克服动态互损，实现量子与经典光协同 | “北京邮电大学建校70周年” 纪念专辑亮点文章

北京邮电大学赵永利教授团队提出了量子与经典光协同组网资源分配策略。通过对经典光路、量子信道和密钥中继路径的协同调度，克服经典数据业务动态承载引起的串扰噪声和密钥率退化问题。该策略可显著提升端到端会话密钥供应能力，并有效降低量子密钥分发业务失效风险。相关成果以“量子与经典光协同组网资源分配策略”为题发表在《光学学报》“北京邮电大学建校70周年”纪念专辑，并被选为亮点文章。

链接: 刘宇航, 郁小松, 赵永利, 张杰. 量子与经典光协同组网资源分配策略（特邀）[J]. 光学学报, 2026, 46(7): 0700007.

1、研究背景

全球超过90%的数据通过光纤传输，面向强光信号的经典光通信网络，能够提供大容量、高速率的数据传输能力，是支撑视频、云服务、金融交易、工业互联等业务的基础设施。然而，传统光网络中的信息传输主要依赖计算复杂度构建安全机制，在量子计算快速发展的背景下，面临“先截获、后解密”等潜在安全威胁。量子密钥分发（QKD）利用量子态不可克隆、测量扰动等量子力学原理，在通信双方之间安全分发密钥；但由于量子信号通常工作在单光子或弱光水平，传输过程极易受到损耗和噪声影响，密钥生成速率和传输距离受到限制。

图1 量子与经典光协同网络架构及科学问题

在实际部署中，QKD通常采用专用暗光纤承载量子信号，以隔离经典光信号带来的噪声干扰。这种方式能够保障量子信道质量，但面向大规模组网时会带来较高的光纤资源占用和建设成本。因此，将QKD引入现有光通信基础设施，实现经典数据通信业务与量子密钥分发的融合承载，是构建量子信息网络基础设施的重要方向。目前，已有大量研究验证了经典信道与量子信道共纤传输的可行性，其中典型方案多采用跨波段配置，例如将量子信道部署在O波段、经典数据信道部署在C波段，以利用波段间隔降低经典强光对量子弱光的噪声影响。然而，现有运营级光通信系统主要围绕C波段构建，具备成熟的器件生态和网络运维基础。因此，团队聚焦于现网演进需求下的C波段共存场景，研究量子信道与经典数据信道在同一通信窗口内的动态承载问题。

在C波段共传条件下，量子信道与经典数据信道在频谱上更加接近，高功率经典光会通过自发拉曼散射、相邻信道串扰等机制引入噪声，使量子误码率升高、密钥生成速率下降，严重时甚至导致QKD链路失效。同时，光网络中业务随用户请求动态到达，经典光路会不断建立、释放和调整，其路由、链路及波长占用状态持续发生变化，这意味着量子信道所处的噪声环境也在不断变化。相比静态场景，动态业务承载会带来更加复杂的时变干扰，使QKD密钥生成能力呈现波动甚至中断。可见，量子与经典光融合网络面临的关键问题，不只是能否共纤传输，更是如何在经典业务动态开通的条件下，克服经典强光与量子弱光之间的动态互损，实现灵活的协同承载。

2、面向动态互扰的量子与经典光协同资源分配

针对上述量子与经典光互损难题，团队提出一种创新的资源分配策略。不同于传统静态信道规划方法，该策略面向动态业务到达场景，综合考虑经典光通信业务的光路开通、量子信道质量变化以及端到端密钥供应能力，通过链路及波长资源的协同调度，降低经典强光对量子弱光的动态干扰。如图2所示，量子与经典光融合节点由数据通信节点、QKD模块、密钥管理器和QKDN控制器等组成。经典光通信业务通过数据通信节点接入网络，量子密钥则由相邻节点间的QKD模块生成，并通过密钥管理器进行存储、管理和中继，最终为上层加密应用提供端到端会话密钥。在链路层面，量子信道、经典协商信道和经典数据信道通过复用/解复用器接入同一光纤，由于经典数据信号功率远高于量子信号，融合节点中需引入高隔离复用/解复用器和带滤波功能QKD模块，以抑制相邻信道串扰和背景噪声对量子信号的影响。

图2 基于量子与经典光融合节点结构的QKD链

如图3所示，协同资源分配主要包括路由、波长和功率三个层面的联合配置。首先，在路由分配阶段（图3（a）），网络需要同时考虑经典数据通信请求和量子密钥中继请求。经典业务需要选择可用的数据传输路径，QKD业务则需要选择能够支撑端到端密钥供应的中继路径。由于二者共享同一网络资源，经典光路的选择会影响所经链路上的量子信道质量，因此路由分配不能只关注最短路径或资源可用性，还需考虑对量子信道的干扰影响。其次，在波长分配阶段（图3（b）），经典信道、保护带和量子信道需要在有限频谱资源中合理安排。对于C波段融合承载而言，量子信道与经典数据信道频谱间隔更近，波长分配需要在满足经典业务承载的同时，为量子信道选择受干扰较小的频谱位置。最后，在功率配置阶段（图3（c）），可根据路由和波长分配结果，对经典光信号功率进行自适应调节。通过控制节点发射功率和放大配置，在保障经典数据业务传输需求的同时，降低强光泄漏和非线性噪声对量子弱光的影响。

图3 面向量子与经典光融合网络的（a）路由、（b）波长与（c）功率协同配置示意图

为验证所提策略的有效性，团队在典型城域网络拓扑下，对不同资源分配方案的平均会话密钥供应速率（KSR）进行了对比分析。如图4（a）所示，相较于传统的固定波长规划方案（Q-IRWA），自适应RWA方案（Q-ARWA和C-ARWA）均能显著提升平均KSR。其中，Q-ARWA通过动态选择受干扰较小的量子信道，并优化密钥中继路径，使量子密钥供应能力随业务负载增加而持续提升；C-ARWA则通过调整经典业务的路由与波长分配，降低经典强光对量子弱光的干扰，使KSR保持在较稳定水平。结果表明，在动态业务承载场景下，单独从量子侧或经典侧进行自适应资源优化，均有助于缓解强弱光互扰问题。

图4 38节点拓扑下 (a)Q-IRWA、Q-ARWA、C-ARWA方案平均KSR对比; 
(b)SRWA策略平均KSR对比。

进一步地，图4（b）展示了协同RWA（SRWA）策略的性能表现。通过将经典业务调度与量子密钥供应联合考虑，SRWA在不同业务负载下均表现出更高的平均KSR。其中，基于端到端自适应的SRWA策略性能最优，在300 Erlang业务负载下平均KSR达到7.15 kbit/s，明显高于其他组合方案。这说明，仅优化经典光路或量子信道仍存在性能上限，而通过双边协同调度，可同时释放融合网络通信业务与安全密钥供应业务的承载容量。上述结果验证了协同资源分配策略在动态业务场景下的有效性，实现C波段QKD与经典数据通信业务的灵活承载。

3、未来展望

量子与经典光网络融合是量子通信走向规模化部署的重要方向。随着QKD从点对点链路逐步走向多点互联的动态运营场景，网络需要解决的不再只是物理层共纤传输问题，还包括路由、波长、功率、密钥中继和业务供应等多层资源的协同优化问题。本文提出的协同资源分配策略，为C波段QKD与经典数据通信业务的灵活动态承载提供了新的思路。未来，面向运营级量子安全光网络，还可进一步结合软件定义网络和实时链路监测技术，构建具备状态感知、自适应决策和动态优化能力的融合网络控制体系。

面向国家安全重大战略需求，北京邮电大学赵永利教授团队依托信息光子学与光通信全国重点实验室，长期从事多点互联量子密钥分发组网关键技术研究，系统解决了量子密钥分发网络中密钥分发不确定、密钥调度NP难、密钥供给非线性等核心理论难题，获2025年中国通信学会自然科学奖一等奖，为我国在关键基础设施安全方面理论积累提供了重要支撑，具有良好的拓展潜力和应用前景。同时，团队积极推动相关产业发展，牵头制定ITU-T国际标准19项，获评ITU-T中方优秀文稿，相关工作被遴选为“十四五”期间ITU-T亮点成果，显著增强了我国在量子通信网络标准体系中的主导地位与国际影响力。