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量子保密通信京滬干線:可信中繼技術(shù),拓展量子通信范圍

如意 ? 來源:易科騰 ? 作者:易科騰 ? 2020-06-19 14:27 ? 次閱讀
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由于信號(hào)的損耗,量子密鑰分發(fā)在地面上走光纖直接傳輸有一個(gè)距離的上限。為了建設(shè)廣域量子通信網(wǎng)絡(luò),拓展量子通信應(yīng)用范圍,目前有兩種可行的關(guān)鍵技術(shù),一種是可信中繼,另一種是量子衛(wèi)星。墨子號(hào)量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星和京滬干線,主要就是為了完成這兩種關(guān)鍵技術(shù)的驗(yàn)證。目前,它們都已經(jīng)順利完成了各自的技術(shù)驗(yàn)證任務(wù),京滬干線的用戶數(shù)量和應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大。

目前的商用產(chǎn)品通過光纖可以實(shí)現(xiàn)距離一百多公里的量子密鑰分發(fā)。要實(shí)現(xiàn)距離更遠(yuǎn)的密鑰分發(fā),就需要增加中繼節(jié)點(diǎn)。相鄰的中繼節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行量子密鑰分發(fā),用戶密鑰可以通過各對(duì)相鄰中繼節(jié)點(diǎn)間的量子密鑰加密傳輸。在中繼節(jié)點(diǎn)“可信”時(shí),也就是說中繼節(jié)點(diǎn)的量子密鑰保證安全保密時(shí),通過“一次一密”的加密傳輸方法,就可以保證用戶密鑰傳輸?shù)陌踩_@樣的技術(shù)叫可信中繼技術(shù)。

在實(shí)際建設(shè)中,保障可信中繼安全的方案是根據(jù)需求來制定的。對(duì)于高級(jí)別的應(yīng)用,可以采用與現(xiàn)有體制相同的方式,把可信中繼節(jié)點(diǎn)設(shè)在專人值守的機(jī)房里,結(jié)合人員管理和技術(shù)手段來保障“可信”。對(duì)于商用通信應(yīng)用,還可以采用很多技術(shù)保障無人值守中繼節(jié)點(diǎn)的安全可信,使得工程實(shí)現(xiàn)上的可信中繼技術(shù)相比原始的可信中繼概念有了長(zhǎng)足的發(fā)展,比如說:中繼節(jié)點(diǎn)的密鑰“落地即密”技術(shù)、密鑰分拆中繼技術(shù),中繼密鑰迭代變換技術(shù)等,一方面保障無人值守下的中繼節(jié)點(diǎn)足夠可信,一方面消除中繼節(jié)點(diǎn)密鑰泄露造成的密鑰泄露風(fēng)險(xiǎn)。總的來說,對(duì)于各級(jí)別的應(yīng)用,可信中繼的安全保障都可以做到有效、可靠。

目前,國(guó)內(nèi)和國(guó)際上的標(biāo)準(zhǔn)化專業(yè)組織都結(jié)合已有的工程實(shí)踐啟動(dòng)了可信中繼標(biāo)準(zhǔn)包括安全性標(biāo)準(zhǔn)的研究和制定工作,這將為應(yīng)用可信中繼技術(shù)的安全保障奠定基礎(chǔ)。

“京滬干線”這種量子保密通信網(wǎng)絡(luò)也需要路由器、交換機(jī)這些設(shè)備嗎?

首先,即使經(jīng)典通信組網(wǎng),也不一定非要路由器和交換機(jī)。這兩種設(shè)備是IP網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)鏈路層組網(wǎng)的設(shè)備。在光通信層面還有自己的組網(wǎng)調(diào)度技術(shù)和設(shè)備,比如ROADM可重構(gòu)光分叉復(fù)用器。還有以前的SDH設(shè)備,實(shí)際上也是具有組網(wǎng)功能的。只是這些技術(shù)組網(wǎng)的靈活性不如路由器、交換機(jī),但是用于建設(shè)骨干線路和網(wǎng)絡(luò)是夠用的。

量子網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)問題,要分好幾個(gè)方面來說:

第一,量子通信網(wǎng)絡(luò),不管是量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò),還是將來的連接量子計(jì)算機(jī)、量子傳感器的量子通信網(wǎng)絡(luò),基本上都還需要經(jīng)典信息通信的輔助。所以量子通信網(wǎng)絡(luò)里需要使用傳統(tǒng)的路由器、交換機(jī)還有光傳送網(wǎng)設(shè)備等來組建一個(gè)用于傳輸輔助信息的經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)。

第二,京滬干線這樣的量子保密通信網(wǎng)絡(luò),經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)功能主要不是對(duì)量子信號(hào)做交換和路由,而是實(shí)現(xiàn)任意兩個(gè)用戶間密鑰協(xié)商的功能。用戶之間進(jìn)行密鑰協(xié)商的信令、數(shù)據(jù)等都需要通過經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)傳輸,因此還必須使用經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)技術(shù)和設(shè)備,當(dāng)然這些協(xié)商信息都是可以公開而不會(huì)影響量子密鑰的安全性的。

第三,量子信號(hào)層面上的組網(wǎng),不能用路由器、交換機(jī)實(shí)現(xiàn)。目前可行的技術(shù)是利用光路交換來做一些組網(wǎng)的功能。這樣的設(shè)備可以用現(xiàn)有的光交換設(shè)備來改造,但有一些缺點(diǎn),比如體積大、切換速度慢等。也有人在研究適合量子通信的光路交換芯片。

第四,有些人提出過量子路由器的概念,大概是指控制信號(hào)也是量子的,可以實(shí)現(xiàn)路由的量子疊加。這種技術(shù)還處于純粹的科學(xué)研究階段,暫時(shí)不用考慮。

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