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)必然會由點(diǎn)對點(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)需要主動切換，而且光分束器和光開關(guān)的量子密鑰分配網(wǎng)絡(luò)均不能實(shí)現(xiàn)任意兩用戶之間全時(shí)全通。全時(shí)全通要求在任意時(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)任意兩終端一直能通信。對于需要全時(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:ZL03132014.7)。為了增強(qiáng)量子保密通信網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性， 降低其對光波長的依賴，本發(fā)明提出了一種新型的量子網(wǎng)絡(luò)路由器。

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)小組專利號為ZL03132014.7的專利重復(fù)，在本發(fā)明中不予考慮。(I)當(dāng)沒有光波長自由度作為組網(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I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)光波長自由度作為組網(wǎng)方案時(shí)，若以光環(huán)形器和N波長波分復(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。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波長波分復(fù)用/解復(fù)用器可以是商用光纖N波長波分復(fù)用器或者N波長波分解復(fù)用器，也可以是由分立光學(xué)元件組成的N波長波分復(fù)用器。N個(gè)波長的光從波分復(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)與波長對應(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)路由器端口一一對應(yīng)，每個(gè)量子網(wǎng)絡(luò)路由器端口對應(yīng)的用戶也需要一個(gè)類似于量子網(wǎng)絡(luò)路由器端口的結(jié)構(gòu)來將光信號的各個(gè)自由度分開。用戶的外接口與量子網(wǎng)絡(luò)路由器對應(yīng)端口的外接口相連，若干個(gè)內(nèi)部接口對應(yīng)于量子密鑰分配系統(tǒng)的發(fā)射裝置與接收裝置。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)元件分級排列并連接。需要特別說明的是，下面具體實(shí)施方式
部分所例舉的量子網(wǎng)絡(luò)路由器中的各個(gè)端口內(nèi)部結(jié)構(gòu)均完全相同，但實(shí)際生產(chǎn)中同一個(gè)量子網(wǎng)絡(luò)路由器內(nèi)可以采用不同的端口內(nèi)部結(jié)構(gòu)，只是在連`接路由器的內(nèi)部接口時(shí)，需要將各內(nèi)部接口重新排序，當(dāng)然前面提到的用戶端的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也可以與對應(yīng)量子網(wǎng)絡(luò)路由器端口結(jié)構(gòu)不同，只需將光信號各個(gè)自由度分開即可。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)部連接由圖論中“完全連通圖邊染色理論”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)連接起來即為完全連通圖，這樣就和數(shù)學(xué)圖論中的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光纖中所走的是不同自由度的光，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。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，能極大地簡化量子網(wǎng)絡(luò)路由器內(nèi)部各端口之間連接的方法。若未引入傳輸方向這一自由度之前，光信號的自由度為N (波長、或者偏振、或者波長偏振組合)，那么加入光環(huán)行器后，只需要將2N+1個(gè)端口排成一圈，保證每個(gè)端口相同的自由度有一個(gè)光連接輸入和一個(gè)光連接輸出，N個(gè)輸入自由度與一側(cè)N個(gè)端口順次連接，N個(gè)輸出自由度與另一側(cè)N個(gè)端口順次連接，每個(gè)端口與其它端口連接時(shí)均采用相同的連接次序。本發(fā)明的量子網(wǎng)絡(luò)路由器能夠完成:(I)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，降低了其對光波長資源的消耗。對于擁有N個(gè)波長的量子保密通信網(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 目。


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2Ν+1端口量子網(wǎng)絡(luò)路由器中由光環(huán)行器和N波長波分復(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波長波分復(fù)用/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是沒有波長復(fù)用/解復(fù)用器，即，沒有波長自由度時(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I和用戶2之間進(jìn)行量子密鑰分配時(shí)，量子態(tài)由用戶I發(fā)出，經(jīng)量子網(wǎng)絡(luò)路由器端口 I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I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I。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λ I水平偏振、波長λ I豎直偏振和波長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波長波分復(fù)用/解復(fù)用器的單體結(jié)構(gòu)，可推廣至N波長。3-2示出了偏振分束器的單體結(jié)構(gòu)，其中”表示水平偏振，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λ I水平偏振、波長λ I豎直偏振、波長λ 2水平偏振和波長λ 2豎直偏振四個(gè)自由度，對于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λ I水平偏振，線型5-2代表波長λ I豎直偏振，線型5-3代表波長λ 2或波長λ 2水平偏振。量子態(tài)以波長λ I水平偏振為路由地址，通過量子網(wǎng)絡(luò)路由器的端口 I和端口 4將用戶I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；8卩，端口 I和端口 4分別以波長λ I水平偏振彼此尋址，而端口 2和端口 3也分別以波長λ I水平偏振彼此尋址。量子態(tài)以波長λ I豎直偏振為路由地址，通過量子網(wǎng)絡(luò)路由器的端口 I和端口 3將用戶I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λ 2 (圖3結(jié)構(gòu))或者波長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 I和端口 2將用戶I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λ I或水平偏振，線型10-2代表λ 2或豎直偏振。用戶I和用戶2之間進(jìn)行量子密鑰分配時(shí)，量子態(tài)由用戶I發(fā)出，以波長λ I (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 I到端口 2，最后到達(dá)用戶2 ;用戶I和用戶3之間進(jìn)行量子密鑰分配時(shí)，量子態(tài)由用戶I發(fā)出，以波長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 I到端口 3，最后到達(dá)用戶3 ;用戶I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I ;用戶I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λ I (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I。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波長波分復(fù)用/解復(fù)用器組成的單個(gè)端口示意圖。2N+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波長波分復(fù)用器組成2N端口量子網(wǎng)絡(luò)路由器的方案。偏振和波長總的自由度為2N，最高可支持2N個(gè)用戶的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)。圖13是由一個(gè)N波長波分復(fù)用器和N-1個(gè)偏振分束器組成的單個(gè)端口示意圖，由于支持2N用戶量子保密通信網(wǎng)絡(luò)，需要2N-1個(gè)自由度即可，因此只用了 N-1個(gè)偏振分束器。圖14是由一個(gè)偏振分束器和兩個(gè)N波長波分復(fù)用器組成的單個(gè)端口示意圖，由于支持2N用戶量子保密通信網(wǎng)絡(luò)，需要2N-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。2N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波長波分復(fù)用器組成4N+1端口量子網(wǎng)絡(luò)路由器的方案。偏振分束器和N波長波分復(fù)用器總的自由度是2N，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4N+1個(gè)用戶。圖15是由一個(gè)光環(huán)行器、兩個(gè)N波長波分復(fù)用/解復(fù)用器和2N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波長波分復(fù)用/解復(fù)用器、N個(gè)光環(huán)行器、2N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波長波分復(fù)用/解復(fù)用器、N個(gè)偏振分束器和2N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。兩波長和兩偏振共組成波長λ I水平偏振、波長λ I豎直偏振、波長λ 2水平偏振和波長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Ν=2，共有6種可能的結(jié)構(gòu)，本實(shí)施方式中該路由器的9個(gè)端口采用了相同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。其中線型21-1代表波長λ I水平偏振,線型21-2代表波長λ I豎直偏振,線型21-3代表波長λ 2水平偏振，線型21-4代表波長λ 2豎直偏振。用戶I和用戶2之間進(jìn)行量子密鑰分配時(shí)，量子態(tài)由用戶I發(fā)出，以波長λ I水平偏振為路由地址，經(jīng)量子網(wǎng)絡(luò)路由器端口 I到端口 2，最后到達(dá)用戶2 ;用戶I和用戶3之間進(jìn)行量子密鑰分配時(shí)，量子態(tài)由用戶I發(fā)出，以波長λ I豎直偏振為路由地址，經(jīng)量子網(wǎng)絡(luò)路由器端口 I到端口 3，最后到達(dá)用戶3 ;用戶I和用戶4之間進(jìn)行量子密鑰分配時(shí)，量子態(tài)由用戶I發(fā)出，以波長λ 2水平偏振為路由地址，經(jīng)量子網(wǎng)絡(luò)路由器端口 I到端口 4，最后到達(dá)用戶4 ;用戶I和用戶5之間進(jìn)行量子密鑰分配時(shí)，量子態(tài)由用戶I發(fā)出，以波長λ 2豎直偏振為路由地址，經(jīng)量子網(wǎng)絡(luò)路由器端口 I到端口 5，最后到達(dá)用戶5 ;用戶I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I ;用戶I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I ;用戶I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λ I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I ;用戶I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λ I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)用于其它場合的，均在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種擴(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。
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，通過引入偏振分束器來引入光的偏振方向這一自由度，將原來的波長自由度N擴(kuò)大至2N，可支持2N個(gè)用戶。
3.一種用于實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1或2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 偏振分束器與波分復(fù)用/解復(fù)用器的組合， 偏振分束器與光環(huán)行器的組合， 偏振分束器、光環(huán)行器、波分復(fù)用/解復(fù)用器的組合。
4.根據(jù)權(quán)利要求3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)元件分級排列并連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的量子網(wǎng)絡(luò)路由器，每個(gè)端口的外接口與對應(yīng)用戶的外接口相連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求3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稱軸，如此，則K個(gè)端口分布在該對稱軸的一側(cè)，定義為左側(cè)，另外K個(gè)端口分布在該對稱軸的另一側(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。
7.根據(jù)權(quán)利要求3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)行器之前光信號自由度為K= (N-l)/2，則端口之間的連接方式為JfN個(gè)端口排成一圈，存在K個(gè)Hami I ton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)Hami Iton回路即可,所述Hami I ton回路由各端口內(nèi)部接口之間的光學(xué)連接組成。
8.根據(jù)權(quán)利要求3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的波長自由度為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。
9.根據(jù)權(quán)利要求8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波長波分復(fù)用/解復(fù)用器。
10.根據(jù)權(quán)利要求6或7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。
11.根據(jù)權(quán)利要求7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波長波分復(fù)用器,或者一個(gè)K波長波分復(fù)用器和K-1個(gè)偏振分束器。
12.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的量子網(wǎng)絡(luò)路由器，其中N = 4Κ+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波長波分復(fù)用/解復(fù)用器和2Κ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波長波分復(fù)用/解復(fù)用器，或者一個(gè)K波長波分復(fù)用/解復(fù)用器、K個(gè)光環(huán)行器、2Κ個(gè)偏振分束器，或者一個(gè)K波長波分復(fù)用/解復(fù)用器、K個(gè)偏振分束器和2Κ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波長波分復(fù)用器/解復(fù)用器、2Κ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，降低了其對光波長資源的消耗。對于N個(gè)光波長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H04L9/08GK103236924SQ201310112979
公開日2013年8月7日 申請日期2009年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月30日
發(fā)明者韓正甫, 王雙, 趙義博, 郭光燦 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)