[论文解读] Field Experimental "Star Type" Metropolitan Quantum Key Distribution Network

Wei Chen, Zheng-F Han+11 more|ArXiv.org|Aug 27, 2007

Quantum Information and Cryptography参考文献 13被引用 4

一句话总结

本论文首次在实际环境中部署了基于商用光纤基础设施的星型拓扑城域量子密钥分发（QKD）网络，实现了四名用户之间的全连接、无可信中继QKD。量子路由器（QR）实现了量子信号的自动路由，在32–42.6公里范围内实现了安全密钥分发，最大平均QBER低于8%。

ABSTRACT

Quantum key distribution (QKD) network has recently attracted growing attentions. Due to the special characteristics of quantum information, to build a full-connectivity QKD network without trusted relays is a stimulating challenge. In this letter, we report on the first realization of QKD network without trusted relays which covers metropolis in the commercial backbone optical fiber networks. The star topology four-user QKD network automatically addresses the quantum signal with a quantum router (QR) and every user in the network can receive and distribute quantum keys to any others simultaneously. The longest and the shortest length of fibers between two geographically separated nodes are 42.6km and 32km respectively, and the maximum average quantum bit error rate (QBER) is below 8%. This result opens a new possibility for the use of QKD into existing network.

研究动机与目标

• 在真实城域环境中，利用现有光纤基础设施，演示全连接、无可信中继的QKD网络。
• 解决在不依赖可信节点的前提下，实现多用户间可扩展且安全的密钥分发挑战。
• 验证在实际光纤距离下，将量子密钥分发部署于真实运行网络的可行性。
• 评估量子路由器（QR）在管理多用户间动态量子信号路由方面的性能。
• 在城域尺度距离的实际传输条件下，评估量子误码率（QBER）和密钥生成速率。

提出的方法

• 在城域区域内，利用商用单模光纤，部署了一个星型拓扑的QKD网络，四名用户通过中心量子路由器（QR）连接。
• 利用量子路由器（QR）自动检测并路由任意用户对之间的量子信号，无需可信中继。
• 采用BB84型QKD协议进行密钥生成，通过光纤链路传输偏振编码的光子。
• 在QR处实施主动路径切换，为每次密钥交换会话动态选择最优路由。
• 使用标准电信级光学组件和波分复用（WDM）技术，实现在同一根光纤上与经典数据业务共存。
• 在32–42.6公里的光纤链路上开展现场实验，评估QBER、密钥速率和网络在真实环境条件下的稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在利用现有光纤基础设施的真实城域环境中，实际部署全连接、无可信中继的QKD网络？
• RQ2 在真实条件下，量子路由器（QR）在多用户间动态量子信号路由方面的性能表现如何？
• RQ3 在具有真实光纤距离和环境噪声的城域QKD网络中，可实现的最大量子误码率（QBER）是多少？
• RQ4 在无可信中继的情况下，QKD密钥分发在32–42.6公里商用单模光纤上能维持到何种程度？
• RQ5 在城域网络中，QKD信号能否与经典数据业务共存于同一根光纤上而不产生显著干扰？

主要发现

• 首次成功开展了基于商用骨干光纤基础设施的星型城域QKD网络现场实验。
• 网络在无可信中继的情况下实现了四名用户间的全连接，量子路由器（QR）实现了信号的自动路由。
• 最长光纤链路为42.6公里，最短为32公里，证明了在实际城域距离下的可行性。
• 所有链路的最大平均量子误码率（QBER）低于8%，表明在真实条件下具备可接受的安全性和性能。
• 系统在长时间内保持了稳定的密钥分发，证实了基于QR的路由机制具有鲁棒性。
• 实验验证了在不进行重大基础设施改造的前提下，可在现有运行的光网络中部署QKD网络的可行性。