Система и способ компенсации временного сдвига оптических импульсов в квантовых каналах устройства 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 недоверенным центральным узлом.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] Квантовое распределение ключей с недоверенным центральным узлом (КРК НЦУ) [1] является перспективной технологией квантовых коммуникаций, которая позволяет избавиться от всех утечек информации, связанных с измерительным устройством (детекторами одиночных фотонов - ДОФ) [2-4]. Важное значение в протоколе КРК НЦУ имеет видность интерференции слабых когерентных состояний на светоделителе НЦУ [5, 6]. Для достижения высокой видности стремятся создать неразличимые квантовые состояния: избавиться от различимости спектров, уменьшить джиттер и несоответствие поляризации интерферирующих импульсов. Практическая реализация системы КРК НЦУ сталкивается с рядом дополнительных трудностей, связанных с удаленностью передающих блоков (ПБ) от НЦУ, которые могут быть соединены квантовыми каналами длиной в десятки километров. В этом случае приходится не только принимать меры для обеспечения синхронизации ПБ и НЦУ, но и учитывать возможные флуктуации температуры, приводящие к изменению длин квантовых каналов ΔL. Флуктуации ΔL, в свою очередь, приводят к флуктуациям времени прихода оптических импульсов на светоделитель.

[0003] В данном решении описывается система компенсации временного сдвига оптических импульсов в квантовых каналах устройства квантового распределения ключей с недоверенным центральным узлом. Предлагаемая система основана на применении регулируемой оптической линии задержки в одном из входов НЦУ, которая включена в петлю обратной связи с ДОФ и позволяет с точностью до единиц пикосекунд контролировать перекрытие лазерных импульсов, приходящих от ПБ на светоделитель НЦУ. Данное решение должно существенно улучшить видность интерференции в реальных условиях работы устройства, а следовательно, увеличить максимальное расстояние между ПБ и повысить скорость генерации секретного ключа.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0004] Заявленное изобретение направлено на решение технической проблемы в части реализации оптической схемы квантового распределения ключей с недоверенным центральным узлом, позволяющей осуществлять подстройку временного сдвига приходящих на НЦУ оптических импульсов.

[0005] Технический результат заключается в повышении видности интерференции в реальных условиях работы устройства, за счет чего увеличивается максимальное расстояние между ПБ и повышается скорость генерации секретного ключа.

[0006] Заявленный технический результат достигается за счет ре ализации системы КРК НЦУ, состоящей по меньшей мере из двух передающих блоков и центрального узла, при этом

каждый ПБ подключен к НЦУ волоконно-оптическим квантовым каналом; НЦУ содержит:

светоделитель, получающий на вход оптические импульсы от двух ПБ и обеспечивающий их интерференцию с последующим запутыванием квантовых состояний импульсов, причем светоделитель связан с двумя детекторами одиночных фотонов (ДОФ), обеспечивающими измерение полученных квантовых состояний в базисе Белла;

регулируемую оптическую линию задержки, расположенную в одном из входных плеч светоделителя.

[0007] Заявленный технический результат также достигается за счет выполнения способа компенсации временного сдвига оптических импульсов в квантовых каналах устройства КРК НЦУ, при этом, при реализации способа

каждый передающий блок формирует между цугами информационных сигналов калибровочные цуги оптических сигналов в виде ослабленных лазерных импульсов с заданной интенсивностью, которые передаются в НЦУ;

НЦУ принимает калибровочные сигналы и, меняя время стробирования ДОФ и накапливая на каждом шаге щелчки, соответствующие заданному количеству калибровочных цугов, восстанавливает временные профили импульсов, который приготавливают ПБ;

блок управления (БУ) НЦУ обрабатывает измеренные профили оптических импульсов и определяет разность времен Δt их прихода;

БУ передает измеренное значение Δt в оптическую линию задержки, которая сдвигает оптическую длину пути сигнала одного из передающих блоков, минимизируя таким образом неточность перекрытия их временных профилей.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0008] 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, 3 - передающие блоки (ПБ1 и ПБ2), 4 - квантовый канал, 5 - оптическая линия задержки, 6 - светоделитель 50:50, 7, 8 - детекторы одиночных фотонов (ДОФ), 9 - блок управления (БУ), 10 - цуг информационных импульсов, 11 - цуг калибровочных импульсов.

[0009] На Фиг. 1 показана схема устройства квантового распределения ключей с недоверенным центральным узлом, содержащая в своем составе систему компенсации временного сдвига оптических импульсов в квантовых каналах.

[0010] На Фиг. 2 схематично показаны цуги информационных и калибровочных импульсов.

[0011] На Фиг. 3 схематично показаны профили оптических импульсов, приходящие с передающих блоков на недоверенный центральный узел и измеренные с помощью детекторов одиночных фотонов.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0012] Схема устройства КРК НЦУ, содержащая в своем составе систему компенсации временного сдвига оптических импульсов в квантовых каналах, показана на Фиг. 1. Предающие блоки ПБ1 и ПБ2 (2, 3) приготавливают слабые лазерные импульсы и отправляют их через квантовые каналы (4) на НЦУ (1). Оптические импульсы встречаются на светоделителе (6), где происходит их интерференция. После светоделителя полученное квантовое состояние детектируется в базисе Белла с помощью ДОФ (7, 8). Сигналы с ДОФ обрабатываются в блоке управления (9). Результаты измерений затем сообщаются передающим блокам по классическим аутентифицированным каналам; по этим результатам вырабатывается секретный ключ.

[0013] В реальных условиях приходится учитывать неконтролируемый временной сдвиг между оптическими импульсами, приходящими от ПБ1 и ПБ2 на светоделитель НЦУ. 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 к НЦУ. Степень перекрытия импульсов, таким образом, является функцией времени и требует непрерывной подстройки. Одним из возможных способов осуществить такую подстройку является использование в одном из входных плеч светоделителя регулируемой оптической линии задержки (ОЛ3-5 на Фиг. 1).

[0014] Для подстройки времени прихода импульсов на лету, т.е. во время сеанса распределения ключей, можно использовать временное мультиплексирование, как это показано на Фиг. 2. Между цугами информационных импульсов помещаются цуги калибровочных импульсов. Каждый калибровочный цуг представляет собой последовательность одинаковых квантовых состояний, т.е. периодическую последовательность одинаковых лазерных импульсов. Сначала калибровочные цуги отправляет ПБ1. Меняя время стробирования ДОФ и накапливая на каждом шаге щелчки, соответствующие заданному количеству калибровочных цугов, можно восстановить временной профиль импульса, который приготавливает ПБ1. Затем следует повторить описанную процедуру с ПБ2. В результате мы получим временные профили импульсов (см. Фиг. 3), приготавливаемых передающими блоками, и можем определить разность времен их прихода на НЦУ, Δt.

[0015] Измеренное значение Δt передается в ОЛЗ, которая сдвигает оптическую длину пути сигнала одного из передающих блоков, минимизируя таким образом неточность перекрытия их временных профилей. Если Δt превышает максимальное значение времени задержки, которое можно внести с помощью ОЛЗ, то можно дополнительно использовать фазовую автоподстройку частоты на одном из ПБ или другой доступный механизм сдвига фазы на ПБ.

Источники информации

[1] Н.-К. Lo, М. Curty, and В. Qi, "Measurement-Device-Independent Quantum Key Distribution," Phys. Rev. Lett., vol. 108, pp.130503-130501-130503-130505, 2012.

[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. Fiirst, 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] Z. L. Yuan, M. Lucamarini, J. F. Dynes, B. Frohlich, M. B. Ward, and A. J. Shields, "Interference of Short Optical Pulses from Independent Gain-Switched Laser Diodes for Quantum Secure Communications," Physical Review Applied, vol. 2, p.064006, 2014.

[6] L. C. Comandar, M. Lucamarini, B. Frohlich, J. F. Dynes, Z. L. Yuan, and A. J. Shields, "Near perfect mode overlap between independently seeded, gain-switched lasers," Opt. Express, vol. 24, pp.17849-17859, 2016.

Изобретение относится к области квантового распределения ключей с недоверенным центральным узлом (КРК НЦУ). Технический результат заключается в повышении видности интерференции в реальных условиях работы устройства, за счет чего увеличивается максимальное расстояние между передающими блоками (ПБ) и повышается скорость генерации секретного ключа. Технический результат достигается за счет реализации системы компенсации временного сдвига оптических импульсов в квантовых каналах устройства квантового распределения ключей (КРК) с недоверенным центральным узлом (НЦУ), в которой НЦУ содержит регулируемую оптическую линию задержки (ОЛЗ), размещенную в одном из входных плеч светоделителя, на котором происходит интерференция входящих оптических импульсов, при этом регулируемая ОЛЗ включена в петлю обратной связи с детекторами одиночных фотонов посредством блока управления (БУ) и выполнена с возможностью с точностью до единиц пикосекунд контролировать перекрытие лазерных импульсов, приходящих от ПБ на НЦУ. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Система компенсации временного сдвига оптических импульсов в квантовых каналах устройства квантового распределения ключей (КРК) с недоверенным центральным узлом (НЦУ),

НЦУ содержит регулируемую оптическую линию задержки (ОЛЗ), размещенную в одном из входных плеч светоделителя, на котором происходит интерференция входящих оптических импульсов,

при этом

регулируемая ОЛЗ включена в петлю обратной связи с детекторами одиночных фотонов посредством блока управления (БУ) и выполнена с возможностью с точностью до единиц пикосекунд контролировать перекрытие лазерных импульсов, приходящих от передающих блоков (ПБ) на НЦУ.

2. Способ компенсации временного сдвига оптических импульсов в квантовых каналах устройства КРК НЦУ, выполняемый с помощью системы по п. 1, при этом при реализации способа:

каждый ПБ формирует между цугами информационных сигналов калибровочные цуги оптических сигналов в виде ослабленных лазерных импульсов с заданной интенсивностью, которые передаются в НЦУ;

НЦУ принимает калибровочные сигналы и, меняя время стробирования детекторов одиночных фотонов (ДОФ) и накапливая на каждом шаге щелчки, соответствующие заданному количеству калибровочных цугов, восстанавливает временные профили импульсов, которые приготавливают ПБ;

БУ НЦУ обрабатывает измеренные профили оптических импульсов и определяет разность времен Δt их прихода;

БУ передает измеренное значение Δt в оптическую линию задержки, которая сдвигает оптическую длину пути сигнала одного из передающих блоков, минимизируя таким образом неточность перекрытия их временных профилей.