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

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. http://doi.org/ 10.17586/1023-5086-2022-89-09-66-74

Tarabrina A.D., Tupyakov D.V., Vorontsova I.O., Goncharov R.K., Zinov’ev A.V., Smirnov S. V., Kiselev F.D., Egorov V.I. Application of optimization methods to minimize noise in quantum key distribution systems integrated into fiber-optic communication lines using dense wavelength division multiplexing [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2022. V.89. № 9. P. 66-74. http://doi.org/ 10.17586/1023-5086-2022-89-09-66-74

A. D. Tarabrina, D. V. Tupyakov, I. O. Vorontsova, R. K. Goncharov, A. V. Zinov’ev, S. V. Smirnov, F. D. Kiselev, and V. I. Egorov, "Application of optimization methods to minimize noise in quantum key distribution systems integrated into fiber-optic communication lines using dense wavelength division multiplexing," Journal of Optical Technology. 89(9), 549-554 (2022). https://doi.org/10.1364/JOT.89.000549

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.

проект реализуется при финансовой поддержке ОАО «РЖД».