OFC2025 | 英国全国性异构量子网络

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引言
量子网络是安全通信技术中最有发展前景的领域之一。近年来，全球在开发能够支持各种量子协议的长距离量子通信基础设施方面取得了显著进展。这一领域的一项重要发展是在英国实施的全国性异构量子网络，该网络连接了主要研究中心，并展示了大规模量子通信的实用可行性[1]。
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网络架构与实现
. S* _; ~2 }5 x- y0 I, ~/ Y英国全国性异构量子网络通过利用国家暗光纤设施(NDFF)的410公里量子主干链路，连接了布里斯托尔和剑桥两个城市的量子网络。这个雄心勃勃的网络无缝集成了多种量子密钥分发(QKD)技术和协议，包括相干单向协议、诱骗态BB84和基于纠缠的BBM92 QKD。
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主干量子通信线路由五个级联的QKD链路组成，覆盖了布里斯托尔和剑桥之间的距离。NDFF上使用了两对光纤，一对用于支持QKD通道及其相关同步服务的主干量子通信线路，而另一对则用于两个城市之间的加密经典通信。
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8 b7 o* U: Q: K; I. O" B6 ~8 b沿着量子通信线路的每个中间节点都作为可信节点来中继量子密钥。这种方法允许在比单一量子链路可能实现的更长距离上安全地分发密钥，解决了量子网络实施中的关键挑战之一。

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图1：英国全国量子网络，展示通过410公里量子主干链路连接的布里斯托尔和剑桥城域网络，以及量子安全通信编排系统的详细说明。

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1 u/ F# y" y1 v& q! s3 r2 p城域量子网络
5 N9 a/ G5 X  i8 p& f) _布里斯托尔城域量子网络具有6用户纠缠分发系统。它包括一个0型偏振纠缠光子源，产生贝尔态|Φ+? = 1/√2(|HsHi? + |VsVi?)。该纠缠源连接到量子使能的可重构光分插复用器(q-ROADM)，可以动态分配纠缠以创建各种量子链路连接，从全网格架构到链路级连接。
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在剑桥城域量子网络中，四个主要节点分布在不同位置：电气工程(EE)、主工程(ENG)、中央网络枢纽(CNH)和西剑桥数据中心(WCDC)。这些节点通过2-10公里的光纤链路互连，形成4节点网格拓扑。每个节点都包含用于发送和接收QKD通道的QKD系统和用于转发QKD通道的光开关。

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8 `& z/ T% x/ z* \! e3 n: R3 z6 q图2：基于纠缠的网络性能指标，展示(a)随着泵浦功率增加的选定链路密钥速率，(b)所有15个可能链路的计算和实际密钥速率比较，以及(c)使用基于纠缠的QKD系统进行图像加密/解密的演示。
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密钥管理与编排
整个网络实施了复杂的密钥管理系统。对于商业QKD系统，信息协调和隐私放大是通过嵌入式软件执行的。然而，对于布里斯托尔基于纠缠的量子网络，研究人员实现了用于密钥生成的BBM92 QKD协议，采用级联算法进行错误校正，并使用FFT增强的Toeplitz哈希算法进行隐私放大。
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# e  P1 A0 U& |* X在密钥管理层面，ETSI 014基础的密钥管理实体(KME)与各种QKD系统集成。对于东芝的诱骗态BB84(T12)和基于纠缠的QKD(E-QKD)系统，研究人员使用低成本的树莓派计算机开发了符合ETSI 014的KME。每个纠缠KME(E-KME)管理与布里斯托尔基于纠缠的网络中的其他5个节点共享的密钥。

密钥管理系统(KMS)与位于QKD节点的KME交互，为终端用户应用提供密钥或将其进行XOR运算以中继基于可信节点的QKD链路的密钥。中央编排器协调密钥的使用，确定通信是否应加密或明文，选择加密方案，处理密钥ID协议，以及控制密钥更新率。
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& N+ O$ {; P# ~; _9 V# c% A在这里应插入论文中的图2，展示主干线上五个QKD链路在180个运行日内的密钥速率，证明了网络的长期稳定性和性能。

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图3：主干量子通信线上五个QKD链路在180个运行日内的密钥速率，显示各链路在不同性能水平下的持续运行能力。

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性能分析与结果
180天的性能测量显示，51公里的FFD-RDG链路达到了最高的密钥速率，平均SKR为9.72kbps。CAM-LON链路和BST-FFD链路表现相似，分别上限为2.3kbps和2.6kbps。UoB-BST链路在500bps至900bps之间变化，平均为649bps。论文中的表1总结了主干线上所有五个链路的量子比特错误率(QBER)。

对于布里斯托尔的6用户基于纠缠的网络，性能取决于几个因素：部署的光纤如何随时间保持偏振，每个用户接收的同时纠缠通道数量(由q-ROADM控制)，以及输入到基于萨格纳克(Sagnac)的纠缠源的泵浦激光器功率。
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0 s" m$ M+ c( n! n" {/ ~图3a显示了三个选定的基于纠缠的链路(B-C、B-G和D-F)随着纠缠源775nm泵浦功率的归一化增加而表现的性能。结果显示实际密钥速率与理论值之间有很好的近似。图3b显示了6用户基于纠缠的网络中所有15个链路在源以归一化6dB功率泵浦时的性能，比较了计算和实际SKR值。
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实际应用
2 M8 h9 K/ k& X为了展示实际应用，研究人员测试了使用布里斯托尔网络中通过纠缠QKD生成的密钥传输图像。图3c显示了使用筛选密钥(错误校正前)和实际密钥的加密和解密图像，证明了错误校正和隐私放大过程的有效性。
研究人员进一步测试了利用英国量子网络在布里斯托尔和剑桥用户之间的两个用例：
量子安全的实时视频会议通话从剑桥到布里斯托尔的MRI医学数据传输[/ol]

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  a6 ?4 R* Z' h( k图4：量子网络的实际应用，显示(a)剑桥和布里斯托尔之间加密MRI数据传输的统计数据，(b)传输的MRI数据示例，以及(c)两个城市之间量子安全视频会议通话的截图。

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结论
5 O9 c' w9 V& _5 d% c这个英国全国性异构量子通信网络的成功展示代表了量子网络技术的重要里程碑。通过支持多种QKD技术并展示量子安全视频会议和医学数据传输等实际用例，这一实施为具有现实应用的更大规模量子网络奠定了基础。

* N( T7 ^# u4 ]7 U9 s城域量子网络与长距离量子链路的集成，以及密钥管理系统的编排，展示了全国范围量子安全通信的可行性。这一成就不仅推进了量子通信领域的发展，也使量子安全数据传输作为关键基础设施的标准部分的未来更加接近现实。

参考文献
[1] R. Yang, A. Wonfor, V. Jain, E. Fazel, M. Clark, R. D. Oliveira, S. Bahrani, A. Mehrpooya, A. Olianezhad, M. Alhussein, S. Joshi, J. Rarity, R. Penty, R. Wang, and D. Simeonidou, "A UK Nationwide Heterogeneous Quantum Network," in OFC 2025, Optica Publishing Group, 2025, Paper Th4C.7.
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