RU2566664C1 - Method for quantum cryptography using passive reflecting and redirecting elements located on spacecraft - Google Patents
Method for quantum cryptography using passive reflecting and redirecting elements located on spacecraft Download PDFInfo
- Publication number
- RU2566664C1 RU2566664C1 RU2014113636/07A RU2014113636A RU2566664C1 RU 2566664 C1 RU2566664 C1 RU 2566664C1 RU 2014113636/07 A RU2014113636/07 A RU 2014113636/07A RU 2014113636 A RU2014113636 A RU 2014113636A RU 2566664 C1 RU2566664 C1 RU 2566664C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- transmitting
- spacecraft
- station
- satellites
- receiving
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION
Изобретение относится к области квантовой криптографии, а именно к передаче секретной информации, от передающей до принимающей наземных станций, в форме однофотонных оптических импульсов через низкоорбитальные спутники, при помощи расположенных на них отражающих или перенаправляющих устройств (зеркал, систем телескопов и тд.).The invention relates to the field of quantum cryptography, namely to the transmission of secret information, from transmitting to receiving ground stations, in the form of single-photon optical pulses through low-orbit satellites using reflective or redirecting devices (mirrors, telescope systems, etc.) located on them.
Уровень техникиState of the art
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. [1] патент США №6529601 B1, МПК H04L 9/00, G02B 26/08, опубликованный 04.03.2003). Приведенный аналог принят экспертизой в качестве наиболее близкого аналога.A method for encoding and transmitting cryptographic keys is known in the art, including timing the quantum states at the transmitting, receiving and converting stations by sending classical synchronizing laser pulses to the communication channel, generating a series of single-photon states in the converting station using phase transformations, and transmitting single-photon states on a quantum communication channel to a transmitting-receiving station, matching of bases on an open classical communication channel by communicating from the transmitting-receiving station to the converting station the bases for each quantum state transmission and detecting single-photon states at the receiving station by phase transformations of single-photon states (see [1] US patent No. 6529601 B1, IPC H04L 9/00, G02B 26 / 08, published on March 4, 2003). The given analogue was accepted by the expert examination as the closest analogue.
К недостаткам известного способа можно отнести то, что диапазон допустимых ошибок в передаваемых ключах на передающей-принимающей станции, в котором генерируется 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 не позволяет обеспечивать долговременную стабильность и минимизировать поток ошибок в передаваемых первичных криптографических ключах.The disadvantages of the known method include the fact that the range of permissible errors in the transmitted keys at the transmitting-receiving station, in which the secrecy of the transmitted cryptographic keys is generated, is determined by the distortions of the polarization of laser and single-photon pulses caused by fluctuations in the parameters of the optical fiber elements and the quantum communication channel. Due to these disadvantages, the known method does not allow for long-term stability and to minimize the flow of errors in transmitted primary cryptographic keys.
В известных способах передачи секретного ключа в квантовых криптосистемах для создания секретного ключа в виде случайной последовательности единиц и нулей используют, например, известный протокол ВВ84 (см. [2] http://ru.wikipedia.org/wiki/BB84). Это только один протокол для квантовой криптографии, имеются и другие.In known methods for transmitting a secret key in quantum cryptosystems, for example, the well-known BB84 protocol is used to create a secret key in the form of a random sequence of ones and zeros (see [2] http://ru.wikipedia.org/wiki/BB84). This is only one protocol for quantum cryptography; there are others.
В системах квантовой криптографии потери и шумы являются существенными параметрами, определяющими возможность работы всей системы. В отличие от классической оптической коммуникации, где информация передается интенсивными оптическими импульсами, потери и шумы в них не в такой степени существенны как для квантовых систем криптографии, в которых световые импульсы, как правило, однофотонные и при потере одного фотона теряется бит информации, т.е. нельзя увеличивать интенсивность оптических сигналов для преодоления потерь и шумов.In quantum cryptography systems, losses and noise are essential parameters that determine the ability of the entire system to work. Unlike classical optical communication, where information is transmitted by intense optical pulses, the losses and noise in them are not as significant as for quantum cryptography systems, in which light pulses are usually single-photon and when a single photon is lost, a bit of information is lost, i.e. e. it is impossible to increase the intensity of optical signals to overcome losses and noise.
Квантовая криптография позволяет передавать информацию с абсолютной секретностью, что недостижимо другими классическими алгоритмами.Quantum cryptography allows transmitting information with absolute secrecy, which is unattainable by other classical algorithms.
В отличие от классических оптических систем, где оптические импульсы достаточно интенсивны, т.е. один бит информации переносится множеством фотонов, в системах квантовой криптографии на каждый передаваемый бит приходится точно по одному фотону (может чуть больше в зависимости от схемы кодирования). Таким образом, потери фотонов определяют скорость распределения секретных ключей в схемах квантовой криптографии, т.к. потеря одного фотона означает потерю одного передаваемого бита - в классических алгоритмах потеря фотона из мощного импульса почти не влияет на скорость, т.к. остаток импульса будет зарегистрирован и бит информации извлечен. Другими словами, в классических оптических схемах всегда имеется возможность увеличить мощность передаваемых импульсов, чтобы «пробить» среду распределения, а в квантовых схемах такого сделать нельзя - это и отличает схемы квантовой криптографии от классических коммуникационных схем.Unlike classical optical systems, where optical pulses are quite intense, i.e. one bit of information is carried by many photons; in quantum cryptography systems, for each transmitted bit, there is exactly one photon (maybe a little more, depending on the encoding scheme). Thus, photon loss determines the speed of distribution of secret keys in quantum cryptography schemes, because the loss of one photon means the loss of one transmitted bit - in classical algorithms, the loss of a photon from a powerful pulse has almost no effect on speed, because the remainder of the pulse will be recorded and the bit of information extracted. In other words, in classical optical schemes it is always possible to increase the power of transmitted pulses in order to “break through” the distribution medium, but this cannot be done in quantum schemes - this distinguishes quantum cryptography schemes from classical communication schemes.
Известны системы квантовой криптографии, в которых оптические сигналы распространяются через оптическое волокно. Однако дистанция секретной передачи в современных системах определяется шумами в компонентах (как правило - шумы однофотонных детекторов), что налагает ограничения на максимальные потери в канале связи. В оптоволоконных каналах минимальные потери составляют ~0.2 дБ/км. Современные оптоволоконные системы квантовой криптографии работают на максимальной дистанции ~200 км. Дистанция, в принципе, может быть увеличена с развитием новых малошумящих детекторов, а скорость генерации секретных последовательностей повышена за счет увеличения скорости генерации однофотонных последовательностей. Однако уровень потерь в волокне не может быть понижен.Quantum cryptography systems are known in which optical signals propagate through an optical fiber. However, the secret transmission distance in modern systems is determined by the noise in the components (as a rule, the noise of single-photon detectors), which imposes restrictions on the maximum losses in the communication channel. In fiber optic channels, the minimum loss is ~ 0.2 dB / km. Modern fiber-optic systems of quantum cryptography operate at a maximum distance of ~ 200 km. The distance, in principle, can be increased with the development of new low-noise detectors, and the rate of generation of secret sequences is increased by increasing the rate of generation of single-photon sequences. However, the level of fiber loss cannot be reduced.
Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION
Задачей, решаемой заявленным изобретением, является добиться меньших потерь в канале связи при больших расстояниях между отправителем и получателем.The problem solved by the claimed invention is to achieve smaller losses in the communication channel at large distances between the sender and the recipient.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в увеличении дистанции передачи, при сохранении абсолютной секретности.The technical result of the invention is to increase the transmission distance, while maintaining absolute secrecy.
Указанный технический результат обеспечивается за счет того, что способ квантовой криптографии с использованием пассивных отражающих и перенаправляющих элементов, располагаемых на космических аппаратах, включает передачу информации от передающей до принимающей наземных станций в форме однофотонных оптических импульсов через низкоорбитальные спутники, на которых располагаются отражающие и/или перенаправляющие устройства, которые принимают излучение от наземной передающей станции, отражают и/или перенаправляют его на принимающую наземную станцию или на другие спутники с последующим перенаправлением на принимающую станцию, причем передатчик выдает одиночные фотоны с определенной скоростью.This technical result is ensured by the fact that the method of quantum cryptography using passive reflective and redirecting elements located on spacecraft includes the transmission of information from transmitting to receiving ground stations in the form of single-photon optical pulses via low-orbit satellites, on which reflecting and / or redirecting devices that receive radiation from a ground transmitting station, reflect and / or redirect it to the receiving azemnuyu station or to other satellites and then redirected to a receiving station, wherein the transmitter outputs the single photons with a certain speed.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
Рисунок 1 - космический канал для квантовой криптографии сFigure 1 - Space channel for quantum cryptography with
использованием одного (а) и нескольких спутников (b).using one (a) and several satellites (b).
Рисунок 2 - схема системы квантовой криптографии с 2 спутниками.Figure 2 is a diagram of a quantum cryptography system with 2 satellites.
Здесь lfib - наикротчайшее расстояние между отправителем и получателем, проложенное по поверхности Земли (минимальная длина волокна), L - расстояние между спутниками, Н - высота орбит спутников над земной поверхностью.Here l fib is the shortest distance between the sender and the receiver, laid on the surface of the Earth (minimum fiber length), L is the distance between satellites, N is the height of the orbits of the satellites above the earth's surface.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Основным фактором, снижающим пропускную способность космического канала связи, является распространение оптического сигнала от наземной станции отправителю через атмосферу к спутнику и от спутника к принимающей станции на Землю. При этом слой атмосферы с эффективной толщиной h≈20 км оказывает самое разрушающее воздействие на распространяющийся оптический сигнал: пучок поглощается и рассеивается атмосферой; пучок становится существенно шире дифракционного предела благодаря турбулентности. Более того, турбулентность также приводит к отклонению центра пучка от изначального (beam wander). Очевидно, что атмосфера оказывает наименьшее влияние на сигнал при вертикальном распространении, т.к. в этом случае длина трассы минимальна. В этом случае потери при распространении оптических сигналов с Земли на пролетающий спутник (unlink-канал) и со спутника на Землю (downlink-канал) будут минимальны.The main factor that reduces the capacity of the space communication channel is the propagation of the optical signal from the ground station to the sender through the atmosphere to the satellite and from satellite to the receiving station to Earth. In this case, an atmospheric layer with an effective thickness of h≈20 km has the most destructive effect on the propagating optical signal: the beam is absorbed and scattered by the atmosphere; the beam becomes much wider than the diffraction limit due to turbulence. Moreover, turbulence also leads to a deviation of the center of the beam from the original (beam wander). Obviously, the atmosphere has the least effect on the signal during vertical propagation, because in this case, the length of the track is minimal. In this case, the losses due to the propagation of optical signals from the Earth to the passing satellite (unlink channel) and from the satellite to the Earth (downlink channel) will be minimal.
Рассмотрим, например, конфигурацию с двумя низкоорбитальными спутниками, одновременно пролетающими над станциями отправителя и приемника соответственно.Consider, for example, a configuration with two low-orbit satellites simultaneously flying over the sender and receiver stations, respectively.
Высота орбит таких спутников (H) лежит в диапазоне 160-2000 км. Размещение основных узлов системы представлена на фиг. 2. Из-за сферической формы Земли минимальная длина волокна lfib, которое можно проложить между отправителем и получателем, есть длина соответствующей дуги:The orbits of such satellites (H) lie in the range of 160-2000 km. The arrangement of the main nodes of the system is shown in FIG. 2. Due to the spherical shape of the Earth, the minimum fiber length l fib that can be laid between the sender and the receiver is the length of the corresponding arc:
где Rearth - радиус Земли (≈6370 км), lfib - наикротчайшее расстояние между отправителем и получателем, проложенное по поверхности Земли (минимальная длина волокна), L - расстояние между спутниками, H - высота орбит спутников над земной поверхностью.where R earth is the radius of the Earth (≈6370 km), l fib is the shortest distance between the sender and the receiver, laid on the surface of the Earth (minimum fiber length), L is the distance between satellites, H is the height of the orbits of the satellites above the earth's surface.
Оценим потери при распространении оптического сигнала от наземной станции до пролетающего над ней спутника (uplink-канал).Let us estimate the losses due to the propagation of an optical signal from a ground station to a satellite passing over it (uplink channel).
На начальном этапе пути оптический сигнал проходит через слой атмосферы с эффективной толщиной h≈20 км. Разрушающие атмосферные эффекты для оптических диапазонов передающих длин волн могут быть разделены на 3 части: поглощение и рассеяние компонентами атмосферы и турбулентность. Общий коэффициент прохождения сигнала, связанный с его прохождением через атмосферу и безвоздушное пространство, может быть записан в виде:At the initial stage of the path, an optical signal passes through an atmosphere layer with an effective thickness of h≈20 km. Destructive atmospheric effects for the optical ranges of transmitting wavelengths can be divided into 3 parts: absorption and scattering by atmospheric components and turbulence. The total coefficient of signal transmission associated with its passage through the atmosphere and airless space can be written in the form:
где
Поглощение и рассеяние снижают амплитуду передаваемого оптического сигнала, т.е. при распространении однофотонного импульса снижается вероятность его прохождения и, соответственно, вероятность детектирования. Уровень таких потерь достаточно стабилен во времени - он меняется медленно с погодой и облачностью. Таким образом, потери при вертикальном распространении через атмосферу толщиной h можно записать в видеAbsorption and scattering reduce the amplitude of the transmitted optical signal, i.e. during the propagation of a single-photon pulse, the probability of its passage and, accordingly, the probability of detection are reduced. The level of such losses is quite stable over time - it changes slowly with weather and cloud cover. Thus, losses during vertical propagation through an atmosphere of thickness h can be written as
где
Оценим потери при распространении оптического сигнала от пролетающего спутника до наземной станции (downlink-канал).Let us estimate the losses due to the propagation of an optical signal from a passing satellite to a ground station (downlink channel).
Коэффициент потерь при посылке оптического сигнала от спутника на приемную наземную станцию определяется дифракционным расхождением пучка, уширением пучка турбулентностью и экстинкцией (поглощение + рассеяние) атмосферы. В отличие от uplink-канала, эффектом блуждания пучка здесь можно пренебречь, т.к. тонкий слой атмосферы (20 км - против H~1000 км) влияет на сигнал перед детектированием и пучок не успевает отслониться существенно. Уширением пучка турбулентностью в этом случае также можно пренебречь, т.к. оно мало: hθturb<<Hθdiffraction. Полагая радиус передающей области спутника C2
Минимальные потери в downlink-канале могут быть оценены на основе анализа потерь для uplink-канала.The minimum loss in the downlink channel can be estimated based on the loss analysis for the uplink channel.
Оценим потери для канала между спутниками. Оптические сигналы между космическими аппаратами передаются по безвоздушной среде. Основные потери здесь вносят дифракционное расхождение пучка и неточность направления пучка от передающего спутника (C1) к принимающему (C2); к последнему отнесем также и снижение эффективности направления за счет «дрожаний» аппаратуры на передающем спутнике. С учетом этих эффектов коэффициент пропускания можно записать в виде:Let us estimate the losses for the channel between satellites. Optical signals between spacecraft are transmitted through an airless environment. The main losses here are introduced by the diffraction divergence of the beam and the inaccuracy of the beam direction from the transmitting satellite (C1) to the receiving (C2); the latter also includes a decrease in directional efficiency due to “jitter” of the equipment on the transmitting satellite. With these effects in mind, the transmittance can be written as:
где
Выражение (3) можно записать в следующем виде:Expression (3) can be written as follows:
Для оценки возьмем следующие параметры:
Оценим потери в турбулентности. В отличие от экстинкции, турбулентность не меняет амплитуду сигнала - она изменяет случайным образом фазовый фронт оптической волны. Такое влияние связано с флуктуациями температуры, которые приводят к флуктуациям показателя преломления. Картина флуктуации показателя преломления имеют вид турбулентных вихрей. Характерные размеры неоднородностей-вихрей распределены в диапазоне от миллиметров до сотен метров. Малые неоднородности показателя преломления эффективно уширяют ширину пучка, тогда как воздействие неоднородностей, размеры которых больше, чем диаметр пучка, сводится к отклонению направления распространения пучка (beam wander). В результате в точке наблюдения оптический пучок имеет диаметр существенно шире, чем размер дифракционного расплывания, а центр пучка блуждает.Let us estimate the losses in turbulence. Unlike extinction, turbulence does not change the signal amplitude - it randomly changes the phase front of the optical wave. This effect is associated with temperature fluctuations, which lead to fluctuations in the refractive index. The pattern of fluctuations in the refractive index is in the form of turbulent vortices. The characteristic dimensions of the vortex inhomogeneities are distributed in the range from millimeters to hundreds of meters. Small inhomogeneities of the refractive index effectively broadens the beam width, while the effect of inhomogeneities larger than the diameter of the beam reduces to a deviation of the beam propagation direction (beam wander). As a result, at the observation point, the optical beam has a diameter substantially wider than the size of diffraction spreading, and the center of the beam wanders.
Параметры флуктуации атмосферы зависят от географической местности, трассы распространения сигнала и погодных условий. Не существует строгой аналитической теории, работающей для широкого диапазона параметров атмосферы. Как правило, аналитические результаты получены для слабого режима турбулентности.The parameters of atmospheric fluctuations depend on the geographical area, the signal propagation path and weather conditions. There is no rigorous analytic theory working for a wide range of atmospheric parameters. As a rule, analytical results are obtained for a weak turbulence regime.
Основным параметром, описывающим турбулентность, является структурная постоянная Cn. Типичные значения Cn лежат в диапазоне от 10-9 до 10-7 для слабой и сильной турбулентности. Другим параметром турбулентности является радиус Фрида ρ0, определяющий корреляцию искаженного турбулентностью волнового фронта. Справедлива следующая формула для радиуса Фрида:The main parameter describing turbulence is the structural constant C n . Typical C n values range from 10 -9 to 10 -7 for weak and strong turbulence. Another parameter of turbulence is the Fried radius ρ 0 , which determines the correlation of the wavefront distorted by turbulence. The following formula is valid for the Fried radius:
где интегрирование ведется по трассе распространения, здесь k=2π/λ - волновой вектор оптического сигнала.where integration is carried out along the propagation path, here k = 2π / λ is the wave vector of the optical signal.
Угол расходимости оптического пучка в турбулентной среде без учета блуждания центра пучка (beam wander) можно записать в видеThe divergence angle of an optical beam in a turbulent medium without taking into account the walk of the center of the beam (beam wander) can be written as
Здесь θ0≈λ/πRt - дифракционный угол расходимости гауссова пучка (без турбулентности), Rt - радиус апертуры оптического телескопа передающей станции. Типичное значение для радиуса Фрида ~0,1 м. Радиус Rt определяет дифракционное расхождение пучка. Обычно используют передающие телескопы с Rt~ρ0. Тогда, например, для λ=0,8 мкм типичное значение угла расхождения в турбулентной атмосфере θturb=8,4 мкрад. В этом случае радиус пучка, прошедшего расстояние Rbeam=Hθturb. Для оценки положим H=1000 км, тогда Rbeam=8,4 м.Here θ 0 ≈λ / πR t is the diffraction divergence angle of the Gaussian beam (without turbulence), R t is the aperture radius of the optical telescope of the transmitting station. A typical value for the Fried radius is ~ 0.1 m. The radius R t determines the diffraction divergence of the beam. Usually use transmitting telescopes with R t ~ ρ 0 . Then, for example, for λ = 0.8 μm, the typical value of the divergence angle in the turbulent atmosphere is θ turb = 8.4 mrad. In this case, the radius of the beam that has passed the distance R beam = Hθ turb . For estimation, we put H = 1000 km, then R beam = 8.4 m.
Оценим влияние блуждания пучка, вызванного крупномасштабными флуктуациями показателя преломления. Вероятность отклонения центра пучка на расстояние r в турбулентной атмосфере задается функцией распределения вероятностейLet us evaluate the effect of beam wandering caused by large-scale fluctuations in the refractive index. The probability of deviation of the beam center by a distance r in a turbulent atmosphere is given by the probability distribution function
где для uplink-канала дисперсия может быть получена:where for the uplink channel dispersion can be obtained:
Для выбранных типичного значения ρ0 и радиуса передающего телескопа (Rt)
Неидеальность наведения пучка. Еще один фактор, который вносит потери - неидеальность направления пучка от передатчика на спутник. Будем считать, что неточность связана с «дрожанием» Δθ аппаратуры передатчика. Оценку для реальных значений Δθ возьмем, например, из статьи по классической космической коммуникации: Δθ=1 мкрад.Non-ideal beam guidance. Another factor that causes losses is the non-ideal beam direction from the transmitter to the satellite. We assume that the inaccuracy is associated with the “jitter” Δθ of the transmitter equipment. We take an estimate for real Δθ values, for example, from an article on classical space communication: Δθ = 1 mrad.
Таким образом, с учетом дифракционного расхождения пучка, уширения пучка турбулентностью, блуждание центра пучка, вызванного турбулентностью, и неидеальностью наведения пучка на спутник, оценка усредненного по времени радиуса пучка, падающего на спутник, для выбранных параметров
Возмем радиус апертуры принимающего объектива спутника C1
ηuplink=0.3·2,7·10-4=8.1·105 или -10·log10ηuplink≈41 дБ.η uplink = 0.3 · 2.7 · 10 -4 = 8.1 · 10 5 or -10 · log 10 η uplink ≈41 dB.
При наличии дымки, тумана, облаков, дождя, высоких перепадов температур потери в атмосфере значительно повышаются.In the presence of haze, fog, clouds, rain, high temperature drops, atmospheric losses increase significantly.
Общие потери в космическом канале с оптическими отражателями.General losses in a space channel with optical reflectors.
Для конфигурации космического канала, изображенного на рисунке 1, с указанными параметрами минимальные потери без учета неидеальной эффективности детектирования, перенаправления излучения спутниками, заведения и выведения излучения из телескопов, могут составлять от 41 дБ (uplink) + 20 дБ (downlink) + 10 log10L2-90 дБ (intersatellite). Например, для L=5000 км минимальные потери ≈100 дБ. В соответствии с формулой (1), длина оптического волокна 4410 км, а соответствующие минимальные потери 882 дБ. Таким образом, использование космического канала в квантовой криптографии является оправданным для больших дистанций передачи.For the configuration of the space channel shown in Figure 1 with the indicated parameters, the minimum losses without taking into account the imperfect detection efficiency, redirection of radiation by satellites, establishment and removal of radiation from telescopes can be from 41 dB (uplink) + 20 dB (downlink) + 10 log 10 L 2 -90 dB (intersatellite). For example, for L = 5000 km, the minimum loss is ≈100 dB. In accordance with formula (1), the length of the optical fiber is 4410 km, and the corresponding minimum loss is 882 dB. Thus, the use of the space channel in quantum cryptography is justified for large transmission distances.
Существенным признаком является то, что передатчик должен выдавать одиночные фотоны с некоторой скоростью. Большая часть этих фотонов теряется в канале связи, но та часть, которая доходит до приемника используется для генерации ключей. Здесь уместно говорить не о мощности передатчика, а о скорости генерации однофотонных импульсов. Если, например, источник выдает 1 фотон в секунду (1 Гц), то вероятность, что он дойдет до приемника ≈10-10, т.е. за 10 млрд. секунд дойдет только 1 фотон. Если источник генерирует 1010 фотонов в секунду (10 ГГц), то, соответственно, в среднем каждую секунду приемник будет детектировать один пришедший фотон.An essential sign is that the transmitter should emit single photons at a certain speed. Most of these photons are lost in the communication channel, but the part that reaches the receiver is used to generate the keys. It is appropriate to talk here not about the power of the transmitter, but about the speed of generation of single-photon pulses. If, for example, the source produces 1 photon per second (1 Hz), then the probability that it will reach the receiver is ≈10 -10 , i.e. in 10 billion seconds only 1 photon will reach. If the source generates 10 10 photons per second (10 GHz), then, accordingly, on average every second the detector will detect one incoming photon.
Зеркала, размещаемые на космических аппаратах, имеют такую форму, что оптический пучок, падающий на него с наземной станции или от близлежащего космического аппарата (КА), отражается в направлении к станции-приемника или в направлении зеркала близлежащего КА. При этом для минимальных потерь необходимо, чтобы радиус пучка, дошедшего до станции-приемника или зеркала близлежащего КА, был минимальным. Форма поверхности зеркал должна иметь специальную форму (http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%97%D0%B5%D1%80%D0%BA%D0%B0%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%B0%D0%BD%D1%82%D0%B5%D0%BD%D0%BD%D0%B0), которая зависит от конкретных параметров системы (расстояния между КА, углы наклона пучков, направляемых со станции отправителя на КА и от КА до наземной станции).The mirrors placed on the spacecraft have such a shape that the optical beam incident on it from a ground station or from a nearby spacecraft (SC) is reflected in the direction of the receiving station or in the direction of the mirror of a nearby SC. In this case, for minimal losses, it is necessary that the radius of the beam that reaches the receiving station or the mirror of a nearby spacecraft be minimal. The surface shape of the mirrors must have a special shape (http://en.wikipedia.org/wiki/%D0%97%D0%B5%D1%80%D0%BA%D0%B0%D0%BB%D1%8C%D0 % BD% D0% B0% D1% 8F_% D0% B0% D0% BD% D1% 82% D0% B5% D0% BD% D0% BD% D0% B0), which depends on the specific parameters of the system (distance between the spacecraft , tilt angles of beams sent from the sender station to the spacecraft and from the spacecraft to the ground station).
Системы телескопов, служащие аналогами зеркал, представляют собой пары телескопов на каждом КА - принимающий и передающий, между которыми оптические сигналы передаются по волноводному каналу или через свободное пространство с системой внутренних отражателей. Системы линз телескопов удовлетворяют тем же требованиям, описанным выше для зеркал: сбор и перенаправление оптического сигнала на близлежащий КА или на наземную станцию с максимальной точностью и фокусирование перенаправленного оптического сигнала в минимальный радиус на телескопе или зеркале близлежащего КА.Telescope systems serving as analogs of mirrors are pairs of telescopes on each spacecraft — receiving and transmitting, between which optical signals are transmitted through a waveguide channel or through free space with a system of internal reflectors. Telescope lens systems satisfy the same requirements described above for mirrors: collecting and redirecting an optical signal to a nearby spacecraft or to a ground station with maximum accuracy and focusing the redirected optical signal to a minimum radius on a telescope or mirror of a nearby spacecraft.
Осуществление изобретенияThe implementation of the invention
На наземной станции отправителя генерируются однофотонные световые импульсы, в которых информация кодируется, например, в поляризацию (протокол ВВ84) или другую переменную. С помощью телескопа, направленного на пролетающий КА, эти импульсы подаются на зеркало/принимающий этого КА. Зеркало/система телескопов КА настроено так, что оно отражает падающий оптический сигнал в направлении к наземной станции приемника, если система основана на одном КА, или на близлежащий КА из группировки КА. После этого отраженный сигнал от КА, пролетающего над наземной станцией получателя, попадает на приемный телескоп получателя и попадают на систему детектирования. Распределение оптических сигналов продолжается необходимое количество раз. Дальнейшие действия участников передачи такие же, как и в известных способах квантовой криптографии: согласование информации по открытому каналу связи, реализация алгоритмов исправления ошибок и увеличения секретности по открытому каналу связи.Single-photon light pulses are generated at the sender’s ground station, in which information is encoded, for example, into polarization (protocol BB84) or another variable. Using a telescope aimed at a passing spacecraft, these pulses are fed to the mirror / receiver of this spacecraft. The spacecraft mirror / telescope system is configured so that it reflects the incident optical signal towards the ground station of the receiver, if the system is based on one spacecraft, or to a nearby spacecraft from the spacecraft group. After that, the reflected signal from the spacecraft flying over the receiver’s ground station enters the receiver’s receiving telescope and enters the detection system. The distribution of optical signals continues as many times as necessary. Further actions of the participants of the transmission are the same as in the well-known methods of quantum cryptography: matching information on an open communication channel, implementing algorithms for correcting errors and increasing secrecy on an open communication channel.
Использование космического канала связи, описанного в предлагаемом способе, позволяет существенно уменьшить потери при распространении оптических сигналов между двумя наземными станциями при ясной погоде (в отсутствии туманов, облаков, дождей и других факторов). В результате использования такого канала при благоприятной погоде в схемах квантовой криптографии становится возможным существенно увеличить максимальную дистанцию секретной передачи.The use of the space communication channel described in the proposed method can significantly reduce losses during the propagation of optical signals between two ground stations in clear weather (in the absence of fog, clouds, rain and other factors). As a result of the use of such a channel in favorable weather in quantum cryptography schemes, it becomes possible to significantly increase the maximum secret transmission distance.
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014113636/07A RU2566664C1 (en) | 2014-04-08 | 2014-04-08 | Method for quantum cryptography using passive reflecting and redirecting elements located on spacecraft |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014113636/07A RU2566664C1 (en) | 2014-04-08 | 2014-04-08 | Method for quantum cryptography using passive reflecting and redirecting elements located on spacecraft |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2014113636A RU2014113636A (en) | 2015-10-20 |
RU2566664C1 true RU2566664C1 (en) | 2015-10-27 |
Family
ID=54326767
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2014113636/07A RU2566664C1 (en) | 2014-04-08 | 2014-04-08 | Method for quantum cryptography using passive reflecting and redirecting elements located on spacecraft |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2566664C1 (en) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2106749C1 (en) * | 1997-05-16 | 1998-03-10 | Акционерное общество открытого типа "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им.С.П.Королева | Space optical communication line between two objects |
RU2191406C1 (en) * | 2001-06-19 | 2002-10-20 | Товарищество с ограниченной ответственностью "Астрам" | Technique delivering radiation to traveling object and device for its implementation |
RU2293452C2 (en) * | 2002-11-05 | 2007-02-10 | Василий Васильевич Новиков | Method for producing electric energy from ionosphere of earth |
RU2380034C1 (en) * | 2008-07-17 | 2010-01-27 | Государственное образовательное учреждение дополнительного профессионального образования "Казанская государственная медицинская академия Федерального агентства по здравоохранению и социальному развитию" | Myotonometry technique in patients with vertebragenous pathology |
RU2465730C1 (en) * | 2011-04-12 | 2012-10-27 | Общество с ограниченной ответственностью Научно Исследовательская Компания "Каскад" (ООО НИК "Каскад") | Method of transmitting information using photons (versions) |
-
2014
- 2014-04-08 RU RU2014113636/07A patent/RU2566664C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2106749C1 (en) * | 1997-05-16 | 1998-03-10 | Акционерное общество открытого типа "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им.С.П.Королева | Space optical communication line between two objects |
RU2191406C1 (en) * | 2001-06-19 | 2002-10-20 | Товарищество с ограниченной ответственностью "Астрам" | Technique delivering radiation to traveling object and device for its implementation |
RU2293452C2 (en) * | 2002-11-05 | 2007-02-10 | Василий Васильевич Новиков | Method for producing electric energy from ionosphere of earth |
RU2380034C1 (en) * | 2008-07-17 | 2010-01-27 | Государственное образовательное учреждение дополнительного профессионального образования "Казанская государственная медицинская академия Федерального агентства по здравоохранению и социальному развитию" | Myotonometry technique in patients with vertebragenous pathology |
RU2465730C1 (en) * | 2011-04-12 | 2012-10-27 | Общество с ограниченной ответственностью Научно Исследовательская Компания "Каскад" (ООО НИК "Каскад") | Method of transmitting information using photons (versions) |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2014113636A (en) | 2015-10-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Bedington et al. | Progress in satellite quantum key distribution | |
Mai et al. | Beam size optimization and adaptation for high-altitude airborne free-space optical communication systems | |
US9664566B2 (en) | Photon entanglement router | |
US9306740B2 (en) | Systems, methods, and apparatus for a quantum key distribution telescope | |
Sharma et al. | Analysis of atmospheric effects on satellite-based quantum communication: a comparative study | |
Poulton et al. | Lens-free chip-to-chip free-space laser communication link with a silicon photonics optical phased array | |
Podmore et al. | Optical terminal for Canada's quantum encryption and science satellite (qeyssat) | |
Nauerth et al. | Air to ground quantum key distribution | |
Abasifard et al. | The ideal wavelength for daylight free-space quantum key distribution | |
Mai et al. | Beaconless angle-of-arrival tracking with improved receiver sensitivity and tracking precision for free-space optical communications | |
Trinh et al. | Statistical verifications and deep-learning predictions for satellite-to-ground quantum atmospheric channels | |
Duarte | Secure space-to-space interferometric communications and its nexus to the physics of quantum entanglement | |
Villoresi et al. | Space-to-ground quantum communication using an optical ground station: a feasibility study | |
Zhang et al. | Link loss analysis for a satellite quantum communication down-link | |
RU2566664C1 (en) | Method for quantum cryptography using passive reflecting and redirecting elements located on spacecraft | |
Bisztray et al. | The evolution of free-space quantum key distribution | |
Arnon | Quantum technology for optical wireless communication in data-center security and hacking | |
Ntanos et al. | Large-scale LEO satellite constellation to ground QKD links: Feasibility analysis | |
Kumari et al. | System analysis for optical inter-satellite link with varied parameter and pre-amplification | |
RU2488965C1 (en) | Method of receiving/transmitting cryptographic information | |
Hippke | Interstellar communication network. II. Deep space nodes with gravitational lensing | |
WO2022084678A1 (en) | Aerial platforms based quantum communication | |
Gupta et al. | Review on UAV-based FSO links: recent advances, challenges, and performance metrics | |
US7603038B1 (en) | System and method that suppresses intensity fluctuations for free space high-speed optical communication | |
Camboulives | Compensation des effets de la turbulence atmosphérique sur un lien optique montant sol-satellite géostationnaire: impact sur l’architecture du terminal sol |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190409 |