Детектор одиночных фотонов с защитой от атак ослеплением с помощью аналого-цифрового преобразователя Российский патент 2025 года по МПК G01J1/42 

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

В системах квантового распределения ключа (КРК) используются 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” (Gaëtan Gras et al., J. Appl. Phys. 127, 094502 (2020)).

Обычно для обнаружения атаки, которые описаны в вышеприведенных работах, 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 RU196655U1, где ОЛФД стробируется синусоидальным сигналом.

Недостатки известных решений в части повышения эффективности контроля фактов ослепления ДОФ предлагается нивелировать за счет использования аналого-цифрового преобразователя, который позволяет построить временную диаграмму тока через фотодиод для оценки средней мощности входящего оптического сигнала, протекающего по квантовому каналу системы КРК, для предварительной настройки порога реакции на атаку ослеплением в изменяющихся условиях эксплуатации системы КРК.

Для решения технической проблемы, присущей известным из уровня техники решениям, предлагается усовершенствованная схема ДОФ, содержащая аналого-цифровой преобразователь, позволяющий построить временную диаграмму тока через фотодиод для оценки средней мощности входящего оптического сигнала, протекающего по квантовому каналу системы КРК, для предварительной настройки порога реакции на атаку ослеплением в изменяющихся условиях эксплуатации системы КРК.

Техническим результатом является защита ДОФ от ослепления, за счет автоматической подстройке порога ослепления в изменяющихся условиях эксплуатации системы КРК.

Заявленный технический результат достигается за счет конструкции детектора одиночных фотонов (ДОФ), включающего однофотонный лавинный фотодиод (ОЛФД), который соединен с датчиком тока смещения, протекающего через генератор напряжения смещения, при этом датчик тока смещения соединен с усилителем и аналого-цифровым преобразователем, и систему управления, получающую на вход поток данных от аналого-цифрового преобразователя, и выполняющую анализ этих данных, на основании которого принимается решение о фиксации попытки ослепления ДОФ в случае, если значение анализируемого сигнала превышает установленное значение, и передающую полученные от аналого-цифрового преобразователя данные во внешнюю систему управления.

В одном из частных примеров реализации ОЛФД установлен в охлаждаемом объеме 8.

В другом частном примере реализации ОЛФД 3 соединен с нагрузочным резистором 4, связанным с формирователем импульсом восстановления 13.

В другом частном примере реализации в охлаждаемом объеме 8 установлены датчик температуры 5 и термоэлектрический преобразователь 6, связанные с регулятором температуры 10.

В другом частном примере реализации регулятор температуры 10 соединен с системой управления 15.

В другом частном примере реализации сигнал с ОЛФД 3 поступает на усилитель 9, передаваемый далее на пороговое устройство 12, поступающий далее на формирователь выходного импульса 14.

В другом частном примере реализации сигнал с порогового устройства 12 поступает на формирователь импульса восстановления 13, который формирует импульс восстановления, поступающий на нагрузочный резистор 4, который далее подается на ОЛФД 3.

В другом частном примере реализации пороговое устройство 12 представляет собой компаратор.

В другом частном примере реализации ДОФ дополнительно содержит генератор стробов.

Как показано на Фиг. 1, ДОФ 100 включает датчик тока 2 протекающего через генератор напряжения смещения 1. Сигнал с датчика тока 2 поступает на усилитель 7 и далее - на аналого-цифровой преобразователь 11. Поток данных с блока аналого-цифрового преобразователя 11 направляется на обработку в систему управления 15, где на основе внешней информации анализируется поток данных с аналого-цифрового преобразователя 11. Факт детектирования превышения порога ослепления формируется в системе управления ДОФ 15 и далее поступает во внешнюю систему. Система управления 15 получает на вход поток данных от аналого-цифрового преобразователя 11 и выполняющая анализ этих данных, на основании которого принимается решение о фиксации попытки ослепления ДОФ в случае, если значение анализируемого сигнала превышает установленное значение, и передает полученные от аналого-цифрового преобразователя 11 данные во внешнюю систему управления.

ДОФ 100 может содержать охлаждаемый объем 8, в котором располагается ОЛФД 3, датчик температуры 5, термоэлектрический преобразователь 6. Постоянная температура в охлаждаемом объеме поддерживается регулятором температуры 10.

Сигнал от ОЛФД 3 поступает на усилитель 9, а затем на пороговое устройство 12 и далее на формирователь выходного импульса 14. Также сигнал с порогового устройства 12 поступает на формирователь импульса восстановления 13. Импульс восстановления через нагрузочный резистор 4 подается на ОЛФД 3.

Дополнительно ДОФ может включать генератор стробов, который позволяет в случае приема периодически формируемых квантовых состояний получить в данном лучшее соотношение сигнал шум на выходе ДОФ 100. Генератор стробов формирует на основе внешнего периодического сигнала стробирующий сигнал для ОЛФД 3, при этом сигнал представляет как единственную гармонику, так и смесь конечного числа гармоник.

Основное преимущество патентуемого решение заключается в способности контролировать превышение тока смещения ОЛФД выше заданного порога и оперативно реагировать на изменения порогового значения в условиях эксплуатации системы КРК во избежание ложных срабатываний системы контроля тока смещения. Таким образом ДОФ способен обнаружить атаку ослеплением короткими импульсами света.

Изобретение относится к области измерительной техники и касается детектора одиночных фотонов с защитой от атак ослеплением с помощью аналого-цифрового преобразователя. Детектор содержит однофотонный лавинный фотодиод, который соединен с датчиком тока смещения, протекающего через генератор напряжения смещения. Датчик тока смещения соединен с усилителем и аналого-цифровым преобразователем. Поток данных от аналого-цифрового преобразователя поступает на вход системы управления, выполняющей анализ этих данных, на основании которого принимается решение о фиксации попытки ослепления детектора одиночных фотонов в случае, если значение анализируемого сигнала превышает установленное значение, и передающей полученные от аналого-цифрового преобразователя данные во внешнюю систему управления. Технический результат заключается в повышении эффективности защиты детектора одиночных фотонов от ослепления. 8 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Детектор одиночных фотонов с защитой от атак ослеплением с помощью аналого-цифрового преобразователя, содержащий:

однофотонный лавинный фотодиод, который соединен с датчиком тока смещения, протекающего через генератор напряжения смещения, при этом датчик тока смещения соединен с усилителем и аналого-цифровым преобразователем;

систему управления, получающую на вход поток данных от аналого-цифрового преобразователя, и выполняющую анализ этих данных, на основании которого принимается решение о фиксации попытки ослепления детектора одиночных фотонов в случае, если значение анализируемого сигнала превышает установленное значение, и передающую полученные от аналого-цифрового преобразователя данные во внешнюю систему управления.

2. Детектор одиночных фотонов с защитой от атак ослеплением с помощью аналого-цифрового преобразователя по п. 1, в котором однофотонный лавинный фотодиод установлен в охлаждаемом объеме.

3. Детектор одиночных фотонов с защитой от атак ослеплением с помощью аналого-цифрового преобразователя по п. 1, в котором однофотонный лавинный фотодиод соединен с нагрузочным резистором, связанным с формирователем импульсом восстановления.

4. Детектор одиночных фотонов с защитой от атак ослеплением с помощью аналого-цифрового преобразователя по п. 2, в котором в охлаждаемом объеме установлены датчик температуры и термоэлектрический преобразователь, связанные с регулятором температуры.

5. Детектор одиночных фотонов с защитой от атак ослеплением с помощью аналого-цифрового преобразователя по п. 4, в котором регулятор температуры соединен с системой управления.

6. Детектор одиночных фотонов с защитой от атак ослеплением с помощью аналого-цифрового преобразователя по п. 3, в котором сигнал с однофотонного лавинного фотодиода поступает на усилитель, передается далее на пороговое устройство, поступает далее на формирователь выходного импульса.

7. Детектор одиночных фотонов с защитой от атак ослеплением с помощью аналого-цифрового преобразователя по п. 6, в котором сигнал с порогового устройства поступает на формирователь импульса восстановления, который формирует импульс восстановления, поступающий на нагрузочный резистор и который далее подается на однофотонный лавинный фотодиод.

8. Детектор одиночных фотонов с защитой от атак ослеплением с помощью аналого-цифрового преобразователя по п. 6, в котором пороговое устройство представляет собой компаратор.

9. Детектор одиночных фотонов с защитой от атак ослеплением с помощью аналого-цифрового преобразователя по п. 1, дополнительно содержащий генератор стробов.