Способ детектирования фаз малофотонных когерентных световых полей на боковых частотах в системе квантового распределения ключа Российский патент 2024 года по МПК H04L9/08 H04B10/70 

Изобретение относится к технике оптической связи и может использоваться при передаче информации на расстояние, применительно к системам фотонной квантовой связи.

Известны способы передачи информации на основе использования пересылки квантовых частиц, одними из которых являются фотоны : US 2010/0046754 А 1 опубл. 25.02.2010; JP 2001/028584 А опубл. 30.01.2001; US 2007/0070353 А 1 опубл. 29.03.2007.

Также известно устройство квантовой рассылки симметричных битовых последовательностей [Патент США No6272224 В1, дата приоритета 07.04.2001. МКИ: H04L 9/08; H04K 1/00], содержащее, соединенные посредством волоконно-оптической линии связи, передающее устройство, включающее расположенные последовательно по ходу распространения излучения источник монохроматического излучения, электрооптический фазовый модулятор и аттенюатор, а также устройство сдвига фазы, выход которого соединен с управляющим входом электрооптического фазового модулятора, а вход устройства сдвига фазы соединен с выходом генератора радиочастотного сигнала, и приемное устройство, включающее электрооптический фазовый модулятор, выход которого оптически сопряжен со спектральным фильтром, который оптически сопряжен с приемником классического излучения и детектором одиночных фотонов, управляющий вход электрооптического фазового модулятора соединен с выходом устройства сдвига фазы, к входу которого подключен выход генератора радиочастотного сигнала, волоконно-оптическая линия связи оптически сопряжена с аттенюатором передающего устройства и с входом электрооптического фазового модулятора приемного устройства, устройство содержит блок синхронизации, первый и второй выходы которого соединены с входами генератора радиочастотного сигнала приемного и передающего устройств соответственно, а также блок управления фазовым сдвигом, первый и второй выходы которого соединены с синхронизационными входами устройства сдвига фазы приемного и передающего устройств соответственно.

Недостатком данного устройства является низкая скорость передачи квантовых состояний, обусловленная потерей части сигнала, которая вызвана поляризационной зависимостью фазового модулятора в блоке электрооптической модуляции приемника. Электрооптический фазовый модулятор эффективно модулирует только ту часть излучения, поляризация которой совпадает с оптической осью кристалла модулятора. Линейно поляризованное излучение, вышедшее из передатчика претерпевает произвольные поляризационные искажения при прохождении через квантовый канал, в связи с чем приемник может регистрировать лишь часть дошедшего до него излучения в зависимости от характера искажений и, таким образом, скорость передачи квантовых состояний может изменяться непредсказуемо в широких пределах, что неприемлемо для практического использования.

Наиболее близким аналогом является устройство, описанное в патенте RU 2 454 810 C1, содержащее соединенные посредством волоконно-оптической линии связи передающее устройство, включающее расположенные последовательно по ходу излучения источник монохроматического излучения, электрооптический фазовый модулятор и аттенюатор, а также устройство сдвига фазы, выход которого соединен с управляющим входом электрооптического фазового модулятора, а вход устройства сдвига фазы соединен с выходом генератора радиочастотного сигнала, и приемное устройство, включающее электрооптический фазовый модулятор, приемник классического излучения, оптически сопряженный со спектральным фильтром, и детектор одиночных фотонов, электрооптический фазовый модулятор подключен к устройству сдвига фазы, к входу которого подключен выход генератора радиочастотного сигнала, волоконно-оптическая линия связи оптически сопряжена с аттенюатором передающего устройства, устройство содержит блок синхронизации, первый и второй выходы которого соединены с входами генератора радиочастотного сигнала приемного и передающего устройств, соответственно, отличающееся тем, что электрооптический фазовый модулятор в приемном устройстве выполнен из двух расположенных по ходу излучения электрооптических фазовых модуляторов, управляющие входы которых соединены с первым и вторым выходом устройства сдвига фазы соответственно, причем выход первого электрооптического фазового модулятора оптически сопряжен с выходом второго электрооптического фазового модулятора, за модуляторами по ходу излучения установлено фарадеевское зеркало, оптически сопряженное с входом второго электрооптического фазового модулятора, в приемное устройство введен оптический циркулятор, первый порт которого оптически сопряжен с волоконно-оптической линией связи, второй порт оптически сопряжен с входом первого электрооптического фазового модулятора, третий порт оптически сопряжен со спектральным фильтром, а четвертый порт оптически сопряжен с входом детектора одиночных фотонов, устройство синхронизации имеет третий и четвертый выходы, которые соединены с синхронизационными входами устройств сдвига фазы приемного и передающего устройств соответственно.

Недостатком данного устройства являются высокие оптические потери которые снижают скорость передачи квантовых состояний.

Проблема поляризационной чувствительности фазового модулятора приемного устройства решается в этом устройстве, но это решение приводит к значительному увеличению оптических потерь в приемнике и как результат к низкой скорости передачи квантовых состояний. В настоящем изобретении предлагается новый способ детектирования, который уменьшает потери в приемном устройстве, что позволяет повысить скорость передачи квантовых состояний.

Техническая задача заявляемого способа детектирования решается на основе использования способности различимого детектирования фаз когерентных состояний света на боковых частотах, ослабленных до однофотонного уровня.

Технический результат заявленного способа заключается в повышении скорости генерации ключа За счет одновременного измерения двух фазовых состояний боковых частот отличающихся на 180 градусов.

Для этого предлагается новый способ детектирования фаз малофотонных когерентных световых полей на боковых частотах в системе квантового распределения ключа, которая включает в себя:

передатчик - передающий блок, содержащий

генератор случайных чисел,

лазер,

фазовый модулятор,

блок управления;

приемник - принимающий блок, содержащий

генератор случайных чисел,

циркуляторы,

фазовый модулятор,

спектральные фильтры, интерферометр,

фотоприемный блок, имеющий два лавинных детектора для регистрации квантовых информационных состояний,

блок обработки,

блок управления;

оптическую линию связи, выполненную в виде одномодового оптического волокна, соединяющую передающий и принимающий блоки;

способ заключается в том, что детектируется результат смешения боковых частот малофотонного когерентного импульса световых мод сигнального излучения обладающего закодированными фазами с модами опорного излучения, что позволяет добиться детектирования обеих фаз сигнального излучения при совпадении базисов.

Для получения фазово кодированных сигнальных когерентных мод на боковых частотах, используют фазовую модуляцию одномодового когерентного излучения радиочастотным сигналом на модуляторе 2 передатчика. Входное излучение кодируют одной из 4-х фаз: ϕ=0, π/2, π, 3π/2, так что “красная” (низкочастотная) и “синяя” (высокочастотная) моды приобретают фазы (-ϕ) и (+ϕ). Промодулированное излучение приходит в приемник на порт 1 циркулятора 3а. Из порта 2 циркулятора 3а данное излучение попадает на спектральный фильтр 4а, где боковые частоты сигнального излучения посылаются на порт 1 полупрозрачного зеркала 5, а излучение на центральной частоте отражается в порт 2 циркулятора 3а. Из порта 3 циркулятора 3а излучение, имеющее несмещенную центральную частоту попадает на фазовый модулятор 2 приемника, где оно кодируется одной из 4-х случайно выбранных фаз: 0, π/2, π, 3π/2, после чего посылается в порт 1 циркулятора 3б. Из порта 2 циркулятора 3б излучение на центральной частоте и сгенерированное фазово модулированное излучение на боковых частотах (опорное излучение) посылаются на спектральный фильтр 4б, где боковые частоты проходят на порт 2 полупрозрачного зеркала 5, а поле на центральной частоте отражается в порт 2 циркулятора 3б. Из порта 3 циркулятора 3б излучение на центральной частоте попадает на синхронизационный детектор 6. Кодированные по фазе “красная” и “синяя” частотные моды сигнального импульса излучения, идущего от фильтра 4а, закодированные фазами (-ϕ, +ϕ), смешиваются на полупрозрачном зеркале 5 с “красной” и “синей” частотными модами импульса опорного излучения, идущего от фильтра 4б, имеющих фазы (-ϕ, +ϕ) , где ϕ=0, или ϕ=π/2. Принимаются в расчет результаты детектирования, полученные только при выборе одинаковых базисов в передатчике и в приемнике. В этих случаях, после полупрозрачного зеркала 5 в результате интерференции частотных мод сигнального и опорного импульсов излучения формируются выходные частотные моды, которые посылаются на два однофотонных детектора 7а и 7б. Если фазы сигнальной и опорной частотных мод совпадают, то выходные “красные” и “синие” моды отправляются в детектор 7a, тогда как если фазы сигнальной и опорной частотных мод сдвинуты π, то выходные моды отправляются в детектор 7б. Срабатывание детекторов 7а, или 7б позволяет детектировать обе фазы импульса сигнального малофотонного излучения (см. схему 1).

Технический результат достигается за счет способа детектирования обеих фаз отдельного импульса сигнального излучения ослабленного до однофотонного уровня при совпадении базисов, используемых при фазовом кодировании на передатчике и приемнике, который отличается от используемых способов детектирования фаз в известных системах квантового распределения ключа.

Изобретение относится к технике оптической связи и может использоваться при передаче информации на расстояние, применительно к системам фотонной квантовой связи. Техническим результатом изобретения является повышение скорости генерации ключа за счет одновременного измерения двух фазовых состояний боковых частот, отличающихся на 180 градусов. Способ детектирования фаз малофотонных когерентных световых полей на боковых частотах в системе квантового распределения ключа заключается в детектировании результата смешения боковых частот малофотонного когерентного импульса световых мод сигнального излучения, обладающего закодированными фазами с модами опорного излучения. Входное излучение кодируют одной из фаз: ϕ=0, π/2, π, 3π/2, так что низкочастотная и высокочастотная моды приобретают фазы (-ϕ) и (+ϕ), а излучение, имеющее несмещенную центральную частоту, попадает на фазовый модулятор приемника, где оно кодируется одной из случайно выбранных фаз: 0, π/2, π, 3π/2. При выборе одинаковых базисов в передатчике и в приемнике, если фазы сигнальной и опорной частотных мод совпадают, то выходные низкочастотная и высокочастотная моды отправляются в один детектор, тогда как если фазы сигнальной и опорной частотных мод сдвинуты на 180 градусов, то выходные моды отправляются в другой детектор. 1 ил.

Способ детектирования фаз малофотонных когерентных световых полей на боковых частотах в системе квантового распределения ключа, заключающийся в детектировании результата смешения боковых частот малофотонного когерентного импульса световых мод сигнального излучения, обладающего закодированными фазами с модами опорного излучения, при этом входное излучение кодируют одной из фаз: ϕ=0, π/2, π, 3π/2, так что низкочастотная и высокочастотная моды приобретают фазы (-ϕ) и (+ϕ), а излучение, имеющее несмещенную центральную частоту, попадает на фазовый модулятор приемника, где оно кодируется одной из случайно выбранных фаз: 0, π/2, π, 3π/2, при выборе одинаковых базисов в передатчике и в приемнике, если фазы сигнальной и опорной частотных мод совпадают, то выходные низкочастотная и высокочастотная моды отправляются в один детектор, тогда как если фазы сигнальной и опорной частотных мод сдвинуты на 180 градусов, то выходные моды отправляются в другой детектор.