Устройство квантовой коммуникации на боковых частотах с регистрацией излучения на центральной частоте
DEVICE FOR QUANTUM COMMUNICATION AT SIDE FREQUENCIES WITH RADIATION REGISTRATION AT THE CENTRAL FREQUENCY

Изобретение относится к технике оптической связи, а именно к системам фотонной квантовой связи.
Известно устройство квантовой рассылки симметричных битовых последовательностей [Патент США 627 22 24 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 приемное 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 приемного устройства, устройство содержит блок синхронизации, первый и второй выходы которого соединены с входами генератора радиочастотного сигнала приемного и передающего устройств соответственно, а также блок управления фазовым сдвигом, первый и второй выходы которого соединены с синхронизационными входами устройства сдвига фазы приемного и передающего устройств соответственно.
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 проведена на устройство квантовой рассылки симметричных битовых последовательностей [Патент США 627 22 24 В1, дата приоритета 07.04.2001, МКИ: H04L 9/08; H04K 1/00]. Данная попытка 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 квантовом канале  (в дБ) следующим образом:
,       (1)
где  – вероятность однозначного различения фазомодулированных состояний,  – среднее число фотонов на боковых частотах фазомодулированного излучения за время одной посылки,  – суммарный коэффициент пропускания в блоке приемника,  – квантовая эффективность детектора одиночных фотонов. 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 квантовом канале.
Изобретение решает задачу увеличения абсолютного значения максимально допустимого ослабления сигнала в квантовом канале в дБ и, следовательно, дальности передачи квантовой информации и уменьшения степени корреляции квантовой информации с окружающей средой посредством детектирования отраженной от спектрального фильтра центральной частотной компоненты в спектре фазомодулированного состояния в системе квантовой коммуникации на боковых частотах фазомодулированного излучения.
Поставленная задача решается за счет новой технической реализации блока приемника устройства фотонной квантовой связи. В состав приемного блока между фазовым модулятором и спектральным фильтром введены: оптический циркулятор и прибор регистрации отраженной от спектрального фильтра центральной частотной компоненты в спектре фазомодулированного состояния. Сущность заявляемого изобретения поясняется следующим. Неравенство, представленное 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], справедливо и в случае регистрации отраженной от спектрального фильтра центральной частотной компоненты в спектре фазомодулированного состояния. Преобразуя его по аналогии с выражением (1), получаем следующее выражение, определяющее максимально допустимое ослабление сигнала в квантовом канале  (в дБ):
,       (2)
где  - среднее число фотонов на центральной частоте фазомодулированного излучения за время одной посылки,  - суммарный коэффициент пропускания в блоке приемника с учетом дополнительного прохода по плечу циркулятора,  - квантовая эффективность детектора одиночных фотонов для регистрации центральной частотной компоненты в спектре фазомодулированного состояния. Вместо детектора одиночных фотонов для регистрации отраженной от спектрального фильтра центральной частотной компоненты в спектре фазомодулированного состояния может быть использован прибор для регистрации классического излучения, тогда знаменатель  и, следовательно, выражение (2) может быть преобразовано следующим образом:
.          (3)
В обоих случаях , т.к. , ввиду малого индекса модуляции. Следовательно, заявляемый прибор обеспечивает передачу квантовой информации в квантовых каналах с бóльшим по модулю значением ослаблением сигнала в квантовом канале и, соответственно, с большей длиной (при одинаковом удельном ослаблением сигнала, выражающемся чаще всего в дБ/км) квантового канала.
Устройство фотонной квантовой связи представлено на чертеже 1, 1 – лазер, 2 – волоконный оптический изолятор, 3, 4  – волоконный фазовый модулятор излучения, 5 – радиоэлектронный блок управления и синхронизации отправителя, 6 – радиоэлектронный блок управления и синхронизации получателя, 7 –  волоконный оптический аттенюатор, квантовый канал – канал для передачи одиночных фотонов, 8 – квантовый канал для передачи фазомодулированных состояний, 9 – открытый канал связи для классической коммуникации между радиоэлектронными блоками управления отправителя и получателя, 10 – волоконный оптический циркулятор, 11 – волоконный спектральный фильтр, 12 – детектор одиночных фотонов, 13 – прибор регистрации отраженной от спектрального фильтра центральной частотной компоненты в спектре фазомодулированного состояния, 14 – канал синхронизации радиоэлектронных блоков управления отправителя и получателя.
Устройство отличается тем, что в блок получателя между фазовым модулятором и спектральным фильтром введены: оптический циркулятор и прибор регистрации отраженной от спектрального фильтра центральной частотной компоненты в спектре фазомодулированного состояния; фазовый модулятор и спектральный фильтр оптически сопряжены с первым и вторым портами циркулятора соответственно, прибор регистрации отраженной от спектрального фильтра центральной частотной компоненты в спектре фазомодулированного состояния оптически сопряжен с третьим портом циркулятора.
Принцип работы устройства: монохроматическое излучение с несущей частотой, 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 радиоэлектронном блоке управления и синхронизации из набора четырех базисных состояний (0°, 90°, 180°, 270°) в двух ортогональных базисах, объединяя фазы с разностью в 180° (0° и 180°, 90° и 270° соответственно). Величина фазовой отстройки интерпретируется как информация, передаваемая от передатчика к приемнику.  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 квантовый канал, излучение поступает в блок получателя и попадает на второй модулятор. После повторной модуляции происходит аналог интерференции на боковых частотах фазомодулированного излучения в зависимости от разности фаз модулирующих сигналов, приложенных к модуляторам отправителя и получателя. После излучение попадает на первый порт циркулятора и выходит из второго порта циркулятора далее в узкополосный спектральный фильтр, где излучения на боковых частотах проходит далее к детектору одиночных фотонов, а излучение на центральной частоте – отражается, поступает обратно на второй порт циркулятора и выход из третьего порта циркулятора далее к прибору регистрации излучения. Далее, в соответствии с протоколом, на основе собранных данных радиоэлектронные блоки отправителя и получателя, используя открытый канал, производят процедуру формирования симметричных битовых последовательностей, которая включает этап просеивания по базисам, при котором отбрасываются  срабатывания детектора, произошедшие при фазовой модуляции в разных базисах, формирование сырой битовой последовательности на основании номеров базисов 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.