Волоконно-оптическая система и способ квантового распределения ключей с недоверенным центральным узлом Российский патент 2025 года по МПК H04L9/08 H04B10/70 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Настоящее техническое решение относится к области квантового распределения ключей с не доверенным центральным узлом.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] Квантовое распределение ключей (КРК) - технология распределения секретной информации между двумя удаленными пользователями по открытому каналу связи с использованием квантовых состояний света [1]. Теоретически КРК позволяет распределять криптографические ключи с безусловной секретностью, которая гарантируется законами квантовой механики, однако, из-за различных несовершенств оборудования, используемого для построения реальных систем КРК, появляются лазейки, которые противник может использовать для того, чтобы скомпрометировать секретный ключ и получить несанкционированный доступ к зашифрованной информации.

[0003] Одной из самых уязвимых частей в системах КРК является детектор одиночных фотонов (ДОФ), поэтому большое количество атак нацелено именно на него [2-4]. Наиболее эффективным решением проблемы, связанной с атаками на ДОФ, стало развитие протокола квантового распределения ключей с недоверенным центральным узлом (КРК НЦУ), известного также как детектор-независимое КРК (англ. MDI-QKD - measurement-device-independent quantum key distribution) [5].

[0004] В протоколе КРК НЦУ участники, желающие распределить квантовый ключ, выступают в качестве передатчиков, а приемник, содержащий измерительное устройство (в частности, ДОФы), помещен в отдельный узел, который находится в распоряжении третьей стороны и, вообще говоря, может быть недоверенным. Измерение квантовых состояний в НЦУ происходит в базисе Белла. При использовании поляризационного кодирования белловские состояния обычно измеряют с помощью интерферометрической схемы, называемой в литературе инбрукской схемой [6, 7]. В данной схеме квантовые состояния (одиночные фотоны или ослабленные лазерные импульсы), приходящие от передающих блоков (ПБ) к центральному узлу, встречаются на светоделителе, где они запутываются, а затем направляются на поляризующие светоделители, в выходных портах которых находятся ДОФы. Базисные векторы состояний, соответствующие такой конфигурации измерительного прибора, являются состояниями Белла

где - состояния фотона с горизонтальной и вертикальной поляризацией, соответственно. Можно, однако, показать, что провести однозначное (т.е. со 100%-й различимостью) измерение всех четырех состояний Белла с использованием элементов линейной оптики невозможно. В частности, инбрукская схема позволяет однозначно различать только состояния тогда как состояния корректно измерить с ее помощью нельзя. По этой причине генерация ключа в протоколе КРК НЦУ происходит только при измерении состояний

[0005] Зачастую в протоколе КРК НЦУ используют фазовое или фазово-временное кодирование вместо поляризационного [8, 9]. В этом случае, как правило, не используют инбрукскую схему: интерференция осуществляется просто на светоделителе, в выходных портах которого находятся ДОФы. При этом, однако, скорость генерации квантового ключа уменьшается по меньшей мере в два раза, поскольку «удачным» событием, приводящим к генерации ключа, является измерение только состояния Кроме того, при фазовом кодировании накладывается ограничение (снизу) на частоту приготовления импульсов. Действительно, поскольку кубит в этом случае кодируется в разности фаз между импульсами, то последние должны быть когерентны, другими словами, временная задержка между ними должна быть меньше времени взаимной когерентности лазерных источников, используемых для генерации квантовых состояний. Отметим, однако, что при частоте следования импульсов более 500 МГц проблем с когерентностью, как правило, не возникает, особенно если используются узкополосные термостабилизированные лазеры.

[0006] Учитывая существующий недостаток в части невозможности измерения обеих белловских состояний вышеуказанной схемой, в настоящем решении предлагается ее усовершенствование, в частности схема распределения ключей с недоверенным центральным узлом, использующая фазово-временное кодирование со схемой, аналогичной инбрукской схеме (с 4-мя детекторами), но которая позволяет регистрировать оба белловских состояния а также позволяет использовать частоту стробирования ДОФов вдвое меньше, чем частота следования лазерных импульсов.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0007] Заявленное изобретение направлено на решение технической проблемы в части реализации оптической схемы квантового распределения ключей с недоверенным центральным узлом, позволяющей регистрировать оба белловских состояния, а также позволяющей использовать частоту стробирования ДОФов вдвое меньше, чем частота следования лазерных импульсов.

[0008] Технический результат заключается в повышении скорости генерации квантовых ключей за счет оптической схемы, позволяющей проводить измерения обоих белловских состояний.

[0009] Другим техническим результатом является ослабление требований к величине времени взаимной когерентности лазеров и увеличение видности интерференции за счет увеличения частоты следования лазерных импульсов.

[0010] Заявленный технический результат достигается за счет реализации волоконно-оптической системы квантового распределения ключей с недоверенным центральным узлом (НЦУ), к которому подключены по меньшей мере два передающих блока, при этом передающие блоки подключены к НЦУ через оптический переключатель и каждый блок содержит:

непрерывный лазерный источник, излучение от которого попадет на фазовый модулятор, связанный с модулятором интенсивности, которые обеспечивают формирование лазерных импульсов с заданной интенсивностью и разностью фаз;

светоделитель, принимающий на вход лазерные импульсы с заданной интенсивностью и разностью фаз, причем светоделитель связан одним плечом с измерителем оптической мощности, а другим - с системой аттенюаторов, содержащую регулируемый и фиксированный оптические аттенюаторы;

оптический изолятор, принимающий на вход оптические сигналы, прошедшие систему аттенюаторов и передающий сигналы на полосовой оптический фильтр, полоса пропускания которого не соответствует длине волны источника лазерного излучения, обеспечивая отражение сигналов от фильтра с их последующей передачей в квантовый канал; регулируемый оптический аттенюатор, связанный с полосовым оптическим фильтром, обеспечивающий уменьшение интенсивности синхроимпульсов, поступающих на синхродетектор, до уровня, необходимого для их оцифровки; НЦУ содержит:

синхролазер, связанный со светоделителем, который связан с двумя полосовыми фильтрами, при этом синхролазер обеспечивает отправку последовательности синхроимпульсов в виде классических лазерных импульсов на передающие блоки для синхронизации их с НЦУ; поляризационные контроллеры, принимающие на вход квантовые сигналы от передающих блоков и обеспечивающие восстановление исходных состояний поляризации квантовых сигналов;

регулируемая оптическая линия задержки, связанная с одним из поляризационных контроллеров, выполненная с возможностью мониторинга качества интерференции сигналов;

светоделитель со встроенным поляризатором (ПСД), получающий на вход восстановленные импульсы от поляризационных контроллеров, и обеспечивающий их интерференцию с последующим запутыванием квантовых состояний импульсов, причем ПСД связан через светоделители с четырьмя детекторами одиночных фотонов (ДОФ), обеспечивающими регистрацию белловских состояний

[0011] Заявленный технический результат также достигается за счет выполнения способа квантового распределения ключей с НЦУ, выполняемый вышеописанной системой, при этом, при реализации способа

каждый передающий блок формирует оптические сигналы в виде лазерных импульсов с заданной интенсивностью и разностью фаз, которые передаются на оптический переключатель, выполняющий коммутацию поступающих оптических сигналов;

НЦУ принимает ослабленные оптические сигналы (квантовые состояния), осуществляя восстановление их исходных состояний поляризации, запутывая их затем на светоделителе и измеряя в базисе Белла, получая в результате измерения состояния и

при этом

НЦУ синхронизируется с передающими блоками посредством отправки на них синхроимпуль сов.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0012] Прилагаемые чертежи, которые включены в данное описание для обеспечения дополнительного понимания сущности заявленного решения и составляют его часть, иллюстрируют варианты реализации и вместе с описанием служат для пояснения принципов осуществления и работы заявленного решения. На чертежах:

Цифровые обозначения: 1 - недоверенный центральный узел (НЦУ), 2 - оптический переключатель, 3,4- передающие блоки (ПБ), 5 - квантовый канал, 6 - сигнальный лазер, 7 - фазовый модулятор, 8 - модулятор интенсивности, 9 - светоделитель, 10 - измеритель оптической мощности, 11, 15 - регулируемые оптические аттенюаторы, 12 - оптический аттенюатор, 13 - оптический изолятор, 14 - полосовой оптический фильтр (DWDM фильтр), 16 - синхродетектор, 17, 18, 19, 20 - детекторы одиночных фотонов (ДОФы), 21 - светоделитель со встроенным поляризатором, 22 - поляризационный контроллер, 23 - оптическая линия задержки, 24 - синхролазер.

[0013] На Фиг. 1 показана схема квантового распределения ключей с недоверенным центральным узлом.

[0014] На Фиг. 2 показана оптическая схема передающего блока.

[0015] На Фиг. 3 схематически изображены квантовые состояния, используемые в системе КРК НЦУ. ΔT - временная задержка между Т_р - период следования квантовых состояний.

[0016] На Фиг. 4 показана оптическая схема НЦУ.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0017] Обобщенная схема устройства КРК НЦУ показана на Фиг. 1. Каждый из передающих блоков (ПБ) (3, 4) соединен через квантовый канал (5) с оптическим переключателем (2), на котором происходит коммутация оптических сигналов от выбранной пары ПБ (3, 4). После переключателя сигналы попадают в недоверенный центральный узел (НЦУ) (1), где происходят квантовые измерения входных сигналов в базисе Белла. Показанная на Фиг. 1 схема подразумевает возможность подключения к НЦУ (1) нескольких ПБ, причем ключ может быть распределен между любой выбранной парой ПБ, т.е. данная схема реализует сеть типа звезда. Минимальное количество ПБ равно, очевидно, двум, а максимальное число подключаемых ПБ ограничено числом входов оптического переключателя. Все ПБ являются равноправными участниками сети, а НЦУ (1) выполняет функцию сервера, предоставляющего передающим блокам услугу по измерению квантовых состояний.

[0018] Оптическая схема ПБ (3, 4) показана на Фиг. 2. Излучение от непрерывного лазера (6) попадает на фазовый модулятор (7), а затем на модулятор интенсивности (8). Здесь происходит формирование лазерных импульсов с заданной интенсивностью и разностью фаз. В рассматриваемой системе КРК НЦУ применяется фазово-временное кодирование. При таком способе кодирования значение бита определяется временем прихода импульса на детектор или разностью фаз между импульсами. Схематическое изображение квантовых состояний, используемых в рассматриваемой системе КРК НЦУ, показаны на Фиг. 3. В Х-базисе кубит кодируется парой лазерных импульсов, отстоящих по времени на величину ΔT и имеющих заданную разность фаз. В Z-базисе кубиту соответствует один импульс, создаваемый в раннем (F-импульс) или позднем (L-импульс) временном слоте внутри фрейма, ограничивающего кубит (на Фиг. 3 фреймы показаны пунктирными прямоугольниками).

[0019] Временная задержка между Е- и L-импульсами в Х-базисе, обозначенная на Фиг. 3 как ΔТ, определяется частотой следования лазерных импульсов ƒ, которую можно записать как ƒ = 1/ΔТ. Частота приготовления состояний ƒ_p, в свою очередь, определяется как величина, обратная времени задержки между фреймами на Фиг. 3: ƒ_p = 1/Т_р.

[0020] Состояния в Z-базисе можно представить линейной суперпозицией состояний из Z-базиса; в обозначениях, используемых на Фиг. 3, это запишется в виде

где мы положили θ = 0, π. Здесь состояниям можно поставить в соответствие логические 0 и 1; аналогично можно трактовать состояния Отметим, что нормировочный множитель ½ в формуле (2) относится к амплитуде когерентных состояний в Е- и L-импульсах, следовательно, интенсивности импульсов в Х-базисе, определенные согласно (2), должны быть в 2 раза меньше, чем интенсивности импульсов в Z-базисе, как это и показано на Фиг. 3. Требование нормировки, однако, не является обязательным, и соотношение между интенсивностями импульсов, в принципе, может быть любым. В общем случае отношение интенсивностей между импульсами в Z- и Х-базисах отличается от задаваемого формулой (2) и определяется в ходе оптимизации системы.

[0021] После модулятора интенсивности сформированные лазерные импульсы приходят на светоделитель (9), после которого большая часть излучения отводится на измеритель оптической мощности (10), который используется для контроля рабочей точки модулятора. После светоделителя импульсы проходят через систему оптических аттенюаторов (11, 12), один из которых является фиксированным (12), а другой (11) позволяет регулировать общий уровень аттенюации до значения, необходимого для оптимальной работы системы и определяемого в ходе оптимизации. Характерные значения интенсивности приготавливаемых когерентных состояний обычно находятся в диапазоне μ = 0,1 - 0,6, т.е. 0,1 - 0,6 фотона на одно состояние. После аттенюаторов сигнал проходит через оптический изолятор (13), уровень изоляции которого выбирается таким, чтобы атаки, направленные на активные компоненты оптической схемы ПБ (атака троянским конем, атака на измеритель мощности, засеивание лазерного источника), невозможно было реализовать. Как пример, уровень изоляции может составлять 60-100 дБ. Наконец, после оптического изолятора сигнал приходит на полосовой оптический фильтр, полоса пропускания которого не соответствует длине волны сигнального лазера (6), так что весь сигнал отражается от фильтра и попадает в квантовый канал (5), по которому направляется к НЦУ (1).

[0022] Оптическая схема НЦУ показана на Фиг. 4. Квантовые сигналы (ослабленные когерентные импульсы), приходящие на НЦУ, проходят через поляризационные контроллеры (22), где происходит восстановление первоначальных состояний поляризации лазерных импульсов, искаженных при прохождении квантового канала. После восстановления поляризации импульсы попадают на симметричный (50:50) светоделитель со встроенным поляризатором (ПСД) (21), где происходит интерференция с последующим запутыванием квантовых состояний. Отметим, что восстановленные поляризационными контроллерами состояния поляризации импульсов все еще могут немного отличаться, что может ухудшить интерференцию. Использование ПСД (21) позволяет уменьшить негативное влияние данного эффекта на видность интерференции.

[0023] В выходных портах ПСД (21) стоят симметричные светоделители (9), за которыми расположены детекторы одиночных фотонов (ДОФы) (17 - 20). Особенность предлагаемой схемы НЦУ состоит в том, что ДОФы (17 - 20) стробируются на частоте, вдвое меньшей, чем частота следования лазерных импульсов ƒ. Время стробирования одной пары детекторов сдвинуто на полпериода относительно другой пары, так что два детектора (17, 18 или 19, 20) (по одному в каждом плече ПСД (21)) регистрируют фотоны в £-импульсах, а два другие- в L-импульсах. Для определенности будем считать, что детекторы 17, 19 регистрируют L-импульсы, а детекторы 18, 20 - L-импульсы. Такая конфигурация ДОФ (17-20) полезна в том случае, когда частота стробирования детекторов относительно низкая (и не может быть увеличена, например, по схемотехническим причинам), а время когерентности лазерного излучения не превышает периода следования стробов. Действительно, в этом случае детекторы все еще могут регистрировать как так и L-импульсы, а лазерные излучение внутри фрейма все еще остаются когерентным. При таком способе стробирования НЦУ (1) может измерять оба белловских состояния: и При этом, если одновременно сработала пара детекторов (17, 18) или (19, 20), то это означает, что НЦУ (1) измерил состояние Если одновременно сработали детекторы (17,20) или (18,19), то это означает, что НЦУ (1) измерил состояние

[0024] Особенностью систем КРК НЦУ является наличие двух квантовых каналов (5) вместо одного, что может вносить неконтролируемый временной сдвиг между квантовыми состояниями, приходящими на светоделитель НЦУ (ПСД (21) на Фиг. 4). Этот временной сдвиг обусловлен эффектом теплового расширения оптоволокна: при изменении температуры квантовый канал может стать немного длиннее или короче, что приводит к изменению времени распространения импульсов от ПБ (3, 4) к НЦУ (1). Степень перекрытия импульсов, таким образом, является функцией времени и требует, вообще говоря, непрерывной подстройки. Для компенсации указанного временного сдвига в оптической схеме НЦУ (Фиг. 4) используется регулируемая оптическая линия задержки (23). С ее помощью НЦУ (1) нивелирует изменения температуры квантовых каналов, непрерывно «наблюдая» за качеством интерференции и минимизируя неточность перекрытия временных профилей импульсов.

[0025] Важным компонентом системы КРК НЦУ является синхронизация ПБ (3, 4) и НЦУ (1). В настоящем решении синхронизация осуществляется с помощью синхролазера (24), входящего в состав НЦУ (1), который периодически отправляет последовательности классических лазерных импульсов (синхроимпульсов) выбранной паре ПБ (3, 4). Длина волны синхролазера (24) отличается от длины волны сигнального лазера (6), что позволяет реализовать пространственное разделение их сигналов. Для этой цели в оптических схемах НЦУ (1) и ПБ (3, 4) используются полосовые оптические фильтры (14), соответствующие одному из стандартных телекоммуникационных DWDM каналов. Синхроимпульсы, которые НЦУ (1) отправляет выбранной паре ПБ (3,4), делятся на светоделителе (9), а затем через соответствующие полосовые оптические фильтры (14) (DWDM-фильтры) попадают в квантовый канал (см. Фиг. 4). В каждом из передающих блоков (3, 4) установлен оптический фильтр (14), соответствующий используемому на НЦУ (1) DWDM-каналу, который пропускает их к синхродетектору (16). Перед синхродетектором (16) расположен регулируемый оптический аттенюатор (15), уменьшающий интенсивность входящих синхроимпульсов до оптимального уровня, необходимого для их корректной оцифровки. Оцифрованный сигнал затем используется для синхронизации часов ПБ с часами НЦУ. Уровень аттенюации на аттенюаторе (15) зависит от чувствительности детектора и настроек компаратора, который предполагается использовать для оцифровки. Такая система «синхродетектор + компаратор» может быть выполнена с автоматической подстройкой уровня компарации. В этом случае аттенюатор (15) может быть исключен из оптической схемы.

Источники информации:

[1] N. Gisin, G. Ribordy, W. Tittel, and H. Zbinden, "Quantum cryptography," Rev. Mod. Phys., vol. 74, pp.145-195, 2002.

[2] C. Wiechers, L. Lydersen, C. Wittmann, D. Elser, J. Skaar, C. Marquardt, V. Makarov, and G. Leuchs, "After-gate attack on a quantum cryptosystem," New Journal of Physics, vol. 13, p.013043,2011.

[3] L. Lydersen, N. Jain, C. Wittmann, 0. Maray, J. Skaar, C. Marquardt, V. Makarov, and G. Leuchs, "Superlinear threshold detectors in quantum cryptography," Phys. Rev. A, vol. 84, p.032320, 2011.

[4] H. Weier, H. Krauss, M. Rau, M. Ftirst, S. Nauerth, and H. Weinfurter, "Quantum eavesdropping without interception: an attack exploiting the dead time of single-photon detectors," New Journal of Physics, vol. 13, p.073024, 2011.

[5] H.-K. Lo, M. Curty, and B. Qi, "Measurement-Device-Independent Quantum Key Distribution," Phys. Rev. Lett, vol. 108, pp.130503-130501-130503-130505, 2012.

[6] H. Weinfurter, "Experimental Bell-State Analysis," Europhysics Letters, vol. 25, p.559, 1994.

[7] N. Liitkenhaus, J. Calsamiglia, and K. A. Suominen, "Bell measurements for teleportation," Phys. Rev. A, vol. 59, pp.3295-3300, 1999.

[8] R. I. Woodward, Y. S. Lo, M. Pittaluga, M. Minder, Т. K. Parai'so, M. Lucamarini, Z. L. Yuan, and A. J. Shields, "Gigahertz measurement-device-independent quantum key distribution using directly modulated lasers," npj Quantum Information, vol. 7, p.58, 2021. [9] L. C. Comandar, M. Lucamarini, B. Frohlich, J. F. Dynes, A. W. Sharpe, S. W. B. Tam, Z. L. Yuan, R. V. Penty, and A. J. Shields, "Quantum key distribution without detector vulnerabilities using optically seeded lasers," Nat. Photonics, vol. 10, pp.312-315, 2016.

Изобретение относится к области квантового распределения ключей с недоверенным центральным узлом (НЦУ). Технический результат заключается в повышении скорости генерации квантовых ключей за счет оптической схемы, позволяющей проводить измерения обоих белловских состояний, а также в ослаблении требований к величине времени взаимной когерентности лазеров и увеличение видности интерференции за счет увеличения частоты следования лазерных импульсов. Технический результат достигается тем, что передающий блок содержит непрерывный лазерный источник, фазовый модулятор, модулятором интенсивности, светоделитель, связанный одним плечом с измерителем оптической мощности, а другим - с системой аттенюаторов, оптический изолятор, полосовой оптический фильтр, регулируемый оптический аттенюатор; НЦУ содержит синхролазер, два полосовых фильтра, поляризационные контроллеры, регулируемую оптическую линию задержки, светоделитель со встроенным поляризатором, который связан через светоделители с четырьмя детекторами одиночных фотонов, обеспечивающими регистрацию белловских состояний 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

1. Волоконно-оптическая система квантового распределения ключей с недоверенным центральным узлом (НЦУ), к которому подключены по меньшей мере два передающих блока, при этом

передающие блоки подключены к НЦУ через оптический переключатель и каждый блок содержит:

непрерывный лазерный источник, излучение от которого попадет на фазовый модулятор, связанный с модулятором интенсивности, которые обеспечивают формирование лазерных импульсов с заданной интенсивностью и разностью фаз;

светоделитель, принимающий на вход лазерные импульсы с заданной интенсивностью и разностью фаз, причем светоделитель связан одним плечом с измерителем оптической мощности, а другим – с системой аттенюаторов, содержащую регулируемый и фиксированный оптические аттенюаторы;

оптический изолятор, принимающий на вход оптические сигналы, прошедшие систему аттенюаторов и передающий сигналы на полосовой оптический фильтр, полоса пропускания которого не соответствует длине волны источника лазерного излучения, обеспечивая отражение сигналов от фильтра с их последующей передачей в квантовый канал;

регулируемый оптический аттенюатор, связанный с полосовым оптическим фильтром, обеспечивающий уменьшение интенсивности синхроимпульсов, поступающих на синхродетектор, до уровня, необходимого для их оцифровки;

НЦУ содержит:

синхролазер, связанный со светоделителем, который связан с двумя полосовыми фильтрами, при этом синхролазер обеспечивает отправку последовательности синхроимпульсов в виде классических лазерных импульсов на передающие блоки для синхронизации их с НЦУ;

поляризационные контроллеры, принимающие на вход квантовые сигналы от передающих блоков и обеспечивающие восстановление исходных состояний поляризации квантовых сигналов;

регулируемую оптическую линию задержки, связанную с одним из поляризационных контроллеров, выполненную с возможностью мониторинга качества интерференции сигналов;

светоделитель со встроенным поляризатором (ПСД), получающий на вход восстановленные импульсы от поляризационных контроллеров, и обеспечивающий их интерференцию с последующим запутыванием квантовых состояний импульсов, причем ПСД связан через светоделители с четырьмя детекторами одиночных фотонов (ДОФ), обеспечивающими регистрацию белловских состояний .

2. Способ квантового распределения ключей с НЦУ, выполняемый системой по п.1, при этом при реализации способа

каждый передающий блок формирует оптические сигналы в виде лазерных импульсов с заданной интенсивностью и разностью фаз, которые передаются на оптический переключатель, выполняющий коммутацию поступающих оптических сигналов;

НЦУ принимает ослабленные оптические сигналы (квантовые состояния), осуществляя восстановление их исходных состояний поляризации, запутывая их затем на светоделителе и измеряя в базисе Белла, получая в результате измерения два белловских состояния , что позволяет увеличить скорость генерации квантовых ключей;

при этом

НЦУ синхронизируется с передающими блоками посредством отправки на них синхроимпульсов.