RU2814445C1 - Quantum cryptography system based on entangled polarization states of photons with active choice of measurement basis - Google Patents
Quantum cryptography system based on entangled polarization states of photons with active choice of measurement basis Download PDFInfo
- Publication number
- RU2814445C1 RU2814445C1 RU2023104786A RU2023104786A RU2814445C1 RU 2814445 C1 RU2814445 C1 RU 2814445C1 RU 2023104786 A RU2023104786 A RU 2023104786A RU 2023104786 A RU2023104786 A RU 2023104786A RU 2814445 C1 RU2814445 C1 RU 2814445C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- polarization
- measurement
- entangled
- quantum
- photons
- Prior art date
Links
- 230000010287 polarization Effects 0.000 title claims abstract description 71
- 238000005259 measurement Methods 0.000 title claims abstract description 51
- 229940125730 polarisation modulator Drugs 0.000 claims abstract description 36
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims abstract description 10
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 7
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 5
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 4
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 3
- 230000005697 Pockels effect Effects 0.000 claims description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000002585 base Substances 0.000 description 12
- 238000000034 method Methods 0.000 description 9
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 4
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 4
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 4
- 230000000875 corresponding effect Effects 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 238000000149 argon plasma sintering Methods 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 description 2
- 241000143252 Idaea infirmaria Species 0.000 description 1
- 230000002238 attenuated effect Effects 0.000 description 1
- 239000003637 basic solution Substances 0.000 description 1
- 238000012790 confirmation Methods 0.000 description 1
- 230000002596 correlated effect Effects 0.000 description 1
- 230000001934 delay Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- GQYHUHYESMUTHG-UHFFFAOYSA-N lithium niobate Chemical compound [Li+].[O-][Nb](=O)=O GQYHUHYESMUTHG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 1
- 238000012805 post-processing Methods 0.000 description 1
- 230000005610 quantum mechanics Effects 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретение.The technical field to which the invention relates.
Изобретение относится к квантовым коммуникациям, в частности к системам квантового распределения ключей. Такой способ распределения ключей шифрования в отличие от традиционного асимметричного шифрования, основанного на недоказанных следствиях из теории сложности алгоритмов, гарантирует секретность ключей, основанную на незыблемых основах квантовой механики. В результате процесса квантового распределения ключей два абонента, условно называемые Алисой и Бобом, получают идентичные ключи шифрования с гарантией их защищенности от подслушивания третьими лицами.The invention relates to quantum communications, in particular to quantum key distribution systems. This method of distributing encryption keys, in contrast to traditional asymmetric encryption, based on unproven consequences of the theory of complexity of algorithms, guarantees the secrecy of the keys, based on the unshakable foundations of quantum mechanics. As a result of the quantum key distribution process, two subscribers, conventionally called Alice and Bob, receive identical encryption keys with a guarantee of their protection from eavesdropping by third parties.
Системы квантового распределения ключей можно разделить на два разных класса. Первый характеризуется тем, что в нем Алиса приготавливает определенные квантовые состояния, а Боб проводит их измерение. Достоинство таких протоколов заключается в отностительной простоте их реализации. Их существенный недостаток - необходимость работать с ослабленными лазерными импульсами вместо одиночных фотонов, предполагающихся в теории. Это существенно усложняет алгоритмы распределения ключей и требует большого количества дополнительных проверок для обеспечения секретности ключей.Quantum key distribution systems can be divided into two different classes. The first is characterized by the fact that in it Alice prepares certain quantum states, and Bob measures them. The advantage of such protocols lies in the relative simplicity of their implementation. Their significant drawback is the need to work with attenuated laser pulses instead of single photons assumed in theory. This significantly complicates key distribution algorithms and requires a large number of additional checks to ensure key secrecy.
Второй класс систем квантового распределения ключей основан на использовании запутанных квантовых состояний, генерируемых источником запутанных пар фотонов. Несмотря на достаточно сложное устройство таких источников, преимущество этого подхода заключается в более элегантном доказательстве секретности и более простых алгоритмах, необходимых для обеспечения секретности распределенных ключей. Настоящее изобретение применимо к этому, второму классу систем квантового распределения ключей, которые основаны на запутанных квантовых состояниях.The second class of quantum key distribution systems is based on the use of entangled quantum states generated by a source of entangled pairs of photons. Despite the rather complex design of such sources, the advantage of this approach is a more elegant proof of secrecy and simpler algorithms needed to ensure the secrecy of distributed keys. The present invention is applicable to this second class of quantum key distribution systems, which are based on entangled quantum states.
Уровень техники.State of the art.
Идея квантового распределения ключей на запутанных квантовых состояниях известна с начала 1990-х годов по публикациям двух ключевых работ А. К. Ekert "Quantum cryptography based on Bell's theorem" Phys. Rev. Lett. 67, 661 (1991) и С.H. Bennett, G. Brassard, and N. D. Mermin "Quantum cryptography without Bell's theorem", Phys. Rev. Lett. 68, 557 (1992). Идеи, высказанные авторами позволяют реализовать на практике распределение криптографических ключей с гарантией их секретности.The idea of quantum key distribution on entangled quantum states has been known since the early 1990s from the publications of two key works by A. K. Ekert “Quantum cryptography based on Bell's theorem” Phys. Rev. Lett. 67, 661 (1991) and S.H. Bennett, G. Brassard, and N. D. Mermin "Quantum cryptography without Bell's theorem", Phys. Rev. Lett. 68, 557 (1992). The ideas expressed by the authors make it possible to implement in practice the distribution of cryptographic keys with a guarantee of their secrecy.
Позже было проведено множество экспериментальных подтверждений состоятельности и работоспособности таких протоколов. В частности, к настоящему времени известны несколько демонстраций систем квантового распределения ключей. Одна из демонстраций - А. Рорре, A. Fedrizzi, at al. "Practical quantum key distribution with polarization entangled photons," Opt. Express 12, 3865-3871, 2004 - служит базовой системой, модификация которой составляет сущность настоящего изобретение. Подобная система описана также в более поздних работах по квантовому распределению ключей с помощью запутанных квантовых состояний: I. Marcikic, A. Lamas-Linares, and С.Kurtsiefer, "Free-space quantum key distribution with entangled photons", Appl. Phys. Lett. 89, 101122 (2006); G. Weihs and C. Erven "Entangled free-space quantum key distribution", Proc. SPIE 6780, Quantum Communications Realized, 678013 (2007); C. Erven, C. Couteau, R. Laflanrme, and G. Weihs, "Entangled quantum key distribution over two free-space optical links," Opt. Express 16, 16840-16853 (2008); A. Treiber, А. Рорре, M. Hentschel, D. Ferrini, T. Lorunser, E. Querasser, T. Matyus, H. Hubel, and A. Zeilinger "A fully automated entanglement-based quantum cryptography system for telecom fiber networks" New Journal of Physics, 11 (2009); Y. Shi, S. M. Thar, H. S. Poh, J. A. Grieve, C. Kurtsiefer, and A. Ling, "Stable polarization entanglement based quantum key distribution over a deployed metropolitan fiber", Appl. Phys. Lett. 117,124002 (2020).Later, many experimental confirmations of the consistency and performance of such protocols were carried out. In particular, several demonstrations of quantum key distribution systems are known to date. One of the demonstrations - A. Rorre, A. Fedrizzi, at al. "Practical quantum key distribution with polarization entangled photons," Opt. Express 12, 3865-3871, 2004 - serves as a basic system, modification of which is the essence of the present invention. A similar system is also described in more recent work on quantum key distribution using entangled quantum states: I. Marcikic, A. Lamas-Linares, and S. Kurtsiefer, “Free-space quantum key distribution with entangled photons,” Appl. Phys. Lett. 89, 101122 (2006); G. Weihs and C. Erven "Entangled free-space quantum key distribution", Proc. SPIE 6780, Quantum Communications Realized, 678013 (2007); C. Erven, C. Couteau, R. Laflanrme, and G. Weihs, "Entangled quantum key distribution over two free-space optical links," Opt. Express 16, 16840-16853 (2008); A. Treiber, A. Rorre, M. Hentschel, D. Ferrini, T. Lorunser, E. Querasser, T. Matyus, H. Hubel, and A. Zeilinger "A fully automated entanglement-based quantum cryptography system for telecom fiber networks " New Journal of Physics, 11 (2009); Y. Shi, S. M. Thar, H. S. Poh, J. A. Grieve, C. Kurtsiefer, and A. Ling, "Stable polarization entanglement based quantum key distribution over a deployed metropolitan fiber", Appl. Phys. Lett. 117.124002 (2020).
Настоящее изобретение относится к системе регистрации фотонов, составляющих запутанные пары фотонов. Протокол квантовой криптографии на запутанных поляризационных квантовых состояниях предполагает измерение поляризации каждого фотона из пары в одном из двух поляризационных базисов - либо в базисе вертикальный-горизонтальный либо в базисе +45/-45°. Основной способ проведения такого измерения, используемый во всех процитированных работах, показан на фиг.1, где модуль измерения состояния поляризации обозначен прямоугольником 5. Способ заключается в разделении входящего сигнала 1 на два пучка с помощью симметричного светоделителя 2. Далее, в каждом из двух полученных пучков ставится поляризационный светоделитель 4 и 7 для разделения поляризации в одном канале на вертикальную и горизонтальную, а в другом, на +45/-45°. Полученные сигналы регистрируются однофотонными детекторами 6, 8, 9, 10. Для реализации второго, повернутого на 45° базиса измерения обычно используется полуволновая пластинка 3, повернутая осью на 22.5° от горизонтали или вертикали.The present invention relates to a system for detecting photons constituting entangled pairs of photons. The quantum cryptography protocol on entangled polarization quantum states involves measuring the polarization of each photon from a pair in one of two polarization bases - either in the vertical-horizontal basis or in the +45/-45° basis. The main method of carrying out such a measurement, used in all cited works, is shown in figure 1, where the module for measuring the polarization state is indicated by a rectangle 5. The method consists in dividing the incoming signal 1 into two beams using a symmetrical beam splitter 2. Next, in each of the two resulting beams, a polarization beam splitter 4 and 7 is installed to separate the polarization in one channel into vertical and horizontal, and in the other, into +45/-45°. The received signals are recorded by single-photon detectors 6, 8, 9, 10. To implement the second measurement basis, rotated by 45°, half-wave plate 3 is usually used, its axis rotated 22.5° from the horizontal or vertical.
Недостаток такого метода заключается в необходимости использовать 4 однофотонных детектора в системе регистрации фотонов каждого из двух абонентов. Следует отметить, что однофотонные детекторы - одни из самых дорогостоящих элементов систем квантовой криптографии, поэтому такое техническое решение приводит к сильному повышению стоимости таких систем квантовой криптографии.The disadvantage of this method is the need to use 4 single-photon detectors in the photon detection system of each of the two subscribers. It should be noted that single-photon detectors are one of the most expensive elements of quantum cryptography systems, so this technical solution leads to a significant increase in the cost of such quantum cryptography systems.
Известен также метод регистрации, в котором достаточно всего одного однофотонного детектора, вместо четырех. Он описан в патенте США US 8189966 В2 "QKD Arrangement". Такое сокращение числа детекторов происходит за счет использования временного мультиплексирования для реализации всех необходимых измерений поляризационных состояний. Несмотря на его экономическую привлекательность, этот метод потенциально уязвим для атаки типа «временной сдвиг». При этой атаке злоумышленник, внося дополнительные задержки в канал связи, может эффективно подменять результаты измерения состояния поляризации другими значениями, что открывает возможности для атак.There is also a registration method in which only one single-photon detector is sufficient, instead of four. It is described in US patent US 8189966 B2 "QKD Arrangement". This reduction in the number of detectors occurs due to the use of time multiplexing to implement all the necessary measurements of polarization states. Despite its economic attractiveness, this method is potentially vulnerable to a time shift attack. In this attack, an attacker, by introducing additional delays into the communication channel, can effectively replace the results of measuring the polarization state with other values, which opens up opportunities for attacks.
Раскрытие сущности изобретения. Настоящее изобретение позволяет сократить число необходимых однофотонных детекторов до двух у каждого из двух абонентов, при этом не вызывая понижения уровня защищенности системы. Предлагаемый подход заключается в использовании модулятора поляризации перед поляризационным светоделителем. При этом, в зависимости от состояния модулятора поляризации может реализовываться как базис измерения типа вертикальный-горизонтальный, так и базис +45/-45°. Более того, такой подход позволяет использовать протоколы, предполагающие наличие более двух различных базисов измерения, например 4 и более.Disclosure of the invention. The present invention makes it possible to reduce the number of required single-photon detectors to two for each of the two subscribers, without causing a decrease in the level of system security. The proposed approach is to use a polarization modulator in front of the polarization beam splitter. In this case, depending on the state of the polarization modulator, both a vertical-horizontal measurement basis and a +45/-45° basis can be implemented. Moreover, this approach allows the use of protocols that assume the presence of more than two different measurement bases, for example 4 or more.
Техническим решением, предлагаемым настоящим изобретением, является активный выбор базиса измерения поляризации фотона за счет использования модулятора поляризации. Данный подход отличается от общепринятого варианта с пассивным выбором базиса на симметричном светоделителе, наличием модулятора поляризации, который активно управляется системой квантового распределения ключей. В самом общем случае предполагается изменение состояния модулятора поляризации случайным образом, в соответствии со случайными битами от генератора случайных чисел. Такие измерения оказываются полностью эквивалентными измерениям при пассивном выборе базиса, однако с использованием двух однофотонных детекторов вместо четырех.The technical solution proposed by the present invention is the active selection of the basis for measuring photon polarization through the use of a polarization modulator. This approach differs from the generally accepted option with passive selection of a basis on a symmetric beam splitter and the presence of a polarization modulator, which is actively controlled by a quantum key distribution system. In the most general case, the state of the polarization modulator is assumed to change randomly, in accordance with random bits from a random number generator. Such measurements turn out to be completely equivalent to measurements using passive basis selection, but using two single-photon detectors instead of four.
Также настоящее изобретение определяет общий вид системы квантового распределения ключей на запутанных квантовых состояниях с активным выбором базиса измерения с помощью модулятора поляризации. Предложенная структура системы квантового распределения ключей позволяет полноценно реализовать квантовое распределение ключей, используя в два раза меньше однофотонных детекторов по сравнению с известным базовым решением с пассивным выбором базиса измерения.The present invention also defines the general form of a quantum key distribution system based on entangled quantum states with active selection of the measurement basis using a polarization modulator. The proposed structure of the quantum key distribution system makes it possible to fully implement quantum key distribution using half as many single-photon detectors as compared to the known basic solution with passive selection of the measurement basis.
Технический результат, на достижение которого направлено настоящее изобретение, заключается в сокращении числа необходимых однофотонных детекторов в системе квантовой криптографии на запутанных поляризационных состояниях фотонов у каждого из двух абонентов с 4 в известном ранее решении до 2. Данный технический результат достигается путем реализации активного выбора базиса измерения поляризации с помощью модулятора поляризации, встраиваемого в модуль измерения поляризации. Благодаря использованию модулятора поляризации не требуется дополнительной пары однофотонных детекторов для измерения поляризации в еще одном базисе, который необходим для реализации большинства протоколов квантового распределения ключей. Кроме того, предложенное решение с модуляторами поляризации позволяет использовать в системе более двух различных базисов измерения, что может давать преимущество для квантового распределения ключей. Возможность использования более двух различных базисов измерения составляет отдельный технический результат, достигаемый настоящим изобретением. Такая возможность возникает в следствие управляемости модулятора поляризации, который, например в случае использования электрооптического модулятора поляризации, может обеспечивать различные степени изменения состояния поляризации, что напрямую соответствует измерениям в различных базисах.The technical result to which the present invention is aimed is to reduce the number of required single-photon detectors in a quantum cryptography system based on entangled polarization states of photons for each of the two subscribers from 4 in the previously known solution to 2. This technical result is achieved by implementing an active choice of measurement basis polarization using a polarization modulator built into the polarization measurement module. By using a polarization modulator, an additional pair of single-photon detectors is not required to measure polarization in yet another basis, which is necessary to implement most quantum key distribution protocols. In addition, the proposed solution with polarization modulators allows the use of more than two different measurement bases in the system, which can provide an advantage for quantum key distribution. The possibility of using more than two different measurement bases constitutes a separate technical result achieved by the present invention. This possibility arises as a consequence of the controllability of the polarization modulator, which, for example, in the case of using an electro-optical polarization modulator, can provide different degrees of change in the polarization state, which directly corresponds to measurements in different bases.
Таким образом, предложена система квантовой криптографии на запутанных поляризационных состояниях фотонов, в которой формирование абонентами идентичных криптографических ключей осуществлено с за счет пространственно разделенных между двумя абонентами запутанных пар фотонов, отличающаяся наличием модуляторов поляризации, которые осуществляют выбор базиса измерения для соответствующего фотона каждым из двух абонентов, причем модуляторы располагаются перед поляризационными светоделителями, реализующими само поляризационное измерение в модулях измерения состояния поляризации каждого из двух абонентов.Thus, a system of quantum cryptography based on entangled polarization states of photons is proposed, in which the formation of identical cryptographic keys by subscribers is carried out using entangled pairs of photons spatially separated between two subscribers, characterized by the presence of polarization modulators, which select the measurement basis for the corresponding photon by each of the two subscribers , and the modulators are located in front of the polarization beam splitters, which implement the polarization measurement itself in the modules for measuring the polarization state of each of the two subscribers.
В предложенной системе в качестве модулятора поляризации может использоваться электрооптический элемент, позволяющий изменять состояния поляризации в зависимости от электрического напряжения, подаваемого на него.In the proposed system, an electro-optical element can be used as a polarization modulator, allowing the polarization states to change depending on the electrical voltage applied to it.
В предложенной системе измерение состояния поляризации каждым из абонентов может осуществляться в двух и более различных базисах измерения.In the proposed system, the polarization state can be measured by each subscriber in two or more different measurement bases.
В предложенной системе выбор базиса измерения с помощью модулятора поляризации может осуществляться в соответствии со значениями, получаемыми от физического генератора случайных чисел.In the proposed system, the choice of measurement basis using a polarization modulator can be carried out in accordance with the values obtained from a physical random number generator.
В варианте системы с электрооптическим элементом в качестве модулятора поляризации в качестве такого элемента может использоваться электрооптический кристалл, который изменяет поляризацию проходящего через него излучения за счет эффекта Поккельса.In a version of the system with an electro-optical element as a polarization modulator, an electro-optical crystal can be used as such an element, which changes the polarization of the radiation passing through it due to the Pockels effect.
Краткое описание чертежей. На фигуре 1 показана ранее известная типичная схема измерения поляризации каждого фотона из пары в запутанном квантовом состоянии. Входной оптический пучок 1 попадает в модуль измерения поляризации 5. Благодаря использованию симметричного светоделителя 2 измерение случайным образом реализуется в одном из двух поляризационных базисов - либо в базисе вертикальный-горизонтальный, соответствующем каналу с поляризационным светоделителем 7, либо в базисе +45/-45°, соответствующем каналу с полуволновой пластинкой 3 и поляризационным светоделителем 4. Полуволновая пластинка 3 служит в данной схеме для вращения состояния поляризации входного пучка на 45 градусов, так как это обыкновенно существенно проще в реализации, чем поворот самого поляризационного светоделителя 4. Полученные сигналы после разделения поляризаций регистрируются однофотонными детекторами 6, 8, 9 и 10.Brief description of the drawings. Figure 1 shows a previously known typical scheme for measuring the polarization of each photon from a pair in an entangled quantum state. The input optical beam 1 enters the polarization measurement module 5. Thanks to the use of a symmetrical beam splitter 2, the measurement is randomly implemented in one of two polarization bases - either in the vertical-horizontal basis, corresponding to the channel with the polarization beam splitter 7, or in the +45/-45° basis , corresponding to a channel with a half-wave plate 3 and a polarization beam splitter 4. The half-wave plate 3 serves in this circuit to rotate the polarization state of the input beam by 45 degrees, since this is usually much easier to implement than rotating the polarization beam splitter 4 itself. The received signals after polarization separation are recorded by single-photon detectors 6, 8, 9 and 10.
На фигуре 2 показана предлагаемая схема системы квантового распределения ключей на запутанных поляризационных состояниях фотонов с активным выбором базиса измерения. Особенность предлагаемой схемы заключается в использовании модулятора поляризации 13 (17) в схеме измерения поляризации каждого фотона из запутанной пары. Модулятор поляризации управляется электронным драйвером 23 (24).Figure 2 shows the proposed scheme of a quantum key distribution system based on entangled polarization states of photons with an active choice of measurement basis. The peculiarity of the proposed scheme is the use of a polarization modulator 13 (17) in a circuit for measuring the polarization of each photon from an entangled pair. The polarization modulator is controlled by an electronic driver 23 (24).
Осуществление изобретения.Implementation of the invention.
Предлагаемая схема системы квантового распределения ключей на запутанных состояниях с активным выбором базиса измерения показана на фигуре 2. Схема состоит из источника пар фотонов в запутанных квантовых состояниях 15, двух квантовых каналов связи 14 и 16 и двух модулей измерения поляризации 19 и 20, расположенных у двух абонентов - Алисы и Боба соответственно.The proposed scheme of a quantum key distribution system on entangled states with an active choice of measurement basis is shown in Figure 2. The scheme consists of a source of photon pairs in entangled quantum states 15, two quantum communication channels 14 and 16 and two polarization measurement modules 19 and 20 located at two subscribers - Alice and Bob, respectively.
Указанный источник пар фотонов может быть реализован с использованием эффекта спонтанного параметрического рассеяния света. В процессе такого рассеяния один фотон излучения накачки с малой длиной волны спонтанно распадается на два фотона с большей длиной волны. В наиболее оптимальной конфигурации, запутанные квантовые состояния, генерируемые источником пар фотонов являются одним из четырех Бэлловских состояний:The specified source of photon pairs can be implemented using the effect of spontaneous parametric light scattering. In the process of such scattering, one photon of pump radiation with a short wavelength spontaneously decays into two photons with a longer wavelength. In the most optimal configuration, the entangled quantum states generated by the source of photon pairs are one of four Bell states:
Такие квантовые состояния могут быть получены, например, путем интерференции двух пар фотонов, рождающихся в процессе спонтанного параметрического рассеяния света.Such quantum states can be obtained, for example, by the interference of two pairs of photons produced in the process of spontaneous parametric light scattering.
Источник соединяется с модулями измерения поляризации 19 и 20 квантовыми каналами связи 14 и 16 соответственно. Квантовый канал может представлять из себя оптоволоконную линию связи или линию связи по открытому пространству, а также любую другую систему передачи поляризационных квантовых состояний с помощью фотонов. Модуль измерения поляризации 19 расположен у абонента Алиса. Модуль измерения поляризации 20 расположен у абонента Боб. При этом, источник пар фотонов 15 может находиться как в независимой локации, так и у одного из указанных абонентов. В этом случае, один из квантовых каналов связи логично располагать внутри станции абонента.The source is connected to polarization measurement modules 19 and 20 by quantum communication channels 14 and 16, respectively. A quantum channel can be a fiber-optic communication line or a communication line over open space, as well as any other system for transmitting polarization quantum states using photons. The polarization measurement module 19 is located at the subscriber Alice. Polarization measurement module 20 is located at subscriber Bob. In this case, the source of photon pairs 15 can be located either in an independent location or at one of the specified subscribers. In this case, it is logical to locate one of the quantum communication channels inside the subscriber’s station.
Модуль измерения поляризации 19 абонента Алиса состоит из модулятора поляризации 13 и драйвера модулятора поляризации 23. В зависимости от сигнала, подаваемого драйвером 23 на модулятор поляризации 13, поляризация проходящего через модулятор фотона либо остается неизменной, либо преобразуется эквивалентно повороту на определенный угол, например, 45°. Это может быть реализовано с помощью электрооптического элемента, двулучепреломление которого зависит от подаваемого на него напряжения. Такими свойствами обладает, например, кристалл ниобата лития, к которому прикладывается напряжение в направлении поперек направления распространения света. Электрооптический кристалл работает как переменная волновая пластинка и может использоваться для смены базисов измерения.The polarization measurement module 19 of the Alice subscriber consists of a polarization modulator 13 and a polarization modulator driver 23. Depending on the signal supplied by the driver 23 to the polarization modulator 13, the polarization of the photon passing through the modulator either remains unchanged or is transformed equivalent to a rotation through a certain angle, for example, 45 °. This can be realized using an electro-optical element, the birefringence of which depends on the voltage applied to it. Such properties are possessed, for example, by a lithium niobate crystal, to which a voltage is applied in a direction transverse to the direction of light propagation. An electro-optical crystal acts as a variable wave plate and can be used to change measurement bases.
Для достижения необходимой смены базисов, кристалл располагается так, что его ось двулучепреломления составляла угол 45° с вертикалью. Тогда при нулевом двулучепреломлении состояние поляризации не изменяется. При двулучепреломлении величиной в четверть длины волны вертикальная и горизонтальная поляризации преобразуются в право- и левовращающуюся круговую поляризацию света. С точки зрения протокола квантового распределения ключей данные два круговых состояния поляризации эквивалентны состояниям поляризации +45/-45°, так как образуют взаимно несмещенный базис измерения с измерением в базисе вертикальный-горизонтальный.To achieve the necessary change of bases, the crystal is positioned so that its birefringence axis makes an angle of 45° with the vertical. Then, at zero birefringence, the polarization state does not change. With quarter-wavelength birefringence, vertical and horizontal polarizations are converted into right- and left-handed circular polarization of light. From the point of view of the quantum key distribution protocol, these two circular polarization states are equivalent to the +45/-45° polarization states, since they form a mutually unbiased measurement basis with a measurement in the vertical-horizontal basis.
После прохождения модулятора поляризации сигнал попадает на поляризационный светоделитель 12, на котором разделяются вертикальная и горизонтальная поляризации и попадают в детекторы 22 и Н соответственно.After passing through the polarization modulator, the signal enters the polarization beam splitter 12, at which the vertical and horizontal polarizations are separated and enter the detectors 22 and H, respectively.
Модуль измерения поляризации 20 абонента Боб устроен полностью аналогично модулю измерения поляризации абонента Ева. Он состоит из модулятора поляризации 17, его драйвера 24, поляризационного светоделителя 18 и двух однофотонных детекторов 21 и 25.The polarization measurement module 20 of the Bob subscriber is designed completely similarly to the polarization measurement module of the Eva subscriber. It consists of a polarization modulator 17, its driver 24, a polarization beam splitter 18 and two single-photon detectors 21 and 25.
Для реализации квантового распределения ключей в данной схеме может использоваться изменение состояний модуляторов поляризации в соответствии со случайной последовательностью, подаваемой на драйверы 23 и 24. Две последовательности случайных бит должны быть независимыми и поэтому могут генерироваться независимо каждым из двух абонентов.To implement quantum key distribution, this scheme can use changing the states of the polarization modulators in accordance with the random sequence supplied to drivers 23 and 24. The two sequences of random bits must be independent and therefore can be generated independently by each of the two subscribers.
При регистрации пары фотонов, Алиса и Боб сверяют использованные состояния модуляторов поляризации. Если состояния совпадают, то базисы реализованных измерений поляризации тоже совпадают и Алиса и Боб должны получать сильно скоррелированные результаты измерения. Такие биты накапливаются и к ним далее применяются стандартные алгоритмы пост-обработки получаемых первичных данных в системах квантового распределения ключей. Если состояния отличаются, то базисы реализованных измерений различаются и не дают полезной информации для дальнейшего формирования криптографических ключей. Такие результаты измерения отбрасываются за ненадобностью.When registering a pair of photons, Alice and Bob compare the states of the polarization modulators used. If the states coincide, then the bases of the implemented polarization measurements also coincide, and Alice and Bob should receive highly correlated measurement results. Such bits are accumulated and then standard post-processing algorithms for the received primary data are applied to them in quantum key distribution systems. If the states differ, then the bases of the implemented measurements differ and do not provide useful information for the further formation of cryptographic keys. Such measurement results are discarded as unnecessary.
В зависимости от выбранного протокола квантового распределения ключей, абоненты могут требовать, чтобы все результаты измерений, используемые при формировании криптографических ключей были получены при взаимно-случайных состояниях модуляторов поляризации, т.е. на каждое случайное состояние модулятора поляризации приходилось не более одной зарегистрированной пары фотонов.Depending on the chosen quantum key distribution protocol, subscribers may require that all measurement results used in the formation of cryptographic keys be obtained in mutually random states of the polarization modulators, i.e. for each random state of the polarization modulator there was no more than one detected pair of photons.
Также в зависимости от используемого протокола квантового распределения ключей абоненты могут проводить поляризационные измерения в большем числе базисов, например в четырех. Для этого драйвер модулятора поляризации должен быть способен подавать четыре различных уровня сигнала на модулятор поляризации.Also, depending on the quantum key distribution protocol used, subscribers can carry out polarization measurements in a larger number of bases, for example, four. To achieve this, the polarization modulator driver must be able to supply four different signal levels to the polarization modulator.
Ключевым преимуществом предложенной схемы по сравнению с базовым вариантом, в котором используются симметричные светоделители и, следовательно, выбор базиса измерения происходит пассивным образом, заключается в снижении общего количества необходимых однофотонных детекторов с 8 до 4, что является важнейшим шагом на пути удешевления всей конструкции и повышения ее коммерческой привлекательности. Вдобавок, снижение числа однофотонных детекторов в два раза снижает наблюдаемый уровень темновых отсчетов, что также положительно сказывается на работоспособности всей системы.The key advantage of the proposed scheme compared to the basic version, which uses symmetrical beam splitters and, therefore, the choice of measurement basis occurs in a passive manner, is to reduce the total number of required single-photon detectors from 8 to 4, which is a major step towards reducing the cost of the entire design and increasing its commercial appeal. In addition, reducing the number of single-photon detectors by half reduces the observed level of dark counts, which also has a positive effect on the performance of the entire system.
Claims (5)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2814445C1 true RU2814445C1 (en) | 2024-02-28 |
Family
ID=
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8189966B2 (en) * | 2007-11-07 | 2012-05-29 | Austrian Research Centers Gmbh-Arc | QKD arrangement |
| US8433070B2 (en) * | 2010-05-17 | 2013-04-30 | Raytheon Bbn Technologies Corp. | Systems and methods for stabilization of interferometers for quantum key distribution |
| RU2622985C1 (en) * | 2015-12-09 | 2017-06-21 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела Российской академии наук (ИФТТ РАН) | Device of quantum cryptography (versions) |
| RU2754758C1 (en) * | 2021-02-09 | 2021-09-07 | ОБЩЕСТВО С ОГРАНИЧЕННОЙ ОТВЕТСТВЕННОСТЬЮ "КуРэйт" (ООО "КуРэйт") | Optical circuit of the receiver with one detector and the system for quantum key distribution (options) |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8189966B2 (en) * | 2007-11-07 | 2012-05-29 | Austrian Research Centers Gmbh-Arc | QKD arrangement |
| US8433070B2 (en) * | 2010-05-17 | 2013-04-30 | Raytheon Bbn Technologies Corp. | Systems and methods for stabilization of interferometers for quantum key distribution |
| RU2622985C1 (en) * | 2015-12-09 | 2017-06-21 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела Российской академии наук (ИФТТ РАН) | Device of quantum cryptography (versions) |
| RU2754758C1 (en) * | 2021-02-09 | 2021-09-07 | ОБЩЕСТВО С ОГРАНИЧЕННОЙ ОТВЕТСТВЕННОСТЬЮ "КуРэйт" (ООО "КуРэйт") | Optical circuit of the receiver with one detector and the system for quantum key distribution (options) |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8433070B2 (en) | Systems and methods for stabilization of interferometers for quantum key distribution | |
| Gleim et al. | Secure polarization-independent subcarrier quantum key distribution in optical fiber channel using BB84 protocol with a strong reference | |
| Xu et al. | Experimental quantum key distribution with source flaws | |
| US9473301B2 (en) | Systems and methods for telecommunication using high-dimensional temporal quantum key distribution | |
| Gordon et al. | A short wavelength gigahertz clocked fiber-optic quantum key distribution system | |
| US8374350B2 (en) | Quantum communication system | |
| AU691197B2 (en) | Method for key distribution using quantum cryptography | |
| CA2254767C (en) | Method and apparatus for polarisation-insensitive quantum cryptography | |
| US9401766B2 (en) | Quantum communication network | |
| US20060222180A1 (en) | Chip-scale transmitter for quantum cryptography | |
| CA2168851C (en) | System and method for quantum cryptography | |
| US7359514B2 (en) | Narrow-band single-photon source and QKD system using same | |
| CN108809638A (en) | Device and method for inveigling state tri-state quantum key distribution | |
| US20050190922A1 (en) | Secure use of a single single-photon detector in a QKD system | |
| PL239636B1 (en) | Method of a cryptographic quantum key distribution using very weak beams of light, a transmitter, a receiver, a set of receivers and a system for a cryptographic quantum key distribution using very weak beams of light, a method of transmitting a cryptographic key using very weak beams of light, and a method of receiving a cryptographic key using very weak light beams | |
| Glejm et al. | Quantum key distribution in an optical fiber at distances of up to 200 km and a bit rate of 180 bit/s | |
| EP4099585A1 (en) | Quantum key distribution with active sagnac interferometer | |
| Argillander et al. | A tunable quantum random number generator based on a fiber-optical Sagnac interferometer | |
| RU2814445C1 (en) | Quantum cryptography system based on entangled polarization states of photons with active choice of measurement basis | |
| US20230142045A1 (en) | Quantum communications system using pulse divider and associated methods | |
| Kim et al. | Single trace side channel analysis on quantum key distribution | |
| Zahidy et al. | Practical high-dimensional quantum key distribution protocol over deployed multicore fiber | |
| JP2003289298A (en) | Long-distance quantum cipher system | |
| Rumyantsev et al. | Modeling of quantum key distribution system for secure information transfer | |
| US20240137215A1 (en) | Optical System for Phase Modulation |