RU2325039C2 - Method of encoding and encryption keys transmission - Google Patents

Method of encoding and encryption keys transmission Download PDF

Info

Publication number
RU2325039C2
RU2325039C2 RU2006119652/09A RU2006119652A RU2325039C2 RU 2325039 C2 RU2325039 C2 RU 2325039C2 RU 2006119652/09 A RU2006119652/09 A RU 2006119652/09A RU 2006119652 A RU2006119652 A RU 2006119652A RU 2325039 C2 RU2325039 C2 RU 2325039C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
state
states
quantum
time
receiving station
Prior art date
Application number
RU2006119652/09A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2006119652A (en
Inventor
Сергей Николаевич Молотков (RU)
Сергей Николаевич Молотков
Сергей Павлович Кулик (RU)
Сергей Павлович Кулик
Original Assignee
Сергей Николаевич Молотков
Сергей Павлович Кулик
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 Сергей Николаевич Молотков, Сергей Павлович Кулик filed Critical Сергей Николаевич Молотков
Priority to RU2006119652/09A priority Critical patent/RU2325039C2/en
Publication of RU2006119652A publication Critical patent/RU2006119652A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2325039C2 publication Critical patent/RU2325039C2/en

Links

Images

Abstract

FIELD: information encryption.
SUBSTANCE: method includes forming quantum photonic status sequence on the transmitting station to encode encryption keys and transmission of these statuses via open space to receiving station; at that, the distance between the stations is previously measured and clock on both station is synchronised; then, transmitting station converts quantum photonic statuses to one- or multiphoton orthogonal statuses and measures their sending time, which is sent to receiving station; the receiving station measures receiving time of the one- or multiphotonic quantised statuses, determines delay value, using which decoding and eavesdropping are performed.
EFFECT: provision of encryption key security during its long-distance transmission via open space, provision of long-term stability and reducing error stream in transmitted encryption keys on receiving station.
3 dwg, 2 tbl

Description

Изобретение относится к области кодирования и передачи криптографических ключей через открытое пространство.The invention relates to the field of coding and transmission of cryptographic keys through open space.

Из уровня техники в данной области известен способ кодирования и передачи криптографических ключей, включающий формирование на передающей станции последовательности квантовых фотонных состояний и передачу этих состояний по открытому пространству на принимающую станцию (см. патент США №6748083 В1, кл. МКИ Н04К 001/08; G06F 001/02; G06F 007/58, опубликованный 08.06.2004 г.).The prior art in the art knows a method for encoding and transmitting cryptographic keys, which includes generating a sequence of quantum photon states at a transmitting station and transmitting these states through open space to a receiving station (see US Pat. No. 6,784,083 B1, class MKI H04K 001/08; G06F 001/02; G06F 007/58, published June 8, 2004).

К принципиальным недостаткам известного способа можно отнести невозможность технически реализовать источник, генерирующий строго однофотонные состояния. При нестрогой однофотонности источника и затухании в пространстве, превышающем некоторую критическую величину, известный способ не гарантирует секретность передаваемых криптографических ключей. Кроме того, известный способ 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 принципиальных недостатков известный способ не позволяет обеспечивать секретность передаваемых криптографических ключей на большие расстояния, долговременную стабильность системы и минимизировать поток ошибок на принимающей станции.The fundamental disadvantages of this method include the inability to technically implement a source that generates strictly single-photon states. With non-strict single-photon source and attenuation in a space exceeding a certain critical value, the known method does not guarantee the secrecy of transmitted cryptographic keys. In addition, the known method requires precise and consistent 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 fundamental shortcomings, the known method does not allow secrecy of transmitted cryptographic keys over long distances, long-term stability of the system and minimize the flow of errors at the receiving station.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в обеспечении секретности криптографических ключей при передаче последних через открытое пространство на большие расстояния, включая передачу между наземными объектами и низкоорбитальными спутниками (вплоть до высот в 1000 км) в том случае, когда источник квантовых состояний не является строго однофотонным, и во время связи в пространстве имеется произвольное затухание, а также на достижение долговременной стабильности и уменьшение потока ошибок в передаваемых первичных криптографических ключах на принимающей станции.The technical result to which the invention is directed is to ensure the secrecy of cryptographic keys when transmitting the latter through open space over long distances, including transmission between ground objects and low-orbit satellites (up to altitudes of 1000 km) in the case when the source of quantum states is not is strictly single-photon, and during communication in space there is arbitrary attenuation, as well as to achieve long-term stability and reduce the flow of errors in front of Vai primary cryptographic keys at the receiving station.

Использование такого фундаментального принципа как принцип релятивистской причинности в квантовой криптографии позволяет сформулировать принципиально новый подход к обеспечению секретности передаваемых криптографических ключей. В данном способе кодирования и передачи криптографических ключей снимаются принципиальные трудности, имеющиеся в ранее известном способе (см. патент США №6748083 В1, кл. МКИ Н04К 001/08; G06F 001/02; G06F 007/58, опубликованный 08.06.2004 г.). Предложенный способ кодирования и передачи криптографических ключей естественно называть релятивистской квантовой криптографией. Релятивистская квантовая криптография обеспечивает секретность при передаче криптографических ключей: 1) при любом затухании во время связи (затухание снижает лишь скорость передачи ключей, но не влияет на их секретность); 2) не требует строго однофотонного источника квантовых состояний (достаточно лишь присутствие однофотонной компоненты в состояниях лишь с некоторой вероятностью. Схема остается секретной даже при сколь угодно малой доле (вероятности) однофотонной компоненты. Это означает, что квантовое состояние может иметь сколь угодно большое среднее число фотонов. Доля однофотонной компоненты влияет лишь на скорость передачи ключей, но не на их секретность).Using such a fundamental principle as the principle of relativistic causality in quantum cryptography allows us to formulate a fundamentally new approach to ensuring the secrecy of transmitted cryptographic keys. In this method of encoding and transmitting cryptographic keys, the fundamental difficulties existing in the previously known method are removed (see US patent No. 6748083 B1, CL MKI H04K 001/08; G06F 001/02; G06F 007/58, published on 08.06.2004, ) The proposed method for encoding and transmitting cryptographic keys can naturally be called relativistic quantum cryptography. Relativistic quantum cryptography provides secrecy in the transmission of cryptographic keys: 1) during any attenuation during communication (attenuation only reduces the transmission speed of keys, but does not affect their secrecy); 2) does not require a strictly single-photon source of quantum states (the presence of a single-photon component in states with only a certain probability is sufficient. The scheme remains secret even with an arbitrarily small fraction (probability) of a single-photon component. This means that the quantum state can have an arbitrarily large average number photons. The fraction of a single-photon component affects only the transmission speed of keys, but not their secrecy).

Указанный технический результат достигается тем, что в способе кодирования и передачи криптографических ключей, включающем формирование на передающей станции последовательности квантовых фотонных состояний и передачу этих состояний по открытому пространству на принимающую станцию, предварительно измеряют расстояние между станциями и синхронизируют часы на них, затем на передающей станции преобразуют последовательности квантовых фотонных состояний в одно- или многофотонные ортогональные состояния и измеряют время их отправки, а на принимающей станции измеряют время их приема и определяют величину задержки, по которой производят декодирование для обнаружения подслушивания.The specified technical result is achieved by the fact that in the method of encoding and transmitting cryptographic keys, which includes generating a sequence of quantum photon states at the transmitting station and transmitting these states through open space to the receiving station, the distance between the stations is preliminarily measured and the clock is synchronized on them, then at the transmitting station transform sequences of quantum photon states into single or multiphoton orthogonal states and measure the time of their sending, and n the receiving station measures the time of receiving and determining a delay value at which produce decoding to detect eavesdropping.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1а), б), в) и 2 показаны пространственно-временные диаграммы квантовых состояний с конечной протяженностью для кодирования криптографических ключей, поясняющие неизбежность возникновения задержки по времени на принимающей станции, если были попытки подслушивания и извлечения информации при передаче ключей. На фиг.3 показан пример реализации способа.The invention is illustrated by drawings. In FIG. 1a), b), c), and 2 show spatial-temporal diagrams of quantum states with a finite length for encoding cryptographic keys, explaining the inevitability of a time delay at the receiving station if there were attempts to eavesdrop and extract information during the transmission of keys. Figure 3 shows an example implementation of the method.

На фиг.1:In figure 1:

а) пространственно-временная диаграмма, поясняющая процесс копирования одного из ортогональных квантовых состояний фотона с пространственно-временной амплитудой с протяженностью L посредством его преобразования в локализованное в пространственно-временной точке Г, измерение последнего, затем преобразование обратно в квантовое состояние с той же пространственно-временной амплитудой, что и исходное состояние, но с временной задержкой, равной протяженности состояния;a) a spatio-temporal diagram explaining the process of copying one of the orthogonal quantum states of a photon with a spatio-temporal amplitude of length L by converting it to a localized at the spatio-temporal point G, measuring the latter, then converting back to a quantum state with the same spatial time amplitude as the initial state, but with a time delay equal to the length of the state;

б) пространственно-временная диаграмма, поясняющая процесс копирования протяженного квантового состояния фотона посредством унитарного преобразования в атомные степени свободы, измерение квантового состояния атомной системы, затем преобразование квантового состояния атомной системы в состояние фотона с той же пространственно-временной формой, что и исходное, но с временной задержкой, равной протяженности состояния;b) a space-time diagram explaining the process of copying an extended quantum state of a photon by unitary conversion to atomic degrees of freedom, measuring the quantum state of an atomic system, then converting the quantum state of an atomic system to a state of a photon with the same spatio-temporal form as the original, but with a time delay equal to the extent of the condition;

в) пространственно-временная диаграмма, поясняющая нарушение принципа релятивистской причинности, если одно из ортогональных квантовых состояний копируется быстрее, чем это предписывается диаграммами а) и б).c) a spatio-temporal diagram explaining the violation of the principle of relativistic causality if one of the orthogonal quantum states is copied faster than prescribed by diagrams a) and b).

На фиг.1а) приняты следующие обозначения:On figa) adopted the following notation:

1 - исходное квантовое состояние с пространственно-временной протяженностью L на временном срезе 5;1 - the initial quantum state with a spatio-temporal extent L at the time slice 5;

2 - промежуточное квантовое состояние с меньшей пространственно-временной протяженностью, чем исходное на более позднем временном срезе 6;2 - an intermediate quantum state with a smaller spatio-temporal extent than the initial one at a later time slice 6;

3 - копия исходного квантового состояния на временном срезе 8, но с задержкой по времени по сравнению с исходным состоянием 4, испытывающем свободное распространение со скоростью света;3 is a copy of the initial quantum state at the time slice 8, but with a time delay compared to the initial state 4, which experiences free propagation at the speed of light;

7 - временной срез, на котором исходное квантовое состояние преобразовано в локализованное в точке Г. L/c - минимально необходимое время между срезами 5 и 7, которое диктуется принципом релятивистской причинности, для преобразования исходного квантового состояния в локализованное. Аналогично, L/c - минимально необходимое время между срезами 7 и 8, для преобразования локализованного квантового состояния в точке Г, в протяженное с той же пространственно-временной амплитудой, что и исходное, но задержанное по времени по сравнению с квантовым состоянием 4 со свободным распространением со скорость света.7 - a time slice at which the initial quantum state is converted to a localized one at G. L / c is the minimum time necessary between slices 5 and 7, which is dictated by the principle of relativistic causality, for converting the initial quantum state to a localized one. Similarly, L / c is the minimum time required between slices 7 and 8 to convert a localized quantum state at point Г to an extended one with the same spatio-temporal amplitude as the original, but delayed in time compared to quantum state 4 with free spread with the speed of light.

На фиг.1б) приняты следующие обозначения:On figb) adopted the following notation:

9 - исходное квантовое состояние с пространственно-временной протяженностью L на временном срезе 13;9 - the initial quantum state with a spatio-temporal extent L at the time slice 13;

10 - квантовое состояние на временном срезе 14, штриховой линией показана доля нормировки состояния, которая преобразована в атомные степени свободы, локализованные в точке (пространственный срез 12);10 - quantum state at the time slice 14, the dashed line shows the fraction of the normalization of the state, which is transformed into atomic degrees of freedom, localized at the point (spatial slice 12);

11 - амплитуда свободно распространяющегося квантового состояния фотона на временном срезе 15.11 is the amplitude of the freely propagating quantum state of a photon in a time slice 15.

На фиг.1в) приняты следующие обозначения.On figv) adopted the following notation.

16 - исходное квантовое состояние с пространственно-временной протяженностью L;16 - the initial quantum state with a spatio-temporal extent L;

17 - гипотетическое преобразование исходного состояния в квантовое состояние с меньшей пространственно-временной протяженностью, нарушающее принцип релятивистской причинности.17 - a hypothetical transformation of the initial state into a quantum state with a smaller spatio-temporal extent, violating the principle of relativistic causality.

Любые квантовые состояния имеют некоторую конечную пространственно-временную протяженность (соответственно конечную частотную полосу). В этом случае при формулировке протокола обмена в реальном времени для различения числа фотонов в линии как и для любых других измерений, требуется неизбежно конечное время, которое приводит к задержке результатов измерений на принимающей станции, что позволяет детектировать любые попытки подслушивания.Any quantum states have some finite spatio-temporal extent (respectively, a finite frequency band). In this case, when formulating a real-time exchange protocol, to distinguish between the number of photons in a line as for any other measurements, an inevitably finite time is required, which leads to a delay in the measurement results at the receiving station, which makes it possible to detect any attempts to eavesdrop.

Для ортогональных квантовых состояний нет запрета на достоверное различение без их возмущения, если состояние доступно сразу как целое.For orthogonal quantum states, there is no prohibition on reliable discrimination without disturbing them if the state is immediately available as a whole.

Доступ к квантовому состоянию сразу как целому неизбежно подразумевает доступ к той части пространства-времени, где отлична от нуля амплитуда (волновая функция) состояния 1 (см. фиг.1а)). Если же доступна лишь часть пространства, где отлична от нуля амплитуда состояний, то в этом случае даже ортогональные состояния невозможно достоверно скопировать или различить. Последнее более или менее очевидно, поскольку никакой процесс, в том числе копирование или различение, не может иметь вероятность исхода больше, чем доля нормировки состояний, которая набирается в доступной пространственно-временной области, и тем автоматически в доступной части гильбертова пространства. То есть, чтобы с достоверностью скопировать или различить ортогональные состояния, они нужны сразу и целиком.Access to a quantum state immediately as a whole inevitably implies access to that part of space-time where the amplitude (wave function) of state 1 is nonzero (see Fig. 1a)). If only a part of the space is available where the state amplitude is nonzero, then even orthogonal states cannot be reliably copied or distinguished. The latter is more or less obvious, since no process, including copying or distinguishing, can have a probability of an outcome greater than the fraction of the normalization of states, which is typed in the available space-time domain, and thus automatically in the accessible part of the Hilbert space. That is, in order to reliably copy or distinguish between orthogonal states, they are needed immediately and in their entirety.

В нерелятивистской квантовой механике, где нет ограничений на предельную скорость распространения сигналов, доступ к любой конечной области может быть получен мгновенно. В квантовой теории поля, где существуют ограничения на предельную скорость, доступ к квантовому состоянию целиком может быть получен лишь в том случае, если протяженное квантовое состояние предварительно преобразовано к квантовому состоянию с амплитудой, отличной от нуля лишь в сколь угодно малой пространственной области. Из-за принципа релятивистской причинности такое преобразование квантового состояния, заданного в конечной пространственно-временной области, в квантовое состояние, локализованное в сколь угодно малой пространственной области, может быть осуществлено лишь за конечное время. Минимально необходимое время определяется из условия накрытия прошлой частью светового конуса с вершиной в Г (см. фиг.1а)) исходной пространственной области, где была отлична амплитуда квантового состояния 1 (см. фиг.1а)). Вершина этого конуса находится в сколь угодно сильно локализованной области (точка Г), в которую преобразуется исходная амплитуда квантового состояния 1, 2 (см. фиг.1а)). Каждое из пары ортогональных квантовых состояний, преобразованных ("собранных") в локализованной области, могут быть после этого достоверно скопированы или различимы. Поскольку речь идет о безмассовых состояниях квантованного поля (фотонов), которые распространяются с предельно допустимой скоростью, то такое преобразование и дальнейшее копирование приведет к сдвигу (задержке) состояний в пространстве-времени по сравнению с исходной свободной эволюцией (распространением) состояний.In nonrelativistic quantum mechanics, where there are no restrictions on the limiting speed of propagation of signals, access to any finite region can be obtained instantly. In quantum field theory, where there are restrictions on the limiting speed, access to the entire quantum state can be obtained only if the extended quantum state is previously transformed to a quantum state with an amplitude that is nonzero only in an arbitrarily small spatial region. Due to the principle of relativistic causality, such a transformation of a quantum state defined in a finite space-time region into a quantum state localized in an arbitrarily small spatial region can be realized only in a finite time. The minimum necessary time is determined from the condition that the previous part of the light cone with the vertex in G (see figa) is covered with the original spatial region where the amplitude of the quantum state 1 was different (see figa)). The top of this cone is located in an arbitrarily strongly localized region (point Г), into which the initial amplitude of the quantum state 1, 2 is converted (see Fig. 1a)). Each of a pair of orthogonal quantum states transformed (“collected”) in a localized region can then be reliably copied or distinguished. Since we are talking about massless states of a quantized field (photons) that propagate at the maximum permissible speed, such a conversion and further copying will lead to a shift (delay) of states in space-time compared to the initial free evolution (propagation) of states.

Данное обстоятельство позволяет детектировать любые попытки подслушивания путем измерения задержек результатов измерений на принимающей станции.This circumstance makes it possible to detect any eavesdropping attempts by measuring the delays of the measurement results at the receiving station.

Иначе говоря, для ортогональных состояний безмассового квантованного поля (фотонов) теорема о запрете копирования звучит следующим образом. Ортогональные состояния могут быть с вероятностью, сколь угодно близкой к единице, скопированы. Но при этом в результате копирования получаются состояния с той же формой амплитуд, но сдвинутые (транслированные в пространстве-времени). Т.е. разрешен более слабый процесс по сравнению с нерелятивистским случаемIn other words, for the orthogonal states of a massless quantized field (photons), the copy prohibition theorem is as follows. Orthogonal states can be copied with a probability arbitrarily close to unity. But at the same time, as a result of copying, states with the same form of amplitudes are obtained, but shifted (translated in space-time). Those. a weaker process is allowed compared to the nonrelativistic case

Figure 00000002
Figure 00000002

UL оператор трансляции в пространстве-времени вдоль ветви светового конуса величину L=Δ(x-t) - размер области, где отлична от нуля амплитуда состояний |φ0,1> (считаем, для краткости, что оба состояния отличны от нуля в одинаковой пространственно-временной области, но отличаются формой амплитудU L the translation operator in space-time along the branch of the light cone, the quantity L = Δ (xt) is the size of the region where the amplitude of the states | φ 0 , 1 > is non-zero (we assume, for brevity, that both states are non-zero in the same spatial -time domain, but differ in the shape of the amplitudes

0,1(x-t)>).| φ 0,1 (xt)>).

Аналогично модифицируется теорема о различении ортогональных состояний, разрешен лишь более слабый процесс по сравнению с нерелятивистским случаемThe theorem on distinguishing orthogonal states is similarly modified; only a weaker process is allowed in comparison with the nonrelativistic case

Figure 00000003
Figure 00000003

Сказанное удобно пояснить при помощи фиг.1а), б).The foregoing is convenient to explain using figa), b).

Поскольку амплитуда состояний безмассового квантованного поля (фотонов), распространяющихся в одном направлении оси x, зависит лишь от разности x-t, то можно фиксировать время и считать переменной координату, либо наоборот. Сделаем это для обоих случаев. Этими двумя случаями исчерпываются все ситуации. Пусть задано одно из ортогональных состояний с амплитудой |φ0,1(x-t)>, распространяющихся со скоростью света (выбрана система единиц, когда с=1, индекс состояния 0 или 1 для краткости пока опустим). Пусть состояние 1,9 сосредоточено в области L (рис.1а), б)).Since the amplitude of the states of a massless quantized field (photons) propagating in the same direction of the x axis depends only on the difference xt, we can fix the time and consider the coordinate as a variable, or vice versa. We will do this for both cases. These two cases exhaust all situations. Let one of the orthogonal states with an amplitude | φ 0,1 (xt)> propagating with the speed of light be given (a system of units is chosen when c = 1, the state index 0 or 1 is omitted for brevity for now). Let state 1.9 be concentrated in region L (Fig. 1a), b)).

Чтобы иметь сразу все значения амплитуды состояния при всех x, в момент t0 в той области, где она отлична от нуля, необходимо совершить унитарное преобразование сразу над всем состоянием. Пусть унитарное преобразование над амплитудой состояния - U φ0,1(x-t0)=φ0,1(x-t)(t>t0), амплитуда нового состояния φ0,1(x'-t) может быть отлична от нуля уже в меньшей пространственной области. По существу, минимальный размер области по x' к моменту t диктуется релятивистским принципом причинности. К моменту времени не ранее чем L/c амплитуда исходного состояния может быть унитарным образом преобразована в состояние со сколь угодно сильно локализованной амплитудой в окрестности Г (см. фиг 1а)). Принципиально важно, что это будет уже другое состояние, чем исходное φ0,1(x-t0). К моменту Г доступны значения амплитуды состояния при всех x сразу (мгновенно). Теперь можно мгновенно получить исход измерения и иметь полную (с вероятностью единица) информацию о состоянии. Если пара исходных состояний была ортогональна, то можно унитарным преобразованием получить также пару ортогональных состояний к моменту Г и, соответственно, достоверно отличить одно от другого. Подчеркнем еще раз, что это будут уже другие ортогональные состояния, отличные от исходных. "Восстановление" или копирование состояния также может быть реализовано обратным унитарным преобразованием, "направленным" вперед во времени. Состояние 3 с той же формой амплитуды, как исходное, может быть получено к моменту не ранее, чем это диктуется релятивистской причинностью (см. фиг.1а)). Амплитуда состояния, с той же формой, как у исходного, находится в передней части светового конуса, выпущенного из точки Г. Полученное состояние 3 (фиг.1а)) также другое по сравнению с исходным 4 (фиг.1а)), в том смысле, что оно запаздывает по времени по отношению к исходному состоянию, которое успело бы распространиться вперед по x к моменту L/c, как раз на величину L/c, если бы не было попыток копирования или получения информации о нем. Пока речь шла о получении информации о состояниях в канале с вероятностью единица. Те же самые рассуждения годятся для получения информации с вероятностью, меньшей единицы. При этом задержка по времени, вносимая подслушивателем будет меньше L/c (фиг.1а), б)), но неизбежно будет отлична от нуля.In order to have all the values of the state amplitude for all x at once, at the moment t 0 in the region where it is nonzero, it is necessary to perform a unitary transformation immediately over the entire state. Let the unitary transformation over the state amplitude be U φ 0,1 (xt 0 ) = φ 0,1 (xt) (t> t 0 ), the amplitude of the new state φ 0,1 (x'-t) can be nonzero already in a smaller spatial area. Essentially, the minimum size of the region in x 'at time t is dictated by the relativistic causality principle. By the time instant not earlier than L / c, the amplitude of the initial state can be unitarily converted to a state with an arbitrarily strongly localized amplitude in the vicinity of Γ (see Fig. 1a)). It is crucial that this will be a different state than the original φ 0,1 (xt 0). By the moment Г, the values of the state amplitude are available for all x at once (instantly). Now you can instantly get the outcome of the measurement and have complete (with probability one) information about the state. If the pair of initial states was orthogonal, then by a unitary transformation it is also possible to obtain a pair of orthogonal states by the time Г and, accordingly, reliably distinguish one from the other. We emphasize once again that these will be other orthogonal states that are different from the initial ones. The “restoration” or copying of a state can also be realized by an inverse unitary transformation “directed” forward in time. State 3 with the same form of amplitude as the initial one can be obtained by the time no earlier than this is dictated by relativistic causality (see figa). The amplitude of the state, with the same shape as the original, is in front of the light cone released from point G. The resulting state 3 (figa) is also different from the original 4 (figa)), in the sense that it is delayed in time with respect to the initial state, which would have propagated forward in x by the time L / c, just by the value of L / c, if there were no attempts to copy or obtain information about it. While it was a question of obtaining information about the states in the channel with a probability of one. The same reasoning is suitable for obtaining information with a probability of less than one. Moreover, the time delay introduced by the eavesdropper will be less than L / c (figa), b)), but it will inevitably be non-zero.

Аналогично можно показать, когда состояние унитарным образом преобразуется в состояние вспомогательной локализованной системы (см. фиг.1б)) Пример такого унитарного преобразования имеет место при "остановке" света. Данное унитарное преобразование переводит состояние фотонного поля в вакуумное состояние из-за его безмассовости и невозможности иметь нулевую скорость распространения, а состояние атомной системы - в некоторое новое состояние. Преобразование, будучи унитарным, также требует доступа ко всем значениям амплитуды фотонного пакета в точке локализации атомной системы 12 (см. фиг.1б)). Такой доступ достигается естественным образом по мере распространения пакета со скоростью света и достижения им локализованной атомной системы ("вхождение" пакета целиком в атомную систему). Данный процесс, если речь идет о получения результата с вероятностью единица, также требует времени L/c (однофотонный пакет должен целиком "войти" в атомную систему). Процесс "вхождения" показан на фиг.1б) - промежуточное состояние 10. При этом фотонное поле оказывается в другом - вакуумном состоянии, а вспомогательная система - в новом состоянии в зависимости от входного фотонного состояния. К моменту времени L/c с вероятностью единица можно выяснить, что это за состояние и приготовить такое же, но с неизбежной задержкой на L/c, которая будет иметь место по сравнению со свободным распространением исходного пакета 11 (фиг.1б)).Similarly, it can be shown when the state is converted in a unitary way to the state of an auxiliary localized system (see fig. 1b)) An example of such a unitary transformation takes place when the light "stops". This unitary transformation translates the state of the photon field into a vacuum state due to its masslessness and the inability to have a zero propagation velocity, and the state of the atomic system to a new state. The conversion, being unitary, also requires access to all values of the amplitude of the photon packet at the localization point of the atomic system 12 (see Fig. 1b)). Such access is achieved naturally as the packet propagates at the speed of light and reaches a localized atomic system (the "entry" of the packet as a whole into the atomic system). This process, when it comes to obtaining a result with a probability of one, also requires L / c time (a single-photon packet must completely “enter” the atomic system). The process of "entry" is shown in fig.1b) - an intermediate state 10. In this case, the photon field is in another - vacuum state, and the auxiliary system - in a new state, depending on the input photon state. By the time L / c, with probability one it is possible to find out what kind of condition it is and prepare the same, but with the inevitable delay on L / c, which will take place in comparison with the free distribution of the original package 11 (Fig. 1b)).

Таким образом, любое получение информации об одном из ортогональных состояний приводит к неизбежной их модификации - трансляции в пространстве-времени (задержке по времени).Thus, any receipt of information about one of the orthogonal states leads to their inevitable modification - broadcast in space-time (time delay).

Также важно, что никакая эволюция безмассового квантованного поля, взаимодействующего с окружением (другими квантовыми и классическими степенями свободы в канале), не может привести к "сжатию" состояния, в том смысле, что нормировка состояния будет набираться в меньшей пространственной области, выходящей за световой конус по сравнению со свободным распространением (см. фиг.1в)). Как правило, такое взаимодействие приведет к тому, что состояние будет смешанным, но носитель матрицы плотности в пространстве-времени не может быть "сжат" и выведен за световой конус (фиг.1б) - состояние 16). В противном случае это бы давало возможность передавать информацию при помощи квантовых состояний быстрее скорости света. Действительно, пусть имеется одно из пары ортогональных квантовых состояний (фиг.1в) - 16 - состояние протяженностью L накрывается прошлой частью светового конуса, выпущенного из точки А. В точке А можно извлечь классическую информацию из квантового состояния не ранее чем в момент времени, определяемый условием накрытия амплитуды состояния прошлой частью светового конуса. После этого он может передать уже классическую информацию к точке В (см. фиг.1в)). Такая передача не может быть сделана быстрее, чем со скоростью света (наблюдатели соединены ветвью светового конуса фиг.1в)). Если бы в результате эволюции квантового состояния в канале оно могло "сжаться" таким образом, чтобы при накрытии состояния прошлой частью светового конуса, вершина этого конуса оказывалась в пространственно-подобной области по отношению к световому конусу с вершиной в точке А, одна из ветвей которого проходит через точку В (см. фиг.1в)). В этом случае в точке В можно извлечь классическую информацию из квантового состояния раньше, чем ее можно было передать со скоростью света из точки А, поскольку вершина светового конуса, накрывающего "сжатое" квантовое состояние, выходит в пространственно-подобную область 17 (см. фиг.1в)).It is also important that no evolution of a massless quantized field interacting with the environment (other quantum and classical degrees of freedom in the channel) can lead to a “compression” of the state, in the sense that the normalization of the state will accumulate in a smaller spatial region beyond the light cone compared with free distribution (see figv)). As a rule, such an interaction will lead to the state being mixed, but the carrier of the density matrix in space-time cannot be “squeezed” and led out of the light cone (Fig. 1b) - state 16). Otherwise, this would make it possible to transmit information using quantum states faster than the speed of light. Indeed, let there be one of a pair of orthogonal quantum states (Fig.1c) - 16 - a state of length L is covered by the last part of the light cone released from point A. At point A, classical information can be extracted from the quantum state no earlier than at the time instant determined condition for covering the state amplitude with the last part of the light cone. After that, he can transfer already classical information to point B (see figv)). Such a transmission cannot be made faster than with the speed of light (observers are connected by a branch of the light cone of FIG. 1 c)). If, as a result of the evolution of the quantum state in the channel, it could “shrink” in such a way that when the state was covered with the last part of the light cone, the vertex of this cone would appear in a spatially similar region with respect to the light cone with the vertex at point A, one of whose branches passes through point B (see figv)). In this case, at point B, classical information can be extracted from the quantum state earlier than it could be transmitted at the speed of light from point A, since the apex of the light cone covering the “squeezed” quantum state enters a spatially similar region 17 (see Fig. .1c)).

Для криптографии сказанное означает, что шум в канале не дает подслушивателю ни скопировать, ни получить информацию о состоянии раньше, чем это диктуется диаграммами на фиг.1а), б) (величина ошибки подслушивателя при условии прохождения временного теста на задержку не может быть меньше, чем L/c).For cryptography, this means that the noise in the channel prevents the eavesdropper from either copying or receiving state information earlier than dictated by the diagrams in Fig. 1a), b) (the value of the eavesdropper error under the condition of passing a temporary delay test cannot be less, than L / c).

Это обстоятельство принципиально важно для секретности релятивистской квантовой криптографии, которая остается секретной при любом затухании. Поскольку в нашем случае секретность основана на релятивистском принципе причинности для эволюции квантовых состояний, то затухание, какое бы оно ни было, не может отменить ограничения, диктуемые релятивистской причинностью.This circumstance is fundamentally important for the secrecy of relativistic quantum cryptography, which remains secret at any attenuation. Since in our case secrecy is based on the relativistic principle of causality for the evolution of quantum states, the damping, whatever it may be, cannot cancel the restrictions dictated by relativistic causality.

Данный способ кодирования и передачи секретных криптографических ключей через открытое пространство гарантирует детектирование подслушивателя и получение секретных ключей даже если квантовое фотонное состояние излучения не является строго однофотонным. Величиной, которая отвечает за обнаружение подслушивателя, является величина δОКЕ - вероятность для подслушивателя узнать передаваемый бит и пройти тест на задержку на принимающей станции в зависимости от величины задержки р(δТ), которую подслушиватель может выбирать произвольно, и среднего числа фотонов в квантовом состоянии. Существует оптимальная для подслушивателя величина задержки, которая зависит от среднего числа фотонов в состоянии.This method of encoding and transmitting secret cryptographic keys through open space guarantees the detection of an eavesdropper and the receipt of secret keys even if the quantum photon state of the radiation is not strictly single-photon. The value that is responsible for detecting the eavesdropper is δ OK E - the probability for the eavesdropper to know the transmitted bit and pass the delay test at the receiving station, depending on the delay p (δT), which the eavesdropper can choose arbitrarily, and the average number of photons in the quantum condition. There is an optimal delay for the eavesdropper, which depends on the average number of photons in the state.

При малом среднем числе фотонов μ=0.1 величина δОКЕ, как видно из таблицы 1, составляет δОКЕ=0.565, что лишь на 0.065 превосходит вероятность простого угадывания подслушивателем передаваемого бита информации (напомним, что вероятность простого угадывания составляет 0.5 и является самой невыгодной для подслушивателя). Для дальнейшего будет удобнее использовать минимальную вероятность ошибки для подслушивателя δЕ=1-δОКЕ. Данная величина имеет следующий смысл.For a small average number of photons μ = 0.1, the value of δ OK E , as can be seen from table 1, is δ OK E = 0.565, which is only 0.065 higher than the probability of a simple guessing by the eavesdropper of a transmitted bit of information (recall that the probability of simple guessing is 0.5 and is itself disadvantageous for the eavesdropper). For what follows, it will be more convenient to use the minimum probability of error for the eavesdropper δ E = 1-δ OK E. This value has the following meaning.

Поскольку на принимающей станции в точке В оставляют только те посылки, которые дали исход в нужном временном окне, то для подслушивателя это означает, что вероятность ошибки, с которой он знает биты в принятых в точке В позициях, прошедших тест, составляет δЕ. Даже при среднем число фотонов в когерентном состоянии вплоть до μ=5 вероятность ошибки для подслушивателя 30%, это означает, что подслушиватель знает принятые легитимными пользователями биты примерно в 70% позиций. При длинной принятой последовательности N легитимными участниками в точках А и В может быть извлечено 0.3 N секретных.Since at the receiving station at point B only those messages are left that gave an outcome in the desired time window, for the eavesdropper this means that the probability of an error with which he knows the bits in the received positions at the point B that passed the test is δ E. Even with an average number of photons in a coherent state up to μ = 5, the error probability for the eavesdropper is 30%, which means that the eavesdropper knows the bits accepted by legitimate users in about 70% of the positions. With a long accepted sequence of N legitimate participants at points A and B, 0.3 N secret ones can be extracted.

При большом среднем числе фотонов величина δОКЕ стремится к единице (соответственно, вероятность ошибки δЕ стремится к 0, но никогда не становится нулевой). Оптимальная для подслушивателя задержка также стремится к нулю, но никогда не становится нулевой. Хотя доля нормировки р(δТ), набирающаяся во временном окне измерения δТ, стремится к нулю (при μ=100, при этом р(δТ)=0.04), тем не менее эта малость компенсируется большим числом фотонов, которые могут дать отсчет в окне δТ. При больших μ>>1 имеет место классическая ситуация, два состояния электромагнитного поля с неперекрывающимися частотными полосами могут быть достоверно идентифицированы мгновенно без задержки.With a large average number of photons, the value of δ OK E tends to unity (respectively, the probability of error δ E tends to 0, but never becomes zero). The optimal eavesdropper delay also tends to zero, but never becomes zero. Although the fraction of normalization p (δT), which accumulates in the time window for measuring δT, tends to zero (at μ = 100, while p (δT) = 0.04), nevertheless, this smallness is compensated by the large number of photons that can give a count in the window δT. For large μ >> 1, the classical situation takes place, two states of the electromagnetic field with non-overlapping frequency bands can be reliably identified instantly without delay.

Тот факт, что можно использовать когерентные состояния со средним числом μ=1-3, где величина δЕ еще велика, для экспериментальных реализации означает, что не требуется ослабления лазерного излучения до уровня μ=0.1-0.3, как это обычно имеет место. При среднем числе фотонов μ=3 холостые посылки, когда в канале присутствует лишь вакуумная компонента, практически отсутствуют, что позволяет увеличить скорость генерации ключа в 10 раз (см. таблицу 1).The fact that it is possible to use coherent states with an average μ = 1-3, where the quantity δ e still large, for experimental implementation means that do not require laser attenuation level to μ = 0.1-0.3, as is usually the case. With an average number of photons μ = 3, there are practically no empty packages when only the vacuum component is present in the channel, which allows increasing the key generation rate by 10 times (see table 1).

Таблица 1Table 1 μ среднее чисто фотоновμ mean pure photons p(δТ) доля нормировки состояния в окне задержки δTp (δТ) the proportion of the normalization of the state in the delay window δT δОКЕ максимальная вероятность для подслушивателя узнать состояние и пройти тост на задержкуδ OK E is the maximum probability for the eavesdropper to find out the state and pass the toast to a delay 0.10.1 0.250.25 0.5650.565 0.30.3 0.250.25 0.5690.569 1.01.0 0.250.25 0.5870.587 3.03.0 0.230.23 0.6420.642 5.05.0 0.20.2 0.6910.691 10.010.0 0.140.14 0.7710.771 20.020.0 0.110.11 0.8470.847 50.050.0 0.060.06 0.9180.918 100.0100.0 0.040.04 0.9520.952

Ответ для вероятности δЕ, no существу, не зависит от исходной ширины частотной полосы δk, а зависит только от безразмерного параметра δk δT. Поэтому при любой частотной полосе всегда можно выбрать требуемую величину временного окна, в которую состояние фотонного поля "помещается" целиком. Величина δЕ зависит только от структуры состояний и максимальна для чистого состояния (не статистической смеси состояний с разным числом фотонов) однофотонного пакета, распространяющего со скоростью света.The answer for the probability δ E , essentially, does not depend on the initial width of the frequency band δk, but depends only on the dimensionless parameter δk δT. Therefore, for any frequency band, you can always select the required value of the time window into which the entire state of the photon field is "placed". The quantity δ E depends only on the structure of states and is maximum for a pure state (not a statistical mixture of states with different numbers of photons) of a single-photon packet propagating at the speed of light.

Таблица 2table 2 μ среднее число фотоновμ average number of photons η оптимальный коэффициент светоделителяη optimal beam splitter максимальная вероятность недетектируемого различения состоянийmaximum probability of undetectable state discrimination 0.10.1 0.00010.0001 0.5020.502 1one 0.200.20 0.5150.515 3.03.0 0.400.40 0.7460.746 5.05.0 0.450.45 0.8930.893 10.010.0 0.50.5 0.9970.997

Состояние однофотонного пакета отвечает предельно квантовой релятивистской ситуации, и в этом случае величина δЕ носит универсальный характер и является, в определенном смысле, мировой константой, поскольку при ее выводе ничего, кроме нормировки амплитуды квантового состояния и факта распространения состояния со скоростью света, не использовалось.The state of a single-photon packet corresponds to the extremely quantum relativistic situation, and in this case the quantity δ E is universal in nature and is, in a certain sense, a world constant, since nothing was used to normalize the amplitude of the quantum state and the fact of the propagation of the state at the speed of light .

Вероятность δ0KE для атаки с расщеплением многофотонного состояния лазерного излучения в зависимости от коэффициента светоделителя η и среднего числа фотонов μ приведена в таблице 2. В таблице 2 приведена максимальная величина δОКЕ для оптимального η.The probability δ 0K E for an attack with splitting of the multiphoton state of laser radiation depending on the beam splitter η and the average number of photons μ is given in Table 2. Table 2 shows the maximum value of δ OK E for optimal η.

При малых средних числах фотонов μ=0.1 для подслушивателя вероятность узнать состояние и остаться незамеченным близка к 0.5 (при этом δОКЕ=0.502, что лишь незначительно превышает вероятность простого угадывания подслушивателем передаваемого бита информации). Данный результат качественно понятен, поскольку при μ=0.1 (за вычетом вероятности вакуумной компоненты) в канале, в основном, находится один фотон. Вероятности появления двух и более фотонов существенно меньше. Поэтому после светоделителя однофотонное состояние может быть зарегистрировано либо подслушивателем, либо легитимным пользователем на принимающей станции, но никогда обоими.For small average photon numbers μ = 0.1 for the eavesdropper, the probability of finding out the state and remaining undetected is close to 0.5 (with δ OK E = 0.502, which only slightly exceeds the probability of the eavesdropper simply guessing the transmitted bit of information). This result is qualitatively understandable, since at μ = 0.1 (minus the probability of the vacuum component), there is mainly one photon in the channel. The probability of occurrence of two or more photons is significantly less. Therefore, after a beam splitter, a single-photon state can be registered either by an eavesdropper or by a legitimate user at a receiving station, but never by both.

При больших числах заполнения μ>10 фотонов состояние близко к классическому, поэтому можно "отщепить" половину состояния (η=0.5), при этом вероятность одновременных отсчетов у подслушивателя и легитимного пользователя на принимающей будет близка к единице.For large occupation numbers μ> 10 photons, the state is close to the classical one; therefore, half of the state can be “split off” (η = 0.5), and the probability of simultaneous readings from the eavesdropper and the legitimate user at the receiving one will be close to unity.

Временная эволюция состояний поясняется на пространственно-временной диаграмме фиг.2.The temporal evolution of states is illustrated in the space-time diagram of FIG. 2.

На фиг.2 показана пространственно-временная диаграмма, поясняющая способ кодирования и передачи криптографических ключей.Figure 2 shows a spatio-temporal diagram explaining a method for encoding and transmitting cryptographic keys.

Процесс распространения квантовых состояний с синхронизацией часов на принимающей и передающей станциях. Квантовые состояния приготавливаются на передающей станции (А), измерения происходят на принимающей станции (В) в определенное временное окно.The process of propagation of quantum states with clock synchronization at the receiving and transmitting stations. Quantum states are prepared at the transmitting station (A), measurements are taken at the receiving station (B) at a specific time window.

На фиг.2 приняты следующие обозначения:In figure 2, the following notation:

18 - квантовое фотонное состояние на передающей станции А;18 - quantum photon state at transmitting station A;

19 - длина канала связи;19 is the length of the communication channel;

20 - эволюция квантового состояния в пространстве-времени (передача состояния от передающей станции А к принимающей станции В;20 - evolution of a quantum state in space-time (state transfer from transmitting station A to receiving station B;

21 - квантовое фотонное состояние на принимающей станции;21 - quantum photon state at the receiving station;

22 - временное окно детектирования на принимающей станции. Только фотоотсчеты в этом временном окне дают вклад в криптографический ключ.22 is a time window of detection at the receiving station. Only photocounts in this time window contribute to the cryptographic key.

На фиг.3 показана экспериментальная реализация способа кодирования и передачи криптографических ключей через открытое пространство. Протяженные ортогональные квантовые состояния, в которые кодируется информация о передаваемых ключах, формируют путем "вырезания" оптическими фильтрами состояний с узкими не перекрывающимися частотными полосами, центрированными вокруг длин волн λ1 и λ2.Figure 3 shows an experimental implementation of a method of encoding and transmitting cryptographic keys through an open space. Extended orthogonal quantum states, into which information about the transmitted keys is encoded, are formed by “cutting out” states of optical filters with narrow, non-overlapping frequency bands centered around wavelengths λ 1 and λ 2 .

На фиг.3 приняты следующие обозначения:In figure 3, the following notation:

23 - лазеры генерирующие когерентные квантовые состояния;23 - lasers generating coherent quantum states;

24 - оптический фильтр с центральной длиной волны λ1 и частотной полосой пропускания δk;24 - an optical filter with a central wavelength λ 1 and a frequency passband δk;

25 - оптический фильтр с центральной длиной волны λ2 и частотной полосой пропускания δk;25 is an optical filter with a central wavelength λ 2 and a frequency passband δk;

26 - оптические призмы;26 - optical prisms;

27 - оптические фотодетекторы;27 - optical photodetectors;

28 - расстояние между станциями;28 - distance between stations;

29 - направление распространения сигнала.29 - direction of signal propagation.

Способ осуществляют следующим образом (см. фиг.3). Предварительно измеряют расстояние 28 (см. фиг.3) между передающей и принимающей станциями и синхронизируют часы.The method is as follows (see figure 3). Preliminarily measure the distance 28 (see figure 3) between the transmitting and receiving stations and synchronize the clock.

Затем на передающей станции преобразуют последовательности квантовых фотонных состояний в одно- или многофотонные ортогональные состояния и измеряют время их отправления.Then, at the transmitting station, sequences of quantum photon states are converted into single or multiphoton orthogonal states and the time of their departure is measured.

На передающей станции показаны два лазера 23 (см. фиг.3). Включение лазера с несущей длиной волны λ1 отвечает передаче на принимающую станцию логического бита, равного 0, соответственно включение лазера с несущей длиной волны λ2 отвечает передаче логического бита, равного 1.At the transmitting station, two lasers 23 are shown (see FIG. 3). Turning on a laser with a carrier wavelength λ 1 corresponds to transmitting a logical bit of 0 to the receiving station, respectively, turning on a laser with a carrier wavelength λ 2 corresponds to transmitting a logical bit of 1.

В некоторый момент времени начала протокола случайно запускают один из лазеров, предварительно фиксируют его мощность и получают одно- или многофотонные квантовые состояния. Лазер выдает оптический импульс с широким спектром δω1 и, соответственно, короткий по времени δt~1/δω1$. Момент включения лазера является временем отправления состояний. Впоследствии время отправления состояний сообщают через общедоступный (открытый) классический канал связи на принимающую станцию. Часы синхронизируют с точностью ~δt. Далее широкополосное состояние направляют на вход фильтров 24, 25 (фиг.3). Каждый фильтр вырезает из широкого спектра δω ортогональные (не перекрывающиеся по частоте) состояния с узкой частотной полосой δk квантовые фотонные состояния. Регулируют мощность на выходе лазера (задают среднее число фотонов μ), и тем самым формируют одно- или многофотонные состояния. Далее состояния направляют на оптическую призму 26 (фиг.3), обеспечивающую отклонение фотонных состояний, центрированных вокруг разных длин волн, и затем посылают через открытое пространство на принимающую станцию.At some point in time of the start of the protocol, one of the lasers is accidentally launched, its power is preliminarily fixed, and one- or multiphoton quantum states are obtained. The laser outputs an optical pulse with a broad spectrum δω 1 and, respectively, a short time δt ~ 1 / δω 1 $. The moment the laser is turned on is the time of departure of the states. Subsequently, the state departure time is reported via a public (open) classic communication channel to the receiving station. The clock synchronizes with an accuracy of ~ δt. Next, the broadband state is sent to the input of the filters 24, 25 (Fig.3). Each filter cuts out orthogonal (non-overlapping in frequency) states with a narrow frequency band δk from the wide spectrum of δω quantum photon states. The power at the laser output is controlled (the average number of photons μ is set), and thereby single- or multiphoton states are formed. Next, the states are sent to an optical prism 26 (Fig. 3), which provides a deviation of the photon states centered around different wavelengths, and then sent through the open space to the receiving station.

Вырезание узкой частотной полосы шириной δk приводит к формированию квантовых состояний пространственной протяженностью сδТ~c/δk. Точность времени отправки протяженного квантового состояния в открытое пространство известна с высокой точностью δt<<cδT. Соответственно, длительность фотонного состояния с узким частотным спектром δk много больше времени δt, с которым синхронизируют часы на передающей и принимающей станциях. По известному расстоянию между станциями, времени отправки и протяженности фотонных состояний вычисляют время прибытия переднего фронта состояния на принимающую станцию. По известной протяженности фотонных состояний и времени прибытия переднего фронта фотонного состояния вычисляют временное окно на принимающей станции 22 (фиг.2), в котором должны происходить отсчеты в фотодетекторах 27 (фиг.3) от незадержанных состояний.Cutting out a narrow frequency band with a width of δk leads to the formation of quantum states with a spatial extent cδТ ~ c / δk. The accuracy of the time of sending an extended quantum state to open space is known with high accuracy δt << cδT. Accordingly, the duration of the photon state with a narrow frequency spectrum δk is much longer than the time δt with which the clocks are synchronized at the transmitting and receiving stations. Using the known distance between the stations, the sending time, and the length of the photon states, the arrival time of the leading edge of the state at the receiving station is calculated. Based on the known length of the photon states and the arrival time of the leading edge of the photon state, the time window at the receiving station 22 (FIG. 2) is calculated, in which counts in photodetectors 27 (FIG. 3) from undetected states should take place.

На принимающей станции точно такие же оптические фильтры 24, 25 (фиг.3), как и на передающей, пропускает на детекторы 27 (фиг.3) фотонные состояния только с узкой частотной полосой δk, соответственно, с пространственной протяженностью не меньшей, чем сδТ~c/δk. Детекторы работают в ждущем режиме. Требуется, чтобы постоянная времени лавинного фотодиода τD была много меньше длительности состояния (τD<<δТ). Пользователь на принимающей станции осуществляет декодирование, которое сводится к тому, что он оставляет только те посылки, в которых срабатывание было во временном окне 22 (фиг.2). В зависимости от того, какой из фотодетекторов сработал, пользователь на принимающей станции записывает логический 0 или 1 и формирует криптографический ключ.At the receiving station, exactly the same optical filters 24, 25 (Fig. 3) as at the transmitting station pass photon states to the detectors 27 (Fig. 3) only with a narrow frequency band δk, respectively, with a spatial length of no less than cδТ ~ c / δk. Detectors are in standby mode. It is required that the time constant of the avalanche photodiode τ D be much less than the duration of the state (τD << δТ). The user at the receiving station performs decoding, which boils down to the fact that he leaves only those parcels in which the response was in time window 22 (figure 2). Depending on which of the photodetectors worked, the user at the receiving station writes a logical 0 or 1 and generates a cryptographic key.

Фильтры 24, 25 (фиг.3) на принимающей станции перед детекторами 27 (фиг.3) нужны для того, чтобы исключить перепосылку подслушивателем фотонных состояний, более коротких по времени, чем δТ (соответственно, фотонных состояний с широким частотным спектром), что могло бы скомпенсировать задержку, вносимую подслушивателем при измерении протяженного фотонного состояния длительностью δТ.Filters 24, 25 (FIG. 3) at the receiving station in front of the detectors 27 (FIG. 3) are needed in order to prevent the eavesdropper from sending photonic states shorter in time than δT (respectively, photonic states with a wide frequency spectrum), which could compensate for the delay introduced by the eavesdropper when measuring an extended photon state of duration δT.

Если подслушиватель измеряет передаваемые фотонные состояния (соответственно, логические биты 0 или 1), то он неизбежно вызывает задержку фотонных состояний. Задержка фотонных состояний приведет к возникновению фотоотсчетов вне временного окна 22 (фиг.2). По фотоотсчетам вневременного окна 22 (фиг.2) на принимающей станции обнаруживают подслушивателя. Все посылки, в которых были фотоотсчеты вне временного окна 22 (фиг.2), на принимающей станции отбрасывают и не учитывают при формировании криптографического ключа.If the eavesdropper measures the transmitted photon states (respectively, logical bits 0 or 1), then it inevitably causes a delay in the photon states. Delayed photon states will result in photocounts outside the time window 22 (FIG. 2). According to the photocounts of the timeless window 22 (FIG. 2), an eavesdropper is detected at the receiving station. All parcels in which there were photocounts outside the time window 22 (Fig. 2) at the receiving station are discarded and not taken into account when generating the cryptographic key.

Claims (1)

Способ кодирования и передачи криптографических ключей, включающий формирование на передающей станции последовательности квантовых фотонных состояний для кодирования криптографических ключей и передачу последовательности квантовых фотонных состояний по открытому пространству на принимающую станцию, отличающийся тем, что предварительно измеряют расстояние между передающей и принимающей станциями и синхронизируют часы на них, затем на передающей станции преобразуют последовательности квантовых фотонных состояний в одно- или многофотонные ортогональные квантовые состояния и измеряют время их отправки, которое сообщают на принимающую станцию, а на принимающей станции измеряют время приема последовательности одно- или многофотонных ортогональных квантовых состояний, определяют величину задержки, по которой осуществляют их декодирование и обнаружение подслушивателя.A method of encoding and transmitting cryptographic keys, comprising generating a sequence of quantum photon states at a transmitting station for encoding cryptographic keys and transmitting a sequence of quantum photon states through open space to a receiving station, characterized in that the distance between the transmitting and receiving stations is preliminarily measured and the clock is synchronized on them , then at the transmitting station, sequences of quantum photon states are converted into one or many orthogonal orthogonal quantum states and measure the time of their sending, which is reported to the receiving station, and at the receiving station, they measure the time of reception of a sequence of single or multiphoton orthogonal quantum states, determine the delay by which they are decoded and the eavesdropper is detected.
RU2006119652/09A 2006-06-06 2006-06-06 Method of encoding and encryption keys transmission RU2325039C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2006119652/09A RU2325039C2 (en) 2006-06-06 2006-06-06 Method of encoding and encryption keys transmission

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2006119652/09A RU2325039C2 (en) 2006-06-06 2006-06-06 Method of encoding and encryption keys transmission

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2006119652A RU2006119652A (en) 2007-12-27
RU2325039C2 true RU2325039C2 (en) 2008-05-20

Family

ID=39018334

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2006119652/09A RU2325039C2 (en) 2006-06-06 2006-06-06 Method of encoding and encryption keys transmission

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2325039C2 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2454810C1 (en) * 2010-11-24 2012-06-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" ("НИУ ИТМО") Device of quantum distribution of cryptographic key on modulated radiation frequency subcarrier
RU2667755C1 (en) * 2017-05-17 2018-09-24 Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ System of relativistic quantum cryptography
US20210334692A1 (en) * 2016-03-30 2021-10-28 Universität Wien Secure probabilistic one-time program by quantum state distribution

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2454810C1 (en) * 2010-11-24 2012-06-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" ("НИУ ИТМО") Device of quantum distribution of cryptographic key on modulated radiation frequency subcarrier
US20210334692A1 (en) * 2016-03-30 2021-10-28 Universität Wien Secure probabilistic one-time program by quantum state distribution
RU2667755C1 (en) * 2017-05-17 2018-09-24 Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ System of relativistic quantum cryptography

Also Published As

Publication number Publication date
RU2006119652A (en) 2007-12-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Rarity et al. Quantum random-number generation and key sharing
Gordon et al. A short wavelength gigahertz clocked fiber-optic quantum key distribution system
Walenta et al. A fast and versatile quantum key distribution system with hardware key distillation and wavelength multiplexing
Buttler et al. Practical free-space quantum key distribution over 1 km
JP3829602B2 (en) Encryption key distribution device
Tittel et al. Long-distance Bell-type tests using energy-time entangled photons
Gisin et al. Trojan-horse attacks on quantum-key-distribution systems
US8744086B2 (en) Method and apparatus for distributing a quantum key
JP4555979B2 (en) Quantum key distribution method and communication method
KR20190094422A (en) Apparatus and method for quantum enhanced physical layer security
JP2004187268A (en) Quantum key delivery method and quantum key delivery system
RU2507690C1 (en) Method for quantum encoding and transmission of cryptographic keys
RU2325039C2 (en) Method of encoding and encryption keys transmission
Molotkov Relativistic quantum cryptography for open space without clock synchronization on the receiver and transmitter sides
Kim et al. Implementation of polarization-coded free-space BB84 quantum key distribution
US7639809B2 (en) Quantum cryptography transmission method and system
Restelli et al. Improved timing resolution single-photon detectors in daytime free-space quantum key distribution with 1.25 GHz transmission rate
JP2003289298A (en) Long-distance quantum cipher system
CN211127813U (en) Classical channel and quantum channel wavelength division multiplexing system
Liu et al. Experimental unconditionally secure covert communication in dense wavelength-division multiplexing networks
CN108880809B (en) Block chain data encryption system based on continuous variable quantum key distribution and implementation method thereof
Zeilinger Long-distance quantum cryptography with entangled photons
Fürst et al. Free-space quantum key distribution over 144 km
Rumyantsev et al. Modeling of quantum key distribution system for secure information transfer
Tretyakov et al. Quantum key distribution in single-photon communication system

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20090607