ОПТИЧЕСКАЯ СХЕМА ПРИЕМНИКА И СИСТЕМА ДЛЯ КВАНТОВОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КЛЮЧЕЙ
OPTICAL CIRCUIT OF RECEIVER AND SYSTEM FOR QUANTUM KEY DISTRIBUTION

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.