Детектор одиночных фотонов многочастотный с защитой от атак ослеплением Российский патент 2024 года по МПК G01J1/42 

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности, к конструкции детектора одиночных фотонов (ДОФ), применяемом в области квантовой криптографии.

В системах квантового распределения ключа (КРК) используется устройства счета фотонов или ДОФ на основе полупроводниковых однофотонных лавинных фотодиодов (ОЛФД).

Одной из уязвимостей систем КРК, в составе которых применяется ДОФ на основе ОЛФД, является возможность атаки через ослепление детектора. Атакующий при этом подавая на ДОФ постоянную засветку за счет особенностей схемотехники добивается перехода режима работы ОЛФД из гейгеровского в линейный. В линейном режиме работы ОЛФД из-за низкого коэффициента усиления не способен различать одиночные фотоны. Варианты атаки приводятся в работе "Hacking commercial quantum cryptography systems by tailored bright illumination" (L. Lydersen et al, Nat. Photonics 4,686-689 (2010)). Также описан вариант атаки на детектор в работе "Optical control of single-photon negative-feedback avalanche diode detector" (Gaёtan Gras et al., J. Appl. Phys. 127, 094502 (2020)).

Обычно для обнаружения вышеуказанных атак достаточно контролировать только постоянный ток смещения.

Для повышения квантовой эффективности детектора при его работе с периодически формируемыми квантовыми состояниями используется стробирование ОЛФД. Такой способ, например, описан патенте в полезную модель RU 196655 U1, где ОЛФД стробируется синусоидальным сигналом.

Для улучшения соотношения сигнала к шуму на выходе ДОФ используют формирование стробирующего сигнала как периодического, получаемого с помощью двух и более гармонических сигналов (многочастотного), что дает преимущество в шумовых характеристиках перед детекторами с синусоидальным стробированием ввиду того, что ОЛФД вследствие более узкого строба находится в гейгеровском режиме меньше времени при сохранении параметров по эффективности.

Для решения технической проблемы, присущей известным из уровня техники решениям, предлагается усовершенствованная схема ДОФ.

Техническим результатом является защита ДОФ от ослепления, стробированного периодическим сигналом, получаемым с помощью двух и более гармонических сигналов, от атак ослеплением с помощью постоянного источника излучения.

Заявленный технический результат достигается за счет конструкции детектора одиночных фотонов (ДОФ) на базе однофотонного лавинного фотодиода (ОЛФД), содержащего:

ОЛФД, который соединен с датчиком тока смещения, протекающего через генератор напряжения смещения, при этом датчик тока смещения соединен с усилителем и устройство с изменяемым порогом;

генератор строба, связанный с внешним входом синхронизации и получающий необходимый для запуска стробов сигнал, представляющие собой периодический сигнал, сформированный с помощью двух и более гармонических сигналов и передаваемый на ОЛФД;

систему управления, получающую на вход сигналы от устройства с изменяемым порогом, при этом система управления регистрирует превышение значения тока смещения ОЛФД выше установленного порогового значения, фиксирует факт попытки ослепления ДОФ, передает полученные данные во внешнюю систему управления.

В одном из частных примеров реализации система управления 8 на основании данных от внешней системы формирует значение уровня для установки порога для устройства с изменяемым порогом 6.

В другом частном примере реализации ОЛФД 2 установлен в охлаждаемом объеме 9.

В другом частном примере реализации ОЛФД 2 соединен с нагрузочным резистором 18, связанным с формирователем импульсом восстановления 17.

В другом частном примере реализации в охлаждаемом объеме 9 установлены датчик температуры 10 и термоэлектрический преобразователь 11, связанные с регулятором температуры 12.

В другом частном примере реализации регулятор температуры 12 соединен с системой управления 8.

В другом частном примере реализации сигнал с ОЛФД 2 поступает на усилитель 13, передаваемый далее на полосовые фильтры 14 и пороговое устройство 15, поступающий далее на формирователь выходного импульса 16.

В другом частном примере реализации сигнал с порогового устройства 15 поступает на формирователь импульса восстановления 17, который формирует импульс восстановления, поступающий на нагрузочный резистор 18, который далее подается на ОЛФД 2.

В другом частном примере реализации устройство с изменяемым порогом 6 представляет собой компаратор.

Как показано на Фиг. 1, ДОФ 1 включает датчик тока смещения 3, протекающего через генератор напряжения смещения 4. С внешнего входа синхронизации необходимый для запуска стробов сигнал подается на генератор строба 7, откуда стробы, представляющие собой периодический сигнал, получаемый с помощью двух и более гармонических сигналов, поступают на ОЛФД 2. Сигнал с датчика тока 3 поступает на усилитель 5 и далее - на пороговое устройство с изменяемым порогом 6. В качестве устройства 6 может применяться, например, компаратор.

Изменение порога осуществляется посредством системы управления 8. При этом пороговое устройство 6 может иметь любую архитектуру. Факт детектирования превышения порога ослепления формируется в системе управления ДОФ 8 и далее поступает во внешнюю систему, выполненную на основании, например, управляющей ЭВМ. Выходным сигналом порогового устройства 6 является "1", либо "0". Датчик тока смещения 3 подает сигнал об уровне протекающего тока смещения на логарифмический усилитель, который, в свою очередь, делает этот сигнал различимым для порогового устройства 6. На пороговом устройстве 6 исходя из параметров работы системы КРК и ДОФ 1 выставляется вычисляемый системой управления 8 порог напряжения, превысив который пороговое устройство 6 формирует сигнал, например, "1", означающий то, что ДОФ 1 пытаются ослепить. Если порог не превышается и на выходе порогового устройства "0", то атаки на ДОФ 1 не происходит и регистрацию импульсов происходит с установленным пороговым значением.

ДОФ 1 может также содержать охлаждаемый объем 9, в котором расположен ОЛФД 2, датчик температуры 10, термоэлектрический преобразователь 11. Постоянная температура в охлаждаемом объеме поддерживается регулятором температуры 12. Сигнал от ОЛФД 2 поступает на усилитель 13, а затем через полосовые фильтры 14 на пороговое устройство 15 (например, компаратор) и далее на формирователь выходного импульса 16. Также сигнал с порогового устройства 15 поступает на формирователь импульса восстановления 17. Импульс восстановления через нагрузочный резистор 18 подается на ОЛФД 2.

Основное преимущество патентуемого решения заключается в том, что в патентуемом детекторе одновременно использованы решения по способности контролировать превышение тока смещения ОЛФД 2 выше заданного порога и, соответственно, иметь возможность предупреждения атаки ослеплением, и стробирование периодическим сигналом, получаемого с помощью двух и более гармонических сигналов. Такой строб имеет ту же природу, что и синусоидальный, соответственно, схема борьбы с откликами стробов сравнима с решениями, известными из уровня техники. При этом уменьшается время пребывания ОЛФД в гейгеровском режиме, соответственно, уменьшается вероятность темнового срабатывания и вероятность послеимпульса при сохранении параметра эффективности на прежнем уровне в сравнении с известными решениями.

Изобретение относится к области измерительной техники и касается детектора одиночных фотонов (ДОФ) многочастотного с защитой от атак ослеплением. Детектор содержит однофотонный лавинный фотодиод (ОЛФД), который соединен с датчиком тока смещения, протекающего через генератор напряжения смещения, при этом датчик тока смещения соединен с усилителем и устройством с изменяемым порогом. Детектор также содержит генератор стробов, связанный с внешним входом синхронизации и получающий необходимый для запуска стробов сигнал, выход которого представляет собой периодический сигнал, сформированный с помощью двух и более гармонических сигналов и передаваемый на ОЛФД. Кроме того, детектор включает систему управления, получающую на вход сигналы от устройства с изменяемым порогом. При этом система управления регистрирует превышение значения тока смещения ОЛФД выше установленного порогового значения, фиксирует факт попытки ослепления ДОФ и передает полученные данные во внешнюю систему управления. Технический результат заключается в обеспечении защиты ДОФ от ослепления, уменьшении вероятности темнового срабатывания и вероятности послеимпульса при сохранении параметра эффективности. 8 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Детектор одиночных фотонов (ДОФ) многочастотный с защитой от атак ослеплением, содержащий:

однофотонный лавинный фотодиод (ОЛФД), который соединен с датчиком тока смещения, протекающего через генератор напряжения смещения, при этом датчик тока смещения соединен с усилителем и устройством с изменяемым порогом;

генератор стробов, связанный с внешним входом синхронизации и получающий необходимый для запуска стробов сигнал, выход которого представляет собой периодический сигнал, сформированный с помощью двух и более гармонических сигналов и передаваемый на ОЛФД;

систему управления, получающую на вход сигналы от устройства с изменяемым порогом, при этом система управления регистрирует превышение значения тока смещения ОЛФД выше установленного порогового значения, фиксирует факт попытки ослепления ДОФ, передает полученные данные во внешнюю систему управления.

2. Детектор одиночных фотонов многочастотный с защитой от атак ослеплением по п.1, в котором система управления на основании данных от внешней системы формирует значение уровня для установки порога для устройства с изменяемым порогом.

3. Детектор одиночных фотонов многочастотный с защитой от атак ослеплением по п.1, в котором ОЛФД установлен в охлаждаемом объеме.

4. Детектор одиночных фотонов многочастотный с защитой от атак ослеплением по п.1, в котором ОЛФД соединен с нагрузочным резистором, связанным с формирователем импульсом восстановления.

5. Детектор одиночных фотонов многочастотный с защитой от атак ослеплением по п.3, в котором в охлаждаемом объеме установлены датчик температуры и термоэлектрический преобразователь, связанные с регулятором температуры.

6. Детектор одиночных фотонов многочастотный с защитой от атак ослеплением по п.5, в котором регулятор температуры соединен с системой управления.

7. Детектор одиночных фотонов многочастотный с защитой от атак ослеплением по п.4, в котором сигнал с ОЛФД поступает на усилитель, передаваемый далее на полосовые фильтры и пороговое устройство, поступающий далее на формирователь выходного импульса.

8. Детектор одиночных фотонов многочастотный с защитой от атак ослеплением по п.7, в котором сигнал с порогового устройства поступает на формирователь импульса восстановления, который формирует импульс восстановления, поступающий на нагрузочный резистор, который далее подается на ОЛФД.

9. Детектор одиночных фотонов многочастотный с защитой от атак ослеплением по п.1, в котором устройство с изменяемым порогом представляет собой компаратор.