SISTEMA DE INTEGRACION DE CANALES CON INFORMACION CUANTICA EN REDES DE COMUNICACIONES.

Sistema de integración de canales con información cuántica en redes de comunicaciones.

La red incluye segmentos de fibra óptica (3) y equipamiento convencional (1, 2, 4), mientras que un sistema de distribución cuántica de claves (QKD) dispone de dispositivos de intercambio de información mediante canal cuántico (7, 8). El sistema comprende al menos un filtro (6) para cada uno de los referidos dispositivos de intercambio (7, 8) y al menos un bloque de gestión de canales clásicos y cuánticos (5) que reduce el ruido en canales cuánticos y que presenta al menos funciones de: atenuación de la potencia de inserción de los canales clásicos en la red; polarizaciones distintas en los diversos canales clásicos y cuánticos; y cambios de asignaciones de longitudes de onda tanto en canales clásicos como cuánticos.

Sistema de integración de canales con información cuántica en redes de comunicaciones.

Objeto de la invención

La presente invención, tal y como se expresa en el enunciado de esta memoria descriptiva, se refiere a un sistema de integración de canales con información cuántica en redes de comunicaciones, cuya finalidad esencial es proporcionar unos medios técnicos que faciliten la integración de canales clásicos y cuánticos en redes ópticas de comunicaciones, con especial aplicabilidad a sistemas de distribución cuántica de claves que generan claves criptográficas entre dos extremos para comunicaciones secretas.

La invención pertenece al campo de las comunicaciones, y en concreto a la integración en redes ópticas pasivas (PON) de canales que transportan información cuántica. Dentro de las redes PON, se pueden diferenciar dos grupos: las redes metropolitanas (MAN) y las redes de acceso (FTTx) . A su vez, dentro de las redes PON de acceso se puede dar una división en dos subgrupos, consistentes en las redes de acceso por división en el tiempo (TDM-PON) y las redes de acceso por división en frecuencia (WDM-PON) . La invención es aplicable a todos los tipos de redes (PON) que se acaban de citar.

Es objeto de la invención el integrar un sistema de transporte de información mediante canales cuánticos, como por ejemplo un sistema de distribución cuántica de claves dentro de las redes metropolitanas y de acceso, de la manera más eficiente y menos intrusiva posible, logrando el menor número de cambios en las infraestructuras de red.

Antecedentes de la invención

Un sistema de comunicación de información mediante canales cuánticos es aquel que utiliza las propiedades físicas impuestas por la mecánica cuántica como medio para la codificación de información. De este modo, se puede transmitir todo tipo de información entre dos puntos. En concreto, en este documento se hace referencia explícita a los sistemas de distribución cuántica de claves (QKD) , los cuales utilizan la información codificada en partículas cuánticas para generar claves criptográficas entre dos extremos. Normalmente estas partículas se conocen como qubits (Quantum bits) .

Un sistema de distribución cuántica de claves consiste en dos equipos que intercambian una clave utilizando un protocolo basado en los principios de la física cuántica [1, 2, 3, 4], Nos referiremos a cada uno de esos equipos (los extremos de un sistema QKD) con los nombres anglosajones de Alice y Bob respectivamente; habiéndose referenciado como 7 y 8, también respectivamente, en las figuras de esta memoria. Para que este intercambio se pueda llevar a cabo los extremos de un sistema QKD (Alice y Bob) están conectados a través de dos canales de comunicación: uno cuántico

o privado, y otro público o convencional. El medio de transmisión comúnmente utilizado para el canal cuántico es la fibra óptica y el elemento físico utilizado para la codificación del qubit es el fotón [5].

Además del envío de información a través del canal cuántico, un sistema QKD requiere del intercambio de información de forma convencional para la reconciliación, la corrección y el destilado de una clave. La reconciliación de la clave intercambiada a través del canal cuántico es el proceso por el cual los extremos de un sistema QKD intercambian información acerca de las bases utilizadas en la codificación y decodificación de los qubits transmitidos por el canal cuántico. Tras la reconciliación de la clave, esta debe ser corregida a fin de evitar las posibles discrepancias en la misma debido a los errores producidos durante el intercambio a nivel cuántico. La corrección de la clave produce la primera clave idéntica en ambos extremos de la comunicación y requiere de un protocolo de corrección de errores que publica información de la clave a través de un canal convencional [6], La tasa de error producida en un sistema QKD se denomina QBER [5], Finalmente, el destilado de una clave secreta en ambos extremos de la comunicación exige el intercambio de información adicional a través del canal público (o convencional) en la fase de amplificación de la privacidad [7, 8].

La comunicación en los canales que unen los extremos de un sistema de intercambio de información cuántica, canales cuánticos y convencionales, puede realizarse a través del mismo medio utilizando técnicas de modulación por división en el tiempo (TDM) o división en frecuencias (WDM) . Las técnicas de modulación permiten también la utilización de otros canales de comunicación y, por lo tanto, la integración de éstos sistemas en sistemas de comunicación convencionales.

De las dos técnicas de modulación comentadas sólo en la modulación por división en frecuencias (WDM) la transmisión de señales se realiza en distintos canales y de forma simultánea, permitiendo el incremento del volumen de información transmitida en un mismo medio por unidad de tiempo. El incremento en la capacidad de transmisión del medio es especialmente interesante para, al menos, poder agilizar las comunicaciones requeridas por los protocolos utilizados en QKD, como son la reconciliación de bases, corrección de errores y amplificación de la privacidad, aunque existen alternativas para la destilación de claves, como son los códigos LDPC, que permiten reducir el tráfico de red entre los extremos de un sistema QKD. Los dos estándares para multiplexación en frecuencia en un canal de transmisión óptico, en función de su distancia entre canales, son: Coarse y Dense WDM (CWDM y DWDM respectivamente) .

Las redes ópticas comerciales construidas mediante tecnología pasiva, i.e. las redes ópticas pasivas (PON) , permiten el uso de canales de comunicación cuánticos, debido a que las señales transmitidas en una red PON no se ven interceptadas por la presencia de componentes intermedios: repetidores, amplificadores, etc. Estos canales pueden convivir simultáneamente con otros canales mediante tecnologías de modulación por división en frecuencias.

Basadas las tecnologías PON encontramos tanto a las redes metropolitanas (MAN) como las redes de acceso.

Las redes PON metropolitanas son, por lo general, construidas siguiendo una topología en forma de anillo en el que se localizan distintos nodos. Las señales que llegan a cada nodo pueden atravesar el mismo, o ser desviadas hacia una ruta de salida en función de la frecuencia de la señal entrante. Este encaminamiento de la información se realiza gracias a la multiplexación en frecuencias de distintos canales de comunicaciones, utilizando tecnologías CWDM o DWDM por ejemplo, lo que permite mantener el carácter pasivo de estas redes, y por lo tanto, se mantiene inalterada la información transmitida a través de un canal cuántico.

Estas redes soportan grandes flujos de datos entre sus distintos nodos, que a su vez pueden estar separados por grandes distancias, lo que suele implicar el uso (por defecto) de altas potencias de emisión a la hora de comenzar una comunicación bajo tecnología PON. Cada uno de los nodos de una red metropolitana suele estar conectado a una o mas redes de acceso.

La estructura de un nodo de red metropolitana se puede ver en la Fig. 7. En cada nodo existe un multiplexor que separa todos los canales que llegan a través de la fibra. Además, dispone de otro multiplexor en el que los canales de salida se unen mediante multiplexación en frecuencia para viajar por la fibra hasta el siguiente nodo. Mediante la configuración del nodo que decide la acción que debe realizar un conmutador, cada canal continúa hasta el siguiente salto o se redirige de manera que sale del anillo. Con los canales de entrada ocurre lo mismo, y mediante un conmutador se redirige a la fibra del anillo.

Las redes de acceso PON son redes de comunicaciones destinadas a la conexión de los usuarios finales con una red global de comunicaciones. Las redes de acceso son también conocidas como redes de última milla.

Su estructura consiste en un dispositivo que se sitúa en la central del proveedor encargado de gestionar las comunicaciones con los usuarios (conocido como OLT, de Optical Line Terminal, en nomenclatura ITU) . Este dispositivo está conectado a una única línea de fibra óptica compartida por todos los usuarios de la red. Esta línea se conecta en su otro extremo con un distribuidor, el cual separa los canales y los envía a cada usuario a través de una línea de fibra óptica dedicada y exclusiva para cada uno de ellos. En...

1. Sistema integración de canales con información cuántica en redes de comunicaciones, aplicable en redes ópticas pasivas (PON) que pueden dar soporte a canales clásicos de telecomunicación y a canales cuánticos, pudiendo incluirse en los canales cuánticos al menos un sistema de distribución cuántica de claves (QKD) que genera claves criptográficas entre dos extremos para comunicaciones secretas; donde la red PON incluye segmentos de fibra óptica

(3) y equipamiento convencional (1, 2, 4, 9 a 13) en tanto que el sistema QKD dispone de un primer dispositivo de intercambio de información mediante canal cuántico (7) y de un segundo dispositivo de intercambio de información mediante canal cuántico (8) , caracterizado porque comprende al menos un filtro (6, 14) para cada uno de los referidos dispositivos de intercambio de información mediante canal cuántico (7, 8) y al menos un bloque de gestión de canales clásicos y cuánticos (5) en el conjunto del referido sistema de integración; siendo este bloque de gestión (5) un dispositivo de reducción de ruido en canales cuánticos que presenta al menos funciones de:

atenuación de la potencia de inserción de los canales clásicos en la red PON;

polarizaciones distintas en los diversos canales clásicos y cuánticos; y

selección de los canales cuánticos para permitir su ubicación en los canales de menor longitud de onda posible para minimizar el ruido debido a la dispersión Ramán, evitándose así efectos de interferencia sobre los canales cuánticos.

2. Sistema de integración de canales con información cuántica en redes de comunicaciones, según la reivindicación 1, caracterizado porque dicho filtro (6, 14) es un filtro paso-banda para minimizar el ruido.

3. Sistema de integración de canales con información cuántica en redes de comunicaciones, según la reivindicación 1ó2, caracterizado porque dicho filtro consiste bien en un dispositivo (6) que además del filtro del canal cuántico incluye medios de unión de canales en los segmentos de fibra óptica (3) ó bien en un solo filtro (14) que se intercala en el canal cuántico.

4. Sistema de integración de canales con información cuántica en redes de comunicaciones, según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el bloque de gestión (5) presenta además de las referidas funciones la función de desconexión temporal de determinados canales clásicos que tengan prioridad baja.

5. Sistema de integración de canales con información cuántica en redes de comunicaciones, según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en aplicaciones donde la red PON es una red de acceso WDM-PON (con multiplexación en frecuencia) el bloque de gestión (5) emplea bandas de frecuencia distintas a las comerciales para la multiplexación de canales cuánticos con canales convencionales; utilizando rangos de frecuencia específicos con menos ruido para los canales cuánticos mediante aprovechamiento de la característica óptica del AWG (Arrayed Waveguide Grating) por la que en cada canal pasan la señal asignada a ese canal y sus periódicas.

6. Sistema de integración de canales con información cuántica en redes de comunicaciones, según la reivindicación 5, caracterizado porque en dicha multiplexación el bloque de gestión (5) introduce los canales cuánticos en un período distinto al de la banda de BLS (luz de banda ancha) y distinto al de la banda de bajada (banda desplazada respecto de la BLS que se emplea en señales de transmisión para un sentido de bajada en la comunicación) .

7. Sistema de integración de canales con información cuántica en redes de comunicaciones, según la reivindicación 6, caracterizado porque en todo el rango de frecuencias del referido período distinto se utiliza la emisión de la señal cuántica; bien empleando tantos canales cuánticos como clientes que a frecuencia fija cubran ese rango, o bien con uno o varios canales cuánticos sintonizables en frecuencia y cuya sintonización sea configurable.

8. Sistema de integración de canales con información cuántica en redes de comunicaciones, según la reivindicación 6ó7, caracterizado porque dicho período distinto es un período justo anterior al período de la referida banda de BLS.

9. Sistema de integración de canales con información cuántica en redes de comunicaciones, según una cualquiera de las reivindicaciones 5 a 8, caracterizado porque el aludido equipamiento convencional incluye al menos un dispositivo centralizador de comunicaciones (1) , varios dispositivos de usuario para gestión de comunicaciones (2) y un distribuidor de línea compartida mediante asignaciones de longitud de onda (9) .

10. Sistema de integración de canales con información cuántica en redes de comunicaciones, según una cualquiera de las reivindicaciones1a4, caracterizado porque en aplicaciones donde la red PON es una red de acceso TDM-PON (con multiplexación de tiempo) el bloque de gestión (5) presenta medios electrónicos de control con la función de que los dispositivos de intercambio de información cuántica (7, 8) hagan uso exclusivo de rodajas temporales para sus intercambios, actuando como un canal clásico multiplexado en tiempo.

11. Sistema de integración de canales con información cuántica en redes de comunicaciones, según la reivindicación 10, caracterizado porque se emplea como canal cuántico un canal de 1550 nm, u otro que se encuentre en una ventana de máxima transparencia de la fibra óptica o de mínima disrupción por ruido generado por canales clásicos.

12. Sistema de integración de canales con información cuántica en redes de comunicaciones, según la reivindicación 10 u 11, caracterizado porque el aludido equipamiento convencional incluye al menos un dispositivo centralizador de comunicaciones (1) , varios dispositivos de usuario para gestión de comunicaciones (2) y un divisor de línea compartida (Splitter) (4) .

13. Sistema de integración de canales con información cuántica en redes de comunicaciones, según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque en aplicaciones donde la red PON es una red metropolitana con varios nodos, el aludido equipamiento convencional incluye al menos conmutadores de encaminamiento (switchs) (10) , multiplexores WDM (11) , multiplexores de gestión de canales (12) y dispositivos emisores y receptores de canales clásicos (transponders) (13) .

14. Sistema de integración de canales con información cuántica en redes de comunicaciones, según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la atenuación de la potencia de inserción de los canales clásicos llevada a cabo por el bloque de gestión (5) se aplica en cada caso con el criterio de igualar la distancia entre los extremos del sistema cuántico con la distancia máxima a la que pueden conectarse los equipos del sistema, con esa atenuación de potencia, en la red PON.