ОПТИЧЕСКАЯ СХЕМА ПРИЕМНИКА С ОДНИМ ДЕТЕКТОРОМ И СИСТЕМА ДЛЯ КВАНТОВОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КЛЮЧЕЙ (ВАРИАНТЫ)
OPTICAL CIRCUIT OF THE RECEIVER WITH ONE DETECTOR AND THE SYSTEM FOR QUANTUM KEY DISTRIBUTION (OPTIONS)

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Заявленное техническое решение в общем относится к области вычислительной техники, а в частности к квантовой криптографии и средствам для квантового распределения ключей по открытому пространству на основе поляризационного кодирования с одним детектором.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Из уровня техники известно решение JP 5492255 B2 "Quantum communication system" (TOSHIBA CORP., опубликовано: 14.05.2014). Данное решение раскрывает систему квантового распределения ключей (QKD) с использованием стандартного протокола ВВ84. Система содержит квантовый приемник, который применяется при поляризационном кодировании сигнала.
[0003] В оптическую схему приемника входит подсистема детекторов, состоящая из двух детекторов одиночных фотонов, подключенных к двум выходам интерферометра и электронной схеме управления.
[0004] При этом интерферометр включает в себя входной светоделитель (BS) с делением 50% на 50%.
[0005] Для обнаружения одиночных фотонов, в данной системе, используют самодифференциальные лавинные фотодиоды или лавинные фотодиоды с синусоидальным затвором. В схеме приемника может использоваться поляризатор, который устанавливают перед фазовым модулятором.
[0006] Кроме того, в известном решении при кодировании квантовых состояний в протоколе ВВ84 используется четыре значения фазовых сдвигов на 0°, 90°, 180° и 270°.
[0007] Также из уровня техники известно решение US 9935721 В2 "Optical communication method and optical communication system" (Furukawa Electric Co Ltd, опубликовано: 03.04.2018). Данное решение раскрывает пример оптической схемы, в которой заместо полуволновой пластины, в приемном блоке используются затворы, один из которых установлен на пути получения сигнала от передатчика, а второй устанавливается перед поляризатором лавинного светодиода.
[0008] Недостатком известных решений в данной области техники является усложненная конструкция приемника, которая ведет к повышению шумовых импульсов, влияющих на появление квантовых ошибок в ключе.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0009] В заявленном техническом решении предлагается новая оптическая схема приемника для квантового распределения ключей, отличающаяся от классической схемы упрощенной конструкцией.
[0010] Основным техническим результатом является снижение шумовых импульсов и как следствие снижение уровня квантовых ошибок в ключе за счет использования в схеме одного детектора одиночных фотонов.
[0011] Указанный технический результат достигаются благодаря осуществлению оптической схемы приемника для квантового распределения ключей, содержащей:
- детектор одиночных фотонов;
- переключатель, обеспечивающий подстановку оптических элементов на пути регистрируемого излучения перед детектором одиночных фотонов; и
- оптические элементы, размещенные на переключателе.
[0012] В одном из частных вариантов реализации схемы оптические элементы выбираются из группы: поляризаторы, волновые пластинки с поляризатором.
[0013] В другом частном варианте реализации схемы переключатель выполнен с возможностью вращения или линейного перемещения.
[0014] В другом частном варианте реализации схемы переключатель дополнительно содержит отражающие элементы.
[0015] В другом частном варианте реализации схемы переключатель выполнен с возможностью отклонения луча отражающим элементом.
[0016] В другом частном варианте реализации схемы отражающий элемент представляет собой зеркало или призму.
[0017] В другом частном варианте реализации схемы переключатель выполнен с возможностью акустооптического дефлектора.
[0018] Также указанный технический результат достигается благодаря осуществлению оптической схемы приемника для квантового распределения ключей, содержащей:
- детектор одиночных фотонов;
- по меньшей мере один поляризатор, установленный перед детектором одиночных фотонов;
- переключатель, обеспечивающий подстановку оптических элементов на пути регистрируемого излучения перед поляризатором; и
- оптические элементы, размещенные на переключателе.
[0019] В одном из частных вариантов реализации схемы оптические элементы являются волновыми пластинками.
[0020] В другом частном варианте реализации схемы переключатель выполнен с возможностью вращения или линейного перемещения.
[0021] В другом частном варианте реализации схемы переключатель дополнительно содержит отражающие элементы.
[0022] В другом частном варианте реализации схемы переключатель выполнен с возможностью отклонения луча отражающим элементом.
[0023] В другом частном варианте реализации схемы отражающий элемент представляет собой зеркало или призму.
[0024] В другом частном варианте реализации схемы переключатель выполнен с возможностью акустооптического дефлектора.
[0025] Кроме того, заявленное решение реализуется с помощью системы для квантового распределения ключей содержащей, квантовый канал связи между передатчиком и приемником, блок передатчика, выполненный с возможностью генерации одиночных фотонов и передачи их на вход блока приемника, содержащего вышеуказанные оптические схемы.
[0026] В другом частном варианте реализации системы канал передачи данных является каналом через открытое пространство.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0027] Признаки и преимущества настоящего изобретения станут очевидными из приводимого ниже подробного описания изобретения и прилагаемых чертежей.
[0028] Фиг. 1 иллюстрирует пример уровня техники.
[0029] Фиг. 2А иллюстрирует пример оптической схемы приемника для квантового распределения ключей без поляризатора.
[0030] Фиг. 2Б иллюстрирует пример оптической схемы приемника для квантового распределения ключей с волновой пластиной и без поляризатора.
[0031] Фиг. 3 иллюстрирует пример оптической схемы приемника для квантового распределения ключей с поляризатором.
[0032] Фиг. 4 иллюстрирует пример системы для квантового распределения ключей.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0033] Рассмотрим основные принципы генерации квантового ключа на основе протокола ВВ84 [1-4]. Передающая сторона (традиционно называемая в литературе Алисой) подготавливает однофотонные состояния с линейной поляризацией в двух не ортогональных друг другу базисах (Фиг. 1).
[0034] Один вертикально-горизонтальный «Базис 1» - с поляризацией фотонов 0 и 90 градусов. Второй - диагональный «Базис 2» - с поляризацией 45 и -45 градусов.
[0035] Алиса и приемная сторона (традиционно называемая Бобом) договариваются о коде каждой поляризации в двоичном представлении, например, фотоны с поляризацией 0 и 45 градусов обозначают цифру 0, а фотоны с поляризацией 90 и -45 градусов означают цифру 1.
[0036] Во время передачи Алиса посылает последовательность фотонов, поляризация которых выбрана случайным образом, и может составлять 0, 45, 90 и 45 градусов. Боб регистрирует пришедшие фотоны, и для каждого из них случайным образом выбирает базис измерения «Базис 1» или «Базис 2».
[0037] По открытому дополнительному каналу связи Боб сообщает Алисе в каком базисе были проведены измерения, но не сообщает результат этого измерения. Поскольку фотон может иметь значение и «0» и «1», то сообщение о факте регистрации фотона по открытому каналу не дает никакой информации, в случае наличия постороннего подслушивающего блока, называемого Евой (от англ. Eavesdropper).
[0038] Алиса в ответ сообщает Бобу, правильный ли базис измерения был выбран для каждого фотона. Сохраняя в серии только измерения, проведенные в правильном базисе, Алиса и Боб создают уникальную случайную последовательность нулей и единиц, из которой затем и формируют секретный ключ.
[0039] На Фиг. 1 изображен типичный применяемый приемный узел для квантового распределения ключей на основе поляризационного кодирования (узел Боб). На входе в приемный узел Боба стоит поляризационный контроллер на основе волновых пластинок. В некоторых устройствах на практике он отсутствует [1, 3].
[0040] В такой широко распространенной схеме применяются полуволновая пластинка λ/2 и поляризационная призма (PBS). Полуволновая пластинка λ/2 и поляризационная призма PBS при изготовлении требуют высокой точности, соблюдения сложной технологии и применяются для достаточно узкого диапазона длин волн (полуволновая пластина изготавливается для конкретной длинны волны, с допуском для разности фаз λ/300). При сборке оптической схемы пластинка λ/2 и призма PBS требует точной юстировки, чтобы правильно разделять разные поляризации светового пучка. Эти элементы взаимосвязаны, например, при изменении положения пластинки λ/2 требуется подстройка призмы PBS.
[0041] На Фиг. 2А приведена оптическая схема (10) приемника (100) Боб для квантового распределения ключей, которая содержит: детектор одиночных фотонов APD (101), переключатель (102), обеспечивающий подстановку оптических элементов (103) на пути регистрируемого излучения перед детектором одиночных фотонов APD (101) и оптические элементы (103), размещенные на переключателе (102).
[0042] Оптические элементы (103) могут представлять собой поляризаторы или волновые пластинки с поляризатором. Переключатель (102) выполнен с возможностью вращения вокруг своей оси или линейного перемещения с обеспечением подстановки оптических элементов (103) под оптический луч. Переключатель (102) может дополнительно содержать отражающие элементы (не показаны), обеспечивающие отклонения луча на заданный угол. В качестве отражающего элемента может применяться зеркало или призма. Также, в другом примере реализации переключатель (102) может выполняться с возможностью акустооптического дефлектора, обеспечивающего отклонение луча первоначального направления при рассеянии на акустической волне и его направление на оптический элемент.
[0043] На Фиг. 3 представлен второй вариант оптической схемы (11) приемника (100) Боб для квантового распределения ключей, которая в своей конструкции дополнительно содержит по меньшей мере один поляризатор Р (104), установленный перед детектором одиночных фотонов ADP (101). В данном варианте схемы (11) переключатель (102) обеспечивает подстановку оптических элементов (103) на пути регистрируемого излучения перед поляризатором Р (104).
[0044] Как видно на Фиг. 2А - Фиг. 2Б и Фиг. 3 в заявленных оптических схемах (10, 11) приемного узла (100) отсутствует светоделительный кубик BS и технологически сложные поляризационные призмы PBS и полуволновая пластинка λ/2. Вместо четырех детекторов ADP используется один (101). Так как детекторы одиночных фотонов ADP имеют собственный уровень шумов, то эти шумовые (ложные) импульсы дают вклад в уровень квантовых ошибок в ключе. При использовании схем (10, 11) с одним детектором ADP (101), образуется меньше шумовых импульсов, что приводит к снижению уровня квантовых ошибок в ключе.
[0045] Для правильной работы приемного узла (100) перед детектором одиночных фотонов APD (101) переключатель (102) подставляет оптические элементы (103), которые позволяют декодировать сигнал, состоящий из различных квантовых состояний фотона. Как указывалось выше, конструкция переключателя (102) может быть различной на основе вращения, перемещения, отклонения и т.д., или он может состоять из нескольких переключателей. При этом количество оптических элементов (103) может варьироваться, исходя их необходимости формирования требуемого отклонения оптического луча на требуемый угол (например, 4, 6, 8 элементов и т.п.).
[0046] К моменту прихода фотона от узла передатчика к приемнику (100) переключатель (102) случайным образом ставит один из оптических элементов (103) перед APD (101). Скорость генерации ключа пропорциональна скорости работы переключателя (102).
[0047] Наиболее часто используемый протокол для поляризационного кодирования - это протокол ВВ84 [1-4]. При кодировании квантовых состояний в протоколе ВВ84 используется четыре поляризации излучения (фотонов) 0, -45, +45 и +90 градусов. Узел передатчика (200) Алиса (Фиг. 4) генерирует такие фотоны и направляет их в канал связи, в данном случае по открытому пространству, например, квантовый канал. Эти одиночные фотоны поступают на вход заявленного приемника (100) Боба.
[0048] Рассмотрим случай, когда на вход приемного узла приходят фотоны с поляризацией 0, -45, +45 и +90 градусов (Фиг. 1). Для правильной работы приемного узла (100) оптические элементы (103) в схеме (10) могут представлять собой пленочные поляризаторы с коэффициентом разделения по поляризации выше 1:100.
[0049] В частности, для протокола ВВ84 требуется три поляризатора. В таком случае одно окно в переключателе (102) остается пустым, в других окнах стоят поляризаторы с ориентацией -45, +45 и +90 градусов. К «Базису 1» будет относиться окно без поляризатора и с поляризатором 90 градусов. К «Базису 2» будут относиться поляризаторы -45 или +45 градусов. Всего для протокола ВВ84 нужно четыре оптических элемента (103).
[0050] К моменту прихода фотона от передатчика (200) к приемнику (100) переключатель (102) случайным образом ставит один из оптических элементов (103) перед детектором. Скорость генерации ключа пропорциональна скорости работы переключателя. Управление переключателем (102) осуществляется с помощью программного алгоритма, реализуемого вычислительным устройством, связанным с приемником (100). Работа алгоритма связана с работой программы распределения случайного ключа.
[0051] Если на вход приемника (100) пришел фотон с вертикальной поляризацией - 0 градусов, то этот фотон имеет значение «0» в вертикально-горизонтальном базисе «Базис 1». Существует один из четырех вариантов расположения оптических элементов (103) перед APD (101). Если перед APD (101) переключатель (102) установил оптический элемент (103) без поляризатора, то APD (101) сработает на этот фотон.
[0052] Здесь и далее для упрощения полагается, что квантовая эффективность детектора одиночных фотонов APD (101) равна 100%. Если перед APD (101) переключатель (102) установит в этот момент поляризатор с ориентацией 90 градусов, то APD (101) не сработает. Если перед APD (101) переключатель (102) установит поляризатор -45 или +45 градусов, то APD (101) зарегистрирует фотон с вероятностью 50%.
[0053] Если APD (101) зарегистрировал фотон, то по открытому каналу связи Алиса (200) сообщает, в каком базисе был подготовлен и отправлен к Бобу (100) этот фотон. Если для кодирования у Алисы (200) применялся «Базис 1», и APD (101) сработал при оптическом элементе (103) без поляризатора, то это срабатывание APD (101) учитывается в квантовом ключе со значением «0». Если APD (101) сработал, когда переключатель (102) подставлял оптический элемент (103) с поляризаторами -45 или +45 градусов (относящиеся к «Базису 2»), то это срабатывание APD (101) не учитывается.
[0054] Таким образом, если APD (101) зарегистрировал фотон, то значение этого фотона включается в квантовый ключ при условии совпадения базисов испускания блоком Алиса (200) и приемника Боб (100). Если базис испускания блоком Алисы (200) не совпадает с базисом блоком приема Боба (100), то данное срабатывание APD (101) не учитывается и не участвует в формировании квантового ключа.
[0055] В одном из частных случаев, представленных на Фиг. 2Б, если на вход приемного узла (100) приходят фотоны с поляризацией, отличной от 0, -45, +45 и +90 градусов, то в оптической схеме (10) дополнительно применяется поляризационный контроллер (105). Поляризационный контроллер (105) используется для изменения поляризации до нужных величин 0, -45, +45 и +90 градусов.
[0056] Кроме протокола ВВ84 из уровня техники также известен протокол «шести состояний» (Six-state protocol - SSP) [5], который тоже может применяться для распределения квантового ключа по открытому пространству. При кодировании квантовых состояний в протоколе SSP используется шесть поляризаций 0, -45, +45 и +90 градусов, циркулярная право- вращающаяся и циркулярная лево- вращающаяся. Эти состояния объединяются в три базиса.
[0057] Состояния с поляризацией 0 и 90 градусов составляют первый базис - «Базис 1». Состояния с поляризацией -45,+45 градусов составляют второй базис - «Базис 2». Состояния фотонов с поляризацией циркулярная правовращающаяся и циркулярная левовращающаяся можно объединить в третий базис «Базис 3».
[0058] Для правильной работы заявленной оптической схемы (10) приемного узла в этом протоколе, одно отверстие в переключателе (102) остается пустым, в трех окнах стоят элементы (103) в виде поляризаторов с ориентацией -45, +45 и +90 градусов, в пятом и шестом окнах четвертьволновые пластинки с поляризатором.
[0059] Алгоритм получения квантового ключа аналогичен протоколу ВВ84. Переключатель (102) случайным образом подставляет один из оптических элементов (103) под приходящий фотон. Если APD (101) зарегистрировал фотон, то значение этого фотона включается в квантовый ключ при условии совпадения базисов испускания и приема. Если базис испускания (у Алисы) не совпадает с базисом приема (у Боба), то это срабатывание APD (101) отбрасывается и не участвует в формировании квантового ключа.
[0060] Пример.
Предположим, что блок Алисы испустил фотон с поляризацией 0 градусов в базисе 1. Блок Боба при приеме этого фотона осуществил подстановку оптического элемента, который относится к базису 2. Если APD сработал, то это срабатывание APD удаляется из последовательности квантового ключа. Если при работе переключателя в блоке Боба осуществляется подстановка оптического элемента из базиса 1 и APD сработал, то такое срабатывание детектора учитывается при формировании ключа.
[0061] При кодировании квантовых состояний по поляризации на основе других протоколов оптические элементы (103) могут состоять из требуемых для этого протокола волновых пластинок и поляризаторов.
[0062] Рассмотрим случай, когда на входе приемника (100) нет поляризационного контроллера (105). Дополнительно при этом на пути от передатчика к приемнику в оптическом канале вносятся искажения поляризации и на вход приемника (100) поступают фотоны с поляризацией, отличной от требуемой для правильной работы приемника (100). Для протокола ВВ84 это поляризация фотонов 0, -45, +45 и +90 градусов.
[0063] Тогда для данного случая применяется вариант оптической схемы (11), представленный на Фиг. 3. В таком случае оптические элементы (103) могут состоять из волновых пластинок или набора волновых пластинок. Каждый такой оптический элемент (103) представляет собой поляризационный контроллер, который восстанавливает поляризацию входящих фотонов до линейной (например, до 0, -45, +45 и +90 градусов) и поворачивает плоскость поляризации так, чтобы она соответствовала плоскости поляризации поляризатора Р (104) перед детектором одиночных фотонов (101). Эти элементы объединяются в базисы, которые соответствуют базисам передатчика.
[0064] Рассмотрим пример работы оптической схемы (11) приемника (100).
[0065] Пусть поляризатор Р (104) Фиг. 3 ориентирован таким образом, чтобы обеспечивать пропускание поляризации 0 градусов, и исключает пропускание поляризации в 90 градусов.
[0066] Рассмотрим фотон, который испускается передатчиком с линейной поляризацией от узла Алисы (200), имеет поляризацию 0 градусов в базисе 1. По пути распространения от узла (200) к передатчику из-за свойств среды он меняет свою поляризацию. Соответствующий оптический элемент (103) в приемнике на переключателе для этой поляризации фотона от Алисы (102) должен восстанавливать линейную поляризацию этого излучения и осуществлять ее поворот таким образом, чтобы направление было равно 0 градусов.
[0067] Рассмотрим фотон, который испускается передатчиком с линейной поляризацией от узла Алисы (200), имеет поляризацию 90 градусов в базисе 1. По пути распространения от узла (200) к передатчику из-за свойств среды он меняет свою поляризацию. Соответствующий оптический элемент (103) в приемнике на переключателе для этой поляризации фотона от Алисы (102) должен восстанавливать линейную поляризацию этого излучения и осуществлять ее поворот таким образом, чтобы направление было равно 0 градусов.
[0068] Рассмотрим фотон, который испускается передатчиком с линейной поляризацией от узла Алисы (200), имеет поляризацию -45 градусов в базисе 2. По пути распространения от узла (200) к передатчику из-за свойств среды он меняет свою поляризацию. Соответствующий оптический элемент (103) в приемнике на переключателе для этой поляризации фотона от Алисы (102) должен восстанавливать линейную поляризацию этого излучения и осуществлять ее поворот таким образом, чтобы направление было равно 0 градусов.
[0069] Рассмотрим фотон, который испускается передатчиком с линейной поляризацией от узла Алисы (200), имеет поляризацию +45 градусов в базисе 2. По пути распространения от узла (200) к передатчику из-за свойств среды он меняет свою поляризацию. Соответствующий оптический элемент (103) в приемнике на переключателе для этой поляризации фотона от Алисы (102) должен восстанавливать линейную поляризацию этого излучения и осуществлять ее поворот таким образом, чтобы направление было равно 0 градусов.
[0070] При кодировании квантовых состояний по поляризации на основе других протоколов оптические элементы (103) могут состоять из требуемых для этого протокола волновых пластинок.
[0071] Представленные материалы заявки раскрывают предпочтительные примеры реализации технического решения и не должны трактоваться как ограничивающие иные, частные примеры его воплощения, не выходящие за пределы испрашиваемой правовой охраны, которые являются очевидными для специалистов соответствующей области техники.
Источники информации:
1. Беннет и др. Bennett, С.H., Bessette, F., Brassard, G. et al. Experimental quantum cryptography. J. Cryptology 5, 3-28 (1992). https://doi.org/10.1007/BF00191318.
2. Quantum cryptography Nicolas Gisin, Gregoire Ribordy, Wolfgang Tittel, and Hugo Zbinden Rev. Mod. Phys. 74, 145 DOI: https://doi.org/10.1103/RevModPhys.74.1453.
3. Оптика спектроскопия. Генерация квантового ключа на основе кодирования поляризационных состояний фотонов Оптика и спектроскопия,, 2004, т. 96, вып. 5, с. 772 776. Курочкин В.Л., Рябцев И.И., Неизвестный И.Г.
4. Liao, SK., Cai, WQ., Liu, WY. et al. Satellite-to-ground quantum key distribution. Nature 549, 43-47 (2017). https://doi.ora/10.1038/nature23655.
5. Bruss, D., 1998, "Optimal eavesdropping in quantum cryptography with six states," Phys. Rev. Lett. 81, 3018 3021.