СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ КВАНТОВОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КЛЮЧА ПО ПОДВЕСНОМУ ВОЛОКНУ
METHOD AND APPARATUS FOR QUANTUM KEY DISTRIBUTION VIA SUSPENDED FIBRE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Заявленное техническое решение относится к области передачи информации с помощью квантовых технологий, в частности к способу и устройству для квантового распределения ключа (КРК).
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Квантовое распределение ключей - метод передачи ключа, который использует квантовые состояния фотонов для обеспечения безопасной связи, обеспечивая обмен информацией между двумя сторонами, соединенным по открытому каналу связи (квантовому каналу), в частности данными, представляющими уникальный ключ, который известен только сторонам обмена, и его применения для шифрования и расшифровывания сообщений.
[0003] Как правило, существующие устройства КРК используют для генерации ключа протокол ВВ84 с обманными состояниями (ВВ84 with decoy states), реализованный в схеме с поляризационным кодированием. В качестве примера оптической схемы такого устройства можно рассмотреть решение, известное из патента RU 2671620 С1 (ООО "МЦКТ", 02.11.2018).
[0004] Квантовый канал, соединяющий приемник (Боба) и передатчик (Алису) устройства, использует стандартное телекоммуникационное оптоволокно, работающее на длине волны 1550 нм. Такое волокно не поддерживает поляризацию оптического сигнала. Однако если оно закреплено достаточно жестко и температурные колебания окружающей среды происходят достаточно медленно, то изменение состояний поляризации фотонов, вносимое волокном, может быть отслежено устройством в реальном времени и скомпенсировано электронным контроллером поляризации приемника.
[0005] В условиях плотной городской инфраструктуры телекоммуникационные волоконные линии обычно проложено под землей, поэтому изменение поляризации фотонов в них происходит достаточно медленно, даже на значительном (>20 км) расстоянии. Дальнейшее расширение области применения КРК требует использование существующих телекоммуникационных линий, проложенных между населенными пунктами. Здесь уже редко встречаются подземные линии, а в основном используется подвесное волокно, натянутое между столбами вдоль железных дорог.
[0006] В этих условиях волокно подвержено как влиянию погодных условий (ветер, осадки, температура), так и дополнительным вибрациям при прохождении поблизости поездов, особенно скоростных. Все это приводит к достаточно быстрым (с частотой до 35 Гц) и высокоамплитудным колебаниям состояний поляризации фотонов, вносимых линией. Системе подстройки поляризации, реализованной известном из решении из вышеуказанного патента, требуется не менее 5-10 с для завершения своего цикла. Поэтому для обеспечения эффективной работы устройства на подвесных волоконных линиях необходимо использовать другой вид кодирования фотонов, не чувствительный к изменениям поляризации в линии.
[0007] В существующем уровне техники обсуждается два основных способа практической реализации КРК при высокочастотных колебаний поляризации в волоконной линии: 1) активная - непрерывный мониторинг влияния линии на поляризацию прошедших фотонов и компенсация этого влияния с помощью многоканальной системы быстрой подстройки поляризации; 2) пассивная применение схем декодирования квантовых состояний информационных фотонов, нечувствительных или малочувствительных к изменению их состояния поляризации в квантовом канале (сигнальном оптоволокне, соединяющим приемник с передатчиком).
[0008] Основные способы активной компенсации, известные на сегодняшний день: а) с прерыванием передачи квантового ключа на относительно продолжительное время (до нескольких минут), когда для зондирования изменения состояния поляризации в линии дополнительно посылаются отдельные импульсы, как правило, многофотонные, после чего передача информационных однофотонных импульсов возобновляется и б) одновременно с передачей квантового ключа. Группа методов а) может быть реализована как с применением отдельных классических фотодетекторов, так и с использованием тех же однофотонных, что и для генерации ключа.
[0009] Группа методов б) обычно использует спектральное мультиплексирование (для определения влияния линии на поляризацию света в ней используются фотоны с другой длиной волны, отличной от информационных фотонов), но может использовать и временное мультиплексирование на фотонах той же длины волны. Также может быть одновременно применено и временное, и спектральное мультиплексирование.
[0010] Второй способ (пассивный) широко применяется для двухпроходных схем КРК, использующих интерферометры Фарадея-Майкельсона, но не применим в чистом виде для однопроходных схем с поляризационным кодированием. Использование его ограничено схемами с фазово-временным кодированием, когда информационный бит переносится парой последовательных оптических импульсов малой амплитуды, интерференция которых в приемнике определяется разностью фаз между ними.
[0011] Таким образом, на сегодняшний момент времени необходимо внести доработки в части оптической схемы устройства КРК и принципа его работы для обеспечения высокой скорости передачи ключей шифрования по подвесным оптоволоконным линиям.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0012] Заявленное решение позволяет решить техническую проблему, заключающуюся в снижении скорости распределения квантового ключа шифрования в схемах с поляризационным кодированием, работающих на подвесном оптическом волокне.
[0013] Технический результат заключается в повышении скорости распределения ключа в системах квантовой связи.
[0014] Устройство для квантового распределения ключа (КРК), содержащее соединенные квантовым каналом передачи данных блоки передатчика с поляризационным кодированием фотонов и приемника, в котором
блок передатчика содержит
основной блок кодирования, выполненный с возможностью формирования фотонов с заданными состояниями поляризации;
дополнительный модуль кодирования, получающий фотоны от основного блока кодирования и выполняющий прямое преобразование фотонов из поляризационных мод в пространственные;
аттенюатор, выполненный с возможностью ослабления пространственных мод до однофотонного уровня для их передачи по квантовому каналу в блок приемника в виде квантовых сигналов;
блок приемника содержит
основной модуль обратного кодирования, выполненный с возможностью измерения состояния поляризации принятых однофотонных импульсов;
дополнительный модуль обратного кодирования, обеспечивающий обратное преобразование пространственных мод фотонов, получаемых по квантовому каналу от аттенюатора, в поляризационные.
[0015] В одном из частных вариантов реализации устройства дополнительный модуль кодирования включает в себя поляризационный светоделитель, обеспечивающий передачу ортогональных поляризационных компонент импульса по двум плечам с одинаковой поляризацией, образованным оптическим волокном.
[0016] В другом частном варианте реализации устройства одно плечо содержит линию оптической задержки.
[0017] В другом частном варианте реализации устройство содержит светоделитель, получающий на вход от плечей поляризационного светоделителя ортогональные поляризационные компоненты импульса, но разнесенные по времени и с одинаковым состоянием поляризации.
[0018] В другом частном варианте реализации устройства дополнительный модуль обратного кодирования содержит скрэмблер, обеспечивающий перемешивание состояния поляризации квантовых сигналов, получаемых от блока передатчика, связанный со светоделителем, который содержит два плеча, на одном из которых находится линия оптической задержки, а на втором - фазовращатель, обеспечивающий подстройку разности фаз между полученными импульсами, при этом светоделитель формирует на основе квантовых сигналов импульсы с ортогональной поляризацией; первый поляризационный светоделитель, связанный с обоими плечами светоделителя и получающий на вход пары импульсов и обеспечивающий сложение пар импульсов с формированием копии передаваемого импульса.
[0019] В другом частном варианте реализации устройства основной модуль обратного кодирования содержит фазовый модулятор, обеспечивающий активный выбор базиса измерения квантового сигнала, формируемого на основе пар импульсов, получаемых на выходе первого поляризационного светоделителя, и преобразователь поляризации, обеспечивающий преобразование состояний поляризации квантовых сигналов.
[0020] В другом частном варианте реализации устройства выход преобразователя связан со входом второго поляризационного светоделителя, обеспечивающего разделение квантовых сигналов в зависимости от их поляризации.
[0021] В другом частном варианте реализации устройства блок передатчика содержит лазерный источник, который генерирует импульсы оптического излучения с фиксированной поляризацией.
[0022] В другом частном варианте реализации устройства содержит модулятор интенсивности, формирующий обманные состояния протокола ВВ84.
[0023] В другом частном варианте реализации устройства блок приемника содержит детекторы одиночных фотонов (ДОФ), обеспечивающие регистрацию оптических импульсов, поступающих от второго поляризационного светоделителя.
[0024] В другом частном варианте реализации устройства преобразователь поляризации представляет собой полуволновую пластину или стык поляризационно-поддерживающих волокон под углом 45 градусов, или поляризационный контроллер.
[0025] В другом частном варианте реализации устройства стык является сварным.
[0026] В другом частном варианте реализации устройства пары импульсов, поступающие на вход первого поляризационного светоделителя в блоке приемнике, имеют задержку, примерно равную задержке импульсов в блоке передатчике.
[0027] В другом частном варианте реализации устройства блок передатчика и блок приемника содержат волокно, поддерживающее состояние поляризации.
[0028] В другом частном варианте реализации устройства дополнительные модули кодирования и обратного кодирования выполняются съемными.
[0029] Заявленный технический результат достигается также за счет способа квантового распределения ключа, выполняемого с помощью вышеуказанного устройства и содержащий этапы, на которых:
в блоке передатчика
формируют импульсы оптического излучения с фиксированным состоянием поляризации и последующим преобразованием этих импульсов для поляризационного кодирования по протоколу ВВ84 с обманными состояниями;
осуществляют преобразование состояний поляризации импульсов, при котором выполняют перекодирование поляризационных мод в пространственные;
осуществляют ослабление импульсов до однофотонного уровня, с последующей передачей по квантовому каналу в блок приемника в виде квантовых сигналов;
в блоке приемника:
выполняют перемешивание состояний поляризации получаемых квантовых сигналов;
осуществляют подстройку разности фаз между полученными импульсами, при этом формируют на основе квантовых сигналов импульсы с ортогональной поляризацией и задержкой по времени;
выполняют сложение пар импульсов с формированием копии передаваемого поляризационно-кодированного импульса;
осуществляют выбор базиса измерения квантового сигнала, формируемого на основе пар импульсов;
выполняют преобразование состояний поляризации квантовых сигналов;
разделяют квантовые сигналы в зависимости от их поляризации для последующей регистрации с помощью детекторов одиночных фотонов.
[0030] Другие частные аспекты реализации, вытекающие из возможных и очевидных реализаций заявленного технического решения, будут раскрыты в дальнейшем описании осуществления изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0031] Фиг. 1 иллюстрирует схему заявленного устройства.
[0032] Фиг. 2А - Фиг. 2Б иллюстрируют схему преобразования поляризационного кодирования в фазово-временное в передатчике и обратное преобразование из фазово-временного кодирования в поляризационное в приемнике.
[0033] Фиг. 3А иллюстрирует схему дополнительного модуля кодирования в блоке передатчика.
[0034] Фиг. 3Б иллюстрирует схему дополнительного модуля обратного кодирования в блоке приемника.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0035] На Фиг. 1 представлена оптическая схема заявленного устройства КРК (10). Устройство (10) представляет собой комбинацию передающего (110) и приемного (120) блоков, называемых Алисой и Бобом, которые связаны с помощью квантового канала (130) передачи данных.
[0036] В блоке передатчика (110) располагается лазерный источник (111), обеспечивающий генерирование импульсов оптического излучения с фиксированной поляризацией, которые предаются на модулятор интенсивности (112), формирующий обманные состояния протокола ВВ84. Далее импульсы поступают на преобразователь поляризации (113), обеспечивающий преобразование состояний поляризации импульсов. Преобразователь поляризации (113) может представлять собой полуволновую пластину, стык поляризационно-поддерживающих волокон под углом 45 градусов, или поляризационный контроллер. При этом стык поляризационно-поддерживающих волокон может выполняться сварным.
[0037] Фазовый модулятор (114) обеспечивает формирование ортогональных поляризационных компонент передаваемого импульса с заданными значениями сдвига фаз между ними. Указанные элементы (111)-(114) формируют основной блок кодирования блока Алисы (110), которые обеспечивают формирование фотонов с заданными состояниями поляризации.
[0038] Фазовый модулятор (114) связан с поляризационным светоделителем (115), обеспечивающим передачу ортогональных поляризационных компонент импульса по двум плечам с одинаковой поляризацией, образованным оптическим волокном. При этом одно плечо содержит линию оптической задержки (116). Плечи связаны со светоделителем (117), который получает на вход ортогональные поляризационные компоненты исходного импульса, но разнесенные по времени и с одинаковым состоянием поляризации, и выполняет их передачу на аттенюатор (118) для ослабления до однофотонного уровня. После ослабления импульсы передаются по квантовому каналу (130) в блок приемника (120) в виде квантовых сигналов. Элементы (115)-(117) формируют дополнительный блок кодирования, выполняющий функцию прямого преобразования фотонов из поляризационных мод в пространственные. За счет такой схемы блока Алисы (110) обеспечивается преобразование поляризационного кодирования в фазово-временное.
1
[0039] Сигнальные импульсы с поляризационным кодированием образованы двумя ортогональными компонентами (условно-вертикальной и горизонтальной), сдвиг фаз между которыми принимает одно из 4-х значений: 0, π/2, π, 3π/2. Эти импульсы поступают на общий вход поляризационного светоделителя (115), который отправляет ортогональные поляризационные компоненты импульса в разные плечи (вертикальная компонента полностью уходит в верхнее плечо, а горизонтальная - в нижнее). Компонента с вертикальной поляризацией в верхнем плече проходит через линию оптической задержки (116) Δt<T/2, где Т - период повторения сигнальных оптических импульсов.
1
[0040] В результате, на плечи светоделителя (117), работающего в режиме сумматора, вертикальная и горизонтальная компоненты исходного сигнального импульса поступают в виде последовательности двух импульсов с одинаковой поляризацией, разнесенных по времени на Δt. С общего выхода светоделителя (117) импульсы далее поступают в квантовый канал (130) для их передачи блоку Боба (120).
[0041] Схема блока приемника (120) сначала обеспечивает обратное преобразование последовательности импульсов с фазово-временным кодированием в поляризационное и реализуется с помощью дополнительного блока обратного преобразования.
2
1
[0042] Для обеспечения данной функции блок приемника (120) содержит скрэмблер (121), обеспечивающий перемешивание состояния поляризации квантовых сигналов, получаемых от блока передатчика (110). Скрэмблер (121) связан со светоделителем (122), который содержит два плеча, на одном из которых находится линия оптической задержки (123), а на втором - фазовращатель (124), обеспечивающий подстройку разности фаз между полученными импульсами. Светоделитель (122) формирует на основе квантовых сигналов импульсы с ортогональной поляризацией и задержкой по времени Δt ≈ Δt.
[0043] Блок Боба (120) содержит также первый поляризационный светоделитель (125), связанный с обоими плечами светоделителя (122), который получает на вход пары импульсов и обеспечивает сложение пар импульсов с формированием копии передаваемого импульса от блока Алисы (110). Элементы (121)-(125) формируют дополнительный блок обратного кодирования, который обеспечивает обратное преобразование пространственных мод фотонов, получаемых по квантовому каналу (130) от аттенюатора (118) блока Алисы (110), в поляризационные.
[0044] Далее фазовый модулятор (126) в блоке (120) обеспечивает активный выбор базиса измерения уже стандартного поляризационно-кодированного квантового сигнала, формируемого на основе пар импульсов, получаемых на выходе первого поляризационного светоделителя (125). Для последующего преобразования состояний поляризации квантовых сигналов применяется преобразователь поляризации (127), который выполняется аналогично преобразователю поляризации (113) в блоке передатчике (110). Выход преобразователя (127) связан со входом второго поляризационного светоделителя (128), обеспечивающего разделение квантовых сигналов в зависимости от их поляризации, между детекторами одиночных фотонов (129-1, 129-2) для последующей регистрации оптических импульсов. Элементы (126)-(129-2) формируют основной блок обратного кодирования, который обеспечивает измерение состояния поляризации принятых однофотонных импульсов.
[0045] Дополнительно блоки Алисы (110) и Боба (120) могут содержать волокно, поддерживающее состояние поляризации, которое соединяет элементы (111)-(118) в блоке Алисы (100) и элементы (122)-(128) в блоке Боба (120). Поляризационно-поддерживающее волокно в схеме заявленного устройства (10) снижает уровень ошибок распределения квантового ключа и повышает устойчивость к внешним воздействиям (таким как вибрации, колебания температуры) и эффективность работы как Алисы (100), так и Боба (120).
1
[0046] При прохождении оптических импульсов по подвесному волокну их поляризация может произвольным образом меняться под воздействием внешних условий (температура, механические факторы, ветер, дождь, звуковые волны и т.д.). Однако обе компоненты сигнального импульса после перекодирования поступают в квантовый канал (130) с одинаковой поляризацией, поскольку малое время Δt, на практике не превышающее 0,1-2 нс между ними, гарантирует незначительное отклонение состояния поляризации более «позднего» импульса от «раннего» на входе в блок приемника (120). За счет этого становится возможным провести обратное преобразование для каждой пары импульсов и получить из них один оптический импульс с той же самой поляризацией, что и исходный (передаваемый) сигнальный импульс.
[0047] Пары импульсов, несущие информацию о битах квантового ключа шифрования, поступают на вход блока приемника (120) в произвольном состоянии поляризации (Фиг. 2). Для правильной работы устройства (10) необходимо обеспечить соответствие между поляризацией принимаемых импульсов и направлением (ориентацией) главных оптических осей фазового модулятора приемника (126). В стандартном приемнике КРК при работе на подземных волоконных линиях это достигается при помощи поляризационного контроллера, который подстраивает поляризацию сигнальных импульсов (т.е. компенсирует уход поляризации в квантовом канале) при превышении предустановленного порогового значения для уровня ошибок квантового ключа. Поскольку изменение поляризации импульсов в подвесной волоконной линии - существенно более быстрый процесс, чем стандартная подстройка поляризации электронным поляризационным контроллером с обратной связью по уровню квантовых ошибок, оптимальным решением представляется использование контроллера в режиме перемешивания поляризации - скрэмблер (121).
[0048] Так как быстрый мониторинг и компенсация в реальном времени ухода поляризации фотонов в подвесной линии с использованием даже специальных поляризационных контроллеров существенно ограничивает скорость передачи информационных оптических импульсов, предложенная схема (10) устройства КРК позволяет решить эту проблему.
[0049] Как показано на Фиг. 2А (блок передатчика Алиса), две ортогональные компоненты поляризации информационного импульса на выходе фазового модулятора передатчика (114) сначала разделяются с помощью поляризационного светоделителя (115), одна из компонент поворачивается на 90 градусов и задерживается по времени (за счет линии задержки (116)), после чего обе компоненты, имеющие одинаковую линейную поляризацию, сбиваются на обратно включенном светоделителе (117) и выводятся в квантовый канал (130). Это преобразует поляризационное кодирование в фазово-временное. При этом обе ортогональные поляризационные компоненты исходных фотонов, несущих информацию о битах ключа, выходят в квантовый канал (130) с одинаковым состоянием поляризации.
[0050] Для получения информации о состоянии, закодированном в такой фотон (расщепленный на два перед выходом из передатчика), в блоке приемника (120) достаточно провести над каждой последовательной парой оптических импульсов преобразование, обратное тому, что было проведено в блоке передатчика (110). В результате будет получен фотон с тем же состоянием поляризации, которое было задано передатчиком (110).
2
1
[0051] Для упрощения описания работы обратного преобразователя оптических импульсов на стороне приемника сначала рассмотрим ситуацию, когда поляризация пришедшей на вход пары импульсов совпадает с требуемой, например, это вертикальная линейная поляризация (Фиг. 2Б, блок приемника Боб). Вначале импульсы разделяются на два канала (верхний и нижний выходы) симметричного 50/50 светоделителя (122). Верхние импульсы проходят через линию задержки (123) Δt ≈ Δt. Этим достигается грубое совпадение времени прихода первого верхнего и второго нижнего импульсов на поляризационный сумматор (125). Нижние импульсы проходят через фазовращатель (124), которым осуществляется тонкая подстройка разности фаз между первым верхним и вторым нижним импульсами, необходимая для полного совпадения состояния поляризации восстановленного и передаваемого информационного импульса (20) на Фиг. 2Б.
[0052] В качестве фазовращателя могут использоваться различные активные элементы, например фазовый модулятор, волокно с растяжителем, волокно с нагревательным элементом и т.д. Максимальная энергия (число фотонов) в импульсе, восстановленном в результате обратного преобразования, будет равна половине от величины в исходном сигнальном импульсе (при прохождении света через квантовый канал без потерь).
[0053] В самом неблагоприятном случае состояние поляризации на входе оптического тракта приемника (120) может быть ортогонально требуемому, и через выходной поляризационный сумматор ничего не пройдет. За счет перемешивания поляризации на входе электронным поляризационным контроллером, интенсивность на выходе сумматора в среднем будет равна  от максимальной величины или  от исходного импульса (при прохождении света без потерь через квантовый канал). А в случае достаточно медленного изменения состояния поляризации фотонов в квантовом канале (подвесной волоконной линии) в течение промежутка времени >10-30 с, скрэмблер (121) может быть использован для компенсации дрейфа поляризации в реальном времени как обычный поляризационный контроллер.
[0054] На выходе данной схемы кроме восстановленной копии сигнального импульса также будут присутствовать два «паразитных» сигнала (с опережением и задержкой относительно главного), первый верхний и второй нижний (Фиг. 2Б). Эти лишние импульсы не влияют на корректность работы устройства (10), поскольку в блоке приемнике (120) КРК применены стробируемые детекторы одиночных фотонов (129-1, 129-2).
[0055] Таким образом, заявленный технический результат достигается за счет применения в стандартном устройстве для КРК с поляризационным кодированием фотонов дополнительных оптических преобразователей из поляризационного кодирования в фазово-временное в передатчике (Фиг. 1, элементы (115)-(117)) и обратное преобразование из фазово-временного кодирования в поляризационное в приемнике (Фиг. 1, элементы (122)-(125)).
[0056] В частном примере реализации устройства элементы (115)-(117) передатчика и (122)-(125) приемника могут быть собраны в виде отдельных съемных модулей, которые могут быть установлены в стандартные устройства КРК в случае их использования на линиях с подвесным волокном. На Фиг. 3А-3Б представлены схемы съемных модулей. В этом случае на входе дополнительного модуля кодирования передатчика (110) нужно добавить поляризационный контроллер (119) для согласования плоскостей поляризации ортогональных компонент исходных передаваемых импульсов с направлениями максимального пропускания обоих плеч поляризационного светоделителя (115). Если модуль дополнительного кодирования подключается к выходу произвольного передатчика КРК с неизвестной ориентацией плоскостей поляризации выходящих однофотонных импульсов, на входе модуля доп. кодирования требуется подключить дополнительный контроллер поляризации (119). Он необходим, чтобы совместить ориентацию плоскостей поляризации выходных импульсов передатчика с направлениями главных оптических осей поляризационного светоделителя (115) модуля дополнительного кодирования, обеспечивая тем самым работоспособность всего устройства. При произвольной ориентации плоскостей поляризации импульсов, подаваемых на вход устройства дополнительного кодирования, работоспособность последнего будет нарушена.
[0057] В случае использования только подземных волоконных линий дополнительные модули преобразования кодировки фотонов могут быть сняты для снижения оптических потерь. Такая доработка позволяет использовать любое устройство КРК, содержащее систему приготовления поляризационных состояний и содержащее систему измерений поляризационных состояний, обеспечивая тем самым перевод состояний между ними в фазово-временные.
[0058] Представленные 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.