量子通信基础第五章

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1、2021/9/171量子通信基础第五章量子通信网杨伯君2021/9/172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

2、起步阶段，已经有多个QKD网络的模型提出。第一个量子通信网络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]。2021/9/173量

3、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(SecureCommunicationBasedonQuantumCryptography)，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10

4、kb/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。2021/9/174第一

5、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，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Q

6、KD网络2,基于信任节点的QKD网络3,基于量子节点的QKD网络2021/9/1751,基于光学节点的QKD网络最早出现的QKD网络实验就是利用光学节点实现的，其结构如图5-1所示。实验中采用光分束器实现Alice和N个Bob之间的量子密钥分发。Alice发出的光子被随机地分配到接收端的任意一个Bob，每次只能分发一个光子给一个用户。发送的光子经过分束器时会有1/N的概率达到某个特定的Bob端，而且由于分束器不具备路由功能，因此Alice不能将光子传给指定的Bob。在此网络中，Alice虽然能够同时和多个

7、Bob分配密钥，但随着用户数增加到N，每个用户的码率都下降到单个用户时的1/N，所以效率很低。除了效率问题之外，此网络过于依赖管理员Alice，如果Alice发生了故障则整个网络就将瘫痪。另外，各个Bob之间也不能直接进行量子通信，必须依靠Alice中转密钥。图5-1光学分束器构成的QKD网络结构图2021/9/1761,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，FiberBraggGrating)的总线型量子密钥分配网络

8、、基于光分插复用(OADM,OpticalAdd/DropMultiplexer)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A