[论文解读] QKD in Standard Optical Telecommunications Networks

Daniel Lancho Lancho, José-Fernán Martí­nez-Ortega+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 9, 2010

Quantum Information and Cryptography被引用 15

一句话总结

本论文展示了使用现成组件将量子密钥分发（QKD）集成到标准城域光网络中的方法，在基于GPON的接入网络中，实现了0 km处500比特/秒的安全密钥速率和3.5 km处20比特/秒的密钥速率。研究识别出拉曼散射和组件串扰为主要性能限制因素，表明QKD可通过最小修改在真实网络中部署，尤其是通过为量子信道分配时隙的方式。

ABSTRACT

To perform Quantum Key Distribution, the mastering of the extremely weak signals carried by the quantum channel is required. Transporting these signals without disturbance is customarily done by isolating the quantum channel from any noise sources using a dedicated physical channel. However, to really profit from this technology, a full integration with conventional network technologies would be highly desirable. Trying to use single photon signals with others that carry an average power many orders of magnitude bigger while sharing as much infrastructure with a conventional network as possible brings obvious problems. The purpose of the present paper is to report our efforts in researching the limits of the integration of QKD in modern optical networks scenarios. We have built a full metropolitan area network testbed comprising a backbone and an access network. The emphasis is put in using as much as possible the same industrial grade technology that is actually used in already installed networks, in order to understand the throughput, limits and cost of deploying QKD in a real network.

研究动机与目标

• 研究在不依赖专用量子基础设施的前提下，将QKD集成到现有标准光通信网络的可行性。
• 评估在城域骨干网和接入网中与高功率经典信号共享光纤时，QKD的性能限制。
• 评估拉曼散射、串扰和组件噪声对真实网络场景中QKD密钥生成的影响。
• 确定实用部署策略（如时隙分配或波长重分配），以实现在GPON等无源光网络中部署QKD。
• 证明可使用现成的工业级设备，通过最小硬件或软件修改实现QKD部署。

提出的方法

• 构建了一个完整的城域试验平台，包含一个CWDM ROADM环形骨干网（3个节点，18个波长，间隔20 nm）和一个使用标准1310 nm（上行）、1490 nm（下行）和1550 nm（量子信道）波长的GPON接入网。
• 采用id Quantique QKD系统（型号3000和3100），实现BB84协议并结合诱骗态方案，使用信号态和一个诱骗态，平均光子数优化为0.79。
• 采用基于LDPC的误码校正（效率为1.05）和隐私放大，生成最终的保密密钥。
• 测量不同光纤长度下的QBER和密钥速率，特别关注GPON中OLT至分路器段，该段为QKD最坏情况下的场景。
• 在高功率经典信号（比量子信号高100 dBm）条件下评估性能，分析拉曼散射和内部串扰等噪声源。
• 探索缓解策略，如为QKD分配时隙，以及将量子信道移至1300 nm窗口以减少损耗并提升性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 在标准城域光网络中，当与高功率经典信号共享光纤时，QKD的性能极限是什么？
• RQ2 在未对OLT/ONT硬件或管理系统进行任何修改的GPON接入网中，拉曼散射和组件串扰如何影响QBER和密钥速率？
• RQ3 在仅使用现成组件且最小修改的前提下，QKD在现有光网络基础设施中可实现多大程度的集成？
• RQ4 在共享基础设施且无专用量子信道的真实GPON场景中，可实现的最大密钥速率是多少？
• RQ5 在无源光网络中，通过时隙分配或波长重配置能否提升QKD性能，同时不降低经典业务质量？

主要发现

• 在GPON接入网中，0 km处实现了500比特/秒的安全密钥速率，3.5 km处下降至20比特/秒，主要由于累积噪声和串扰所致。
• 在4.5 km处无法测量到任何安全密钥速率，表明当前QKD设备在此配置下的实际极限。
• QBER在0 km处起始于4%，主要由1310 nm经典信道引起的内部串扰导致，且无法完全衰减。
• 在未做任何修改的GPON（最坏情况）下，由于噪声和功率限制，分路比被限制在1:4，但可通过时隙分配策略改善。
• 拉曼散射和组件串扰被确定为接入网中的主要噪声源，滤波和衰减可部分缓解其影响。
• 下一代QKD设备若能支持超过30 dB的损耗，将可在无需可信中继器的情况下实现全城域网络覆盖，显著提升可扩展性。