RU2507690C1 - Способ квантового кодирования и передачи криптографических ключей - Google Patents

Способ квантового кодирования и передачи криптографических ключей Download PDF

Info

Publication number
RU2507690C1
RU2507690C1 RU2012148183/08A RU2012148183A RU2507690C1 RU 2507690 C1 RU2507690 C1 RU 2507690C1 RU 2012148183/08 A RU2012148183/08 A RU 2012148183/08A RU 2012148183 A RU2012148183 A RU 2012148183A RU 2507690 C1 RU2507690 C1 RU 2507690C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
transmitting
states
interferometer
receiving
station
Prior art date
Application number
RU2012148183/08A
Other languages
English (en)
Inventor
Андрей Вячеславович Корольков
Константин Сергеевич Кравцов
Сергей Павлович Кулик
Сергей Николаевич Молотков
Игорь Васильевич Радченко
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук (ИОФ РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук (ИОФ РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук (ИОФ РАН)
Priority to RU2012148183/08A priority Critical patent/RU2507690C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2507690C1 publication Critical patent/RU2507690C1/ru

Links

Images

Landscapes

  • Optical Communication System (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области квантовой криптографии - системам квантового распределения криптографических ключей, а более конкретно способу 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.Сущность способа состоит в том, что для серии классических синхронизирующих лазерных импульсов на передающей-принимающей станции создают поляризационные состояния при помощи поляризационного контроллера в одном из плеч интерферометра и поляризационного контроллера на выходе интерферометра, обеспечивающие интерференционную балансировку интерферометра, серию однофотонных состояний после отражения от зеркала в преобразующей станции детектируют на передающей-принимающей станции и по полученной статистике фотоотсчетов вычисляют допустимую ошибку, которую затем сравнивают с определенным пороговым значением ошибки для получения известного только на передающей-принимающей и преобразующей станциях криптографического ключа.Технический результат - расширение диапазона возможных искажений поляризации лазерных и однофотонных импульсов при передаче ключей между передающей-принимающей и преобразующими станциями, в котором гарантируется секретность криптографических ключей и снятие условия использования специального фарадеевского зеркала. 2 ил.

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.
Из уровня техники в данной области известен способ кодирования и передачи криптографических ключей, включающий привязку по времени квантовых состояний на передающей-принимающей и преобразующей станциях путем посылки в канал связи классических синхронизирующих лазерных импульсов, формирование в преобразующей станции серии однофотонных состояний при помощи фазовых преобразований, передачу однофотонных состояний по квантовому каналу связи на передающую-принимающую станцию, согласование базисов по открытому классическому каналу связи путем сообщения с передающей-принимающей станции на преобразующую станцию базисов для каждой посылки квантового состояния и детектирование на принимающей станции однофотонных состояний посредством фазовых преобразований однофотонных состояний (см. патент США №6.529.601 B1, кл. МКИ H04L 9/00, G02B 26/08, опубликованный 04.03.2003 г.). К принципиальным недостаткам известного способа, основанного на фазовых преобразованиях однофотонных состояний, которые требуют прецизионного контроля и управления, относится то, что диапазон допустимых ошибок в передаваемых ключах на передающей-принимающей станции, в котором гарантируется секретность передаваемых криптографических ключей, определяется искажениями поляризации лазерных и однофотонных импульсов, вызванных флуктуациями параметров оптоволоконных элементов и квантового канала связи. В силу указанных недостатков, известный способ использует фарадеевское зеркало, которое не позволяет обеспечить полномасштабную стабильность.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в расширении диапазона возможных искажений поляризации лазерных и однофотонных импульсов при передаче ключей между передающей-принимающей и преобразующей станциями, в котором гарантируется секретность криптографических ключей и снятие условия использования специального фарадеевского зеркала.
Указанный технический результат достигается тем, что в предложенном способе для серии классических синхронизирующих лазерных импульсов на передающей-принимающей станции создают поляризационные состояния при помощи поляризационного контроллера в одном из плеч интерферометра и поляризационного контроллера на выходе интерферометра, обеспечивающие интерференционную балансировку интерферометра независимо от состояния канала связи, серию однофотонных состояний после отражения от зеркала в преобразующей станции детектируют на передающей-принимающей станции и по полученной статистике фотоотсчетов вычисляют допустимую ошибку, которую затем сравнивают с определенным пороговым значением ошибки для получения известного только на передающей-принимающей и преобразующей станциях криптографического ключа.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На рис.1 показана схема, иллюстрирующая решение задачи о поляризационной балансировке интерферометра Маха-Цандера при отсутствии в схеме поляризационно-избирательных элементов (таких, как фазовые модуляторы). На нижней части рис.1 показаны временные диаграммы однофотонных состояний для кодирования криптографических ключей при прямом (от передающей-принимающей к преобразующей станции) и обратном (от преобразующей к передающей-принимающей станции) проходах. Стрелки указывают направление движения импульсов.
На рисунке 1 используют следующие обозначения:
MZ - интерферометр Маха-Цандера,
50/50 - симметричные светоделители,
PC - контроллер поляризации,
Mirror - зеркало,
D - детектор фотонов,
QC - канал связи,
Constructive - режим конструктивной интерференции с максимумом в центральном временном окне,
Destructive - режим деструктивной интерференции с минимумом в центральном временном окне.
На рис.2 показана схема, иллюстрирующая решение задачи о поляризационной балансировке интерферометра Маха-Цандера при наличии в схеме поляризационно-избирательных элементов (таких, как фазовые модуляторы).
На рисунке 2 используют следующие обозначения:
А - передающая-принимающая станция,
В - преобразующая станция,
MZ - интерферометр Маха-Цандера,
РС (1, 2, 3) - контроллеры поляризации,
РМ (1,2) - поляризационно-избирательные элементы (фазовые модуляторы),
CD (1, 2) - классические фотодетекторы,
Mirror - зеркало,
APD - детектор фотонов,
50/50 - симметричные светоделители,
QC - канал связи,
Var. Att. - аттенюатор с переменным коэффициентом ослабления.
Классические информационные биты 0 и 1 кодируются в квантовые состояния фотонов при помощи протокола кодировки, в качестве которого выбирают любой известный протокол фазового кодирования.
На выходе из лазера длительность всех состояний равна δT - эту величину устанавливают много меньше задержки T, вводимой разбалансированным интерферометром. Отдельные импульсы лазера после прохождения интерферометра с разной длиной плеч преобразуются в пару состояний («up» - состояние, прошедшее по короткому верхнему пути, и «down» - состояние, соответственно, прошедшее по нижнему длинному пути). После прохождения канала связи отражения от зеркала состояния «up» и «down» меняются местами. На обратном проходе пара состояний, сдвинутых по времени, поступают на тот же интерферометр MZ, где пары состояний по верхнему и нижнему путям опять сдвигаются относительно друг друга. На выходе MZ состояние «up», прошедшее по верхнему пути, интерферирует с состоянием «down», прошедшим по нижнему пути. В зависимости от относительной фазы состояний «up» и «down» будет иметь место деструктивная интерференция - отсутствие отсчета на детекторе - либо конструктивная, приводящая к отсчету.
Если бы интерферометр MZ был идеальным, то на выходе возникала пара одинаковых состояний - с одинаковой поляризацией, сдвинутых по времени на величину разности хода по верхнему и нижнему пути Т. Дальнейшая эволюция пары одинаковых состояний через канал связи была бы также одинаковой. Деформационные и температурные изменения в канале связи за время Т, разделяющее «up» и «down» состояния, не успевают произойти, поскольку данное время составляет несколько наносекунд. Главная проблема состоит в том, как сделать, чтобы прохождение по двум путям интерферометра приводило на выходе к двум одинаковым состояниям.
Поскольку оптическое одномодовое волокно имеет деформации, то поляризационные состояния выходят разными и требуется балансировка интерферометра. Данная задача - решения, допускающие техническую реализацию и гарантирующие равенство состояний на выходе MZ.
Для дальнейшего удобно пользоваться дираковскими обозначениями. В этом случае состояния поля в базисе двух поляризаций, горизонтальной (Н) и вертикальной (V), представляют собой двухкомпонентный столбец
| E = α | E H + β | E V ( α β ) , ( 1 )
Figure 00000001
где - | E H , V
Figure 00000002
базисные состояния поляризации, α, β - комплексные коэффициенты - амплитуды базисных состояний.
Эволюция состояний является унитарной, поэтому общий вид матрицы оптического преобразования есть матрица группы SU(2). Трансфер-матрицу общего вида в базисе горизонтальной и вертикальной поляризаций, описывающую любой линейный оптический элемент, представляют в виде:
U ^ ( ϕ , δ , θ ) = ( cos ϕ sin ϕ sin ϕ cos ϕ ) ( e i δ 0 0 e i δ ) ( cos θ sin θ sin θ cos θ ) ( 2 )
Figure 00000003
Данное представление имеет прозрачный физический смысл. Правая матрица преобразований является матрицей поворота, которая приводит выбранный общий базис (НУ) для всей оптической схемы к главным осям элемента. Вторая матрица, после приведения к главным осям, описывает двояколучепреломление, при котором компоненты с разной поляризацией распространяются с разной скоростью и набирают различные дополнительные фазы ±δ. Третья (левая) матрица описывает обратный поворот главных оптических осей данного оптического элемента к общей системе координат всей схемы.
Преобразование состояний в интерферометре Маха-Цандера и в канале связи. Состояние канала постоянно меняется, и каждый раз на интерферометр возвращается разная пара состояний. Прохождение туда и обратно не приводит к компенсации изменений состояний. Формальная причина связана с тем, что если эволюция состояний на прямом проходе описывается некоторой унитарной матрицей U ^
Figure 00000004
, то обратное прохождение (в той же системе координат) описывается транспонированной унитарной матрицей U T ^
Figure 00000005
. Физическая причина появления транспонированной матрицы на обратном проходе связана с тем, что положительно-частотные состояния поля с противоположными значениями волнового вектора связаны транспонированной матрицей, поэтому их произведение, описывающее эволюцию при прямом и обратном проходах, не является (при наличии двулучепреломления) единичной матрицей UTU≠I. Известно, что оптическое одномодовое волокно при наличии механических напряжений и температурной нестабильности неизбежно обладает двулучепреломлением. В системах квантового распределения ключей, основанных на фазовом кодировании, принципиально используются элементы, выполненные на основе оптического одномодового волокна. Кроме того, в некоторых системах из такого волокна изготавливают и сам (квантовый) канал связи. Поэтому важной задачей является компенсация поляризационных искажений лазерных и квантовых состояний, распространяющихся по одномодовому оптическому волокну с целью минимизации ошибок, возникающих при регистрации квантовых состояний.
Для этого необходимо добиться, чтобы после выхода состояний из интерферометра Маха-Цандера и прохождения через канал связи на прямом и обратном проходах на входе детекторов D или APD независимо от состояния канала связи осуществлялась деструктивная интерференция (гашение квантовых состояний) - отсутствие отсчетов независимо от изменения состояния самого канала связи. Для достижения этой цели приведем два решения, составляющие суть данного изобретения.
1) Сначала покажем условия (Решение 1), при которых идеальное гашение интерференции будет иметь место при любых изменениях состояний в канале связи за счет упомянутых факторов. Это значит, что при определенной балансировке интерферометра деструктивная интерференция вообще не будет зависеть от изменений в канале связи и входного состояния. Данное решение не зависит и не использует факт присутствия поляризационно-избирательных элементов.
2) Затем приведем второе решение (Решение 2), обеспечивающее идеальное гашение интерференции независимо от входного состояния и канала связи. Это решение предопределяет простой способ балансировки интерферометра, включая автоматический способ. Данное решение явно использует неизбежное наличие в оптической схеме поляризационно-избирательных элементов (таких, как фазовые модуляторы). Присутствие этих элементов является необходимым атрибутом автоматической балансировки интерферометра. Данные условия обеспечиваются тем, что если из интерферометра выходят одинаковые квантовые состояния, то дальнейшие их изменения в канале связи также будут одинаковыми. Несмотря на то, что на интерферометр возвращаются другие состояния, по сравнению с теми, которые были на его выходе при прямом проходе, тем не менее все равно гарантируется точное гашение интерференции в центральном (информационном) временном окне (см. нижнюю часть рис.1) и отсутствие ошибок, связанных с изменениями состояния квантового канала связи.
Нетривиальность процедуры балансировки заключается в том, что достаточно только одного измерения интегральной интенсивности поля в двух временных окнах, прошедшего по верхнему и нижнему пути интерферометра на прямом проходе классическим фотодетектором CD1 в режиме интенсивного сигнала лазера.
Докажем сначала первую часть утверждения, а затем приведем способ автоматической балансировки для второго решения. Для этого потребуются матрицы преобразований оптических элементов.
1. Матрица преобразования для светоделителя 50/50 имеет вид:
U ^ 50 / 50 ( 1 ) = 1 2 ( I ^ I ^ I ^ I ^ ) , U ^ 50 / 50 ( 2 ) = 1 2 ( I ^ I ^ I ^ I ^ ) ( 3 )
Figure 00000006
2. Матрицы преобразований по различным путям интерферометра.
Трансфер-матрица верхнего («up») и нижнего («down») путей в интерферометре Маха-Цандера (MZ):
U ^ u p / d o w n M Z = ( U ^ u p M Z 0 0 U ^ d o w n M Z ) ( 4 )
Figure 00000007
Полная трансфер-матрица интерферометра MZ равна:
U ^ M Z = U ^ 50 / 50 ( 2 ) U ^ u p / d o w n M Z U ^ 50 / 50 ( 1 ) ( 5 )
Figure 00000008
Состояния поля в двух каналах «up» и «down» равны:
| E i n u p = ( E H u p E V u p ) , | E i n d o w n = ( E H d o w n E V d o w n ) , | E i n u p / d o w n = ( E H u p E V d o w n ) ( 6 )
Figure 00000009
Выходное поле:
| E ^ o u t u p / d o w n = ( E o u t u p E o u t d o w n ) = U ^ M Z | E ^ i n u p / d o w n = 1 2 ( ( U ^ u p M Z U ^ d o w n M Z ) | E i n u p ( U ^ u p M Z + U ^ d o w n M Z ) | E i n u p ) ( 7 )
Для амплитуд поля в верхнем канале на выходе MZ (после отбрасывания холостого выхода) получают:
| E i n u p = ( | E o u t u p 0 ) = 1 2 , | E i n d o w n = ( ( U ^ u p M Z U ^ d o w n M Z ) | E i n u p 0 ) ( 8 )
Figure 00000011
3. Матрицы зеркал. Отражение от зеркала (М) и фарадеевского зеркала (FM) дается матрицами
M R M = ( 1 0 0 1 ) , M R F M = ( 0 1 1 0 ) ( 9 )
Figure 00000012
Фарадеевское зеркало при отражении меняет компоненты поляризации по правилу Н↔V.
4. Матрицы преобразования полей в канале связи. Пусть трансфер-матрица канала связи есть U ^ c h
Figure 00000013
. При обратном проходе матрицы преобразования даются транспонированными. После прохождения через канал отражения от зеркала и обратного прохождения через канал для поля перед входом в интерферометр имеем (m=М или m=FM)
U ^ = U ^ c h T M R m U ^ c h ( 10 )
Figure 00000014
Обратное прохождение через интерферометр дается трансфер-матрицей ( U ^ M Z ) T
Figure 00000015
. Для амплитуд поля на верхнем и нижнем выходах интерферометра находим
| E ^ b a c k u p = ( E b a c k u p E b a c k d o w n ) = 1 4 ( [ ( U ^ u p M Z ) T U ^ ( U ^ u p M Z U ^ d o w n M Z ) + ( U ^ d o w n M Z ) T U ^ ( U ^ u p M Z U ^ d o w n M Z ) ] | E i n u p [ ( U ^ u p M Z ) T U ^ ( U ^ u p M Z U ^ d o w n M Z ) + ( U ^ d o w n M Z ) T U ^ ( U ^ u p M Z U ^ d o w n M Z ) ] | E i n u p ) ( 11 )
Figure 00000016
Амплитуда поля в центральном временном окне при интерференции состояний «up» (прямой проход)=>«down» (обратный проход) и «down» (прямой проход)=>«up» (обратный проход) проходы имеет вид
1 4 ( [ ( U ^ u p M Z ) T U ^ U ^ d o w n M Z ) + ( U ^ d o w n M Z ) T U ^ U ^ u p M Z ] | E i n u p [ ( U ^ u p M Z ) T U ^ U ^ d o w n M Z ) + ( U ^ d o w n M Z ) T U ^ U ^ u p M Z ] | E i n u p ) ( 12 )
Figure 00000017
Решение 1. Если трансфер-матрицы для состояний поляризации по верхнему и нижнему путям равны (с точностью до общего фазового множителя e i ψ L
Figure 00000018
перед матрицей, связанного с разной длин плеч, который без ограничения общности, далее опускаем) U ^ u p M Z = U ^ d o w n M Z = U ^ M Z
Figure 00000019
, то равны и транспонированные матрицы ( U ^ u p M Z ) T = ( U ^ d o w n M Z ) T = ( U ^ M Z ) T
Figure 00000020
, тогда независимо от входного состояния, состояния канала и типа зеркала имеет место идеальная деструктивная интерференция. Амплитуда состояния на выходе детектора фотонов тождественно равна нулю. Это гарантируется для любого состояния условием равенства матриц преобразований по верхнему и нижнему пути в интерферометре
U ^ u p M Z = U d o w n M Z = U ^ M Z , ( 13 )
Figure 00000021
тогда
| Е b a c k d o w n = [ ( U ^ M Z ) T U ^ U ^ M Z ( U ^ M Z ) T U ^ U ^ M Z ] | E i n u p 0 . ( 14 )
Figure 00000022
Данное решение является универсальным в том смысле, что обеспечивает идеальное гашение интерференции независимо от присутствия других оптических элементов в схеме (поляризационно-избирательных фазовых модуляторов, контроллеров поляризации и отражающих зеркал). Однако не существует простого алгоритма достичь равенства матриц преобразования по двум путям, используя управляющие элементы - контроллеры поляризации.
Решение 2. Способ балансировки интерферометра. Это решение обеспечивает гашение интерференции независимо от входного/выходного квантового состояния и состояния самого канала связи. В данном решении явно используют факт присутствия в оптической схеме поляризационно-избирательных элементов - фазовых модуляторов (см. рис.2). Такие элементы технологически устроены так, что пропускают состояния только с одним направлением поляризации, которая зависит от оси ориентации поляризационно-избирательного элемента.
При дальнейшем описании в качестве поляризационно-избирательных элементов будем рассматривать фазовые модуляторы. Матрица, описывающая действие фазового модулятора, является проектором на определенное состояние поляризации. Пусть состояние, отвечающее направлению поляризации, которое пропускает фазовый модулятор, равно | E 1 | |
Figure 00000023
, соответственно перпендикулярному направлению, которое не пропускает фазовый модулятор - состояние | E 1
Figure 00000024
. Действие фазового модулятора в отсутствие приложенного напряжения на нем в базисе | E 1 | |
Figure 00000025
, | E 1
Figure 00000026
описывают проектором
U ^ P M 1 = | E 1 | | E 1 | | . ( 15 )
Figure 00000027
Пусть состояния после контроллера поляризации РС2, происходящие из состояний, прошедших по верхнему и нижнему пути интерферометра, имеют вид:
Figure 00000028
| E u p = U ^ u p P C 2 | E i n = U ^ P C 2 U ^ u p M Z | E i n , E d o w n = U ^ d o w n P C 2 | E i n = U ^ P C 2 U ^ d o w n M Z | E i n , ( 16 )
Figure 00000029
где U ^ P C 2
Figure 00000030
- трансфер-матрица, описывающая некоторое текущее состояние контроллера поляризации. В дальнейшем под контроллером поляризации будем понимать устройство, которое обеспечивает унитарное (без потерь) преобразование входного состояния поляризации света в любое наперед заданное (произвольное) выходное состояние поляризации. Действие контроллера поляризации описывают унитарным оператором. На данном этапе матрицы перехода по верхнему («up») и нижнему («down») путям интерферометра MZ считают фиксированными.
Этап 1. Регулируя состояние РС2 (см. рис.2), добиваются равенства нулю интенсивности на фотодетекторе CD2 во временном окне, накрывающем состояние, прошедшее по верхнему («up») пути интерферометра - пути, не содержащему контроллера поляризации РС1. Такую эволюцию описывают унитарным оператором, который в двумерном пространстве имеет вид:
U ^ u p P C 2 ( ) = U ^ P C 2 ( ) U ^ u p M Z = | E 1 E i n | + | E 1 | | E i n | , ( 17 )
Figure 00000031
где | E i n
Figure 00000032
ортогональное дополнение к | E 1
Figure 00000033
и U ^ P C 2 ( )
Figure 00000034
- трансфер-матрица, описывающая такое состояние контроллера поляризации РС2, при котором отсутствуют отсчеты на фотодетекторе CD2 во временном окне, накрывающем состояние, прошедшее по пути «up» в интерферометре. При такой настройке контроллера поляризации состояния, прошедшие по пути «up», полностью не проходят через фазовый модулятор. Вероятность регистрации детектором CD2 равна
| E 1 | | | U ^ u p P C 2 ( ) | E i n | 2 = | E 1 | | | | E | 2 = 0 ( 17 )
Figure 00000035
Этап 2. Изменяя состояние контроллера поляризации РС1 в плече интерферометра, добиваются равенства нулю отсчета во втором временном окне, накрывающем состояние, прошедшее по пути «down». Поскольку контроллер поляризации позволяет перевести любое входное состояние в любое выходное, то при фиксированном положении контроллера РС2 всегда можно установить такое состояние PC 1, при котором отклик детектора CD2 во временном окне, накрывающем состояние, прошедшее по нижнему («down») пути, будет равен нулю. Обозначим трансфер-матрицу по нижнему пути интерферометра MZ, отвечающую упомянутому состоянию контроллера РС1, как U ^ d o w n P C 1 M Z ( )
Figure 00000036
. Тогда матрица преобразования непосредственно перед фазовым модулятором для состояния, прошедшего по пути «down», имеет вид:
U ^ d o w n P C 1 ( ) = U ^ P C 2 ( ) U ^ ( ) d o w n P C 1 M Z = | E 1 ' E i n | + | E 1 | | ' E i n | , ( 18 )
Figure 00000037
где U ^ ( ) d o w n P C 1 M Z
Figure 00000038
- трансфер-матрица по пути «down», и состояния | E 1 '
Figure 00000039
и | E 1 | | '
Figure 00000040
параллельны направлениям | E 1
Figure 00000041
и | E 1 | |
Figure 00000042
. Поскольку пространство состояний для поляризационных степеней свободы двумерно, то пары ортогональных состояний, соответственно в каждой паре, перпендикулярные и параллельные одним и тем направлениям, могут отличаться только фазовыми множителями: { | E 1 ' , | E 1 | | ' }
Figure 00000043
и { | E 1
Figure 00000041
, | E 1 | |
Figure 00000042
}. Соответственно, для матрицы перехода получают
U ^ d o w n P C 1 ( ) = U ^ P C 2 ( ) U ^ ( ) d o w n P C 1 M Z = e i ϕ | E 1 ' E i n | + e i ϕ | | | E 1 | | ' E i n | . ( 20 )
Figure 00000044
При этом отсчет на детекторе CD2 для состояний, прошедших по пути «down», также отсутствует | E 1 | | | U ^ d o w n P C 1 ( ) | E i n | 2 = | E 1 | | | | E | 2 = 0
Figure 00000045
Этап 3. Используя контроллер поляризации РС2, при фиксированном положении РС1 добиваются максимального сигнала на детекторе CD2 от состояний, прошедших по «up» и «down» путям в интерферометре.
После шагов 1) и 2) состояния «up» и «down» одинаковы (с точностью до фазового множителя) и ортогональны направлению ║. Теперь вращение поляризации при помощи РС2 действует одинаково на оба состояния. Контроллер поляризации РС2 переводит состояния | E
Figure 00000046
перед фазовым модулятором в состояния | E | |
Figure 00000047
, отвечающие максимуму измеряемой интенсивности на детекторе CD2. Для состояний, прошедших по пути «up», получают:
U ^ u p P C 1 ( | | ) = U ^ P C 2 ( | | ) U ^ u p M Z = | E 1 | | E i n | + | E 1 E i n | . ( 21 )
Figure 00000048
После этого находят U ^ u p P C 2 ( | | ) = U ^ P C 2 ( | | ) U ^ d o w n P C 1 M Z ( )
Figure 00000049
. При этом положение РС1 остается фиксированным с предыдущего шага 2.
Пусть унитарный оператор U ^ u p M Z
Figure 00000050
имеет вид
U ^ u p M Z = | E ¯ | | E i n | + | E ¯ E i n | , ( 22 )
Figure 00000051
где | E ¯ | |
Figure 00000052
и | E ¯
Figure 00000053
- некоторые промежуточные ортогональные состояния, в которые преобразуются состояния | E i n
Figure 00000054
и | E i n
Figure 00000055
при прохождении по верхнему пути MZ до РС2. Тогда для унитарного оператора, отвечающего за эволюцию состояний при прохождении РС2, соответственно, находят U ^ P C 2 ( ) = | E 1 | E ¯ | + | E 1 | | E ¯ | | |
Figure 00000056
, откуда получают:
U ^ d o w n P C 1 M Z ( ) = ( U ^ P C 2 ( ) ) 1 U ^ d o w n P C 2 ( ) = e i ϕ | E ¯ | | E i n | + e i ϕ | | | E ¯ E i n | . ( 23 )
Figure 00000057
В итоге находят
U ^ d o w n P C 2 ( | | ) = U ^ P C 2 ( | | ) U ^ d o w n P C 1 M Z ( ) = e i ϕ | E 1 | | E i n | + e i ϕ | | | E 1 E i n | . ( 24 )
Figure 00000058
После фазового модулятора РМ1 на передающей-принимающей станции в канал связи в разных временных окнах выйдут, с точностью до фазового множителя, одинаковые состояния
| E | | = U ^ u p P C 2 ( | | ) | E i n , = e i ϕ | E | | = U ^ d o w n P C 2 ( | | ) | E i n . ( 25 )
Figure 00000059
Этап 4. Дальнейшая эволюция состояний через канал связи является одинаковой
U ^ M i r U ^ P C 3 U ^ c h | E 1 | | , U ^ M i r U ^ P C 3 U ^ c h e i ϕ | E 1 | | ( 26 )
Figure 00000060
После прохождения через канал QC состояния поступают на преобразующую станцию и далее через светоделитель, поляризационный контроллер РС3 и переменный аттенюатор Var. Att. - на фазовый модулятор РМ2, где изменяют относительную фазу состояний, локализованных в разных временных окнах. Для этого на фазовый модулятор прикладывают напряжение только во время прохождения состояния, прошедшего по пути «up». Оператор, действующий на состояние «up», имеет вид
U ^ u p P M 2 = e i ϕ B | E 2 | | E 2 | | | , ( 27 )
Figure 00000061
где | E 2 | |
Figure 00000062
- состояние поляризации, параллельное оси пропускания РМ2.
Соответственно на состояние «down» напряжение не прикладывают и фазовый множитель отсутствует
U ^ d o w n P M 2 = | E 2 | | E 2 | | | . ( 28 )
Figure 00000063
Обратно в канал выходят состояния (с точностью до нормировки):
e i ϕ B | E 2 | | U ^ u p P M 2 U ^ M i r U ^ P C 3 U ^ c h | E 1 | |
Figure 00000064
e i ϕ | E 2 | | U ^ d o w n P M 2 U ^ M i r U ^ P C 3 U ^ c h e i ϕ | E 1 | | . ( 29 )
Figure 00000065
Обратная эволюция через канал дается транспонированными матрицами. После прохождения на обратном проходе в передающей-принимающей станции на фазовый модулятор РМ1 подают напряжение и изменяют фазу только второго - «down» - состояния:
U ^ d o w n P M 1 = e i ϕ A | E 1 | | E 1 | | | , U ^ u p P M 1 = | E 1 | | E 1 | | | . ( 30 )
Figure 00000066
Состояния на выходе РМ1 с точностью до нормировки есть:
e i ϕ B | E 1 | | U ^ u p P M 1 ( U ^ c h ) T ( U ^ P C 3 ) T ( e i ϕ B | E 2 | | ) ( 31 )
Figure 00000067
и соответственно:
e i ϕ A e i ϕ | E 1 | | U ^ d o w n P M 1 ( U ^ c h ) T ( U ^ P C 3 ) T ( e i ϕ | E 2 | | ) ( 32 )
Figure 00000068
Этап 5. Обратную эволюцию через интерферометр MZ описываются матрицами:
( U ^ u p P C 2 ( | | ) ) T = ( U ^ P C 2 ( | | ) U ^ u p M Z ) T = | E i n * E 1 | | * | + | E i n * E 1 * |
Figure 00000069
,
( U ^ d o w n P C 2 ( | | ) ) T = ( U ^ P C 2 ( | | ) U ^ d o w n M Z ) T = e i ϕ | E i n * E 1 | | * | + e i ϕ | | | E i n * E 1 * |
Figure 00000070
,
где введены обозначения
|Е)=α|0>+β|1| и |Е*>=α*|0>+β*|1|, <Е|=α*<0|+β*<1| и
<E*|=α<0|+β<1|. Состояния на входе детектора фотонов (APD) имеют вид:
e i ϕ ( e i ϕ A e i ϕ B ) | E i n * ( U ^ u p P C 2 ( | | ) ) T ( e i ϕ A e i ϕ | E 1 | | ) ( U ^ d o w n P C 2 ( | | ) ) T ( e i ϕ B e i ϕ | E 1 | | ) ( 34 )
Figure 00000071
и использовано, что E 1 * | E 1 | | = 0
Figure 00000072
.
Вероятность детектирования пропорциональна | e i ϕ ( e i ϕ A e i ϕ B ) | 2
Figure 00000073
- это соотношение является основой всех протоколов фазового кодирования. При совпадении фаз φA=φB отсчеты должны отсутствовать независимо от входного состояния и состояния канала связи. Именно по таким посылкам происходит детектирование вторжения в канал связи. Посылки, где φA≠φB, вероятность отсчета на детекторе фотонов (APD) sin 2 ( ϕ A ϕ B 2 )
Figure 00000074
. В зависимости от состояния канала темп информационных отсчетов может меняться, но при этом отсчетов в посылках, где φA=φB, все равно не возникает. Изменение скорости информационных отсчетов в центральном временном окне эффективно эквивалентно изменению потерь в канале связи, однако для протокола релятивистской квантовой криптографии это не влияет на секретность ключей.
Независимости от состояния канала связи достигают в двухпроходной схеме с использованием фарадеевского зеркала. Данный факт следует из условия M ^ F M = ( U ^ c h ) T M ^ F M U ^ c h
Figure 00000075
. Именно этот факт используется в так называемых системах "plug&play" (см. патент США №6.529.601 B1, кл. МКИ H04L 9/00, G02B 26/08, опубликованный 04.03.2003 г.), однако это обстоятельство не освобождает от балансировки интерферометра с поляризационно-избирательными светоделителями.
Способ осуществляют следующим образом.
При прохождении состояний света от передающей-принимающей станции А к преобразующей системе В и обратно производят изменение относительной фазы между состояниями «up» и «down» (рис.2). Фазы на обеих станциях А и В выбирают независимо и случайно из набора {φi,A} и {φi,B} в зависимости от используемого протокола. Причем при определенных парах фаз, например, когда φi,Ai,B, имеет место гашение интерференции на детекторе фотонов. В таких посылках в отсутствие подслушивателя не должно быть отсчетов. Появление отсчетов в тех посылках, где их не должно быть, свидетельствует о подслушивании при передаче ключей. Число ошибочных отсчетов зависит как от состояния канала связи, так и от точности балансировки интерферометра MZ. Поэтому при рассматриваемых способах кодировки принципиально важно, чтобы изменения состояния канала и/или оптоволоконных элементов схемы сами по себе не приводили к появлению отсчетов при таких парах значений фаз {φi,A} и {φi,B}, когда их не должно быть.
На передающей-принимающей станции (А) при помощи лазера (Laser) вырабатывают импульсы света. Эти классические интенсивные импульсы лазера поступают на разбалансированный интерферометр Маха-Цандера (MZ) с разной длиной плеч. В длинном плече устанавливают управляемый контроллер поляризации (РС1). Далее пара импульсов через контроллер поляризации (РС2) поступает на фазовый модулятор (РМ1). На прямом проходе модулятор не активен. На обратном проходе на модулятор в передающей-принимающей станции (А) во время прохождения переднего состояния прикладывают импульс напряжения и изменяют относительную фазу между двумя состояниями, сдвинутыми во времени. Классический фотодетектор (CD1) на прямом проходе используют для измерения интенсивности каждого из состояний (на рис.2 обозначены «up» и «down») при балансировке интерферометра MZ.
На преобразующей станции (В) пара классических состояний поступает частично на фотодетектор (CD2), используемый для синхронизации, затем через управляемый контроллер поляризации (РС3) на варьируемый аттенюатор (Var. Att.), на котором происходит ослабление сигнала до такого уровня, чтобы после отражения от зеркала (Mirror) и обратного прохождения в канал связи поступал квазиоднофотонный сигнал со средним числом фотонов около 1 фотона на импульс. На фазовый модулятор (РМ2) прикладывают импульс напряжения на обратном проходе, чтобы изменить относительную фазу между состояниями «up» и «down». Поляризационный контроллер РС3 используют для оптимизации поляризации состояний, приходящих на преобразующую станцию.
При обратном проходе интерферометра в передающей-принимающей станции за счет сдвига пары состояний во времени имеет место интерференция в центральном временном окне - между состояниями «up» и «down» (вставка на рис.1), которая в зависимости от относительных фаз на состояниях «up» и «down» приводит либо к отсчету, либо к его отсутствию - гашению интерференции. Рассмотренный выше способ балансировки интерферометра позволяет достичь минимальной ошибки, вызванной поляризационными искажениями в оптоволоконных элементах квантово-криптографических схем, а также в оптоволоконном канале связи при регистрации и декодировании квантовых состояний на передающей-принимающей станции.
Осуществление способа не ограничивается приведенным в примере описанием. Способ может быть осуществлен с помощью другого аналогичного устройства.

Claims (1)

  1. Способ кодирования и передачи криптографических ключей, включающий привязку по времени квантовых состояний на передающей-принимающей и преобразующей станциях путем посылки в канал связи классических синхронизирующих лазерных импульсов, формирование в преобразующей станции серии однофотонных состояний при помощи фазовых преобразований, передачу однофотонных состояний по квантовому каналу связи на передающую-принимающую станцию, согласование базисов по открытому классическому каналу связи путем сообщения с передающей-принимающей станции на преобразующую станцию базисов для каждой посылки квантового состояния и детектирование на принимающей станции однофотонных состояний посредством фазовых преобразований однофотонных состояний, отличающийся тем, что для серии классических синхронизирующих лазерных импульсов на передающей-принимающей станции создают поляризационные состояния при помощи поляризационного контроллера в одном из плеч интерферометра и поляризационного контроллера на выходе интерферометра, обеспечивающие интерференционную балансировку интерферометра независимо от состояния канала связи, серию однофотонных состояний после отражения от зеркала в преобразующей станции детектируют на передающей-принимающей станции и по полученной статистике фотоотсчетов вычисляют допустимую ошибку, которую затем сравнивают с определенным пороговым значением ошибки для получения известного только на передающей-принимающей и преобразующей станциях криптографического ключа.
RU2012148183/08A 2012-11-13 2012-11-13 Способ квантового кодирования и передачи криптографических ключей RU2507690C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012148183/08A RU2507690C1 (ru) 2012-11-13 2012-11-13 Способ квантового кодирования и передачи криптографических ключей

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012148183/08A RU2507690C1 (ru) 2012-11-13 2012-11-13 Способ квантового кодирования и передачи криптографических ключей

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2507690C1 true RU2507690C1 (ru) 2014-02-20

Family

ID=50113401

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012148183/08A RU2507690C1 (ru) 2012-11-13 2012-11-13 Способ квантового кодирования и передачи криптографических ключей

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2507690C1 (ru)

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2566335C1 (ru) * 2014-04-04 2015-10-20 Общество с ограниченной ответственностью "Лаборатория оптико-электронных приборов" (ООО "ЛОЭП") Способ генерации секретных ключей с помощью перепутанных по времени фотонных пар
EA025791B1 (ru) * 2014-10-06 2017-01-30 Белорусский Государственный Университет (Бгу) Способ передачи ключа по волоконно-оптической линии связи
RU2621605C2 (ru) * 2015-10-02 2017-06-06 Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ Сеть квантового распределения ключей
RU2622985C1 (ru) * 2015-12-09 2017-06-21 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела Российской академии наук (ИФТТ РАН) Устройство квантовой криптографии (варианты)
RU2665249C1 (ru) * 2017-12-19 2018-08-28 Открытое Акционерное Общество "Информационные Технологии И Коммуникационные Системы" Способ управления интерференционной картиной в однопроходной системе квантовой криптографии
RU2667755C1 (ru) * 2017-05-17 2018-09-24 Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ Система релятивистской квантовой криптографии
RU2737956C1 (ru) * 2019-11-20 2020-12-07 Общество с ограниченной ответственностью "Кванттелеком" Устройство квантовой коммуникации, устойчивое к оптическому зондированию модуляторов
RU2744509C1 (ru) * 2020-01-22 2021-03-11 Общество с ограниченной ответственностью "Кванттелеком" Устройство квантовой коммуникации на боковых частотах с увеличенным дискретным набором фаз модулирующих сигналов
RU2792615C1 (ru) * 2022-06-29 2023-03-22 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-технический центр Т8" Способ квантового распределения ключа (три варианта)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6529601B1 (en) * 1996-05-22 2003-03-04 British Telecommunications Public Limited Company Method and apparatus for polarization-insensitive quantum cryptography
WO2006074151A2 (en) * 2005-01-06 2006-07-13 Magiq Technologies, Inc. Secure use of a single single-photon detector in a qkd system
WO2006078033A1 (ja) * 2005-01-24 2006-07-27 Inter-University Research Institute Corporation / Research Organization of Information and Systems 量子鍵配送方法、通信システムおよび通信装置
RU2427926C1 (ru) * 2010-07-23 2011-08-27 Учреждение Российской академии наук ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ТВЕРДОГО ТЕЛА РАН (ИФТТ РАН) Способ квантового кодирования и передачи криптографических ключей
US8175273B2 (en) * 2004-10-07 2012-05-08 Sony Corporation Quantum cryptography communication method, quantum cryptography communication apparatus, and quantum cryptography communication system
RU2454810C1 (ru) * 2010-11-24 2012-06-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" ("НИУ ИТМО") Устройство квантовой рассылки криптографического ключа на поднесущей частоте модулированного излучения

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6529601B1 (en) * 1996-05-22 2003-03-04 British Telecommunications Public Limited Company Method and apparatus for polarization-insensitive quantum cryptography
US8175273B2 (en) * 2004-10-07 2012-05-08 Sony Corporation Quantum cryptography communication method, quantum cryptography communication apparatus, and quantum cryptography communication system
WO2006074151A2 (en) * 2005-01-06 2006-07-13 Magiq Technologies, Inc. Secure use of a single single-photon detector in a qkd system
WO2006078033A1 (ja) * 2005-01-24 2006-07-27 Inter-University Research Institute Corporation / Research Organization of Information and Systems 量子鍵配送方法、通信システムおよび通信装置
RU2427926C1 (ru) * 2010-07-23 2011-08-27 Учреждение Российской академии наук ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ТВЕРДОГО ТЕЛА РАН (ИФТТ РАН) Способ квантового кодирования и передачи криптографических ключей
RU2454810C1 (ru) * 2010-11-24 2012-06-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" ("НИУ ИТМО") Устройство квантовой рассылки криптографического ключа на поднесущей частоте модулированного излучения

Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2566335C1 (ru) * 2014-04-04 2015-10-20 Общество с ограниченной ответственностью "Лаборатория оптико-электронных приборов" (ООО "ЛОЭП") Способ генерации секретных ключей с помощью перепутанных по времени фотонных пар
EA025791B1 (ru) * 2014-10-06 2017-01-30 Белорусский Государственный Университет (Бгу) Способ передачи ключа по волоконно-оптической линии связи
RU2621605C2 (ru) * 2015-10-02 2017-06-06 Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ Сеть квантового распределения ключей
RU2622985C1 (ru) * 2015-12-09 2017-06-21 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела Российской академии наук (ИФТТ РАН) Устройство квантовой криптографии (варианты)
RU2667755C1 (ru) * 2017-05-17 2018-09-24 Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ Система релятивистской квантовой криптографии
RU2665249C1 (ru) * 2017-12-19 2018-08-28 Открытое Акционерное Общество "Информационные Технологии И Коммуникационные Системы" Способ управления интерференционной картиной в однопроходной системе квантовой криптографии
RU2737956C1 (ru) * 2019-11-20 2020-12-07 Общество с ограниченной ответственностью "Кванттелеком" Устройство квантовой коммуникации, устойчивое к оптическому зондированию модуляторов
RU2744509C1 (ru) * 2020-01-22 2021-03-11 Общество с ограниченной ответственностью "Кванттелеком" Устройство квантовой коммуникации на боковых частотах с увеличенным дискретным набором фаз модулирующих сигналов
RU2792615C1 (ru) * 2022-06-29 2023-03-22 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-технический центр Т8" Способ квантового распределения ключа (три варианта)
RU2806904C1 (ru) * 2023-04-20 2023-11-08 Открытое Акционерное Общество "Российские Железные Дороги" Устройство формирования квантовых состояний для систем квантовых коммуникаций с оценкой качества приготовления состояний для протоколов квантовой генерации ключа на чипе
RU2812343C1 (ru) * 2023-06-16 2024-01-30 ООО "СМАРТС-Кванттелеком" Способ управления ресурсами аутентификации в сетях квантового распределения ключей, описываемых связными графами произвольных конфигураций
RU2807659C1 (ru) * 2023-07-05 2023-11-21 ООО "СМАРТС-Кванттелеком" Устройство квантовой коммуникации, устойчивое к длинноволновому оптическому зондированию модуляторов

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2507690C1 (ru) Способ квантового кодирования и передачи криптографических ключей
US8331797B2 (en) Polarization-controlled encoding method, encoder, and quantum key distribution system
Stucki et al. Quantum key distribution over 67 km with a plug&play system
Gordon et al. A short wavelength gigahertz clocked fiber-optic quantum key distribution system
Townsend Experimental investigation of the performance limits for first telecommunications-window quantum cryptography systems
US6028935A (en) Cryptographic receiver
US7227955B2 (en) Single-photon watch dog detector for folded quantum key distribution system
Zbinden et al. Practical aspects of quantum cryptographic key distribution
CN108199768A (zh) 一种基于w态的测量设备无关量子密钥分发系统及方法
Williams et al. Tamper-indicating quantum seal
EP2798770B1 (en) Method and system for estimating the noise of a two - photon entangled state
CN111934868B (zh) 用于量子密钥分发的解码芯片及解码方法
CN110932857B (zh) 一种完全对称可收发密钥的量子密钥分发系统
RU2706175C1 (ru) Способ квантового распределения ключей в однопроходной системе квантового распределения ключей
EP1522166B1 (en) Watch dog detector for qkd system
CN217590831U (zh) 一种基于时间相位编码的qkd系统
Zhou et al. Time-division single-photon Sagnac interferometer for quantum key distribution
EP3817274B1 (en) Quantum communications system having quantum key distribution and using a talbot effect image position and associated methods
JP2005286485A (ja) 量子暗号通信方法、および量子暗号通信装置
SE545939C2 (en) Encoder, decoder, systems and methods for d-dimensional frequency-encoded quantum communication and information processing
Tretyakov et al. Quantum key distribution in single-photon communication system
Tomita et al. Recent progress in quantum key transmission
CN110460433A (zh) 时间相位解码装置和包括其的量子密钥分发系统
Rumyantsev et al. Modeling of quantum key distribution system for secure information transfer
CN116723054B (zh) 抵御校准过程中引入探测效率失配漏洞的方法