Е.С. Раздьяконов1

1 Финансовый университет при Правительстве РФ (Москва, Россия)

1 esrazdyakonov@gmail.com

Постановка проблемы. При проектировании сети квантового распределения ключей немаловажным этапом является оптимизация ее топологии с точки зрения затрат и производительности. Однако при большом количестве промежуточных узлов и соединений классические методы могут оказаться неэффективными. Таким образом, предлагается исследовать возможность решения данной проблемы с помощью метаэвристических алгоритмов муравьиных колоний.

Цель. Разработать несколько вариаций муравьиного алгоритма для поиска оптимальной топологии сети квантового распределения ключей, связывающей заданный набор конечных узлов.

Результаты. Реализовано два алгоритма, включающих классический муравьиный алгоритм и его вариацию – элитарную муравьиную систему. Проведен ряд экспериментов на случайно сгенерированном графе, продемонстрированы результаты работы методов для двух и более конечных узлов, а также проведено сравнение полученных результатов.

Практическая значимость. Применение метаэвристических алгоритмов для анализа и оптимизации сетей квантового распределения ключей способно значительно ускорить процесс их проектирования и анализа в случае большого количества узлов и соединений, незначительно уступая в точности классическим методам оптимизации.

Раздьяконов Е.С. Применение муравьиных алгоритмов для оптимизации топологии сетей квантового распределения ключей // Нейрокомпьютеры: разработка, применение. 2024. T. 26. № 6. С. 135–143. DOI: https://doi.org/10.18127/j19998554-202406-16

1. Bennett C.H., Brassard G. Quantum cryptography: Public key distribution and coin tossing // Theoretical computer science. 2014. V. 560. P. 7–11.
2. Румянцев К.Е., Пленкин А.П. Синхронизация системы квантового распределения ключа в режиме однофотонной регистрации импульсов для повышения защищенности // Радиотехника. 2015. № 2. С. 125–133.
3. Mehic M., Niemiec M., Rass S., Ma J., Peev M., Aguado A., Martin V., Schauer S., Poppe A., Pacher C., Voznak M. Quantum key distribution: a networking perspective // ACM Computing Surveys. 2020. V. 53. №. 5. P. 1–41. DOI 10.1145/3402192.
4. Salvail L., Peev M., Länger T., Diamanti E., Alléaume R., Lütkenhaus N. Security of trusted repeater quantum key distribution networks // Journal of Computer Security. 2010. V. 18. № 1. P. 61–87. DOI 10.3233/JCS-2010-0373.
5. Peev M., Pacher C., Boxleitner W., Happe A., Hasani Y., Humer G., Länger T., Lieger R., Lorünser T., Matyus T., Maurhart O., Poppe A., Querasser E., Suda M., Tamas C., Themel T., Alléaume R., Diamanti E., Barreiro C., Fasel S., Gautier J.D., Gisin N., Stucki D., Thew R.T., Thoma Y., Vannel F., Walenta N., Zbinden H., Bouda J., Debuisschert T., Fossier S., Lodewyck J., Grangier P., Tualle-Brouri R., Dianati M., Dynes J.F., Sharpe A.W., Shields A.J., Yuan Z.L., Fürst M., Nauerth S., Weier H., Weinfurter H., Gay O., Legré M., Monat L., Page J.B., Ribordy G., Robyr S., Trinkler P., Hentschel M., Zeilinger A., Hübel H., Treiber A., Lütkenhaus N., Marhold A., Salvail L., Wimberger I. The SECOQC quantum key distribution network in Vienna // New Journal of Physics. 2009. V. 11. P. 075001. DOI 10.1088/1367-2630/11/7/075001.
6. Aji A., Jain K., Krishnan P. A Survey of Quantum Key Distribution (QKD) Network Simulation Platforms // 2nd Global Conference for Advancement in Technology. Bangalore. 2021. DOI 10.1109/GCAT52182.2021.9587708.
7. Раздьяконов Е.С. Обзор методов оптимизации топологии сетей квантового распределения // Инженерный вестник Дона. 2024. № 7(115). С. 29–37.
8. Li Q., Wang Y., Mao H., Yao J., Han Q. Mathematical model and topology evaluation of quantum key distribution network // Optics Express. 2020. V. 28. №. 7. P. 9419–9434. DOI 10.1364/OE.387697.
9. Wang Y., Li Q., Mao H., Han Q., Xu H., Huang F. Topological optimization of hybrid quantum key distribution networks // Optics Express. 2020. V. 28. № 18. P. 26348–26358. DOI 10.1364/OE.401672.
10. Cirigliano L., Brosco V., Castellano C., Conti C., Pilozzi L. Optimal quantum key distribution networks: capacitance versus security // npj Quantum Information. 2024. V. 10. № 1. P. 44. DOI 10.1038/s41534-024-00828-7.
11. Garcia-Cobo I., Menéndez H.D. Designing large quantum key distribution networks via medoid-based // Future Generation Computer Systems. 2021. V. 115. P. 814–824. DOI 10.1016/j.future.2020.09.037.
12. Blum C., Roli A. Metaheuristics in combinatorial optimization: Overview and conceptual comparison // ACM computing surveys. 2003. V. 35. №. 3. P. 268–308.
13. Hao Y., Tang J., Gao W. Quantum key distribution strategy based on ant colony algorithm in Quantum Trusted Relay Network // IEEE 7th Advanced Information Technology, Electronic and Automation Control Conference. 2024. P. 635–639. DOI 10.1109/ IAEAC59436.2024.10503941.
14. Fernandez S.A., Juan A.A., de Armas Adrián J., Silva D.G., Terrén D.R. Metaheuristics in Telecommunication Systems: Network Design, Routing, and Allocation Problems // IEEE Systems Journal. 2018. V. 12. № 4. P. 3948–3957. DOI 10.1109/JSYST.2017. 2788053.
15. Pirandola S., Laurenza R., Ottaviani C., Banchi L. Fundamental limits of repeaterless quantum communications // Nature Communications. 2017. V. 8. P. 15043. DOI 10.1038/ncomms15043.
16. Solomons N.R., Fletcher A.I., Pirandola S., Aktas D., Venkatachalam N., Rarity J.G., Joshi S.K., Wengerowsky S., Neumann S.P., Ursin R., Lončarić M., Samec Å., Stipčević M., Liu B. Scalable Authentication and Optimal Flooding in a Quantum Network // PRX Quantum. 2022. V. 3. № 2. P. 020311. DOI 10.1103/PRXQuantum.3.020311.