RU2427926C1 - Method of quantal coding and transmission of cryptographic keys - Google Patents
Method of quantal coding and transmission of cryptographic keys Download PDFInfo
- Publication number
- RU2427926C1 RU2427926C1 RU2010130961/08A RU2010130961A RU2427926C1 RU 2427926 C1 RU2427926 C1 RU 2427926C1 RU 2010130961/08 A RU2010130961/08 A RU 2010130961/08A RU 2010130961 A RU2010130961 A RU 2010130961A RU 2427926 C1 RU2427926 C1 RU 2427926C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- states
- time windows
- information
- transmitting
- photon
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Optical Communication System (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области квантовой криптографии - системам квантового распределения криптографических ключей, а более конкретно - к способам квантового кодирования и передачи криптографических ключей. Системы квантовой криптографии позволяют не только обнаруживать любые попытки несанкционированного вторжения в канал связи, но и гарантировать безусловную секретность передаваемых криптографических ключей при условии, что ошибка на принимающей станции в первичных ключах не превышает некоторой критической величины.The invention relates to the field of quantum cryptography - systems of quantum distribution of cryptographic keys, and more specifically to methods of quantum coding and transmission of cryptographic keys. Quantum cryptography systems allow not only to detect any attempts of unauthorized intrusions into the communication channel, but also guarantee the unconditional secrecy of transmitted cryptographic keys, provided that the error at the receiving station in the primary keys does not exceed a certain critical value.
Из уровня техники в данной области известен способ кодирования и передачи криптографических ключей, включающий привязку по времени квантовых состояний на передающей и принимающей станциях путем посылки в канал связи классических синхронизирующих лазерных импульсов, формирование на передающей станции серии однофотонных состояний при помощи фазовых преобразований, передачу однофотонных состояний по квантовому каналу связи на принимающую станцию, согласование базисов по открытому классическому каналу связи путем сообщения с передающей станции на приемную станцию базисов для каждой посылки квантового состояния и детектирование на принимающей станции однофотонных состояний посредством фазовых преобразований (см. патент США №6529601 В1, кл. МПК H04L 9/00, G02B 26/08, опубликованный 04.03.2003 г.)A method for encoding and transmitting cryptographic keys is known in the art, including timing the quantum states at the transmitting and receiving stations by sending classical synchronizing laser pulses to the communication channel, generating a series of single-photon states at the transmitting station using phase transformations, transmitting single-photon states on a quantum communication channel to a receiving station, matching of bases on an open classical communication channel by means of a message with transmit a station to the receiving station of bases for each quantum state transmission and detection of single-photon states at the receiving station by phase transformations (see US patent No. 6529601 B1, IPC class H04L 9/00, G02B 26/08, published March 4, 2003)
К принципиальным недостатком известного способа, основанного только на фазовых преобразованиях однофотонных состояний, которые требуют прецизионного контроля и управления, является то, что диапазон допустимых ошибок в передаваемых ключах на принимающей станции, в котором гарантируется секретность передаваемых криптографических ключей, достаточно мал (около 11%). В силу указанных недостатков известный способ не позволяет обеспечить долговременную стабильность и передавать криптографические ключи при потоке ошибок больше 11%. Известный способ не позволяет разделить ошибки, связанные с собственными неидеальностями аппаратуры (например, нестабильностью интерферометра) и действием подслушивателя.A fundamental disadvantage of the known method, based only on phase transformations of single-photon states that require precision monitoring and control, is that the range of permissible errors in the transmitted keys at the receiving station, which guarantees the secrecy of the transmitted cryptographic keys, is quite small (about 11%) . Due to these drawbacks, the known method does not allow for long-term stability and transmit cryptographic keys with an error stream of more than 11%. The known method does not allow to separate errors associated with their own imperfect equipment (for example, the instability of the interferometer) and the action of the eavesdropper.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в расширении диапазона возможных ошибок в передаваемых ключах на принимающей станции, в котором гарантируется секретность криптографических ключей, до теоретического предельного значения в 50%, в результате не требуется прецизионный контроль и управление.The technical result to which the invention is directed is to expand the range of possible errors in the transmitted keys at the receiving station, which guarantees the secrecy of cryptographic keys, to a theoretical limit of 50%, as a result, precise control and management are not required.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе квантового кодирования и передачи криптографических ключей, включающем привязку по времени квантовых состояний на передающей и принимающей станциях путем посылки в канал связи классических синхронизирующих лазерных импульсов, формирование на передающей станции серии однофотонных состояний при помощи фазово-временных преобразований, передачу однофотонных состояний по квантовому каналу связи на принимающую станцию, согласование базисов по открытому классическому каналу связи путем сообщения с передающей станции на приемную станцию базисов для каждой посылки квантового состояния и детектирование на принимающей станции однофотонных состояний посредством фазово-временных преобразований, для серии однофотонных состояний на принимающей станции формируют дополнительно к информационным временным окнам контрольные временные окна, серию однофотонных состояний детектируют как в информационных, так и в контрольных временных окнах и по полученной статистике фотоотсчетов в информационных и контрольных временных окнах вычисляют допустимую ошибку, которую затем сравнивают с определенным пороговым значением ошибки для получения известного только на передающей и принимающей станциях криптографического ключа.The indicated technical result is achieved by the fact that in the method of quantum coding and transmission of cryptographic keys, which includes timing the quantum states at the transmitting and receiving stations by sending classical synchronizing laser pulses to the communication channel, forming a series of single-photon states at the transmitting station using phase-time transformations , transmission of single-photon states via a quantum communication channel to a receiving station, matching of bases over an open classical channel in communication, by communicating from the transmitting station to the receiving station, bases for each quantum state transmission and detecting single-photon states at the receiving station by means of phase-time transformations, for the series of single-photon states at the receiving station, control time windows are formed in addition to the information time windows, a series of single-photon states are detected both in the information and in the control time windows and according to the statistics of the photocounts in the information and control time Allowed windows calculate the allowable error, which is then compared with a certain threshold error value to obtain a cryptographic key known only at the transmitting and receiving stations.
Сущность изобретения поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.
На фиг.1 показаны временные диаграммы однофотонных состоянии для кодирования криптографических ключей.1 shows timing diagrams of a single-photon state for encoding cryptographic keys.
На фиг.2 - пример осуществления способа.Figure 2 is an example implementation of the method.
На фиг.3 - диаграмма секретности способа кодирования.Figure 3 is a diagram of the secrecy of the encoding method.
Классические информационные биты 0 и 1 кодируются в 8 квантовых состояний, принадлежащих 4 базисам, по 2 состояния в каждом базисе. Имеются 4 базиса, которые обозначаются как L(+), L(x), R(+) и R(x). В каждом базисе имеются по два состояния, которые нумеруются как |0{L(+)}>, |1{L(+)}>, |0{L(x)}>, |1{L(x)}>, |0{R(+)}>, |1{R(+)}>, |0{R(x)}>, |1{R(x)}>. Классические биты 0 и 1 кодируются в однофотонные квантовые состояния по правилам, представленным в Таблице 1.The classical information bits 0 and 1 are encoded into 8 quantum states belonging to 4 bases, 2 states in each basis. There are 4 bases, which are denoted as L (+), L (x), R (+) and R (x). Each basis has two states, which are numbered as | 0 {L (+)}>, | 1 {L (+)}>, | 0 {L (x)}>, | 1 {L (x)}> , | 0 {R (+)}>, | 1 {R (+)}>, | 0 {R (x)}>, | 1 {R (x)}>. Classic bits 0 and 1 are encoded into single-photon quantum states according to the rules presented in Table 1.
Длительность всех однофотонных состояний равна □ □. Исходные однофотонные состояния на передающей станции в базисах L(+), L(x) сдвинуты по времени по отношению к однофотонным состояниям в базисах R(+), R(x) на время Т (см. фиг.1а)).The duration of all single-photon states is □ □. The initial single-photon states at the transmitting station in the bases L (+), L (x) are shifted in time with respect to the single-photon states in the bases R (+), R (x) by the time T (see Fig. 1a)).
Состояния после интерференционных преобразований на передающей станции приведены на фиг.1б), и представляют собой суперпозицию однофотонных состояний с длительностью □ □, разделенных временем Т (см. фиг.1б)). Затем состояния подвергаются фазовым преобразованиям при помощи фазового модулятора. Такое преобразование приводит к появлению дополнительной разности фаз между передним и задним фронтом состояний. Для разных состояний применяются разные фазовые преобразования в зависимости от значения классического бита 0 или 1. Временные диаграммы состояний после фазовых преобразований представлены на фиг.1в). Соответствие разности фаз для различных состояний приведено в Таблице 2.The states after interference transformations at the transmitting station are shown in FIG. 1b), and are a superposition of single-photon states with a duration □ □ separated by time T (see FIG. 1b)). Then the states undergo phase transformations using a phase modulator. Such a transformation leads to the appearance of an additional phase difference between the leading and trailing edges of the states. For different states, different phase transformations are applied depending on the value of the classic bit 0 or 1. Timing state diagrams after phase transformations are presented in Fig.1c). The correspondence of the phase difference for different states is shown in Table 2.
В таком виде состояния посылают в канал связи. В каждой посылке перед квантовым состоянием в канал связи посылают классический синхронизирующий лазерный импульс, который необходим для привязки по времени квантовых состояний (см. фиг.1, данный импульс обозначен как "С").In this form, states are sent to the communication channel. In each package, before the quantum state, a classical synchronizing laser pulse is sent to the communication channel, which is necessary for timing the quantum states (see Fig. 1, this pulse is designated as "C").
На принимающей станции используют сначала фазовые преобразования, затем интерференционные и временные преобразования. На фазовом модуляторе происходят фазовые преобразования в зависимости от квантового состояния. Диаграмма состояний после фазовых преобразований на принимающей станции приведена на фиг.1г). Соответствия фазовых сдвигов на принимающей станции для различных квантовых состояний указаны в Таблице 3.At the receiving station, first phase transforms are used, then interference and temporal transforms. At the phase modulator, phase transformations occur depending on the quantum state. The state diagram after phase transformations at the receiving station is shown in Fig. 1d). The correspondence of the phase shifts at the receiving station for various quantum states is shown in Table 3.
После фазовых преобразований осуществляют временные преобразования с помощью интерферометра Маха-Цандера. Диаграммы состояний по двум выходам интерферометра приведены на фиг.1д) и фиг.1е) для состояний в базисах L(+), L(x), R(+), R(x) по верхнему и нижнему выходам. Затем производят детектирование преобразованных однофотонных квантовых состояний в различных временных окнах, выбор которых зависит от базиса.After phase transformations, temporary transformations are carried out using a Mach-Zander interferometer. State diagrams for the two outputs of the interferometer are shown in fig.1d) and fig.1e) for states in the bases L (+), L (x), R (+), R (x) on the upper and lower outputs. Then, the converted single-photon quantum states are detected in various time windows, the choice of which depends on the basis.
Функционально временные окна на принимающей станции, в которых происходит регистрация состояний, делятся на два типа. Первый тип - «информационные» временные окна. Это окна «И2» и «И3» (фиг.1д), е)). Второй тип - «контрольные» временные окна. Это окна «К1» и «К4» (фиг.1д), е)).Functionally, the time windows at the receiving station in which the state is recorded are divided into two types. The first type is “informational” time windows. These are the windows “I2” and “I3” (fig.1d), e)). The second type is “control” time windows. These are the windows "K1" and "K4" (fig.1d), e)).
Принципиальное отличие этих окон состоит в том, что в отсутствие подслушивателя фазовая нестабильность используемой аппаратуры не приводит к перераспределению отсчетов в контрольных временных окнах и приводит только к изменению числа отсчетов в информационных временных окнах. Это связано с тем, что отсчеты в информационных временных окнах формируются в результате интерференции квантовых состояний, прошедших по верхнему и нижнему плечу интерферометра Маха-Цандера на принимающей станции (фиг.2). В отсутствие подслушивателя, отсчетов в контрольных временных окнах, К4 для состояний из базиса L и в окне К1 для состояний из базиса R, не возникает, поскольку имеется временная привязка состояний к классическому импульсу синхронизации (фиг.1).The fundamental difference between these windows is that in the absence of an eavesdropper, the phase instability of the equipment used does not lead to a redistribution of samples in the control time windows and only leads to a change in the number of samples in the information time windows. This is due to the fact that the readings in the information time windows are formed as a result of the interference of quantum states that passed along the upper and lower arms of the Mach-Zander interferometer at the receiving station (Fig. 2). In the absence of an eavesdropper, samples in the control time windows, K4 for states from the basis L and in the window K1 for states from the basis R, does not occur, since there is a time reference of the states to the classical synchronization pulse (Fig. 1).
В то же время, поскольку заранее базис (L или R), в котором посылаются информационные состояния, подслушивателю не известны, то попытка подслушивателя извлечь информацию из передаваемых квантовых состояний неизбежно приведет к их сдвигу во времени на величину Т и, тем самым, к перераспреденеию отсчетов в контрольных временных окнах. Данное обстоятельство гарантируется тем, что неортогональные квантовые состояния принципиально не могут быть достоверно различимы, что является следствием фундаментального квантового соотношения неопределенностей Гайзенберга. Состояния из левого (L) и правого (R) базисов попарно неортогональны, перекрываются по времени (фиг.1б)), поэтому подслушиватель неизбежно будет ошибаться, пытаясь отличить состояния из левого и правого базисов. Ошибка приведет к появлению отсчетов в тех контрольных временных окнах, где их не должно было бы быть в отсутствие подслушивателя.At the same time, since the basis (L or R) in which information states are sent is not known to the eavesdropper, an attempt by the eavesdropper to extract information from the transmitted quantum states will inevitably lead to a time shift of T and, therefore, to redistribution samples in control time windows. This circumstance is guaranteed by the fact that nonorthogonal quantum states cannot fundamentally be reliably distinguishable, which is a consequence of the fundamental Heisenberg quantum uncertainty relation. The states from the left (L) and right (R) bases are pairwise non-orthogonal, overlap in time (Fig. 1b)), therefore, the eavesdropper will inevitably be mistaken, trying to distinguish the states from the left and right bases. The error will lead to the appearance of counts in those control time windows where they should not have been in the absence of an eavesdropper.
Например, для невозмущенных подслушивателем состояний в базисе L(+) и L(х), никогда не будет отсчетов во временном окне К4. В то же время, в отсутствие подслушивателя, разбалансировка интерферометра приводит к ошибочным отсчетам только во временном окне И2, но никогда не приводит к отсчетам во временном окне К4. Аналогично поступают для состояний в базисе R(+) и R(x). Разбалансировка интерферометра не приводит к сдвигу квантовых состояний по времени - меняется только фаза. Это приводит только к ошибочным отсчетам в информационном окне И3, но никогда не приводит к отсчетам в контрольном временном окне К1.For example, for states unperturbed by the eavesdropper in the basis L (+) and L (x), there will never be samples in the K4 time window. At the same time, in the absence of an eavesdropper, imbalance of the interferometer leads to erroneous readings only in the time window I2, but never leads to readings in the time window K4. Do the same for states in the basis of R (+) and R (x). Imbalance of the interferometer does not lead to a shift of quantum states in time - only the phase changes. This leads only to erroneous readings in the information window I3, but never leads to readings in the control time window K1.
На принимающей станции случайно, равновероятно и независимо от передающей станции прикладывают напряжения на фазовый модулятор, которые приводят к дополнительной относительной разности фаз □ □=0 или 
Далее проводят согласование базисов по открытому классическому каналу связи. С передающей станции сообщают базисы для каждой посылки, которые использовались, но не сообщают значения информационного бита. В каждом базисе имеются два значения бита, которые не раскрывают публично. На принимающей станции оставляют измерения только в тех посылках, где базисы совпадали. Посылки, в которых базисы не совпадали, отбрасываются.Next, the bases are coordinated via an open classical communication channel. The transmitting station reports the bases for each parcel that were used, but do not report the value of the information bit. In each basis, there are two bit values that are not publicly disclosed. At the receiving station, measurements are only left in those premises where the bases coincided. Parcels in which the bases did not coincide are discarded.
Для не отброшенных посылок, в которых базисы совпадают, на детекторы (D1 и D2 см. фиг.1е)) поступают состояния, приведенные в Таблице 4.For non-discarded premises in which the bases coincide, the conditions shown in Table 4 are received at the detectors (D1 and D2, see Fig. 1f)).
Измеряют квантовые состояния путем стробирования детекторов D1 и D2 в информационных временных окнах И2 и И3, которые выбирают случайно. После стадии согласования базисов по открытому каналу связи между принимающей и передающей станциями, на принимающей станции однозначно идентифицируют передаваемые значения информационных битов. Например, в отсутствие подслушивателя, если передано состояние |0{L(+)}>, то отсчеты для состояний в базисе L(+) имеют место только во временном окне И2 в детекторе D1 и никогда в окне И2 в детекторе D2.Quantum states are measured by gating the detectors D1 and D2 in the information time windows I2 and I3, which are randomly selected. After the stage of matching the bases on an open communication channel between the receiving and transmitting stations, the transmitted values of the information bits are uniquely identified at the receiving station. For example, in the absence of an eavesdropper, if the state | 0 {L (+)}> is transmitted, then the samples for the states in the basis L (+) take place only in the time window I2 in detector D1 and never in the window I2 in detector D2.
Далее, на принимающей станции измеряют состояния в контрольных временных окнах. Состояния в базисе L(+) и L(х) измеряют во временном окне К1, для состояний в базисе R(+) и R(x) измеряют во временном окне К4. Далее подсчитывают процент ошибок Q и число отсчетов в контрольных временных окнах q. Определяют положение на плоскости секретности протокола (Q, q) (см. фиг.3).Further, at the receiving station, states are measured in the control time windows. The states in the basis L (+) and L (x) are measured in the time window K1, for the states in the basis R (+) and R (x) they are measured in the time window K4. Next, the percentage of errors Q and the number of samples in the control time windows q are calculated. Determine the position on the plane of secrecy of the protocol (Q, q) (see figure 3).
Область секретности протокола зависит от двух параметров - неправильных отсчетов (ошибок) в информационных временных окнах Q и количества отсчетов в контрольных временных окнах q. Критическая величина ошибки зависит от наблюдаемой доли отсчетов в контрольных временных окнах Q(q).The protocol secrecy area depends on two parameters - incorrect samples (errors) in the information time windows Q and the number of samples in the control time windows q. The critical error value depends on the observed fraction of samples in the control time windows Q (q).
Если процент ошибок превосходит критическое значение Q(q), то сеанс связи прерывают и производят проверку квантового канала связи. В противном случае на принимающей станции формируют битовую последовательность - первичный ключ, которая еще содержит ошибки на принимающей станции. Затем производят коррекцию ошибок посредством обмена информацией через открытый канал связи между передающей и принимающей станциями. После исправления ошибок возникают одинаковые битовые строки на передающей и принимающей станциях. Далее через открытый канал связи производят сжатие битовых строк при помощи универсальных функции хэширования. В результате возникает секретный криптографический ключ, известный только на передающей и принимающей станциях.If the percentage of errors exceeds the critical value Q (q), then the communication session is interrupted and the quantum communication channel is checked. Otherwise, a bit sequence is formed at the receiving station — the primary key, which still contains errors at the receiving station. Then, error correction is carried out by exchanging information through an open communication channel between the transmitting and receiving stations. After error correction, identical bit strings occur at the transmitting and receiving stations. Then, through the open communication channel, bit strings are compressed using the universal hashing function. The result is a secret cryptographic key known only at the transmitting and receiving stations.
Способ позволяет частично "разнести" ошибки, связанные с собственными неидеальностями аппаратуры (нестабильностью интерферометра) и действиями подслушивателя. "Разнести" в том смысле, что для протоколов, в которых детектирование подслушивателя происходят только по одному параметру - ошибке в информационных окнах Q, разбалансировка интерферометра также дает вклад в Q. В данном протоколе разбалансировка интерферометра приводит только к ошибке Q и не приводит к появлению отсчетов в контрольных временных окнах.The method allows you to partially "spread" the errors associated with their own imperfect equipment (instability of the interferometer) and the actions of the eavesdropper. “Spread” in the sense that for protocols in which eavesdropper detection occurs according to only one parameter - an error in the Q information windows, unbalancing the interferometer also contributes to Q. In this protocol, unbalancing the interferometer only leads to Q error and does not lead to samples in control time windows.
Величина ошибки Q связана с видностью (V) интерференционной картины на выходе интерферометра (V=(ID1-ID2)/(ID1+ID2), где ID1, ID2 - доля отсчетов в детекторе D1 и D2 соответственно) следующим соотношением Q=(1-V)/2. Даже при Q→1/2, что отвечает почти полной потере видности интерференционной картины, протокол все еще обеспечивает секретность криптографических ключей, если нет отсчетов в контрольных временных окнах К1 или К4. Отсчеты в контрольных временных окнах не связаны с потерей видности, а возникают либо за счет темновых отсчетов, либо за счет действий подслушивателя.The magnitude of the error Q is related to the visibility (V) of the interference pattern at the output of the interferometer (V = (I D1 -I D2 ) / (I D1 + I D2 ), where I D1 , I D2 are the fraction of samples in the detector D1 and D2, respectively) as follows the relation Q = (1-V) / 2. Even at Q → 1/2, which corresponds to an almost complete loss of visibility of the interference pattern, the protocol still ensures the secrecy of cryptographic keys if there are no samples in the control time windows K1 or K4. Counts in control time windows are not associated with loss of visibility, but arise either due to dark readings, or due to the actions of an eavesdropper.
Поэтому, если обнаружены ошибки в информационных временных окнах, но нет отсчетов в контрольных временных окнах, то можно не прерывать протокол вплоть до ошибки Q=50% и передавать криптографические ключи, и гарантировать их секретность.Therefore, if errors are detected in the information time windows, but there are no samples in the control time windows, then you can not interrupt the protocol up to the error Q = 50% and transfer cryptographic keys, and guarantee their secrecy.
На Фиг.2, на которой показан пример осуществления способа, приняты следующие обозначения:Figure 2, which shows an example implementation of the method, the following notation:
А - передающая станция.A is the transmitting station.
Б - принимающая станция.B - receiving station.
1 - лазер с несущей длиной волны ~ 1.5 мкм с оптоволоконным выходом.1 - a laser with a carrier wavelength of ~ 1.5 μm with a fiber optic output.
2 - ослабитель (аттенюатор) лазерного излучения до однофотонного уровня.2 - attenuator (attenuator) of laser radiation to a single-photon level.
3, 4 - оптоволоконные светоделители 50/50.3, 4 - 50/50 fiber optic beam splitters.
5 - оптоволоконный разбалансированный интерферометр Маха-Цандера на передающей станции.5 - fiber-optic unbalanced Mach-Zander interferometer at a transmitting station.
6 - оптоволоконный фазовый модулятор на передающей станции.6 - fiber optic phase modulator at the transmitting station.
7 - лазер синхроимпульсов с несущей длиной волны ~1.3 мкм с оптоволоконным выходом, соединенным с входом на 1.3 мкм оптоволоконного разделителя (мультиплексора) по длинам 1.3 мкм/1.5 мкм.7 - a sync pulse laser with a carrier wavelength of ~ 1.3 μm with an optical fiber output connected to a 1.3 μm input of a fiber optic splitter (multiplexer) along the lengths of 1.3 μm / 1.5 μm.
8 - оптоволоконный разделитель (мультиплексор) по длинам волн 1.3 мкм/1.5 мкм.8 - fiber optic splitter (multiplexer) at wavelengths of 1.3 μm / 1.5 μm.
9 - оптоволоконный канал связи.9 - fiber optic communication channel.
10 - оптоволоконный разделитель (мультиплексор) по длинам волн 1.3 мкм/1.5 мкм.10 - fiber optic splitter (multiplexer) at wavelengths of 1.3 μm / 1.5 μm.
11 - детектор синхроимпульсов с несущей длиной волны ~1.3 мкм, соединенный с выходом на 1.3 мкм оптоволоконного разделителя (мультиплексора) по длинам волн на 1.3 мкм/1.5 мкм.11 - a sync pulse detector with a carrier wavelength of ~ 1.3 μm, connected to an output of 1.3 μm of an optical fiber splitter (multiplexer) by wavelengths of 1.3 μm / 1.5 μm.
12 - оптоволоконный фазовый модулятор на принимающей станции.12 - fiber optic phase modulator at the receiving station.
13 - устройство поляризационного контроля в длинном плече интерферометра.13 - polarization control device in the long arm of the interferometer.
14, 15 - оптоволоконные светоделители 50/50.14, 15 - fiber optic beam splitters 50/50.
16 - пьезоэлемент для тонкой подстройки длины короткого плеча интерферометра Маха-Цандера.16 - piezoelectric element for fine tuning the length of the short arm of the Mach-Zander interferometer.
17 - оптоволоконный разбалансированный интерферометр Маха-Цандера на принимающей станции.17 — Mach-Zander unbalanced fiber optic interferometer at the receiving station.
18 - детектор (D1) однофотонных импульсов на 1.5 мкм, вход которого соединен с выходом светоделителя.18 is a detector (D1) of single-photon pulses of 1.5 μm, the input of which is connected to the output of the beam splitter.
19 - детектор (D2) однофотонных импульсов на 1.5 мкм, вход которого соединен с выходом светоделителя.19 - detector (D2) of single-photon pulses of 1.5 μm, the input of which is connected to the output of the beam splitter.
Способ осуществляют следующим образом. На выходе лазера 1 с несущей длиной волны 1.55 мкм многофотонный сигнал ослабляется до однофотонного состояния. Поскольку статистика излучения лазера является пуассоновской, то реально требуется ослабление излучения до уровня 0.1 фотона в среднем на каждый импульс. Ослабления достигают с помощью ослабителя (аттенюатора) 2. В каждой посылке в канал связи 9 случайно и равновероятно посылают одно из восьми однофотонных состояний. Длительность однофотонных состояний □ □ достигают при помощи модуляции излучения лазера 1. Возможна как прямая (токовая) модуляция излучения, так и модуляция с применением внешнего модулятора. В каждой посылке однофотонные состояния сдвинуты относительно друг друга в зависимости от выбранного базиса (фиг.1а)). После ослабления исходные состояния направляют на один из входов 3 оптоволоконного светоделителя (50/50), и затем - в разбалансированный интерферометр Маха-Цандера 5. Второй вход светоделителя 3 является холостым (на этом входе вакуумное состояние). После пропускания по длинному и короткому плечам интерферометра получают суперпозицию исходного однофотонного состояния в базисе L и сдвинутого на интервал времени, равный разности оптических путей интерферометра Т в базисе R (фиг.1б)). Преобразование однофотонных состояний в последовательность однофотонных состояний (фиг.1б)) является одним из центральных моментов осуществления способа.The method is as follows. At the output of laser 1 with a carrier wavelength of 1.55 μm, the multiphoton signal is attenuated to a single-photon state. Since the statistics of laser radiation is Poisson, it is really necessary to attenuate the radiation to a level of 0.1 photon on average per pulse. The attenuation is achieved using a attenuator (attenuator) 2. In each transmission, one of eight single-photon states is sent randomly and equally likely to the communication channel 9. The duration of single-photon states □ □ is achieved by modulating laser radiation 1. Both direct (current) modulation of radiation and modulation using an external modulator are possible. In each parcel, single-photon states are shifted relative to each other depending on the basis chosen (Fig. 1a)). After weakening, the initial states are sent to one of the
На выходе интерферометра Маха-Цандера 5 после светоделителя 4 возникает суперпозиция из двух фронтов состояний L(+) либо R(+) в зависимости от исходного состояния на входе интерферометра.At the output of the Mach-Zander interferometer 5, after a beam splitter 4, a superposition of two fronts of states L (+) or R (+) occurs, depending on the initial state at the input of the interferometer.
При помощи фазового модулятора 6 состояние в базисе L(+) или R(+) преобразуются в состояния L(+), или L(x), или R(+), или R(x) в зависимости от случайного числа в соответствии с Таблицей 1. Соответствующие сдвиги фаз указаны в Таблице 2.Using the phase modulator 6, the state in the basis L (+) or R (+) is transformed into the states L (+), or L (x), or R (+), or R (x) depending on a random number in accordance with Table 1. The corresponding phase shifts are shown in Table 2.
С помощью лазера 7 с несущей длиной волны ~1.3 мкм создают в каждой посылке интенсивные (классические) короткие импульсы (синхроимпульсы), относительно которых производят привязку во времени состояний с несущей длиной волны 1.55 мкм. Затем однофотонные состояния и синхронизирующие импульсы посылают, соответственно, на входы оптоволоконного разделителя 8 (мультиплексора) по длинам волн (1.3 мкм/1.55 мкм). С разделителя 8 состояния направляют по каналу связи 9 на принимающую станцию Б.Using laser 7 with a carrier wavelength of ~ 1.3 μm, intense (classical) short pulses (sync pulses) are generated in each package, with respect to which the states with a carrier wavelength of 1.55 μm are referenced in time. Then single-photon states and synchronizing pulses are sent, respectively, to the inputs of the fiber optic splitter 8 (multiplexer) at wavelengths (1.3 μm / 1.55 μm). From the separator 8, the states are sent via the communication channel 9 to the receiving station B.
С выхода канала связи 9 состояния поступают на вход оптоволоконного разделителя по длинам волн (1.3 мкм/1.55 мкм) 10. Излучение с длиной волны 1.3 мкм направляют на вход детектора синхроимпульсов 11, а излучение с длиной волны 1.55 мкм - на вход оптоволоконного фазового модулятора 12. После прохождения фазового модулятора, состояния в зависимости от случайного числа, выбранного на принимающей станции, преобразуются в состояния, приведенные на фиг.1г). Соответствие между случайными числами и фазовыми сдвигами приведено в Таблице 3. С выхода фазового модулятора состояния направляют на оптоволоконный светоделитель (50/50) 14, а затем на интерферометр Маха-Цандера 17 с устройством поляризационного контроля 13 и пьезоэлементом 16 для точной подстройки длины короткого плеча. Однофотонные состояния после пропускания их по длинному и короткому плечам интерферометра Маха-Цандера совмещают на светоделителе (50/50) 15, в результате чего они интерферируют сами с собой, после чего их направляют на однофотонные детекторы 18, 19.From the output of the communication channel, 9 states are fed to the input of the fiber optic splitter at wavelengths (1.3 μm / 1.55 μm) 10. Radiation with a wavelength of 1.3 μm is sent to the input of the clock detector 11, and radiation with a wavelength of 1.55 μm is sent to the input of the fiber optic phase modulator 12 After passing through the phase modulator, the states, depending on the random number selected at the receiving station, are converted to the states shown in Fig. 1d). The correspondence between random numbers and phase shifts is shown in Table 3. From the output of the phase modulator, states are sent to a fiber-optic beam splitter (50/50) 14, and then to a Mach-Zander interferometer 17 with a polarization monitoring device 13 and a piezoelectric element 16 for fine-tuning the length of the short arm . Single-photon states, after passing them along the long and short arms of the Mach-Zander interferometer, are combined on a 50/50 15 beam splitter, as a result of which they interfere with themselves, after which they are sent to single-photon detectors 18, 19.
На фотодетекторах 18, 19 получают конструктивную (сложение квантовых амплитуд) или деструктивную (вычитание квантовых амплитуд) интерференцию однофотонных состояний (см. фиг.1д)) в зависимости от поступившего состояния. Декодирование осуществляют с помощью измерения статистики фотоотсчетов в различных временных окнах в каждом фотодетекторе. В базисе L информационными являются временные окна И2 в детекторах 18 и 19. Соответственно, в базисе R информационными являются временные окна И3 в фотодетекторах 18 и 19. Контрольными временными окнами в базисе L являются временные окна К4 в фотодетекторах 18 и 19. Аналогично контрольными временными окнами в базисе R являются временные окна К1 в 18 и 19 в фотодетекторах.On photodetectors 18, 19, constructive (addition of quantum amplitudes) or destructive (subtraction of quantum amplitudes) interference of single-photon states (see Fig. 1e)) is obtained depending on the received state. Decoding is carried out by measuring the statistics of photocounts in different time windows in each photodetector. In the basis L, the information windows are the time windows I2 in the detectors 18 and 19. Accordingly, in the basis R the information windows are the time windows I3 in the photodetectors 18 and 19. The control time windows in the basis L are the time windows K4 in the photodetectors 18 and 19. Similarly, the control time windows in the basis of R are time windows K1 at 18 and 19 in photodetectors.
По статистике фотоотсчетов в информационных и контрольных временных окнах вычисляют величину ошибки Q и вероятность отсчетов в контрольных окнах - q. Затем сравнивают с определенными пороговыми значениями (фиг.3). Если значения Q и q попадают в область секретности (фиг.3), получают общий, известный только на передающей и принимающей станциях, криптографический ключ. Способ позволяет детектировать любые попытки подслушивания и обеспечить секретность передаваемых криптографических ключей.According to the statistics of photocounts in the information and control time windows, the error Q is calculated and the probability of counts in the control windows is q. Then compare with certain threshold values (figure 3). If the values of Q and q fall into the domain of secrecy (Fig. 3), they obtain a common cryptographic key known only at the transmitting and receiving stations. The method allows to detect any attempts to eavesdrop and to ensure the secrecy of the transmitted cryptographic keys.
Осуществление способа не ограничивается приведенным в примере описанием.The implementation of the method is not limited to the description in the example.
Способ может быть осуществлен с помощью другого аналогичного устройства.The method can be implemented using another similar device.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010130961/08A RU2427926C1 (en) | 2010-07-23 | 2010-07-23 | Method of quantal coding and transmission of cryptographic keys |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010130961/08A RU2427926C1 (en) | 2010-07-23 | 2010-07-23 | Method of quantal coding and transmission of cryptographic keys |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2427926C1 true RU2427926C1 (en) | 2011-08-27 |
Family
ID=44756900
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010130961/08A RU2427926C1 (en) | 2010-07-23 | 2010-07-23 | Method of quantal coding and transmission of cryptographic keys |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2427926C1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2507690C1 (en) * | 2012-11-13 | 2014-02-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук (ИОФ РАН) | Method for quantum encoding and transmission of cryptographic keys |
| RU2566335C1 (en) * | 2014-04-04 | 2015-10-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Лаборатория оптико-электронных приборов" (ООО "ЛОЭП") | Method of generating private keys using time-entangled photon pairs |
| RU2806904C1 (en) * | 2023-04-20 | 2023-11-08 | Открытое Акционерное Общество "Российские Железные Дороги" | Device for generating quantum states for quantum communications systems with assessment of quality of preparing states for protocols for quantum key generation on chip |
-
2010
- 2010-07-23 RU RU2010130961/08A patent/RU2427926C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2507690C1 (en) * | 2012-11-13 | 2014-02-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук (ИОФ РАН) | Method for quantum encoding and transmission of cryptographic keys |
| RU2566335C1 (en) * | 2014-04-04 | 2015-10-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Лаборатория оптико-электронных приборов" (ООО "ЛОЭП") | Method of generating private keys using time-entangled photon pairs |
| RU2806904C1 (en) * | 2023-04-20 | 2023-11-08 | Открытое Акционерное Общество "Российские Железные Дороги" | Device for generating quantum states for quantum communications systems with assessment of quality of preparing states for protocols for quantum key generation on chip |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Ferreira da Silva et al. | Proof-of-principle demonstration of measurement-device-independent quantum key distribution using polarization qubits | |
| Vagniluca et al. | Efficient time-bin encoding for practical high-dimensional quantum key distribution | |
| JP6303034B2 (en) | Communication system and method | |
| JP5492255B2 (en) | Quantum communication system | |
| EP0676110B1 (en) | System and method for key distribution using quantum cryptography | |
| CN105515767B (en) | DPS-based multi-user QKD network system and key distribution method thereof | |
| Gordon et al. | A short wavelength gigahertz clocked fiber-optic quantum key distribution system | |
| CN104092538B (en) | Multi-user wavelength division multiplexing QKD network system and secret key distributing and sharing method thereof | |
| US6028935A (en) | Cryptographic receiver | |
| CN108809638A (en) | Device and method for inveigling state tri-state quantum key distribution | |
| RU2302085C1 (en) | Method for encoding and transferring cryptographic keys | |
| US20060222180A1 (en) | Chip-scale transmitter for quantum cryptography | |
| WO2018108619A1 (en) | Apparatus and method for quantum enhanced physical layer security | |
| WO2006074151A2 (en) | Secure use of a single single-photon detector in a qkd system | |
| EP1995907A1 (en) | Quantum encryption transmission system and optical circuit | |
| CN107070639B (en) | Automatic configuration method of quantum key distribution equipment | |
| CN108075885A (en) | The high speed quantum key distribution system of phase-modulated polarized coding | |
| RU2427926C1 (en) | Method of quantal coding and transmission of cryptographic keys | |
| Hughes et al. | Secure communications using quantum cryptography | |
| Plenkin et al. | Comparative analysis of single-photon synchronization algorithms in the quantum key distribution system | |
| US20130347112A1 (en) | Method for a fine optical line monitoring in communication lines through qkd systems | |
| Ma et al. | High speed quantum key distribution over optical fiber network system | |
| Townsend et al. | Secure optical communications systems using quantum cryptography | |
| da Silva et al. | Proof-of-principle demonstration of measurement device independent QKD using polarization qubits | |
| CN110351070B (en) | Quantum key distribution system and method based on Y waveguide |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160724 |