RU2798394C1 - Method and scheme for active reset synchronization and recovery of single photon detectors in a quantum key distribution system - Google Patents

Method and scheme for active reset synchronization and recovery of single photon detectors in a quantum key distribution system Download PDF

Info

Publication number
RU2798394C1
RU2798394C1 RU2022118312A RU2022118312A RU2798394C1 RU 2798394 C1 RU2798394 C1 RU 2798394C1 RU 2022118312 A RU2022118312 A RU 2022118312A RU 2022118312 A RU2022118312 A RU 2022118312A RU 2798394 C1 RU2798394 C1 RU 2798394C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
dop
recovery
comparator
spd
single photon
Prior art date
Application number
RU2022118312A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Антон Вадимович Лосев
Владимир Владимирович Заводиленко
Игорь Денисович Павлов
Original Assignee
Общество С Ограниченной Ответственностью "Курэйт"
Filing date
Publication date
Application filed by Общество С Ограниченной Ответственностью "Курэйт" filed Critical Общество С Ограниченной Ответственностью "Курэйт"
Application granted granted Critical
Publication of RU2798394C1 publication Critical patent/RU2798394C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: quantum technologies.
SUBSTANCE: present technical solution is related in particular to a method and scheme for synchronizing the active reset and recovery of single photon detectors (SPD) in a quantum key distribution system (QKD). The claimed technical result is achieved due to the method of synchronizing two SPDs in the QKD system, in which each SPD contains an optical radiation receiver, a comparator connected to an output pulse shaping unit, connected to an active recovery pulse shaping unit, and in the event of one SPD being triggered, from said SPD a signal equal to the duration of the recovery pulse is transmitted to the second SPD, which, in response to receiving the said signal, blocks the comparator and generates a recovery pulse for its optical receiver.
EFFECT: increase of protection of the QKD system by reducing the probability of an attack on the dead time of single photon detectors.
4 cl, 1 dwg

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИFIELD OF TECHNOLOGY

[0001] Настоящее техническое решение относится к области квантовых технологий, в частности к способу и схему синхронизации активного сброса и восстановления детекторов одиночных фотонов (ДОФ) в системе квантового распределения ключа (КРК).[0001] This technical solution relates to the field of quantum technologies, in particular to a method and scheme for synchronizing the active reset and recovery of single photon detectors (SPDs) in a quantum key distribution (QKD) system.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND OF THE INVENTION

[0002] В системах КРК используется кодирование в ортогональном базисе сигналов и для получения максимальной скорости генерации ключа всегда применяется два детектора одиночных фотонов - на каждое состояние в базисе. Одной из уязвимостей подобных систем КРК является возможность атаки через мертвое время детектора [Weier Н. et al. Quantum eavesdropping without interception: an attack exploiting the dead time of single-photon detectors //New Journal of Physics. - 2011. - T. 13. - №. 7. - C. 073024.]. Безопасность квантового распределения ключей может быть легко нарушена, если подслушивающий может использовать технические недостатки в фактической реализации. Используя эффект мертвого времени однофотонных детекторов, подслушивающий может получить (асимптотически) полную информацию о сгенерированных ключах, не будучи обнаруженным современными протоколами КРК, что является существенным недостатком такого подхода построения систем КРК.[0002] QKD systems use coding in an orthogonal basis of signals and to obtain the maximum key generation rate, two single photon detectors are always used - for each state in the basis. One of the vulnerabilities of such QKD systems is the possibility of an attack through the dead time of the detector [Weier H. et al. Quantum eavesdropping without interception: an attack exploiting the dead time of single-photon detectors // New Journal of Physics. - 2011. - T. 13. - no. 7. - C. 073024.]. The security of quantum key distribution can be easily compromised if an eavesdropper can exploit technical flaws in the actual implementation. Using the dead time effect of single-photon detectors, an eavesdropper can obtain (asymptotically) complete information about the generated keys without being detected by modern QKD protocols, which is a significant drawback of this approach to constructing QKD systems.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION

[0003] Заявленное изобретение позволяет решить техническую проблему в части повышения защищенности работы в системе КРК двух и более ДОФ.[0003] The claimed invention allows solving the technical problem in terms of increasing the security of operation in the QKD system of two or more DOPs.

[0004] Решением для избежания вышеуказанной атаки в заявленном решении предлагается использовать схему синхронизации отключения выходного компаратора. Подобная мера отключает цифровой выход детектора на «мертвое» время сработавшего, таким образом не позволяя возможному злоумышленнику воспользоваться уязвимостью и захватить контроль над несработавшим детектором. При этом несработавший детектор находится в рабочем состоянии, то есть сам однофотонный лавинный фотодиод (ОЛФД) находится в гейгеровском режиме, соответственно, через него может протекать ток, который заряжает ловушки в структуре ОЛФД, повышая таким образом вероятность послеимпульса по окончании «мертвого» времени сработавшего детектора. Использование схемы синхронизации активного сброса ДОФ позволяет, в свою очередь, не только защититься от вышеуказанной атаки, но и уменьшить вероятность послеимпульса у несработавшего детектора, так как в течение всего «мертвого» времени сработавшего детектора он также будет выведен из гейгеровского режима.[0004] A solution to avoid the above attack, the claimed solution proposes to use an output comparator off timing circuit. Such a measure disables the detector's digital output for the "dead" time of the triggered one, thus preventing a possible attacker from exploiting the vulnerability and seizing control of the non-triggered detector. At the same time, the non-operational detector is in working condition, that is, the single-photon avalanche photodiode (OPD) itself is in the Geiger mode; accordingly, a current can flow through it, which charges the traps in the APD structure, thus increasing the probability of an afterpulse at the end of the "dead" time of the triggered detector. The use of the DOP active reset synchronization scheme, in turn, makes it possible not only to protect against the above attack, but also to reduce the probability of a post-pulse for the non-operated detector, since during the entire “dead” time of the triggered detector, it will also be taken out of the Geiger mode.

[0005] Техническим результатом является повышение защиты системы КРК, за счет снижения вероятности атаки на мертвое время детекторов одиночных фотонов.[0005] The technical result is to increase the protection of the QKD system by reducing the probability of an attack on the dead time of single photon detectors.

[0006] Заявленный технический результат достигается за счет способа синхронизации двух детекторов одиночных фотонов (ДОФ) в системе квантового распределения ключа (КРК), в которой[0006] The claimed technical result is achieved through a method for synchronizing two single photon detectors (SOPs) in a quantum key distribution (QKD) system, in which

каждый ДОФ содержит приемник оптического излучения, компаратор, соединенный с блоком формирования выходного импульса, связанный с блоком формирования импульса активного восстановления, причемeach DOP contains an optical radiation receiver, a comparator connected to an output pulse shaping unit, connected to an active recovery pulse shaping unit, and

в случае срабатывания одного ДОФ, от упомянутого ДОФ выполняется передача сигнала, равного длительности импульса восстановления, на второй ДОФ, который в ответ на получение упомянутого сигнала осуществляет блокировку компаратора, и формирует импульс восстановления своего оптического приемника.if one DOP is triggered, a signal equal to the duration of the recovery pulse is transmitted from the mentioned DOP to the second DOP, which, in response to receiving the mentioned signal, blocks the comparator and generates a recovery pulse of its optical receiver.

[0007] В одном из частных вариантов осуществления способа ДОФ соединены посредством синхронизирующего входа-выхода.[0007] In one of the private embodiments of the method, the DOPs are connected via a synchronizing input-output.

[0008] В другом частном варианте осуществления способа приемник оптического излучения представляет собой лавинный фотодиод.[0008] In another particular embodiment of the method, the optical radiation receiver is an avalanche photodiode.

[0009] Заявленный технический результат также достигается за счет схемы синхронизации двух детекторов одиночных фотонов (ДОФ) в системе квантового распределения ключа (КРК), содержащая соединенные ДОФ, в которой[0009] The claimed technical result is also achieved through a synchronization scheme for two single photon detectors (SOPs) in a quantum key distribution system (QKD) containing connected SOPs, in which

каждый ДОФ содержит приемник оптического излучения, компаратор, соединенный с блоком формирования выходного импульса, связанный с блоком формирования импульса активного восстановления, причемeach DOP contains an optical radiation receiver, a comparator connected to an output pulse shaping unit, connected to an active recovery pulse shaping unit, and

в случае срабатывания одного ДОФ, от упомянутого ДОФ выполняется передача сигнала, равного длительности импульса восстановления, на второй ДОФ, который в ответ на получение упомянутого сигнала осуществляет блокировку компаратора, и формирует импульс восстановления своего оптического приемника.if one DOP is triggered, a signal equal to the duration of the recovery pulse is transmitted from the mentioned DOP to the second DOP, which, in response to receiving the mentioned signal, blocks the comparator and generates a recovery pulse of its optical receiver.

ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙDESCRIPTION OF THE DRAWINGS

[0010] На Фиг. 1 представлена схема соединения детекторов одиночных фотонов.[0010] In FIG. 1 shows the connection diagram of single photon detectors.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯIMPLEMENTATION OF THE INVENTION

[0011] На Фиг. 1 представлена заявленная схема синхронизации (100) работы двух ДОФ (10, 20). ДОФ (10, 20) могут выполняться различной конфигурации и соединяться как с помощью проводной связи (например, оптоволокно), так и размещаться на единой интегральной схеме или плате. Каждый ДОФ (10, 20) содержит оптический приемник в виде лавинного фотодиода (не показан на Фиг. 1), который передается сигналы на компаратор (101, 201). Компаратор (101, 201) соединяется с блоком формирования выходного импульса (102, 202), связанный с блоком формирования импульса активного восстановления (104, 204) через элемент ИЛИ (103, 203).[0011] In FIG. 1 shows the claimed synchronization scheme (100) for the operation of two DOPs (10, 20). DOPs (10, 20) can be made in various configurations and connected either via a wired connection (for example, fiber optics) or placed on a single integrated circuit or board. Each DOP (10, 20) contains an optical receiver in the form of an avalanche photodiode (not shown in Fig. 1), which transmits signals to a comparator (101, 201). The comparator (101, 201) is connected to the output pulse generator (102, 202) connected to the active recovery pulse generator (104, 204) via an OR element (103, 203).

[0012] Заявленное решение работает следующим образом. При регистрации одним ДОФ, например, ДОФ (10) оптического сигнала на вход компаратора (101) поступает лавинный сигнал, вызывающий его срабатывание. Сигнал с выхода компаратора (101) поступает на блок формирователя выходного импульса (102), откуда он поступает на элемент ИЛИ (103), который блокирует выход компаратора (101), чтобы электронный шум, сопровождающий лавинный сигнал, не спровоцировал его повторных срабатываний и, соответственно, лишних кликов на оконечном устройстве КРК.[0012] The claimed solution works as follows. When registering one DOP, for example, DOP (10) of the optical signal, an avalanche signal is sent to the input of the comparator (101), causing it to operate. The signal from the output of the comparator (101) goes to the output pulse shaper (102), from where it goes to the OR element (103), which blocks the output of the comparator (101) so that the electronic noise accompanying the avalanche signal does not provoke its repeated operation and, accordingly, unnecessary clicks on the terminal device of the CRC.

[0013] Тот же сигнал, что поступил с выхода формирователя выходного импульса (102) на элемент ИЛИ (103), запускает процесс формирования импульса активного восстановления на блок (104), по длительности соответствующего мертвому времени детектора (10). Этот импульс, в свою очередь, попадает на ОЛФД и переводит его в линейный режим, препятствуя при этом накоплению заряда в ловушках структуры. Это позволяет уменьшить вероятность послеимпульса.[0013] The same signal that came from the output of the output pulse shaper (102) to the OR element (103) starts the process of generating an active recovery pulse to the block (104), according to the duration corresponding to the dead time of the detector (10). This pulse, in turn, hits the APD and switches it to a linear regime, while preventing charge accumulation in the traps of the structure. This makes it possible to reduce the probability of an afterpulse.

[0014] Одновременно с этим импульс, запустивший вышеизложенные процессы на элементе ИЛИ (103), с синхронизирующего выхода SYNC OUT поступает на синхронизирующий вход SYNC IN несработавшего ДОФ (20). С этого входа сигнал с небольшой задержкой относительно сработавшего ДОФ (10) запускает процессы блокировки компаратора (201) и формирования импульса восстановления на блоке (204) на ОЛФД ДОФ (20), таким образом делая невозможным регистрацию ДОФ (20) фотонов или темновых срабатываний в течение всего мертвого времени. Следует отметить, что мертвое время обоих детекторов не обязательно должно быть одинаковым. Когда мертвое время ДОФ (10) заканчивается, соответственно, происходит разблокировка компаратора (101), и ОЛФД возвращается в гейгеровский режим. То же происходит и на ДОФ (20).[0014] At the same time, the pulse that triggered the above processes on the OR element (103) from the sync output SYNC OUT is fed to the sync input SYNC IN of the unworked DOP (20). From this input, a signal with a small delay relative to the triggered DOP (10) starts the processes of comparator blocking (201) and the formation of a recovery pulse on the block (204) on the DOP DOP (20), thus making it impossible to register DOP (20) photons or dark triggers in throughout the dead time. It should be noted that the dead time of both detectors need not be the same. When the dead time of the DOP (10) ends, respectively, the comparator (101) is unlocked, and the APD returns to the Geiger mode. The same happens on DOP (20).

[0015] В случае, когда ДОФ (20) зарегистрирует срабатывание, у ДОФ (10) в соответствии с алгоритмом схемы будет отключен выход и его ОЛФД будет введен в линейный режим для предотвращения лавинной генерации в течение мертвого времени ДОФ (20).[0015] In the event that the DOP (20) registers an operation, the DOP (10) will have its output turned off in accordance with the circuit algorithm and its DOP will be put into linear mode to prevent avalanche generation during the dead time of the DOP (20).

Claims (4)

1. Способ синхронизации двух детекторов одиночных фотонов (ДОФ) в системе квантового распределения ключа (КРК), в которой каждый ДОФ содержит приемник оптического излучения, компаратор, соединенный с блоком формирования выходного импульса, связанный с блоком формирования импульса активного восстановления, причем в случае срабатывания одного ДОФ, от упомянутого ДОФ выполняется передача сигнала, равного длительности импульса восстановления, на второй ДОФ, который в ответ на получение упомянутого сигнала осуществляет блокировку компаратора, и формирует импульс восстановления своего оптического приемника.1. A method for synchronizing two detectors of single photons (DOF) in a quantum key distribution system (QKD), in which each DOP contains an optical radiation receiver, a comparator connected to an output pulse shaping unit, connected to an active recovery pulse shaping unit, and in the event of operation of one DOP, from the said DOP, a signal equal to the duration of the recovery pulse is transmitted to the second DOP, which, in response to receiving the said signal, blocks the comparator and generates a recovery pulse of its optical receiver. 2. Способ по п.1, в котором ДОФ соединены посредством синхронизирующего входа-выхода.2. The method of claim 1, wherein the DOPs are connected via a clock input/output. 3. Способ по п.1, в котором приемник оптического излучения представляет собой лавинный фотодиод.3. The method of claim 1, wherein the optical radiation receiver is an avalanche photodiode. 4. Схема синхронизации двух детекторов одиночных фотонов (ДОФ) в системе квантового распределения ключа (КРК), содержащая соединенные первый и второй ДОФ, в которой каждый ДОФ содержит приемник оптического излучения, компаратор, соединенный с блоком формирования выходного импульса, связанный с блоком формирования импульса активного восстановления, причем в случае срабатывания одного ДОФ, от упомянутого ДОФ выполняется передача сигнала, равного длительности импульса восстановления, на второй ДОФ, который в ответ на получение упомянутого сигнала осуществляет блокировку компаратора, и формирует импульс восстановления своего оптического приемника.Fig. 4. Synchronization circuit for two single photon detectors (SOPs) in a quantum key distribution system (QKD) containing connected first and second SOPs, in which each SOP contains an optical radiation receiver, a comparator connected to an output pulse shaping unit associated with a pulse shaping unit active recovery, and in case of operation of one DOP, a signal equal to the duration of the recovery pulse is transmitted from the mentioned DOP to the second DOP, which, in response to receiving the mentioned signal, blocks the comparator and generates a recovery pulse of its optical receiver.
RU2022118312A 2022-07-05 Method and scheme for active reset synchronization and recovery of single photon detectors in a quantum key distribution system RU2798394C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2798394C1 true RU2798394C1 (en) 2023-06-22

Family

ID=

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2454810C1 (en) * 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") Device of quantum distribution of cryptographic key on modulated radiation frequency subcarrier
RU2671620C1 (en) * 2016-12-29 2018-11-02 Общество с ограниченной ответственностью "Международный центр квантовой оптики и квантовых технологий" (ООО "МЦКТ") High-speed autocompensation scheme of quantum key distribution

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2454810C1 (en) * 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") Device of quantum distribution of cryptographic key on modulated radiation frequency subcarrier
RU2671620C1 (en) * 2016-12-29 2018-11-02 Общество с ограниченной ответственностью "Международный центр квантовой оптики и квантовых технологий" (ООО "МЦКТ") High-speed autocompensation scheme of quantum key distribution

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9876639B2 (en) Method for processing double click event for securing safety in quantum key distribution system
CN110830247B (en) Blind vulnerability detection method and device for gated detector in quantum key distribution system
Pljonkin Vulnerability of the synchronization process in the quantum key distribution system
CN110784485B (en) Method for resisting attack of detection end of quantum key distribution system
US20170317814A1 (en) Quantum-authenticated clock signal
CN103457931A (en) Active defense method for network trick and counter attack
Litoussi et al. IoT security: challenges and countermeasures
JP2009515421A (en) Differential phase shift modulation quantum key distribution
Zhang et al. Network fault localization with small TCB
Lin CAT: Building couples to early detect node compromise attack in wireless sensor networks
RU2798394C1 (en) Method and scheme for active reset synchronization and recovery of single photon detectors in a quantum key distribution system
CN109617684B (en) Self-repairing active defense type true random number generation device and generation method
CN111431702A (en) Quantum encryption circuit system and method based on coincidence time
Duangphasuk et al. Review of internet of things (IoT): security issue and solution
Alghamdi et al. Advanced methodologies to deter internal attacks in PTP time synchronization networks
Townsend et al. A quantum key distribution channel based on optical fibre
Plenkin et al. Comparative analysis of single-photon synchronization algorithms in the quantum key distribution system
Thaile et al. Node compromise detection based on nodetrust in wireless sensor networks
Nunoo‐Mensah et al. Tamper‐aware authentication framework for wireless sensor networks
WO2022043756A1 (en) Smart electronic fence system and intrusion detection method using the same
ES2420054B1 (en) METHOD FOR A FINE MONITORING OF OPTICAL LINES ON COMMUNICATION LINES THROUGH QKD SYSTEMS.
Silpa et al. MICRO GRID: security issues and solutions
CN205608939U (en) Laser anti -theft device
Bicakci et al. One-time sensors: A novel concept to mitigate node-capture attacks
CN113938274B (en) Data security transmission method for wearable equipment