Устройство формирования квантовых состояний для систем квантовых коммуникаций с оценкой качества приготовления состояний для протоколов квантовой генерации ключа на чипе Российский патент 2023 года по МПК H04L9/08 G06F21/60 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области к квантовой криптографии в области защиты информации, реализуемой на фотонной интегральной схеме.

Глоссарий

С целью обеспечения достаточности раскрытия изобретения и обеспечения возможности проведения информационного поиска в отношении заявляемого технического решения, а также для понимания сущности заявляемого изобретения, ниже приведен перечень используемых в описании терминов, не ограничивающих объем правовой охраны.

Термины:

Волновод - направляющий канал, в котором может распространяться электромагнитная волна.

Интерференция - перераспределение интенсивности электромагнитных волн в результате наложения (суперпозиции) нескольких электромагнитных волн.

Интерферометр - измерительный прибор, действие которого основано на явлении интерференции.

Квантовая сеть - коммуникационная сеть, в которой передаваемые данные защищены методами квантовой криптографии.

Квантовая запутанность - квантовомеханическое явление, при котором квантовые состояния двух или большего числа объектов не могут быть описаны независимо. Квантовая когерентность - квантовое явление, состоящее в коррелированности, или согласованности, движения микрочастиц, образующих данную физическую систему. Ключ шифрования - секретная информация, используемая для шифрования и расшифрования сообщений.

Кубит - наименьшая единица информации в квантовом компьютере (аналог бита в обычном компьютере).

Лазер - источник электромагнитного излучения, обладающий высокой временной и пространственной когерентностью.

Модулятор - устройство для преобразования электрических сигналов в оптическую область (электрооптическое преобразование).

Х-образный ответвитель - устройство, совмещающее функции разветвителя и объединителя.

Разветвитель/объединитель - устройство для деления / суммирования входных сигналов. Фотодетектор - устройство для преобразования оптических сигналов в электрическую область (оптоэлектронное преобразование). Уровень техники ОБЩИЙ ОБЗОР

Идея квантовой криптографии была впервые предложена в 1970-х годах, а активные исследования в этой области начались после публикации Беннетом и Брассаром первого протокола квантового распределения ключей ВВ84 в 1984 году. В криптографии принято обозначать отправителя информации Алисой, приемник - Бобом, а перехватчика - Евой. Задача квантового распределения ключей заключается в передаче секретного ключа по квантовому каналу связи между Алисой и Бобом таким образом, что Ева не сможет его перехватить. После передачи ключа зашифрованные данные могут быть переданы по классическому каналу связи.

Протоколы квантового распределения ключей можно разделить на две группы - протоколы с дискретными переменными и протоколы с непрерывными переменными. Протоколы с дискретными переменными кодируют информацию с помощью одиночных фотонов, а протоколы с непрерывными переменными кодируют информацию в квадратурах поля. Для передачи фотонов между Алисой и Бобом может использоваться как оптическое волокно, так и свободное пространство. Для передачи фотонов в оптическом волокне можно использовать две разные длины волны - стандартную телекоммуникационную длину волны 1550 нм, а также 850 нм. Потери в волокне гораздо меньше на длине волны 1550 нм и составляют 0,2 дБ/км. Однако на длине волны 850 нм для детектирования одиночных фотонов может использоваться однофотонный лавинный диод, изготовленный из кремния. На длине волны 1550 нм приходится использовать детекторы из германия или сплава InGaAs, что увеличивает долю битовых ошибок.

В настоящее время особое развитие находит осуществление квантового распределения ключей при помощи класса устройств, именуемых «фотонными интегральными схемами». Фотонные интегральные схемы представляют собой многокомпонентное оптоэлектронное устройство (монолитная или гибридная интегральная схема), изготовленное на единой подложке и способное выполнять функции генерации, детектирования и обработки оптических сигналов, и постепенно занимающее место основой номенклатуры компонентов всех оптических систем.

Устройства для квантового распределения ключей предъявляют к используемым оптическим компонентам более строгие требования, чем стандартные системы телекоммуникаций.

Фотонные интегральные схемы предоставляют платформу, позволяющую монолитную интеграцию нескольких оптических компонентов, выполняющих различные функции, на одном чипе. Платформа ФИС позволяет с помощью хорошо развитой и высокоточной технологии литографии производить чипы, которые удовлетворяют требованиям устройств для квантового распределения ключей. Фотонные интегральные схемы могут быть изготовлены на нескольких материальных платформах, каждая из которых имеет преимущества и недостатки.

В современных и перспективных системах на основе фотоники, где используется множество различных элементов, логичным решением является их интеграция в исполнении на чипе. Этим занимается интегральная фотоника - относительно новая и активно развивающаяся мировая отрасль. Известные преимущества фотонных интегральных схем (ФИС), такие как компактность, быстродействие и энергоэффективность, позволяют им во многих приложениях дополнять или заменять как дискретную фотонику, так и микроэлектронику.

В то время как в системах квантовой связи на основе традиционных оптических компонентов используются слабые когерентные импульсы, которые уязвимы к атакам с разделением числа фотонов, платформа ФИС позволяет изготовить другие источники света для использования в квантовых коммуникациях - генераторы одиночных фотонов и генераторы пар запутанных фотонов.

На данный момент на платформе ФИС были не только получены отдельные компоненты для реализации систем квантовой связи, но и успешно продемонстрирована реализация протоколов квантового распределения ключей с использованием ФИС как в качестве передатчика, так и в качестве приемника.

Одной из основных проблем в области квантовых телекоммуникаций является миниатюризация габаритов и удешевление квантовых коммуникационных систем. На данный момент разрабатываемые решения и технологии позволяют создать стационарные образцы квантовых коммуникационных систем, габариты которых значительны и не могут быть использованы для мобильного и тем более персонального применения. Так, например, опытный образец модуля отправителя в свободном пространстве имеет размеры порядка 250x250x200 мм3 и массу несколько кг. В волоконном исполнении модуль отправителя может быть реализован в габаритах порядка 200x150x30 мм3, что также является значительным, а масса достигает ~1 кг. При этом уже сейчас очевидно, что в будущем подобные системы потребуется интегрировать не только в стационарные магистральные системы, но и в компактные мобильные устройства, поэтому столь большие габариты не приемлемы. Стоит также отметить, что в мире ведутся пилотные проекты по созданию подобных систем в миниатюрном исполнение на чипе, однако они еще находятся на стадии разработки и требуют дополнительных исследований.

Кроме того, значительное снижение стоимости технологии и получение малых габаритов квантовых коммуникационных систем позволит значительно расширить их области применения и перейти от нишевого применения в системах квантовой коммуникации магистральных и городских линий точка-точка к использованию на масштабных пользовательских рынках интернета вещей с квантовой защитой, защищенной персональной мобильной связи, 5G и в дальнейшем 6G.

Подобное проникновение систем с квантовой защитой возможно только при условии наличия технологий, позволяющих создавать компактные системы с малой стоимостью, весом и энергопотреблением, которые можно легко интегрировать в пользовательские устройства. С помощью фотонных интегральных схем, можно заменить объемные дискретные компоненты одним чипом, размеры которого не будут превышать 20x20x1 мм3, а масса 10 грамм.

В качестве технического решения, которое позволило повысить надежность защищаемой линии связи при помощи миниатюрного устройства предлагается «Устройство формирования квантовых состояний для систем квантовых коммуникаций с оценкой качества приготовления состояний для протоколов квантовой генерации ключа на чипе». Предложенное устройство позволяет выбирать для формирования квантовых состояний два типа кодирования: фазовое кодирование, при котором информация записывается в разницу фаз ослабленных лазерных импульсов, и временное кодирование, при котором значение кубита определяется временем прихода импульса на детектор.

Иногда указанные способы кодирования объединяют в один - так называемое фазово-временное или просто временное кодирование. Действительно, с физической точки зрения, оба способа кодирования связаны с изменением временных характеристик сигналов. Разница лишь в том, что при фазовом кодировании смещается во времени несущая оптического сигнала, тогда как при временном кодировании смещается во времени огибающая импульса. С математической точки зрения фазово-временное кодирование изоморфно поляризационному кодированию, зачастую используемому в системах квантового распределения ключей.

С точки зрения практической реализации оба способа кодирования (поляризационное и фазово-временное) во многом эквивалентны, однако, в контексте формирования квантовых состояний на чипе (с использованием средств интегральной оптики), фазовое кодирование является предпочтительным, поскольку манипулировать фазой оптического сигнала в волноводе оказывается проще, чем изменять его поляризацию.

Использование «Устройства формирования квантовых состояний для систем квантовых коммуникаций с оценкой качества приготовления состояний для протоколов квантовой генерации ключа на чипе» позволяет обеспечить безопасность защищенной линии квантовой связи, а также обеспечить возможность оперативного информирования о попытке компрометации защищенной линии связи при помощи устройства с минимальными габаритами и энергозатратами, а также снизить процент ошибок за счет компенсации различных изменений, в том числе температурных, свойственных для миниатюрных устройств.

В ходе патентного поиска были обнаружены документы, определяющие уровень техники и не считающиеся особо релевантным по отношению к заявленному изобретению, а именно: «Высокоскоростная автокомпенсационная схема квантового распределения ключа» (патент №RU 2 671 620 С1)

«Передающее устройство, принимающее устройство и система квантового распределения ключей» (Transmitting device, receiving device, and quantum key distribution system, патент №US11387992B2)

Вышеуказанные технические решения представляют собой различные варианты устройств для квантового распределения ключей на базе фотонных интегральных схем. В качестве аналога заявляемого изобретения можно рассматривать техническое решение, раскрытое в патенте «Высокоскоростная автокомпенсационная схема квантового распределения ключа» (патент №RU 2 671 620 С1, дата приоритета 2016.12.29). Решение относится к квантовой криптографии, лежащей в области защиты информации. Техническим результатом является повышение предельной частоты следования лазерных импульсов при фиксированном значении их ширины, что позволяет использовать автокомпенсационную схему на частоте, период которой равен ширине лазерного импульса, что является предельно возможным результатом. Система связи для передачи криптографического ключа между концами канала включает передающий узел, содержащий светоделитель, электрооптический аттенюатор, амплитудный модулятор, фазовый модулятор, накопительную линию, зеркало Фарадея, детектор синхронизации; приемный узел, содержащий лазер, лавинные фотодиоды, светоделитель, циркулятор, линию задержки, фазовый модулятор, поляризационный светоделитель, интерферометр Маха-Цендера; а также квантовый канал для соединения указанных узлов. При этом накопительная линия помещена между электрооптическим фазовым модулятором отправителя и зеркалом Фарадея.

Отличием данного технического решения является принципиально иная последовательность модуляций начального сигнала, включающая несколько линий задержки, поляризационный делитель.

В качестве прототипа можно выделить техническое решение «Передающее устройство, принимающее устройство и система квантового распределения ключей» (Transmitting device, receiving device, and quantum key distribution system, патент №US11387992B2, дата приоритета 2018-01-18). Согласно описанию, указанное решение представляет собой передающее устройство для системы квантового распределения ключей включает источник света, делитель луча, кодер и комбинатор луча. Источник света сконфигурирован для генерирования оптического импульса. Делитель луча сконфигурирован для разделения оптического импульса на сигнальный импульс, проходящий по первому пути, и импульс управления поляризацией, проходящий по второму пути, причем второй путь отличается по длине оптического пути от первого пути. Кодер установлен на первом пути и сконфигурирован для кодирования информации в сигнальном импульсе. Комбинатор лучей сконфигурирован для объединения сигнального импульса, проходящего через кодер, и импульса управления поляризацией.

Отличием данного технического решения является принципиально иная последовательность модуляций начального сигнала, при которой начальный пучок из источника света идет по двум маршрутам, в которых происходит модуляция сигнала, затем разделенные пучки соединяются и модулируются повторно. При этом, модулирование сигнала происходит параллельно, а не последовательно.

Вышеуказанные технические решения, как и заявляемое изобретение, в той или иной мере предназначены для квантовой криптографии, однако последовательность модуляций начального сигнала вышеуказанных технических решений существенно отличается от предлагаемого в настоящем изобретении.

В частности, ключевым отличием заявляемого способа от прототипа является отсутствие линий задержки на пути пучков, непосредственно кодирующих квантовый ключ. Техническая задача, для решения которой предназначено настоящее изобретение, заключается в повышении скорости генерации секретного криптографического ключа, возможности оценки качества приготовления состояний для протоколов квантовой генерации ключа с фазовым, фазово-временным кодированием и с состояниями ловушками.

Техническим результатом исследуемого решения является повышение устойчивости квантовой системы телекоммуникации к ошибкам, вызванных температурными, вибрационными и иными изменениями в системе, и возможность оценки качества приготовления состояний для протоколов квантового распределения ключа с фазовым, фазово-временным кодированием и с состояниями ловушками.

Раскрытие изобретения

Для решения поставленной задачи и достижения вышеуказанного технического результата предлагается «Устройство формирования квантовых состояний для систем квантовых коммуникаций с оценкой качества приготовления состояний для протоколов квантовой генерации ключа на чипе».

Устройство для реализации настоящего способа состоит из следующих элементов:

1. Полупроводниковый лазер, работающий в непрерывном режиме 1;

2. Амплитудный модулятор 3, выполненный в виде симметричного интерферометра Маха-Цендера и состоящий из разъединителя 2 и объединителя 6 и двух фазовых модуляторов: узкополосного 4 и широкополосного 5;

3. Дополнительный разъединитель 7, установленный после объединителя 6 амплитудного модулятора 3 перед широкополосным фазовым модулятором 9, необходимый для контроля рабочей точки амплитудного модулятора 8.

4. Широкополосный фазовый модулятор 9, необходимый для изменения фазы лазерных импульсов;

5. Регулируемый оптический аттенюатор 11, установленный после широкополосного фазового модулятора 9 и выполненный в виде разъединителя 10, двух узкополосных фазовых модуляторов 12 13, и Х-образного ответвителя 14;

6. Несимметричный интерферометр Маха-Цендера 15 с линией задержки 16 в 165 пс в длинном плече, разделителем 17 в коротком плече для вывода оптического сигнала в квантовый канал 26 и узкополосным фазовым модулятором 18, при этом плечи интерферометра соединяются в Х-образном ответвителе 19, пучки из которого направляются в фотоприемники 20;

7. Дополнительный регулируемый оптический аттенюатор 22, установленный перед выходом в квантовый канал 26 и выполненный в виде разделителя 21, двух узкополосных амплитудных модуляторов 23, 24 и объединителя 25; необходим для достижения необходимого уровня аттенюации лазерных импульсов.

Работа устройства раскрывается следующим описанием:

1. Пучок света направляется из лазерного источника 1 по волноводу в амплитудный модулятор 3 на разделитель 2, поступает на фазовые модуляторы 4 и 5, соединяется в объединителе 6.

2. Далее единый пучок следует в разделитель 7, откуда поступает в контроль рабочей точки 8, который осуществляет подстройку напряжения на узкополосном фазовом модуляторе 4 по оптическому сигналу (например, при изменении температуры, напряжения и т.д.).

3. По другому каналу пучок направляется в широкополосный фазовый модулятор 9, который привносит информационную нагрузку сигналу, где задается разность фаз.

4. Пучок направляется в разделитель 10, далее поступает в аттенюатор (медленный амплитудный модулятор) 11, где пучкам задается определенная разность фаз на фазовых модуляторах 12 и 13.

5. Далее пучки из фазовых модуляторов 12 и 13 поступают на Х-образный ответвитель 14, который в зависимости от разности фаз направляет пучки в разной пропорции в два канала в интерферометр 15, в котором работа возможна в двух режимах

6. В режиме №1, тестовом, чтобы понять какую разность фаз задает фазовый модулятор 9, пучок поступает в интерферометр 15, где интерферируется два последовательных импульса. Узкополосный фазовый модулятор 4 при этом настроен на сдвиг 0 или π/2. Один пучок идет по линии задержки 16, второй идет на разделитель 17, откуда половина пучков с него поступает на узкополосный фазовый модулятор 18, далее два пучка (из линии задержки 16 или узкополосного фазового модулятора 18) поступают на Х-образный ответвитель 19, откуда в зависимости от разности фаз поступают в разной пропорции на фотоприемники 20.

7. В режиме №2, рабочем, большая часть излучения следует из аттенюатора 11 через Х-образный ответвитель 14 на линию задержки 16 в интерферометре 15, откуда рассеивается. Меньшая часть излучения поступает на разделитель 17 откуда половина поступает на аттенюатор 22 через разделитель 21. Из аттенюатора 22 пучки интерферируют на объединитель 25, при этом большая часть рассеивается, а меньшая поступает в квантовый канал 26.

Амплитудный модулятор 3 необходим для формирования оптических импульсов с заданной частотой следования, которые «вырезаются» с его помощью из непрерывного лазерного пучка. Частота приготовления квантовых состояний соответствует частоте следования пар импульсов, причем временная задержка между импульсами в паре, кодирующей квантовое состояние, является фиксированной и должна соответствовать линии задержки несимметричного интерферометра Маха-Цендера 15 (165 пс).

В поддерживаемых протоколах квантового распределения ключей, кодирование кубита осуществляется в разности фаз между импульсами. Для задания разности фаз между импульсами в паре используется широкополосный фазовый модулятор 9, следующий за амплитудным модулятором 3. Глубина фазовой модуляции должна быть не менее 3π/2, для того чтобы можно было кодировать по меньшей мере четыре значения разности фаз из списка: 0, π/2, π, 3π/2.

Регулируемый оптический аттенюатор 11 используется для аттенюации приготавливаемых когерентных состояний в схеме «устройства формирования квантовых состояний для систем квантовых коммуникаций с оценкой качества приготовления состояний для протоколов квантовой генерации ключа на чипе».

Дополнительный регулируемый оптический аттенюатор 22 в оптической схеме «Устройства формирования квантовых состояний для систем квантовых коммуникаций с оценкой качества приготовления состояний для протоколов квантовой генерации ключа на чипе», расположенный перед выходом в квантовый канал 26, используется для достижения необходимого уровня аттенюации лазерных импульсов. С помощью регулируемых оптических аттенюаторов 11 и 22 создаются слабые когерентные состояния, которые отправляются в квантовый канал.

Заявленное «Устройство формирования квантовых состояний для систем квантовых коммуникаций с оценкой качества приготовления состояний для протоколов квантовой генерации ключа на чипе» позволяет реализовать как минимум следующие из известных протоколов:

1. Протокол на 4-х состояниях с фазовым кодированием (ВВ84).

Каждое состояние представляет собой пару оптических импульсов, разделенных временной задержкой ΔT=165 пс. Период следования квантовых состояний, обозначенный на Фиг. 2 как Т_р, может меняться в широких пределах: минимальное значение равно Т_р=330 пс, что соответствует частоте приготовления квантовых состояний 3.03(03) ГГц, а максимальное значение, вообще говоря, можно сделать сколь угодно большим. Приготавливаемые импульсы проходят через аттенюаторы 3 и 22, настроенные на такое ослабление, чтобы на каждую пару импульсов приходилось в среднем 0.1-0.3 фотона. Это означает, что 70-90% приготавливаемых состояний окажутся «пустыми», т.е. в них не будет содержаться квантов света. Часть «не пустых» посылок можно представлять как фотон, как бы «размазанный» по двум временным модам, соответствующим паре лазерных импульсов. Кубиты кодируются в разности фаз между импульсами в паре. Если разность фаз равна 0 или π, то говорят, что состояние приготовлено в X базисе; если разность фаз равна π/2 или 3π/2, то говорят, что состояние приготовлено в Y базисе. Разностям фаз 0 и π/2 можно поставить в соответствие логический ноль, '0', а разностям фаз π и 3π/2 - логическую единицу, '1'. С учетом такого соглашения импульсы с разностями фаз 0 и π можно называть состояниями Х₀ и х₁, соответственно, а импульсы с разностями фаз π/2 или 3π/2 -состояниями Y₀ и Y₁, соответственно.

Для декодирования квантовых состояний на стороне приемника можно использовать несимметричный интерферометр Маха-Цендера, линия задержки которого равна ΔТ, т.е. совпадает с временной задержкой между импульсами в паре.

На Фиг. 3 показаны результаты интерференции импульсов, в несимметричном интерферометре приемника. Видно, что при выборе X базиса на стороне приемника (ϕ_B=0) результат интерференции будет детерминированным в том случае, когда квантовые состояния также приготавливаются в X базисе, т.е. когда ϕ_А=0,π. В этом случае разница фаз ϕ_А-ϕ_В будет равна 0 или π, что даст конструктивную или деструктивную интерференцию, соответственно. В терминах квазиоднофотонных импульсов это означает, что сработает либо детектор ДО (если ϕ_А-ϕ_В=0), либо детектор Д1 (если ϕ_А-ϕ_В=\π), так что можно будет однозначно декодировать измеренный кубит. То же справедливо и для случая, когда на стороне передатчика и приемника выбран Y базис. Если же базисы передатчика и приемника не совпадают, например, на УФКС были приготовлены импульсы с разностью фаз ϕ__А=0, а на фазовом модуляторе приемника установлена фаза ϕ_В=π/2, то ϕ_А-ϕ_В=-π/2=3π/2, и с некоторой вероятностью может сработать как детектор Д0, так и детектор Д1, так что однозначно декодировать измеренный кубит не получится. Схема выбора состояний и базисов в протоколе ВВ84 для случая фазового кодирования показаны в Фиг. 4.

2. Протокол на увеличенном числе состояний (Т12)

С целью усиления секретности системы квантового распределения ключей можно использовать дополнительные состояния, неортогональные состояниям Х₁, Х₂, Y₁ и Y₂. В качестве таких состояний можно использовать импульсы, схематически изображенные на Фиг. 5, по отношению к которым говорят, что они приготовлены в Z-базисе. В этом случае также говорят о фазово-временном кодирование, поскольку кубиты в Х- и Y- базисах кодируются в разности фаз между импульсами, а в Z-базисе - временем прихода импульса на детектор. Временной фрэйм, отведенный под кубит (фрэймы обведены пунктирными прямоугольниками на Фиг. 1.5), разбивается на два временных слота, t₁, t₂, и если лазерный импульс генерируется во временном слоте t₁, то это соответствует логическому '0', а если в слоте t₂ - логической '1'. Здесь стоит отметить, что энергия в импульсе, кодирующем состояние в Z базисе, должна равняться суммарной энергии в паре импульсов, кодирующих состояние в X базисе. Хотя данное условие не является обязательным, оно позволяет получать больше ключа на этапе постобработки.

Для декодирования квантовых состояний, показанных на Фиг. 5, можно использовать несимметричный интерферометр Маха-Цендера с линией задержки, равной Δt, а также детектор одиночных фотонов с разрешением по времени прихода импульсов. Если кубит проходит через разделитель и попадает в интерферометр, это означает, что будет выбран Х- или Y- базис, причем выбор между этими базисами должен осуществляться активно, путем изменения фазы на широкополосном фазовом модуляторе в интерферометре. Если кубит отклоняется и не попадает в интерферометр, это означает, что выбран Z базис. Если при этом на устройстве было приготовлено состояние в Z базисе, то, когда второй детектор срабатывает во временном слоте t₁, измеренное состояние декодируется как '0', если же детектор Д2 срабатывает в слоте t₂ - то как '1’. 3. Протокол с состояниями ловушками (decoy states).

Если Алиса использует ослабленные когерентные состояния вместо одиночных фотонов, то у Евы появляется дополнительная возможность подслушать ключ, оставшись незамеченной. Она может осуществить так называемую атаку по разделению числа фотонов. Для противодействия данной атаке была разработана методика состояний-ловушек (decoy states) - дополнительных когерентных состояний, которые Алиса отправляет Бобу вперемешку с информационными состояниями, и в которых среднее число фотонов отличается от среднего числа фотонов в информационных импульсах. Поскольку Ева не знает, какие импульсы являются информационными, она будет воздействовать на все импульсы. Раскрывая затем информацию о том, какие из состояний были ловушками, Алиса и Боб смогут понять, проводилась ли атака по разделению числа фотонов, т.е. смогут заметить присутствие Евы.

При этом, протокол с состояниями-ловушками, в сущности, является надстройкой к другим протоколам и реализуется путем добавления к «чистому» (без ловушек) протоколу состояний с другими интенсивностями. В общем случае количество состояний-ловушек не ограничено, но, как правило, используют 1-3 значения дополнительных амплитуд сигналов. К примеру, в заявляемом устройстве предлагается использовать два ловушечных состояния, как это показано на Фиг. 6, причем в качестве одного из ловушечных состояний предлагается использовать вакуумное состояние, обозначенное на Фиг. 6 как |vac〉. Обозначения |Е〉 и |L〉, в свою очередь, соответствуют когерентным состояниям во временных слотах t₁ и t₂, соответственно (см. Фиг. 5), а параметр s выбирается в диапазоне от 0 до 1.

Резюмируя, описание устройства можно представить следующим образом: Устройство формирования квантовых состояний для систем квантовых коммуникаций с оценкой качества приготовления состояний для протоколов квантовой генерации ключа на чипе, включающее полупроводниковый лазер, работающий в непрерывном режиме, амплитудный модулятор, выполненный в виде симметричного интерферометра Маха-Цендера и состоящий из разъединителя и объединителя и двух фазовых модуляторов -узкополосного низкочастотного и широкополосного высокочастотного, дополнительный разъединитель, установленный после объединителя амплитудного модулятора перед широкополосным фазовым модулятором, необходимый для контроля рабочей точки амплитудного модулятора, широкополосный фазовый модулятор, необходимый для изменения фазы лазерных импульсов, регулируемый оптический аттенюатор, установленный после широкополосного фазового модулятора и выполненный в виде разъединителя, двух узкополосных фазовых модуляторов, и Х-образного ответвителя, несимметричный интерферометр Маха-Цендера с линией задержки в длинном плече, фазовым модулятором в коротком плече, ответвителем в коротком плече для вывода оптического сигнала в квантовый канал, при этом плечи интерферометра соединяются в X-образном ответвителе, пучки из которого направляются во внешние, расположенные вне чипа, фотоприемники, дополнительный регулируемый оптический аттенюатор, установленный перед выходом в квантовый канал и выполненный в виде разделителя, двух узкополосных амплитудных модуляторов и объединителя; необходим для достижения необходимого уровня аттенюации лазерных импульсов.

Изобретение раскрывается и поясняется на следующих чертежах:

Фиг. 1 - Принципиальная схема устройства. На вышеуказанной фигуре схематически отражены все компоненты устройства с изображением последовательности их расположения. При этом, кроме последовательности расположения элементов, иные требования к расположению элементов отсутствуют.

Фиг. 2 - Состояния, приготавливаемые на стороне Устройства в соответствии с протоколом ВВ84.

Фиг. 3 - Результаты интерференции импульсов в несимметричном интерферометре приемника.

Фиг. 4 - Схемы выбора состояний и базисов в протоколе ВВ84.

Фиг. 5 - Состояния, приготавливаемые на стороне УФКС в соответствии с протоколом Т12.

Фиг. 6 - Импульсы в протоколе с состояниями-ловушками.

Изобретение относится к области к квантовой криптографии в области защиты информации, реализуемой на фотонной интегральной схеме. Техническим результатом изобретения является повышение устойчивости квантовой системы телекоммуникации к ошибкам, вызванным температурными, вибрационными и иными изменениями в системе, и возможность оценки качества приготовления состояний для протоколов квантового распределения ключа с фазовым, фазово-временным кодированием и с состояниями ловушками. Устройство формирования квантовых состояний для систем квантовых коммуникаций с оценкой качества приготовления состояний для протоколов квантовой генерации ключа на чипе содержит полупроводниковый лазер, амплитудный модулятор, выполненный в виде симметричного интерферометра Маха-Цендера и состоящий из разъединителя, объединителя и двух фазовых модуляторов - узкополосного и широкополосного, дополнительный разъединитель, установленный после объединителя амплитудного модулятора перед широкополосным фазовым модулятором, широкополосный фазовый модулятор, регулируемый оптический аттенюатор, установленный после широкополосного фазового модулятора и выполненный в виде разъединителя, двух узкополосных фазовых модуляторов и Х-образного ответвителя, несимметричный интерферометр Маха-Цендера с линией задержки в длинном плече, разделителем для вывода оптического сигнала в квантовый канал и узкополосным фазовым модулятором в коротком плече. Плечи несимметричного интерферометра Маха-Цендера соединяются в разделителе, пучки из которого направляются в фотоприемники, дополнительный регулируемый оптический аттенюатор, установленный перед выходом в квантовый канал и выполненный в виде разделителя, двух узкополосных амплитудных модуляторов и объединителя. Полупроводниковый лазер работает в непрерывном режиме. 6 ил.

Устройство формирования квантовых состояний для систем квантовых коммуникаций с оценкой качества приготовления состояний для протоколов квантовой генерации ключа на чипе, включающее полупроводниковый лазер, работающий в непрерывном режиме, амплитудный модулятор, выполненный в виде симметричного интерферометра Маха-Цендера и состоящий из разъединителя и объединителя и двух фазовых модуляторов - узкополосного низкочастотного и широкополосного высокочастотного, дополнительный разъединитель, установленный после объединителя амплитудного модулятора перед широкополосным фазовым модулятором, необходимый для контроля рабочей точки амплитудного модулятора, широкополосный фазовый модулятор, необходимый для изменения фазы лазерных импульсов, регулируемый оптический аттенюатор, установленный после широкополосного фазового модулятора и выполненный в виде разъединителя, двух узкополосных фазовых модуляторов, и X-образного ответвителя, несимметричный интерферометр Маха-Цендера с линией задержки в длинном плече, фазовым модулятором в коротком плече, ответвителем в коротком плече для вывода оптического сигнала в квантовый канал, при этом плечи интерферометра соединяются в X-образном ответвителе, пучки из которого направляются во внешние, расположенные вне чипа, фотоприёмники, дополнительный регулируемый оптический аттенюатор, установленный перед выходом в квантовый канал и выполненный в виде разделителя, двух узкополосных амплитудных модуляторов и объединителя; необходим для достижения необходимого уровня аттенюации лазерных импульсов.