RU2806780C1 - Device for quantum distribution of symmetrical bit sequence based on continuous variables using polarization combiner - Google Patents

Device for quantum distribution of symmetrical bit sequence based on continuous variables using polarization combiner Download PDF

Info

Publication number
RU2806780C1
RU2806780C1 RU2023102129A RU2023102129A RU2806780C1 RU 2806780 C1 RU2806780 C1 RU 2806780C1 RU 2023102129 A RU2023102129 A RU 2023102129A RU 2023102129 A RU2023102129 A RU 2023102129A RU 2806780 C1 RU2806780 C1 RU 2806780C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
beam splitter
polarization
fiber
delay line
fibre
Prior art date
Application number
RU2023102129A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Ильич Егоров
Владимир Викторович Чистяков
Борис Александрович Наседкин
Эдуард Олегович Самсонов
Илья Максимович Филипов
Роман Константинович Гончаров
Борис Евгеньевич Первушин
Юрий Александрович Адам
Семен Владимирович Смирнов
Даниил Николаевич Кириченко
Original Assignee
Открытое Акционерное Общество "Российские Железные Дороги"
Filing date
Publication date
Application filed by Открытое Акционерное Общество "Российские Железные Дороги" filed Critical Открытое Акционерное Общество "Российские Железные Дороги"
Application granted granted Critical
Publication of RU2806780C1 publication Critical patent/RU2806780C1/en

Links

Abstract

FIELD: photonic quantum communication systems.
SUBSTANCE: device comprises a sender unit comprising a coherent radiation source, a fibre optical isolator, a fibre amplitude modulator, a fibre beam splitter, fibre amplitude and phase modulators, a delay line, a fibre polarization combiner and a control and synchronization unit, and a receiver unit comprising a polarization controller, a polarization beam splitter, a delay line, a fibre beam splitter with two inputs and two outputs, a balanced detector, a control and synchronization unit, wherein the sender unit is connected to the receiver unit via a quantum channel and a synchronization channel.
EFFECT: providing the possibility of quantum distribution of a symmetric bit sequence based on continuous variables using a polarization combiner.
1 cl, 1 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к оптической технике, а именно к системам фотонной квантовой связи.The present invention relates to optical technology, namely to photonic quantum communication systems.

Известно устройство квантового распределения симметричной битовой последовательности на основе непрерывных переменных [Патент US 7929700 B2, дата приоритета: 15.12.2005. МКИ: H04L 9/0852], являющееся наиболее близким к описываемому. Устройство состоит из двух блоков, отправителя и получателя. В блоке отправителя происходит генерация оптического сигнала, квадратуры которого распределены по нормальному закону. В блоке получателя применяется гомодинный способ детектирования квадратур оптического сигнала.A device for quantum distribution of a symmetric bit sequence based on continuous variables is known [Patent US 7929700 B2, priority date: 12/15/2005. MKI: H04L 9/0852], which is closest to what is described. The device consists of two blocks, a sender and a receiver. In the sender block, an optical signal is generated, the quadratures of which are distributed according to the normal law. The receiver block uses a homodyne method for detecting quadratures of the optical signal.

В схеме описанного устройства для обеспечения временного мультиплексирования используется зеркало Фарадея и линия задержки. При использовании зеркала Фарадея возникает сложность работы, так как возникает необходимость в режиме реального времени контролировать его работу. В настоящем изобретении используются линия задержки и поляризационный объединитель, обеспечивающий такую конфигурацию поляризаций объединяемых излучений, при которой излучение остается линейно поляризованным и при этом поляризации перпендикулярны друг другу, что обеспечивает поляризационное мультиплексирование.In the circuit of the described device, a Faraday mirror and a delay line are used to provide time multiplexing. When using a Faraday mirror, the complexity of the work arises, since there is a need to monitor its operation in real time. The present invention uses a delay line and a polarization combiner to provide a configuration of polarizations of the combined radiation such that the radiation remains linearly polarized and the polarizations are perpendicular to each other, thereby providing polarization multiplexing.

В терминах упрощенной теоретической модели работа системы описывается следующим образом:In terms of a simplified theoretical model, the operation of the system is described as follows:

- отправитель посредством фазовой и амплитудной модуляции генерирует квантовое состояние, квадратуры которого статистически распределены по нормальному закону, а также классическое состояние, которое используется в качестве локального осциллятора;- the sender, through phase and amplitude modulation, generates a quantum state, the quadratures of which are statistically distributed according to the normal law, as well as a classical state, which is used as a local oscillator;

- отправитель осуществляет отправку состояний через квантовый канал;- the sender sends states through a quantum channel;

- получатель посредством поляризационного волоконного светоделителя разделяет квантовое и классическое состояние;- the receiver, through a polarizing fiber beam splitter, separates the quantum and classical states;

- осуществляя детектирование при помощи системы гомодинного детектирования, получатель извлекает информацию квадратуре квантового состояния;- performing detection using a homodyne detection system, the recipient extracts information about the quadrature of the quantum state;

- на основании полученных значений квадратур и будет сформирована симметричная битовая последовательность.- based on the obtained quadrature values, a symmetrical bit sequence will be generated.

Техническим результатом является использование поляризационного объединителя для обеспечения поляризационного мультиплексирования. Поляризационный объединитель заменяет собой зеркало Фарадея, что облегчает схему при ее реализации и функционировании.The technical result is the use of a polarization combiner to provide polarization multiplexing. The polarization combiner replaces the Faraday mirror, which makes the circuit easier to implement and operate.

Заявленное устройство делится на блоки отправителя и получателя. Блок отправителя содержит источник когерентного излучения, оптический волоконный изолятор, амплитудный волоконный модулятор, для обеспечения импульсного режима лазера, волоконный светоделитель, для разделения лазерного излучения на сигнальное плечо и плечо локального осциллятора. Сигнальное плечо содержит волоконные амплитудный и фазовый модуляторы, а также линию задержки для обеспечения временного мультиплексирования. Плечо локального осциллятора и сигнальное плечо соединены поляризационным объединителем. Программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС) содержит интерфейсы для управления модуляторами, лазерным модулем. Модуль стандарта SFP также подключен к ПЛИС и управляется ей.The claimed device is divided into sender and receiver blocks. The sender block contains a source of coherent radiation, an optical fiber isolator, an amplitude fiber modulator to provide a pulsed laser mode, a fiber beam splitter to separate the laser radiation into a signal arm and a local oscillator arm. The signal arm contains fiber amplitude and phase modulators, as well as a delay line to provide time multiplexing. The local oscillator arm and the signal arm are connected by a polarization combiner. The programmable logic integrated circuit (FPGA) contains interfaces for controlling modulators and a laser module. The SFP standard module is also connected to and controlled by the FPGA.

Блок получателя содержит помимо ПЛИС аналогичного тому, что установлен в блоке отправителя, контроллер поляризации, поляризационный волоконный светоделитель, в плече локального осциллятора установлена линия задержки. Для детектирования сигнала в блоке получателя установлена система гомодинного детектирования.The receiver block contains, in addition to an FPGA similar to that installed in the sender block, a polarization controller, a polarization fiber beam splitter, and a delay line is installed in the arm of the local oscillator. To detect the signal, a homodyne detection system is installed in the receiver block.

Управляющие пользовательские модули содержат SFP-модули. Для синхронизационного сигнала установлен фильтр низких частот.Control user modules contain SFP modules. A low-pass filter is installed for the synchronization signal.

Способ работы будет конкретизирован далее и подкреплен математическими выкладками. Преимущества изобретения будут реализованы и достигнуты технической реализацией изобретения, изложенном в письменном описании и формуле изобретения, а также на прилагаемом чертеже.The method of work will be specified further and supported by mathematical calculations. The advantages of the invention will be realized and achieved by the technical implementation of the invention set forth in the written description and claims, as well as in the accompanying drawing.

Описания заявленного устройства подаются в пояснительной форме и направлены на объяснение основных принципов работы изобретения и уточнение его отличий от ранее заявленных подобных изобретений.Descriptions of the claimed device are presented in explanatory form and are aimed at explaining the basic principles of the invention and clarifying its differences from previously declared similar inventions.

Фиг. 1 иллюстрирует функциональную схему заявленного устройства КРК.Fig. 1 illustrates a functional diagram of the claimed QKD device.

Изобретение реализует генерацию, передачу и прием квантовой информации, содержащейся в состоянии квадратуры сигнального состояния, 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.The invention implements the generation, transmission and reception of quantum information contained in the signal state quadrature state via a fiber quantum channel. The device is designed in such a way that it can be assembled from standard telecommunications equipment. Below we consider the mathematical model of the system in a simplified classical form and the optical design.

Устройство КРК работает следующим образом. Источник когерентного излучения генерирует световой пучок, проходящий через защищающий от отраженного света лазер оптический волоконный изолятор. Затем излучение модулируется при помощи амплитудного модулятора, задающего импульсный режим работы лазера. После излучение разделяется на поляризационном светоделителе. Излучение в одном плече, не подвергаемое модуляции, используется в качестве локального осциллятора (ЛО). Лазерное излучение во втором плече модулируется волоконными амплитудным и фазовым модуляторами, которые задают случайные значения квадратур, распределенные по нормальному закону. Управляющие сигналы на волоконные модуляторы подаются через соответствующие интерфейсы с ПЛИС. Также излучение в этом плече задерживается относительно ЛО с помощью линии задержки, таким образом обеспечивается временное мультиплексирование. Далее излучения двух плеч соединяются на поляризационном объединителе, который обеспечивает поляризационное мультиплексирование.The QKD device works as follows. The coherent radiation source generates a light beam passing through an optical fiber isolator that protects from reflected laser light. Then the radiation is modulated using an amplitude modulator, which sets the pulsed operating mode of the laser. The radiation is then split at a polarization beam splitter. Radiation in one arm, not subject to modulation, is used as a local oscillator (LO). Laser radiation in the second arm is modulated by fiber amplitude and phase modulators, which set random quadrature values distributed according to the normal law. Control signals to the fiber modulators are supplied through appropriate interfaces with the FPGA. Also, the radiation in this arm is delayed relative to the LO using a delay line, thus providing time multiplexing. Next, the radiation of the two arms is connected to a polarization combiner, which provides polarization multiplexing.

В блоке получателя излучение, проходит через контроллер поляризации, он изменяет состояние поляризации для точного деления на поляризационном светоделителе таким образом, чтобы излучение локального осциллятора переходило полностью в одно плечо поляризационного волоконного светоделителя, а излучение квантового сигнала - в другое. Контроллер поляризации управляется ПЛИС. В плече локального осциллятора установлена линия задержки. Далее излучения локального осциллятора и сигнала сбиваются на светоделителе с двумя входами и двумя выходами, на котором происходит интерференция сигнала и локального осциллятора. Результат интерференции регистрируется гомодинным детектором. Результат детектирования далее обрабатывается на ПЛИС.In the receiver block, the radiation passes through the polarization controller, it changes the polarization state for precise division on the polarization beam splitter so that the radiation of the local oscillator passes completely into one arm of the polarization fiber beam splitter, and the radiation of the quantum signal into the other. The polarization controller is controlled by an FPGA. A delay line is installed in the arm of the local oscillator. Next, the radiation of the local oscillator and the signal are confused at a beam splitter with two inputs and two outputs, at which interference of the signal and the local oscillator occurs. The result of interference is recorded by a homodyne detector. The detection result is further processed on the FPGA.

Взаимная информация «отправитель-получатель» в таком случае оценивается как:Mutual information “sender-receiver” in this case is evaluated as:

где μ - параметр гомо-/гетеродинирования;where μ is the homo-/heterodyning parameter;

SNR - отношение сигнал-шум;SNR - signal-to-noise ratio;

Т=TchTdet - пропускание канала, Tch - коэффициент пропускания непосредственно канала, Tdet=Trec ηdet - произведение коэффициента пропускания, связанного с оптическими потерями в блоке получателя, на эффективность балансного детектора;T=T ch T det is the channel transmittance, T ch is the transmittance of the channel itself, T det =T rec η det is the product of the transmittance associated with optical losses in the receiver block and the efficiency of the balanced detector;

VA - дисперсия сигнала отправителя;V A - dispersion of the sender signal;

ξ - избыточный шум.ξ - excess noise.

Для синхронизации пользователей ПЛИС отправителя посылает через его же SFP-модуль синхронизационный сигнал, который получатель принимает на своем SFP-модуле. Получаемый сигнал синхронизации проходит фильтр низких частот, после чего приходит на ЭВМ.To synchronize users, the sender's FPGA sends a synchronization signal through its SFP module, which the recipient receives on its SFP module. The resulting synchronization signal passes through a low-pass filter and then arrives at the computer.

Claims (1)

Устройство квантового распределения симметричной битовой последовательности на основе непрерывных переменных с использованием поляризационного объединителя, содержащее блок отправителя, включающий в себя соединенные посредством волоконно-оптического тракта источник когерентного излучения, оптический волоконный изолятор, подключенный к источнику когерентного излучения, волоконный светоделитель, подключенный к волоконному изолятору, амплитудные и фазовый модуляторы, подключенные к первому из плеч волоконного светоделителя, линию задержки, подключенную к фазовому модулятору, волоконный объединитель, подключенный ко второму выходу волоконного светоделителя и линии задержки, блок управления и синхронизации, подключенный к волоконным амплитудным и фазовому модуляторам, а также блок получателя, содержащего контроллер поляризации, поляризационный светоделитель, подключенный к контроллеру поляризации, линии задержки, подключенной к первому выходу поляризационного светоделителя, волоконного светоделителя с двумя входами и двумя выходами, подключенного ко второму выходу поляризационного светоделителя и линии задержки, балансный детектор, подключенный к волоконному светоделителю с двумя входами и двумя выходами, блок управления и синхронизации, подключенный к балансному детектору и к контроллеру поляризации.A device for quantum distribution of a symmetric bit sequence based on continuous variables using a polarization combiner, containing a sender unit including a coherent radiation source connected via a fiber-optic path, an optical fiber isolator connected to the coherent radiation source, a fiber beam splitter connected to the fiber insulator, amplitude and phase modulators connected to the first of the fiber beam splitter arms, a delay line connected to the phase modulator, a fiber combiner connected to the second output of the fiber beam splitter and delay line, a control and synchronization unit connected to the fiber amplitude and phase modulators, and a block receiver containing a polarization controller, a polarization beam splitter connected to the polarization controller, a delay line connected to the first output of the polarization beam splitter, a two-input, two-output fiber beam splitter connected to the second output of the polarization beam splitter and a delay line, a balanced detector connected to the fiber beam splitter with two inputs and two outputs, a control and synchronization unit connected to a balanced detector and to a polarization controller.
RU2023102129A 2023-01-31 Device for quantum distribution of symmetrical bit sequence based on continuous variables using polarization combiner RU2806780C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2806780C1 true RU2806780C1 (en) 2023-11-07

Family

ID=

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090268901A1 (en) * 2004-12-15 2009-10-29 Thales Continuous variable quantum encryption key distribution system
RU2697696C1 (en) * 2019-01-18 2019-08-16 Открытое Акционерное Общество "Информационные Технологии И Коммуникационные Системы" Method of transmitting a message over a computer network using hardware for quantum key distribution
US20190260581A1 (en) * 2016-11-04 2019-08-22 Huawei Technologies Co., Ltd. Quantum key relay method based on centralized management and control network, and apparatus
CN112887092A (en) * 2020-11-16 2021-06-01 南京大学 Local oscillator four-state quantum key distribution method and system
RU2764458C1 (en) * 2021-05-17 2022-01-17 Акционерное Общество "Информационные Технологии И Коммуникационные Системы" Method for distributing symmetric keys between nodes of a computer network with a quantum key distribution system

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090268901A1 (en) * 2004-12-15 2009-10-29 Thales Continuous variable quantum encryption key distribution system
US20190260581A1 (en) * 2016-11-04 2019-08-22 Huawei Technologies Co., Ltd. Quantum key relay method based on centralized management and control network, and apparatus
RU2697696C1 (en) * 2019-01-18 2019-08-16 Открытое Акционерное Общество "Информационные Технологии И Коммуникационные Системы" Method of transmitting a message over a computer network using hardware for quantum key distribution
CN112887092A (en) * 2020-11-16 2021-06-01 南京大学 Local oscillator four-state quantum key distribution method and system
RU2764458C1 (en) * 2021-05-17 2022-01-17 Акционерное Общество "Информационные Технологии И Коммуникационные Системы" Method for distributing symmetric keys between nodes of a computer network with a quantum key distribution system

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Annovazzi-Lodi et al. Synchronization of chaotic lasers by optical feedback for cryptographic applications
US7457548B2 (en) Quantum optical transmission device and quantum optical generator device therefor
EP1330054B1 (en) System and method for multi-level phase modulated communication
CN109981182B (en) Four-phase reflection type coherent optical communication system
CN107070560A (en) The polarization compensation of continuous variable quantum key dispatching system realizes devices and methods therefor
KR940004460B1 (en) Fiber optic network
US20220321234A1 (en) Optical path system for quantum communication and quantum communication method
CN114374441B (en) Quantum key distribution phase decoding device for immune channel disturbance
WO2016162903A1 (en) Polarization insensitive self-homodyne detection receiver
WO2022123594A1 (en) System and method for plug-and-play differential phase encoded measurement-device-independent quantum key distribution
RU2806780C1 (en) Device for quantum distribution of symmetrical bit sequence based on continuous variables using polarization combiner
Karbassian et al. Transceiver architecture for incoherent optical CDMA networks based on polarization modulation
JP4388316B2 (en) Quantum cryptographic communication apparatus and method
CN216122449U (en) Quantum key distribution optical chip and system with multiple coding functions
CN113285759B (en) Underwater continuous variable quantum key distribution system facing complex environment and implementation method thereof
WO2022037245A1 (en) Four-channel ultra-high-speed two-way otdm secure communication system
RU2758708C1 (en) Device for quantum distribution of a symmetric bit sequence at a subcarrier frequency of modulated radiation using a double homodyne reception method
CA2073108A1 (en) Coherent optical-fibre communications system using polarization modulation
RU2758709C1 (en) Device for quantum distribution of a symmetric bit sequence at a subcarrier frequency of modulated radiation using a homodyne reception method
CN112039672A (en) Stable quantum key distribution system
RU2758711C1 (en) Device for quantum distribution of a symmetric bit sequence at a subcarrier frequency of modulated radiation using a heterodyne reception method
Kwong et al. Coherent subcarrier fiber-optic communication systems with phase-noise cancellation
CN214591474U (en) Sending end and receiving end of continuous variable quantum key distribution system
JP4247784B2 (en) Optical communication method, optical transmitter, and optical communication system
Yang et al. Single-sideband (SSB) transmission with a quasi-linear modulator based on double-side electro-absorption modulated laser (DS-EML)