Устройство квантового распределения симметричной битовой последовательности на основе непрерывных переменных с использованием поляризационного объединителя Российский патент 2023 года по МПК H04L9/00 H04L9/08 

Настоящее изобретение относится к оптической технике, а именно к системам фотонной квантовой связи.

Известно устройство квантового распределения симметричной битовой последовательности на основе непрерывных переменных [Патент US 7929700 B2, дата приоритета: 15.12.2005. МКИ: H04L 9/0852], являющееся наиболее близким к описываемому. Устройство состоит из двух блоков, отправителя и получателя. В блоке отправителя происходит генерация оптического сигнала, квадратуры которого распределены по нормальному закону. В блоке получателя применяется гомодинный способ детектирования квадратур оптического сигнала.

В схеме описанного устройства для обеспечения временного мультиплексирования используется зеркало Фарадея и линия задержки. При использовании зеркала Фарадея возникает сложность работы, так как возникает необходимость в режиме реального времени контролировать его работу. В настоящем изобретении используются линия задержки и поляризационный объединитель, обеспечивающий такую конфигурацию поляризаций объединяемых излучений, при которой излучение остается линейно поляризованным и при этом поляризации перпендикулярны друг другу, что обеспечивает поляризационное мультиплексирование.

В терминах упрощенной теоретической модели работа системы описывается следующим образом:

- отправитель посредством фазовой и амплитудной модуляции генерирует квантовое состояние, квадратуры которого статистически распределены по нормальному закону, а также классическое состояние, которое используется в качестве локального осциллятора;

- отправитель осуществляет отправку состояний через квантовый канал;

- получатель посредством поляризационного волоконного светоделителя разделяет квантовое и классическое состояние;

- осуществляя детектирование при помощи системы гомодинного детектирования, получатель извлекает информацию квадратуре квантового состояния;

- на основании полученных значений квадратур и будет сформирована симметричная битовая последовательность.

Техническим результатом является использование поляризационного объединителя для обеспечения поляризационного мультиплексирования. Поляризационный объединитель заменяет собой зеркало Фарадея, что облегчает схему при ее реализации и функционировании.

Заявленное устройство делится на блоки отправителя и получателя. Блок отправителя содержит источник когерентного излучения, оптический волоконный изолятор, амплитудный волоконный модулятор, для обеспечения импульсного режима лазера, волоконный светоделитель, для разделения лазерного излучения на сигнальное плечо и плечо локального осциллятора. Сигнальное плечо содержит волоконные амплитудный и фазовый модуляторы, а также линию задержки для обеспечения временного мультиплексирования. Плечо локального осциллятора и сигнальное плечо соединены поляризационным объединителем. Программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС) содержит интерфейсы для управления модуляторами, лазерным модулем. Модуль стандарта SFP также подключен к ПЛИС и управляется ей.

Блок получателя содержит помимо ПЛИС аналогичного тому, что установлен в блоке отправителя, контроллер поляризации, поляризационный волоконный светоделитель, в плече локального осциллятора установлена линия задержки. Для детектирования сигнала в блоке получателя установлена система гомодинного детектирования.

Управляющие пользовательские модули содержат SFP-модули. Для синхронизационного сигнала установлен фильтр низких частот.

Способ работы будет конкретизирован далее и подкреплен математическими выкладками. Преимущества изобретения будут реализованы и достигнуты технической реализацией изобретения, изложенном в письменном описании и формуле изобретения, а также на прилагаемом чертеже.

Описания заявленного устройства подаются в пояснительной форме и направлены на объяснение основных принципов работы изобретения и уточнение его отличий от ранее заявленных подобных изобретений.

Фиг. 1 иллюстрирует функциональную схему заявленного устройства КРК.

Изобретение реализует генерацию, передачу и прием квантовой информации, содержащейся в состоянии квадратуры сигнального состояния, по волоконному квантовому каналу. Устройство разработано таким образом, что может быть собрано из стандартного телекоммуникационного оборудования. Ниже рассматриваются математическая модель системы в упрощенном классическом виде и оптическая схема.

Устройство КРК работает следующим образом. Источник когерентного излучения генерирует световой пучок, проходящий через защищающий от отраженного света лазер оптический волоконный изолятор. Затем излучение модулируется при помощи амплитудного модулятора, задающего импульсный режим работы лазера. После излучение разделяется на поляризационном светоделителе. Излучение в одном плече, не подвергаемое модуляции, используется в качестве локального осциллятора (ЛО). Лазерное излучение во втором плече модулируется волоконными амплитудным и фазовым модуляторами, которые задают случайные значения квадратур, распределенные по нормальному закону. Управляющие сигналы на волоконные модуляторы подаются через соответствующие интерфейсы с ПЛИС. Также излучение в этом плече задерживается относительно ЛО с помощью линии задержки, таким образом обеспечивается временное мультиплексирование. Далее излучения двух плеч соединяются на поляризационном объединителе, который обеспечивает поляризационное мультиплексирование.

В блоке получателя излучение, проходит через контроллер поляризации, он изменяет состояние поляризации для точного деления на поляризационном светоделителе таким образом, чтобы излучение локального осциллятора переходило полностью в одно плечо поляризационного волоконного светоделителя, а излучение квантового сигнала - в другое. Контроллер поляризации управляется ПЛИС. В плече локального осциллятора установлена линия задержки. Далее излучения локального осциллятора и сигнала сбиваются на светоделителе с двумя входами и двумя выходами, на котором происходит интерференция сигнала и локального осциллятора. Результат интерференции регистрируется гомодинным детектором. Результат детектирования далее обрабатывается на ПЛИС.

Взаимная информация «отправитель-получатель» в таком случае оценивается как:

где μ - параметр гомо-/гетеродинирования;

SNR - отношение сигнал-шум;

Т=T_chT_det - пропускание канала, T_ch - коэффициент пропускания непосредственно канала, T_det=T_rec η_det - произведение коэффициента пропускания, связанного с оптическими потерями в блоке получателя, на эффективность балансного детектора;

V_A - дисперсия сигнала отправителя;

ξ - избыточный шум.

Для синхронизации пользователей ПЛИС отправителя посылает через его же SFP-модуль синхронизационный сигнал, который получатель принимает на своем SFP-модуле. Получаемый сигнал синхронизации проходит фильтр низких частот, после чего приходит на ЭВМ.

Изобретение относится к системам фотонной квантовой связи. Технический результат заключается в обеспечении возможности квантового распределения симметричной битовой последовательности на основе непрерывных переменных с использованием поляризационного объединителя. Устройство содержит блок отправителя, содержащий источник когерентного излучения, волоконный оптический изолятор, волоконный амплитудный модулятор, волоконный светоделитель, волоконные амплитудный и фазовый модуляторы, линию задержки, волоконный поляризационный объединитель и блок управления и синхронизации, и блок получателя, содержащий контроллер поляризации, поляризационный светоделитель, линию задержки, волоконный светоделитель с двумя входами и двумя выходами, балансный детектор, блок управления и синхронизации, причем блок отправителя соединен с блоком получателя посредством квантового канала и канала синхронизации. 1 ил.

Устройство квантового распределения симметричной битовой последовательности на основе непрерывных переменных с использованием поляризационного объединителя, содержащее блок отправителя, включающий в себя соединенные посредством волоконно-оптического тракта источник когерентного излучения, оптический волоконный изолятор, подключенный к источнику когерентного излучения, волоконный светоделитель, подключенный к волоконному изолятору, амплитудные и фазовый модуляторы, подключенные к первому из плеч волоконного светоделителя, линию задержки, подключенную к фазовому модулятору, волоконный объединитель, подключенный ко второму выходу волоконного светоделителя и линии задержки, блок управления и синхронизации, подключенный к волоконным амплитудным и фазовому модуляторам, а также блок получателя, содержащего контроллер поляризации, поляризационный светоделитель, подключенный к контроллеру поляризации, линии задержки, подключенной к первому выходу поляризационного светоделителя, волоконного светоделителя с двумя входами и двумя выходами, подключенного ко второму выходу поляризационного светоделителя и линии задержки, балансный детектор, подключенный к волоконному светоделителю с двумя входами и двумя выходами, блок управления и синхронизации, подключенный к балансному детектору и к контроллеру поляризации.