RU2794954C1 - Method and device for generating quantum states for protocols with distributed phase coding - Google Patents

Method and device for generating quantum states for protocols with distributed phase coding Download PDF

Info

Publication number
RU2794954C1
RU2794954C1 RU2022133105A RU2022133105A RU2794954C1 RU 2794954 C1 RU2794954 C1 RU 2794954C1 RU 2022133105 A RU2022133105 A RU 2022133105A RU 2022133105 A RU2022133105 A RU 2022133105A RU 2794954 C1 RU2794954 C1 RU 2794954C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
pulses
optical
modulator
output
intensity modulator
Prior art date
Application number
RU2022133105A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Сергей Владимирович Алфёров
Иван Андреевич Паргачёв
Original Assignee
Акционерное Общество "Информационные Технологии И Коммуникационные Системы"
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное Общество "Информационные Технологии И Коммуникационные Системы" filed Critical Акционерное Общество "Информационные Технологии И Коммуникационные Системы"
Application granted granted Critical
Publication of RU2794954C1 publication Critical patent/RU2794954C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: quantum distribution of encryption keys.
SUBSTANCE: invention relates to generating a sequence of coherent pulses in protocols with distributed phase coding. A device for generating quantum states for protocols with distributed phase coding includes a pulsed laser, an optical ring resonator, including a beam splitter, an intensity modulator, a phase modulator, an attenuator, an electronic control device configured to generate and supply control signals to intensity and phase modulators with duration, equal or greater duration of the optical pulse, control delays between the control signals applied to the laser, phase modulator and intensity modulator, select the quantum state using a random number generator.
EFFECT: eliminating the influence of the temporal coherence of the laser on the number of optical pulses in the quantum state for protocols with distributed phase coding; reduction of energy consumption in the formation of quantum states for protocols with distributed phase coding; narrowing the bandwidth of the intensity modulator.
2 cl, 1 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретение Предлагаемое изобретение относится к области квантового распределения ключей шифрования, в частности для генерации последовательности когерентных импульсов в протоколах с распределенным фазовым кодированием (дифференциальным фазовым сдвигом, DPS).Field of the invention The present invention relates to the field of quantum distribution of encryption keys, in particular for generating a sequence of coherent pulses in protocols with distributed phase coding (differential phase shift, DPS).

Уровень техникиState of the art

В системах квантового распределения ключей (КРК) широкое распространение получили протоколы с фазовым кодированием. К плюсам такого подхода можно отнести нечувствительность квантовых состояний к поляризации в волоконной линии что ведет к упрощению конструкции приемной стороны. Среди этих протоколов можно выделить протокол с распределенным фазовым кодированием (DPS). Достоинством указанного протокола является его простота, а именно: минимальное количество уровней модулятора фазы (0, π) упрощает настройку системы, кроме того, нет необходимости в датчике случайных чисел и активных электрооптических устройствах (модулятор фазы, контроллер поляризации) на приемной стороне.In quantum key distribution (QKD) systems, protocols with phase encoding are widely used. The advantages of this approach include the insensitivity of quantum states to polarization in the fiber line, which leads to a simplification of the design of the receiving side. Among these protocols, the distributed phase encoding (DPS) protocol can be distinguished. The advantage of this protocol is its simplicity, namely: the minimum number of phase modulator levels (0, π) simplifies system setup, in addition, there is no need for a random number generator and active electro-optical devices (phase modulator, polarization controller) on the receiving side.

Протокол можно описать следующим образом. Передатчик (Алиса) распределяет фотон в последовательность когерентных оптических импульсов, разделенных временным интервалом Δ. Кодирование бита осуществляется с помощью модулятора фазы, который активируется при прохождении каждого оптического импульса последовательности через модулятор. Полученная последовательность называется квантовым состоянием. Выбор прикладываемых фаз (0 или я) производится на основе случайной последовательности генератора случайных чисел. Декодирование и интерпретация кодируемой информации осуществляется приемником (Боб). Для этого в приемнике устанавливается интерферометр с оптической разностью хода эквивалентной временному интервалу Δ между импульсами. В этом случае соседние импульсы будут интерферировать на выходах интерферометра в зависимости от кодируемой разности фаз. Интерпретация (детектирование) осуществляется с помощью однофотонных детекторов, установленных на выходах интерферометра приемника.The protocol can be described as follows. The transmitter (Alice) distributes the photon into a sequence of coherent optical pulses separated by a time interval Δ. Bit encoding is carried out using a phase modulator, which is activated when each optical pulse of the sequence passes through the modulator. The resulting sequence is called a quantum state. The choice of applied phases (0 or i) is made on the basis of a random sequence of a random number generator. Decoding and interpretation of the encoded information is carried out by the receiver (Bob). To do this, an interferometer with an optical path difference equivalent to the time interval Δ between pulses is installed in the receiver. In this case, adjacent pulses will interfere at the outputs of the interferometer depending on the encoded phase difference. Interpretation (detection) is carried out using single-photon detectors installed at the outputs of the receiver interferometer.

Описание реализации протокола было сделано в публикации (K. Inoue, Е. Waks, Y. Yamamoto: "Differential Phase Shift Quantum Key Distribution", Phys. Rev. Lett., 89(3), 037902, 2002). Согласно публикации, фотон из источника единичных (одиночных) фотонов разделяется на три части в трехлучевом интерферометре Маха-Цандера (ИМЦ). Временные задержки в плечах по отношению к самому короткому равны А и 2А. Коэффициенты деления в плечах ИМЦ обеспечивают равновероятное прохождение фотона по любому из путей. После выхода из ИМЦ фотон, содержащийся в последовательности из трех равноотстоящих друг от друга по времени импульсов, поступает в модулятор фазы. Далее, фаза каждого из импульсов последовательности случайным образом модулируется с помощью модулятора фазы на величины 0 или π.A description of the implementation of the protocol has been made in the publication (K. Inoue, E. Waks, Y. Yamamoto: "Differential Phase Shift Quantum Key Distribution", Phys. Rev. Lett., 89(3), 037902, 2002). According to the publication, a photon from a source of single (single) photons is divided into three parts in a three-beam Mach-Zehnder interferometer (IMC). Time delays in the shoulders in relation to the shortest are A and 2A. The division coefficients in the arms of the IMC provide equiprobable passage of a photon along any of the paths. After leaving the MMC, a photon contained in a sequence of three pulses equally spaced from each other in time enters the phase modulator. Further, the phase of each of the pulses in the sequence is randomly modulated by a phase modulator to 0 or π.

Полученное квантовое состояние отправляется приемнику, в котором установлен двухплечевой ИМЦ с аналогичной временной задержкой Δ. Интерферометр приемника имеет два выхода, на которых установлены детекторы. Фотон, распределенный по трем импульсам последовательности, может быть зарегистрирован детекторами в одном из четырех временных окон. Боб запоминает номера временных окон, в которых было срабатывание детектора. После завершения сеанса передачи Боб сообщает Алисе номера временных окон, в которых было срабатывание детекторов, но не называет какой именно детектор сработал. На основе этой информации стороны формируют идентичную битовую строку - секретный ключ.The resulting quantum state is sent to the receiver, which has a two-arm MMC with a similar time delay Δ. The receiver interferometer has two outputs, on which detectors are installed. A photon distributed over three sequence pulses can be registered by detectors in one of four time windows. Bob remembers the numbers of time windows in which the detector was triggered. After the transmission session is completed, Bob tells Alice the numbers of the time windows in which the detectors were triggered, but does not name which detector was triggered. Based on this information, the parties form an identical bit string - a secret key.

Отмечается, что эффективность протокола при создании одного бита Ebit (key creation efficiency) может быть увеличена за счет увеличения количества плеч ИМЦ. Действительно, эффективность протокола при создании одного бита выражается следующей формулойIt is noted that the efficiency of the protocol in creating one E bit (key creation efficiency) can be increased by increasing the number of MCI arms. Indeed, the efficiency of the protocol in producing one bit is expressed by the following formula

Figure 00000001
Figure 00000001

где N - количество импульсов в квантовом состоянии.where N is the number of pulses in the quantum state.

Соответственно, по мере увеличения количества импульсов увеличивается и параметр Ebit.Accordingly, as the number of pulses increases, the parameter E bit also increases.

Увеличение эффективности Ebit возможно за счет увеличения количества плеч интерферометра, однако, такое увеличение сопряжено с технологическими трудностями обеспечения равенства коэффициентов деления плеч и временных задержек между ними. Также отметим, что используемый ИМЦ является пассивным устройством и не позволяет менять количество импульсов в последовательности.An increase in the efficiency of E bit is possible by increasing the number of interferometer arms, however, such an increase is associated with technological difficulties in ensuring the equality of the division coefficients of the arms and the time delays between them. We also note that the MMC used is a passive device and does not allow changing the number of pulses in the sequence.

Также стоит отметить, что существующие источники одиночных фотонов, работающих в телекоммуникационном диапазоне длин волн, имеют низкую эффективность генерации фотонов, не удовлетворяющую потребностям разрабатываемых систем КРК. Поэтому используется излучение лазеров, ослабленное до квази-однофотонного уровня, близкого к однофотонному. Отметим, что современные лазеры, применяемые для реализации КРК, имеют порог генерации на несколько порядков больший чем требуется для получения необходимого квантового состояния, поэтому большая часть излучения теряется в результате ослабления до квазиодно-фотонного уровня.It is also worth noting that the existing sources of single photons operating in the telecommunications wavelength range have a low photon generation efficiency that does not meet the needs of the developed QKD systems. Therefore, laser radiation is used that is attenuated to a quasi-single-photon level close to a single-photon level. Note that modern lasers used to implement QKD have a generation threshold that is several orders of magnitude higher than required to obtain the required quantum state, so most of the radiation is lost as a result of attenuation to the quasi-single-photon level.

Известны способ и устройство для генерации последовательности импульсов в системе КРК (заявка Китая CN 1897519, приоритет от 30.05.2006 г., - https://patentscope.wipo.int/search/en/detail.jsf?docld=CN83090069&_cid=P11-L3JV0F-53205-1), при этом устройство содержит последовательно соединенныеA method and device for generating a sequence of pulses in the QKD system are known (China application CN 1897519, priority dated May 30, 2006, - https://patentscope.wipo.int/search/en/detail.jsf?docld=CN83090069&_cid=P11- L3JV0F-53205-1), while the device contains series-connected

непрерывный лазер (CW),continuous laser (CW),

модулятор интенсивности (IM),intensity modulator (IM),

поляризатор,polarizer,

модулятор фазы,phase modulator,

аттенюатор.attenuator.

Непрерывное излучение лазера подается в модулятор интенсивности. Модуляция осуществляется таким образом, чтобы на выходе модулятора была последовательность оптических импульсов одинаковой мощности равноотстоящих друг от друга на время А. Далее последовательность импульсов подвергается фазовой модуляции, затем ослабляется до требуемого уровня мощности (числа фотонов в импульсе) и отправляется получателю.Continuous laser radiation is fed into the intensity modulator. The modulation is carried out in such a way that at the output of the modulator there is a sequence of optical pulses of the same power, equally spaced from each other by time A. Then the sequence of pulses is subjected to phase modulation, then attenuated to the required power level (number of photons per pulse) and sent to the recipient.

Отметим, что указанный передатчик позволяет изменять число импульсов в квантовом состоянии, тем самым возможно увеличить эффективность протокола Ebit.Note that the specified transmitter allows you to change the number of pulses in the quantum state, thus it is possible to increase the efficiency of the E bit protocol.

Известные устройство и способ принимаются в качестве прототипа.Known device and method are taken as a prototype.

К недостаткам способа можно отнести то, что временной интервал между импульсами и их количество в квантовых состояниях ограничены временной когерентностью лазера.The disadvantages of the method include the fact that the time interval between pulses and their number in quantum states are limited by the temporal coherence of the laser.

Кроме того, недостатком способа является то, что временные параметры оптических импульсов, а именно длительность, задаются модулятором интенсивности. Соответственно, при формировании коротких оптических импульсов требуются модулятор интенсивности и его управляющая электроника с широкой полосой пропускания.In addition, the disadvantage of this method is that the temporal parameters of the optical pulses, namely the duration, are set by the intensity modulator. Accordingly, when forming short optical pulses, an intensity modulator and its control electronics with a wide bandwidth are required.

Действительно, в большинстве систем КРК для регистрации квантовых состояний на приемной стороне используется лавинный фотодетектор, работающий в стробируемом режиме. Одним из способов уменьшения количества ложных срабатываний фотодетектора из-за темновых токов является уменьшение временного интервала стробирования. Уменьшение временного интервала стробирования диктует необходимость уменьшения длительности оптических импульсов, используемых для формирования квантовых состояний. Для примера отметим исследование (В. Da Lioa, Baccob D. Cozzolino Y, Ding K., Dalgaard K. Rottwitt K., Oxenlowe L.K. Experimental demonstration of the DPTS QKD protocol over a 170 km fiber link, Applied Physics Letters, 114, 011101, 2019; https://doi.org/10.1063/l.5049659), в котором указывалось, что создание коротких оптических импульсов порядка 150 пикосе-кунд достигалось с помощью модулятора интенсивности. Однако, для этого требовался быстродействующий драйвер модулятора интенсивности, формирующий электрические импульсы длительностью 100 пс, что усложняло и удорожало схему. Помимо этого, джиттер (дрожание) управляющей электроники модулятора может приводить к разбросу фаз оптических импульсов квантового состояния.Indeed, in most QKD systems, an avalanche photodetector operating in a gated mode is used to register quantum states on the receiving side. One way to reduce the number of false positives of the photodetector due to dark currents is to reduce the gating time interval. Reducing the gating time interval dictates the need to reduce the duration of optical pulses used to form quantum states. For example, we note the study (B. Da Lioa, Baccob D. Cozzolino Y, Ding K., Dalgaard K. Rottwitt K., Oxenlowe L.K. Experimental demonstration of the DPTS QKD protocol over a 170 km fiber link, Applied Physics Letters, 114, 011101 , 2019; https://doi.org/10.1063/l.5049659), which indicated that the creation of short optical pulses of the order of 150 picoseconds was achieved using an intensity modulator. However, this required a high-speed intensity modulator driver that generates electrical pulses with a duration of 100 ps, which complicates and increases the cost of the circuit. In addition, the jitter (jitter) of the control electronics of the modulator can lead to a spread in the phases of the optical pulses of the quantum state.

Также к недостаткам прототипа можно отнести повышенные энергозатраты при формировании квантового состояния. При формировании последовательности оптических импульсов из непрерывного излучения с помощью модулятора интенсивности временной промежуток между импульсами блокируется модулятором, причем длительность заблокированного временного промежутка увеличивается с увеличением скважности следования импульсов при неизменной длительности сформированных импульсов. Далее, кратное увеличение количества импульсов в квантовых состояниях требует кратного увеличения времени работы лазера и, соответственно, кратного увеличения энергозатрат.Таким образом, затраченная энергия при генерации квантового состояния в прототипе, прямо пропорциональна количеству импульсов и их скважности.Also, the disadvantages of the prototype include increased energy consumption in the formation of a quantum state. When forming a sequence of optical pulses from continuous radiation using an intensity modulator, the time interval between pulses is blocked by the modulator, and the duration of the blocked time interval increases with increasing pulse repetition rate at a constant duration of the generated pulses. Further, a multiple increase in the number of pulses in quantum states requires a multiple increase in the operating time of the laser and, accordingly, a multiple increase in energy consumption. Thus, the energy expended in generating a quantum state in the prototype is directly proportional to the number of pulses and their duty cycle.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Техническим результатом является:The technical result is:

1) устранение влияния временной когерентности лазера на количество оптических импульсов в квантовом состоянии для протоколов с распределенным фазовым кодированием;1) elimination of the effect of laser temporal coherence on the number of optical pulses in a quantum state for protocols with distributed phase coding;

2) уменьшение энергозатрат при формировании квантовых состояний для протоколов с распределенным фазовым кодированием;2) reduction of energy consumption in the formation of quantum states for protocols with distributed phase coding;

3) возможность сужения полосы пропускания модулятора интенсивности.3) the possibility of narrowing the bandwidth of the intensity modulator.

Для этого предлагается устройство, включающееTo this end, a device is proposed that includes

импульсный лазер,pulse laser,

оптический кольцевой резонатор, имеющий вход и выход и включающий светоделитель с двумя входами и двумя выходами,an optical ring resonator having an input and an output and including a beam splitter with two inputs and two outputs,

модулятор интенсивности,intensity modulator,

модулятор фазы,phase modulator,

аттенюатор,attenuator,

электронное устройство управления, связанное с лазером, модулятором фазы и модулятором интенсивности и выполненное с возможностьюelectronic control device associated with the laser, phase modulator and intensity modulator and configured to

- формирования управляющих сигналов, подаваемых на лазер, модулятор интенсивности и модулятор фазы,- formation of control signals applied to the laser, intensity modulator and phase modulator,

- подачи управляющих сигналов на модуляторы интенсивности и фазы с длительностью, равной или большей длительности оптического импульса,- supply of control signals to the intensity and phase modulators with a duration equal to or greater than the duration of the optical pulse,

- регулирования задержек между управляющими сигналами, подаваемыми на лазер, модулятор фазы и модулятор интенсивности, о выбора квантового состояния с помощью датчика случайных чисел,- regulation of delays between the control signals applied to the laser, the phase modulator and the intensity modulator, about the choice of a quantum state using a random number generator,

причемand

- импульсный лазер соединен со входом оптического кольцевого резонатора,- the pulsed laser is connected to the input of the optical ring resonator,

- выход оптического кольцевого резонатора соединен со входом модулятора интенсивности,- the output of the optical ring resonator is connected to the input of the intensity modulator,

- выход модулятора интенсивности соединен со входом модулятора фазы,- the output of the intensity modulator is connected to the input of the phase modulator,

- выход модулятора фазы соединен с аттенюатором,- the output of the phase modulator is connected to an attenuator,

при этом в оптическом кольцевом резонаторе,while in the optical ring resonator,

- первый вход светоделителя является входом резонатора, о второй выход светоделителя является выходом резонатора, о первый выход и второй вход светоделителя соединены, о время обхода резонатора светом больше или равно длительности оптического импульса, о оптический импульс, поступающий на первый вход светоделителя проходит к первому выходу светоделителя с коэффициентом пропускания Т и отражается ко второму выходу светоделителя с коэффициентом отражения R, причем T+R=1. В устройстве реализуется способ генерации квантовых состояний, заключающийся в том, что- the first input of the beam splitter is the input of the resonator, o the second output of the beam splitter is the output of the resonator, o the first output and the second input of the beam splitter are connected, o the time of the light bypassing the resonator is greater than or equal to the duration of the optical pulse, o the optical pulse arriving at the first input of the beam splitter passes to the first output beam splitter with a transmittance T and is reflected to the second output of the beam splitter with a reflectance R, and T+R=1. The device implements a method for generating quantum states, which consists in the fact that

задают требуемое число импульсов N в квантовом состоянии,set the required number of pulses N in the quantum state,

задают число d, равное отношению мощности остаточного импульса в резонаторе к мощности импульса, поступающего от лазера для формирования нового квантового состояния,set the number d equal to the ratio of the power of the residual pulse in the resonator to the power of the pulse coming from the laser to form a new quantum state,

задают число импульсов b, которые блокируются перед формированием нового квантового состояния,set the number of pulses b, which are blocked before the formation of a new quantum state,

задают коэффициент отражения мощности света в светоделителе оптического резонатора R, удовлетворяющий условию R≤d1/(N-1+b),set the reflection coefficient of light power in the beam splitter of the optical resonator R, satisfying the condition R≤d 1/(N-1+b) ,

формируют с помощью датчика случайных чисел битовую строку длиной N,using a random number generator, a bit string of length N is formed,

генерируют лазером оптический импульс, мощностью Plas,laser generates an optical pulse, power P las ,

формируют квантовое состояние, состоящее из N когерентных оптических импульсов, выполняя следующие действия:form a quantum state consisting of N coherent optical pulses, performing the following actions:

- подают оптический импульс мощностью Plas на вход кольцевого резонатора,- an optical pulse with power P las is fed to the input of the ring resonator,

- получают на выходе кольцевого резонатора последовательность оптических импульсов,- receive at the output of the ring resonator a sequence of optical pulses,

- блокируют оптический импульс мощностью P0=Plas⋅R с помощью модулятора интенсивности,- block the optical pulse power P 0 =P las ⋅R using the intensity modulator,

- ослабляют модулятором интенсивности мощность каждого последующего оптического импульса Pn на величину RN-1, где n - номер импульса в последовательности, n=1, 2…N,- the power of each subsequent optical pulse P n is weakened by the intensity modulator by the value R N-1 , where n is the pulse number in the sequence, n=1, 2…N,

- блокируют модулятором интенсивности b импульсов с номерами больше N,- block the intensity modulator b pulses with numbers greater than N,

- получают на выходе из модулятора интенсивности последовательность из N импульсов с одинаковой мощностью Plas⋅T2⋅RN-1,- receive at the output of the intensity modulator a sequence of N pulses with the same power P las ⋅T 2 ⋅R N-1 ,

- передают полученную последовательность оптических импульсов на модулятор фазы,- transmit the received sequence of optical pulses to the phase modulator,

- подают на модулятор фазы управляющий сигнал, соответствующий значению в битовой строке,- apply to the phase modulator a control signal corresponding to the value in the bit string,

- передают полученную последовательность модулированных по фазе оптических импульсов на вход аттенюатора для ослабления до квазиоднофотонного уровня, о получают на выходе аттенюатора квантовое состояние,- the resulting sequence of phase-modulated optical pulses is transmitted to the input of the attenuator for attenuation to a quasi-single-photon level, o a quantum state is obtained at the output of the attenuator,

направляют сгенерированное квантовое состояние по назначению.direct the generated quantum state to its destination.

Схема предложенного устройства показана на фигуре графического изображения.The scheme of the proposed device is shown in the figure of the graphic image.

При подготовке квантового состояния с помощью импульсного лазера 1 формируется оптический импульс длительностью т и мощностью Pias. Затем указанный импульс подается на вход оптического резонатора 2. Причем свет в резонаторе возвращается в резонатор за счет отражения от светоделителя. Время обхода резонатора светом назовем временной задержкой и обозначим Δ, причем Δ>τ.When preparing a quantum state using a pulsed laser 1, an optical pulse of duration t and power Pias is formed. Then the specified pulse is fed to the input of the optical resonator 2. Moreover, the light in the resonator returns to the resonator due to reflection from the beam splitter. The resonator roundtrip time by light will be called the time delay and denoted by Δ, with Δ>τ.

При поступлении импульса от лазера на вход резонатора, часть света, определяемая коэффициентом отражения R светоделителя, отражается ко второму выходу светоделителя, подключенному ко входу модулятора интенсивности 3. Оставшаяся часть света продолжает распространятся внутри резонатора. После каждого обхода резонатора оптическим импульсом часть его мощности, пропорциональная коэффициенту пропускания Т светоделителя, проходит через светоделитель и поступает на модулятор интенсивности, и вторая часть, пропорциональная коэффициенту R, остается в резонаторе.When a laser pulse arrives at the resonator input, part of the light, determined by the reflection coefficient R of the beam splitter, is reflected to the second output of the beam splitter, connected to the input of intensity modulator 3. The rest of the light continues to propagate inside the resonator. After each bypass of the resonator by an optical pulse, a part of its power, proportional to the transmittance T of the beam splitter, passes through the beam splitter and enters the intensity modulator, and the second part, proportional to the coefficient R, remains in the resonator.

Таким образом, на втором выходе светоделителя возникает последовательность из М оптических импульсов, разделенных интервалом времени А. Мощность каждого импульса в последовательности описывается следующим выражением:Thus, at the second output of the beam splitter, a sequence of M optical pulses occurs, separated by a time interval A. The power of each pulse in the sequence is described by the following expression:

Figure 00000002
Figure 00000002

Из представленной последовательности (2) видно, что все члены, кроме М0 (нумерация начинается с нуля) с мощностью Plas⋅R, не прошедшего через замкнутый путь, образуют убывающую геометрическую прогрессию, то есть мощность импульсов убывает с ростом их порядкового номера с коэффициентом R.It can be seen from the presented sequence (2) that all terms, except M 0 (numbering starts from zero) with power P las ⋅ R, which has not passed through a closed path, form a decreasing geometric progression, that is, the power of the pulses decreases with increasing their serial number from coefficient R.

Чтобы добиться максимальной эффективности протокола Ebit и одновременно с этим минимизировать возможность компрометации со стороны злоумышленника реализуется следующая последовательность действий.To achieve maximum efficiency of the E bit protocol and at the same time minimize the possibility of compromise by an attacker, the following sequence of actions is implemented.

Сначала задается требуемое число импульсов N в квантовом состоянии. Последовательность (2) является убывающей, поэтому для получения последовательности когерентных оптических импульсов одинаковой мощности, необходимо привести мощность каждого импульса к одной величине, а именно, к мощности импульса с номером N. Для этого импульс М0 блокируется модулятором интенсивности, следующий импульс M1 с мощностью Plas⋅T2 ослабляется в RN-1 раз, последующие импульсы MN ослабляются в RN"n раз. Последний импульс в последовательности Mn имеет мощность Plas⋅T2⋅RN-1 и не ослабляется модулятором интенсивности (коэффициент ослабления равен RN-N=T).First, the required number of pulses N in the quantum state is specified. Sequence (2) is decreasing, therefore, in order to obtain a sequence of coherent optical pulses of the same power, it is necessary to reduce the power of each pulse to one value, namely, to the power of the pulse with number N. To do this, the pulse M 0 is blocked by the intensity modulator, the next pulse M 1 s power Plas⋅T 2 is attenuated R N-1 times, subsequent pulses M N are attenuated R N " n times. The last pulse in the sequence Mn has a power P las ⋅T 2 ⋅R N-1 and is not attenuated by the intensity modulator equals R NN =T).

Поскольку последовательность (2) является бесконечной, то, формально, мощность выходящих импульсов никогда не достигает нуля. Это значит, что после формирования квантового состояния из N импульсов в резонаторе будет распространяться остаточное излучение и, как результат, формироваться на выходе остаточная последовательность убывающих по мощности импульсов. Для уменьшения влияния остаточного излучения на последующее квантовое состояние (наложение импульсов) задают число d, выражающее допустимое отношение мощности остаточного импульса в резонаторе к мощности импульса, поступающего от лазера для формирования нового квантового состояния.Since the sequence (2) is infinite, then, formally, the power of the outgoing pulses never reaches zero. This means that after the formation of a quantum state from N pulses, residual radiation will propagate in the resonator and, as a result, a residual sequence of pulses decreasing in power will be formed at the output. To reduce the effect of residual radiation on the subsequent quantum state (imposition of pulses), a number d is set, which expresses the allowable ratio of the power of the residual pulse in the resonator to the power of the pulse coming from the laser to form a new quantum state.

Между соседними квантовыми состояниями должен быть пропуск кратный интервалу времени А. Для этого задается число b, которое равно числу блокируемых импульсов после формирования текущего квантового состояния.There must be a gap between neighboring quantum states that is a multiple of the time interval A. For this, the number b is set, which is equal to the number of blocked pulses after the formation of the current quantum state.

На основе заданных параметров осуществляется выбор коэффициента отражения светоделителя согласно следующему условию:Based on the given parameters, the reflectance of the beam splitter is selected according to the following condition:

Figure 00000003
Figure 00000003

Таким образом, после блокировки импульса M0=Plas⋅R, не прошедшего через замкнутый путь, осуществления модуляции по мощности серии из N импульсов и последующей блокировки b импульсов, допускается формировать следующее квантовое состояние. В результате этих действий на выходе из модулятора интенсивности будет выходить последовательность из N импульсов равной мощности Plas⋅T2⋅RN-1, разделенных интервалом времени Δ.Thus, after blocking the pulse M 0 =P las ⋅R, which did not pass through a closed path, modulating the power of a series of N pulses and then blocking b pulses, it is allowed to form the next quantum state. As a result of these actions, at the output of the intensity modulator there will be a sequence of N pulses of equal power P las ⋅T 2 ⋅R N-1 , separated by a time interval Δ.

Далее, фаза каждого из импульсов последовательности случайным образом модулируется с помощью модулятора фазы 4 на величины 0 или π. Ослабление квантового состояния до требуемого числа фотонов осуществляется с помощью аттенюатора 5. Полученное на выходе аттенюатора квантовое состояние, направляют в оптоволоконную линию связи с приемником квантовых состояний.Further, the phase of each of the pulses in the sequence is randomly modulated by a phase modulator 4 to 0 or π. The attenuation of the quantum state to the required number of photons is carried out using an attenuator 5. The quantum state obtained at the output of the attenuator is sent to a fiber optic communication line with a receiver of quantum states.

Покажем, что в предложенном устройстве количество оптических импульсов в квантовом состоянии для протоколов с распределенным фазовым кодированием не ограничивается временной когерентностью лазера.Let us show that in the proposed device, the number of optical pulses in the quantum state for protocols with distributed phase coding is not limited by the temporal coherence of the laser.

Действительно, протокол DPS предполагает, что фотон равновероятно распределен между импульсами квантового состояния, то есть вероятность его нахождения в любом импульсе последовательности одинакова. Кроме того, такое распределение подразумевает что все импульсы состояния являются когерентными между собой (Мандель Л., Вольф Э. Оптическая когерентность и квантовая оптика. М.: Физматлит, 2000, стр. 120). Известно, что временная когерентность любого лазера ограничена. То есть, если в прототипе временная когерентность непрерывного лазера окажется меньше чем длительность всего квантового состояния Δ⋅N (совокупность всех временных задержек между импульсами и их длительностей), то не все импульсы в квантовом состоянии будут когерентны друг другу. В свою очередь, в предложенном устройстве все импульсы в последовательности образованы методом деления амплитуды, поэтому когерентны между собой.Indeed, the DPS protocol assumes that the photon is distributed equally among the pulses of the quantum state, that is, the probability of its being in any pulse of the sequence is the same. In addition, such a distribution implies that all state pulses are coherent with each other (Mandel L., Volf E. Optical coherence and quantum optics. M .: Fizmatlit, 2000, p. 120). It is known that the temporal coherence of any laser is limited. That is, if in the prototype the temporal coherence of a continuous laser turns out to be less than the duration of the entire quantum state Δ⋅N (the totality of all time delays between pulses and their durations), then not all pulses in the quantum state will be coherent to each other. In turn, in the proposed device, all pulses in the sequence are formed by the amplitude division method, therefore they are coherent with each other.

Таким образом, количество оптических импульсов в предложенном устройстве и способе не ограничивается временной когерентностью лазера.Thus, the number of optical pulses in the proposed device and method is not limited by the temporal coherence of the laser.

Покажем, что при формирование квантового состояния предложенное устройство имеет лучшую энергоэффективность, чем прототип.Let us show that the proposed device has better energy efficiency than the prototype when forming a quantum state.

Пусть требуется сформировать квантовое состояние, имеющее энергию Eq и состоящее из N импульсов. Каждый импульс имеет длительность τ. Скважность, т.е. отношение периода следования импульсов к их длительности, обозначим S. Примем, что мощность лазерного излучения одинакова в обоих случаях, то есть лазер за время τ генерирует излучение с энергией Elas. Аттенюатор и модулятор интенсивности конфигурируют таким образом, чтобы в каждом случае достичь на выходе квантовое состояние с энергией Eq. В прототипе для формирования квантового состояния из непрерывного излучения лазером будет сгенерировано излучение с энергией Ecw=Elas⋅(S⋅(N-1)+1). После прохождения через модулятор интенсивности и аттенюатор излучение ослабляется до энергии Eq. Энергоэффективность прототипа выразим как отношение ηcw=Eq/Ecw. При применении предлагаемой схемы с кольцевым резонатором для формирования указанного квантового состояния лазер генерирует лазерный импульс длительностью τ и энергией Elas, которая распределяется в последовательности импульсов, описанных выражением (2). Аналогично прототипу после прохождения через модулятор интенсивности и аттенюатор последовательность импульсов ослабляется до суммарной энергии Eq. Энергоэффективность предлагаемого устройства равна ηr=Eq/Elas.Let it be required to form a quantum state with energy E q and consisting of N pulses. Each pulse has a duration τ. Duty cycle, i.e. the ratio of the pulse repetition period to their duration, denoted by S. Let us assume that the power of laser radiation is the same in both cases, that is, the laser generates radiation with energy E las during time τ. The attenuator and intensity modulator are configured in such a way as to achieve in each case a quantum state with energy E q at the output. In the prototype, for the formation of a quantum state from continuous radiation, a laser will generate radiation with energy E cw =E las ⋅(S⋅(N-1)+1). After passing through the intensity modulator and attenuator, the radiation is attenuated to the energy E q . The energy efficiency of the prototype is expressed as the ratio η cw =E q /E cw . When using the proposed scheme with a ring resonator to form the specified quantum state, the laser generates a laser pulse with duration τ and energy E las , which is distributed in the sequence of pulses described by expression (2). Similarly to the prototype, after passing through the intensity modulator and the attenuator, the pulse sequence is attenuated to a total energy E q . The energy efficiency of the proposed device is equal to η r =E q /E las .

Из вышеописанных формул получим что отношение эффективностей предлагаемого устройства и прототипа равно ηrcw=(S⋅(N⋅1)+1). Поскольку скважность S≥1, а число импульсов, согласно формуле (1), должно быть N≥2, отношение эффективностей всегда будет ηr/ηcw≥2.From the above formulas, we obtain that the ratio of the efficiency of the proposed device and the prototype is equal to η rcw =(S⋅(N⋅1)+1). Since the duty cycle is S≥1, and the number of pulses, according to formula (1), must be N≥2, the efficiency ratio will always be η r/ η cw ≥2.

Покажем, что полоса пропускания модулятора интенсивности в заявляемом устройстве может быть ниже, чем в прототипе при любой скважности.We will show that the bandwidth of the intensity modulator in the proposed device may be lower than in the prototype for any duty cycle.

Рассмотрим прототип и заявляемое устройство в одинаковых условиях, а именно, пусть длительность оптических импульсов одинакова и равна τ. Тогда для функционирования прототипа необходимо, чтобы полоса пропускания модулятора интенсивности была либо BWcw≥1/τ при S≥2, либо BWcw>1/(τ(S-1)) при S<2. В свою очередь для заявляемого устройства условие едино для любой скважности BWr≥1/(S⋅τ).Consider the prototype and the claimed device under the same conditions, namely, let the duration of the optical pulses be the same and equal to τ. Then for the operation of the prototype it is necessary that the bandwidth of the intensity modulator was either BW cw ≥1/τ when S≥2, or BW cw >1/(τ(S-1)) when S<2. In turn, for the claimed device, the condition is the same for any duty cycle BW r ≥1/(S⋅τ).

Таким образом, для любой скважности выполняется условие BWcw≥BWr что подтверждает возможность сужения полосы пропускания модулятора интенсивности.Thus, for any duty cycle, the condition BW cw ≥BW r is satisfied, which confirms the possibility of narrowing the bandwidth of the intensity modulator.

Можно отметить, что в предложенном способе получения квантового состояния из N одинаковых по мощности импульсов, первый импульс в квантовом состоянии может соответствовать любому импульсу из последовательности импульсов на выходе резонатора. К примеру, вместо импульса M1=Plas⋅T2 можно выбрать следующий за ним M2=Plas⋅T2⋅R, тогда на выходе получится последовательность из N импульсов равной мощности P0⋅T2⋅RN и разделенных интервалом времени Δ.It can be noted that in the proposed method for obtaining a quantum state from N pulses of the same power, the first pulse in the quantum state can correspond to any pulse from the sequence of pulses at the output of the resonator. For example, instead of the pulse M 1 =P las ⋅T 2, you can choose the next M 2 =P las ⋅T 2 ⋅R, then the output will be a sequence of N pulses of equal power P 0 ⋅T 2 ⋅R N and separated by an interval time Δ.

Также отметим, что возможно, внеся соответствующие изменения в последовательность действий, не блокировать импульс М0 с мощностью Plas⋅R, а использовать для формирования квантового состояния. Кроме того, допускается что модулятор интенсивности вносит ослабление отличное от 1 для импульса с номером N. Регулируя указанное ослабление, можно менять энергию квантового состояния, которая пропорциональна среднему числу фотонов. Помимо этого, модуляция мощности может осуществляется разными способами. Возможен вариант, в котором для ослабления может использоваться непрерывная функция от времени.We also note that it is possible, by making appropriate changes to the sequence of actions, not to block the impulse М 0 with power P las ⋅R, but to use it to form a quantum state. In addition, it is assumed that the intensity modulator introduces an attenuation different from 1 for the pulse number N. By adjusting this attenuation, one can change the energy of the quantum state, which is proportional to the average number of photons. In addition, power modulation can be performed in various ways. It is possible that a continuous function of time can be used for attenuation.

Отличительные особенности предложенных устройства и способа заключаются в том, что для формирования последовательности когерентных оптических импульсов, образующих квантовое состояние, используется кольцевой резонатор, расположенный между лазером и модулятором интенсивности.Distinctive features of the proposed device and method are that a ring resonator located between the laser and the intensity modulator is used to form a sequence of coherent optical pulses that form a quantum state.

Заявленный технический результат достигается благодаря тому, что формирование когерентных импульсов реализовано с помощью метода деления амплитуд, причем требуемое количество импульсов в квантовом состоянии можно задавать с помощью управления модулятором интенсивности.The claimed technical result is achieved due to the fact that the formation of coherent pulses is implemented using the amplitude division method, and the required number of pulses in the quantum state can be set by controlling the intensity modulator.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

На фигуре графического изображения приведена схема устройства, в которой реализуется предлагаемый способ, в которой используются следующие обозначения (непрерывные линии обозначают оптические связи, пунктирные линии -электрические связи):The figure of the graphic image shows a diagram of a device in which the proposed method is implemented, in which the following designations are used (solid lines indicate optical connections, dotted lines indicate electrical connections):

1 - импульсный лазер,1 - pulsed laser,

2 - кольцевой резонатор,2 - ring resonator,

3 - модулятор интенсивности,3 - intensity modulator,

4 - модулятор фазы,4 - phase modulator,

5 -аттенюатор,5 -attenuator,

6 - электронное устройство управления.6 - electronic control device.

Осуществление изобретенияImplementation of the invention

В общем случае, возможно выполнение устройства с распространением излучения в свободном пространстве.In the general case, it is possible to perform a device with radiation propagation in free space.

Предпочтительно выполнение устройства с использованием оптоволоконных компонентов, при этом часть схемы от лазера до модулятора фазы должна быть выполнена на основе волокна с сохранением поляризации.Preferably, the device is made using fiber-optic components, while the part of the circuit from the laser to the phase modulator should be made on the basis of a polarization-preserving fiber.

В качестве импульсного лазера применяется полупроводниковый лазер с распределенной обратной связью с выводом излучения в волокно, сохраняющее поляризацию, и, например, с линейной поляризацией вдоль медленной оси волокна. Для осуществления изобретения можно использовать лазер типа DFB-1550-14BF производителя АО "Нолатех" (http://nolatech.ru/).As a pulsed laser, a semiconductor laser with distributed feedback is used with radiation output into a polarization-preserving fiber, and, for example, with linear polarization along the slow axis of the fiber. To implement the invention, you can use a laser type DFB-1550-14BF manufacturer JSC "Nolatech" (http://nolatech.ru/).

Кольцевой резонатор может быть выполнен на основе волоконного светоделителя 2x2, вход и выход которого соединены между собой. Кольцевой резонатор сконфигурирован таким образом, что оптический импульс, поступающий на первый вход светоделителя проходит к первому выходу светоделителя с коэффициентом Т и отражается ко второму выходу светоделителя с коэффициентом R.The ring resonator can be made on the basis of a 2x2 fiber beam splitter, the input and output of which are interconnected. The ring resonator is configured in such a way that the optical pulse arriving at the first input of the beam splitter passes to the first output of the beam splitter with a coefficient T and is reflected to the second output of the beam splitter with a coefficient R.

Для осуществления изобретения можно использовать светоделитель типа PMFBTC-P-2x2-1550-L-50-PM-90 производителя "DK Photonics" (http://www.dkphotonics.com/).To implement the invention, a beam splitter of the PMFBTC-P-2x2-1550-L-50-PM-90 type manufactured by "DK Photonics" (http://www.dkphotonics.com/) can be used.

Выравнивание мощности оптических импульсов, а также формирование последовательности с заданным количеством импульсов N может осуществляется модулятором интенсивности типа MX-LN-05-PD-P-P-FA-FA производителя "iXblue" (https://www.ixblue.com/).Equalization of the power of optical pulses, as well as the formation of a sequence with a given number of pulses N, can be carried out by an intensity modulator of the type MX-LN-05-PD-P-P-FA-FA manufactured by "iXblue" (https://www.ixblue.com/).

Для модуляции фазы может использоваться электрооптический модулятор типа MPZ-LN-01-P-P-FC-FC производителя "iXblue" (https://www.ixblue.com/).For phase modulation, an electro-optical modulator of the MPZ-LN-01-P-P-FC-FC type from the manufacturer "iXblue" (https://www.ixblue.com/) can be used.

Для ослабления оптических импульсов до квазиоднофотонного уровня используется аттенюатор. Для осуществления изобретения можно использовать аттенюатор типа MOVA-1-D-C-FS, производителя "Santec" (https://sphotonics.ru/).An attenuator is used to attenuate optical pulses to a quasi-single-photon level. To implement the invention, an attenuator of the MOVA-1-D-C-FS type, manufactured by "Santec" (https://sphotonics.ru/), can be used.

Один из вариантов осуществление изобретения подразумевает что электронное устройство управления (ЭУУ) 6 построено на базе электронно-вычислительной машины (ЭВМ) с сетевым интерфейсом связи. Кроме того, ЭУУ содержит драйвер лазера и драйверы модулятора фазы и модулятора интенсивности, генератор тактовых импульсов, датчик случайных чисел. Все необходимые расчеты на ЭВМ для осуществления способа реализуются с помощью программного обеспечения (ПО). Такое специализированное ПО может сформировать специалист по программированию (программист) на основе известных сведений о функциях устройства и действий, которые лежат в основе предложенного способа. Также электронное устройство управления должно быть выполнено с возможностью регулирования задержек между управляющими сигналами, подаваемыми на лазер, модулятор фазы и модулятор интенсивности, и подачи управляющих импульсов на модуляторы фазы и интенсивности.One of the embodiments of the invention implies that the electronic control unit (ECU) 6 is built on the basis of an electronic computer (computer) with a network communication interface. In addition, the ECU contains a laser driver and drivers for a phase modulator and an intensity modulator, a clock pulse generator, and a random number generator. All necessary calculations on a computer to implement the method are implemented using software (software). Such specialized software can be formed by a programmer (programmer) based on known information about the device functions and actions that underlie the proposed method. Also, the electronic control device must be configured to adjust the delays between the control signals applied to the laser, the phase modulator and the intensity modulator, and to supply control pulses to the phase and intensity modulators.

После сборки оптической и электронной частей запускают передатчик в рабочем режиме. При подключении к линии связи с приемником, передатчик сообщает количество импульсов в квантовом состоянии N=7, а приемник по сетевому интерфейсу передает сигнал готовности к приему последовательности квантовых состояний.After assembling the optical and electronic parts, the transmitter is launched in the operating mode. When connected to the communication line with the receiver, the transmitter reports the number of pulses in the quantum state N=7, and the receiver transmits a signal of readiness to receive a sequence of quantum states via the network interface.

Для каждого пакета когерентных импульсов датчик случайных чисел формирует битовую строку длиной N=7, соответствующих числу импульсов в квантовом состоянии. Эта строка передается в ЭВМ, где происходит ее сопоставление в сигналы управления модулятора фазы, которые соответствуют сдвигу фазы на 0 или π радиан. Затем задают число d=0,510 и количество заблокированных импульсов b=4. Из выражения (3) следует что R<0,5 поэтому для осуществления способа выбирается светоделитель с R=Т=0,5.For each packet of coherent pulses, the random number generator generates a bit string of length N=7, corresponding to the number of pulses in the quantum state. This string is transmitted to the computer, where it is compared to the phase modulator control signals, which correspond to a phase shift of 0 or π radians. Then set the number d=0.5 10 and the number of blocked pulses b=4. From expression (3) it follows that R<0.5, therefore, to implement the method, a beam splitter with R=T=0.5 is selected.

Для генерации квантового состояния лазером генерируют одиночный оптический импульс, который подают на вход кольцевого резонатора. На выходе получается последовательность оптических импульсов. При этом оптический импульс М0 с мощностью Plas⋅0,5 блокируется модулятором интенсивности, следующий импульс M1 с мощностью Plas⋅0,52 ослабляется в 0,56 раз и каждый последующий импульс ослабляется модулятором интенсивности в 0,57-n раз, n=1, 2, … 7, где n - номер текущего импульса. Таким образом, мощность каждого из семи импульсов будет равна Plas⋅0,58. После прохождения через модулятор интенсивности импульса с номером N=7, блокируется последующая серия из b=4 импульсов.To generate a quantum state with a laser, a single optical pulse is generated, which is fed to the input of the ring resonator. The output is a sequence of optical pulses. In this case, the optical pulse M 0 with power P las ⋅ 0.5 is blocked by the intensity modulator, the next pulse M 1 with power Plas ⋅ 0.5 2 is attenuated by 0.5 6 times and each subsequent pulse is attenuated by the intensity modulator by 0.5 7- n times, n=1, 2, … 7, where n is the number of the current impulse. Thus, the power of each of the seven pulses will be equal to P las ⋅0.5 8 . After passing through the pulse intensity modulator with the number N=7, the subsequent series of b=4 pulses is blocked.

Полученная последовательность из семи импульсов поступает на модулятор фазы. ЭВМ подает команды на драйвер модулятора фазы таким образом, чтобы каждый импульс последовательности, проходящий через модулятор фазы, сдвигается на фазу 0 или к, согласно сопоставлению битовой строки, в сигналы управления модулятора фазы.The resulting sequence of seven pulses is fed to the phase modulator. The computer instructs the phase modulator driver such that each sequence pulse passing through the phase modulator is phase-shifted 0 or to, according to the bit string mapping, into the phase modulator control signals.

После этого последовательность поступает на вход аттенюатора, где она ослабляется до квазиоднофотонного уровня. Полученное на выходе аттенюатора квантовое состояние направляют через оптоволоконную линию связи к приемнику квантовых состояний.After that, the sequence enters the input of the attenuator, where it is attenuated to a quasi-single-photon level. The quantum state obtained at the output of the attenuator is sent through a fiber-optic communication line to the receiver of quantum states.

Возможны и другие варианты реализации предложенного устройства и способа, зависящие от предпочтений при выборе аппаратного и программного обеспечения. Например, в замкнутом пути кольцевого резонатора может быть установлен оптический переключатель для прерывания последовательности оптических импульсов, или перестраиваемая линия задержки для изменения временной задержки Δ между оптическими импульсами.There are other options for implementing the proposed device and method, depending on preferences when choosing hardware and software. For example, in the closed path of the ring resonator, an optical switch can be installed to interrupt the train of optical pulses, or a tunable delay line to change the time delay Δ between optical pulses.

Claims (32)

1. Устройство для генерации квантовых состояний для протоколов с распределенным фазовым кодированием, включающее импульсный лазер,1. A device for generating quantum states for protocols with distributed phase coding, including a pulsed laser, оптический кольцевой резонатор,optical ring resonator, имеющий вход и выход и включающий светоделитель с двумя входами и двумя выходами,having an input and an output and including a beam splitter with two inputs and two outputs, модулятор интенсивности,intensity modulator, модулятор фазы,phase modulator, аттенюатор,attenuator, электронное устройство управления, связанное с лазером, модулятором фазы и модулятором интенсивности и выполненное с возможностью формирования управляющих сигналов, подаваемых на лазер, модулятор интенсивности и модулятор фазы,an electronic control device associated with the laser, phase modulator and intensity modulator and configured to generate control signals applied to the laser, intensity modulator and phase modulator, подачи управляющих сигналов на модуляторы интенсивности и фазы с длительностью, равной или большей длительности оптического импульса,supply of control signals to the intensity and phase modulators with a duration equal to or greater than the duration of the optical pulse, регулирования задержек между управляющими сигналами, подаваемыми на лазер, модулятор фазы и модулятор интенсивности, выбора квантового состояния с помощью датчика случайных чисел;adjusting the delays between the control signals applied to the laser, the phase modulator and the intensity modulator, selecting a quantum state using a random number generator; причемand импульсный лазер соединен со входом оптического кольцевого резонатора,the pulsed laser is connected to the input of the optical ring resonator, выход оптического кольцевого резонатора соединен со входом модулятора интенсивности,the output of the optical ring resonator is connected to the input of the intensity modulator, выход модулятора интенсивности соединен со входом модулятора фазы,the output of the intensity modulator is connected to the input of the phase modulator, выход модулятора фазы соединен с аттенюатором; при этом в оптическом кольцевом резонатореthe output of the phase modulator is connected to an attenuator; while in the optical ring resonator первый вход светоделителя является входом резонатора, второй выход светоделителя является выходом резонатора, первый выход и второй вход светоделителя соединены,the first input of the beam splitter is the input of the resonator, the second output of the beam splitter is the output of the resonator, the first output and the second input of the beam splitter are connected, время обхода резонатора светом больше или равно длительности оптического импульса,the resonator roundtrip time is greater than or equal to the duration of the optical pulse, оптический импульс, поступающий на первый вход светоделителя, проходит к первому выходу светоделителя с коэффициентом пропускания Т и отражается ко второму выходу светоделителя с коэффициентом отражения R, причем Т+R=1.the optical pulse arriving at the first input of the beam splitter passes to the first output of the beam splitter with a transmittance T and is reflected to the second output of the beam splitter with a reflection coefficient R, with T+R=1. 2. Способ генерации квантовых состояний, заключающийся в том, что задают требуемое число импульсов N в квантовом состоянии; задают число d, равное отношению мощности остаточного импульса в резонаторе к мощности импульса, поступающего от лазера для формирования нового квантового состояния;2. A method for generating quantum states, which consists in setting the required number of pulses N in a quantum state; set the number d, equal to the ratio of the power of the residual pulse in the resonator to the power of the pulse coming from the laser to form a new quantum state; задают число импульсов b, которые блокируются перед формированием нового квантового состояния;set the number of pulses b, which are blocked before the formation of a new quantum state; задают коэффициент отражения мощности света в светоделителе оптического резонатора R, удовлетворяющий условию R≤d1/(N-1+b); формируют с помощью датчика случайных чисел битовую строку длиной N;set the reflection coefficient of light power in the beam splitter of the optical resonator R, satisfying the condition R≤d 1/(N-1+b) ; using a random number generator, a bit string of length N is formed; генерируют лазером оптический импульс мощностью Plas; формируют квантовое состояние, состоящее из N когерентных оптических импульсов, выполняя следующие действия:generate laser optical pulse power P las ; form a quantum state consisting of N coherent optical pulses, performing the following actions: подают оптический импульс мощностью Plas на вход кольцевого резонатора;submit an optical pulse power P las to the input of the ring resonator; получают на выходе кольцевого резонатора последовательность оптических импульсов;receive at the output of the ring resonator a sequence of optical pulses; блокируют оптический импульс мощностью Р0=Plas⋅R с помощью модулятора интенсивности;blocking the optical pulse power P 0 =P las ⋅R using the intensity modulator; ослабляют модулятором интенсивности мощность каждого последующего оптического импульса Pn на величину RN-n, где n - номер импульса в последовательности, n=1, 2…N;attenuate the power of each subsequent optical pulse P n by the intensity modulator by R Nn , where n is the pulse number in the sequence, n=1, 2…N; блокируют модулятором интенсивности b импульсов с номерами больше N;block intensity modulator b pulses with numbers greater than N; получают на выходе из модулятора интенсивности последовательность из N импульсов с одинаковой мощностью Plas⋅T2⋅RN-1;get at the output of the intensity modulator a sequence of N pulses with the same power P las ⋅T 2 ⋅R N-1 ; передают полученную последовательность оптических импульсов на модулятор фазы;transmitting the received sequence of optical pulses to the phase modulator; подают на модулятор фазы управляющий сигнал, соответствующий значению в битовой строке;submitting to the phase modulator a control signal corresponding to the value in the bit string; передают полученную последовательность модулированных по фазе оптических импульсов на вход аттенюатора для ослабления до квазиоднофотонного уровня;transmitting the received sequence of phase-modulated optical pulses to the input of an attenuator for attenuation to a quasi-single-photon level; получают на выходе аттенюатора квантовое состояние;a quantum state is obtained at the output of the attenuator; направляют сгенерированное квантовое состояние по назначению.direct the generated quantum state to its destination.
RU2022133105A 2022-12-16 Method and device for generating quantum states for protocols with distributed phase coding RU2794954C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2794954C1 true RU2794954C1 (en) 2023-04-26

Family

ID=

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2818862C1 (en) * 2023-06-08 2024-05-06 Ордена трудового Красного Знамени федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский технический университет связи и информатики" (МТУСИ) Single photon source

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU51757U1 (en) * 2005-09-27 2006-02-27 Ростовский военный институт ракетных войск имени Главного маршала артиллерии М.И. Неделина MULTI-PARAMETER FIBER-OPTICAL INFORMATION-DIAGNOSTIC TRANSMISSION SYSTEM
CN1897519A (en) * 2006-05-30 2007-01-17 华南师范大学 Phase-differential quantum key allocation and allocating system
CN103048843B (en) * 2012-12-18 2015-01-28 山西大学 Continuous variable quantum state frequency transformation device
WO2016168920A1 (en) * 2015-04-20 2016-10-27 Institut National De La Recherche Scientifique Method and system for the generation of optical multipartite quantum states
RU2742504C2 (en) * 2015-06-29 2021-02-08 Пэрити Квантум Компьютинг ГмбХ Method and device for quantum processing

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU51757U1 (en) * 2005-09-27 2006-02-27 Ростовский военный институт ракетных войск имени Главного маршала артиллерии М.И. Неделина MULTI-PARAMETER FIBER-OPTICAL INFORMATION-DIAGNOSTIC TRANSMISSION SYSTEM
CN1897519A (en) * 2006-05-30 2007-01-17 华南师范大学 Phase-differential quantum key allocation and allocating system
CN103048843B (en) * 2012-12-18 2015-01-28 山西大学 Continuous variable quantum state frequency transformation device
WO2016168920A1 (en) * 2015-04-20 2016-10-27 Institut National De La Recherche Scientifique Method and system for the generation of optical multipartite quantum states
RU2742504C2 (en) * 2015-06-29 2021-02-08 Пэрити Квантум Компьютинг ГмбХ Method and device for quantum processing

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2818862C1 (en) * 2023-06-08 2024-05-06 Ордена трудового Красного Знамени федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский технический университет связи и информатики" (МТУСИ) Single photon source

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Gleim et al. Secure polarization-independent subcarrier quantum key distribution in optical fiber channel using BB84 protocol with a strong reference
Liu et al. Experimental demonstration of counterfactual quantum communication
CN103546280B (en) Encoder for quantum cryptography communication
US8041232B2 (en) Optical transmitter and control method thereof
CN106656344B (en) MDI-QKD system and MDI-QKD method
CN100403152C (en) Two-way QKD system with backscattering suppression
CN108833089B (en) High-speed secret key safe distribution system and method based on chaotic laser coherent keying
JP2017146592A (en) Optical device, transmitter for quantum communication system, and quantum communication system
US20120328290A1 (en) Quantum communication network
JP7204799B2 (en) Light source, method for generating light pulses, quantum communication system, and quantum communication method
GB2536248A (en) Optical apparatus
WO2018043742A1 (en) Quantum cryptographic key output apparatus, quantum cryptographic key communication system, and quantum cryptographic key output method
EP1730877A4 (en) Autocalibration for qkd systems
US11290192B2 (en) Quantum communication methods and systems for mitigating the detector dead time of photon detectors
CN104935428A (en) Multiuser QKD network system based on M-Z interferometer, and secret key distribution method thereof
WO2019149383A1 (en) Quantum key distribution apparatus, system and method
WO2006096354A2 (en) One-way synchronization of a two-way qkd system
JP7362813B2 (en) Emitters, communication systems, and methods
CN116743347B (en) Multi-mode laser synchronization-based physical key multipath parallel distribution system and method
Scalcon et al. Cross‐Encoded Quantum Key Distribution Exploiting Time‐Bin and Polarization States with Qubit‐Based Synchronization
RU2794954C1 (en) Method and device for generating quantum states for protocols with distributed phase coding
CN112994877B (en) Quantum key distribution system and method based on quantum random number
KR102576065B1 (en) Generation of optical pulses with controlled distribution of quadrature component values
RU2825995C1 (en) Method of generating trap states in system with quantum key distribution
RU2814147C1 (en) Method and device for generating quantum states with phase coding and trap states