RU2360367C1 - Polarisation quantum cryptosystem - Google Patents
Polarisation quantum cryptosystem Download PDFInfo
- Publication number
- RU2360367C1 RU2360367C1 RU2007148426/09A RU2007148426A RU2360367C1 RU 2360367 C1 RU2360367 C1 RU 2360367C1 RU 2007148426/09 A RU2007148426/09 A RU 2007148426/09A RU 2007148426 A RU2007148426 A RU 2007148426A RU 2360367 C1 RU2360367 C1 RU 2360367C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output
- input
- quantum
- secret key
- communication channel
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к квантовым криптосистемам и может быть использовано для формирования на основе специфических свойств модулированных по поляризации одиночных фотонов секретных ключей, применяемых для шифрования информации в квантовых системах передачи данных.The invention relates to quantum cryptosystems and can be used to generate, based on the specific properties of polarized modulated single photons, secret keys used to encrypt information in quantum data transmission systems.
Известна поляризационная квантовая криптосистема, содержащая передающую сторону, включающую первый блок формирования секретного ключа, выход которого является первым выходом криптосистемы, первый и второй датчики случайных чисел, однофотонный лазер и поляризационный модулятор, приемную сторону, включающую второй блок формирования секретного ключа, выход которого является вторым выходом криптосистемы, третий датчик случайных чисел, поляризационный светоделитель, неподвижное зеркало, первый и второй детекторы фотонов, а также первый несекретный канал связи и первый квантовый канал связи, вход которого подключен к выходу поляризационного модулятора, первый вход которого соединен с выходом однофотонного лазера, второй вход - с выходом первого датчика случайных чисел и с первым входом первого блока формирования секретного ключа, третий вход - с выходом второго датчика случайных чисел и со вторым входом первого блока формирования секретного ключа, вход/выход обмена данными которого соединен через первый несекретный канал связи с входом/выходом обмена данными второго блока формирования секретного ключа, первый вход которого подключен к выходу третьего датчика случайных чисел и к первому входу поляризационного светоделителя, первый выход которого соединен посредством неподвижного зеркала с входом первого детектора фотонов, выход которого подключен ко второму входу второго блока формирования секретного ключа, третий вход которого соединен с выходом второго детектора фотонов, вход которого соединен с вторым выходом поляризационного светоделителя, при этом выход первого квантового канала связи подключен ко второму входу поляризационного светоделителя [1].A known polarization quantum cryptosystem containing a transmitting side including a first secret key generating unit, the output of which is the first cryptosystem output, first and second random number sensors, a single-photon laser and a polarizing modulator, a receiving side including a second secret key generating unit, the output of which is the second cryptosystem output, third random number sensor, polarization beam splitter, fixed mirror, first and second photon detectors, as well as the first non-secret communication channel and the first quantum communication channel, the input of which is connected to the output of the polarization modulator, the first input of which is connected to the output of a single-photon laser, the second input - with the output of the first random number sensor and with the first input of the first secret key generating unit, the third input - with the output the second random number sensor and with the second input of the first secret key generating unit, the data exchange input / output of which is connected through the first unclassified communication channel with the data exchange input / output of the second a lock for generating a secret key, the first input of which is connected to the output of the third random number generator and to the first input of a polarizing beam splitter, the first output of which is connected via a fixed mirror to the input of the first photon detector, the output of which is connected to the second input of the second block for generating the secret key, the third input of which connected to the output of the second photon detector, the input of which is connected to the second output of the polarization beam splitter, while the output of the first quantum communication channel li ne to a second input of the polarization beam splitter [1].
Известная поляризационная квантовая криптосистема позволяет формировать секретный ключ путем использования свойств физических процессов квантового уровня. В квантовой теории и практике установлено, что несанкционированный доступ к одиночному фотону невозможен. Его нельзя незаметно клонировать, т.к. любое взаимодействие с ним в первом квантовом канале 8 связи обнаруживается на приемной стороне.The well-known polarization quantum cryptosystem allows you to generate a secret key by using the properties of the physical processes of the quantum level. It has been established in quantum theory and practice that unauthorized access to a single photon is impossible. It cannot be imperceptibly cloned, because any interaction with it in the first quantum communication channel 8 is detected on the receiving side.
В соответствии с этим для создания секретного ключа в виде случайной последовательности единиц и нулей в известной поляризационной квантовой криптосистеме используют известный протокол ВВ84 [2]. Согласно этому протоколу при передаче и приеме последовательности одиночных фотонов в поляризационном модуляторе и в поляризационном светоделителе используют повернутые друг относительно друга на 45° прямоугольный поляризационный базис (⊕) и диагональный поляризационный базис (⊗). Очередность выбора вертикальной (90°) или горизонтальной (0°) поляризации в прямоугольном поляризационном базисе (⊕) или поляризации под углами (+45°) и (-45°) в диагональном поляризационном базисе (⊗) случайна как в поляризационном модуляторе на передающей стороне, так и в поляризационном светоделителе на приемной стороне. Эта случайность обеспечивается соответственно вторым и третьим датчиками случайных чисел. При этом случайна и последовательность представляющих кодовые биты передаваемых единиц и нулей, которая вырабатывается первым датчиком случайных чисел.In accordance with this, to create a secret key in the form of a random sequence of ones and zeros in the well-known polarization quantum cryptosystem, the well-known protocol BB84 is used [2]. According to this protocol, when transmitting and receiving a sequence of single photons in a polarizing modulator and in a polarizing beam splitter, a rectangular polarizing basis (⊕) and a diagonal polarizing basis (⊗) rotated relative to each other are used by 45 °. The order of choice of vertical (90 °) or horizontal (0 °) polarization in a rectangular polarization basis (⊕) or polarization at angles (+ 45 °) and (-45 °) in a diagonal polarization basis (⊗) is random as in the polarization modulator on the transmitting side, and in the polarizing beam splitter on the receiving side. This randomness is provided by the second and third random number sensors, respectively. Moreover, the sequence of transmitting units and zeros representing the code bits, which is generated by the first random number sensor, is also random.
Первый блок формирования секретного ключа на передающей стороне имеет информацию (от первого датчика случайных чисел) о каждом переданном кодовом бите и информацию (от второго датчика случайных чисел) о выбранном в поляризационном модуляторе поляризационном базисе (⊕ или ⊗).The first secret key generation unit on the transmitting side has information (from the first random number sensor) about each transmitted code bit and information (from the second random number sensor) about the polarization basis selected in the polarization modulator (⊕ or ⊗).
Второй блок формирования секретного ключа на приемной стороне имеет информацию (от третьего датчика случайных чисел) о выбранном в поляризационном светоделителе поляризационном базисе (⊕ или ⊗) для каждого одиночного фотона и соответствующие значения выходных сигналов первого и второго детекторов фотонов, по которым он определяет значение "1" или "0" кодового бита на соответствующей позиции принимаемой последовательности кодовых бит.The second secret key generating unit on the receiving side has information (from the third random number sensor) about the polarization basis (⊕ or ⊗) selected in the polarization beam splitter for each single photon and the corresponding values of the output signals of the first and second photon detectors, from which it determines the value " 1 "or" 0 "code bit at the corresponding position of the received code bit sequence.
Далее согласно протоколу ВВ84 для выработки одинакового для передающей и приемной сторон секретного ключа, который невозможно выделить по наблюдениям одиночных фотонов в первом квантовом канале связи, в известной поляризационной квантовой криптосистеме используют первый несекретный канал связи. По этому каналу передающая и приемная стороны обмениваются информацией только о выбранных в поляризационном светоделителе поляризационном базисе (⊕ или ⊗) при приеме каждого одиночного фотона, переносящего кодовый бит, и о позициях принимаемой последовательности кодовых бит, на которых поляризационные базисы поляризационного модулятора и поляризационного светоделителя совпали.Further, according to the BB84 protocol, in order to generate a secret key that is the same for the transmitting and receiving sides, which cannot be distinguished from the observations of single photons in the first quantum communication channel, the first unclassified communication channel is used in the well-known polarized quantum cryptosystem. On this channel, the transmitting and receiving sides exchange information only about the polarization basis (⊕ or ⊗) selected in the polarization beam splitter at the reception of each single photon carrying the code bit, and about the positions of the received sequence of code bits at which the polarization bases of the polarization modulator and polarization beam splitter coincide .
Первый блок формирования секретного ключа на передающей стороне получает по первому несекретному каналу связи от расположенного на приемной стороне второго блока формирования секретного ключа информацию о выбранном с помощью третьего датчика случайных чисел в поляризационном светоделителе поляризационном базисе (⊕ или ⊗) для каждого одиночного фотона. При этом значение "1" или "0" переносимого одиночным фотоном кодового бита, определяемое вторым блоком формирования секретного ключа по выходным сигналам первого и второго детекторов фотонов, второй блок формирования секретного ключа в первый несекретный канал связи не посылает.The first secret key generation unit on the transmitting side receives information on the polarization basis (⊕ or ⊗) selected for each single photon from the random number generator in the polarization beam splitter located on the receiving side of the second secret channel via the first unsecured communication channel. In this case, the value “1” or “0” of the code bit transferred by a single photon, determined by the second secret key generating unit from the output signals of the first and second photon detectors, does not send the second secret key generating unit to the first unclassified communication channel.
В первом блоке формирования секретного ключа сравнивают для каждого передаваемого по первому квантовому каналу связи одиночного фотона поляризационные базисы поляризационного модулятора и поляризационного светоделителя и определяют позиции в сформированной первым датчиком случайных чисел последовательности кодовых бит, на которых указанные поляризационные базисы совпадают (на этих позициях также совпадают значение переданного кодового бита, заданного на передающей стороне первым датчиком случайных чисел, и соответствующее значение принятого кодового бита, определяемое на приемной стороне вторым блоком формирования секретного ключа с помощью первого и второго детекторов фотонов). Затем из последовательности кодовых битов, сформированных первым датчиком случайных чисел, выбирают кодовые биты только на тех позициях, на которых поляризационные базисы поляризационного модулятора и поляризационного светоделителя совпали. Тем самым формируют биты секретного ключа на передающей стороне.In the first block of secret key generation, for each single photon transmitted through the first quantum communication channel, the polarization bases of the polarization modulator and the polarization beam splitter are determined and the positions in the sequence of code bits formed by the first sensor at which the indicated polarization bases coincide are determined (at these positions the value also coincides the transmitted code bit specified on the transmitting side by the first random number sensor, and the corresponding value of the received code bit determined at the receiving side the second forming unit secret key using the first and second photon detectors). Then, from the sequence of code bits generated by the first random number sensor, code bits are selected only at those positions at which the polarization bases of the polarization modulator and the polarization beam splitter coincide. Thereby, bits of the secret key are formed on the transmitting side.
После этого первый блок формирования секретного ключа на передающей стороне передает по первому несекретному каналу связи во второй блок формирования секретного ключа на приемной стороне информацию о позициях, на которых поляризационные базисы поляризационного модулятора и поляризационного светоделителя совпали. При этом значения "1" или "0" кодовых битов первый блок формирования секретного ключа в первый несекретный канал связи не посылает.After that, the first secret key generation unit on the transmitting side transmits information on the positions at which the polarization bases of the polarization modulator and the polarization beam splitter coincide on the first secret channel on the receiving side. In this case, the values of “1” or “0” of the code bits are not sent by the first secret key generation unit to the first unclassified communication channel.
Второй блок формирования секретного ключа на приемной стороне по полученной информации о позициях принимаемой последовательности кодовых бит, на которых поляризационные базисы поляризационного модулятора и поляризационного светоделителя совпали, однозначно определяет значение бит секретного ключа на приемной стороне.The second block for generating the secret key on the receiving side from the received information about the positions of the received sequence of code bits at which the polarization bases of the polarization modulator and the polarizing beam splitter coincide uniquely determines the value of the bits of the secret key on the receiving side.
Однако недостатком известной поляризационной квантовой криптосистемы является ограничение дальности распространения секретного ключа дальностью распространения одиночного фотона, несущего кодовый бит, в первом квантовом канале, что обусловлено принципиальной невозможностью клонировать одиночный фотон и вытекающей из этого невозможности ретрансляции одиночного фотона с целью увеличения дальности его распространения. При этом дальность распространения одиночного фотона определяется затуханием его энергии в оптическом квантовом канале.However, a disadvantage of the known polarization quantum cryptosystem is the restriction of the secret key propagation range to the propagation range of a single photon carrying a code bit in the first quantum channel, which is due to the fundamental impossibility of cloning a single photon and the consequent impossibility of relaying a single photon in order to increase its propagation range. In this case, the propagation range of a single photon is determined by the attenuation of its energy in the optical quantum channel.
Технический результат состоит в увеличении дальности распространения секретного ключа.The technical result consists in increasing the distribution range of the secret key.
Для достижения указанного технического результата в поляризационную квантовую криптосистему, содержащую передающую сторону, включающую первый блок формирования секретного ключа, выход которого является первым выходом криптосистемы, первый и второй датчики случайных чисел, однофотонный лазер и поляризационный модулятор, приемную сторону, включающую второй блок формирования секретного ключа, выход которого является вторым выходом криптосистемы, третий датчик случайных чисел, поляризационный светоделитель, неподвижное зеркало, первый и второй детекторы фотонов, а также первый несекретный канал связи и первый квантовый канал связи, вход которого подключен к выходу поляризационного модулятора, первый вход которого соединен с выходом однофотонного лазера, второй вход - с выходом первого датчика случайных чисел и с первым входом первого блока формирования секретного ключа, третий вход - с выходом второго датчика случайных чисел и со вторым входом первого блока формирования секретного ключа, вход/выход обмена данными которого соединен через первый несекретный канал связи с входом/выходом обмена данными второго блока формирования секретного ключа, первый вход которого подключен к выходу третьего датчика случайных чисел и к первому входу поляризационного светоделителя, первый выход которого соединен посредством неподвижного зеркала с входом первого детектора фотонов, выход которого подключен ко второму входу второго блока формирования секретного ключа, третий вход которого соединен с выходом второго детектора фотонов, вход которого соединен со вторым выходом поляризационного светоделителя, введены второй несекретный канал связи, измеритель полного набора состояний Белла, второй и третий квантовые каналы связи, источник перепутанных по поляризации пар фотонов, выход первого квантового канала связи подключен к первому входу измерителя полного набора состояний Белла, выход которого соединен через второй несекретный канал связи с третьим входом первого блока формирования секретного ключа, а второй вход - через второй квантовый канал связи с первым выходом источника перепутанных по поляризации пар фотонов, второй выход которого подключен через третий квантовый канал связи ко второму входу поляризационного светоделителя.To achieve the specified technical result, a polarization quantum cryptosystem containing a transmitting side including a first secret key generating unit, the output of which is the first cryptosystem output, first and second random number sensors, a single-photon laser and a polarizing modulator, a receiving side including a second secret key generating unit whose output is the second output of the cryptosystem, the third random number sensor, a polarizing beam splitter, a fixed mirror, the first the first and second photon detectors, as well as the first unclassified communication channel and the first quantum communication channel, the input of which is connected to the output of the polarization modulator, the first input of which is connected to the output of a single-photon laser, the second input - with the output of the first random number sensor and with the first input of the first block secret key generation, the third input - with the output of the second random number sensor and with the second input of the first secret key generating unit, the input / output of the data exchange of which is connected through the first unclassified communication channel communication with the input / output of data exchange of the second secret key generating unit, the first input of which is connected to the output of the third random number sensor and to the first input of the polarizing beam splitter, the first output of which is connected via a fixed mirror to the input of the first photon detector, the output of which is connected to the second input of the second a secret key generating unit, the third input of which is connected to the output of the second photon detector, the input of which is connected to the second output of the polarization beam splitter, introduced a second non-secret communication channel, a Bell full set of state meters, a second and third quantum communication channel, a polarized pair of photon pairs, the output of the first quantum communication channel is connected to the first input of a full Bell state set meter, the output of which is connected through a second unclassified third channel the input of the first secret key generation unit, and the second input through the second quantum communication channel with the first output of the source of photon-confused pairs of photons, the second output of which is is connected through the third quantum communication channel to the second input of the polarization beam splitter.
Предлагаемая поляризационная квантовая криптосистема обеспечивает увеличение дальности распространения секретного ключа без ухудшения криптостойкости.The proposed polarization quantum cryptosystem provides an increase in the distribution range of the secret key without compromising cryptographic strength.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включая поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного технического решения, позволил установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными (идентичными) всем существенным признакам заявленного технического решения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволило установить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков заявленной поляризационной квантовой криптосистемы, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявленное техническое решение соответствует критерию "новизна".An analysis of the state of the art by the applicant, including a search by patent and scientific and technical sources of information and identification of sources containing information about analogues of the claimed technical solution, made it possible to establish that the applicant did not find a source characterized by features that were identical (identical) to all the essential features of the claimed technical solution . The determination from the list of identified analogues of the prototype, as the closest in terms of the totality of the features of the analogue, allowed us to establish the set of salient features relative to the applicant’s technical result of the claimed polarized quantum cryptosystem described in the claims. Therefore, the claimed technical solution meets the criterion of "novelty."
Проведенный заявителем дополнительный поиск не выявил известные решения, содержащие признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленной поляризационной квантовой криптосистемы. Следовательно, заявленное техническое решение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного технического решения преобразований для достижения технического результата. Заявленное техническое решение не основано на изменении количественного признака (признаков), представлении таких признаков во взаимосвязи, либо изменении ее вида. Следовательно, заявленное техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".An additional search carried out by the applicant did not reveal known solutions containing features that match the distinctive features of the claimed polarized quantum cryptosystem. Therefore, the claimed technical solution does not follow explicitly from the prior art for the specialist, since the influence of the transformations provided for by the essential features of the claimed technical solution to achieve the technical result is not revealed from the prior art determined by the applicant. The claimed technical solution is not based on a change in a quantitative characteristic (s), the presentation of such signs in relationship, or a change in its type. Therefore, the claimed technical solution meets the criterion of "inventive step".
Предлагаемая поляризационная квантовая криптосистема предполагает выполнение известных в квантовых системах операций, которые могут быть реализованы с помощью известных функциональных элементов. Измеритель 17 полного набора состояний Белла описан в [3], остальные элементы известны из прототипа [1].The proposed polarization quantum cryptosystem involves the execution of operations known in quantum systems, which can be implemented using well-known functional elements. The meter 17 of the complete set of Bell states is described in [3], the remaining elements are known from the prototype [1].
На чертеже представлена структурная схема поляризационной квантовой криптосистемы.The drawing shows a structural diagram of a polarization quantum cryptosystem.
Поляризационная квантовая криптосистема (см. чертеж) содержит передающую и приемную стороны 1 и 2. В состав передающей стороны 1 входят первый блок 3 формирования секретного ключа, выход которого является первым выходом криптосистемы, первый и второй датчики 4 и 5 случайных чисел, однофотонный лазер 6 и поляризационный модулятор 7. Выход поляризационного модулятора 7 соединен с первым квантовым каналом 8 связи. Вход/выход обмена данными первого блока 3 формирования секретного ключа соединен с первым несекретным каналом 9 связи. В состав приемной стороны 2 входят второй блок 10 формирования секретного ключа, выход которого является вторым выходом криптосистемы, третий датчик 11 случайных чисел, поляризационный светоделитель 12, неподвижное зеркало 13, первый и второй детекторы 14 и 15 фотонов. Вход/выход обмена данными второго блока 10 формирования секретного ключа соединен с первым несекретным каналом 9 связи. Поляризационная квантовая криптосистема также содержит второй несекретный канал 16 связи, измеритель 17 полного набора состояний Белла, второй квантовый канал 18 связи, источник 19 перепутанных по поляризации пар фотонов и третий квантовый канал 20 связи.The polarization quantum cryptosystem (see the drawing) contains the transmitting and receiving sides 1 and 2. The transmitting side 1 includes the first secret key generating unit 3, the output of which is the first output of the cryptosystem, the first and second random numbers sensors 4 and 5, a single-photon laser 6 and a polarization modulator 7. The output of the polarization modulator 7 is connected to the first quantum communication channel 8. The input / output data exchange of the first block 3 of the formation of the secret key is connected to the first unclassified communication channel 9. The receiving side 2 includes a second secret key generating unit 10, the output of which is the second output of the cryptosystem, a third random number sensor 11, a polarizing beam splitter 12, a fixed mirror 13, the first and second photon detectors 14 and 15. The input / output data exchange of the second block 10 of the formation of the secret key is connected to the first unclassified communication channel 9. The polarization quantum cryptosystem also contains a second unclassified communication channel 16, a Bell state meter 17, a second quantum communication channel 18, a source 19 of polarized pairs of photons and a third quantum communication channel 20.
На передающей стороне 1 первый вход поляризационного модулятора 7 соединен с выходом однофотонного лазера 6, второй вход - с выходом первого датчика 4 случайных чисел и с первым входом первого блока 3 формирования секретного ключа, третий вход - с выходом второго датчика 5 случайных чисел и со вторым входом первого блока 3 формирования секретного ключа. На приемной стороне 2 первый вход второго блока 10 формирования секретного ключа подключен к выходу третьего датчика 11 случайных чисел и к первому входу поляризационного светоделителя 12, первый выход которого соединен посредством неподвижного зеркала 13 с входом первого детектора 14 фотонов, выход которого подключен ко второму входу второго блока 10 формирования секретного ключа, третий вход которого соединен с выходом второго детектора 15 фотонов, вход которого соединен со вторым выходом поляризационного светоделителя 12.On the transmitting side 1, the first input of the polarization modulator 7 is connected to the output of the single-photon laser 6, the second input to the output of the first random number sensor 4 and to the first input of the first secret key generating unit 3, the third input to the output of the second random number sensor 5 and to the second the input of the first block 3 of the formation of the secret key. On the receiving side 2, the first input of the second secret key generating unit 10 is connected to the output of the third random number sensor 11 and to the first input of the polarizing beam splitter 12, the first output of which is connected via a fixed mirror 13 to the input of the first photon detector 14, the output of which is connected to the second input of the second a secret key generating unit 10, the third input of which is connected to the output of the second photon detector 15, the input of which is connected to the second output of the polarization beam splitter 12.
Выход первого квантового канала 8 связи подключен к первому входу измерителя 17 полного набора состояний Белла, выход которого соединен через второй несекретный канал 16 связи с третьим входом первого блока 3 формирования секретного ключа. Первый выход источника 19 перепутанных по поляризации пар фотонов соединен через второй квантовый канал 18 связи со вторым входом измерителя 17 полного набора состояний Белла. Второй выход источника 19 перепутанных по поляризации пар фотонов соединен через третий квантовый канал 20 связи со вторым входом поляризационного светоделителя 12.The output of the first quantum communication channel 8 is connected to the first input of the Bell state meter 17, the output of which is connected via the second unclassified communication channel 16 to the third input of the first secret key generating unit 3. The first output of the source 19 of the photon-confused pairs of photons is connected through a second quantum communication channel 18 to the second input of the meter 17 of a complete set of Bell states. The second output of the source 19 of the polarized pairs of photons is connected through a third quantum communication channel 20 to the second input of the polarization beam splitter 12.
Передающая сторона 1 и измеритель 17 полного набора состояний Белла пространственно разнесены друг относительно друга на расстояние, определяемое длиной первого квантового канала 8. Измеритель 17 полного набора состояний Белла и источник 19 перепутанных по поляризации пар фотонов разнесены на расстояние, определяемое длиной второго квантового канала 18. Источник 19 перепутанных по поляризации пар фотонов и принимающая сторона 2 разнесены на расстояние, определяемое длиной третьего квантового канала 20. При этом длины первого, второго и третьего квантовых каналов 8, 18 и 20 определяются дальностью распространения одиночного фотона в квантовом канале.The transmitting side 1 and the full Bell state meter 17 are spatially spaced relative to each other by a distance determined by the length of the first quantum channel 8. The full Bell state meter and 17 meter and the source 19 of photon-confused pairs of photons are spaced apart by a distance determined by the length of the second quantum channel 18. The source 19 of polarized pairs of photons and the receiving side 2 are spaced apart by a distance determined by the length of the third quantum channel 20. Moreover, the lengths of the first, second, and third its quantum channels 8, 18 and 20 are determined by the propagation range of a single photon in the quantum channel.
Поляризационная квантовая криптосистема (см. чертеж) работает следующим образом.Polarization quantum cryptosystem (see drawing) works as follows.
Создание секретного ключа в виде случайной последовательности единиц и нулей в предлагаемой поляризационной квантовой криптосистеме осуществляют на основе известного протокола ВВ84 [2].Creating a secret key in the form of a random sequence of ones and zeros in the proposed polarization quantum cryptosystem is carried out on the basis of the well-known protocol BB84 [2].
На передающей стороне 1 одиночный фотон Ф1, вырабатываемый однофотонным лазером 6, проходит через поляризационный модулятор 7 и излучается в первый квантовый канал 8 связи. Последовательность передаваемых с передающей стороны 1 на приемную сторону 2 символов «1» и «0», представляющих кодовые биты, случайна и вырабатывается первым датчиком 4 случайных чисел. При этом случайна и очередность выбора вертикальной (90°) или горизонтальной (0°) поляризации в прямоугольном поляризационном базисе (⊕) или поляризации под углами (+45°) и (-45°) в диагональном поляризационном базисе (⊗) как в поляризационном модуляторе 7 на передающей стороне 1, так и в поляризационном светоделителе 12 на приемной стороне 2. Эта случайность обеспечивается соответственно вторым и третьим датчиками 5 и 11 случайных чисел.On the transmitting side 1, a single photon F1 produced by a single-photon laser 6 passes through a polarization modulator 7 and is radiated into the first quantum communication channel 8. The sequence of characters "1" and "0" representing the code bits transmitted from the transmitting side 1 to the receiving side 2 is random and is generated by the first random number sensor 4. Moreover, the sequence of choosing vertical (90 °) or horizontal (0 °) polarization in a rectangular polarization basis (⊕) or polarization at angles (+ 45 °) and (-45 °) in a diagonal polarization basis (⊗) as in a polarization one is also random. a modulator 7 on the transmitting side 1, and in a polarizing beam splitter 12 on the receiving side 2. This randomness is provided by the second and third random number sensors 5 and 11, respectively.
При передаче символа «1» фотон Ф1 имеет вертикальную поляризацию в прямоугольном поляризационном базисе (⊕) или повернутую на +45° поляризацию в диагональном поляризационном базисе (⊗). При передаче символа «0» фотон Ф1 имеет горизонтальную поляризацию в прямоугольном поляризационном базисе (⊕) или повернутую на -45° поляризацию в диагональном поляризационном базисе (⊗). Поляризационный базис (⊕ или ⊗) для фотона Ф1 выбирается по случайному закону вторым датчиком 5 случайных чисел. Фотон Ф1, пройдя первый квантовый канал 8, поступает на первый вход измерителя 17 полного набора состояний Белла.When transmitting the “1” symbol, photon F1 has vertical polarization in a rectangular polarization basis (⊕) or polarization rotated by + 45 ° in a diagonal polarization basis (⊗). When transmitting the “0” symbol, photon F1 has horizontal polarization in a rectangular polarization basis (⊕) or polarization rotated by -45 ° in a diagonal polarization basis (⊗). The polarization basis (⊕ or ⊗) for photon F1 is randomly selected by the second random number generator 5. Photon F1, having passed the first quantum channel 8, enters the first input of the meter 17 of the complete set of Bell states.
Источник 19 перепутанных по поляризации пар фотонов последовательно излучает пары фотонов Ф2 и Ф3, находящихся в перепутанном состоянии,A source 19 of photon-confused pairs of photons sequentially emits pairs of photons Ф2 and Ф3 in an entangled state,
где 
Фотон Ф2 перепутанной пары с первого выхода источника 19 перепутанных по поляризации пар фотонов через второй квантовый канал 18 поступает на второй вход измерителя 17 состояний Белла.Photon F2 of the entangled pair from the first output of the source 19 of polarized entangled pairs of photons through the second quantum channel 18 is fed to the second input of the Bell 17 state meter.
Совместное состояние всех трех фотонов Ф1, Ф2 и Ф3Joint state of all three photons F1, F2 and F3
где 
В общем виде состояние поляризации фотона Ф1 можно записать какIn general condition the polarization of photon F1 can be written as
где переменные α, β могут принимать значения 0, 1, 
Подставляя в (2) выражения (1) и (3), а затем в каждом из полученных слагаемых произведя разложение совместных состояний фотона Ф1, несущего кодовый бит, и фотона Ф2 перепутанной пары по полному базису Белла, получимSubstituting expressions (1) and (3) in (2), and then in each of the obtained terms, decomposing the joint states of the photon F1 carrying the code bit and the photon Ф2 of the entangled pair according to the full Bell basis, we obtain
где 
S0, S1, S2 - операторы Стокса [4], действие которых на состояние 
В зависимости от результата измерения состояний Белла фотонов Ф1 и Ф2 поляризационное состояние фотона Ф3 перепутанной пары с вероятностью 0,25 телепортируется в одно из четырех состояний 
Результат измерения состояний Белла фотона Ф1, несущего кодовый бит, и фотона Ф2 перепутанной пары, полученный с помощью измерителя 17 полного набора состояний Белла, передают через второй несекретный канал 16 связи на третий вход первого блока 3 формирования секретного ключа, расположенного на передающей стороне 1.The result of measuring the Bell states of a photon F1 carrying a code bit and photon Ф2 of an entangled pair, obtained using a full state Bell meter 17, is transmitted through the second unclassified communication channel 16 to the third input of the first secret key generating unit 3 located on the transmitting side 1.
Фотон Ф3 перепутанной пары со второго выхода источника 19 перепутанных по поляризации пар фотонов через третий квантовый канал 20 поступает на второй вход поляризационного светоделителя 12 на приемной стороне 2.Photon F3 of the entangled pair from the second output of the source 19 of polarized entangled pairs of photons through the third quantum channel 20 enters the second input of the polarizing beam splitter 12 on the receiving side 2.
В зависимости от типа поляризации фотон Ф3 перепутанной пары проходит либо на первый выход поляризационного светоделителя 12 и далее с помощью неподвижного зеркала 13 на вход первого детектора 14 фотонов, либо на второй выход поляризационного светоделителя 12 и далее на вход второго детектора 15 фотонов.Depending on the type of polarization, photon F3 of the entangled pair passes either to the first output of the polarizing beam splitter 12 and then using a fixed mirror 13 to the input of the first photon detector 14, or to the second output of the polarizing beam splitter 12 and then to the input of the second photon detector 15.
Второй блок 10 формирования секретного ключа на приемной стороне 2 при приеме каждого одиночного фотона Ф3 перепутанной пары получает от третьего датчика 11 случайных чисел данные, определяющие поляризационный базис поляризационного светоделителя 12, а от первого и второго детекторов 14 и 15 фотонов - значения их выходных сигналов, по которым он определяет соответствующее значение "1" или "0" кодового бита, переносимого этим одиночным фотоном.The second block 10 of the formation of the secret key on the receiving side 2 upon receipt of each single photon F3 of the entangled pair receives from the third random number sensor 11 data defining the polarization basis of the polarization beam splitter 12, and the values of their output signals from the first and second photon detectors 14 and 15, by which it determines the corresponding value "1" or "0" of the code bit carried by this single photon.
Далее для выработки одинакового для передающей и приемной сторон 1 и 2 секретного ключа, который невозможно выделить по наблюдениям одиночных фотонов в первом, втором или третьем квантовых каналах 8, 18 или 20 связи, в предлагаемой поляризационной квантовой криптосистеме используют первый несекретный канал 9 связи. По этому каналу первый блок 3 формирования секретного ключа на передающей стороне 1 и второй блок 10 формирования секретного ключа на приемной стороне 2 обмениваются информацией только о выбранных в поляризационном светоделителе 12 поляризационном базисе (⊕ или ⊗) при приеме каждого одиночного фотона Ф3, переносящего кодовый бит, и о позициях принимаемой последовательности кодовых бит, на которых поляризационные базисы поляризационного модулятора 7 и поляризационного светоделителя 12 совпали.Further, in order to generate the same secret key for the transmitting and receiving sides 1 and 2, which cannot be distinguished from the observations of single photons in the first, second, or third quantum communication channels 8, 18, or 20, the first unclassified communication channel 9 is used in the proposed polarized quantum cryptosystem. On this channel, the first secret key generating unit 3 on the transmitting side 1 and the second secret key generating unit 10 on the receiving side 2 exchange information only on the polarization basis (⊕ or ⊗) selected in the polarizing beam splitter 12 upon receipt of each single photon F3 carrying a code bit , and about the positions of the received sequence of code bits at which the polarization bases of the polarization modulator 7 and the polarization beam splitter 12 match.
Первый блок 3 формирования секретного ключа на передающей стороне 1 получает по первому несекретному каналу 9 связи от расположенного на приемной стороне 2 второго блока 10 формирования секретного ключа информацию о выбранном с помощью третьего датчика 11 случайных чисел в поляризационном светоделителе 12 поляризационном базисе (⊕ или ⊗) для каждого одиночного фотона. При этом значение "1" или "0" переносимого одиночным фотоном кодового бита, определяемое вторым блоком 10 формирования секретного ключа по выходным сигналам первого и второго детекторов 14 и 15 фотонов, второй блок 10 формирования секретного ключа в первый несекретный канал 9 связи не посылает.The first secret key generating unit 3 on the transmitting side 1 receives through the first unclassified communication channel 9 from the second secret key generating unit 10 located on the receiving side 2 information about random numbers selected using the third sensor 11 in the polarization beam splitter 12 (⊕ or ⊗) for every single photon. In this case, the value “1” or “0” of the code bit transferred by a single photon determined by the second secret key generating unit 10 by the output signals of the first and second photon detectors 14 and 15, the second secret key generating unit 10 does not send to the first unclassified communication channel 9.
В первом блоке 3 формирования секретного ключа сравнивают для каждого передаваемого в первый квантовый канал 8 связи одиночного фотона Ф1 и принимаемого из третьего квантового канала 20 одиночного фотона Ф3 поляризационные базисы поляризационного модулятора 7 и поляризационного светоделителя 12 и определяют позиции в сформированной первым датчиком 4 случайных чисел последовательности кодовых бит, на которых указанные поляризационные базисы совпадают. На этих позициях в зависимости от поляризации фотона Ф3 перепутанной пары либо совпадают, либо взаимно инвертированы значение переданного кодового бита, заданного на передающей стороне первым датчиком 4 случайных чисел, и соответствующее значение принятого кодового бита, определяемое на приемной стороне вторым блоком 10 формирования секретного ключа с помощью первого и второго детекторов 14 и 15 фотонов.In the first block 3 of the secret key generation, for each transmitted single photon F1 and the single photon F3 received from the third quantum channel 20, the polarization bases of the polarization modulator 7 and the polarization beam splitter 12 are compared and the positions in the sequence of random numbers generated by the first sensor 4 are determined code bits on which the specified polarization bases coincide. Depending on the polarization of photon Φ3, the entangled pair either coincides or mutually inverts the value of the transmitted code bit specified on the transmitting side by the first random number sensor 4 and the corresponding value of the received code bit determined on the receiving side by the second secret key generating unit 10 with using the first and second detectors 14 and 15 photons.
Поляризацию фотона Ф3 перепутанной пары, поступившего со второго выхода источника 19 перепутанных по поляризации пар фотонов через третий квантовый канал 20 на второй вход поляризационного светоделителя 12 на приемной стороне 2, однозначно определяет в соответствии с табл.1 первый блок 3 формирования секретного ключа по полученному результату измерения состояний Белла фотонов Ф1 и Ф2 и известной заданной вторым датчиком 5 случайных чисел поляризации фотона Ф1, несущего кодовый бит.The polarization of photon Ф3 of the entangled pair received from the second output of the source 19 of polarized pairs of photons through the third quantum channel 20 to the second input of the polarization beam splitter 12 on the receiving side 2 is unambiguously determined in accordance with Table 1 by the first secret key generation unit 3 according to the result measuring Bell states of the photons F1 and F2 and the random number 5 of the polarization of a photon F1 carrying a code bit given by the second sensor.
Затем из последовательности кодовых битов, сформированных первым датчиком 4 случайных чисел, в первом блоке 3 формирования секретного ключа выбирают кодовые биты только на тех позициях, на которых поляризационные базисы поляризационного модулятора 7 и поляризационного светоделителя 12 совпадают, причем значения выбранных кодовых битов либо оставляют неизменными, либо инвертируют в зависимости от поляризации соответствующего фотона Ф3 перепутанной пары. Тем самым формируют биты секретного ключа на передающей стороне 1.Then, from the sequence of code bits generated by the first random number sensor 4, in the first secret key generating unit 3, code bits are selected only at those positions at which the polarization bases of the polarization modulator 7 and the polarization beam splitter 12 match, and the values of the selected code bits are either left unchanged, or invert depending on the polarization of the corresponding photon Ф3 of the entangled pair. Thereby, bits of the secret key are formed on the transmitting side 1.
После этого первый блок 3 формирования секретного ключа на передающей стороне 1 передает по первому несекретному каналу 9 связи во второй блок 10 формирования секретного ключа на приемной стороне 2 информацию о позициях, на которых поляризационные базисы поляризационного модулятора 7 и поляризационного светоделителя 12 совпали. При этом значения "1" или "0" кодовых битов первый блок 3 формирования секретного ключа в первый несекретный канал 9 связи не посылает.After that, the first secret key generating unit 3 on the transmitting side 1 transmits information on the positions at which the polarization bases of the polarization modulator 7 and the polarizing beam splitter 12 match on the second secret key generating unit 3 on the receiving side 2. In this case, the values “1” or “0” of the code bits are not sent by the first secret key generating unit 3 to the first unclassified communication channel 9.
Второй блок 10 формирования секретного ключа на приемной стороне 2 по полученной информации о позициях принимаемой последовательности кодовых бит, на которых поляризационные базисы поляризационного модулятора 7 и поляризационного светоделителя 12 совпали, однозначно определяет значение бит секретного ключа на приемной стороне.The second block 10 for generating a secret key on the receiving side 2 from the received information about the positions of the received sequence of code bits at which the polarization bases of the polarization modulator 7 and the polarizing beam splitter 12 match, uniquely determines the value of the bits of the secret key on the receiving side.
Таким образом, передающая сторона 1 однозначно определяет значение бита секретного ключа, полученного приемной стороной 2 при условии случайного совпадения их поляризационных базисов.Thus, the transmitting side 1 uniquely determines the value of the bit of the secret key received by the receiving side 2, provided that their polarization bases coincide.
Длины первого квантового канала 8, второго квантового канала 18 и третьего квантового канала 20 выбираются, исходя из условия уверенного приема одиночного фотона. В результате общая дальность распространения секретного ключа в заявленной поляризационной квантовой криптосистеме будет равна сумме длин первого, второго и третьего квантовых каналов 8, 18 и 20, т.е. увеличивается по сравнению с аналогичной дальностью в известной поляризационной квантовой криптосистеме на суммарную длину второго и третьего квантовых каналов 18 и 20.The lengths of the first quantum channel 8, the second quantum channel 18, and the third quantum channel 20 are selected based on the condition of confident reception of a single photon. As a result, the total distribution range of the secret key in the claimed polarization quantum cryptosystem will be equal to the sum of the lengths of the first, second and third quantum channels 8, 18 and 20, i.e. increases in comparison with a similar range in the known polarization quantum cryptosystem by the total length of the second and third quantum channels 18 and 20.
При этом как в первом и втором несекретных каналах 9 и 16 связи, так и в первом, втором и третьем квантовых каналах 8, 18 и 20, увеличивающих дальность действия поляризационной квантовой криптосистемы, информация о секретном ключе отсутствует, т.к. по законам телепортации квантовой механики информация о квантовом ключе в первом и втором фотонах Ф2 и Ф3 перепутанной пары возникает только в момент измерения состояния одного из этих фотонов. Это обеспечивает защищенность от несанкционированных утечек информации о кодовых битах за пределами охраняемых зон.In this case, both in the first and second unclassified communication channels 9 and 16, and in the first, second and third quantum channels 8, 18 and 20, which increase the range of the polarization quantum cryptosystem, there is no information about the secret key, because according to the laws of teleportation of quantum mechanics, information about the quantum key in the first and second photons Φ2 and Φ3 of an entangled pair occurs only at the moment of measuring the state of one of these photons. This provides protection against unauthorized leakage of information about code bits outside protected areas.
Изложенные выше сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:The above information indicates the fulfillment of the following set of conditions when using the claimed technical solution:
- средства, воплощающие заявленную поляризационную квантовую криптосистему при ее осуществлении, предназначены для использования в промышленности, а именно в криптосических системах передачи данных, в частности в квантовых криптосистемах;- means that embody the claimed polarized quantum cryptosystem in its implementation, are intended for use in industry, namely in cryptos data transmission systems, in particular in quantum cryptosystems;
- для заявленной поляризационной квантовой криптосистемы для ее реализации в том виде, как она охарактеризована в изложенной формуле изобретения, подтверждена возможность ее осуществления с помощью описанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов.- for the claimed polarization quantum cryptosystem for its implementation in the form described in the stated claims, the possibility of its implementation using the means and methods described in the application or known prior to the priority date is confirmed.
Следовательно, заявленное техническое решение соответствует критерию "промышленная применимость".Therefore, the claimed technical solution meets the criterion of "industrial applicability".
При использовании заявленной поляризационной квантовой криптосистемы достигается увеличение дальности распространения секретного ключа в 3 раза по сравнению с использованием известной поляризационной квантовой криптосистемы без ухудшения криптостойкости.When using the claimed polarization quantum cryptosystem, an increase in the secret key distribution distance is achieved by a factor of 3 compared with the use of the known polarization quantum cryptosystem without compromising cryptographic strength.
Источники информацииInformation sources
1. Физика квантовой информации / Под редакцией Д.Боумейстера и др. - М.: Постмаркет, 2002, стр.50-51.1. Physics of quantum information / Edited by D. Boumeister et al. - M.: Postmarket, 2002, p. 50-51.
2. C.H.Bennett, G.Brassard. Proc. IEEE Int Conference on Computers, Sistem and Signal Processing, IEEE, New York, 1984.2. C.H. Bennett, G. Brassard. Proc. IEEE Int Conference on Computers, Sistem and Signal Processing, IEEE, New York, 1984.
3. Yoon-Ho Kim, Sergei P. Kulik and Yanhua Shin. Quantum Teleportation wit a Complete Bell State Measurement. Phys. Rev. Lett. 86, №7, 2001, p.1370-1373.3. Yoon-Ho Kim, Sergei P. Kulik and Yanhua Shin. Quantum Teleportation wit a Complete Bell State Measurement. Phys. Rev. Lett. 86, No. 7, 2001, p. 1370-1373.
4. Д.Н.Клышко. Успехи физических наук. Т.168, №9, 1998, стр.992-993.4. D.N. Klyshko. Advances in physical sciences. T.168, No. 9, 1998, pp. 992-993.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007148426/09A RU2360367C1 (en) | 2007-12-27 | 2007-12-27 | Polarisation quantum cryptosystem |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007148426/09A RU2360367C1 (en) | 2007-12-27 | 2007-12-27 | Polarisation quantum cryptosystem |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2360367C1 true RU2360367C1 (en) | 2009-06-27 |
Family
ID=41027334
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2007148426/09A RU2360367C1 (en) | 2007-12-27 | 2007-12-27 | Polarisation quantum cryptosystem |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2360367C1 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2488965C1 (en) * | 2011-11-15 | 2013-07-27 | Вадим Петрович Лаврищев | Method of receiving/transmitting cryptographic information |
| RU2661287C1 (en) * | 2017-06-09 | 2018-07-13 | Франгиз Гильфанетдинович Хисамов | Method of transmission of encryption/decryption key by fiber optic line of unlimited length |
| RU2702613C2 (en) * | 2019-04-09 | 2019-10-09 | Сергей Витальевич Коннов | Method of communication |
| RU2750810C1 (en) * | 2020-01-22 | 2021-07-05 | Общество с ограниченной ответственностью "СМАРТС-Кванттелеком" | Device for quantum communication at side frequencies with radiation registration at the central frequency |
-
2007
- 2007-12-27 RU RU2007148426/09A patent/RU2360367C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| BENNETT С.Н., BRASSARD G. Proc. IEEE Int Conference on Computers, System and Signal Processing, IEEE, New York, 1984. КЛЫШКО Д.Н. Успехи физических наук, т.168, № 9, 1998, с.992-993. * |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2488965C1 (en) * | 2011-11-15 | 2013-07-27 | Вадим Петрович Лаврищев | Method of receiving/transmitting cryptographic information |
| RU2661287C1 (en) * | 2017-06-09 | 2018-07-13 | Франгиз Гильфанетдинович Хисамов | Method of transmission of encryption/decryption key by fiber optic line of unlimited length |
| RU2702613C2 (en) * | 2019-04-09 | 2019-10-09 | Сергей Витальевич Коннов | Method of communication |
| RU2750810C1 (en) * | 2020-01-22 | 2021-07-05 | Общество с ограниченной ответственностью "СМАРТС-Кванттелеком" | Device for quantum communication at side frequencies with radiation registration at the central frequency |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Jennewein et al. | Quantum cryptography with entangled photons | |
| Hughes et al. | Quantum cryptography | |
| Townsend | Quantum cryptography on optical fiber networks | |
| KR100631242B1 (en) | Cryptographic communication apparatus | |
| Lo et al. | Quantum cryptography | |
| Moizuddin et al. | A comprehensive survey: quantum cryptography | |
| RU2360367C1 (en) | Polarisation quantum cryptosystem | |
| Ouellette | Quantum key distribution | |
| Barbosa | Fast and secure key distribution using mesoscopic coherent states of light | |
| Genovese et al. | Double entanglement and quantum cryptography | |
| RU2382503C1 (en) | Method of transmitting private key in quantum cryptographic systems | |
| RU2661287C1 (en) | Method of transmission of encryption/decryption key by fiber optic line of unlimited length | |
| Gilbert et al. | Secrecy, computational loads and rates in practical quantum cryptography | |
| Krithika | Quantum key distribution (QKD): A review on technology, recent developments and future prospects | |
| Rumyantsev et al. | Modeling of quantum key distribution system for secure information transfer | |
| Sheikh et al. | An overview of quantum cryptography for wireless networking infrastructure | |
| Khan et al. | Protocols for secure quantum transmission: a review of recent developments | |
| Krishnan | An overview of quantum wireless communication using quantum cryptography | |
| Polyakov et al. | Comparative Analysis of Post-Quantum Key Transfer Protocols Using Mathematical Modeling | |
| Pljonkin et al. | The General Principles of Quantum Key Integration into Data Network Part 1 | |
| William et al. | Security Aspects of Quantum Cryptography | |
| Jofre Cruanyes | Slides for session 1: Introduction | |
| MEGNOUNIF et al. | Quantum key distribution from the origins to nowadays | |
| Banerjee et al. | Device Independent Key Generation Using Decoy State | |
| Luo et al. | Quantum cryptography with entangled multiphotons of the same polarization |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PC43 | Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions |
Effective date: 20140515 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20181228 |