DOI: 10.17586/1023-5086-2023-90-06-61-69
УДК 530.145:535.12:681.7:53.082.5
Ангелина Дмитриевна Тарабрина1*, Ирина Олеговна Воронцова2, Сергей Михайлович Кынев3, Федор Дмитриевич Киселев4, Владимир Ильич Егоров5
1, 2, 4, 5«Национальный центр квантового интернета», Университет ИТМО, Санкт-Петербург, Россия
3Научно-образовательный центр фотоники и оптоинформатики, Университет ИТМО
3, 4, 5ООО «СМАРТС-Кванттелеком», Санкт-Петербург, Россия
1adtarabrina@itmo.ru https://orcid.org/0000-0002-7114-8438
2iovorontsova@itmo.ru https://orcid.org/0000-0001-9861-0816
3sergey.kynev@itmo.ru https://orcid.org/0000-0001-8698-1804
4fdkiselev@itmo.ru https://orcid.org/ 0000-0002-3894-511X
5viegorov@itmo.ru https://orcid.org/ 0000-0003-0767-0261
Аннотация
Предмет исследования. В данной работе исследуется способ нахождения последовательности узлов в городской оптической транспортной сети, которая соединяет отправителя и получателя через квантовый канал, распространяющийся в том же оптическом волокне, что и информационные каналы, такой что максимизируется скорость генерации секретного ключа. Цель. Целью данной работы является маршрутизация квантового распределения ключа на боковых частотах в городской оптической транспортной сети так, чтобы скорость генерации секретного ключа была максимально возможной. Метод. Городская оптическая транспортная сеть может быть представлена в виде графа, где вершины — это узлы сети, а ребра — соединяющие их оптоволоконные линии. Вес ребра соответствует скорости генерации секретного ключа на соответствующем участке оптоволоконной линии. Конечная скорость генерации ключа ограничивается самым медленным участком пути. Желаемый оптимальный маршрут будет найден при решении задачи об узком месте графа. В данной работе используется алгоритм прямого перебора. Основные результаты. В результате данной работы найдены оптимальные пути, соединяющие два заданных узла квантовым каналом для различных топологий сетей. Показано, что существует необходимость в более эффективном алгоритме для работы с бо€льшим количеством узлов. Практическая значимость. Результаты данного исследования могут быть использованы при интеграции квантовых коммуникаций в существующие городские оптические транспортные сети.
Ключевые слова: квантовое распределение ключа, мультиплексирование с разделением по длине волны, поиск пути на графе, задача об узком месте, городские оптоволоконные сети
Благодарность: проект реализуется при финансовой поддержке ОАО «РЖД».
Ссылка для цитирования: Тарабрина А.Д., Воронцова И.О., Кынев С.М., Киселев Ф.Д., Егоров В.И. Маршрутизация квантового распределения ключа на боковых частотах в городской оптической транспортной сети // Оптический журнал. 2023. Т. 90. № 6. С. 61–69. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-06-61-69
Коды OCIS: 270.5565, 270.5568.
Routing the subcarrier wave quantum key distribution through metropolitan optical transport network
Angelina Tarabrina1*, Irina Vorontsova2, Sergey Kynev3, Fedor Kiselev4, Vladimir Egorov5
1, 2, 4, 5Leading research center «National center for quantum internet», ITMO University, Saint Petersburg, Russia
3Research and Education Center for Photonics and Optoinformatics, ITMO University, Saint Petersburg, Russia
3, 4, 5LLC «Quanttelecom», Saint Petersburg, Russia
1adtarabrina@itmo.ru https://orcid.org/0000-0002-7114-8438
2iovorontsova@itmo.ru https://orcid.org/0000-0001-9861-0816
3sergey.kynev@itmo.ru https://orcid.org/0000-0001-8698-1804
4fdkiselev@itmo.ru https://orcid.org/ 0000-0002-3894-511X
5viegorov@itmo.ru https://orcid.org/ 0000-0003-0767-0261
Abstract
Subject of study. This paper investigates the method of finding a sequence of nodes in a metropolitan optical transport network, connecting the sender and the receiver through a quantum channel propagating in the same optical fiber as the information channels, that maximizes secret key generation rate. Aim of the work. The purpose of this work is to route the subcarrier wave quantum key distribution in the metropolitan optical transport network so that the secret key generation rate is maximized. Method. The metropolitan optical transport network can be represented as a graph, where the vertices are the network nodes and the edges are the fiber optic lines connecting them. The weight of an edge corresponds to the secret key generation rate on the respective segment of the fiber optic line. The final key generation rate is limited by the slowest section of the path. The desired optimal route will be found by solving the graph bottleneck problem. In this paper a brute force algorithm is used. Main results. As a result of this work the optimal paths connecting two given nodes via a quantum channel for different network topologies are found. It is shown that there is a need for more efficient algorithm for a larger number of nodes. Practical significance. The findings of this study can be used in the integration of quantum communications in existing metropolitan optical transport networks.
Keywords: quantum key distribution, wavelength division multiplexing, graph search, bottleneck problem, metropolitan optical transport networks
Acknowledgment: this project was financially supported by JSC «RZhD».
For citation: Tarabrina A.D., Vorontsova I.O., Kynev S.M., Kiselev F.D., Egorov V.I. Routing the subcarrier wave quantum key distribution through metropolitan optical transport network [In Russian] // Opticheskiĭ Zhurnal. 2023. V. 90. № 6. P. 61–69. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-06-61-69
OCIS сodes: 270.5565, 270.5568.
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. https://doi.org/: 10.1049/el:19970147
3. Kiselev F., Goncharov R., Veselkova N. et al. Performance of subcarrier-wave quantum key distribution in the presence of spontaneous Raman scattering noise generated by classical DWDM channels // JOSA B. 2021. V. 38. № 2. P. 595–601. https://doi.org/10.1364/JOSAB.412289
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. Мазуренко Ю.Т., Меролла Ж.М., Годжебюр Ж.П. Квантовая передача информации с помощью поднесущей частоты. Применение к квантовой криптографии // Оптика и спектроскопия. 1999. Т. 86. № 2. С. 181–183.
6. Aleksic S., Hipp F., Winkler D., Poppe A., Schrenk B., Franzl G. Perspectives and limitations of QKD integration in metropolitan area networks // Optics Express. 2015. V. 23. № 8. P. 10359–10373. https://doi.org/10.1364/OE.23.010359
7. Poppe A., Schrenk B., Hipp F. et al. Integration of quantum key distribution in metropolitan area networks // Quantum Information and Measurement. Optica Publishing Group. 2014. P. QW4A.6. https://doi.org/10.1364/QIM.2014.QW4A.6
8. Ciurana A., Martinez-Mateo J., Peev M. et al. Quantum metropolitan optical network based on wavelength division multiplexing // Optics express. 2014. V. 22. № 2. P. 1576–1593. https://doi.org/10.1364/OE.22.001576
9. Niu J., Sun Y., Zhang Y., Ji Y. Noise-suppressing channel allocation in dynamic DWDM-QKD networks using LightGBM // Optics Express. 2019. V. 27. № 22. P. 31741–31756. https://doi.org/10.1364/OE.27.031741
10. Rabbie J., Chakraborty K., Avis G., Wehner S. Designing quantum networks using preexisting infrastructure // Quantum Information. 2022. V. 8. № 1. P. 5. https://doi.org/10.1038/s41534-021-00501-3
11. Tayduganov A., Rodimin V., Kiktenko E.O. et al. Optimizing the deployment of quantum key distribution switch-based networks // Optics Express. 2021. V. 29. № 16. P. 24884–24898. https://doi.org/10.1364/OE.427804
12. Vorontsova I., Goncharov R., Tarabrina A., Kiselev F., Egorov V. Theoretical analysis of quantum key distribution systems when integrated with a DWDM optical transport network channels // JOSA B. 2023. V. 40. № 1. P. 63–71. https://doi.org/10.1364/JOSAB.469933
13. Miroshnichenko G., Kozubov A., Gaidash A. et al. Security of subcarrier wave quantum key distribution against the collective beam-splitting attack // Optics Express. 2018. V. 26. № 9. P. 11292–11308. https://doi.org/10.1364/OE.26.011292
14. Lin R., Chen J. Minimizing spontaneous Raman scattering noise for quantum key distribution in WDM networks // 2021 Optical Fiber Communications Conference and Exhibition (OFC). San Francisco, CA, USA. June 6–10. 2021. P. 1–3.
15. 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
16. 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
17. 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
18. 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
19. Boyd R.W. Nonlinear optics. 4th ed. San Diego, CA: Academic Press, 2020. 634 p.
20. 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
21. Hill A., Payne D. Linear crosstalk in wavelength-division-multiplexed optical-fiber transmission systems // J. Lightwave Technol. 1985. V. 3. № 3. P. 643–651. https://doi.org/10.1109/JLT.1985.1074232
REFERENCES
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. https://doi.org/: 10.1049/el:19970147
3. Kiselev F., Goncharov R., Veselkova N. et al. Performance of subcarrier-wave quantum key distribution in the presence of spontaneous Raman scattering noise generated by classical DWDM channels // JOSA B. 2021. V. 38. № 2. P. 595–601. https://doi.org/10.1364/JOSAB.412289
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. Mazurenko Y.T., Merolla J.M., Gojebure J.P. Quantum information transfer by means of frequency subcarrier. Application to quantum cryptography // Optics and Spectroscopy. 1999. V. 86. № 2. P. 181–183.
6. Aleksic S., Hipp F., Winkler D., Poppe A., Schrenk B., Franzl G. Perspectives and limitations of QKD integration in metropolitan area networks // Optics Express. 2015. V. 23. № 8. P. 10359–10373. https://doi.org/10.1364/OE.23.010359
7. Poppe A., Schrenk B., Hipp F. et al. Integration of quantum key distribution in metropolitan area networks // Quantum Information and Measurement. Optica Publishing Group. 2014. P. QW4A.6. https://doi.org/10.1364/QIM.2014.QW4A.6
8. Ciurana A., Martinez-Mateo J., Peev M. et al. Quantum metropolitan optical network based on wavelength division multiplexing // Optics express. 2014. V. 22. № 2. P. 1576–1593. https://doi.org/10.1364/OE.22.001576
9. Niu J., Sun Y., Zhang Y., Ji Y. Noise-suppressing channel allocation in dynamic DWDM-QKD networks using LightGBM // Optics Express. 2019. V. 27. № 22. P. 31741–31756. https://doi.org/10.1364/OE.27.031741
10. Rabbie J., Chakraborty K., Avis G., Wehner S. Designing quantum networks using preexisting infrastructure // Quantum Information. 2022. V. 8. № 1. P. 5. https://doi.org/10.1038/s41534-021-00501-3
11. Tayduganov A., Rodimin V., Kiktenko E.O. et al. Optimizing the deployment of quantum key distribution switch-based networks // Optics Express. 2021. V. 29. № 16. P. 24884–24898. https://doi.org/10.1364/OE.427804
12. Vorontsova I., Goncharov R., Tarabrina A., Kiselev F., Egorov V. Theoretical analysis of quantum key distribution systems when integrated with a DWDM optical transport network channels // JOSA B. 2023. V. 40. № 1. P. 63–71. https://doi.org/10.1364/JOSAB.469933
13. Miroshnichenko G., Kozubov A., Gaidash A. et al. Security of subcarrier wave quantum key distribution against the collective beam-splitting attack // Optics Express. 2018. V. 26. № 9. P. 11292–11308. https://doi.org/10.1364/OE.26.011292
14. Lin R., Chen J. Minimizing spontaneous Raman scattering noise for quantum key distribution in WDM networks // 2021 Optical Fiber Communications Conference and Exhibition (OFC). San Francisco, CA, USA. June 6‒10. 2021. P. 1‒3.
15. 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
16. 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
17. 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
18. 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
19. Boyd R.W. Nonlinear optics. 4th ed. San Diego, CA: Academic Press, 2020. 634 p.
20. 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
21. Hill A., Payne D. Linear crosstalk in wavelength-division-multiplexed optical-fiber transmission systems // J. Lightwave Technol. 1985. V. 3. № 3. P. 643–651. https://doi.org/10.1109/JLT.1985.1074232
