Маршрутизация квантового распределения ключа на боковых частотах в городской оптической транспортной сети

Тарабрина А.Д., Воронцова И.О., Кынев С.М., Киселев Ф.Д., Егоров В.И.

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

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

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

Ссылка на англоязычную версию:

Angelina Tarabrina, Irina Vorontsova, Sergey Kynev, Fedor Kiselev, and Vladimir Egorov, "Routing subcarrier wave quantum key distribution through a metropolitan optical transport network," Journal of Optical Technology. 90(6), 324-328 (2023)

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».

Коды OCIS: 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