Устройство квантовой рассылки симметричной битовой последовательности на поднесущей частоте модулированного излучения с гетеродинным методом приема
DEVICE FOR QUANTUM DISTRIBUTION OF A SYMMETRIC BIT SEQUENCE AT A SUBCARRIER FREQUENCY OF MODULATED RADIATION USING A HETERODYNE RECEPTION METHOD

Настоящее изобретение относится к оптической технике, а именно к системам фотонной квантовой связи.
Известно устройство квантовой рассылки симметричных битовых последовательностей [Hirano и др. Quantum Sci Technol 2 (2017) 024010], базирующееся на когерентном методе приема. Битовая последовательность может быть распределена на расстояние 60 км при заданных условиях процессов последующей обработки.
Представленные устройства [Патент CN105024809B, дата приоритета 22.07.2015 МКИ: H04L9/08], [Патент CN102724036B, дата приоритета 04.06.2012. МКИ: H04L9/08, H04L27/26] обладают следующими недостатками: применение одномодовых когерентных состояний, то есть у сигнала малой мощности нет готового дополнительного опорного когерентного сигнала и нет опорной нулевой фазы; низкая спектральная эффективность и неустойчивость к внешним условиям, оказывающим воздействие на оптическое волокно.
Известно устройство квантовой рассылки симметричной битовой последовательности на поднесущей (боковой) частоте модулированного излучения [Патент RU2454810C1, дата приоритета 24.11.2010. МКИ: H04L 9/08], являющееся наиболее близким к описываемому. Так как здесь применяются многомодовые когерентные состояния, фаза несущей моды принимается за опорную, само же наличие согласованной несущей моды в квантовом канале обеспечивает дополнительную защиту от атак вида расщепления фотонов, так как можно обеспечивать дополнительный мониторинг интенсивности. В блоке получателя основной составляющей частью является крупногабаритный детектор одиночных фотонов (ДОФ), поэтому мощность принимаемых сигнальных импульсов остается достаточно малой. Данное устройство можно принять как прототип заявленного решения. Упомянутый ДОФ является существенным недостатком, препятствующий получению технического результата, который обеспечивается заявляемым изобретением.
ДОФ также не только крупногабаритны, но и сложны в производстве, в то время как балансный вычитающий детектор с низким уровнем шума может быть собран из стандартного телекоммуникационного оборудования.
Настоящее изобретение разрабатывается на основе существующей установки квантовой рассылки симметричных битовых последовательностей на поднесущих частотах модулированного излучения. Техническая часть передающего модуля остается неизменной, в то время как принимающий модуль переработан. В терминах упрощенной теоретической модели работа системы описывается следующим образом:
— отправитель посредством фазовой модуляции генерирует многомодовое когерентное состояние, записывая в его фазе квантовую информацию;
— отправитель осуществляет отправку состояния через квантовый канал;
— получатель на принимающей стороне методами спектральной фильтрации разделяет «левые» и «правые» спектральные компоненты на боковых частотах, вместе с этим одна половина сигнала на центральной частоте остается с «правой» спектральной компонентой, другая половина — с левой, таким образом сигнал на несущей частоте в целом играет роль локального осциллятора;
— полученные сигналы, аналогичные результирующим сигналам в классических схемах гетеродинирования, разносятся по разным плечам вычитающего балансного детектора: постоянные шумовые составляющие в обоих плечах одинаковы, а гармонические — отличаются друг от друга на π, вследствие чего их вычитание увеличивает конечную амплитуду;
— осуществляется процесс демодуляции с помощью анализатора сигнала, исходя из полученных данных на котором будет получена двоичная информация о вносимой отправителем фазе и далее будет сформирована симметричная битовая последовательность.
Техническим результатом является уменьшение размеров принимающего модуля, снижение стоимости конечной системы, и повышение уровня его ремонтопригодности, так как вычитающий балансный детектор представляет собой стандартный телекоммуникационный элемент.
Заявленное устройство делится на сторону отправителя и получателя. Сторона отправителя содержит источник когерентного излучения, оптический изолятор, оптический фазовый модулятор и аттенюатор. Генератор управляющих напряжений (ГУН) соединен с ЭВМ через программируемю логическую интегральную схему (ПЛИС). С другой стороны, ГУН подсоединен к модулятору электрического сигнала через устройство фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Кроме того, этот фазовый модулятор соединен с ПЛИС, которая, помимо всего прочего, подключена к модулю стандарта SFP (SFP-модулю) и аттенюатору.
Сторона получателя содержит циркулятор, отводящий излучение, отраженное от спектрального фильтра, через второй выходной порт. На стороне получателя также установлен балансный детектор, который является покупным изделием и отдельно не рассматривается. Детектор подключен к анализатору сигнала, который, в свою очередь, соединен с ЭВМ.
Управляющие пользовательские модули содержат SFP-модули. Для синхронизационного сигнала установлен фильтр низких частот.
Дополнительные особенности устройства будут изложены в последующем описании, способ работы будет также конкретизирован далее и подкреплен математическими выкладками. Преимущества изобретения будут реализованы и достигнуты устройством изобретения, изложенном в письменном описании и формуле изобретения, а также на прилагаемых чертежах.
Описания заявленного устройства подаются в пояснительной форме и направлены на объяснение основных принципов работы изобретения и уточнение его отличий от ранее заявленных подобных изобретений.
Фиг. 1 иллюстрирует функциональную схему заявленного устройства КРК.
Фиг. 2 иллюстрирует профиль спектрального фильтра.
Изобретение реализует генерацию, передачу и прием квантовой информации, содержащейся в фазе многомодовых когерентных состояний, по волоконному квантовому каналу. Устройство разработано таким образом, что может быть собрано из стандартного телекоммуникационного оборудования. Ниже рассматриваются математическая модель системы в упрощенном классическом виде и оптическая схема.
Как показано на Фиг. 1, заявляемое устройство КРК состоит из стороны отправителя битовой последовательности и принимающей стороны. Сторона отправителя содержит оптически сопряженные (оптические каналы изображены толстым пунктиром) источник когерентного излучения (1), оптический изолятор (2), оптический фазовый модулятор излучения (3) и аттенюатор (4). ЭВМ (5) соединена с ПЛИС (6), которая, в свою очередь, подключена к ГУН (7). Сигнал от ГУН (7) подается на устройство ФАПЧ (8), после чего поступает на фазовый модулятор электрического сигнала (9). Кроме того, этот фазовый модулятор соединен с ПЛИС (6). ПЛИС (6) подает сигнал на SFP-модуль (10) и аттенюатор (4).
После прохождения аттенюатора (4) излучение посылается на сторону получателя. Далее излучение проходит через циркулятор (11), поступает на спектральный фильтр (12). Часть излучения проходит фильтр и поступает на первое плечо (13а) балансного детектора (13). Другая же часть излучения отражается на спектральном фильтре (12), проходит через циркулятор (11) и поступает на второе плечо (13б) балансного детектора (13). После чего сигнал с балансного детектора поступает на анализатор сигнала (14). Анализатор сигнала посылает результат обработки на ЭВМ (15).
Управляющая данным процессом электрическая часть у получателя выглядит следующим образом. Сигнал для синхронизации, который отправитель посылает через модуль стандарта SFP (10), приходит на SFP-модуль (16) получателя. Синхронизационный сигнал проходит фильтр низких частот (17) и поступает на ЭВМ (15).
Устройство КРК работает следующим образом. Источник когерентного излучения (1) генерирует световой пучок, проходящий через защищающий от отраженного света лазер оптический изолятор (2). Затем излучение модулируется на электрооптическом фазовом модуляторе (3) синусоидальным сигналом с внесенной отправителем фазой. Для получения модулирующего сигнала ГУН (7) генерирует колебания на тактовой частоте, которое используется для синхронизации системы. Сигнал от ГУН (7) подается на ФАПЧ (8), на котором с помощью умножения частоты получают выходной сигнал на частоте модуляции. Затем данный сигнал поступает на электрический фазовый модулятор (9), на котором вносится одна из двух фаз, разность между которыми составляет π; с помощью модулирующего сигнала от ПЛИС (6). Этот сигнал выступает модулирующим в модуляторе (3). В таком случае информация о фазе находится в так называемых боковых частотных полосах, амплитуда которых должна быть много меньше амплитуды центральной полосы. То есть мощность излучения должна быть такова, чтобы на боковых частотах на один бит приходилось в среднем меньше одного фотона. Необходимые мощности достигаются с помощью аттенюатора (4), управляемого с помощью ПЛИС (6).
На стороне получателя сигнал через циркулятор (11) приходит на спектральный фильтр (12), пропускающий излучение на меньшей («левой») боковой частоте (относительно центральной) и половину излучения на центральной частоте и отражающий излучение на большей («правой») боковой частоте и вторую половину излучения на центральной частоте (профиль фильтра приведен на Фиг. 2.). При подобном разделении, на балансном детекторе (13) в результате вычитания поля в верхнем и нижнем плечах балансного детектора будут следующими:
(1)
E
0
где  — амплитуда исходного поля;
ω
= ω -
, ω
= ω +
-
+
Ω Ω;
ω —
частота исходного сигнала;
Ω — частота модулирующего сигнала;
m
a
— индекс модуляции отправителя;
a
φ— фаза, заданная на модуляторе отправителя;
J
m
k
() — функция Бесселя первого рода.
Выходное напряжение в отсутствие дополнительных шумов есть:
(2)
G —
где коэффициент усиления встроенных в схему детектора усилителей;
R
(λ) — чувствительность фотодиодов.
Затем результирующий сигнал балансного детектора поступает на анализатор сигнала (14), результат работы которого приходит на ЭВМ (15).
Для синхронизации пользователей ПЛИС отправителя посылает через его же SFP-модуль (10) синхронизационный сигнал, который получатель принимает на своем SFP-модуле (16). Получаемый сигнал синхронизации проходит фильтр низких частот (17), после чего приходит на ЭВМ (15).