[论文解读] Integration of quantum key distribution and gigabit-capable passive optical network based on wavelength-division multiplexing

Wei Sun, Liujun Wang+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2016

Quantum Information and Cryptography参考文献 2被引用 8

一句话总结

本文提出了一种基于波分复用（WDM）的量子密钥分发（QKD）与千兆速率无源光网络（GPON）集成方案，通过使用滤波器将量子信号与光 splitter 分离，避免信号损耗。该方法提高了量子信号计数率和信噪比，使得密钥生成速率更高、传输距离更长，优于传统 GPON 架构中因分路器引入损耗而受限的性能。

ABSTRACT

Classical optical communications may be still the main communications technology for the foreseeable future, so integration of the quantum communication network with existing classical optical communication network is necessary because existing telecommunications infrastructure will be shared. This means multiplexing of quantum key distribution (QKD) and strong classical data signals, delivering quantum signals and classic signals in one fiber. Optical splitters are employed to access each user in a gigabit-capable passive optical network (GPON). In a 4-user network the splitter adds at least 6 dB of optical loss to the quantum channel, a 64-user network the splitter adds 18 dB of optical loss to the quantum channel. The optical splitters restrict the transmission distance and performance of QKD. We propose a new integration program of QKD and GPON based on wavelength-division multiplexing (WDM). At the optical splitting point, we use filters to separate the quantum signals and bypass the optical splitter, avoiding losses produced by the optical splitters. This increases the counting rate of the quantum signals states and the signal to noise ratio (SNR) improves, so a higher key generation rate and a longer transmission distance can be obtained with QKD.

研究动机与目标

• 为解决将量子密钥分发（QKD）与现有经典 GPON 基础设施集成的挑战。
• 减少 GPON 中因光分路器导致的量子信道损耗，该损耗限制了 QKD 性能与传输范围。
• 在单根光纤中实现高速经典数据与量子信号的共存，利用波分复用（WDM）技术。
• 通过将量子信号绕过光分路器，提高量子信号计数率与信噪比（SNR）。
• 通过最小化插入损耗，在 GPON 上实现更高的密钥生成速率与更长的传输距离。

提出的方法

• 使用波分复用（WDM）在单根光纤中将量子信号与经典数据信号分离。
• 在分路点处设置光滤波器，将量子信号从光分路器中引导出去，避免其引入的 6–18 dB 损耗。
• 量子信号通过专用波长窗口传输，绕过分路器，从而保持信号完整性。
• 经典数据信号通过独立的波长窗口传输，并像标准 GPON 一样通过分路器。
• 系统在保持与现有 GPON 架构兼容的同时，将量子信号与分路器引起的衰减隔离。
• 该设计实现了更高的量子信号检测速率与接收端更优的信噪比（SNR）

实验结果

研究问题

• RQ1 量子密钥分发（QKD）能否在不降低性能的前提下高效集成到千兆速率无源光网络（GPON）中？
• RQ2 GPON 中的光分路器在多大程度上因插入损耗而降低 QKD 性能？
• RQ3 波分复用（WDM）能否用于将量子信号绕过光分路器以减少损耗？
• RQ4 绕过分路器对量子信号计数率与信噪比（SNR）有何影响？
• RQ5 通过避免 GPON 上 QKD 的分路器损耗，可在密钥生成速率与传输距离方面实现哪些改进？

主要发现

• 所提出的基于 WDM 的集成方案成功将量子信号绕过光分路器，避免了根据用户数量不同而产生的 6–18 dB 插入损耗。
• 由于衰减减少，量子信号计数率提高，直接提升了 QKD 性能。
• 信噪比（SNR）得到增强，因为量子信号未受分路器引入的噪声与损耗影响。
• 与传统基于 GPON 的 QKD 系统相比，该方法实现了更高的密钥生成速率与更长的传输距离。
• 系统在保持与现有 GPON 基础设施兼容的同时，显著提升了量子信道性能。
• 该方法展示了在不进行大规模基础设施改造的前提下，将 QKD 集成到现有光网络中的可行路径。