Оптическая схема приемника и система для квантового распределения ключей

Техническое решение в общем относится к области вычислительной техники, а в частности к квантовой криптографии и средствам для квантового распределения ключей по открытому пространству. Техническим результатом, достигающимся при решении данной технической задачи, является повышение надежности приемника для квантового распределения ключей за счет упрощения конструкции оптической схемы. Указанный технический результат достигается благодаря осуществлению оптической схемы приемника для квантового распределения ключей, содержащей: светоделительный элемент, размещенный перед двумя сопряженными базисами; при этом каждый базис содержит: по меньшей мере два детектора одиночных фотонов; поляризаторы, установленных перед детекторами одиночных фотонов; и светоделительный элемент, расположенный перед поляризаторами, при этом светоделительные элементы выполнены с равным делением по пропусканию и отклонению 50% на 50%. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Техническое решение в общем относится к области вычислительной техники, а в частности к квантовой криптографии и средствам для квантового распределения ключей по открытому пространству.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] Из уровня техники известно решение JP5492255B2 "Quantum communication system" (TOSHIBA CORP., опубликовано: 14.05.2014). Данное решение раскрывает систему квантового распределения ключей (QKD) с использованием стандартного протокола ВВ84. Система содержит квантовый приемник, который применяется при поляризационном кодировании сигнала.

[0003] В оптическую схему приемника входит подсистема детекторов, состоящая из двух детекторов одиночных фотонов, подключенных к двум выходам интерферометра и электронной схеме управления.

[0004] При этом интерферометр включает в себя входной светоделитель (BS) с делением 50% на 50%.

[0005] Для обнаружения одиночных фотонов, в данной системе, используют самодифференциальные лавинные фотодиоды или лавинные фотодиоды с синусоидальным затвором. В схеме приемника может использоваться поляризатор, который устанавливают перед фазовым модулятором.

[0006] Кроме того, в известном решении при кодировании квантовых состояний в протоколе ВВ84 используется четыре значения фазовых сдвигов на 0°, 90°, 180° и 270°.

[0007] Также из уровня техники известно решение US 9935721 В2 "Optical communication method and optical communication system" (Furukawa Electric Co Ltd, опубликовано: 03.04.2018). Данное решение раскрывает пример оптической схемы, в которой вместо полуволновой пластины в приемном блоке используются затворы, один из которых установлен на пути получения сигнала от передатчика, а второй устанавливается перед поляризатором лавинного светодиода.

[0008] Недостатком известных решений в данной области техники является усложненная конструкция оптической схемы, которая влияет на сложность монтажа и снижает надежность приемника для квантового распределения ключей.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0009] В заявленном техническом решении предлагается новая оптическая схема приемника для квантового распределения ключей, отличающаяся от классической схемы упрощенной конструкцией.

[0010] Основным техническим результатом является повышение надежности приемника для квантового распределения ключей за счет упрощения конструкции оптической схемы.

[0011] Дополнительным результатом является повышение устойчивости работы приемника для квантового распределения ключей во времени при изменении внешних условий, таких как температура и механических напряжений.

[0012] Указанный технический результат достигаются благодаря осуществлению оптической схемы приемника для квантового распределения ключей, содержащей:

- светоделительный элемент, размещенный перед двумя сопряженными базисами;

- при этом каждый базис содержит:

- по меньшей мере два детектора одиночных фотонов;

- поляризаторы, установленных перед детекторами одиночных фотонов; и

- светоделительный элемент, расположенный перед поляризаторами.

[0013] В одном из частных вариантов реализации схемы светоделительные элементы выполнены с равным делением по пропусканию и отклонению 50% на 50%.

[0014] В другом частном варианте реализации схемы светоделительный элемент выбирается из группы: пластинка, зеркало или кубик.

[0015] Кроме того, заявленное решение реализуется с помощью системы для квантового распределения ключей содержащей, квантовый канал связи между передатчиком и приемником, блок передатчика, выполненный с возможностью генерации одиночных фотонов и передачи их на вход блока приемника, содержащего вышеуказанную оптическую схему.

[0016] В другом частном варианте реализации системы канал передачи данных является каналом через открытое пространство.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0017] Признаки и преимущества настоящего изобретения станут очевидными из приводимого ниже подробного описания изобретения и прилагаемых чертежей.

[0018] Фиг. 1 иллюстрирует пример уровня техники.

[0019] Фиг. 2 иллюстрирует пример оптической схемы приемника для квантового распределения ключей.

[0020] Фиг. 3 иллюстрирует пример системы для квантового распределения ключей.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0021] Рассмотрим основные принципы генерации квантового ключа на основе протокола ВВ84 [1-4]. Передающая сторона (традиционно называемая в литературе Алисой) подготавливает однофотонные состояния с линейной поляризацией в двух не ортогональных друг другу базисах (Фиг. 1).

[0022] Один вертикально-горизонтальный «Базис 1» - с поляризацией фотонов 0 и 90 градусов. Второй - диагональный «Базис 2» - с поляризацией 45 и -45 градусов.

[0023] Алиса и приемная сторона (традиционно называемая Бобом) заранее присваивают код значения каждой поляризации в двоичном представлении, например, фотоны с поляризацией 0 и 45 градусов обозначают цифру 0, а фотоны с поляризацией 90 и 45 градусов означают цифру 1.

[0024] Во время передачи Алиса посылает последовательность фотонов, поляризация которых выбрана случайным образом, и может составлять 0, 45, 90 и 45 градусов. Боб регистрирует пришедшие фотоны, и для каждого из них случайным образом выбирает базис измерения «Базис 1» или «Базис 2».

[0025] По открытому дополнительному каналу связи Боб сообщает Алисе в каком базисе были проведены измерения, но не сообщает результат этого измерения. Поскольку фотон может иметь значение и «0» и «1», то сообщение о факте регистрации фотона по открытому каналу не дает никакой информации, в случае наличия постороннего подслушивающего блока, называемого Евой (от англ. Eavesdropper).

[0026] Алиса в ответ сообщает Бобу, правильный ли базис измерения был выбран для каждого фотона. Сохраняя в серии только измерения, проведенные в правильном базисе, Алиса и Боб создают уникальную случайную последовательность нулей и единиц, из которой затем и формируют секретный ключ.

[0027] На Фиг. 1 изображен типичный применяемый приемный узел для квантового распределения ключей на основе поляризационного кодирования (узел Боб). На входе в приемный узел Боба стоит поляризационный контроллер на основе волновых пластинок. В некоторых устройствах на практике он отсутствует [1,3].

[0028] В такой широко распространенной схеме применяются полуволновая пластинка λ/2 и поляризационная призма (PBS). Полуволновая пластинка λ/2 и поляризационная призма PBS при изготовлении требуют высокой точности, соблюдения сложной технологии и применяются для достаточно узкого диапазона длин волн (полуволновая пластина изготавливается для конкретной длинны волны, с допуском для разности фаз λ/300). При сборке оптической схемы пластинка λ/2 и призма PBS требует точной юстировки, чтобы правильно разделять разные поляризации светового пучка. Эти элементы взаимосвязаны, например, при изменении положения пластинки λ/2 требуется подстройка призмы PBS.

[0029] На Фиг. 2 приведена схема приемника (10) для квантового распределения ключей, содержит: светоделительный элемент BS (130), размещенный перед двумя сопряженными базисами (110, 120). Каждый базис (110, 120) содержит два детектора одиночных фотонов APD (111, 112, 121, 122), поляризаторы Р (114, 115, 124, 125), установленные перед APD, а также светоделительные элементы BS (113, 123), установленные перед Р (114, 115, 124, 125).

[0030] Как видно на Фиг. 2, в заявленной оптической схеме приемного узла (10) полуволновая пластинка λ/2 отсутствует, а поляризационные призмы PBS заменены на светоделительные элементы BS (113, 123) (например, пластинки, зеркала, кубики и пр.) с равным делением по пропусканию и отклонению 50% на 50%. Элементы (113, 123) в каждом из базисов (110, 120) не требуют точной юстировки для правильной работы. При этом в предложенной схеме приемника (10) перед каждым детектором одиночных фотонов APD (111, 112, 121, 122) расположен соответствующий поляризатор Р (114, 115, 124, 125), который может изготавливаться по любой известной из уровня техники технологии, например, в виде пленочного поляризатора.

[0031] Такая компоновка оптической схемы приводит к повышению надежности приемника, за счет уменьшения количества сложных технических элементов в ее составе, подверженных воздействию внешних факторов (температуры, напряжения и т.д.).

[0032] Диапазон применимости пленочных поляризаторов по длинам волн гораздо шире, чем у полуволновых пластинок и поляризационных призм. Многие пленочные поляризаторы имеют коэффициент разделения по поляризации выше 100-1000, что достаточно для их практического использования в системах квантовой криптографии.

[0033] Преимущество такой оптической схемы заключается в том, что это позволяет исключить требования к форме входного волнового фронта для полуволновой пластинки λ/2 и поляризационной призмы PBS для правильной работы приемного узла. Так, при сферическом волновом фронте поляризационная призма PBS может ухудшать коэффициент разделения по поляризации. Элементы полуволновая пластинка λ/2 и поляризационные призмы PBS очень чувствительны к углу падения светового луча на них. Требуют высокой точности при юстировке. Так же они взаимозависимы при юстировке друг от друга.

[0034] Светоделительные элементы BS (113, 123) в заявленной схеме приемника (10) не требуют точности юстировки, работоспособны в широком диапазоне углов падения светового луча и нечувствительны к форме волнового фронта.

[0035] При кодировании квантовых состояний одиночных фотонов в протоколе ВВ84 используется четыре поляризации 0, -45,+45 и +90 градусов в двух базисах (110, 120). Узел передатчика (20) Алиса (Фиг. 3) генерирует такие фотоны и направляет их в канал связи, в данном случае по открытому пространству, например, квантовый канал. Эти одиночные фотоны поступают на вход заявленного приемника (10) Боба.

[0036] Для правильной работы заявленного приемного узла (10) перед четырьмя APD (111, 112, 121, 122), например, выполненными в виде лавинных фотодиодов или сверхпроводящих детекторов одиночных фотонов, установлены поляризаторы Р (114, 115, 124, 125) с ориентацией 0, -45,+45 и +90 градусов. Так, в группе из двух APD (111, 112) в «Базисе 1» (110) необходимо установить поляризаторы Р с ориентацией 0 и 90 градусов. В группе из двух APD (121, 122) в «Базисе 2» (120) надо установить поляризаторы Р (124, 125) с ориентацией -45 и +45 градусов. Необходимо также отметить, что возможно также применение группы, состоящей из более чем двух APD в каждом из базисов.

[0037] Если фотон был послан Алисой (20) в первом базисе с вертикальной поляризацией (значение фотона «0») и при приеме этого фотона в приемнике (10) Боба, входной светоделитель BS (130) направил фотон в первый базис (110). Таким образом существует два варианта попадания данного фотона на APD (111, 112). Если такой фотон попал на APD (111) «0», то поляризатор Р (114) перед данным APD (111) пропустит этот фотон и APD (111) его зарегистрирует. Здесь и далее для упрощения полагается, что квантовая эффективность детекторов равна 100%. Если фотон попадет на APD (112) «1», то поляризатор Р (115) не пропустит такой фотон и APD (121) не сработает, т.е. этот фотон не будет участвовать в формировании квантового ключа.

[0038] Если при приеме этого фотона в приемнике (10) Боб входной светоделитель BS (130) направит фотон во второй базис (120), то он попадет на вход одного из двух APD (121, 122) в этом базисе (120) и будет зарегистрирован с вероятностью 50% соответствующим APD, с вероятностью 50% фотон не будет зарегистрирован APD.

[0039] При объявлении базисов по открытому каналу Алиса (20) и Боб (10) будут знать, в каком базисе был принят и послан фотон. Если фотон был послан Алисой (20) в правильном базисе («Базис 1»), то это срабатывание APD будет участвовать в формировании квантового ключа. Если фотон был послан Алисой (20) в неправильном базисе («Базис 2»), то это срабатывание APD не будет участвовать в формировании квантового ключа.

[0040] По такому алгоритму можно рассмотреть все четыре поляризации фотона.

[0041] Аналогичную процедура применяется к каждому зарегистрированному у Боба (10) фотону. Если фотон был послан и принят в совпадающих базисах, то все зарегистрированные срабатывания будут участвовать в формировании квантового ключа. Если фотон был послан и принят в несовпадающих базисах, то все зарегистрированные срабатывания будут отброшены и не будут участвовать в формировании квантового ключа.

[0042] Представленные материалы заявки раскрывают предпочтительные примеры реализации технического решения и не должны трактоваться как ограничивающие иные, частные примеры его воплощения, не выходящие за пределы испрашиваемой правовой охраны, которые являются очевидными для специалистов соответствующей области техники.

Источники информации:

1. Беннет и др. Bennett, С.H., Bessette, F., Brassard, G. et al. Experimental quantum cryptography. J. Cryptology 5, 3-28 (1992). https://doi.org/10.1007/BF00191318.

2. Quantum cryptography Nicolas Gisin, Gregoire Ribordy, Wolfgang Tittel, and Hugo Zbinden Rev. Mod. Phys. 74, 145 DOI: https://doi.org/10.1103/RevModPhys.74.1453.

3. Оптика спектроскопия. Генерация квантового ключа на основе кодирования поляризационных состояний фотонов Оптика и спектроскопия,, 2004, т. 96, вып.5, с. 772 776. Курочкин В.Л. Рябцев И.И. Неизвестный И.Г.

4. Liao, SK., Cai, WQ., Liu, WY. et al. Satellite-to-ground quantum key distribution. Nature 549, 43-47 (2017). https://doi.org/10.1038/nature23655.

1. Оптическая схема приемника для квантового распределения ключей, содержащая:

− светоделительный элемент, размещенный перед двумя сопряженными базисами;

при этом каждый базис содержит:

− по меньшей мере два детектора одиночных фотонов;

− поляризаторы, установленные перед детекторами одиночных фотонов; и

− светоделительный элемент, расположенный перед поляризаторами, при этом светоделительные элементы выполнены с равным делением по пропусканию и отклонению 50% на 50%.

2. Оптическая схема по п. 1, характеризующаяся тем, что светоделительный элемент выбирается из группы: пластинка, зеркало или кубик.

3. Система для квантового распределения ключей, содержащая квантовый канал связи между передатчиком и приемником, блок передатчика, выполненный с возможностью генерации одиночных фотонов и передачи их на вход блока приемника, содержащего оптическую схему по любому из пп. 1, 2.

4. Система для квантового распределения ключей по п. 3, характеризующаяся тем, что канал передачи данных является каналом через открытое пространство.