QST编辑优选:量子网络的区分服务纠缠路由

文章介绍
- 刘博,国防科技大学
- 虞万荣,国防科技大学
研究背景:
量子网络的研究已经从可信的中继网络阶段发展到了量子纠缠分发网络阶段。这一阶段主要致力于开发能够传输高精度时间信息和高效安全密钥率的全光子量子网络。现有结合时分/波分复用的方案虽然降低了波长需求,但难以兼顾多用户服务质量。特别是在动态网络环境下,现有路由策略往往无法平衡网络连接规模和用户服务效率,导致纠缠资源的闲置或用户接入的受限。针对这些挑战,本研究提出的区分服务纠缠路由方案,采用创新的张量路径搜索算法和动态资源区分分配策略,在确保最大连接数的同时显著提升了网络效率,为构建实用化的大规模量子网络提供了关键技术支撑。
研究内容:
由于纠缠资源有限,静态网络难以支持大规模纠缠分发网络的构建。同时,当前的纠缠网络无法自动处理、存储或转发量子信号。因此,本研究设计了功能可定义量子纠缠分发网络架构,如图 1 所示。该架构可划分为物理层、控制层和应用层。用户关于建立或删除纠缠连接的请求将被传送至控制层。控制器根据不同的用户需求执行区分服务纠缠路由策略,并生成纠缠流表传递给物理层。随后,物理层根据纠缠流表配置转发设备。

图1:功能可定义量子纠缠分发网络架构。
本研究提出了一种区分服务纠缠路由方案,流程原理如图 2 所示。首先,利用基于张量的最低损耗路径搜索算法,找出服务器与请求用户之间的最低损耗路径和支持的波长通道;接着,采用动态服务质量区分策略,计算每个用户对所需的最优纠缠资源数量,并结合当前网络资源的实际状况,为用户分配最优的波长通道。网络图G、最低损耗路径集合SP、信道分配集合SC和服务质量优先级队列Q均存储在网络状态数据库中,这些结构内的参数在每个模块被调用后进行更新。随后,服务器可以计算出纠缠流表,并将其分发给网络转发设备。评估结果表明,所提出的区分服务纠缠路由方案在不同的网络配置和用户动态请求序列下,能够最大化纠缠连接数量并同时优化整体网络效率。该研究可应用于大规模、高拓扑复杂性的量子纠缠分发网络,为用户提供更多样化的服务质量保障。

图2:区分服务纠缠路由方案流程图。Req=[Vi,Vj,opt]表示用户Vi和Vj之间的路由请求,其中opt包含建立或删除请求。
作者介绍

刘博 副研究员
国防科技大学
- 刘博,国防科技大学副研究员,主要从事量子网络和量子时间同步方向研究,湖南省湖湘青年英才,湖南省光学学会理事,在Nature、npj Quantum Information等期刊发表SCI论文40余篇,主持各类科研项目10余项,授权国家发明专利10余项,1篇论文入选ESI前1‰索引,3篇论文入选编辑推荐论文。

虞万荣 副研究员
国防科技大学
- 虞万荣,国防科技大学副研究员,主要从事网络安全、量子网络和空间网络方面的研究,主持国家级科研项目8项,参与国家级科研项目10余项,获省部级科技进步奖3项,发表SCI/EI检索论文60余篇,授权专利20余项。
期刊介绍

- 2024年影响因子:5.0 Citescore:10.9
- Quantum Science and Technology(QST)是一本多学科、高影响力的期刊,致力于出版涵盖所有量子技术科学和应用的高质量和重要的研究。QST涵盖应用数学、凝聚态物质、量子光学、原子物理和材料科学的各个领域,并涉及到化学、生物学、工程学、计算机科学和机器学习。除了定期的原创研究外,QST还出版专题综述和征集热点问题文章的特刊,从而对该领域最新和最有趣的研究进行概述。