EP1374475A2 - Vorrichtung und verfahren für die quantenkryptographie - Google Patents

Vorrichtung und verfahren für die quantenkryptographie

Info

Publication number
EP1374475A2
EP1374475A2 EP02759800A EP02759800A EP1374475A2 EP 1374475 A2 EP1374475 A2 EP 1374475A2 EP 02759800 A EP02759800 A EP 02759800A EP 02759800 A EP02759800 A EP 02759800A EP 1374475 A2 EP1374475 A2 EP 1374475A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
quantum
light signals
optics
light
quantum cryptography
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP02759800A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Harald Weinfurter
Christian Kurtsiefer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
qutools GmbH
Original Assignee
Ludwig Maximilians Universitaet Muenchen LMU
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ludwig Maximilians Universitaet Muenchen LMU filed Critical Ludwig Maximilians Universitaet Muenchen LMU
Publication of EP1374475A2 publication Critical patent/EP1374475A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L9/00—Cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communications; Network security protocols
    • H04L9/08—Key distribution or management, e.g. generation, sharing or updating, of cryptographic keys or passwords
    • H04L9/0816—Key establishment, i.e. cryptographic processes or cryptographic protocols whereby a shared secret becomes available to two or more parties, for subsequent use
    • H04L9/0852—Quantum cryptography

Definitions

  • Quantum cryptography enables quantifiable, secure communication. By transmitting quantum particles, especially photons, a random, secure key can be generated. This key can also be used for encryption according to known methods (e.g. one-time pad, DES). Any eavesdropping attempts change the quantum particles in such a way that errors in the generated key make the attack recognizable. This is in marked contrast to conventional methods, in which the security of the transmission is based, for example, on trust in couriers or on (unproven) assumptions about the technological capabilities of the listener.
  • Quantum cryptography was first theoretically proposed in 1984 and experimentally implemented in 1991. A number of theoretical and experimental publications and patents led to the rapid development of the area. Today, research on quantum cryptography focuses primarily on the technical implementation of the first prototype. Great attention is paid to the miniaturization of the systems used and to the great stability and economy of the transmitter and receiver optics.
  • the present invention relates to a system for the secure distribution of cryptographic keys according to the method of quantum cryptography.
  • quantum cryptography as is known from US5307410 [1] and US5732139 [2], a cryptographic key is used between two or more participants by transmitting information-carrying light signals via the quantum channel, by measuring these signals and by exchanging information about the measurements via a classic communication channel generated. Possible eavesdropping attacks during the transmission of the light signals can be proven based on knowledge of quantum theory.
  • the generated cryptographic key is of great importance for the transmission of messages of all kinds because of its high security.
  • [8-11] discloses devices which do not require any switches due to the use of 2 or more signal sources or 2 or more analysis channels.
  • the light signals emitted by the signal sources are superimposed in the transmitting device by means of optical components, in particular semi-transparent mirrors, or the light signals are divided in the receiving device using a semi-transparent mirror.
  • the signal sources are checked in such a way that at one point in time only one of the sources generates a single photon or an attenuated light pulse at the output of the transmission unit.
  • the incoming photon is randomly distributed to the different analyzers by a beam splitter and registered by one of the detectors, which results in the signal relevant for key generation.
  • the object of the invention is to provide an improved device and an improved method for quantum cryptography.
  • the signal sources are spatially arranged in such a way that wave fronts of the light signals they emit partially overlap at the input of the quantum channel, and / or the analysis channels are spatially arranged such that the wavefront of the light signals coming from the quantum channel is spatially divided and at least 2 of the parts in a quantum mechanical state.
  • mirrors or other components that change the wavefront are used.
  • the size of the transmitting or receiving optics can be significantly reduced without disturbing the quantum mechanical states of the light signals.
  • Mirrors, prisms, glass plates, lenses and / or diffractive elements can be used as components that change the wavefront.
  • the distribution ratio can be adjusted to the different analysis channels and optimized for the specific application.
  • the randomness of the distribution over several analysis channels is guaranteed by the spatial division of the light cone. According to quantum mechanics, the detection of a single photon light signal is random and indefinite in the different parts of a light cone.
  • the spatial superimposition or division of the light cones can be used flexibly for several types of quantum mechanical states.
  • the quantum mechanical state in an embodiment according to the invention can be realized by the property of the polarization of the light signals, or alternatively by a phase difference of temporally offset components of the light signal, or by a phase difference of frequency components of the light signal.
  • An advantageous variant of the invention carries out analysis channels in such a way that optical components are used together for several channels without losing full functionality. This reduces the complexity, the price and also the size of the receiving optics.
  • the present invention is formed by the geometric overlap of the light beams generated by the signal sources at the output and by the geometric division of the light beams at the receiver.
  • the randomness required for quantum cryptography at the receiver is not guaranteed by the randomness of the detection in the outputs of a beam splitter, but by the randomness of the detection in geometrically different parts of the light beam.
  • the present invention has a cryptographic transmitter with at least 2 signal sources, in which at least 2 of the available signal sources are set non-orthogonally in the sense of a quantum mechanical preparation, and which is characterized in that the light coming from the signal sources spatially overlaps at the output of the transmitter and in exits the quantum channel.
  • the spatial overlap can be achieved either solely by the beam divergence of the signal sources or with the aid of mirrors, lenses, prisms or refractive elements.
  • the present invention also has a cryptographic receiving unit with at least two measuring devices with quantum mechanical properties, at least 2 of the measuring devices being oriented non-orthogonally in the sense of a quantum mechanical measurement, and which is characterized in that the light beam coming from the quantum channel is geometrically divided between the measuring devices.
  • the distribution ratio between the various measuring devices can be changed by changing the position of the measuring devices or the components introduced (mirror, lens, prism, glass plate, refractive element).
  • quantum mechanics it is indefinite and random in which part of the light beam, i.e. in which one of the measuring devices a single photon coming from the quantum channel is detected.
  • a quantum cryptography system can use either one of the above-mentioned transmitters or one of the above-mentioned receivers, or both.
  • the transmitter can also be equipped with additional signal sources, which are designed such that they emit light in the output, which for adjustment, synchronization or message transmission within the
  • Quantum cryptography system can be used.
  • the signal sources are light sources, characterized in that the light emitted by them and coupled out into the quantum channel is either (a) a well-defined one Has polarization orientation, or (b) has a certain relative phase position at different times, or (c) has a relative phase position for different frequencies. This is achieved by means of polarizers and / or phase elements which are introduced into the light beam.
  • Measuring devices register light, whereby (a) the polarization of the light has a certain orientation, (b) the light coming at different times has a certain relative phase position, (c) the light coming with different frequencies has a certain relative phase position.
  • the receiver can be equipped with further measuring devices for the purpose of synchronization, adjustment, security checks and message transmission within the quantum cryptography system.
  • FIG. 2a shows a variant of FIG. 2 with a shortened overall length
  • Fig. 3 shows a preferred embodiment of a recipient
  • Fig. 4 shows a further preferred embodiment of a receiver.
  • an external source determines a number which emits a short light pulse from several signal sources (11-14).
  • the signal sources used in the present embodiment are laser diodes which emit light of a well-defined linear polarization (degree of polarization> 97%).
  • the laser diodes are oriented in such a way that the polarization of the light they emit is rotated in each case by 45 ° to the preceding laser diode.
  • a light pulse with a polarization direction of 0 ° (vertical polarization direction Xll), 45 ° (12), 90 ° (horizontal) (13), or 135 ° (14) is emitted.
  • the laser diodes are arranged in a semicircle in such a way that similar portions of the emitted light overlap due to the beam divergence at the output (see indicated light cone in front view).
  • a concave lens (convex mirror) can be inserted into the beam path to reduce the overall length or to adjust the beam divergence.
  • the light is coupled into a single-mode glass fiber (15) (quantum channel) at the output.
  • FIG. 2 couples the light emitted by differently oriented laser diodes (21-24) (possibly via a lens or via a mirror) into one Cover (25), which is used for room filtering.
  • the light emerging here can be processed as a quantum channel via additional lenses (26) (and possibly diaphragms, telescope arrangement) for an optical microwave link.
  • additional laser diodes can be attached to the center of the 4 laser diodes, whose emitted light can be used for synchronization and adjustment.
  • a conical mirror element (27) can be used to shorten the overall length (FIG. 2a). This is arranged in the center of an annular arrangement of the laser diodes (28) in such a way that the divergence of the light beams can advantageously be adapted to the divergence of the spatial filter (29) and the quantum channel (30).
  • light comes from the single-mode glass fiber (quantum channel) (31) from the transmitter and is collimated by a lens (32) or focused on the detectors.
  • a mirror (33) is partially introduced into the light beam thus expanded, which thereby reflects a corresponding part of the light to an analysis unit.
  • the other part of the light beam passes through a wave plate (34) and then strikes another analysis unit.
  • the wave plate is oriented in such a way that linearly polarized light is transformed into vertically (horizontally) polarized light at 45 ° (-45 °).
  • Both analysis units consist of a polarizing beam splitter (35, 36) and 2 single photon detectors (37- 40).
  • the polarizing beam splitter reflects vertically polarized light and transmits horizontally polarized light.
  • the signal from the single-photon detectors characterizes the detected polarization: 0 ° (37), 45 ° (39), 90 ° (38), 135 ° (40).
  • Appropriate electronics for signal processing make it correspondingly better known
  • the light comes through a spatial filter with lenses (41) orifices (42).
  • the light emerging through the last aperture is focused on the detectors by a lens (43).
  • a plane-parallel glass plate (44) is placed in the right part of the light beam. It is tilted in such a way that the continuous light is shifted horizontally to the right.
  • a wave plate (45) is introduced into the left partial beam. It is oriented in such a way that linearly polarized light is transformed into vertically (horizontally) polarized light at 45 ° (-45 °).
  • Both partial beams enter a polarizing beam splitter (46) which transmits horizontally polarized light and reflects vertically polarized light.
  • both measuring channels use the same polarizing beam splitter.
  • the transmitted or reflected light is registered by 4 single photon detectors (47-50). These detectors are arranged in pairs in the transmitted beam and in the reflected beam behind a mirror (51) such that the left detector detects light that previously passed through the wave plate and the right detector detects light that previously passed through the plane-parallel plate.
  • the signal from the single-photon detectors also identifies the detected polarization and is processed by suitable electronics for signal processing in accordance with known quantum cryptography protocols.
  • the novelty of this invention is to be seen in the use of wavefront overlay (at the transmitter) or in the use of wavefront division (at the receiver).
  • Quantum cryptography is the only key distribution method that ensures quantifiable security. This security is not provided when using conventional software methods, and although additional devices are required, there is also a clear advantage over key delivery by couriers.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Computer Security & Cryptography (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Optical Communication System (AREA)
  • Spectrometry And Color Measurement (AREA)

Abstract

Die vorliegenden Erfindung betrifft ein Quantenkryptographiesystem zur sicheren Schlüsselerzeugung, insbesondere mit Signalquellen und Analysekanälen. Die Signalquellen sind derart räumlich getrennt angeordnet, dass Wellenfronten der von ihnen emittierten Lichtsignale teilweise am Eingang des Quantenkanals überlappen. Die Analysekanäle sind so angeordnet, dass die Wellenfront der aus dem Quantenkanal kommenden Lichtsignale räumlich geteilt wird und mindestens zwei der Teile in einem quantenmechanischen Zustand analysiert werden.

Description

Vorrichtung und Verfahren für die Quantenkryptographie
Quantenkryptographie ermöglicht quantifizierbar sichere Kommunikation. Durch die Übermittlung von Quantenteilchen, insbesondere von Photonen, kann ein zufälliger, sicherer Schlüssel erzeugt werden. Dieser Schlüssel kann im weiteren zur Chiffrierung entsprechend bekannter Verfahren (z.B. one-time-pad, DES) verwendet werden. Allfällige Abhörversuche verändern die Quantenteilchen derart, dass Fehler im erzeugten Schlüssel die Attacke erkennbar machen. Dies steht in deutlichem Gegensatz zu herkömmlichen Methoden, bei denen die Sicherheit der Übertragung zum Beispiel auf Vertrauen gegenüber Kurieren oder auf (unbewiesenen) Annahmen über die technologischen Fähigkeiten des Abhörers beruhen.
Quantenkryptographie wurde erstmals 1984 theoretisch vorgeschlagen und 1991 experimentell realisiert. Eine Reihe von theoretischen und experimentellen Veröffentlichungen und Patenten führte zu einer schnellen Entwicklung des Gebiets. Heute konzentriert sich die Forschung zur Quantenkryptographie vor allem auf die technische Implementierung erster Prototypen. Großes Augenmerk wird hierbei auf die Miniaturisierung der verwendeten Systeme sowie auf eine große Stabilität und Wirtschaftlichkeit von Senderund Empfängeroptik gelegt.
Der für die vorliegende Entwicklung relevante Stand der Technik ist z.B. dokumentiert durch:
[1] US 5 307 410 Interferometric quantum cryptographic key distribution system Ch. H. Bennett
[2] US 5,732, 139 Quantum cryptographic system with reduced data loss, H-K. Lo, H.F. Chau
[3] EP 0 776 558 Quantum Cryptography P.D. Townsend
[4] US 5 243 649 Apparatus and Method for Quantum Mechanical Encryption for the transmission of secure communication J.D. Franson
[5] EP 0 923 828 Quantum Cryptography Device and Method
N. Gisin, A. Mueller, B. Perny, H. Zbinden, B. Huttner
[6] EP 0717 895 Bl Key distribution in a multiple access network using quantum cryptography P.D. Townsend, D.W. Smith
[7] US 5 757 912 System and method for quantum cryptography K.J. Blow
[8] EP 0 722 640 Bl Cryptographic Receiver, J.G. Rarity, P.R. Tapster
[9] Towards practical quantum cryptography,
S. Chiangga, P. Zarda, T. Jennewein, H. Weinfurter, Appl. Phys. B. 69, 389 (1999).
[10] Daylight Quantum Key Distribution over 1.6 km,
W.T. Buttler, R.J. Hughes, S.K. Lamoreaux, G.L. Morgan, J.E. Nordholt, CG. Peterson, Phys. Rev. Lett. 84, 5652 (2000). [11] ong distance entanglement based quantum key distribution,
G. Ribordy, J. Brendel, J.-D. Gautier, N. Gisin, H. Zbinden, Phys. Rev. A 63, 012309 (2001)
Eine zusammenfassende Dokumentation findet sich auch im Artikel "Quantenkryptographie" von U. Gebranzig, W. Süßmuth, Jahrbuch des deutschen Patentamts 1999.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein System zur sicheren Verteilung kryptographischer Schlüssel nach der Methode der Quantenkryptographie. In der Quantenkryptographie wird, wie aus US5307410 [1] und US5732139 [2] bekannt, zwischen zwei oder mehr Teilnehmern durch Übermittlung informationstragender Lichtsignale über den Quantenkanal, durch Messung dieser Signale und durch Austausch von Information über die Messungen über einen klassischen Kommunikationskanal ein kryptographischer Schlüssel generiert. Eventuelle Lauschangriffe bei der Übertragung der Lichtsignale können, entsprechend von Erkenntnissen der Quantentheorie nachgewiesen werden. Der generierte kryptographische Schlüssel hat wegen seiner hohen Sicherheit große Bedeutung für die Übermittlung von Nachrichten aller Art.
Aus [3-5] sind Vorrichtungen bekannt, die sich für die Durchführung der Schlüsselverteilung nach dem Prinzip der Quantenkryptographie eignen. Insbesondere sind dort Sende- und Empfangsvorrichtungen beschrieben, die schnelle Schalter zur Veränderung quantenmechanischer Zustände der von einer Signalquelle emittierten und von einem Analysekanal detektierten Lichtsignale aufweisen. Nachteilig hierbei ist der hohe Preis und große technische Aufwand, der zur schnellen Betätigung der Schalter notwendig ist.
Der Aufwand kann entsprechend den Arbeiten [6] und [7] reduziert werden. Eine erste Vereinfachung ist in EP 0 717 895 Bl [6] angegeben. Hier werden Vorrichtungen zur Quantenkryptographie beschrieben, in denen nichtorthogonale Quantenzustände über einen optischen Schalter in den Ausgang der Sendeeinheit gekoppelt werden. US 5 757 912 [7] beschreibt eine Methode bei der 2 Quellen orthogonale Lichtzustände erzeugen. Dadurch wird eine Reduzierung des Aufwandes für die Phasenmodulation um den Faktor 2 erreicht.
Durch [8-11] sind Vorrichtungen bekannt, die durch Verwendung von 2 oder mehr Signalquellen, bzw. von 2 oder mehr Analysekanälen keine Schalter benötigen. Dabei werden die von den Signalquellen emittierten Lichtsignale in der Sendevorrichtung mittels optischer Komponenten, insbesondere halbdurchlässige Spiegel, überlagert, bzw. es werden in der Empfangsvorrichtung die Lichtsignale mittels eines halbdurchlässigen Spiegel aufgeteilt. Dabei werden die Signalquellen derart kontrolliert, dass zu einem Zeitpunkt nur eine der Quellen ein einzelnes Photon oder einen abgeschwächten Lichtpuls am Ausgang der Sendeeinheit erzeugt. Beim Empfänger wird, entsprechend dem Patent EP 0 722 640 Bl [8], das ankommende Photon durch einen Strahlteiler zufällig auf die unterschiedlichen Analysatoren verteilt und von einem der Detektoren registriert, woraus sich das für die Schlüsselerzeugung relevante Signal ergibt.
Bei der technischen Realisierung stellt sich als besonders nachteilig heraus, dass dazu die Richtung der Signalquellen genau eingestellt werden muß und dass notwendige Komponenten, insbesondere die halbdurchlässigen Spiegel, den quantenmechanischen Zustand auf unerwünschte Weise verändern. Zur Korrektur müssen weitere optische Komponenten eingebracht werden und genau justiert werden. Die große Zahl optischer Komponenten und der hohe Justieraufwand bedingen größeren Platzbedarf, ein nicht optimales Signal/Rauschverhältnis und schlechte Stabilität dieser Systeme. Als nachteilig erweist sich auch, dass insbesondere für die Verwendung neuerer, effizienterer Verfahren (US 5732139 [2]) eine Variation des Teilungsverhältnisses nur durch Auswechseln und Neujustieren von optischen Komponenten erreicht werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren für die Quantenkryptographie bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand der Patentansprüche gelöst.
Es ist ein Vorteil der Erfindung, bestehende Vorrichtungen vor allem in Bezug auf Zahl und Art der optischen Komponenten zu vereinfachen und dadurch eine weitere Miniaturisierung, eine Steigerung der Flexibilität sowie eine Verbesserung des Signal/Rauschverhältnisses unter Berücksichtigung von Stabilität und Wirtschaftlichkeit zu ermöglichen.
Erfindungsgemäß sind die Signalquellen derart räumlich angeordnet, dass Wellenfronten der von ihnen emittierten Lichtsignale teilweise am Eingang des Quantenkanals überlappen, und/oder die Analysekanäle derart räumlich angeordnet sind, dass die Wellenfront der aus dem Quantenkanal kommenden Lichtsignale räumlich geteilt wird und mindestens 2 der Teile in einem quantenmechanischen Zustand analysiert werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden Spiegel oder andere, die Wellenfront verändernde Komponenten verwendet. Dadurch kann die Größe der Sende- bzw. Empfangsoptik deutlich verringert werden, ohne daß die quantenmechanischen Zustände der Lichtsignale gestört werden. Als die Wellenfront verändernde Komponenten können Spiegel, Prismen, Glasplatten, Linsen und/oder diffraktive Elemente verwendet werden.
Durch Verschieben der geometrischen Anordnung eines Spiegels bzw. der Analysekanäle innerhalb des Lichtkegels in der Empfangseinheit kann das Aufteilungsverhältnis auf die verschiedenen Analysekanäle eingestellt werden und für den speziellen Verwendungsfall optimiert werden.
Die Zufälligkeit der Aufteilung auf mehrere Analysekanäle ist durch die räumliche Teilung des Lichtkegels gewährleistet. Entsprechend der Quantenmechanik ist die Detektion eines Einzelphotonlichtsignals zufällig und unbestimmt in den verschiedenen Teilen eines Lichtkegels.
Vorzugswürdig der Erfindung ist, dass die räumliche Überlagerung bzw. Aufteilung der Lichtkegel flexibel für mehrere Arten von quantenmechanischen Zuständen eingesetzt werden kann. Insbesondere kann der quantenmechanische Zustand in einer erfindungsgemässen Ausführung durch die Eigenschaft der Polarisation der Lichtsignale realisiert werden, bzw. alternativ durch eine Phasendifferenz zeitlich versetzter Komponenten des Lichtsignals, oder durch eine Phasendifferenz von Frequenzkomponenten des Lichtsignals. Eine vorteilhafte Variante der Erfindung führt Analysekanäle derart aus, dass optische Komponenten gemeinsam für mehrere Kanäle verwendet werden, ohne die volle Funktionalität zu verlieren. Dies verringert die Komplexität, den Preis und auch die Größe der Empfangsoptik.
Die vorliegende Erfindung wird durch geometrischen Überlapp der von den Signalquellen erzeugten Lichtstrahlen am Ausgang, sowie durch geometrische Aufteilung der Lichtstrahlen beim Empfänger ausgebildet. Die für die Quantenkryptographie notwendige Zufälligkeit beim Empfänger wird, im Gegensatz zu bekannten Arbeiten, nicht durch die Zufälligkeit der Detektion in den Ausgängen eines Strahlteilers gewährleistet, sondern durch die Zufälligkeit der Detektion in geometrisch unterschiedlichen Teilen des Lichtstrahls.
Folgende Merkmale der Erfindung sind vorteilhaft bzw. bevorzugt:
• Die vorliegende Erfindung hat einen kryptographischen Sender mit mindestens 2 Signalquellen, bei dem mindestens 2 der vorhandenen Signalquellen nichtorthogonal im Sinne einer quantenmechanischen Präparation eingestellt sind, und der dadurch gekennzeichnet ist, daß das von den Signalquellen kommende Licht räumlich am Ausgang des Senders überlappt und in den Quantenkanal austritt.
Der räumliche Überlapp kann entweder alleine durch die Strahldivergenz der Signalquellen oder unter Zuhilfenahme von Spiegeln, Linsen, Prismen, oder refraktiven Elementen erreicht werden.
• Die vorliegende Erfindung weist außerdem eine kryptographische Empfangseinheit auf mit mindestens zwei Meßvorrichtungen quantenmechanischer Eigenschaften, wobei mindestens 2 der Meßvorrichtungen nichtorthogonal im Sinne einer quantenmechanischen Messung orientiert sind, und die dadurch gekennzeichnet ist, daß der vom Quantenkanal kommende Lichtstrahl geometrisch zwischen den Meßvorrichtungen aufgeteilt wird.
Erreicht wird dies entweder durch die geometrische Anordnung der Meßvorrichtungen innerhalb des Lichtstrahls, bzw. durch Einbringen von Spiegeln, Linsen Prismen und refraktiven Elementen in den Lichtstrahl.
Das Aufteilungsverhältnis auf die verschiedenen Meßvorrichtungen kann durch Änderung der Position der Meßvorrichtungen oder der eingebrachten Komponenten (Spiegel, Linse, Prisma, Glasplatte, refraktives Element) verändert werden.
Entsprechend der Quantenmechanik ist es unbestimmt und zufällig, in welchem Teil des Lichtstrahls, d.h. in welcher der Meßvorrichtungen ein einzelnes, vom Quantenkanal kommendes Photon detektiert wird.
• Ein Quantenkryptographiesystem kann entweder einen oben erwähnten Sender oder einen oben erwähnten Empfänger oder beide Einheiten verwenden.
Der Sender kann außerdem mit zusätzlichen Signalquellen ausgestattet werden, die derart beschaffen sind, daß sie Licht in den Ausgang emittieren, das zur Justage, Synchronisation oder Nachrichtenübermittlung innerhalb des
Quantenkryptographiesystems verwendet werden kann.
Die Signalquellen sind Lichtquellen, dadurch gekennzeichnet, daß das von ihnen emittierte und in den Quantenkanal ausgekoppelte Licht entweder (a) eine wohldefinierte Polarisationsorientierung besitzt, oder (b) zu unterschiedlichen Zeitpunkten eine bestimmte relative Phasenlage besitzt, oder (c) für unterschiedliche Frequenzen eine relative Phasenlage besitzt. Erreicht wird dies durch Polarisatoren und/oder Phasenelementen, die in den Lichtstrahl eingebracht werden.
• Licht, das von den unterschiedlichen Signalquellen in den Quantenkanal gekoppelt wird, unterscheidet sich dort nicht im transversalen Strahlprofil.
• Meßvorrichtungen registrieren Licht, wobei (a) die Polarisation des Lichts eine bestimmte Orientierung hat, (b) das zu unterschiedlichen Zeitpunkten kommende Licht eine bestimmte relative Phasenlage besitzt, (c) das mit unterschiedlichen Frequenzen kommende Licht eine bestimmte relative Phasenlage hat.
• Der Empfänger kann mit weiteren Messvorrichtungen ausgestattet sein, zum Zweck von Synchronisation, Justage, Sicherheitsübe riifungen und Nachrichtenübermittlungen innerhalb des Quantenkryptographiesystems.
Die Figuren zeigen vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung. Es stellen dar:
Fig. 1 eine bevorzugte Ausführungsform eines Senders,
Fig. 2 eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines Senders,
Fig. 2a eine Variante von Fig. 2 mit verkürzter Baulänge,
Fig. 3 eine bevorzugte Ausfuhrungsform eines Empfängers und
Fig. 4 eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines Empfängers.
Ausführungsbeispiel:
Sender:
Zur Vereinfachung bestehender Systeme zur Quantenkryptographie wird das Licht mehrer Signalquellen überlagert (Fig. 1). Entsprechend bekannter Systeme zur Quantenkryptographie wird von einer externen Quelle (Zufallsgenerator, Computer) durch eine Zahl bestimmt, welche von mehreren Signalquellen (11-14) einen kurzen Lichtpuls emittiert. Die in der vorliegenden Ausführung verwendeten Signalquellen sind Laserdioden, die Licht einer wohldefinierten linearen Polarisation (Polarisationsgrad > 97%) emittieren. Die Laserdioden sind derart orientiert, daß die Polarisation des von ihnen emittierten Lichts jeweils um 45° zur vorhergehenden Laserdiode verdreht ist. Das heißt, entsprechend der von außen gegebenen Zahl wird entweder ein Lichtpuls mit einer Polarisationsrichtung von 0° (vertikale PolarisationsrichtungXll), 45° (12), 90° (horizontal) (13), oder 135° (14) emittiert. Die Laserdioden sind derart im Halbkreis angeordnet, daß ähnliche Anteile des emittierten Lichts auf Grund der Strahldivergenz am Ausgang überlappen (siehe angedeutete Lichtkegel in Vorderansicht). Zur Verminderung der Baulänge bzw. zur Anpassung der Strahldivergenz kann eine Konkavlinse (Konvexspiegel) in den Strahlengang eingebracht werden. Das Licht wird am Ausgang in eine Monomoden-Glasfaser (15) (Quantenkanal) eingekoppelt.
Eine alternative Ausführung (Fig. 2) koppelt das von unterschiedlich orientierten Laserdioden (21-24) emittierte Licht (eventuell über eine Linse oder über Spiegel) in eine Blende (25), die zur Raumfilterung dient. Das hier austretende Licht kann über weitere Linsen (26) (und evtl. Blenden, Teleskopanordnung) für eine optische Richtfunkstrecke als Quantenkanal aufbereitet werden.
Bei beiden Ausführungen können im Zentrum der 4 Laserdioden, wenn gewünscht, weitere Laserdioden angebracht werden, deren emittiertes Licht für die Synchronisation und Justage verwendet werden kann.
Zur Verkürzung der Gesamtlänge kann in einer bevorzugten Ausführung ein konisch geformtes Spiegelelement (27) verwendet werden (Fig. 2a). Dies ist im Zentrum einer ringförmigen Anordnung der Laserdioden (28) derart angeordnet, dass die Divergenz der Lichtstrahlen vorteilhaft an die Divergenz des Raumfilters (29) und des Quantenkanals (30) angepasst werden kann.
Empfänger:
Beim Empfänger in Fig. 3 kommt Licht aus der Monomode-Glasfaser (Quantenkanal) (31) vom Sender und wird durch eine Linse (32) kollimiert, bzw. auf die Detektoren fokussiert. In den so aufgeweiteten Lichtstrahl wird ein Spiegel (33) teilweise eingebracht, der dadurch einen entsprechenden Teil des Lichts zu einer Analyseeinheit reflektiert. Der andere Teil des Lichtstrahls durchläuft eine Wellenplatte (34) und trifft anschließend auf eine weitere Analyseeinheit. Die Wellenplatte ist derart orientiert, daß unter 45° (-45°) linear polarisiertes Licht in vertikal (horizontal) polarisiertes Licht transformiert wird. Beide Analyseeinheiten bestehen aus einem polarisierenden Strahlteiler (35, 36) und 2 Einzelphotondetektoren (37- 40). Der polarisierende Strahlteiler reflektiert vertikal polarisiertes Licht und transmittiert horizontal polarisiertes Licht. Das Signal der Einzelphotondetektoren kennzeichnet die detektierte Polarisation: 0° (37), 45° (39), 90° (38), 135° (40). Es wird durch geeignete Elektronik für eine Signalverarbeitung entsprechend bekannter
Quantenkryptographieprotokolle aufbereitet.
Bei einer alternativen Ausführung (Fig. 4) kommt das Licht durch ein Raumfilter mit Linsen (41) Blenden (42). Das durch die letzte Blende austretende Licht wird durch eine Linse (43) auf die Detektoren fokussiert. Eine planparallele Glasplatte (44) wird in den rechten Teil des Lichtstrahls eingebracht. Sie ist derart gekippt, daß das durchgehende Licht horizontal nach rechts verschoben wird. In den linken Teilstrahl wird eine Wellenplatte (45) eingebracht. Sie ist derart orientiert, daß unter 45° (-45°) linear polarisiertes Licht in vertikal (horizontal) polarisiertes Licht transformiert wird. Beide Teilstrahlen treten in einen polarisierenden Strahlteiler (46), der horizontal polarisiertes Licht transmittiert und vertikal polarisiertes Licht reflektiert. In dieser Anordnung verwenden beide Meßkanäle den gleichen polarisierenden Strahlteiler. Das transmittierte, bzw. reflektierte Licht wird von 4 Einzelphotondetektoren (47-50) registriert. Diese Detektoren sind derart paarweise im transmittierten Strahl und im reflektierten Strahl hinter einem Spiegel (51) angeordnet, daß jeweils der linke Detektor Licht detektiert, das zuvor die Wellenplatte durchlief, und der rechte Detektor Licht detektiert, das zuvor die planparallele Platte durchlief. Das Signal der Einzelphotondetektoren kennzeichnet auch hier die detektierte Polarisation und wird durch geeignete Elektronik für eine Signalverarbeitung entsprechend bekannter Quantenkryptographieprotokolle aufbereitet. Das Neue dieser Erfindung ist in der Verwendung der Wellenfrontüberlagerung (beim Sender) bzw. in der Verwendung der Wellenfrontteilung (beim Empfänger) zu sehen. Gegenüber herkömmlichen Realisierung, die auf dem Prinzip der Überlagerung bzw. Aufteilung durch Strahlteiler basieren (Amplitudenüberlagerung, bzw. -teilung), vereinfacht sich der Aufbau und es können Komponenten mit störenden Nebeneffekten vermieden werden. Dadurch ergibt sich eine Verbesserung des Signal-Rauschverhaltens und der Stabilität, sowie eine Reduzierung des Justage- und Wartungsaufwands. Eine Miniaturisierung des Aufbaus wird wesentlich erleichtert. Durch die einstellbare Aufteilung beim Empfänger können wahlweise andere Protokolle der Quantenkryptographie [2] verwendet werden, ohne vorhandene Komponenten auszutauschen.
Anwendungsbereiche und Entwickler
Quantenkryptographie ist die einzige Methode zur Schlüsselverteilung, die quantifizierbare Sicherheit gewährleistet. Diese Sicherheit ist nicht bei Verwendung herkömmlicher Softwareverfahren gegeben, und obwohl zusätzliche Geräte notwendig sind, ergibt sich auch ein deutlicher Vorteil gegenüber der Schlüsselübermittlung durch Kuriere.
Durch die Entwicklung vielseitiger Informationstechnologien steigt sowohl die Zahl, als auch der Wert der übertragenen Nachrichten rasant an, so dass sichere Kommunikation eine immer größere Bedeutung für unsere Gesellschaft erlangt. Von wirtschaftlichen Interesse ist dieses Verfahren für sicherheitskritische Anwendungen vor allem im Finanzbereich für Banken und Versicherungen.

Claims

Patentansprüche
1. Quantenkryptographiesystem zur sicheren Schlüsselerzeugung, das aufweist: einen oder mehrere Sender mit einer Sendeelektronik und einer Sendeoptik, einen oder mehrere Empfänger mit einer Empfangselektronik und einer Empfangsoptik, einen Quantenkanal, der den/die Sender mit dem/den Empfängern) verbindet und zur Übertragung von Lichtsignalen dient, mindestens 2 Signalquellen in der Sendeoptik, die Lichtsignale in unterscheidbaren, auch nichtorthogonalen, quantenmechanischen Zuständen emittieren, die Sendeelektronik, die zu einem Zeitpunkt nur eine der Signalquellen emittieren lässt, mindestens 2 Analysekanäle in der Empfangsoptik, die unterscheidbare quantenmechanische Zustände analysieren und die Zustände identifizierende, unterscheidbare Signale an die Empfangselektronik weiterleiten, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalquellen derart räumlich angeordnet sind, dass Wellenfronten der von ihnen emittierten Lichtsignale zumindest teilweise am Eingang des Quantenkanals überlappen, und/oder die Analysekanäle derart räumlich angeordnet sind, dass die Wellenfront der aus dem Quantenkanal kommenden Lichtsignale räumlich geteilt wird und mindestens 2 der Teile in einem quantenmechanischen Zustand analysiert werden.
2. Quantenkryptographiesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenfront verändernde Komponenten, wie Spiegel, Prismen, Glasplatten, Linsen und/oder diffraktive Elemente, den Überlapp und/oder die Teilung der Wellenfronten verursachen.
3. Quantenkryptographiesystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Laserdioden als Signalquellen eingesetzt werden.
4. Quantenkryptographiesystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Quellen einzelner Photonen als Signalquellen eingesetzt werden.
5. Quantenkryptographiesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein quantenmechanischer Zustand durch die Polarisation der Lichtsignale gegeben ist.
6. Quantenkryptographiesystem nach Anspruch 1, 2 oder 5 , dadurch gekennzeichnet, dass räumlich orientierte Signalquellen und/oder Polarisatoren die Polarisation der Lichtsignale in der Sendeoptik einstellen.
7. Quantenkryptographiesystem nach Anspruch 1, 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass Polarisationsrotatoren die Polarisation der Lichtsignale verändern.
8. Quantenkryptographiesystem nach Anspruch 1, 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass räumlich orientierte Polarisatoren und/oder Detektoren in der Empfangsoptik die Polarisation der Lichtsignale analysieren.
Quantenkryptographiesystem nach Anspruch 1, 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Analysekanal einen Einzelphotondetektor und/oder einen Polarisationrotator und/oder einen orientierten Polarisator aufweist, wobei unterschiedliche Analysekanäle Polarisationsrotatoren und/oder Polarisatoren gemeinsam verwenden können.
10. Quantenkryptographiesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein quantenmechanischer Zustand durch die Phasendifferenz zwischen 2 oder mehr zeitlich versetzter Komponenten eines Lichtsignals gegeben ist.
11. Quantenkryptographiesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein nicht abgestimmtes Interferometer in der Sendeoptik die zeitlich versetzten Komponenten eines Lichtsignals erzeugt und ein nichtabgestimmtes Interferometer in der Empfangsoptik die ankommenden Lichtsignale verarbeitet.
12. Quantenkryptographiesystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das nicht abgestimmte Interferometer einen polarisierenden Strahlteiler aufweist (, wodurch eine von den Signalquellen, Polarisatoren und/oder Polarisationsrotatoren eingestellte Polarisation in einer Phasendifferenz der zeitlich versetzten Komponenten eines Lichtsignals resultiert).
13. Quantenkryptographiesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Signalquellen in der Sendeoptik und Detektoren um die Empfangsoptik räumlich angeordnet sind, sodass einer aktivierten Signalquelle/einem aktivierten Detektor ein bestimmter emittierter/analysierter quantenmechanischer Zustand entspricht.
14. Quantenkryptographiesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein quantenmechanischer Zustand durch die Phasendifferenz zwischen 2 oder mehr Frequenzkomponenten eines Lichtsignals gegeben ist.
15. Verfahren zur sicheren Schlüsselerzeugung mittels Quantenkryptographie mit den folgenden Schritten:
- Bereitstellen eines oder mehrerer Sender mit einer Sendeelektronik und einer Sendeoptik,
- Bereitstellen eines oder mehrerer Empfänger mit einer Empfangselektronik und einer Empfangsoptik,
- Bereitstellen eines Quantenkanals, der den/die Sender mit dem/den Empfängern) verbindet und zur Übertragung von Lichtsignalen dient,
- Emittieren von Lichtsignalen in unterscheidbaren, auch nichtorthogonalen, quantenmechanischen Zuständen durch mindestens zwei Signalquellen in der Sendeoptik,
- Veranlassen, dass die Sendeelektronik zu einem Zeitpunkt nur eine der Signalquellen emittieren lässt,
- Analysieren der unterscheidbaren quantenmechanischen Zustände durch mindestens zwei Analysekanäle in der Empfangsoptik und Weiterleiten der die Zustände identifizierenden, unterscheidbaren Signale an die Empfangselektronik, gekennzeichnet durch
- Anordnen der Signalquellen derart, dass Wellenfronten der von ihnen emittierten Lichtsignale zumindest teilweise am Eingang des Quantenkanals überlappen, und/oder
- Anordnen der Analysekanäle derart, dass die Wellenfront der aus dem Quantenkanal kommenden Lichtsignale räumlich geteilt wird und mindestens zwei der Teile in einem quantenmechanischen Zustand analysiert werden.
16. Quantenkryptographieverfahren, insbesondere für die Kryptographie mit einem System nach einem der Ansprüche 1-14.
17. System, Verfahren , Verwendung eines Systems oder eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Beschreibung.
EP02759800A 2001-04-06 2002-04-05 Vorrichtung und verfahren für die quantenkryptographie Withdrawn EP1374475A2 (de)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE10117272 2001-04-06
DE10117272A DE10117272B4 (de) 2001-04-06 2001-04-06 Vorrichtung und Verfahren für die Quantenkryptographie
PCT/EP2002/003825 WO2002082714A2 (de) 2001-04-06 2002-04-05 Vorrichtung und verfahren für die quantenkryptographie

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP1374475A2 true EP1374475A2 (de) 2004-01-02

Family

ID=7680689

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP02759800A Withdrawn EP1374475A2 (de) 2001-04-06 2002-04-05 Vorrichtung und verfahren für die quantenkryptographie

Country Status (5)

Country Link
US (1) US7400724B2 (de)
EP (1) EP1374475A2 (de)
AU (1) AU2002338378A1 (de)
DE (1) DE10117272B4 (de)
WO (1) WO2002082714A2 (de)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030063751A1 (en) * 2001-09-20 2003-04-03 Aiden Bruen Key agreement protocol based on network dynamics
JP4632652B2 (ja) * 2003-10-10 2011-02-16 日本電気株式会社 量子暗号鍵配布システム及びそれに用いる同期方法
US7974540B2 (en) * 2003-11-28 2011-07-05 Japan Science And Technology Agency Communication system and communication method using the same
US20060018476A1 (en) * 2004-06-23 2006-01-26 Nickel George H Key path generation and exchange of cryptographic keys using path length noise
US20070162743A1 (en) * 2006-01-12 2007-07-12 Savant Protection, Inc. Sliding acoustical signatures
US7722514B2 (en) * 2007-10-23 2010-05-25 Bvp Holding, Inc. Multi-directional body swing, turn and twist trainer with interchangeable and adjustable attachments
WO2017030532A1 (en) * 2015-08-14 2017-02-23 Nokia Technologies Oy On-chip continuous variable quantum key distribution system with polarization and frequency division multiplexing
GB2559801B (en) * 2017-02-20 2021-04-28 Toshiba Kk An optical quantum communication system

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5243649A (en) * 1992-09-29 1993-09-07 The Johns Hopkins University Apparatus and method for quantum mechanical encryption for the transmission of secure communications
US5307410A (en) * 1993-05-25 1994-04-26 International Business Machines Corporation Interferometric quantum cryptographic key distribution system
EP0717896B1 (de) * 1993-09-09 1999-01-07 BRITISH TELECOMMUNICATIONS public limited company System und verfahren zur schlüsselverteilung unter verwendung von quanten-kryptographie
US5757912A (en) * 1993-09-09 1998-05-26 British Telecommunications Public Limited Company System and method for quantum cryptography
GB9320793D0 (en) * 1993-10-08 1993-12-08 Secr Defence Cryptographic receiver
CA2254767C (en) * 1996-05-22 2002-04-16 British Telecommunications Public Limited Company Method and apparatus for polarisation-insensitive quantum cryptography
US5732139A (en) * 1996-08-26 1998-03-24 Lo; Hoi-Kwong Quantum cryptographic system with reduced data loss
US5999285A (en) * 1997-05-23 1999-12-07 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army Positive-operator-valued-measure receiver for quantum cryptography
US6188768B1 (en) * 1998-03-31 2001-02-13 International Business Machines Corporation Autocompensating quantum cryptographic key distribution system based on polarization splitting of light
DE19823849B4 (de) * 1998-05-28 2004-09-16 Deutsche Telekom Ag Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von wahlweise Einzelphotonen oder Photonenpaaren in mindestens einem von zwei optischen Kanälen
DE19833330C2 (de) * 1998-07-24 2001-03-15 Deutsche Telekom Ag Quantenkryptographiesystem zur gesicherten Übertragung zufälliger Schlüssel unter Verwendung des Polarisationsstellverfahrens
US6289104B1 (en) * 1998-08-07 2001-09-11 Ilinois Institute Of Technology Free-space quantum cryptography system

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See references of WO02082714A2 *

Also Published As

Publication number Publication date
WO2002082714A3 (de) 2003-09-25
US20040156502A1 (en) 2004-08-12
DE10117272A1 (de) 2002-10-24
DE10117272B4 (de) 2005-04-28
WO2002082714A2 (de) 2002-10-17
AU2002338378A1 (en) 2002-10-21
US7400724B2 (en) 2008-07-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE19826802C2 (de) Verfahren zur Erzeugung einer Zufallszahl auf quantenmechanischer Grundlage und Zufallsgenerator
US6424665B1 (en) Ultra-bright source of polarization-entangled photons
DE60220083T2 (de) Kryptographische Kommunikationsvorrichtung
O’Sullivan-Hale et al. Pixel entanglement: experimental realization of optically entangled d= 3 and d= 6 qudits
AT505987B1 (de) Qkd-einrichtung
DE69736856T2 (de) Überwachung von nichtlinearen Effekten in einem optischen Übertragungssystem
Muller et al. Quantum cryptography over 23 km in installed under-lake telecom fibre
DE112008003881B4 (de) System und Verfahren für die Quantenkryptographie
JP6115387B2 (ja) 量子鍵配送用受信器及び単一光子検出器の使用方法
Liu et al. Experimental remote preparation of arbitrary photon polarization states
Rarity et al. Secure free-space key exchange to 1.9 km and beyond
DE1616220B1 (de) Optisches Multiplexverfahren
EP0940010B1 (de) Optischer zufallsgenerator basierend auf der einzelphotonenstatistik am optischen strahlteiler
US7492903B2 (en) Secret key distribution method and secret key distribution system
EP1374475A2 (de) Vorrichtung und verfahren für die quantenkryptographie
EP0975119B1 (de) Quantenkryptographiesystem zur gesicherten Übertragung zufälliger Schlüssel unter Verwendung des Polarisationsstellverfahrens
DE69914030T2 (de) Verfahren zur Messung der Polarisationsmodendispersion
Pittman et al. Probabilistic quantum encoder for single-photon qubits
Ikuta et al. Efficient decoherence-free entanglement distribution over lossy quantum channels
Bouwmeester et al. High-fidelity teleportation of independent qubits
Santos et al. Measurement of the degree of polarization entanglement through position interference
GB2441364A (en) A quantum communication system which selects different protocols on the basis of security
WO2015106924A1 (de) Verfahren und anordnung zur informationsübertragung mittels linear polarisierter elektromagnetischer wellen
EP3544223B1 (de) Verfahren und system zum abhörsicheren austausch von schlüsselmaterial
CN108199840B (zh) 一种量子密钥分配系统

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

17P Request for examination filed

Effective date: 20031027

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A2

Designated state(s): AT BE CH CY DE DK ES FI FR GB GR IE IT LI LU MC NL PT SE TR

AX Request for extension of the european patent

Extension state: AL LT LV MK RO SI

RIN1 Information on inventor provided before grant (corrected)

Inventor name: KURTSIEFER, CHRISTIAN11-05 KENT VALE APT., BLOCK

Inventor name: WEINFURTER, HARALD

RAP1 Party data changed (applicant data changed or rights of an application transferred)

Owner name: QUTOOLS GMBH

17Q First examination report despatched

Effective date: 20071105

RIC1 Information provided on ipc code assigned before grant

Ipc: H04L 9/08 20060101AFI20120717BHEP

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN

18D Application deemed to be withdrawn

Effective date: 20121206