摘 要:本文详细分析和比较了目前量子密钥分发系统远程同步的技术方案,并针对目前被认为最有前途的一种波分复用和时分复用相结合的远程同步时钟传输方案的优缺点和要解决的关键科学问题进行了总结和展望。
关键词:量子密钥分发单光子探测远程同步
中图分类号:TN918文献标识码:A文章编号:1674-098X(2011)05(c)-0008-01
1 引言
量子保密通信经过20多年的发展,已经取得了很大的突破。目前的量子信号都是采用同步探测的方法来测量的,都必须有同步时钟来保证有效信息的生成。因此,要构建量子保密通信网络,系统的精确时钟同步是一个重要的关键技术问题。
2 量子密钥分发系统远程同步问题研究
目前实验室常用的同步方法是利用短电缆进行同步信号的传输,这种同步方式只可以在实验室环境下可以很好的工作。在实际应用和测试实验中,另外两种同步方式被深入研究:一种是利用一对光纤分别传输时钟光信号和量子光信号[1],另一种方式是利用复用的方法通过将不同波长的时钟光信号复用到量子光信号的传输光纤中进行传输[2-6]。
目前被认为最有前景的研究方向是利用复用方法通过将不同波长的时钟光信号复用到量子信道中进行传输。该方法可以很好地补偿时间抖动,对应用环境的硬件要求也没有增加。但是,这种方案中的时钟光脉冲和量子信号同时在一根光纤内传播,它们之间必然会存在串扰,这种串扰对于经典通信来说可以忽略,但是由于量子信号的能量比时钟光信号小很多个数量级,时钟光信号会对量子信号会产生很大的影响。虽然通过滤波技术可以将这一背景噪声降到可忽略的水平,但是,因为光纤的非线性效应,时钟光信号和量子信号在传播过程中相互作用产生和量子光信号同频的光子,它会使量子终端用户的误码率急剧增大,甚至可能会使通信无效。2005年,Runser等人从实验上证明1310nm量子信号在传统网络中传输时,由于拉曼散射的影响,这两种信号的最小波长间隔为大约170nm左右最佳[2];2006年Nweke等人提出用高隔离度的滤波技术来抑制拉曼噪声光子和串扰[3];2007年,Rohdet等人提出当量子信通信融入到商用光纤时,非线性效应会对量子通信产生很大的影响,并指出主要的影响是受激拉曼散射和四波混频[4];2008年,Tanaka等人提出通过降低传输时的时钟信号功率来减小非线性效应产生的影响[5];2009年,Peters等人研究了拉曼散射和四波混频对量子信道的影响,并提出了两种方法来减小四波混频的影响[6]。而对于时钟信号的其它可能的影响,在这些同步方案的报道中虽有涉及,但是还没有详细的理论和实验分析,缺乏对强时钟光信号和极微弱量子信号在传输光纤中相互作用产生误码光子的物理模型的研究,必须找到方法来避免时钟同步信号对量子信号的影响,这是一个关键性问题,它也是决定该同步传输技术实用化的一个重要因素。
3结论
目前常见的三种量子密钥分发系统同步时钟的传输方式主要有三种:电缆、一对光纤以及同一条光纤。利用波分复用和时分复用技术将量子信号光和时钟信号光耦合到一条光纤中传输可以很好地补偿长程传输的时间抖动,但是量子信号光会一定程度上受到时钟信号光的影响而使得系统误码率增加,如果该影响可以通过深入的研究被规避,则可使得复用同步技术更具实用价值。
参考文献
[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).