УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ОПТИЧЕСКОГО СИГНАЛА ОТ СПУТНИКА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2022 года по МПК H04B10/118 H04B10/70 H04L9/08 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Заявленное техническое решение в общем относится к области вычислительной техники, а в частности к квантовой криптографии и средствам для регистрации оптического сигнала от спутника.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] Из уровня техники известно решение "Satellite-to-ground quantum key distribution", Liao, SK., Cai, WQ., Liu, WY. et al. (2017) https://doi.org/10.1038/nature23655. Данное решение раскрывает систему распределения квантового ключа с помощью спутников. В данной системе используется один телескоп, размещенный на монтировке с противовесом, а также на телескопе размещен приемный узел.

[0003] Станция обсерватории в Синлуне состоит из телескопа Ричи-Кретьена (апертура 1 м, фокусное расстояние 10 м), установленного на двухосном подвесе, красного маякового лазера (671 нм, 2,7 Вт, 0,9 мрад), камеры грубой очистки (поле зрения (FOV) 0,33° × 0,33°, 512 × 512 пикселей, частота кадров 56 Гц; и блок оптического приемника, расположенного на телескопе.

[0004] Камера грубой очистки используется для обнаружения луча лазера с длиной волны 532 нм, исходящего от спутника. Управляемый радиомаяком с длиной волны 532 нм и радиомаяк с длиной волны 671 нм, установленные на наземном телескопе, могут точно указывать на спутник.

[0005] Также из уровня техники известно решение JP 5492255 B2 "Quantum communication system" (TOSHIBA CORP., опубликовано: 14.05.2014). Данное решение раскрывает систему квантового распределения ключей (QKD) с использованием стандартного протокола ВВ84. Система содержит квантовый приемник, который применяется при поляризационном кодировании сигнала.

[0006] В оптическую схему приемника входит подсистема детекторов, состоящая из двух детекторов одиночных фотонов, подключенных к двум выходам интерферометра и электронной схеме управления.

[0007] При этом интерферометр включает в себя входной светоделитель (BS) с делением 50% на 50%. Для обнаружения одиночных фотонов, в данной системе, используют самодифференциальные лавинные фотодиоды или лавинные фотодиоды с синусоидальным затвором. В схеме приемника может использоваться поляризатор, который устанавливают перед фазовым модулятором.

[0008] Недостатком известных решений в данной области техники является использование одного телескопа с одним приемным узлом, что снижает скорость генерации квантового ключа по сравнению с системой с двумя телескопами и повышает уровень квантовых ошибок в ключе.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0009] В заявленном техническом решении предлагается новое устройство для регистрации оптического сигнала от спутника с использованием двух телескопов, позволяющее решить техническую проблему в части скорости генерации квантового ключа.

[0010] Техническим результатом, достигающимся при решении данной проблемы, является повышение скорости генерации квантового ключа и уменьшению уровня квантовых ошибок в ключе за счет использования двух телескопов при регистрации оптического сигнала от спутника.

[0011] Указанный технический результат достигается благодаря осуществлению устройства для регистрации оптического сигнала от спутника, содержащего:

• монтировку, на которой размещено два телескопа;

• при этом на каждом телескопе размещен приемный узел, содержащий:

волновой поляризационный контроллер, размещенный перед светоделительным элементом;

светоделительный элемент, размещенный перед двумя сопряженными базисами;

полуволновая пластина, размещенная перед одним из базисов; при этом каждый базис содержит:

▪ по меньшей мере два детектора одиночных фотонов; и

▪ поляризационную призму, установленную перед детекторами одиночных фотонов.

[0012] В одном из частных вариантов реализации устройства с вето делительные элементы выполнены с равным делением по пропусканию и отклонению 50% на 50%.

[0013] В другом частном варианте реализации устройства светоделительный элемент выбирается из группы: пластинка, зеркало, или кубик.

[0014] В другом частном варианте реализации устройства монтировка является альт-азимутальной.

[0015] Также указанный технический результат достигается благодаря осуществлению устройства для регистрации оптического сигнала от спутника, содержащего:

• монтировку, на которой размещено два телескопа;

• при этом на каждом телескопе размещен приемный узел, содержащий:

волновой поляризационный контроллер, размещенный перед поляризационной призмой;

поляризационную призму, размещенную перед детекторами одиночных фотонов;

• при этом на первом телескопе приемный узел выполнен с возможностью приема последовательности фотонов с поляризацией 0 и 90 градусов; а

• на втором телескопе приемный узел выполнен с возможностью принятия последовательности фотонов с поляризацией -45 и +45 градусов.

[0016] В другом частном варианте реализации устройства монтировка является альт-азимутальной.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0017] Признаки и преимущества настоящего изобретения станут очевидными из приводимого ниже подробного описания изобретения и прилагаемых чертежей.

[0018] Фиг. 1 иллюстрирует пример уровня техники.

[0019] Фиг. 2 иллюстрирует пример уровня техники.

[0020] Фиг. 3 иллюстрирует пример устройства для регистрации оптического сигнала от спутника.

[0021] Фиг. 4 иллюстрирует пример устройства для регистрации оптического сигнала от спутника.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0022] Оптическая связь, квантовая в том числе, между спутником и наземной приемопередающей станцией устанавливается следующим образом. Спутник (10) направляет излучение лазера-маяка (11) на наземный телескоп (20) (Фиг. 1). Телескоп (20) направляет излучение своего лазера-маяка (21) на спутник (10). Как только они взаимно зарегистрировали излучение маяка от партнера начинается передача информационного оптического сигнала, однофотонного для квантовой криптографии, в частности.

[0023] При передаче однофотонного сигнала в квантовой криптографии, количество принятых одиночных фотонов прямо пропорционально площади приемного телескопа.

[0024] Рассмотрим основные принципы генерации квантового ключа на основе протокола ВВ84 [1-4]. Передающая сторона (традиционно называемая в литературе Алисой) подготавливает однофотонные состояния с линейной поляризацией в двух не ортогональных друг другу базисах (Фиг. 2).

[0025] Один - вертикально-горизонтальный «Базис 1» - с поляризацией фотонов 0 и 90 градусов. Второй диагональный «Базис 2» - с поляризацией 45 и -15 градусов.

[0026] Алиса и приемная сторона (традиционно называемая Бобом) заранее присваивают код значения каждой поляризации в двоичном представлении, например, фотоны с поляризацией 0 и 45 градусов обозначают цифру 0, а фотоны с поляризацией 90 и 45 градусов означают цифру 1.

[0027] Во время передачи Алиса посылает последовательность фотонов, поляризация которых выбрана случайным образом, и может составлять 0, 45, 90 и 45 градусов. Боб регистрирует пришедшие фотоны, и для каждого из них случайным образом выбирает базис измерения «Базис 1» или «Базис 2».

[0028] По открытому дополнительному каналу связи Боб сообщает Алисе в каком базисе были проведены измерения, но не сообщает результат этого измерения. Поскольку фотон может иметь значение и «0» и «1», то сообщение о факте регистрации фотона по открытому каналу не дает никакой информации, в случае наличия постороннего подслушивающего блока, называемого Евой (от англ. Eavesdropper).

[0029] Алиса в ответ сообщает Бобу, правильный ли базис измерения был выбран для каждого фотона. Сохраняя в серии только измерения, проведенные в правильном базисе, Алиса и Боб создают уникальную случайную последовательность нулей и единиц, из которой затем и формируют секретный ключ.

[0030] На Фиг. 3 изображено устройство для регистрации оптического сигнала от спутника (100).

[0031] Данное устройство (100) содержит: монтировку (101), на которой размещено два телескопа (102), (103). При этом на каждом телескопе (102), (103) размещен приемный узел (200).

[0032] Каждый приемный узел (200) содержит: волновой поляризационный контроллер (201), замещенный перед светоделительный элементом (202), светоделительный элемент (202), размещенный перед двумя сопряженными базисами (300), (301) полуволновую пластину (203), размещенную перед базисом (300).

[0033] При этом каждый базис (300), (301), содержит: по меньше мере два детектора одиночных фотонов (310), (320), и поляризационную призму (330), установленную перед детекторами одиночных фотонов (310), (320).

[0034] Светоделительный элемент (202) может быть выполнен с равным делением по пропусканию и отклонению 50% на 50% и может выбираться из группы: пластинка, зеркало, или кубик.

[0035] Волновой поляризационный контроллер (201), предназначен для преобразования входного излучения с неизвестной поляризацией в линейную с ориентацией, требуемой для правильной работы приемника четырех квантовых состояний Волновой поляризационный контроллер (201) состоит из комбинаций полуволновых и четверть волновых пластинок.

[0036] Полуволновая пластина (203) применяется для согласования (подстройки) поляризации одного базиса относительно другого в приемном узле (200).

[0037] Монтировка (101) может быть альт-азимутальной (имеющая вертикальную и горизонтальную оси вращения, позволяющие поворачивать телескоп по высоте («альт» от англ. altitude) и азимуту и направлять его в нужную точку небесной сферы.).

[0038] Данное устройство (100) обеспечивает повышение скорости генерации квантового ключа и уменьшение уровня квантовых ошибок в ключе за счет использования двух телескопов при регистрации оптического сигнала от спутника.

[0039] Также данный технический результат обеспечивает устройство для регистрации оптического сигнала от спутника (1000) (Фиг. 4).

[0040] Данное устройство (1000) содержит: монтировку (1001), на которой размещено два телескопа (1002), (1003). При этом на каждом телескопе (1002), (1003) размещен приемный узел (2000).

[0041] Каждый приемный узел (2000), содержит: волновой поляризационный контроллер (2001), размещенный перед поляризационной призмой (2002), поляризационную призму (2002), размещенную перед детекторами одиночных фотонов (2003), по меньшей мере два детектора одиночных фотонов (2003).

[0042] При этом на первом телескопе (1002) приемный узел (2000) выполнен с возможностью приема последовательности фотонов с поляризацией 0 и 90 градусов, а на втором телескопе (1003) приемный узел (2000) выполнен с возможностью принятия последовательности фотонов с поляризацией -45 и +45 градусов.

[0043] Монтировка (1001) может быть альт-азимутальной.

[0044] В данном устройстве (1000) каждый телескоп (1002), (1003) выполняет функцию одного из базисов (300), (301), как в устройстве 100.

[0045] Во время передачи Алиса посылает последовательность фотонов, поляризация которых выбрана случайным образом, и может составлять 0, 45, 90 и -45 градусов. Боб регистрирует пришедшие фотоны на каждом из двух телескопов (1002), (1003).

[0046] По открытому дополнительному каналу связи Боб сообщает Алисе на каком телескопе был зарегистрирован фотон. Каждый телескоп соответствует своему базису.

[0047] Если Алиса кодировала информацию в приемном узле (2000) и фотон был зарегистрирован телескопом (1002), то этот сигнал сохраняется в памяти и участвует в формировании квантового ключа.

[0048] Если фотон был зарегистрирован телескопом (1003), то этот сигнал отбрасывается и не участвует в формировании квантового ключа.

[0049] Преимуществом схемы с двумя телескопами на монтировке является отсутствие дополнительной массы, необходимой для противовеса похожей системы, но с одним телескопом. Это позволяет при равной для обоих схем эффективной площади приема излучения, снизить массу, находящуюся на монтировке.

[0050] Также, при одинаковой площади приема излучения для системы из двух телескопов диаметры первичных зеркал будут в √2 (корень из 2) раз меньше, по сравнению со схемой с одним телескопом. Это, в свою очередь, приводит к уменьшению теоретически возможного фокуса для телескопов, что снижает требования к точности наведения на искусственные спутники земли при их сопровождении телескопом и регистрации светового сигнала.

[0051] Распределяя массу телескопа на плечи монтировки, с помощью двух телескопов с эквивалентной площадью приема, а также укорачивая телескоп, за счет их более коротких фокусных расстояний, получается меньший момент инерции системы для обеих осей вращения. Меньший момент инерции позволяет повысить максимально допустимую скорость вращения монтировки по азимуту и углу места.

[0052] Чем больше диаметр телескопа, тем сложнее его изготавливать. Предъявляются более высокие требования к качеству обработки поверхности зеркал или линз. Данное решение предлагает при одинаковой площади приемного узла использовать телескопы с меньшим диаметром, по сравнению с решениями, применяющими один телескоп.

[0053] Представленные материалы заявки раскрывают предпочтительные примеры реализации технического решения и не должны трактоваться как ограничивающие иные, частные примеры его воплощения, не выходящие за пределы испрашиваемой правовой охраны, которые являются очевидными для специалистов соответствующей области техники.

Устройство для регистрации оптического сигнала от спутника может быть использовано в квантовой криптографии и средствах для регистрации оптического сигнала от спутника. Устройство содержит монтировку, на которой размещено два телескопа, на каждом из которых размещен приемный узел, содержащий волновой поляризационный контроллер, размещенный перед светоделительным элементом; светоделительный элемент, размещенный перед двумя сопряженными базисами, и полуволновую пластину, размещенную перед одним из базисов. Каждый базис содержит по меньшей мере два детектора одиночных фотонов и установленную перед ними поляризационную призму. Технический результат - повышение скорости генерации квантового ключа и уменьшение уровня квантовых ошибок в ключе за счет использования двух телескопов при регистрации оптического сигнала от спутника. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для регистрации оптического сигнала от спутника, содержащее:

монтировку, на которой размещено два телескопа;

при этом на каждом телескопе размещен приемный узел, содержащий:

волновой поляризационный контроллер, размещенный перед светоделительным элементом;

светоделительный элемент, размещенный перед двумя сопряженными базисами;

полуволновая пластина, размещенная перед одним из базисов;

при этом каждый базис содержит:

по меньшей мере два детектора одиночных фотонов; и

поляризационную призму, установленную перед детекторами одиночных фотонов.

2. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что светоделительные элементы выполнены с равным делением по пропусканию и отклонению 50% на 50%.

3. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что светоделительный элемент выбирается из группы: пластинка, зеркало или кубик.

4. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что монтировка является альт-азимутальной.

5. Устройство для регистрации оптического сигнала от спутника, содержащее:

монтировку, на которой размещено два телескопа;

при этом на каждом телескопе размещен приемный узел, содержащий:

волновой поляризационный контроллер, размещенный перед поляризационной призмой;

поляризационную призму, размещенную перед детекторами одиночных фотонов;

по меньшей мере два детектора одиночных фотонов;

при этом на первом телескопе приемный узел выполнен с возможностью приема последовательности фотонов с поляризацией 0 и 90 градусов; а

на втором телескопе приемный узел выполнен с возможностью принятия последовательности фотонов с поляризацией -45 и +45 градусов.

6. Устройство по п.5, характеризующееся тем, что монтировка является альт-азимутальной.