第22講:量子通信網(wǎng)絡(luò)（Ⅰ）

網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與交換量子通信實(shí)驗(yàn)室朱暢華2025.05.1322本講主要內(nèi)容20.1量子通信網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)20.2量子通信網(wǎng)絡(luò)中的交換技術(shù)20.3量子通信實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)20.4量子互聯(lián)網(wǎng)20.1量子通信網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)[1]裴昌幸，朱暢華，聶敏，閻毅，權(quán)東曉，量子通信，西安電子科技大學(xué)出版社，2013.63基于QKD的量子保密通信4ITU-TY.3800ConfigurationexampleofQKDuseforsecuringaPoint-to-Pointapplicationlink量子保密通信網(wǎng)絡(luò)的一般架構(gòu)5QKD網(wǎng)絡(luò)QKDNQKDN可根據(jù)用戶需求產(chǎn)生端到端密鑰，包括QKD模塊、量子中繼節(jié)點(diǎn)、可信中繼、交換機(jī)等用戶網(wǎng)絡(luò)用戶網(wǎng)絡(luò)及經(jīng)典的通信網(wǎng)絡(luò)，包括有線、無線及衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)等。量子保密通信網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)6ITU-TY.3800QuantumlayerInthislayer,eachpairofQKDmodulesconnectedbyaQKDlinkgeneratessymmetricrandombitstringsinitsownway.EachQKDmodulepushestherandombitstringsuptoaKMthatislocatedinthesameQKDnode.EachQKDmodulealsosendsQKDlinkparameters(e.g.,quantumbiterrorrates(QBERs),etc.)totheQKDNmanager.PairsofQKDmodulesconnectedbyaQKDlinkareconcatenatedviaQKDnodes.7KeymanagementlayerEachKMislocatedinaQKDnode.TheKMsareconnectedviaKMlinks.TheKMreceivesrandombitstringsfromQKDmodule(s)locatedinthesameQKDnode.TheKMsynchronizesandre-formatsthesebitstrings,andstoresthemaskeysinthestorage.InterfacesforvariouscryptographicapplicationsareinstalledintotheKM.TheKMreceiveskeyrequestsfromacryptographicapplication,acquiresthenecessaryamountofkeysfromthestorage,synchronizes,authenticatestheacquiredkeysviaaKMlink,andsuppliestheminanappropriateformattothecryptographicapplication.IfKMsdonothavedirectKMlinksbetweenthem,theyshouldsharethenecessarynumberofkeysbykeyrelay.KMsthenasktheQKDNcontroller(s)aboutanappropriaterelayroute.UponcontrolfromtheQKDNcontroller(s),eachKMrelayskeysviaaKMlink,withtheotherkeyinanotherKMinhighlysecureencryption(e.g.,OTP).8QKDNcontrollayerQKDNcontrolfunctionsareprovidedbyQKDNcontroller(s).Thesefunctionsincluderoutingcontrolforkeyrelay,controlofQKDlinksandKMlinks,sessioncontrolforQKDservices,authenticationandauthorizationcontrol,aswellasQoSandchargingpolicycontrol.NOTE–Inacentralizedarchitecture,asingleQKDNcontrollerexecutesQKDNcontrolfunctionsasillustratedinnodeBinFigure3.Inadistributedarchitecture,eachQKDnodeshouldcontainaQKDNcontrollertoperformthesefunctionsasdepictedbyQKDNcontrollersenclosedbysolidanddottedlines.9QKDNmanagementlayerAQKDNmanagerlocatedinthislayermonitorsandmanagestheQKDNasawhole.Itstasksmayincludefault,configuration,accounting,performanceandsecuritymanagement.TheQKDNmanagergathersinformationabouttheperformanceofQKDmodulesandQKDlinks(includingquantumrelaypoints)inthequantumlayerandkeymanagementinformationinthekeymanagementlayer,tomonitorthesetwolayers.10ServicelayerCryptographicapplicationsarelocatedinthislayer,suppliedwithkeysfromtheQKDNandconductsecurecommunicationsinapplicationlinks.11UsernetworkmanagementlayerThefunctionsintheusernetworkmanagementlayerperformmanagementandorchestrationofvirtualizedandnon-virtualizedresourcesintheusernetwork.12量子通信網(wǎng)絡(luò)的功能分層13量子通信網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議體系14量子通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)15重疊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由量子交換機(jī)和量子中繼器構(gòu)成光纖量子傳輸網(wǎng)絡(luò)，而控制、管理和密文等經(jīng)典信息采用互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行傳輸。兩個(gè)拓?fù)淇梢砸恢拢部梢圆煌?。QKD網(wǎng)絡(luò)16M.Mehic,QuantumKeyDistribution:ANetworkingPerspective,ACMComputingSurveys,53,2020QKD網(wǎng)絡(luò)分類17M.Mehic,QuantumKeyDistribution:ANetworkingPerspective,ACMComputingSurveys,53,202020.2量子通信網(wǎng)絡(luò)中的交換技術(shù)18量子空分交換量子空分交換是指通過改變光量子信號(hào)的物理傳輸通道（空間物理位置），從而實(shí)現(xiàn)光量子信號(hào)交換。19量子空分交換的指標(biāo)（1）端口數(shù)：

決定交換容量；（2）光開關(guān)數(shù)：

不同的交換網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)所需開關(guān)通道數(shù)不同，一般開關(guān)數(shù)越多成本越高，其控制復(fù)雜度也更高；（3）插損：

主要由開關(guān)矩陣決定，插損對(duì)光量子通信系統(tǒng)的傳輸距離及成碼率影響較大，一般期望該指標(biāo)越小越好；（4）連通性：

指開關(guān)矩陣的每一個(gè)輸入是否均能到達(dá)任一輸出。20Crossbar結(jié)構(gòu)21Crossbar互連結(jié)構(gòu)Knockout型互連結(jié)構(gòu)Banyan結(jié)構(gòu)22

Banyan網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是一組二叉樹，級(jí)數(shù)Benes結(jié)構(gòu)23Benes網(wǎng)絡(luò)為多通路網(wǎng)絡(luò)，具有可重構(gòu)無阻塞的特點(diǎn)，即可根據(jù)需求靈活的重新制定通路，避免了競(jìng)爭(zhēng)。Benes網(wǎng)絡(luò)有2log2N-1級(jí)Clos結(jié)構(gòu)243級(jí)Clos網(wǎng)絡(luò)若m為第2級(jí)所需要交換單元的個(gè)數(shù)，n為第1級(jí)交換單元的入線數(shù)和第3級(jí)交換單元的出線數(shù)，則當(dāng)m

≥

2n-1時(shí)，Clos網(wǎng)絡(luò)不存在內(nèi)部阻塞。但是通過重構(gòu)，3級(jí)Clos網(wǎng)絡(luò)無阻塞條件是m

≥

n。量子空分交換網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)量子空分交換網(wǎng)絡(luò)常由開關(guān)矩陣構(gòu)成。在經(jīng)典的光交換中有各種不同的光開關(guān)，如機(jī)械光開關(guān)、電光開關(guān)、熱光開關(guān)、聲光開關(guān)、全息光開關(guān)、MEMS光開關(guān)、毛細(xì)管光開關(guān)、表面收縮減反射膜光開關(guān)和微光柵衍射光開關(guān)等。機(jī)械光開關(guān)25/products/scd0352/SCD-0352B.pdf/Product/6409711939.html量子空分交換網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)（續(xù)）電光開關(guān)利用材料的電光效應(yīng)來改變光量子信號(hào)的通道，如：通過外加電場(chǎng)或控制電壓電流改變材料，如LiNbO3矩陣等，InP、GaAs通用材料等。26基于MZ干涉儀的電光開關(guān)量子空分交換網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)（續(xù)）基于量子門的空分交換27量子Benes網(wǎng)絡(luò)Fredkin門量子時(shí)分交換與波分交換2820.3量子通信實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)293030量子通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)DARPAQuantumNetwork3131量子通信實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)（續(xù)）DARPA:Qnet，20043232量子通信實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)（續(xù)）歐盟第六框架資助，研究小組：SECOQC(SecureCommunicationbasedonQuantumCryptography)QKDnetwork。41家單位參與，2004-2008Vienna3333量子通信實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)（續(xù)）歐盟第六框架資助，研究小組：SECOQC(SecureCommunicationbasedonQuantumCryptography)QKDnetwork。41家單位參與，2004-2008Vienna3434量子通信實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)（續(xù)）TokyoQKDNetwork，20103535量子通信實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)（中國）潘建偉，2008：量子電話，20Km2009.5,量子政務(wù)網(wǎng)（安徽蕪湖)2007年北京四端口QKD網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)2009年蕪湖量子政務(wù)網(wǎng)濟(jì)南量子通信試驗(yàn)網(wǎng)，2014.336量子通信實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)（中國）合肥城域網(wǎng)：41個(gè)節(jié)點(diǎn)37量子通信實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)-京滬干線38量子通信實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)-濟(jì)南QKD網(wǎng)絡(luò)39量子通信實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)-濟(jì)南QKD網(wǎng)絡(luò)40合肥量子通信網(wǎng)絡(luò)經(jīng)典-量子波分復(fù)用技術(shù)，將量子信道、協(xié)商信道和業(yè)務(wù)信道進(jìn)行融合，節(jié)省項(xiàng)目光纖投資構(gòu)建核心環(huán)網(wǎng)+星型接入網(wǎng)的雙層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)服務(wù)等8個(gè)核心網(wǎng)站點(diǎn)和159個(gè)接入網(wǎng)站點(diǎn)量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)光纖全長1147公里目前規(guī)模最大、用戶最多、應(yīng)用最全的量子保密通信城域網(wǎng)政務(wù)應(yīng)用、金融、能源、醫(yī)療、科技等各行業(yè)用戶提供量子安全接入服務(wù)20.4量子互聯(lián)網(wǎng)[1]StephanieWehner,DavidElkouss,andRonaldHanson.2018.Quantuminternet:Avisionfortheroadahead.Science362,6412(2018),eaam9288[2]W.Kozlowski,S.Wehner,TowardsLarge-ScaleQuantumNetwor