CN113452524B - 基于空间分集技术的自由空间连续变量量子密钥分发系统及其实现方法 - Google Patents

基于空间分集技术的自由空间连续变量量子密钥分发系统及其实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于空间分集技术的自由空间连续变量量子密钥分发系统及其实现方法，所述系统包括发送端、传输信道和接收端，发送端将光信号进行振幅与相位调整，然后将光信号进行衰减，通过发送端准直器由光纤传输进入大气传输，所述接收端通过第二准直器、第四准直器、第六准直器接收光信号，并对其处理检测后，经过后续的反向协商和私密放大获得安全量子密钥，并检查是否被监听；通过采用多输入多输出(MIMO)的方法，可以同时发送多波段相同信息，保证信息传输，从而有效地改善大气湍流效应对系统所造成过噪声以及信号衰减的影响，提高了安全密钥率。

Description

基于空间分集技术的自由空间连续变量量子密钥分发系统及 其实现方法
技术领域
本发明属于自由空间量子密钥分发技术领域，涉及基于空间分集技术的自由空间连续变量量子密钥分发系统及其实现方法。
背景技术
目前对于连续量子密钥分发系统在光纤传输和大气对潜信道的传输，已经有广泛的涉猎和研究。在不同的传输信道中，信道特点、传输特性都不同，目前由于在自由空间中存在光的色散和折射效应，连续变量量子密钥分发系统传输透射率小，效率低，导致实际系统传输距离短。
目前广泛采用解决空气折射率变化问题的方法包括最大比组合、等增益组合等，最大比组合法得到的信道增益与接收光的辐照度成正比，然后通过加权信号法求和得组合信号强度。这种方法目前来说最优，但由于需要信道的状态信息，并且往往实际自由空间受天气、降雨、温度等多种因素影响，预估信道信息显然很难实现；等增益组合输出法不需要对每一个光路分支进行辐照度估计，其不仅实际实现更加简单，性能上也接近于最大比组合方法的性能。
发明内容
本发明提供一种基于空间分集技术的自由空间连续变量量子密钥分发系统及其实现方法，解决连续变量量子密钥分发系统在自由空间内传输时，由于光色散和折射使连续变量量子密钥分发系统传输透射率小，效率低，导致实际系统传输距离短的问题；本发明还提供了解决如何将分集技术(MIMO)应用在连续变量量子密钥分发系统中，以及过程中如何多发送端多接收端同时发送接收光信号的解决方案，解决了在自由空间中传输效率低，光散射严重造成的透射率降低的问题。
本发明所采用的技术方案是基于空间分集技术的自由空间连续变量量子密钥分发系统，包括发送端、传输信道和接收端；
所述发送端包括：
第一激光器、第二激光器、第三激光器，用于产生相干光，并将产生的相干光发送至第一电光强度调制器、第二电光强度调制器、第三电光强度调制器；
发送端三个FPGA数据生成卡，生成瑞利分布模拟信号和均匀分布模拟信号，然后将瑞利分布模拟信号分别发送至发送端的三个电光强度调制器，将均匀分布模拟信号发送至发送端的三个电光相位调制器；
第一电光强度调制器、第二电光强度调制器、第三电光强度调制器，用于接收第一激光器、第二激光器、第三激光器输出的光信号，并对光信号进行脉冲调制，输出一定频率脉冲相干光信号发送至相应第一电光相位调制器、第二电光相位调制器、第三电光相位调制器；
第一电光相位调制器、第二电光相位调制器、第三电光相位调制器，用于对第一电光强度调制器、第二电光强度调制器、第三电光强度调制器输出的光信号进行相位调制，然后将光信号传输至发送端对应的衰减器；
发送端衰减器，用于将电光相位调制器输出的光信号进一步衰减；
第一准直器、第三准直器、第五准直器，用于将光纤中的光信号切换为在自由空间中传输，并且调整光束对准接收端的第二准直器、第四准直器、第六准直器；
所述传输信道为自由空间形成的传输媒介，是基于空间分集在自由空间下的量子通信；
所述接收端包括：
第二准直器、第四准直器、第六准直器，用于接收光信号，将采集的光信号转成光纤传输并传送至相应的零差检测器；
零差检测器，用于对光信号进行零差检测，将检测到的不同频率的光信号输入电气合路器；
电气合路器，将零差检测器输出的不同频率的光信号进行组合，然后输入量化器；
量化器，将输入的光信号转换成0、1逻辑信号，并将逻辑信号传输至接收端FPGA数据采集卡；
接收端FPGA数据采集卡，用于接收接收端量化器生成的检测结果。
进一步的，所述激光器采用的是Thorlabs OPG1015皮秒光脉冲发生器，可产生≤3ps、频率为10GHz的激光脉冲；所述电光强度调制器采用的是型号为MX-LN-10的电光强度调制器；所述电光相位调制器采用的是型号MPZ-LN-10的电光相位调制器；所述衰减器采用的是VOA780PM-FC的保偏可调激光衰减器。
进一步的，所述发送端FPGA数据生成卡和接收端FPGA数据采集卡采用的是XilinxVC707，采样率最高可达5GSa/s；所述准直器采用的是PAF2-7A的带非球面透镜的光纤准直器。
进一步的，所述零差检测器采用的是型号为PDA435A的平衡放大光电检测器；所述电气合路器采用的是型号为JCDUP-8024，是一个三进一出的器件。
本发明所采用的另一技术方案是基于空间分集技术的自由空间连续变量量子密钥分发系统的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)：发送端的第一激光器、第二激光器、第三激光器生成调制信号的模拟电信号，第一电光强度调制器、第二电光强度调制器、第三电光强度调制器接收信号源输出的调制信号的模拟电信号，对接收到的相干激光进行振幅调制；光信号被第一电光强度调制器、第二电光强度调制器、第三电光强度调制器调制成脉冲光信号；
步骤2)：FPGA数据生成卡生成均匀随机数集合{0,1,2,3,…,N-1}，并将随机数集合发送至电光相位调制器；第一电光相位调制器、第二电光相位调制器、第三电光相位调制器对电光强度调制器输出的光信号进行相位调制，且满足0≤V≤2Vπ，其中， V为光信号的调制方差，Vπ为光信号通过电光相位调制器的相位调制阈值，信号光相位在[0,2π]内可调，通过随机选择FPGA数据生成卡产生的不同随机数字k，电光相位调制器将得到不同类别的离散量子态集合SN＝{|Aeiπ/N>,…,|Ae(2k+1)iπ/N>}，其中i为虚数，A 为幅值，相位分量的取值满足(2k+1)π/N，e为离散量子态的调制相位，经过电光强度调制器和电光相位调制器调制后的光信号呈高斯相干态|X+jP>，即信号光光场正交分量X 和正交分量P服从高斯分布，其中，j为调制后的量子态的虚数部分，X＝Acosθ，P＝Asinθ， X为信号的振幅，P为信号的相位，θ为正交分量的相位；
步骤3)：接着第一衰减器、第二衰减器、第三衰减器对光信号进一步衰减；衰减后的光信号分别对准第一准直器、第三准直器、第五准直器进入大气传输，由光纤传输进入大气传输；
步骤4)：在接收端用零差检测技术对信号光进行检测，具体为：
光信号在接收端通过第二准直器、第四准直器、第六准直器接收，然后用零差检测器对正交分量P进行零差检测，通过电气合路器进行信息的后处理，最后再输入到量化器，将电信号转换成数字信号，最后将输出信号发至接收端FPGA数据采集卡；经过后续的反向协商和私密放大过程，发送端和接收端可以获得一组相同的密钥，将正交分量X 和正交分量P的测量值的一部分用于安全性估计，得到信道的透过率、过噪声和安全密钥率的估计值，根据信道的透过率和过噪声来确定是否存在窃听者，如果不存在，进行密钥协商，在发送端和接收端分别获得一组安全量子密钥；如果其安全密钥率在当前通信的距离已经低于零则判定系统不安全，存在窃听者，此时应该停止建立密钥，并将系统不安全的信息发送至密钥协商模块。
进一步的，所述电光强度调制器调制成脉冲光信号的频率为10MHz。
进一步的，所述衰减器对每个脉冲的光子衰减到108个光子；所述第二准直器、第四准直器、第六准直器接收的各信号须大于20dB。
本发明的有益效果是：本发明提出一种基于空间分集技术的自由空间连续变量量子密钥分发系统，通过采用多输入多输出(MIMO)的方法，即多发送端多接收端，具体为三个发送端、三个接收端，接收端使用零差检测器进行检测，在充分利用各个频谱资源的情况下，可以同时发送多波段相同信息，保证信息传输，从而有效地改善大气湍流效应对系统所造成过噪声以及信号衰减的影响。
通过多个零差检测器实现对每一个光纤信道相干态的振幅或相位分量同时进行参数估计，保证了传统分集技术点阵具有极高频谱利用效率，在对现有频谱资源充分利用的基础上通过利用空间资源来获取可靠性与有效性两方面增益，将MIMO技术通过光纤信道对相干态的检测这样可以减少在自由空间内，由于大气各个因素对系统造成的影响，因此该方法提高了安全密钥率。
在此基础上提出选择组合的方法在连续变量量子密钥系统的应用，对接收到的信号进行采样，并选择具有信噪比最高的分支进行信号检测。然后，输出只等于其中一个分支上的信号，而不是像上述两种方法的单光流的相干叠加。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例基于空间分集技术的自由空间连续变量量子密钥分发系统原理图；
图2是本发明实施例的量子密钥发送端，量子密钥接收端详细原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-2所示为基于空间分集技术的自由空间连续变量量子密钥分发系统，包括发送端、传输信道和接收端，所述发送端包括第一激光器、第二激光器、第三激光器，第一激光器、第二激光器、第三激光器用于产生相干光，并将产生的相干光发送至相应第一电光强度调制器、第二电光强度调制器、第三电光强度调制器；
发送端FPGA数据生成卡，生成瑞利分布模拟信号和均匀分布模拟信号，然后将瑞利分布模拟信号发送至发送端电光强度调制器，将均匀分布模拟信号发送至发送端电光相位调制器；
第一电光强度调制器、第二电光强度调制器、第三电光强度调制器用于接收第一激光器、第二激光器、第三激光器输出的光信号，并对光信号进行脉冲调制，输出一定频率脉冲相干光信号发送至相应第一电光相位调制器、第二电光相位调制器、第三电光相位调制器；
第一电光相位调制器、第二电光相位调制器、第三电光相位调制器用于对第一电光强度调制器、第二电光强度调制器、第三电光强度调制器输出的光信号进行相位调制，然后将光信号传输至发送端衰减器；
经过电光强度调制器和电光相位调制器调制后，光信号呈现高斯相干态；
发送端衰减器，用于将电光相位调制器输出的光信号进一步衰减；然后经第一准直器、第三准直器、第五准直器将光纤中的光信号切换为在自由空间中传输，并且调整光束对准接收端的第二准直器、第四准直器、第六准直器；
所述接收端包括第二准直器、第四准直器、第六准直器，用于接收光信号，将采集的光信号转成光纤传输并传送至接收端零差检测器；
接收端零差检测器用于对光信号进行零差检测，将检测的不同频率的光信号输入电气合路器；
电气合路器，将零差检测器输出的不同频率的光信号进行组合，然后输入量化器；
量化器，将输入的光信号转换成0、1逻辑信号，并将逻辑信号传输至接收端FPGA数据采集卡；
接收端FPGA数据采集卡，用于接收接收端量化器生成的检测结果。
第一激光器、第二激光器、第三激光器采用的是Thorlabs OPG1015皮秒光脉冲发生器，可产生≤3ps、频率为10GHz的激光脉冲；
发送端电光强度调制器采用的是型号为MX-LN-10的电光强度调制器；
发送端电光相位调制器采用的是型号MPZ-LN-10的电光相位调制器，该调制器损耗较低，带宽高，能满足量子密钥保密通信的要求，减少因为实际器件所带来的损耗；
发送端FPGA数据生成卡和接收端FPGA数据采集卡采用的是Xilinx VC707，采样率最高可达5GSa/s；
发送端衰减器采用的是VOA780PM-FC的保偏可调激光衰减器；
准直器采用的是PAF2-7A的带非球面透镜的光纤准直器，这种准直器可适用的光波长为350-700nm，适用于在大气信道中光信号传输；
传输信道为自由空间形成的传输媒介，是基于空间分集在自由空间下的量子通信；经典信道为经典无线、有线或光线组成的传输媒介；
接收端零差检测器采用的是型号为PDA435A的平衡放大光电检测器，其带宽较高(>350MHz)，共模抑制比>20dB；
电气合路器采用的是型号为JCDUP-8024，是一个三进一出的器件，避免了信号之间的串扰。并实现了为之后进行数据后处理实现了电信号合路的作用；
基于空间分集技术的自由空间连续变量量子密钥分发系统的实现方法，具体按照以下步骤进行：
步骤1)：发送端的第一激光器、第二激光器、第三激光器生成调制信号的模拟电信号，第一电光强度调制器、第二电光强度调制器、第三电光强度调制器接收信号源输出的调制信号的模拟电信号，对接收到的相干激光进行振幅调制；光信号被第一电光强度调制器、第二电光强度调制器、第三电光强度调制器调制成脉冲光信号，电信号由信号源提供，电压幅度为：[0V,5V]，电脉冲频率为10MHz，调制成的脉冲光信号频率为 10MHz；
步骤2)：FPGA数据生成卡生成均匀随机数集合{0,1,2,3,…,N-1}，并将随机数集合发送至电光相位调制器；第一电光相位调制器、第二电光相位调制器、第三电光相位调制器对电光强度调制器输出的光信号进行相位调制，且满足0≤V≤2Vπ，其中，V为光信号的调制方差，Vπ为光信号通过电光相位调制器的相位调制阈值，信号光相位在[0,2π]内可调，通过随机选择FPGA数据生成卡产生的不同随机数字k，电光相位调制器将得到不同类别的离散量子态集合SN＝{|Aeiπ/N>,…,|Ae(2k+1)iπ/N>}，其中i为虚数，A为幅值，相位分量的取值满足(2k+1)π/N，e为离散量子态的调制相位，经过电光强度调制器和电光相位调制器调制后的光信号呈高斯相干态|X+jP>，即信号光光场正交分量X和正交分量P服从高斯分布，其中，j为调制后的量子态的虚数部分，X＝Acosθ，P＝Asinθ， X为信号的振幅，P为信号的相位，θ为正交分量的相位，电信号的电压范围均为 [0V,5V]；
步骤3)：接着第一衰减器、第二衰减器、第三衰减器对光信号进一步衰减，将每个脉冲的光子衰减到108个光子；衰减后的光信号分别对准第一准直器、第三准直器、第五准直器进入大气传输，由光纤传输进入大气传输；
步骤4)：在接收端用零差检测技术对信号光进行检测，具体为：
光信号在接收端通过第二准直器、第四准直器、第六准直器接收，各信号须大于20dB 以保证信号间不产生串扰现象。然后用零差检测器对正交分量P进行零差检测，然后通过电气合路器进行信息的后处理，最后再输入到量化器，将电信号转换成数字信号，最后将输出信号发至接收端FPGA数据采集卡；经过后续的反向协商和私密放大过程，发送端和接收端可以获得一组相同的密钥，将正交分量X和正交分量P的测量值的一部分用于安全性估计，得到信道的透过率、过噪声和安全密钥率的估计值，根据信道的透过率和过噪声来确定是否存在窃听者，如果不存在，进行密钥协商，在发送端和接收端分别获得一组安全量子密钥；如果其安全密钥率在当前通信的距离已经低于零则判定系统不安全，存在窃听者，此时应该停止建立密钥，并将系统不安全的信息发送至密钥协商模块。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.基于空间分集技术的自由空间连续变量量子密钥分发系统，其特征在于，包括发送端、传输信道和接收端；
所述发送端包括：
第一激光器、第二激光器、第三激光器，用于产生相干光，并将产生的相干光分别对应发送至第一电光强度调制器、第二电光强度调制器、第三电光强度调制器；
三个FPGA数据生成卡，生成瑞利分布模拟信号和均匀分布模拟信号，然后将瑞利分布模拟信号分别发送至发送端的三个电光强度调制器，将均匀分布模拟信号发送至发送端的三个电光相位调制器；
第一电光强度调制器、第二电光强度调制器、第三电光强度调制器，用于分别对应接收第一激光器、第二激光器、第三激光器输出的光信号，并对光信号进行脉冲调制，输出预定频率脉冲相干光信号，分别对应发送至第一电光相位调制器、第二电光相位调制器、第三电光相位调制器；
第一电光相位调制器、第二电光相位调制器、第三电光相位调制器，用于对第一电光强度调制器、第二电光强度调制器、第三电光强度调制器输出的光信号进行相位调制，然后将光信号分别对应传输至发送端的第一衰减器、第二衰减器、第三衰减器；
发送端衰减器，用于将电光相位调制器输出的光信号进一步衰减；衰减后的光信号分别对应发送至发送端的第一准直器、第三准直器、第五准直器；
第一准直器、第三准直器、第五准直器，用于将光纤中的光信号切换为在自由空间中传输，并且调整光束分别对准接收端对应的第二准直器、第四准直器、第六准直器；
所述传输信道为自由空间形成的传输媒介，是基于空间分集在自由空间下的量子通信；
所述接收端包括：
第二准直器、第四准直器、第六准直器，用于接收光信号，将采集的光信号转成光纤传输分别传送至相应的第一零差检测器、第二零差检测器、第三零差检测器；
零差检测器，用于对光信号进行零差检测，将检测到的不同频率的光信号输入电气合路器；
电气合路器，将零差检测器输出的不同频率的光信号进行组合，然后输入量化器；
量化器，将输入的光信号转换成0、1逻辑信号，并将逻辑信号传输至接收端FPGA数据采集卡；
接收端FPGA数据采集卡，用于接收量化器生成的检测结果。
2.根据权利要求1所述的基于空间分集技术的自由空间连续变量量子密钥分发系统，其特征在于，所述激光器采用的是Thorlabs OPG1015皮秒光脉冲发生器，产生≤3ps、频率为10GHz的激光脉冲；所述电光强度调制器采用的是型号为MX-LN-10的电光强度调制器；所述电光相位调制器采用的是型号为MPZ-LN-10的电光相位调制器；所述衰减器采用的是型号为VOA780PM-FC的保偏可调激光衰减器。
3.根据权利要求1所述的基于空间分集技术的自由空间连续变量量子密钥分发系统，其特征在于，所述发送端FPGA数据生成卡和接收端FPGA数据采集卡采用的型号为XilinxVC707，采样率最高达5GSa/s；所述准直器采用的是型号为PAF2-7A的带非球面透镜的光纤准直器。
4.根据权利要求1所述的基于空间分集技术的自由空间连续变量量子密钥分发系统，其特征在于，所述零差检测器采用的是型号为PDA435A的平衡放大光电检测器；所述电气合路器采用的型号为JCDUP-8024，是一个三进一出的器件。
5.基于空间分集技术的自由空间连续变量量子密钥分发系统的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)：发送端的第一激光器、第二激光器、第三激光器生成调制信号的模拟电信号；第一电光强度调制器、第二电光强度调制器、第三电光强度调制器分别对应接收第一激光器、第二激光器、第三激光器输出的调制信号的模拟电信号，对接收到的相干激光进行振幅调制；光信号被第一电光强度调制器、第二电光强度调制器、第三电光强度调制器调制成脉冲光信号；
步骤2)：FPGA数据生成卡生成均匀随机数集合{0,1,2,3,…,N-1}，并将随机数集合发送至电光相位调制器；第一电光相位调制器、第二电光相位调制器、第三电光相位调制器分别对第一电光强度调制器、第二电光强度调制器、第三电光强度调制器输出的光信号进行相位调制，且满足0≤V≤2Vπ，其中，V为光信号的调制方差，Vπ为光信号通过电光相位调制器的相位调制阈值，信号光相位在[0,2π]内可调，通过随机选择FPGA数据生成卡产生的不同随机数字k，电光相位调制器将得到不同类别的离散量子态集合SN＝{|Aeiπ/N>,…,|Ae(2k +1)iπ/N>}，其中i为虚数，A为幅值，相位分量的取值满足(2k+1)π/N，e为离散量子态的调制相位，经过电光强度调制器和电光相位调制器调制后的光信号呈高斯相干态|X+jP>，即信号光光场正交分量X和正交分量P服从高斯分布，其中，j为调制后的量子态的虚数部分，X＝Acosθ，P＝Asinθ，X为信号的振幅，P为信号的相位，θ为正交分量的相位；
步骤3)：将光信号分别对应传输至发送端的第一衰减器、第二衰减器、第三衰减器，接着第一衰减器、第二衰减器、第三衰减器分别对光信号进一步衰减；衰减后的光信号分别对准第一准直器、第三准直器、第五准直器进入大气传输，由光纤传输进入大气传输；
步骤4)：在接收端用零差检测技术对信号光进行检测，具体为：
光信号在接收端通过第二准直器、第四准直器、第六准直器接收，将接收的光信号转成光纤传输分别传送至相应的第一零差检测器、第二零差检测器、第三零差检测器，然后用零差检测器对正交分量P进行零差检测，通过电气合路器进行信息的后处理，最后再输入到量化器，将电信号转换成数字信号，最后将输出信号发至接收端FPGA数据采集卡；经过后续的反向协商和私密放大过程，发送端和接收端获得一组相同的密钥，将正交分量X和正交分量P的测量值的一部分用于安全性估计，得到信道的透过率、过噪声和安全密钥率的估计值，根据信道的透过率和过噪声来确定是否存在窃听者，如果不存在，进行密钥协商，在发送端和接收端分别获得一组安全量子密钥；如果其安全密钥率在当前通信的距离已经低于零则判定系统不安全，存在窃听者，此时停止建立密钥，并将系统不安全的信息发送至密钥协商模块。
6.根据权利要求5所述的基于空间分集技术的自由空间连续变量量子密钥分发系统的实现方法，其特征在于，所述电光强度调制器调制成脉冲光信号的频率为10MHz。
7.根据权利要求5所述的基于空间分集技术的自由空间连续变量量子密钥分发系统的实现方法，其特征在于，所述衰减器对每个脉冲的光子衰减到108个光子；所述第二准直器、第四准直器、第六准直器接收的各信号须大于20dB。
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016119867A1 (en) * 2015-01-29 2016-08-04 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Cryptographic key distribution based on turbulence-induced beam fluctuations
CN108683456A (zh) * 2018-05-03 2018-10-19 内蒙古科技大学 基于mimo和可见光通信的智能交通系统及通信方法
CN109039475A (zh) * 2018-07-11 2018-12-18 上海循态信息科技有限公司 基于自由空间的连续变量量子密钥分发方法及系统
CN109150515B (zh) * 2018-08-31 2021-01-15 中南大学 基于连续变量量子密钥分发的对潜通信系统及其实现方法
CN112491547B (zh) * 2020-12-03 2022-06-28 长春理工大学 大气湍流光信道共享随机比特提取系统

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108696352A (zh) * 2018-05-25 2018-10-23 中南大学 连续变量测量设备无关的量子密钥分发系统及其实现方法

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