ES2425693A1 - Sistema de distribucion de clave cuantica basado en modulacion de frecuencia y fase diferencial - Google Patents

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Abstract

Sistema de distribución de clave cuántica basado en modulación de frecuencia y fase diferencial. Combina la técnica de modulación en frecuencia y la técnica de fase diferencial de forma que en el emisor (15) se emplean dos osciladores (18, 18a) cuya fase se modula tomando valores 0 o π mediante la utilización de desfasadores (19). La señal eléctrica modulada en fase se aplica a un modulador electro-óptico (17, 17a) para realizar una modulación en frecuencia sobre una fuente óptica que emite pulsos con un fotón. La señal se recibe en un receptor (16) que mediante un modulador electro-óptico (22, 22a) al que se aplica una frecuencia con desfase 0, produce una interferencia entre dos frecuencias ópticas, que permite detectar en que frecuencia se recibe el fotón para obtener el bit enviado en función de la fase seleccionada por el emisor (16). El receptor envía al emisor la frecuencia en la se ha producido la detección, detectando dicho emisor el bit detectado por el receptor.

Description

Sistema de distribucion de clave cuantica basado en modulacion de frecuencia y fase diferencial
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invencion, tal y como se expresa en el enunciado de esta memoria descriptiva, se refiere a un sistema de distribucion de clave cuantica que tiene por objeto distribuir la clave cuantica mediante una modulacion en frecuencia y de fase diferencial para conseguir una mayor tasa de transmision de la clave asi como una mayor sencillez en el control del emisor y receptor.
En general, la invencion es aplicable en los sistemas de comunicaciones cuanticas, y mas concretamente en la distribucion de claves cuanticas o criptografia cuantica para proporcionar medidas de seguridad adecuadas que garanticen la proteccion efectiva en las comunicaciones y los derechos de los usuarios, como por ejemplo sucede en muchos ambitos como es el caso de aplicaciones bancarias, militares, aero-espaciales, firmas electronicas y en transmision de resultados electorales.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
En los sistemas de distribucion de claves cuanticas es conocido el uso de dos tipos de algoritmos para cifrar la informacion de manera segura, que son los algoritmos de clave publica y los algoritmos de clave privada.
Dentro de los algoritmos de clave publica existen dos claves diferentes; una para cifrar la informacion, que es una clave publica; y otra para descifrarla que es una clave privada. La clave publica para cifrar la informacion es conocida por todos los usuarios, mientras que la clave privada para descifrarla solo es conocida por el destinatario del mensaje, de forma que este es el unico que puede descifrar la informacion. Este algoritmo se basa en la factorizacion de numeros primos para mantener la seguridad, lo cual resulta efectivo ya que los metodos que se requieren para atacar el sistema son poco eficientes, al resultar muy costoso para los computadores de hoy en dia conseguir el mensaje, pues pueden tardar cientos de aros.
Estos algoritmos de clave publica, aun siendo eficientes en el presente, presentan el problema de que no pueden asegurar que en un futuro se pueda encontrar un metodo mas eficiente con el cual el atacante pueda reducir este tiempo. Asi pues el algoritmo de clave publica no proporciona seguridad incondicional que implique que la informacion permanezca segura aun en el caso en el que se asuma un poder computacional infinito del atacante.
Respecto a los algoritmos de clave privada, la clave para cifrar el mensaje es la misma que para descifrarlo, por tanto, solo puede ser conocida por el emisor y el receptor. Estos algoritmos presentan seguridad incondicional siempre y cuando se use una sola vez la clave, es decir, no se puede usar la misma clave para mandar dos mensajes.
Estos algoritmos de clave privada presentan el problema de que se ha de garantizar la transmision de una clave segura entre el emisor y el receptor para que puedan cifrar y descifrar el mensaje. Es aqui donde entran en juego los sistemas de distribucion de clave, y mas concretamente los sistemas de distribucion de clave cuantica (QKD Quantum Key Distribution). Estos sistemas se basan en las leyes de la fisica cuantica para asegurar que la clave se transmite de manera segura entre el emisor y el receptor de tal manera que si un espia trata de adquirir informacion de esta clave producira errores en la transmision que el emisor y el receptor podran detectar y de esta forma notar la presencia de un ataque. Ello es debido a que una clave cuantica, cuando se trata de leer cambia su estado.
La primera propuesta de un sistema QKD fue efectuada en 1984 por Charle Bennet y Gilles Brassard, que se basaba en un protocolo conocido como BB84 que ellos mismos inventaron. Esta tecnica propone codificar los ceros y unos de las claves en el estado de polarizacion de fotones individuales. Gracias a las leyes de la fisica cuantica dichos bits no pueden ser interceptados, ya que si un espia los midiera, su estado cambiaria inmediatamente debido a que un sistema cuantico no puede ser medido sin perturbar el sistema en si, tal y como ya fue comentado anteriormente.
En este protocolo, se lleva a cabo una etapa conocida con el nombre de reconciliacion de bases, donde la mitad de los bits de la clave son descartados y resulta ser un paso fundamental para mantener la seguridad.
Posteriormente se han desarrollado varios sistemas de distribucion de clave cuantica que desarrollan el protocolo BB84. Las tecnologias fotonicas han demostrado ser un medio adecuado para la implementacion de sistemas QKD para la distribucion de claves entre usuarios a varios cientos de kilometros. Los sistemas propuestos para llevar a cabo el protocolo BB84 se puede agrupar en tres tipos:
a) El primero fue propuesto en 1992 por Bennet y sus colaboradores, que utilizaban la polarizacion de los fotones
en un sistema QKD para transmitir la clave. Este sistema se enfrenta al problema de conservar la polarizacion
de los estados a traves del enlace de fibra optica.
b) El segundo tipo fue propuesto por Townsend y colaboradores en 1993, que se basa en el uso de retardos en los fotones enviados y su analisis mediante el uso de interferometros de fibra balanceados. El principal problema para trabajar con estos sistemas consiste en conseguir que los interferometros de fibra no se desajusten debido a factores mecanicos y ambientales.
c) El tercer tipo fue propuesto en 1999 por J.M. Merolla y colaboradores; en el que se codifica la informacion en las
bandas laterales que aparecen en una seral de luz modulada por una onda de radiofrecuencia. Estos sistemas
se conocen como FC-QKD debido a su codificacion en frecuencia (FC).
En cualquiera de los tres casos existe el problema de que la tasa de transferencia de bits es muy baja. Ademas la clave es codificada en estados cuanticos de forma que, para preservar la seguridad del sistema, solo un foton puede llevar la informacion de cada bit. Debido a la dificultad de crear fuentes con un solo foton se debe recurrir a fuentes semiclasicas donde la energia se reduce a niveles tales que se da la circunstancia de que la probabilidad de que un pulso lleve solo un foton descienda al 10%. En consecuencia, aproximadamente el 90% de los pulsos enviados estan vacios de informacion. Si a este hecho se le arade la necesidad de utilizar en el destino un protocolo de destilacion de clave la tasa de transferencia del bit se reduce aun mas. Para incrementar esta tasa de bits se recurre a tecnicas usadas en telecomunicaciones como la multiplexacion de subportadora.
En el aro 2002 se propone un nuevo protocolo basado en una tecnica de uso comun en sistemas de comunicaciones opticas coherentes para QKD que consiste en la modulacion de fase diferencial (DPS- Differential Phase Shift). Este protocolo, a diferencia del protocolo BB84, no necesita una etapa de reconciliacion de bases, resultando mas eficiente ya que no se descartan la mitad de los bits ademas de la mayor sencillez en la etapa de recepcion. La principal desventaja que presentan los sistemas que funcionan con este protocolo es precisamente que necesitan un interferometro optico en el transmisor y receptor, el cual resulta muy complejo de mantener estable frente a fluctuaciones ambientales. Ademas la ampliacion de su capacidad de transmision, que puede conseguirse al aumentar el numero de caminos opticos de forma considerable, complica sustancialmente la operacion del sistema. A raiz de este protocolo se han desarrollado algunas variantes como el protocolo DQPS (diferencia de fase en cuadratura) cuya finalidad es proporcionar una mayor seguridad al sistema frente a ataques secuenciales.
Un ejemplo de un sistema QKD con DPS se describe en la Patente US 2010 0034390, cuyo contenido se describe en mayor detalle en el apartado de formas de realizacion preferidas de la invencion, para facilitar la comprension de la invencion.
No existe un sistema que use el protocolo DPSK (DPS Keying) en combinacion con modulacion en frecuencia. La invencion propone un nuevo sistema que realiza la distribucion de clave cuantica basandose en la combinacion de la tecnica de modulacion en frecuencia y la tecnica de fase diferencial, lo que evita el uso de interferometros opticos en el dominio del tiempo en el transmisor y receptor.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
Para conseguir los objetivos y resolver los inconvenientes anteriormente indicados, la invencion ha desarrollado un nuevo sistema de distribucion de clave cuantica que emplea modulacion de fase diferencial y modulacion en frecuencia.
Para ello el sistema de la invencion comprende un emisor que incluye una fuente de fotones pulsada con una frecuencia optica W0 y una determinada tasa de repeticion para modularla con una clave digital que envia a un receptor.
La invencion se caracteriza por que el emisor ademas comprende dos osciladores de radiofrecuencia de diferentes frecuencias 01 y 02 y misma amplitud, cada uno de los cuales esta conectado a un desfasador de radiofrecuencia cA1 y cA2 que pueden tomar los valores de desfase 0 y n para modular la fase de dichos osciladores. Ademas los dos desfasadores estan conectados a un modulador electro-optico, que a su vez esta conectado a la fuente optica de fotones, para realizar una modulacion en frecuencia de la seral optica, generando unaportadora W0 y las bandas laterales W0 . 01 y 00 . 02, las cuales estaran desfasadas con un valor cA1 (0, n) y cA2 (0, n) respectivamente, de formaquelosdesfasesintroducidosporcA1 y cA2determinan la codificacion digital dela clave que ha dedetectarse en el receptor. El modulador electro-optico envia la seral modulada al receptor por un canal de fibra optica, a traves del cual se recibe en el receptor.
Ademas, el emisor comprende medios convencionales de obtencion de un bit detectado por el receptor, correspondiente a la clave enviada, a partir de la frecuencia optica en la que el receptor ha detectado el foton (segun sera explicado mas adelante) y a partir del desfase de las frecuencias que fueron enviadas por el emisor. Para ello la frecuencia optica en la que el receptor ha detectado el foton se envia al emisor desde el receptor a traves de un canal autentificado, como puede ser un canal publico.
Ademas, el receptor del sistema de la invencion, comprende al menos un oscilador de radiofrecuencia 01, que esta conectado aundesfasadorcB1para establecerunafase inicial devalor0de laradiofrecuencia 01. El desfasador cB1 esta conectado a un modulador electro-optico que recibe las serales enviadas por el emisor y las modula mediante la frecuencia 01. Mediante la modulacion descrita del receptor se produce una interferencia entre las frecuencias opticas consecutivas recibidas, generando distintas bandas laterales correspondientes a las frecuencias opticas interferentes en funcion de las fases, que el emisor aplico a dichas serales interferentes. El modulador electro-optico del receptor esta dotado de dos salidas, y esta configurado para enviar las frecuencias generadas en la interferencia cuyas fases son coincidentes a una de las salidas; y para enviar las frecuencias generadas en la interferencia cuyas fases no sean coincidentes a la otra salida.
Una de las salidas del modulador electro-optico esta conectada a un primer detector al que se envian las frecuencias generadas en la interferencia cuyas fases son coincidentes. El detector comprende un filtro optico con dos ventanas de frecuencia correspondiente a cada una de las frecuencias que se pueden producir en la interferencia, y por tanto en las que se puede detectar un foton. Cada una de dichas ventanas estan conectadas a un contador de deteccion de fotones que permite discernir la frecuencia en la que se ha detectado un foton: cuando un contador de fotones realiza una cuenta de un foton, dicho contador indica a que frecuencia se ha detectado el foton correspondiente a la ventana a que esta conectado. Por consiguiente, esta configuracion permite distinguir en que frecuencia se ha producido la deteccion de entre las frecuencias cuyas fases son coincidentes. Dicha deteccion se hace corresponder con un bit de la clave enviada. En dos realizaciones de la invencion en las que el modulador electro-optico del emisor y receptor, estan constituidos por un modulador de banda lateral unica, segun se describe mas adelante, la deteccion se hace corresponder con un �0�; es decir cuando se efectua una deteccion entre las frecuencias cuyas fases son coincidentes se detecta un �0� correspondiente a la clave enviada y ademas el receptor sabe en que frecuencia se ha realizado la deteccion. �bviamente la anterior deteccion tambien podria hacerse corresponder con un �1�.
La otra salida del modulador se encuentra conectada a un segundo detector al que se envian las frecuencias generadas en la interferencia cuyas fases no son coincidentes, y que comprende un filtro optico con una ventana de frecuencia correspondiente a cada una de las frecuencias de la interferencia en las que se puede detectar un foton. En este caso, igualmente cada una de dichas ventanas se encuentra conectada a un contador de fotones de deteccion de la frecuencia en la que se ha detectado un foton. Esta configuracion permite distinguir la frecuencia en la que se ha producido la deteccion; que de acuerdo con las realizaciones de la invencion en las que el modulador es de banda lateral unica, se hace corresponder dicha deteccion con un �1�. Es decir las frecuencias cuyas fases son coincidentes se van a corresponder a un �0� y las frecuencias cuyas fases no se corresponden se van a hacer corresponder con un �1�, de acuerdo con las dos realizaciones de la invencion en las que el modulador de banda lateral unica.
En coherencia con lo anteriormente expuesto, respecto al emisor, el receptor tambien esta dotado de medios para permitir enviar a dicho emisor, por un canal autentificado, la frecuencia optica de interferencia en la que se ha producido la deteccion que se ha hecho corresponder a un bit, a partir de la cual el emisor obtiene el bit detectado por el receptor de forma convencional, tal y como se explica en el apartado de descripcion de las formas de realizacion preferidas.
�asta este punto se ha descrito la configuracion basica de la invencion, la cual puede adoptar tres configuraciones diferentes segun el tipo del modulador electro-optico empleado en el emisor y receptor. Las dos primeras realizaciones el modulador es un modulador de banda lateral unica, segun a continuacion se describe.
Asi, en una realizacion de la invencion el modulador electro-optico del emisor y receptor esta constituido por un modulador de banda lateral unica con un nivel de portadora optica equivalente al de las bandas laterales generadas. En este caso uno de los osciladores de radiofrecuencia del emisor es de una frecuencia de oscilacion de valor 01 � 0 y el otro oscilador es de una frecuencia el doble al anterior 02 � 20. En este caso el oscilador del receptor es de una frecuencia de valor igual a 01 � 0.
En otra realizacion de la invencion el modulador electro-optico del emisor y del receptor estan constituidos por un modulador de banda lateral unica con un nivel de portadora optica superior al de las bandas laterales generadas. En este caso el receptor comprende dos osciladores de radiofrecuencia, de frecuencia igual a la de cada uno de los osciladores del emisor respectivamente (01 y 02). Cada uno de dichos osciladores del receptor esta conectado a un desfasador cB1 y cB2 para establecer una fase inicial del receptor igual a 0, y que estan conectados al modulador electro-optico del receptor para efectuar la modulacion comentada.
En la ultima realizacion de la invencion el modulador electro-optico del emisor y receptor esta constituido por un modulador de doble banda lateral. En este caso el receptor comprende dos osciladores de radiofrecuencia de frecuencia igual a la de los osciladores del emisor (01 y 02), cada uno de los cuales esta conectado a un desfasador cB1 y cB2 para establecer una fase inicial del receptor igual a 0, y que estan conectados al modulador del receptor para efectuar la modulacion comentada. En este caso los contadores se hacen corresponder con un �0� o un �1� dependiendo de la banda en la que la que se ha producido la deteccion. Asi por ejemplo siendo las fases iguales si se detecta en la banda superior, se hace corresponder con un �0� y si detecta en la banda inferior se hace corresponder con un �1�, y para el caso en que las fases no coincidan si se detecta en la banda inferior se hace corresponder con un �0� y si se detecta en la banda superior se hace corresponder con un �1�.
En cualquiera de las realizaciones descritas de la invencion no se requiere el uso de un desfasador optico en el transmisor para producir las diferentes fases entre pulsos, tal y como se requiere en los moduladores DPSK convencionales, cuya configuracion se describe mas adelante para facilitar la comprension de la invencion.
La invencion tampoco requiere el empleo de un interferometro en el receptor para poder detectar la clave cuantica, que a diferencia del estado de la tecnica, la invencion utiliza un modulador electro-optico en el emisor el receptor, y no un interferometro. Ello redunda en una mayor estabilidad del dispositivo en condiciones ambientales de uso real, soportando de mejor forma la fluctuacion de temperatura, los cambios de polarizacion o las vibraciones que se puedan producir en el entorno en el que se encuentra instalado el sistema.
Ademas, la invencion al utilizar la modulacion DPSK adquiere las ventajas que esta presenta, que consisten en una mayor eficiencia en la tasa de transmision y mayor seguridad frente a los sistemas FC-QKD.
Por otro lado, al utilizar la invencion la modulacion en frecuencia modulada juntamente con el protocolo DPSK, consigue mayor estabilidad frente a los sistemas DPS, asi como la posibilidad de incorporar facilmente las tecnicas de multiplexacion de subportadora. Tambien permite su aplicacion en el protocolo DQPS (diferencia de fase en cuadratura) para aumentar aun mas la seguridad en enlaces opticos de mayor alcance.
La invencion sustituye los caminos opticos por subportadoras electricas a traves de moduladores en cascada cuya diferencia efectiva es mas robusta que una implementacion real. De esta forma, es posible introducir un numero elevado de osciladores de radiofrecuencia que permiten aumentar la seguridad y la eficiencia de transmision de forma mas sencilla.
Ademas la invencion disminuye radicalmente el grado de complejidad del receptor en comparacion con los sistemas FC-QKD, ya que la aleatoriedad se introduce de forma pasiva a traves de codificacion en frecuencia. Esto hace que la capacidad de extender esta tecnologia a varios usuarios sea mas competitiva al disminuir la complejidad del receptor lo que implica una reduccion en el coste y su posterior mantenimiento.
La invencion, al poderse adaptar a las tecnicas conocidas de multiplexacion cuantica de subportadora, permite aumentar la tasa de transmision proporcionalmente al numero de subportadoras que se utilicen.
A continuacion para facilitar una mejor comprension de esta memoria descriptiva, y formando parte integrante de la misma, se acomparan una serie de figuras en las que con caracter ilustrativo y no limitativo se ha representado el objeto de la invencion.
BREVE ENUNCIADO DE LAS FIGURAS
Figura 1.- Muestra una vista esquematica de un ejemplo de realizacion del estado de la tecnica en el que se realiza modulacion DPS.
Figura 2.-Muestra un primer ejemplo de realizacion de la invencion en el que el modulador electro-optico esta constituido por un modulador de banda lateral unica con un nivel de portadora optica igual al de las bandas laterales generadas.
Figura 3.-Muestra una segunda realizacion de la invencion en la que el modulador electro-optico se encuentra constituido por un modulador de banda lateral unica pero en este caso con un nivel de portadora optica superior al de las bandas laterales generadas.
Figura 4.-Muestra otra realizacion de la invencion en la que el modulador electro-optico esta constituido por un modulador de doble banda lateral.
DESCRIPCIÓN DE LAS FORMAS DE REALIZACIÓN PREFERIDAS
A continuacion se realiza una descripcion de la invencion basada en las figuras anteriormente comentadas.
En primer lugar y con ayuda de la figura 1 se describe un ejemplo de realizacion convencional en el que se utiliza modulacion DPS. En este ejemplo, se preve un transmisor 1 que comprende una fuente optica 2 que proporciona fotones individuales con una tasa de repeticion determinada. Ademas el emisor 1 esta dotado de unos divisores de potencia 3 que forman una estructura interferometrica y que dividen el foton por tres caminos diferentes a los que aplica un retardo, de forma que el retardo entre caminos consecutivos son iguales a T y el coeficiente de acoplo para cada camino es igual para garantizar la misma probabilidad en los tres caminos.
Los tres caminos se recombinan mediante interferometros opticos 4, cada uno de los cuales constituido por dos acopladores o divisores, de forma que el foton recombinado en el ultimo interferometro 4 presenta en su salida � las serales 5 representadas en la figura 1. Las flechas � indican los tiempos en los que se pueden producir las interferencias en el receptor, segun sera descrito posteriormente.
Las serales 5 se aplican a un modulador de fase (PM) 8 que modula el foton recombinado, de forma que cada pulso tendra una fase aleatoria entre dos posibles valores de fase 0 y n que se aplican mediante dicho modulador 8. En este punto, el foton es enviado al receptor 9 a traves de un canal de fibra optica 10. Dependiendo del desfase que se aplique en el modulador 8 se realiza la codificacion de cada bit de la clave que se envia al receptor 9.
El receptor 9 comprende en su entrada un divisor de potencia 11 mediante el que se divide el foton incidente por medio de dos caminos con un retardo entre ellos de T. El foton es de nuevo recombinado por medio de un interferometro optico 12 en el que se produce una interferencia en los tiempos T1 o T2. Con la referencia 14 se muestra la distribucion en el tiempo de las serales obtenidas en la salida del interferometro 12, el cual esta dotado de dos salidas, en cada una de las cuales se incorpora un detector 13 y 13a, de forma que el detector 13 se corresponde a la deteccion de un bit �0� y el detector 13a se corresponde a la deteccion de un bit �1�. Como solo hay un foton, la aleatoriedad del sistema descansa en la incertidumbre del tiempo de deteccion T1 o T2. Dependiendo de la diferencia de fase seleccionada por el emisor 1, el foton seguira el camino superior hacia el detector 13 o el camino inferior hacia el detector 13a. Asi cuando la diferencia en fase es 0 seguira el camino superior y se detectara en el detector 13 el cual se corresponde a la deteccion de un bit �0�, y en caso que la diferencia de fase sea n seguira el camino inferior, lo cual se corresponde con la deteccion de un bit �1�.
Los detectores 13 y 13a, ademas detectan en que tiempo T1 o T2 se ha producido la interferencia, de forma que el receptor 9 envia por un canal autentificado, el tiempo T1 o T2 en el que se ha producido la deteccion.
Con esta informacion el emisor, al conocer las fases con las que ha realizado la modulacion de la seral que ha enviado al receptor 9, y al conocer el tiempo T1 o T2 en el que el receptor 9 ha realizado la deteccion, obtiene la misma cadena de bits, teniendo en cuenta que la diferencia de fase entre pulsos consecutivos igual a 0 corresponde al bit �0�, y la diferencia de fase n corresponde a un bit �1�.
La seguridad de este sistema reside en el hecho de que el emisor 1 y receptor 9 en ningun momento intercambian el valor del bit detectado y tampoco el valor de las fases del otro tiempo no detectado, que necesita un posible espia para una clonacion perfecta del estado cuantico asociado al bit enviado.
El estado de la tecnica descrito constituye la base para poder entender la invencion, la cual preve tres posibles realizaciones distintas.
La primera realizacion de la invencion se describe con ayuda de la figura 2, en la que el emisor 15 y el receptor 1� presentan una configuracion que difiere sustancialmente respecto de la descrita en el estado de la tecnica.
La invencion tambien emplea una fuente de fotones individuales 3 con una frecuencia optica W0, pero en este caso la fuente 3 esta conectada a un modulador electro-optico 1� para realizar una modulacion en frecuencia del foton proporcionado por la fuente 3. Ademas el emisor 15 comprende dos osciladores de radiofrecuencia 18, de frecuencias 0 y 20 con la misma amplitud, cada uno de los cuales se encuentra conectado a un desfasador de radiofrecuencia 19 con un valor cA1 y cA2 que pueden tomar los valores 0 y n, de forma que la fase de los osciladores 18 se modula mediante dichos desfasadores de radiofrecuencia 19, y esta seral modulada se aplica al modulador electro-optico 1� que realiza una modulacion en frecuencia del foton, que tiene la misma probabilidad a la salida de encontrarse en una de las siguientes frecuencias opticas: W0, W0 . 0 y W0 . 20. Para ello el modulador electro-optico 1� esta constituido por un modulador de banda lateral unica. Ademas cada una de las frecuencias opticas se desfasa con respecto a la frecuencia W0 un valor cA1 y cA2 que pueden tomar los valores 0 o n.
La referencia 20 representa las tres frecuencias opticas en las que el foton puede estar localizado y las flechas 21 indican entre que pulsos se va a producir la interferencia en el receptor 1�.
En este caso cada bit de la clave cuantica es funcion del desfase que se aplique mediante los desfasadores de radiofrecuencia 19.
La modulacion en frecuencia se envia al receptor 1� a traves de la fibra optica 10, de forma que dicho receptor 1� comprende un modulador electro-optico 22 de banda lateral unica que esta conectado a un oscilador 23 de frecuencia 0 a traves de un desfasador 24 que introduce una fase inicial de valor 0, es decir cB1 � 0. Mediante esta configuracion a la salida del modulador electro-optico 22 interfieren las frecuencias opticas consecutivas recibidas, y genera distintas bandas laterales correspondientes a las frecuencias opticas en las que se produce la interferencia W1 o W2 en funcion de las fases de las serales interferentes. Como solo hay un foton la aleatoriedad del sistema descansa en la incertidumbre de la frecuencia de deteccion W1 o W2, que en este caso se corresponde con las frecuencias opticas W1 � W0 o W2 � W0 . 0, ya que el modulador electro-optico 22 lo que hace es desplazar las frecuencias consecutivas recibidas un valor de frecuencia 0 correspondiente a la frecuencia proporcionada por el oscilador 23.
El modulador electro-optico 22 es un modulador convencional de banda lateral unica que comprende dos salidas, de forma que en su salida superior envia las frecuencias generadas en la interferencia cuyas fases son coincidentes, en tanto que a la salida inferior envia las frecuencias generadas en la interferencia cuyas fases no son coincidentes.
La salida superior del modulador electro-optico 22 esta conectada a un primer detector 25, y su salida inferior a un segundo detector 25a.
Las serales que se obtienen en las salidas del modulador electro-optico 22 se representan con la referencia 2�.
El primer detector 25 se hace corresponder a la deteccion de un bit �0�, que de acuerdo con lo anteriormente descrito, se detecta en las frecuencias W1 o W2 cuando las fases son coincidentes. El segundo detector 25a se corresponde con una deteccion de un bit �1� que se detecta en las frecuencias W1 o W2 cuando las fases son diferentes. Para ello tanto el primer detector 25 como el segundo detector 25a comprenden un filtro optico 2� cada uno de ellos dotado de dos ventanas de frecuencia correspondientes a cada una de las frecuencias de interferencia W1 y W2 en las que se puede detectar un foton, de forma que cada una de dichas ventanas esta conectada a un contador de fotones 28 que detecta la frecuencia W1 oW2 en la que se ha producido la deteccion del �0� o del �1�.
De esta forma el receptor obtiene el bit de la clave enviada y, a su vez, envia al emisor 15 la frecuencia W1 o W2 en la que realizo la deteccion mediante un canal autentificado.
El emisor 15 esta dotado de medios convencionales de obtencion del bit detectado por el receptor, a partir de la frecuencia optica que ha recibido W1 o W2, ya que el emisor 15 conoce el desfase de las frecuencias que fueron enviadas, y por tanto puede saber que desfase 0 o n ha detectado el receptor mediante el modulador electro-optico 22, lo que le permite obtener la misma cadena de bits que envio, teniendo en cuenta que la diferencia de fase entre frecuencias opticas consecutivas igual a 0 corresponde al bit �0� y la diferencia de fase n corresponde al bit �1�. Estos medios no se describen en mayor detalle por ser convencionales y no ser el objeto de la invencion.
Con ayuda de la figura 3 se describe una segunda realizacion de la invencion en la que el emisor 15 presenta una configuracion similar a la descrita para el ejemplo anterior, pero en este caso los osciladores de radiofrecuencia 18a tienen frecuencias 01 y 02 con la misma amplitud. En este caso el modular electro-optico 1� es un modulador de banda lateral unica en cuya salida tendra las frecuencias W0, W0 . 01 y W0 . 02, cuyas frecuencias opticas en las que el foton puede estar localizado se han representado con la referencia 20a y las flechas 21a indican entre que pulsos se va a producir la interferencia en el receptor 1�.
En este caso, el foton tendra la misma probabilidad de encontrarse en las frecuencias W0 . 01 y W0 . 02 a la salida del modulador electro-optico 1�.
Estas serales se envian al receptor 1� mediante una fibra optica 10, y se reciben en un modulador electro-optico 22, pero que en este caso esta alimentado por dos osciladores de radiofrecuencia 23a, con frecuencias 01 y 02 correspondientes a las frecuencias de los osciladores 18a, estando cada uno de dichos osciladores de radiofrecuencia 23a conectados al modulador electro-optico 22 a traves de sendos desfasadores 24a que proporcionan un desfase 0, al igual que en el caso anterior.
En esta realizacion la modulacion realizada por el modulador electro-optico 22 produce interferencias entre las frecuencias opticas W0, W0 . 01 y W0 . 02 recibidas a la entrada y las frecuencias opticas generadas a partir de la portadora optica W0, es decir se producen las interferencias de interes en las frecuencias W1 � W0 . 01 o W2 � W0 . 02, lo cual esta representado mediante la referencia 2�a.
La deteccion del bit se realiza de forma equivalente a como fue descrito para el caso anterior, de forma que el receptor 1� envia la frecuencia W1 o W2 en la que ha realizado la deteccion del bit correspondiente, asi el emisor conoce el bit recibido por el receptor segun fue explicado en el caso anterior.
En la figura 4 se muestra una tercera realizacion de la invencion en la que el emisor 15 presenta la particularidad de que el modulador electro-optico es un modulador electro-optico de doble banda lateral 1�a, de forma que en su salida se obtiene la seral 20b y las posibles interferencias que pueden producirse en el receptor se representan mediante las flechas 21b.
En esta realizacion el modulador electro-optico 22a del receptor 1� es un modulador de doble banda lateral en el que se producen las interferencias a frecuencias opticas W1 � W0 . 01 y W2 � W0 . 02. Con la referencia 2�b se muestra la salida superior del modulador electro-optico 1�a y con la referencia 2�c la seral presente en la salida inferior. En este caso la aleatoriedad del sistema descansa en la incertidumbre de si la frecuencia optica se produce en las bandas asociadas a la primera frecuencia electrica W1 o a la segunda W2. Posteriormente, la diferencia de fase seleccionada por el transmisor determina si la interferencia se produce en la banda inferior W0 � 01; W0 � 02 o superior W0 . 01; W0 . 02, permitiendo de esta forma decodificar el bit. Por tanto, a diferencia de los dos esquemas anteriores, en esta configuracion la codificacion en fase se traduce en una codificacion en frecuencia. En este caso cada filtro 2�a discrimina entre la banda superior y la inferior.
En esta realizacion, si el foton sigue el camino superior, se obtendra un bit �0� cuando la deteccion del foton se efectue en las frecuencias opticas de la banda superior, mientras que obtendra un bit �1� cuando la deteccion del foton se efectue en la banda inferior. Si el foton sigue el camino inferior se obtiene el caso complementario, debido a la diferencia de fase entre las dos salidas del modulador electro-optico. Por tanto cuando el foton sigue el camino inferior se detectara un bit �0� cuando el foton se detecte en la banda inferior W0 � 01 o W0 � 02, y se detectara un bit �1� cuando se detecte en la banda superior W0 . 01 o W0 . 02. Debido a la complementariedad, la salida superior e inferior se unen para su conexion con los contadores 28 de acuerdo con las diferentes frecuencias de cada camino, segun se ha explicado y tal y como se muestra en la figura 4.

Claims (6)

  1. REIVINDICACIONES
    1.- SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN DE CLAVE CUÁNTICA BASADO EN MODULACIÓN DE FRECUENCIA Y FASE DIFERENCIAL, que comprende un emisor que incluye una fuente de fotones (3) pulsada con una frecuencia optica W0 y una determinada tasa de repeticion para modularla con una clave digital que envia un receptor; caracterizado por que el emisor (15) ademas comprende:
    -
    dos osciladores de radiofrecuencia (18, 18a) de diferentes frecuencias 01 y 02 y misma amplitud;
    -
    dos desfasadores de radiofrecuencia (19) cA1 y cA2que pueden tomar valores de desfase seleccionados entre 0 y n y cada uno de los cuales esta conectado a uno de dichos osciladores de radiofrecuencia para modular su fase; estando los desfasadores de radiofrecuencia (19) conectados a
    -
    un modulador electro-optico (1�, 1�a) que a su vez esta conectado a la fuente optica de fotones (3), para realizar una modulacion en frecuencia de la seral optica, generando una portadora W0 y bandas laterales W0 . 01 y W0 . 02 que estan desfasadas con un valor cA1 (0, n) y cA2 (0, n) respectivamente, cuyos desfases determinan la codificacion digital de la clave, enviando la seral modulada al receptor (1�) por un canal de fibra optica (10);
    -
    medios convencionales de obtencion de un bit, detectado por el receptor (1�) correspondiente a la clave enviada, a partir de la frecuencia optica en la que el receptor (1�) ha detectado el foton, y a partir del desfase de las frecuencias que fueron enviadas por el emisor (15); donde dicha frecuencia optica se envia al emisor (15) desde el receptor (1�) a traves de un canal autentificado;
    comprendiendo dicho receptor:
    -
    al menos un oscilador de radiofrecuencia (23, 23a) 01 que esta conectado a
    -
    un desfasador (24) cA1 para establecer una fase inicial de valor 0 del al menos oscilador de radiofrecuencia 01, que esta conectado a
    -
    un modulador electro-optico (22, 22a) de recepcion de las serales enviadas por el emisor (15) que las modula a la frecuencia 01, produciendo una interferencia entre dos frecuencias opticas consecutivas recibidas, y genera distintas bandas laterales correspondientes a las frecuencias opticas interferentes en funcion de las fases de dichas serales interferentes; comprendiendo el modulador dos salidas, y estando configurado para enviar las frecuencias generadas en la interferencia cuyas fases detectadas son coincidentes a una de las salidas; y para enviar las frecuencias generadas en la interferencia cuyas fases no son coincidentes a la otra salida; y estando la salida del modulador electro-optico a la que se envian las frecuencias generadas en la interferencia cuyas fases detectadas son coincidentes conectada a
    -
    un primer detector (25) de las frecuencias generadas en la interferencia cuyas fases detectadas son coincidentes y que comprende un filtro optico (2�) con al menos dos ventanas de frecuencia, correspondientes a cada una de las frecuencias de la interferencia en las que se puede detectar un foton; donde cada ventana de frecuencia esta conectada a un contador de fotones (28) de deteccion de la frecuencia en la que se ha detectado un foton, para distincion de dicha frecuencia en la que se ha producido la deteccion; correspondiendose dicha deteccion con la deteccion de un bit seleccionado entre un �0� y un �1�;
    y estando la salida del modulador electro-optico a la que se envian las frecuencias generadas en la interferencia cuyas fases detectadas no son coincidentes conectada a
    -
    a un segundo detector (25a) de las frecuencias generadas en la interferencia cuyas fases no son coincidentes, y que comprende un filtro optico (2�) con al menos dos ventanas de frecuencia correspondientes a cada una de las frecuencias de la interferencia en las que se puede detectar un foton; estando cada una de dichas ventanas conectadas a un contador de fotones (28) de deteccion de la frecuencia en la que se ha detectado un foton, para distincion de dicha frecuencia en la que se ha producido la deteccion; correspondiendose dicha deteccion con la deteccion de un bit seleccionado entre un �0� y un �1
    -
    medios para enviar al emisor por un canal autentificado la frecuencia optica de interferencia en la que se ha producido la deteccion de un bit.
  2. 2.- SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN DE CLAVE CUÁNTICA BASADO EN MODULACIÓN DE FRECUENCIA Y FASE DIFERENCIAL, segun reivindicacion 1, caracterizado por que el modulador electro-optico del emisor y receptor es un modulador de banda lateral unica con un nivel de portadora optica equivalente al de las bandas laterales generadas.
  3. 3.- SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN DE CLAVE CUÁNTICA BASADO EN MODULACIÓN DE FRECUENCIA Y FASE DIFERENCIAL, segun reivindicaciones 1 y 2, caracterizado por que uno de los osciladores de radiofrecuencia del emisor es de una frecuencia de oscilacion de valor 01 � 0 y el otro oscilador es de una frecuencia el doble 02 � 20; en tanto que el oscilador del receptor es de una frecuencia de valor igual a la frecuencia 01.
  4. 4.- SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN DE CLAVE CUÁNTICA BASADO EN MODULACIÓN DE FRECUENCIA Y FASE DIFERENCIAL, segun reivindicacion 1, caracterizado por que el modulador electro-optico del emisor y del receptor es un modulador de banda lateral unica con un nivel de portadora optica superior al de las bandas laterales
    5 generadas.
  5. 5.- SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN DE CLAVE CUÁNTICA BASADO EN MODULACIÓN DE FRECUENCIA Y FASE DIFERENCIAL, segun reivindicaciones 1 y 4, caracterizado por que el receptor comprende dos osciladores de radiofrecuencia (23a) de frecuencia igual a la de los osciladores (18a) del emisor respectivamente (01 y 02); y cada uno de dichos osciladores (23a) del receptor esta conectado a un desfasador (24a) cB1 y cB2 para establecer una
    10 fase inicial de receptor igual a 0; y que a su vez estan conectados al modulador (22) del receptor.
  6. 6.- SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN DE CLAVE CUÁNTICA BASADO EN MODULACIÓN DE FRECUENCIA Y FASE DIFERENCIAL, segun reivindicacion 1, caracterizado por que el modulador electro-optico del emisor y receptor es un modulador de doble banda lateral (22a); y el receptor (1�) comprende dos osciladores de radiofrecuencia (23a) de frecuencia igual a la de los osciladores (18a) del emisor respectivamente, y cada uno de dichos osciladores (23a)
    15 del receptor (15) esta conectado a un desfasador (24a) para establecer un desfase inicial de receptor igual a 0, y que estan conectados al modulador (22a) del receptor (15).
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