УСТРОЙСТВО КВАНТОВОЙ РАССЫЛКИ КРИПТОГРАФИЧЕСКОГО КЛЮЧА С ЧАСТОТНЫМ КОДИРОВАНИЕМ
DEVICE FOR QUANTUM SENDING OF A CRYPTOGRAPHIC KEY WITH FREQUENCY CODING

Изобретение относится к криптографической технике, а именно к системам квантовой рассылки криптографического ключа.
Известно устройство квантовой рассылки криптографического ключа на поднесущей частоте модулированного излучения [Патент РФ RU2454810 (C1), дата публикации 2012-06-27., дата приоритета 24.11.2010. МКИ: H04L 9/08], содержащее, соединенные посредством волоконно-оптической линии связи, передающее устройство, включающее расположенные последовательно по ходу 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, приемник классического излучения, оптически сопряженный со спектральным фильтром и приемник одиночных фотонов, электрооптический фазовый модулятор подключен к устройству сдвига фазы, к входу которого подключен выход генератора радиочастотного сигнала, волоконно-оптическая линия связи оптически сопряжена с аттенюатором передающего устройства, устройство содержит блок синхронизации, первый и второй выходы которого соединены с входами генератора радиочастотного сигнала приемного и передающего устройств соответственно, причем электрооптический фазовый модулятор в приемном устройстве выполнен из двух расположенных по ходу излучения электрооптических фазовых модуляторов, управляющие входы которых соединены с первым и вторым выходом устройства сдвига фазы соответственно, причем выход первого электрооптического фазового модулятора оптически сопряжен с выходом второго электрооптического фазового модулятора, за модуляторами по ходу излучения установлено фарадеевское зеркало, оптически сопряженное с входом второго электрооптического фазового модулятора, в приемное устройство введен оптический циркулятор, первый порт которого оптически сопряжен с волоконно-оптической линией связи, второй порт оптически сопряжен с входом первого электрооптического фазового модулятора, третий порт оптически сопряжен со спектральным фильтром, а четвертый порт оптически сопряжен с входом приемника одиночных фотонов, устройство синхронизации имеет третий и четвертый выходы, которые соединены с синхронизационными входами устройств сдвига фазы приемного и передающего устройств соответственно.
Прототипом к предлагаемому устройству квантовой рассылки криптографического ключа с частотным кодированием является устройство квантовой рассылки криптографического ключа с частотным кодированием [Патент РФ RU2692431 (C1), дата публикации 2019-06-24, дата приоритета 03.07.2018. МКИ: H04L 9/08, H04B 10/85], содержащее, соединенные между собой волоконно-оптической линией связи передающее устройство и приемное устройство; а также блок синхронизации; при этом передающее устройство включает в себя источник монохроматического излучения, электрооптический фазовый модулятор передающего устройства, выход которого оптически сопряжен с входом аттенюатора, выход аттенюатора оптически сопряжен с входом волоконно-оптической линии связи; а также устройство сдвига фазы передающего устройства, вход которого соединен с первым выходом генератора радиочастотного сигнала передающего устройства; при этом приемное устройство, включает в себя электрооптический фазовый модулятор приемного устройства, оптический циркулятор, второй порт оптического циркулятора оптически сопряжен с входом спектрального фильтра, третий порт оптического циркулятора оптически сопряжен с входом приемника одиночных фотонов, выход приемника одиночных фотонов является первым выходом устройства квантовой рассылки криптографического ключа с частотным кодированием, выход  спектрального фильтра оптически сопряжен с входом приемника классического излучения, выход приемника классического излучения является вторым выходом устройства квантовой рассылки криптографического ключа с частотным кодированием, а также устройство сдвига фазы приемного устройства, вход устройства сдвига фазы приемного устройства соединен с первым выходом генератора радиочастотного сигнала приемного устройства; при этом первый и второй выходы блока синхронизации соединены с синхронизационными входами генератора радиочастотного сигнала передающего устройства и генератора радиочастотного сигнала приемного устройства соответственно, третий и четвертый выходы блока синхронизации соединены с синхронизационными входами устройства сдвига фазы передающего устройства  и устройства сдвига фазы приемного устройства соответственно, причем в передающее устройство дополнительно введены электрооптический амплитудный модулятор передающего устройства и преобразователь радиочастотного сигнала передающего устройства, при этом вход электрооптического амплитудного модулятора передающего устройства оптически сопряжен с выходом источника монохроматического излучения, выход электрооптического амплитудного модулятора передающего устройства оптически сопряжен с входом электрооптического фазового модулятора передающего устройства, а управляющий вход электрооптического амплитудного модулятора передающего устройства соединен с выходом устройства сдвига фазы передающего устройства, вход преобразователя радиочастотного сигнала передающего устройства соединен с вторым выходом генератора радиочастотного сигнала передающего устройства, а выход преобразователя радиочастотного сигнала передающего устройства соединен с управляющим входом электрооптического фазового модулятора передающего устройства; в приемное устройство также дополнительно введены электрооптический амплитудный модулятор приемного устройства, преобразователь радиочастотного сигнала приемного устройства,  при этом вход электрооптического амплитудного модулятора приемного устройства оптически сопряжен с выходом  электрооптического фазового модулятора приемного устройства, выход электрооптического амплитудного модулятора приемного устройства оптически сопряжен с первым портом оптического циркулятора, управляющий вход электрооптического амплитудного модулятора приемного устройства соединен с выходом устройства сдвига фазы приемного устройства, вход преобразователя радиочастотного сигнала приемного устройства соединен с вторым выходом генератора радиочастотного сигнала приемного устройства, выход преобразователя радиочастотного сигнала приемного устройства соединен с управляющим входом электрооптического фазового модулятора приемного устройства, вход электрооптического фазового модулятора приемного устройства оптически сопряжен с выходом волоконно-оптической линии связи.
Техническое решение по прототипу имеет только один режим работы устройства, режим активного детектирования состояния фотонов, который обеспечивает только один уровень криптографической защиты, что недостаточно для защиты квантового криптографического ключа.
Технической проблемой является создание устройства квантовой рассылки криптографического ключа с частотным кодированием позволяющего повысить защиту квантового криптографического ключа, за счет нескольких режимов работы устройства, а именно режим активного детектирования состояния фотонов и режим пассивного детектирования состояния фотонов, что обеспечит несколько уровней криптографической защиты.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении защиты квантового криптографического ключа, за счет нескольких режимов работы устройства, а именно режим активного детектирования состояния фотонов и режим пассивного детектирования состояния фотонов.
Технический результат в устройстве квантовой рассылки криптографического ключа с частотным кодированием, содержащем соединенные между собой волоконно-оптической линией связи передающее устройство и приемное устройство; при этом передающее устройство содержит источник монохроматического излучения, выход которого оптически сопряжен с входом электрооптического амплитудного модулятора передающего устройства, управляющий вход электрооптического амплитудного модулятора передающего устройства соединен с выходом устройства сдвига фазы передающего устройства,  выход электрооптического амплитудного модулятора передающего устройства оптически сопряжен с входом электрооптического фазового модулятора передающего устройства, управляющий вход электрооптического фазового модулятора передающего устройства соединен с выходом преобразователя радиочастотного сигнала передающего устройства, выход электрооптического фазового модулятора передающего устройства оптически сопряжен с входом аттенюатора, выход аттенюатора оптически сопряжен с входом волоконно-оптической линии связи, передающее устройство также содержит генератор радиочастотного сигнала передающего устройства, первый выход которого соединен с входом устройства сдвига фазы передающего устройства; при этом приемное устройство, включает в себя электрооптический фазовый модулятор приемного устройства, вход которого оптически сопряжен с выходом волоконно-оптической линии связи, управляющий вход электрооптического фазового модулятора приемного устройства соединен с выходом преобразователя радиочастотного сигнала приемного устройства, выход электрооптического фазового модулятора приемного устройства оптически сопряжен с входом электрооптического амплитудного модулятора приемного устройства, управляющий вход электрооптического амплитудного модулятора приемного устройства соединен с выходом устройства сдвига фазы приемного устройства, вход устройства сдвига фазы приемного устройства соединен с первым выходом генератора радиочастотного сигнала приемного устройства, приемное устройство также содержит спектральный фильтр, первый выход которого оптически сопряжен с входом приемника классического излучения, выход приемника классического излучения является первым выходом устройства квантовой рассылки криптографического ключа с частотным кодированием, приемное устройство также содержит первый приемник одиночных фотонов, выход которого является вторым выходом устройства квантовой рассылки криптографического ключа с частотным кодированием, при этом первый и второй выходы блока синхронизации соединены с синхронизационными входами генератора радиочастотного сигнала передающего устройства и генератора радиочастотного сигнала приемного устройства соответственно, третий и четвертый выходы блока синхронизации соединены с синхронизационными входами устройства сдвига фазы передающего устройства  и устройства сдвига фазы приемного устройства соответственно, достигается тем, что в передающее устройство дополнительно введено устройство подстройки фазы передающего устройства, выход которого соединен с входом преобразователя радиочастотного сигнала передающего устройства, вход устройства подстройки фазы передающего устройства соединен с вторым выходом генератора радиочастотного сигнала передающего устройства; при этом в приемное устройство также дополнительно введено устройство подстройки фазы приемного устройства, выход которого соединен с входом преобразователя радиочастотного сигнала приемного устройства, вход устройства подстройки фазы приемного устройства соединен с вторым выходом генератора радиочастотного сигнала передающего устройства, в приемном устройстве спектральный фильтр является многоканальным и имеет пять выходов, вход спектрального фильтра оптически сопряжен с выходом электрооптического амплитудного модулятора приемного устройства, второй выход спектрального фильтра оптически сопряжен с входом первого приемника одиночных фотонов, в приемное устройство дополнительно введены, второй приемник одиночных фотонов, выход которого является третьим выходом устройства квантовой рассылки криптографического ключа с частотным кодированием, вход второго приемника одиночных фотонов оптически сопряжен с третьим выходом спектрального фильтра, третий приемник одиночных фотонов, выход которого является четвертым выходом устройства квантовой рассылки криптографического ключа с частотным кодированием, вход третьего приемника одиночных фотонов оптически сопряжен с четвертым выходом спектрального фильтра, четвертый приемник одиночных фотонов, выход которого является пятым выходом устройства квантовой рассылки криптографического ключа с частотным кодированием, вход четвертого приемника одиночных фотонов оптически сопряжен с пятым выходом спектрального фильтра; а так же блок синхронизации имеет пятый и шестой выходы, при этом пятый и шестой выходы блока синхронизации соединены с синхронизационными входами устройства подстройки фазы передающего устройства  и устройства подстройки фазы приемного устройства соответственно.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена – схема устройства квантовой рассылки криптографического ключа с частотным кодированием. На фиг.2 – частотный спектр исходного сигнала, на выходе источника монохроматического излучения. На фиг.3 – частотный спектр амплитудно-модулированного сигнала, на выходе электрооптического амплитудного модулятора передающего устройства. На фиг.4 – частотный спектр фазо-коммутированного сигнала, на выходе электрооптического фазового модулятора передающего устройства. На фиг.5 – частотный спектр рефазо-коммутированного сигнала, на выходе электрооптического фазового модулятора приемного устройства. На фиг.6 – частотный спектр амплитудно-ремодулированного сигнала в случае, на выходе электрооптического амплитудного модулятора приемного устройства, когда разность фаз двух модулирующих сигналов равна 0. На фиг.7 – частотный спектр амплитудно-ремодулированного сигнала в случае, на выходе электрооптического амплитудного модулятора приемного устройства, когда разность фаз двух модулирующих сигналов равна π. На фиг.8 – частотный спектр несущей частоты, поступающей на приемник классического излучения. На фиг.9 – частотный спектр сигнала, поступающего на приемник одиночных фотонов. На фиг.10 – частотный спектр исходного сигнала, на выходе источника монохроматического излучения. На фиг.11 – частотный спектр двухчастотного амплитудно-модулированного сигнала на частоте Ω, на выходе электрооптического амплитудного модулятора передающего устройства. На фиг.12 – частотный спектр однофотонного двухчастотного амплитудно-модулированного сигнала на частоте Ω, на выходе аттенюатора. На фиг.13 – частотный спектр амплитудно-модулированного сигнала на частоте Ω, на выходе электрооптического амплитудного модулятора передающего устройства. На фиг.14 – частотный спектр фазо-коммутированного сигнала на частоте Ω/2, на выходе электрооптического фазового модулятора передающего устройства. На фиг.15 – частотный спектр однофотонного фазо-коммутированного сигнала на частоте Ω/2, на выходе аттенюатора. На фиг.16 – частотный спектр амплитудно-модулированного сигнала на частоте Ω, на выходе электрооптического амплитудного модулятора передающего устройства. На фиг.17 – частотный спектр фазо-коммутированного сигнала на частоте 3Ω/2, на выходе электрооптического фазового модулятора передающего устройства. На фиг.18 – частотный спектр однофотонного фазо-коммутированного сигнала на частоте Ω/2, на выходе аттенюатора. На фиг.19 – частотный спектр двухчастотного амплитудно-модулированного сигнала на частоте 2Ω, на выходе электрооптического амплитудного модулятора передающего устройства. На фиг.20 – частотный спектр однофотонного двухчастотного амплитудно-модулированного сигнала на частоте 2Ω, на выходе аттенюатора.
Заявляемое устройство квантовой рассылки криптографического ключа с частотным кодированием, изображенное на Фиг.1, содержит соединенные между собой волоконно-оптической линией связи 1, передающее устройство 2 и приемное устройство 3, а также блок синхронизации 4;  при этом передающее устройство 2 включает в себя: последовательно оптически сопряженные, источник монохроматического излучения 5, электрооптический амплитудный модулятор передающего устройства 6, электрооптический фазовый модулятор передающего устройства 7 и аттенюатор 8, выход аттенюатора 8 является выходом передающего устройства 2 и оптически сопряжен с входом волоконно-оптической линии связи 1, а также устройство сдвига фазы передающего устройства 9, вход устройства сдвига фазы передающего устройства 9 соединен с первым выходом генератора радиочастотного сигнала передающего устройства 10, а выход устройства сдвига фазы передающего устройства 9 соединен с управляющим входом электрооптического амплитудного модулятора передающего устройства 6, второй выход генератора радиочастотного сигнала передающего устройства 10 соединен с входом устройства подстройки фазы передающего устройства 11, выход устройства подстройки фазы передающего устройства 11 соединен с входом преобразователя радиочастотного сигнала передающего устройства 12, выход преобразователя радиочастотного сигнала передающего устройства 12 соединен с управляющим входом электрооптического фазового модулятора передающего устройства 7, первый и второй выходы генератора радиочастотного сигнала передающего устройства 10 идентичны друг другу; при этом приемное устройство 3 включает в себя: последовательно оптически сопряженные, электрооптический фазовый модулятор приемного устройства 13, электрооптический амплитудный модулятор приемного устройства 14, спектральный фильтр 15 является многоканальным и имеет пять выходов, первый выход спектрального фильтра 15 оптически сопряжен с входом приемника классического излучения 16, выход приемника классического излучения 16 является первым выходом устройства квантовой рассылки криптографического ключа с частотным кодированием, второй выход спектрального фильтра 15  оптически сопряжен с входом первого приемника одиночных фотонов 17, выход первого приемника одиночных фотонов 17 является вторым выходом устройства квантовой рассылки криптографического ключа с частотным кодированием, третий выход спектрального фильтра 15 оптически сопряжен с входом второго приемника одиночных фотонов 18, выход второго приемника одиночных фотонов 18 является третьим выходом устройства квантовой рассылки криптографического ключа с частотным кодированием, четвертый выход спектрального фильтра 15 оптически сопряжен с входом третьего приемника одиночных фотонов 19, выход третьего приемника одиночных фотонов 19 является четвертым выходом устройства квантовой рассылки криптографического ключа с частотным кодированием, пятый выход спектрального фильтра 15 оптически сопряжен с входом четвертого приемника одиночных фотонов 20, выход четвертого приемника одиночных фотонов 20 является пятым выходом устройства квантовой рассылки криптографического ключа с частотным кодированием, при этом вход электрооптического фазового модулятора приемного устройства 13 является входом приемного устройства 3 и оптически сопряжен с выходом волоконно-оптической линии связи 1, приемное устройство 3  также включает в себя, устройство сдвига фазы приемного устройства 21, вход устройства сдвига фазы приемного устройства 21 соединен с первым выходом генератора радиочастотного сигнала приемного устройства 22, а выход устройства сдвига фазы приемного устройства 21 соединен с управляющим входом электрооптического амплитудного модулятора приемного устройства 14, второй выход генератора радиочастотного сигнала приемного устройства 22 соединен с входом устройства подстройки фазы приемного устройства 23, выход устройства подстройки фазы приемного устройства 23 соединен с входом преобразователя радиочастотного сигнала приемного устройства 24,  выход преобразователя радиочастотного сигнала приемного устройства 24 соединен с управляющим входом электрооптического фазового модулятора приемного устройства 14, первый и второй выходы генератора радиочастотного сигнала приемного устройства 22 идентичны друг другу; при этом первый и второй выходы блока синхронизации 4 соединены с синхронизационными входами генератора радиочастотного сигнала передающего устройства 10 и генератора радиочастотного сигнала приемного устройства 22 соответственно, третий и четвертый выходы блока синхронизации 4 соединены с синхронизационными входами устройства сдвига фазы передающего устройства 9 и устройства сдвига фазы приемного устройства 21 соответственно, пятый и шестой выходы блока синхронизации 4 соединены с синхронизационными входами устройства подстройки фазы передающего устройства 11 и устройства подстройки фазы приемного устройства 23 соответственно, при этом элементы, входящие в состав передающего устройства 2, источник монохроматического излучения 5, аттенюатор 8, устройство сдвига фазы передающего устройства 9, генератор радиочастотного сигнала передающего устройства 10, устройство подстройки фазы передающего устройства 11, преобразователь радиочастотного сигнала передающего устройства 12, и элементы, входящие в состав приемного устройства 3, приемник классического излучения 16, первый приемник одиночных фотонов 17, второй приемник одиночных фотонов 18, третий приемник одиночных фотонов 19, четвертый приемник одиночных фотонов 20,  устройство сдвига фазы приемного устройства 21, генератор радиочастотного сигнала приемного устройства 22, устройство подстройки фазы приемного устройства 23, преобразователь радиочастотного сигнала приемного устройства 24, а также блок синхронизации 4, имеют систему электропитания, которая на схеме не показана.
0
0
a
0
a
0
a
a
0
ф
0
ф
ф
А
А
Рассмотрим устройство квантовой рассылки криптографического ключа с частотным кодированием изображенный на Фиг.1 в режиме активного детектирования состояния фотонов, т.е. с ремодуляцией в приемном устройстве. Предварительно включают систему электропитания и подают напряжение на элементы входящие в состав передающего устройства 2, источник монохроматического излучения 5, аттенюатор 8, устройство сдвига фазы передающего устройства 9, генератор радиочастотного сигнала передающего устройства 10, устройство подстройки фазы передающего устройства 11, преобразователь радиочастотного сигнала передающего устройства 12, и на элементы входящие в состав приемного устройства 3, приемник классического излучения 16, первый приемник одиночных фотонов 17, второй приемник одиночных фотонов 18, третий приемник одиночных фотонов 19, четвертый приемник одиночных фотонов 20,  устройство сдвига фазы приемного устройства 21, генератор радиочастотного сигнала приемного устройства 22, устройство подстройки фазы приемного устройства 23, преобразователь радиочастотного сигнала приемного устройства 24, а также блок синхронизации 4. На передающем устройстве 2, источником монохроматического излучения 5 генерируется световой пучок с частотой ω(фиг.2). Излучение подвергается амплитудной модуляции в электрооптическом амплитудном модуляторе передающего устройства 6. В простейшем случае применяется периодическая синусоидальная модуляция. Источником синусоидального сигнала является генератор радиочастотного сигнала передающего устройства 10. В результате амплитудной модуляции в спектре сигнала появляются две боковые частоты ω– Ωи ω+ Ω(фиг.3), отстоящие от основной частоты оптического сигнала ω на величину частоты Ω (фиг.3) (Ω– частота модулирующего радиочастотного сигнала для амплитудной модуляции). Далее амплитудно-модулированный сигнал проходит фазовую коммутацию в электрооптическом фазовом модуляторе передающего устройства 7, применяется такая прямоугольная фазовая модуляция, при которой фаза модуляции переворачивается на 180 градусов при каждом прохождении нулевой точки синусоидальной модуляции, вследствие чего вся энергия несущей частоты перекачивается в боковые составляющие ω– Ωи ω+ Ω (фиг.4) (Ω– частота модулирующего радиочастотного сигнала для фазовой модуляции), тем самым, из квантового канала передачи исключается многофотонная несущая частота. Источником прямоугольного сигнала является преобразователь радиочастотного сигнала передающего устройства 12. Подстройка фазы прямоугольного сигнала, для получения идеального подавления несущей в структуре сигнала, осуществляется в устройстве подстройки фазы передающего устройства 11. Далее световой пучок ослабляется до однофотонного уровня с помощью аттенюатора 8. Необходимо, чтобы среднее время между двумя генерируемыми фотонами в одном импульсе было больше, чем время передачи одного бита информации. Это условие обеспечивается изменением индекса модуляции, а именно регулировкой амплитуды модулирующего сигнала, осуществляющейся в генераторе радиочастотного сигнала передающего устройства 10 и генераторе радиочастотного сигнала приемного устройства 22.  Информационный бит кодируется путем внесения в модулирующий сигнал некоторого фазового сдвига Ф (Ф – фазовый сдвиг, вводимый в передающем устройстве 2). Фазовый сдвиг регулируется устройством сдвига фазы передающего устройства 9. Передающее устройство 2 соединено с приемным устройством 3 волоконно-оптической линией связи 1, представляющий собой квантовый канал.
0
ф
0
ф
0
Б
Б
0
a
0
a
А
Б
А
Б
0
a
0
a
А
Б
0
a
0
a
Фазо-коммутированный сигнал (фиг.4) передается на приемное устройство 3, где подвергается повторной фазовой коммутации (рефазо-коммутация) в электрооптическом фазовом модуляторе приемного устройства 13 для восстановления из боковых составляющих ω– Ωи ω+ Ω (фиг.4) несущую частоту ω (фиг.5) для дальнейшей повторной амплитудной модуляции (ремодуляции) в электрооптическом амплитудном модуляторе приемного устройства 14. На приемном устройстве используется свой преобразователь радиочастотного сигнала приемного устройства 24, устройство подстройки фазы приемного устройства 23, генератор радиочастотного сигнала приемного устройства 22 и устройство сдвига фазы приемного устройства 21, функции которых идентичны тем, что используются в передающем устройстве 2. В амплитудно-модулирующий сигнал также вносится некоторый фазовый сдвиг Ф (Ф– фазовый сдвиг, вводимый в приемном устройстве 3), устройством сдвига фазы приемного устройства 21. Интенсивность излучения на поднесущей частотах ω– Ωи ω+ Ω (фиг.6), зависит от значений фазового сдвига, внесенных на устройстве сдвига фазы передающего устройства 9 (Ф) и на устройстве сдвига фазы приемного устройства 21 (Ф). В случае, когда модулирующие радиочастотные сигналы передающего устройства 2 и приемного устройства 3 синфазные ΔФ=0, т.е. разность фаз двух модулирующих радиочастотных сигналов равна нулю (Ф-Ф=0), на поднесущих частотах ω– Ωи ω+ Ω (фиг.6) наблюдается конструктивная интерференция, и интенсивность оптического сигнала максимальна. В случае, когда модулирующие радиочастотные сигналы передающего устройства 2 и приемного устройства 3 находятся в противофазе ΔФ=π, т.е. разность фаз модулирующих сигналов равна π (Ф-Ф=π), наблюдается деструктивная интерференция, и интенсивность сигнала на поднесущих частотах ω– Ωи ω+ Ω (фиг.7) фактически равняется нулю.
0
0
a
0
a
Из электрооптического амплитудного модулятора приемного устройства 14 сигнал попадает на вход спектрального фильтра 15. В спектральном фильтре 15 разделяются спектральные составляющие сигнала. Сигнал на несущей частоте ω (фиг.8) который является опорным сигналом, проходит через первый выход спектрального фильтра 15 и попадает в приемник классического излучения 16. Сигналы на поднесущих частотах ω– Ωи ω+ Ω (фиг.9) проходит через второй выход спектрального фильтра 15 и попадает в первый приемник одиночных фотонов 17.
0
0
a
0
a
0
0
a
0
a
0
a
0
a
А
Б
Сигналы на основной частоте ω (фиг.8) и на поднесущих частотах ω– Ωи ω+ Ω (фиг.9) детектируются отдельно. Сигнал на основной частоте ω (фиг.8) является опорным сигналом и детектируется приемником классического излучения 16. Его детектирование необходимо для подтверждения присутствия переданного информационного бита. Сигнал на поднесущих частотах ω– Ωи ω+ Ω (фиг.9) регистрируется первым приемником одиночных фотонов 17. Данные, полученные с приемника классического излучения 16, и с первого приемника одиночных фотонов 17, передаются соответственно через первый и второй выход устройства квантовой рассылки криптографического ключа с частотным кодированием на компьютер (который на схеме не показан), и дальнейшая обработка этих данных производится на  компьютере. Анализируя сигналы на поднесущих частотах ω– Ωи ω+ Ω (фиг.9) оптического излучения, интенсивность которых зависит от разности фаз Ф и Ф двух модулирующих сигналов, передающее устройство и приемное устройство получают секретный криптографический ключ и делают вывод о присутствии подслушивающего злоумышленника.
Блок синхронизации 4 обеспечивает стабильность частоты модулирующих радиочастотных сигналов передающего устройства 2 и приемного устройства 3, а также контролирует тактовую частоту последовательности значений фазового сдвига на устройстве сдвига фазы передающего устройства 9, на устройстве подстройки фазы передающего устройства 11,  на устройстве сдвига фазы приемного устройства 21 и на  устройстве подстройки фазы приемного устройства 23.
Рассмотрим устройство квантовой рассылки криптографического ключа с частотным кодированием изображенный на Фиг.1 в режиме работы пассивного детектирования состояния фотонов, т.е. без ремодуляции в приемном устройстве. Предварительно включают систему электропитания и подают напряжение на элементы, входящие в состав передающего устройства 2, источник монохроматического излучения 5, аттенюатор 8, устройство сдвига фазы передающего устройства 9, генератор радиочастотного сигнала передающего устройства 10, устройство подстройки фазы передающего устройства 11, преобразователь радиочастотного сигнала передающего устройства 12, и элементы, входящие в состав приемного устройства 3, приемник классического излучения 16, первый приемник одиночных фотонов 17, второй приемник одиночных фотонов 18, третий приемник одиночных фотонов 19, четвертый приемник одиночных фотонов 20.
0
0
0
0
0
0
0
0
0
Для передачи первого из четырех ортогональных состояний фотона, состояния , на передающем устройстве 2, источником монохроматического излучения 5 генерируется световой пучок с частотой ω(фиг.10). Дальше излучение подвергается амплитудной модуляции в электрооптическом амплитудном модуляторе передающего устройства 6.  В данном случае применяется амплитудная модуляция, напряжением с частотой Ω в «нулевой» рабочей точке амплитудного модулятора передающего устройства 6. Источником синусоидального сигнала является генератор радиочастотного сигнала передающего устройства 10. В результате амплитудной модуляции на выходе электрооптического амплитудного модулятора передающего устройства 6 появляется двухчастотное излучение на частотах ω– Ωи ω+ Ω(фиг.11), (Ω– частота модулирующего радиочастотного сигнала для амплитудной модуляции). Далее амплитудно-модулированный излучение (фиг.11), проходит через открытый электрооптический фазовый модулятор передающего устройства 7 без модуляции. Далее двухчастотное излучение (фиг.11) ослабляется до однофотонного уровня с помощью аттенюатора 8 (фиг.12). Полученный на выходе аттенюатора 8 однофотонное двухчастотное излучение на частотах ω– Ωи ω+ Ω(фиг.12), передается на приемное устройство 3 через волоконно-оптическую линию связи 1, которая представляющей собой квантовый канал, который соединяет передающее устройство 2 с приемным устройством 3. Однофотонное двухчастотное излучение на частотах ω– Ωи ω+ Ω(фиг.12) в приемном устройстве 3 попадает на вход спектрального фильтра 15, где разделяются спектральные составляющие излучения. Однофотонное двухчастотное излучение на частотах ω– Ωи ω+ Ω(фиг.12) выходит через второй выход спектрального фильтра 15 и попадает на вход первого приемника одиночных фотонов 17, где детектируется факт приема фотона.
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
m
Для передачи второго из четырех ортогональных состояний фотона, состояния , на передающем устройстве 2, источником монохроматического излучения 5 генерируется световой пучок с частотой ω(фиг.10). Дальше излучение подвергается амплитудной модуляции в электрооптическом амплитудном модуляторе передающего устройства 6.  В данном случае применяется амплитудная модуляция при работе электрооптического амплитудного модулятора передающего устройства 6 на линейном участке напряжением с частотой Ω и коэффициентом амплитудной модуляции =0,55. Источником синусоидального сигнала является генератор радиочастотного сигнала передающего устройства 10. В результате амплитудной модуляции на выходе электрооптического амплитудного модулятора передающего устройства 6 появляется излучение в спектре которого формируются две боковые частоты ω – Ω и ω + Ω (фиг.13), отстоящие от основной частоты оптического сигнала ω на величину частоты Ω (фиг.13) (Ω– частота модулирующего радиочастотного сигнала для амплитудной модуляции). Далее амплитудно-модулированное излучение проходит фазовую коммутацию в электрооптическом фазовом модуляторе передающего устройства 7, применяется такая прямоугольная фазовая модуляция, при которой фаза модуляции переворачивается на 180 градусов при каждом прохождении нулевой точки синусоидальной модуляции, вследствие чего вся энергия несущей частоты перекачивается в боковые составляющие ω– Ω/2и ω+ Ω/2 (фиг.14) (Ω/2– частота модулирующего радиочастотного сигнала для фазовой модуляции, где – Ω равно частоте модулирующего радиочастотного сигнала для амплитудной модуляции), в результате которого, появляется двухчастотное излучение на частотах ω– Ω/2и ω+ Ω/2 (фиг.14). тем самым, из квантового канала передачи исключается многофотонная несущая частота. Источником прямоугольного сигнала является преобразователь радиочастотного сигнала передающего устройства 12. Подстройка фазы прямоугольного сигнала, для получения идеального подавления несущей в структуре сигнала, осуществляется в устройстве подстройки фазы передающего устройства 11.  Далее двухчастотное излучение на частотах ω– Ω/2и ω+ Ω/2 (фиг.14) ослабляется до однофотонного уровня с помощью аттенюатора 8 (фиг.15). Полученный на выходе аттенюатора 8 однофотонное двухчастотное излучение на частотах ω– Ω/2и ω+ Ω/2 (фиг.15), передается на приемное устройство 3 через волоконно-оптическую линию связи 1, которая представляющей собой квантовый канал, который соединяет передающее устройство 2 с приемным устройством 3. Однофотонное двухчастотное излучение на частотах ω– Ω/2и ω+ Ω/2 (фиг.15) в приемном устройстве 3 попадает на вход спектрального фильтра 15, где разделяются спектральные составляющие излучения. Однофотонное двухчастотное излучение на частотах ω– Ω/2и ω+ Ω/2 (фиг.15) выходит через третий выход спектрального фильтра 15 и попадает на вход второго приемника одиночных фотонов 18, где детектируется факт приема фотона.
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
m
Для передачи третьего из четырех ортогональных состояний фотона, состояние , на передающем устройстве 2, источником монохроматического излучения 5 генерируется световой пучок с частотой ω(фиг.10). Дальше излучение подвергается амплитудной модуляции в электрооптическом амплитудном модуляторе передающего устройства 6.  В данном случае применяется амплитудная модуляция при работе электрооптического амплитудного модулятора передающего устройства 6 на линейном участке напряжением с частотой  и коэффициентом амплитудной модуляции =0,55. Источником синусоидального сигнала является генератор радиочастотного сигнала передающего устройства 10. В результате амплитудной модуляции на выходе электрооптического амплитудного модулятора передающего устройства 6 появляется излучение в спектре которого формируются две боковые частоты ω – Ω и ω + Ω (фиг.16), отстоящие от основной частоты оптического сигнала ω на величину частоты Ω (фиг.16) (Ω– частота модулирующего радиочастотного сигнала для амплитудной модуляции). Далее амплитудно-модулированное излучение проходит фазовую коммутацию в электрооптическом фазовом модуляторе передающего устройства 7, применяется такая прямоугольная фазовая модуляция, при которой фаза модуляции переворачивается на 180 градусов при каждом прохождении нулевой точки синусоидальной модуляции, вследствие чего вся энергия несущей частоты перекачивается в боковые составляющие ω– 3Ω/2и ω+ 3Ω/2 (фиг.17) (3Ω/2– частота модулирующего радиочастотного сигнала для фазовой модуляции, где – Ω равно частоте модулирующего радиочастотного сигнала для амплитудной модуляции), в результате которого, появляется двухчастотное излучение на частотах ω– 3Ω/2и ω+ 3Ω/2 (фиг.17), тем самым, из квантового канала передачи исключается многофотонная несущая частота. Источником прямоугольного сигнала является преобразователь радиочастотного сигнала передающего устройства 12. Подстройка фазы прямоугольного сигнала, для получения идеального подавления несущей в структуре сигнала, осуществляется в устройстве подстройки фазы передающего устройства 11.  Далее двухчастотное излучение на частотах ω– 3Ω/2и ω+ 3Ω/2 (фиг.17) ослабляется до однофотонного уровня с помощью аттенюатора 8 (фиг.18). Полученный на выходе аттенюатора 8 однофотонное двухчастотное излучение на частотах ω– 3Ω/2и ω+ 3Ω/2 (фиг.18), передается на приемное устройство 3 через волоконно-оптическую линию связи 1, которая представляющей собой квантовый канал, который соединяет передающее устройство 2 с приемным устройством 3. Однофотонное двухчастотное излучение на частотах ω– 3Ω/2и ω+ 3Ω/2 (фиг.18) в приемном устройстве 3 попадает на вход спектрального фильтра 15, где разделяются спектральные составляющие излучения. Однофотонное двухчастотное излучение на частотах ω– 3Ω/2и ω+ 3Ω/2 (фиг.18) выходит через четвертый выход спектрального фильтра 15 и попадает на вход третьего приемника одиночных фотонов 19, где детектируется факт приема фотона.
0
0
0
0
0
0
0
0
0
Для передачи четвертого из четырех ортогональных состояний фотона, состояние , на передающем устройстве 2, источником монохроматического излучения 5 генерируется световой пучок с частотой ω(фиг.10). Дальше излучение подвергается амплитудной модуляции в электрооптическом амплитудном модуляторе передающего устройства 6.  В данном случае применяется амплитудная модуляция, напряжением с частотой 2Ω в «нулевой» рабочей точке амплитудного модулятора передающего устройства 6. Источником синусоидального сигнала является генератор радиочастотного сигнала передающего устройства 10. В результате амплитудной модуляции на выходе электрооптического амплитудного модулятора передающего устройства 5 появляется двухчастотное излучение на частотах ω– 2Ωи ω+ 2Ω(фиг.19), (Ω– частота модулирующего радиочастотного сигнала для амплитудной модуляции). Далее амплитудно-модулированный излучение (фиг.19), проходит через открытый электрооптический фазовый модулятор передающего устройства 7 без модуляции. Далее двухчастотное излучение (фиг.19) ослабляется до однофотонного уровня с помощью аттенюатора 8 (фиг.20). Полученный на выходе аттенюатора 8 однофотонное двухчастотное излучение на частотах ω– 2Ωи ω+ 2Ω(фиг.20), передается на приемное устройство 3 через волоконно-оптическую линию связи 1, которая представляющей собой квантовый канал, который соединяет передающее устройство 2 с приемным устройством 3. Однофотонное двухчастотное излучение на частотах ω– 2Ωи ω+ 2Ω(фиг.20) в приемном устройстве 3 попадает на вход спектрального фильтра 12, где разделяются спектральные составляющие излучения. Однофотонное двухчастотное излучение на частотах ω– 2Ωи ω+ 2Ω(фиг.20) выходит через пятый выход спектрального фильтра 15 и попадает на вход четвертого приемника одиночных фотонов 20, где детектируется факт приема фотона.
0
Многофотонное излучение на несущей частоте ω (фиг.10), является опорным сигналом, который может содержать информацию для синхронизации работы элементов передающего устройства 2 и приемного устройства 3, проходит через первый выход спектрального фильтра 15 и попадает в приемник классического излучения 16.
0
0
0
0
0
0
0
0
0
Данные, полученные с приемника классического излучения 16, с первого приемника одиночных фотонов 17, с второго приемника одиночных фотонов 18, с третьего приемника одиночных фотонов 19, с четвертого приемника одиночных фотонов 20, передаются соответственно через первый,  второй, третий, четвертый и пятый выходы устройства квантовой рассылки криптографического ключа с частотным кодированием на компьютер (который на схеме не показан), и дальнейшая обработка этих данных производится на  компьютере. Анализируя сигналы на несущей частоте ω (фиг.10) и на поднесущих частотах ω– Ωи ω+ Ω (фиг.11), ω– Ω/2и ω+ Ω/2 (фиг.15), ω– 3Ω/2и ω+ 3/2Ω (фиг.18), ω– 2Ωи ω+ 2Ω (фиг.20) передающее устройство 2 и приемное устройство 3 получают секретный криптографический ключ и делают вывод о присутствии подслушивающего злоумышленника.
Устройство квантовой рассылки криптографического ключа с частотным кодированием может быть реализован на следующих элементах, рассчитанных на работу на длине волны 1550 нм (возможны и другие длины волн):
- волоконно-оптическая линия связи 1, представляет собой одномодовое волокно SMF-28 1550 нм различных производителей. Например: эталонные шнуры или кабели на волокне SMF-28 фирмы Corning, ТЕЛЕКОМ-ТЕСТ фирмы ООО «Производственно-торговая компания СОКОЛ», АО «ОФС РУС Волоконно-Оптическая Кабельная Компания», ЗАО ”Самарская оптическая кабельная компания”, ЗАО ”ВИКТАН” – ПРЕДСТАВИТЕЛЬ В РФ ПАО ”ЗАВОД ”ЮЖКАБЕЛЬ”, Broadcom Limited (Сингапур и США), Fiber Instrument Sales Inc. (США), Eoptolink Technology Inc., Ltd. (Китай), Sumix (США), OPTOKON a.s. (Чехия), Optoway Technologies Inc. (Тайвань), Kamaxoptic Communication Co., Ltd. (Шэньчжэнь, Китай), Kaiphone Technology Co., Ltd. (Китай), Industrial Fiber Optics (США), Allray Inc. (Китай), Nestor Cables Oy (Финляндия) и т.д.
Устройства, входящие в передающее устройство 2 могут быть реализованы на следующих элементах:
- источник монохроматического излучения 5, может быть выполнен, как одночастотный полупроводниковый лазер с волоконным выходом, с перестраиваемой длиной волны в диапазоне 1510-1560 нм и перестраиваемым значением выходной мощности от 3 до 10 мВт различных производителей. Например: PHOENIX 1200 – перестраиваемый лазер – фирмы LUNA Luna Innovations Incorporated (США) или PHOENIX 1000 - перестаиваемые ECDL лазеры – фирмы LUNA Luna Innovations Incorporated (США) или 1752A - 1,5 мкм лазерные диоды стандарта DOCSIS 3.1 – фирмы EMCORE (США), Короткоимпульсный лазерный источник ID300 – фирмы ID Quantique (Швейцария) и т.д.
- электрооптический амплитудный модулятор передающего устройства 6, может быть построен на кристалле ниобата лития (LiNbO3) с потерями на пропускание 2.5-3 дБ различных производителей. Например: MXAN-LN-10 - аналоговый 1550 нм 12 ГГц оптический модулятор – фирмы iXBlue Photonics (Франция), LN81S-FC - Zero-Chirp, 10 GHz Intensity Mod., Integrated PD and Replaceable GPO Conn, FC/PC – фирмы Thorlabs (США), LN82S-FC - Fixed-Chirp, 10 GHz Intensity Mod., Integrated PD and Replaceable GPO Connector, FC/PC – фирмы Thorlabs (США) LN58S-FC - 20 GHz Low Vpi Analog Modulator, FC/PC Connectorized – фирмы Thorlabs (США) и т.д.
- электрооптический фазовый модулятор передающего устройства 7, может быть построен на кристалле ниобата лития (LiNbO3) с потерями на пропускание 2.5-3 дБ различных производителей. Например MPZ-LN-10 - 1550 нм 12 ГГц фазовый модулятор – фирмы iXBlue Photonics (Франция), LN65S-FC - 10 GHz Phase Modulator with Polarizer, FC/PC Connectors – фирмы Thorlabs (США), LN53S-FC - 10 GHz Phase Modulator without Polarizer, FC/PC Connectors – фирмы Thorlabs (США) и т.д.
- аттенюатор 8, может быть выполнен, как одномодовый регулируемый аттенюатор различных производителей. Например: VOA50-APC - Одномодовый регулируемый аттенюатор, рабочая длина волны: 1310/1550 нм, макс. ослабление: 50 дБ, разъемы: FC/APC, – фирмы Thorlabs (США), VOA50-FC - Одномодовый регулируемый аттенюатор, рабочая длина волны: 1310/1550 нм, макс. ослабление: 50 дБ, разъемы: FC/PC, – фирмы Thorlabs (США),  VOA50 - Одномодовый регулируемый аттенюатор, рабочая длина волны: 1310/1550 нм, макс. ослабление: 50 дБ, без разъемов, – фирмы Thorlabs (США),  V1550F - Электронный регулируемый аттенюатор, рабочий диапазон: 1250 - 1650 нм, разъем: FC/PC, – фирмы Thorlabs (США) и т.д.
- устройство сдвига фазы передающего устройства 9, может быть выполнено, как программируемый фазовращатель. Например: LPS-402  программируемый фазовращатель USB с пропускной способностью 2 ГГц и LPS-802 программируемый фазовращатель USB с пропускной способностью 4 ГГц – фирмы Vaunix (США)
- генератор радиочастотного сигнала передающего устройства 10, может быть выполнен, как программируемый USB-генератор сигналов. Например: LMS-802DX 2,0 - 8,0 ГГц программируемый USB-генератор сигналов – фирмы Vaunix (США)
- устройство подстройки фазы передающего устройства 11, может быть выполнено, как программируемый фазовращатель. Например: LPS-402 программируемый фазовращатель USB с пропускной способностью 2 ГГц и LPS-802 программируемый фазовращатель USB с пропускной способностью 4 ГГц – фирмы Vaunix (США)
- преобразователь радиочастотного сигнала передающего устройства 12, может быть выполнен как триггер Шмитта. Например: SN74LVC2G17 Dual Schmitt-Trigger Buffer – фирмы Texas Instruments (США)
Устройства, входящие в приемное устройство 3 могут быть реализованы на следующих элементах:
- электрооптический фазовый модулятор приемного устройства 13, может быть построен на кристалле ниобата лития (LiNbO3) с потерями на пропускание 2.5-3 дБ различных производителей. Например MPZ-LN-10 - 1550 нм 12 ГГц фазовый модулятор – фирмы iXBlue Photonics (Франция), LN81S-FC - Zero-Chirp, 10 GHz Intensity Mod., Integrated PD and Replaceable GPO Conn, FC/PC – фирмы Thorlabs (США), LN82S-FC - Fixed-Chirp, 10 GHz Intensity Mod., Integrated PD and Replaceable GPO Connector, FC/PC – фирмы Thorlabs (США) и т.д.
- электрооптический амплитудный модулятор приемного устройства 14, может быть построен на кристалле ниобата лития (LiNbO3) с потерями на пропускание 2.5-3 дБ различных производителей. Например: MXAN-LN-10 - аналоговый 1550 нм 12 ГГц оптический модулятор – фирмы iXBlue Photonics (Франция), LN65S-FC - 10 GHz Phase Modulator with Polarizer, FC/PC Connectors – фирмы Thorlabs (США), LN53S-FC - 10 GHz Phase Modulator without Polarizer, FC/PC Connectors – фирмы Thorlabs (США) и т.д.
- спектральный фильтр 15, является многоканальным и имеет пять выходов, может быть выполнен, как многоканальный разветвитель, на выходах которого записаны волоконно-оптические решетки Брэгга с фазовым π-сдвигом, настроенные на несущую или боковые составляющие несущей фотона. Волоконно-оптические решетки Брэгга с фазовым π-сдвигом, записанные на волокне SMF-28 в НЦВО «Фотоника» (Москва), НИИ ПРЭФЖС КНИТУ-КАИ (Казань), Инверсия-Файбер (Новосибирск), Инверсия-Сенсор (Пермь) и т.д.
- приемник классического излучения 16, может быть выполнен, как SFP трансмиттер различных производителей и разной дальности ( например: 3 км, 20км, 40 км, 80км, 120км) – фирмы NetLink (Китай), GIGALINK (Россия), Cisco (США), Стрела (Россия)
- первый приемник одиночных фотонов 17, может быть выполнен, как детектор одиночных фотонов на кремниевых лавинных диодах различных производителей. Например: модели ID230, ID210, ID220, ID280 – фирмы ID Quantique (Швейцария)
- второй приемник одиночных фотонов 18, может быть выполнен, как детектор одиночных фотонов на кремниевых лавинных диодах различных производителей. Например: модели ID230, ID210, ID220, ID280 – фирмы ID Quantique (Швейцария)
- третий приемник одиночных фотонов 19, может быть выполнен, как детектор одиночных фотонов на кремниевых лавинных диодах различных производителей. Например: модели ID230, ID210, ID220, ID280 – фирмы ID Quantique (Швейцария)
- четвертый приемник одиночных фотонов 20, может быть выполнен, как детектор одиночных фотонов на кремниевых лавинных диодах различных производителей. Например: модели ID230, ID210, ID220, ID280 – фирмы ID Quantique (Швейцария)
- устройство сдвига фазы приемного устройства 21, может быть выполнено, как программируемый фазовращатель. Например: LPS-402 Программируемый фазовращатель USB с пропускной способностью 2 ГГц или LPS-802 Программируемый фазовращатель USB с пропускной способностью 4 ГГц – фирмы Vaunix (США)
- генератор радиочастотного сигнала приемного устройства 22, может быть выполнен, как программируемый USB-генератор сигналов. Например: LMS-802DX 2,0 - 8,0 ГГц программируемый USB-генератор сигналов – фирмы Vaunix (США)
- устройство подстройки фазы приемного устройства 23, может быть выполнено, как программируемый фазовращатель. Например: LPS-402 программируемый фазовращатель USB с пропускной способностью 2 ГГц и LPS-802 программируемый фазовращатель USB с пропускной способностью 4 ГГц – фирмы Vaunix (США)
- преобразователь радиочастотного сигнала приемного устройства 24, может быть выполнен как триггер Шмитта. Например: SN74LVC2G17 Dual Schmitt-Trigger Buffer – фирмы Texas Instruments (США)
Блок синхронизации 4, может быть выполнен, как формирователь управляющих сигналов для синхронизации измерительно-вычислительных комплексов. Например: ME-020B блок синхронизации – научно-производственной предприятии “МЕРА” (Россия).
Заявляемое изобретение позволяет достичь технический результат повышение защиты квантового криптографического ключа, за счет нескольких режимов работы устройства, а именно режим активного детектирования состояния фотонов и режим пассивного детектирования состояния фотонов.