Способ и устройство генерации квантовых состояний для протоколов с распределенным фазовым кодированием Российский патент 2023 года по МПК H04L9/08 H04B10/70 

Описание патента на изобретение RU2794954C1

Область техники, к которой относится изобретение Предлагаемое изобретение относится к области квантового распределения ключей шифрования, в частности для генерации последовательности когерентных импульсов в протоколах с распределенным фазовым кодированием (дифференциальным фазовым сдвигом, DPS).

Уровень техники

В системах квантового распределения ключей (КРК) широкое распространение получили протоколы с фазовым кодированием. К плюсам такого подхода можно отнести нечувствительность квантовых состояний к поляризации в волоконной линии что ведет к упрощению конструкции приемной стороны. Среди этих протоколов можно выделить протокол с распределенным фазовым кодированием (DPS). Достоинством указанного протокола является его простота, а именно: минимальное количество уровней модулятора фазы (0, π) упрощает настройку системы, кроме того, нет необходимости в датчике случайных чисел и активных электрооптических устройствах (модулятор фазы, контроллер поляризации) на приемной стороне.

Протокол можно описать следующим образом. Передатчик (Алиса) распределяет фотон в последовательность когерентных оптических импульсов, разделенных временным интервалом Δ. Кодирование бита осуществляется с помощью модулятора фазы, который активируется при прохождении каждого оптического импульса последовательности через модулятор. Полученная последовательность называется квантовым состоянием. Выбор прикладываемых фаз (0 или я) производится на основе случайной последовательности генератора случайных чисел. Декодирование и интерпретация кодируемой информации осуществляется приемником (Боб). Для этого в приемнике устанавливается интерферометр с оптической разностью хода эквивалентной временному интервалу Δ между импульсами. В этом случае соседние импульсы будут интерферировать на выходах интерферометра в зависимости от кодируемой разности фаз. Интерпретация (детектирование) осуществляется с помощью однофотонных детекторов, установленных на выходах интерферометра приемника.

Описание реализации протокола было сделано в публикации (K. Inoue, Е. Waks, Y. Yamamoto: "Differential Phase Shift Quantum Key Distribution", Phys. Rev. Lett., 89(3), 037902, 2002). Согласно публикации, фотон из источника единичных (одиночных) фотонов разделяется на три части в трехлучевом интерферометре Маха-Цандера (ИМЦ). Временные задержки в плечах по отношению к самому короткому равны А и 2А. Коэффициенты деления в плечах ИМЦ обеспечивают равновероятное прохождение фотона по любому из путей. После выхода из ИМЦ фотон, содержащийся в последовательности из трех равноотстоящих друг от друга по времени импульсов, поступает в модулятор фазы. Далее, фаза каждого из импульсов последовательности случайным образом модулируется с помощью модулятора фазы на величины 0 или π.

Полученное квантовое состояние отправляется приемнику, в котором установлен двухплечевой ИМЦ с аналогичной временной задержкой Δ. Интерферометр приемника имеет два выхода, на которых установлены детекторы. Фотон, распределенный по трем импульсам последовательности, может быть зарегистрирован детекторами в одном из четырех временных окон. Боб запоминает номера временных окон, в которых было срабатывание детектора. После завершения сеанса передачи Боб сообщает Алисе номера временных окон, в которых было срабатывание детекторов, но не называет какой именно детектор сработал. На основе этой информации стороны формируют идентичную битовую строку - секретный ключ.

Отмечается, что эффективность протокола при создании одного бита Ebit (key creation efficiency) может быть увеличена за счет увеличения количества плеч ИМЦ. Действительно, эффективность протокола при создании одного бита выражается следующей формулой

где N - количество импульсов в квантовом состоянии.

Соответственно, по мере увеличения количества импульсов увеличивается и параметр Ebit.

Увеличение эффективности Ebit возможно за счет увеличения количества плеч интерферометра, однако, такое увеличение сопряжено с технологическими трудностями обеспечения равенства коэффициентов деления плеч и временных задержек между ними. Также отметим, что используемый ИМЦ является пассивным устройством и не позволяет менять количество импульсов в последовательности.

Также стоит отметить, что существующие источники одиночных фотонов, работающих в телекоммуникационном диапазоне длин волн, имеют низкую эффективность генерации фотонов, не удовлетворяющую потребностям разрабатываемых систем КРК. Поэтому используется излучение лазеров, ослабленное до квази-однофотонного уровня, близкого к однофотонному. Отметим, что современные лазеры, применяемые для реализации КРК, имеют порог генерации на несколько порядков больший чем требуется для получения необходимого квантового состояния, поэтому большая часть излучения теряется в результате ослабления до квазиодно-фотонного уровня.

Известны способ и устройство для генерации последовательности импульсов в системе КРК (заявка Китая CN 1897519, приоритет от 30.05.2006 г., - https://patentscope.wipo.int/search/en/detail.jsf?docld=CN83090069&_cid=P11-L3JV0F-53205-1), при этом устройство содержит последовательно соединенные

непрерывный лазер (CW),

модулятор интенсивности (IM),

поляризатор,

модулятор фазы,

аттенюатор.

Непрерывное излучение лазера подается в модулятор интенсивности. Модуляция осуществляется таким образом, чтобы на выходе модулятора была последовательность оптических импульсов одинаковой мощности равноотстоящих друг от друга на время А. Далее последовательность импульсов подвергается фазовой модуляции, затем ослабляется до требуемого уровня мощности (числа фотонов в импульсе) и отправляется получателю.

Отметим, что указанный передатчик позволяет изменять число импульсов в квантовом состоянии, тем самым возможно увеличить эффективность протокола Ebit.

Известные устройство и способ принимаются в качестве прототипа.

К недостаткам способа можно отнести то, что временной интервал между импульсами и их количество в квантовых состояниях ограничены временной когерентностью лазера.

Кроме того, недостатком способа является то, что временные параметры оптических импульсов, а именно длительность, задаются модулятором интенсивности. Соответственно, при формировании коротких оптических импульсов требуются модулятор интенсивности и его управляющая электроника с широкой полосой пропускания.

Действительно, в большинстве систем КРК для регистрации квантовых состояний на приемной стороне используется лавинный фотодетектор, работающий в стробируемом режиме. Одним из способов уменьшения количества ложных срабатываний фотодетектора из-за темновых токов является уменьшение временного интервала стробирования. Уменьшение временного интервала стробирования диктует необходимость уменьшения длительности оптических импульсов, используемых для формирования квантовых состояний. Для примера отметим исследование (В. Da Lioa, Baccob D. Cozzolino Y, Ding K., Dalgaard K. Rottwitt K., Oxenlowe L.K. Experimental demonstration of the DPTS QKD protocol over a 170 km fiber link, Applied Physics Letters, 114, 011101, 2019; https://doi.org/10.1063/l.5049659), в котором указывалось, что создание коротких оптических импульсов порядка 150 пикосе-кунд достигалось с помощью модулятора интенсивности. Однако, для этого требовался быстродействующий драйвер модулятора интенсивности, формирующий электрические импульсы длительностью 100 пс, что усложняло и удорожало схему. Помимо этого, джиттер (дрожание) управляющей электроники модулятора может приводить к разбросу фаз оптических импульсов квантового состояния.

Также к недостаткам прототипа можно отнести повышенные энергозатраты при формировании квантового состояния. При формировании последовательности оптических импульсов из непрерывного излучения с помощью модулятора интенсивности временной промежуток между импульсами блокируется модулятором, причем длительность заблокированного временного промежутка увеличивается с увеличением скважности следования импульсов при неизменной длительности сформированных импульсов. Далее, кратное увеличение количества импульсов в квантовых состояниях требует кратного увеличения времени работы лазера и, соответственно, кратного увеличения энергозатрат.Таким образом, затраченная энергия при генерации квантового состояния в прототипе, прямо пропорциональна количеству импульсов и их скважности.

Раскрытие изобретения

Техническим результатом является:

1) устранение влияния временной когерентности лазера на количество оптических импульсов в квантовом состоянии для протоколов с распределенным фазовым кодированием;

2) уменьшение энергозатрат при формировании квантовых состояний для протоколов с распределенным фазовым кодированием;

3) возможность сужения полосы пропускания модулятора интенсивности.

Для этого предлагается устройство, включающее

импульсный лазер,

оптический кольцевой резонатор, имеющий вход и выход и включающий светоделитель с двумя входами и двумя выходами,

модулятор интенсивности,

модулятор фазы,

аттенюатор,

электронное устройство управления, связанное с лазером, модулятором фазы и модулятором интенсивности и выполненное с возможностью

- формирования управляющих сигналов, подаваемых на лазер, модулятор интенсивности и модулятор фазы,

- подачи управляющих сигналов на модуляторы интенсивности и фазы с длительностью, равной или большей длительности оптического импульса,

- регулирования задержек между управляющими сигналами, подаваемыми на лазер, модулятор фазы и модулятор интенсивности, о выбора квантового состояния с помощью датчика случайных чисел,

причем

- импульсный лазер соединен со входом оптического кольцевого резонатора,

- выход оптического кольцевого резонатора соединен со входом модулятора интенсивности,

- выход модулятора интенсивности соединен со входом модулятора фазы,

- выход модулятора фазы соединен с аттенюатором,

при этом в оптическом кольцевом резонаторе,

- первый вход светоделителя является входом резонатора, о второй выход светоделителя является выходом резонатора, о первый выход и второй вход светоделителя соединены, о время обхода резонатора светом больше или равно длительности оптического импульса, о оптический импульс, поступающий на первый вход светоделителя проходит к первому выходу светоделителя с коэффициентом пропускания Т и отражается ко второму выходу светоделителя с коэффициентом отражения R, причем T+R=1. В устройстве реализуется способ генерации квантовых состояний, заключающийся в том, что

задают требуемое число импульсов N в квантовом состоянии,

задают число d, равное отношению мощности остаточного импульса в резонаторе к мощности импульса, поступающего от лазера для формирования нового квантового состояния,

задают число импульсов b, которые блокируются перед формированием нового квантового состояния,

задают коэффициент отражения мощности света в светоделителе оптического резонатора R, удовлетворяющий условию R≤d1/(N-1+b),

формируют с помощью датчика случайных чисел битовую строку длиной N,

генерируют лазером оптический импульс, мощностью Plas,

формируют квантовое состояние, состоящее из N когерентных оптических импульсов, выполняя следующие действия:

- подают оптический импульс мощностью Plas на вход кольцевого резонатора,

- получают на выходе кольцевого резонатора последовательность оптических импульсов,

- блокируют оптический импульс мощностью P0=Plas⋅R с помощью модулятора интенсивности,

- ослабляют модулятором интенсивности мощность каждого последующего оптического импульса Pn на величину RN-1, где n - номер импульса в последовательности, n=1, 2…N,

- блокируют модулятором интенсивности b импульсов с номерами больше N,

- получают на выходе из модулятора интенсивности последовательность из N импульсов с одинаковой мощностью Plas⋅T2⋅RN-1,

- передают полученную последовательность оптических импульсов на модулятор фазы,

- подают на модулятор фазы управляющий сигнал, соответствующий значению в битовой строке,

- передают полученную последовательность модулированных по фазе оптических импульсов на вход аттенюатора для ослабления до квазиоднофотонного уровня, о получают на выходе аттенюатора квантовое состояние,

направляют сгенерированное квантовое состояние по назначению.

Схема предложенного устройства показана на фигуре графического изображения.

При подготовке квантового состояния с помощью импульсного лазера 1 формируется оптический импульс длительностью т и мощностью Pias. Затем указанный импульс подается на вход оптического резонатора 2. Причем свет в резонаторе возвращается в резонатор за счет отражения от светоделителя. Время обхода резонатора светом назовем временной задержкой и обозначим Δ, причем Δ>τ.

При поступлении импульса от лазера на вход резонатора, часть света, определяемая коэффициентом отражения R светоделителя, отражается ко второму выходу светоделителя, подключенному ко входу модулятора интенсивности 3. Оставшаяся часть света продолжает распространятся внутри резонатора. После каждого обхода резонатора оптическим импульсом часть его мощности, пропорциональная коэффициенту пропускания Т светоделителя, проходит через светоделитель и поступает на модулятор интенсивности, и вторая часть, пропорциональная коэффициенту R, остается в резонаторе.

Таким образом, на втором выходе светоделителя возникает последовательность из М оптических импульсов, разделенных интервалом времени А. Мощность каждого импульса в последовательности описывается следующим выражением:

Из представленной последовательности (2) видно, что все члены, кроме М0 (нумерация начинается с нуля) с мощностью Plas⋅R, не прошедшего через замкнутый путь, образуют убывающую геометрическую прогрессию, то есть мощность импульсов убывает с ростом их порядкового номера с коэффициентом R.

Чтобы добиться максимальной эффективности протокола Ebit и одновременно с этим минимизировать возможность компрометации со стороны злоумышленника реализуется следующая последовательность действий.

Сначала задается требуемое число импульсов N в квантовом состоянии. Последовательность (2) является убывающей, поэтому для получения последовательности когерентных оптических импульсов одинаковой мощности, необходимо привести мощность каждого импульса к одной величине, а именно, к мощности импульса с номером N. Для этого импульс М0 блокируется модулятором интенсивности, следующий импульс M1 с мощностью Plas⋅T2 ослабляется в RN-1 раз, последующие импульсы MN ослабляются в RN"n раз. Последний импульс в последовательности Mn имеет мощность Plas⋅T2⋅RN-1 и не ослабляется модулятором интенсивности (коэффициент ослабления равен RN-N=T).

Поскольку последовательность (2) является бесконечной, то, формально, мощность выходящих импульсов никогда не достигает нуля. Это значит, что после формирования квантового состояния из N импульсов в резонаторе будет распространяться остаточное излучение и, как результат, формироваться на выходе остаточная последовательность убывающих по мощности импульсов. Для уменьшения влияния остаточного излучения на последующее квантовое состояние (наложение импульсов) задают число d, выражающее допустимое отношение мощности остаточного импульса в резонаторе к мощности импульса, поступающего от лазера для формирования нового квантового состояния.

Между соседними квантовыми состояниями должен быть пропуск кратный интервалу времени А. Для этого задается число b, которое равно числу блокируемых импульсов после формирования текущего квантового состояния.

На основе заданных параметров осуществляется выбор коэффициента отражения светоделителя согласно следующему условию:

Таким образом, после блокировки импульса M0=Plas⋅R, не прошедшего через замкнутый путь, осуществления модуляции по мощности серии из N импульсов и последующей блокировки b импульсов, допускается формировать следующее квантовое состояние. В результате этих действий на выходе из модулятора интенсивности будет выходить последовательность из N импульсов равной мощности Plas⋅T2⋅RN-1, разделенных интервалом времени Δ.

Далее, фаза каждого из импульсов последовательности случайным образом модулируется с помощью модулятора фазы 4 на величины 0 или π. Ослабление квантового состояния до требуемого числа фотонов осуществляется с помощью аттенюатора 5. Полученное на выходе аттенюатора квантовое состояние, направляют в оптоволоконную линию связи с приемником квантовых состояний.

Покажем, что в предложенном устройстве количество оптических импульсов в квантовом состоянии для протоколов с распределенным фазовым кодированием не ограничивается временной когерентностью лазера.

Действительно, протокол DPS предполагает, что фотон равновероятно распределен между импульсами квантового состояния, то есть вероятность его нахождения в любом импульсе последовательности одинакова. Кроме того, такое распределение подразумевает что все импульсы состояния являются когерентными между собой (Мандель Л., Вольф Э. Оптическая когерентность и квантовая оптика. М.: Физматлит, 2000, стр. 120). Известно, что временная когерентность любого лазера ограничена. То есть, если в прототипе временная когерентность непрерывного лазера окажется меньше чем длительность всего квантового состояния Δ⋅N (совокупность всех временных задержек между импульсами и их длительностей), то не все импульсы в квантовом состоянии будут когерентны друг другу. В свою очередь, в предложенном устройстве все импульсы в последовательности образованы методом деления амплитуды, поэтому когерентны между собой.

Таким образом, количество оптических импульсов в предложенном устройстве и способе не ограничивается временной когерентностью лазера.

Покажем, что при формирование квантового состояния предложенное устройство имеет лучшую энергоэффективность, чем прототип.

Пусть требуется сформировать квантовое состояние, имеющее энергию Eq и состоящее из N импульсов. Каждый импульс имеет длительность τ. Скважность, т.е. отношение периода следования импульсов к их длительности, обозначим S. Примем, что мощность лазерного излучения одинакова в обоих случаях, то есть лазер за время τ генерирует излучение с энергией Elas. Аттенюатор и модулятор интенсивности конфигурируют таким образом, чтобы в каждом случае достичь на выходе квантовое состояние с энергией Eq. В прототипе для формирования квантового состояния из непрерывного излучения лазером будет сгенерировано излучение с энергией Ecw=Elas⋅(S⋅(N-1)+1). После прохождения через модулятор интенсивности и аттенюатор излучение ослабляется до энергии Eq. Энергоэффективность прототипа выразим как отношение ηcw=Eq/Ecw. При применении предлагаемой схемы с кольцевым резонатором для формирования указанного квантового состояния лазер генерирует лазерный импульс длительностью τ и энергией Elas, которая распределяется в последовательности импульсов, описанных выражением (2). Аналогично прототипу после прохождения через модулятор интенсивности и аттенюатор последовательность импульсов ослабляется до суммарной энергии Eq. Энергоэффективность предлагаемого устройства равна ηr=Eq/Elas.

Из вышеописанных формул получим что отношение эффективностей предлагаемого устройства и прототипа равно ηrcw=(S⋅(N⋅1)+1). Поскольку скважность S≥1, а число импульсов, согласно формуле (1), должно быть N≥2, отношение эффективностей всегда будет ηr/ηcw≥2.

Покажем, что полоса пропускания модулятора интенсивности в заявляемом устройстве может быть ниже, чем в прототипе при любой скважности.

Рассмотрим прототип и заявляемое устройство в одинаковых условиях, а именно, пусть длительность оптических импульсов одинакова и равна τ. Тогда для функционирования прототипа необходимо, чтобы полоса пропускания модулятора интенсивности была либо BWcw≥1/τ при S≥2, либо BWcw>1/(τ(S-1)) при S<2. В свою очередь для заявляемого устройства условие едино для любой скважности BWr≥1/(S⋅τ).

Таким образом, для любой скважности выполняется условие BWcw≥BWr что подтверждает возможность сужения полосы пропускания модулятора интенсивности.

Можно отметить, что в предложенном способе получения квантового состояния из N одинаковых по мощности импульсов, первый импульс в квантовом состоянии может соответствовать любому импульсу из последовательности импульсов на выходе резонатора. К примеру, вместо импульса M1=Plas⋅T2 можно выбрать следующий за ним M2=Plas⋅T2⋅R, тогда на выходе получится последовательность из N импульсов равной мощности P0⋅T2⋅RN и разделенных интервалом времени Δ.

Также отметим, что возможно, внеся соответствующие изменения в последовательность действий, не блокировать импульс М0 с мощностью Plas⋅R, а использовать для формирования квантового состояния. Кроме того, допускается что модулятор интенсивности вносит ослабление отличное от 1 для импульса с номером N. Регулируя указанное ослабление, можно менять энергию квантового состояния, которая пропорциональна среднему числу фотонов. Помимо этого, модуляция мощности может осуществляется разными способами. Возможен вариант, в котором для ослабления может использоваться непрерывная функция от времени.

Отличительные особенности предложенных устройства и способа заключаются в том, что для формирования последовательности когерентных оптических импульсов, образующих квантовое состояние, используется кольцевой резонатор, расположенный между лазером и модулятором интенсивности.

Заявленный технический результат достигается благодаря тому, что формирование когерентных импульсов реализовано с помощью метода деления амплитуд, причем требуемое количество импульсов в квантовом состоянии можно задавать с помощью управления модулятором интенсивности.

Краткое описание чертежей

На фигуре графического изображения приведена схема устройства, в которой реализуется предлагаемый способ, в которой используются следующие обозначения (непрерывные линии обозначают оптические связи, пунктирные линии -электрические связи):

1 - импульсный лазер,

2 - кольцевой резонатор,

3 - модулятор интенсивности,

4 - модулятор фазы,

5 -аттенюатор,

6 - электронное устройство управления.

Осуществление изобретения

В общем случае, возможно выполнение устройства с распространением излучения в свободном пространстве.

Предпочтительно выполнение устройства с использованием оптоволоконных компонентов, при этом часть схемы от лазера до модулятора фазы должна быть выполнена на основе волокна с сохранением поляризации.

В качестве импульсного лазера применяется полупроводниковый лазер с распределенной обратной связью с выводом излучения в волокно, сохраняющее поляризацию, и, например, с линейной поляризацией вдоль медленной оси волокна. Для осуществления изобретения можно использовать лазер типа DFB-1550-14BF производителя АО "Нолатех" (http://nolatech.ru/).

Кольцевой резонатор может быть выполнен на основе волоконного светоделителя 2x2, вход и выход которого соединены между собой. Кольцевой резонатор сконфигурирован таким образом, что оптический импульс, поступающий на первый вход светоделителя проходит к первому выходу светоделителя с коэффициентом Т и отражается ко второму выходу светоделителя с коэффициентом R.

Для осуществления изобретения можно использовать светоделитель типа PMFBTC-P-2x2-1550-L-50-PM-90 производителя "DK Photonics" (http://www.dkphotonics.com/).

Выравнивание мощности оптических импульсов, а также формирование последовательности с заданным количеством импульсов N может осуществляется модулятором интенсивности типа MX-LN-05-PD-P-P-FA-FA производителя "iXblue" (https://www.ixblue.com/).

Для модуляции фазы может использоваться электрооптический модулятор типа MPZ-LN-01-P-P-FC-FC производителя "iXblue" (https://www.ixblue.com/).

Для ослабления оптических импульсов до квазиоднофотонного уровня используется аттенюатор. Для осуществления изобретения можно использовать аттенюатор типа MOVA-1-D-C-FS, производителя "Santec" (https://sphotonics.ru/).

Один из вариантов осуществление изобретения подразумевает что электронное устройство управления (ЭУУ) 6 построено на базе электронно-вычислительной машины (ЭВМ) с сетевым интерфейсом связи. Кроме того, ЭУУ содержит драйвер лазера и драйверы модулятора фазы и модулятора интенсивности, генератор тактовых импульсов, датчик случайных чисел. Все необходимые расчеты на ЭВМ для осуществления способа реализуются с помощью программного обеспечения (ПО). Такое специализированное ПО может сформировать специалист по программированию (программист) на основе известных сведений о функциях устройства и действий, которые лежат в основе предложенного способа. Также электронное устройство управления должно быть выполнено с возможностью регулирования задержек между управляющими сигналами, подаваемыми на лазер, модулятор фазы и модулятор интенсивности, и подачи управляющих импульсов на модуляторы фазы и интенсивности.

После сборки оптической и электронной частей запускают передатчик в рабочем режиме. При подключении к линии связи с приемником, передатчик сообщает количество импульсов в квантовом состоянии N=7, а приемник по сетевому интерфейсу передает сигнал готовности к приему последовательности квантовых состояний.

Для каждого пакета когерентных импульсов датчик случайных чисел формирует битовую строку длиной N=7, соответствующих числу импульсов в квантовом состоянии. Эта строка передается в ЭВМ, где происходит ее сопоставление в сигналы управления модулятора фазы, которые соответствуют сдвигу фазы на 0 или π радиан. Затем задают число d=0,510 и количество заблокированных импульсов b=4. Из выражения (3) следует что R<0,5 поэтому для осуществления способа выбирается светоделитель с R=Т=0,5.

Для генерации квантового состояния лазером генерируют одиночный оптический импульс, который подают на вход кольцевого резонатора. На выходе получается последовательность оптических импульсов. При этом оптический импульс М0 с мощностью Plas⋅0,5 блокируется модулятором интенсивности, следующий импульс M1 с мощностью Plas⋅0,52 ослабляется в 0,56 раз и каждый последующий импульс ослабляется модулятором интенсивности в 0,57-n раз, n=1, 2, … 7, где n - номер текущего импульса. Таким образом, мощность каждого из семи импульсов будет равна Plas⋅0,58. После прохождения через модулятор интенсивности импульса с номером N=7, блокируется последующая серия из b=4 импульсов.

Полученная последовательность из семи импульсов поступает на модулятор фазы. ЭВМ подает команды на драйвер модулятора фазы таким образом, чтобы каждый импульс последовательности, проходящий через модулятор фазы, сдвигается на фазу 0 или к, согласно сопоставлению битовой строки, в сигналы управления модулятора фазы.

После этого последовательность поступает на вход аттенюатора, где она ослабляется до квазиоднофотонного уровня. Полученное на выходе аттенюатора квантовое состояние направляют через оптоволоконную линию связи к приемнику квантовых состояний.

Возможны и другие варианты реализации предложенного устройства и способа, зависящие от предпочтений при выборе аппаратного и программного обеспечения. Например, в замкнутом пути кольцевого резонатора может быть установлен оптический переключатель для прерывания последовательности оптических импульсов, или перестраиваемая линия задержки для изменения временной задержки Δ между оптическими импульсами.

Похожие патенты RU2794954C1

название год авторы номер документа
ДВУХПРОХОДНАЯ СИСТЕМА ФАЗОВОЙ МОДУЛЯЦИИ ДЛЯ КВАНТОВОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КЛЮЧЕЙ 2022
  • Курочкин Юрий Владимирович
  • Родимин Вадим Евгеньевич
  • Кривошеин Евгений Григорьевич
  • Жаринов Алексей Николаевич
  • Дуркин Юрий Владимирович
RU2776030C1
УЧЕБНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПО КВАНТОВОЙ ОПТИКЕ ДЛЯ ЦЕЛЕЙ ИЗУЧЕНИЯ ПРОТОКОЛОВ КВАНТОВОЙ КРИПТОГРАФИИ 2019
  • Курочкин Владимир Леонидович
  • Курочкин Юрий Владимирович
  • Родимин Вадим Евгеньевич
  • Кривошеин Евгений Григорьевич
  • Пономарев Михаил Юрьевич
  • Федоров Алексей Константинович
RU2722133C1
ДЕМОНСТРАЦИОННЫЙ СИМУЛЯТОР СИСТЕМЫ КВАНТОВОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КЛЮЧА 2021
  • Катамадзе Константин Григорьевич
RU2795245C1
ВЫСОКОСКОРОСТНАЯ АВТОКОМПЕНСАЦИОННАЯ СХЕМА КВАНТОВОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КЛЮЧА 2016
  • Дуплинский Александр Валерьевич
  • Устимчик Василий Евгеньевич
  • Курочкин Юрий Владимирович
  • Курочкин Владимир Леонидович
  • Миллер Александр Витальевич
RU2671620C1
Устройство квантовой рассылки симметричной битовой последовательности на поднесущей частоте модулированного излучения с двойным гомодинным методом приема 2020
  • Гончаров Роман Константинович
  • Самсонов Эдуард Олегович
  • Зиновьев Александр Вячеславович
  • Фадеев Максим Алексеевич
  • Сантьев Алексей Альбертович
  • Первушин Борис Евгеньевич
  • Егоров Владимир Ильич
RU2758708C1
Способ управления интерференционной картиной в однопроходной системе квантовой криптографии 2017
  • Балыгин Кирилл Алексеевич
  • Зайцев Владимир Иванович
  • Климов Андрей Николаевич
  • Кулик Сергей Павлович
  • Молотков Сергей Николаевич
RU2665249C1
Устройство квантовой рассылки симметричной битовой последовательности на поднесущей частоте модулированного излучения с гомодинным методом приема 2020
  • Гончаров Роман Константинович
  • Самсонов Эдуард Олегович
  • Зиновьев Александр Вячеславович
  • Фадеев Максим Алексеевич
  • Сантьев Алексей Альбертович
  • Первушин Борис Евгеньевич
  • Егоров Владимир Ильич
  • Глейм Артур Викторович
  • Наседкин Борис Александрович
RU2758709C1
Устройство квантовой рассылки ключа на боковых частотах, устойчивое к поляризационным искажениям сигнала в волоконно-оптических линиях связи 2019
  • Смирнов Семен Владимирович
  • Чистяков Владимир Викторович
  • Кынев Сергей Михайлович
  • Иванова Алена Евгеньевна
  • Егоров Владимир Ильич
  • Глейм Артур Викторович
RU2747164C1
СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ КВАНТОВОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КЛЮЧА ПО ПОДВЕСНОМУ ВОЛОКНУ 2021
  • Курочкин Юрий Владимирович
  • Фатьянов Олег Владимирович
  • Дуплинский Александр Валерьевич
RU2771775C1
Система релятивистской квантовой криптографии 2017
  • Кравцов Константин Сергеевич
  • Кулик Сергей Павлович
  • Молотков Сергей Николаевич
  • Радченко Игорь Васильевич
  • Рубен Евгений Александрович
  • Страупе Станислав Сергеевич
  • Бобров Иван Борисович
  • Ковлаков Егор Витальевич
  • Буренков Иван Александрович
RU2667755C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 794 954 C1

Реферат патента 2023 года Способ и устройство генерации квантовых состояний для протоколов с распределенным фазовым кодированием

Изобретение относится к области квантового распределения ключей шифрования, в частности для генерации последовательности когерентных импульсов в протоколах с распределенным фазовым кодированием. Техническим результатом является устранение влияния временной когерентности лазера на количество оптических импульсов в квантовом состоянии для протоколов с распределенным фазовым кодированием; уменьшение энергозатрат при формировании квантовых состояний для протоколов с распределенным фазовым кодированием; возможность сужения полосы пропускания модулятора интенсивности. Устройство для генерации квантовых состояний для протоколов с распределенным фазовым кодированием включает импульсный лазер, оптический кольцевой резонатор, включающий светоделитель, модулятор интенсивности, модулятор фазы, аттенюатор, электронное устройство управления, выполненное с возможностью формирования и подачи управляющих сигналов на модуляторы интенсивности и фазы с длительностью, равной или большей длительности оптического импульса, регулирования задержек между управляющими сигналами, подаваемыми на лазер, модулятор фазы и модулятор интенсивности, выбора квантового состояния с помощью датчика случайных чисел. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Формула изобретения RU 2 794 954 C1

1. Устройство для генерации квантовых состояний для протоколов с распределенным фазовым кодированием, включающее импульсный лазер,

оптический кольцевой резонатор,

имеющий вход и выход и включающий светоделитель с двумя входами и двумя выходами,

модулятор интенсивности,

модулятор фазы,

аттенюатор,

электронное устройство управления, связанное с лазером, модулятором фазы и модулятором интенсивности и выполненное с возможностью формирования управляющих сигналов, подаваемых на лазер, модулятор интенсивности и модулятор фазы,

подачи управляющих сигналов на модуляторы интенсивности и фазы с длительностью, равной или большей длительности оптического импульса,

регулирования задержек между управляющими сигналами, подаваемыми на лазер, модулятор фазы и модулятор интенсивности, выбора квантового состояния с помощью датчика случайных чисел;

причем

импульсный лазер соединен со входом оптического кольцевого резонатора,

выход оптического кольцевого резонатора соединен со входом модулятора интенсивности,

выход модулятора интенсивности соединен со входом модулятора фазы,

выход модулятора фазы соединен с аттенюатором; при этом в оптическом кольцевом резонаторе

первый вход светоделителя является входом резонатора, второй выход светоделителя является выходом резонатора, первый выход и второй вход светоделителя соединены,

время обхода резонатора светом больше или равно длительности оптического импульса,

оптический импульс, поступающий на первый вход светоделителя, проходит к первому выходу светоделителя с коэффициентом пропускания Т и отражается ко второму выходу светоделителя с коэффициентом отражения R, причем Т+R=1.

2. Способ генерации квантовых состояний, заключающийся в том, что задают требуемое число импульсов N в квантовом состоянии; задают число d, равное отношению мощности остаточного импульса в резонаторе к мощности импульса, поступающего от лазера для формирования нового квантового состояния;

задают число импульсов b, которые блокируются перед формированием нового квантового состояния;

задают коэффициент отражения мощности света в светоделителе оптического резонатора R, удовлетворяющий условию R≤d1/(N-1+b); формируют с помощью датчика случайных чисел битовую строку длиной N;

генерируют лазером оптический импульс мощностью Plas; формируют квантовое состояние, состоящее из N когерентных оптических импульсов, выполняя следующие действия:

подают оптический импульс мощностью Plas на вход кольцевого резонатора;

получают на выходе кольцевого резонатора последовательность оптических импульсов;

блокируют оптический импульс мощностью Р0=Plas⋅R с помощью модулятора интенсивности;

ослабляют модулятором интенсивности мощность каждого последующего оптического импульса Pn на величину RN-n, где n - номер импульса в последовательности, n=1, 2…N;

блокируют модулятором интенсивности b импульсов с номерами больше N;

получают на выходе из модулятора интенсивности последовательность из N импульсов с одинаковой мощностью Plas⋅T2⋅RN-1;

передают полученную последовательность оптических импульсов на модулятор фазы;

подают на модулятор фазы управляющий сигнал, соответствующий значению в битовой строке;

передают полученную последовательность модулированных по фазе оптических импульсов на вход аттенюатора для ослабления до квазиоднофотонного уровня;

получают на выходе аттенюатора квантовое состояние;

направляют сгенерированное квантовое состояние по назначению.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2023 года RU2794954C1

CN 1897519 A, 17.01.2007
CN 103048843 B, 28.01.2015
Токарный резец 1924
  • Г. Клопшток
SU2016A1
СПОСОБ И УСТРОЙСТВО КВАНТОВОЙ ОБРАБОТКИ 2016
  • Лехнер Вольфганг
  • Хауке Филипп
  • Цоллер Петер
RU2742504C2
Манекен 1936
  • Потураева Л.А.
SU51757A1

RU 2 794 954 C1

Авторы

Алфёров Сергей Владимирович

Паргачёв Иван Андреевич

Даты

2023-04-26Публикация

2022-12-16Подача