时分和波分复用的量子通信组网方法

本发明属于经典通信和量子通信的交叉学科，具体是指一种利用波长为目标用户提供统一身份认证代码、利用时序为发送用户提供统一身份认证代码，实现类经典通信网络的量子通信网络快速组网交换的方法，尤其涉及一种时分和波分复用的量子通信组网方法。

背景技术：

1、量子通信基于海森堡测不准原理、量子不可分割原理、量子不可克隆原理等量子力学基本特性，是目前公认的能够从信道传输层面解决信息安全传输问题的技术方案。特别是，随着量子计算技术取得飞速进展，基于传统对称加密算法或rsa大整数分解加密算法的传统公钥体制将面临重要挑战。量子密钥分发作为量子通信领域最为成熟的技术分支，有望从原理上对抗量子计算的超并行计算能力，为下一代通信网络提供重要的安全传输手段。

2、需要注意的是，量子通信信号通常使用单光子作为信息载体，传输过程中光子一旦湮灭即不可再生(这也是量子通信安全性的重要保障之一)。因此，无论是在传输速率上还是在传输距离上，量子通信都无法彻底取代经典光纤通信。即便采用编码效率较高、传输距离较远的量子通信协议，也无法从根本上克服量子通信固有的速率瓶颈。经典通信网络解决上述问题的主要方法是构建中继器，然而，“信息落地”的可信中继需要经过量子信号探测、量子信号再生的过程，可信中继会提取明文信息，破坏量子通信系统端到端的安全性；基于光学存储、冷原子存储的量子中继能够完成量子态的纠缠交换，是实现端到端安全量子通信的最佳技术路线，然而技术方案仍然很不成熟，现阶段无法大规模使用。

技术实现思路

1、针对上述缺陷，本发明要解决的技术问题是如何在不进行量子通信信号解析探测的情况下实现大规模量子通信网络组网。

2、针对上述缺陷，本发明提出一种时分和波分复用的量子通信组网方法，构建多用户量子通信网络并通过时间同步方法使各用户保持时间基准的统一，为各用户分配信号产生的时间窗口确保在进行路由转发时各信号之间不会产生重叠，使用波长作为唯一标识码标识信号的目标地址，通过波分复用系统和时分复用系统等光学手段，在不进行量子通信信号解析探测的情况下实现大规模量子通信网络组网。

3、为了达到上述效果，本发明提供的时分和波分复用的量子通信组网方法，基于超大规模路径选择光路和光学延迟线阵列构建光学交换系统，通过统一的时空基准分发方式让量子通信网络的各个用户之间形成统一的时空基准，通过探测先导强光信号判断目标地址，驱动光学开关形成时间延迟，通过光学路径优选和时延调控使量子通信信号能够无重叠地传递到信号接收方，从光学存储的角度完成量子通信网络中继交换和路由转发功能。

4、优选地，上述方法具体包括以下步骤：

5、s101、基于强光先导信号的目标地址识别，通过统一的时空基准分发方式让量子通信网络的各个用户之间形成统一的时空基准，通过探测先导强光信号判断目标地址；

6、s102、时间延迟的精确控制，当光学交换机探测到有两路量子通信信号同时或在时序上有重叠地到达统一用户时，通过驱动光学开关将后探测到强光先导信号的量子通信信号输入到光学延迟线中，光学延迟线单位延迟时间与强光先导信号和量子通信信号总时长一致；

7、s103、量子通信信号的精确接收，量子通信网络各用户按照一定的时间序列打开光开关并接收其中的量子通信信号，将不同用户发送来、通过时延穿行的量子通信信号还原成多路量子信息。

8、优选地，上述强光先导信号基于强光脉冲或调制激光信号作为载体进行的信息传输，携带一定量的身份认证信息，用于实现数据包启动时间戳的精准识别。

9、优选地，上述驱动光学开关通过电学信号驱动光学开关，使其在特定的时间窗口内将信号引入不同的光学路径。

10、一种时分和波分复用的量子通信组网方法，基于超大规模路径选择光路和光学延迟线阵列构建光学交换系统，上述方法具体包括：

11、s201、所述光学交换系统输入端包括用户a、用户b、用户c三个输入口，输出端包括用户a、用户b、用户c三个输出口；

12、s202、在量子通信信号前方编译强光先导信号，强光先导信号编码方式代表了输出端口的编号；量子通信信号数据包总时长为t1+t2，其中t1时长内全部为量子通信信号，t2时长内包括强光先导信号以及光开关的还原时间；

13、s203、当用户b和用户c同时给用户a发送了量子通信信号时，b线路和c线路的光学开关默认处于上路径，当光电探测器探测到强光先导信号时，启动光学开关，在第一个强光先导信号的到达之后t2时间内将光开关调整至下路径，持续时间为t1；

14、s204、b线路和c线路的光电探测器识别强光先导信号后，根据其中的编码信息确定两路信号都是给用户a发送的；

15、s205、b线路和c线路光电探测器比较识别到强光先导信号的先后顺序和相对时延，当相对时延接近为零时，时序靠后或序号靠后的一路量子通信信号进入光学延迟线阵列，完成一个周期的光学时延，时延长度为t1+t2；

16、s206、当到达a端口的有且仅有一个用户产生的量子通信信号时，a端口连接的用户通过光开关和单光子探测器进行信号探测。

17、优选地，上述s201中用户a、用户b、用户c为独立的用户且时间基准已经统一。

18、优选地，上述s202中在统一的时刻，各用户产生或不产生量子通信信号。

19、优选地，上述s205中相对时延接近为零即两路信号同时到达。

20、优选地，上述时间延迟通过光学开关使得信号在不同的光学路径中传播并产生不同程度的时间延迟。。

21、本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述方法。

22、与现有技术相比，本发明达到了以下技术效果：

23、首先，本发明提出一种基于波分复用和时分复用的量子通信组网方法，能够在不对量子通信信号进行解析的前提下，通过预先分配的时间窗口和工作波长直接完成量子通信信号的光学交换，为量子通信组网提供了一种简便易行的手段；

24、其次，本发明提出的方法虽然牺牲了一定的量子通信带宽，但操作简便且毋须频繁地控制量子通信信号组网交换设备，只需使用时间合束器、波分复用器等无源光学器件即可完成量子通信网络中继交换和路由转发；

25、最后，本发明提出的方法同样能够适用于小规模的全光通信网络，对于无法使用电学控制、只能使用光学无源器件的经典光纤通信网络、自由空间激光通信网络也具有重要的应用价值。

1.一种时分和波分复用的量子通信组网方法，其特征在于包括：构建多用户量子通信网络并通过时间同步方法使各用户保持时空基准的统一，为每一个用户提供一个特定的时间窗口用于产生量子通信信号，为各用户分配信号产生的时间窗口确保在进行路由转发时各信号之间不会产生重叠，使用波长作为唯一标识码标识信号的目标地址，通过多波长光源产生量子通信信号，使用波长作为唯一参量进行量子通信信号目标用户标识，通过波分复用系统和时分复用系统实现不同用户产生的、发送给不同目标用户的量子通信信号路由转发，在不进行量子通信信号解析探测的情况下实现大规模量子通信网络组网。

2.根据权利要求1所述的时分和波分复用的量子通信组网方法，其特征在于所述方法具体包括以下步骤：

3.根据权利要求1所述的时分和波分复用的量子通信组网方法，其特征在于，利用工作波长编码量子通信信号的目标用户，从物理层面为量子通信信号提供可靠的寻址编码方法，最终完成大规模量子通信组网。

4.根据权利要求1或2所述的时分和波分复用的量子通信组网方法，其特征在于，所述量子通信信号接收方使用唯一的工作波长进行通信编码，不同波长量子通信信号使用多波长量子光源或非线性量子波长转换器或宽谱可调谐滤波量子光源。

5.根据权利要求1所述的时分和波分复用的量子通信组网方法，其特征在于所述方法具体包括：

6.根据权利要求5所述的时分和波分复用的量子通信组网方法，其特征在于，所述s201通过时间同步方式，四个用户的发送端和接收端时空基准统一。

7.根据权利要求5所述的时分和波分复用的量子通信组网方法，其特征在于，所述s202中每个用户作为信号发送方时在这四个波长进行任意调控。

8.根据权利要求6所述的时分和波分复用的量子通信组网方法，其特征在于，所述s206如果采用通信辅助手段，每个用户在进行信号发送前都向全网广播自己即将占用的时间窗口序列时，当n用户量子通信网络中只有m个用户进行通信信号发送时，带宽缩减比例将为1/m。

9.根据权利要求5所述的时分和波分复用的量子通信组网方法，其特征在于，所述时间延迟通过光学开关使得信号在不同的光学路径中传播并产生不同程度的时间延迟。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现权利要求1-9任一项所述方法。