Устройство квантовой рассылки симметричной битовой последовательности на основе непрерывных переменных с использованием гетеродинного метода приема Российский патент 2025 года по МПК H04L9/00 

Настоящее изобретение относится к оптической технике, а именно к системам фотонной квантовой связи.

Известно устройство квантовой рассылки симметричной битовой последовательности с использованием непрерывных переменных [Патент US 7929700 B2, дата приоритета: 15.12.2005. МКИ: H04L 9/0852], являющееся наиболее близким к описываемому. Устройство состоит из двух блоков, отправителя и получателя. В блоке отправителя происходит генерация оптического сигнала, квадратуры которого распределены по нормальному закону.

В схеме описанного устройства для измерения квадратур сигнала используется гомодинный метод детектирования, который использует интерференцию сигнала с локальным осциллятором для определения амплитуды и фазы низкоинтенсивного сигнала. Гомодинный метод детектирования использует один балансный детектор для детектирования одной квадратуры сигнала. В предлагаемом изобретении используется гетеродинный метод детектирования, состоящий из 90-градусного волоконного гибрида и двух балансных детекторов, что в рамках системы обеспечивает измерение двух квадратур оптического сигнала.

В терминах упрощенной теоретической модели работа системы описывается следующим образом:

- отправитель посредством фазовой и амплитудной модуляции генерирует квантовое состояние, квадратуры которого статистически распределены по нормальному закону, а также классическое состояние, которое используется в качестве локального осциллятора;

- отправитель осуществляет отправку состояний через квантовый канал;

- получатель посредством поляризационного волоконного светоделителя разделяет квантовое и классическое состояние;

- осуществляя детектирование при помощи системы гетеродинного детектирования, получатель извлекает информацию о двух квадратурах квантового состояния;

- на основании полученных значений квадратур и будет сформирована симметричная битовая последовательность.

Техническим результатом является увеличение скорости генерации секретного ключа, достигаемого за счет использования гетеродинного детектирования вместо гомодинного, поскольку за одно измерение детектируются обе квадратуры сразу, а не одна из двух, как при гомодинном детектировании. Таким образом, за одно измерение получатель может извлечь больше информации, тем самым повысив скорость генерации секретного ключа.

Устройство квантового распределения симметричной битовой последовательности на основе непрерывных переменных с использованием гетеродинного метода приема, содержащее блок отправителя, включающий в себя соединенные посредством волоконно-оптического тракта источник когерентного излучения, оптический волоконный изолятор, подключенный к источнику когерентного излучения, амплитудный модулятор, подключенный к волоконному изолятору, волоконный светоделитель, подключенный к амплитудному модулятору, амплитудные и фазовый модуляторы, подключенные к первому из плеч волоконного светоделителя, поляризационный светоделитель, подключенный к фазовому модулятору, временную задержку, подключенную к поляризационному светоделителю, зеркало Фарадея, подключенное к временной задержке, сохраняющий поляризацию волоконный объединитель, подключенный ко второму выходу волоконного светоделителя и поляризационному светоделителю, блок управления и синхронизации, подключенный к волоконным амплитудным и фазовому модуляторам, а также блок получателя, содержащий контроллер поляризации, блок управления и синхронизации, подключенный к контроллеру поляризации, поляризационный светоделитель, подключенный к контроллеру поляризации, поляризационный светоделитель, подключенный к поляризационному светоделителю, временную задержку, подключенную к поляризационному светоделителю, и зеркало Фарадея, подключенное к временной задержке, отличающееся тем, что для измерения квадратур сигнала используется гетеродинный метод детектирования, включающий в себя 90-градусный оптический гибрид, подключенный ко второму выходу поляризационного светоделителя и поляризационному светоделителю, два балансных детектора, подключенные к 90-градусному гибриду и к блоку управления и синхронизации.

Управляющие пользовательские модули содержат SFP-модули. Для синхронизационного сигнала установлен фильтр низких частот.

Дополнительные особенности устройства будут изложены в последующем описании, способ работы будет также конкретизирован далее и подкреплен математическими выкладками. Преимущества изобретения будут реализованы и достигнуты технической реализацией изобретения, изложенной в письменном описании и формуле изобретения, а также на прилагаемом чертеже.

Описания заявленного устройства подаются в пояснительной форме и направлены на объяснение основных принципов работы изобретения и уточнение его отличий от ранее заявленных подобных изобретений.

Фиг. 1 иллюстрирует функциональную схему заявленного устройства квантовой рассылки симметричной битовой последовательности с использованием непрерывных переменных.

Изобретение реализует генерацию, передачу и прием квантовой информации, содержащейся в квадратурах когерентных состояний, по волоконному квантовому каналу. Устройство разработано таким образом, что может быть собрано из стандартного телекоммуникационного оборудования. Ниже рассматриваются математическая модель системы в упрощенном классическом виде и оптическая схема.

Устройство квантовой рассылки симметричной битовой последовательности с использованием непрерывных переменных работает следующим образом. Источник когерентного излучения (1) генерирует световой пучок, проходящий через защищающий от отраженного света лазер оптический волоконный изолятор (2). Затем излучение модулируется при помощи амплитудного модулятора (3), задающего импульсный режим работы лазера. После излучение разделяется на волоконном светоделителе (4). Излучение в одном плече, не подвергаемое модуляции, используется в качестве локального осциллятора (ЛО). Лазерное излучение во втором плече модулируется волоконными амплитудным и фазовым модуляторами (5, 6), которые задают случайные значения квадратур, распределенные по нормальному закону. Управляющие сигналы на волоконные модуляторы подаются через соответствующие интерфейсы с блока управления и синхронизации, реализованного посредствам программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) (11). Также излучение в этом плече задерживается относительно ЛО с помощью линии задержки (8), таким образом, обеспечивается временное мультиплексирование, а использование поляризационного светоделителя (7) и зеркала Фарадея (9) обеспечивает поляризационное мультиплексирование. Далее излучения двух плеч соединяются на сохраняющем поляризацию объединителе (10).

В блоке получателя излучение, проходит через контроллер поляризации (12), он изменяет состояние поляризации для точного деления на поляризационном светоделителе (13) таким образом, чтобы излучение локального осциллятора переходило полностью в одно плечо поляризационного волоконного светоделителя, а излучение квантового сигнала - в другое. Контроллер поляризации управляется ПЛИС (20). В плече локального осциллятора установлена временная линия задержки (15), поляризационный светоделитель (14) и зеркало Фарадея (16), обеспечивающие временное и поляризационное демультиплексирование. Отличительной особенностью устройства является то, что далее излучение локального осциллятора и сигнала сбиваются на 90-градусном волоконном оптическом гибриде (17). 90-градусный оптический гибрид по принципу работы аналогичен двум светоделителям, но в отличии от них вносит в излучение в одном из плеч задержку на 90 градусов по фазе. Выходное излучение после оптического гибрида регистрируется гетеродинным методом детектирования - двумя балансными детекторами (18, 19), тем самым Получатель извлекает информацию сразу двух квадратур оптического сигнала. Результат детектирования далее обрабатывается на ПЛИС.

Взаимная информация «отправитель-получатель» в таком случае оценивается как:

где μ - параметр гомо-/гетеродинирования;

SNR - отношение сигнал-шум;

Т = T_chT_det - пропускание канала, T_ch - коэффициент пропускания непосредственно канала, T_det = T_recη_det - произведение коэффициента пропускания, связанного с оптическими потерями в блоке получателя, на эффективность балансного детектора;

V_A - дисперсия сигнала отправителя;

ξ - избыточный шум.

Для синхронизации пользователей ПЛИС отправителя посылает через его же SFP-модуль синхронизационный сигнал, который получатель принимает на своем SFP-модуле. Получаемый сигнал синхронизации проходит фильтр низких частот, после чего приходит на ЭВМ.

Изобретение относится к оптической технике. Технический результат заключается в повышении скорости генерации секретного ключа. Устройство передачи квантовых состояний содержит блок отправителя, содержащий источник когерентного излучения, волоконный оптический изолятор, волоконный амплитудный модулятор, волоконный светоделитель, волоконные амплитудный и фазовый модуляторы, поляризационный светоделитель, временную задержку, зеркало Фарадея, сохраняющий поляризацию волоконный объединитель, и блок управления и синхронизации, и блок получателя, содержащий контроллер поляризации, поляризационный светоделитель, поляризационный светоделитель, временную задержку, зеркало Фарадея, 90-градусный оптический гибрид, два балансных детектора, блок управления и синхронизации, причем блок отправителя соединен с блоком получателя посредством квантового канала и канала синхронизации. 1 ил.

Устройство квантового распределения симметричной битовой последовательности на основе непрерывных переменных с использованием гетеродинного метода приема, содержащее блок отправителя, включающий в себя соединенные посредством волоконно-оптического тракта источник когерентного излучения, оптический волоконный изолятор, подключенный к источнику когерентного излучения, амплитудный модулятор, подключенный к волоконному изолятору, волоконный светоделитель, подключенный к амплитудному модулятору, амплитудные и фазовый модуляторы, подключенные к первому из плеч волоконного светоделителя, поляризационный светоделитель, подключенный к фазовому модулятору, временную задержку, подключенную к поляризационному светоделителю, зеркало Фарадея, подключенное к временной задержке, сохраняющий поляризацию волоконный объединитель, подключенный ко второму выходу волоконного светоделителя и поляризационному светоделителю, блок управления и синхронизации, подключенный к волоконным амплитудным и фазовому модуляторам, а также блок получателя, содержащий контроллер поляризации, блок управления и синхронизации, подключенный к контроллеру поляризации, поляризационный светоделитель, подключенный к контроллеру поляризации, поляризационный светоделитель, подключенный к поляризационному светоделителю, временную задержку, подключенную к поляризационному светоделителю, и зеркало Фарадея, подключенное к временной задержке, отличающееся тем, что для измерения квадратур сигнала используется гетеродинный метод детектирования, включающий в себя 90-градусный оптический гибрид, подключенный ко второму выходу поляризационного светоделителя и поляризационному светоделителю, два балансных детектора, подключенные к 90-градусному гибриду и к блоку управления и синхронизации.