RU2754758C1 - Optical circuit of the receiver with one detector and the system for quantum key distribution (options) - Google Patents
Optical circuit of the receiver with one detector and the system for quantum key distribution (options) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2754758C1 RU2754758C1 RU2021103096A RU2021103096A RU2754758C1 RU 2754758 C1 RU2754758 C1 RU 2754758C1 RU 2021103096 A RU2021103096 A RU 2021103096A RU 2021103096 A RU2021103096 A RU 2021103096A RU 2754758 C1 RU2754758 C1 RU 2754758C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- optical
- switch
- receiver
- quantum
- polarization
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F21/00—Security arrangements for protecting computers, components thereof, programs or data against unauthorised activity
- G06F21/60—Protecting data
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06N—COMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
- G06N10/00—Quantum computing, i.e. information processing based on quantum-mechanical phenomena
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
- H04L9/00—Cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communications; Network security protocols
- H04L9/08—Key distribution or management, e.g. generation, sharing or updating, of cryptographic keys or passwords
- H04L9/0816—Key establishment, i.e. cryptographic processes or cryptographic protocols whereby a shared secret becomes available to two or more parties, for subsequent use
- H04L9/0852—Quantum cryptography
- H04L9/0858—Details about key distillation or coding, e.g. reconciliation, error correction, privacy amplification, polarisation coding or phase coding
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Security & Cryptography (AREA)
- Software Systems (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Mathematical Optimization (AREA)
- Pure & Applied Mathematics (AREA)
- Computing Systems (AREA)
- Data Mining & Analysis (AREA)
- Mathematical Physics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Computational Mathematics (AREA)
- Mathematical Analysis (AREA)
- Bioethics (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Artificial Intelligence (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Optical Communication System (AREA)
Abstract
Description
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИFIELD OF TECHNOLOGY
[0001] Заявленное техническое решение в общем относится к области вычислительной техники, а в частности к квантовой криптографии и средствам для квантового распределения ключей по открытому пространству на основе поляризационного кодирования с одним детектором.[0001] The claimed technical solution generally relates to the field of computing, and in particular to quantum cryptography and means for quantum key distribution in an open space based on polarization coding with one detector.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИLEVEL OF TECHNOLOGY
[0002] Из уровня техники известно решение JP 5492255 B2 "Quantum communication system" (TOSHIBA CORP., опубликовано: 14.05.2014). Данное решение раскрывает систему квантового распределения ключей (QKD) с использованием стандартного протокола ВВ84. Система содержит квантовый приемник, который применяется при поляризационном кодировании сигнала.[0002] JP 5492255 B2 "Quantum communication system" (TOSHIBA CORP., Published: 05.14.2014) is known in the art. This solution discloses a quantum key distribution (QKD) system using the standard BB84 protocol. The system contains a quantum receiver, which is used for signal polarization coding.
[0003] В оптическую схему приемника входит подсистема детекторов, состоящая из двух детекторов одиночных фотонов, подключенных к двум выходам интерферометра и электронной схеме управления.[0003] The receiver optical circuit includes a detector subsystem consisting of two single photon detectors connected to two interferometer outputs and an electronic control circuit.
[0004] При этом интерферометр включает в себя входной светоделитель (BS) с делением 50% на 50%.[0004] In this case, the interferometer includes an input beam splitter (BS) with a division of 50% by 50%.
[0005] Для обнаружения одиночных фотонов, в данной системе, используют самодифференциальные лавинные фотодиоды или лавинные фотодиоды с синусоидальным затвором. В схеме приемника может использоваться поляризатор, который устанавливают перед фазовым модулятором.[0005] Self-differential avalanche photodiodes or sinusoidal gate avalanche photodiodes are used to detect single photons in this system. In the receiver circuit, a polarizer can be used, which is installed in front of the phase modulator.
[0006] Кроме того, в известном решении при кодировании квантовых состояний в протоколе ВВ84 используется четыре значения фазовых сдвигов на 0°, 90°, 180° и 270°.[0006] In addition, the prior art solution uses four phase shifts in the BB84 protocol when encoding quantum states at 0 °, 90 °, 180 °, and 270 °.
[0007] Также из уровня техники известно решение US 9935721 В2 "Optical communication method and optical communication system" (Furukawa Electric Co Ltd, опубликовано: 03.04.2018). Данное решение раскрывает пример оптической схемы, в которой заместо полуволновой пластины, в приемном блоке используются затворы, один из которых установлен на пути получения сигнала от передатчика, а второй устанавливается перед поляризатором лавинного светодиода.[0007] Also known from the prior art is the solution US 9935721 B2 "Optical communication method and optical communication system" (Furukawa Electric Co Ltd, published: 03.04.2018). This solution discloses an example of an optical scheme in which, instead of a half-wave plate, the receiving unit uses gates, one of which is installed in the path of receiving a signal from the transmitter, and the second is installed in front of the polarizer of the avalanche LED.
[0008] Недостатком известных решений в данной области техники является усложненная конструкция приемника, которая ведет к повышению шумовых импульсов, влияющих на появление квантовых ошибок в ключе.[0008] A disadvantage of the known solutions in this field of technology is the complicated design of the receiver, which leads to an increase in noise pulses, affecting the appearance of quantum errors in the key.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯDISCLOSURE OF THE INVENTION
[0009] В заявленном техническом решении предлагается новая оптическая схема приемника для квантового распределения ключей, отличающаяся от классической схемы упрощенной конструкцией.[0009] In the claimed technical solution, a new optical scheme of the receiver for quantum key distribution is proposed, which differs from the classical scheme in a simplified design.
[0010] Основным техническим результатом является снижение шумовых импульсов и как следствие снижение уровня квантовых ошибок в ключе за счет использования в схеме одного детектора одиночных фотонов.[0010] The main technical result is the reduction of noise pulses and, as a consequence, a decrease in the level of quantum errors in the key due to the use of a single detector of single photons in the circuit.
[0011] Указанный технический результат достигаются благодаря осуществлению оптической схемы приемника для квантового распределения ключей, содержащей:[0011] The specified technical result is achieved through the implementation of the optical scheme of the receiver for quantum key distribution, containing:
- детектор одиночных фотонов;- single photon detector;
- переключатель, обеспечивающий подстановку оптических элементов на пути регистрируемого излучения перед детектором одиночных фотонов; и- a switch providing the substitution of optical elements on the path of the detected radiation in front of the single photon detector; and
- оптические элементы, размещенные на переключателе.- optical elements located on the switch.
[0012] В одном из частных вариантов реализации схемы оптические элементы выбираются из группы: поляризаторы, волновые пластинки с поляризатором.[0012] In one of the particular embodiments of the scheme, the optical elements are selected from the group: polarizers, wave plates with a polarizer.
[0013] В другом частном варианте реализации схемы переключатель выполнен с возможностью вращения или линейного перемещения.[0013] In another particular embodiment of the circuit, the switch is rotatable or linearly movable.
[0014] В другом частном варианте реализации схемы переключатель дополнительно содержит отражающие элементы.[0014] In another particular embodiment of the circuit, the switch further comprises reflective elements.
[0015] В другом частном варианте реализации схемы переключатель выполнен с возможностью отклонения луча отражающим элементом.[0015] In another particular embodiment of the circuit, the switch is configured to deflect the beam by a reflective element.
[0016] В другом частном варианте реализации схемы отражающий элемент представляет собой зеркало или призму.[0016] In another particular embodiment of the circuit, the reflective element is a mirror or a prism.
[0017] В другом частном варианте реализации схемы переключатель выполнен с возможностью акустооптического дефлектора.[0017] In another particular embodiment of the circuit, the switch is configured with an acousto-optic deflector.
[0018] Также указанный технический результат достигается благодаря осуществлению оптической схемы приемника для квантового распределения ключей, содержащей:[0018] Also, the specified technical result is achieved through the implementation of the optical scheme of the receiver for quantum key distribution, containing:
- детектор одиночных фотонов;- single photon detector;
- по меньшей мере один поляризатор, установленный перед детектором одиночных фотонов;- at least one polarizer installed in front of the single photon detector;
- переключатель, обеспечивающий подстановку оптических элементов на пути регистрируемого излучения перед поляризатором; и- a switch providing the substitution of optical elements on the path of the registered radiation in front of the polarizer; and
- оптические элементы, размещенные на переключателе.- optical elements located on the switch.
[0019] В одном из частных вариантов реализации схемы оптические элементы являются волновыми пластинками.[0019] In one of the particular embodiments of the circuit, the optical elements are wave plates.
[0020] В другом частном варианте реализации схемы переключатель выполнен с возможностью вращения или линейного перемещения.[0020] In another particular embodiment of the circuit, the switch is rotatable or linearly movable.
[0021] В другом частном варианте реализации схемы переключатель дополнительно содержит отражающие элементы.[0021] In another particular embodiment of the circuit, the switch further comprises reflective elements.
[0022] В другом частном варианте реализации схемы переключатель выполнен с возможностью отклонения луча отражающим элементом.[0022] In another particular embodiment of the circuit, the switch is configured to deflect the beam by the reflective element.
[0023] В другом частном варианте реализации схемы отражающий элемент представляет собой зеркало или призму.[0023] In another particular embodiment of the circuit, the reflective element is a mirror or a prism.
[0024] В другом частном варианте реализации схемы переключатель выполнен с возможностью акустооптического дефлектора.[0024] In another particular embodiment of the circuit, the switch is configured with an acousto-optic deflector.
[0025] Кроме того, заявленное решение реализуется с помощью системы для квантового распределения ключей содержащей, квантовый канал связи между передатчиком и приемником, блок передатчика, выполненный с возможностью генерации одиночных фотонов и передачи их на вход блока приемника, содержащего вышеуказанные оптические схемы.[0025] In addition, the claimed solution is implemented using a system for quantum key distribution containing, a quantum communication channel between a transmitter and a receiver, a transmitter unit configured to generate single photons and transmit them to the input of the receiver unit containing the above optical circuits.
[0026] В другом частном варианте реализации системы канал передачи данных является каналом через открытое пространство.[0026] In another particular implementation of the system, the data channel is a channel through an open space.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS
[0027] Признаки и преимущества настоящего изобретения станут очевидными из приводимого ниже подробного описания изобретения и прилагаемых чертежей.[0027] Features and advantages of the present invention will become apparent from the following detailed description of the invention and the accompanying drawings.
[0028] Фиг. 1 иллюстрирует пример уровня техники.[0028] FIG. 1 illustrates a prior art example.
[0029] Фиг. 2А иллюстрирует пример оптической схемы приемника для квантового распределения ключей без поляризатора.[0029] FIG. 2A illustrates an example of an optical receiver circuit for quantum key distribution without a polarizer.
[0030] Фиг. 2Б иллюстрирует пример оптической схемы приемника для квантового распределения ключей с волновой пластиной и без поляризатора.[0030] FIG. 2B illustrates an example of an optical scheme of a receiver for quantum key distribution with a wave plate and without a polarizer.
[0031] Фиг. 3 иллюстрирует пример оптической схемы приемника для квантового распределения ключей с поляризатором.[0031] FIG. 3 illustrates an example of an optical scheme of a receiver for quantum key distribution with a polarizer.
[0032] Фиг. 4 иллюстрирует пример системы для квантового распределения ключей.[0032] FIG. 4 illustrates an example of a system for quantum key distribution.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯCARRYING OUT THE INVENTION
[0033] Рассмотрим основные принципы генерации квантового ключа на основе протокола ВВ84 [1-4]. Передающая сторона (традиционно называемая в литературе Алисой) подготавливает однофотонные состояния с линейной поляризацией в двух не ортогональных друг другу базисах (Фиг. 1).[0033] Consider the basic principles of quantum key generation based on the BB84 protocol [1-4]. The transmitting side (traditionally referred to in the literature as Alice) prepares single-photon states with linear polarization in two bases that are not orthogonal to each other (Fig. 1).
[0034] Один вертикально-горизонтальный «Базис 1» - с поляризацией фотонов 0 и 90 градусов. Второй - диагональный «Базис 2» - с поляризацией 45 и -45 градусов.[0034] One vertical-horizontal "
[0035] Алиса и приемная сторона (традиционно называемая Бобом) договариваются о коде каждой поляризации в двоичном представлении, например, фотоны с поляризацией 0 и 45 градусов обозначают цифру 0, а фотоны с поляризацией 90 и -45 градусов означают цифру 1.[0035] Alice and the receiver (traditionally called Bob) agree on a binary code for each polarization, for example, photons with polarizations of 0 and 45 degrees represent the
[0036] Во время передачи Алиса посылает последовательность фотонов, поляризация которых выбрана случайным образом, и может составлять 0, 45, 90 и 45 градусов. Боб регистрирует пришедшие фотоны, и для каждого из них случайным образом выбирает базис измерения «Базис 1» или «Базис 2».[0036] During the transmission, Alice sends a sequence of photons, the polarization of which is randomly selected, and can be 0, 45, 90 and 45 degrees. Bob registers the arrived photons, and for each of them randomly chooses the basis of measurement "
[0037] По открытому дополнительному каналу связи Боб сообщает Алисе в каком базисе были проведены измерения, но не сообщает результат этого измерения. Поскольку фотон может иметь значение и «0» и «1», то сообщение о факте регистрации фотона по открытому каналу не дает никакой информации, в случае наличия постороннего подслушивающего блока, называемого Евой (от англ. Eavesdropper).[0037] Through the open supplemental communication channel, Bob informs Alice in which basis the measurements were taken, but does not report the result of this measurement. Since a photon can have a value of both "0" and "1", the message about the fact of registration of a photon through an open channel does not provide any information in the case of the presence of an extraneous eavesdropping unit called Eve (from the English Eavesdropper).
[0038] Алиса в ответ сообщает Бобу, правильный ли базис измерения был выбран для каждого фотона. Сохраняя в серии только измерения, проведенные в правильном базисе, Алиса и Боб создают уникальную случайную последовательность нулей и единиц, из которой затем и формируют секретный ключ.[0038] Alice responds by telling Bob if the correct measurement basis has been chosen for each photon. Keeping in the series only measurements made in the correct basis, Alice and Bob create a unique random sequence of zeros and ones, from which they then form a secret key.
[0039] На Фиг. 1 изображен типичный применяемый приемный узел для квантового распределения ключей на основе поляризационного кодирования (узел Боб). На входе в приемный узел Боба стоит поляризационный контроллер на основе волновых пластинок. В некоторых устройствах на практике он отсутствует [1, 3].[0039] FIG. 1 depicts a typical receiver node used for quantum key distribution based on polarization coding (Bob node). At the entrance to Bob's receiving unit there is a polarization controller based on wave plates. In some devices, in practice, it is absent [1, 3].
[0040] В такой широко распространенной схеме применяются полуволновая пластинка λ/2 и поляризационная призма (PBS). Полуволновая пластинка λ/2 и поляризационная призма PBS при изготовлении требуют высокой точности, соблюдения сложной технологии и применяются для достаточно узкого диапазона длин волн (полуволновая пластина изготавливается для конкретной длинны волны, с допуском для разности фаз λ/300). При сборке оптической схемы пластинка λ/2 и призма PBS требует точной юстировки, чтобы правильно разделять разные поляризации светового пучка. Эти элементы взаимосвязаны, например, при изменении положения пластинки λ/2 требуется подстройка призмы PBS.[0040] Such a widespread scheme employs a λ / 2 half-wave plate and a polarizing prism (PBS). The λ / 2 half-wave plate and the PBS polarizing prism require high accuracy, adherence to complex technology, and are used for a rather narrow wavelength range (a half-wave plate is made for a specific wavelength, with a tolerance for the λ / 300 phase difference). When assembling the optical scheme, the λ / 2 plate and the PBS prism require precise alignment in order to correctly separate the different polarizations of the light beam. These elements are interconnected, for example, when changing the position of the λ / 2 plate, an adjustment of the PBS prism is required.
[0041] На Фиг. 2А приведена оптическая схема (10) приемника (100) Боб для квантового распределения ключей, которая содержит: детектор одиночных фотонов APD (101), переключатель (102), обеспечивающий подстановку оптических элементов (103) на пути регистрируемого излучения перед детектором одиночных фотонов APD (101) и оптические элементы (103), размещенные на переключателе (102).[0041] FIG. 2A shows the optical scheme (10) of the Bob receiver (100) for quantum key distribution, which contains: a single photon detector APD (101), a switch (102) that provides the substitution of optical elements (103) on the path of the detected radiation in front of the single photon detector APD ( 101) and optical elements (103) located on the switch (102).
[0042] Оптические элементы (103) могут представлять собой поляризаторы или волновые пластинки с поляризатором. Переключатель (102) выполнен с возможностью вращения вокруг своей оси или линейного перемещения с обеспечением подстановки оптических элементов (103) под оптический луч. Переключатель (102) может дополнительно содержать отражающие элементы (не показаны), обеспечивающие отклонения луча на заданный угол. В качестве отражающего элемента может применяться зеркало или призма. Также, в другом примере реализации переключатель (102) может выполняться с возможностью акустооптического дефлектора, обеспечивающего отклонение луча первоначального направления при рассеянии на акустической волне и его направление на оптический элемент.[0042] The optical elements (103) can be polarizers or wave plates with a polarizer. The switch (102) is made with the possibility of rotation around its axis or linear movement to ensure the substitution of optical elements (103) under the optical beam. The switch (102) may additionally contain reflective elements (not shown) that provide beam deflection at a predetermined angle. A mirror or a prism can be used as a reflective element. Also, in another embodiment, the switch (102) can be configured with an acousto-optic deflector that deflects the initial direction beam when scattered on an acoustic wave and directs it to the optical element.
[0043] На Фиг. 3 представлен второй вариант оптической схемы (11) приемника (100) Боб для квантового распределения ключей, которая в своей конструкции дополнительно содержит по меньшей мере один поляризатор Р (104), установленный перед детектором одиночных фотонов ADP (101). В данном варианте схемы (11) переключатель (102) обеспечивает подстановку оптических элементов (103) на пути регистрируемого излучения перед поляризатором Р (104).[0043] FIG. 3 shows the second variant of the optical scheme (11) of the Bob receiver (100) for quantum key distribution, which in its design additionally contains at least one polarizer P (104) installed in front of the ADP single photon detector (101). In this version of the circuit (11), the switch (102) provides the substitution of optical elements (103) on the path of the detected radiation in front of the polarizer P (104).
[0044] Как видно на Фиг. 2А - Фиг. 2Б и Фиг. 3 в заявленных оптических схемах (10, 11) приемного узла (100) отсутствует светоделительный кубик BS и технологически сложные поляризационные призмы PBS и полуволновая пластинка λ/2. Вместо четырех детекторов ADP используется один (101). Так как детекторы одиночных фотонов ADP имеют собственный уровень шумов, то эти шумовые (ложные) импульсы дают вклад в уровень квантовых ошибок в ключе. При использовании схем (10, 11) с одним детектором ADP (101), образуется меньше шумовых импульсов, что приводит к снижению уровня квантовых ошибок в ключе.[0044] As seen in FIG. 2A to FIG. 2B and Fig. 3, in the declared optical schemes (10, 11) of the receiving unit (100), there is no BS beam splitting cube and technologically complex PBS polarization prisms and a λ / 2 half-wave plate. Instead of four ADP detectors, one (101) is used. Since the ADP single photon detectors have their own noise level, these noise (spurious) pulses contribute to the level of quantum errors in the key. When using schemes (10, 11) with one ADP detector (101), fewer noise pulses are formed, which leads to a decrease in the level of quantum errors in the key.
[0045] Для правильной работы приемного узла (100) перед детектором одиночных фотонов APD (101) переключатель (102) подставляет оптические элементы (103), которые позволяют декодировать сигнал, состоящий из различных квантовых состояний фотона. Как указывалось выше, конструкция переключателя (102) может быть различной на основе вращения, перемещения, отклонения и т.д., или он может состоять из нескольких переключателей. При этом количество оптических элементов (103) может варьироваться, исходя их необходимости формирования требуемого отклонения оптического луча на требуемый угол (например, 4, 6, 8 элементов и т.п.).[0045] For correct operation of the receiving unit (100), in front of the single photon detector APD (101), the switch (102) substitutes optical elements (103) that allow decoding a signal consisting of various quantum states of a photon. As mentioned above, the switch (102) can be different in design based on rotation, movement, deflection, etc., or it can be composed of several switches. In this case, the number of optical elements (103) can be varied based on their need to form the required deflection of the optical beam at the required angle (for example, 4, 6, 8 elements, etc.).
[0046] К моменту прихода фотона от узла передатчика к приемнику (100) переключатель (102) случайным образом ставит один из оптических элементов (103) перед APD (101). Скорость генерации ключа пропорциональна скорости работы переключателя (102).[0046] By the time a photon arrives from the transmitter unit to the receiver (100), the switch (102) randomly places one of the optical elements (103) in front of the APD (101). The key generation rate is proportional to the operating speed of the switch (102).
[0047] Наиболее часто используемый протокол для поляризационного кодирования - это протокол ВВ84 [1-4]. При кодировании квантовых состояний в протоколе ВВ84 используется четыре поляризации излучения (фотонов) 0, -45, +45 и +90 градусов. Узел передатчика (200) Алиса (Фиг. 4) генерирует такие фотоны и направляет их в канал связи, в данном случае по открытому пространству, например, квантовый канал. Эти одиночные фотоны поступают на вход заявленного приемника (100) Боба.[0047] The most commonly used protocol for polarization coding is the BB84 protocol [1-4]. When encoding quantum states in the BB84 protocol, four polarizations of radiation (photons) 0, -45, +45 and +90 degrees are used. The transmitter unit (200) Alice (Fig. 4) generates such photons and directs them to a communication channel, in this case, through an open space, for example, a quantum channel. These single photons arrive at the input of Bob's declared receiver (100).
[0048] Рассмотрим случай, когда на вход приемного узла приходят фотоны с поляризацией 0, -45, +45 и +90 градусов (Фиг. 1). Для правильной работы приемного узла (100) оптические элементы (103) в схеме (10) могут представлять собой пленочные поляризаторы с коэффициентом разделения по поляризации выше 1:100.[0048] Consider the case when photons with
[0049] В частности, для протокола ВВ84 требуется три поляризатора. В таком случае одно окно в переключателе (102) остается пустым, в других окнах стоят поляризаторы с ориентацией -45, +45 и +90 градусов. К «Базису 1» будет относиться окно без поляризатора и с поляризатором 90 градусов. К «Базису 2» будут относиться поляризаторы -45 или +45 градусов. Всего для протокола ВВ84 нужно четыре оптических элемента (103).[0049] In particular, the BB84 protocol requires three polarizers. In this case, one window in the switch (102) remains empty, in the other windows there are polarizers with an orientation of -45, +45 and +90 degrees. The "
[0050] К моменту прихода фотона от передатчика (200) к приемнику (100) переключатель (102) случайным образом ставит один из оптических элементов (103) перед детектором. Скорость генерации ключа пропорциональна скорости работы переключателя. Управление переключателем (102) осуществляется с помощью программного алгоритма, реализуемого вычислительным устройством, связанным с приемником (100). Работа алгоритма связана с работой программы распределения случайного ключа.[0050] By the time a photon arrives from the transmitter (200) to the receiver (100), the switch (102) randomly places one of the optical elements (103) in front of the detector. The key generation rate is proportional to the operating speed of the switch. The switch (102) is controlled by a software algorithm implemented by a computing device associated with the receiver (100). The operation of the algorithm is related to the operation of the random key distribution program.
[0051] Если на вход приемника (100) пришел фотон с вертикальной поляризацией - 0 градусов, то этот фотон имеет значение «0» в вертикально-горизонтальном базисе «Базис 1». Существует один из четырех вариантов расположения оптических элементов (103) перед APD (101). Если перед APD (101) переключатель (102) установил оптический элемент (103) без поляризатора, то APD (101) сработает на этот фотон.[0051] If a photon with vertical polarization - 0 degrees came to the input of the receiver (100), then this photon has a value of "0" in the vertical-horizontal basis "
[0052] Здесь и далее для упрощения полагается, что квантовая эффективность детектора одиночных фотонов APD (101) равна 100%. Если перед APD (101) переключатель (102) установит в этот момент поляризатор с ориентацией 90 градусов, то APD (101) не сработает. Если перед APD (101) переключатель (102) установит поляризатор -45 или +45 градусов, то APD (101) зарегистрирует фотон с вероятностью 50%.[0052] Hereinafter, for simplicity, it is assumed that the quantum efficiency of the single photon detector APD (101) is 100%. If before the APD (101) the switch (102) sets at this moment the polarizer with the orientation of 90 degrees, then the APD (101) will not work. If before the APD (101) switch (102) sets the polarizer -45 or +45 degrees, then APD (101) will register a photon with a probability of 50%.
[0053] Если APD (101) зарегистрировал фотон, то по открытому каналу связи Алиса (200) сообщает, в каком базисе был подготовлен и отправлен к Бобу (100) этот фотон. Если для кодирования у Алисы (200) применялся «Базис 1», и APD (101) сработал при оптическом элементе (103) без поляризатора, то это срабатывание APD (101) учитывается в квантовом ключе со значением «0». Если APD (101) сработал, когда переключатель (102) подставлял оптический элемент (103) с поляризаторами -45 или +45 градусов (относящиеся к «Базису 2»), то это срабатывание APD (101) не учитывается.[0053] If APD (101) registered a photon, then Alice (200) informs through the open communication channel in which basis this photon was prepared and sent to Bob (100). If Alice (200) used "
[0054] Таким образом, если APD (101) зарегистрировал фотон, то значение этого фотона включается в квантовый ключ при условии совпадения базисов испускания блоком Алиса (200) и приемника Боб (100). Если базис испускания блоком Алисы (200) не совпадает с базисом блоком приема Боба (100), то данное срабатывание APD (101) не учитывается и не участвует в формировании квантового ключа.[0054] Thus, if APD (101) registered a photon, then the value of this photon is included in the quantum key, provided that the bases of emission by the Alice (200) unit and the receiver Bob (100) coincide. If the basis of emission by Alice's block (200) does not coincide with the basis of Bob's receiving unit (100), then this APD triggering (101) is not taken into account and does not participate in the formation of the quantum key.
[0055] В одном из частных случаев, представленных на Фиг. 2Б, если на вход приемного узла (100) приходят фотоны с поляризацией, отличной от 0, -45, +45 и +90 градусов, то в оптической схеме (10) дополнительно применяется поляризационный контроллер (105). Поляризационный контроллер (105) используется для изменения поляризации до нужных величин 0, -45, +45 и +90 градусов.[0055] In one of the special cases shown in FIG. 2B, if photons with polarizations other than 0, -45, +45, and +90 degrees arrive at the input of the receiving unit (100), then a polarization controller (105) is additionally used in the optical scheme (10). The polarization controller (105) is used to change the polarization to the desired values of 0, -45, +45 and +90 degrees.
[0056] Кроме протокола ВВ84 из уровня техники также известен протокол «шести состояний» (Six-state protocol - SSP) [5], который тоже может применяться для распределения квантового ключа по открытому пространству. При кодировании квантовых состояний в протоколе SSP используется шесть поляризаций 0, -45, +45 и +90 градусов, циркулярная право- вращающаяся и циркулярная лево- вращающаяся. Эти состояния объединяются в три базиса.[0056] In addition to the BB84 protocol, the Six-state protocol (SSP) [5] is also known from the prior art [5], which can also be used to distribute a quantum key over an open space. When encoding quantum states in the SSP protocol, six polarizations of 0, -45, +45 and +90 degrees are used, circular right-handed and circular left-handed. These states are combined into three bases.
[0057] Состояния с поляризацией 0 и 90 градусов составляют первый базис - «Базис 1». Состояния с поляризацией -45,+45 градусов составляют второй базис - «Базис 2». Состояния фотонов с поляризацией циркулярная правовращающаяся и циркулярная левовращающаяся можно объединить в третий базис «Базис 3».[0057] The states with polarizations of 0 and 90 degrees constitute the first basis - "
[0058] Для правильной работы заявленной оптической схемы (10) приемного узла в этом протоколе, одно отверстие в переключателе (102) остается пустым, в трех окнах стоят элементы (103) в виде поляризаторов с ориентацией -45, +45 и +90 градусов, в пятом и шестом окнах четвертьволновые пластинки с поляризатором.[0058] For the correct operation of the declared optical scheme (10) of the receiving node in this protocol, one hole in the switch (102) remains empty, in three windows there are elements (103) in the form of polarizers with an orientation of -45, +45 and +90 degrees , in the fifth and sixth windows there are quarter-wave plates with a polarizer.
[0059] Алгоритм получения квантового ключа аналогичен протоколу ВВ84. Переключатель (102) случайным образом подставляет один из оптических элементов (103) под приходящий фотон. Если APD (101) зарегистрировал фотон, то значение этого фотона включается в квантовый ключ при условии совпадения базисов испускания и приема. Если базис испускания (у Алисы) не совпадает с базисом приема (у Боба), то это срабатывание APD (101) отбрасывается и не участвует в формировании квантового ключа.[0059] The algorithm for obtaining a quantum key is similar to the BB84 protocol. The switch (102) randomly substitutes one of the optical elements (103) for the incoming photon. If APD (101) registered a photon, then the value of this photon is included in the quantum key, provided that the bases of emission and reception coincide. If the emission basis (for Alice) does not coincide with the reception basis (for Bob), then this APD trigger (101) is discarded and does not participate in the formation of the quantum key.
[0060] Пример.[0060] Example.
Предположим, что блок Алисы испустил фотон с поляризацией 0 градусов в базисе 1. Блок Боба при приеме этого фотона осуществил подстановку оптического элемента, который относится к базису 2. Если APD сработал, то это срабатывание APD удаляется из последовательности квантового ключа. Если при работе переключателя в блоке Боба осуществляется подстановка оптического элемента из базиса 1 и APD сработал, то такое срабатывание детектора учитывается при формировании ключа.Suppose that Alice's block emitted a photon with a polarization of 0 degrees in
[0061] При кодировании квантовых состояний по поляризации на основе других протоколов оптические элементы (103) могут состоять из требуемых для этого протокола волновых пластинок и поляризаторов.[0061] When encoding quantum states by polarization based on other protocols, the optical elements (103) may consist of wave plates and polarizers required for this protocol.
[0062] Рассмотрим случай, когда на входе приемника (100) нет поляризационного контроллера (105). Дополнительно при этом на пути от передатчика к приемнику в оптическом канале вносятся искажения поляризации и на вход приемника (100) поступают фотоны с поляризацией, отличной от требуемой для правильной работы приемника (100). Для протокола ВВ84 это поляризация фотонов 0, -45, +45 и +90 градусов.[0062] Consider the case where there is no polarization controller (105) at the input of the receiver (100). In addition, on the way from the transmitter to the receiver, polarization distortions are introduced in the optical channel, and photons with a polarization different from that required for the correct operation of the receiver (100) arrive at the input of the receiver (100). For the BB84 protocol, this is the polarization of
[0063] Тогда для данного случая применяется вариант оптической схемы (11), представленный на Фиг. 3. В таком случае оптические элементы (103) могут состоять из волновых пластинок или набора волновых пластинок. Каждый такой оптический элемент (103) представляет собой поляризационный контроллер, который восстанавливает поляризацию входящих фотонов до линейной (например, до 0, -45, +45 и +90 градусов) и поворачивает плоскость поляризации так, чтобы она соответствовала плоскости поляризации поляризатора Р (104) перед детектором одиночных фотонов (101). Эти элементы объединяются в базисы, которые соответствуют базисам передатчика.[0063] Then, for this case, a variant of the optical scheme (11) shown in FIG. 3. In such a case, the optical elements (103) may consist of wave plates or a set of wave plates. Each such optical element (103) is a polarization controller that restores the polarization of incoming photons to linear (for example, to 0, -45, +45 and +90 degrees) and rotates the polarization plane so that it corresponds to the polarization plane of the polarizer P (104 ) in front of the single photon detector (101). These elements are combined into bases that correspond to the bases of the transmitter.
[0064] Рассмотрим пример работы оптической схемы (11) приемника (100).[0064] Consider an example of the operation of the optical circuit (11) of the receiver (100).
[0065] Пусть поляризатор Р (104) Фиг. 3 ориентирован таким образом, чтобы обеспечивать пропускание поляризации 0 градусов, и исключает пропускание поляризации в 90 градусов.[0065] Let the polarizer P (104) of FIG. 3 is oriented to provide 0 degree polarization transmission and excludes 90 degree polarization transmission.
[0066] Рассмотрим фотон, который испускается передатчиком с линейной поляризацией от узла Алисы (200), имеет поляризацию 0 градусов в базисе 1. По пути распространения от узла (200) к передатчику из-за свойств среды он меняет свою поляризацию. Соответствующий оптический элемент (103) в приемнике на переключателе для этой поляризации фотона от Алисы (102) должен восстанавливать линейную поляризацию этого излучения и осуществлять ее поворот таким образом, чтобы направление было равно 0 градусов.[0066] Consider a photon that is emitted by a linearly polarized transmitter from Alice's node (200), has a polarization of 0 degrees in
[0067] Рассмотрим фотон, который испускается передатчиком с линейной поляризацией от узла Алисы (200), имеет поляризацию 90 градусов в базисе 1. По пути распространения от узла (200) к передатчику из-за свойств среды он меняет свою поляризацию. Соответствующий оптический элемент (103) в приемнике на переключателе для этой поляризации фотона от Алисы (102) должен восстанавливать линейную поляризацию этого излучения и осуществлять ее поворот таким образом, чтобы направление было равно 0 градусов.[0067] Consider a photon that is emitted by a linearly polarized transmitter from Alice's node (200), has a polarization of 90 degrees in
[0068] Рассмотрим фотон, который испускается передатчиком с линейной поляризацией от узла Алисы (200), имеет поляризацию -45 градусов в базисе 2. По пути распространения от узла (200) к передатчику из-за свойств среды он меняет свою поляризацию. Соответствующий оптический элемент (103) в приемнике на переключателе для этой поляризации фотона от Алисы (102) должен восстанавливать линейную поляризацию этого излучения и осуществлять ее поворот таким образом, чтобы направление было равно 0 градусов.[0068] Consider a photon that is emitted by a linearly polarized transmitter from Alice's node (200), has a polarization of -45 degrees in
[0069] Рассмотрим фотон, который испускается передатчиком с линейной поляризацией от узла Алисы (200), имеет поляризацию +45 градусов в базисе 2. По пути распространения от узла (200) к передатчику из-за свойств среды он меняет свою поляризацию. Соответствующий оптический элемент (103) в приемнике на переключателе для этой поляризации фотона от Алисы (102) должен восстанавливать линейную поляризацию этого излучения и осуществлять ее поворот таким образом, чтобы направление было равно 0 градусов.[0069] Consider a photon that is emitted by a linearly polarized transmitter from Alice's node (200), has a polarization of +45 degrees in
[0070] При кодировании квантовых состояний по поляризации на основе других протоколов оптические элементы (103) могут состоять из требуемых для этого протокола волновых пластинок.[0070] When encoding quantum states by polarization based on other protocols, the optical elements (103) can be composed of waveplates required for this protocol.
[0071] Представленные материалы заявки раскрывают предпочтительные примеры реализации технического решения и не должны трактоваться как ограничивающие иные, частные примеры его воплощения, не выходящие за пределы испрашиваемой правовой охраны, которые являются очевидными для специалистов соответствующей области техники.[0071] The presented application materials disclose preferred examples of the implementation of the technical solution and should not be construed as limiting other, particular examples of its implementation, not going beyond the scope of the claimed legal protection, which are obvious to specialists in the relevant field of technology.
Источники информации:Sources of information:
1. Беннет и др. Bennett, С.H., Bessette, F., Brassard, G. et al. Experimental quantum cryptography. J. Cryptology 5, 3-28 (1992). https://doi.org/10.1007/BF00191318.1. Bennett et al. Bennett, C. H., Bessette, F., Brassard, G. et al. Experimental quantum cryptography. J. Cryptology 5,3-28 (1992). https://doi.org/10.1007/BF00191318.
2. Quantum cryptography Nicolas Gisin, Gregoire Ribordy, Wolfgang Tittel, and Hugo Zbinden Rev. Mod. Phys. 74, 145 DOI: https://doi.org/10.1103/RevModPhys.74.1453.2. Quantum cryptography Nicolas Gisin, Gregoire Ribordy, Wolfgang Tittel, and Hugo Zbinden Rev. Mod. Phys. 74, 145 DOI: https://doi.org/10.1103/RevModPhys.74.1453.
3. Оптика спектроскопия. Генерация квантового ключа на основе кодирования поляризационных состояний фотонов Оптика и спектроскопия,, 2004, т. 96, вып. 5, с. 772 776. Курочкин В.Л., Рябцев И.И., Неизвестный И.Г.3. Optics spectroscopy. Generation of a quantum key based on the coding of polarization states of photons Optics and Spectroscopy, 2004, vol. 96, no. 5, p. 772 776. V. L. Kurochkin, I. I. Ryabtsev, I. G. Unknown.
4. Liao, SK., Cai, WQ., Liu, WY. et al. Satellite-to-ground quantum key distribution. Nature 549, 43-47 (2017). https://doi.ora/10.1038/nature23655.4. Liao, SK., Cai, WQ., Liu, WY. et al. Satellite-to-ground quantum key distribution. Nature 549, 43-47 (2017). https: //doi.ora/10.1038/nature23655.
5. Bruss, D., 1998, "Optimal eavesdropping in quantum cryptography with six states," Phys. Rev. Lett. 81, 3018 3021.5. Bruss, D., 1998, "Optimal eavesdropping in quantum cryptography with six states," Phys. Rev. Lett. 81, 3018 3021.
Claims (21)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2021103096A RU2754758C1 (en) | 2021-02-09 | 2021-02-09 | Optical circuit of the receiver with one detector and the system for quantum key distribution (options) |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2021103096A RU2754758C1 (en) | 2021-02-09 | 2021-02-09 | Optical circuit of the receiver with one detector and the system for quantum key distribution (options) |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2754758C1 true RU2754758C1 (en) | 2021-09-07 |
Family
ID=77669971
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2021103096A RU2754758C1 (en) | 2021-02-09 | 2021-02-09 | Optical circuit of the receiver with one detector and the system for quantum key distribution (options) |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2754758C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2814445C1 (en) * | 2023-03-02 | 2024-02-28 | Открытое Акционерное Общество "Российские Железные Дороги" | Quantum cryptography system based on entangled polarization states of photons with active choice of measurement basis |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US9575260B2 (en) * | 2014-03-31 | 2017-02-21 | Lumentum Operations Llc | Wavelength selective switch using orthogonally polarized optical beams |
RU2621605C2 (en) * | 2015-10-02 | 2017-06-06 | Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ | Quantum key distribution network |
US20200274703A1 (en) * | 2019-02-26 | 2020-08-27 | Joseph M. Lukens | Quantum frequency processor for provable cybersecurity |
-
2021
- 2021-02-09 RU RU2021103096A patent/RU2754758C1/en active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US9575260B2 (en) * | 2014-03-31 | 2017-02-21 | Lumentum Operations Llc | Wavelength selective switch using orthogonally polarized optical beams |
RU2621605C2 (en) * | 2015-10-02 | 2017-06-06 | Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ | Quantum key distribution network |
US20200274703A1 (en) * | 2019-02-26 | 2020-08-27 | Joseph M. Lukens | Quantum frequency processor for provable cybersecurity |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
статья "Как обойти "No-communication theorem"? Передача информации сквозь пространство и время", размещенную [он-лайн] [24.04.2020] в сети Интернет по адресу URL: http://othermedia.info/?p=45704, глава "Анализ no-communication theorem". * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2814445C1 (en) * | 2023-03-02 | 2024-02-28 | Открытое Акционерное Общество "Российские Железные Дороги" | Quantum cryptography system based on entangled polarization states of photons with active choice of measurement basis |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US8295485B2 (en) | Quantum communication system | |
US8374350B2 (en) | Quantum communication system | |
JP6303034B2 (en) | Communication system and method | |
Dušek et al. | Quantum cryptography | |
US9071425B2 (en) | Quantum communication system | |
Wei et al. | Implementation security of quantum key distribution due to polarization-dependent efficiency mismatch | |
PL239636B1 (en) | Method of a cryptographic quantum key distribution using very weak beams of light, a transmitter, a receiver, a set of receivers and a system for a cryptographic quantum key distribution using very weak beams of light, a method of transmitting a cryptographic key using very weak beams of light, and a method of receiving a cryptographic key using very weak light beams | |
KR102121027B1 (en) | Apparatus and method for measurement immune quantum key distribution | |
WO2005053219A1 (en) | Communication system and communication method using the same | |
JP4936157B2 (en) | Quantum cryptographic communication method and quantum cryptographic communication device | |
RU2754758C1 (en) | Optical circuit of the receiver with one detector and the system for quantum key distribution (options) | |
Kawakami et al. | Security of the differential-quadrature-phase-shift quantum key distribution | |
JPH10504694A (en) | Quantum cryptography | |
RU2754390C1 (en) | Optical circuit of receiver and system for quantum key distribution | |
Alaghbari et al. | Adaptive modulation for continuous-variable quantum key distribution with real local oscillators under phase attack | |
Mitsumori et al. | Experimental demonstration of quantum source coding | |
Nandal et al. | A survey and comparison of some of the most prominent QKD protocols | |
Stipčević | Preventing detector blinding attack and other random number generator attacks on quantum cryptography by use of an explicit random number generator | |
Traina et al. | Review on recent groundbreaking experiments on quantum communication with orthogonal states | |
Melnik et al. | Photonic interface between subcarrier wave and dual-rail encodings | |
Luda et al. | Manipulating transverse modes of photons for quantum cryptography | |
Rios | Experimental Characterization of a Discrete Gaussian-Modulated Quantum Key Distribution System | |
Birkmann | Towards compact high-altitude-platform based quantum key distribution | |
Jacak et al. | Quantum cryptography: Theoretical protocols for quantum key distribution and tests of selected commercial qkd systems in commercial fiber networks | |
CN116980126B (en) | Reconfigurable and expandable quantum key distribution network |