的和光纤耦合器大概相同，其中 Alice 采用波长可调的脉冲激光源。这样，Alice 想要与接收方进行量子密钥分发时，只需要将脉冲激光源的波长调节成与其相对应即可，如想和 Bob 分发密钥，则只需将脉冲激光源波长调至λ1。同样，想和其它接收端分发密钥只需把脉冲激光源波长调至相应的波长就行。

3.总线型QKD网络

与经典网络中的总线型拓扑相似， QKD 总线型拓扑的所有用户都连接在一条光纤上。下图给出了Kumavor 提出的一种波长寻址总线型网络（Wavelength-addressed Bus multi-user QKD Network）结构。图中G为光纤布拉格光栅，它能使特定波长的光反射，而其它波长的光通过。Alice 为控制器，Bob、Chris 和 Dan 等用户通信的波长分别为λ1，λ2，λ3，...，λN， Alice 可根据与其相连的用户调整自己激光器的波长从而实现通信，即所谓波长寻址。此拓扑仍然采用相位编码的 QKD方案。该总线型网络的可以很方便加入新用户

4.环形QKD网络

环型拓扑是指用户连成一个环。如下图给出了Kumavor 提出的光环型网络（Optical Ring multi-user QKD Network）拓扑，采用了Sagnac干涉计实现相位编码 QKD。图中包括了一个环行器(Circulator)和一个耦合器(Coupler),光子可延顺时针(Clockwise，CW)和反时针(CounteClockwise,CCW)方向传输。每个用户中都有一个相位调制器，Bob 是通信的控制方，每次只有一个 Alice 调制光子。

5.写在最后

本文介绍的 QKD组网结构都是一些基于光学元器件的简单网络，随着光学器件的发展，光学网络的发展也不断更新，出现很多结构复杂，效率较高的网络。本文主要还是偏向原理侧的基础知识介绍，算是为后期工程化问题进行铺垫。

这里说句题外话，前几天因为工作原因在高校旁听了一个关于量子信息的学术讲座，听完之后走在校园的路上，我就在想，当时我自己读研究生的时候也经常听讲座，但是好像每次都不认真，工作以后才发现学习的机会是多么宝贵，讲座的专家无意间说出来一句话就解决了我很久的困惑。最主要的是工作中其实看到各种方案或技术，关于其基本的原理或者理论，可能会有一个模糊的概念，但是大多是没有时间或精力深究的。就像这篇文章，说出来虽然简单，但是确实是基础性的需要掌握的知识点。后面的关于城域网复杂讨论就是这样循序渐进的。这也是算是我写这个系列博文的初心吧，我们就抱着格物致知的精神从点到线，再从线到面的全面了解量子城域网。