量子網絡尋址方法及量子網絡路由器的製作方法
2023-05-10 06:21:46
專利名稱：量子網絡尋址方法及量子網絡路由器的製作方法
技術領域：
本發明涉及利用光傳輸技術進行網絡通訊的尋址方法及裝置，尤其是一種量子信息，包括量子通信和量子計算網絡系統的尋址方法及裝置。
背景技術：
量子信息技術是90年代才正式開始研究的新科學領域，許多問題仍然在探索階段，尚未大規模實用化，不存在與本發明相關的公開使用技術。根據經典網絡信息技術的經驗，量子網絡信息也必將是量子通信的核心技術。同樣的對比並考慮到量子通信的特點，量子網絡系統必須滿足這樣一些基本性能要求1.多用戶性兩個以上的用戶可同時在系統上交換信息或共享資源；2.可擴展性用戶數可以擴展，用戶總數原則上不應受到限制；3.用戶的獨立性它應該包括了兩個方面其一任一用戶的存在和運行與否只影響與該用戶有信息交換需求的用戶，而不影響整個網絡的運行；
其二任何用戶的運行不應該受到互通信息以外的用戶的運行的影響，也即我們通常所說的無串擾和串臺；4.網絡中的每個用戶應該有唯一的地址或內部編號(即經典網絡中的IP位址)，據此，網絡上的任何用戶可以輕易地區分並連接該用戶以實現通訊，同時被連接用戶也應可以唯一地確定正在同自已通訊的對象；量子網絡的特殊要求5.網絡系統必須保持量子相干性(接收測量除外)，也即消相干過程儘可能弱，更不能有除接收測量以外的光電和電光轉換過程；6.網絡系統內部不能有量子信號的放大，這是量子不可克隆定理的基本要求。
對照上述條件，到目前為止，還沒有完全符合該條件的量子網絡結構原理和技術出現。進步最大的是量子密碼的網絡分配研究，已有的主要技術可歸結為一、樹型網絡結構這種結構有兩種運行模式，一種模式採用光纖分路器隨機將調製單光子分發給多個接收者，通過量子密鑰分配協議與多個接收者建立密鑰。這種模式①需要一個控制中心，所有網上其他用戶信息都必須與控制中心分享，這在保密通信中有時是不可容忍的；②通訊效率與網絡上終端數量成反比，極限通訊距離同步下降，可擴展性受到限制；另一種模式則採用波長尋址方式，即控制中心採用波長作為接收者的IP，實現中心與任一用戶間的密鑰分配。這種運行方式解決了直接分路引起的效率降低的問題，但未能解決信息必須與控制中心分享的安全問題；樹型網絡的另一個重要問題是，中心以外的用戶之間不能夠直接互通，所以這種方案不是嚴格意義的網絡結構。
二、環型網絡結構這種網絡結構將所有用戶串成一條或多條互連的封閉的環線，環網中的任意兩個終端用戶運用一定的協議，通過控制中心的協助實現保密互通，且不必與網絡控制中心分享秘密信息，但通訊過程仍需要中心的協助。這種結構①所有用戶終端都只能在一條或互通的多條環線上，終端所在的位置受到限制；②任意兩個用戶之間的平均通訊距離小於點對點極限通訊距離的1/2，用戶越多，近鄰終端之間的距離就越短。這種網絡結構已有三種不同的模式，第一種採多用戶直接串聯[3，4]，改進的方式則採用了所謂空間光開關將多個小環串接起來，將每個用戶通過空間光開關外掛在環上[5]，原則上可以實現可變範圍的量子網絡，無論如何，這種網絡中同時只能有一對用戶工作；第二種則採用波長尋址原理[2]，原則上多用戶之間可以實現直接互通無需中心存在，且多用戶組之間可以同時工作，但傳輸距離的限制仍然存在，而且所用波段數必須滿足N＝n×(n-1)/2其中，N為要用波段總數，n用戶總數用戶數量與所需的波段總數成平方關係，網絡用戶總數受到限制。
三、多粒子糾纏源模式這種模式可以在多用戶間實現量子態傳輸，不僅可以作為量子密鑰分配網絡，原則上可以作為廣義量子信息網絡的工作模式，但糾纏粒子數量與產生效率成負指數關係，而這種方案的用戶數量與糾纏粒子數直接相關，所以，網絡用戶數量非常有限，可擴展性很差。
綜上所述，目前還沒有一種網絡結構和運行模式能夠滿足量子網絡的基本要求。
發明內容
本發明的目的是提出一種量子網絡尋址方法並由此構造出量子網絡路由器，以該路由器為核心可以組成等權的多用戶量子網絡系統。
網絡中包括至少三個節點，其特徵在於給定每個節點一個地址編號；從每個節點向其它各個節點發送不同波長的光子信號；該光子信號以信號源波長和節點地址共同作為尋址標記；所述的尋址標記由兩部分構成，其中一部分由該節點發送的光子信號的波長取值決定，另一部分由該節點的地址編號決定；每個節點根據所接收的光子信號中的上述尋址標記確定信號的來源。
當網絡節點數為奇數時，所述的信號源波長的個數為N個；當網絡節點數為偶數時，所述的信號源波長的個數為N-1個；其中的N為網絡節點數。
所述的光子信號是光量子態信號，或者是經典光信號。
這種尋址方式能確定地將來自於網絡不同節點具有不同波長的光子信號轉接給特定的另外節點，而且這種傳輸在節點網絡中是唯一的，傳播方向也是可逆的，即任一節點都可以接收和發送光子信號，發送節點事先知道特定波長的光子信號是發給哪一個節點，接收節點可通過波長測量確定所接收的光子信號來自於哪一個節點。所述的節點網絡可以有任意N個節點。
所述的光子信號可以是經典信號，如含有大量光子的強光脈衝，也可以是量子信號，如單光子或糾纏光子；所述光子的波長是指一個波長間隔。當信號為經典信號時，通信過程是經典通信，而當信號為光量子態時，所述通信為量子通信。
本發明給出一種實現上述尋址方法的量子網絡路由器，它包括外接口和光子信號分配器，其特徵在於光子信號分配器包括N個光學器件，其中的N為網絡節點數；每個光學器件的一端為混合波長接口、另一端為單波長接口；混合波長接口作為路由器的外接口，單波長接口至少有N-1個，每個單波長接口傳輸不同波長的光子信號，而N個光學器件的相同波長的單波長接口之間一對一地直接光學連接。
當N為偶數時，所述光學器件的單波長接口相同，整個量子網絡路由器所用波長總數為N-1；當N為奇數時，任意兩個光學器件的單波長接口有一個不同，且整個量子網絡路由器所用波長總數為N。例如，對於四節點路由器，所述光學器件相同，單波長接口均為三個，分別是λ1，λ2，λ3，路由器所用波長總數為三個；對於三節點路由器，所述光學器件的單波長接口均為兩個，但波長均有一個不同，分別是光學器件一為λ1，λ2；光學器件二為λ2，λ3；光學器件三為λ3，λ1。路由器所用波長總數也為3個。
所述的光學器件可以是由集成或分立的色散及輔助無源光學器件組成。
所述的光學器件可以是可逆波分復用器。
所述的光學連接可以採用光纖、波導、自由空間或其他光學介質連接。
所述的光學連接在光路中可添加準直、耦合、反射鏡光無源器件，以改善性光學連接性能。
所述的整個量子網絡路由器的所有部件，包括色散、準直、導向以及耦合器的可以全部或部分集成在波導基片上。
本發明量子網絡路由器的上述內部連接滿足圖論中的邊界染色理論，任意多節點網絡路由器可以按此數學原理實現，對應關係為邊界染色理論中的一個頂點對應量子網絡路由器的一個節點，每種邊界染色對應一個波長，即上述光學器件的一個單波長接口。事實上，可以將奇數N節點量子網絡路由器看成是偶數個N+1節點量子網絡路由器中的一個節點未用或沒有連接的特例。
所述光子信號可以從一個節點傳向另一個節點，反向傳輸也同樣可行。
所述的可逆波分復用器是由色散元件加前後準直以及輸出輸入耦合器組成，其中色散元件可以是濾光片、光柵、色散稜鏡。
本發明的量子網絡路由器。它能夠完成接收所有節點同時傳來的攜帶信息的不同波長的光子信號，以分波、合波再組合的方式，將其他各節點要傳給同一節點的不同波長的光子信號合波後傳送給指定的節點。這些信號可以再通過一條與該節點相連的幹線光路傳輸給特定的網絡用戶。這種路由器的工作方式不會破壞它傳送的量子態及其相干性，信號間也不產生互相干擾，且路由導向在整個網絡中是唯一的，不會出現導向重疊和信號遺失現象，用戶通過簡單測量就能知道信號的準確來源。所有這些都滿足網絡的基本要求。
所有這些功能等效於經典網絡通訊中的路由功能或計算機網絡中的尋址功能。此方法構成的量子網絡路由器原則上可以有任意N個節點，與N路幹線光路連接構成N路量子網絡系統。
本發明提出的量子網絡尋址方法和量子網絡路由器，以量子態的發出節點和波長共同作為尋址標記，給出了一種以此尋址方法為原理而構造的量子網絡元件，可以滿足量子網絡路由的基本要求。
用本發明構成的量子通信網絡具有這樣一些優點1、採用路由器作為量子網絡的信息交換和導向中心，其網絡結構與用戶相對獨立，使量子網絡可以完全類比於經典網絡，系統布局與操作可以分別考慮，規範化處理。
2、路由器節點數可擴展本發明中的路由器所用的復用波長總數小於或等於節點總數，頻段利用率高。原則上波段可以任意細分和再復用，路由器節點總數也可以任意擴展。就目前的技術條件而言，節點總數就可以達到150以上，是其他方案的3倍以上。
3、節點之間的通訊以不同波長進行，頻道相互之間隔離，隔離度僅由波分復用的隔離度決定，串擾很低，且各頻道之間不相互爭奪信息資源，通訊效率不受節點總數的影響。
4、路由附加損耗低，本發明中的路由器對每個頻道附加的損耗在2dB以下。
5、利用本發明可以實現真正網絡意義上的量子通信，包括量子密鑰分配、量子態的網絡傳輸(廣義量子通信)，構成量子計算機尋址總線或量子計算機網絡等。
6、由於量子網絡是在經典網絡基礎上附加限制而來，本量子網絡路由器可直接作為經典通訊中的全光波長路由器，實現經典網絡通訊中的靜態網絡路由功能。
圖1是一種由商用波分復用器組成的4節點量子網絡路由器的內部構造示意圖。
圖2是一種由商用波分復用器組成的3節點量子網絡路由器的內部構造示意圖。
圖3是一種分立元件直接組成的4節點量子網絡路由器的內部構造示意圖。
圖4是一種集成4節點量子網絡路由器的內部構造示意圖。
圖5是三節點量子網絡路由器的IP位址表。
圖6是四節點量子網絡路由器的IP位址表。
具體實施例方式
一.量子網絡路由器的結構1、量子網絡路由器可以用商用波分復用器按照本發明的原理構造而成。一個典型的四節點量子網絡路由器內部構造如圖1所示，虛線內部為路由器的內部構造。圖1中1-1～1-4為相同的商用三通道波分復用器，波長分別是λ1，λ2，λ3。其中波長位置(實際是一定範圍的波段)與間隔只要達到幹線光路的損耗要求和足夠的隔離度即可；2-1～2-6是相同波長頻道單波長接口之間的光學連接，它們可以是單模光纖器件、分離器件或光波導組成的光路；3-1～3-4為量子網絡路由器節點的混合波長接口，通過幹線光路將節點可與用戶之間連接起來。
圖2為三節點量子網絡路由器的內部結構，其中4-1～4-3為波分復用器，與四節點所用的波分復用器不同的是，這三個波分復用器的復用波長相互之間都有一個不同，其中4-1為λ1、λ2，4-2為λ2、λ3，而4-3為λ3、λ1，整個路由器所用的波長總數仍為三個。圖中5-1～5-3為相同波長單波長接口間的光學連接線，它們可以是單模光纖器件、分離器件或波導組成的光路。6-1～6-3為量子網絡路由器節點的混合波長接口，通過幹線光路可以連接用戶。事實上，這種三節點路由器可以看成是圖1中的四節點路由器的一個節點以及與它連接的所有光學連接被取消後的特殊情況。
在圖1中如果將波分復用器1-2以及與它相關的2-2、2-5、2-6光學連接全部取消(或棄置)，則圖1中的四節點路由器就變成為圖2中的三節點路由器。由此推廣開來，任何偶數N節點的路由器均可以去掉(或棄置)其中的一個節點，而直接變成N-1奇數節點的路由器。
任意N節點的路由器均可以按上述原則採用波分復用器構造而成，其中奇數節點按圖2方式擴展，而偶數節點路由器按圖1方式擴展。
2、分立光學元件獨立組成的四門量子網絡路由器量子網絡路由器可採用分立無源光學元件直接組成，不需要先組成波分復用器，再構造成量子網絡路由器。這種組成中N節點路由器需要N個光色散元件和輔助光線導向機構組成，例如分光三稜鏡、耦合、準直和反射鏡等無源光學元件或其他光路折變耦合器件組成。這裡給出四節點分立光學元件組成的量子網絡路由器裝置內部結構圖。
圖3中，7-1～7-4為色散元件，作用是將不同波長的光分開，實現分波和逆向合波的功能，它們可以是三稜鏡、濾光片或光柵等色散元件；8-1～8-4以及9-1～9-4為前後準直系統，起光線準直和聚焦等輔助作用；10-1～10-4為光線導向元件，作用是將特定波長的光線導向特定的色散器件；11-1～11-4為路由器節點輸入輸出耦合器，通過幹線光路與網絡用戶直接連接。
3、集成光學量子網絡路由器量子網絡路由器也可構成集成光學器件，其中N節點路由器由N個集成光色散元件和導向傳輸光波導組成。
圖4中仍然以四節點量子網絡路由器為例，其中12-1～12-4為集成分布式光柵，將來自最近節點入射的多波長信號分解成單色信號，同時也將反向傳來的單色信號結合成多色信號傳向最近節點；13-1～13-2為單色光的導向傳輸波導，將色散後的單色光線傳向下一個色散光柵；14-1～14-4為路由器的混合波長接口，通過它與幹線光路直接連接到用戶。
一個量子網絡路由器確定以後，每一個節點都有一個唯一確定的IP表，與該節點連接的用戶可以按照此IP表在網絡中尋找另外唯一的用戶節點，並與其完成量子通信過程。圖5和圖6分別給出了三節點和四節點量子網絡路由器各節點之間的IP位址表。對於四個以上的多節點量子網絡路由器，一樣存在這樣一個IP位址表。其中奇數節點的IP表與表一類似，偶數節點的IP表與表二類似。
權利要求
1.一種量子網絡尋址方法，網絡中包括至少三個節點，其特徵在於給定每個節點一個地址編號；從每個節點向其它各個節點發送不同波長的光子信號；該光子信號以信號源波長和節點地址共同作為尋址標記；所述的尋址標記由兩部分構成，其中一部分由該節點發送的光子信號的波長取值決定，另一部分由該節點的地址編號決定；每個節點根據所接收的光子信號中的上述尋址標記確定該信號的來源。
2.根據權利要求1所述的量子網絡尋址方法，其特徵在於當網絡節點數為奇數時，所述的信號源波長的個數為N個；當網絡節點數為偶數時，所述的信號源波長的個數為N-1個；其中的N為網絡節點數。
3.根據權利要求1所述的量子網絡尋址方法，其特徵在於所述的光子信號是光量子態信號，或者是經典光信號。
4.一種用於權利要求1的量子網絡路由器，包括外接口和光子信號分配器，其特徵在於光子信號分配器包括N組光學器件，其中的N為網絡節點數；每個光學器件的一端為混合波長接口、另一端為單波長接口；混合波長接口作為路由器的外接口，單波長接口至少有N-1個，每個單波長接口傳輸不同波長的光子信號，而N個光學器件的相同波長的單波長接口之間一對一地直接光學連接。
5.根據權利要求4所述的一種量子網絡路由器，其特徵在於當N為偶數時，所述光學器件的單波長接口相同，整個量子網絡路由器所用波長總數為N-1；當N為奇數時，任意兩個光學器件的單波長接口有一個不同，且整個量子網絡路由器所用波長總數為N。
6.根據權利要求4所述的一種量子網絡路由器，其特徵在於所述的光學器件是由集成或分立的色散及輔助無源光學器件組成。
7.根據權利要求4所述的一種量子網絡路由器，其特徵在於所述的光學器件是可逆波分復用器。
8.根據權利要求4所述的一種量子網絡路由器，其特徵在於所述的光學連接是採用光纖、波導、自由空間或其他光學介質連接。
9.根據權利要求4所述的一種量子網絡路由器，其特徵在於所述的光學連接在光路中可添加準直、耦合、反射鏡光無源器件，以改善性光學連接性能。
10.根據權利要求4所述的一種量子網絡路由器，其特徵在於所述的整個量子網絡路由器的所有部件，包括色散、準直、導向以及耦合器全部或部分集成在波導基片上。
全文摘要
本發明公開了一種量子網絡尋址方法及量子網絡路由器，網絡中包括至少三個節點，給定每個節點一個地址編號；從每個節點向其它各個節點發送不同波長的光子信號；該光子信號以信號源波長和節點地址共同作為尋址標記；每個節點根據所接收的光子信號中的上述尋址標記確定該信號的來源。量子網絡路由器包括外接口和光子信號分配器，光子信號分配器包括N組光學器件；每個光學器件的一端為混合波長接口、另一端為單波長接口；混合波長接口作為路由器的外接口，光學器件的相同波長的單波長接口之間一對一地直接光學連接。利用本發明可以實現真正網絡意義上的量子通信，包括量子密鑰分配、量子態的網絡傳輸，即廣義量子通信，構成量子計算機尋址總線或量子計算機網絡等。
文檔編號H04B10/30GK1567751SQ0313201
公開日2005年1月19日 申請日期2003年7月8日 優先權日2003年7月8日
發明者韓正甫, 張濤, 郭光燦 申請人:中國科學技術大學