ДЕМОНСТРАЦИОННЫЙ СИМУЛЯТОР СИСТЕМЫ КВАНТОВОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КЛЮЧА Российский патент 2023 года по МПК H04L9/08 

Описание патента на изобретение RU2795245C1

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к обучающим стендам в области квантовой физики и может быть использовано для демонстрации базовых принципов системы квантового распределения ключа (КРК), а также для обучения основам квантовой информатики на примере поляризационного кубита.

Уровень техники

Из уровня техники известны обучающие стенды и установки в области квантовой физики.

Из патента RU 2734455 известен учебно-научный лабораторный стенд для квантовой оптики и квантовой информатики, позволяющий проводить исследования поляризационных и корреляционных свойств однофотонных, бифотонных, когерентных и тепловых световых полей, интерференции Хонга-Оу-Манделя и гомодинного детектирования. Учебно-научный лабораторный стенд включает последовательно соединенные оптической связью модуль лазера накачки, модуль источника бифотонов, модули поляризационных измерений в каналах А и В, модуль корреляционных измерений, выполненный с возможностью подключения к компьютеру, а также модуль источника когерентных и тепловых состояний и модуль гомодинного детектирования, где модуль источника когерентных и тепловых состояний выполнен с возможностью соединения оптической связью либо с модулями поляризационных измерений в каналах А и В, либо с модулем гомодинного детектирования, а модуль гомодинного детектирования выполнен с возможностью подключения к компьютеру, при этом модуль лазера накачки содержит лазер с контроллером тока и температуры, модуль источника бифотонов содержит расположенные на одном оптическом пути контроллер поляризации бифотонного излучения, нелинейные кристаллы, систему разделения излучения бифотонов и излучения накачки; каналы А и В модулей поляризационных измерений содержат контроллеры поляризации бифотонного излучения, поляризационный фильтр и/или светоделитель; модуль корреляционных измерений содержит однофотонные детекторы, соединенные с коррелятором импульсов, выполненным с возможностью подключения к компьютеру; модуль источника когерентных и тепловых состояний содержит лазер, соединенный оптической связью со светоделителем, выполненным с возможностью деления света на два канала, в одном из которых расположен матовый диск, выполненный с возможностью вращения вокруг своего центра для модулирования случайным образом излучения лазера по фазе и амплитуде, при этом оба канала выполнены с возможностью подключения к модулям поляризационных измерений и модулю гомодинного детектирования; модуль гомодинного детектирования содержит первый поляризационный светоделитель, входы которого выполнены с возможностью подключения к выходам источника когерентных и тепловых состояний, а в его выходном канале расположен контроллер поляризации, второй поляризационный светоделитель и соединенные с ним оптической связью детекторы света. Данный стенд позволяет реализовать систему квантового распределения ключа, но при этом передаются состояния света с малым числом фотонов, невидимые глазом, что затрудняет понимание принципов системы КРК.

Из описания к патенту RU2722133 известная учебная установка для выполнения экспериментов по квантовой оптике для целей изучения протоколов квантовой криптографии, содержащая передающий и принимающий блоки, соединенные квантовым каналом передачи данных, при этом передающий блок содержит зеркало Фарадея, фазовый модулятор, соединенный через накопительную линию с переменным оптическим аттенюатором, светоделитель и синхронизирующий детектор; принимающий блок содержит лазерный модуль, соединенный с циркулятором, который соединен с первым детектором одиночных фотонов (ДОФ), светоделитель, соединенный со вторым ДОФ, фазовый модулятор, соединенный через линию задержки с поляризационным светоделителем; причем передающий блок содержит функциональную программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС), соединенную с управляющей ПЛИС, подключенной к первому управляющему вычислительному устройству, при этом функциональная ПЛИС обеспечивает задержку электрических импульсов для обеспечения их прихода к фазовому модулятору в требуемое время; принимающий блок содержит функциональную ПЛИС, соединенную с управляющей ПЛИС, подключенной к первому управляющему вычислительному устройству, при этом функциональная ПЛИС обеспечивает укорачивание до нескольких наносекунд электрического импульса, посылаемого лазерным модулем; и первое и второе вычислительные устройства обеспечивают управление процессом квантового распределения ключа. Данная установка является, по сути, действующей системой квантового распределения ключа, однако она плохо подходит для демонстрации его принципов, поскольку в ней передаются световые импульсы с малым числом фотонов, не видимые глазом. Кроме того, при реализации данная система собирается из оптоволоконных элементов и работает на длине волны 1550 нм, что также делает невозможным наблюдение распределения ключей невооруженным глазом.

Известен модуль классической поляризации, учебно-научного комплекса для проведения лабораторных работ по квантовой оптике и квантовой информатике (https://quantum.msu.ru/ru/education/lab-exercise/polarization-optics), включающий: источник лазерного излучения, блок приготовления некоторого состояния поляризационного кубита, включающий две фазовые пластинки (полуволновую и четвертьволновую), для формирования поляризационного состояния лазерного излучения, прошедшего через упомянутый блок, блок измерения приготовленного состояния поляризационного кубита, включающий расположенные по ходу оптического луча: две фазовые пластинки (полуволновую и четвертьволновую), для преобразования поляризационного состояния лазерного излучения, прошедшего через них, поляризационный светоделитель, и пару фотодетекторов, установленные в выходных каналах светоделителя, при этом источник лазерного излучения и детекторы жестко зафиксированы на основании, фазовые пластинки выполнены съемными с возможностью изменения их углов поворота вокруг их оптической оси, а светоделитель дополнительно выполнен с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном оптическому тракту. Этот модуль позволяет демонстрировать и исследовать поляризационные свойства света, однако не позволяет симулировать результат измерений однофотонных и квазиоднофотонных состояний света.

Наиболее близким к заявляемому решению является демонстрационный комплект оборудования для обучения квантовой криптографии (https://www.thorlabs.com/_sd.cfm?fileName=MTN005660-D02.pdf&partNumber=EDU-QCRY1), содержащий передающую станцию, состоящую из источника лазерного излучения, соединенного с блоком управления, и полуволновой фазовой пластинки, приемной станции, состоящей из полуволновой фазовой пластинки, поляризационного светоделителя и пары детекторов, соединенных с приемным электронным блоком, а также съемный блок перехватывающей станции, состоящей из полуволновой фазовой пластинки, поляризационного светоделителя, пары детекторов, соединенных с приемным электронным блоком, источника лазерного излучения, соединенного с блоком управления, и полуволновой фазовой пластинки. Блок управления позволяет формировать лазерные импульсы, а приемный электронный блок позволяет симулировать работу однофотонных детекторов при условии ослабления входного излучения. Таким образом, данный стенд с одной стороны позволяет познакомиться с принципами КРК, с другой стороны — использует видимое глазом лазерное излучение, однако, обладает очень ограниченным функционалом, по исследованию и демонстрации различных свойств систем КРК, а именно: блок управления не позволяет менять режим работы лазера, а также управлять параметрами лазерных импульсов, приемный блок не позволяет симулировать разные варианты статистики входного излучения, а также разные параметры детекторов, наконец, использование лишь одной полуволновой фазовой пластинки в передающей и в приемной станции существенно ограничивает набор используемых протоколов КРК и возможности отладки. Более того, в описанной системе фазовые пластинки установлены в подвижки, допускающие лишь 2 или 4 позиции угла поворота, что еще сильнее ограничивает функционал системы.

Технической проблемой является демонстрация принципов квантового распределения ключа для широкого набора протоколов и широкого диапазона характеристик оборудования (потери в канале связи, квантовая эффективность и характеристики шумов детекторов и пр.) с помощью видимого глазом излучения.

Раскрытие изобретения

Техническим результатом изобретения является симуляция результатов измерений, выполняемых в реальных системах квантового распределения ключа, работающих по различным протоколам (на пример BB84, B92, SARG04, протокол на 6 состояниях, протокол на геометрически однородных когерентных состояниях и др.), с различной статистикой входного излучения (Пуассоновской, однофотонной, однофотонной с потерями) и разными параметрами однофотонных детекторов (квантовая эффективность, вероятность шумового отсчета, возможность разрешения числа фотонов), на основе показаний реальных фотодетекторов, регистрирующих лазерное излучение, видимое невооруженным глазом.

Технический результат достигается посредством создания демонстрационного симулятора системы квантового распределения ключа включающего источник лазерного излучения, соединенный с контроллером источника лазерного излучения, выполненным с возможностью формирования отдельных импульсов, кодирующих отдельные кубиты в системе квантового распределения ключа, изменения длительности и энергии импульсов, а также с возможностью работы в непрерывном режиме с контролируемой мощностью, блок приготовления некоторого состояния поляризационного кубита, включающий по меньшей мере одну приготовительную фазовую пластинку (полуволновую), установленную на подвижке, обеспечивающей вращение вокруг оси оптического луча, для формирования поляризационного состояния лазерного излучения, прошедшего через упомянутый блок, блок измерения приготовленного состояния поляризационного кубита, включающий расположенные по ходу оптического луча: по меньшей мере одну приготовительную фазовую пластинку (полуволновую), установленную на подвижке, обеспечивающей вращение вокруг оси оптического луча, для преобразования поляризационного состояния лазерного излучения, прошедшего через нее, поляризационный светоделитель, и пару фотодетекторов, установленных в выходных каналах светоделителя, АЦП, соединенный с детекторами блока измерения, и компьютер, соединенный с АЦП и с контроллером источника лазерного излучения, при этом

компьютер содержит блок обработки данных, выполненный с возможностью преобразования данных, поступающих с АЦП в количество зарегистрированных фотонов, при условии ослабления входного излучения до однофотонного или квазиоднофотонного уровня,

источник лазерного излучения и детекторы жестко зафиксированы на основании, фазовые пластинки выполнены съемными с возможностью изменения их углов поворота вокруг их оптической оси, а светоделитель дополнительно выполнен с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном оптическому тракту.

Блок приготовления и блок измерения могут содержать дополнительно по одной (четвертьволновой) фазовой пластинке, установленной на подвижке, обеспечивающей вращение вокруг оси оптического луча, на одном оптическом пути с полуволновыми фазовыми пластинками, при этом в блоке приготовления четвертьволновая фазовая пластинка установлена перед полуволновой, а в блоке измерения четвертьволновая фазовая пластинка установлена после полуволновой.

Блок обработки данных выполнен с возможностью преобразования данных, поступающих с АЦП в количество зарегистрированных фотонов, при условии того, что входное лазерное излучение ослаблено в заданное число раз, либо при условии того, что излучение после блока приготовления содержит ровно один фотон, либо при условии того, что при измерении регистрируется ровно один фотон. Также предусмотрена возможность симуляции детекторов различающих и не различающих число фотонов. Кроме того, в блоке присутствует возможность симуляции темновых отсчетов.

Между блоком приготовления и блоком измерения могут быть установлены дополнительные элементы, такие как поляроид, используемый для анализа поляризационного состояния лазерного излучения, фазовая пластинка для симуляции поляризационных преобразований, в оптическом канале, оптический аттенюатор для симуляции потерь, в оптическом канале.

Таким образом, достижение технического результата обеспечивается за счет совмещения простой и наглядной оптической схемы, работающей в видимом диапазоне, с блоком обработки данных, позволяющего на основе реальных измерений, проводимых над видимым глазом лазерным излучением, симулировать результат измерения, который происходил бы в той же оптической системе при условии однофотонного или квазиоднофотонного состояния на входе и однофотонных детекторов в измерительной схеме. Спецификой алгоритмов обработки данных является возможность симуляции различных вариантов статистики фотонов, а также различных вариантов параметров детекторов.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется чертежом, на котором схематично представлен вариант реализации демонстрационного симулятора системы квантового распределения ключа, где: 1 — источник лазерного излучения, 2, 5 — четвертьволновые фазовые пластинки, 3, 4 — полуволновые фазовые пластинки, 6 — поляризационный светоделитель, установленный на трансляционную подвижку, 7 — поляроид, 8 — оптический аттенюатор, 9 — фазовая пластинка, 10, 11 — фотодетекторы, 12 — контроллер лазера, 13 — АЦП, 14 — компьютер, включающий блок обработки данных.

Осуществление изобретения

Далее представлено подробное описание заявляемого демонстрационного симулятора системы квантового распределения ключа, не ограничивающее его сущность, представленную в независимом пункте формулы изобретения, а лишь демонстрирующее возможность реализации изобретения с достижением технического результата.

Симулятор системы квантового распределения ключа включает источник лазерного излучения (1), соединенный с контроллером источника лазерного излучения (12), подключенным к компьютеру (14), а также блок приготовления некоторого состояния поляризационного кубита и блок измерения приготовленного состояния поляризационного кубита, детекторы которого соединены с АЦП (13) и также подключены к компьютеру (14).

Источник лазерного излучения (1) выполнен в виде лазерного диодного модуля мощностью 1-10 мВт, излучающего на длине волны 500-700 нм. Контроллер источника лазерного излучения выполнен с возможностью формирования отдельных импульсов, кодирующих отдельные кубиты в системе квантового распределения ключа, изменения длительности и энергии импульсов, а также с возможностью работы в непрерывном режиме с контролируемой мощностью. Блок приготовления некоторого состояния поляризационного кубита, включает по меньшей мере одну приготовительную фазовую пластинку нулевого порядка (3) на длине волны лазерного излучения, установленную на подвижке, обеспечивающей вращение вокруг оси оптического луча, для формирования поляризационного состояния лазерного излучения, прошедшего через упомянутый блок.

Блок измерения приготовленного состояния поляризационного кубита, включает расположенные по ходу оптического луча: по меньшей мере одну приготовительную фазовую пластинку (полуволновую) нулевого порядка на длине волны лазерного излучения (4), установленную на подвижке, обеспечивающей вращение вокруг оси оптического луча, для преобразования поляризационного состояния лазерного излучения, прошедшего через нее, поляризационный светоделитель (6), и пару фотодетекторов (10, 11), установленных в выходных каналах светоделителя.

Компьютер содержит блок обработки данных, выполненный с возможностью преобразования данных, поступающих с АЦП (13) в количество зарегистрированных фотонов, при условии ослабления входного излучения до однофотонного или квазиоднофотонного уровня.

Источник лазерного излучения (1) и детекторы (10, 11) жестко зафиксированы на основании, фазовые пластинки (2, 3, 4, 5, 9) и поляроид (7) выполнены съемными с возможностью изменения их углов поворота вокруг их оптической оси, а светоделитель (6) установлен на транслятор, обеспечивающий возможность перемещения в направлении, перпендикулярном оптическому тракту.

Блок приготовления и блок измерения могут содержать дополнительно по одной (четвертьволновой) фазовой пластинке нулевого порядка на длине волны лазерного излучения (2, 5), установленной на подвижке, обеспечивающей вращение вокруг оси оптического луча, на одном оптическом пути с полуволновыми фазовыми пластинками, при этом в блоке приготовления четвертьволновая фазовая пластинка (2) установлена перед полуволновой (3), а в блоке измерения четвертьволновая фазовая пластинка (5) установлена после полуволновой (4).

Блок обработки данных выполнен с возможностью преобразования данных, поступающих с АЦП (13) в количество зарегистрированных фотонов, при условии того, что входное лазерное излучение ослаблено в заданное число раз, либо при условии того, что излучение после блока приготовления содержит ровно один фотон, либо при условии того, что при измерении регистрируется ровно один фотон. Также предусмотрена возможность симуляции детекторов различающих и не различающих число фотонов. Кроме того, в блоке присутствует возможность симуляции темновых отсчетов.

Между блоком приготовления и блоком измерения могут быть установлены дополнительные элементы, такие как поляроид (7), используемый для анализа поляризационного состояния лазерного излучения, фазовая пластинка (9) для симуляции поляризационных преобразований, в оптическом канале, оптический аттенюатор (8) для симуляции потерь, в оптическом канале.

Заявляемый демонстрационный симулятор системы квантового распределения ключа работает следующим образом.

В процессе выполнения лабораторных работ с компьютера (14) подаются управляющие команды на контроллер источника лазерного излучения (12). В соответствии с управляющими командами с контроллера источника лазерного излучения (12) подается электрический ток заданной мощности на источник лазерного излучения (1). Под действием электрического тока в источнике лазерного излучения (1) происходит генерация лазерного излучения в виде оптического луча. Оптический луч последовательно проходит через фазовые пластинки (2, 3) блока приготовления, затем через дополнительно установленные элементы, такие как поляроид (7), аттенюатор (8) иди фазовая пластинка (9). Затем оптический луч проходит через фазовые пластинки блока измерения (4, 5), разделяется на пару пучков на поляризационном светоделителе (6), каждый из которых затем попадает в один из фотодетекторов (10, 11). Под действием оптических пучков фотодетекторы генерируют электрический ток, который поступает на АЦП (13), который преобразует напряжение поступающего на него тока в управляющие команды, передаваемые на компьютер. Блок обработки данных, установленный в компьютере, преобразует переданные в виде управляющих команд значения напряжений в числа зарегистрированных фотонов.

Ниже приведены примеры лабораторных работ, которые могут быть выполнены на представленном стенде.

1. Квантовый генератор случайных чисел. Задача выполняется в два этапа. На первом этапе блок обработки данных в режиме реального времени показывает сигнал, пропорциональный мощности, регистрируемой фотодетекторами. Лазер работает в непрерывном режиме. Углы поворота поляризационных элементов подбираются таким образом, чтобы обеспечить одинаковый сигнал от обоих фотодетекторов (10, 11). Затем параметры блока обработки данных изменяются таким образом, чтобы в соответствии с каждым новым значением мощности, регистрируемым каждым из фотодетекторов (10, 11), генерировать случайную величину с пуассоновским распределением, математическое ожидание которого пропорционально зарегистрированному значению мощности. Коэффициент пропорциональности задаются в виде входных параметров программы блока обработки данных. В результате выводится два синхронных набора случайных величин, являющихся исходными данными для последующей обработки, после которой можно получить набор равномерно распределенных битов.

2. Реализация протокола квантового распределения ключа BB84. Для выполнения этой задачи между блоком приготовления и блоком измерения не должно быть дополнительных элементов. На первом этапе генерируются три последовательности случайных бит равной длины. Для этого может быть использован квантовый генератор случайных чисел, симуляция которого описана в предыдущем пункте. Биты первой последовательности определяют базис, используемый Алисой, биты второй — передаваемое значение бита, биты третей последовательности — используемый базис Боба. В зависимости от первых двух битов полуволновая фазовая пластинка (3) выставляется под следующими углами: 00 — 0˚, 01 — 45˚, 10 — 22,5˚, 11 — -22,5˚. В зависимости от значения третьего бита фазовая пластинка (4) выставляется под следующими углами: 0 — 0˚, 1 — 22,5˚. После того, как углы фазовых пластинок выставлены, запускается цикл измерений. На контроллер источника лазерного излучения (12) отправляется команда, соответствующая генерации одного импульса. При этом синхронно считываются значения мощности, зарегистрированные каждым из фотодетекторов (10, 11). Затем программа блока обработки данных генерирует случайный бит, причем вероятность значения «0» равна отношению значения мощности, измеренного фотодетектором (10) к сумме значений мощностей, зарегистрированных обоими фотодетекторами (10, 11). После этого цикл повторяется. В результате, образуется последовательность бит, которая после постобработки превращается в ключ.

3. Исследование зависимости уровня ошибок от параметров системы КРК. Для выполнения этой задачи между блоком приготовления и блоком измерения помещается оптический аттенюатор. Фазовые пластинки блока приготовления и блока измерения устанавливаются одинаково. Для оценки уровня ошибок передается последовательно определенное количество импульсов (на пример, 1000), и определяется количество фотонов, зарегистрированых в каждом из каналов, и на основе полученных данных оценивается доля ошибок. При этом изменяются параметры программы блока обработки данных, такие как: квантовая эффективность детектора, вероятность шумового отсчета, среднее число фотонов на выходе из блока приготовления, тип статистики фотонов (Пуассоновская статистика или однофотонная с потерями), а также изменяется уровень оптических потерь, вносимых аттенюатором.

Все перечисленные выше исследования были проведены на демонстрационном симуляторе системы квантового распределения ключа, который был изготовлен по схеме, представленной на чертеже. При этом была использована элементная база, представленная в перечисленных интернет-источниках:

(1) источник лазерного излучения (https://www.chipdip.ru/product/komoloff-s-5) мощностью 5 мВт на длине волны 635 нм,

(2, 5) четвертьволновые фазовые пластинки нулевого порядка на длине волны 633 нм диаметром 1” (https://www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=WPQ10ME-633),

(3, 4) полуволновые фазовые пластинки нулевого порядка на длине волны 633 нм диаметром 1” (https://www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=WPH10ME-633), установленные в поворотные юстировочные головки с возможностью подстройки нуля, с точностью установки угла 1 градус (https://www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=RSP1D/M)

(6) поляризационный светоделитель размером 20х20х20 мм, с коэффициентом экстинкции 1000:1 (https://www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=PBS202), установленный на транслятор с диапазоном перемещения 12,7 мм (https://www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=MT1B/M)

(7) поляроид с коэффициентом экстинкции 1000:1 в диапазоне 600-950 нм (https://www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=LPNIRE100-B ),

(8) оптический аттенюатор с перестраиваемой оптической плотностью от 0,04 до 3,0 (https://www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=NDC-50S-3 ),

(9) фазовая пластинка множественного порядка на длине волны 633 нм (https://www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=WPMH05M-633 ),

(10, 11) фотодетекторы с полосой пропускания до 11 МГц и эквивалентной мощностью шума от 2,67 до 71,7 пВт/Гц1/2 (https://www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=PDA100A2 ),

(12) контроллер лазера с двумя аналоговыми выходами с диапазоном до 10 В, разрешением 14 бит и частотой выборки 5 кГц (https://www.ni.com/pdf/manuals/374369a.pdf ),

(13) АЦП с 16 однополюсными каналами, диапазоном входного сигнала до 5 В, временем преобразования 50 мкс, разрядностью 10 бит (https://rudshel.ru/show.php?dev=38 ),

(14) компьютер с процессором AMD Ryzen серии 5000 с графикой Radeon, операционной системой Windows 10 Pro, 15,6-дюймовым дисплеем стандарта FHD (1920 × 1080), Твердотельным накопителем PCIe емкостью до 1 ТБ, встроенной видеокартой AMD Radeon, 32 МБ оперативной памяти, 2 портами USB Type-A (https://www.lenovo.com/ru/ru/laptops/thinkpad/thinkpad-l-series/L15-AMD-G2/p/22TPL15L5A2 ).

Блок обработки данных представлял собой виртуальный прибор, созданный в среде LabView. На вход программы поступают значения напряжений V1 и V2 детекторов (10) и (11), оцифрованные АЦП (13). На основе предварительно проведенной процедуры калибровки значениям напряжений V1 и V2 сопоставляются мощности W1 и W2 приходящего на детекторы излучения. Далее программа обрабатывает измеренные мощности в одном из следующих режимов.

1. Классический режим. Измеренные значения мощности W1 и W2 выводятся пользователю.

2. Однофотонный режим без учета потерь. В этом режиме считается, что один фотон точно зарегистрирован, но неизвестно, каким детектором. Тогда при каждом акте измерения программа генерирует случайную величину, равномерно распределенную от 0 до 1. Если эта величина меньше, чем P1=W1/(W1+W2), то программа выдает 1 отсчет в канале 1 и 0 отсчетов в канале 2. Если же случайная величина оказалась больше, чем P1, то программа выдает 1 отсчет в канале 2 и 0 отсчетов в канале 1.

3. Однофотонный режим с учетом потерь. В этом режиме считается, что источник излучил ровно один фотон. Тогда вероятность того, что этот фотон был зарегистрирован первым детектором равна P1=W1/W0, а вероятность того, что он зарегистрирован вторым детектором: P2=W2/W0. Здесь W0 – это мощность излучения лазера. Тогда алгоритм определения результатов измерения следующий. При каждом акте измерения программа генерирует случайную величину, равномерно распределенную от 0 до 1. Если эта величина меньше, чем P1, то программа выдает 1 отсчет в канале 1 и 0 отсчетов в канале 2. Если же случайная величина оказалась больше, чем P1, но меньше, чем P1+P2, то программа выдает 1 отсчет в канале 2 и 0 отсчетов в канале 1. Если же случайная величина оказалась больше, чем P1+P2, то программа выдает 0 отсчетов в обоих каналах.

4. Режим ослабленного лазерного излучения. В этом режиме считается, что на входе системы ослабленное лазерное излучение со средним числом фотонов n0, а регистрация происходит детекторами, различающими число фотонов. В этом случае для определения числа фотонов, зарегистрированного в канале 1 программа генерирует случайную величину, имеющую распределение Пуассона со математическим ожиданием n1=n0*W1/W0, а для определения числа фотонов, зарегистрированного в канале 2 программа генерирует случайную величину, имеющую распределение Пуассона со математическим ожиданием n2=n0*W2/W0. Опционально, можно реализовать симуляцию детекторов не различающих число фотонов. В этом случае, если соответствующая случайная величина принимает значение больше 1, то она приравнивается к 1.

5. Учет квантовой эффективности. В режимах работы 3 и 4 может быть учтены заданные значения квантовая эффективности детекторов k1 и k2. Тогда в формулы расчета вероятностей P1 и P2 и математических ожиданий n1 и n2 вместо величины W1 нужно подставить значение W1*k1, а вместо величины W2 нужно подставить значение W2*k2.

6. Учет темновых шумов. В режимах работы 2 - 4 могут быть дополнительно учтены вероятности темновых шумов детекторов d1 и d2. В этом случае к числу отсчетов в канале 1 добавляется случайная величина, которая с вероятностью 1-d1 принимает значение 0, а с вероятностью d2 принимает значение 1. Аналогично к числу отсчетов в канале 2 добавляется случайная величина, которая с вероятностью 1-d2 принимает значение 0, а с вероятностью d2 принимает значение 1. После чего в случае, когда симулируются детекторы, не различающие число фотонов, если число отсчетов в каком-либо канале оказалось больше 1, то оно приравнивается к 1.

Таким образом, заявляемый симулятор системы квантового распределения ключа позволяет симулировать результаты измерений, выполняемых в реальных системах квантового распределения ключа, работающих по различным протоколам (на пример BB84, B92, SARG04, протокол на 6 состояниях, протокол на геометрически однородных когерентных состояниях и др.), с различной статистикой входного излучения (Пуассоновской, однофотонной, однофотонной с потерями) и разными параметрами однофотонных детекторов (квантовая эффективность, вероятность шумового отсчета, возможность разрешения числа фотонов), на основе показаний реальных фотодетекторов, регистрирующих лазерное излучение, видимое невооруженным глазом.

Похожие патенты RU2795245C1

название год авторы номер документа
УЧЕБНО-НАУЧНЫЙ ЛАБОРАТОРНЫЙ СТЕНД ДЛЯ КВАНТОВОЙ ОПТИКИ И КВАНТОВОЙ ИНФОРМАТИКИ 2019
  • Катамадзе Константин Григорьевич
RU2734455C1
СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ КВАНТОВОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КЛЮЧА ПО ПОДВЕСНОМУ ВОЛОКНУ 2021
  • Курочкин Юрий Владимирович
  • Фатьянов Олег Владимирович
  • Дуплинский Александр Валерьевич
RU2771775C1
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
УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ОПТИЧЕСКОГО СИГНАЛА ОТ СПУТНИКА (ВАРИАНТЫ) 2021
  • Курочкин Юрий Владимирович
  • Курочкин Владимир Леонидович
  • Дуплинский Алексей Валерьевич
  • Майборода Владимир Федорович
  • Хмелев Александр Валерьевич
  • Бахшалиев Руслан Мухтарович
  • Письменюк Любовь Васильевна
  • Нестеров Иван Сергеевич
RU2767290C1
ПРОГРАММИРУЕМЫЙ ПОЛЯРИТОННЫЙ СИМУЛЯТОР 2020
  • Павлос Лагудакис
  • Сергей Юрьевич Аляткин
  • Алексис Аскитопулос
RU2745206C1
СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ КЛЮЧА ШИФРОВАНИЯ/РАСШИФРОВАНИЯ ПО ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЙ ЛИНИИ НЕОГРАНИЧЕННОЙ ДЛИНЫ 2017
  • Кулиш Ольга Александровна
  • Хисамов Франгиз Гильфанетдинович
  • Чернуха Юрий Владимирович
  • Шарифуллин Сергей Равильевич
  • Пшеничный Игорь Сергеевич
RU2661287C1
ОПТИЧЕСКАЯ СХЕМА ПРИЕМНИКА И СИСТЕМА ДЛЯ КВАНТОВОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КЛЮЧЕЙ 2021
  • Курочкин Юрий Владимирович
  • Курочкин Владимир Леонидович
RU2754390C1
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
Способ обнаружения атаки с ослеплением детекторов в системах квантовой криптографии с поляризационным кодированием 2021
  • Молотков Сергей Николаевич
RU2783977C1
Способ подавления квантовых шумов в оптической квантовой памяти на основе протокола восстановления подавленного фотонного эха в резонаторе (варианты) 2020
  • Моисеев Сергей Андреевич
  • Герасимов Константин Игоревич
  • Миннегалиев Мансур Марселевич
  • Урманчеев Равиль Василевич
  • Желтиков Алексей Михайлович
  • Федотов Андрей Борисович
RU2766051C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 795 245 C1

Реферат патента 2023 года ДЕМОНСТРАЦИОННЫЙ СИМУЛЯТОР СИСТЕМЫ КВАНТОВОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КЛЮЧА

Использование: для демонстрации базовых принципов системы квантового распределения ключа (КРК), а также для обучения основам квантовой информатики на примере поляризационного кубита. Сущность изобретения заключается в том, что демонстрационный симулятор системы квантового распределения ключа включает источник лазерного излучения, соединенный с контроллером источника лазерного излучения, выполненным с возможностью формирования отдельных импульсов, кодирующих отдельные кубиты в системе квантового распределения ключа, изменения длительности и энергии импульсов, а также с возможностью работы в непрерывном режиме с контролируемой мощностью; блок приготовления некоторого состояния поляризационного кубита, включающий по меньшей мере одну приготовительную фазовую пластинку (полуволновую), для формирования поляризационного состояния лазерного излучения, прошедшего через упомянутый блок; блок измерения приготовленного состояния поляризационного кубита, включающий расположенные по ходу оптического луча: по меньшей мере одну приготовительную фазовую полуволновую пластинку для преобразования поляризационного состояния лазерного излучения, прошедшего через нее, поляризационный светоделитель и пару фотодетекторов, установленных в выходных каналах светоделителя; АЦП, соединенный с детекторами блока измерения, и компьютер, соединенный с АЦП и с контроллером источника лазерного излучения. Компьютер содержит блок обработки данных, выполненный с возможностью преобразования данных, поступающих с АЦП в количество зарегистрированных фотонов, при условии ослабления входного излучения до однофотонного или квазиоднофотонного уровня. Источник лазерного излучения и детекторы жестко зафиксированы на основании, фазовые пластинки выполнены съемными с возможностью изменения их углов поворота вокруг их оптической оси, а светоделитель дополнительно выполнен с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном оптическому тракту. Технический результат: обеспечение возможности симуляции результатов измерений, выполняемых в реальных системах квантового распределения ключа, работающих по различным протоколам с различной статистикой входного излучения и разными параметрами однофотонных детекторов, на основе показаний реальных фотодетекторов, регистрирующих лазерное излучение, видимое невооруженным глазом. 12 з.п. ф-лы, 1 ил.

Формула изобретения RU 2 795 245 C1

1. Демонстрационный симулятор системы квантового распределения ключа, включающий:

источник лазерного излучения, соединенный с контроллером источника лазерного излучения, выполненным с возможностью формирования отдельных импульсов, кодирующих отдельные кубиты в системе квантового распределения ключа, изменения длительности и энергии импульсов, а также с возможностью работы в непрерывном режиме с контролируемой мощностью,

блок приготовления некоторого состояния поляризационного кубита, включающий по меньшей мере одну приготовительную полуволновую фазовую пластинку, для формирования поляризационного состояния лазерного излучения, прошедшего через упомянутый блок,

блок измерения приготовленного состояния поляризационного кубита, включающий расположенные по ходу оптического луча: по меньшей мере одну приготовительную фазовую пластинку (полуволновую), для преобразования поляризационного состояния лазерного излучения, прошедшего через нее, поляризационный светоделитель, и пару фотодетекторов, установленных в выходных каналах светоделителя,

АЦП, соединенный с детекторами блока измерения, и

компьютер, соединенный с АЦП и с контроллером источника лазерного излучения,

при этом компьютер содержит блок обработки данных, выполненный с возможностью преобразования данных, поступающих с АЦП в количество зарегистрированных фотонов, при условии ослабления входного излучения до однофотонного или квазиоднофотонного уровня,

при этом источник лазерного излучения и детекторы жестко зафиксированы на основании, фазовые пластинки выполнены съемными с возможностью изменения их углов поворота вокруг их оптической оси, а светоделитель дополнительно выполнен с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном оптическому тракту.

2. Демонстрационный симулятор по п.1, характеризующийся тем, что блок приготовления и блок измерения содержат дополнительно по одной четвертьволновой фазовой пластинке, установленных на одном оптическом пути с полуволновыми фазовыми пластинками.

3. Демонстрационный симулятор по п.2, характеризующийся тем, что в блоке приготовления четвертьволновая фазовая пластинка установлена перед полуволновой, а в блоке измерения четвертьволновая фазовая пластинка установлена после полуволновой.

4. Демонстрационный симулятор по п.1, характеризующийся тем, что блок обработки данных выполнен с возможностью преобразования данных, поступающих с АЦП в количество зарегистрированных фотонов, при условии того, что входное лазерное излучение ослаблено в заданное число раз.

5. Демонстрационный симулятор по п.1, характеризующийся тем, что блок обработки данных выполнен с возможностью преобразования данных, поступающих с АЦП в количество зарегистрированных фотонов, при условии того, что излучение после блока приготовления содержит ровно один фотон.

6. Демонстрационный симулятор по п.1, характеризующийся тем, что блок обработки данных выполнен с возможностью преобразования данных, поступающих с АЦП в количество зарегистрированных фотонов, при условии того, что при измерении регистрируется ровно один фотон.

7. Демонстрационный симулятор по п.4, характеризующийся тем, что блок обработки данных выполнен с возможностью преобразования данных, поступающих с АЦП в количество зарегистрированных фотонов, при условии того, что детекторы не различают число фотонов.

8. Демонстрационный симулятор по п.4, характеризующийся тем, что блок обработки данных выполнен с возможностью преобразования данных, поступающих с АЦП в количество зарегистрированных фотонов, при условии того, что детекторы различают число фотонов.

9. Демонстрационный симулятор по п.1, характеризующийся тем, что между блоком приготовления и блоком измерения установлен по меньшей мере один поляроид для анализа поляризационного состояния лазерного излучения.

10. Демонстрационный симулятор по п.1, характеризующийся тем, что между блоком приготовления и блоком измерения установлена по меньшей мере одна дополнительная фазовая пластинка для симуляции поляризационных преобразований, в оптическом канале.

11. Демонстрационный симулятор по п.1, характеризующийся тем, что между блоком приготовления и блоком измерения установлен оптический аттенюатор для симуляции потерь, в оптическом канале.

12. Демонстрационный симулятор по п.1, характеризующийся тем, что блок обработки данных выполнен с возможностью преобразования данных, поступающих с АЦП в количество зарегистрированных фотонов, при условии того, что детекторы могут выдавать случайные шумовые фотоотсчеты с заданной вероятностью.

13. Демонстрационный симулятор по п.1, характеризующийся тем, что вращение фазовой пластинки и светоделителя вокруг оптической оси реализовано посредством поворотных подвижек, выполненных с возможностью изменения угла поворота с точностью до 2 градусов.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2023 года RU2795245C1

Приспособление для точного наложения листов бумаги при снятии оттисков 1922
  • Асафов Н.И.
SU6A1
СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ КЛЮЧА ШИФРОВАНИЯ/РАСШИФРОВАНИЯ ПО ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЙ ЛИНИИ НЕОГРАНИЧЕННОЙ ДЛИНЫ 2017
  • Кулиш Ольга Александровна
  • Хисамов Франгиз Гильфанетдинович
  • Чернуха Юрий Владимирович
  • Шарифуллин Сергей Равильевич
  • Пшеничный Игорь Сергеевич
RU2661287C1
СПОСОБ И УСТРОЙСТВО КВАНТОВОЙ ОБРАБОТКИ 2016
  • Лехнер Вольфганг
  • Хауке Филипп
  • Цоллер Петер
RU2742504C2
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТОЯНИЯ КУБИТА 2013
  • Ахмеджанов Ринат Абдулхаевич
  • Бондарцев Александр Анатольевич
  • Гущин Лев Анатольевич
  • Зеленский Илья Владимирович
  • Литвак Александр Григорьевич
  • Собгайда Дмитрий Алексеевич
RU2538296C2
US 2016352515 A1, 01.12.2016
US 2007076871 A1, 05.04.2007.

RU 2 795 245 C1

Авторы

Катамадзе Константин Григорьевич

Даты

2023-05-02Публикация

2021-12-28Подача