Система квантовой криптографии на запутанных поляризационных состояниях фотонов с активным выбором базиса измерения Российский патент 2024 года по МПК H04L9/08 H04B10/70 

Область техники, к которой относится изобретение.

Изобретение относится к квантовым коммуникациям, в частности к системам квантового распределения ключей. Такой способ распределения ключей шифрования в отличие от традиционного асимметричного шифрования, основанного на недоказанных следствиях из теории сложности алгоритмов, гарантирует секретность ключей, основанную на незыблемых основах квантовой механики. В результате процесса квантового распределения ключей два абонента, условно называемые Алисой и Бобом, получают идентичные ключи шифрования с гарантией их защищенности от подслушивания третьими лицами.

Системы квантового распределения ключей можно разделить на два разных класса. Первый характеризуется тем, что в нем Алиса приготавливает определенные квантовые состояния, а Боб проводит их измерение. Достоинство таких протоколов заключается в отностительной простоте их реализации. Их существенный недостаток - необходимость работать с ослабленными лазерными импульсами вместо одиночных фотонов, предполагающихся в теории. Это существенно усложняет алгоритмы распределения ключей и требует большого количества дополнительных проверок для обеспечения секретности ключей.

Второй класс систем квантового распределения ключей основан на использовании запутанных квантовых состояний, генерируемых источником запутанных пар фотонов. Несмотря на достаточно сложное устройство таких источников, преимущество этого подхода заключается в более элегантном доказательстве секретности и более простых алгоритмах, необходимых для обеспечения секретности распределенных ключей. Настоящее изобретение применимо к этому, второму классу систем квантового распределения ключей, которые основаны на запутанных квантовых состояниях.

Уровень техники.

Идея квантового распределения ключей на запутанных квантовых состояниях известна с начала 1990-х годов по публикациям двух ключевых работ А. К. Ekert "Quantum cryptography based on Bell's theorem" Phys. Rev. Lett. 67, 661 (1991) и С.H. Bennett, G. Brassard, and N. D. Mermin "Quantum cryptography without Bell's theorem", Phys. Rev. Lett. 68, 557 (1992). Идеи, высказанные авторами позволяют реализовать на практике распределение криптографических ключей с гарантией их секретности.

Позже было проведено множество экспериментальных подтверждений состоятельности и работоспособности таких протоколов. В частности, к настоящему времени известны несколько демонстраций систем квантового распределения ключей. Одна из демонстраций - А. Рорре, A. Fedrizzi, at al. "Practical quantum key distribution with polarization entangled photons," Opt. Express 12, 3865-3871, 2004 - служит базовой системой, модификация которой составляет сущность настоящего изобретение. Подобная система описана также в более поздних работах по квантовому распределению ключей с помощью запутанных квантовых состояний: I. Marcikic, A. Lamas-Linares, and С.Kurtsiefer, "Free-space quantum key distribution with entangled photons", Appl. Phys. Lett. 89, 101122 (2006); G. Weihs and C. Erven "Entangled free-space quantum key distribution", Proc. SPIE 6780, Quantum Communications Realized, 678013 (2007); C. Erven, C. Couteau, R. Laflanrme, and G. Weihs, "Entangled quantum key distribution over two free-space optical links," Opt. Express 16, 16840-16853 (2008); A. Treiber, А. Рорре, M. Hentschel, D. Ferrini, T. Lorunser, E. Querasser, T. Matyus, H. Hubel, and A. Zeilinger "A fully automated entanglement-based quantum cryptography system for telecom fiber networks" New Journal of Physics, 11 (2009); Y. Shi, S. M. Thar, H. S. Poh, J. A. Grieve, C. Kurtsiefer, and A. Ling, "Stable polarization entanglement based quantum key distribution over a deployed metropolitan fiber", Appl. Phys. Lett. 117,124002 (2020).

Настоящее изобретение относится к системе регистрации фотонов, составляющих запутанные пары фотонов. Протокол квантовой криптографии на запутанных поляризационных квантовых состояниях предполагает измерение поляризации каждого фотона из пары в одном из двух поляризационных базисов - либо в базисе вертикальный-горизонтальный либо в базисе +45/-45°. Основной способ проведения такого измерения, используемый во всех процитированных работах, показан на фиг.1, где модуль измерения состояния поляризации обозначен прямоугольником 5. Способ заключается в разделении входящего сигнала 1 на два пучка с помощью симметричного светоделителя 2. Далее, в каждом из двух полученных пучков ставится поляризационный светоделитель 4 и 7 для разделения поляризации в одном канале на вертикальную и горизонтальную, а в другом, на +45/-45°. Полученные сигналы регистрируются однофотонными детекторами 6, 8, 9, 10. Для реализации второго, повернутого на 45° базиса измерения обычно используется полуволновая пластинка 3, повернутая осью на 22.5° от горизонтали или вертикали.

Недостаток такого метода заключается в необходимости использовать 4 однофотонных детектора в системе регистрации фотонов каждого из двух абонентов. Следует отметить, что однофотонные детекторы - одни из самых дорогостоящих элементов систем квантовой криптографии, поэтому такое техническое решение приводит к сильному повышению стоимости таких систем квантовой криптографии.

Известен также метод регистрации, в котором достаточно всего одного однофотонного детектора, вместо четырех. Он описан в патенте США US 8189966 В2 "QKD Arrangement". Такое сокращение числа детекторов происходит за счет использования временного мультиплексирования для реализации всех необходимых измерений поляризационных состояний. Несмотря на его экономическую привлекательность, этот метод потенциально уязвим для атаки типа «временной сдвиг». При этой атаке злоумышленник, внося дополнительные задержки в канал связи, может эффективно подменять результаты измерения состояния поляризации другими значениями, что открывает возможности для атак.

Раскрытие сущности изобретения. Настоящее изобретение позволяет сократить число необходимых однофотонных детекторов до двух у каждого из двух абонентов, при этом не вызывая понижения уровня защищенности системы. Предлагаемый подход заключается в использовании модулятора поляризации перед поляризационным светоделителем. При этом, в зависимости от состояния модулятора поляризации может реализовываться как базис измерения типа вертикальный-горизонтальный, так и базис +45/-45°. Более того, такой подход позволяет использовать протоколы, предполагающие наличие более двух различных базисов измерения, например 4 и более.

Техническим решением, предлагаемым настоящим изобретением, является активный выбор базиса измерения поляризации фотона за счет использования модулятора поляризации. Данный подход отличается от общепринятого варианта с пассивным выбором базиса на симметричном светоделителе, наличием модулятора поляризации, который активно управляется системой квантового распределения ключей. В самом общем случае предполагается изменение состояния модулятора поляризации случайным образом, в соответствии со случайными битами от генератора случайных чисел. Такие измерения оказываются полностью эквивалентными измерениям при пассивном выборе базиса, однако с использованием двух однофотонных детекторов вместо четырех.

Также настоящее изобретение определяет общий вид системы квантового распределения ключей на запутанных квантовых состояниях с активным выбором базиса измерения с помощью модулятора поляризации. Предложенная структура системы квантового распределения ключей позволяет полноценно реализовать квантовое распределение ключей, используя в два раза меньше однофотонных детекторов по сравнению с известным базовым решением с пассивным выбором базиса измерения.

Технический результат, на достижение которого направлено настоящее изобретение, заключается в сокращении числа необходимых однофотонных детекторов в системе квантовой криптографии на запутанных поляризационных состояниях фотонов у каждого из двух абонентов с 4 в известном ранее решении до 2. Данный технический результат достигается путем реализации активного выбора базиса измерения поляризации с помощью модулятора поляризации, встраиваемого в модуль измерения поляризации. Благодаря использованию модулятора поляризации не требуется дополнительной пары однофотонных детекторов для измерения поляризации в еще одном базисе, который необходим для реализации большинства протоколов квантового распределения ключей. Кроме того, предложенное решение с модуляторами поляризации позволяет использовать в системе более двух различных базисов измерения, что может давать преимущество для квантового распределения ключей. Возможность использования более двух различных базисов измерения составляет отдельный технический результат, достигаемый настоящим изобретением. Такая возможность возникает в следствие управляемости модулятора поляризации, который, например в случае использования электрооптического модулятора поляризации, может обеспечивать различные степени изменения состояния поляризации, что напрямую соответствует измерениям в различных базисах.

Таким образом, предложена система квантовой криптографии на запутанных поляризационных состояниях фотонов, в которой формирование абонентами идентичных криптографических ключей осуществлено с за счет пространственно разделенных между двумя абонентами запутанных пар фотонов, отличающаяся наличием модуляторов поляризации, которые осуществляют выбор базиса измерения для соответствующего фотона каждым из двух абонентов, причем модуляторы располагаются перед поляризационными светоделителями, реализующими само поляризационное измерение в модулях измерения состояния поляризации каждого из двух абонентов.

В предложенной системе в качестве модулятора поляризации может использоваться электрооптический элемент, позволяющий изменять состояния поляризации в зависимости от электрического напряжения, подаваемого на него.

В предложенной системе измерение состояния поляризации каждым из абонентов может осуществляться в двух и более различных базисах измерения.

В предложенной системе выбор базиса измерения с помощью модулятора поляризации может осуществляться в соответствии со значениями, получаемыми от физического генератора случайных чисел.

В варианте системы с электрооптическим элементом в качестве модулятора поляризации в качестве такого элемента может использоваться электрооптический кристалл, который изменяет поляризацию проходящего через него излучения за счет эффекта Поккельса.

Краткое описание чертежей. На фигуре 1 показана ранее известная типичная схема измерения поляризации каждого фотона из пары в запутанном квантовом состоянии. Входной оптический пучок 1 попадает в модуль измерения поляризации 5. Благодаря использованию симметричного светоделителя 2 измерение случайным образом реализуется в одном из двух поляризационных базисов - либо в базисе вертикальный-горизонтальный, соответствующем каналу с поляризационным светоделителем 7, либо в базисе +45/-45°, соответствующем каналу с полуволновой пластинкой 3 и поляризационным светоделителем 4. Полуволновая пластинка 3 служит в данной схеме для вращения состояния поляризации входного пучка на 45 градусов, так как это обыкновенно существенно проще в реализации, чем поворот самого поляризационного светоделителя 4. Полученные сигналы после разделения поляризаций регистрируются однофотонными детекторами 6, 8, 9 и 10.

На фигуре 2 показана предлагаемая схема системы квантового распределения ключей на запутанных поляризационных состояниях фотонов с активным выбором базиса измерения. Особенность предлагаемой схемы заключается в использовании модулятора поляризации 13 (17) в схеме измерения поляризации каждого фотона из запутанной пары. Модулятор поляризации управляется электронным драйвером 23 (24).

Осуществление изобретения.

Предлагаемая схема системы квантового распределения ключей на запутанных состояниях с активным выбором базиса измерения показана на фигуре 2. Схема состоит из источника пар фотонов в запутанных квантовых состояниях 15, двух квантовых каналов связи 14 и 16 и двух модулей измерения поляризации 19 и 20, расположенных у двух абонентов - Алисы и Боба соответственно.

Указанный источник пар фотонов может быть реализован с использованием эффекта спонтанного параметрического рассеяния света. В процессе такого рассеяния один фотон излучения накачки с малой длиной волны спонтанно распадается на два фотона с большей длиной волны. В наиболее оптимальной конфигурации, запутанные квантовые состояния, генерируемые источником пар фотонов являются одним из четырех Бэлловских состояний:

Такие квантовые состояния могут быть получены, например, путем интерференции двух пар фотонов, рождающихся в процессе спонтанного параметрического рассеяния света.

Источник соединяется с модулями измерения поляризации 19 и 20 квантовыми каналами связи 14 и 16 соответственно. Квантовый канал может представлять из себя оптоволоконную линию связи или линию связи по открытому пространству, а также любую другую систему передачи поляризационных квантовых состояний с помощью фотонов. Модуль измерения поляризации 19 расположен у абонента Алиса. Модуль измерения поляризации 20 расположен у абонента Боб. При этом, источник пар фотонов 15 может находиться как в независимой локации, так и у одного из указанных абонентов. В этом случае, один из квантовых каналов связи логично располагать внутри станции абонента.

Модуль измерения поляризации 19 абонента Алиса состоит из модулятора поляризации 13 и драйвера модулятора поляризации 23. В зависимости от сигнала, подаваемого драйвером 23 на модулятор поляризации 13, поляризация проходящего через модулятор фотона либо остается неизменной, либо преобразуется эквивалентно повороту на определенный угол, например, 45°. Это может быть реализовано с помощью электрооптического элемента, двулучепреломление которого зависит от подаваемого на него напряжения. Такими свойствами обладает, например, кристалл ниобата лития, к которому прикладывается напряжение в направлении поперек направления распространения света. Электрооптический кристалл работает как переменная волновая пластинка и может использоваться для смены базисов измерения.

Для достижения необходимой смены базисов, кристалл располагается так, что его ось двулучепреломления составляла угол 45° с вертикалью. Тогда при нулевом двулучепреломлении состояние поляризации не изменяется. При двулучепреломлении величиной в четверть длины волны вертикальная и горизонтальная поляризации преобразуются в право- и левовращающуюся круговую поляризацию света. С точки зрения протокола квантового распределения ключей данные два круговых состояния поляризации эквивалентны состояниям поляризации +45/-45°, так как образуют взаимно несмещенный базис измерения с измерением в базисе вертикальный-горизонтальный.

После прохождения модулятора поляризации сигнал попадает на поляризационный светоделитель 12, на котором разделяются вертикальная и горизонтальная поляризации и попадают в детекторы 22 и Н соответственно.

Модуль измерения поляризации 20 абонента Боб устроен полностью аналогично модулю измерения поляризации абонента Ева. Он состоит из модулятора поляризации 17, его драйвера 24, поляризационного светоделителя 18 и двух однофотонных детекторов 21 и 25.

Для реализации квантового распределения ключей в данной схеме может использоваться изменение состояний модуляторов поляризации в соответствии со случайной последовательностью, подаваемой на драйверы 23 и 24. Две последовательности случайных бит должны быть независимыми и поэтому могут генерироваться независимо каждым из двух абонентов.

При регистрации пары фотонов, Алиса и Боб сверяют использованные состояния модуляторов поляризации. Если состояния совпадают, то базисы реализованных измерений поляризации тоже совпадают и Алиса и Боб должны получать сильно скоррелированные результаты измерения. Такие биты накапливаются и к ним далее применяются стандартные алгоритмы пост-обработки получаемых первичных данных в системах квантового распределения ключей. Если состояния отличаются, то базисы реализованных измерений различаются и не дают полезной информации для дальнейшего формирования криптографических ключей. Такие результаты измерения отбрасываются за ненадобностью.

В зависимости от выбранного протокола квантового распределения ключей, абоненты могут требовать, чтобы все результаты измерений, используемые при формировании криптографических ключей были получены при взаимно-случайных состояниях модуляторов поляризации, т.е. на каждое случайное состояние модулятора поляризации приходилось не более одной зарегистрированной пары фотонов.

Также в зависимости от используемого протокола квантового распределения ключей абоненты могут проводить поляризационные измерения в большем числе базисов, например в четырех. Для этого драйвер модулятора поляризации должен быть способен подавать четыре различных уровня сигнала на модулятор поляризации.

Ключевым преимуществом предложенной схемы по сравнению с базовым вариантом, в котором используются симметричные светоделители и, следовательно, выбор базиса измерения происходит пассивным образом, заключается в снижении общего количества необходимых однофотонных детекторов с 8 до 4, что является важнейшим шагом на пути удешевления всей конструкции и повышения ее коммерческой привлекательности. Вдобавок, снижение числа однофотонных детекторов в два раза снижает наблюдаемый уровень темновых отсчетов, что также положительно сказывается на работоспособности всей системы.

Изобретение относится к области квантовой криптографии, а именно квантового распределения ключей на запутанных состояниях. Система квантовой криптографии на запутанных поляризационных состояниях фотонов с активным выбором базиса измерения, содержащая источник запутанных пар фотонов, соединенный с модулями измерения поляризации абонентов через квантовые каналы связи, при этом каждый модуль измерения поляризации абонентов содержит модулятор поляризации, который осуществляет выбор базиса измерения для соответствующего фотона, драйвер модулятора поляризации, поляризационный светоделитель расположенный после модулятора поляризации, реализующий само поляризационное измерение в модулях измерения состояния поляризации за счет направления фотона на один из двух однофотонных детекторов. Технический результат - сокращение числа необходимых однофотонных детекторов в системе квантовой криптографии на запутанных поляризационных состояниях фотонов у каждого из двух абонентов с 4 до 2. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Система квантовой криптографии на запутанных поляризационных состояниях фотонов с активным выбором базиса измерения, содержащая источник пар фотонов в запутанных квантовых состояниях, соединенный с двумя модулями измерения поляризации абонентов через квантовые каналы связи для передачи поляризационных квантовых состояний с помощью фотонов, при этом формирование абонентами идентичных криптографических ключей осуществляют за счет пространственно разделенных между двумя абонентами запутанных пар фотонов, отличающаяся тем, что каждый модуль измерения поляризации абонентов содержит модулятор поляризации, который осуществляет выбор базиса измерения для соответствующего фотона, драйвер модулятора поляризации, поляризационный светоделитель расположенный после модулятора поляризации, реализующий само поляризационное измерение в модулях измерения состояния поляризации за счет направления фотона на один из двух однофотонных детекторов.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве модулятора поляризации использован электрооптический элемент, позволяющий изменять состояния поляризации в зависимости от электрического напряжения, подаваемого на него.

3. Система по п. 1, отличающаяся тем, что измерение состояния поляризации каждым из абонентов осуществляется в двух и более различных базисах измерения.

4. Система по п. 1, отличающаяся тем, что выбор базиса измерения с помощью модулятора поляризации осуществляется в соответствии со значениями, получаемыми от физического генератора случайных чисел.

5. Система по п. 2, отличающаяся тем, что в качестве электрооптического элемента использован электрооптический кристалл, который изменяет поляризацию проходящего через него излучения за счет эффекта Поккельса.