Способ и устройство квантового распределения ключа Российский патент 2024 года по МПК H04L9/08 H04B10/70 

Изобретение относится к технике связи и может быть использовано при организации оптических сетей квантового распределения ключа, основанных на методах квантовой криптографии.

Квантовая криптография позволяет двум пользователям - отправителем (аппаратно - Алиса) и получателем (аппаратно - Боб), не обладающим изначально никакими общими для них секретными данными, договориться о случайном ключе, который будет секретным от третьего лица - агента (аппаратно - Ева), осуществляющего несанкционированный доступ к их коммуникациям. Отправитель и получатель могут обнаружить несанкционированный съем информации агентом, посредством переговоров по открытому каналу (Физика квантовой информации: Квантовая криптография. Квантовая телепортация. Квантовые вычисления / Под ред. Д. Боумейстера, А. Экерта, А. Цайлингера; Пер. с англ. С.П. Кулика, Е.А. Шапиро. М.: Постмаркет, 2002. 375 с). Таким образом, основные составляющие квантового распределения ключа таковы:

- квантовый канал для обмена квантами между отправителем и получателем;

- открытый канал для проверки искажения сообщения при прохождении через квантовый канал.

Из уровня техники известен способ передачи квантового распределения ключа, включающий передачу оптических сигналов ключа в виде единичных фотонов с соответствующими выбранному протоколу N базисными состояниями поляризации от отправителя к получателю по волоконно-оптическому каналу и двусторонний обмен информацией по открытому каналу. Это техническое решение подробно рассмотрено в работе Дуплинского А.В. «Квантовое распределение ключа с высокочастотным поляризационным кодированием» (Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. ФГАОУ ВО МФТИ. Москва. 2019. с. 63-66).

К недостаткам рассмотренного в диссертации Дуплинского А.В. способа квантового распределение ключа с высокочастотным поляризационным кодированием следует отнести относительно низкую скорость передачи квантовой информации, обусловленную необходимостью формирования статистики отсчетов для калибровки системы, что занимает до 20% времени передачи квантовой информации.

Наиболее близким к заявленному - прототипом - является «Способ квантового распределения ключа» (ИЗ RU №2792615 С1, опубл. 22.03.2023), исключающий формирование статистики отсчетов при передаче квантовой информации. Техническое решение в соответствии с прототипом сводится к передаче от отправителя к получателю по волоконно-оптическому квантовому каналу связи оптических сигналов ключа в виде единичных фотонов с базисными состояниями поляризации K_0j и K_1j, отображаемыми на сфере Пуанкаре диаметрально противоположно для каждого j-ого из N базисов, где N - целое число, соответствующее количеству базисов в соответствии с выбранным протоколом, а индексы 0 и 1 соответствуют логическому нулю и логической единице бинарных сигналов ключа на стороне отправителя, и двусторонний обмен информацией по двунаправленному открытому каналу, причем по волоконно-оптическому квантовому каналу связи оптические сигналы передают с модулированием исходящих состояний поляризации на стороне отправителя и поляризационным детектированием входящих состояний поляризации на стороне получателя, а двунаправленный открытый канал используют для корректировки искажений оптических сигналов в волоконно-оптическом квантовом канале связи, при этом предварительно от отправителя к получателю передают три тестовых оптических сигнала, оценивают состояния поляризации входящих тестовых оптических сигналов на стороне получателя, а исходящие состояния поляризации оптических сигналов ключа на стороне отправителя искажают таким образом, чтобы состояния поляризации входящих оптических сигналов ключа на стороне получателя соответствовали базисному оптическому сигналу ключа. Так же в прототипе представлено экспериментальное устройство, реализующее способ квантового распределения ключа, включающее блок отправителя и блок получателя, связанные квантовым и двунаправленным открытым каналами связи, в котором блок отправителя содержит последовательно включенные вычислительное устройство, лазер и двухполяризационный квадратурный модулятор, выход последнего соединен с квантовым каналом связи, управляющий выход вычислительного устройства соединен с управляющим входом двухполяризационного квадратурного модулятора, а информационный вход/выход вычислительного устройства подключен к двунаправленному открытому каналу связи.

К недостаткам прототипа следует отнести то, что для оценки поляризации тестовых сигналов в способе квантового распределения ключа требуется выполнить большой объем матричных вычислений, а устройство квантового распределения ключа требует сложного оборудования в составе блока получателя (цифровой когерентный оптический приемник и осциллограф), что затрудняет коммерческую реализацию означенного технического решения.

Проблема, решаемая изобретением - устранение указанных выше недостатков.

Технический результат - упрощение способа и устройства квантового распределения ключа.

Проблема решается, а заявленный технический результат достигается тем, что в способе квантового распределения ключа, включающем передачу от отправителя к получателю по волоконно-оптическому квантовому каналу связи оптических сигналов ключа в виде единичных фотонов с базисными состояниями поляризации K_0j и K_1j, отображаемыми на сфере Пуанкаре диаметрально противоположно для каждого j-ого из N базисов, где N - целое число, соответствующее количеству базисов в соответствии с выбранным протоколом, а индексы 0 и 1 соответствуют логическому нулю и логической единице бинарных сигналов ключа на стороне отправителя, и двусторонний обмен информацией по двунаправленному открытому каналу, причем по волоконно-оптическому квантовому каналу связи оптические сигналы передают с модулированием исходящих состояний поляризации на стороне отправителя и поляризационным детектированием входящих состояний поляризации на стороне получателя, а двунаправленный открытый канал используют для корректировки искажений оптических сигналов в волоконно-оптическом квантовом канале связи, при этом предварительно от отправителя к получателю передают три тестовых оптических сигнала, оценивают состояния поляризации входящих тестовых оптических сигналов на стороне получателя, а исходящие состояния поляризации оптических сигналов ключа на стороне отправителя искажают таким образом, чтобы состояния поляризации входящих оптических сигналов ключа на стороне получателя соответствовали базисному оптическому сигналу ключа, тестовые оптические сигналы на стороне отправителя формируют с состояниями поляризации, соответствующими векторам Стокса:

и передают их от отправителя к получателю для каждого j-го базиса, при этом на стороне получателя осуществляют поворот поляризации тестовых сигналов до совмещения отображения соответствующего j-го базиса получателя с осью S₁ на сфере Пуанкаре, измеряют проекции интенсивности поляризаций для двух ортогональных плоскостей поляризации каждого принятого тестового сигнала, по измеренным значениям вычисляют проекции векторов Стокса принятых тестовых сигналов на ось S₁ сферы Пуанкаре согласно следующему:

искаженные сигналы ключа соответственно на стороне отправителя формируют согласно следующему:

а на стороне получателя осуществляют поворот плоскости поляризации до совмещения отображения базиса получателя с осью S₁ на сфере Пуанкаре и фиксируют состояние поляризации сигналов ключа как проекции интенсивности поляризаций соответственно для двух ортогональных плоскостей поляризации каждого принятого сигнала ключа, а в устройстве квантового распределения ключа, включающем блок отправителя и блок получателя, связанные квантовым и двунаправленным открытым каналами связи, в котором блок отправителя содержит последовательно включенные вычислительное устройство, лазер и двухполяризационный квадратурный модулятор, выход последнего соединен с входом квантового канала связи, управляющий выход вычислительного устройства соединен с управляющим входом двухполяризационного квадратурного модулятора, а информационный вход/выход вычислительного устройства подключен к двунаправленному открытому каналу связи, блок получателя содержит последовательно соединенные с выходом квантового канала связи оптический фазовращатель, поворотный адаптер, поляризационный светоделитель, два приемника оптического излучения, оптические входы которых соединены с выходами поляризационного светоделителя, и блок обработки сигналов, входы которого соединены с соответствующими выходами приемников оптического излучения, при этом первый выход блока обработки сигналов подключен к двунаправленному открытому каналу связи, второй выход является выходом ключа, а третий и четвертый выходы подключены соответственно к управляющим входам оптического фазовращателя и поворотного адаптера.

Изобретение поясняется графическими материалами, на которых представлены:

Фиг. 1 - векторы Стокса тестовых сигналов на сфере Пуанкаре, модулируемых отправителем;

Фиг. 2 - векторы Стокса тестовых сигналов на сфере Пуанкаре на стороне получателя;

Фиг. 3 - схема заявленного устройства квантового распределения ключа.

Позиции на представленных изображениях означают следующее:

1 - отправитель;

2 - получатель;

3 - квантовый канал связи;

4 - открытый канал связи;

5 - вычислительное устройство;

6 - лазер;

7 - двухполяризационный квадратурный модулятор;

8 - оптический фазовращатель;

9 - поворотный оптический адаптер;

10 - поляризационный светоделитель;

11 - первый приемник оптического излучения;

12 - второй приемник оптического излучения;

13 - блок обработки;

S₁ - ось сферы Пуанкаре пространства Стокса на стороне отправителя;

S₂ - ось сферы Пуанкаре пространства Стокса на стороне отправителя;

S₃- ось сферы Пуанкаре пространства Стокса на стороне отправителя;

S'₁ - ось сферы Пуанкаре пространства Стокса на стороне получателя;

S'₂ - ось сферы Пуанкаре пространства Стокса на стороне получателя;

S'₃ - ось сферы Пуанкаре пространства Стокса на стороне получателя;

t₁ - проекция вектора Стокса T₁ на ось S'₁ сферы Пуанкаре пространства Стокса на стороне получателя;

t₂ - проекция вектора Стокса Т₂ на ось S'₂ сферы Пуанкаре пространства Стокса на стороне получателя;

t₃ - проекция вектора Стокса Т₃ на ось S'₃ сферы Пуанкаре пространства Стокса на стороне получателя;

T₁ - вектор Стокса первого тестового сигнала на стороне отправителя;

Т₂ - вектор Стокса второго тестового сигнала на стороне отправителя;

Т₃ - вектор Стокса третьего тестового сигнала на стороне отправителя;

T'₁ - вектор Стокса первого тестового сигнала стороне получателя;

Т'₂ - вектор Стокса второго тестового сигнала стороне получателя;

Т'₃ - вектор Стокса третьего тестового сигнала стороне получателя.

В основе изобретения, как и в прототипе, лежит способ квантового распределения ключа передаваемого сообщения на стороне отправителя 1 таким образом, чтобы на стороне получателя 2 сообщение приходило в базисе получателя. Суть заявленного способа квантового распределения ключа сводится к следующему. Способ квантового распределения ключа, включает передачу от отправителя к получателю по волоконно-оптическому квантовому каналу связи оптических сигналов ключа в виде единичных фотонов с базисными состояниями поляризации K_0j и K_1j, отображаемыми на сфере Пуанкаре диаметрально противоположно для каждого j-ого из N базисов, где N - целое число, соответствующее количеству базисов в соответствии с выбранным протоколом, а индексы 0 и 1 соответствуют логическому нулю и логической единице бинарных сигналов ключа на стороне отправителя. Предварительно от отправителя к получателю передают три тестовых оптических сигнала, оценивают состояния поляризации входящих тестовых оптических сигналов на стороне получателя, а исходящие состояния поляризации оптических сигналов ключа на стороне отправителя искажают таким образом, чтобы состояния поляризации входящих оптических сигналов ключа на стороне получателя соответствовали базисному оптическому сигналу ключа. Из уровня техники и материалов прототипа известно, что состояния поляризации оптического сигнала могут быть описаны векторами Стокса. Вектор Стокса на выходе из волоконно-оптического канала равен произведению матрицы Мюллера М волоконно-оптического квантовом канала связи на вектор Стокса на входе в квантовый канал связи. В соответствии с протоколами квантовой криптографии, в частности (но не ограничиваясь) - наиболее популярным протоколом ВВ84 (данный протокол удобен в качестве примера), предполагается передача на стороне отправителя и прием на стороне получателя по два квантовых состояния поляризации (K_0j и K_1j), в каждом из N образующих базисов (N = 2 для ВВ84), а соответствующие состояния поляризации: циркулярная правая, циркулярная левая, под углом 45° и под углом 135° (соответственно K₀₁, K₁₁, K₀₂ и K₁₂ для ВВ84). Детали протокола ВВ84 (интернет ресурс: https://ru.wikipedia.org/wiki/BB84) в рамках заявленного технического решения не важны. В этой части заявленный способ полностью совпадает с указанным выше прототипом.

В отличие от прототипа, заявленный способ квантового распределения ключа осуществляются следующим образом. Предварительно по волоконно-оптическому квантовому каналу связи от отправителя к получателю передают тестовые оптические сигналы, которые на стороне отправителя формируют с состояниями поляризации, соответствующими векторам Стокса:

на Фиг. 1 эти тестовые сигналы показаны на сфере Пуанкаре, видно, что вектор T₁ совпадает с осью S₁ сферы Пуанкаре, вектор Т₂ совпадает с осью S₂ сферы Пуанкаре и вектор Т₃ совпадает с осью S₃ сферы Пуанкаре. Тестовые сигналы T₁, Т₂ и Т₃ в канале связи претерпевают изменения и базис получателя не совпадает с базисом отправителя. Полученные на стороне получателя тестовые сигналы показаны в базисе получателя на сфере Пуанкаре и изображены на Фиг. 2. На Фиг. 2 видно, что векторы не совпадают ни с одной осью (S') сферы Пуанкаре. В предлагаемом способе квантового распределения ключа для вычисления предискаженного состояния сигналов ключа тестовые сигналы передают от отправителя к получателю для каждого j-го из N базисов, при этом на стороне получателя осуществляют поворот поляризации тестовых сигналов до совмещения отображения соответствующего j-го базиса получателя с осью S₁ на сфере Пуанкаре. Другими словами, предлагаемый способ квантового распределения ключа предполагает прием на стороне получателя сигналов ключа только по значениям проекций векторов Стокса. Для вычисления значений проекций векторов Стокса измеряют проекции интенсивности поляризаций для двух ортогональных плоскостей поляризации каждого принятого тестового сигнала. По измеренным значениям проекций интенсивности поляризаций вычисляют значения проекций векторов Стокса принятых тестовых сигналов на ось S₁ сферы Пуанкаре согласно следующему:

В силу предлагаемого выбора тестовых сигналов для каждого j-го из N базисов по измеренным значениям проекций векторов Стокса принятых тестовых сигналов на ось S₁ сферы Пуанкаре необходимо вычислить только компоненты матрицы Мюллера квантового канала:

Сказанное можно пояснить следующим образом.

На стороне получателя векторы Стокса можно записать как произведение матрицы Мюллера M_j волоконно-оптического квантового канала связи на векторы Стокса отправителя на входе в квантовый канал связи при передаче сигналов ключа в соответствии с выражениями:

В общем случае векторы Стокса исходящих тестовых векторов Стокса на стороне получателя содержат каждый три проекции (мы обозначили их, как t, b, с) соответственно на оси сферы Пуанкаре. Для предлагаемого способа квантового распределения ключа значения проекций (b и с) не важны, что будет показано далее. Для каждого тестового сигнала вычислим значения векторов Стокса на стороне получателя в соответствии с правилом умножения матрицы на вектор-столбец:

Из полученных выражений следует, что

Поскольку матрица Мюллера M_j по определению ортогональна, для нее верно соотношение:

следовательно:

искаженные сигналы ключа соответственно на стороне отправителя формируют согласно следующему:

а на стороне получателя осуществляют поворот плоскости поляризации до совмещения отображения базиса получателя с осью S₁ на сфере Пуанкаре и фиксируют состояние поляризации сигналов ключа как проекции интенсивности поляризаций соответственно для двух ортогональных плоскостей поляризации каждого принятого сигнала ключа.

Способ квантового распределения ключа реализуется с помощью устройства квантового распределения ключа, включающего блок отправителя 1 и блок получателя 2, связанные квантовым 3 и двунаправленным 4 открытым каналами связи, в котором блок отправителя 1 содержит функционально связанные между собой вычислительное устройство 5, лазер 6 и двухполяризационный квадратурный модулятор 7, выход последнего соединен с квантовым каналом связи 3, второй выход вычислительного устройства 7 соединен с управляющим входом двухполяризационного квадратурного модулятора 7, а вход/выход вычислительного устройства подключен к двунаправленному открытому каналу связи 4. Блок получателя содержит последовательно соединенные с выходом квантового канала связи оптический фазовращатель 8, поворотный адаптер 9 и поляризационный светоделитель 10, два приемника оптического излучения 11 и 12, оптические входы которых соединены с выходами поляризационного светоделителя 10, и блок обработки 13 сигналов означенных приемников оптического излучения, входы которого соединены с соответствующими выходами приемников оптического излучения 11 и 12, первый выход блока обработки сигналов 13 подключен к двунаправленному открытому каналу связи 4, второй выход является выходом ключа, а третий и четвертый выходы подключены соответственно к управляющим входам оптического фазовращателя 8 и поворотного адаптера 9.

Заявленное устройство работает следующим образом. Отправитель 1 последовательно формирует N раз тестовые сигналы, соответствующие векторам Стокса Тестовыми сигналами называются состояния, которые посылаются отправителем 1 для определения элементов матрицы Мюллера квантового канала связи. На Фиг. 1 модулируемые на стороне отправителя 1 сигналы отображены на сфере Пуанкаре соответственно для векторов Стокса Принятые тестовые сигналы, пройдя квантовый канал связи 3 трансформируются и воспринимаются получателем 2, как и по аналогии отображены на Фиг. 2 сферы Пуанкаре. Заявленный способ и устройство, его реализующее, для определения элементов матрицы Мюллера квантового канала связи измеряет проекции векторов Стокса на ось S₁ сферы Пуанкаре. Формирование тестовых сигналов и сигналов ключа осуществляется блоком отправителя 1, содержащим функционально связанные между собой вычислительное устройство 5, лазер 6 и двухполяризационный квадратурный модулятор 7, выход последнего соединен с квантовым каналом связи 3, второй выход вычислительного устройства 7 соединен с управляющим входом двухполяризационного квадратурного модулятора 7, а вход/выход вычислительного устройства подключен к двунаправленному открытому каналу связи 4. В качестве источника оптического излучения используется лазер 6. Управление лазером 6 осуществляется вычислительным устройством 5, оптическое излучение которого, поступает на вход двухполяризационного квадратурного модулятора 7. Второй выход вычислительного устройства 5 соединен с управляющим входом двухполяризационного квадратурного модулятора 7. На стороне отправителя 1 каждому тестовому сигналу соответствует свой управляющий сигнал, который обеспечивает формирование на выходе двухполяризационного квадратурного модулятора состояния поляризации соответствующих тестовых сигналов, которые после прохождения через квантовый канал связи 3 поступают на вход получателя 2. Вычисленные получателем 2 значения проекций тестовых сигналов на ось S₁ сферы Пуанкаре передаются по открытому каналу 4 отправителю 1 и поступает в вычислительное устройство 5. На основе измеренных значений проекций тестовых сигналов на ось S₁ сферы Пуанкаре для каждого j-го из N базисов формируются управляющие сигналы лазером 6 и двухполяризационным квадратурным модулятором 7, на выходе которого формируются сигналы ключа, вектор Стокса которых соответствует

в зависимости от того, какой сигнал передается - логический «0» или логическая «1». В этой части работа отправителя 1 полностью соответствует прототипу, но не требует сложных вычислений матрицы Мюллера для квантового канала связи 3. Рассмотрим более подробно работу получателя 2. Следует подчеркнуть, что тестовые сигналы на стороне отправителя 1 для каждого j-го выбранного из N базисов одинаковые. На стороне получателя 2 оптическое излучение между его отдельными узлами (от выхода квантового канала связи до входа в оптический фазовращатель 8 и между его выходом и входом поворотного оптического адаптера и его выходом и входом поляризационного светоделителя 10 и его выходов до входов приемников оптического излучения 11 и 12) распространяется по оптическим волокнам, сохраняющим поляризацию. Оптический фазовращатель 8 и поворотный оптический адаптер 9 обеспечивают смену базиса при приеме тестовых сигналов и сигналов ключа. Для тестовых сигналов каждого j-го выбранного из N базисов, переданных отправителем 1, на стороне получателя 2 измеряют значения проекций t_1j, t_2j и t_3j векторов Стокса на ось S₁ сферы Пуанкаре. Конструкция поворотного оптического адаптера 9 не является предметом настоящего изобретения и может быть любой из известных (например, Устройство поворота плоскости поляризации лазерного излучения патент РФ №2160914), обеспечивающая поворот главных осей на произвольный угол. В простейшем случае произвольный угол поворота главных осей плоскости поляризации может быть реализован за счет поворота (в том числе управляемого) волокон, сохраняющих поляризацию, друг относительно друга. Оптическое излучение с выхода поворотного оптического адаптера 9 поступает на вход поляризационного делителя 10. Ортогональные поляризации входного сигнала разделяются на два канала, которые детектируются первым приемником оптического излучения 11 и вторым приемником оптического излучения 12. Первый 11 и второй 12 приемники оптического излучения преобразуют оптическое излучение в электрические сигналы, величины которых пропорциональны энергии (интенсивности) входного оптического излучения на их входах. Выходы первого 11 и второго 12 приемников оптического излучения являются выходами интенсивности поляризаций для двух ортогональных плоскостей поляризации. Выходы первого 11 и второго 12 приемников оптического излучения подключены к соответствующим входам блока обработки 13. В блоке обработки 13 измеряются интенсивности поляризаций и в соответствии с заявленным способом вычисляют значения проекций векторов Стокса принятых тестовых сигналов на ось S₁ сферы Пуанкаре. Вычисленные значения проекций векторов Стокса на ось S₁ сферы Пуанкаре для каждого j-го из N базисов с первого выхода блока обработки сигналов 13 передаются отправителю 1 по двунаправленному открытому каналу связи 4. Выбор базиса на стороне получателя 2 обеспечивается подачей с третьего и четвертого выходов блока обработки сигналов 13 управляющих сигналов на управляющие входы оптического фазовращателя 8 и поворотного оптического адаптера 9. Дополнительно поясним взаимодействие блока обработки сигналов 13 с оптическим фазовращателем 8 и поворотным оптическим адаптером 9 на примере наиболее популярного протокола ВВ84, который предполагает передачу на стороне отправителя и прием на стороне получателя по два квантовых состояния поляризации в каждом из двух образующих базисов (N=2): под углом 45° и под углом 135°, циркулярная правая, циркулярная левая. Для протокола ВВ84 при приеме оптических сигналов с поляризацией под углом 45° и под углом 135° сдвиг фазы в оптическом фазовращателе 8 равен нулю, а при приеме сигналов с поляризациями - циркулярная правая, циркулярная левая сдвиг фазы в оптическом фазовращателе 8 равен 90°. Для этого протокола поворотный оптический адаптер 9 настроен на фиксированный угол, равный 45° (справочно: на сфере Пуанкаре угол удваивается). Оптический фазовращатель 8 и поворотный оптический адаптер 9 на стороне получателя обеспечивают поворот поляризации тестовых сигналов до совмещения отображения соответствующего j-го из N базиса получателя с осью S₁ на сфере Пуанкаре. Для протокола ВВ84 не требуется управления поворотным оптическим адаптером 9 (связь управляющего входа поворотного оптического адаптера 9 и блока обработки сигналов 13 показана штриховой линией). После измерения проекций векторов тестовых сигналов для каждого j-го из N базисов и передачи результатов измерения по открытому каналу от получателя 2 к отправителю 1 устройство квантового распределения ключа готово к передаче и приему сигналов ключа.

Для подтверждения промышленной применимости и достижения технического результата заявленных способа и устройства квантового распределения ключа реализован макет устройства в соответствии с представленным на Фиг. 3, квантовое распределение ключа осуществлялось в соответствии с заявленной формулой изобретения по протоколу ВВ84. Управление макетом осуществляется с вычислительного устройства 5 с помощью скриптов Matlab. Лазер 6 непрерывного излучения (ITLA Lumentum TL5400VCA FG) настроен на 35 канал (1549,32 нм), выходная мощность 15дБм. Оптический сигнал с заданной поляризацией формируется двухполяризационным квадратурным модулятором 7 (DP-IQ Fujitsu FTM7977HQA). Оптический фазовращатель 8 реализован на фазовом модуляторе Rofea Optoelectronics LLS-PM-15-10G-P-P-FA-LIL, поворотный оптический адаптер 9 и поляризационный светоделитель 10 реализованы на поляризационном делителе типа PBS-lx2-1550-l-623-FC/UPC-5.5*35-2 со встроенным поворотным устройством для протокола ВВ84, приемники оптического излучения 11 и 12 реализованы на однофотонных приемниках типа IDQube-NIR-GAT-MMF-STD, блок обработки 13 реализован на отладочной плате ПЛИС типа Altera DK-DEV-10AX115S-А. Квантовый канал связи реализован на линии 100 км, смоделированной на катушке SMF волокна. Эксперимент показал, что заявленное техническое решение позволяет полностью исключить матричные расчеты и соответствующие средства для реализации оных, что существенно упрощает способ и устройство квантового распределения ключа, при этом измеренная доля мощности, попавшая в ортогональную поляризацию, составляет менее 1% при тестировании на катушке 100 км, что гарантирует качество квантового распределения ключа не хуже, чем в прототипе.

Изложенное позволяет сделать вывод о том, что выявленная проблема решена, а заявленный технический результат - упрощение способа и устройства квантового распределения ключа - достигнут.

Изобретение относится к способу и устройству квантового распределения ключа. Технический результат заключается в упрощении способа и устройства квантового распределения ключа за счет исключения необходимости выполнения матричных расчетов и соответствующих средств для их реализации. В способе квантового распределения ключа, тестовые оптические сигналы на стороне отправителя формируют с состояниями поляризации, соответствующими векторам Стокса:

и передают их от отправителя к получателю для каждого j-го базиса, при этом на стороне получателя осуществляют поворот поляризации тестовых сигналов до совмещения отображения соответствующего j-го базиса получателя с осью Si на сфере Пуанкаре, измеряют проекции интенсивности поляризаций для двух ортогональных плоскостей поляризации каждого принятого тестового сигнала, по измеренным значениям вычисляют проекции векторов Стокса принятых тестовых сигналов на ось сферы Пуанкаре согласно следующему:

искаженные сигналы ключа соответственно на стороне отправителя формируют согласно следующему:

а на стороне получателя осуществляют поворот плоскости поляризации до совмещения отображения базиса получателя с осью на сфере Пуанкаре и фиксируют состояние поляризации сигналов ключа как проекции интенсивности поляризаций соответственно для двух ортогональных плоскостей поляризации каждого принятого сигнала ключа. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ квантового распределения ключа, включающий передачу от отправителя к получателю по волоконно-оптическому квантовому каналу связи оптических сигналов ключа в виде единичных фотонов с базисными состояниями поляризации отображаемыми на сфере Пуанкаре диаметрально противоположно для каждого j-ого из N базисов, где N - целое число, соответствующее количеству базисов в соответствии с выбранным протоколом, а индексы 0 и 1 соответствуют логическому нулю и логической единице бинарных сигналов ключа на стороне отправителя, и двусторонний обмен информацией по двунаправленному открытому каналу, причем по волоконно-оптическому квантовому каналу связи оптические сигналы передают с модулированием исходящих состояний поляризации на стороне отправителя и поляризационным детектированием входящих состояний поляризации на стороне получателя, а двунаправленный открытый канал используют для корректировки искажений оптических сигналов в волоконно-оптическом квантовом канале связи, при этом предварительно от отправителя к получателю передают три тестовых оптических сигнала, оценивают состояния поляризации входящих тестовых оптических сигналов на стороне получателя, а исходящие состояния поляризации оптических сигналов ключа на стороне отправителя искажают таким образом, чтобы состояния поляризации входящих оптических сигналов ключа на стороне получателя соответствовали базисному оптическому сигналу ключа, отличающийся тем, что тестовые оптические сигналы на стороне отправителя формируют с состояниями поляризации, соответствующими векторам Стокса:

и передают их от отправителя к получателю для каждого j-го базиса, при этом на стороне получателя осуществляют поворот поляризации тестовых сигналов до совмещения отображения соответствующего j-го базиса получателя с осью S₁ на сфере Пуанкаре, измеряют проекции интенсивности поляризаций для двух ортогональных плоскостей поляризации каждого принятого тестового сигнала, по измеренным значениям вычисляют проекции векторов Стокса принятых тестовых сигналов на ось Si сферы Пуанкаре согласно следующему:

искаженные сигналы ключа соответственно на стороне отправителя формируют согласно следующему:

а на стороне получателя осуществляют поворот плоскости поляризации до совмещения отображения базиса получателя с осью S₁ на сфере Пуанкаре и фиксируют состояние поляризации сигналов ключа как проекции интенсивности поляризаций соответственно для двух ортогональных плоскостей поляризации каждого принятого сигнала ключа.

2. Устройство квантового распределения ключа, включающее блок отправителя и блок получателя, связанные квантовым и двунаправленным открытым каналами связи, в котором блок отправителя содержит последовательно включенные вычислительное устройство, лазер и двухполяризационный квадратурный модулятор, выход последнего соединен с входом квантового канала связи, управляющий выход вычислительного устройства соединен с управляющим входом двухполяризационного квадратурного модулятора, а информационный вход/выход вычислительного устройства подключен к двунаправленному открытому каналу связи, отличается тем, что блок получателя содержит последовательно соединенные с выходом квантового канала связи оптический фазовращатель, поворотный адаптер, поляризационный светоделитель, два приемника оптического излучения, оптические входы которых соединены с выходами поляризационного светоделителя, и блок обработки сигналов, входы которого соединены с соответствующими выходами приемников оптического излучения, при этом первый выход блока обработки сигналов подключен к двунаправленному открытому каналу связи, второй выход является выходом ключа, а третий и четвертый выходы подключены соответственно к управляющим входам оптического фазовращателя и поворотного адаптера.