Способ и устройство генерации квантовых состояний с фазовым кодированием и состоянием ловушек Российский патент 2024 года по МПК H04B10/548 

Область техники, к которой относится изобретение

Предполагаемое изобретение относится к области квантового распределения ключей (КРК) шифрования, в частности, для генерации когерентных квантовых состояний в протоколе с фазово-временным кодированием и состояниями ловушек.

Уровень техники

В системах квантового распределения ключей (КРК) широкое распространение получили приемы кодирования информации, заключающиеся в применении относительного фазового сдвига оптических импульсов. При этом информация об опорной фазе между узлами квантовой сети должна каким-либо образом передаваться. В качестве носителя информации об опорной фазе может выступать когерентное оптическое излучение, передающееся от одного узла сети КРК к другому, между которыми происходит распределение ключей. Наиболее распространенный подход передачи информации об опорной фазе заключается в том, что формируется два когерентных импульса, один из которых является носителем опорной фазы (гомодин), а путем фазового сдвига второго импульса кодируется информация.

Отметим, что строгое доказательство секретности протоколов КРК подразумевает использование источника одиночных фотонов. В настоящее время не существует излучателей одиночных фотонов с достаточной производительностью для построения на их основе коммерческих систем КРК. Поэтому в КРК используются лазерные оптические импульсы, ослабленные до квазиоднофотонного уровня с пуассоновской статистикой распределения числа фотонов в оптических импульсах. В результате применения такого решения, появление не строго однофотонных квантовых состояний снижает стойкость протокола к некоторым видам атак, например, атаке с разделением по числу фотонов (PNS атака).

Для систем, использующих квазиоднофотонные квантовые состояния был предложен метод детектирования действий злоумышленника, основанный на формировании в передаваемой последовательности квантовых состояний - ловушек (decoy state), отличающихся от информационных квантовых состояний средним числом фотонов. Применение метода с состояниями ловушек увеличивает стойкость протокола КРК к выше обозначенным атакам (Молотков С.Н. Trojan-Horse-атаки, Decoy State-метод и побочные каналы утечки информации в квантовой криптографии, Журнал экспериментальной и теоретической физики, т. 157, №6, 2020, стр. 963-990, DOI: 10.31857/S0044451020060012).

Модуляция среднего числа фотонов в квантовых состояниях путем модуляции коэффициента усиления лазера (интенсивность или ток накачки) может приводить к смещению спектра генерации и профиля излучения во времени. Это может быть обнаружено злоумышленником, что позволит ему осуществить атаку и избежать обнаружения. Проблему со смещением спектра излучения решают тем, что с помощью лазера генерируют импульсы одинаковой мощности от посылки к посылке, а модуляцию среднего числа фотонов производят посредством внешних модуляторов интенсивности.

Известны устройство и способ фазово-временного кодирования для системы КРК на основе интерферометра Саньяка (международная заявка WO 2020011051, приоритет от 10.07.2018 г.).

Устройство включает

• источник света,

• циркулятор,

• модулятор интенсивности,

• блок объединения лучей в виде светоделителя.

Причем модулятор интенсивности построен на базе интерферометра Саньяка и модулятора фазы так, что свет, поступающий на первый вход интерферометра Саньяка, разделяется на две части, которые поочередно проходят через модулятор фазы. Интерферометр Саньяка состоит из светоделителя имеющего первый и второй вход и первый и второй выход, причем первый вход светоделителя соединен с циркулятором, между первым и вторым выходами образован замкнутый путь, второй вход соединен с блоком объединения лучей. Модулятор фазы расположен между первым и вторым выходами светоделителя. Первый вход светоделителя является входом модулятора интенсивности, второй вход является выходом модулятора интенсивности.

С помощью модуляции разности фаз интерферирующих частей света в интерферометре Саньяка происходит модуляция интенсивности света, выходящего через первый и второй входы интерферометра. Фактически производится перераспределение интенсивности света, выходящего из модулятора интенсивности.

В основном варианте исполнения устройства выход источника света соединен с 1-ым входом циркулятора, 2-й вход циркулятора входом модулятора интенсивности, блок объединения лучей соединен с 3-им входом циркулятора и выходом модулятора интенсивности так, что свет, поступающий из циркулятора и интерферометра Саньяка объединяется в одном канале и направляется к выходу устройства. Для реализации фазовых протоколов КРК предлагается установить дополнительный модулятор фазы на пути света перед одним из входов блока объединения лучей.

Обеспечивая согласованную работу дополнительного модулятора фазы и модулятора фазы в интерферометре Саньяка с помощью блока управления на выходе блока объединения лучей формируются импульсы излучения (квантовые состояния), промодулированные согласно фазовому протоколу.

Известное устройство имеет недостатки. При помощи используемого модулятора интенсивности невозможно управлять средним числом фотонов в квантовых состояниях, что снижает стойкость системы КРК к некоторым видам атак (PNS-атаке). Причина в том, что описанная конфигурация с объединением 3-его входа циркулятора и выхода модулятора интенсивности с помощью блока объединения лучей лишь перераспределяет свет, выходящий из модулятора интенсивности. Это перераспределение выражается в том, что на выходе устройства будут либо два импульса, разделенных во времени, либо один импульс, причем в обоих случаях суммарная энергия будет одинакова. Кроме того, в схеме присутствуют два модулятора фазы, что усложняет и удорожает конструкцию целом, а также процесс управления модуляторами.

Известно также устройство генерации модулированных по интенсивности оптических импульсов и система КРК, содержащая устройство генерации модулированных по интенсивности оптических импульсов (патент США №10951324, приоритет от 22.02.2019 г.), реализующее протокол с фазовым кодированием и состояниями ловушек (decoy state). Один из вариантов реализации устройства содержит источник фотонов и модулятор интенсивности, построенный на базе интерферометра Саньяка и модулятора фазы так, что свет, поступающий на вход интерферометра Саньяка разделяется на части, которые поочередно проходят через модулятор фазы. С помощью модуляции разности фаз интерферирующих частей света в интерферометре Саньяка происходит модуляция интенсивности света, выходящего из интерферометра.

Источник фотонов конфигурируется таким образом, что в каждой посылке либо формируется оптический импульс с фиксированными характеристиками, либо генерация оптического импульса не происходит. Модулятор фазы конфигурируется таким образом, чтобы производить сдвиг фазы между интерферирующими частями света в интерферометре Саньяка на 0 радиан или на к радиан, что соответствует экстремумам пропускания света модулятором интенсивности. При этом глубина модуляции интенсивности света на выходе модулятора интенсивности определяется соотношением коэффициентов пропускания и отражения света на светоделителе, образующим интерферометр Саньяка.

Согласованная работа источника фотонов и модулятора фазы позволяет генерировать оптические импульсы с 3-мя различными уровнями интенсивности. А каскадное подключение предложенных модуляторов интенсивности позволяет увеличить количество доступных уровней интенсивности на выходе устройства.

Система КРК, содержащая устройство генерации модулированных по интенсивности оптических импульсов, предполагает, что модулированные по интенсивности импульсы применяются для формирования квантовых состояний с закодированной в них информацией согласно реализуемым протоколам. В случае с фазовыми протоколами система должна дополнительно содержать схему формирования когерентной пары оптических импульсов и модулятор фазы, кодирующий информацию в фазовом сдвиге между импульсами в когерентной паре.

Таким образом, известная система КРК, содержащая устройство генерации модулированных по интенсивности оптических импульсов, позволяет реализовать протокол с фазовым кодированием и состояниями ловушек, при этом в передатчике используются два модулятора - для модуляции интенсивности оптических импульсов и для модуляции фазы.

Передатчик известной системы КРК, содержащей устройство генерации модулированных по интенсивности оптических импульсов, и способ его работы принимаются в качестве прототипа.

Однако, прототип имеет недостатки - наличие двух модуляторов в своем составе, что влечет за собой увеличение стоимости, усложнение конструкции и управления.

Раскрытие изобретения

Техническим результатом является:

1) упрощение конструкции и снижение стоимости передатчика в системе КРК,

2) реализация протокола с фазовым кодированием и состояниями ловушек с помощью устройства имеющего в составе только один модулятор фазы.

Для этого предлагается устройство генерации квантовых состояний с фазовым кодированием и состояниями ловушек, включающее

• импульсный лазер;

• интерферометр Маха-Цандера, имеющий вход и выход и включающий

оптический разветвитель с одним входом и двумя выходами,

оптический объединитель лучей с двумя входами и одним выходом,

• интерферометр Саньяка, имеющий вход и выход и включающий оптический разветвитель с двумя входами и двумя выходами,

модулятор фазы,

• аттенюатор, вход которого подключен к выходу интерферометра Саньяка,

• электронное устройство управления, связанное с лазером и модулятором фазы, и выполненное с возможностью

формирование управляющих сигналов, подаваемых на лазер и модулятор фазы,

регулирования задержек между управляющими сигналами, подаваемыми на лазер и модулятор фазы,

подачи управляющих импульсов на модулятор фазы с длительностью, равной или большей длительности исходного лазерного импульса,

выбора типа состояния, базиса и бита при помощи датчика случайных чисел,

формирования управляющих сигналов для модулятора фазы, соответствующих выбранным типу состояния, базису и биту,

причем

вход интерферометра Маха-Цандера подключен к выходу лазера, вход интерферометра Саньяка подключен к выходу интерферометра Маха-Цандера,

при этом в интерферометре Маха-Цандера

вход оптического разветвителя является входом интерферометра, выход оптического объединителя лучей является выходом интерферометра, первое плечо интерферометра образовано соединением первого выхода оптического разветвителя с первым входом оптического объединителя лучей, второе плечо интерферометра образовано соединением второго выхода оптического разветвителя со вторым входом оптического объединителя лучей, время распространения света по первому плечу интерферометра больше времени распространения света по второму плечу интерферометра как минимум на удвоенную величину длительности оптического импульса, обеспечено равное пропускание света от входа до выхода интерферометра по обоим плечам, обеспечивает равную мощность в паре оптических импульсов на выходе интерферометра,

первое и второе плечо интерферометра выполнены с возможностью сохранения поляризации света, при этом в интерферометре Саньяка

первый вход оптического разветвителя является входом интерферометра, второй вход оптического разветвителя является выходом интерферометра, модулятор фазы установлен между первым и вторым выходами оптического разветвителя, таким образом, чтобы импульсы, распространяющиеся во встречных направлениях в интерферометре, проходили через модулятор в различные моменты времени,

коэффициентом деления света оптического разветвителя определяется максимальная глубина модуляции мощности оптических импульсов, соответствующая отношению среднего числа фотонов в информационных квантовых состояниях и в состояниях ловушек.

В устройстве реализуется способ генерации квантовых состояний с фазовым кодированием и состояниями ловушек, заключающийся в том, что

• случайным образом выбирают тип состояния, базис и бит, кодируемые в квантовом состоянии,

• для формирования вакуумного состояния лазером не генерируют оптических импульсов

• для формирования информационного квантового состояния и состояния ловушки лазером генерируют одиночный оптический импульс,

• передают одиночный оптический импульс в интерферометр Маха-Цандера,

• получают когерентную пару оптических импульсов, разделенных во времени, на выходе интерферометра Маха-Цандера,

• передают когерентную пару оптических импульсов на вход интерферометра Саньяка, где формируют

первую часть первого когерентного импульса, распространяющуюся от первого выхода оптического разветвителя,

вторую часть первого когерентного импульса, распространяющуюся от второго выхода оптического разветвителя,

первую часть второго когерентного импульса, распространяющуюся от первого выхода оптического разветвителя,

вторую часть второго когерентного импульса, распространяющуюся от второго выхода оптического разветвителя,

• осуществляют управление модулятором фазы так, что

формируют сдвиг фазы между первыми частями когерентных импульсов соответствующий кодируемым биту и базису в квантовом состоянии,

формируют сдвиг фазы между первой и второй частями каждого когерентного импульса соответствующий типу квантового состояния,

• получают на выходе интерферометра Саньяка первый и второй когерентные импульсы, модулированные по мощности и по фазе соответственно выбранным типу состояния, базису и биту,

• передают с выхода интерферометра Саньяка первый и второй модулированные когерентные импульсы на вход аттенюатора для ослабления до квазиоднофотонного уровня,

• получают на выходе аттенюатора квантовое состояние,

• направляют сгенерированное квантовое состояние с выхода аттенюатора по назначению.

Для достижения заявленного технического результата предлагается при формировании квантовых состояний генерировать с помощью лазера одиночные оптические импульсы. Схема предложенного устройства показана на фигуре графического изображения. Подготавливать пару идентичных когерентных оптических импульсов с фиксированной временной задержкой путем разделения исходного оптического импульса. Далее производить модуляцию мощности пары оптических импульсов и производить относительный сдвиг фаз между оптическими импульсами в паре. Пара импульсов, прошедшая вышеописанные этапы, есть информационное квантовое состояние.

Если требуется сформировать информационное квантовое состояние или состояние ловушки лазером формируют одиночные оптические импульсы с одинаковой длительностью и мощностью. В случае, если требуется сформировать вакуумное состояние, то лазер не генерирует оптических импульсов.

Формирование пары идентичных когерентных оптических импульсов с фиксированной разностью фаз и временной задержкой может быть реализовано рядом способов. Например, на пути исходного оптического импульса может быть установлен интерферометр Маха-Цандера с различным временем распространения света в его плечах (AMZI), причем разность времени распространения света в плечах должна быть больше длительности исходного импульса. При поступлении исходного импульса на вход такого интерферометра, он делится на две части, одна часть распространяется по одному плечу интерферометра, вторая часть распространяется по второму плечу интерферометра. При достижении выхода интерферометра, каждая часть исходного импульса продолжает распространяться в одном направлении, но с задержкой, внесенной между частями в плечах интерферометра.

При этом интерферометр должен вносить равные потери между входом и выходом для каждой части импульса, распространяющихся по его плечам. Это условие обеспечивает равенство мощностей каждого из пары когерентных импульсов на его выходе.

Далее, сформированную пару когерентных импульсов подают на вход модулятора света, включающего интерферометр Саньяка и модулятор фазы, установленный в замкнутом пути света в интерферометре Саньяка. Каждый импульс, входящий в модулятор света разделяется на две части (для определенности назовем их «первая» и «вторая»), распространяющиеся в интерферометре в противоположных направлениях.

Модулятор света конфигурируется так, чтобы обе части проходили через модулятор фазы в различные интервалы времени. Это условие может быть выполнено подбором соответствующей разницы между оптическими длинами путей указанных частей света от входа интерферометра Саньяка до модулятора фазы.

Каждая из частей оптических импульсов в интерферометре Саньяка проходит путь с оптической длиной

L=L₁+M(U)+L₂,

где L₁ и L₂ - оптические длины путей от входа в модулятор света до модулятора фазы в интерферометре Саньяка,

M(U) - оптическая длина модулятора фазы, зависящая от величины управляющего сигнала U.

Следуя этому, при прохождении каждой части когерентных импульсов от входа в модулятор света до его выхода, набег фазы будет зависеть от управляющего сигнала, поданного на модулятор фазы во время прохождения через него соответствующей части света

где ω - угловая частота света,

с - скорость света в вакууме,

n - номер части когерентного импульса.

В дальнейшем будет рассматриваться набег фазы как сумму набега фазы на участках L₁ и L₂ интерферометра

θ=ω ⋅ (L₁+L₂)/с

и набега фазы в модуляторе фазы

β_n=ω ⋅ M(U_n)/c.

При прохождении через модулятор фазы первой части когерентного импульса подается управляющий сигнал пропорциональный сдвигу фазы ϕ=β_1, определяющего кодируемую в квантовом состоянии информацию. После этого, при прохождении второй части когерентного импульса через модулятор фазы, управляющий сигнал изменяется на величину, пропорциональную сдвигу фазы ΔГ=β2 - ϕ, определяющего мощность когерентного импульса в квантовом состоянии.

После прохода частей когерентных импульсов по замкнутому пути интерферометра Саньяка части отдельных когерентных импульсов интерферируют. Комплексная амплитуда импульсов, образующихся на выходе интерферометра в результате интерференции описывается выражением

где A_m - комплексная амплитуда импульсов, входящих в интерферометр Саньяка;

Т и R - коэффициенты пропускания и отражения светоделителя, образующего интерферометр Саньяка, при этом Т+R=1.

При этом мощность импульса на выходе интерферометра Саньяка равна

где P_out - мощность импульса на входе в интерферометр.

Модулятор фазы конфигурируется таким образом, чтобы величина ΔГ принимала значения 0 или ±π радиан. В таком случае мощность импульсов на выходе интерферометра может принимать значения

Каждый из пары когерентных импульсов модулируется по мощности так, чтобы оба импульса в каждом квантовом состоянии были равной мощности.

Дополнительно модулятор фазы конфигурируется для произведения сдвигов фазы первого когерентного импульса ϕ₁ и сдвига фазы второго когерентного импульса ϕ₂ таким образом, чтобы разница этих сдвигов Δϕ=ϕ₂-ϕ₁ соответствовала кодируемым базису и биту в квантовом состоянии.

Выбор уровня сигнала вносящего сдвиг фазы ϕ в каждый когерентный импульс из пары может выбираться исходя из технических возможностей модулятора фазы и управляющего электронного блока, а также может учитываться знак приращения сигнала, обеспечивающего сдвиг фазы ΔГ₁ для первого импульса из пары и ΔГ₂ для второго импульса из пары.

Например, для реализации известного протокола ВВ84 с фазовым кодированием и состояниями ловушек может быть использован набор квантовых состояний в соответствии с табл. 1. Для задания квантового состояния нужно задать 3 параметра: тип состояния, базис и бит. По типу состояния могут быть: информационными со средним число фотонов (СЧФ) пропорциональным мощности импульса на входе в интерферометр μ ~ P_in, состояниями-ловушками со средним числом фотонов v~P_in ⋅ (1-4 ⋅ Т⋅R) и вакуумными состояниями, для которых СЧФ=0, поскольку лазер выключен. Протокол предполагает 4 варианта сдвига фаз Δϕ={-π/2, π/2, 0, π}, которые группируются в 2 базиса: нулевой {-π/2, π/2} и первый {0, π}. Формирование заданного квантового состояния осуществляется в соответствии со случайным выбором типа состояния, базиса и бита. Этот выбор производится при помощи датчика случайных чисел (ДСЧ).

Если принять, что на модулятор фазы для сдвига фазы на π радиан требуется подать напряжение V_π, то описанный набор квантовых состояний в табл. 1 может быть реализован подачей напряжений на модулятор, представленных в табл. 2, при прохождении первой и второй частей первого когерентного импульса р₁₁ и р₁₂, и первой и второй частей второго когерентного импульса р₂₁ и р₂₂.

Для конфигурации, описанной в табл. 1 и 2, требуется четыре уровня напряжений, которые не превышают по модулю величины полуволнового напряжения модулятора фазы. Реализация устройства управления, обеспечивающего подачу на модулятор обозначенных напряжений не является технически и технологически трудной задачей.

Возможны другие наборы квантовых состояний для реализации как протокола ВВ84, так и другие протоколы КРК с фазовым кодированием и состояниями ловушек. Предложенная конфигурация проиллюстрирована для наглядности.

Отличительные особенности предложенного технического решения по сравнению с прототипом заключаются, во-первых, в доработке устройства «transmitter», а именно между источником фотонов и модулятором света устанавливается устройство для формирования пары идентичных когерентных оптических импульсов с фиксированной задержкой во времени (например, AMZI). Вторая отличительная особенность заключается в том, что в предлагаемом устройстве не требуется дополнительного модулятора фазы для реализации протокола с фазовым кодированием и состояниями ловушек.

Заявленный технический результат достигается благодаря тому, что передается пара когерентных оптических импульсов в модулятор света, в котором происходит их разделение на части и управление сдвигом фазы всех частей когерентных импульсов для получения необходимого изменения мощности импульсов и относительного сдвига фазы между когерентными импульсами в паре.

Краткое описание чертежей

На фигуре графического изображения приведена схема устройства, в которой реализуется предлагаемый способ, в которой используются следующие обозначения:

1 - импульсный лазер,

2, 4 - оптические разветвители,

3 - оптический объединитель,

5 - модулятор фазы,

6 - аттенюатор,

7 - электронное устройство управления (непрерывные линии - оптические связи, пунктирные линии - электрические связи).

Осуществление изобретения

Устройство может быть выполнено с использованием оптоволоконных компонентов, при этом часть схемы от лазера до модулятора фазы должна быть выполнена из волокна с сохранением поляризации.

В качестве импульсного лазера применяется полупроводниковый лазер с распределенной обратной связью, с выводом излучения в волокно, сохраняющее поляризацию и, например, с линейной поляризацией вдоль медленной оси волокна. В устройстве можно использовать лазерный диод тип DFB-1550-14BF производителя АО "Нолатех' (http://nolatech.ru/).

Интерферометр Маха-Цандера может быть выполнен на основе двух волоконных светоделителей, соединенных между собой. При этом разность времен распространения света в плечах интерферометра равна t секунд. Для осуществления изобретения можно использовать светоделитель PMFBTC-P-202-15-L-50-1-90 производителя «DK Photonics» (http://www.dkphotonics.com/). При этом один вход первого светоделителя и один выход второго светоделителя не используются или заблокированы.

Модулятор света может быть выполнен на основе двунаправленного волоконного светоделителя с 4-мя выводами и электрооптического модулятора фазы. Для осуществления изобретения можно использовать светоделитель PMFBTC-P-202-15-L-20-1-90 производителя «DK Photonics» с коэффициентом деления 20/80 и электрооптический модулятор MPZ-LN-01-P-P-FC-FC производителя «iXblue» (https://www.ixblue.com/). При этом два выхода светоделителя соединяются с модулятором фазы так, чтобы оптический путь был замкнут в кольцо, образовав интерферометр Саньяка. При этом модулятор фазы устанавливается в интерферометре Саньяка так, чтобы разность времен распространения противоположно направленных частей света от входа интерферометра Саньяка до модулятора фазы было τ=t секунд.

Для ослабления оптических импульсов до квазиоднофотонного уровня используется аттенюатор. Для осуществления изобретения можно использовать аттенюатор FA20T-APC, производителя «THORLABS» (https://www.thorlabs.com/).

Один из вариантов осуществление изобретения подразумевает что электронное устройство управления (ЭУУ) построено на базе электронно-вычислительной машины (ЭВМ) с сетевым интерфейсом связи. Кроме того, ЭУУ содержит драйвер лазера и драйвер модулятора фазы, генератор тактовых импульсов (ГТИ), датчик случайных чисел. Все необходимые расчеты на ЭВМ для осуществления способа реализуются с помощью программного обеспечения (ПО). Такое специализированное ПО может сформировать специалист по программированию (программист) на основе знаний о функционировании устройств и алгоритма, которые лежат в основе предложенного способа. Также электронное устройство управления должно быть выполнено с возможностью регулирования задержек между управляющими сигналами, подаваемыми на лазер и модулятор фазы, и подачи управляющих импульсов на модулятор фазы длительностью, равной длительности исходного лазерного импульса.

После сборки оптической и электронной частей запускают передатчик в рабочем режиме. При подключении к линии связи с приемником, последний по сетевому интерфейсу передает сигнал готовности к приему последовательности квантовых состояний.

Для каждого пакета когерентных импульсов ЭУУ фиксирует тактовый импульс ГТИ, соответствующий началу генерации квантового состояния и принимает его за начало отсчета. Датчик случайных чисел формирует три числа: первое соответствует типу состояния, второе базису, третье биту. Эти числа передаются в ЭВМ, где происходит их сопоставление в сигналы управления модулятора фазы и драйвера лазера.

Для генерации вакуумного состояния не подают управляющих сигналов на лазер и модулятор фазы. Для генерации информационного квантового состояния и состояния ловушки лазером генерируют одиночный оптический импульс длительностью т.

Формирование пары когерентных оптических импульсов осуществляется разделением исходного оптического импульса в асимметричном интерферометре Маха-Цандера, в плечах которого импульсы распространяются за различное время и объединяются на общем выходе с задержкой во времени равной t, причем t>τ.

Далее, первый и второй когерентные импульсы подают на вход модулятора света. При этом разность времен распространения света τ_s до модулятора фазы во встречных направлениях равна удвоенной длительности лазерного импульса, т.е. τ_s=2t. Выбранный светоделитель, из состава модулятора света, согласно формуле (1), обеспечивает соотношение среднего числа фотонов в состояниях ловушек к информационным состояниям равное v/μ=0.36. С помощью управления модулятором фазы и лазером осуществляется кодирование бита, базиса и типа квантового состояния, согласно протоколу КРК. Для этого ЭВМ, с помощью тактовых отсчетов ГТИ, для импульсов, образующих квантовое состояние, рассчитывает временные задержки, требующиеся свету для распространения от лазера до модулятора фазы. Затем, по команде ЭВМ, драйвер модулятора фазы в моменты времени, соответствующие формируемому квантовому состоянию (табл. 1), подает на модулятор фазы управляющие сигналы.

После этого, промодулированный пакет из двух импульсов поступает на вход аттенюатора, где он ослабляется до квазиоднофотонного уровня. Полученное на выходе аттенюатора квантовое состояние, направляют в оптоволоконную линию связи с приемником квантовых состояний.

Возможны и другие варианты реализации предложенного устройства и способа, зависящие от предпочтений при выборе аппаратного и программного обеспечения.

Предлагаемое изобретение относится к области квантового распределения ключей (КРК) шифрования, в частности, для генерации когерентных квантовых состояний в протоколе с фазово-временным кодированием и состояниями ловушек. В способе генерации квантовых состояний с фазовым кодированием и состоянием ловушек и устройстве для его реализации предлагается при формировании квантовых состояний генерировать с помощью лазера одиночные оптические импульсы (схема предложенного устройства показана на фигуре графического изображения), подготавливать пару идентичных когерентных оптических импульсов с фиксированной временной задержкой путем разделения исходного оптического импульса, далее производить модуляцию мощности пары оптических импульсов и производить относительный сдвиг фаз между оптическими импульсами в паре. Пара импульсов, прошедшая вышеописанные этапы, есть информационное квантовое состояние. Технический результат - упрощение конструкции, реализация протокола с фазовым кодированием и состояниями ловушек. 2 н.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл.

1. Устройство генерации квантовых состояний с фазовым кодированием и состояниями ловушек, включающее импульсный лазер; интерферометр Маха-Цандера, имеющий вход и выход и включающий оптический разветвитель с одним входом и двумя выходами, а также оптический объединитель лучей с двумя входами и одним выходом; интерферометр Саньяка, образованный соединением выходов оптического разветвителя с модулятором фазы, аттенюатор, вход которого подключен к выходу интерферометра Саньяка; электронное устройство управления, связанное с лазером и модулятором фазы и выполненное с возможностью формирования управляющих сигналов, подаваемых на лазер и модулятор фазы, регулирования задержек между управляющими сигналами, подаваемыми на лазер и модулятор фазы, подачи управляющих импульсов на модулятор фазы с длительностью, равной или большей длительности исходного лазерного импульса, выбора типа состояния, базиса и бита при помощи датчика случайных чисел, формирования управляющих сигналов для модулятора фазы, соответствующих выбранным типу состояния, базису и биту; причем вход интерферометра Маха-Цандера подключен к выходу лазера, вход интерферометра Саньяка подключен к выходу интерферометра Маха-Цандера; при этом в интерферометре Маха-Цандера вход оптического разветвителя является входом интерферометра, выход оптического объединителя лучей является выходом интерферометра, первое плечо интерферометра образовано соединением первого выхода оптического разветвителя с первым входом оптического объединителя лучей, второе плечо интерферометра образовано соединением второго выхода оптического разветвителя со вторым входом оптического объединителя лучей, время распространения света по первому плечу интерферометра больше времени распространения света по второму плечу интерферометра как минимум на удвоенную величину длительности оптического импульса, обеспечено равное пропускание света от входа до выхода интерферометра по обоим плечам, что обеспечивает равную мощность в паре оптических импульсов на выходе интерферометра, первое и второе плечо интерферометра выполнены с возможностью сохранения поляризации света; при этом в интерферометре Саньяка первый вход оптического разветвителя является входом интерферометра, второй вход оптического разветвителя является выходом интерферометра, модулятор фазы установлен между первым и вторым выходами оптического разветвителя таким образом, чтобы импульсы, распространяющиеся во встречных направлениях в интерферометре, проходили через модулятор в различные моменты времени, коэффициентом деления света оптического разветвителя определяется максимальная глубина модуляции мощности оптических импульсов, соответствующая отношению среднего числа фотонов в информационных квантовых состояниях и в состояниях ловушек.

2. Способ генерации квантовых состояний с фазовым кодированием и состояниями ловушек, заключающийся в том, что случайным образом выбирают тип состояния, базис и бит, кодируемые в квантовом состоянии; для формирования информационного квантового состояния и состояния ловушки лазером генерируют одиночный оптический импульс; передают одиночный оптический импульс в интерферометр Маха-Цандера; получают когерентную пару оптических импульсов, разделенных во времени, на выходе интерферометра Маха-Цандера; передают когерентную пару оптических импульсов на вход интерферометра Саньяка, где формируют первую часть первого когерентного импульса, распространяющуюся от первого выхода оптического разветвителя, вторую часть первого когерентного импульса, распространяющуюся от второго выхода оптического разветвителя, первую часть второго когерентного импульса, распространяющуюся от первого выхода оптического разветвителя, вторую часть второго когерентного импульса, распространяющуюся от второго выхода оптического разветвителя; осуществляют управление модулятором фазы так, что формируют сдвиг фазы между первыми частями когерентных импульсов, соответствующий кодируемым биту и базису в квантовом состоянии, формируют сдвиг фазы между первой и второй частями каждого когерентного импульса, соответствующий типу квантового состояния; получают на выходе интерферометра Саньяка первый и второй когерентные импульсы, модулированные по мощности и по фазе соответственно выбранным типу состояния, базису и биту; передают с выхода интерферометра Саньяка первый и второй модулированные когерентные импульсы на вход аттенюатора для ослабления до квазиоднофотонного уровня; получают на выходе аттенюатора квантовое состояние; направляют сгенерированное квантовое состояние с выхода аттенюатора по назначению.