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程康,周媛媛,王欢:经典-量子信号共纤同传方案研究[J]. 光通信技术,2018,42(3):9-13

经典-量子信号共纤同传方案研究

程 康,周媛媛*,王 欢

(海军工程大学 电子工程学院,武汉430033)

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摘要:经典-量子信号共纤同传技术旨在提升光纤量子密钥分发网络资源的利用效率。针对基于单模光纤的经典-量子信号共纤同传、基于少模光纤的经典-量子信号共纤同传和基于多芯光纤的经典-量子信号共纤同传方这3种方案,分析了其工作原理,阐述了其研究现状,讨论了其特点,总结了其优势和不足,并对下一步经典-量子信号共纤同传技术的发展进行了展望。

关键词:量子密钥分发;经典-量子信号共纤同传;少模光纤;多芯光纤

中图分类号:TN918.91;TN915.9 文献标志码:文章编号:1002-5561(2018)03-0009-05

DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2018.03.003

0 引言
     自1984年Bennett and Brassard提出第一个量子密钥分发(Quantum key distribution, QKD)协议[1]以来,量子密钥分发在理论[2~4]和实验[5~8]上都取得了重大的突破,实用化进程也一步步推进。例如:2004年6月,美国BB-N公司建立的世界上第一个量子密码通信网络在美国马萨诸塞州剑桥城正式投入运行[9];2008年10月,欧盟"基于量子密码的全球保密通信网络研发项目(SECOQC)"的科学家宣布SECOQC组建的7节点量子保密通信演示验证网络运行成功[5];2017年9月,我国建成了世界上首条量子保密通信骨干网"京沪干线"[10]。
    目前,QKD的主要载体是光子,其过程包括经典通信和量子通信两部分。实际应用中,为避免相互干扰,基于光纤的QKD系统网络中的光量子信号和经典信号各自占用一根光纤。这种做法造成了巨大的光纤信道资源浪费,因此,人们尝试探索经典-量子信号共纤同传技术来解决这一困扰。
    1997年,英国Townsend博士首次完成了将一路经典信号和一路量子信号以波分复用的方式融合在一根单模光纤中传输的实验[11]。2013年,Joel Carpenter等人基于少模光纤成功进行了经典-量子信号模分复用共纤同传实验[12]。2016年,欧洲的J.F.Dynes等人首次在53km的7芯光纤中以空分复用方式共同传输了经典和量子两种信号[13]。至此,经典-量子信号共纤同传的3大主流方案:基于单模光纤的经典-量子信号共纤同传方案、基于少模光纤的经典-量子信号共纤同传方案和基于多芯光纤的经典-量子信号共纤同传方案形成。
本文将对这3种共纤同传方案的工作原理、发展现状展开研究。

4 结束语
    本文介绍了经典-量子信号共纤同传3大主流方案的原理和研究进展,进行了深入的分析比较,总结了各个方案的优势和不足。为推进经典-量子信号共纤同传技术的进一步发展,我们提出以下建议:
    ①对基于单模光纤的经典-量子信号共纤同传方案,一方面可以提高同传系统器件的性能,如在基于单模光纤的经典-量子信号共纤同传系统中使用插入损耗更小的器件,以降低系统的总信号衰减;使用性能更好的单光子探测器,以便更有效地滤除噪声光子;设计更高灵敏度的经典信号接收装置,便于进一步降低光纤中经典信号总功率等。另一方面可以采取适当的纠错编码方案,如低密度校验码等,对接收到的量子信号进行纠错,降低经典-量子信号共纤同传的量子误比特率,提升通信质量[31,32]。
    ②对基于少模光纤的经典-量子信号共纤同传方案,可以使用渐变型少模光纤,以降低同传过程中的模式色散。此外,可同时在少模光纤中使用波分复用和模分复用以及CV-QKD技术以进一步提升信道隔离度和量子信号的抗噪声性能。
    ③对基于多芯光纤的经典-量子信号共纤同传方案,可以尝试在多芯光纤中使用波分复用技术和CV-QKD相关协议,以进一步提高系统的信息速率和抗噪声性能。