RU2302085C1

RU2302085C1 - Method for encoding and transferring cryptographic keys

Info

Publication number: RU2302085C1
Application number: RU2005135476/28A
Authority: RU
Inventors: Сергей Николаевич Молотков (RU); Сергей Николаевич Молотков; Сергей Павлович Кулик (RU); Сергей Павлович Кулик
Original assignee: Институт физики твердого тела РАН
Priority date: 2005-11-16
Filing date: 2005-11-16
Publication date: 2007-06-27

Abstract

FIELD: quantum cryptography, in particular, methods and devices for encoding and transferring cryptographic keys.

SUBSTANCE: in the method for encoding cryptographic keys, on transferring station sequences of single-photon states are created in given time intervals, transformed to a sequence of non-orthogonal single-photon states and transferred through a quantum communication channel to receiving station, where non-orthogonal single-photon states are detected in given time intervals by means of interferometric transformations.

EFFECT: ensured long term stability of transfer, decreased flow of errors in transferred primary cryptographic keys.

2 dwg

Description

Изобретение относится к области квантовой криптографии, а более конкретно к способам и устройствам кодирования и передачи криптографических ключей.The invention relates to the field of quantum cryptography, and more specifically to methods and devices for encoding and transmitting cryptographic keys.

Из уровня техники в данной области известен способ кодирования и передачи криптографических ключей, включающий формирование на передающей станции серии однофотонных состояний, их преобразование в последовательность однофотонных неортогональных (достоверно неразличимых) состояний, передачу последних по каналу связи и детектирование на принимающей станции посредством интерферометрических преобразований (см. патент США №6.529.601 В1, кл. МКИ H04L 9/00, G02B 26/08, опубликованный 04.03.2003 г.).The prior art in the art knows a method of encoding and transmitting cryptographic keys, including generating a series of single-photon states at a transmitting station, converting them into a sequence of single-photon non-orthogonal (reliably indistinguishable) states, transmitting the latter via a communication channel, and detecting at a receiving station using interferometric transformations (see US patent No. 6.529.601 B1, CL MKI H04L 9/00, G02B 26/08, published on 03/04/2003).

К недостаткам известного способа можно отнести то, что фазовые преобразования в нем требуют прецизионного контроля и управления. Кроме того, фазовая модуляция в известном способе требует прецизионного и согласованного контроля за поляризационными степенями свободы как при кодировании, так и при детектировании однофотонных состояний на принимающей и передающей станциях. В силу указанных недостатков известный способ не позволяет обеспечивать долговременную стабильность и минимизировать поток ошибок в передаваемых первичных криптографических ключах.The disadvantages of this method include the fact that the phase transformations in it require precision monitoring and control. In addition, phase modulation in the known method requires precise and coordinated control over the polarization degrees of freedom both in coding and in the detection of single-photon states at the receiving and transmitting stations. Due to these disadvantages, the known method does not allow for long-term stability and to minimize the flow of errors in transmitted primary cryptographic keys.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в обеспечении долговременной стабильности и уменьшении потока ошибок в передаваемых первичных криптографических ключах.The technical result to which the invention is directed is to ensure long-term stability and reduce the flow of errors in transmitted primary cryptographic keys.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе кодирования криптографических ключей, включающем формирование на передающей станции серии однофотонных состояний, их преобразование в последовательность неортогональных однофотонных состояний, передачу последних по каналу связи и детектирование на принимающей станции посредством интерферометрических преобразований, серию однофотонных состояний формируют и детектируют в заданных интервалах времени.The indicated technical result is achieved by the fact that in a method of encoding cryptographic keys, which includes generating a series of single-photon states at a transmitting station, converting them into a sequence of non-orthogonal single-photon states, transmitting the latter through a communication channel and detecting at a receiving station by means of interferometric transformations, form and detect a series of single-photon states at given time intervals.

В предложенном способе фазовые и поляризационные преобразования теряют свою надобность и, следовательно, исключаются прецизионный контроль и управление указанными процессами, что, в свою очередь, обеспечивает стабильность и уменьшает поток ошибок в передаваемых первичных криптографических ключах. Таким образом достигается поставленный технический результат.In the proposed method, phase and polarization transformations lose their need and, therefore, precision control and management of these processes are excluded, which, in turn, ensures stability and reduces the error flow in transmitted primary cryptographic keys. Thus, the delivered technical result is achieved.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 показаны временные диаграммы однофотонных состояний для кодирования криптографических ключей. На фиг.2 показан пример реализации способа.The invention is illustrated by drawings. Figure 1 shows the timing diagrams of single-photon states for encoding cryptographic keys. Figure 2 shows an example implementation of the method.

На фиг.1(а) однофотонные состояния 1(х) и 0(х) кодируют классические биты 1 и 0 передаваемого ключа в базисе (х). Состояния 1(+) и 0(+) кодируют классические биты 1 и 0 в базисе (+). Каждое состояние относится к различным посылкам. Длительность однофотонных состояний 1(х) и 0(+) равна Т соответственно, а длительность однофотонных состояний 0(х) и 1(+) равна 2Т. В каждой посылке однофотонные состояния сдвинуты относительно друг друга во времени, как показано на чертеже.In FIG. 1 (a), the single-photon states 1 (x) and 0 (x) encode the classic bits 1 and 0 of the transmitted key in the basis (x). States 1 (+) and 0 (+) encode the classic bits 1 and 0 in the basis (+). Each state refers to a different package. The duration of the single-photon states 1 (x) and 0 (+) is T, respectively, and the duration of the single-photon states 0 (x) and 1 (+) is 2T. In each package, single-photon states are shifted relative to each other in time, as shown in the drawing.

На фиг.1(б) показаны временные диаграммы неортогональных однофотонных состояний на выходе интерферометра. Состояния в таком виде посылают в квантовый канал связи. В каждой посылке в канал связи перед неортогональными однофотонными состояниями подают классический синхронизирующий импульс лазерного излучения (обозначен символом «С»).Figure 1 (b) shows the timing diagrams of non-orthogonal single-photon states at the output of the interferometer. The states in this form are sent to the quantum communication channel. In each parcel, before the nonorthogonal single-photon states, a classical synchronizing laser pulse (indicated by the symbol "C") is supplied to the communication channel.

На фиг.1(в) - временные диаграммы однофотонных состояний на принимающей станции по верхнему выходу интерферометра, где имеет место конструктивная интерференция состояний. В таком виде состояния поступают на фотодетектор. Цифрами 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 обозначены интервалы времени, в которых происходит детектирование однофотонных состояний.Figure 1 (c) is a timing diagram of single-photon states at a receiving station along the upper output of the interferometer, where constructive interference of states takes place. In this form, the state arrives at the photodetector. The numbers 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 indicate the time intervals in which single-photon states are detected.

На фиг.1(г) - временные диаграммы однофотонных состояний на принимающей станции по нижнему выходу интерферометра, где имеет место деструктивная интерференция состояний. Цифрами 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 обозначены интервалы времени, в которых происходит детектирование однофотонных состояний.Figure 1 (g) is a timing diagram of single-photon states at a receiving station along the lower output of the interferometer, where destructive interference of states takes place. The numbers 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 indicate the time intervals in which single-photon states are detected.

На передающей станции формируют серию однофотонных состояний. Для этого в каждой посылке случайно выбирают с равной вероятностью один из двух базисов (х) или (+). Затем генерируют посредством модуляции интенсивности сильно ослабленного лазерного излучения случайным образом с равной вероятностью одно из исходных однофотонных состояний 1(х) или 0(х), если выбран базис (х), и 1(+) или 0(+), если выбран базис (+). При этом длительности исходных состояний 1(х) и 0(+), 0(х) и 1(+) попарно одинаковы (см. фиг.1(а)), а длительности пар исходных состояний 1(х) и 0(+), 0(х) и 1(+) отличаются в два раза и равны соответственно Т и 2Т. Исходные однофотонные состояния в различных посылках сдвинуты по времени относительно друг друга, как показано на фиг.1(а). Преобразование в последовательность попарно неортогональных однофотонных состояний осуществляют посредством пропускания исходных однофотонных состояний через разбалансированный интерферометр Маха-Цандера (см. фиг.2) с разностью оптических путей по верхнему и нижнему плечам, равному 2Т, что приводит к образованию суперпозиции каждого исходного однофотонного состояния с самим собой посредством сдвига интервала времени на величину 2Т (см. фиг.1(б)). На принимающей станции поступающие из канала связи неортогональные состояния преобразуют посредством пропускания их через разбалансированный симметричный интерферометр Маха-Цандера с такой же разностью оптических путей по длинному и короткому плечам, как и на передающей станции (см. фиг.2). Выход интерферометра имеет два регистрирующих канала. На одном из выходов (на фиг.1(г) - верхнем) имеет место конструктивная интерференция состояний. На другом выходе (на фиг.1(г) - нижнем) возникает деструктивная интерференция. На приемной станции в каждой посылке равновероятно выбирают один из 7 интервалов времени (на фиг.1(в) и 1(г)) для детектирования как в верхнем, так и в нижнем фотодетекторах. Причем интервалы времени для регистрации выбирают разными в верхнем и нижнем детекторах.A series of single-photon states is formed at the transmitting station. For this, in each premise, one of two bases (x) or (+) is randomly selected with equal probability. Then, by modulating the intensity of strongly attenuated laser radiation, one of the initial single-photon states 1 (x) or 0 (x), if the basis (x) is selected, and 1 (+) or 0 (+), if the basis is selected, are randomly generated with modulation (+). In this case, the durations of the initial states 1 (x) and 0 (+), 0 (x) and 1 (+) are pairwise identical (see Fig. 1 (a)), and the durations of the pairs of initial states 1 (x) and 0 (+ ), 0 (x) and 1 (+) differ by half and are equal to T and 2T, respectively. The initial single-photon states in various packages are time shifted relative to each other, as shown in Fig. 1 (a). Conversion to a sequence of pairwise non-orthogonal single-photon states is carried out by passing the initial single-photon states through an unbalanced Mach-Zander interferometer (see Fig. 2) with a difference of optical paths along the upper and lower arms equal to 2T, which leads to the formation of a superposition of each initial single-photon state with itself by means of a shift of the time interval by 2T (see Fig. 1 (b)). At the receiving station, non-orthogonal states coming from the communication channel are transformed by passing them through an unbalanced symmetric Mach-Zander interferometer with the same optical path difference along the long and short arms as at the transmitting station (see Fig. 2). The interferometer output has two recording channels. At one of the outputs (in Fig. 1 (d) - upper) there is a constructive interference of states. At the other exit (in Fig. 1 (d) - lower), destructive interference occurs. At the receiving station, in each parcel, one of 7 time intervals (in Figs. 1 (c) and 1 (d)) is equally likely to be selected for detection in both the upper and lower photodetectors. Moreover, the time intervals for registration are chosen different in the upper and lower detectors.

После передачи серии посылок с передающей станции через открытый канал связи сообщают на принимающую станцию, какой базис был использован в каждой посылке ((х) или (+)), но не сообщают, какое состояние (0 или 1) посылалось. Фотоотсчеты в верхнем и нижнем фотодетекторах в базисах (х) и (+) декодируют по следующему алгоритму:After transmitting a series of packages from the transmitting station through an open communication channel, they inform the receiving station which basis was used in each package ((x) or (+)), but do not report which state (0 or 1) was sent. The photocounts in the upper and lower photodetectors in the bases (x) and (+) are decoded according to the following algorithm:

ДетекторDetector БазисBasis Интервалы времениTime intervals Значение битаBit value НижнийLower (х)(x) 3, 73, 7 1one НижнийLower (х)(x) 1, 2, 5, 61, 2, 5, 6 00 НижнийLower (+)(+) 1, 5fifteen 00 НижнийLower (+)(+) 2, 3, 6, 72, 3, 6, 7 1one ВерхнийUpper (х)(x) 77 1one ВерхнийUpper (x)(x) 1, 2, 4, 61, 2, 4, 6 00 ВерхнийUpper (+)(+) 2, 4, 6, 72, 4, 6, 7 1one ВерхнийUpper (+)(+) 1one 00

Далее с принимающей станции сообщают через открытый канал связи на передающую станцию номера тех посылок, где имели место фотоотсчеты в перечисленных выше интервалах времени. Остальные посылки отбрасываются. Для проверки факта вторжения в канал связи во время передачи ключа, по верхнему (конструктивный канал) фотодетектору подсчитывают отношение числа фотоотсчетов в интервалах 1 и 2 для посылок в базисе (х). Отношение числа фотоотсчетов в интервалах времени 2 и 3 - для посылок в базисе (+). Аналогично проводят проверку по нижнему выходу (деструктивный канал). Если одно из этих отношений отклоняется от 1/2 больше чем на величину, задаваемую статистическим разбросом (квадратный корень из числа реально наблюдаемых фотоотсчетов в соответствующих интервалах), то передача ключей прерывается и производится проверка квантового канала связи. В противном случае производится вычисление процента ошибок на принимающей станции. Для этого на передающей станции случайно выбирают примерно половину позиций из оставшихся к данному моменту и передают их значения через открытый канал на принимающую станцию. На принимающей станции производят сравнение значений, полученных с передающей станции, с реально измеренными значениями и находят процент ошибок. Раскрытые позиции затем отбрасывают. Если процент ошибок превосходит критическое значение (~7.5%), то сеанс связи прерывают и производят проверку квантового канала связи. В противном случае на принимающей станции формируют битовую последовательность - первичный ключ, которая еще содержит ошибки на принимающей станции. Затем производят коррекцию ошибок посредством обмена информацией через открытый канал связи между передающей и принимающей станциями. После исправления ошибок возникают одинаковые битовые строки на передающей и принимающей станциях. Далее через открытый канал связи производят сжатие битовых строк при помощи универсальных функций хэширования. В результате возникает криптографический ключ, известный только на передающей и принимающей станциях.Then, from the receiving station, through the open communication channel to the transmitting station, the numbers of those parcels are reported where the photocounts took place in the above time intervals. The remaining packages are discarded. To verify the fact of the intrusion into the communication channel during the key transfer, the ratio of the number of photocounts in intervals 1 and 2 for parcels in the basis (x) is calculated on the upper (structural channel) photodetector. The ratio of the number of photocounts in time intervals 2 and 3 is for parcels in the basis (+). Similarly, a check is performed on the lower output (destructive channel). If one of these relations deviates from 1/2 by more than the value specified by the statistical spread (the square root of the number of actually observed photocounts in the corresponding intervals), then the key transfer is interrupted and the quantum communication channel is checked. Otherwise, the percentage of errors at the receiving station is calculated. To do this, at the transmitting station, approximately half of the positions from the remaining at that moment are randomly selected and their values are transmitted through an open channel to the receiving station. At the receiving station, the values obtained from the transmitting station are compared with the actual measured values and the percentage of errors is found. Opened positions are then discarded. If the percentage of errors exceeds the critical value (~ 7.5%), then the communication session is interrupted and the quantum communication channel is checked. Otherwise, a bit sequence is formed at the receiving station — the primary key, which still contains errors at the receiving station. Then, error correction is carried out by exchanging information through an open communication channel between the transmitting and receiving stations. After error correction, identical bit strings occur at the transmitting and receiving stations. Then, through an open communication channel, bit strings are compressed using universal hashing functions. The result is a cryptographic key known only at the transmitting and receiving stations.

На фиг.2, на которой показан пример реализации способа, приняты следующие обозначения:Figure 2, which shows an example implementation of the method, the following notation:

1 - лазер с несущей длиной волны ~1.5 мкм с оптоволоконным выходом.1 - a laser with a carrier wavelength of ~ 1.5 μm with a fiber optic output.

2 - ослабитель (аттенюатор) лазерного излучения до однофотонного уровня.2 - attenuator (attenuator) of laser radiation to a single-photon level.

3, 4 - входы оптоволоконного светоделителя 50/50. 3 - холостой вход, 4 - рабочий вход.3, 4 - inputs of a 50/50 fiber optic beam splitter. 3 - idle input, 4 - working input.

5 - оптоволоконный светоделитель 50/50.5 - fiber optic beam splitter 50/50.

6 - короткое плечо оптоволоконного разбалансированного интерферометра Маха-Цандера.6 - short arm of a fiber-optic unbalanced Mach-Zander interferometer.

7 - длинное плечо оптоволоконного разбалансированного интерферометра Маха-Цандера.7 - long arm of a fiber-optic unbalanced Mach-Zander interferometer.

8 - оптоволоконный светоделитель 50/50.8 - 50/50 fiber optic beam splitter.

9 - холостой выход светоделителя.9 - idle beam splitter output.

10 - рабочий выход светоделителя, соединенный с одним из входов на 1.5 мкм оптоволоконного разделителя (мультиплексора) по длинам волн 1.3 мкм/1.5 мкм и оптоволоконной линией связи.10 - operational output of a beam splitter connected to one of the inputs of a 1.5 μm fiber optic splitter (multiplexer) at a wavelength of 1.3 μm / 1.5 μm and a fiber optic communication line.

11 - лазер синхроимпульсов с несущей длиной волны ~1.3 мкм с оптоволоконным выходом, соединенным с входом на 1.3 мкм оптоволоконного разделителя (мультиплексора) по длинам 1.3 мкм/1.5 мкм.11 - a clock laser with a carrier wavelength of ~ 1.3 μm with a fiber optic output connected to a 1.3 μm input of a fiber optic splitter (multiplexer) along the lengths of 1.3 μm / 1.5 μm.

12 - вход на 1.3 мкм оптоволоконного разделителя (мультиплексора) по длинам волн 1.3 мкм/1.5 мкм.12 - input at 1.3 microns of a fiber optic splitter (multiplexer) at wavelengths of 1.3 microns / 1.5 microns.

13 - оптоволоконный разделитель (мультиплексор) по длинам волн 1.3 мкм/1.5 мкм.13 - fiber optic splitter (multiplexer) at wavelengths of 1.3 μm / 1.5 μm.

14 - оптоволоконный канал связи.14 - fiber optic communication channel.

15 - оптоволоконный разделитель (мультиплексор) по длинам волн 1.3 мкм/1.5 мкм.15 - fiber optic splitter (multiplexer) at wavelengths of 1.3 μm / 1.5 μm.

16 - детектор синхроимпульсов с несущей длиной волны ~1.3 мкм, соединенный с выходом на 1.3 мкм оптоволоконного разделителя (мультиплексора) по длинам волн на 1.3 мкм/1.5 мкм.16 — a sync pulse detector with a carrier wavelength of ~ 1.3 μm, connected to a 1.3 μm output of an optical fiber splitter (multiplexer) at 1.3 μm / 1.5 μm wavelengths.

17 - холостой вход оптоволоконного светоделителя 50/50.17 - idle input of a fiber optic beam splitter 50/50.

18 - выход мультиплексора на длине волны 1.5 мкм, который одновременно является входом оптоволоконного светоделителя 50/50.18 - output of the multiplexer at a wavelength of 1.5 μm, which is simultaneously the input of a 50/50 fiber optic beam splitter.

19 - оптоволоконный светоделитель 50/50.19 - fiber optic beam splitter 50/50.

20 - короткое плечо оптоволоконного интерферометра Маха-Цандера с пьезоэлементом для тонкой подстройки длины короткого плеча.20 - short arm of a fiber-optic Mach-Zander interferometer with a piezoelectric element for fine tuning the length of a short arm.

21 - длинное плечо оптоволоконного интерферометра Маха-Цандера.21 — long arm of the Mach-Zander fiber optic interferometer.

22 - устройство поляризационного контроля в длинном плече интерферометра.22 - polarization control device in the long arm of the interferometer.

23 - оптоволоконный светоделитель 50/50, входы которого соединены с выходами короткого и длинного плеч.23 - fiber optic beam splitter 50/50, the inputs of which are connected to the outputs of the short and long shoulders.

24 - детектор однофотонных импульсов на 1.5 мкм, вход которого соединен с выходом светоделителя.24 - detector of single-photon pulses at 1.5 μm, the input of which is connected to the output of the beam splitter.

25 - детектор однофотонных импульсов на 1.5 мкм, вход которого соединен с выходом светоделителя.25 - detector of single-photon pulses at 1.5 μm, the input of which is connected to the output of the beam splitter.

26 - блок управления однофотонными детекторами на 1.5 мкм.26 - control unit single-photon detectors at 1.5 μm.

27 - блок управления детектором синхроимпульсов с несущей длиной волны ~1.3 мкм.27 is a control unit for a sync pulse detector with a carrier wavelength of ~ 1.3 μm.

28 - блок управления лазером синхроимпульсов с несущей длиной волны ~1.3 мкм.28 - a control unit for a laser of sync pulses with a carrier wavelength of ~ 1.3 μm.

29 - блок управления лазером с несущей длиной волны ~1.5 мкм.29 - laser control unit with a carrier wavelength of ~ 1.5 μm.

30 - передающая станция.30 - transmitting station.

31 - оптоволоконная линия связи устройства.31 - fiber optic communication line of the device.

32 - приемная станция.32 - receiving station.

Способ осуществляется следующим образом.The method is as follows.

На выходе лазера 1 с несущей длиной волны 1.55 мкм многофотонный сигнал ослабляется до однофотонного состояния. Поскольку статистика излучения лазера является пуассоновской, то реально требуется ослабление излучения до уровня 0.1 фотона в среднем на каждый импульс. Ослабления достигают с помощью ослабителя (аттенюатора) 2. В каждой посылке в канал связи 14 случайно и равновероятно посылают одно из четырех однофотонных состояний. Разной длительности однофотонных состояний достигают при помощи модуляции излучения лазера 1. Возможна как прямая (токовая) модуляция излучения, так и модуляция с применением внешнего модулятора. В каждой посылке однофотонные состояния сдвинуты относительно друг друга (фиг.1) и приготавливаются в заданных интервалах времени. Неортогональность состояний (достоверную неразличимость) получают частичным перекрытием однофотонных состояний. После ослабления исходные состояния направляют на один из входов 4 оптоволоконного светоделителя (50/50) 5 и затем в разбалансированный интерферометр Маха-Цандера. Второй вход 3 светоделителя 5 является холостым (на этом входе вакуумное состояние). После пропускания по длинному 7 и короткому 6 плечам интерферометра получают суперпозицию исходного однофотонного состояния и сдвинутого на интервал времени, равный разности оптических путей интерферометра. Величина разности хода равна 2Т - длительности состояний 0(х) и 1(+) (см. фиг.1). Преобразование однофотонных состояний в последовательность неортогональных однофотонных состояний (фиг.1(б)) является одним из центральных моментов реализации способа. Такое преобразование обеспечивает детектирование любых изменений неортогональных однофотонных состояний в канале связи 14 и позволяет детектировать любые попытки вторжения в квантовый канал 14 с целью получения информации о передаваемых криптографических ключах. С помощью лазера 11 с несущей длиной волны ~1.3 мкм и блока управления 28 создают в каждой посылке интенсивные (классические) короткие импульсы (синхроимпульсы), относительно которых производят привязку во времени неортогональных состояний с несущей длиной волны 1.55 мкм. Затем неортогональные однофотонные состояния и синхронизирующие импульсы посылают соответственно на входы 10 и 12 оптоволоконного разделителя (мультиплексора) по длинам волн (1.3 мкм/1.55 мкм) 13. С разделителя 13 состояния направляют по каналу связи 14 на принимающую станцию 32. С выхода канала связи 14 они поступают на вход оптоволоконного разделителя по длинам волн (1.3 мкм/1.55 мкм) 15. Излучение с длиной волны 1.3 мкм направляют на вход детектора синхроимпульсов 16 с блоком управления 27, а излучение с длиной волны 1.55 мкм - на рабочий вход 18 оптоволоконного светоделителя (50/50) 19. Второй вход 17 светоделителя 19 - холостой (вакуумное состояние). Со светоделителя 19 неортогональные однофотонные состояния с несущей длиной волны 1.55 мкм направляют в длинное плечо 21 интерферометра Маха-Цандера с устройством поляризационного контроля 22 и короткое плечо 20 с пьезоэлементом для точной подстройки длины короткого плеча. Неортогональные однофотонные состояния после пропускания их по плечам интерферометра совмещают на светоделителе (50/50) 23, в результате чего они интерферируют сами с собой, после чего их направляют на однофотонные детекторы 24, 25 с блоком управления 26. На фотодетекторе 24 получают конструктивную интерференцию (сложение квантовых амплитуд) однофотонных состояний (см. фиг.1(в)), соответственно, на фотодетекторе 25 - деструктивную интерференцию (вычитание квантовых амплитуд) однофотонных состояний (см. фиг.1(в)). Декодирование осуществляют с помощью измерения статистики фотоотсчетов в различных интервалах времени в каждом фотодетекторе. Сравнение статистики фотоотсчетов в различных интервалах времени с определенными пороговыми значениями позволяет детектировать любые попытки подслушивания и обеспечить секретность передаваемых криптографических ключей. Реализация способа не ограничивается приведенным в примере описанием. Способ может быть реализован с помощью другого аналогичного устройства.At the output of laser 1 with a carrier wavelength of 1.55 μm, the multiphoton signal is attenuated to a single-photon state. Since the statistics of laser radiation is Poisson, it is really necessary to attenuate the radiation to a level of 0.1 photon on average per pulse. The attenuation is achieved using a attenuator (attenuator) 2. In each transmission, one of the four single-photon states is randomly and equally sent to the communication channel 14. Different durations of single-photon states are achieved by modulating the radiation of laser 1. Both direct (current) radiation modulation and modulation using an external modulator are possible. In each package, single-photon states are shifted relative to each other (Fig. 1) and are prepared at predetermined time intervals. The nonorthogonality of states (reliable indistinguishability) is obtained by partial overlap of single-photon states. After attenuation, the initial states are sent to one of the inputs 4 of the fiber optic beam splitter (50/50) 5 and then to the unbalanced Mach-Zander interferometer. The second input 3 of the beam splitter 5 is idle (at this input a vacuum state). After passing the interferometer along the long 7 and short 6 arms, a superposition of the initial single-photon state and shifted by a time interval equal to the difference in the optical paths of the interferometer is obtained. The magnitude of the difference in stroke is equal to 2T - the duration of the states 0 (x) and 1 (+) (see figure 1). The conversion of single-photon states into a sequence of non-orthogonal single-photon states (Fig. 1 (b)) is one of the central points in the implementation of the method. Such a conversion provides the detection of any changes in non-orthogonal single-photon states in the communication channel 14 and allows you to detect any attempts to intrude into the quantum channel 14 in order to obtain information about the transmitted cryptographic keys. Using a laser 11 with a carrier wavelength of ~ 1.3 μm and a control unit 28, intense (classical) short pulses (sync pulses) are generated in each package, with respect to which nonorthogonal states with a carrier wavelength of 1.55 μm are referenced in time. Then non-orthogonal single-photon states and clock pulses are respectively sent to the inputs 10 and 12 of the fiber optic splitter (multiplexer) according to wavelengths (1.3 μm / 1.55 μm) 13. From the splitter 13, the states are sent via the communication channel 14 to the receiving station 32. From the output of the communication channel 14 they arrive at the input of the fiber optic separator at wavelengths (1.3 μm / 1.55 μm) 15. Radiation with a wavelength of 1.3 μm is sent to the input of the clock detector 16 with a control unit 27, and radiation with a wavelength of 1.55 μm is sent to the working input 18 of the fiber a beam splitter (50/50) 19. The second input 17 of the beamsplitter 19 - idle (vacuum state). From the beam splitter 19, non-orthogonal single-photon states with a carrier wavelength of 1.55 μm are sent to the long arm 21 of the Mach-Zander interferometer with the polarization control device 22 and the short arm 20 with a piezoelectric element for fine-tuning the length of the short arm. Non-orthogonal single-photon states, after passing them along the shoulders of the interferometer, are combined on a beam splitter (50/50) 23, as a result of which they interfere with themselves, after which they are sent to single-photon detectors 24, 25 with a control unit 26. Constructive interference is obtained on the photo detector 24 ( addition of quantum amplitudes) of single-photon states (see Fig. 1 (c)), respectively, at the photodetector 25, destructive interference (subtraction of quantum amplitudes) of single-photon states (see Fig. 1 (c)). Decoding is carried out by measuring statistics of photocounts at various time intervals in each photodetector. Comparison of the statistics of photocounts at various time intervals with certain threshold values allows you to detect any eavesdropping attempts and ensure the secrecy of the transmitted cryptographic keys. The implementation of the method is not limited to the description in the example. The method can be implemented using another similar device.

Claims

A method of encoding and transmitting cryptographic keys, including generating a series of single-photon states at a transmitting station, converting them into a sequence of non-orthogonal single-photon states, transmitting the latter through a quantum communication channel, and detecting at a receiving station by means of interferometric transformations, characterized in that a series of single-photon states is generated and detected in specified time intervals.