ДВУХПРОХОДНАЯ СИСТЕМА ФАЗОВОЙ МОДУЛЯЦИИ ДЛЯ КВАНТОВОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КЛЮЧЕЙ Российский патент 2022 года по МПК H04L9/08 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Настоящее техническое решение относится к области квантовой криптографии, а более конкретно к двухпроходной системе квантового распределения ключей с фазовым кодированием.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] Квантовое распределение ключей (QKD) - это технология для совместной генерации случайных секретных ключей между двумя удаленными сторонами, обычно называемыми Алисой (передатчик) и Бобом (приемник), для обеспечения последующей безопасной связи. Безопасность QKD основана на фундаментальных законах квантовой физики, что обеспечивает теоретическую абсолютную безопасность и позволяет двум сторонам создавать общий случайный секретный ключ, известный только им, который затем может использоваться для шифрования и дешифрования сообщений. Благодаря бурному развитию области технологий обработки сигналов и миниатюризации фотоэлектрических устройств, технология QKD значительно продвинулась вперед, что привело к появлению рабочих безопасных систем на рынке.

[0003] В таких системах вместо одиночных фотонов использовались ослабленные лазерные импульсы. Однако, наличие многофотонных состояний в лазерном импульсе и потерь в квантовом канале (QC) позволяло подслушивающему (Ева, от англ. Eavesdropper) устройству осуществлять атаку PNS (photon-number-splitting attack) [1]. Такая стратегия атаки является настолько эффективной, что существенно ограничивает дальность передачи ключей по оптическому каналу с использованием ослабленного импульса.

[0004] Для противодействия такой атаке были разработаны различные решения. Так, наиболее популярным и эффективным решением является метод состояния приманки, подробнее раскрытый в [2-5], который значительно увеличивает расстояние QKD. Кроме того, существует также еще одно решение, которое было предложено в оригинальном протоколе В92 [6], заключающееся в отправке сильного опорного импульса, который всегда должен быть обнаружен на стороне Боба. Данное решение уступает методу состояния приманки в дальности QKD, однако является более простым с точки зрения обработки данных, связанных с ключами, и технической реализации. Как правило информационный бит в такой схеме кодируется в относительной фазе между сигнальным импульсом (SP) и сильным опорным импульсом (SRP). Использование SRP делает невозможным для Евы выполнение атаки PNS, что позволяет рассматривать решения, основанные на SRP, защищенными от такой атаки.

[0005] Так, из уровня техники известно решение, реализующее возможность QKD с помощью SRP. Указанное решение [7], описывает систему для применения В92 SRP в лабораторных условиях, в которой модифицирована оптическая схема Боба путем введения второго локального генератора, заблокированного в режиме SRP. Однако, такая система с увеличением расстояния обмена ключами теряет способность противостоять атаки PNS и обладает высокой сложностью в практической реализации.

[0006] Общим недостатком существующих решений является отсутствие эффективных систем QKD с SPR, обеспечивающих возможность безопасного обмена ключевой информацией на большие расстояния и обладающих относительной простотой реализации по сравнению с предшествующим уровнем техники. Кроме того, такого рода системы должны обеспечивать высокую скорость формирования секретного ключа.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0007] Данное техническое решение направлено на устранение недостатков, присущих существующим решениям, известным из уровня техники.

[0008] Заявленное решение позволяет решить техническую проблему в части создания новой системы квантового распределения ключей с сильным опорным импульсом.

[0009] Техническим результатом, достигающимся при решении данной проблемы, является обеспечение возможности квантового распределения ключей с сильным опорным импульсом.

[0010] Дополнительным техническим результатом, проявляющимся при решении вышеуказанной проблемы, является повышение безопасности квантового распределения ключей.

[0011] Еще одним дополнительным техническим результатом, проявляющимся при решении вышеуказанной проблемы, является повышение скорости генерации ключа системы квантового распределения ключей с сильным опорным импульсом.

[0012] Указанные технические результаты достигаются благодаря осуществлению двухпроходной системы фазовой модуляции для квантового распределения ключей (КРК) с сильным опорным импульсом, содержащей принимающее и передающее устройство, соединенные квантовым каналом, причем:

• передающее устройство содержит, первый циркулятор, выполненный с возможностью приема последовательности импульсов (трейн), состоящих из пар сигнального и опорного импульсов, посылаемых принимающим устройством, и направления их в линию хранения, второй циркулятор, выполненный с возможностью направления отраженных от зеркала Фарадея импульсов на первый циркулятор, переменный оптический аттенюатор, фазовый модулятор, выполненный с возможностью фазового сдвига импульсов, светоделитель, синхронный детектор, выполненный с возможностью контроля интенсивности как сигнального, так и опорного импульсов, по меньшей мере два изолятора, выполненные с возможностью блокировки фоновых отражений, возникающий при прохождении трейна через циркулятор, линию хранения, зеркало Фарадея, контроллер поляризации, выполненный с возможностью восстановления поляризационных преобразований трейнов импульсов после линии хранения;

• принимающее устройство, содержит лазер, выполненный с возможностью генерирования трейнов, циркулятор, выполненный с возможностью направления сгенерированного трейна в первый светоделитель, первый светоделитель, выполненный с возможностью разделения импульсов трейна и направления их в плечи интерферометра, по меньшей мере два детектора одиночных фотонов, второй светоделитель, выполненный с возможностью направления принимаемых импульсов, отраженных от зеркала Фарадея, в фотодетектор, переменный оптический аттенюатор, расположенный в длинном плече интерферометра для регулировки соотношения сигнального и опорного импульса, фазовый модулятор, фотодетектор, выполненный с возможностью контроля принимаемых импульсов, отраженных от зеркала Фарадея, оптический терминатор, выполненный с возможностью поглощения оптического излучения, интерферометр Маха-Ценднера с линией задержки, поляризационный светоделитель.

[0013] В одном из частных вариантов реализации системы лазер испускает свет на телекоммуникационной длине волны 1550 нм.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0014] Признаки и преимущества настоящего изобретения станут очевидными из приводимого ниже подробного описания изобретения и прилагаемых чертежей.

[0015] Фиг. 1 иллюстрирует блок-схему двухпроходной системы фазовой модуляции для квантового распределения ключей с сильным опорным импульсом.

[0016] Фиг. 2 иллюстрирует рефлектограмму временного окна детектирования импульсов.

[0017] Фиг. 3 иллюстрирует диаграмму измерения принимаемых ДОФ импульсов различной интенсивности.

[0018] Фиг. 4 иллюстрирует диаграмму ослепления детектора одиночных фотонов.

[0019] Фиг. 5 иллюстрирует диаграмму результата генерации ключей.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0020] Ниже будут описаны понятия и термины, необходимые для понимания данного технического решения.

[0021] Квантовое распределение ключей (QKD, Quantum Key Distribution) это технология для совместной генерации случайных секретных ключей между двумя удаленными сторонами для обеспечения последующей безопасной связи.

[0022] Квантовый канал (QC, Quantum Channel) это канал связи, который может передавать квантовую информацию, а также классическую информацию.

[0023] Заявленное техническое решение предлагает новую систему квантового распределения ключей с сильным опорным импульсом, обеспечивающую возможность безопасного обмена ключами между двумя удаленными сторонами. Кроме того, заявленная система противодействует атаке PNS, за счет кодирования информации между сигнальным и сильным опорным импульсом. Реализация двухпроходной схемы обеспечивает возможность безопасного совместного обмена последовательностью импульсов (трейн), состоящей из сильных опорных и сигнальных импульсов, которые путешествуют вместе, что позволяет компенсировать поляризационные искажения, и, соответственно предотвращает атаку PNS. Расстояние между парой импульсов соответствует разности плечей интерферометра, что обеспечивает сохранение разности фаз между импульсами. Для достижения возможности передачи сильного опорного и сигнального импульсов, которые отличаются в десятки дБ, в заявленной системе введен ряд модификаций, которые более подробно описаны ниже. Кроме того, заявленное техническое решение, повышает скорость генерации ключа в системе квантового распределения ключей с сильным опорным импульсом за счет добавления в схему передающего устройства обратной петли, которая позволяет работать с сильными опорными импульсами уже не в одноипмульсном режиме, а трейнами.

[0024] На Фиг. 1 представлена блок схема двухпроходной системы фазовой модуляции для квантового распределения ключей с сильным опорным импульсом 100. Система 100 содержит принимающее устройство 200 (Боб) и передающее устройство 300 (Алиса), соединенные квантовым каналом 400.

[0025] Устройство Боба 200, в свою очередь, в одном частном варианте осуществления, содержит лазер 201, циркулятор 202, два детектора одиночных фотонов 203 204, первый светоделитель 205, второй светоделитель 206, переменный оптический аттенюатор 207, фазовый модулятор 208, фотодетектор 209, оптический терминатор 210, линия задержки 211, поляризационный светоделитель 212.

[0026] Устройство Алисы 300, в свою очередь, в одном частном варианте осуществления, содержит первый циркулятор 301, второй циркулятор 302, первый изолятор 303, второй изолятор 304, переменный оптический аттенюатор 305, контроллер поляризации 306, светоделитель 307, синхронный детектор (синхродетектор) 308, линия хранения 309, фазовый модулятор 310, зеркало Фарадея 311.

[0027] Элементы заявленных устройств 200 и 300 фиксируются между собой и несущими элементами конструкции с помощью широкого спектра сборочных операций, например, свинчивания, сочленения, спайки, склепки и др., в зависимости от наиболее подходящего способа крепления элементов.

[0028] Устройство Алисы 300 и Боба 200 соединены между собой посредством квантового канала передачи данных 400, который может быть сформирован, например, посредством оптоволокна.

[0029] Приготовление квантовых состояний осуществляется на стороне устройства Алисы 300, однако лазер 201, который генерирует импульсы, например, последовательность n линейно поляризованных многофотонных оптических импульсов - трейны, находится на стороне устройства Боба 200. Длина волны оптических импульсов для телекоммуникационных сетей составляет λ=1550 нм, приготовленные Бобом импульсы линейно поляризованы. «Алиса» 300 получает импульсы и осуществляет приготовление квантовых состояний, например, с помощью относительного фазового сдвига на величину: 0, π/2, π, 3π/2 между сигнальным и опорными импульсами. После этого «Алиса» 300 отправляет импульсы «Бобу» 200. Таким образом, непосредственную генерацию многофотонных оптических импульсов и детектирование ослабленных оптических импульсов (измерение) осуществляет устройство Боба 200, фазовое кодирование оптических импульсов и их ослабление до однофотонного состояния (приготовление) осуществляет устройство Алисы 300.

[0030] Работа системы 100 осуществляется в ходе взаимодействия устройства Алисы 300 и Боба 200, в следующей последовательности.

[0031] Трейн лазерных импульсов, сгенерированный лазером 201, «Боба» 200 сначала попадает на циркулятор 202, который направляет лазерное излучение на светоделитель 205, разделяющий каждый из импульсов пополам по интенсивности и направляющий их в длинное и короткое плечи интерферометра. Кроме того, циркулятор 202 также выполнен с возможностью направления идущих в обратную сторону оптических импульсов на вход детектора одиночных фотонов (ДОФ) 203, который осуществляет счет импульсов (срабатывает) в зависимости от значения фазовых сдвигов на фазовых модуляторах устройства Алисы 310 и устройства Боба 208.

[0032] Как было описано выше, при попадании трейна лазерных импульсов на светоделитель 205, каждый импульс расходится по 2-ум плечам интерферометра (длинное плечо и короткое плечо). В длинном плече интерферометра расположена линия задержки 211 заданной длины, например, 18 метров, и фазовый модулятор 208. Соответственно лазерный импульс, попавший в это плечо задерживается по отношению к лазерному импульсу в коротком плече интерферометра на определенную величину времени, которая зависит от длины линии задержки. Таким образом, на выходе поляризационного светоделителя 212 получается удвоенная последовательность лазерных импульсов, по сравнению с первоначальным трейном, при этом импульсы, преодолевшие длинное плечо интерферометра, имеют меньшую интенсивность из-за потерь, возникающих в линии задержки 211 и фазовом модуляторе 208, таким образом, импульсы в трейне образуют пары линейно поляризованных взаимно ортогональных импульсов.

[0033] Далее трейн импульсов покидает устройства Боба 200 и через оптический квантовый канал 400 направляется в устройство Алисы 300. На этой стадии фазовый модулятор 207 в длинном плече интерферометра не задействуется.

[0034] В блоке Алисы 300 трейн лазерных импульсов перенаправляется первым циркулятором 301 в светоделитель 307 и разделяется светоделителем 307 таким образом, чтобы меньшая часть оптической мощности поступала на синхродетектор 308, который фиксирует момент прихода трейна импульсов. Кроме того, синхродетектор 308 также может служить для контроля интенсивности приходящих импульсов. Синхродетектор 308 обозначает время прихода лазерных импульсов на оптическую схему Алисы 300, что обеспечивает своевременную подачу электрических сигналов на фазовый модулятор 310 Алисы с соответствующей задержкой. Стоит отметить, что фиксирование момента прихода может осуществляться, например, для электронного управляющего устройства (не показано) для генерации синхронизующих сигналов, например, для функциональной ПЛИС, рассчитывающей по сигналу синхродетектора 308 момент выдачи управляющего сигнала на драйвер фазового модулятора 310 и т.д. Более подробно, принцип работы управляющих устройств был описан в патенте [8].

[0035] Далее трейн импульсов поступает в линию хранения 309. После линии хранения 309 трейн импульсов перенаправляется вторым циркулятором 302 к фазовому модулятору 310, который осуществляет фазовый сдвиг сигнального импульса из каждой пары. Значение фазового сдвига 0, π/2, π, 3π/2 могут быть также определены электронным управляющим устройством, таким, как ПЛИС, случайным образом. После фазового модулятора 310, импульс отражается от зеркала Фарадея 311 и вновь поступает на фазовый модулятор 310. Данные о приложенных сдвигах фаз к трейну импульсов также сохраняются в электронном управляющем устройстве для дальнейшей передачи/обработки.

[0036] Далее трейн оптических импульсов через циркулятор 302 последовательно попадает на выход устройства 300 Алисы через обходной путь, реализованный указанным циркулятором 302 и циркулятором 301. Кроме того, при движении трейна импульсов к выходу устройства 300, указанный трейн проходит через контроллер поляризации 306, который осуществляет поляризационное восстановление для указанной последовательности трейна импульсов. После контроллера 306 последовательность попадает на аттенюатор 305, который снова ослабляет трейн импульсов перед выходом в квантовый канал 400, теперь уже до состояния сравнимого с однофотонным.

[0037] После прохождения квантового канала 400, трейн импульсов попадает на поляризационный светоделитель 212 устройства Боба. Так как импульсы в трейне, будучи взаимно попарно ортогонально поляризованными, изменили свою поляризацию на противоположную при отражении от зеркала Фарадея 311 и прохождении контроллера 306, то теперь поляризационный светоделитель 212 направляет импульс в длинное плечо, если до этого он прошел по короткому, и, наоборот, в короткое, если до этого он проходил по длинному. Проходя по длинному плечу интерферометра, оптические импульсы последовательно попадают в линию задержки 211 и далее поступают на светоделитель 206, который меньшую часть оптической мощности отправляет на фазовый модулятор 208, где осуществляется фазовый сдвиг на значения 0 или π/2 опорного импульса, ослабленного до уровня сигнального, а большую часть оптической мощности направляет в фотодетектор 208, выполненный с возможностью контроля интенсивности опорного импульса. Как было указано ранее, фазовый сдвиг может быть выполнен с помощью электронного управляющего устройства, такого как функциональная ПЛИС устройства Боба, которая может выдавать на драйвер фазового модулятора 208 команды о фазовом сдвиге на значения 0 или π/2 для проведения измерений.

[0038] Трейны оптических импульсов, проходящие по длинному и короткому плечу, интерферируют в светоделителе 205 и направляются на входы ДОФ 203, 204, через циркулятор 202, которые осуществляют счет импульсов (срабатывают) в зависимости от значения фазовых сдвигов на фазовых модуляторах устройства Алисы 300 и устройства Боба 200.

[0039] Если разность фаз оптических импульсов составляет 0 или тс, то можно говорить о совместимости базисов «Алисы» и «Боба» при приготовлении и измерении одиночных фотонов, при этом результаты измерений будут определены. В том случае, когда разность фаз импульсов будет составлять π/2, или 3π/2 можно говорить о несовместимости базисов «Алисы» и «Боба», при этом ДОФ 203, 204 будут срабатывать случайным образом. Так, например, если оба фазовых модулятора устройств Алисы 300 и Боба 200 - не прикладывают сдвига, то на ДОФ 204 реализуется конструктивная интерференция (он срабатывает), а на ДОФ 203 - деструктивная (не срабатывает)

[0040] Таким образом, на сторонах устройств «Алисы» 300 и «Боба» 200 формируется «сырая» последовательность. В тех случаях, когда устройства Алисы 300 и Боба 200 использовали при приготовлении и измерении оптических импульсов один и тот же базис, они должны получить одинаковые значения битов данных (нулей и единиц).

[0041] Сформированный в результате взаимодействия устройств Алисы 300 и Боба 200 последовательность далее может быть подвергнута процедуре дальнейшей обработки, например, процедуре «просеивания».

[0042] Так, например, для процедуры просеивания в систему 100, также может быть включен компьютер устройства Боба и компьютер устройства Алисы, подключенные к устройству Боба 200 и устройству Алисы 300 соответственно. Для «просеивания» Компьютер Боба отсылает компьютеру Алисы по открытому информационному каналу (например, Ethernet) массив данных с выбранными базисами измерений.

[0043] По полученному массиву данных компьютер устройства Алисы определяет для каких импульсов выбранный устройством Боба базис измерения был верным (совпал с базисом приготовления), и формирует таблицу данных, содержащую номера импульсов в рамках пакета и значения переданных битов, являющуюся, по сути, итоговой последовательностью. Компьютеру Боба от компьютера Алисы сообщаются только номера импульсов пакета, по которым он на своей стороне формирует итоговую последовательность.

[0044] Описанная система 100 основывается на схеме двухпроходной автоматической компенсации plug&play [9] и адаптирована для генерации как сигнального, так и сильного опорного импульсов. Так, из особенностей указанной системы 100, необходимо отметить наличие аттенюатора 207 в одном из плеч интерферометра устройства Боба 200 для регулировки соотношения сигнального/сильного опорного импульсов. Остальные преимущества системы 100 также раскрываются более подробно ниже.

[0045] Так, из-за значительной разницы между интенсивностями сигнального и опорного импульсов, которая составляет более 60 дБ, любые отражения сильного опорного импульса, например на разъемах устройств 300 и 200, имеют гораздо большую интенсивность чем сигнальный импульс, и, следовательно, могут сделать такой импульс не обнаружимым.

[0046] Для решения указанной проблемы, в частности, для предотвращения обратного отражения и обратного Рэлеевского рассеяния, в устройство Алисы 300 был добавлен обходной путь, реализованный за счет двух одномодовых циркуляторов 301 и 302, например, циркуляторов Opto-Link OLCIR-I-3-155. Так, трейн импульсов, посылаемый Бобом 200, проходит через первый циркулятор 301, а затем полностью помещается внутри линии хранения 309. Когда головные импульсы трейна, отраженные в зеркале Фарадея 310, поступают на выход устройства 300 по обходному пути, реализованному с помощью второго циркулятора 302, наличие указанного пути, а также циркулятора 302 исключает перекрытие с хвостовыми импульсами трейна, за счет высокой изоляции между первым и третьим портами циркуляторов, которая может составлять более 70 дБ, а наличие первого изолятора 303 исключает фоновые отражения. Т.е. за счет высокой изоляции между портами циркуляторов 301 и 302 и наличием изоляторов 303 и 304 исключатся попадания отражаемых головных и хвостовых импульсов трейна в соседние пути (путь к зеркалу 310 и обратный путь) и исключаются фоновые отражения.

[0047] Для увеличения размера трейна импульсов, поступающего от Боба 200, который не должен быть больше, чем расстояние линии от циркулятора 301 до фазового модулятора Алисы 310, на данный участок оптической схему установлена линия хранения 309. Линия 309 служит для того, чтобы вместить в себя все импульсы трейна. Длина линии хранения 309 и определяет количество импульсов в трейне. При движении трейна от Боба 200 к Алисе 300 неизбежно возникают множественные отражения на оптических неоднородностях, в основном на оптических разъемах. Эти отражения идут обратно к Бобу 200, и могут вызвать ложные срабатывания детекторов фотонов 203, 204, информативным же является только сигнал, полученный после отражения трейна от зеркала Фарадея 311 и возвращения его по обходному пути через циркуляторы 302 и 301 соответственно. Следовательно, для исключения наложения, например, отражений от хвостовых импульсов трейна входящих в циркулятор 301 и уже возвращающихся обратно головных импульсов трейна, применяется накопительная линия 309. Допустимое количество импульсов в последовательности определяется длиной линии хранения 309 и может быть вычислено по формуле:

N_p - допустимое количество импульсов в последовательности

Т - период следования импульсов

ƒ - частота следования импульсов

n_ƒib - показатель преломления оптического волокна

- длина линии хранения

C₀ - скорость света

[0048] Так, для длины линии хранения 309, равной 10 км, частоты 5 МГц и показателя преломления оптического волокна 1.47, мы получаем допустимое количество импульсов, равное 245.

[0049] Важно отметить, что вводя обходной путь нарушается автоматическая компенсация поляризации схемы plug&play. Для устранения данной проблемы и восстановления поляризационных преобразований в устройстве 300 также был введен контроллер поляризации 306, который восстанавливает поляризацию импульсов.

[0050] Далее рассмотрим потенциальные проблемы и пути решения в реализованной системе 100.

[0051] Типичные значения отражений от волоконно-оптических коннекторов типа FC/PC и других оптических компонент составляют около 20 дБ, что на 4-5 порядков меньше требуемой разницы для сильного опорного и сигнального импульсов. Это необходимо учитывать при подготовке системы 100. Помимо обычных настроек для сигналов синхронизации КРК, лазерные импульсы с такой огромной разницей (более 60 дБ) в оптической схеме приводят к тому, что на первый план выходят следующие подготовительные процедуры:

- уменьшение отражений оптических сигналов от коннекторов;

- изоляция сигнального и сильного опорного импульса во временном масштабе и по поляризации;

- минимизация временного окна детектора.

[0052] Из-за большой интенсивности сильного опорного импульса, множество различных отражений неопределенного характера могут возвращаться обратно к детекторам одиночных фотонов, что приводит к затенению информационного сигнала.

[0053] Чтобы понять происхождение таких отраженных сигналов, были смоделированы схожие отражения в реализованной системе 100. Моделирование показало, что наиболее критичные паразитные отражения исходят от коннекторов на стороне устройства Алисы 300 между вторым циркулятором 302 и фазовым модулятором 310. Для решения данной проблемы коннекторы циркулятора 302 и модулятора 310 были заменены с коннекторов типа FC/PC на коннектор типа АРС, что обеспечило достаточную очистку сигнала.

[0054] Когда контроллер поляризации не настроен для восстановления изменений поляризации, все импульсы возвращаются от Алисы к Бобу в произвольном состоянии поляризации. Следовательно сильный опорный импульс имеет ненулевую проекцию на состояние поляризации, которое соответствует короткому плечу интерферометра. В результате чего часть сильного опорного импульса с соответствующей составляющей поляризации проходит через поляризационный светоделитель, такой как светоделитель 212, и поступает светоделитель, такой как светоделитель 205, через короткое плечо интерферометра раньше запланированного времени т.е. когда от другого плеча не поступает импульс который мог бы интерферировать с указанным импульсом. На рефлектограмме, показанной на фиг. 2, полученной при сканировании, видно что опережающий импульс образует пик перед сигнальным в зависимости от разницы в длине плеч интерферометра. В результате, показанном на фиг. 2, длина плеча составляла 21 метр. Для решения данной проблемы контроллер поляризации, такой как контроллер 306 настраивается таким образом, чтобы минимизировать превышение пиковой интенсивности для поступления импульсов в правильные плечи интерферометра и как результат обеспечивать максимальную скорость КРК.

[0055] Для обнаружения слабых когерентных импульсов в интерферометрической схеме в качестве детекторов одиночных фотонов 203, 204 был использован четырехканальный ждущий детектор одиночных фотонов на сверхпроводящей нанопроволоке (Superconducting nanowire single-photon detector, SNSPD), такой как Scontel FCOPRS-CCR-TW-60/0.01. Чтобы уменьшить поглощение шума каждый щелчок SNSPD от лазерного импульса шириной 3 не записывается в течение короткого временного интервала в 5 не в память. За пределами этого временного окна детектор также будет срабатывать, но эти щелчки не записываются в память. Снижение шума также достигается уменьшением регистрационного слота (временное окно). Однако дрожание фронта сигнала (фазовый джиттер) на SNSPD который был использован в системе 100 оказалось сопоставимым с окном в 5 нс Следовательно компаратор с существенно меньшим дрожанием был введен в один канал SNSPD для оцифровки аналогового сигнала.

[0056] Для оценки оптических и шумовых характеристик системы 100, скорректированной на разность интенсивностей сигнального и сильного опорного импульсов на величину 65 дБ были измерены кривые интерференции детекторов одиночных фотонов 203, 204 в зависимости от сдвига фазы при различных интенсивностях лазера (фиг. 3). Результат измерения показал, что с увеличением отношения сигнального к сильному опорному импульсу также растут максимальные и минимальные интенсивности. Это приводит к увеличению шума, что снижает возможность детектирования сигнального импульса.

[0057] После поглощения фотонов SNSPD переходит в состояние, характеризующееся образованием несверхпроводящей области. Падение напряжения на нанопроволке составляет около 1 мВ. Переход обратно в рабочее состояние связан с поглощением тепла выделяемого на нанопроволке и составляет около нескольких наносекунд. С увеличением энергии импульсов требуется больше времени чтобы поглотить эту энергию и вернуть детектор обратно в рабочее состояние из нестабильного. На фиг. 4 это интерпретируется как как образование шумного хвоста после фронта SNSPD ответного сигнала. В нашем случае наличие опережающего паразитного импульса обеспечивает задержку в 21 метр до того момента, пока информационный сигнал столкнется с эффектом ослепления детектора SNSPD свободного хода. Если опережающий импульс достаточно яркий, шумный хвост после него приводит к следу ложных обнаружений, которые по мере увеличения яркости (интенсивности) импульсов достигают сигнального импульса. В связи с этим, необходимо более точно регулировать отношение сигнального и сильного опорного импульса на контроллере поляризации 306, чтобы уменьшить опережающий паразитный импульс.

[0058] Таким образом увеличение интенсивности лазерных импульсов приводит не только к рассеянной засветке всей линии, но и, из-за ослепления детектора, приводит и к увеличению возникновения ошибок и ложных срабатываний.

[0059] Решение данной проблемы также основано на точной настройке контроллера поляризации, такого как контроллер 306.

[0060] Далее рассмотрим результаты проверки работоспособности системы 100. Для обеспечения работоспособности схемы не имеет значения какой протокол, поддерживающий передачу с сильным опорным импульсом, использовать в качестве протокола передачи КРК. Так, в одном частном варианте осуществления был выбран протокол ВВ84, однако очевидно, что также в качестве протокола может быть использован протокол ВВ92. Так, результаты генерации ключей системой 100 с помощью протокола ВВ84 приведены на Фиг. 5. Сильный опорный импульс был выбран таким образом, чтобы он имел максимальную яркость (интенсивность), но при этом не ослеплял ДОФ. Уровень квантовых ошибок равен 1,5 2% для волоконно-оптической схемы с интерферометром Маха Цендера. Был использован квантовый канал длиной 1 км. Эффективность ДОФ SNSPD установлена на уровне 25% при частоте 100 Гц затененного, сильным опорным, импульса. По мере уменьшения энергии сигнального импульса преобладают теневые импульсы при измерении ДОФ. При этом начинает расти уровень квантовых ошибок, а видимость уменьшается (Фиг. 5). Приемлемая относительная разница между сигнальным и сильным опорным импульсом была получена на уровне = 65 дБ при μ=0,005 фотона на сигнальный импульс, где μ - число фотонов в ослабленном лазерном импульсе, который используется вместо однофотонных состояний, т.е. когерентное состояние со средним числом фотонов.

[0061] Как указывалось выше, для обеспечения безопасности системы КРК с сильным опорным импульсом, сильный опорный импульс должен быть всегда обнаружен на стороне Боба (для противодействия атаке PNS). В разработанной системе 100 указанное требование было выполнено с помощью фотодетектора 208. Большая часть мощности сильного опорного импульса поступает в фотодетектор 208, когда трейн импульсов возвращается. При этом точность управления сильным опорным импульсом становится ключевой частью рассмотрения безопасности, определяя соотношение интенсивности сигнального и сильного опорного импульса и расстоянием (длиной) квантового канала. При направленном фотодетекторе основным источником шума является тепловой шум. Для минимизации таких шумов в системе 100 были использованы высококачественные фотодетекторы известные из уровня техники.

[0062] Чтобы лишить Еву возможности усилить сигнальный импульс на пути от Боба к Алисе, необходимо контролировать сигнальный импульс на стороне Алисы. Это чревато техническими трудностями. Проблема в том, что, интенсивность сигнального импульса, поступающая к Алисе должна быть достаточно высокой для измерения импульса, в то время как мощность лазера должна быть достаточно высокой для генерации сильного опорного импульса.

[0063] Можно предположить, что Ева не усиливает сигнальный импульс, если мы не выделяем его на фоне теплового шума фотодетектора. Оцененный при сопротивлении нагрузки 50 Ом и комнатной температуре предел чувствительности прямого фотодетектирования на фоне теплового шума соответствует энергии лазерного импульса равной 10³ фотон. Для отношения сигнального и сильного опорного импульсов в 60 дБ и длине квантового канала = 20 км., пиковая мощность лазера должна составлять около 150 мВт. Это соотношение может быть легко достигнуто при применении лазеров, представленные на рынке, которые имеют пиковую мощность в несколько раз больше. Кроме того, существуют также и другие решения указанной проблемы, например, путем применения лавинных фотодиодов, гомодирование и т.д.

[0064] Таким образом, была рассмотрена безопасность системы квантового распределения ключей с сильным опорным импульсом на реальных детекторах фотонов. Для заданных параметров настройки оптимальные значения числа фотонов в сигнальных импульсах были найдены в диапазоне от 0.15 для длины квантового канала 50 км. до 0.35 для длины в 65 км при отношении сигнального и сильного опорного импульса в 65 дБ. Также, было показано, что безопасная генерация ключей возможна только при ярком сильном опорном импульсе начиная с 4×10⁴ фотонов в импульсе на расстояние 10 км и более 5×10⁵ фотонов в импульсе для обеспечения наибольшей безопасной скорости генерации ключей на расстоянии 50 км. Кроме того, заявленная система 100 на коротких расстояниях имеет более чем в четыре раза выше скорость генерации КРК чем известные из уровня техники системы со схожим принципом работы.

[0065] Разработанная оптическая система 100 была протестирована путем запуска генерации просеянных ключей с помощью КРК с сильным опорным импульсом, доказывая техническую осуществимость обмена ключами при соотношении сигнального импульса к сильному опорному импульсу в 65 дБ.

[0066] 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. Таким образом, объем настоящего технического решения ограничен только объемом прилагаемой формулы.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ:

1. G. Brassard, N. Ltitkenhaus, Т. Mor, and В.С. Sanders, "Limitations on practical quantum cryptography," Phys. Rev. Lett. 85, 1330-1333 (2000).

2. W.-Y. Hwang, "Quantum key distribution with high loss: Toward global secure communication," Phys. Rev. Lett. 91 (2003).

3. X.-B. Wang, "Beating the photon-number-splitting attack in practical quantum cryptography," Phys. Rev. Lett. 94 (2005).

4. H.-K. Lo, X. Ma, and K. Chen, "Decoy state quantum key distribution," Phys. Rev. Lett. 94, 230504 (2005).

5. X. Ma, B. Qi, Y. Zhao, and H.-K. Lo, "Practical decoy state for quantum key distribution," Phys. Rev. A 72, 012326 (2005).

6. С.H. Bennett, "Quantum cryptography using any two nonorthogonal states," Phys. Rev. Lett. 68, 3121-3124(1992).

7. M. Koashi, "Unconditional security of coherent-state quantum key distribution with a strong phase-reference pulse," Phys. Rev. Lett. 93, 120501 (2004).

8. RU 2722133 C1 (ООО "КуРэйт", 26.05.2020).

9. D. Stucki, N. Gisin, O. Guinnard, G. Ribordy, and H. Zbinden, "Quantum key distribution over 67 km with a plug&play system," New J. Phys. 4, 341 (2002).

Изобретение относится к двухпроходной системе фазовой модуляции для квантового распределения ключей. Технический результат - обеспечение возможности квантового распределения ключей с сильным опорным импульсом. Указанный технический результат достигается благодаря осуществлению двухпроходной системы фазовой модуляции для квантового распределения ключей с сильным опорным импульсом, содержащей принимающее и передающее устройства, соединенные квантовым каналом, причем передающее устройство содержит первый циркулятор, второй циркулятор, переменный оптический аттенюатор, фазовый модулятор, светоделитель, синхронный детектор, по меньшей мере два изолятора, накопительную линию, зеркало Фарадея, контроллер поляризации, принимающее устройство, содержит лазер, циркулятор, первый светоделитель, по меньшей мере два детектора одиночных фотонов, второй светоделитель, переменный оптический аттенюатор, фазовый модулятор, фотодетектор, оптический терминатор, интерферометр Маха-Ценднера с линией задержки, поляризационный светоделитель. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Двухпроходная система фазовой модуляции для квантового распределения ключей (КРК) с сильным опорным импульсом, содержащая принимающее и передающее устройства, соединенные квантовым каналом, причем:

передающее устройство содержит первый циркулятор, выполненный с возможностью приема последовательности импульсов (трейн), состоящих из пар сигнального и опорного импульсов, посылаемых принимающим устройством, и направления их в линию хранения, второй циркулятор, выполненный с возможностью направления отраженных от зеркала Фарадея импульсов на первый циркулятор, переменный оптический аттенюатор, фазовый модулятор, выполненный с возможностью фазового сдвига импульсов, светоделитель, синхронный детектор, выполненный с возможностью контроля интенсивности как сигнального, так и опорного импульсов, по меньшей мере два изолятора, выполненные с возможностью блокировки фоновых отражений, возникающих при прохождении трейна через циркулятор, линию хранения, зеркало Фарадея, контроллер поляризации, выполненный с возможностью восстановления поляризационных преобразований трейнов импульсов после линии хранения;

принимающее устройство содержит лазер, выполненный с возможностью генерирования и отправки трейнов в передающее устройство, циркулятор, выполненный с возможностью направления сгенерированного трейна в первый светоделитель, первый светоделитель, выполненный с возможностью разделения импульсов трейна и направления их в плечи интерферометра, по меньшей мере два детектора одиночных фотонов, второй светоделитель, выполненный с возможностью направления принимаемых импульсов, отраженных от зеркала Фарадея, в фотодетектор, переменный оптический аттенюатор, расположенный в длинном плече интерферометра для регулировки соотношения сигнального и опорного импульса, фазовый модулятор, фотодетектор, выполненный с возможностью контроля принимаемых импульсов, отраженных от зеркала Фарадея, оптический терминатор, выполненный с возможностью поглощения оптического излучения, интерферометр Маха-Ценднера с линией задержки, поляризационный светоделитель.

2. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что лазер испускает свет на телекоммуникационной длине волны 1550 нм.