Xét một liên kết cáp quang dùng chung cho truyền dẫn lượng tử và cổ điển. Cụ thể, luồng dữ liệu gói cổ điển được truyền từ nút BBU và Nút đầu cuối 5G (và ngược lại với truyền tải đối xứng) và quá trình truyền photon từ Alice đến Bob được thực hiện qua liên kết SSMF chia sẻ, như minh họa trong Hình 3.4. Việc sử dụng chung
50
lắp đặt cáp quang này sẽ tăng cường khả năng tương thích của truyền thông lượng tử với cơ sở hạ tầng quang hiện có và dẫn đến cải thiện đáng kể về hiệu quả chi phí và thị trường có thể giải quyết cho QKD.
Hình 3.4. Lớp vận chuyển eCPRI được bảo mật bằng lượng tử kết nối BBU và các nút đầu cuối 5G. Một liên kết Cáp quang đơn mode tiêu chuẩn (SSMF) được sử dụng cho cả luồng dữ liệu gói cổ điển từ nút BBU và Nút đầu cuối 5G (và ngược lại) và cho quá trình truyền photon từ Alice đến Bob.
Trong thiết lập cùng tồn tại này, hiệu năng của các kênh lượng tử chủ yếu chịu ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến của tán xạ Raman tự phát (SpRS), phát sinh từ sự tán xạ không đàn hồi của tín hiệu dữ liệu cổ điển hai chiều mạnh với vật liệu sợi. Công suất Raman tán xạ về phía trước, được tạo ra bởi đường xuống, được xác định theo :
(3.4)
trong đó Pdl là công suất phóng của đường xuống, ρdl là tiết diện Raman hiệu dụng, ∆λ là băng thông phổ của máy thu lượng tử (được thiết lập là 0,8 nm), L là khoảng cách lan truyền và αdl, αq tương ứng là hệ số suy hao sợi quang cho bước sóng của đường xuống và bước sóng của kênh lượng tử. Đường lên tạo ra các photon Raman tán xạ ngược với công suất được xác định theo :
(3.5)
trong đó Pul là công suất phóng của đường lên, ρul là tiết diện Raman hiệu dụng và αul là hệ số suy giảm sợi quang cho bước sóng của đường lên. Trong cấu trúc liên kết cùng tồn tại này, Phương trình (3.1) phải được sửa đổi để tính đến sự đóng góp của nhiễu Raman vào SKR, bằng cách thêm xác suất tách photon Raman (được tính bằng cách
51
biểu thị mức công suất Raman xuôi và ngược theo photon nhiễu trên ns (thời gian của cổng)) cho các xác suất tách khác. Để có thể chọn thông tin lượng tử truyền qua sợi chia sẻ, ta xét một bộ lọc quang thông dải ở phía Bob, đưa vào mức suy hao không phụ thuộc vào bước sóng là 2,7 dB. Bộ lọc này được giả định là cô lập phổ lượng tử, do đó không thể ghi lại các photon rò rỉ do công suất cổ điển do nhiễu xuyên âm. Có thể dễ dàng đáp ứng giả định này, bằng cách giữ khoảng cách kênh giữa đường xuống và tín hiệu lượng tử đủ lớn (~ 400 GHz ).
Cơ chế tán xạ Raman bao phủ một cửa sổ băng thông siêu rộng và trở nên mạnh hơn khi khoảng cách lan truyền tăng lên. Nói một cách chính xác, nó được tối đa hóa ở một khoảng cách lan truyền cụ thể, tùy thuộc vào giá trị suy hao của sợi quang (> 20 km cho mỗi phân bổ bước sóng), dài hơn khoảng cách mà SKR có thể được thiết lập cho các cấu trúc liên kết dùng chung, sau đó nó giảm từ từ. Cũng cần nhắc lại rằng trong cấu trúc liên kết băng tần C, bên cạnh tán xạ Raman, các hiệu ứng dựa dựa trên Kerr (ví dụ, FWM) cần được xem xét, vì chúng có thể đóng góp một lượng đáng kể các photon gây nhiễu, điều này sẽ làm tăng hiệu năng QBER.
Để khảo sát sâu mức độ ô nhiễm? của các liên kết QKD bởi các photon tán xạ Raman trong các cấu trúc liên kết mạng thực tế, ta xét hai phân bổ bước sóng khác nhau cho các tín hiệu cổ điển. Trong trường hợp đầu tiên, kênh lượng tử tại bước sóng 1550 nm được ghép với các tín hiệu cổ điển tại bước sóng 1310 nm (đường xuống) và 1490 nm (đường lên). Hiệu năng hệ thống tốt hơn nhiều đạt được bằng cách di chuyển đường lên đến băng tần O (bước sóng 1310 nm cho cả đường xuống và đường lên, trong đó tổn hao được giả định 0,35 dB/km, trong đó tác động của SpRS trở nên yếu hơn trên kênh lượng tử hoạt động ở chế độ đơn photon tại bước sóng 1550 nm. Bằng cách tách phổ lượng tử và kênh cổ điển giữa băng O và băng C, sự nhiễm Raman được hạn chế đáng kể. Trong cấu hình đầu tiên, việc đánh giá công suất Raman được thực hiện với giả định ρdl = 8 × 10−10 (km • nm) −1 và ρul = 6,8 × 10−9 (km • nm) −1, trong khi đối với lần thứ hai ρdl = ρul = 8 × 10−10 (km • nm) −1. Các giá trị này đặc trưng cho sợi quang đơn mode và tương ứng với các bước sóng cụ thể đã được ấn định cho các tín hiệu cổ điển. Công suất phóng cho cả hai tín hiệu cổ điển được thiết lập 0 dBm, ngăn chặn kịch bản ghép kênh cổ điển/lượng tử ở băng tần C do sự hiện diện mạnh mẽ của các photon ô nhiễm Raman.
Phần mở rộng P2MP của sơ đồ cùng tồn tại được mô tả trong Hình 3.5. Việc khai thác các tài nguyên sợi quang hiện có để truyền cả luồng dữ liệu cổ điển và các
52
kênh lượng tử càng trở nên cần thiết hơn đối với các cấu trúc liên kết P2MP nơi nhiều nút đầu cuối di động được kết nối với nhau thông qua các sợi thả. Chiến lược chia sẻ này cho phép tiết kiệm chi phí đáng kể trong các mạng di động siêu dày đặc của mạng 5G, nơi chi phí triển khai cho các đoạn cáp quang mới là một thành phần đáng kể trong tổng chi phí cơ sở hạ tầng.
Hình 3.5. Cấu trúc liên kết đa người dùng được bảo mật lượng tử với một trạm Alice tập trung và nhiều trạm Bob đặt tại các nút đầu cuối 5G. Một mạng phân phối quang thụ động dựa trên bộ chia tầng 1: N thực hiện cấu trúc liên kết P2MP với các đoạn sợi đơn mode được chia sẻ cho lớp lượng tử và cổ điển.
Các photon nhiễu Raman hoạt động giống như các photon được mã hóa của Alice trong khi chúng được truyền từ fidơ đến đoạn sợi quang thả. Do đó, mặc dù bộ chia tầng gây áp lực đáng kể lên lớp lượng tử bằng cách giảm tốc độ khóa chọn lọc do mất photon, hành vi tương tự cũng thu được đối với tốc độ đếm nhiễu do các photon nhiễm Raman. Do đó, kỳ vọng rằng, khi số lượng người dùng tăng lên, khoảng cách truyền dẫn tối đa khả thi sẽ giảm xuống mức thấp hơn so với kịch bản P2MP sử dụng các liên kết cáp quang chuyên dụng cho các lớp lượng tử và cổ điển. Sự phân bổ bước sóng của các tín hiệu cổ điển được coi giống như mô tả đối với trường hợp P2P.