经典_量子信道复用技术研究

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经典-量子信道复用技术研究

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）

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

DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2014.03.019

The research of classical-quantum channel

multiplexing technology

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

(Informationand 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

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

2014年第3期

QKD 系统的经济建设成本，促进量子通信网络实用化

建设。

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。

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王宇帅，李云霞，石磊，等：经典-量子信道复用技术研究

图1经典-量子信道复用系统

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。

图2首次经典-量子信道复用实验系统结构图

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。

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。

图3QKD+WDM

系统结构图

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

。

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。

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王宇帅，李云霞，石磊，等：经典-量子信道复用技术研究

总结上述实验，可知较远波长隔离方案可以有效抑制信道复用系统中的自发喇曼散射噪声，并且对于信道串扰噪声也可通过较高隔离度的波分解复用设备有效滤除，达到复用要求精度。但是，该方案的密钥发送速率随通信距离的增加下降较快，25km 以上的通信距离几乎不能生成安全密钥，其原因是O 波段传输损耗较大，而QKD 系统又对误码率有着较高要求，导致QKD 在O 波段不能传输较长距离。因此，该类方法虽然在抑制自发喇曼散射噪声方面具有优势，但是其通信距离受到很大限制。

11b/s的安全密钥发送速率。不仅如此，该实验还首次

将QKD 为经典数据加密过程在信道复用系统中同步实现，为经典-量子信道复用技术的实际应用提供了重要支撑。

2012年，英国剑桥大学东芝研究室的A. J. Shields 团队提出了一种利用时域滤波对抗自发喇曼散射噪声干扰的经典-量子信道复用技术方案[17]，其实

验系统结构如图5所示。

2.2同波段传输方案

由于较远波长隔离方案存在着传输距离的限制，

QKD 与经典数据在C 波段同传的方案逐渐受到重视。

该方案主要通过频带滤波与设置时间门限，并采用更高精度的噪声隔离设备来抑制自发喇曼散射噪声和信道串扰噪声的影响。近年来，该方案研究逐步增多，不断有新的纪录诞生。

2005年，美国世界通信公司（MCI ）和量子科技公司

（MagiQ ）的Lee 与Wellbrock 等人首次使用一个QKD 商用系统实现10Gb/s的经典数据与QKD 在C 波段同传，量子信道和经典信道均采用标准国际电信联盟（I -

图5A. J. Shields 团队实验系统结构图

该系统在90km 的通信距离上密钥发送速率为

TU ）标准[15]，其系统结构如图4。

7.6kb/s，当通信距离降低到50km 时，该数值可以达到507kb/s，系统性能较以往有很大程度的提升。在高隔离度的CWDM 和窄带滤波器应用的基础上，其主要原

因是时域滤波技术的采用。由于自发喇曼散射光子到达单光子探测器的时间具有随机特性，而单光子发射频率已定，因此时域滤波可有效滤除大部分噪声光子。本实验中，时域滤波100ps 的时间门限有效地将量子信道信噪比提高了10倍，由此系统误码率大幅度降低。

总结上述实验，可得同波段传输方案在通信距离得到进一步提升的情况下，较前方案有着更高的密钥发送速率。这是因为随着滤波技术的进一步提高和仪

图4MCI 与MagiQ

公司实验系统结构图

器精度的大幅提升，自发喇曼散射噪声的影响逐步减小，而光纤在不同波段上的传输损耗基本是已定的。因此，光纤传输损耗逐渐代替自发喇曼散射噪声成为主要的误码产生源。在此基础上，经典-量子信道复用的同波段传输方案在长距离通信中更具优势。

该实验系统初步实现了QKD 与经典数据同波段传输，但由于其未采用有效滤除噪声方法，导致系统整体误码率很高，不能生成安全密钥。作为同波段传输方案的首次实验尝试，对噪声的量化分析为今后的方案改进提供了一定实践基础。

2009年，瑞士日内瓦大学的Gisin Nicolas 小组提

出了QKD 与经典数据采用密集波分复用（DWDM ）在

3经典-量子信道复用技术展望

近年来，经典-量子信道复用技术进一步成熟，不断有突破性成果产生，其有望在以下几个方面得到进一步发展。

C 波段同传的实验方案[16]。该实验采用了较低内在噪声的QKD 系统、高精度的噪声隔离设备，通信协议采

用了密钥生成效率较高的SARG 协议，将窄带滤波器的带宽更是降低到了45pm ，实现了50km 传输距离上

①采用较远波长隔离方案实现短距离高速保密

通信。前文分析到，较远波长隔离方案可以更有效地

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王宇帅，李云霞，石磊，等：经典-量子信道复用技术研究

抑制噪声，而在短距离传输中，光纤传输损耗并不能成为主要的误码来源。因此，进一步采用高精度的设备和滤波技术，有望在短距离完成高速QKD 与经典数据同传，为量子密钥通信城域网建设打下基础。

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②采用同波段传输方案实现中长距离保密通信。

目前同波段传输方案已经具有一定的抗噪声能力，下一步工作应致力于进一步降低噪声影响并控制设备成本，使其在低传输损耗方面的优势可以在中长距离的量子密钥通信中发挥作用，并在未来有望作为量子密钥广域网建设的关键技术。

③结合现有光网络体制，应用经典-量子信道复

用技术实现量子密钥通信网络。经典-量子信道复用技术的研发旨在加速量子通信网络的建设，因此以复用技术为工具，实现QKD 融入光通信网络是其终期目标。该方向应着眼于当前光网络体制，并重点对密集波分复用DWDM 光网络、IP/MPLSover DWDM 光网络、运营级以太网GE 及光传送网OTN 等新型光网络体制进行分析，建立QKD 与光网络体制结合的量子密钥通信网络。

4结束语

经典-量子信道复用技术是一项较为复杂的技术，虽然近年来已经产生了一定研究成果，仍有许多关键技术需要解决，在应用中还要考虑复用效率、频段选取和成本等多方面的因素。迄今为止，这项技术仍处于理论研究和实验室验证阶段，但其作为量子通信实用化的必由之路，必然是量子通信领域下一步的发展重点。参考文献：

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