经典_量子信道复用技术研究

经典-量子信道复用技术研究

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摘要：经典－量子信道复用传输是光纤量子密钥通信中的关键应用技术。通过讨论复用技术原理及其噪

声干扰因素，剖析该项技术需要解决的技术难题。总结了国外近年来的主流解决方案，深入分析其典型实验，并针对各类方案的技术特点提出其应用需求和发展趋势，为该技术的进一步研究提供参考思路。

关键词：量子密钥分发；量子通信网络；信道复用；波分复用；暗光纤中图分类号：TN918文献标识码：A 文章编号：1002-5561（2014）03-0059-04

王宇帅，李云霞，石磊，蒙文，李达，姬一鸣

（空军工程大学信息与导航学院，西安710077）

The research of classical-quantum channel

multiplexing technology

WANG Yu-shuai,LI Yun-xia,SHI Lei,MENG Wen,LI Da,JI Yi-ming

(Information and Navigation College,Air Force Engineering University,Xi'an 710077,China )

Abstract:The classical-quantum channel multiplexing transmission was one of the key application technolo-gies of quantum key communications.This text discussed the principle of multiplexing and noise which dis-turbed the system,analyzing the technical problems of this program.Then summarized mainstream foreign methods recently ，in-depth analyzing typical experiments.Aimed at all kinds of solutions,we put forward its application requirements and development tendency in order to provide reference thoughts for further study.Key words:quantum key distribution;quantum communication network;channel multiplexing;wavelength division multiplexing;dark fiber

0引言

在量子通信高速发展的今天，光纤量子密钥分发（QKD ）[1，2]作为量子通信中的重要领域，以其较成熟的技术手段、优良的传输载体实现了250km 以上的安全通信[3]，最高密钥分发速率达到Mb/s 级[4]。近几年来，量子密钥分发系统的实用化研究在国内外成为了关注热点[5，6]，一些高保密性小型通信网络已经开始应用于QKD 系统。

然而，目前的QKD 系统多采用物理上隔离的量子信道与经典信道完成传输任务，这就要求量子信号的传输占用光纤通信网络中的大量暗光纤（指无任何其它光信号传输的光纤）。尽管光纤造价很低，但其铺设成本及维护费用却很高。未来QKD 系统如果能应用于多用户通信网络中，对暗光纤消耗将更为严重。因此，人们转向研究经典-量子信道复用技术来降低

QKD 系统的经济建设成本，促进量子通信网络实用化

建设。

近年来，国外在经典-量子信道复用技术方向发展迅速，其基本思路是采用经典光通信中十分成熟的波分复用（WDM ）技术，实现量子信息光与经典信息光的同信道传输。然而，量子信息光为单个光子信号，具有能量低、抗噪性差的特点，与经典信息光实现波分复用存在较大困难[7]。目前，以美国和东欧为首的量子通信项目小组均在该技术领域开展实验研究，其主要采用波长隔离、窄带滤波和时域滤波等技术手段克服噪声干扰，实现复用传输。本文在剖析复用技术原理的基础上着眼具体解决方案，通过典型实验分析各类方案的优势及不足，并为今后的研究工作提出展望。

1复用技术原理及噪声源分析

以目前主流研究方向的波分复用系统为例，典型的经典-量子信道复用系统原理如图1所示，其中量子信道的主要噪声来源为掺铒光纤放大器（EDFA ）的自发辐射效应、波分解复用器有限的隔离度造成的信道串扰和光纤的非线性效应等。其中，EDFA 的自发辐射效应[8]所产生的噪声可以被波分解复用设备有效隔

收稿日期：2013-11-15。

作者简介：王宇帅（1990-），男，硕士生，主要研究方向为光纤量子通信。

DOI:10.13921/ki.issn1002-5561.2014.03.019

王宇帅，李云霞，石磊，等：经典-量子信道复用技术研究

离，对量子信道影响较小。信道串扰噪声不可避免，这是由现实条件下波分解复用设备的隔离度有限造成的。据研究[9]，一般情况下经典信息光对量子信道的串扰光子数约为10-5ns -1，其数值不随传输距离改变，对量子信道构成一定影响。光纤的非线性效应中自发喇曼散射效应的噪声波长覆盖频域宽，可达100nm 以上，并且能量分布均匀，随通信距离增加而增大。研究表明[10]，光纤长度为10km 时，在C 波段其对临近带宽为1nm 的信道产生的噪声光子数约为10-5ns -1，当光纤长度增加至50km 时，此数值上升至约10-4ns -1，该噪声光强已超过了量子信息光强，严重影响了量子信道性能且不易滤除，是经典-量子波分复用系统的最主要噪声源。

2主要解决思路

为消除上述噪声干扰，实现经典-量子信道复用技术应用，近年来国外数个量子通信项目小组采用各类技术手段进行了多次实验尝试，形成的主要方案大体分为两类：较远波长隔离方案；同波段传输方案。

2.1较远波长隔离方案

在经典-量子信道复用的噪声源中，占主要地位

的自发喇曼散射噪声覆盖频域较宽，因此人们探索出将QKD 信道与经典信道通过波分复用技术分别在同一根光纤的O 波段和C 波段传输的方案，以降低自发喇曼散射噪声影响；同时，又为避免经典信息光频率下移，使量子信息光产生受激喇曼散射。因此，一般情况下量子信道的波长低于经典信道，即量子信息光传输在O 波段，经典信息光传输在C 波段。

1997年，Townsend 报道了英国电信（BT ）进行的首次经典-量子信道复用实验[11]。该实验依托伦敦和东安格利亚大学多项网络测试平台（LEANET ），实现了

速率为1.2Gb/s 的经典数据与对其加密的量子密钥通过光波分解复用器（WDM ）进行的信道复用传输，其系统结构如2所示。

作为首次经典-量子信道复用技术实践，实验通过量子信道与经典信道的波长隔离，有效减少了自发喇曼散射噪声。然而，限于当时的QKD 收发技术和实验设备精度，该系统误码率较高，以致于不能产生保证通信安全的量子密钥，但其证明了经典-量子信道复用技术的可行性，并提出了波长隔离的滤除噪声方法，为今后的研究指出了方向。

2005年，美国电信科学实验室（Laboratory for Telecommunications Sciences ）的N.I.Nweke 等人在Los Alamos 国家实验室（LANL ）研发的基于B92协议相位编码量子密钥分发系统[12]基础上，与WDM 系统结合，

搭建了QKD+WDM 传输系统[13]，其原理如图3所示。

该QKD+WDM 系统利用波长隔离和窄带滤波的方法对光纤中的喇曼散射噪声进一步抑制，对信道串扰噪声也进行了一定程度的隔离，将QKD 与经典信息实现了具有实际意义的同光纤传输。但其密钥发送速率仅有70b/s ，通信距离仅有为10km 。

2009年，美国卓讯科技公司（Telcordia Technolo -gies ）同样在LANL 的基于B92协议相位编码量子密钥分发系统上，再次对长距离经典-量子信道复用系统进行实验[14]。与美国电信科学实验室的QKD+WDM 系统不同的是，该实验的WDM 系统采用低损耗两级薄膜波分解复用器，总插入损耗约为2.4dB ，通信距离

增加到25km ，最终安全密钥发送速率为6b/s

。

图1经典-量子信道复用系统

图2首次经典-量子信道复用实验系统结构图

图3QKD+WDM

系统结构图