Научно-технический
«ОПТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ»
издается с 1931 года
 
   
Русский вариант сайта Английский вариант сайта
   
       
   
       
Статьи последнего выпуска

Электронные версии
выпусков начиная с 2008


Алфавитный указатель
2000-2010 гг


444
Архив оглавлений
выпусков 2002-2007 гг


Реквизиты и адреса

Вниманию авторов и рецензентов!
- Порядок публикации
- Порядок рецензирования статей
- Типовой договор
- Правила оформления
- Получение авторского вознаграждения
- Редакционная этика


Контакты

Подписка

Карта сайта




Журнал с 01.12.2015 допущен ВАК для публикации основных результатов диссертаций как издание, входящее в международные реферативные базы систем цитирования (Web Science, Scopus) (см. Vak.ed.gov.ru Перечень журналов МБД 16.03.2018г)

Аннотации (09.2022) : Применение оптимизационных методов для решения задачи минимизации шумов в системах квантового распределения ключей при их интегрировании в волоконно-оптические линии связи с применением технологии плотного мультиплексирования по длине волны

Применение оптимизационных методов для решения задачи минимизации шумов в системах квантового распределения ключей при их интегрировании в волоконно-оптические линии связи с применением технологии плотного мультиплексирования по длине волны

DOI: 10.17586/1023-5086-2022-89-09-66-74

УДК 535.8, 535.01

Ангелина Дмитриевна Тарабрина1* , Даниил Вадимович Тупяков2, Ирина Олеговна Воронцова3, Роман Константинович Гончаров4, Александр Вячеславович Зиновьев5, Семен Владимирович Смирнов6, Федор Дмитриевич Киселев7, Владимир Ильич Егоров8

1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8Университет ИТМО, Санкт-Петербург, Россия

6, 7, 8ООО «Кванттелеком», Санкт-Петербург, Россия

1adtarabrina@itmo.ru       https://orcid.org/0000-0002-7114-8438

2tupyakov.daniil@gmail.com      https://orcid.org/0000-0002-8804-6569

3iovorontsova@itmo.ru     https://orcid.org/0000-0001-9861-0816

4rkgoncharov@itmo.ru      https://orcid.org/0000-0002-9081-8900

5avzinovev@itmo.ru           https://orcid.org/0000-0003-0789-998X

6s.smirnov@itmo.ru           https://orcid.org/ 0000-0002-8562-2452

7fdkiselev@itmo.ru             https://orcid.org/ 0000-0002-3894-511X

8viegorov@itmo.ru             https://orcid.org/ 0000-0003-0767-0261

Аннотация

Предмет исследования. Применимость оптимизационного алгоритма имитации отжига в решении задачи поиска оптимальных конфигураций расположения квантового и информационных каналов для проведения успешного сеанса квантового распределения ключа при рассмотрении сеток с различными частотными расстояниями между каналами, а именно 12,5, 25, 50 и 100 ГГц. Целью данной работы являются оптимизация поиска схем расположения квантового и информационных каналов на сетке с плотным мультиплексированием по длине волны посредством применения оптимизационных методов, основанных на анализе влияния канальных шумов на проведение сеанса квантового распределения ключа, и исследование этих методов. Метод. Значения мощности, характерные для квантовых сигналов, существенно ниже, чем для классических. По этой причине шум от информационных каналов при распространении в одном волокне с квантовыми сильно снижает работоспособность систем квантового распределения ключа. Решить данную проблему можно, уменьшив уровень шума в канале, что достигается посредством выбора и использования оптимального спектрального размещения каналов. Поиск таких схем расположения каналов, называемых в работе конфигурациями, может быть решен несколькими способами. К числу последних можно отнести так называемый метод обоснованного предположения, а также подход, заключающийся в решении задачи оптимизации с помощью применения оптимизационного алгоритма имитации отжига, которые и являются предметом исследования данной работы. Проведено сравнение результатов применения этого метода с аналогичными, полученными методом обоснованного предположения. В работе приведены описания указанных выше методов и их интерпретирование в контексте решения задач текущей работы и математические модели расчета шумов спонтанного комбинационного рассеяния, четырехволнового смешения и линейных перекрестных помех. Описаны оптимальные схемы расположения квантового и информационных каналов на сетке с плотным мультиплексированием по длине волны (конфигурации), полученные двумя указанными методами. Оптимальными признавались конфигурации, у которых суммарное значение всех учитываемых в математической модели канальных шумов принимало наименьшие значения. Основные результаты. В работе описаны оптимальные конфигурации, полученные методами имитации отжига и обоснованного предположения. Показано, что в случаях, когда основной вклад в суммарные потери приходится на спонтанное комбинационное рассеяние, применим метод обоснованного предположения, при этом информационные каналы следует располагать в соответствии с графиком сечения комбинационного рассеяния. В случаях, когда вклад четырехволнового смешения соизмерим и превышает спонтанное комбинационное рассеяние, предпочтительно использование алгоритма имитации отжига для решения задачи поиска оптимальных конфигураций, при этом информационные каналы располагаются на удалении от квантового: чем меньше шаг сетки, тем дальше информационные каналы располагаются от квантового для оптимальных конфигураций, а увеличение числа каналов приводит к уменьшению этого расстояния разнесения внутри сетки с фиксированным шагом. Практическая значимость. Практические реализации волоконно-оптических линий связи в настоящее время неразрывно связаны с применением технологий мультиплексирования, в частности плотного мультиплексирования каналов с разделением по длине волны, с целью удовлетворения постоянно растущей потребности в увеличении информационной емкости каналов связи и построения квантовых сетей. Выделение отдельных волокон под системы квантового распределения ключа не является оптимальным, поэтому необходима интеграция известных технологий мультиплексирования каналов в системы квантового распределения ключа. Однако вследствие присутствия в волоконно-оптических линиях связи нежелательных канальных шумов наблюдается быстрый рост коэффициента квантовых ошибок, что в итоге приводит к невозможности осуществить успешный сеанс квантового распределения ключа. Это обуславливает необходимость аккуратного и корректного анализа вкладов канальных шумов с целью их минимизации путем подбора оптимального расположения классических и квантовых каналов на частотной сетке.

Ключевые слова: квантовое распределение ключа, мультиплексирование с разделением по длине волны, метод обоснованного предположения, алгоритм имитации отжига, волоконно-оптические линии связи

Благодарность: проект реализуется при финансовой поддержке ОАО «РЖД».

Ссылка для цитирования: Тарабрина А.Д., Тупяков Д.В., Воронцова И.О., Гончаров Р.К., Зиновьев А.В., Смирнов С.В., Киселев Ф.Д., Егоров В.И. Применение оптимизационных методов для решения задачи минимизации шумов в системах квантового распределения ключей при их интегрировании в волоконно-оптические линии связи с применением технологии плотного мультиплексирования по длине волны // Оптический журнал. 2022. Т. 89. № 9. С. 66–74. DOI: 10.17586/1023-5086-2022-89-09-66-74

Коды OCIS: 270.5565, 270.5568, 270.558

 

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ

1.    Gisin N., Ribordy G., Tittel W., Zbinden H. Quantum cryptography // Rev. Modern Phys. 2002. V. 74. № 1. P. 145. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.74.145

2.   Townsend P.D. Simultaneous quantum cryptographic key distribution and conventional data transmission over installed fibre using wavelength-division multiplexing // Electron. Lett. 1997. V. 33. № 3. P. 188–190. DOI: 10.1049/el:19970147

3.   Kumar R., Qin H., Alléaume R. Coexistence of continuous variable QKD with intense DWDM classical channels // New J. Phys. 2015. V. 17. № 4. P. 043027. https://doi.org/10.1088/1367-2630/17/4/043027

4.   Kiselev F., Veselkova N., Goncharov R., Egorov V. A theoretical study of subcarrier-wave quantum key distribution system integration with an optical transport network utilizing dense wavelength division multiplexing // J. Phys. B: Atomic, Molecular and Opt. Phys. 2021. V. 54. № 13. P. 135502. https://doi.org/10.1088/1361-6455/ac076a

5.   Bahrani S., Razavi M., Salehi J.A. Wavelength assignment in hybrid quantum-classical networks // Scientific Reports. 2018. V. 8. № 1. P. 1–13. https://doi.org/10.1038/s41598-018-21418-6

6.   Lin R., Chen J. Minimizing spontaneous Raman scattering noise for quantum key distribution in WDM networks // 2021 Optical Fiber Commun. Conf. and Exhibit. (OFC). San Francisco, CA, USA. June 6–10 2021. P. 1–3.

7.    Cai C., Sun Y., Ji Y. Intercore spontaneous Raman scattering impact on quantum key distribution in multicore fiber // New J. Phys. 2020. V. 22. № 8. P. 083020. https://doi.org/10.1088/1367-2630/aba023

8.   Mlejnek M., Kaliteevskiy N., Nolan D. Reducing spontaneous Raman scattering noise in high quantum bit rate QKD systems over optical fiber // arXiv preprint. 2017. arXiv:1712.05891. https://doi.org/10.48550/arXiv.1712.05891

9.   Eraerds P., Walenta N., Legré M., et al. Quantum key distribution and 1 Gbps data encryption over a single fibre // New J. Phys. 2010. V. 12. № 6. P. 063027. https://doi.org/10.1088/1367-2630/12/6/063027

10. Boyd R.W. Nonlinear optics. 4th ed. San Diego, CA: Academic Press, 2020. 634 p.

11.  Lin Q., Yaman F., Agrawal G.P. Photon-pair generation in optical fibers through four-wave mixing: Role of Raman scattering and pump polarization // Phys. Rev. A — Atomic, Molecular, and Optical Phys. 2007. V. 75. № 2. P. 023803. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.75.023803

12.       Hill A., Payne D. Linear crosstalk in wavelength-division-multiplexed optical-fiber transmission systems // J. Lightwave Technol. 1985. V. 3. № 3. P. 643–651. DOI: 10.1109/JLT.1985.1074232