Применение алгоритмов элитарной муравьиной системы и Max-Min муравьиной системы для оптимизации маршрутов в сетях квантового распределения ключей

Данное исследование посвящено оптимизации маршрутов в сетях квантового распределения ключей (КРК), особенностями которых является ряд физических ограничений и сильная зависимость от топологии. В работе рассматривается применение двух вариаций алгоритма муравьиных колоний, алгоритмов элитарной муравьиной системы (EAS) и Max-Min муравьиной системы (MMAS), для построения оптимальных маршрутов в сетях КРК. Была представлена метрика коммуникационной эффективности маршрута сети КРК, позволяющая оценивать качество маршрута в соответствии с заданными требованиями к пропускной способности и безопасности. Особенностью данной метрики является ее неаддитивная составляющая пропускной способности, зависящая от минимальной эффективности соединения в маршруте. Была проведена серия экспериментов на случайно сгенерированном планарном графе для длинных и коротких маршрутов с алгоритмами EAS и MMAS, в результате которой MMAS оказался значительно более эффективным для длинных маршрутов, но в случае коротких маршрутов EAS находил маршрут быстрее без значительной потери в качестве решения. Результаты, полученные в данном исследовании, могут быть применены в решении задач динамической маршрутизации, а также оптимизации топологии сетей квантового распределения ключей.

1. Bennett C.H., Brassard G. Quantum cryptography: Public key distribution and coin tossing. Theoretical Computer Science. 2014;560:7–11. https://doi.org/10.1016/j.tcs.2014.05.025

2. Peev M., Pacher C., Alléaume R., Barreiro C., Bouda J., Boxleitner W., et al. The SECOQC quantum key distribution network in Vienna. New Journal of Physics. 2009;11. https://doi.org/10.1088/1367-2630/11/7/075001

3. Mehic M., Niemiec M., Rass S., Ma J., Peev M., Aguado A., Martin A., et al. Quantum Key Distribution: A Networking Perspective. ACM Computing Surveys (CSUR). 2020;53(5). https://doi.org/10.1145/3402192

4. Salvail L., Peev M., Diamanti E., Alléaume R., Lütkenhaus N., Länger T. Security of trusted repeater quantum key distribution networks. Journal of Computer Security. 2010;18(1):61–87. https://doi.org/10.3233/JCS-2010-0373

5. Раздьяконов Е.С. Обзор методов оптимизации топологии сетей квантового распределения ключей. Инженерный вестник Дона. 2024;(7):29–37.

6. Li Q., Wang Y., Mao H., Yao J., Han Q. Mathematical model and topology evaluation of quantum key distribution network. Optics Express. 2020;28(7):9419–9434. https://doi.org/10.1364/OE.387697

7. Wang Y., Li Q., Mao H., Han Q., Huang F., Xu H. Topological optimization of hybrid quantum key distribution networks. Optics Express. 2020;28(18):26348–26358. https://doi.org/10.1364/OE.401672

8. Cirigliano L., Brosco V., Castellano C., Conti C., Pilozzi L. Optimal quantum key distribution networks: capacitance versus security. npj Quantum Information. 2024;10. https://doi.org/10.1038/s41534-024-00828-7

9. García-Cobo I., Menéndez H.D. Designing large quantum key distribution networks via medoid-based algorithms. Future Generation Computer Systems. 2021;115:814–824. https://doi.org/10.1016/j.future.2020.09.037

10. Hao Y., Tang J., Gao W. Quantum key distribution strategy based on ant colony algorithm in Quantum Trusted Relay Network. In: 2024 IEEE 7th Advanced Information Technology, Electronic and Automation Control Conference (IAEAC), 15–17 March 2024, Chongqing, China. IEEE; 2024. pp. 635–639. https://doi.org/10.1109/IAEAC59436.2024.10503941

11. Fernandez S.A., Juan A.A., De Armas Adrián J., E Silva D.G., Terrén D.R. Metaheuristics in Telecommunication Systems: Network Design, Routing, and Allocation Problems. IEEE Systems Journal. 2018;12(4):3948–3957. https://doi.org/10.1109/JSYST.2017.2788053

12. Pirandola S., Laurenza R., Ottaviani C., Banchi L. Fundamental limits of repeaterless quantum communications. Nature Communications. 2017;8. https://doi.org/10.1038/ncomms15043

13. Solomons N.R., Fletcher A.I., Aktas D., Venkatachalam N., Wengerowsky S., Lončarić M., Neumann S.P., Liu B., Samec Ž., et al. Scalable Authentication and Optimal Flooding in a Quantum Network. PRX Quantum. 2022;3(2). https://doi.org/10.1103/PRXQuantum.3.020311