一种高效的量子通信网络的制作方法

本发明涉及量子通信领域，具体涉及一种利用经典信道的高效的量子通信网络。

背景技术：

量子通信是量子力学与信息论结合的新兴交叉学科，主要是利用量子纠缠效应进行信息传递。量子通信包括了量子密钥分发、量子安全直接通信、量子身份认证等研究方向，而量子密钥分发是其中的研究重点，也是最先迈向实验演示验证与工程实用化的学科方向。由于量子密钥分发是以量子力学的基本原理为基础，再加上“一次一密”的通信方式，任何受物理规律支配的密码分析者不可能施行在经典密码系统中常采用的攻击方法，以及其他任何攻击方法，从而保证了量子通信能够处于物理水平的无条件安全。量子通信不但在国家安全、金融等信息安全领域有着重大的应用价值和前景，而且逐渐走进人们的日常生活。

通信信道按照其传递的信息是经典信息还是量子信息，分为经典信道和量子信道。经典信道用来传递经典信息，每个光脉冲包含数亿个光子。量子信道用来传递量子信息，每个光脉冲是单光子级别。如果在同一根光纤中传输，高功率的经典信道产生的自发拉曼散射噪声会对量子信道造成干扰，使量子信道无法操作，目前实验和试验网都采用了独立的光纤来承载量子信息。

因此，当前商用的量子通信系统均需要量子信道和经典信道两根光纤，且当前的研究也集中在这种同时需要利用量子信道和经典信道的量子通信方式上。例如，在201610695670.9号中国专利申请所公开的量子密钥分发系统中，其中探讨的就是量子信道中量子信号光的传输。在这种通信方式下，量子密钥分发系统会占用大量的暗光纤(即无任何其他光信号传输的光纤)，造成铺设成本和维护费用非常高，这种现象在多用户通信网络中会更为严重。

光纤资源并非随处可得，并且价格昂贵。随着政府制定国家宽带发展战略，近几年中国宽带接入网络得到了突飞猛进的发展：大多地方能为用户提供几兆至几十兆的网络带宽，有的发达省市中心城区甚至可达百兆以上。高带宽消耗了更多的光纤资源，很多区域的光纤资源都非常紧张，骨干网中纤芯资源紧缺的问题尤为严重。我国的“六纵六横”全国骨干网中，部分区段已经没有备用光纤，极大的影响了网络的安全性，也成为未来构建量子通信网络的一个障碍。

针对这一问题，目前有提出让量子信道和经典信道在同一光纤中传输思路，以解决当前光纤资源紧张对量子通信网络发展造成的限制。但是，现实情况是经典信号和量子信道的汇聚节点位置往往不一致，经典设备的汇聚站点可能只汇聚少量量子用户，不值得设置一个量子汇聚点，而量子终端设备又有可能在数十公里之外的机房，这样就可能存在多个量子用户要占用多个光纤的现象，同样会对光纤资源造成过度的需求和浪费。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提出了一种利用经典信道实现的量子通信网络，其能够利用同一信道(诸如光纤)同时传输经典信号光和量子信号光，同时避免传输至用户终端的量子信号光因分光而强度减弱，从而克服了现有技术中暗光纤造成的资源浪费和现有波分复用技术中量子信号光利用率低的问题。

本发明的一个方面公开了一种量子通信网络，其可以包括发送端、多个用户终端以及位于所述发送端和所述多个用户终端之间的量子自由绕路装置。其中，所述发送端可以被设置成向第一信道输出第一合束，所述第一合束包括量子信号光和经典信号光。所述量子自由绕路装置可以被设置成接收所述第一合束，将所述第一合束中的所述经典信号光分光，以及将所述经典信号光的所述分光中的一路与所述第一合束中的所述量子信号光合束形成第二合束。以及所述多个用户终端中的一个可以经第四信道接收所述第二合束。

进一步地，所述发送端可以包括：经典设备，其用于输出所述经典信号光；量子设备，其用于输出所述量子信号光；以及第三波分复用器，其被设置成将所述经典信号光和所述量子信号光合束形成所述第一合束。

进一步地，所述量子自由绕路装置可以包括第一波分复用器、分光元件、光量子交换机单元、以及多个第二波分复用器。

更进一步地，在所述量子自由绕路装置中，所述第一波分复用器可以被设置成接收所述第一合束，以及将所述第一合束中的所述经典信号光和所述量子信号光分开以使它们分别沿第二信道和第三信道传输。所述分光元件可以被设置成接收沿所述第二信道传输的所述经典信号光，以及将所述经典信号光进行分光。所述光量子交换机单元可以包括多个输出端口且被设置成：接收沿所述第三信道传输的所述量子信号光，以及从所述多个输出端口中选择一个输出所述量子信号光。以及，所述第二波分复用器可以被设置成接收由所述分光元件输出的所述经典信号光的所述分光中的一路和由所述光量子交换机单元输出的所述量子信号光，以及将所述经典信号光的所述一路分光与所述量子信号光合束形成所述第二合束。

或者更进一步地，在所述量子自由绕路装置中，所述第一波分复用器可以被设置成接收所述第一合束，以及将所述第一合束中的所述经典信号光和所述量子信号光分开以使它们分别沿第二信道和第三信道传输。所述分光元件可以被设置成接收沿所述第二信道传输的所述经典信号光，以及将所述经典信号光进行分光。所述光量子交换机单元可以包括多个输出端口且被设置成：接收由所述分光元件输出的所述经典信号光的分光以及沿所述第三信道传输的所述量子信号光，根据控制信号控制所述经典信号光的所述分光的输出，以及从所述多个输出端口中选择一个输出所述量子信号光。以及所述第二波分复用器可以被设置成接收由所述光量子交换机单元输出的所述经典信号光的所述分光中的一路和所述量子信号光，以及将所述经典信号光的所述一路分光与所述量子信号光合束形成所述第二合束。

本发明的另一方面公开了一种量子通信网络，其可以包括发送端、多个用户终端以及位于所述发送端和所述多个用户终端之间的量子自由绕路装置。其中，所述发送端可以被设置成向第一信道输出第一合束，所述第一合束包括经典信号光和多个量子信号光。所述量子自由绕路装置可以被设置成接收所述第一合束，将所述第一合束中的所述经典信号光分光，并且将所述第一合束中的所述多个量子信号光分开，以及将所述分开的量子信号光中的一个或多个分别与所述经典信号光的所述分光合束形成一个或多个第二合束。以及所述用户终端可以分别接收所述第二合束。

进一步地，所述发送端可以包括：经典设备，其用于输出所述经典信号光；多个量子设备，其用于输出所述多个量子信号光；第一光量子波分复用器，其被设置成接收多个所述量子信号光，以及将所述多个量子信号光合束形成第三合束；以及第三波分复用器，其被设置成将所述经典信号光和所述第三合束进行合束以形成所述第一合束。

进一步地，所述量子自由绕路装置可以包括第一波分复用器、分光元件、光量子交换机单元、以及多个第二波分复用器。其中，所述光量子交换机单元可以包括第二光量子波分复用器和m*n的光量子交换机。其中，m为发送端的量子设备数量且大于1，n为用户终端侧的量子设备数量且大于1。

更进一步地，在所述量子自由绕路装置中，所述第一波分复用器可以被设置成接收所述第一合束，以及使所述第一合束中的所述经典信号光和所述第三合束分开以使它们分别沿第二信道和第三信道传输。所述分光元件可以被设置成接收沿所述第二信道传输的所述经典信号光，以及将所述经典信号光进行分光。所述第二光量子波分复用器可以被设置成接收所述第三合束，以及使所述第三合束中的所述多个量子信号光分开。所述光量子交换机可以包括m个输入端口和n个输出端口，且被设置成接收由所述第二光量子波分复用器分开的所述多个量子信号光，以及为所述分开的多个量子信号光中的每一个选择相应的输出端口。以及所述第二波分复用器可以被设置成接收由所述分光元件输出的所述经典信号光的所述分光中的一路和由所述光量子交换机输出的所述多个量子信号光中的一个，以及将所述经典信号光的所述一路分光与所述多个量子信号光中的所述一个合束形成所述第二合束。

本发明的又一方面公开了一种量子通信网络，其包括发送端、多个用户终端以及位于所述发送端和所述多个用户终端之间的多级经典网络节点。在该量子通信网络中，可以在所述经典网络节点中设置量子自由绕路装置。所述量子自由绕路装置可以被设置成：接收包括经典信号光和量子信号光的第一合束，将所述第一合束中的所述经典信号光分光，以及将所述经典信号光的所述分光中的一路与所述第一合束中的所述量子信号光合束形成第二合束。并且，所述经典网络节点中的所述量子自由绕路装置所接收的所述第一合束可以是所述经典网络节点的上一级经典网络节点中的所述量子自由绕路装置输出的所述第二合束。

进一步地，所述发送端可以包括：经典设备，其用于输出所述经典信号光；量子设备，其用于输出所述量子信号光；以及第三波分复用器，其被设置成将所述经典信号光和所述量子信号光合束，从而形成用于所述多级经典网络节点中的第一级经典网络节点的所述量子自由绕路装置的所述第一合束。

进一步地，所述量子自由绕路装置可以包括第一波分复用器、分光元件、光量子交换机单元、以及多个第二波分复用器。

更进一步地，在所述量子自由绕路装置中，所述第一波分复用器可以被设置成接收所述第一合束，以及将所述第一合束中的所述经典信号光和所述量子信号光分开以使它们分别沿第二信道和第三信道传输。所述分光元件可以被设置成接收沿所述第二信道传输的所述经典信号光，以及将所述经典信号光进行分光。所述光量子交换机单元可以包括多个输出端口且被设置成：接收沿所述第三信道传输的所述量子信号光，以及从所述多个输出端口中选择一个输出所述量子信号光。以及，所述第二波分复用器可以被设置成接收由所述分光元件输出的所述经典信号光的所述分光中的一路和由所述光量子交换机单元输出的所述量子信号光，以及将所述经典信号光的所述一路分光与所述量子信号光合束形成所述第二合束。

或者更进一步地，在所述量子自由绕路装置中，所述第一波分复用器可以被设置成接收所述第一合束，以及将所述第一合束中的所述经典信号光和所述量子信号光分开以使它们分别沿第二信道和第三信道传输。所述分光元件可以被设置成接收沿所述第二信道传输的所述经典信号光，以及将所述经典信号光进行分光。所述光量子交换机单元可以包括多个输出端口且被设置成：接收由所述分光元件输出的所述经典信号光的分光以及沿所述第三信道传输的所述量子信号光，根据控制信号控制所述经典信号光的所述分光的输出，以及从所述多个输出端口中选择一个输出所述量子信号光。以及，所述第二波分复用器可以被设置成接收由所述光量子交换机单元输出的所述经典信号光的所述分光中的一路和所述量子信号光，以及将所述经典信号光的所述一路分光与所述量子信号光合束形成所述第二合束。

附图说明

图1示意性示出本发明的量子通信网络的第一示例实施例；

图2示意性示出本发明的量子通信网络的第二示例实施例；

图3示意性示出本发明的量子通信网络的第三示例实施例；和

图4示意性示出本发明的量子通信网络的第四示例性实施例。

具体实施方式

在下文中，本发明的示例性实施例将参照附图来详细描述。下面的实施例以举例的方式提供，以便充分传达本发明的精神给本发明所属领域的技术人员。因此，本发明不限于本文公开的实施例。

图1示出了根据本发明的量子通信网络的第一示例性实施例。如图所示，本发明的量子通信网络可以包括发送端、用户终端及量子自由绕路装置。量子自由绕路装置可以包括第一波分复用器1、分光元件2、光量子交换机单元3、以及一个或多个第二波分复用器4。

波分复用器1和4可以包括第一端口c、第二端口r和第三端口p。在本发明中，波分复用器1和4可以被设置成，当光入射到第一端口c时，第二端口r输出入射光中在第一频率范围内的光，第三端口p输出入射光中在第二频率范围内的光。反之亦然，即，当第一频率范围内的光在第二端口r处入射，并且/或者第二频率范围内的光在第三端口p处入射时，第二端口r和第三端口p处的入射光将在第一端口c处合成一路输出。其中，第一频率范围可以不同于第二频率范围。

第一波分复用器1的第一端口c可以连接第一信道，以接收入射光。该入射光可以包括量子信号光和经典信号光，即，本发明的第一信道可以用于同时传输量子信号光和经典信号光。其中，量子信号光可以包括量子光和同步光。

第一波分复用器1的第二端口r可以被设置成输出入射光中的经典信号光，且可以通过第二信道连接分光元件2，以将经典信号光传输至分光元件2。

分光元件2可以包括一个输入端和i个输出端(i为大于或等于1的自然数)，以便将一路入射光分成相应的i路光输出。在本发明中，分光元件可以将经典信号光分成i路光，以用于多个终端用户，实现多个用户终端共享一根光纤。

第一波分复用器1的第三输出端p可以被设置成输出入射光中的量子信号光，且可以通过第三信道连接光量子交换机单元3，以将量子信号光传输至光量子交换机单元3。

在该实施例中，光量子交换机单元3可以为光量子交换机的形式，其具有一个输入端和j个输出端(j为大于或等于1的自然数)，且被设置成根据控制信号从j个输出端中选择一个输出入射的量子信号光，以便将其发送给相应的终端用户。

分光元件2的输出端之一和光量子交换机单元3的输出端之一可以通过第三信道分别连接第二波分复用器4的第二端口r和第三端口p，第二波分复用器4的第一端口c可以通过第四信道连接相应的终端用户，使得来自分光元件2的经典信号光和来自光量子交换机单元3的量子信号光可以在第二波分复用器4的第一端口c处合束以在同一光纤中传输至相应的终端用户。

在本发明中，第一信道上的光是由发送端发出的，该发送端可以包括光线路终端(olt)、qkd设备和第三波分复用器。在该发送端中，光线路终端用于发出经典信号光，qkd设备用于发出量子信号光，第三波分复用器用于将经典信号光和量子信号光形成合束以发送至第一信道。第三波分复用器可以具有与第一、第二波分复用器相同的结构及设置。

与第四信道连接的用户终端可以包括光网络单元(oiu)、qkd设备和第四波分复用器。在用户终端中，第四波分复用器用于将第四信道上的合束分成两路输出，其中：一路为经典信号光，用于光网络单元；另一路为量子信号光，用于qkd设备。第四波分复用器可以具有与第一波分复用器相同的结构及设置。

在该实施例中，借助第一波分复用器1将合束传播的经典信号光和量子信号光分成两路，其中，对于信号较强的经典信号光直接采用分光元件进行分光处理，对于信号较弱的量子信号光，不采用分光操作，而是借助光量子交换机单元将其输出至连接相应终端用户的信道，并最终再次借助第二波分复用器3将对应于该终端用户的经典信号光部分和全部量子信号光合束，共用一个信道传送至相应的终端用户。通过这种方式，能够避免共用光纤合束传输中量子信号光不必要地与经典信号光一起被分光，导致量子信号光强度过弱，信噪比低，误码率高的问题，同时不会对经典通信网络造成影响。进一步地，可以注意到，随着终端用户增多，经典信号光将要被分光元件分成更多份，对应于每个终端用户的经典信号光的强度越弱，而借助第一波分复用器和光量子交换机单元的设置，对应该终端用户的量子信号光并不会经历分光，其强度不会发生衰减，因此，终端用户接收到的、同时包括经典信号光和量子信号光的合束光中，量子信号光的信噪比将会进一步增大，进而提高量子密钥的品质，克服了共用光纤合束传输方式中量子密钥品质随终端用户数量增大而变劣的问题。

在本发明中，波分复用器可以是稀疏波分复用器(cwjd)、密集波分复用器(dwjd)、带通波分复用器(fwjd)、光纤布拉格光栅(fbg)中的任何一种，但并不限于此。由于cwdj、dwcj和fwjd具有汇总端口、反射端口和透射端口，且透射端的隔离度要大于反射端的隔离度，因此，本发明可以优选采用这三种波分复用器，且将汇总端口设置为第一端口c，反射端口设置为第二端口r，透射端口设置为第三端口p，利用隔离度最大的透射端口来消除本底荧光对qkd的影响。

优选地，qkd发送端可以采用dfb激光器。在量子信号光中，量子光的波长可以为1550ij，同步光的波长可以为1570ij。经典信号光的波长可以为1310ij和1490ij，例如olt的下行经典信号光的波长为1490ij，oiu的上行经典信号光的波长为1310ij。将量子光的波长选取为1550ij，可以避免其被拉曼噪声淹没，且优于选用的是常用通信波段，光纤路径衰减小(0.2db/kj)，器件购买和制造相对便宜方便，有利于商用应用和推广。

优选地，本发明的分光元件可以是分束器。

优选地，本发明中的信道可以为光纤信道。

图2示出了根据本发明的量子通信网络的第二示例性实施例，其是对第一示例性实施例的进一步扩展，因此，与第一示例性实施例类似的内容在此将不再赘述。

如图2所示，本发明的量子通信网络的第二实施例同样可以包括发送端、用户终端及量子自由绕路装置，且量子自由绕路装置可以包括第一波分复用器1、分光元件2、光量子交换机单元3、以及一个或多个第二波分复用器4。

与第一实施例不同的是，在该实施例中，发送端可以包括光线路终端、m(m为大于1的自然数)个qkd设备和第一光量子波分复用器。光量子交换机单元3可以包括第二光量子波分复用器和n*m的光量子交换机，其中n为onu侧qkd设备数量。n*m的光量子交换机具有m个输入端和n个输出端，且被设置成根据控制信号选择与输入端对应的输出端，以便将其发送给相应的终端用户。

在该实施例中，发送端中的m个qkd设备输出的m路量子信号光通过第一光量子波分复用器复合成一路量子信号光的合束输出，该量子信号光的合束与光线路终端输出的经典信号光经第三波分复用器再次合束并输出至第一信道。

同样地，第一信号上的合束又经第一波分复用器1分成两路光，一路为经典信号光且沿第二信道传输，另一为上述m路量子信号光的合束且沿第三信道传输。

在量子交换机单元3处，第三信道上的量子信号光的合束经第二光量子波分复用器重新分为m路量子信号光。该m路量子信号光将分别被传送至光量子交换机的不同输入端。在控制信号的作用下，n*m光量子交换机可以选择与输入端对应的输出端，使量子信号光向对应的用户终端传输。

借助该实施例，可以实现在m个onu处同时生成量子密钥，从而实现量子密钥生成量的扩容。

图3示出了根据本发明的量子通信网络的第三实施例，其同样是对第一示例性实施例的进一步改进，因此，与第一示例性实施例类似的内容在此将不再赘述。

本发明的量子通信网络的第三实施例同样可以包括发送端、用户终端及量子自由绕路装置，且量子自由绕路装置可以包括第一波分复用器1、分光元件2、光量子交换机单元3、以及一个或多个第二波分复用器4。

与第一实施例不同的是，在该实施例中，(经分光元件2分光形成的)用于用户终端的经典信号光部分的传输信道也被接入到光量子交换机单元3，从而提供控制经典通信的功能。举例而言，当某一对qkd设备之间需要最大程度的保持密钥生成任务时，可以通过控制光量子交换机3临时断开经典通信，完全去除经典光信号，从而完全去除因为量子信号光和经典信号光在同一光纤中传输时由经典通信造成的噪声(包括拉曼噪声在内)。

实际的光通信网络中，接入网用户主要以pon设备的形式连入城域网，还有一些拥有专有线路的“vip用户”，像银行、银监会、atm网等。这些单点用户也是需要汇总到节点。城域网中量子网络节点成本高，所以节点间的距离大。经典网络节点多，距离近。因为合理化的融合方案不仅波分复用光缆资源，也需要“复用”节点，但是过多的经典网络节点本身存在大量的损耗，为此，本发明的第四示例性实施例提出了在每个经典网络节点上均设置量子绕路装置的方式来提高信噪比，并最终实现量子网络节点与用户终端之间的通信连接。

图4示出了根据本发明的量子通信网络的第四实施例。如图所示，发送端与用户终端之间可以具有k级(k为大于1的自然数)经典网络节点，每个经典网络节点上均可以设置上述第一至第三示例性实施例之一的量子自由绕路装置。在该量子通信网络中，第g级(g大于1且小于k)经典网络节点上的量子自由绕路装置中的第一信道连接上一级(即第g-1级)经典网络节点上的量子自由绕路装置中的第四信道，且第四信道连接下一级(即第g+1)级经典网络节点上的量子自由绕路装置中的第一信道，其中第1级经典网络节点上的量子自由绕路装置中的第一信道连接发送端，第k级经典网络节点上的量子自由绕路装置中的第四信道连接用户终端。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。