DE202023100059U1

DE202023100059U1 - A system for single-photon detection in differential phase-shift quantum scrambling

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Publication number: DE202023100059U1
Application number: DE202023100059.2U
Authority: DE
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Priority date: 2023-01-08
Filing date: 2023-01-08
Publication date: 2023-02-06
Anticipated expiration: 2033-01-09

Abstract

System zur Einzelphotonendetektion bei der Differential-Phasenverschiebungs-Quantenschlüsselverteilung, umfassend; Detektion von Einzelphotonen durch Frequenzaufwärtskonversion mit einem Einzelphotonendetektor, Detektion von Einzelphotonen im dritten Telekommunikationsfenster,Besitz nicht-orthogonaler Zustände mit vielen Impulsen, in stark abgeschwächten kohärenten Zuständen zufällig phasenmoduliert,Übertragung mehrerer Photonen, die von einem Abhörgerät abgefangen werden, um eine Kopie der kohärenten Quantenzustände zu erhalten,Optimierung der sicheren Kommunikationsrate in DPS-QKD in Bezug auf den Wert der mittleren Photonenzahl.A system for single photon detection in differential phase shift quantum key distribution, comprising; Detection of single photons by frequency upconversion with a single photon detector, detection of single photons in the third telecommunications window, possession of non-orthogonal states with many momenta, randomly phase-modulated in strongly attenuated coherent states, transmission of several photons, intercepted by an eavesdropping device, to a copy of the coherent quantum states to obtain,Optimization of the safe communication rate in DPS-QKD in relation to the value of the mean photon count.

Description

I. EINFÜHRUNGI. INTRODUCTION

Quantenschlüsselverteilung (QKD) teilt den sicheren geheimen Schlüssel unter den authentifizierten Benutzern auf, wobei die unbedingte Sicherheit durch die Postulate der Quantenmechanik erreicht wird, und unterscheidet sich von der klassischen Kryptographie, bei der die Rechenkomplexität die Grundlage für das gesamte Kryptographiesystem ist. Viele Forschungsgemeinschaften [1-5] haben Sicherheitstests und detaillierte Analysen unter realistischen Szenarien durchgeführt und sind zu dem Schluss gekommen, dass die Eigenschaften der Quelle, z. B. einzelne oder verschränkte Photonen, einer der leistungsbestimmenden Faktoren für jedes Quantenkryptografiesystem sind. Die Quantenschlüsselverteilung wurde erstmals 1992 demonstriert [1], und es wurden viele weitere Versuche unternommen, um eine höhere Kommunikationsrate und die größtmögliche Kommunikationsdistanz zu erreichen [6-20]. Quantentechnologien werden heutzutage in vielen industriellen Anwendungen eingesetzt [21-24]. Das dritte Telekommunikationsfenster bei 1550 nm ist das bevorzugte Fenster für den praktischen Einsatz der Quantenkommunikation, da es weniger Verluste (0,2 dB/km) bietet als die Wellenlänge von 1300 nm, die höhere Verluste (0,35 dB/km) aufweist. Es gibt verschiedene auf Einzelphotonen basierende Quantenschlüsselverteilungsprotokolle, die experimentell implementiert wurden, wie z. B. das Bennett-Brassard-Protokoll von 1984 (BB84) und das auf Verschränkung basierende Bennet-Brassard-Mermin-Protokoll von 1992 (BBM92). Mehrere Versuchsaufbauten für die glasfaserbasierte Quantenschlüsselverteilung haben bei einer Systemtaktfrequenz von 1 GHz enorme Fortschritte gemacht und eine sichere Kommunikationsdistanz von mehr als 100 km erreicht [17]. Die auf der Grundlage verschiedener Experimente durchgeführte Analyse kommt zu dem Schluss, dass die Leistung der Quantenkryptografiesysteme hauptsächlich von einzelnen und verschränkten Photonenquellen beeinflusst wird und von den Eigenschaften der Einzelphotonendetektoren abhängt. In der vorliegenden Arbeit betrachten wir das Differential-Phase-Shift-Quantum-Key-Distribution (DPS-QKD)-Protokoll [19, 24], das schwache kohärente Pulsfolgen [7] einsetzt, die unter faseroptischen experimentellen Parametern auf der Basis von InGaAs/InP und Silizium-APD bei Telekommunikationswellenlängen implementiert werden. Für die effiziente Detektion von Einzelphotonen bei 1550 nm verwenden wir die Technik der Frequenzaufwärtskonversion [12]. Wir verwenden Silizium-APD aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften und Vorteile wie hohe Quanteneffizienz, niedrige Dunkelzählraten mit hoher Zeitgenauigkeit und ausgezeichneter Zeitstabilität, mit geeigneter Wellenlängenkonvertierung auf 1550 nm [20-21, 23-24] und Abstimmung der experimentellen Parameter, um sehr niedrige Verluste und eine höhere sichere Schlüsselrate (SKR) [22] im Vergleich zu InGaAs/InP-APD zu erreichen. Darüber hinaus analysieren wir die Anfälligkeit von DPS-QKD bei verschiedenen hybriden Angriffen.Quantum key distribution (QKD) shares the secure secret key among the authenticated users, with unconditional security achieved through the postulates of quantum mechanics, and differs from classical cryptography, where computational complexity is the basis for the entire cryptographic system. Many research communities [1-5] have performed safety tests and detailed analyzes under realistic scenarios and concluded that the properties of the source, e.g. B. single or entangled photons, are one of the performance-determining factors for any quantum cryptography system. Quantum key distribution was first demonstrated in 1992 [1], and many other attempts have been made to achieve higher communication rate and the greatest possible communication distance [6-20]. Quantum technologies are used in many industrial applications today [21-24]. The third telecom window at 1550 nm is the preferred window for practical use of quantum communications as it offers less loss (0.2 dB/km) than the 1300 nm wavelength which has higher losses (0.35 dB/km). There are several single-photon based quantum key distribution protocols that have been implemented experimentally, such as the 1984 Bennett-Brassard protocol (BB84) and the 1992 entanglement-based Bennet-Brassard-Mermin protocol (BBM92). Several experimental setups for fiber-based quantum key distribution have made tremendous progress at a system clock frequency of 1 GHz and have achieved a secure communication distance of more than 100 km [17]. The analysis carried out on the basis of various experiments concludes that the performance of the quantum cryptographic systems is mainly influenced by single and entangled photon sources and depends on the properties of the single photon detectors. In the present work, we consider the Differential Phase Shift Quantum Key Distribution (DPS-QKD) protocol [19, 24] employing weak coherent pulse trains [7] operating under fiber optic experimental parameters based on InGaAs /InP and silicon APD can be implemented at telecom wavelengths. For the efficient detection of single photons at 1550 nm we use the frequency upconversion technique [12]. We use silicon APD for its unique properties and advantages such as high quantum efficiency, low dark count rates with high time accuracy and excellent time stability, with appropriate wavelength conversion to 1550 nm [20-21, 23-24] and tuning of experimental parameters to achieve very low losses and to achieve a higher secure key rate (SKR) [22] compared to InGaAs/InP-APD. In addition, we analyze the vulnerability of DPS-QKD to various hybrid attacks.

II. EINZELPHOTONENDETEKTOREN AM DRITTEN TELEKOMMUNIKATIONSFENSTERII. SINGLE PHOTON DETECTORS AT THE THIRD TELECOMMUNICATIONS WINDOW

A. Einzelphotonen-Detektor. InGaAs/ InP-Avalanche-Photodiode in QKDA. Single Photon Detector. InGaAs/ InP avalanche photodiode in QKD

Die Einzelphotonendetektion bei der faseroptischen Quantenschlüsselverteilung (QKD) wurde in vielen Anwendungen untersucht, bei denen InGaAs/InP-Avalanche-Photodioden aufgrund ihrer experimentellen Eigenschaften in QKD-Systemen verwendet wurden [10-11, 13-14, 24]. Weiterhin wurde analysiert, dass diese Detektoren aufgrund von eingefangenen Ladungsträgern unter Nachpulseffekten und niedrigen Quanteneffizienzen leiden, was zu relativ hohen Dunkelzählraten führt. Diese Nachteile verschlechtern die Leistung von InGaAs/InP-Avalanche-Photodioden im Gated-Mode-Betrieb. Unter solchen Bedingungen (im Gated-Mode) arbeitet der Detektor für eine begrenzte Zeit oberhalb der Durchbruchsschwelle, was eine Leistungsverbesserung in Form einer hohen Photonendetektionseffizienz mit vergleichsweise geringen Dunkelzählraten bedeutet. Nach einem kurzen Zeitintervall kehrt der Detektor unter die Durchbruchschwelle zurück, bis die eingefangenen Ladungsträger entweichen können. Im Gated-Mode-Betrieb kann das Bauelement mit Megahertz-Raten arbeiten, bei denen die Einfangdauer Mikrosekunden beträgt. Daher können wir die Nachimpulswahrscheinlichkeit um den Bruchteil der Gatterbreite zum zeitlichen Abstand zwischen den Gattern verringern. Dieser stelle ist es sehr wichtig, die Bedeutung der Gate-Frequenz zu erwähnen, die in fast allen QKD-Anwendungen ein leistungsentscheidender Faktor ist, der die Pulswiederholrate bestimmt und die erreichbare Kommunikationsrate weiter begrenzt. Darüber hinaus ist die Reaktionszeit des Halbleitermaterials einer der wichtigsten Parameter, der über die Anzahl der erzeugten Dark Counts entscheidet und für die Begrenzung der erreichten Kommunikationsdistanz verantwortlich ist, und darüber hinaus werden alle diese Parameter von der Gate-Breite beeinflusst. Im Allgemeinen werden Gate-Breiten von 1-2 ns bei ~ 1 MHz Pulswiederholfrequenz mit endgültigen Dunkelzählungen von 10-5 /Gate-Order eingesetzt.Single photon detection in fiber optic quantum key distribution (QKD) has been studied in many applications using InGaAs/InP avalanche photodiodes in QKD systems due to their experimental properties [10-11, 13-14, 24]. Furthermore, it was analyzed that these detectors suffer from afterpulse effects and low quantum efficiencies due to trapped charge carriers, leading to relatively high dark count rates. These disadvantages degrade the performance of InGaAs/InP avalanche photodiodes in gated mode operation. Under such conditions (in gated mode) the detector operates above the breakdown threshold for a limited time, which means a performance improvement in the form of high photon detection efficiency with comparatively low dark count rates. After a short time interval, the detector returns below the breakdown threshold until the trapped charge carriers are allowed to escape. In gated mode operation, the device can operate at megahertz rates where the capture time is microseconds. Hence we can reduce the afterpulse probability by a fraction of the gate width to the time spacing between gates. At this point, it is very important to mention the importance of the gate frequency, which in almost all QKD applications is a performance-determining factor that determines the pulse repetition rate and further limits the achievable communication rate. In addition, the response time of the semiconductor material is one of the most important parameters that decides the number of dark counts generated and is responsible for limiting the communication distance achieved, and moreover, all these parameters are influenced by the gate width. In general, gate widths of 1-2 ns at ~1 MHz pulse repetition rate with final dark counts of 10-5 /gate-order are employed.

B. Einzelphotonendetektion mit FrequenzaufwärtskonvertierungB. Single photon detection with frequency upconversion

Ein periodisch gepoltes Lithiumniobat (PPLN) wurde für die Summenfrequenzerzeugung entwickelt [15], bei der eine starke Pumpe bei 1320 nm mit einem einzelnen Photon bei 1550 nm wechselwirken kann. Diese Technik wird in dem 1550-nm-Einzelphotonendetektor mit Aufwärtskonversion eingesetzt [12]. Mit dem PPLN-Wellenleiter ist es möglich, ein Signal mit sehr hoher Konversionseffizienz in einen 700-nm-Summenfrequenzausgang umzuwandeln. Dies wird durch die geführte Wellenstruktur des PPLN-Wellenleiters erreicht, in dem ein Quasi-Phasenanpassungsmuster und ein enger Modeneinschluss über längere Wechselwirkungslängen vorhanden sind.A periodically poled lithium niobate (PPLN) was developed for sum frequency generation [15], where a strong pump at 1320 nm can interact with a single photon at 1550 nm. This technique is used in the 1550 nm upconversion single photon detector [12]. With the PPLN waveguide it is possible to convert a signal to a 700nm sum frequency output with very high conversion efficiency. This is achieved by the guided wave structure of the PPLN waveguide, in which there is a quasi-phasematching pattern and tight mode confinement over longer interaction lengths.

Durch Anwendung dieser Methoden detektiert der Silizium-APD die umgewandelten Informationsträger (Photonen). Wir setzen zwei EinzelphotonenDetektoren ein, Si-APD und InGaAs/lnP APDs. Von diesen beiden Detektoren wird der Si-APD in allen industriellen und realen QKD-Anwendungen (Quantum Key Distribution) bevorzugt. Der Grund dafür ist seine hohe Quanteneffizienz im NIR (Nahinfrarotbereich), geringe Nachpulseffekte und niedrige Dark-Count-Raten, geringe Totzeit (45 ns) und eine Zeitauflösung von nur 40 ps. Diese einzigartigen Eigenschaften der Silizium-APDs übertreffen die InGaAs/InP-APDs in fast allen QKD-Anwendungen, bei denen die Einzelphotonen-Detektion mit erhöhter Zeitgenauigkeit und Stabilität bis zu einer Zählrate von 20 MHz erreicht wird [20-23]. Die Geiger-Mode-Charakteristik von Si-APD, die auch als „nongated mode of operation“ bekannt ist, basiert auf einer geringen Nachpuls-Wahrscheinlichkeit und hilft dabei, eine höhere Kommunikationsrate in praktischen QKD-Systemen zu erreichen. Außerdem verringert die Totzeit von Si-APD die sichere Schlüsselgenerierungsrate, hier in Si-APD ist die Totzeit niedrig (45 ns). Während dieser Zeitspanne, in der ein weiteres Photodetektionsereignis auftritt, kann die Photodiode nicht auf weitere Ereignisse antworten, und schließlich sättigt eine größere Menge an Photonenfluss den Aufbau. Bei Si-APD wird ein Quantenwirkungsgrad von 0,35 erreicht, wenn die Bedingung einer 100 %igen Photonenumwandlung erfüllt ist; dies ist möglich, wenn die Bedingung der Phasenanpassung im Wellenleiter erfüllt ist und eine ausreichende Pumpleistung für den genannten Prozess vorhanden ist. In einem Wellenleiter ergibt sich die Anpassungskurve aufgrund von Drei-Wellen-Wechselwirkungen auf der Grundlage der Theorie der gekoppelten Moden.Using these methods, the silicon APD detects the converted information carriers (photons). We use two single photon detectors, Si-APD and InGaAs/InP APDs. Of these two detectors, the Si APD is preferred in all industrial and real-world QKD (Quantum Key Distribution) applications. The reason for this is its high quantum efficiency in the NIR (near infrared), low afterpulse effects and low dark count rates, low dead time (45 ns) and a time resolution of only 40 ps. These unique properties of the silicon APDs outperform the InGaAs/InP APDs in almost all QKD applications where single photon detection is achieved with increased timing accuracy and stability up to a count rate of 20 MHz [20-23]. The Geiger mode characteristic of Si-APD, also known as the "nongated mode of operation", is based on a low post-pulse probability and helps to achieve a higher communication rate in practical QKD systems. Also, the dead time of Si APD reduces the secure key generation rate, here in Si APD the dead time is low (45 ns). During this period of time when another photodetection event is occurring, the photodiode cannot respond to further events and eventually a larger amount of photon flux saturates the assembly. For Si-APD, a quantum efficiency of 0.35 is achieved when the condition of 100% photon conversion is met; this is possible if the condition of phase matching in the waveguide is met and there is sufficient pump power for the process mentioned. In a waveguide, the matching curve arises due to three-wave interactions based on the theory of coupled modes.

Wir gehen davon aus, dass die Dark-Count-Rate durch den unten beschriebenen nichtlinearen Prozess gesteuert wird. Zunächst werden die Pump-Photonen durch die Faser und die Phononen des PPLN-Wellenleiters über einen spontanen Raman-Streuungsmechanismus gestreut. Diese Methode nimmt mit der Pumpleistung sofort zu und erzeugt eine Streuung von Stokes-Photonen, die eine Signalwellenlänge von 1550 nm enthält. Anschließend verbinden sich die Rauschphotonen mit den Pumpphotonen im Wellenleiter über den Ansatz der phasenangepassten Summenfrequenzerzeugung und erzeugen Dark Counts. Der kombinierte Prozess führt zu einer präzisen quadratischen Abhängigkeit der Dunkelzählungen von der Pumpleistung.We assume that the dark count rate is controlled by the non-linear process described below. First, the pump photons are scattered by the fiber and the PPLN waveguide phonons via a spontaneous Raman scattering mechanism. This method increases instantaneously with pump power and produces a scattering of Stokes photons that contains a signal wavelength of 1550 nm. The noise photons then combine with the pump photons in the waveguide via the phase-matched sum frequency generation approach and produce dark counts. The combined process results in a precise quadratic dependence of the dark counts on the pump power.

Dark Counts werden auch durch parametrische Fluoreszenzprozesse und Aufwärtskonvertierung von Rauschsignalphotonen erzeugt. Dies führt zu einer quadratischen Abhängigkeit der Dunkelziffer von der Pumpleistung. Die Dunkelzählungen können durch den Austausch der Signalwellenlängen und der Pumpleistung minimiert werden [12]. Dark Counts begrenzen die Leistung des Aufwärtswandlungsdetektors. Die Bandbreite des Wellenleiters bestimmt die Anzahl der Dunkelzählungen, die auch für die Anzahl der Rauschphotonen verantwortlich ist. Für einen Detektor mit Bd-Bandbreite ist der Parameter Dup Hz definiert als D_up H_z = D_up/B_d s ^-1H_z ^-1, wobei der Begriff Bd die Dunkelziffer pro Modus ist. Im Allgemeinen kann ein ideales Kommunikationssystem in Betracht gezogen werden, bei dem die Bitrate B gleich der Bandbreite B mit einem angepassten Filter ist. Hier ist das Messzeitfenster für ein solches ideales Kommunikationssystem 1/B. Auf der Grundlage ähnlicher Konzepte basiert die Leistung von Quantenschlüsselverteilungssystemen auf einem sehr wichtigen Parameter, den Dark Counts pro Zeitfenster, wobei dup gleich Dup Hz ist. Betrachtet man den Fall der optimalen Filterung, so ist dup unabhängig von der Bitrate B. Hier wird der Parameter Dup Hz für den Arbeitspunkt des Detektors berechnet. Für einen der Fälle, wenn die Bandbreite, Bd = 50 GHz für Up-Converter-Detektor, die in 1,3 × 10-7 als ein optimaler Wert von Dup führt. Diese Manipulationen sind Vorabschätzungen, die in vielen praktischen QKD-Anwendungen eine wichtige Rolle bei der Entscheidung über QKD-Leistungsparameter von Interesse spielen. Die in Quantenkommunikationssystemen verwendete Methode der Frequenzaufwärtskonvertierung verbessert die Erkennungsleistung bei Telekommunikationswellenlängen. Darüber hinaus beeinflusst die Bandbreite des Wellenleiters die Anzahl der Dark Counts in Si-APD, und seine Eigenschaften hängen auch von der Pumpleistung ab. In den kommenden Abschnitten werden wir all diese Faktoren im Detail untersuchen.Dark counts are also generated by parametric fluorescence processes and upconversion of noise signal photons. This leads to a quadratic dependence of the number of unreported cases on the pump power. The dark counts can be minimized by swapping the signal wavelengths and the pump power [12]. Dark counts limit the performance of the upconversion detector. The bandwidth of the waveguide determines the number of dark counts, which is also responsible for the number of noise photons. For a Bd bandwidth detector, the parameter Dup Hz is defined as _Dup _Hz = _Dup / _Bds ^-1 _Hz ^-1 , where the term Bd is the unreported figure per mode. In general, an ideal communication system can be considered where the bit rate B equals the bandwidth B with a matched filter. Here is the measurement time window for such an ideal communication system 1/B. Based on similar concepts, the performance of quantum key distribution systems is based on a very important parameter, the dark counts per timeslot, where dup equals dup Hz. If one considers the case of optimal filtering, then dup is independent of the bit rate B. Here the parameter Dup Hz is calculated for the operating point of the detector. For one of the cases when the bandwidth, Bd = 50 GHz for up-converter detector, which results in 1.3 × 10-7 as an optimal value of Dup. These manipulations are preliminary estimates that play an important role in deciding QKD performance parameters of interest in many practical QKD applications. The frequency upconversion method used in quantum communication systems improves detection performance at telecom wavelengths. In addition, the bandwidth of the waveguide affects the number of dark counts in Si-APD, and its properties also depend on the pump power. In the coming sections, we will examine all of these factors in detail.

III. DIFFERENTIELLES PHASENVERSCHIEBUNGSQUANTEN-SCHLÜSSELVERTEILUNGSPROTOKOLLIII. KEY DIFFERENTIAL PHASE SHIFTING QUANTUM DISTRIBUTION PROTOCOL

DPS-QKD besitzt viele nicht-orthogonale Zustände mit vielen Impulsen [19]. Diese Impulse in stark abgeschwächten kohärenten Zuständen sind zufällig phasenmoduliert {0, π}. Bob wendet im Interferometer auf der Empfängerseite eine Zufallsmodulation auf die Verzögerungszeit NT an, wobei N eine positive ganze Zahl und T der Kehrwert der Taktfrequenz ist, deren Detektorklicks von der Phasendifferenz der beiden Impulse abhängen, die eine Zeitdifferenz von NT haben. Bob teilt den Wert von N und die Zeitpunkte mit, zu denen das Photon entdeckt wurde. Daraus und aus ihren Modulationsdaten erfährt Alice, welcher Detektor geklickt hat. Auf der Grundlage dieser Ereignisse ordnen Alice und Bob die Bitwerte den Detektoren zu. Da die Bit-Information in der differentiellen Phase zweier nichtlokaler Pulse kodiert ist, ist das betrachtete Protokoll sicher gegen individuelle Angriffe. Basierend auf der Anzahl der detektierten Photonen berechnen wir die gesiebte Schlüsselgenerierungsrate, und SKR wird unter Berücksichtigung von Photonensplitting und allgemeinen individuellen Angriffen bewertet.DPS-QKD has many non-orthogonal states with many momenta [19]. These pulses in highly attenuated coherent states are randomly phase modulated {0,π}. Bob applies random modulation to the delay time NT in the interferometer at the receiving end, where N is a positive integer and T is the reciprocal of the clock frequency frequency, whose detector clicks depend on the phase difference of the two pulses, which have a time difference of NT. Bob reports the value of N and the times the photon was detected. From this and from her modulation data, Alice learns which detector clicked. Based on these events, Alice and Bob assign the bit values to the detectors. Since the bit information is encoded in the differential phase of two non-local pulses, the protocol under consideration is secure against individual attacks. Based on the number of photons detected, we calculate the sifted key generation rate, and SKR is evaluated taking into account photon splitting and general individual attacks.

In der vorliegenden Arbeit betrachten wir bei Telekommunikationswellenlängen den Faserverlust (in dB/km), Lf = 0,21 dB/km, und Ld ist der interne Verlust im Detektor (in dB). Die Dunkelzählungen und die Ereignisse nach dem Pulsieren tragen zur Quanten-Bitfehlerrate (QBER) bei.
wobei pclick die Gesamtwahrscheinlichkeit der Ereigniszählungen darstellt, die Gesamtwahrscheinlichkeit nach dem Pulsieren pab mit 200 ns Sperrzeit, der Basisfehler eb und die Dunkelzählwahrscheinlichkeit pro Tor pd ist.In the present work, at telecom wavelengths we consider the fiber loss (in dB/km), Lf = 0.21 dB/km, and Ld is the internal loss in the detector (in dB). The dark counts and the events after the pulsing contribute to the quantum bit error rate (QBER).
where pclick represents the total probability of event counts, the total probability after pulsing is pab with 200 ns guard time, the base error is eb, and the dark count probability per gate is pd.

Die Indizes 1 bis 4 werden für InGaAs/InP-APD verwendet, während die Indizes 5 und 6 für Si-APD verwendet werden. Für jeden Index sind in den simulierten Ergebnissen entsprechende Farbdiagramme dargestellt. Die Wahrscheinlichkeit der Lawinenbildung pro Gate-Puls ist pa, die Sperrzeit des Diskriminators ist td. Die übrigen Parameter sind bereits beschrieben. Aus geht hervor, dass die SKR für Si-APD bei 10 GHz Systemtakt 1,33 × 107 Bits/s über 40 km beträgt (die Parameter entsprechen dem Index 6). Diese Leistungsverbesserung ist auf die höhere Quanteneffizienz, die niedrigen Dark Counts und die geringe Nachimpulswahrscheinlichkeit zurückzuführen. Wir erhalten eine SKR von mehr als 1,3 × 103 Bits pro Sekunde bei einer Kommunikationsentfernung von 260 km innerhalb der akzeptablen Quantenbitfehlerrate von 11 %. Die Ergebnisse zeigen, dass Si-APD in DPS-QKD mit Frequenzaufwärtskonvertierung InGaAs/InP-APD in Bezug auf gesiebte Schlüssel und sichere Schlüsselgenerierungsraten übertrifft und innerhalb der praktisch akzeptablen QBER von 11 % liegt.Indices 1 to 4 are used for InGaAs/InP APD, while indices 5 and 6 are used for Si APD. Corresponding color charts are shown for each index in the simulated results. The probability of avalanche formation per gate pulse is pa, the blocking time of the discriminator is td. The other parameters have already been described. From shows that the SKR for Si-APD at 10 GHz system clock is 1.33 × 107 bits/s over 40 km (the parameters correspond to index 6). This performance improvement is due to the higher quantum efficiency, low dark counts and low post-pulse probability. We get an SKR of more than 1.3 × 103 bits per second at a communication distance of 260 km within the acceptable quantum bit error rate of 11%. The results show that Si-APD in frequency upconversion DPS-QKD outperforms InGaAs/InP-APD in terms of screened keys and secure key generation rates and is within the practically acceptable 11% QBER.

Darüber hinaus führen wir die Sicherheitsanalyse von DPS-QKD unter einigen der bekannten Lauschangriffe wie Beam-Splitter-Angriff und Intercept-Resend-Angriff durch. Aufgrund der Tatsache, dass die verschlüsselte Information der differentiellen Phase von zwei Es werden aufeinanderfolgende nichtlokale Impulse übertragen, die ein sicheres Protokoll ermöglichen, und das Protokoll wird robust gegen die genannten Angriffe.Furthermore, we conduct the security analysis of DPS-QKD under some of the well-known eavesdropping attacks like Beam Splitter Attack and Intercept Resend Attack. Due to the fact that the encrypted information of the differential phase of two consecutive non-local pulses are transmitted, which allows a secure protocol and the protocol becomes robust against said attacks.

A. Beam-Splitter-AngriffA. Beam Splitter Attack

Alice sendet mehrere Photonen an Bob. Diese Photonen werden von Eavesdropper abgefangen, um die Replik der kohärenten Quantenzustände zu erhalten. Bei dieser Strategie setzt Eve einen Strahlenteiler mit der Transmission ηBS ein. Es gibt auch andere Möglichkeiten, bei denen Eve eine verlustfreie Faser anstelle einer verlustbehafteten Faser verwendet. Darüber hinaus ersetzt Eve ineffiziente Detektoren durch ideale Detektoren auf der Empfängerseite (auf Bobs Seite). Die Wahrscheinlichkeit psignal entspricht Gleichung (5) und wird als Bobs Signalphotonen-Erkennungswahrscheinlichkeit bezeichnet.Alice sends several photons to Bob. These photons are intercepted by Eavesdropper to obtain the replica of the coherent quantum states. With this strategy, Eve uses a beam splitter with transmission ηBS. There are also other ways in which Eve uses lossless fiber instead of lossy fiber. In addition, Eve replaces inefficient detectors with ideal detectors on the receiver side (on Bob's side). The probability psignal corresponds to Equation (5) and is referred to as Bob's signal photon detection probability.

Die erforderlichen Parameter für die obige Gleichung wurden bereits genannt. Eve kann in diesem Stadium ein Interferometer mit M_τ-Verzögerungszeit verwenden, das zufällig aus Bobs Interferometer ausgewählt wird, um aus den abgefangenen Impulsen Erkenntnisse zu gewinnen. Die Menge der gemessenen Informationen kann wie folgt berechnet werden. Die Ausdrücke für die Entdeckungswahrscheinlichkeit auf Bobs und Evas Seite für einen bestimmten Zeitschlitz werden als µ (1 - ηBS) bzw. µηBS geschrieben. Der Ausdruck µ steht für den Wert der mittleren Photonenzahl. Die Entdeckungswahrscheinlichkeit im selben Zeitabschnitt wird als µ2ηBS(1-ηBS) ausgedrückt. Analysiert man weiter, so stellt man anhand des Konzepts der bedingten Wahrscheinlichkeit fest, dass der Wert der Wahrscheinlichkeit, dass ein Abhörgerät ein bestimmtes Bit zu einem bestimmten Zeitpunkt empfängt, wenn Bob das Photon zu diesem Zeitpunkt bereits entdeckt hat, als µ2ηBS (1-ηBS)/µηBS = µ (1-ηBS) geschrieben wird. Der Ausdruck 1/N steht für den Wahrscheinlichkeitswert, mit dem sich das vom Abhörer zufällig ausgewählte M mit Bobs N überschneidet. In diesem Stadium kann man schreiben, dass der vom Abhörer im Vergleich zu Bob erreichte Wahrscheinlichkeitswert µ(1-ηBS)/N ist. Dieser Ausdruck für die von Eavesdropper erzielte Wahrscheinlichkeit ist nur dann gültig, wenn sie nicht mit einem Quantenspeicher für unendlich lange Kohärenzzeiten ausgestattet ist. Andererseits kann Eavesdropper mit einem Quantenspeicher ausgestattet sein, um die eintreffenden Photonenimpulsen und der Zeit, in der sie Bobs Ankündigung abhört, um ihre Strategie entsprechend zu gestalten. Um mit ihrer Informationsgewinnungsstrategie erfolgreich zu sein, sollte Eve über einen Quantenspeicher mit langer Kohärenzzeit verfügen, da die authentischen Nutzer, Alice und Bob, ihre individuellen Ankündigungen zufällig verzögern können. Hier setzt Eavesdropper einen optischen Schalter mit einem geeigneten Interferometer anstelle eines Strahlteilers ein, um auf die Impulse zuzugreifen, für die Bob bereits die differentielle Phaseninformation erhalten hat. Somit ergibt sich bei dieser Technik ein signifikanter Informationsgewinn für Eve, der 2µ(1 - ηBS) entspricht. Mit dieser Angriffsstrategie erhält Eavesdropper schließlich eine Informationsmenge von pc = 1, was einem Bitanteil von µ(1-ηBS)/N oder 2µ(1-ηBS) entspricht. In diesem Fall führt der BS-Angriff (Beam Splitter) nicht zu Fehlern bei den beiden authentischen Kommunikationspartnern, Alice und Bob.The required parameters for the above equation have already been given. Eve at this stage can use an M _τ delay time interferometer, chosen at random from Bob's interferometer, to gain insights from the intercepted pulses. The amount of information measured can be calculated as follows. The expressions for the probability of detection on Bob's and Eve's side for a given timeslot are written µ(1 - ηBS) and µηBS, respectively. The expression µ stands for the value of the average photon number. The detection probability in the same time period is expressed as µ2ηBS(1-ηBS). Analyzing further, using the concept of conditional probability, one finds that the value of the probability that a listening device will receive a given bit at a given time, if Bob has already detected the photon at that time, is µ2ηBS (1-ηBS )/µηBS = µ (1-ηBS) is written. The expression 1/N represents the probability value that the listener's randomly chosen M will intersect with Bob's N. At this stage one can write that the probability value obtained by the listener compared to Bob is µ(1-ηBS)/N. This expression for the probability obtained by Eavesdropper is only valid if it is not equipped with a quantum memory for infinitely long coherence times. On the other hand, Eavesdropper can be equipped with quantum memory to store the incoming pulses of photons and the time she listens to Bob's announcement in order to shape her strategy accordingly. In order to be successful with her information retrieval strategy, Eve should have long coherence time quantum memory since the authentic users, Alice and Bob, may randomly delay their individual announcements. Here Eavesdropper uses an optical switch with an appropriate interferometer instead of a beam splitter to access the pulses for which Bob has already obtained the differential phase information. Thus, with this technique, there is a significant infor mation gain for Eve, which corresponds to 2µ(1 - ηBS). With this attack strategy, Eavesdropper finally receives an amount of information of pc = 1, which corresponds to a bit portion of µ(1-ηBS)/N or 2µ(1-ηBS). In this case, the BS attack (beam splitter) does not lead to errors in the two authentic communication partners, Alice and Bob.

B. Intercept-Resend-AngriffB. Intercept-resend attack

Der Eavesdropper wendet den Intercept-Resend-Angriff an, eine weitere Strategie, die auf die von Alice a Bob gesendeten Photonenpulse angewendet wird. Bei dieser Strategie werden zwei auf der MT-Zeitdifferenz basierende Pulse vom Eavesdropper gehackt, über ein Interferometer mit der gleichen Verzögerung weitergeleitet, eine weitere differentielle Phasenmessung findet statt, und anhand der Ergebnisse sendet Eve sie an Bob. Mit dieser Strategie spaltet Eve ein einzelnes Photon in zwei mit korrekter Phasendifferenz was es schwierig macht, ihre Anwesenheit zu erkennen, und daher hält Bob sie für korrekt von Alice gesendet. Auf diese Weise verbirgt die Abhörerin ihre Anwesenheit. Bob kann ihre Anwesenheit feststellen, wenn er mit dem Wahrscheinlichkeitswert (1-1/2N). Daraus ergibt sich ein Fehlerwert, der 1/2(1 - 1/2N) entspricht. In einer solchen Situation kann Eve versuchen, den Wert 2e/(1 - 1/2N) des Impulspaares zu erreichen, der kleiner als die Fehlerrate ist, wobei e die Fehlerrate ist. Für die Erlangung der vollständigen Information durch den Lauscher beträgt der Wahrscheinlichkeitswert 1/2N.The Eavesdropper uses the Intercept-Resend Attack, another strategy applied to the photon pulses sent by Alice a Bob. In this strategy, two pulses based on the MT time difference are chopped by the Eavesdropper, passed through an interferometer with the same delay, another differential phase measurement takes place, and based on the results, Eve sends it to Bob. Using this strategy, Eve splits a single photon into two with correct phase difference making it difficult to detect her presence and hence Bob believes she was correctly sent by Alice. In this way, the eavesdropper hides her presence. Bob can determine their presence by using the probability value (1-1/2N). This results in an error value equal to 1/2(1 - 1/2N). In such a situation Eve can try to reach the value 2e/(1 - 1/2N) of the pulse pair which is smaller than the error rate, where e is the error rate. For the eavesdropper to obtain complete information, the probability value is 1/2N.

IV. ERGEBNISSE UND DISKUSSIONIV. RESULTS AND DISCUSSION

Mit den beschriebenen Parametern und zwei Arten von Detektoren haben wir die Leistung von QKD mit differentieller Phasenverschiebung und Frequenzumwandlung untersucht. Die Werte der untersuchten Parameter sind α = 0,2dB/km bei 1550 nm, die Basis-Systemfehlerrate b = 0,01, der zusätzliche Verlust auf der Empfängerseite ist Lr = 1 dB. Hier wird die sichere Kommunikationsrate in DPS-QKD im Hinblick auf den Wert der mittleren Photonenzahl µ optimiert. Ein zu niedriger Wert von µ erzeugt hohe Dark Counts, und ein zu hoher Wert von µ ist verantwortlich für einen Angriff durch Photonenzahlsplitting.With the parameters described and two types of detectors, we examined the performance of QKD with differential phase shift and frequency conversion. The values of the examined parameters are α = 0.2dB/km at 1550 nm, the basic system error rate b = 0.01, the additional loss on the receiver side is Lr = 1 dB. Here, the secure communication rate in DPS-QKD is optimized with regard to the value of the mean photon number µ. Too low a value of µ produces high dark counts, and too high a value of µ is responsible for a photon number splitting attack.

Simulationsergebnissen wird deutlich, dass die Leistung des betrachteten DPS-QKD-Protokolls mit zwei Arten von Einzelphotonendetektoren stark von der Quanteneffizienz η des Detektors, der Übertragungswiederholrate v, den Dark Counts d und der Nachimpulswahrscheinlichkeit beeinflusst wird. Aufgrund des Nicht-Gated-Mode-Betriebs von Si-APD mit beträchtlichen Timing-Jitter-Werten erzielen wir bessere Ergebnisse bei 1 GHz und 10 GHz. Der leistungsbegrenzende Faktor ist in diesem Fall die Totzeit, td. Hier wird der Wert von td = 45 ns berücksichtigt. Mit Hilfe einer geeigneten Kurvenanpassungsmethode [19] können wir die mit der Pumpleistung p erreichte Kommunikationsdistanz abstimmen. Die erhaltenen optimalen Ergebnisse, die alle diese Situationen und die Werte der verschiedenen Parameter berücksichtigen.Simulation results show that the performance of the considered DPS-QKD protocol with two types of single-photon detectors is strongly influenced by the detector's quantum efficiency η, the transmission repetition rate v, the dark counts d and the post-pulse probability. We get better results at 1GHz and 10GHz due to the non-gated mode operation of Si APD with significant levels of timing jitter. The performance-limiting factor in this case is the dead time, td. Here, the value of td = 45 ns is taken into account. Using a suitable curve fitting method [19] we can tune the communication distance achieved with the pump power p. The optimal results obtained, taking into account all these situations and the values of the various parameters.

Hier stellen wir fest, dass DPS-QKD effizient gegen den PNS-Angriff (Photon Number Splitting) funktioniert, wie im Abschnitt über die Sicherheitsanalyse beschrieben. In den simulierten Ergebnissen stellen wir fest, dass der PNS-Angriff die Leistung nicht beeinträchtigt, wenn Eve über einen Quantenspeicher gemäß Gleichung (18) verfügt. Der Grund dafür ist, dass dieser Angriff unabhängig vom Verzögerungsterm N ist. Wie die Ergebnisse zeigen, erreichen wir bei der Abstimmung der betrachteten Parameter und des Verzögerungsparameters N (N = 1, 10, 100) sichere Schlüsselraten von 107 Bits/Sek. bis 109 Bits/Sek. im Bereich von 200 km bis 310 km Kommunikationsentfernung. Diese optimalen Werte der Leistungsparameter von DPS-QKD beweisen seine praktische Durchführbarkeit unter allen betrachteten Bedingungen. Bei den beiden verwendeten Detektortypen übertrifft Si-APD die Frequenzaufwärtskonvertierung in Bezug auf die betrachteten Leistungsparameter.Here we find that DPS-QKD works efficiently against the PNS (Photon Number Splitting) attack as described in the security analysis section. In the simulated results, we find that the PNS attack does not affect performance when Eve has quantum memory according to equation (18). The reason for this is that this attack is independent of the delay term N. As the results show, when tuning the considered parameters and the delay parameter N (N = 1, 10, 100) we achieve safe key rates of 107 bits/sec. up to 109 bits/sec. in the range of 200km to 310km communication distance. These optimal values of the performance parameters of DPS-QKD prove its practical feasibility under all considered conditions. For the two types of detectors used, Si-APD outperforms frequency upconversion in terms of the performance parameters considered.

V. SCHLUSSFOLGERUNGV. CONCLUSION

Wir haben das DPS-QKD-Protokoll mit den beiden APD-Typen unter Verwendung der Si-APD-Frequenzumwandlung simuliert, was zu optimalen Werten der Leistungsparameter im Vergleich zu InGaAs/InP-APD führt. In unserer zukünftigen Forschungsarbeit werden wir DPS-QKD mit den Protokollen BB84 und BBM92 unter den gleichen Bedingungen und hybriden Angriffen vergleichen. In der aktuellen Forschungsarbeit werden zwei Arten von Einzelphotonendetektoren bei Telekommunikationswellenlängen analysiert, ein Detektortyp ist InGaAs/lnP APD und ein anderer basiert auf der Methode der Frequenzaufwärtskonversion in einem PPLN-Wellenleiter und wird durch eine Silizium-APD weiter erfasst. Darüber hinaus werden Sicherheitsanalysen unter bestimmten Angriffen und Kommunikationsratengleichungen für das DPS-QKD-Protokoll abgeleitet und analysiert. Unsere Simulationsergebnisse zeigen deutlich, dass Si-APD mit Frequenzaufwärtskonvertierung unter den betrachteten Parameterwerten und den diskutierten hybriden Angriffen besser abschneidet als InGaAs/ InP APD. Die verbesserten Simulationsergebnisse für die gesiebte Schlüsselrate, die sichere Schlüsselrate und die Quantenbitfehlerraten werden deutlich hervorgehoben, was beweist, dass Si-APD mit Frequenzaufwärtskonvertierung besser abschneidet als InGaAs/ InP APD. Des Weiteren wurden die Fähigkeiten von Eve mit und ohne Speicher analysiert, was die Leistung des gesamten Quantenkommunikationssystems beeinflusst. Aus den simulierten Ergebnissen geht eindeutig hervor, dass es unter diesen Bedingungen möglich ist, bei hohen Frequenzen, d. h. 1 GHz und 10 GHz, mehr als 300 km mit beträchtlich hohen sicheren Schlüsselraten zu erreichen. Diese Anstrengungen werden die genannten Leistungsparameter in realistischen Quantenkommunikationsszenarien weiter verbessern.We simulated the DPS-QKD protocol with the two APD types using Si-APD frequency conversion, resulting in optimal values of performance parameters compared to InGaAs/InP-APD. In our future research, we will compare DPS-QKD with BB84 and BBM92 protocols under the same conditions and hybrid attacks. In the current research, two types of single photon detectors are analyzed at telecom wavelengths, one detector type is InGaAs/InP APD and another is based on the frequency upconversion method in a PPLN waveguide and is further detected by a silicon APD. In addition, security analyzes under specific attacks and communication rate equations for the DPS-QKD protocol are derived and analyzed. Our simulation results clearly show that Si-APD with frequency upconversion performs better than InGaAs/InP APD under the considered parameter values and the discussed hybrid attacks. The improved simulation results for the sieved key rate, safe key rate, and quantum bit error rates are clearly highlighted, proving that Si APD with frequency upconversion performs better than InGaAs/InP APD. Furthermore, Eve's capabilities with and without memory were analyzed, reflecting the performance of the entire quantum communication system tems affected. From the simulated results it is clear that under these conditions it is possible to reach more than 300 km with considerably high secure key rates at high frequencies, ie 1 GHz and 10 GHz. These efforts will further improve the mentioned performance parameters in realistic quantum communication scenarios.

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Claims

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system after claim 1 , where the single photon detector is an InGaAs/InP avalanche photodiode in the quantum key distribution.

system after claim 1 , where the frequency upconversion detects the single photon by periodically poled lithium niobate (PPLN) designed for sum frequency generation where a strong pump at 1320 nm can interact with a single photon at 1550 nm.

system after claim 1 , where the third telecommunications window at 1550 nm is preferred for practical use of quantum communications, as it has less loss (0.2 dB/km) than the 1300 nm wavelength, which has higher losses (0.35 dB/km).