СПОСОБ И СХЕМА СИНХРОНИЗАЦИИ АКТИВНОГО СБРОСА И ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДЕТЕКТОРОВ ОДИНОЧНЫХ ФОТОНОВ В СИСТЕМЕ КВАНТОВОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КЛЮЧА Российский патент 2023 года по МПК G01J11/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Настоящее техническое решение относится к области квантовых технологий, в частности к способу и схему синхронизации активного сброса и восстановления детекторов одиночных фотонов (ДОФ) в системе квантового распределения ключа (КРК).

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] В системах КРК используется кодирование в ортогональном базисе сигналов и для получения максимальной скорости генерации ключа всегда применяется два детектора одиночных фотонов - на каждое состояние в базисе. Одной из уязвимостей подобных систем КРК является возможность атаки через мертвое время детектора [Weier Н. et al. Quantum eavesdropping without interception: an attack exploiting the dead time of single-photon detectors //New Journal of Physics. - 2011. - T. 13. - №. 7. - C. 073024.]. Безопасность квантового распределения ключей может быть легко нарушена, если подслушивающий может использовать технические недостатки в фактической реализации. Используя эффект мертвого времени однофотонных детекторов, подслушивающий может получить (асимптотически) полную информацию о сгенерированных ключах, не будучи обнаруженным современными протоколами КРК, что является существенным недостатком такого подхода построения систем КРК.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0003] Заявленное изобретение позволяет решить техническую проблему в части повышения защищенности работы в системе КРК двух и более ДОФ.

[0004] Решением для избежания вышеуказанной атаки в заявленном решении предлагается использовать схему синхронизации отключения выходного компаратора. Подобная мера отключает цифровой выход детектора на «мертвое» время сработавшего, таким образом не позволяя возможному злоумышленнику воспользоваться уязвимостью и захватить контроль над несработавшим детектором. При этом несработавший детектор находится в рабочем состоянии, то есть сам однофотонный лавинный фотодиод (ОЛФД) находится в гейгеровском режиме, соответственно, через него может протекать ток, который заряжает ловушки в структуре ОЛФД, повышая таким образом вероятность послеимпульса по окончании «мертвого» времени сработавшего детектора. Использование схемы синхронизации активного сброса ДОФ позволяет, в свою очередь, не только защититься от вышеуказанной атаки, но и уменьшить вероятность послеимпульса у несработавшего детектора, так как в течение всего «мертвого» времени сработавшего детектора он также будет выведен из гейгеровского режима.

[0005] Техническим результатом является повышение защиты системы КРК, за счет снижения вероятности атаки на мертвое время детекторов одиночных фотонов.

[0006] Заявленный технический результат достигается за счет способа синхронизации двух детекторов одиночных фотонов (ДОФ) в системе квантового распределения ключа (КРК), в которой

каждый ДОФ содержит приемник оптического излучения, компаратор, соединенный с блоком формирования выходного импульса, связанный с блоком формирования импульса активного восстановления, причем

в случае срабатывания одного ДОФ, от упомянутого ДОФ выполняется передача сигнала, равного длительности импульса восстановления, на второй ДОФ, который в ответ на получение упомянутого сигнала осуществляет блокировку компаратора, и формирует импульс восстановления своего оптического приемника.

[0007] В одном из частных вариантов осуществления способа ДОФ соединены посредством синхронизирующего входа-выхода.

[0008] В другом частном варианте осуществления способа приемник оптического излучения представляет собой лавинный фотодиод.

[0009] Заявленный технический результат также достигается за счет схемы синхронизации двух детекторов одиночных фотонов (ДОФ) в системе квантового распределения ключа (КРК), содержащая соединенные ДОФ, в которой

каждый ДОФ содержит приемник оптического излучения, компаратор, соединенный с блоком формирования выходного импульса, связанный с блоком формирования импульса активного восстановления, причем

в случае срабатывания одного ДОФ, от упомянутого ДОФ выполняется передача сигнала, равного длительности импульса восстановления, на второй ДОФ, который в ответ на получение упомянутого сигнала осуществляет блокировку компаратора, и формирует импульс восстановления своего оптического приемника.

ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0010] На Фиг. 1 представлена схема соединения детекторов одиночных фотонов.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0011] На Фиг. 1 представлена заявленная схема синхронизации (100) работы двух ДОФ (10, 20). ДОФ (10, 20) могут выполняться различной конфигурации и соединяться как с помощью проводной связи (например, оптоволокно), так и размещаться на единой интегральной схеме или плате. Каждый ДОФ (10, 20) содержит оптический приемник в виде лавинного фотодиода (не показан на Фиг. 1), который передается сигналы на компаратор (101, 201). Компаратор (101, 201) соединяется с блоком формирования выходного импульса (102, 202), связанный с блоком формирования импульса активного восстановления (104, 204) через элемент ИЛИ (103, 203).

[0012] Заявленное решение работает следующим образом. При регистрации одним ДОФ, например, ДОФ (10) оптического сигнала на вход компаратора (101) поступает лавинный сигнал, вызывающий его срабатывание. Сигнал с выхода компаратора (101) поступает на блок формирователя выходного импульса (102), откуда он поступает на элемент ИЛИ (103), который блокирует выход компаратора (101), чтобы электронный шум, сопровождающий лавинный сигнал, не спровоцировал его повторных срабатываний и, соответственно, лишних кликов на оконечном устройстве КРК.

[0013] Тот же сигнал, что поступил с выхода формирователя выходного импульса (102) на элемент ИЛИ (103), запускает процесс формирования импульса активного восстановления на блок (104), по длительности соответствующего мертвому времени детектора (10). Этот импульс, в свою очередь, попадает на ОЛФД и переводит его в линейный режим, препятствуя при этом накоплению заряда в ловушках структуры. Это позволяет уменьшить вероятность послеимпульса.

[0014] Одновременно с этим импульс, запустивший вышеизложенные процессы на элементе ИЛИ (103), с синхронизирующего выхода SYNC OUT поступает на синхронизирующий вход SYNC IN несработавшего ДОФ (20). С этого входа сигнал с небольшой задержкой относительно сработавшего ДОФ (10) запускает процессы блокировки компаратора (201) и формирования импульса восстановления на блоке (204) на ОЛФД ДОФ (20), таким образом делая невозможным регистрацию ДОФ (20) фотонов или темновых срабатываний в течение всего мертвого времени. Следует отметить, что мертвое время обоих детекторов не обязательно должно быть одинаковым. Когда мертвое время ДОФ (10) заканчивается, соответственно, происходит разблокировка компаратора (101), и ОЛФД возвращается в гейгеровский режим. То же происходит и на ДОФ (20).

[0015] В случае, когда ДОФ (20) зарегистрирует срабатывание, у ДОФ (10) в соответствии с алгоритмом схемы будет отключен выход и его ОЛФД будет введен в линейный режим для предотвращения лавинной генерации в течение мертвого времени ДОФ (20).

Настоящее техническое решение относится к области квантовых технологий, в частности к способу и схеме синхронизации активного сброса и восстановления детекторов одиночных фотонов (ДОФ) в системе квантового распределения ключа (КРК). Техническим результатом является повышение защиты системы КРК, за счет снижения вероятности атаки на мертвое время детекторов одиночных фотонов. Заявленный технический результат достигается за счет способа синхронизации двух ДОФ в системе КРК, в которой каждый ДОФ содержит приемник оптического излучения, компаратор, соединенный с блоком формирования выходного импульса, связанный с блоком формирования импульса активного восстановления, причем в случае срабатывания одного ДОФ, от упомянутого ДОФ выполняется передача сигнала, равного длительности импульса восстановления, на второй ДОФ, который в ответ на получение упомянутого сигнала осуществляет блокировку компаратора, и формирует импульс восстановления своего оптического приемника. 2 н. и 2.з.п, ф-лы, 1 ил.

1. Способ синхронизации двух детекторов одиночных фотонов (ДОФ) в системе квантового распределения ключа (КРК), в которой каждый ДОФ содержит приемник оптического излучения, компаратор, соединенный с блоком формирования выходного импульса, связанный с блоком формирования импульса активного восстановления, причем в случае срабатывания одного ДОФ, от упомянутого ДОФ выполняется передача сигнала, равного длительности импульса восстановления, на второй ДОФ, который в ответ на получение упомянутого сигнала осуществляет блокировку компаратора, и формирует импульс восстановления своего оптического приемника.

2. Способ по п.1, в котором ДОФ соединены посредством синхронизирующего входа-выхода.

3. Способ по п.1, в котором приемник оптического излучения представляет собой лавинный фотодиод.

4. Схема синхронизации двух детекторов одиночных фотонов (ДОФ) в системе квантового распределения ключа (КРК), содержащая соединенные первый и второй ДОФ, в которой каждый ДОФ содержит приемник оптического излучения, компаратор, соединенный с блоком формирования выходного импульса, связанный с блоком формирования импульса активного восстановления, причем в случае срабатывания одного ДОФ, от упомянутого ДОФ выполняется передача сигнала, равного длительности импульса восстановления, на второй ДОФ, который в ответ на получение упомянутого сигнала осуществляет блокировку компаратора, и формирует импульс восстановления своего оптического приемника.