Способ и устройство генерации квантовых состояний в системе квантового распределения ключей с фазовым кодированием
METHOD AND DEVICE FOR GENERATING QUANTUM STATES IN PHASE-CODED QUANTUM KEY DISTRIBUTION SYSTEM

Область техники, к которой относится изобретение
Предлагаемое изобретение относится к области квантового распределения ключей (КРК) шифрования, в частности для генерации когерентных квантовых состояний для реализации протоколов с фазовым кодированием.
Уровень техники
Технология квантового распределения ключей (КРК) позволяет формировать у абонентов сети симметричные секретные ключи шифрования данных без участия людей.
Существует достаточно большое количество протоколов КРК, для реализации которых собираются специализированные аппаратные системы. В частности, для реализации протоколов с фазовым кодированием информации применяют принцип гомодинного приема, заключающийся в том, что на передающей стороне формируется пара идентичных когерентных импульсов, один из которых является носителем опорной фазы, а второй - фазы, соответствующей кодируемой информации. Оба импульса распространяются по общему пути, но один из них задержан относительно другого.
На приемной стороне, для детектирования фазы, используются интерферометры с разницей времени распространения света в плечах, равной задержке между принимаемыми импульсами.
Ввиду того, что на вход приемника поступают однофотонные или квазиоднофотонные состояния, потери в измерительном тракте являются критичными. Для минимизации потерь в измерительном тракте применяются схемы, содержащие как можно меньше элементов, в том числе управляемых. При таком подходе интерферометры для детектирования фазы изготавливаются только из пассивных элементов и не имеют возможности перестройки разницы времени распространения света в плечах.
При развитии техники в приемниках могут применяться интерферометры со значительно различающейся разницей времени распространения света в плечах, например, для достижения более высокой частоты приема квантовых состояний. Подобные изменения в приемниках могут потребовать применения передатчика с соответствующими задержками между импульсами или замены большого количества узлов на однотипные в сети с произвольной топологией.
Таким образом, является актуальной задача создания передатчика, способного перестраиваться на передачу оптических импульсов с различной задержкой, что позволит его использовать с разными приемниками.
Известно устройство для квантовой криптографии (патент РФ №2691829, приоритет от 31.05.2018 г. ), в котором передатчик квантовых состояний состоит из лазера, работающего в непрерывном режиме, модулятора интенсивности, выделяющего из непрерывного излучения лазера пары когерентных импульсов, и модулятора фазы, производящего кодирование передаваемой информации посредством внесения дополнительных сдвигов фазы между импульсами в когерентной паре. Задержка между импульсами в каждой когерентной паре импульсов задается равной разности времени распространения в плечах измерительного интерферометра на приемной стороне.
Недостатком устройства является то, что в нем не предусмотрено изменение задержки между импульсами в квантовом состоянии и, соответственно, согласованное подключение одного передатчика к разным приемникам с отличающимися временами задержки света в плечах измерительного интерферометра.
Отсутствие согласования приводит к ухудшению контраста (видности) интерференционной картины и увеличению ошибок при генерации ключа (Борисова А.В., Втюрина А.Г. Анализ факторов, влияющих на видность интерференции в системах с квантовым распределением ключей, "Фотон-Экспресс", 2021, №6 (174), стр. 212, DOI 10.24412/2308-6920-2021-6-212-213, http://www.fibopt.ru/rfo2021/rfo-21.pdf).
Известны также устройство и способ модуляции интенсивности света в системе с КРК (международная заявка CN108667519, приоритет от 28.03.2017 г. ).
Устройство включает 1-й светоделитель и кольцевой интерферометр Саньяка, имеющий 2-й светоделитель и модулятор фазы. Причем модулятор фазы устанавливают так, чтобы время распространения света от образующего интерферометр светоделителя до модулятора фазы было различным для света, распространяющегося в противоположных направлениях.
Также описан способ формирования импульсного излучения из непрерывного излучения с фиксированной длительностью импульсов и перестраиваемым периодом, где длительность импульсов равна разности времени распространения света во встречных направлениях от светоделителя до модулятора фазы, а задержка между импульсами равна длительности управляющих электрических импульсов на модуляторе фазы.
Для этого на вход интерферометра подают непрерывное излучение, которое разделяется на две части, распространяющихся во встречных направлениях. На модулятор фазы обе части приходят не одновременно, а с отставанием друг относительно друга. Это отставание есть разность времен распространения света во встречных направлениях от светоделителя до модулятора фазы. Длительность оптических импульсов, выходящих из интерферометра Саньяка, полностью задается этим отставанием. Далее, на модулятор фазы подают сигналы управляющего напряжения, необходимой длительности и амплитуды. Амплитуда управляющих сигналов определяет интенсивность выходящих оптических импульсов, а длительность управляющих сигналов задает задержку между ними. Промодулированные импульсы направляются на выход интерферометра Саньяка по назначению.
Известные устройство и способ принимаются в качестве прототипа.
Однако, известное устройство имеет недостаток - невозможность нормальной работы системы КРК при подключении к приемнику с разностью времен распространения света в плечах измерительного интерферометра менее исходно сконфигурированной длительности импульсов в передатчике. Это обусловлено тем, что длительность импульсов на выходе задается положением модулятора фазы в интерферометре при сборке, и не может регулироваться электронными средствами в процессе эксплуатации.
Раскрытие изобретения
Техническим результатом является обеспечение возможности согласования оптических схем в приемнике и передатчике путем электронной регулировки задержки между оптическими импульсами, соответствующей разности оптического хода в плечах интерферометра в приемнике.
Для этого предлагается устройство генерации квантовых состояний в системе КРК с фазовым кодированием, включающее
• импульсный лазер;
• оптический циркулятор, сконфигурированный для передачи света от выхода лазера к оптическому разветвителю и передачи света от оптического разветвителя ко входу модулятора фазы;
• оптический разветвитель с двумя входами и двумя выходами с коэффициентом деления света между выходами 50:50, первый вход которого подключен к оптическому циркулятору;
• модулятор фазы, выход которого подключен ко входу аттенюатора;
• аттенюатор;
• акустооптический модулятор сдвига частоты света;
• фотодетектор, подключенный ко второму входу оптического разветвителя, сконфигурированный для детектирования разности фаз интерферирующих частей света;
• электронный генератор, выполненный с возможностью
формирования на выходе высокочастотного гармонического сигнала,
регулировки фазы высокочастотного гармонического сигнала;
• электронное устройство управления, связанное с лазером, модулятором фазы, фотодетектором и электронным генератором и выполненное с возможностью регулирования задержек между управляющими сигналами для лазера и модулятора фазы и обработки сигналов с фотодетектора;
причем
• вход акустооптического модулятора сдвига частоты подключен к первому выходу оптического разветвителя;
• выход акустооптического модулятора сдвига частоты подключен ко второму выходу оптического разветвителя;
• выход электронного генератора подключен ко входу управления акустооптического модулятора сдвига частоты.
Работу устройства обеспечивает способ генерации квантовых состояний в системе КРК с фазовым кодированием, заключающийся в том, что
• получают сообщение с разностью задержки распространения света Т в плечах измерительного интерферометра в приемнике;
• устанавливают частоту сигнала в электронном генераторе равную 1/2Т;
• подают сигнал от выхода электронного генератора на вход управления акустооптического модулятора сдвига частоты света;
• случайным образом выбирают базис и бит, кодируемые в квантовом состоянии;
• генерируют с помощью лазера одиночный оптический импульс, причем
огибающая мощности оптического импульса имеет прямоугольную форму,
длительность оптического импульса устанавливают равной 2Т;
• формируют когерентную пару оптических импульсов, разделенных во времени, выполняя следующие действия:
подают оптический импульс через циркулятор на первый вход оптического разветвителя, где он разделяется на первую часть оптического импульса, распространяющуюся от первого выхода оптического разветвителя, и вторую часть оптического импульса, распространяющуюся от второго выхода оптического разветвителя;
подают первую часть оптического импульса на вход акустооптического модулятора сдвига частоты, где ее частота света увеличивается на 1/2Т;
подают вторую часть оптического импульса на выход акустооптического модулятора сдвига частоты света, где ее частота света уменьшается на 1/2Т;
подают первую часть оптического импульса с увеличенной частотой на второй выход оптического разветвителя;
подают вторую часть оптического импульса с уменьшенной частотой на первый выход оптического разветвителя;
получают на первом входе оптического разветвителя первый пакет из двух когерентных оптических импульсов;
получают на втором входе оптического разветвителя второй пакет из трех когерентных оптических импульсов;
подают второй пакет когерентных оптических импульсов на фотодетектор;
определяют рассогласование фаз интерферирующих частей оптического импульса;
корректируют рассогласование фаз интерферирующих частей оптического импульса;
• подают через оптический циркулятор первый пакет из двух когерентных оптических импульсов на вход модулятора фазы;
• кодируют в первом пакете из двух когерентных оптических импульсов выбранные бит и базис, выполняя следующие действия:
во время прохождения через модулятор фазы первого когерентного импульса не подается сигналов управления на модулятор фазы;
во время прохождения через модулятор фазы второго когерентного импульса подается сигнал управления на модулятор фазы, пропорциональный сдвигу фазы для выбранных бита и базиса;
• подают на вход аттенюатора первый пакет когерентных импульсов, где он ослабляется до квазиоднофотонного уровня;
• получают на выходе аттенюатора квантовое состояние;
• направляют сгенерированное квантовое состояние по назначению.
При подготовке квантового состояния с помощью лазера формируется оптический импульс, с прямоугольной огибающей мощности во времени и длительностью равной 2T, где Т - задержка между двумя оптическими импульсами в приготавливаемом квантовом состоянии. Далее оптический импульс передается через оптический циркулятор к интерферометру Саньяка.
Исходный оптический импульс разделяется на две одинаковых части, распространяющихся во взаимно встречных направлениях по замкнутому пути в интерферометре.
Интерферометр Саньяка включает в себя акустооптический модулятор сдвига частоты, установленный в произвольной точке вдоль замкнутого оптического пути в интерферометре.
Акустооптический модулятор сдвига частоты сконфигурирован на работу в режиме коллинеарной анизотропной дифракции. При подаче на его вход света с обыкновенной поляризацией на выходе формируется дифрагированный на акустической волне свет с необыкновенной поляризацией, причем частота света будет сдвинута на значение частоты акустической волны. В обратном направлении, при подаче на выход акустооптического модулятора света с необыкновенной поляризацией на выходе формируется дифрагированный на той же акустической волне свет с обыкновенной поляризацией, причем частота света будет сдвинута на значение частоты акустической волны в противоположную сторону.
Таким образом, пройдя весь замкнутый путь в интерферометре Саньяка, первая и вторая части света будут интерферировать. С течением времени, в результате интерференции, будет происходить изменение мощности света по гармоническому закону с частотой, равной удвоенной частоте акустической волны
0
где P(t) - мощность света на выходе лазера,
Ω - угловая частота акустической волны,
0
Ф - начальная фаза акустической волны.
Мощность света на выходе лазера зависит от времени и описывает импульсный характер излучения.
Угловая частота акустической волны выбирается такой, чтобы период изменения мощности на выходе интерферометра был равен удвоенному значению требуемой задержки между оптическими импульсами Ω=π/Т.
Информация о требуемой задержке между оптическими импульсами может поступать в генератор квантовых состояний автоматически, что предпочтительно, или в ручном режиме.
Значение задержки может быть получено, например, после изготовления приемника непосредственно от производителя или путем обычных измерений.
Поскольку приемник и передатчик системы с КРК, помимо оптиковолоконной линии связи, соединяются также с использованием обычной цифровой сети передачи данных, то значение задержки может быть передано по цифровой сети.
Полученное в устройстве значение задержки передается в электронное устройство управления. После этого электронное устройство управления вычисляет соответствующую частоту акустической волны и передает это значение в электронный генератор. Также в памяти генератора могут быть заранее записаны значения требуемых задержек для каждого подключаемого приемника или соответствующие частоты акустической волны.
В ручном режиме значение задержки вводит в электронное устройство управления оператор из обслуживающего персонала.
Если передние фронты интерферирующих частей импульса по времени совпадают с моментом, когда их разность фаз на выходах интерферометра кратна л, то на одном из выходов будет сформировано два когерентных импульса, а на втором выходе интерферометра будет сформировано три когерентных импульса, как это показано на фиг. 2. Причем все импульсы одинаковой амплитуды, а на втором выходе интерферометра первый и третий импульсы вдвое меньшей длительности по отношению ко второму, в силу подобия формы импульсов гармоническому сигналу.
Сформированная пара когерентных импульсов на первом выходе интерферометра направляется через оптический циркулятор к модулятору фазы, где производится сдвиг фазы между импульсами соответствующий кодируемой информации.
Модулированная пара когерентных импульсов ослабляется до квазиоднофотонного уровня в аттенюаторе и передается в канал связи с приемником.
Если между интерферирующими частями импульса появляется рассогласование фаз и их передние фронты по времени не совпадают с моментом, когда их разность фаз на выходах интерферометра кратна π, то, в общем случае, на обоих выходах будет сформировано по три когерентных импульса. Причем амплитуды и длительности сформированных импульсов на каждом выходе будут произвольными.
На фиг. 3 показано, как возможно производить настройку совпадения переднего фронта интерферирующих частей импульса с моментом, когда их разность фаз на выходе интерферометра кратна π, изменяя фазу акустической волны в акустооптическом модуляторе сдвига частоты, или изменяя задержку генерации импульса лазером при неизменной частоте и начальной фазе акустической волны. Настройка корректировкой фазы акустической волны и задержкой генерации импульса лазером эквивалентна, а их величины связаны через частоту акустической волны соотношением
Для определения рассогласования фаз интерферирующих частей света, импульсы со второго выхода интерферометра направляются на фотодиод, где происходит их регистрация. При этом сигнал с фотодиода обрабатывается на электронном устройстве управления. Определить рассогласование фаз или необходимую задержку генерации импульсов лазером возможно различными методами.
max
min
Для примера, один из методов обработки сигнала с фотодиода и определения рассогласования фаз состоит в том, что измеряют длительность каждого оптического импульса в пакете, находят значения максимальной (τ) и минимальной (τ) длительности импульсов. Импульс с максимальной длительностью всегда будет между двумя импульсами с меньшей длительностью. Согласование фаз интерферирующих частей света соответствует условию
mах
min
т.е. τ вдвое больше τ. Если это условие не выполняется, то необходимое корректирующее значение задержки генерации оптических импульсов лазера устанавливается равным
Операции обработки сигнала из фотодетектора и вычисление величины θ или Δt производятся в электронном устройстве управления. Для устранения рассогласования фаз найденное значение θ передается на электронный генератор, либо найденное значение Δt передается на драйвер лазера. Согласно формуле (1) можно производить вычисление θ по найденному значению Δt, либо наоборот - производить вычисление Δt по найденному значению θ.
После корректировки начальной фазы акустической волны и задержки генерации импульса лазером следующее квантовое состояние генерируется с текущими установками. При этом операции детектирования рассогласования фаз и корректировки начальной фазы или задержки генерации импульсов лазером производятся при формировании каждого квантового состояния.
ϕ
На фиг. 4 показано, как производится фазовое кодирование. Во время прохождения через модулятор фазы первого когерентного импульса «1» не подается сигналов управления на модулятор фазы. Во время прохождения через модулятор фазы второго когерентного импульса «2» подается сигнал управления на модулятор фазы V, пропорциональный сдвигу фазы для выбранных бита и базиса. Таким образом, во втором импульсе пакета несущее световое колебание будет иметь сдвиг фазы ϕ по отношению к несущему световому колебанию первого импульса пакета.
Отличительные особенности предлагаемого технического решения заключаются в том, что для формирования разделенных во времени когерентных оптических импульсов используется акустооптический модулятор сдвига частоты, обеспечивающий линейно изменяющуюся во времени разность фаз интерферирующего света.
Заявленный технический результат достигается благодаря тому, что сдвиг частоты света, или скорости приращения разности фаз интерферирующего света, прямо пропорциональны частоте акустической волны в акустооптическом модуляторе сдвига частоты. С помощью перестройки частоты акустической волны регулируются длительность когерентных импульсов и задержка между ними в квантовом состоянии.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 приведена схема устройства для генерации квантовых состояний (непрерывными линиями показаны оптические связи, пунктирными линиями -электрические связи), в которой используются следующие обозначения:
1 - лазер,
2 - циркулятор,
3 - оптический разветвитель,
4 - акустооптический модулятор сдвига частоты (АОМ),
5 - модулятор фазы,
6 - аттенюатор,
7 - фотодетектор,
8 - электронный генератор,
9 - электронное устройство управления (ЭУУ).
На фиг. 2 приведены диаграммы, показывающие процесс модуляции интенсивности света.
На фиг. 3 приведены диаграммы, показывающие процесс корректировки разности фаз интерференции.
На фиг. 4 приведена диаграмма, показывающая процесс фазового кодирования.
Осуществление изобретения
Устройство может быть выполнено с использованием оптоволоконной элементной базы с сохранением поляризацию вдоль пути света от лазера до модулятора фазы. В качестве импульсного лазера применяется полупроводниковый лазер с распределенной обратной связью, с выводом излучения в волокно, сохраняющее поляризацию и, например, с линейной поляризацией вдоль медленной оси волокна. В устройстве можно использовать лазерный диод тип DFB-1550-14BF производителя АО "Нолатех' (http://nolatech.ru/).
Для передачи света от выхода лазера к оптическому разветвителю и передачи света от оптического разветвителя ко входу модулятора фазы используют оптический циркулятор. В качестве примера можно использовать циркулятор РМОС-3-1550-B-A-L-90-1-00 производителя "DK Photonics" (http://www.dkphotonics.com/).
Для обеспечения работы акустооптического модулятора сдвига частоты в режиме коллинеарной анизотропной дифракции оптическое волокно с одной стороны вводится так, чтобы медленная ось волокна совпадала с поляризацией обыкновенной волны в модуляторе, а с обратной стороны волокно вводится так, чтобы его медленная ось совпадала с поляризацией необыкновенной волны в модуляторе. Для осуществления способа в устройстве можно использовать модулятор типа IPF-200-100-1550-2FP производителя "Brimrose" (https://www.brimrose.com/).
Для кодирования информации в квантовых состояниях с помощью модулятора фазы на одном из двух когерентных импульсов производят дополнительный сдвиг фазы, соответствующий кодируемой информации. Для осуществления способа в устройстве можно использовать модулятор фазы MPZ-LN-01-P-P-FC-FC производителя "iXblue" (https://www.ixblue.com/).
Интерферометр Саньяка может быть выполнен на основе волоконного светоделителя. Для осуществления способа в устройстве можно использовать светоделитель PMFBTC-P-2x2-1550-L-50-PM-90 производителя "DK Photonics".
В качестве фотодетектора можно использовать фотодетектор PDI-80-2G-K-R50-B-7-SM1-FA, производителя "LASERS СОМ" (https://laserscom.com/ru).
Для ослабления оптических импульсов до квазиоднофотонного уровня используется аттенюатор. Для осуществления способа в устройстве можно использовать аттенюатор FA20T-APC, производителя "THORLABS" (https://www.thorlabs.com/).
Для формирования высокочастотного гармонического сигнала на входе в АОМ используют электронный генератор с перестраиваемой частотой. В качестве генератора с перестраиваемой частотой можно использовать генератор VFF-150-250-V-A-F2 производителя "Brimrose".
Один из вариантов осуществление изобретения подразумевает что электронное устройство управления ЭУУ построено на базе электронно-вычислительной машины (ЭВМ) с сетевым интерфейсом связи. Дополнительно ЭУУ содержит драйвер лазера, драйвер модулятора фазы, интерфейс управления параметрами электронного генератора, генератор тактовых импульсов (ГТИ), компаратор, датчик случайных чисел (ДСЧ). Все необходимые расчеты на ЭВМ для осуществления способа реализуются с помощью программного обеспечения (ПО). Такое специализированное ПО может сформировать специалист по программированию (программист) на основе знаний о функционировании устройств и алгоритма, которые лежат в основе предложенного способа.
После сборки оптической и электронной частей запускают передатчик в рабочем режиме, алгоритм которого описан ниже.
При подключении к линии связи с приемником, последний по сетевому интерфейсу сообщает передатчику разность задержки распространения света Т в плечах измерительного интерферометра. ЭВМ рассчитывает необходимую частоту равную 1/2T и с помощью интерфейса управления параметрами электронного генератора подает ее на генератор, подключенном к акустооптическому модулятору сдвига частоты.
Далее, ЭУУ фиксирует отсчет ГТИ, соответствующий началу генерации квантового состояния. Устанавливается задержка генерации лазерного импульса равная 0 секунд. ЭВМ подает команду в драйвер лазера для генерации лазерного импульса длительностью равной 2Т. Для формирования когерентной пары оптических импульсов, разделенных во времени, лазерный импульс длительностью 2Т, проходит через циркулятор и попадает в интерферометр Саньяка, который включает в себя акустооптический модулятор сдвига частоты. С помощью сдвига частоты посредством АОМ на первом входе оптического разветвителя, из состава интерферометра Саньяка, получают первый пакет из когерентных оптических импульсов, а на втором входе оптического разветвителя получают второй пакет из когерентных оптических импульсов.
max
min
min
mах
min
mах
В общем случае, будет иметь место рассогласование фаз интерферирующих частей оптического импульса. Для устранения рассогласования подают второй пакет когерентных оптических импульсов на фотодетектор. Затем, сигналы с фотодетектора, подаются на компаратор, при этом порог дискриминации компаратора настраивается, по уровню полувысоты от максимальной амплитуды сигнала. Старт детектирования фотодетектора определяется электронным устройством управления с учетом задержки генерации лазерного импульса и времени распространения света от лазера до фотодетектора. Длительность окна детектирования фотодетектора равна 2Т. Моменты срабатывания компаратора соотносятся с отсчетами ГТИ. ЭВМ на основе срабатывания компаратора и тактовых импульсов рассчитывает значения максимальной (τ) и минимальной (τ) длительности импульсов. Корректирующее значение задержки генерации импульса лазером Δt вычисляют на ЭВМ, согласно формуле (2) при неизменной частоте и начальной фазе акустической волны. Если импульс с меньшей длительностью (τ) детектируется позже чем импульс с большей длительностью (τ), то задержку генерации лазерного импульса увеличивают на корректирующее значение Δt. В противном случае, если импульс с меньшей длительностью (τ) детектируется раньше чем импульс с большей длительностью (τ), то задержку генерации лазерного импульса уменьшают на корректирующее значение Δt.
Скорректированная задержка генерации лазерного импульса применяется при генерации следующего квантового состояния, т.е. имеет место итерационный процесс. Процедура корректировки задержки генерации лазерного импульса производится с каждым генерируемым квантовым состоянием. При этом, если для какого-либо генерируемого квантового состояния корректирующее значение Δt=0, то корректировка задержки не требуется и состояние пригодно для реализации протокола КРК. Если же Δt≠0, то это состояние исключают из последовательности при реализации протокола КРК. Условие Δt≠0 выполняется с точностью до погрешности схемы детектирования длительности импульсов. Поскольку первому сгенерированному квантовому состоянию в передаваемой последовательности не предшествовала корректировка задержки генерации лазерного импульса, то это состояние также исключают из последовательности при реализации протокола КРК.
Фазовое кодирование осуществляется следующим образом. Для каждого пакета когерентных импульсов датчик случайных чисел формирует два числа: первое соответствует базису, второе биту. Эти числа передаются в ЭВМ, где происходит их сопоставление в сигналы управления модулятора фазы. ЭВМ на основе задержки генерации лазерного импульса и времени распространения света от лазера до модулятора фазы рассчитывает момент времени прохождения второго оптического импульса через модулятор фазы. По команде ЭВМ, драйвер модулятора фазы, в указанный момент времени, подает сигнал управления длительностью Т на модулятор фазы, пропорциональный сдвигу фазы для выбранных бита и базиса. После этого промодулированный пакет из двух импульсов поступает на вход аттенюатора, где он ослабляется до квазиоднофотонного уровня. Полученное на выходе аттенюатора квантовое состояние, направляют в оптоволоконную линию связи с приемником квантовых состояний.
Возможны и другие варианты реализации предложенного устройства и способа, зависящие от предпочтений при выборе аппаратного и программного обеспечения.