RU2758711C1 - Устройство квантовой рассылки симметричной битовой последовательности на поднесущей частоте модулированного излучения с гетеродинным методом приема - Google Patents

Устройство квантовой рассылки симметричной битовой последовательности на поднесущей частоте модулированного излучения с гетеродинным методом приема Download PDF

Info

Publication number
RU2758711C1
RU2758711C1 RU2020130400A RU2020130400A RU2758711C1 RU 2758711 C1 RU2758711 C1 RU 2758711C1 RU 2020130400 A RU2020130400 A RU 2020130400A RU 2020130400 A RU2020130400 A RU 2020130400A RU 2758711 C1 RU2758711 C1 RU 2758711C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
fpga
sender
optical
phase modulator
computer
Prior art date
Application number
RU2020130400A
Other languages
English (en)
Inventor
Роман Константинович Гончаров
Эдуард Олегович Самсонов
Александр Вячеславович Зиновьев
Максим Алексеевич Фадеев
Алексей Альбертович Сантьев
Борис Евгеньевич Первушин
Владимир Ильич Егоров
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "СМАРТС-Кванттелеком"
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 Общество с ограниченной ответственностью "СМАРТС-Кванттелеком" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "СМАРТС-Кванттелеком"
Priority to RU2020130400A priority Critical patent/RU2758711C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2758711C1 publication Critical patent/RU2758711C1/ru

Links

Images

Classifications

    • 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
    • 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)
  • Computer Security & Cryptography (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Optical Communication System (AREA)

Abstract

Изобретение относится к системам фотонной квантовой связи. Технический результат заключается в обеспечении устройства квантовой рассылки симметричных битовых последовательностей с расширенной областью применения. Устройство содержит блок отправителя, включающий в себя соединенные посредством волоконно-оптического тракта источник когерентного излучения, оптический изолятор, оптический фазовый модулятор и аттенюатор, а также блок получателя, оптического циркулятора, спектрального фильтра, осуществляющего разделение и направление оптического излучения в соответствующие плечи балансного детектора, кроме того, блок отправителя включает в себя ЭВМ и подключенную к ней ПЛИС, к ПЛИС на стороне отправителя подключены генератор управляющих напряжений (ГУН) и вход электрического фазового модулятора, выход которого подключен к оптическому фазовому модулятору, кроме того, к электрическому фазовому модулятору подключено устройство фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), которое, в свою очередь, сопряжено с генератором управляющих напряжений, также ПЛИС соединена c модулем стандарта SFP отправителя, который, в свою очередь, по волоконно-оптической линии связи соединен с модулем стандарта SFP блока получателя, блок получателя также включает в себя ЭВМ, сопряженную с ней ПЛИС, соединенные с ПЛИС фильтр низких частот, кроме того, в блоке получателя присутствует анализатор сигнала, сопряженный с ЭВМ и выходом балансного детектора. 2 ил.

Description

Настоящее изобретение относится к оптической технике, а именно к системам фотонной квантовой связи.
Известно устройство квантовой рассылки симметричных битовых последовательностей [Hirano и др. Quantum Sci Technol 2 (2017) 024010], базирующееся на когерентном методе приема. Битовая последовательность может быть распределена на расстояние 60 км при заданных условиях процессов последующей обработки.
Представленные устройства [Патент CN105024809B, дата приоритета 22.07.2015 МКИ: H04L9/08], [Патент CN102724036B, дата приоритета 04.06.2012. МКИ: H04L9/08, H04L27/26] обладают следующими недостатками: применение одномодовых когерентных состояний, то есть у сигнала малой мощности нет готового дополнительного опорного когерентного сигнала и нет опорной нулевой фазы; низкая спектральная эффективность и неустойчивость к внешним условиям, оказывающим воздействие на оптическое волокно.
Известно устройство квантовой рассылки симметричной битовой последовательности на поднесущей (боковой) частоте модулированного излучения [Патент RU2454810C1, дата приоритета 24.11.2010. МКИ: H04L 9/08], являющееся наиболее близким к описываемому. Так как здесь применяются многомодовые когерентные состояния, фаза несущей моды принимается за опорную, само же наличие согласованной несущей моды в квантовом канале обеспечивает дополнительную защиту от атак вида расщепления фотонов, так как можно обеспечивать дополнительный мониторинг интенсивности. В блоке получателя основной составляющей частью является крупногабаритный детектор одиночных фотонов (ДОФ), поэтому мощность принимаемых сигнальных импульсов остается достаточно малой. Данное устройство можно принять как прототип заявленного решения. Упомянутый ДОФ является существенным недостатком, препятствующий получению технического результата, который обеспечивается заявляемым изобретением.
ДОФ также не только крупногабаритны, но и сложны в производстве, в то время как балансный вычитающий детектор с низким уровнем шума может быть собран из стандартного телекоммуникационного оборудования.
Настоящее изобретение разрабатывается на основе существующей установки квантовой рассылки симметричных битовых последовательностей на поднесущих частотах модулированного излучения. Техническая часть передающего модуля остается неизменной, в то время как принимающий модуль переработан. В терминах упрощенной теоретической модели работа системы описывается следующим образом:
— отправитель посредством фазовой модуляции генерирует многомодовое когерентное состояние, записывая в его фазе квантовую информацию;
— отправитель осуществляет отправку состояния через квантовый канал;
— получатель на принимающей стороне методами спектральной фильтрации разделяет «левые» и «правые» спектральные компоненты на боковых частотах, вместе с этим одна половина сигнала на центральной частоте остается с «правой» спектральной компонентой, другая половина — с левой, таким образом сигнал на несущей частоте в целом играет роль локального осциллятора;
— полученные сигналы, аналогичные результирующим сигналам в классических схемах гетеродинирования, разносятся по разным плечам вычитающего балансного детектора: постоянные шумовые составляющие в обоих плечах одинаковы, а гармонические — отличаются друг от друга на π, вследствие чего их вычитание увеличивает конечную амплитуду;
— осуществляется процесс демодуляции с помощью анализатора сигнала, исходя из полученных данных на котором будет получена двоичная информация о вносимой отправителем фазе и далее будет сформирована симметричная битовая последовательность.
Техническим результатом является уменьшение размеров принимающего модуля, снижение стоимости конечной системы, и повышение уровня его ремонтопригодности, так как вычитающий балансный детектор представляет собой стандартный телекоммуникационный элемент.
Заявленное устройство делится на сторону отправителя и получателя. Сторона отправителя содержит источник когерентного излучения, оптический изолятор, оптический фазовый модулятор и аттенюатор. Генератор управляющих напряжений (ГУН) соединен с ЭВМ через программируемю логическую интегральную схему (ПЛИС). С другой стороны, ГУН подсоединен к модулятору электрического сигнала через устройство фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Кроме того, этот фазовый модулятор соединен с ПЛИС, которая, помимо всего прочего, подключена к модулю стандарта SFP (SFP-модулю) и аттенюатору.
Сторона получателя содержит циркулятор, отводящий излучение, отраженное от спектрального фильтра, через второй выходной порт. На стороне получателя также установлен балансный детектор, который является покупным изделием и отдельно не рассматривается. Детектор подключен к анализатору сигнала, который, в свою очередь, соединен с ЭВМ.
Управляющие пользовательские модули содержат SFP-модули. Для синхронизационного сигнала установлен фильтр низких частот.
Дополнительные особенности устройства будут изложены в последующем описании, способ работы будет также конкретизирован далее и подкреплен математическими выкладками. Преимущества изобретения будут реализованы и достигнуты устройством изобретения, изложенном в письменном описании и формуле изобретения, а также на прилагаемых чертежах.
Описания заявленного устройства подаются в пояснительной форме и направлены на объяснение основных принципов работы изобретения и уточнение его отличий от ранее заявленных подобных изобретений.
Фиг. 1 иллюстрирует функциональную схему заявленного устройства КРК.
Фиг. 2 иллюстрирует профиль спектрального фильтра.
Изобретение реализует генерацию, передачу и прием квантовой информации, содержащейся в фазе многомодовых когерентных состояний, по волоконному квантовому каналу. Устройство разработано таким образом, что может быть собрано из стандартного телекоммуникационного оборудования. Ниже рассматриваются математическая модель системы в упрощенном классическом виде и оптическая схема.
Как показано на Фиг. 1, заявляемое устройство КРК состоит из стороны отправителя битовой последовательности и принимающей стороны. Сторона отправителя содержит оптически сопряженные (оптические каналы изображены толстым пунктиром) источник когерентного излучения (1), оптический изолятор (2), оптический фазовый модулятор излучения (3) и аттенюатор (4). ЭВМ (5) соединена с ПЛИС (6), которая, в свою очередь, подключена к ГУН (7). Сигнал от ГУН (7) подается на устройство ФАПЧ (8), после чего поступает на фазовый модулятор электрического сигнала (9). Кроме того, этот фазовый модулятор соединен с ПЛИС (6). ПЛИС (6) подает сигнал на SFP-модуль (10) и аттенюатор (4).
После прохождения аттенюатора (4) излучение посылается на сторону получателя. Далее излучение проходит через циркулятор (11), поступает на спектральный фильтр (12). Часть излучения проходит фильтр и поступает на первое плечо (13а) балансного детектора (13). Другая же часть излучения отражается на спектральном фильтре (12), проходит через циркулятор (11) и поступает на второе плечо (13б) балансного детектора (13). После чего сигнал с балансного детектора поступает на анализатор сигнала (14). Анализатор сигнала посылает результат обработки на ЭВМ (15).
Управляющая данным процессом электрическая часть у получателя выглядит следующим образом. Сигнал для синхронизации, который отправитель посылает через модуль стандарта SFP (10), приходит на SFP-модуль (16) получателя. Синхронизационный сигнал проходит фильтр низких частот (17) и поступает на ЭВМ (15).
Устройство КРК работает следующим образом. Источник когерентного излучения (1) генерирует световой пучок, проходящий через защищающий от отраженного света лазер оптический изолятор (2). Затем излучение модулируется на электрооптическом фазовом модуляторе (3) синусоидальным сигналом с внесенной отправителем фазой. Для получения модулирующего сигнала ГУН (7) генерирует колебания на тактовой частоте, которое используется для синхронизации системы. Сигнал от ГУН (7) подается на ФАПЧ (8), на котором с помощью умножения частоты получают выходной сигнал на частоте модуляции. Затем данный сигнал поступает на электрический фазовый модулятор (9), на котором вносится одна из двух фаз, разность между которыми составляет π; с помощью модулирующего сигнала от ПЛИС (6). Этот сигнал выступает модулирующим в модуляторе (3). В таком случае информация о фазе находится в так называемых боковых частотных полосах, амплитуда которых должна быть много меньше амплитуды центральной полосы. То есть мощность излучения должна быть такова, чтобы на боковых частотах на один бит приходилось в среднем меньше одного фотона. Необходимые мощности достигаются с помощью аттенюатора (4), управляемого с помощью ПЛИС (6).
На стороне получателя сигнал через циркулятор (11) приходит на спектральный фильтр (12), пропускающий излучение на меньшей («левой») боковой частоте (относительно центральной) и половину излучения на центральной частоте и отражающий излучение на большей («правой») боковой частоте и вторую половину излучения на центральной частоте (профиль фильтра приведен на Фиг. 2.). При подобном разделении, на балансном детекторе (13) в результате вычитания поля в верхнем и нижнем плечах балансного детектора будут следующими:
(1)
Figure 00000001
где E 0 — амплитуда исходного поля;
ω - = ω - Ω, ω + = ω + Ω;
ω — частота исходного сигнала;
Ω — частота модулирующего сигнала;
m a — индекс модуляции отправителя;
φa— фаза, заданная на модуляторе отправителя;
J k (m) — функция Бесселя первого рода.
Выходное напряжение в отсутствие дополнительных шумов есть:
(2)
где G — коэффициент усиления встроенных в схему детектора усилителей;
R(λ) — чувствительность фотодиодов.
Затем результирующий сигнал балансного детектора поступает на анализатор сигнала (14), результат работы которого приходит на ЭВМ (15).
Для синхронизации пользователей ПЛИС отправителя посылает через его же SFP-модуль (10) синхронизационный сигнал, который получатель принимает на своем SFP-модуле (16). Получаемый сигнал синхронизации проходит фильтр низких частот (17), после чего приходит на ЭВМ (15).

Claims (1)

  1. Устройство квантовой рассылки симметричных битовых последовательностей, содержащее блок отправителя, включающий в себя соединенные посредством волоконно-оптического тракта источник когерентного излучения, оптический изолятор, оптический фазовый модулятор и аттенюатор, а также блок получателя, оптического циркулятора, спектрального фильтра, осуществляющего разделение и направление оптического излучения в соответствующие плечи балансного детектора, кроме того, блок отправителя включает в себя ЭВМ и подключенную к ней ПЛИС, к ПЛИС на стороне отправителя подключены генератор управляющих напряжений (ГУН) и вход электрического фазового модулятора, выход которого подключен к оптическому фазовому модулятору, кроме того, к электрическому фазовому модулятору подключено устройство фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), которое, в свою очередь, сопряжено с генератором управляющих напряжений, также ПЛИС соединена c модулем стандарта SFP отправителя, который, в свою очередь, по волоконно-оптической линии связи соединен с модулем стандарта SFP блока получателя, блок получателя также включает в себя ЭВМ, сопряженную с ней ПЛИС, соединенные с ПЛИС фильтр низких частот, кроме того, в блоке получателя присутствует анализатор сигнала, сопряженный с ЭВМ и выходом балансного детектора.
RU2020130400A 2020-09-15 2020-09-15 Устройство квантовой рассылки симметричной битовой последовательности на поднесущей частоте модулированного излучения с гетеродинным методом приема RU2758711C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020130400A RU2758711C1 (ru) 2020-09-15 2020-09-15 Устройство квантовой рассылки симметричной битовой последовательности на поднесущей частоте модулированного излучения с гетеродинным методом приема

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020130400A RU2758711C1 (ru) 2020-09-15 2020-09-15 Устройство квантовой рассылки симметричной битовой последовательности на поднесущей частоте модулированного излучения с гетеродинным методом приема

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2758711C1 true RU2758711C1 (ru) 2021-11-01

Family

ID=78466798

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020130400A RU2758711C1 (ru) 2020-09-15 2020-09-15 Устройство квантовой рассылки симметричной битовой последовательности на поднесущей частоте модулированного излучения с гетеродинным методом приема

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2758711C1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2816542C2 (ru) * 2022-08-12 2024-04-01 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ" Способ детектирования фотонных кубитов, закодированных на фазах поднесущих частот: φ = 0, π/4, π/2, 3π/4

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6272224B1 (en) * 1997-05-06 2001-08-07 France Telecom Method and apparatus for quantum distribution of an encryption key
US20040086280A1 (en) * 2000-12-12 2004-05-06 Laurent Duraffourg System for secure optical transmission of binary code
RU2302085C1 (ru) * 2005-11-16 2007-06-27 Институт физики твердого тела РАН Способ 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
CN105024809A (zh) * 2015-07-22 2015-11-04 上海交通大学 基于高斯调制相干态的长距离连续变量量子密钥分发方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6272224B1 (en) * 1997-05-06 2001-08-07 France Telecom Method and apparatus for quantum distribution of an encryption key
US20040086280A1 (en) * 2000-12-12 2004-05-06 Laurent Duraffourg System for secure optical transmission of binary code
RU2302085C1 (ru) * 2005-11-16 2007-06-27 Институт физики твердого тела РАН Способ 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
CN105024809A (zh) * 2015-07-22 2015-11-04 上海交通大学 基于高斯调制相干态的长距离连续变量量子密钥分发方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2816542C2 (ru) * 2022-08-12 2024-04-01 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ" Способ детектирования фотонных кубитов, закодированных на фазах поднесущих частот: φ = 0, π/4, π/2, 3π/4

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0228888B1 (en) Optical communications system employing coherent detection and method
JP2679953B2 (ja) 高密度光波長分割多重化
EP0352747B1 (en) Frequency separation stabilization method for optical heterodyne or optical homodyne communication
US5305134A (en) Optical frequency division multiplexing transmitter and optical frequency division multiplexing transmission apparatus
CN110011174B (zh) 基于微波光子分频的光学锁相方法及装置
EP1496636A1 (en) Optical device with tunable coherent receiver
US4817206A (en) Optical-fiber transmission system with polarization modulation and heterodyne coherent detection
CN106532421B (zh) 基于光学锁相环的双锁模激光器的多微波本振源产生系统
CN111416667A (zh) 一种宽带信道化接收机
Schrenk et al. A coherent homodyne TO-Can transceiver as simple as an EML
WO2018198873A1 (ja) 光伝送方法および光伝送装置
US20120288274A1 (en) Optical network system and devices enabling data, diagnosis, and management communications
CA3034865A1 (fr) Dispositif et procede photonique de conversion de frequence a double bande
AU782389B2 (en) Method and apparatus for transmitting high-frequency signals in optical communication system
JP3697350B2 (ja) 光送信器
RU2758711C1 (ru) Устройство квантовой рассылки симметричной битовой последовательности на поднесущей частоте модулированного излучения с гетеродинным методом приема
CN215956390U (zh) 微波光子单光频率梳注入锁定的信道化接收装置
CN113612543B (zh) 微波光子单光频率梳注入锁定的信道化接收装置及方法
RU2758709C1 (ru) Устройство квантовой рассылки симметричной битовой последовательности на поднесущей частоте модулированного излучения с гомодинным методом приема
JPH10126341A (ja) 光送信機及び光ネットワークシステム
RU2758708C1 (ru) Устройство квантовой рассылки симметричной битовой последовательности на поднесущей частоте модулированного излучения с двойным гомодинным методом приема
Linke et al. Coherent optical detection: A thousand calls on one circuit: Dazzling applications for both long-distance and local networks are in the offing as experimental systems adapt long-successful radio techniques
Nagatsuma et al. 30-Gbit/s wireless transmission over 10 meters at 300 GHz
Kwong et al. Coherent subcarrier fiber-optic communication systems with phase-noise cancellation
US7444079B2 (en) Optical power control monitor for multiple wavelength fiber-optic networks