Устройство квантовой рассылки симметричной битовой последовательности на поднесущей частоте модулированного излучения с двойным гомодинным методом приема
DEVICE FOR QUANTUM DISTRIBUTION OF A SYMMETRIC BIT SEQUENCE AT A SUBCARRIER FREQUENCY OF MODULATED RADIATION USING A DOUBLE HOMODYNE RECEPTION METHOD

Настоящее изобретение относится к оптической технике, а именно к системам фотонной квантовой связи.
Известно устройство квантовой рассылки симметричных битовых последовательностей [Hirano и др. Quantum Sci Technol 2 (2017) 024010], базирующееся на когерентном методе приема. Битовая последовательность может быть распределена на расстояние 60 км при заданных условиях процессов последующей обработки.
Представленные устройства [Патент CN105024809B, дата приоритета 22.07.2015,  МКИ: H04L9/08], [Патент CN102724036B, дата приоритета 04.06.2012, МКИ: H04L9/08, H04L27/26] обладают следующими недостатками:  применение одномодовых когерентных состояний, то есть у сигнала малой мощности нет готового дополнительного опорного когерентного сигнала и нет опорной нулевой фазы; низкая спектральная эффективность и неустойчивость к внешним условиям, оказывающим воздействие на оптическое волокно.
Известно устройство квантовой рассылки симметричной битовой последовательности на поднесущей (боковой) частоте модулированного излучения [Патент RU2454810 C1, дата приоритета 24.11.2010, МКИ: H04L 9/08], являющееся наиболее близким к описываемому. Так как здесь применяются многомодовые когерентные состояния, фаза несущей моды принимается за опорную, само же наличие согласованной несущей моды в квантовом канале обеспечивает дополнительную защиту от атак вида расщепления фотонов, так как можно обеспечивать дополнительный мониторинг интенсивности. В блоке получателя основной составляющей частью является крупногабаритный детектор одиночных фотонов (ДОФ), поэтому мощность принимаемых сигнальных импульсов остается достаточно малой. Данное устройство можно принять как прототип заявленного решения. Упомянутый ДОФ является существенным недостатком, препятствующий получению технического результата, который обеспечивается заявляемым изобретением.
ДОФ также не только крупногабаритны, но и сложны в производстве, в то время как балансный вычитающий детектор с низким уровнем шума может быть собран из стандартного телекоммуникационного оборудования.
Настоящее изобретение разрабатывается на основе существующей установки квантовой рассылки симметричных битовых последовательностей поднесущих частотах модулированного излучения. Техническая часть передающего модуля остается неизменной, в то время как принимающий модуль переработан. В терминах упрощенной теоретической модели работа системы описывается следующим образом:
— отправитель генерирует немодулированное лазерное излучение с помощью источника когерентного излучения;
— отправитель посредством фазовой модуляции генерирует многомодовое когерентное состояние, записывая в его фазе квантовую информацию;
— отправитель осуществляет отправку состояния через квантовый канал;
— получатель на принимающей стороне разделяет сигнал на светоделителе 50/50, внося дополнительные потери в 3 дБ в каждую ветвь, и проводит повторную фазовую модуляцию с составными частями с нулевым фазовым сдвигом и фазовым сдвигом π/2, в результате которой существенная часть энергии переходит из центральной моды в поднесущие, то есть осуществляется процесс интерференции, аналогичный тому, что наблюдается в классическом гомодинировании. Одновременно из-за относительного фазового сдвига на модуляторах в принимающем модуле будут наблюдаться процессы конструктивной и деструктивной интерференции: в случае конструктивной интерференции на несущей частоте будет меньше энергии, чем в совокупности на поднесущих частотах, и наоборот — при деструктивной;
— для каждой ветви осуществляется гомодинирование:
— сигнал на поднесущих частотах и сигнал на центральной частоте разделяются с помощью спектральной фильтрации и оптического циркулятора по двум каналам, ведущим к плечам вычитающего оптического балансного детектора;
— осуществляется процесс детектирования и мониторинг уровня получаемого напряжения (варианты: положительное, отрицательное, близкое к нулю), после чего полученный сигнал оцифровывается, в результате получатель получает битовую последовательность, закодированную отправителем.
— для синхронизации работы блоков отправителя и получателя используется блок синхронизации, использующий классическое оптическое излучение и SPF-модули.
Техническим результатом является уменьшение размеров принимающего модуля, снижение стоимости конечной системы и повышение уровня его ремонтопригодности, так как вычитающий балансный детектор представляет собой стандартный телекоммуникационный элемент.
Заявленное устройство делится на сторону отправителя и получателя. Сторона отправителя содержит источник когерентного излучения, оптический изолятор, оптический фазовый модулятор и аттенюатор. Генератор управляющих напряжений (ГУН) соединен с ЭВМ через программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС). С другой стороны ГУН подсоединен к модулятору электрического сигнала через устройство фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Кроме того, этот фазовый модулятор соединен с ПЛИС, которая, помимо всего прочего, подключена к модулю стандарта SFP (SFP-модулю) и аттенюатору.
Сторона получателя содержит четыре поляризационных светоделителя и четыре оптических фазовых модулятора, подключенных попарно к каждому из выходных портов одного поляризационного светоделителя, а также к двум входным портам другого. На стороне получателя также установлены циркуляторы, отводящие излучение, отраженное от спектрального фильтра, через второй выходной порт. Два балансных детектора, также содержащиеся в схеме, являются покупными изделиями и отдельно не рассматриваются. Детекторы подключены к анализаторам сигнала, которые, в свою очередь, соединены с ЭВМ.
Управляющие пользовательские модули содержат SFP-модули. Для синхронизационного сигнала установлен фильтр низких частот.
Дополнительные особенности устройства будут изложены в последующем описании, способ работы будет также конкретизирован далее и подкреплен математическими выкладками. Преимущества изобретения будут реализованы и достигнуты устройством изобретения, изложенного в письменном описании и формуле изобретения, а также на прилагаемых чертежах.
Описания заявленного устройства подаются в пояснительной форме и направлены на объяснение основных принципов работы изобретения и уточнение его отличий от ранее заявленных подобных изобретений.
Фиг. 1 иллюстрирует функциональную схему заявленного устройства.
Изобретение реализует генерацию, передачу и прием квантовой информации, содержащейся в фазе многомодовых когерентных состояний, по волоконному квантовому каналу. Устройство разработано таким образом, что может быть собрано из стандартного телекоммуникационного оборудования. Ниже рассматриваются математическая модель системы в упрощенном классическом виде и оптическая схема.
Как показано на Фиг. 1, заявляемое устройство состоит из стороны отправителя битовой последовательности и принимающей стороны. Сторона отправителя содержит оптически сопряженные (оптические каналы изображены толстым пунктиром) источник когерентного излучения (1), оптический изолятор (2), оптический фазовый модулятор излучения (3) и аттенюатор (4). ЭВМ (5) соединена с ПЛИС (6), которая, в свою очередь, подключена к генератору управляющих напряжений (7). Сигнал генератора управляющих напряжений (7) подается на устройство фазовой автоподстройки частоты (8), после чего поступает на фазовый модулятор электрического сигнала (9). Кроме того, этот фазовый модулятор соединен с ПЛИС (6). ПЛИС (6) подает сигнал на SFP-модуль (10) и аттенюатор (4).
После прохождения аттенюатора (4) излучение посылается на сторону получателя. Излучение разделяется на светоделителе (11), после чего каждая часть излучения делится на поляризационных светоделителях (12а) и (12б). Затем каждая из четырех частей излучения модулируется на одном из оптических фазовых модуляторов (13а), (14а), (13б), (14б). Разделенные по поляризации части излучения соединяются на светоделителях (15а) и (15б). Соответственно проходя циркулятор (16а) (или (16б)), на спектральных фильтрах (17а) и (17б) отражаются компоненты на центральной частоте, а боковые пропускаются и посылаются на первые плечи балансных детекторов (18а) и (18б). Отраженные компоненты проходят через соответствующие циркуляторы (16а) (или (16б)), а затем приходят на второе плечо балансного детектора (18а) (или (18б)). Результат вычитания сигналов на балансных детекторах (18а) и (18б) идут на анализаторы сигнала (19а) и (19б), после чего поступают на ЭВМ (20).
Управляющая данным процессом электрическая часть у получателя выглядит следующим образом. Сигнал для синхронизации, который отправитель посылает через модуль стандарта SFP (10), приходит на SFP-модуль (21) получателя. Синхронизационный сигнал проходит фильтр низких частот (22) и поступает на ПЛИС (23) и генератор управляющих напряжений (24). С помощью устройства ФАПЧ (24) на электрическом фазовом модуляторе (25) формируется модулирующий сигнал. На фазовращателе (27) выполняется фазовый сдвиг модулирующего сигнала на 90 градусов.
Устройство работает следующим образом. Источник когерентного излучения (1) генерирует световой пучок, проходящий через защищающий от отраженного света лазер оптический изолятор (2).  Затем излучение модулируется на электрооптическом фазовом модуляторе (3) синусоидальным сигналом с внесенной отправителем фазой. Для получения модулирующего сигнала ГУН (7) генерирует колебания на тактовой частоте, которое используется для синхронизации системы. Сигнал от ГУН (7) подается на ФАПЧ (8), на котором с помощью умножения частоты получают выходной сигнал на частоте модуляции. Затем данный сигнал поступает на электрический фазовый модулятор (9), на котором вносится одна из четырех фаз с помощью модулирующего сигнала от ПЛИС (6). Данный сигнал выступает модулирующим в фазовой модуляции излучения в (3).  В таком случае информация о фазе находится в так называемых боковых частотных полосах, амплитуда которых должна быть много меньше амплитуды центральной полосы. То есть мощность излучения должна быть такова, чтобы на боковых частотах на один бит приходилось в среднем меньше одного фотона. Необходимые мощности достигаются с помощью аттенюатора (4), управляемого с помощью ПЛИС (6).
После поступления сигнала на сторону получателя излучение делится на светоделителе (11) на две половины. Для компенсации поляризационных искажений излучения обе части сигнала делятся на поляризационных светоделителях (12а) и (12б), после чего все части излучения проходят на соответственно оптически сопряженные фазовые модуляторы оптического излучения (13а) и (14а), (13б) и (14б). Аналогично, получатель проводит фазовую модуляцию синусоидальным сигналом на той же частоте ω, выбирая фазу в двух сопряженных наборах: {0, π} и {π/2, 3π/2}. Индекс модуляции выбирается так, чтобы мощность излучения на центральной частоте была сопоставима с мощностью излучения на боковых частотах.  Электрическое поле в результате двойной модуляции представимо через разложение Якоби-Ангера и выглядит следующим образом:
0,5
E
0
где 2× — амплитуда исходного поля;
ω —
частота исходного сигнала;
Ω — частота модулирующего сигнала;
m
, m
a
b
— индексы модуляции соответственно отправителя и получателя;
a
b
ϕ , ϕ — фазы, заданные соответственно на модуляторах отправителя и получателя;
J
m
k
() — функция Бесселя первого рода;
1
a
b
m= (m + m) cos(Δϕ/2);
2
a
b
m= (m - m) sin(Δϕ/2);
a
b
ψ = Ωt + (ϕ + ϕ)/2;
Δϕ — фазовая задержка.
Кроме того, на фазовых модуляторах (13б) и (14б) модулирующий сигнал сдвинут на 90 градусов относительно модулирующего сигнала на модуляторах (13а) и (14а). Затем излучение соответственно соединяется на светоделителях (15а) и (15б) и поступают на циркуляторы (16а) и (16б). Проходя циркуляторы, излучение делится на спектральных фильтрах (17а) и (17б) таким образом, чтобы излучение на боковых частотах проходило фильтр и поступало на первое плечо соответствующего балансного детектора (18а) (или (18б)), а излучение на центральной частоте отражалось, и через циркулятор (16а) (или 16б) поступало на второе плечо балансного детектора (18а) (или 18б). Соответственно, поля в верхнем и нижнем плечах детектора соответственно представимы как:
Выходное напряжение каждого детектора в отсутствие дополнительных шумов есть:
G
где  — коэффициент усиления встроенных в схему детектора усилителей;
R
(λ) — чувствительность фотодиодов.
Далее результирующее излучение с балансных детектора приходит на анализаторы сигнала (19а) и (19б), после чего результат поступает на ЭВМ (20).
Для синхронизации пользователей ПЛИС отправителя посылает через SFP-модуль (10) синхронизационный сигнал, который получатель принимает SFP-модуле (21). Сигнал синхронизации проходит фильтр низких частот (22), затем поступает на ПЛИС (23) и на ГУН (24) получателя. Аналогично стороне отправителя, модулирующий сигнал для оптических фазовых модуляторов получается с помощью умножения синхронизационного сигнала на ФАПЧ (25), в который на фазовом модуляторе электрического сигнала (26) в него вносится одна из четырех возможных фаз, которая поступает на модулятор (26) от ПЛИС (23). Затем часть модулирующего сигнала, поступающая на оптические фазовые модуляторы (13б) и (14б), проходит фазовращатель (27), в результате чего модулирующий сигнал сдвигается на 90 градусов.