量子密鑰分發系統遠程同步問題研究

摘 要:本文詳細分析和比較了目前量子密鑰分發系統遠程同步的技術方案，并針對目前被認為最有前途的一種波分復用和時分復用相結合的遠程同步時鐘傳輸方案的優缺點和要解決的關鍵科學問題進行了總結和展望。

關鍵詞:量子密鑰分發單光子探測遠程同步

中圖分類號:TN918文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)05(c)-0008-01

1 引言

量子保密通信經過20多年的發展，已經取得了很大的突破。目前的量子信號都是采用同步探測的方法來測量的，都必須有同步時鐘來保證有效信息的生成。因此，要構建量子保密通信網絡，系統的精確時鐘同步是一個重要的關鍵技術問題。

2 量子密鑰分發系統遠程同步問題研究

目前實驗室常用的同步方法是利用短電纜進行同步信號的傳輸，這種同步方式只可以在實驗室環境下可以很好的工作。在實際應用和測試實驗中，另外兩種同步方式被深入研究:一種是利用一對光纖分別傳輸時鐘光信號和量子光信號[1]，另一種方式是利用復用的方法通過將不同波長的時鐘光信號復用到量子光信號的傳輸光纖中進行傳輸[2-6]。

目前被認為最有前景的研究方向是利用復用方法通過將不同波長的時鐘光信號復用到量子信道中進行傳輸。該方法可以很好地補償時間抖動，對應用環境的硬件要求也沒有增加。但是，這種方案中的時鐘光脈沖和量子信號同時在一根光纖內傳播，它們之間必然會存在串擾，這種串擾對于經典通信來說可以忽略，但是由于量子信號的能量比時鐘光信號小很多個數量級，時鐘光信號會對量子信號會產生很大的影響。雖然通過濾波技術可以將這一背景噪聲降到可忽略的水平，但是，因為光纖的非線性效應，時鐘光信號和量子信號在傳播過程中相互作用產生和量子光信號同頻的光子，它會使量子終端用戶的誤碼率急劇增大，甚至可能會使通信無效。2005年，Runser等人從實驗上證明1310nm量子信號在傳統網絡中傳輸時，由于拉曼散射的影響，這兩種信號的最小波長間隔為大約170nm左右最佳[2］;2006年Nweke等人提出用高隔離度的濾波技術來抑制拉曼噪聲光子和串擾［3］;2007年，Rohdet等人提出當量子信通信融入到商用光纖時，非線性效應會對量子通信產生很大的影響，并指出主要的影響是受激拉曼散射和四波混頻［4］;2008年，Tanaka等人提出通過降低傳輸時的時鐘信號功率來減小非線性效應產生的影響［5］;2009年，Peters等人研究了拉曼散射和四波混頻對量子信道的影響，并提出了兩種方法來減小四波混頻的影響［6］。而對于時鐘信號的其它可能的影響，在這些同步方案的報道中雖有涉及，但是還沒有詳細的理論和實驗分析，缺乏對強時鐘光信號和極微弱量子信號在傳輸光纖中相互作用產生誤碼光子的物理模型的研究，必須找到方法來避免時鐘同步信號對量子信號的影響，這是一個關鍵性問題，它也是決定該同步傳輸技術實用化的一個重要因素。

3結論

目前常見的三種量子密鑰分發系統同步時鐘的傳輸方式主要有三種:電纜、一對光纖以及同一條光纖。利用波分復用和時分復用技術將量子信號光和時鐘信號光耦合到一條光纖中傳輸可以很好地補償長程傳輸的時間抖動，但是量子信號光會一定程度上受到時鐘信號光的影響而使得系統誤碼率增加，如果該影響可以通過深入的研究被規避，則可使得復用同步技術更具實用價值。

參考文獻

[1]Xiao-Fan Mo， Bing Zhu， Zheng-Fu Han， You-Zhen Gui， and Guang-Can Guo， \"Faraday-Michelson system for quantum cryptography，\" Opt. Lett. 30， 2632-2634 (2005).

[2]Runser R. J.， Chapuran T. E.， Toliver P.， et al， Demonstration of 1.3μm Quantum Key Distribution (QKD) Compatibility with 1.5μm Metropolitan Wavelength Division Multiplexed (WDM) Systems， Optical Fiber Communication Conference and Exposition and The National Fiber Optic Engineers Conference， Technical Digest， Anaheim， California OWI2(2005).

[3]N.I. Nweke， R.J. Runser， S.R. McNown1， et al， EDFA Bypass and Filtering Architecture Enabling QKD+WDM Coexistence on Mid-Span Amplified Links， Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO)， Long Beach， California CWQ7 (2006).

[4]Harald Rohde， Sylvia Smolorz， Andreas Poppe， et al， Quantum Key Distribution Integrated into Commercial WDM Systems， Optical Fiber Communication Conference and Exposition and The National Fiber Optic Engineers Conference， OSA Technical Digest (CD)， OTuP1(2008).

[5]Akihiro Tanaka， Mikio Fujiwara， Sae Woo Nam， et al. Ultra fast quantum key distribution over a 97 km installed telecom fiber with wavelength division multiplexing clock synchronization Optics Express 16，11354 (2008).

[6]N. A .Peters， P. Toliver， T. E. Chapuran1， et al， Dense wavelength multiplexing of 1550 nm QKD with strong classical channels in reconfigurable networking environments， New Journal of Physics，045012(2009).