[發明專利]基于大規模單原子腔體量子網絡的組網方法

有效

• 申請號: 201210289063.4
• 申請日: 2012-08-14
• 公開（公告）號: CN102769527A
• 公開（公告）日: 2012-11-07
• 發明（設計）人: 虞萬榮;吳純青;劉波;胡曉峰;趙寶康;彭偉;伍典策
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科學技術大學
• 主分類號: H04L9/08
• 分類號: H04L9/08;H04L12/56
• 代理公司: 湖南兆弘專利事務所 43008
• 代理人: 周長清

技術領域

本發明主要涉及到大規模量子通信網絡領域，特指一種基于大規模單原子腔體量子網絡的組網方法。

背景技術

量子通信是量子論和信息論相結合的產物，是通信和信息領域研究的前沿。其中，量子密鑰分發(Quantum?Key?Distribution，QKD)技術是現今發展比較成熟的量子通信技術。量子密鑰分發能夠在兩個遠距離通信方之間絕對安全的共享密鑰，這個過程是由量子力學的不可克隆原理和測不準原理保證而不是經典密鑰分配所依賴的計算復雜度，從而讓密鑰系統的安全性提高到了一個新的高度。目前有限節點(n≤10)的量子密鑰分發網絡已經得到實現部署。量子密鑰分發網絡在民用領域和軍事領域均有著廣泛的應用前景。

當前所實現的量子密鑰分發網絡大致可以分為三類：基于無源光學器件的、基于可信中繼的和基于量子中繼器的。基于無源光學器件的量子密鑰分發網絡其節點可以利用光學開關、波分復用器件、同時采用時分復用技術、頻分復用技術等來實現。

利用經典光學器件(例如光分束器/合束器。光開光，光波分復用設備等)在網絡節點處構造的量子密鑰分發網絡可以實現多用戶之間的量子密鑰分發；其網絡拓撲結構有環型、總線型、樹型、星型等。

由信任節點構成的量子密鑰分發網絡是利用多個“點到點”量子密鑰分發裝置為鏈路，在節點處利用信任的中繼方來進行“路由”而組成的量子密鑰分發網絡。在這種網絡中，每組密鑰在相鄰兩個節點之間進行獨立分發。信任中繼是在現實技術條件下對點對點量子密鑰分配的網絡擴展模式，其核心目標是利用點到點量子密鑰分發技術來建立任意長距離的安全通信，這種網絡節點由信任方進行中繼量子密鑰，即信任節點功能是獨立地存儲、發送、以及管理生產的密鑰。

目前利用糾纏光子對進行密鑰傳輸，在光纖中有效距離可達100km，在自由空間內有效距離可達144km。光子吸收和去相干隨信道長度指數衰減，經典通信中可以利用中繼器來放大和重生信號。量子的特殊物理特性，直接對量子信息進行操作是不行的，由此提出了量子中繼器的概念。利用糾纏光子對的糾纏交換等一系列操作來擴展量子密鑰的最大分發距離。基于量子中繼器的量子密鑰分發網絡是構建未來全球量子密鑰分發網絡的基礎也是必然發展趨勢。

由于量子狀態的不可克隆和測不準原理，以上類型的量子網絡實現都是由點對點量子鏈路構成的，也就是只能實現點對點之間的量子密鑰分發，無法實現類似經典通信網絡中遠距離通信方之間，可以經過多個中間節點的信息傳遞和分發功能。目前已經實現的量子網絡中，量子節點內部無存儲功能，量子信息無法在不同量子節點之間進行“存儲-轉發-存儲…”操作，進而無法通過中間量子節點來完成遠距離通信方之間的量子密鑰分發功能。

為了克服量子信息在量子信道傳輸過程中衰落，利用量子節點代替光學節點對量子信息進行變換能夠有效的提高傳輸距離，具有這種功能的量子節點通常稱之為量子中繼器(Quantum?Repeater)。量子節點間的鏈路傳輸利用糾纏光子源為信息載體進行密鑰分發。這些糾纏光子到達節點時不免夾雜部分噪聲，為了使得在這些鏈路之間傳輸的糾纏光子具有非常好的糾纏性能，需要利用量子存儲器，量子非破壞測量技術，以及糾纏純化技術來提高糾纏光子對的純度。在經典通信網絡中，為了能夠擴展量子狀態在鏈路中的傳輸距離，基于原子系綜和線性光的量子中繼器得到廣泛關注和研究。利用原子之間的糾纏來存儲光子之間的糾纏，原子系綜可以作為量子中繼器內部所需的量子存儲器。

有從業者提出了一種基于光腔體的原子-光子量子接口的實現，使用它來糾纏一個原子和一個光子。然后，把原子的量子狀態映射到第二個光子，也就是單個靜止原子作為量子存儲器，單個飛行的光子作為量子使者。

理想的光量子存儲器：1.能夠接收和重造光量子比特；2.能夠比其他經典設備更好的存儲未知量子比特。目前量子存儲器的發展：單光量子和物質之間的信息交換。這種存儲器用于實際應用的根本好處：1.反對不可避免的損耗和有限的效率，可以采用預示機制，通過測量狀態的方法，來指示一個光子的存儲是否成功；2.允許獨立的量子比特操作。

最新研究表明這種量子存儲器的基本實現：通過映射光的偏振狀態到一個原子或者從原子讀出，這個原子是受困在光腔中的。采用全量子過程層析成像來分析性能，平均保真度達93％，低消相干速率使得存儲時間可達180μs。這使得該系統可用于量子門和量子中繼器。