УЧЕБНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПО КВАНТОВОЙ ОПТИКЕ ДЛЯ ЦЕЛЕЙ ИЗУЧЕНИЯ ПРОТОКОЛОВ КВАНТОВОЙ КРИПТОГРАФИИ
EDUCATIONAL APPARATUS FOR PERFORMING EXPERIMENTS ON QUANTUM OPTICS FOR STUDYING PROTOCOLS OF QUANTUM CRYPTOGRAPHY

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[1] Настоящее изобретение относится к средствам обучения, предназначенным для проведения экспериментов, в частности к учебной установке для выполнения экспериментов по квантовой оптике для целей изучения протоколов квантовой криптографии.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[2] В настоящее время все больше разработок ведется для развития квантовых вычислений и связанных с ними процессов обработки данных. Квантовая криптография является одной из наиболее перспективных областей в данной области техники, при этом существует проблематика в части того, что фундаментальные принципы квантовой механики трудно понять, и многие попытки ее популяризации оказались либо трудными для понимания, либо неверными. За последние десятилетия произошел существенный прорыв в новых прикладных аспектах квантовой физики, таких как защищенные сети связи, чувствительные датчики для биомедицинских изображений и принципиально новые парадигмы вычислений. В целях ускорения воздействия развития инноваций в последние годы были разработаны и приняты многие квантовые манифесты, меморандумы, стратегии и другие дорожные карты. Таким образом, важно обеспечить качественный процесс обучения нового поколения технических специалистов, инженеров, ученых и разработчиков приложений в области квантовых технологий.
[3] Квантовое распределение ключей - метод передачи ключа, который использует квантовые явления для гарантии безопасной связи. Этот метод позволяет двум сторонам, соединенным по открытому каналу связи, создать общий случайный ключ, который известен только им, и использовать его для шифрования и расшифрования сообщений.
[4] Из уровня техники известно устройство для обучения процессам квантовой передачи информации (патент CN 206379044 U, 04.08.2017). Известное учебное демонстрационное устройство для квантовой криптографической связи содержит перехватчик сигнала по оптоволокну, приемный и передающий блоки, обеспечивающие отправку видеосигнала в виде оптического сигнала, и прием на принимающей стороне, при этом блок перехватчик передает на приемную сторону видеосигнала через модуль расщепления света. Соответствующие устройства распределения квантовых ключей предусмотрены на передающей стороне и принимающей стороне для распределения ключей для шифрования передачи видеосигнала, а отправляющей стороне, принимающей стороне и стороне прослушивания предоставляются дисплеи для отображения принятых видеосигналов.
[5] Недостатком данной установки является ее ограниченная функциональность, заключающая в отсутствии универсальной возможности настройки приемного и передающего модулей, с помощью которых можно генерировать различные процессы эксперимента по распределению квантового ключа.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[6] Настоящее изобретение направлено на решение технической проблемы, связанной с  созданием учебной установки для проведения экспериментов в области квантовой криптографии, которая обеспечит простое и удобное взаимодействие в части ее настройки и формировании требуемого процесса выполнения эксперимента.
[7] Техническим результатом является расширение функциональных возможностей за счет снабжения передающего и принимающего блоков комбинацией управляющих и функциональных ПЛИС, соединенных с вычислительными компьютерными устройствами, обеспечивая удобную и быструю установку требуемых параметров эксперимента с использованием установленной оптической схемы.
[8] Дополнительным эффектом является обеспечение простоты управления (программирования) системы за счет использования комбинации в каждом из блоков управляющей и функциональных ПЛИС.
[9] Заявленный технический результат достигается за счет конструкции учебной установки для выполнения экспериментов по квантовой оптике для целей изучения протоколов квантовой криптографии, которая содержит передающий и принимающий блоки, соединенные квантовым каналом передачи данных, при этом
передающий блок содержит зеркало Фарадея, фазовый модулятор, соединенный через накопительную линию с переменным оптическим аттенюатором, светоделитель и синхронизирующий детектор;
принимающий блок содержит лазерный модуль, соединенный с циркулятором, который соединен с первым детектором одиночных фотонов (ДОФ), светоделитель, соединенный со вторым ДОФ, фазовый модулятор, соединенный через линию задержки с поляризационным светоделителем;
причем
передающий блок содержит функциональную ПЛИС, соединенную с управляющей ПЛИС, подключенной к первому управляющему вычислительному устройству, при этом функциональная ПЛИС обеспечивает задержку электрических импульсов для обеспечения их прихода к фазовому модулятору в требуемое время;
принимающий блок содержит функциональную ПЛИС, соединенную с управляющей ПЛИС, подключенной к первому управляющему вычислительному устройству, при этом функциональная ПЛИС обеспечивает укорачивание до нескольких наносекунд электрического импульса, посылаемого лазерным модулем; и
первое и второе вычислительные устройства обеспечивают управление процессом квантового распределения ключа.
[10] В одном из частных примеров выполнения установки, управляющие ПЛИС обеспечивают программирование функциональных ПЛИС с помощью интерфейса LabView.
[11] В другом частном примере выполнения установки вычислительные устройства передающего и принимающего блоков соединены между собой посредством информационного канала передачи данных.
[12] В другом частном примере выполнения установки в передающем блоке функциональная ПЛИС подключена к фазовому модулятору и синхронизирующему детектору через соответствующие платы расширения.
[13] В другом частном примере выполнения установки в принимающем блоке функциональная ПЛИС подключена к фазовому модулятору и лазерному модулю через соответствующие платы расширения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[14] Фиг. 1 иллюстрирует заявленную систему.
[15] Фиг. 2 иллюстрирует временные диаграммы последовательностей оптических импульсов.
[16] Фиг. 3 иллюстрирует распределение числа фотонов для разных значений μ.
[17] Фиг. 4 иллюстрирует гистограмму статистики срабатывания ДОФ.
[18] Фиг. 5 иллюстрирует график времени задержки.
[19] Фиг. 6 иллюстрирует график интервалов времени задержки.
[20] Фиг. 7 иллюстрирует график счета ДОФ в заданном окне.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[21] На Фиг. 1 представлена функциональная схема заявленной установки (10) для выполнения экспериментов по квантовой оптике. Основными элементами установки являются передающий блок (100), называемый Алисой, и приемный блок (200) - Боб.
[22] Передающий блок (100) Алисы содержит функциональную ПЛИС (110), через которую подключен к первому управляющему вычислительному устройству (101) через соответствующую управляющую ПЛИС (102). ПЛИС (110) обеспечивает задержку электрических импульсов для обеспечения их прихода к фазовому модулятору Алисы (114) в требуемое время.
[23] Блок Алисы (100) содержит также оптическую схему, которая включает зеркало Фарадея (115), фазовый модулятор (114), соединенный через накопительную линию (117) с переменным оптическим аттенюатором (ПОА, 116), светоделитель (118) и синхронизирующий детектор (113).
[24] Принимающий блок (200) Боб содержит функциональную ПЛИС (210), через которую подключен ко второму управляющему вычислительному устройству (201) через соответствующую управляющую ПЛИС (202). ПЛИС (210) Боба обеспечивает укорачивание до нескольких наносекунд электрического импульса, посылаемого лазерным модулем (213).
[25] Оптическая схема Боба (200) содержит лазерный модуль (213), соединенный с циркулятором (214), который соединен с первым детектором одиночных фотонов (ДОФ, 216), светоделитель (219) , соединенный со вторым ДОФ (217), фазовый модулятор (215), соединенный через линию задержки (218) с поляризационным светоделителем (220).
[26] Вычислительные устройства (101, 102) обеспечивают управление процессом квантового распределения ключа и выполняются, как правило, в виде компьютерных устройств, например, персональных компьютеров, ноутбуков и т.п.
[27] Блоки Алисы (100) и Боба (200) соединены между собой посредством квантового канала передачи данных (20), сформированного посредством оптоволокна. При этом вычислительные устройства (101, 102) соединены друг с другом посредством Ethernet канала передачи данных.
/2
3
/2
/2
3
/2.
/2.
[28] Приготовление квантовых состояний осуществляется на стороне блока Алисы (100), который осуществляет фазовый сдвиг  импульсов на величину: 0, π, π, π в случайном порядке. При этом блоком Алисы (100) значению логического нуля сопоставляются сдвиги фаз 0 и π, логической единице π и π Блок Боба (200) производит измерение квантовых состояний пришедших фотонов, осуществляя случайный сдвиг фазы  на 0 и π
[29] Непосредственную генерацию многофотонных оптических импульсов и детектирование ослабленных оптических импульсов (измерение) осуществляет блок Боба (200), фазовое кодирование оптических импульсов и их ослабление до однофотонного состояния (приготовление) осуществляет блок Алисы (100).
[30] Работа установки (10) осуществляется в ходе взаимодействия блоков Алисы (100) и Боба (200), в следующей последовательности.
n
трейн
T
такт
T
n
0
0
-
t
[31] Лазер (213) в блоке Боба (200) генерирует последовательность  линейно поляризованных многофотонных оптических импульсов - , с частотой следования лазерных импульсов ν (период следования импульсов в трейне, ). Период следования трейнов  рассчитывается таким образом, чтобы все  импульсов трейна успевали пройти расстояние по оптическому каналу от «Боба» (200) до «Алисы» (100) и обратно. Всего за сеанс формируется пакет из N трейнов.
[32] На Фиг. 2 представлены временные диаграммы последовательностей оптических импульсов на выходе из лазера (213) и поляризационного светоделителя (220) блока Боба (200). Сгенерированный трейн лазерных импульсов поступает на циркулятор (214), который направляет лазерное излучение на светоделитель (219), разделяющий каждый из импульсов пополам по интенсивности и направляющий их в длинное и короткое плечи интерферометра.
[33] В длинном плече интерферометра расположена линия задержки (DL, 218) заданной длины, например, 10 м, соответственно трейн лазерных импульсов, попавший в это плечо задерживается по отношению к трейну в коротком плече интерферометра на величину времени . Таким образом, на выходе поляризационного светоделителя (200) получается удвоенная последовательность лазерных импульсов, по сравнению с первоначальным трейном (Фиг. 2), при этом импульсы, преодолевшие длинное плечо интерферометра, имеют меньшую интенсивность из-за потерь, возникающих в линии задержки (218) и фазовом модуляторе (215) , таким образом, импульсы в трейне образуют пары линейно поляризованных взаимно ортогональных импульсов.
[34] Далее трейн импульсов покидает блок Боба (200) и через оптический квантовый канал (30) направляется в блок Алисы (100). На этой стадии фазовый модулятор (215) в длинном плече интерферометра не задействуется.
[35] В блоке Алисы (100) трейн лазерных импульсов разделяется светоделителем (118) по интенсивности в соотношении 1:1, часть оптической мощности поступает на синхродетектор (113), который фиксирует момент прихода трейна импульсов для функциональной ПЛИС (110), рассчитывающей по сигналу синхродетектора (113) момент выдачи управляющего сигнала на драйвер фазового модулятора (111) блока Алисы (100). Трейн используется далее для формирования последовательности и поступает на переменный оптический аттенюатор (ПОА, 116) и далее в накопительную линию (SL, 117), предназначенную для исключения влияния паразитных отражений от элементов оптических схем блока Алисы (100) и блока Боба (200) на ДОФ Боба (216, 217).
/2
3
/2
[36] После накопительной линии (117) трейн импульсов поступает на фазовый модулятор (114), драйвер которого (111) в соответствии с рассчитанной ПЛИС (110) временной задержкой вырабатывает команду о фазовом сдвиге первого импульса каждой пары. Значение фазового сдвига 0, π, π, π определяются ПЛИС (110) случайным образом. После фазового модулятора (114), импульс отражается от зеркала Фарадея (115) (при этом он меняет свою поляризацию на ортогональную) и вновь поступает на фазовый модулятор (114). Данные о приложенных сдвигах фаз к трейну импульсов ПЛИС (110) блок Алисы выдаёт через управляющую ПЛИС (102) в вычислительное устройство Алисы (101) для дальнейшей обработки.
[37] Далее трейн оптических импульсов последовательно попадает в накопительную линию (SL, 117) и на ПОА (116), который снова ослабляет трейн импульсов перед выходом в квантовый канал (30), теперь уже до однофотонного состояния.
/2
[38] После прохождения квантового канала (30), трейн импульсов попадает на поляризационный светоделитель (220) блока Боба. Так как импульсы в трейне, будучи взаимно попарно ортогонально поляризованными, изменили свою поляризацию на противоположную при отражении от зеркала Фарадея (115), то теперь поляризационный светоделитель (220) направляет импульс в длинное плечо, если до этого он прошел по короткому, и, наоборот, в короткое, если до этого он проходил по длинному. Проходя по длинному плечу интерферометра, оптические импульсы последовательно попадают в линию задержки (SL, 218) и на фазовый модулятор (215). Функциональная ПЛИС блока Боба (210) выдаёт на драйвер фазового модулятора (212) команды о фазовом сдвиге на значения 0 или π для проведения измерений.
[39] Трейны оптических импульсов, проходящие по длинному и короткому плечу, интерферируют в светоделителе (219) и направляются на входы ДОФ (216) через циркулятор (214), которые осуществляют счёт импульсов (срабатывают) в зависимости от значения фазовых сдвигов на фазовых модуляторах блока Алисы (114) и блока Боба (215).
/2
3
/2
[40] Если разность фаз оптических импульсов составляет 0 или π, то можно говорить о совместимости базисов «Алисы» и «Боба» при приготовлении и измерении одиночных фотонов, при этом результаты измерений будут определены. В том случае, когда разность фаз импульсов будет составлять π, или πможно говорить о несовместимости базисов «Алисы» и «Боба», при этом ДОФ (216, 217) будут срабатывать случайным образом. Так, например, если оба фазовых модулятора блоков Алисы (114) и Боба (215) - не прикладывают сдвига, то на ДОФ (217) реализуется конструктивная интерференция (он срабатывает), а на ДОФ (216) - деструктивная (не срабатывает).
[41] Схематично процедуру передачи информации можно свести к Таблице 1.
Таблица 1
<b>«Алиса»</b>
<b>«Боб»</b>
значение бита
<maths num="4"><img file="00000001.jpg" he="7" wi="6" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>
<maths num="5"><img file="00000004.jpg" he="7" wi="6" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>
<maths num="6"><img file="00000005.jpg" he="6" wi="14" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>
значение бита
счёт ДОФ (216)
счёт ДОФ (217)
0
0
0
0
0
0
1
0
0
π<i>/2</i>
<i>3</i>π<i>/2</i>
?
?
?
0
π<i>/2</i>
0
π<i>/2</i>
?
?
?
0
π<i>/2</i>
π<i>/2</i>
0
0
0
1
1
π
0
π
1
1
0
1
π
π<i>/2</i>
π<i>/2</i>
?
?
?
1
<i>3</i>π<i>/2</i>
0
<i>3</i>π<i>/2</i>
?
?
?
1
<i>3</i>π<i>/2</i>
π<i>/2</i>
π
1
1
0
[42] Данные о срабатываниях ДОФ (216, 217) и значения сдвигов фаз импульсов трейнов функциональной ПЛИС Боба (210) выдаёт через управляющую ПЛИС (202) в вычислительное устройство блока Боба (201) для дальнейшей обработки.
[43] Таким образом, на сторонах блоков «Алисы» (100) и «Боба» (200) формируется «сырая» последовательность. В тех случаях, когда блоки Алисы (100) и Боба (200) использовали при приготовлении и измерении оптических импульсов один и тот же базис, они должны получить одинаковые значения битов данных (нулей и единиц).
[44] Сформированный в результате взаимодействия блоков Алисы (100) и Боба (200) «сырая» последовательность далее подвергается процедуре «просеивания». Компьютер блока Боба (201) отсылает компьютеру блока Алисы (101) по открытому информационному каналу (например, Ethernet) массив данных с выбранными базисами измерений.
[45] По полученному массиву данных, компьютер блока Алисы (101) определяет для каких импульсов выбранный блоком Боба (200) базис измерения был верным (совпал с базисом приготовления), и формирует таблицу данных, содержащую номера импульсов в рамках пакета и значения переданных битов, являющуюся, по сути, итоговой последовательностью. Компьютеру блока Боба (201) компьютер блока Алисы (101) сообщает только номера импульсов пакета, по которым он на своей стороне формирует итоговую последовательность.
[46] Схема работы установки (10) построена на двухпроходной автокомпенсационной схеме Plug&Play, принцип работы которой был раскрыт авторами ранее в патенте RU 2671620 C1 (ООО "МЦКТ", 02.11.2018). Применение принципов построения данной оптической схемы является наиболее удобным с точки зрения простоты настройки параметров для распределения квантового ключа.
-
0
0
T
n
Tt -
N
[47] Далее рассмотрим последовательность событий, происходящих с оптическими импульсами при квантовом распределении ключа в схеме Plug&Play. Лазерный модуль (213), расположенный в блоке Боба (200), генерирует последовательность одинаковых многофотонных оптических импульсов, называемую трейном. Длина волны оптических импульсов составляет, как правило, λ = 1550 нм, импульсы линейно поляризованы. Частота следования лазерных импульсов - это одна из основных характеристик квантового распределения ключа. Обозначим эту величину как v, соответствующий ей период - , эти промежутки времени являются тактами. В трейне импульсов и трейны следуют с периодом  период трейна (Фиг. 2). Всего за сеанс формируется пакет из трейнов. Промежуток между трейнами такой, что трейн успевает пройти расстояние от Боба (200) до Алисы (100) и обратно, и только после этого запускается следующий.
[48] Блок Боба (200) собран из волокна, сохраняющего поляризацию (PM-волокно). Трейн лазерных импульсов попадает на циркулятор (214), который направляет лазерное излучение на светоделитель (219). В результате прохождения светоделителя (219) каждый импульс разделяется пополам и направляется в соответствующие плечи интерферометра.
[49] В одном из плечей интерферометра расположена линия задержки (218) и фазовый модулятор (215), поэтому на поляризационный светоделитель (220) импульсы, прошедшие через это плечо, приходят позже, следовательно, на выходе из поляризационного светоделителя (220) получается в 2 раза больше импульсов, чем в первоначальном трейне. Время запаздывания описывается формулой:
(1)
n
c
0
8
где - длина линии задержки 0 ≈1.47, Δl - коэффициент преломления,  – скорость света. На практике удобно использовать вытекающее из этой формулы соотношение: за 5 нс световой импульс проходит 1 м оптоволокна, т.е. получается, что скорость света в оптоволокне примерно равна 2×10 м/с. Из-за описанного смещения импульсы удобно рассматривать парами. Импульсы, преодолевшие большее плечо, имеют меньшую интенсивность из-за потерь, возникающих в линии задержки и фазовом модуляторе. Отметим, что импульсы, выходящие их поляризационного светоделителя Боба (220), линейно поляризованы, причем их поляризация попарно ортогональна. Дальше трейн покидает Боба (200) и через квантовый канал (30) направляется к Алисе (100). Фазовый модулятор (215) в длинном плече интерферометра Боба (200) при прохождении импульсов в сторону Алисы (100) не задействуется.
[50] Приходя на оптическую схему Алисы (100), лазерные импульсы делятся на две неравные части: бóльшая часть оптической мощности идет на синхронизующий детектор (113), а меньшая часть используется дальше для обработки. Вся оптическая схема Алисы (100), как и квантовый канал (30), состоит из не поддерживающего поляризацию одномодового оптоволокна.
[51] Синхродетектор (113) служит для синхронизации всех быстрых процессов, в частности фазовой модуляции. Синхродетектор (113) обозначает время прихода лазерных импульсов на оптическую схему Алисы (100), что обеспечивает своевременную подачу электрических сигналов на фазовый модулятор (114) Алисы с соответствующей задержкой.
[52] До фазового модулятора Алисы (114) импульсы еще должны пройти накопительную линию (117). Накопительная линия (117) служит для того, чтобы вместить в себя все импульсы трейна. Длина накопительной линии (117) и определяет количество импульсов в трейне. При движении трейна от Боба (200) к Алисе (100) неизбежно возникают множественные отражения на оптических неоднородностях, в основном на оптических разъемах. Эти отражения идут обратно к Бобу (200), и могут вызвать ложные срабатывания детекторов фотонов (216, 217), информативным же является только сигнал, полученный при отражении трейна от зеркала Фарадея (115). Следовательно, для защиты от ложных срабатываний необходимо разделить по времени паразитные отражения и отражение от зеркала Фарадея (115), при этом не должно быть наложения, например, отражений от хвостовых импульсов трейна и уже возвращающихся обратно головных импульсов трейна. Для этого применяется накопительная линия (117), причем трейн может быть до 2 раз длиннее накопительной линии:
(2)
L
SL
здесь - длина накопительной линии. При расчете количества импульсов в трейне необходимо округлять значения в меньшую сторону. Период трейна ограничен снизу длиной квантового канала + накопительная линия. Это ограничение накладывается по той же причине: не должно быть наложения импульсов идущих туда и обратно. Т.е. необходимо дождаться последнего импульса в трейне и только потом посылать новый. При расчете периода трейна необходимо округлять значения в большую сторону.
[53] Между накопительной линией (117) и зеркалом Фарадея (115) на один из импульсов каждой пары накладывается фазовый сдвиг фазовым модулятором Алисы (114), далее отраженные зеркалом Фарадея (115) импульсы возвращаются обратно в накопительную линию (117). Отражаясь от зеркала Фарадея (115), лазерный импульс меняет свою поляризацию на ортогональную.
[54] Следует отметить, что фазовый сдвиг необходимо накладывать только на один импульс в паре, но при этом этот сдвиг должен накладываться на пути следования и туда, и обратно. Это диктуется особенностями работы фазового модулятора (114), поскольку фазовый модулятор (114) сдвигает только одну компоненту поляризации, а состояние поляризации у лазерных импульсов может быть непредсказуемым, поскольку они прошли по квантовому каналу (30), претерпели различные поляризационные искажения, и не известно, какое состояние поляризации попадает в фазовый модулятор блока Алисы (100).
0
[55] После отражения от зеркала Фарадея (115) поляризация меняется на ортогональную, и если фазовый модулятор (114) осуществил сдвиг одной компоненты поляризации в своем базисе, то на обратном пути он сдвинет другую компоненту. Эти обстоятельства диктуют следующее ограничение: между входом фазового модулятора (114) и зеркалом Фарадея (115) должен находиться только один импульс из пары. Таким образом, получается, что время прохода импульсом расстояния от входа фазового модулятора (114) и обратно не должно превышать времени между оптическими импульсами в паре. Если, к примеру, период следования лазерных импульсов T =100 нс, и при этом после прохождения большего плеча интерферометра Боба (200) второй импульс сдвигается на полпериода, то длина оптоволокна между фазовым модулятором и зеркалом Фарадея (115) не должна превышать 5 метров.
[56] От Алисы (100) трейн импульсов направляется по квантовому каналу (30) к Бобу (200). При этом поляризационные преобразования, которые трейн испытывал по пути к Алисе, компенсируются. В этом заключается преимущество схемы Plug&Play - нет необходимости в постоянной подстройке оптической схемы для компенсации искажений. Но у этой схемы есть и недостатки, например, из-за необходимости проводить передачу трейнами, существенно падает скорость распределения ключа.
[57] Поскольку импульсы в трейне, будучи взаимно попарно ортогонально поляризованными, изменили свою поляризацию на противоположную при  отражении от зеркала Фарадея (115), то теперь они проходят каждый по другому плечу интерферометра Боба (200). Поляризационный светоделитель (220) направляет импульс в длинное плечо, если до этого он прошел по короткому плечу, и наоборот. Если оба фазовых модулятора - Алисы и Боба - не прикладывают сдвига, то на ДОФ (217) реализуется конструктивная интерференция, а на ДОФ (216) - деструктивная. Два базиса обеспечивают секретность передачи ключа. Алиса при помощи фазового модулятора (215) прикладывает четыре фазовых сдвига: 0, π/2, π и 3π/2. Получается, что фазовые сдвиги 0 и π соответствуют одному базису, например +, а сдвиги π/2 и 3π/2 соответствуют базису . Боб решает в каком базисе проводить измерения, либо не сдвигая фазу (базис +), либо сдвигая фазу на π/2, то это будет измерение в базисе . И Боб и Алиса выбирают базис измерения и базис подготовки совершенно случайно.
[58] Квантовое распределение ключа, основанное на протоколе ВВ84, требует, чтобы оптические импульсы были однофотонными. Если импульсы содержат больше одного фотона, то подслушивающий блок (Ева) может проводить атаку разделением числа фотонов и ключ будет скомпрометирован. Из-за сложности создания эффективного источника единичных фотонов, в реальных условиях квантовые состояния не являются однофотонными. Вместо однофотонных состояний на практике используются ослабленные лазерные импульсы, т.е. когерентные состояния со средним числом фотонов μ=0.1-0.5 фотона/импульс. При малой интенсивности распределение числа фотонов в импульсе подчиняется статистике
(3)
n
-
p
где  число фотонов в импульсе.
[59] На Фиг. 3 приведено распределение числа фотонов для разных значений μ. На рисунке видно, что если у нас в среднем 1 фотон на импульс, то около 37% импульсов у нас не содержат ни одного фотона, столько же по одному фотону, без малого 20% - 2 фотона, более 5% - 3 фотона, и даже у четырёх фотонных импульсов очень заметен вклад. Такое положение вещей совершенно неприемлемо, т.к. слишком много импульсов, на которых можно провести атаку расщеплением числа фотонов. Если же использовать импульсы с μ = 0.1, то, как видно из графика, число импульсов содержащих 2 фотона и больше пренебрежимо мало.
[60] Лазерные импульсы необходимой мощности получаются при помощи поляризационного оптического аттенюатора (ПОА, 116), который ослабляет трейн два раза: на пути туда и обратно. Для того чтобы установить необходимое ослабление на аттенюаторе, например такое, чтобы от Алисы выходили импульсы в среднем, скажем, 0.1 фотона/импульс, необходимо с помощью измерителя мощности определить мощность лазерных импульсов, выходящих из светоделителя Алисы (118). Но это измерение осложнено тем, что импульсы изначально слабые, а необходимо еще более ослабленные импульсы и все это выходит за пределы измерений измерителя мощности. Поэтому надо померить более мощные импульсы, а затем дополнительно ослабить мощность в нужное число раз.
[61] Можно рассмотреть следующую последовательность действий. Обязательно отключить оба детектора одиночных фотонов (216, 217), чтобы не вывести их из строя. Для надежности лучше отсоединить оптические разъемы. Используя источник непрерывного лазерного излучения измерить коэффициенты затухания в оптических схемах Боба (200) и Алисы (100). Для расчета коэффициента затухания в оптической схеме используется формула:
(4)
in
out
где P - мощность излучения, входящего в оптическую схему, P - мощность излучения на выходе.
Pr
P
P
out
in
c
v
[62] Из-за того, что между светоделителем и аттенюатором Алисы есть несколько оптических соединений, часть мощности отражается от этих разъемов. Поскольку после ослабления импульсов на ПОА (116) вышедший трейн очень слабый, вклад отраженного сигнала становится существенным, и при расчете коэффициента ослабления, необходимого для достижения требуемого числа фотонов на импульс, придется учесть коэффициент отражения на данном участке. Для определения коэффициента отражения на ПОА (116) выставляется большое значение ослабления (60 дБ), чтобы ничего не вышло наружу, и измеряется мощность отраженного сигнала . Потом выставляется минимальное ослабление на ПОА (116) и тоже измеряется выходная мощность . Пусть приходящая на VOA мощность , тогда выходящая , где множитель 2 учитывает проход туда-обратно, α - неизменное ослабление канала, α - некоторое значение аттенюации.
[63] Мощность, при которой в импульсе содержится необходимое нам среднее число фотонов μ, рассчитывается по формуле:
(5)
где λ - длина волны лазерного излучения, равная 1550 нм.
[64] Для быстрого построения различных оптических экспериментов, предложенная установка (10), в которой используется две функциональные ПЛИС (110, 210) в каждом из блоков Алисы (100) и Боба (200). ПЛИС (110, 210) выполняются на отдельно разработанной материнской плате, осуществляющий маршрутизацию сигналов на плате и с заложенным функционалом по укорачиванию электрических сигналов (например, для лазера) и задержки сигналов на сотни микросекунд с точностью до наносекунд. Управляющие сигналы, формируются, собираются и передаются с помощь управляющих ПЛИС (102, 202) на вычислительные компьютерные устройства (101, 201),  Управляющие ПЛИС (102, 202) могут выполняться в виде плат NI (National Instruments).
[65] Функциональные ПЛИС на материнских платах Алисы (110) и Боба (210) имеют последовательный интерфейс USB-UART для осуществления возможности обмена данными с внешними устройствами, преобразователь USB-JTAG для программирования FPGA, FLASH память для хранения значений настраиваемых параметров, разъемы VHDCI для подключения платы NI, например PCIe-7841R. На материнской плате есть узел защиты от КЗ (короткое замыкание) по питанию.
[66] Форм-фактор материнской платы выполняется таким образом, что она может быть установлена в стандартный компьютерный корпус, посадочные места соответствуют формату standard ATX. Для управления опто-электрическими компонентами и для сбора данных с внешних устройств, на материнской плате имеется необходимое количество SMA разъемов (например, 10) и ряд универсальных разъемов формата PCIe x4 (например, 12). В универсальные разъемы могут быть установлены платы расширения, такие как драйвер лазера, ЦАП и т.п. Ряд из этих разъемов предназначены для быстрых процессов (например, подача напряжения на фазовый модулятор) и содержат как параллельный, так и последовательный интерфейсы. Ряд разъемов - для подключения плат расширения с последовательным интерфейсом и дискретными входами. Используемые ПЛИС (110, 210) в составе материнских плат имеют достаточный потенциал для реализации всего функционала.
[67] В качестве плат расширения в настоящей установке (10) применяются драйвер лазерного модуля (211), драйверы фазовых модуляторов (111, 212) и драйвер синхродетектора (112). Лазерный модуль (213) генерирует лазерные импульсы длиной, соответствующей длине входного сигнала, ток через лазерный диод стабилизируется. Лазерный модуль (213) содержит элемент Пельтье, так что температура лазерного диода модуля (213), и, как следствие, длина волны также стабилизированы. Драйвер фазового модулятора (111, 212) представляет собой 10-ти канальный ЦАП, предназначенный для подачи напряжения на соответствующие электрооптические компоненты. Драйвер синхродетектора (112) служит для регистрации мощных (многофотонных) лазерных импульсов, выполняющих вспомогательную функцию синхронизации процессов в оптической схеме.
[68] Основная проблема изготовления и настройки устройства квантовой криптографии - синхронизация всех оптических и электрических импульсов в устройстве. Как было указано выше, конструкция заявленной установки (10) реализована на базе управляющих ПЛИС (102, 202) плат National Instruments, программируемых на LabVIEW. Управляющие ПЛИС (102, 202) соединяются с каждой функциональной ПЛИС (110, 210) материнских плат с помощью специального кабеля с разъемами VHDCI. ПЛИС (110) материнской платы в блоке Алисы (100) осуществляет контроль за током питания плат расширения, выполняет задержку электрических импульсов, чтобы обеспечить их приход к фазовому модулятору (114) в нужное время, а в блоке Боба (200) ПЛИС (210) укорачивает до нескольких наносекунд электрический импульс, посылаемый на драйвер лазера (211).
[69] Разработанное программное обеспечение (ПО) для управления учебной установкой (10) исследовательским комплексом квантового распределения ключа представляет из себя несколько программных частей-проектов. В генерации ключа задействованы блоки Алисы (100) и Боба (200), соответственно. Для каждого из устройств есть два проекта ПО. Один проект - это прошивка функциональных ПЛИС (110, 210). Другой проект - это система автоматизации процессов и сбора данных, разработанная в среде LabVIEW и использующая плату PCIe R-серии фирмы National Instruments для реализации управляющих ПЛИС (102, 202).
[70] Проект LabVIEW можно разделить на 2 части. Первая часть - ПО для выполнения на плате R-серии, например, PCIe 7841R - прошивка ПЛИС платы. Вторая часть - программа хостового уровня, организует интерфейс пользователя, обеспечивает TCP/IP соединение блоков Алисы (100) и Боба (200), обращается к памяти управляющих ПЛИС плат NI (102, 202), просеивает квантовый ключ.
[71] Прошивка платы NI Боба (202) обеспечивает следующий функционал: формирование трейнов лазерных импульсов, подача цифрового сигнала на фазовый модулятор (215) (при этом организуются управляющие сигналы ЦАПа фазового модулятора - CLK и WRT), выбор величины фазового сдвига - случайной или заданной пользователем, опрос детекторов одиночных фотонов. При выполнении программной логики в память FIFO заносится время (номер такта соответствующего цикла) срабатывания детекторов одиночных фотонов. Плата (202) заносит в память величину фазового сдвига в интерферометрической схеме и факт срабатывания/несрабатывания детекторов одиночных фотонов.
[72] Для прошивки управляющей платы NI Алисы (102) используется соответствующее программное обеспечение, обеспечивающая цифровой и управляющие сигналы на ЦАП фазового модулятора (114) и заносит поданную величину в память FIFO. Кроме этого, прошивка Алисы передает на ПЛИС (110) материнской платы значение времени задержки подачи сигнала на фазовый модулятор (114). Значение времени задержки передается по интерфейсу SPI, программа прошивки Алисы генерирует все необходимые управляющие сигналы.
[73] Квантовое распределение ключа требует точной синхронизации оптических и электрических импульсов во всей схеме Plug&Play. Это приводит к необходимости предварительной настройки всей схемы. Также через некоторое время возможно возникновение необходимости корректировки настроечных параметров, например, из-за изменения длины оптоволоконных каналов при колебаниях температуры.
[74] Настройка времени ожидаемого прихода импульсов на детекторы Боба. Как уже говорилось, при движении оптических импульсов от блоков Боба (200) к Алисе (100)  возникают множественные отражения, которые вызывают срабатывания ДОФ (216, 217) Боба (200). Предпочтительно регистрировать срабатывания ДОФ (216, 217) только в те временные окна, когда ожидается приход импульсов от блока Алисы (100). Программа Host (Channel Test).vi расположена в проекте LabView в компьютере Боба (201) и служит для определения номера такта, в котором импульс возвращается к Бобу (200). Номера тактов отсчитываются от момента отправления трейна на Алису (100).
[75] Channel Test работает следующим образом. От блока Боба (200) выходят одноимпульсные трейны, после прохождения оптических схем блоков Боба (200) и Алисы (100), они регистрируется ДОФ (216, 217). Набирается статистика срабатывания ДОФ (216, 217) по номерам тактов и по полученным данным строится гистограмма (Фиг. 4), где по оси x отложены номера тактов, а по оси y – количество срабатываний детектора. Последний импульс на гистограмме соответствует отражению от крайнего элемента в оптической цепи - от зеркала Фарадея (115).
[76] В программных интерфейсах компьютерных устройств (101, 201) найденное значение будет соответствовать открытию большого окна для ДОФ (216, 217). Для случая, изображенного на гистограмме Фиг.4, искомое число будет равно 1818. Импульсы на гистограмме могут удваиваться, это происходит потому, что регистрация счета детекторов одиночных фотонов происходит в более мелкие временные окна, чем отображает шкала гистограммы, так что сигнал может быть зарегистрирован в 2 разных окна. Здесь же при заданной точности измерения оба парных импульса соответствуют одному лазерному импульсу. Для подтверждения правильности выбранного рефлекса можно провести следующие действия: изменить напряжение на фазовом детекторе (DAC Level), изменить количество импульсов в трейне, при этом должно увеличиться количество рефлексов, удостовериться, что номер такта определен правильно можно изменяя отрываемое окно. Полученный номер такта следует выставлять во всех последующих подпрограммах в поле открытия временного окна (Open Window). Закрывается временное окно после прихода последнего импульса в трейне, т.е. в поле Close Window надо выставить число, полученное суммированием количества импульсов в трейне с Open Window.
[77] Настройка напряжения на фазовых модуляторах Боба (215) и Алисы (114).
[78] Подпрограмма блока Боба Host (PM Level Test).vi находится в прошивке функциональной ПЛИС Боба (210) и служит для нахождения величины напряжения, которое надо подавать на фазовый модулятор (215) для сдвига оптического импульса на фазу π. При запуске программы происходит отправление серии трейнов (лучше отправлять по несколько десятков импульсов в трейне), в то время как напряжение, подаваемое всякий раз на фазовый модулятор (215) изменяется на небольшую величину (DAC interval). Если на некотором ДОФ-е (216, 217) при отсутствии напряжения на модуляторах реализовывался интерференционный минимум, то постепенно увеличивая на одном из модуляторов напряжение, должен реализоваться максимум.
[79] Процедура настройки напряжения соответствия сдвигу фазы на π проводится для фазовых модуляторов Алисы (114) и Боба (215) порознь. Для этого используются разные, но схожие в плане интерфейса подпрограммы. После этого в соответствующих полях программ Алисы и Боба для распределения ключа надо будет выставить полученные величины. Данное значение напряжения в условных единицах называется в других программах DAC Level, DAC - Digital-to-Analog Converter.
[80] Настройка величины задержки приложения напряжения на фазовый модулятор Алисы (114).
[81] Время прихода оптических импульсов регистрируется синхродетектором Алисы (113). Но до того как импульс будет сдвинут на фазовом модуляторе (114), ему еще предстоит пройти накопительную линию (117), затратив на это некоторое время. Для нахождения точного значения временной паузы, которую надо выдержать перед приложением напряжения на фазовый модулятор (114), надо запустить на блоках Алисе (100), и на Бобе (200) одновременно одноименные программы Host (Alice Delay Line Test).vi. Интерфейс этих программ разный: программа Боба (200) посылает лазерные импульсы и отсылает Алисе (100) информацию о срабатывании ДОФ. Блок Алисы (100) изменяет с определенным шагом время задержки (SPI Interval) и строит график (Фиг. 5).
[82] Появление данного графика поясняет Фиг. 6. До тех пор, пока величина задержки недостаточна (задержка t1), электрические импульсы, подаваемые на фазовый модулятор Алисы (114), опережают оптические и на ДОФ (217) реализуется максимум, как и должно быть, в отсутствие модуляции. По мере увеличения задержки, последний электрический импульс накрывает первый оптический, так что мы видим на графике первый минимум. Дальше мы продолжаем увеличивать время задержки, проходя через серию минимумов, до тех пор, пока вся электрическая последовательность импульсов не совместится с оптической. Это будет соответствовать искомой задержке, на графике Фиг. 6 примерно 24648. Если для измерения использовать другой ДОФ (216) Боба - то график будет инвертирован - минимумы и максимумы поменяются местами.
[83] Для поиска величины времени задержки вначале надо оценить, каким будет значение времени задержки, исходя из длины квантового канала (30). Затем надо выбрать количество импульсов в трейне для изначального поиска этой величины. Разумно выбрать такое количество, чтобы результат поиска был растянут на 1000 - 2000 единиц по шкале графика. Соответственно этим оценкам выставить начальную и конечную точку поиска - DL SPI (min) и DL SPI (max). Здесь DL - линия задержки (218), а управление линией задержки осуществляется по интерфейсу SPI компьютером Алисы (101). Далее надо выбрать шаг поиска - SPI Interval. Единичный шаг поиска соответствует приращению величины задержки по цене деления. Рекомендуется выбрать достаточно большой шаг, но не кратный периоду следования импульсов. Таким образом, надо несколько раз повторить процедуру, всякий раз уменьшая шаг, количество импульсов, интервал сканирования, вплоть до точного нахождения величины задержки. Последнее измерение проделывается для 3-5 импульсов в трейне.
[84] Точная настройка временных окон ДОФ (216, 217).
[85] Как уже указывалось выше, временное окно величиной в такт - это довольно грубая величина. В целях уменьшения темнового счета, дающего основной вклад в QBER (величина ошибки), разумно уменьшить временное окно регистрации пришедших сигналов для каждого ДОФ (216, 217). В разработанном ПО для каждого ДФО (216, 217) индивидуально настраивается временное окно шириной 10 нс. Для проведения этой настройки отправляются многоимпульсные трейны, и собирается статистика для каждого из малых окон при помощи программы Боба (200) Host (Detector Window Test).vi (Фиг. 7). Для периода следования импульсов 200 нс имеется 40 окон - от 0 до 39. На Фиг. 7 видно, что максимальный счет ДОФ (216) соответствует 7-му окну, и он не намного больше счета в 6-м окне. Значение настроечного параметра, задаваемого в программе Боба распределения квантового ключа - 7.
[86] Следует также отметить, что для нахождения номера окна для D1 надо выставлять сдвиговое напряжение, соответствующее сдвигу πна фазовом модуляторе Боба (215). Для нахождения номера окна для ДОФ (217) наоборот, надо убедиться, что на фазовый модулятор Боба (215) не подается напряжения.
[87] Настройка времени подачи сигнала на фазовый модулятор Алисы (114).
[88] Как было описано ранее, фазовый сдвиг необходимо накладывать только на один импульс в паре, но при этом этот сдвиг должен накладываться на пути следования и к зеркалу Фарадея (115) и от него. Для настройки времени включения и выключения напряжения на фазовом модуляторе (114) необходимо варьировать параметры в полях “PM Data on” и “PM Data off”, где указывается количество тактов, отсчитываемых с момента прихода синхронизирующего сигнала. Для контроля данных параметров необходимо подключиться щупами осциллографа к ножкам CLK данных ЦАП-а и, изменяя параметры полях “PM Data on” и “PM Data off”, добиться оптимальной длительности импульса, подаваемого на фазовый модулятор (114).
[89] Возможность генерации квантового ключа с использованием одного детектора одиночных фотонов.
[90] Протокол BB84 позволяет осуществлять квантовое распределение ключа с использованием только одного ДОФ (216 или 217) . Для этого блоку Боба (200) необходимо случайным образом выбирать не только базис измерения, но то, что он собирается проверить в данном базисе - «0» или «1». Если он угадал и с базисом и с битом, то детектор кликнет. Если не угадал с базисом, то детектор кликнет с вероятностью 50%. Если Боб угадал с базисом, но не угадал с битом, то детектор не кликнет, но такие случаи все равно будут выброшены.
[91] В предложенной реализации схемы “Plug and play” на фазовый модулятор Боба (215) случайным образом подается не два значения напряжения, как в случае работы с одним ДОФ-ом, а также как и у Алисы четыре значения, соответствующих сдвигам по фазе 0, π/2, π и 3π/2. Для тех событий, в которых Боб зафиксировал клик, он сообщает Алисе по открытому каналу базис измерения: базис I - это сдвиги 0 или π, базис II - сдвиги π/2 или 3π/2. Информацию, какой бит проверялся в данном базисе, Боб оставляет в секрете. После этого Алиса и Боб оставляют себе биты в совпадающих базисах и, таким образом, получают просеянный ключ. При распределении ключа с использованием одного ДОФ-а ключ получается, по крайней мере, в 2 раза короче, чем при использовании 2-х ДОФ-ов.
[92] Процедуры настройки для работы с одним ДОФ-ом ничем принципиально не отличаются от таковых для двух ДОФ-ов. Принципиальное отличие - точная настройка временного окна проводится только для одного ДОФ, например, (216). Для запуска генерации ключа, как у Алисы, так и у Боба хостовая программа переводится в режим работы с одним ДОФ.
[93] Запуск генерации ключа
[94] Для запуска генерации ключа необходимо воспользоваться программами Боба и Алисы Bob.vi и Alice.vi с помощью интерфейса ПО компьютерных устройств (101, 102). Для успешного запуска необходимо ввести ранее найденные параметры в соответствующие поля. Если все параметры были найдены верно, то запустится передача ключа. При этом программа будет отображать длину ключа и QBER. Смещая окна ДОФ (216, 217) можно добиться максимальной длины ключа, а изменяя время задержки, можно уменьшить величину QBER.
[95] Таким образом, заявленная установка (10) позволяет осуществлять широкий спектр экспериментов по квантовой оптике для целей изучения протоколов квантовой криптографии.
[96] Представленное описание заявленного решения раскрывает лишь предпочтительные примеры его реализации и не должно трактоваться как ограничивающее иные, частные примеры его осуществления, не выходящие за рамки объема правовой охраны, которые являются очевидными для специалиста соответствующей области техники.