Способ детектирования фотонных кубитов, закодированных на фазах поднесущих частот: φ = 0, π/4, π/2, 3π/4 Российский патент 2024 года по МПК H04L9/08 

Предлагается способ детектирования квантовых состояний фотонных кубитов, закодированных на четырех фазах поднесущих частот ( = 0, π/4, π/2, 3π/4) когерентного многочастотного излучения, относящийся к области систем связи, применимый для использования в технике оптической связи, для методов обработки оптической информации, включая оптические квантовые вычисления, квантовые коммуникации и оптические системы квантовой криптографии, в системах квантовой рассылки криптографического ключа, использующих фазово-частотное и поляризационное кодирование фотонных кубитов при передаче информации.

Наиболее близким аналогом является детектирование квантовых состояний фотонных кубитов, использующееся в протоколе технологии квантовой передачи информации на поднесущей частоте, где используют фазовое кодирование поднесущих частот четырьмя фазами = 0, π/2, π, 3π/2, предложенное в работе [Ю.Т. Мазуренко, Ж. - М. Меролла, Ж. - П. Годжебюр: Квантовая передача информации с помощью поднесущей частоты. Применение к квантовой криптографии // Оптика и спектроскопия. – 1999. – Т.86. №2. – С. 181-183] и экспериментально реализованное в статье [Gleim A.V. Secure polarization-independent subcarrier quantum key distribution in optical fiber channel using BB84 protocol with a strong reference // Optics Express. – 2016. – Т. 24. – №. 3. – С. 2619-2633], а также развитое в заявке на изобретение по увеличению вероятности детектирования фазовых состояний [Е. Моисеев, К. Мельник, С. Моисеев “Способ детектирования фаз малофотонных когерентных световых полей на боковых частотах в системе квантового распределения ключа” / Роспатент заявка, регистрационный № 2021139427, 2021., 28.12.2021]. В описанных выше работах и заявке изобретении, фазы принадлежат одному из двух неортогональных базисов (0, π), или (π/2, 3π/2), а внутри каждого базиса состояния ортогональны и экспериментально однозначно детектируются, что используется в протоколе квантового распределения ключа на поднесущих частотах. В рассматриваемом нами случае все четыре фазовых состояния являются неортогональными, что делает невозможным их однозначное детектирование способами, используемыми в отмеченных выше работах и в заявке на изобретение.

Предлагаемый способ использует детектирование результата интерференции сигнальных поднесущих частот с поднесущими частотами опорного излучения, которое модулируется одной из фаз = 0, π/2, или = π/4, 3π/4 из двух случайно выбираемых неортогональных базисов (0, π/2) и (π/4, 3π/4).

Предлагаемый способ решает задачу детектирования неортогональных фазовых состояний внутри выбранного одного из двух неортогональных базисов (0, π/2 или π/4, 3π/4). Данный способ может быть использован для реализации на его основе протокола квантового распределения ключа с фазовым кодированием на поднесущих частотах, что расширяет возможности реализации данного типа квантовых коммуникаций и облегчает их функционирование благодаря уменьшению требований к максимальной величине напряжения, используемого в электрооптических модуляторов, ускоряя при этом скорость их работы.

Технический результат заключается в однозначном детектировании фотонных кубитов закодированных на фазах поднесущих частот в неортогональных базисах фазами = 0, π/2 и = π/4, 3π/4.

Технический результат достигается благодаря детектированию результата интерференции сигнальных поднесущих частот совместно с опорными поднесущими частотами закодированных в неортогональных базисах фазами = 0, π/2 и = π/4, 3π/4.

Технической задачей настоящего изобретения является однозначное детектирование неортогональных фазовых состояний внутри выбранного одного из двух неортогональных базисов.

Технический результат заключается в однозначном детектировании фотонных кубитов закодированных на фазах поднесущих частот в неортогональных базисах фазами = 0, π/2 и = π/4, 3π/4. В изобретении предложен способ детектирования фотонных кубитов закодированных на фазах поднесущих частот: = 0, π/4, π/2, 3π/4 который использует следующие устройства:

приемник - принимающий блок, содержащий:

циркуляторы (1),

спектральные фильтры (2),

детекторы одиночных фотонов (3 и 4),

фазовый модулятор (5),

бим-сплиттер 50/50 (6),

синхронизационный детектор (7),

оптическую линию связи, выполненную в виде одномодового оптического волокна, соединяющую передающий и принимающий блоки, или в свободном пространстве с использованием элементов объемной оптики.

Способ заключается в реализации последовательности линейных операций над когерентным многочастотным излучением содержащим сигнальный фотонный кубит, квантовое состояние которого фазово закодировано на двух поднесущих частотах в одном из двух неортогональных базисов с одной из фаз () сигнального фотонного кубита или ; ; на первом шаге происходит отделение центральной моды когерентного многочастотного излучения на несущей частоте от сигнальных поднесущих частот; на втором шаге центральная мода отправляется на фазовый модулятор, который модулирует входное излучение одной из фаз случайно выбранной пары = 0, π/2, или = π/4, 3π/4; в результате модуляции формируется опорное излучение на поднесущих частотах с выбранной фазой ; на третьем шаге происходит отделение поднесущих частот опорного излучения от когерентного многочастотного излучения на несущей частоте; на четвертом шаге сигнальный и опорный фотонные кубиты смешиваются на бим-сплиттере на выходах которого, при совпадении выбранных базисов, в зависимости от выбранных фаз срабатывает один из двух детекторов регистрирующих результат конструктивной или деструктивной интерференции.

Детектирование фотонных кубитов в неортогональных базисах.

Когерентное многочастотное излучение на центральной и поднесущей ) частотах подается во входную пространственную моду 1:

, (1)

где - частотная расстройка, – амплитуды,сигнального и опорного излучения.

1) Входное излучение (1) из передатчика направляется в порт 1 циркулятора 1а. Из порта 2 циркулятора 1а излучение поступает на спектральный фильтр 2а, где центральная мода излучения () отражается от спектрального фильтра 2а и поступает обратно в порт 2 циркулятора 1а, а поднесущая сигнальная мода излучения, имеющая фазу относительно центральной моды, проходит через спектральный фильтр 2а и поступает через линию задержки в порт 1 бим-сплиттера 6. После отражения от спектрального фильтра многочастотное излучение распространяется модам 1 и 2, описываемое состоянием:

. (2)

2) Из порта 3 циркулятора 1а центральная мода поступает на фазовый модулятор 5, после прохождения которого в результате модуляции в излучении возникает опорная поднесущая мода на частоте , закодированная модулятором одной из 2-х возможных фаз = 0, = π/2 при использовании первого базиса (0,π/2), или фаз: =π/4, = 3π/4 – при использовании второго базиса (π/4,3π/4). Далее мночастотное излучение поступает в порт 1 циркулятора 1б.

, (3)

и – амплитуда и фаза опорной поднесущей моды.

3) Далее излучение пространственной моды 2 выходит из порта 2 циркулятора 1б поступает на спектральный фильтр 2б, пропускающий опорные поднесущие частотные моды на порт 2 бим-сплиттера 4, а излучение на центральной частоте отражается от спектрального фильтра 2б и поступает обратно в порт 2 циркулятора 1б и проходит на порт 3 циркулятора 1б, попадая на синхронизационный детектор 7. Состояние сигнального и опорного излучения в пространственных модах 1 и 2 после прохождения спектрального фильтра имеет вид:

. (4)

Ниже мы рассматриваем ситуацию, когда параметры модулятора 3 удовлетворяют условию =. Для квантовых коммуникаций представляет интерес случай, когда [Gleim A.V. Secure polarization-independent subcarrier quantum key distribution in optical fiber channel using BB84 protocol with a strong reference // Optics Express. – 2016. – Т. 24. – №. 3. – С. 2619-2633].

4) Сигнальные и опорные поднесущие моды поступают на вход 1 и вход 2 бим-сплиттера 6. На выходах 3 и 4 бим-сплиттера 6 излучение попадает в пространственные моды 3 и 4, где происходит их измерение однофотонными детекторами. Значимые результаты детектирования происходят при совпадении (согласовании) базисов сигнального и опорного поднесущего излучения.

В случае, когда фаза сигнального поднесущего излучения принадлежит первому базису ( = 0, или = π/2) случайным образом будем использовать = 0 или = π/2 у опорной поднесущей, а в случае, когда фаза сигнального поднесущего излучения принадлежит второму базису ( = π/4, или = 3π/4) случайным образом будем использовать = π/4 или = 3π/4 у опорной поднесущей.

При детектировании фазы сигнального поднесущего излучения в первом базисе состояние излучения в модах 3 и 4 на выходах 3 и 4 бим-сплиттера 6 описывается состоянием (при = 0):

(5)

и при = π/2:

. (6)

Из (5) получаем, что детектирование фотона в выходной моде 4 бим-сплиттера 4 при срабатывании детектора 4 однозначно свидетельствует о том, что сигнальный фотон имел фазу = 0, а при = π/2 детектор 4 не срабатывает.

Из (6) аналогично получаем, что детектирование фотона в выходной моде 3 бим-сплиттера 6 при срабатывании детектора 3 однозначно свидетельствует о том, что сигнальный фотон имел фазу = π/2, а при = 0 детектор 3 не срабатывает.

При детектировании фазы сигнального поднесущего излучения во втором базисе состояние излучения в модах 3 и 4 на выходах 3 и 4 бим-сплиттера 6 описывается состоянием (при ):

, (7)

и при :

. (8)

Из (7) получаем, что детектирование фотона в выходной моде 4 бим-сплиттера 6 при срабатывании детектора 4 однозначно свидетельствует о том, что сигнальный фотон имел фазу = π/4, а при = 3π/4 детектор 4 не срабатывает.

Из (8) аналогично получаем, что детектирование фотона в выходной моде 3 бим-сплиттера 6 при срабатывании детектора 3 однозначно свидетельствует о том, что сигнальный фотон имел фазу = 3π/4, а при = π/4 детектор 3 не срабатывает.

Таким образом, показана возможность однозначного детектирования всех четырех фаз сигнального поднесущего излучения путём согласования базисов и детектирования фотонов с учётом выбранной фазы опорного поднесущего излучения.

Результаты аналитических расчетов соответствуют заявленному техническому результату, согласно которому реализуется однозначное детектирование фотонных кубитов закодированных на фазах поднесущих частот в неортогональных базисах фазами = 0, π/2 и = π/4, 3π/4, при выборе одинакового базиса.

Изобретение относится к области связи, для использования в технике оптической связи, для методов обработки оптической информации, включая оптические квантовые вычисления, квантовые коммуникации и оптические системы квантовой криптографии. Способ детектирования фотонных кубитов, закодированных на фазах поднесущих частот: ϕ = 0, π/4, π/2, 3π/4, включает отделение центральной моды когерентного многочастотного излучения на несущей частоте от сигнальных поднесущих частот; центральная мода отправляется на фазовый модулятор, который модулирует входное излучение одной из фаз случайно выбранной пары = 0, π/2 или = π/4, 3π/4; в результате модуляции формируется опорное излучение на поднесущих частотах с выбранной фазой ; далее происходит отделение поднесущих частот опорного излучения от когерентного многочастотного излучения на несущей частоте; далее сигнальный и опорный фотонные кубиты смешиваются на бим-сплиттере, на выходах которого при совпадении выбранных базисов срабатывает один из двух детекторов, регистрирующих результат конструктивной или деструктивной интерференции. Технический результат - детектирование фотонных кубитов, закодированных на фазах поднесущих частот в неортогональных базисах фазами ϕ = 0, π/4, π/2, 3π/4. 1 ил.

Способ детектирования фотонных кубитов, закодированных на фазах поднесущих частот: = 0, π/4, π/2, 3π/4, заключающийся в реализации последовательности линейных операций над когерентным многочастотным излучением, содержащим сигнальный фотонный кубит, квантовое состояние которого фазово закодировано на двух поднесущих частотах в одном из двух неортогональных базисов с одной из фаз () сигнального фотонного кубита или ; ; на первом шаге происходит отделение центральной моды когерентного многочастотного излучения на несущей частоте от сигнальных поднесущих частот; на втором шаге центральная мода отправляется на фазовый модулятор, который модулирует входное излучение одной из фаз случайно выбранной пары = 0, π/2 или = π/4, 3π/4; в результате модуляции формируется опорное излучение на поднесущих частотах с выбранной фазой ; на третьем шаге происходит отделение поднесущих частот опорного излучения от когерентного многочастотного излучения на несущей частоте; на четвертом шаге сигнальный и опорный фотонные кубиты смешиваются на бим-сплиттере, на выходах которого, при совпадении выбранных базисов, в зависимости от выбранных фаз срабатывает один из двух детекторов, регистрирующих результат конструктивной или деструктивной интерференции.