專利名稱：全時(shí)全通型量子網(wǎng)絡(luò)路由器及擴(kuò)展量子保密通信網(wǎng)絡(luò)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及量子保密通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及量子密鑰分配網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。
背景技術(shù)：
量子密鑰分配的概念由Bennett和Brassard在1984年提出，其為密碼學(xué)中的密 鑰分配難題提供了完美的解決方案，量子力學(xué)的基本原理保證了分配密鑰的無條件安全。 雖然目前點(diǎn)對(duì)點(diǎn)量子密鑰分配距離已達(dá)200公里，但是從實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā)，當(dāng)多用戶 之間進(jìn)行密鑰分配時(shí)，量子密鑰分配技術(shù)必然會(huì)由點(diǎn)對(duì)點(diǎn)發(fā)展為量子密鑰分配網(wǎng)絡(luò)，即量 子保密通信網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)有的量子密鑰分配網(wǎng)絡(luò)包括基于量子中繼的量子密鑰分配網(wǎng)絡(luò)、基于量子糾纏 的量子密鑰分配網(wǎng)絡(luò)、基于光分束器的量子密鑰分配網(wǎng)絡(luò)、基于光開關(guān)的量子密鑰分配網(wǎng) 絡(luò)和基于波分復(fù)用器的量子密鑰分配網(wǎng)絡(luò)等等。目前，量子中繼和量子糾纏的量子密鑰分 配網(wǎng)絡(luò)基本處于理論研究階段，光分束器的量子密鑰分配網(wǎng)絡(luò)的單路性能隨著用戶數(shù)目增 加急劇下降，并且擴(kuò)展性較差，基于光開關(guān)的量子密鑰分配網(wǎng)絡(luò)需要主動(dòng)切換，而且基于光 分束器和光開關(guān)的量子密鑰分配網(wǎng)絡(luò)均不能實(shí)現(xiàn)任意兩用戶之間的全時(shí)全通?！叭珪r(shí)全通” 意即在任意時(shí)刻任意兩用戶之間都能進(jìn)行通信，而且骨干網(wǎng)一般要求網(wǎng)絡(luò)任意兩用戶一直 能通信。對(duì)于需要全時(shí)全通的骨干量子保密通信網(wǎng)絡(luò)，本實(shí)驗(yàn)小組曾經(jīng)提出的基于波分復(fù) 用/解復(fù)用器的量子網(wǎng)絡(luò)路由器是一種非常有應(yīng)用前景的裝置(專利號(hào)ZL03132014. 7)。 為了增強(qiáng)量子保密通信網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性，降低其對(duì)光波長(zhǎng)的依賴，本發(fā)明提出了一種新型 的量子網(wǎng)絡(luò)路由器以及擴(kuò)展量子保密通信網(wǎng)絡(luò)的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了一種新型的全時(shí)全通量子網(wǎng)絡(luò)路由器，目的是以此量子路由器為核 心組成量子保密通信的骨干網(wǎng)絡(luò)。本發(fā)明提出的有效擴(kuò)展量子保密通信網(wǎng)絡(luò)方法，是基于量子密鑰分配的特點(diǎn)而加 入擴(kuò)展自由度的。在相位編碼量子密鑰分配系統(tǒng)中，傳輸方向、偏振和光波長(zhǎng)均可作為擴(kuò)展 自由度；在偏振編碼量子密鑰分配系統(tǒng)中，傳輸方向和光波長(zhǎng)作為擴(kuò)展自由度。本發(fā)明的全時(shí)全通量子網(wǎng)絡(luò)路由器，由光環(huán)行器(CIR)、偏振分束器(PBS)和N波 長(zhǎng)波分復(fù)用/解復(fù)用器(WDM)中的一者、二者或者三者組成，共有14種方案，其中單獨(dú)由N 波長(zhǎng)復(fù)用/解復(fù)用器構(gòu)成量子網(wǎng)絡(luò)路由器的方案與本實(shí)驗(yàn)小組專利號(hào)為ZL03132014. 7的 專利重復(fù)，在本發(fā)明中不予考慮。(1)當(dāng)沒有光波長(zhǎng)自由度作為組網(wǎng)方案時(shí)，若單獨(dú)以光環(huán) 行器組成全時(shí)全通量子網(wǎng)絡(luò)路由器，有1種方案，最高可容納3用戶；若以光環(huán)行器和偏振 分束器組成全時(shí)全通量子網(wǎng)絡(luò)路由器，有2種方案，最高可容納5用戶。(2)光波長(zhǎng)自由度 作為組網(wǎng)方案時(shí)，若以光環(huán)形器和N波長(zhǎng)波分復(fù)用器組成全時(shí)全通量子網(wǎng)絡(luò)路由器，有2種 方案，最高可容納2N+1用戶；若以偏振分束器和N波長(zhǎng)波分復(fù)用器組成全時(shí)全通量子網(wǎng)絡(luò)路由器，有2種方案，最高可容納2N用戶；若以光環(huán)行器、偏振分束器和N波長(zhǎng)波分復(fù)用器 組成全時(shí)全通量子網(wǎng)絡(luò)路由器，有6種方案，最高可容納4N+1用戶。所述的光環(huán)行器可以是商用光纖環(huán)行器，或是由分立光學(xué)元件組成的光環(huán)行器。 參見圖1，光環(huán)行器有3個(gè)光接口 1-1、1-2和1-3，如箭頭所示，光在環(huán)行器內(nèi)部只能沿一個(gè) 方向行進(jìn)，從接口 1-1進(jìn)入的光，只能從接口 1-2出射，從接口 1-2入射的光，只能從接口 1-3出射，從接口 1-3進(jìn)入的光無出射。通過光環(huán)行器可獲得入和出這2個(gè)自由度。該光環(huán) 行器為偏振無關(guān)器件。所述的偏振分束器可以是光纖偏振分束器，或是分立光學(xué)元件組成的偏振分束 器。入射的光是線偏振光或者是圓偏振光。在本發(fā)明的描述中，以線偏振光為例，經(jīng)偏振分 束器后均分成水平偏振和豎直偏振，由此可獲得2個(gè)自由度。所述的N波長(zhǎng)波分復(fù)用/解復(fù)用器可以是商用光纖N波長(zhǎng)波分復(fù)用器或者N波長(zhǎng) 波分解復(fù)用器，也可以是由分立光學(xué)元件組成的N波長(zhǎng)波分復(fù)用器。N個(gè)波長(zhǎng)的光從波分復(fù) 用器的N個(gè)輸入端輸入，被復(fù)用到一個(gè)輸出端輸出。N個(gè)波長(zhǎng)的光從波分解復(fù)用器的一個(gè)輸 入端輸入，被解復(fù)用到N個(gè)與波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的輸出端。商用光纖波分復(fù)用器和波分解復(fù)用器均 是可逆光學(xué)器件，因此二者可以作為同一種器件。在本發(fā)明中均以N波長(zhǎng)波分復(fù)用/解復(fù) 用器稱呼。本發(fā)明提出量子網(wǎng)絡(luò)路由器的端口這一概念，每個(gè)端口包括一個(gè)外接口和若干個(gè) 內(nèi)部接口。外接口用于和量子保密通信網(wǎng)絡(luò)用戶進(jìn)行連接，內(nèi)部接口用于量子網(wǎng)絡(luò)路由器 內(nèi)部各端口之間的連接。量子保密通信網(wǎng)絡(luò)用戶與量子網(wǎng)絡(luò)路由器端口一一對(duì)應(yīng)，每個(gè)用 戶均擁有與量子網(wǎng)絡(luò)路由器端口類似的結(jié)構(gòu)，用于將光信號(hào)的各個(gè)自由度復(fù)用或者解復(fù) 用。用戶的外接口與量子網(wǎng)絡(luò)路由器對(duì)應(yīng)端口的外接口相連，若干個(gè)內(nèi)部接口對(duì)應(yīng)于量子 密鑰分配系統(tǒng)的發(fā)射裝置或接收裝置。每個(gè)端口由光環(huán)行器、偏振分束器和波分復(fù)用/解 復(fù)用器等光學(xué)元件中的一者、二者或者三者組成，內(nèi)部結(jié)構(gòu)中所包含的光學(xué)元件種類數(shù)與 端口內(nèi)部光學(xué)元件的連接級(jí)數(shù)相同，由外至內(nèi)，按數(shù)量從少到多將不同種光學(xué)元件分級(jí)排 列并連接。需要特別說明的是，一個(gè)量子網(wǎng)絡(luò)路由器中的各個(gè)端口內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以相同或者 不同，對(duì)應(yīng)量子保密通信網(wǎng)絡(luò)用戶的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也可以與量子網(wǎng)絡(luò)路由器的端口內(nèi)部結(jié)構(gòu)相 同或者不同，前提是按照本發(fā)明的不同方案能將光信號(hào)的各個(gè)自由度分離開來。本發(fā)明中的全時(shí)全通量子網(wǎng)絡(luò)路由器各個(gè)端口的內(nèi)部連接是由數(shù)學(xué)圖論中相關(guān) 結(jié)論保證的。在全時(shí)全通量子網(wǎng)絡(luò)路由器中，若將路由器的端口看作是頂點(diǎn)，連接各端口的 光學(xué)連接看作是邊，光的自由度看作是不同的顏色，各個(gè)端口直接用光學(xué)連接連接起來即 為完全連通圖。(a)若沒有光環(huán)行器，僅由N波長(zhǎng)波分復(fù)用/解復(fù)用器、或者N波長(zhǎng)波分復(fù) 用/解復(fù)用器與偏振分束器組成路由器的端口，此時(shí)就和“完全連通邊染色理論”描述的問 題完全一致了。當(dāng)量子網(wǎng)絡(luò)路由器中光的自由度為D時(shí)，可將D+1 (或者D)個(gè)端口直接連 接起來，并且保證擁有共同端口的內(nèi)部光連接中所傳輸?shù)氖遣煌杂啥鹊墓?，這就相當(dāng)于 賦予了每個(gè)端口唯一的網(wǎng)絡(luò)地址，而且可以滿足全時(shí)全通的要求。(b)若光環(huán)行器參與組 成路由器的端口，此時(shí)就和“奇數(shù)階完全Hamilton圖回路理論”所描述的問題完全一致了。 若未引入光的傳輸方向這一自由度之前，光信號(hào)的自由度是D，那么在擁有2D+1個(gè)端口的 量子網(wǎng)絡(luò)路由器中必定存在D個(gè)邊不交的Hamilton回路，該Hamilton回路由各端口內(nèi)部 接口之間的光學(xué)連接組成。D個(gè)Hamilton回路對(duì)應(yīng)于未引入傳輸方向之前光信號(hào)的D個(gè)自由度。由于每個(gè)路由器端口在一個(gè)Hamilton回路均有兩個(gè)內(nèi)部接口，因此可將處于同一 Hamilton回路中的同一端口的兩個(gè)內(nèi)部接口分別賦予入和出這2個(gè)傳輸方向自由度。這樣 也就保證擁有共同端口的內(nèi)部光連接中所傳輸?shù)氖遣煌杂啥鹊墓?，也就相?dāng)于賦予了每 個(gè)端口唯一的網(wǎng)絡(luò)地址，也可以滿足全時(shí)全通的要求。所述的光學(xué)連接可以是光纖、波導(dǎo)、自由空間或其他光學(xué)介質(zhì)?？梢栽谶B接光路中 添加偏振控制、準(zhǔn)直、增透、耦合等器件，改善光學(xué)連接的性能。本發(fā)明中引入的傳輸方向這一自由度，能極大地簡(jiǎn)化量子網(wǎng)絡(luò)路由器內(nèi)部各端口 之間連接的方法。本發(fā)明提出兩種簡(jiǎn)單的連接方法，假設(shè)未引入傳輸方向這一自由度之 前，光信號(hào)的自由度為N(波長(zhǎng)、或者偏振、或者波長(zhǎng)偏振組合)，加入光環(huán)行器后，可構(gòu)建有 2N+1個(gè)端口的量子路由器。方法一，將2N+1個(gè)端口排成一圈，根據(jù)“奇數(shù)階完全Hamilton 圖回路理論”，必有N個(gè)邊不交的Hamilton回路，將前述N個(gè)自由度分配給這N個(gè)Hamilton 回路，畫出第一個(gè)Hamilton回路，以第一個(gè)端口(其中任意端口均可選為第一個(gè)端口)為 起點(diǎn)，按照所走回路方向依次標(biāo)出每個(gè)端口兩條邊入和出的方向，即輸入和輸出自由度，然 后畫出第二個(gè)Hamilton回路，再次以第一個(gè)端口為起點(diǎn)，按照所走回路方向依次標(biāo)出每 個(gè)端口在該回路中兩條邊入和出的方向，依此類推直至第N個(gè)Hamilton回路即可，所述 Hamilton回路由各端口內(nèi)部接口之間的光學(xué)連接組成。方法二，將2N+1個(gè)端口順時(shí)針均 勻排列成一個(gè)圓圈，以第一個(gè)端口(其中任意端口均可選為第一個(gè)端口)為例，將該端口和 圓圈圓心的連線稱為對(duì)稱軸，如此，則N個(gè)端口分布在該對(duì)稱軸的一側(cè)，定義為左側(cè)，另外N 個(gè)端口分布在該對(duì)稱軸的另一側(cè)，定義為右側(cè)，將該端口(即第一個(gè)端口)與其左側(cè)的N個(gè) 端口按遠(yuǎn)近不同順次用前述N個(gè)自由度連接，且這N個(gè)連接均標(biāo)記為該端口的輸入，其余2N 個(gè)端口與其他端口連接時(shí)均采用與第一個(gè)端口相同的連接方法和次序即可。在后面的包含 有光環(huán)形器的具體實(shí)施方式
中均采用了第二種方法。若量子網(wǎng)絡(luò)路由器端口的內(nèi)部結(jié)構(gòu)為偏振分束器和波分復(fù)用/解復(fù)用器的組合， 且未加入偏振分束器之前光信號(hào)的波長(zhǎng)自由度為N，則2N個(gè)端口之間的連接方式為每個(gè) 端口利用2N-1個(gè)不同的自由度連接至另外2N-1個(gè)端口。本發(fā)明的量子網(wǎng)絡(luò)路由器能夠完成⑴任意兩個(gè)由該量子網(wǎng)絡(luò)路由器連接的用 戶之間實(shí)現(xiàn)量子密鑰分配；(2)通過選擇合適的量子密鑰分配方案和合適的量子網(wǎng)絡(luò)路由 器方案，該量子網(wǎng)絡(luò)路由器不會(huì)破壞傳輸量子態(tài)的性質(zhì)；(3)在整個(gè)量子保密通信網(wǎng)絡(luò)中， 該路由器連接的每個(gè)用戶的網(wǎng)絡(luò)路由地址是唯一的；(4)整個(gè)量子保密通信網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè) 用戶之間同時(shí)通信而不會(huì)相互干擾；(5)通過選擇合適的量子路由器方案，可以在同樣用 戶數(shù)目的需求下，消耗更少的波長(zhǎng)資源；(6)在網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)目一定的情況下，通過選擇合適 的量子路由器方案，可以節(jié)約網(wǎng)絡(luò)成本。因此，基于該量子網(wǎng)絡(luò)路由器的功能和特點(diǎn)，非常 適用于需要全時(shí)全通的骨干量子保密通信網(wǎng)絡(luò)。所述的量子態(tài)可以是相位編碼量子密鑰分配中攜帶相位編碼信息的光子態(tài)，或者 是偏振編碼量子密鑰分配中攜帶偏振編碼信息的光子態(tài)，或者是其他方案中攜帶信息的光 子態(tài)。本發(fā)明的全時(shí)全通量子網(wǎng)絡(luò)路由器通過結(jié)合量子密鑰分配的特點(diǎn)，增加了光信號(hào) 的其他自由度，增強(qiáng)量子保密通信網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性，降低了其對(duì)光波長(zhǎng)資源的消耗。對(duì)于擁 有N個(gè)波長(zhǎng)的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)，可保障4N+1個(gè)網(wǎng)絡(luò)用戶之間全時(shí)全通地進(jìn)行量子保密通


圖1是3端口量子網(wǎng)絡(luò)路由器中由光環(huán)行器組成的單個(gè)端口的實(shí)施例示意圖；圖2是3端口量子網(wǎng)絡(luò)路由器的3個(gè)端口之間連接方式的實(shí)施例示意圖；圖3是4端口量子網(wǎng)絡(luò)路由器中由偏振分束器和2波長(zhǎng)波分復(fù)用/解復(fù)用器組成 的單個(gè)端口的實(shí)施例示意圖；圖4是4端口量子網(wǎng)絡(luò)路由器中由偏振分束器和2波長(zhǎng)波分復(fù)用/解復(fù)用器組成 的單個(gè)端口的第二個(gè)實(shí)施例示意圖；圖5是由偏振分束器和2波長(zhǎng)波分復(fù)用/解復(fù)用器組成的4端口量子網(wǎng)絡(luò)路由器 的4個(gè)端口之間連接方式的實(shí)施例示意圖；圖6是5端口量子網(wǎng)絡(luò)路由器中由光環(huán)行器和偏振分束器組成的單個(gè)端口的實(shí)施 例示意圖；圖7是5端口量子網(wǎng)絡(luò)路由器中由光環(huán)行器和偏振分束器組成的單個(gè)端口的第二 實(shí)施例示意圖；圖8是5端口量子網(wǎng)絡(luò)路由器中由光環(huán)行器和2波長(zhǎng)波分復(fù)用/解復(fù)用器組成的 單個(gè)端口的實(shí)施例示意圖；圖9是5端口量子網(wǎng)絡(luò)路由器中由光環(huán)行器和2波長(zhǎng)波分復(fù)用/解復(fù)用器組成的 單個(gè)端口的第二實(shí)施例示意圖；圖10是5端口量子網(wǎng)絡(luò)路由器的5個(gè)端口之間連接方式的實(shí)施例示意圖；圖11是2N+1端口量子網(wǎng)絡(luò)路由器中由光環(huán)行器和N波長(zhǎng)波分復(fù)用/解復(fù)用器組 成的單個(gè)端口的實(shí)施例示意圖；圖12是2N+1端口量子網(wǎng)絡(luò)路由器中由光環(huán)行器和N波長(zhǎng)波分復(fù)用/解復(fù)用器組 成的單個(gè)端口的第二實(shí)施例示意圖；圖13是2N端口量子網(wǎng)絡(luò)路由器中由偏振分束器和N波長(zhǎng)波分復(fù)用/解復(fù)用器組 成的單個(gè)端口的實(shí)施例示意圖；圖14是2N端口量子網(wǎng)絡(luò)路由器中由偏振分束器和N波長(zhǎng)波分復(fù)用/解復(fù)用器組 成的單個(gè)端口的第二實(shí)施例示意圖；圖15是4N+1端口量子網(wǎng)絡(luò)路由器中由光環(huán)行器、偏振分束器和N波長(zhǎng)波分復(fù)用 /解復(fù)用器組成的單個(gè)端口的實(shí)施例示意圖；圖16是4N+1端口量子網(wǎng)絡(luò)路由器中由光環(huán)行器、偏振分束器和N波長(zhǎng)波分復(fù)用 /解復(fù)用器組成的單個(gè)端口的第二實(shí)施例示意圖；圖17是4N+1端口量子網(wǎng)絡(luò)路由器中由光環(huán)行器、偏振分束器和N波長(zhǎng)波分復(fù)用 /解復(fù)用器組成的單個(gè)端口的第三實(shí)施例示意圖；圖18是4N+1端口量子網(wǎng)絡(luò)路由器中由光環(huán)行器、偏振分束器和N波長(zhǎng)波分復(fù)用 /解復(fù)用器組成的單個(gè)端口的第四實(shí)施例示意圖；圖19是4N+1端口量子網(wǎng)絡(luò)路由器中由光環(huán)行器、偏振分束器和N波長(zhǎng)波分復(fù)用 /解復(fù)用器組成的單個(gè)端口的第五實(shí)施例示意圖；圖20是4N+1端口量子網(wǎng)絡(luò)路由器中由光環(huán)行器、偏振分束器和N波長(zhǎng)波分復(fù)用
7/解復(fù)用器組成的單個(gè)端口的第六實(shí)施例示意圖。圖21是9端口量子網(wǎng)絡(luò)路由器中的由光環(huán)行器、偏振分束器和2波長(zhǎng)波分復(fù)用/ 解復(fù)用器組成的9個(gè)端口之間連接方式的實(shí)施例示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖具體說明本發(fā)明技術(shù)方案的實(shí)施方式。圖1和圖2是沒有波長(zhǎng)復(fù)用/解復(fù)用器，即，沒有波長(zhǎng)自由度時(shí)，僅利用光環(huán)行器 進(jìn)行3用戶組網(wǎng)的量子網(wǎng)絡(luò)路由器方案，在該方案中，路由器包括3個(gè)端口 1、2、3，分別對(duì) 應(yīng)于3個(gè)用戶1、2、3。每個(gè)端口的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由一個(gè)光環(huán)行器1-4構(gòu)成，其中從接口 1-1進(jìn)入的光，只能從接口 1-2出射，從接口 1-2入射的光，只能從接口 1-3出射。接口 1-2 是一個(gè)外接口，直接連接至該端口對(duì)應(yīng)的用戶。接口 1-1、1_3是兩個(gè)內(nèi)部接口，分別與另外 兩個(gè)端口的對(duì)應(yīng)內(nèi)部接口相連接。圖2示出了該路由器3個(gè)端口之間的連接方式，當(dāng)用戶 1和用戶2之間進(jìn)行量子密鑰分配時(shí)，量子態(tài)由用戶1發(fā)出，經(jīng)量子網(wǎng)絡(luò)路由器端口 1到端 口 2，最后到達(dá)用戶2 ；用戶2和用戶3之間進(jìn)行量子密鑰分配時(shí)，量子態(tài)由用戶2發(fā)出，經(jīng) 量子網(wǎng)絡(luò)路由器端口 2到端口 3，最后到達(dá)用戶3 ；用戶3和用戶1之間進(jìn)行量子密鑰分配 時(shí)，量子態(tài)由用戶3發(fā)出，經(jīng)量子網(wǎng)絡(luò)路由器端口 3到端口 1，最后到達(dá)用戶1。最終完成全 部用戶的量子密鑰分配。圖3、圖4和圖5是由偏振分束器和2波長(zhǎng)波分復(fù)用/解復(fù)用器組成4端口量子網(wǎng) 絡(luò)路由器的方案。其中偏振和波長(zhǎng)分別可以提供二個(gè)自由度，一共可組成四個(gè)自由度。而 支持4用戶網(wǎng)絡(luò)僅需要三個(gè)自由度即可。圖3是應(yīng)用于4端口量子網(wǎng)絡(luò)路由器的、由一個(gè)2 波長(zhǎng)波分復(fù)用/解復(fù)用器和一個(gè)偏振分束器組成的單個(gè)端口的示意圖，其中三個(gè)自由度分 別是波長(zhǎng)λ 1水平偏振、波長(zhǎng)λ 1豎直偏振和波長(zhǎng)λ 2，該端口利用上述三個(gè)自由度可以向 路由器的其它三個(gè)端口進(jìn)行尋址。3-1示出了 2波長(zhǎng)波分復(fù)用/解復(fù)用器的單體結(jié)構(gòu)，可推 廣至N波長(zhǎng)。3-2示出了偏振分束器的單體結(jié)構(gòu)，其中“<·ν，表示水平偏振，“β ”表示豎直 偏振。圖4是應(yīng)用于4端口量子網(wǎng)絡(luò)路由器的、由一個(gè)偏振分束器和兩個(gè)2波長(zhǎng)波分復(fù)用/ 解復(fù)用器組成的單個(gè)端口示意圖，圖示結(jié)構(gòu)有波長(zhǎng)λ 1水平偏振、波長(zhǎng)λ 1豎直偏振、波長(zhǎng) λ 2水平偏振和波長(zhǎng)λ 2豎直偏振四個(gè)自由度，對(duì)于4端口量子網(wǎng)絡(luò)路由器來說，從當(dāng)前端 口向其它三個(gè)端口尋址只需取其中三個(gè)自由度即可，例如可以取前三個(gè)自由度。圖5示出 了采用如圖3、4所示的端口結(jié)構(gòu)時(shí)量子網(wǎng)絡(luò)路由器各端口的連接方法每個(gè)端口利用3個(gè) 不同的自由度連接至另外3個(gè)端口。其中，線型5-1代表波長(zhǎng)λ 1水平偏振，線型5-2代表 波長(zhǎng)λ 1豎直偏振，線型5-3代表波長(zhǎng)λ 2或波長(zhǎng)λ 2水平偏振。量子態(tài)以波長(zhǎng)λ 1水平 偏振為路由地址，通過量子網(wǎng)絡(luò)路由器的端口 1和端口 4將用戶1和用戶4連接起來，通過 量子網(wǎng)絡(luò)路由器的端口 2和端口 3將用戶2和用戶3連接起來；S卩，端口 1和端口 4分別以 波長(zhǎng)λ 1水平偏振彼此尋址，而端口 2和端口 3也分別以波長(zhǎng)λ 1水平偏振彼此尋址。量 子態(tài)以波長(zhǎng)λ 1豎直偏振為路由地址，通過量子網(wǎng)絡(luò)路由器的端口 1和端口 3將用戶1和 用戶3連接起來，通過量子網(wǎng)絡(luò)路由器的端口 2和端口 4將用戶2和用戶4連接起來。量 子態(tài)以波長(zhǎng)λ 2(圖3結(jié)構(gòu))或者波長(zhǎng)λ 2水平偏振(圖4結(jié)構(gòu))為路由地址，通過量子網(wǎng) 絡(luò)路由器的端口 1和端口 2將用戶1和用戶2連接起來，通過量子網(wǎng)絡(luò)路由器的端口 3和 端口 4將用戶3和用戶4連接起來。其原理同端口 1、4，及2、3的連接。
圖6、圖7、圖8、圖9和圖10是由光環(huán)行器與偏振分束器或者光環(huán)行器與2波長(zhǎng)波 分復(fù)用/解復(fù)用器組成5端口量子網(wǎng)絡(luò)路由器的方案。圖6-9示出了 5端口量子網(wǎng)絡(luò)路由 器中的單個(gè)端口的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。由于光環(huán)行器的加入，只需要光的兩個(gè)偏振態(tài)或者兩個(gè)波長(zhǎng) 即可支持5用戶網(wǎng)絡(luò)。圖6是由一個(gè)光環(huán)行器和兩個(gè)偏振分束器組成的單個(gè)端口示意圖。 圖7是由兩個(gè)光環(huán)行器和一個(gè)偏振分束器組成的單個(gè)端口示意圖。圖8是由一個(gè)光環(huán)行器 和兩個(gè)2波長(zhǎng)波分復(fù)用/解復(fù)用器組成的單個(gè)端口示意圖。圖9是由兩個(gè)光環(huán)行器和一個(gè) 2波長(zhǎng)波分復(fù)用/解復(fù)用器組成的單個(gè)端口示意圖。圖10示出了采用如圖6-9所示的端口 結(jié)構(gòu)時(shí)量子網(wǎng)絡(luò)路由器各端口的連接方法其中線型10-1代表波長(zhǎng)λ 1或水平偏振，線型 10-2代表λ 2或豎直偏振。用戶1和用戶2之間進(jìn)行量子密鑰分配時(shí)，量子態(tài)由用戶1發(fā) 出，以波長(zhǎng)λ 1(圖8、圖9結(jié)構(gòu))或者水平偏振(圖6、圖7結(jié)構(gòu))為路由地址經(jīng)量子網(wǎng)絡(luò) 路由器端口 1到端口 2，最后到達(dá)用戶2 ；用戶1和用戶3之間進(jìn)行量子密鑰分配時(shí)，量子態(tài) 由用戶1發(fā)出，以波長(zhǎng)λ 2(圖8、圖9結(jié)構(gòu))或者豎直偏振(圖6、圖7結(jié)構(gòu))為路由地址 經(jīng)量子網(wǎng)絡(luò)路由器端口 1到端口 3，最后到達(dá)用戶3 ；用戶1和用戶4之間進(jìn)行量子密鑰分 配時(shí)，量子態(tài)由用戶4發(fā)出，以波長(zhǎng)λ 2(圖8、圖9結(jié)構(gòu))或者豎直偏振(圖6、圖7結(jié)構(gòu)) 為路由地址經(jīng)量子網(wǎng)絡(luò)路由器端口 4到端口 1，最后到達(dá)用戶1 ；用戶1和用戶5之間進(jìn)行 量子密鑰分配時(shí)，量子態(tài)由用戶5發(fā)出，以波長(zhǎng)λ 1(圖8、圖9結(jié)構(gòu))或者水平偏振(圖6、 圖7結(jié)構(gòu))為路由地址經(jīng)量子網(wǎng)絡(luò)路由器端口 5到端口 1，最后到達(dá)用戶1。用戶2、用戶 3、用戶4和用戶5之間進(jìn)行量子密鑰分配可依此類推。圖11和圖12是由光環(huán)行器與N波長(zhǎng)波分復(fù)用/解復(fù)用器組成2Ν+1端口量子網(wǎng) 絡(luò)路由器的方案。環(huán)行器的加入，使得N個(gè)波長(zhǎng)即可支持2Ν+1用戶量子保密通信網(wǎng)絡(luò)。圖 11是由一個(gè)環(huán)行器和兩個(gè)N波長(zhǎng)波分復(fù)用/解復(fù)用器組成的單個(gè)端口示意圖。圖12是由 N個(gè)環(huán)行器和一個(gè)N波長(zhǎng)波分復(fù)用/解復(fù)用器組成的單個(gè)端口示意圖。2Ν+1端口量子網(wǎng)絡(luò) 路由器各端口之間的連接與圖10類似。圖13和圖14是由偏振分束器與N波長(zhǎng)波分復(fù)用器組成2Ν端口量子網(wǎng)絡(luò)路由器 的方案。偏振和波長(zhǎng)總的自由度為2Ν，最高可支持2Ν個(gè)用戶的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)。圖13 是由一個(gè)N波長(zhǎng)波分復(fù)用器和N-I個(gè)偏振分束器組成的單個(gè)端口示意圖，由于支持2Ν用戶 量子保密通信網(wǎng)絡(luò)，需要2Ν-1個(gè)自由度即可，因此只用了 N-I個(gè)偏振分束器。圖14是由一 個(gè)偏振分束器和兩個(gè)N波長(zhǎng)波分復(fù)用器組成的單個(gè)端口示意圖，由于支持2Ν用戶量子保密 通信網(wǎng)絡(luò)，需要2Ν-1個(gè)自由度即可，因此實(shí)際組網(wǎng)時(shí)舍棄一個(gè)自由度不用即可。2Ν端口量 子網(wǎng)絡(luò)路由器各端口之間的連接與圖5類似。圖15、圖16、圖17、圖18、圖19和圖20是由光環(huán)行器、偏振分束器和N波長(zhǎng)波分 復(fù)用器組成4Ν+1端口量子網(wǎng)絡(luò)路由器的方案。偏振分束器和N波長(zhǎng)波分復(fù)用器總的自由 度是2Ν，由于光環(huán)行器的加入，使得該量子網(wǎng)絡(luò)路由器可以支持4Ν+1個(gè)用戶。圖15是由一 個(gè)光環(huán)行器、兩個(gè)N波長(zhǎng)波分復(fù)用/解復(fù)用器和2Ν個(gè)偏振分束器組成的單個(gè)端口示意圖。 圖16是由一個(gè)光環(huán)行器、兩個(gè)偏振分束器和四個(gè)N波長(zhǎng)波分復(fù)用/解復(fù)用器組成的單個(gè)端 口示意圖。圖17是由一個(gè)N波長(zhǎng)波分復(fù)用/解復(fù)用器、N個(gè)光環(huán)行器、2Ν個(gè)偏振分束器組 成的單個(gè)端口示意圖。圖18是由一個(gè)N波長(zhǎng)波分復(fù)用/解復(fù)用器、N個(gè)偏振分束器和2Ν個(gè) 光環(huán)行器組成的單個(gè)端口示意圖。圖19是由一個(gè)偏振分束器、兩個(gè)光環(huán)行器和四個(gè)N波長(zhǎng) 波分復(fù)用/解復(fù)用器組成的單個(gè)端口示意圖。圖20是由一個(gè)偏振分束器、兩個(gè)N波長(zhǎng)波分復(fù)用器/解復(fù)用、2N個(gè)光環(huán)行器組成的單個(gè)端口示意圖。圖21以光環(huán)行器、偏振分束器和2波長(zhǎng)波分復(fù)用/解復(fù)用器組成的9端口量子網(wǎng) 絡(luò)路由器為例，展示了 4N+1端口量子網(wǎng)絡(luò)路由器各端口之間如何進(jìn)行連接。兩波長(zhǎng)和兩偏 振共組成波長(zhǎng)λ 1水平偏振、波長(zhǎng)λ 1豎直偏振、波長(zhǎng)λ 2水平偏振和波長(zhǎng)λ 2豎直偏振四 個(gè)自由度，由于光環(huán)行器的加入，可支持9用戶量子通信網(wǎng)絡(luò)。該路由器單個(gè)端口可采用如 圖15、圖16、圖17、圖18、圖19和圖20所示的任意一種內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其中N= 2，共有6種可 能的結(jié)構(gòu)。9個(gè)端口可以采用相同或者不同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，只需將光信號(hào)各個(gè)自由度分開即 可。其中線型21-1代表波長(zhǎng)λ 1水平偏振，線型21-2代表波長(zhǎng)λ 1豎直偏振，線型21-3 代表波長(zhǎng)λ 2水平偏振，線型21-4代表波長(zhǎng)λ 2豎直偏振。用戶1和用戶2之間進(jìn)行量子 密鑰分配時(shí)，量子態(tài)由用戶1發(fā)出，以波長(zhǎng)λ 1水平偏振為路由地址，經(jīng)量子網(wǎng)絡(luò)路由器端 口 1到端口 2，最后到達(dá)用戶2 ；用戶1和用戶3之間進(jìn)行量子密鑰分配時(shí)，量子態(tài)由用戶1 發(fā)出，以波長(zhǎng)λ 1豎直偏振為路由地址，經(jīng)量子網(wǎng)絡(luò)路由器端口 1到端口 3，最后到達(dá)用戶 3 ；用戶1和用戶4之間進(jìn)行量子密鑰分配時(shí)，量子態(tài)由用戶1發(fā)出，以波長(zhǎng)λ 2水平偏振為 路由地址，經(jīng)量子網(wǎng)絡(luò)路由器端口 1到端口 4，最后到達(dá)用戶4 ；用戶1和用戶5之間進(jìn)行量 子密鑰分配時(shí)，量子態(tài)由用戶1發(fā)出，以波長(zhǎng)λ 2豎直偏振為路由地址，經(jīng)量子網(wǎng)絡(luò)路由器 端口 1到端口 5，最后到達(dá)用戶5 ；用戶1和用戶6之間進(jìn)行量子密鑰分配時(shí)，量子態(tài)由用戶 6發(fā)出，以波長(zhǎng)λ 2豎直偏振為路由地址，經(jīng)量子網(wǎng)絡(luò)路由器端口 6到端口 1，最后到達(dá)用戶 1 ；用戶1和用戶7之間進(jìn)行量子密鑰分配時(shí)，量子態(tài)由用戶7發(fā)出，以波長(zhǎng)λ 2水平偏振為 路由地址，經(jīng)量子網(wǎng)絡(luò)路由器端口 7到端口 1，最后到達(dá)用戶1 ；用戶1和用戶8之間進(jìn)行量 子密鑰分配時(shí)，量子態(tài)由用戶8發(fā)出，以波長(zhǎng)λ 1豎直偏振為路由地址，經(jīng)量子網(wǎng)絡(luò)路由器 端口 8到端口 1，最后到達(dá)用戶1 ；用戶1和用戶9之間進(jìn)行量子密鑰分配時(shí)，量子態(tài)由用戶 9發(fā)出，以波長(zhǎng)λ 1水平偏振為路由地址，經(jīng)量子網(wǎng)絡(luò)路由器端口 9到端口 1，最后到達(dá)用戶 1、用戶2、用戶3、用戶4、用戶5、用戶6、用戶7、用戶8和用戶9之間進(jìn)行量子密鑰分配可 依此類推。上面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了示例性描述，顯然本發(fā)明具體實(shí)現(xiàn)并不受上述方式 的限制，只要采用了本發(fā)明的方法構(gòu)思和技術(shù)方案進(jìn)行的各種改進(jìn)，或未經(jīng)改進(jìn)直接應(yīng)用 于其它場(chǎng)合的，均在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種擴(kuò)展量子保密通信網(wǎng)絡(luò)的方法，其特征在于通過引入光的傳輸方向，來增加光信號(hào)的自由度，從而擴(kuò)展量子保密通信網(wǎng)絡(luò)的容量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的擴(kuò)展量子保密通信網(wǎng)絡(luò)的方法，可以通過引入光環(huán)行器來引 入光的傳輸方向這一自由度，將原來的波長(zhǎng)自由度N擴(kuò)大至2N，可支持2N+1個(gè)用戶。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的擴(kuò)展量子保密通信網(wǎng)絡(luò)的方法，通過引入偏振分束器來引入 光的偏振方向這一自由度，與光環(huán)行器相組合使得原來的波長(zhǎng)自由度N擴(kuò)大至4N，可支持 4N+1個(gè)用戶。
4.一種擴(kuò)展量子保密通信網(wǎng)絡(luò)的方法，其特征在于在原有的波長(zhǎng)自由度基礎(chǔ)上，通 過引入光的偏振方向來進(jìn)一步增加自由度，從而擴(kuò)展量子保密通信網(wǎng)絡(luò)的容量。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的擴(kuò)展量子保密通信網(wǎng)絡(luò)的方法，可以通過引入偏振分束器來 引入光的偏振方向這一自由度，將原來的波長(zhǎng)自由度N擴(kuò)大至2N，可支持2N個(gè)用戶。
6.一種用于實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1-5之一所述方法的量子網(wǎng)絡(luò)路由器，其特征在于 包括N個(gè)端口；每個(gè)端口均包括一個(gè)與對(duì)應(yīng)用戶相連的外接口，以及N-1個(gè)內(nèi)部接口 ； 每個(gè)端口的每個(gè)內(nèi)部接口均分別與其余N-1個(gè)端口的對(duì)應(yīng)內(nèi)部接口相連接； 每個(gè)端口的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包含以下光學(xué)元件或光學(xué)元件組合中的一種 光環(huán)行器，光環(huán)行器與波分復(fù)用/解復(fù)用器的組合， 偏振分束器與波分復(fù)用/解復(fù)用器的組合， 光環(huán)行器與偏振分束器的組合， 光環(huán)行器、偏振分束器、波分復(fù)用/解復(fù)用器的組合。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的量子網(wǎng)絡(luò)路由器，所述端口的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中所包含的光學(xué)元件 種類數(shù)與端口內(nèi)部光學(xué)元件的連接級(jí)數(shù)相同，由外至內(nèi)，按數(shù)量從少到多將不同種光學(xué)元 件分級(jí)排列并連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的量子網(wǎng)絡(luò)路由器，每個(gè)端口的外接口與對(duì)應(yīng)用戶的外接口相 連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的量子網(wǎng)絡(luò)路由器，其中如果所述端口的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中包含了光 環(huán)形器，加入光環(huán)行器之前的光信號(hào)自由度為K= (N-l)/2，則端口之間的連接方式為將 N個(gè)端口順時(shí)針均勻排列成一個(gè)圓圈，以任意一個(gè)端口作為第一個(gè)端口，將該端口和圓圈圓 心的連線稱為對(duì)稱軸，如此，則K個(gè)端口分布在該對(duì)稱軸的一側(cè)，定義為左側(cè)，另外K個(gè)端口 分布在該對(duì)稱軸的另一側(cè)，定義為右側(cè)；將所述第一個(gè)端口與其左側(cè)的K個(gè)端口按遠(yuǎn)近不 同順次用前述K個(gè)自由度連接，且這K個(gè)連接均標(biāo)記為該端口的輸入，其余N-1個(gè)端口與其 他端口連接時(shí)均采用與第一個(gè)端口相同的連接方法和次序即可。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的量子網(wǎng)絡(luò)路由器，其中如果所述端口的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中包含了 光環(huán)形器，加入光環(huán)行器之前光信號(hào)自由度為K= (N-l)/2，則端口之間的連接方式為將N 個(gè)端口排成一圈，存在K個(gè)Hamilton回路，將所述K個(gè)自由度分別分配給K個(gè)Hamilton回 路，畫出第一個(gè)Hamilton回路，將任意端口看作第一個(gè)端口作為起點(diǎn)，按照所走回路方向 依次標(biāo)出每個(gè)端口兩條邊入和出的方向，即輸入和輸出自由度，然后畫出第二個(gè)Hamilton 回路，再次以第一個(gè)端口為起點(diǎn)，按照所走回路方向依次標(biāo)出每個(gè)端口在該回路中兩條邊入和出的方向，依此類推直至第K個(gè)Hamilton回路即可，所述Hamilton回路由各端口內(nèi)部 接口之間的光學(xué)連接組成。
11.根據(jù)權(quán)利要求6所述的量子網(wǎng)絡(luò)路由器，其中如果所述端口的內(nèi)部結(jié)構(gòu)為偏振分 束器和波分復(fù)用/解復(fù)用器的組合，加入偏振分束器之前光信號(hào)的波長(zhǎng)自由度為M = N/2, 則端口之間的連接方式為每個(gè)端口利用2M-1個(gè)不同的自由度連接至另外2M-1個(gè)端口。
12.根據(jù)權(quán)利要求6所述的量子網(wǎng)絡(luò)路由器，其中N= 3，每個(gè)端口的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包含一 個(gè)光環(huán)行器。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的量子網(wǎng)絡(luò)路由器，其中N= 4，每個(gè)端口的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包含一 個(gè)偏振分束器和兩個(gè)2波長(zhǎng)波分復(fù)用/解復(fù)用器，或者一個(gè)偏振分束器和一個(gè)2波長(zhǎng)波分復(fù)用/解復(fù)用器。
14.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的量子網(wǎng)絡(luò)路由器，其中N= 5，每個(gè)端口的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包 含一個(gè)光環(huán)行器和兩個(gè)偏振分束器，或者兩個(gè)光環(huán)行器和一個(gè)偏振分束器，或者一個(gè)光環(huán) 行器和兩個(gè)2波長(zhǎng)波分復(fù)用/解復(fù)用器，或者兩個(gè)光環(huán)行器和一個(gè)2波長(zhǎng)波分復(fù)用/解復(fù)用器。
15.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的量子網(wǎng)絡(luò)路由器，其中N= 2K+1 (K彡3)，每個(gè)端口的 內(nèi)部結(jié)構(gòu)包含一個(gè)環(huán)行器和兩個(gè)K波長(zhǎng)波分復(fù)用/解復(fù)用器，或者K個(gè)環(huán)行器和一個(gè)K波 長(zhǎng)波分復(fù)用/解復(fù)用器。
16.根據(jù)權(quán)利要求10所述的量子網(wǎng)絡(luò)路由器，其中N= 2K(K彡3)，每個(gè)端口的內(nèi)部結(jié) 構(gòu)包含一個(gè)偏振分束器和兩個(gè)K波長(zhǎng)波分復(fù)用器，或者一個(gè)K波長(zhǎng)波分復(fù)用器和K-1個(gè)偏 振分束器。
17.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的量子網(wǎng)絡(luò)路由器，其中N= 4K+1 (K彡2)，每個(gè)端口的 內(nèi)部結(jié)構(gòu)包含一個(gè)光環(huán)行器、兩個(gè)K波長(zhǎng)波分復(fù)用/解復(fù)用器和2K個(gè)偏振分束器，或者一 個(gè)光環(huán)行器、兩個(gè)偏振分束器和四個(gè)K波長(zhǎng)波分復(fù)用/解復(fù)用器，或者一個(gè)K波長(zhǎng)波分復(fù)用 /解復(fù)用器、K個(gè)光環(huán)行器、2K個(gè)偏振分束器，或者一個(gè)K波長(zhǎng)波分復(fù)用/解復(fù)用器、K個(gè)偏 振分束器和2K個(gè)光環(huán)行器，或者一個(gè)偏振分束器、兩個(gè)光環(huán)行器和四個(gè)K波長(zhǎng)波分復(fù)用/ 解復(fù)用器，或者一個(gè)偏振分束器、兩個(gè)K波長(zhǎng)波分復(fù)用器/解復(fù)用器、2K個(gè)光環(huán)行器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種擴(kuò)展量子保密通信網(wǎng)絡(luò)的方法及一種新型的全時(shí)全通量子網(wǎng)絡(luò)路由器，其特征在于結(jié)合量子密鑰分配的特點(diǎn)，通過引入光環(huán)行器和偏振分束器增加光信號(hào)的自由度，增強(qiáng)了量子保密通信網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性，降低了其對(duì)光波長(zhǎng)資源的消耗。對(duì)于N個(gè)光波長(zhǎng)資源的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)，最高可支持4N+1個(gè)網(wǎng)絡(luò)用戶。該量子網(wǎng)絡(luò)路由器的每個(gè)端口有一個(gè)外部接口和若干個(gè)內(nèi)部接口，分別用于和量子保密通信網(wǎng)絡(luò)用戶相連接、以及內(nèi)部端口之間的連接。以本發(fā)明的量子網(wǎng)絡(luò)路由器為核心，可以有效構(gòu)建需要全時(shí)全通的骨干量子保密通信網(wǎng)絡(luò)。
文檔編號(hào)H04J14/02GK101931488SQ20091018517
公開日2010年12月29日 申請(qǐng)日期2009年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月30日
發(fā)明者王雙, 趙義博, 郭光燦, 韓正甫 申請(qǐng)人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)