DE69414874T2

DE69414874T2 - Kryptographischer empfänger

Info

Publication number: DE69414874T2
Application number: DE69414874T
Authority: DE
Inventors: John Gilroy Defence Research Agenc Malvern Worcestershire Wr14 3Ps Rarity; Paul Richard Defence Research Agency Malvern Worcestershire Wr14 3Ps Tapster
Original assignee: UK Secretary of State for Defence
Current assignee: Qinetiq Ltd
Priority date: 1993-10-08
Filing date: 1994-09-23
Publication date: 1999-05-12
Anticipated expiration: 2014-09-24
Also published as: GB2297448A; GB9607094D0; ES2123825T3; DE69414874D1; JPH09505184A; GB9320793D0; EP0722640B1; WO1995010907A1; CN1135820A; US6028935A; EP0722640A1; JP3640961B2; CN1080496C; GB2297448B

Description

Die Erfindung betrifft einen kryptographischen Empfänger und insbesondere einen kryptographischen Empfänger für ein Kommunikationssystem, in dem ein kryptographischer Schlüsselcode von zwei Parteien als Ergebnis des Austausches von Informationen zwischen den beiden Parteien auf die Messung einzelner Photonen hin abgeleitet wird.
Kryptographische Empfänger innerhalb von kryptographischen Kommunikationssystemen sind z. B. im internationalen Anmeldung Nr. PCT/GB91/01352 mit der Veröffentlichungsnummer WO 92/04785 und von A. K. Ekert et al. in Physical Review Letters, Bd. 69, Nr. 9, August 1992, S. 1293-1295, früher beschrieben worden. Die darin beschriebenen Kommunikationssysteme weisen zwei kryptographische Empfänger auf, die in einigem Abstand voneinander entfernt sind, und eine Quelle korrelierter Photonenpaare. Jeder dieser Empfänger weist ein Filter auf, dessen Übertragungskennlinie jeweils entsprechend einem Steuersignal moduliert wird. Der Austausch von Steuersignalinformationen zwischen den beiden Empfängern ermöglicht beiden die Ableitung eines gemeinsamen Schlüsselcodes, der nur den beiden Empfängern zur Verfügung steht. Dieser Schlüsselcode ermöglicht die Verschlüsselung weiterer Nachrichten und deren Übertragung über nicht gesicherte Kommunikationsglieder. Diese Systeme haben den Nachteil, daß Hochgeschwindigkeitsmodulatoren benötigt werden, die entsprechend hohe Übertragungsverluste aufweisen.
Ein kryptographisches Kommunikationssystem, das auf einem die Photonenpolarisation messenden Empfänger basiert, ist von A. Muller et al. in European Physics Letters, Bd. 23, 1993, S. 383-388, beschrieben. Der darin beschriebene Empfänger weist einen elektrooptischen Schalter auf, der Photonen auf zwei Kanäle schaltet, von denen einer einen 45º-Rotator aufweist. Die Kanäle werden zusammengeführt und die polarisierten Photonen werden, bevor sie erfaßt werden, durch einen Polarisations-Strahlenspalter getrennt.
Die Aufgabe dieser Erfindung ist es, eine andere Form eines kryptographischen Empfängers bereitzustellen.
Diese Erfindung stellt einen kryptographischen Empfänger für den Empfang einzelner informationstragender Photonen zur Verfügung und weist auf:
(a) einen ersten Photonenkanal und einen zweiten Photonenkanal;
(b) eine Verteilungseinrichtung für die Verteilung empfangener Photonen zwischen dem ersten Photonenkanal und dem zweiten Photonenkanal;
(c) Einrichtung im ersten Photonenkanal zur Belegung von Photonen mit einer ersten Meßbasis innerhalb des ersten Photonenkanals;
(d) Einrichtung im zweiten Photonenkanal zur Belegung von Photonen mit einer zweiten Meßbasis innerhalb des zweiten Photonenkanals, wobei die erste Meßbasis und die zweite Meßbasis nicht zueinander orthogonal sind;
(e) Photonenerfassungseinrichtung zur Erfassung empfangener Photonen und zur Bereitstellung von Ausgangssignalen in Abhängigkeit von der Erfassung derartiger Photonen; und
(f) Signalverarbeitungseinrichtung zum Empfang der Ausgangssignale und von Signalen einer externen Quelle und zum Generieren eines kryptographischen Schlüsselcodes aus einer Kombination der Ausgangssignale und der Signale von einer externen Quelle, so daß der Empfänger und die externe Quelle einen identischen Schlüsselcode teilen,
dadurch gekennzeichnet, daß
(i) die Verteilungseinrichtung die empfangenen Photonen zufällig zwischen dem ersten und dem zweiten Photonenkanal verteilt, ohne daß ein Steuersignal benötigt wird, und
(ii) die Ausgangssignale von der Photonenerfassungseinrichtung die jeweilige den empfangenen Photonen auferlegte Meßbasis indizieren.
Der Vorteil der Erfindung liegt darin, daß ein Hochgeschwindigkeitsmodulator, der mit hohen Übertragungsverlusten verbunden ist, nicht benötigt wird. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Übertragungsraten höher sein können als die früherer Empfänger.
Der kryptographische Empfänger kann für den Empfang von Photonen, die die Information als Phasenbeziehung tragen, aufgebaut werden. Der Empfänger kann nicht abgeglichene Mach-Zehnder-Interferometer aufweisen, deren Übertragungskennlinien von der Photonenwellenlänge abhängig sind. Der kryptographische Empfänger kann auch aufgebaut werden, um die Polarisation empfangener Photonen zu messen, wobei der Polarisationszustand die Information beinhaltet.
Der erfindungsgemäße kryptographische Empfänger kann innerhalb eines Kommunikationssystems enthalten sein, das einen zweiten erfindungsgemäßen kryptographischen Empfänger hat, wobei jeder Empfänger der entsprechenden Partei einen ge meinsamen Schlüsselcode bereitstellt. Dieser Aufbau hat den Vorteil einer verbesserten Sicherheit, da keiner der Parteien ein Steuersignal, das nicht abhörsicher ist, für deren Empfänger zur Verfügung stellt.
Im folgenden werden Ausführungsformen dieser Erfindung beispielhaft mit Bezug auf die folgenden Figuren beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch einen erfindungsgemäßen kryptographischen Empfänger;
Fig. 2 schematisch einen erfindungsgemäßen kryptographischen Empfänger in der Form eines passiven Polarisationsempfängers;
Fig. 3 schematisch ein Kommunikationssystem, das den Empfänger aus Fig. 1 enthält;
Fig. 4 eine Photonenpaarquelle des Systems in Fig. 3;
Fig. 5 ein Zeitdiagramm für das System in Fig. 3;
Fig. 6 schematisch ein Kommunikationssystem, das den Empfänger aus Fig. 2 enthält, und
Fig. 7 ein weiteres Kommunikationssystem, das einen erfindungsgemäßen Empfänger in Form eines Mach-Zehnder-Interferometers mit erweiterter Zeiteinteilung enthält.
In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßer kryptographischer Empfänger 10 schematisch dargestellt. Der Empfänger 10 ist dazu ausgelegt, Photonen zu empfangen, die von einer fernen Quelle (nicht gezeigt) entlang eines faseroptischen Leiters 12 kommen. Ein Faserkoppler 14 koppelt die ankommenden Pho tonen, dargestellt durch den Pfeil 16, zufällig in den einen oder den anderen der beiden Kanäle 18 und 20. Der Faserkoppler 14 ist ein Strahlteiler, der so aufgebaut ist, daß er Photonen auf den Kanal 18 und den Kanal 20 zufällig verteilt. Die jeweiligen Wahrscheinlichkeiten dafür, daß ein Photon in den einen Kanal 18 oder in den anderen Kanal 20 gekoppelt wird, sind in etwa gleich. Beide Kanäle 18 und 20 sind faseroptische Leiter. Die Kanäle 18 und 20 führen auf entsprechende Filter 22 und 24.
Das Filter 22 hat einen 50/50-Faserkoppler 26 ähnlich dem Faserkoppler 14, der Photonen zufällig entweder in einen langen Faserpfad 28 oder in einen kurzen Faserpfad 30 koppelt. Diese Pfade werden in einem weiteren 50/50-Faserkoppler 32 zusammengeführt. Der lange Faserpfad 28 enthält eine Phasenplatte 34. Die Phasenplatte 34 verschiebt die Phase von Photonen, die entlang des Pfades 28 kommen, um (2nπ ± π/2) rad, wobei n eine ganze Zahl ist. Das Filter 24 ist insofern dem Filter 22 ähnlich, als es einen 50/50- Faserkoppler 36, einen langen Faserpfad 38, einen kurzen Faserpfad 40 und einen zweiten 50/50-Faserkoppler 42 hat. Die langen Faserpfade 28, 38 sind von gleicher Länge, ebenso wie die kurzen Faserpfade 30, 40. Innerhalb des langen Faserpfades 38 des Filters 24 ist eine Faserplatte 44 angebracht, die eine Phasenverschiebung der den Pfad 38 entlangkommenden Photonen von 2mπ rad bewirkt, wobei m eine ganze Zahl ist. Im einfachsten Fall sind n und m beide gleich Null. Das Filter 22 hat dann eine Phasenplatte 34, die eine Phasenverschiebung von π/2 bewirkt, und das Filter 24 hat eine Phasenplatte, die eine Phasenverschiebung von Null bewirkt. Die Filter 22 und 24 sind demnach dazu da, zwei nicht zueinander orthogonale Meßbasen zu bilden. Nicht orthogonale Zustände sind in Form von Projektionsoperatoren in einem Aufsatz von C. H. Bennet in Physical Review Letters, Bd. 68, Nr. 21, Mai 1992, S. 3121-3124, definiert.
Die zwei Faserkoppler 32 und 42 koppeln Photonen in entsprechende Paare von Ausgangskanälen 45 und 46 sowie 48 und 50. Jeder der Ausgangskanäle 45, 46, 48 und 50 endet in einem entsprechenden Photonendetektor 52, 54, 56 und 58. Jedes Photon, das von den Detektoren 52, 54, 56 und 58 erfaßt wird, erzeugt einen elektrischen Puls. Die Detektoren 52, 54, 56 und 58 sind über entsprechende Drähte 62, 64, 66 und 68 mit einem Signalprozessor 60 verbunden. Die Filter 22 und 24, die Ausgangskanäle 45-50 und die Photonendetektoren 52-58 bilden unterschiedliche Einrichtungen.
Die Filter 22 und 24 sind nicht abgeglichene Mach-Zehnder- Interferometer. Ein einzelnes einlaufendes Photon, das in den Empfänger 10 eintritt, dargestellt durch den Pfeil 16, durchläuft zufällig entweder das Filter 22 oder das Filter 24. Folglich werden Photonen, die bei 12 in die Vorrichtung 10 gelangen, zufällig zwischen die Filter 22 und 24 verteilt. Die langen Faserpfade 28 und 38 haben eine Pfadlänge, die um l größer ist als die Pfadlänge der kurzen Faserpfade 30 und 40. Abhängig von der Wellenlänge des Photons, das entweder in das Filter 22 oder 24 eintritt, und der Pfaddifferenz l wird das Photon in einem der Photonendetektoren 52, 54, 56 oder 58 erfaßt. Welcher Detektor das Photon erfaßt, ist abhängig davon, ob an den Faserkopplern 32 oder 42 konstruktive oder destruktive Interferenz stattfindet. Wenn die Wellenlänge des einlaufenden Photons mit einer Kohärenzlänge von weniger als l ungewiß ist, wird das Photon zufällig auf einen der Detektoren 52, 54, 56 und 58 treffen. Der Betrieb des Empfängers 10 innerhalb eines Kommunikationssystems wird später beschrieben.
In Fig. 2 ist eine andere Ausführungsform dieser Erfindung in Form eines passiven Polarisationsempfängers, allgemein mit 110 bezeichnet, gezeigt. Der Empfänger 110 empfängt po larisierte Photonen einer fernen Quelle (nicht gezeigt) entlang eines faseroptischen Leiters 112. Ein polarisationserhaltender und polarisationsunabhängiger Faserkoppler 114 koppelt die ankommenden polarisierten Photonen, dargestellt durch den Pfeil 116, zufällig in einen der Kanäle 118 und 120. Die Kanäle 118 und 120 sind polarisationserhaltende faseroptische Leiter, die auf entsprechende Polarisationsrotatoren 122 und 124 führen. Der Rotator 122 dreht die Polarisation der durchlaufenden Photonen um 45º, und der Rotator 124 dreht die Polarisation der durchlaufenden Photonen um 0º. Der Kanal 118 führt dann auf einen Polarisations-Strahlteiler 126. Die am Strahlteiler 126 eintreffenden Photonen werden in Abhängigkeit von ihrer Polarisation entweder auf den Photonendetektor 128 oder den Photonendetektor 130 ausgegeben. Der Kanal 120 führt von dem Rotator 124 auf einen Polarisations-Strahlteiler 132 entsprechend dem Strahlteiler 126. Der Strahlteiler 132 hat zwei Ausgänge, die auf die Photonendetektoren 134 und 136 führen. Die Rotatoren 122 und 124 belegen die Photonen innerhalb der entsprechenden Kanäle 118 und 120 mit nicht zueinander orthogonalen Meßbasen.
Die Photonendetektoren 128, 130, 134 und 136 wandeln Photonen in elektrische Pulse, die entlang entsprechenden Leitungen 138, 140, 142 und 144 einem Signalprozessor 146 zugeführt werden. Der Betrieb des Empfängers 110 innerhalb eines Kommunikationssystems wird später beschrieben.
Der Kanal 120 des Empfängers 110 kann so aufgebaut werden, daß er eine Verzögerungsschleife aufweist. In einer derartigen Ausführungsform werden die beiden Polarisations- Strahlteiler 126 und 132 durch einen einzelnen Polarisations-Strahlteiler ersetzt, der zwei Eingangskanäle entsprechend den Kanälen 118 und 120 hat. Die Verzögerungsschleife im Kanal 120 ermöglicht es dem Signalprozessor, durch Mes sen der Ankunftszeit eines Photons am Polarisations- Strahlteiler zu erkennen, welchen Kanal dieses Photon durchlaufen hat. Anstatt eines 0º-Rotators wie der Rotator 124 kann der Kanal 120 durch ein Stück eines polarisationserhaltenden faseroptischen Wellenleiters ersetzt werden, sofern es die Photonen innerhalb des Kanals 120 mit einer Meßbasis belegt, die nicht orthogonal zu der Meßbasis ist, die durch den Rotator 122 im Kanal 118 bereitgestellt wird. Die Verwendung von zwei Rotatoren vereinfacht die Arbeitsweise des Empfängers 110, da sie es ermöglichen, die Leistung des Empfängers zu "trimmen", um die Leistung zu maximieren. Ein solches "Trimmen" wird dadurch erreicht, daß die Rotationswinkel von 0º und 45º leicht verändert werden, um der Fehlausrichtung der Polarisations-Strahlteiler 126 und 132 Rechnung zu tragen.
In Fig. 3 ist ein Kommunikationssystem, allgemein mit 200 bezeichnet, gezeigt. Das Kommunikationssystem weist einen ersten Empfänger 210 und einen zweiten Empfänger 220 auf. Die Empfänger 210 und 220 entsprechen dem Empfänger 10. Das System 200 weist außerdem eine Quelle 230 von Photonenpaaren auf. Die Quelle 230 sendet Photonenpaare aus, wobei das eine Photon in den faseroptischen Leiter 232, dargestellt durch den Pfeil 234, und das andere Photon in den faseroptischen Leiter 236 gekoppelt wird, dargestellt durch den Pfeil 238. Der faseroptische Leiter 232 leitet die Photonen zu dem ersten Empfänger 210, und der faseroptische Leiter 236 leitet die Photonen zu dem zweiten Empfänger 220. Die beiden Empfänger 210 und 220 kommunizieren über ein konventionelles Kommunikationsverbindung 240, die eine Telefonverbindung sein kann, miteinander.
Der Empfänger 210 enthält einen Strahlteiler 241, ein erstes Mach-Zehnder-Interferometer 242 und ein zweites Mach- Zehnder-Interferometer 244. Das Interferometer 242 hat zwei Ausgangskanäle 246 und 248, die zu den entsprechenden Photonendetektoren 250 und 252 führen. Das Interferometer 244 hat zwei Ausgangskanäle 254 und 256, die zu den entsprechenden Photonendetektoren 258 und 260 führen. Entsprechend hat der Empfänger 220 einen Strahlteiler 261, ein erstes Mach-Zehnder-Interferometer 262 und ein zweites Mach-Zehnder-Interferometer 264. Das Interferometer 262 hat zwei Ausgangskanäle 266 und 268, die zu den entsprechenden Photondetektoren 270 und 272 führen. Das Interferometer 264 hat zwei Ausgangskanäle 274 und 276, die zu den entsprechenden Photondetektoren 278 und 280 führen. Die Photonendetektoren 250, 252, 258, 260, 270, 272, 278 und 280 sind aktiv auslöschende, Photonen zählende Avalanche-Photodioden, wie sie von Brown et al. in Applied Optics 26 (1987), S. 2383, beschrieben sind. Auf ein erfaßtes Photon hin sendet der Photonendetektor einen elektrischen Puls aus. Die Pulse, die von den Photonendetektoren 250, 252, 258 oder 260 kommen, werden von dem Signalprozessor 282 erfaßt und Pulse, die von den Photonendetektoren 270, 272, 278 oder 280 kommen, werden von dem Signalprozessor 284 erfaßt. Die Signalprozessoren 282 und 284 tauschen Informationen über eine konventionelle Kommunikationsverbindung 240 aus. Die ersten Interferometer 242 und 262 haben jeweils eine entsprechende Phasenplatte 286 und 288 in ihrem langen Arm, die eine relative Phasenverschiebung von 0º bewirken. Das zweite Interferometer 244 hat eine Phasenplatte 290 in seinem langen Arm, die eine relative Phasenverschiebung von +π/2 rad bewirkt, und das zweite Interferometer 264 hat eine Phasenplatte 292 in seinem langen Arm, die eine relative Phasenverschiebung von -π/2 rad bewirkt.
Fig. 4 zeigt die Quelle 230 der Photonenpaare detaillierter. Die Quelle 230 weist einen monochromatischen Laser 300 und einen nichtlinearen Kristall 302 auf. Der Laser 300 ist ein 100-mW-Krypton-Ionen-Laser, der bei einer Wellenlänge l&sub0; von 413,4 nm arbeitet. Der nichtlineare Kristall 302 ist ein Lithiumiodat-Kristall. Der Laser 300 sendet Photonenpulse wie das Photon 304 entlang der gestrichelten Pfeilrichtung 306 aus. In dem Kristall 302 durchlaufen die Photonen eine nicht entartende Abwärtswandlung und korrelierte Photonenpaare werden ausgesendet. Die Aperturen 308 und 310 sind so aufgebaut, daß Photonenpaare wie die Photonen 312a und 312b hindurchgelangen können. Die Photonen 312a und 312b folgen der Richtung, die durch die entsprechenden Pfeile 314a und 314b aufgezeichnet ist. Die Pfeile 314a und 314b haben einen entsprechenden Winkel θ&sub1; und θ&sub2; im Verhältnis zum Pfeil 306. Die Photonen 312a und 312b bilden ein korreliertes Paar mit den entsprechenden Wellenlängen λ&sub1; und λ&sub2; und werden vom Kristall 302 in etwa gleichzeitig mit konjugierten Energien ausgesendet. Der Ausdruck "konjugierte Energien" meint, daß die Summe der Energien des Photonenpaars gleich der Energie des einstrahlenden Photons 304 ist. Die Aperturen 308 und 310 haben eine endliche Breite und übertragen die vom Kristall 302 ausgesendeten Photonen innerhalb eines engen Akzeptanzwinkelbereiches. Dieser Bereich resultiert aus der Wellenlängenbandbreite δλ der übertragenen Photonen wie die Photonen 312a und 312b. Die Aperturen 308 und 310 sind so aufgebaut, daß θ&sub1; = θ&sub2; = 14,5º ist. Photonen wie das Photon 312a haben eine Wellenlänge von λ&sub1; ± δλ und Photonen wie das Photon 312b haben eine Wellenlänge von λ&sub2; ± δλ mit λ&sub1; = λ&sub2; = 2λ&sub0; = 826,8 nm. Photonen wie das Photon 312a werden durch die Linse 316 in den faseroptischen Leiter 312b gekoppelt und Photonen wie das Photon 312b werden durch die Linse 318 in den faseroptischen Leiter 236 gekoppelt.
Bezugnehmend auf Fig. 3 wird im folgenden die Arbeitsweise des Kommunikationssystems 200 beschrieben. Wenn das Photon 312a den Empfänger 210 erreicht, kann es entweder zu dem ersten Interferometer 242 oder zu dem zweiten Interferome ter 244 gelangen. Wenn entsprechend das Photon 312b den Empfänger 220 erreicht, kann es entweder zum ersten Interferometer 262 oder zum zweiten Interferometer 264 gelangen. Den von den Photonendetektoren 250, 258, 270 und 278 erzeugten elektrischen Pulsen wird ein Binärwert von 0 zugewiesen und den von den Photonendetektoren 252, 260, 272 und 280 erzeugten Pulsen wird ein Binärwert von 1 zugewiesen. Es gibt einzelne Photonen mit ungewisser Wellenlänge, so daß folglich beide Photonen 312a und 312b zu einem Photonendetektor gelangen können, dessen Puls entweder einer 0 oder einer 1 entspricht. Die Wellenlängen der Photonen 312a und 312b sind korreliert, so daß ein Korrelationskoeffizient E abgeleitet werden kann, der die Wahrscheinlichkeit, daß ein Photon 312a einen speziellen Binärwert generiert, und die Wahrscheinlichkeit, daß ein Photon 312b denselben Binärwert generiert, zueinander in Beziehung setzt.
Der Korrelationskoeffizient ist durch den folgenden Ausdruck gegeben:
E = cos (φ&sub1; + φ&sub2;), (1)
wobei φ&sub1; die Phasenverschiebung der Phasenplatte 286 oder 244 des ersten Empfängers, den das Photon 312a durchläuft, ist und φ&sub2; die Phasenverschiebung der Phasenplatte 288 oder 292 des zweiten Empfängers, den das Photon 312b durchläuft, ist. Wenn (φ&sub1; + φ&sub2;) gleich Null ist, ist E gleich eins und die Photonen 312a und 312b gelangen beide zu Photonendetektoren, die Pulse mit demselben Binärwert generieren.
Nachdem die Photonen 312a und 312b erfaßt und die resultierenden elektrischen Pulse von den Signalprozessoren 282 und 284 gemessen worden sind, sendet jeder Signalprozessor dem anderen Identifikationsdetails des Interferometers, das das Photon 312a oder 312b durchlaufen hat. Beide Signalprozes soren können dann entscheiden, ob der Wert des Korrelationskoeffizienten E gleich 1 ist oder nicht. Wenn E gleich 1 ist, sind die Messungen gültig und werden abgespeichert. In den Fällen, in denen (φ&sub1; + φ&sub2;) nicht gleich Null ist und deshalb E nicht gleich eins ist, werden die Messungen nicht verwertet. Der erste Empfänger und der zweite Empfänger haben gemeinsam den Binärwert der gültigen Messung. Eine Folge dieser gemeinsamen Binärwerte wird in aufeinanderfolgenden Messungen ausgebildet und als Schlüsselcode für die Codierung von Nachrichten zwischen den beiden Empfängern, die über unsichere öffentliche Kommunikationssysteme ausgetauscht werden, benutzt.
In Fig. 5 ist ein Zeitdiagramm 350 von Pulsen, die von den Signalprozessoren 282 und 284 gemessen wurden, gezeigt. Das Zeitdiagramm 350 weist eine Folge von Graphen mit der Darstellung der Pulsamplitude in Abhängigkeit von der Zeit auf. Die Graphen 360a, 360b, 360c und 360d entsprechen den Ausgängen der entsprechenden Photonendetektoren 250, 252, 258 und 260 und die Graphen 362a, 362b, 362c und 362d entsprechen den Ausgängen der entsprechenden Photonendetektoren 270, 272, 278 und 280. Die Binärwerte, die den Pulsen jedes Detektors entsprechen, sind in der Spalte 370 dargestellt.
Das Zeitdiagramm 350 zeigt verschiedene Fälle, in denen der Empfänger 210 ein Photon erfaßt, aber der Empfänger 220 nicht. Solch ein Fall ist an der Linie 372 gezeigt. Entsprechend gibt es mehrere Fälle, in denen der Empfänger 220 ein Photon erfaßt, aber der Empfänger 210 nicht, wie es an der Linie 374 gezeigt ist. Wenn einer der Signalprozessoren · 282 und 284 einen Puls mißt, aber der andere Prozessor nicht, wird die Information nicht verwertet.
Das Zeitdiagramm 350 zeigt sechs Fälle, dargestellt durch die gepunkteten Linien 376, 378, 380, 383, 384 und 386, in denen beide Signalprozessoren einen Puls zur selben Zeit messen. Von diesen sechs Fällen gibt es zwei, in denen (φ&sub1; + φ&sub2;) nicht gleich Null ist. Dies ist an den gepunkteten Linien 378 und 384 gezeigt. Unter Nichtverwertung dieser beiden Messungen bleiben vier gültige Messungen übrig. Diese vier Messungen, dargestellt durch die gepunkteten Linien 376, 380, 382 und 386, ermöglichen es, daß beide Signalprozessoren 282 und 284 die Vier-Bit-Binär-Nummer 0100 erhalten. Damit die Signalprozessoren entscheiden können, ob die Pulse, die beide gemessen haben, von einem korrelierten Photonenpaar kommen, müssen sie ebenso Informationen über den Erfassungszeitpunkt der Pulse austauschen.
Um sich zu versichern, ob ein Lauscher versucht hat, die Übertragung von Photonen abzuhören, können die beiden Signalprozessoren eine vorbestimmte Zufallsfolge von Bits austauschen. Wenn die ausgetauschten Folgen nicht identisch sind, ist ein Lauscher erkannt worden und eine sichere Kommunikation ist nicht möglich. Wenn die ausgetauschten Folgen identisch sind, gibt es eine angemessene Sicherheit, daß kein Lauscher vorhanden ist, und die verbleibenden geheimen Bits werden dazu benutzt, einen gemeinsamen Zufallsschlüsselcode zu formen, der nur den beiden Signalprozessoren bekannt ist. Öffentliche Übertragungen von einem Prozessor zum anderen werden mit dem Schlüsselcode codiert und decodiert.
In Fig. 6 ist ein Kommunikationssystem gezeigt und allgemein mit 400 bezeichnet, das den Empfänger der Erfindung enthält. Das Kommunikationssystem 400 ist ein Kommunikationssystem mit polarisierten Photonen. Das System 400 hat eine Quelle schwach polarisierter Photonen 410, die Photonen wie das Photon 412 in einen elektrooptischen Schalter 414 koppelt. Der Schalter 414 leitet das Photon 412 zu einem der vier Kanäle 416a, 416b, 416c oder 416d. Die Kanäle 416a-416d enthalten jeder einen Polarisationsrotator. Kanal 416a enthält den Rotator 418a, der die Photonenpolarisation um 0º dreht; Kanal 416b enthält den Rotator 418b, der die Polarisation um 90º dreht; Kanal 416c enthält den Rotator 418c, der die Polarisation um +45º dreht und Kanal 416d enthält den Rotator 418d, der die Photonenpolarisation um -45º bezüglich der ursprünglichen Polarisation dreht. Diese Drehungen sind schematisch dargestellt. Die Rotatoren bilden folglich zwei nicht orthogonale Sätze von polarisierten Richtungen; die Rotatoren 418a und 418b bilden einen geradlinigen Satz mit Drehungen von 0º und 90º und die Rotatoren 418c und 418d bilden einen nicht orthogonalen diagonalen Satz mit Drehungen von +45º und -45º. Auf ein Steuersignal von einem Signalprozessor 420 hin leitet der Schalter 414 das Photon 412 zu einem der vier Rotatoren 418a bis 418d.
Die vier Kanäle 416 a-d werden am passiven Koppler 422 wieder zusammengeführt. Der Schalter 414 und der Koppler 422 belassen beide die Polarisationsrichtung der Photonen, wenn die Photonen sie durchlaufen.
Das Photon 412 gelangt vom Schalter 414 durch einen der Rotatoren 418 a-d, wo seine Polarisation gedreht wird, zum Koppler 422. Nach dem Koppler 422 durchläuft das Photon 412 den faseroptischen Leiter 424. Das Photon 412 durchläuft dann eine faseroptische Polarisationssteuerung 426. Diese Polarisationssteuerung 426 stellt sicher, daß das austretende Photon einen Polarisationsbezugsrahmen hat, der identisch zu dem ist, den das Photon hatte, als es in den faseroptischen Leiter 424 eingetreten ist. Nach der Polarisationssteuerung gelangt das Photon 412 zum Empfänger 430. Der Empfänger 430 ist wie der Empfänger 110 beschaffen. Das Photon 412 gelangt zu einem polarisationserhaltenden Faserkoppler 432, der das Photon zufällig entweder in den einen Kanal 434 oder in den anderen Kanal 436 koppelt. Kanal 434 enthält einen 45º-Rotator 438, während der Kanal 436 einen 0º-Rotator 439 enthält. Ein Photon im Kanal 434 gelangt danach zu einem Polarisations-Strahlenspalter 440. Photonen, die nach Durchlaufen des Rotators 438 eine vertikale Polarisation haben, gelangen zum Detektor 442, während Photonen, die eine horizontale Polarisation haben, zum Detektor 444 gelangen. Ein Photon im Kanal 436 gelangt zu einem Polarisations-Strahlenspalter 446. Vertikal polarisierte Photonen gelangen zum Detektor 448, während horizontal polarisierte Photonen zum Detektor 450 gelangen. Die Rotatoren 438 und 439 belegen die Photonen innerhalb der Kanäle 434 und 430 mit zueinander nicht orthogonalen Meßbasen. Auf die Erfassung eines Photons durch einen der Detektoren 442, 444, 448 oder 450 hin wird ein elektrischer Puls entlang entsprechender Leitungen 452a, 452b, 453c oder 452d zu dem Signalprozessor 454 geführt. Den Pulsen, die von den Detektoren 442 und 448 kommen, wird eine Binärzahl 0 zugewiesen und Pulsen, die von den Detektoren 444 und 450 kommen, wird eine Binärzahl 1 zugewiesen.
Wenn der Signalprozessor 454 einen elektrischen Puls mißt, der aus der Erfassung eines Photons 412 resultiert, teilt er dem Signalprozessor 420 mit, welchen Kanal das Photon 412 durchlaufen hat. Der Signalprozessor 420 teilt dem Signalprozessor 454 über eine Kommunikationsverbindung 456 mit, ob das Photon 412 durch den Schalter 414 zu einem der Rotatoren 418a-418d geführt wurde, was entweder zu einer geradlinigen Polarisation oder zu einer diagonalen Polarisation geführt hat. Wenn das Photon 412 nach Durchlaufen des Rotators 418a oder 418b eine geradlinige Polarisation aufweist, aber von dem Empfänger 430 im Kanal 434 erfaßt wurde, ist die Messung nicht gültig. Entsprechend ist, wenn das Photon einen diagonalen Rotator 418c oder 418d durchlaufen hat, aber von dem Empfänger 420 im Kanal 436 erfaßt wurde, die Messung ungültig. Gültige Messungen sind die, bei denen das Photon einen geradlinigen Rotator 418a oder 418b durchläuft und im Kanal 436 erfaßt wird oder wenn es einen diagonalen Rotator 418c oder 418d durchläuft und im Kanal 434 erfaßt wird. Ungültige Messungen werden nicht verwertet.
Der Signalprozessor 420 steuert, in welchen Kanal der Schalter 414 ein Photon leitet. Von den beiden Kanälen, die eine geradlinige Polarisation 416a und 416b beinhalten, entspricht Kanal 416a einer Binärzahl 0 und Kanal 416b einer Binärzahl 1. Für die diagonalen Rotatorenkanäle 416c und 416d gilt entsprechend, daß Kanal 416c einer Binärzahl 1 entspricht und Kanal 416d einer Binärzahl 0. Der Ausdruck "entspricht" meint "Gleichsetzen im Signalprozessor 420". Im Falle von gültigen Messungen weisen der Signalprozessor 420 und der Signalprozessor 454 beide den gleichen Binärwert auf; diese Binärwerte werden gesammelt, um einen binären Schlüsselcode zu bilden, der beiden Prozessoren gemeinsam gehört. Dieser Schlüsselcode wird benutzt, um Übertragungen über das Kommunikationsglied 456 zu codieren. Eine Routine ähnlich der im System 200 kann benutzt werden, um einen Lauscher zu erfassen.
Fig. 7 zeigt ein Kommunikationssystem, allgemein mit 500 bezeichnet, das den Empfänger dieser Erfindung beinhaltet. Das Kommunikationssystem 500 weist ein Mach-Zehnder-Interferometer mit erweiterter Zeiteinteilung auf. Ein gepulster Laser 510 stellt einen Puls von Photonen, dargestellt durch den Pfeil 512, zur Verfügung. Diese Photonen gelangen zu einem Dämpfungsglied 514. Das Dämpfungsglied 514 ist so aufgebaut, daß es im Mittel 0,1 Photonen je Laserpuls überträgt oder daß von 10 Laserpulsen nur einer dazu führt, da ein einzelnes Photon übertragen wird. Ein einzelnes Photon 516 gelangt zu einem ersten Faserkoppler 518. Der Koppler 518 koppelt Photonen wie das Photon 516 entweder in einen langen Faserpfad 520 oder in einen kurzen Faserpfad 522. Die beiden Pfade 520 und 522 werden am Faserkoppler 524 wieder zusammengeführt. Der kurze Faserpfad 522 enthält eine Phasenverschiebung 526, die aus einer Freiraum-Verbindung besteht, deren Länge mittels eines piezoelektrischen Wandlers (nicht gezeigt) in Abhängigkeit von einem Signal des Signalprozessors 528 verändert wird. Das Signal des Signalprozessors 528 stellt die Phasenverschiebung auf einen von vier Einstellungen ein. Diese vier Einstellungen führen eine relative Phasenverschiebung von 0, π/2, 3π/2 und π rad ein. Die Einstellungen 0 und π rad bilden eine erste Meßbasis, und die Einstellungen π/2 und 3π/2 bilden eine zweite, nicht orthogonale Meßbasis. Der Phasenschieber 526 kann alternativ ein elektrooptischer Phasenmodulator sein.
Der lange Pfad 520 hat eine Pfadlänge L&sub1;, und der kurze Pfad 522 hat eine Pfadlänge S&sub1; mit einer Pfadlängendifferenz von (L&sub1; - S&sub1;). Der Photonenpuls des Lasers 510 hat eine Dauer von 30 ps, und die Differenz der Fortpflanzungszeit zwischen den Photonen, die sich entlang des kurzen Pfades 522 fortpflanzen, und denen, die sich entlang des langen Pfades 520 fortpflanzen, beträgt 1,1 ns und ist damit viel größer als 30 ps. Die Wiederholrate des Lasers 510 beträgt 105 MHz.
Photonen wie das Photon 516 werden von dem Faserkoppler 524 in einen faseroptischen Übertragungsleiter 530 gekoppelt, dessen Länge größer als 10 km betragen kann. Der faseroptische Leiter 530 befördert Photonen zu einem Empfänger 532, der ähnlich dem Empfänger 10 beschaffen ist. Photonen wie das Photon 516 werden durch den faseroptischen Koppler 538 zufällig in einen der beiden Filter 534 oder 536 gekoppelt.
Die Filter 534 oder 536 weisen lange Faserpfade 540 und 542 mit einer Länge von L&sub2;, die gleich der Länge L&sub1; ist, und kurze Faserpfade 544 und 546 der Länge S&sub2;, die gleich der Länge S&sub1; ist, auf. Der kurze Faserpfad 544 enthält eine Phasenplatte 548, die eine relative Phasenverschiebung der durchlaufenden Photonen von 0 rad bewirkt, und der kurze Faserpfad 546 enthält eine Phasenplatte 550, die eine relative Phasenverschiebung von π/2 rad bewirkt. Die Faserpfade 544 und 540 werden am Faserkoppler 552 zusammengeführt, und die Faserpfade 546 und 542 werden am Faserkoppler 554 zusammengeführt. Der Faserkoppler 552 koppelt Photonen wie das Photon 516 entweder in den Photonendetektor 556 oder in den Photonendetektor 558. Der Faserkoppler 554 koppelt Photonen wie das Photon 516 in den Photonendetektor 560 oder in den Photonendetektor 562. Die Photonendetektoren 556, 558, 560 und 562 sind Hochgeschwindigkeits-Germanium- Avalanche-Photodioden, die auf 196ºC (77 K) gekühlt werden und im Geiger-Modus mit passiver Auslöschung mittels eines 33-kΩ-Widerstands arbeiten.
Die elektrischen Signale, die aufgrund einer Photonenerfassung von den Photonendetektoren 556, 558, 560 und 562 erzeugt werden, werden vom Signalprozessor 564 gemessen. Der Signalprozessor weist Signalen, die von den Detektoren 556 und 560 kommen, einen Binärwert 1 zu und Signalen, die von den Detektoren 558 und 562 kommen, einen Binärwert 0.
Nachdem der Signalprozessor 564 ein Signal, das von einem der Photonendetektoren kommt, gemessen hat, kommuniziert er mit dem Signalprozessor 528 über die Kommunikationsverbindung 566, wobei er Informationen darüber sendet, zu welcher Zeit das Photon erfaßt wurde und von welchem Filter 534 oder 536 es erfaßt wurde. Der Signalprozessor 528 informiert den Signalprozessor 564 darüber, ob es eine gültige Messung war. Gültige Messungen entstehen (a), wenn ein Pho ton vom Filter 534 erfaßt wird und zusätzlich der Phasenschieber 526 für die Übertragung des Photons auf 0 oder π rad eingestellt war, und (b), wenn ein Photon vom Filter 536 erfaßt wird und zusätzlich der Phasenschieber 526 auf π/2 oder 3π/2 rad eingestellt war.
Wenn die Messung gültig ist, speichert der Signalprozessor 564 einen Binärwert, der dem Signal entspricht, das er vom Photonendetektor empfangen hat. Der Signalprozessor 528 speichert ebenso einen äquivalenten Binärwert. Der Signalprozessor 528 setzt Signale durch die Einstellung des Phasenschiebers auf 0 und π/2 auf eine binäre 0 und durch Einstellung des Phasenschiebers auf π und 3π/2 auf eine binäre 1. Beide Signalprozessoren 528 und 564 sammeln eine identische Folge von Binärzahlen und benutzen diese Folge als Schlüsselcode für die Codierung von Übertragungen zwischen den beiden Signalprozessoren über das öffentliche Kommunikationsglied 566.

Claims

1. Kryptographischer Empfänger (10, 110) zum Empfang von einzelnen informationstragenden Photonen, der aufweist:

(a) einen ersten Photonenkanal (18, 118) und einen zweiten Photonenkanal (20, 120);

(b) eine Verteilungseinrichtung (14, 114) zur Verteilung von empfangenen Photonen zwischen dem ersten Photonenkanal und dem zweiten Photonenkanal;

(c) eine Einrichtung (22, 122) im ersten Photonenkanal zur Belegung von Photonen innerhalb des ersten Photonenkanals mit einer ersten Meßbasis;

(d) eine Einrichtung (24, 124) im zweiten Photonenkanal zur Belegung von Photonen innerhalb des zweiten Photonenkanals mit einer zweiten Meßbasis, wobei die erste und die zweite Meßbasis zueinander nicht orthogonal sind;

(e) eine Photonenerfassungseinrichtung (52, 54, 56, 58, 128, 130, 134, 136) zur Erfassung empfangener Photonen und zur Bereitstellung von Ausgangssignalen in Abhängigkeit von der Erfassung derartiger Photonen; und

(f) eine Signalverarbeitungseinrichtung (60, 146) zum Empfang der Ausgangssignale und der Signale einer externen Quelle und zum Erzeugen eines kryptographischen Schlüsselcodes aus einer Kombination der Ausgangssignale und der Signale einer externen Quelle, so daß der Empfänger und die externe Quelle einen identischen Schlüsselcode haben,

dadurch gekennzeichnet, daß

(i) die Verteilungseinrichtung (14, 114) empfangene Photonen zufällig zwischen dem ersten und dem zweiten Photonenkanal (18, 20, 118, 120) verteilt, ohne ein Steuersignal zu benötigen, und

(ii) die Ausgangssignale der Photonenerfassungseinrichtung zeigen, mit welcher Meßbasis jedes Photon belegt wurde.

2. Kryptographischer Empfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Interferometer (22, 24) im ersten und zweiten Photonenkanal die Einrichtungen zur Belegung mit den entsprechenden Meßbasen zur Verfügung stellen.

3. Kryptographischer Empfänger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Interferometer ein nicht abgeglichenes Mach-Zehnder-Interferometer ist.

4. Kryptographischer Empfänger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Interferometer im ersten Photonenkanal einen Photonenpfad aufweist, der Photonen, die diesen Pfad durchlaufen, eine Phasenänderung von [2nπ ± π2] rad relativ zu den Photonen, die einen entsprechenden Photonenpfad im Interferometer des zweiten Photonenkanals durchlaufen, auferlegt, wobei n eine ganze Zahl ist.

5. Kryptographischer Empfänger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Interferometer zwei Ausgangskanäle (45, 46, 48, 50) hat und jeder Ausgangskanal zu einem entsprechenden Photonendetektor (52, 54, 56, 58) führt, wobei jeder Photonendetektor eines der Ausgangssignale bereitstellt.

6. Kryptographischer Empfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilungseinrichtung ein polarisationserhaltender Kanalteiler (114) ist.

7. Kryptographischer Empfänger nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Photonenkanal jeweils einen entsprechenden polarisationsselektiven Kanalteiler (126, 132) aufweist.

8. Kryptographischer Empfänger nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer des ersten Photonenkanals und des zweiten Photonenkanals einen Polarisationsrotator (122, 124) aufweist.

9. Kryptographischer Empfänger nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Photonenkanal einen ersten Photonen-Kanal-Polarisationsrotator (122) aufweist.

10. Kryptographischer Empfänger nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Photonen-Kanal-Polarisationsrotator die Polarisationsebene der ihn durchlaufenden Photonen um 45º dreht.

11. Kryptographischer Empfänger nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß jeder polarisationsselektive Kanalteiler zwei Ausgangskanäle hat, die zu entsprechenden Photonendetektoren (128, 130, 134, 136) führen, wobei die Photonendetektoren die Ausgangssignale bereitstellen und der Ausgangskanal, den ein spezielles empfangenes Photon durchläuft, von dem Polarisationszustand des Photons abhängig ist.

12. Kryptographischer Empfänger nach Anspruch 5 oder Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Photonendetektor eine aktiv löschende, Photonen zählende Photodiode ist.

13. Kryptographischer Empfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Photonenkanal faseroptische Wellenleiter aufweisen.

14. Kryptographischer Empfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der. Empfänger innerhalb eines Kommunikationssystems (200, 400, 500) enthalten ist, wobei das System eine zweite Signalverarbeitungseinrichtung aufweist, um den Empfänger mit den Signalen einer externen Quelle zu versorgen.