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Laser & Optoelectronics Progress

基于灵活安全级别的量子密钥资源优先顺序分配方案

姚骏海 Yao Junhai, 聂敏 Nie Min, 杨光 Yang Guang, 姜欢窈 Jiang Huanyao, Aijing Sun, 裴昌幸 Pei Changxing

Published Jan 1, 2025• 1 citation
Publisher

Abstract

在部署量子密钥分发光网络的过程中，因量子密钥资源受限，网络资源分配不均和调度混乱会造成业务的大规模阻塞，严重影响光网络的安全性。针对该问题，提出一种量子密钥资源分配方案。首先，以减少资源分配量为优化目标，构建最小波长和时隙消耗线性规划约束模型。其次，将业务的安全需求纳入考量因素，结合动态密钥更新机制和灵活安全级别调整策略，提出基于业务优先级的密钥资源分配方法。最后，设计出一种路由、波长和时隙分配算法，以资源评估值作为路由评价指标，筛选出资源充足且跳数较少的路径，并通过设置动态门限阈值提高时隙利用率。仿真结果表明，所提方案能高效且均匀地利用网络中的资源，与NPFSL-RWTA和SSL-RWTA算法相比，所提算法在NSFNET（UBN24）网络中的光路连接请求成功率分别提高了7.9%和16.3%（4.8%和20.9%），有效减少了业务阻塞的发生，使光网络的安全性得以提升。

DOI
10.3788/lop241826

Related papers

多光子干涉在量子计算及量子机器学习中的研究进展（特邀）

占浩 Zhan Hao, 胥亮 Xu Liang, 张利剑 Zhang Lijian

多光子干涉是由全同光子在多模线性光网络中产生的联合量子干涉效应，属于光量子系统中一类核心的非经典现象，也是光量子信息处理的重要资源。近年来，随着光量子信息技术的迅速发展，多光子干涉在通用光量子逻辑门的构建以及经典计算机难以模拟的玻色采样等量子计算任务中发挥着关键作用。其中，玻色采样能够在通用量子计算成熟之前率先展示量子优越性，因而自提出以来持续受到广泛关注。与此同时，面向光量子平台的量子机器学习架构不断涌现，致力于将多光子干涉所蕴含的计算能力与机器学习模型结合，推动具有实用价值的量子优势发展。首先，系统回顾多光子干涉的基本原理，涵盖线性光网络模型、积和式描述及玻色采样的计算复杂性；其次，重点介绍其在量子计算中的应用，包括线性光学量子计算架构、基于多光子干涉的量子逻辑门及其应用，以及玻色采样的实验进展；接着，讨论其在量子机器学习领域的创新应用，如量子核方法、光量子神经网络和光量子储备池计算等；最后，总结当前的关键挑战与瓶颈，并对其未来研究方向进行展望。

Acta Optica Sinica•Jan 1, 2025•1 citation

基于随机调制实现光信道测量样本去相关分析

侯艺浩 Hou Yihao, 娄 岩 Lou Yan, 陈纯毅 Chen Chunyi +4 more

从大气光信道中可以提取两个合法通信方用来加密其传输的机密信息的公共密钥。首先，为了打破湍流引起的光学波动的相关时间对每秒提取的不相关光信道测量样本的数量限制，提出了为合法通信双方配备随机调制的方法，并针对其实现测量样本去相关性进行了理论分析；其次，利用OptiSystem软件仿真分析了大气光信道水平路径传输距离为1 km，中湍流，调制方式为幅度调制条件下，合法通信方在无调制、单调制、双调制三种不同调制的情况下对光信道测量样本自相关性的影响。针对单调制的情形，分析了不同大气光信道传输系数相干时间、伪随机码生成速率、传输距离和信噪比对光信道测量样本自相关性的影响。结果表明，对比无调制情况，在相同采样间隔内，观测到的光信道测量样本的测量数据变化次数增多；同时施加随机调制的发射光信号，在小于湍流引起的光学波动的相关时间的采样间隔下，观测到的光信道测量样本，在滞后100个样本的延迟时间后的自相关性，从无调制情况下的0.676降低到单调制情况下的0.083和双调制情况下的0.035。

Infrared and Laser Engineering•Jan 1, 2024•1 citation

富勒烯拓扑量子阵列规模化集成架构与大规模量子网络构建

Jian Wen

核心定位:从单分子单元走向规模化阵列的工程核心论文,解决单元集成、阵列耦合、全局调控、量子网络搭建核心问题,打通从单比特到大规模量子计算的扩容壁垒。 摘要 量子计算规模化扩容引发的串扰累积、误差爆炸、调控复杂难题,是当前通用量子计算产业化落地的核心瓶颈,主流量子体系始终无法突破“扩容必降稳、容错必高开销”的行业三难困境。依托AI4S课题组P00-P09全系前序理论成果,富勒烯准光子拓扑量子单元具备原生拓扑抗噪、弱线性误差传播、低退相干的天然优势,是破解规模化扩容难题的全新技术路径。本文聚焦单分子单元向大规模量子阵列、量子网络的工程化跨越,系统性完成阵列物理机理建模、硬件架构设计、串扰抑制体系搭建、纠缠网络构建与工程落地验证。首先,基于课题组拓扑场与磁化率理论,量化推导富勒烯单元间拓扑耦合规律,明确核心物理参数的理论溯源与取值依据,论证最优阵列拓扑晶格结构。其次,创新构建二维平面、三维堆叠双阵列硬件架构,搭建物理隔离+梯度场拓扑隔离的双层串扰抑制体系,建立全局调控+局域精准寻址的分级操控机制,补齐规模化阵列工程适配准则。再次,建立阵列串扰量化模型与弱线性误差累积表达式,结合P09双层容错架构,设计适配大规模阵列的容错纠错策略与动态耦合均衡算法,攻克多单元误差累积难题。然后,搭建分层级大规模高维量子纠缠组网逻辑,实现网络动态重构与节点自适应适配。最后,建立算力扩容量化模型,通过标准化可复现仿真完成多规模阵列性能分析,对标主流量子体系完成算力优势量化对比,配套完善标准化制备工艺与量产方案,明确理论可证伪边界。本文从物理底层解决了量子阵列规模化扩容的核心痛点,形成一套机理完备、量化精准、工程可落地的拓扑量子阵列集成与组网体系,为大规模低噪容错量子计算的产业化落地提供坚实的理论与工程支撑。 关键词 富勒烯拓扑量子;准光子量子单元;规模化阵列集成;串扰抑制;分级调控;量子纠缠网络;算力扩容;工程落地工艺

•May 29, 2026•0 citations

非相干泵浦辅助的电磁诱导非厄密衍射光栅

田雪冬 Tian Xuedong, 刘星雨 Liu Xingyu, 刘一谋 Liu Yimou

提出一种基于非相干泵浦辅助的非厄密电磁诱导光栅的理论方案，其中物理系统由具有三能级Lambda型结构的超冷原子系综与非相干泵浦场组成。该方案仅通过单重空间周期调制便可获得光学宇称-时间对称和宇称-时间反对称等非厄密光学对称性。通过对探测光束透过该系统的远场衍射特性的研究发现：首先，通过非相干泵浦速率与控制光束失谐的操控可以实现不同非厄密光学对称性的切换；其次，在光学深度不变的前提下，可以通过非相干泵浦场对系统的衍射效率进行有效调制，从而引入全新的操控自由度；此外，控制光束失谐的相位可以有效操控系统的衍射对称性及衍射模式。该理论研究结果可以促进非厄密光学与散射型全光器件的研究与开发，并应用于量子光学与量子信息处理等领域。

Acta Optica Sinica•Jan 1, 2023•0 citations

量子纠缠在量子精密测量中的应用研究进展

Wanhe CHEN, 北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院，北京 100191, Yuting XU +6 more

量子纠缠叩开了量子精密测量精度突破标准量子极限的大门，当初始探针中的粒子态使用非经典资源时，量子精密测量精度能够逼近海森堡极限，显著提升测量的灵敏度。量子纠缠已在冷原子、囚禁离子和热原子等量子系统中展现出突破标准量子极限的强大潜力，有望推动物理学前沿发展和技术的创新进步。本文阐述量子纠缠增强量子精密测量领域的理论框架、纠缠对于测量的影响、纠缠态制备机理及量子传感器前沿应用。最后，对该领域进行了总结和展望。

Journal of Applied Optics•Jan 1, 2025•1 citation

物体运动的光测速度与观测者位置效应的关系研究

曾纪晴

物体的运动速度通常是基于光(或电子设备)的观测速度。本文研究了基于光的物体运动速度的观测问题,发现物体运动的光测速度受观测者位置效应的影响。在此基础上,本文提出了测量光速的新方法,解释了牛顿经典力学适合物体低速运动情形以及物体在高速运动条件下光测速度与实际速度产生较大偏差的原因。本文还分析了高能粒子加速器的粒子运动速度以及微观粒子运动的观测问题。最后,本文讨论了“同时性的相对性问题”以及惯性系坐标的变换问题。

•Dec 10, 2020•0 citations
在部署量子密钥分发光网络的过程中，因量子密钥资源受限，网络资源分配不均和调度混乱会造成业务的大规模阻塞，严重影响光网络的安全性。针对该问题，提出一种量子密钥资源分配方案。首先，以减少资源分配量为优化目标，构建最小波长和时隙消耗线性规划约束模型。其次，将业务的安全需求纳入考量因素，结合动态密钥更新机制和灵活安全级别调整策略，提出基于业务优先级的密钥资源分配方法。最后，设计出一种路由、波长和时隙分配算法，以资源评估值作为路由评价指标，筛选出资源充足且跳数较少的路径，并通过设置动态门限阈值提高时隙利用率。仿真结果表明，所提方案能高效且均匀地利用网络中的资源，与NPFSL-RWTA和SSL-RWTA算法相比，所提算法在NSFNET（UBN24）网络中的光路连接请求成功率分别提高了7.9%和16.3%（4.8%和20.9%），有效减少了业务阻塞的发生，使光网络的安全性得以提升。
多光子干涉是由全同光子在多模线性光网络中产生的联合量子干涉效应，属于光量子系统中一类核心的非经典现象，也是光量子信息处理的重要资源。近年来，随着光量子信息技术的迅速发展，多光子干涉在通用光量子逻辑门的构建以及经典计算机难以模拟的玻色采样等量子计算任务中发挥着关键作用。其中，玻色采样能够在通用量子计算成熟之前率先展示量子优越性，因而自提出以来持续受到广泛关注。与此同时，面向光量子平台的量子机器学习架构不断涌现，致力于将多光子干涉所蕴含的计算能力与机器学习模型结合，推动具有实用价值的量子优势发展。首先，系统回顾多光子干涉的基本原理，涵盖线性光网络模型、积和式描述及玻色采样的计算复杂性；其次，重点介绍其在量子计算中的应用，包括线性光学量子计算架构、基于多光子干涉的量子逻辑门及其应用，以及玻色采样的实验进展；接着，讨论其在量子机器学习领域的创新应用，如量子核方法、光量子神经网络和光量子储备池计算等；最后，总结当前的关键挑战与瓶颈，并对其未来研究方向进行展望。
从大气光信道中可以提取两个合法通信方用来加密其传输的机密信息的公共密钥。首先，为了打破湍流引起的光学波动的相关时间对每秒提取的不相关光信道测量样本的数量限制，提出了为合法通信双方配备随机调制的方法，并针对其实现测量样本去相关性进行了理论分析；其次，利用OptiSystem软件仿真分析了大气光信道水平路径传输距离为1 km，中湍流，调制方式为幅度调制条件下，合法通信方在无调制、单调制、双调制三种不同调制的情况下对光信道测量样本自相关性的影响。针对单调制的情形，分析了不同大气光信道传输系数相干时间、伪随机码生成速率、传输距离和信噪比对光信道测量样本自相关性的影响。结果表明，对比无调制情况，在相同采样间隔内，观测到的光信道测量样本的测量数据变化次数增多；同时施加随机调制的发射光信号，在小于湍流引起的光学波动的相关时间的采样间隔下，观测到的光信道测量样本，在滞后100个样本的延迟时间后的自相关性，从无调制情况下的0.676降低到单调制情况下的0.083和双调制情况下的0.035。
核心定位:从单分子单元走向规模化阵列的工程核心论文,解决单元集成、阵列耦合、全局调控、量子网络搭建核心问题,打通从单比特到大规模量子计算的扩容壁垒。 摘要 量子计算规模化扩容引发的串扰累积、误差爆炸、调控复杂难题,是当前通用量子计算产业化落地的核心瓶颈,主流量子体系始终无法突破“扩容必降稳、容错必高开销”的行业三难困境。依托AI4S课题组P00-P09全系前序理论成果,富勒烯准光子拓扑量子单元具备原生拓扑抗噪、弱线性误差传播、低退相干的天然优势,是破解规模化扩容难题的全新技术路径。本文聚焦单分子单元向大规模量子阵列、量子网络的工程化跨越,系统性完成阵列物理机理建模、硬件架构设计、串扰抑制体系搭建、纠缠网络构建与工程落地验证。首先,基于课题组拓扑场与磁化率理论,量化推导富勒烯单元间拓扑耦合规律,明确核心物理参数的理论溯源与取值依据,论证最优阵列拓扑晶格结构。其次,创新构建二维平面、三维堆叠双阵列硬件架构,搭建物理隔离+梯度场拓扑隔离的双层串扰抑制体系,建立全局调控+局域精准寻址的分级操控机制,补齐规模化阵列工程适配准则。再次,建立阵列串扰量化模型与弱线性误差累积表达式,结合P09双层容错架构,设计适配大规模阵列的容错纠错策略与动态耦合均衡算法,攻克多单元误差累积难题。然后,搭建分层级大规模高维量子纠缠组网逻辑,实现网络动态重构与节点自适应适配。最后,建立算力扩容量化模型,通过标准化可复现仿真完成多规模阵列性能分析,对标主流量子体系完成算力优势量化对比,配套完善标准化制备工艺与量产方案,明确理论可证伪边界。本文从物理底层解决了量子阵列规模化扩容的核心痛点,形成一套机理完备、量化精准、工程可落地的拓扑量子阵列集成与组网体系,为大规模低噪容错量子计算的产业化落地提供坚实的理论与工程支撑。 关键词 富勒烯拓扑量子;准光子量子单元;规模化阵列集成;串扰抑制;分级调控;量子纠缠网络;算力扩容;工程落地工艺
提出一种基于非相干泵浦辅助的非厄密电磁诱导光栅的理论方案，其中物理系统由具有三能级Lambda型结构的超冷原子系综与非相干泵浦场组成。该方案仅通过单重空间周期调制便可获得光学宇称-时间对称和宇称-时间反对称等非厄密光学对称性。通过对探测光束透过该系统的远场衍射特性的研究发现：首先，通过非相干泵浦速率与控制光束失谐的操控可以实现不同非厄密光学对称性的切换；其次，在光学深度不变的前提下，可以通过非相干泵浦场对系统的衍射效率进行有效调制，从而引入全新的操控自由度；此外，控制光束失谐的相位可以有效操控系统的衍射对称性及衍射模式。该理论研究结果可以促进非厄密光学与散射型全光器件的研究与开发，并应用于量子光学与量子信息处理等领域。
量子纠缠叩开了量子精密测量精度突破标准量子极限的大门，当初始探针中的粒子态使用非经典资源时，量子精密测量精度能够逼近海森堡极限，显著提升测量的灵敏度。量子纠缠已在冷原子、囚禁离子和热原子等量子系统中展现出突破标准量子极限的强大潜力，有望推动物理学前沿发展和技术的创新进步。本文阐述量子纠缠增强量子精密测量领域的理论框架、纠缠对于测量的影响、纠缠态制备机理及量子传感器前沿应用。最后，对该领域进行了总结和展望。
物体的运动速度通常是基于光(或电子设备)的观测速度。本文研究了基于光的物体运动速度的观测问题,发现物体运动的光测速度受观测者位置效应的影响。在此基础上,本文提出了测量光速的新方法,解释了牛顿经典力学适合物体低速运动情形以及物体在高速运动条件下光测速度与实际速度产生较大偏差的原因。本文还分析了高能粒子加速器的粒子运动速度以及微观粒子运动的观测问题。最后,本文讨论了“同时性的相对性问题”以及惯性系坐标的变换问题。