Устройство квантовой коммуникации на боковых частотах с увеличенным дискретным набором фаз модулирующих сигналов
APPARATUS FOR QUANTUM COMMUNICATION AT SIDE FREQUENCIES WITH INCREASED DISCRETE SET OF MODULATING SIGNAL PHASES

Изобретение относится к технике оптической связи, а именно к системам фотонной квантовой связи.
Известно устройство квантовой рассылки симметричных битовых последовательностей [Патент США 6272224 В1, дата приоритета 07.04.2001. МКИ: H04L 9/08; H04K 1/00], содержащее соединенные посредством волоконно-оптической линии связи передающее устройство, включающее расположенные последовательно по ходу распространения излучения источник монохроматического излучения, электрооптический фазовый модулятор и аттенюатор, а также устройство сдвига фазы, выход которого соединен с управляющим входом электрооптического фазового модулятора, а вход устройства сдвига фазы соединен с выходом генератора радиочастотного сигнала, и принимающее устройство, включающее электрооптический фазовый модулятор, выход которого оптически сопряжен со спектральным фильтром, который оптически сопряжен с приемником классического излучения и детектором одиночных фотонов, управляющий вход электрооптического фазового модулятора соединен с выходом устройства сдвига фазы, к входу которого подключен выход генератора радиочастотного сигнала, волоконно-оптическая линия связи оптически сопряжена с аттенюатором передающего устройства и с входом электрооптического фазового модулятора принимающего устройства, устройство содержит блок синхронизации, первый и второй выходы которого соединены с входами генератора радиочастотного сигнала принимающего и передающего устройств соответственно, а также блок управления фазовым сдвигом, первый и второй выходы которого соединены с синхронизационными входами устройства сдвига фазы принимающего и передающего устройств соответственно.
В процессе фазовой модуляции монохроматическое когерентное состояние преобразуется следующим образом:
(1)
где  - амплитуда когерентного состояния на входе в модулятор,  - вакуумное состояние, 2S+1 - число взаимодействующих мод,  - d - функция Вигнера,  - аргумент d-функции, пропорциональный индексу модуляции m,  - фаза модулирующего сигнала электрооптического фазового модулятора в передающем устройстве. Значение из конечного набора фаз  модулирующего сигнала, может быть однозначно (безошибочно) определено, т.е. может быть проведена процедура безошибочного определения значения фазы , допускающая при том, что часть измерений покажет неопределенный результат. Вероятность однозначного различения фазомодулированных состояний, а следовательно, и их значений фаз , представленных в выражении (1), может быть определена следующим образом:
, (2)
где 2N - четное число значений фаз модулирующих сигналов. В работе [Gaidash A., Kozubov A., Miroshnichenko G. Countermeasures for advanced unambiguous state discrimination attack on quantum key distribution protocol based on weak coherent states // Physica Scripta. - 2019. - Т. 94. - №. 12. - С. 125102.] продемонстрировано, что попытка измерения с целью установить корреляции с распределяемыми битовыми последовательностями с однозначным различением фазомодулированных состояний может быть реализована в устройстве квантовой рассылки симметричных битовых последовательностей [Патент США 627 22 24 В1, дата приоритета 07.04.2001. МКИ: H04L 9/08; H04K 1/00], использующее четыре значения фазы модулирующего сигнала (0, 90°, 180°, 270°), т.е. . Данная попытка измерения может быть обнаружена в случае, когда ожидаемая вероятность детектирования фазомодулированных состояний больше, чем оптимальная вероятность однозначного различения фазомодулированных состояний; преобразовав данное неравенство, можно определить максимально допустимое ослабление сигнала в волоконно-оптической линии  (в дБ) следующим образом:
, (3)
где  - вероятность однозначного различения  фазомодулированных состояний,  - среднее число фотонов на боковых частотах фазомодулированного излучения за время одной посылки,  - суммарный коэффициент пропускания в принимающем устройстве,  - квантовая эффективность детектора одиночных фотонов. Для устройства квантовой рассылки симметричных битовых последовательностей [Патент США 627 22 24 В1, дата приоритета 07.04.2001. МКИ: H04L 9/08; H04K 1/00] максимально допустимое ослабление сигнала в волоконно-оптической линии определяется следующим образом:
(4)
С учетом этих обстоятельств представленное устройство обладает следующими недостатками: высокая степень корреляции квантовой информации с окружающей средой и ограничение на максимально допустимое ослабление сигнала в волоконно-оптической линии и, следовательно, на дальность передачи квантовой информации.
Изобретение решает задачу увеличения абсолютного значения максимально допустимого ослабления сигнала в волоконно-оптической линии в дБ и, следовательно, дальности передачи квантовой информации и уменьшения степени корреляции квантовой информации с окружающей средой посредством увеличения дискретного набора фаз модулирующих сигналов.
Поставленная задача решается за счет модификации передающего и принимающего устройств в составе устройства квантовой рассылки симметричных битовых последовательностей. Модификация заключается в расширении набора значений фаз модулирующих сигналов до 2N значений при N > 2 за счет увеличения разрядности управляющих цифровых сигналов. Сущность заявляемого изобретения поясняется следующим. Абсолютное значение величины максимально допустимого ослабления сигнала в волоконно-оптической линии  согласно выражению (3) нелинейно растет с ростом , т.е. для любых двух значений  справедливо . Следовательно, заявляемая модификация обеспечивает передачу квантовой информации в волоконно-оптической линии с бльшим по модулю значением ослаблением сигнала и, соответственно, с большей длиной (при одинаковом удельном ослаблении сигнала, выражающемся чаще всего в дБ/км) волоконно-оптической линии.
Устройство фотонной квантовой связи представлено на чертеже 1, A - передающее устройство, Б - принимающее устройство, 1 - источник монохроматического излучения (лазер), 2 - волоконный оптический изолятор, 3, 4 - волоконный фазовый модулятор излучения, 5 - модифицированный радиоэлектронный блок управления и синхронизации принимающего устройства, 6 - модифицированный радиоэлектронный блок управления и синхронизации принимающего устройства, 7 - волоконный оптический аттенюатор, 8 - волоконно-оптическая линия (квантовый канал) для передачи фазомодулированных состояний, 9 - открытый канал связи для классической коммуникации между радиоэлектронными блоками управления передающего и принимающего устройств, 10 - волоконный спектральный фильтр, 11 - детектор одиночных фотонов, 12 - канал синхронизации радиоэлектронных блоков управления передающего и принимающего устройств.
Устройство отличается тем, что радиоэлектронные блоки управления и синхронизации передающего и принимающего устройств заменены на модифицированные, отличающиеся расширенным набором значений фаз модулирующих сигналов: с четырех значений (0, 90°, 180°, 270°) до 2N значений (0, 180°/N, 2·180°/N, …, (2N-1)180°/N) при N > 2.
Принцип работы устройства: монохроматическое излучение, генерируемое источником монохроматического излучения, пройдя через волоконный оптический изолятор поступает в электрооптический модулятор, где создается световое поле на боковых частотах с произвольно заданной фазовой отстройкой относительно фазы несущей частоты. Фазовая отстройка задаётся в модифицированном радиоэлектронном блоке управления и синхронизации из набора 2N значений (0, 180°/N, 2·180°/N, …, (2N-1)180°/N). Состояния объединяются в N пар c разностью фаз в 180° (например, 0° и 180°), разность фаз между смежными состояниями равна 180°/N. Величина фазовой отстройки интерпретируется как информация, передаваемая от передающего к принимающему устройству. Далее излучение попадает в аттенюатор, где ослабляется до уровня, когда среднее число фотонов на боковых частотах (за исключением центральной частоты) за время одной посылки меньше единицы. Пройдя через волоконно-оптическую линию, излучение поступает в принимающее устройство и попадает на второй электрооптический модулятор. После повторной модуляции происходит аналог интерференции на боковых частотах фазомодулированного излучения в зависимости от разности фаз модулирующих сигналов, приложенных к соответствующим модуляторам в передающем и принимающем устройствах. После излучение попадает на узкополосный спектральный фильтр, где часть излучения, содержащаяся на боковых частотах, проходит далее к детектору одиночных фотонов. Далее, в соответствии с протоколом, на основе собранных данных радиоэлектронные блоки передающего и принимающего устройств, используя открытый канал связи, производят процедуру формирования симметричных битовых последовательностей, которая включает этап просеивания, при котором отбрасываются срабатывания детектора, произошедшие при фазовой модуляции с разностью фаз модулирующих сигналов электрооптических модуляторов передающего и принимающего устройств не равной 180°, формирование сырой битовой последовательности на основании номеров пар значений модулирующих сигналов во временных интервалах, когда произошла конструктивная интерференция, расчет коэффициента ошибок и процедуру очистки от ошибок, а также постобработки. Также радиоэлектронные блоки управления и синхронизации обеспечивают синхронную работу блоков отправителя и получателя через оптический канал синхронизации.