RU2806904C1 - Device for generating quantum states for quantum communications systems with assessment of quality of preparing states for protocols for quantum key generation on chip - Google Patents

Device for generating quantum states for quantum communications systems with assessment of quality of preparing states for protocols for quantum key generation on chip Download PDF

Info

Publication number
RU2806904C1
RU2806904C1 RU2023110087A RU2023110087A RU2806904C1 RU 2806904 C1 RU2806904 C1 RU 2806904C1 RU 2023110087 A RU2023110087 A RU 2023110087A RU 2023110087 A RU2023110087 A RU 2023110087A RU 2806904 C1 RU2806904 C1 RU 2806904C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
quantum
states
phase
modulator
combiner
Prior art date
Application number
RU2023110087A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Аркадий Владимирович Шипулин
Сергей Михайлович Конторов
Артём Владиславович Прокошин
Максим Леонидович Галкин
Иван Александрович Казаков
Роман Алексеевич Шаховой
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 RU2806904C1 publication Critical patent/RU2806904C1/en

Links

Abstract

FIELD: quantum cryptography; information protection.
SUBSTANCE: invention relates to information protection implemented on a photonic integrated circuit. The device for generating quantum states for quantum communication systems with assessment of the quality of preparing states for quantum key generation protocols on a chip contains a semiconductor laser, an amplitude modulator made in the form of a symmetric Mach-Zehnder interferometer and consisting of a disconnector, a combiner and two phase modulators, narrowband and broadband, additional disconnector installed after the amplitude modulator combiner before the broadband phase modulator, wideband phase modulator, adjustable optical attenuator installed after the broadband phase modulator and made in the form of a disconnector, two narrowband phase modulators and an X-shaped coupler, single-ended Mach-Zehnder interferometer with a delay line in the long arm, a splitter for outputting the optical signal into the quantum channel, and a narrowband phase modulator in the short arm. The arms of an asymmetrical Mach-Zehnder interferometer are connected in a splitter, the beams from which are directed to photodetectors, an additional adjustable optical attenuator installed before entering the quantum channel and made in the form of a splitter, two narrow-band amplitude modulators and a combiner. The semiconductor laser operates in continuous mode.
EFFECT: increase in the stability of a quantum telecommunication system to errors caused by temperature, vibration and other changes in the system, and ability to assess the quality of preparing states for quantum key distribution protocols with phase, phase-time encoding and with trap states.
1 cl, 6 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретение Field of technology to which the invention relates

Изобретение относится к области к квантовой криптографии в области защиты информации, реализуемой на фотонной интегральной схеме.The invention relates to the field of quantum cryptography in the field of information protection, implemented on a photonic integrated circuit.

ГлоссарийGlossary

С целью обеспечения достаточности раскрытия изобретения и обеспечения возможности проведения информационного поиска в отношении заявляемого технического решения, а также для понимания сущности заявляемого изобретения, ниже приведен перечень используемых в описании терминов, не ограничивающих объем правовой охраны.In order to ensure the sufficiency of disclosure of the invention and to ensure the possibility of conducting an information search in relation to the claimed technical solution, as well as to understand the essence of the claimed invention, below is a list of terms used in the description that do not limit the scope of legal protection.

Термины:Terms:

Волновод - направляющий канал, в котором может распространяться электромагнитная волна.A waveguide is a guiding channel in which an electromagnetic wave can propagate.

Интерференция - перераспределение интенсивности электромагнитных волн в результате наложения (суперпозиции) нескольких электромагнитных волн.Interference is a redistribution of the intensity of electromagnetic waves as a result of the superposition (superposition) of several electromagnetic waves.

Интерферометр - измерительный прибор, действие которого основано на явлении интерференции. An interferometer is a measuring device whose operation is based on the phenomenon of interference.

Квантовая сеть - коммуникационная сеть, в которой передаваемые данные защищены методами квантовой криптографии.A quantum network is a communication network in which transmitted data is protected by quantum cryptography methods.

Квантовая запутанность - квантовомеханическое явление, при котором квантовые состояния двух или большего числа объектов не могут быть описаны независимо. Квантовая когерентность - квантовое явление, состоящее в коррелированности, или согласованности, движения микрочастиц, образующих данную физическую систему. Ключ шифрования - секретная информация, используемая для шифрования и расшифрования сообщений.Quantum entanglement is a quantum mechanical phenomenon in which the quantum states of two or more objects cannot be described independently. Quantum coherence is a quantum phenomenon consisting in the correlation, or consistency, of the movement of microparticles that form a given physical system. Encryption key - secret information used to encrypt and decrypt messages.

Кубит - наименьшая единица информации в квантовом компьютере (аналог бита в обычном компьютере).A qubit is the smallest unit of information in a quantum computer (analogous to a bit in a conventional computer).

Лазер - источник электромагнитного излучения, обладающий высокой временной и пространственной когерентностью.A laser is a source of electromagnetic radiation with high temporal and spatial coherence.

Модулятор - устройство для преобразования электрических сигналов в оптическую область (электрооптическое преобразование).Modulator is a device for converting electrical signals into the optical domain (electro-optical conversion).

Х-образный ответвитель - устройство, совмещающее функции разветвителя и объединителя.X-shaped coupler is a device that combines the functions of a splitter and a combiner.

Разветвитель/объединитель - устройство для деления / суммирования входных сигналов. Фотодетектор - устройство для преобразования оптических сигналов в электрическую область (оптоэлектронное преобразование). Уровень техники ОБЩИЙ ОБЗОРSplitter/combiner - a device for dividing/summing input signals. Photodetector is a device for converting optical signals into the electrical domain (optoelectronic conversion). State of the art GENERAL OVERVIEW

Идея квантовой криптографии была впервые предложена в 1970-х годах, а активные исследования в этой области начались после публикации Беннетом и Брассаром первого протокола квантового распределения ключей ВВ84 в 1984 году. В криптографии принято обозначать отправителя информации Алисой, приемник - Бобом, а перехватчика - Евой. Задача квантового распределения ключей заключается в передаче секретного ключа по квантовому каналу связи между Алисой и Бобом таким образом, что Ева не сможет его перехватить. После передачи ключа зашифрованные данные могут быть переданы по классическому каналу связи.The idea of quantum cryptography was first proposed in the 1970s, and active research in this area began after Bennett and Brassard published the first quantum key distribution protocol BB84 in 1984. In cryptography, it is customary to designate the sender of information as Alice, the receiver as Bob, and the interceptor as Eve. The task of quantum key distribution is to transmit a secret key over a quantum communication channel between Alice and Bob in such a way that Eve cannot intercept it. After transmitting the key, the encrypted data can be transmitted over a classic communication channel.

Протоколы квантового распределения ключей можно разделить на две группы - протоколы с дискретными переменными и протоколы с непрерывными переменными. Протоколы с дискретными переменными кодируют информацию с помощью одиночных фотонов, а протоколы с непрерывными переменными кодируют информацию в квадратурах поля. Для передачи фотонов между Алисой и Бобом может использоваться как оптическое волокно, так и свободное пространство. Для передачи фотонов в оптическом волокне можно использовать две разные длины волны - стандартную телекоммуникационную длину волны 1550 нм, а также 850 нм. Потери в волокне гораздо меньше на длине волны 1550 нм и составляют 0,2 дБ/км. Однако на длине волны 850 нм для детектирования одиночных фотонов может использоваться однофотонный лавинный диод, изготовленный из кремния. На длине волны 1550 нм приходится использовать детекторы из германия или сплава InGaAs, что увеличивает долю битовых ошибок.Quantum key distribution protocols can be divided into two groups - protocols with discrete variables and protocols with continuous variables. Discrete variable protocols encode information using single photons, while continuous variable protocols encode information in field quadratures. Both optical fiber and free space can be used to transmit photons between Alice and Bob. Two different wavelengths can be used to transmit photons in optical fiber - the standard telecommunications wavelength of 1550 nm, as well as 850 nm. Losses in the fiber are much lower at a wavelength of 1550 nm and amount to 0.2 dB/km. However, at a wavelength of 850 nm, a single-photon avalanche diode made of silicon can be used to detect single photons. At a wavelength of 1550 nm, it is necessary to use detectors made of germanium or InGaAs alloy, which increases the proportion of bit errors.

В настоящее время особое развитие находит осуществление квантового распределения ключей при помощи класса устройств, именуемых «фотонными интегральными схемами». Фотонные интегральные схемы представляют собой многокомпонентное оптоэлектронное устройство (монолитная или гибридная интегральная схема), изготовленное на единой подложке и способное выполнять функции генерации, детектирования и обработки оптических сигналов, и постепенно занимающее место основой номенклатуры компонентов всех оптических систем.Currently, the implementation of quantum key distribution using a class of devices called “photonic integrated circuits” is particularly developed. Photonic integrated circuits are a multi-component optoelectronic device (monolithic or hybrid integrated circuit), manufactured on a single substrate and capable of performing the functions of generating, detecting and processing optical signals, and gradually occupying a place as the basis of the range of components of all optical systems.

Устройства для квантового распределения ключей предъявляют к используемым оптическим компонентам более строгие требования, чем стандартные системы телекоммуникаций.Quantum key distribution devices place more stringent requirements on the optical components used than standard telecommunications systems.

Фотонные интегральные схемы предоставляют платформу, позволяющую монолитную интеграцию нескольких оптических компонентов, выполняющих различные функции, на одном чипе. Платформа ФИС позволяет с помощью хорошо развитой и высокоточной технологии литографии производить чипы, которые удовлетворяют требованиям устройств для квантового распределения ключей. Фотонные интегральные схемы могут быть изготовлены на нескольких материальных платформах, каждая из которых имеет преимущества и недостатки.Photonic integrated circuits provide a platform that allows the monolithic integration of multiple optical components performing different functions on a single chip. The FIS platform allows, using well-developed and high-precision lithography technology, to produce chips that meet the requirements of devices for quantum key distribution. Photonic integrated circuits can be fabricated on multiple material platforms, each with advantages and disadvantages.

В современных и перспективных системах на основе фотоники, где используется множество различных элементов, логичным решением является их интеграция в исполнении на чипе. Этим занимается интегральная фотоника - относительно новая и активно развивающаяся мировая отрасль. Известные преимущества фотонных интегральных схем (ФИС), такие как компактность, быстродействие и энергоэффективность, позволяют им во многих приложениях дополнять или заменять как дискретную фотонику, так и микроэлектронику.In modern and future systems based on photonics, where many different elements are used, the logical solution is their integration on a chip. This is what integrated photonics does - a relatively new and actively developing global industry. The known advantages of photonic integrated circuits (PICs), such as compactness, speed, and energy efficiency, allow them to complement or replace both discrete photonics and microelectronics in many applications.

В то время как в системах квантовой связи на основе традиционных оптических компонентов используются слабые когерентные импульсы, которые уязвимы к атакам с разделением числа фотонов, платформа ФИС позволяет изготовить другие источники света для использования в квантовых коммуникациях - генераторы одиночных фотонов и генераторы пар запутанных фотонов.While quantum communication systems based on traditional optical components use weak coherent pulses that are vulnerable to photon splitting attacks, the FIS platform allows the fabrication of other light sources for use in quantum communications - single photon generators and entangled photon pair generators.

На данный момент на платформе ФИС были не только получены отдельные компоненты для реализации систем квантовой связи, но и успешно продемонстрирована реализация протоколов квантового распределения ключей с использованием ФИС как в качестве передатчика, так и в качестве приемника.At the moment, on the FIS platform, not only individual components for the implementation of quantum communication systems have been obtained, but also the implementation of quantum key distribution protocols using FIS both as a transmitter and as a receiver has been successfully demonstrated.

Одной из основных проблем в области квантовых телекоммуникаций является миниатюризация габаритов и удешевление квантовых коммуникационных систем. На данный момент разрабатываемые решения и технологии позволяют создать стационарные образцы квантовых коммуникационных систем, габариты которых значительны и не могут быть использованы для мобильного и тем более персонального применения. Так, например, опытный образец модуля отправителя в свободном пространстве имеет размеры порядка 250x250x200 мм3 и массу несколько кг. В волоконном исполнении модуль отправителя может быть реализован в габаритах порядка 200x150x30 мм3, что также является значительным, а масса достигает ~1 кг. При этом уже сейчас очевидно, что в будущем подобные системы потребуется интегрировать не только в стационарные магистральные системы, но и в компактные мобильные устройства, поэтому столь большие габариты не приемлемы. Стоит также отметить, что в мире ведутся пилотные проекты по созданию подобных систем в миниатюрном исполнение на чипе, однако они еще находятся на стадии разработки и требуют дополнительных исследований.One of the main problems in the field of quantum telecommunications is the miniaturization of dimensions and reduction in cost of quantum communication systems. At the moment, the solutions and technologies being developed make it possible to create stationary samples of quantum communication systems, the dimensions of which are significant and cannot be used for mobile and, especially, personal use. For example, a prototype of a sender module in free space has dimensions of the order of 250x250x200 mm3 and a weight of several kg. In the fiber version, the sender module can be implemented in dimensions of the order of 200x150x30 mm3, which is also significant, and the weight reaches ~1 kg. At the same time, it is already obvious that in the future such systems will need to be integrated not only into stationary backbone systems, but also into compact mobile devices, so such large dimensions are not acceptable. It is also worth noting that pilot projects are underway around the world to create such miniature systems on a chip, but they are still at the development stage and require additional research.

Кроме того, значительное снижение стоимости технологии и получение малых габаритов квантовых коммуникационных систем позволит значительно расширить их области применения и перейти от нишевого применения в системах квантовой коммуникации магистральных и городских линий точка-точка к использованию на масштабных пользовательских рынках интернета вещей с квантовой защитой, защищенной персональной мобильной связи, 5G и в дальнейшем 6G.In addition, a significant reduction in the cost of technology and obtaining small dimensions of quantum communication systems will significantly expand their areas of application and move from niche applications in quantum communication systems of backbone and city point-to-point lines to use in large-scale user markets of the Internet of Things with quantum protection protected by personal data. mobile communications, 5G and later 6G.

Подобное проникновение систем с квантовой защитой возможно только при условии наличия технологий, позволяющих создавать компактные системы с малой стоимостью, весом и энергопотреблением, которые можно легко интегрировать в пользовательские устройства. С помощью фотонных интегральных схем, можно заменить объемные дискретные компоненты одним чипом, размеры которого не будут превышать 20x20x1 мм3, а масса 10 грамм.Such penetration of quantum-protected systems is only possible if technologies are available that allow the creation of compact systems with low cost, weight and power consumption that can be easily integrated into user devices. With the help of photonic integrated circuits, it is possible to replace bulk discrete components with a single chip, the dimensions of which will not exceed 20x20x1 mm3 and weight 10 grams.

В качестве технического решения, которое позволило повысить надежность защищаемой линии связи при помощи миниатюрного устройства предлагается «Устройство формирования квантовых состояний для систем квантовых коммуникаций с оценкой качества приготовления состояний для протоколов квантовой генерации ключа на чипе». Предложенное устройство позволяет выбирать для формирования квантовых состояний два типа кодирования: фазовое кодирование, при котором информация записывается в разницу фаз ослабленных лазерных импульсов, и временное кодирование, при котором значение кубита определяется временем прихода импульса на детектор.As a technical solution that made it possible to increase the reliability of a protected communication line using a miniature device, a “Device for generating quantum states for quantum communication systems with assessment of the quality of preparing states for quantum key generation protocols on a chip” is proposed. The proposed device allows you to choose two types of encoding for the formation of quantum states: phase encoding, in which information is recorded in the phase difference of attenuated laser pulses, and time encoding, in which the value of the qubit is determined by the time the pulse arrives at the detector.

Иногда указанные способы кодирования объединяют в один - так называемое фазово-временное или просто временное кодирование. Действительно, с физической точки зрения, оба способа кодирования связаны с изменением временных характеристик сигналов. Разница лишь в том, что при фазовом кодировании смещается во времени несущая оптического сигнала, тогда как при временном кодировании смещается во времени огибающая импульса. С математической точки зрения фазово-временное кодирование изоморфно поляризационному кодированию, зачастую используемому в системах квантового распределения ключей.Sometimes these encoding methods are combined into one - the so-called phase-time or simply time encoding. Indeed, from a physical point of view, both coding methods are associated with changes in the timing characteristics of signals. The only difference is that with phase encoding the carrier of the optical signal is shifted in time, while with time encoding the pulse envelope is shifted in time. From a mathematical point of view, phase-time coding is isomorphic to polarization coding, often used in quantum key distribution systems.

С точки зрения практической реализации оба способа кодирования (поляризационное и фазово-временное) во многом эквивалентны, однако, в контексте формирования квантовых состояний на чипе (с использованием средств интегральной оптики), фазовое кодирование является предпочтительным, поскольку манипулировать фазой оптического сигнала в волноводе оказывается проще, чем изменять его поляризацию.From the point of view of practical implementation, both encoding methods (polarization and phase-time) are largely equivalent, however, in the context of the formation of quantum states on a chip (using integrated optics), phase encoding is preferable, since it is easier to manipulate the phase of the optical signal in the waveguide than to change its polarization.

Использование «Устройства формирования квантовых состояний для систем квантовых коммуникаций с оценкой качества приготовления состояний для протоколов квантовой генерации ключа на чипе» позволяет обеспечить безопасность защищенной линии квантовой связи, а также обеспечить возможность оперативного информирования о попытке компрометации защищенной линии связи при помощи устройства с минимальными габаритами и энергозатратами, а также снизить процент ошибок за счет компенсации различных изменений, в том числе температурных, свойственных для миниатюрных устройств.The use of the “Device for generating quantum states for quantum communication systems with assessment of the quality of preparing states for protocols for quantum key generation on a chip” makes it possible to ensure the security of a secure quantum communication line, as well as to provide the ability to quickly inform about an attempt to compromise a secure communication line using a device with minimal dimensions and energy consumption, as well as reduce the percentage of errors by compensating for various changes, including temperature, typical for miniature devices.

В ходе патентного поиска были обнаружены документы, определяющие уровень техники и не считающиеся особо релевантным по отношению к заявленному изобретению, а именно: «Высокоскоростная автокомпенсационная схема квантового распределения ключа» (патент №RU 2 671 620 С1)During the patent search, documents were discovered that define the state of the art and are not considered particularly relevant to the claimed invention, namely: “High-speed auto-compensation circuit for quantum key distribution” (patent No. RU 2 671 620 C1)

«Передающее устройство, принимающее устройство и система квантового распределения ключей» (Transmitting device, receiving device, and quantum key distribution system, патент №US11387992B2)“Transmitting device, receiving device, and quantum key distribution system”, patent No. US11387992B2

Вышеуказанные технические решения представляют собой различные варианты устройств для квантового распределения ключей на базе фотонных интегральных схем. В качестве аналога заявляемого изобретения можно рассматривать техническое решение, раскрытое в патенте «Высокоскоростная автокомпенсационная схема квантового распределения ключа» (патент №RU 2 671 620 С1, дата приоритета 2016.12.29). Решение относится к квантовой криптографии, лежащей в области защиты информации. Техническим результатом является повышение предельной частоты следования лазерных импульсов при фиксированном значении их ширины, что позволяет использовать автокомпенсационную схему на частоте, период которой равен ширине лазерного импульса, что является предельно возможным результатом. Система связи для передачи криптографического ключа между концами канала включает передающий узел, содержащий светоделитель, электрооптический аттенюатор, амплитудный модулятор, фазовый модулятор, накопительную линию, зеркало Фарадея, детектор синхронизации; приемный узел, содержащий лазер, лавинные фотодиоды, светоделитель, циркулятор, линию задержки, фазовый модулятор, поляризационный светоделитель, интерферометр Маха-Цендера; а также квантовый канал для соединения указанных узлов. При этом накопительная линия помещена между электрооптическим фазовым модулятором отправителя и зеркалом Фарадея.The above technical solutions represent various options for devices for quantum key distribution based on photonic integrated circuits. As an analogue of the claimed invention, one can consider the technical solution disclosed in the patent “High-speed auto-compensation circuit for quantum key distribution” (patent No. RU 2 671 620 C1, priority date 2016.12.29). The solution relates to quantum cryptography, which lies in the field of information security. The technical result is to increase the maximum repetition rate of laser pulses at a fixed value of their width, which allows the use of an auto-compensation circuit at a frequency whose period is equal to the laser pulse width, which is the maximum possible result. The communication system for transmitting a cryptographic key between the ends of the channel includes a transmitting unit containing a beam splitter, an electro-optical attenuator, an amplitude modulator, a phase modulator, an accumulation line, a Faraday mirror, and a synchronization detector; a receiving unit containing a laser, avalanche photodiodes, a beam splitter, a circulator, a delay line, a phase modulator, a polarization beam splitter, and a Mach-Zehnder interferometer; as well as a quantum channel for connecting these nodes. In this case, the storage line is placed between the sender's electro-optical phase modulator and the Faraday mirror.

Отличием данного технического решения является принципиально иная последовательность модуляций начального сигнала, включающая несколько линий задержки, поляризационный делитель.The difference between this technical solution is a fundamentally different sequence of modulations of the initial signal, including several delay lines and a polarization divider.

В качестве прототипа можно выделить техническое решение «Передающее устройство, принимающее устройство и система квантового распределения ключей» (Transmitting device, receiving device, and quantum key distribution system, патент №US11387992B2, дата приоритета 2018-01-18). Согласно описанию, указанное решение представляет собой передающее устройство для системы квантового распределения ключей включает источник света, делитель луча, кодер и комбинатор луча. Источник света сконфигурирован для генерирования оптического импульса. Делитель луча сконфигурирован для разделения оптического импульса на сигнальный импульс, проходящий по первому пути, и импульс управления поляризацией, проходящий по второму пути, причем второй путь отличается по длине оптического пути от первого пути. Кодер установлен на первом пути и сконфигурирован для кодирования информации в сигнальном импульсе. Комбинатор лучей сконфигурирован для объединения сигнального импульса, проходящего через кодер, и импульса управления поляризацией.As a prototype, we can highlight the technical solution “Transmitting device, receiving device, and quantum key distribution system,” patent No. US11387992B2, priority date 2018-01-18. According to the description, this solution is a transmitting device for a quantum key distribution system and includes a light source, a beam splitter, an encoder and a beam combinator. The light source is configured to generate an optical pulse. The beam splitter is configured to split the optical pulse into a signal pulse traveling along a first path and a polarization control pulse traveling along a second path, the second path having a different optical path length from the first path. An encoder is installed on the first path and configured to encode information in the signal pulse. The beam combiner is configured to combine the signal pulse passing through the encoder and the polarization control pulse.

Отличием данного технического решения является принципиально иная последовательность модуляций начального сигнала, при которой начальный пучок из источника света идет по двум маршрутам, в которых происходит модуляция сигнала, затем разделенные пучки соединяются и модулируются повторно. При этом, модулирование сигнала происходит параллельно, а не последовательно.The difference between this technical solution is a fundamentally different sequence of modulations of the initial signal, in which the initial beam from the light source goes along two routes in which the signal is modulated, then the separated beams are connected and modulated again. In this case, the signal modulation occurs in parallel, not sequentially.

Вышеуказанные технические решения, как и заявляемое изобретение, в той или иной мере предназначены для квантовой криптографии, однако последовательность модуляций начального сигнала вышеуказанных технических решений существенно отличается от предлагаемого в настоящем изобретении.The above technical solutions, like the claimed invention, are to one degree or another intended for quantum cryptography, however, the sequence of modulations of the initial signal of the above technical solutions differs significantly from that proposed in the present invention.

В частности, ключевым отличием заявляемого способа от прототипа является отсутствие линий задержки на пути пучков, непосредственно кодирующих квантовый ключ. Техническая задача, для решения которой предназначено настоящее изобретение, заключается в повышении скорости генерации секретного криптографического ключа, возможности оценки качества приготовления состояний для протоколов квантовой генерации ключа с фазовым, фазово-временным кодированием и с состояниями ловушками.In particular, the key difference between the proposed method and the prototype is the absence of delay lines on the path of the beams directly encoding the quantum key. The technical problem to be solved by the present invention is to increase the speed of generating a secret cryptographic key, the ability to assess the quality of preparation of states for quantum key generation protocols with phase, phase-time encoding and with trap states.

Техническим результатом исследуемого решения является повышение устойчивости квантовой системы телекоммуникации к ошибкам, вызванных температурными, вибрационными и иными изменениями в системе, и возможность оценки качества приготовления состояний для протоколов квантового распределения ключа с фазовым, фазово-временным кодированием и с состояниями ловушками.The technical result of the solution under study is to increase the stability of a quantum telecommunication system to errors caused by temperature, vibration and other changes in the system, and the ability to assess the quality of preparing states for quantum key distribution protocols with phase, phase-time encoding and with trap states.

Раскрытие изобретенияDisclosure of the Invention

Для решения поставленной задачи и достижения вышеуказанного технического результата предлагается «Устройство формирования квантовых состояний для систем квантовых коммуникаций с оценкой качества приготовления состояний для протоколов квантовой генерации ключа на чипе».To solve the problem and achieve the above technical result, a “Device for generating quantum states for quantum communications systems with assessment of the quality of preparing states for protocols for quantum key generation on a chip” is proposed.

Устройство для реализации настоящего способа состоит из следующих элементов:The device for implementing this method consists of the following elements:

1. Полупроводниковый лазер, работающий в непрерывном режиме 1;1. Semiconductor laser operating in continuous mode 1;

2. Амплитудный модулятор 3, выполненный в виде симметричного интерферометра Маха-Цендера и состоящий из разъединителя 2 и объединителя 6 и двух фазовых модуляторов: узкополосного 4 и широкополосного 5;2. Amplitude modulator 3, made in the form of a symmetrical Mach-Zehnder interferometer and consisting of a disconnector 2 and a combiner 6 and two phase modulators: narrowband 4 and broadband 5;

3. Дополнительный разъединитель 7, установленный после объединителя 6 амплитудного модулятора 3 перед широкополосным фазовым модулятором 9, необходимый для контроля рабочей точки амплитудного модулятора 8.3. Additional disconnector 7, installed after the combiner 6 of the amplitude modulator 3 in front of the broadband phase modulator 9, necessary to control the operating point of the amplitude modulator 8.

4. Широкополосный фазовый модулятор 9, необходимый для изменения фазы лазерных импульсов;4. Wideband phase modulator 9, necessary to change the phase of laser pulses;

5. Регулируемый оптический аттенюатор 11, установленный после широкополосного фазового модулятора 9 и выполненный в виде разъединителя 10, двух узкополосных фазовых модуляторов 12 13, и Х-образного ответвителя 14;5. Adjustable optical attenuator 11, installed after the broadband phase modulator 9 and made in the form of a disconnector 10, two narrowband phase modulators 12 13, and an X-shaped coupler 14;

6. Несимметричный интерферометр Маха-Цендера 15 с линией задержки 16 в 165 пс в длинном плече, разделителем 17 в коротком плече для вывода оптического сигнала в квантовый канал 26 и узкополосным фазовым модулятором 18, при этом плечи интерферометра соединяются в Х-образном ответвителе 19, пучки из которого направляются в фотоприемники 20;6. Asymmetrical Mach-Zehnder interferometer 15 with a 165 ps delay line 16 in the long arm, a splitter 17 in the short arm for outputting the optical signal to the quantum channel 26 and a narrow-band phase modulator 18, while the interferometer arms are connected in an X-shaped coupler 19, beams from which are sent to photodetectors 20;

7. Дополнительный регулируемый оптический аттенюатор 22, установленный перед выходом в квантовый канал 26 и выполненный в виде разделителя 21, двух узкополосных амплитудных модуляторов 23, 24 и объединителя 25; необходим для достижения необходимого уровня аттенюации лазерных импульсов.7. Additional adjustable optical attenuator 22, installed before entering the quantum channel 26 and made in the form of a separator 21, two narrowband amplitude modulators 23, 24 and a combiner 25; necessary to achieve the required level of attenuation of laser pulses.

Работа устройства раскрывается следующим описанием:The operation of the device is described as follows:

1. Пучок света направляется из лазерного источника 1 по волноводу в амплитудный модулятор 3 на разделитель 2, поступает на фазовые модуляторы 4 и 5, соединяется в объединителе 6.1. A beam of light is directed from laser source 1 along a waveguide to amplitude modulator 3 to separator 2, enters phase modulators 4 and 5, and is connected in combiner 6.

2. Далее единый пучок следует в разделитель 7, откуда поступает в контроль рабочей точки 8, который осуществляет подстройку напряжения на узкополосном фазовом модуляторе 4 по оптическому сигналу (например, при изменении температуры, напряжения и т.д.).2. Next, the single beam goes to the separator 7, from where it enters the control of the operating point 8, which adjusts the voltage on the narrow-band phase modulator 4 according to the optical signal (for example, when temperature, voltage, etc. change).

3. По другому каналу пучок направляется в широкополосный фазовый модулятор 9, который привносит информационную нагрузку сигналу, где задается разность фаз.3. Through another channel, the beam is sent to a broadband phase modulator 9, which introduces an information load to the signal, where the phase difference is set.

4. Пучок направляется в разделитель 10, далее поступает в аттенюатор (медленный амплитудный модулятор) 11, где пучкам задается определенная разность фаз на фазовых модуляторах 12 и 13.4. The beam is directed to the separator 10, then enters the attenuator (slow amplitude modulator) 11, where the beams are given a certain phase difference on the phase modulators 12 and 13.

5. Далее пучки из фазовых модуляторов 12 и 13 поступают на Х-образный ответвитель 14, который в зависимости от разности фаз направляет пучки в разной пропорции в два канала в интерферометр 15, в котором работа возможна в двух режимах5. Next, the beams from the phase modulators 12 and 13 enter the X-shaped coupler 14, which, depending on the phase difference, directs the beams in different proportions into two channels into the interferometer 15, in which operation is possible in two modes

6. В режиме №1, тестовом, чтобы понять какую разность фаз задает фазовый модулятор 9, пучок поступает в интерферометр 15, где интерферируется два последовательных импульса. Узкополосный фазовый модулятор 4 при этом настроен на сдвиг 0 или π/2. Один пучок идет по линии задержки 16, второй идет на разделитель 17, откуда половина пучков с него поступает на узкополосный фазовый модулятор 18, далее два пучка (из линии задержки 16 или узкополосного фазового модулятора 18) поступают на Х-образный ответвитель 19, откуда в зависимости от разности фаз поступают в разной пропорции на фотоприемники 20.6. In mode No. 1, test, in order to understand what phase difference is set by the phase modulator 9, the beam enters the interferometer 15, where two successive pulses are interfered with. Narrowband phase modulator 4 is configured for a shift of 0 or π/2. One beam goes along the delay line 16, the second goes to the splitter 17, from where half of the beams from it go to the narrow-band phase modulator 18, then two beams (from the delay line 16 or the narrow-band phase modulator 18) go to the X-shaped coupler 19, from where depending on the phase difference, they arrive in different proportions at photodetectors 20.

7. В режиме №2, рабочем, большая часть излучения следует из аттенюатора 11 через Х-образный ответвитель 14 на линию задержки 16 в интерферометре 15, откуда рассеивается. Меньшая часть излучения поступает на разделитель 17 откуда половина поступает на аттенюатор 22 через разделитель 21. Из аттенюатора 22 пучки интерферируют на объединитель 25, при этом большая часть рассеивается, а меньшая поступает в квантовый канал 26.7. In mode No. 2, operating, most of the radiation follows from the attenuator 11 through the X-shaped coupler 14 to the delay line 16 in the interferometer 15, from where it is scattered. A smaller part of the radiation enters the splitter 17, from where half goes to the attenuator 22 through the splitter 21. From the attenuator 22, the beams interfere with the combiner 25, while most of it is scattered, and the smaller part enters the quantum channel 26.

Амплитудный модулятор 3 необходим для формирования оптических импульсов с заданной частотой следования, которые «вырезаются» с его помощью из непрерывного лазерного пучка. Частота приготовления квантовых состояний соответствует частоте следования пар импульсов, причем временная задержка между импульсами в паре, кодирующей квантовое состояние, является фиксированной и должна соответствовать линии задержки несимметричного интерферометра Маха-Цендера 15 (165 пс).Amplitude modulator 3 is necessary for the formation of optical pulses with a given repetition rate, which are “cut” with its help from a continuous laser beam. The frequency of preparation of quantum states corresponds to the repetition rate of pulse pairs, and the time delay between pulses in a pair encoding a quantum state is fixed and must correspond to the delay line of the asymmetric Mach-Zehnder interferometer 15 (165 ps).

В поддерживаемых протоколах квантового распределения ключей, кодирование кубита осуществляется в разности фаз между импульсами. Для задания разности фаз между импульсами в паре используется широкополосный фазовый модулятор 9, следующий за амплитудным модулятором 3. Глубина фазовой модуляции должна быть не менее 3π/2, для того чтобы можно было кодировать по меньшей мере четыре значения разности фаз из списка: 0, π/2, π, 3π/2.In supported quantum key distribution protocols, the qubit is encoded in the phase difference between pulses. To set the phase difference between the pulses in a pair, a wideband phase modulator 9 is used, following the amplitude modulator 3. The depth of the phase modulation must be at least 3π/2 in order to be able to encode at least four phase difference values from the list: 0, π /2, π, 3π/2.

Регулируемый оптический аттенюатор 11 используется для аттенюации приготавливаемых когерентных состояний в схеме «устройства формирования квантовых состояний для систем квантовых коммуникаций с оценкой качества приготовления состояний для протоколов квантовой генерации ключа на чипе».An adjustable optical attenuator 11 is used to attenuate the prepared coherent states in the circuit of “a device for generating quantum states for quantum communications systems with assessing the quality of preparing states for on-chip quantum key generation protocols.”

Дополнительный регулируемый оптический аттенюатор 22 в оптической схеме «Устройства формирования квантовых состояний для систем квантовых коммуникаций с оценкой качества приготовления состояний для протоколов квантовой генерации ключа на чипе», расположенный перед выходом в квантовый канал 26, используется для достижения необходимого уровня аттенюации лазерных импульсов. С помощью регулируемых оптических аттенюаторов 11 и 22 создаются слабые когерентные состояния, которые отправляются в квантовый канал.An additional adjustable optical attenuator 22 in the optical circuit “Device for the formation of quantum states for quantum communications systems with assessment of the quality of preparation of states for quantum key generation protocols on a chip”, located before the exit to the quantum channel 26, is used to achieve the required level of attenuation of laser pulses. Using adjustable optical attenuators 11 and 22, weak coherent states are created and sent to the quantum channel.

Заявленное «Устройство формирования квантовых состояний для систем квантовых коммуникаций с оценкой качества приготовления состояний для протоколов квантовой генерации ключа на чипе» позволяет реализовать как минимум следующие из известных протоколов:The declared “Device for generating quantum states for quantum communication systems with assessment of the quality of preparing states for on-chip quantum key generation protocols” makes it possible to implement at least the following known protocols:

1. Протокол на 4-х состояниях с фазовым кодированием (ВВ84).1. 4-state protocol with phase coding (BB84).

Каждое состояние представляет собой пару оптических импульсов, разделенных временной задержкой ΔT=165 пс. Период следования квантовых состояний, обозначенный на Фиг. 2 как Тр, может меняться в широких пределах: минимальное значение равно Тр=330 пс, что соответствует частоте приготовления квантовых состояний 3.03(03) ГГц, а максимальное значение, вообще говоря, можно сделать сколь угодно большим. Приготавливаемые импульсы проходят через аттенюаторы 3 и 22, настроенные на такое ослабление, чтобы на каждую пару импульсов приходилось в среднем 0.1-0.3 фотона. Это означает, что 70-90% приготавливаемых состояний окажутся «пустыми», т.е. в них не будет содержаться квантов света. Часть «не пустых» посылок можно представлять как фотон, как бы «размазанный» по двум временным модам, соответствующим паре лазерных импульсов. Кубиты кодируются в разности фаз между импульсами в паре. Если разность фаз равна 0 или π, то говорят, что состояние приготовлено в X базисе; если разность фаз равна π/2 или 3π/2, то говорят, что состояние приготовлено в Y базисе. Разностям фаз 0 и π/2 можно поставить в соответствие логический ноль, '0', а разностям фаз π и 3π/2 - логическую единицу, '1'. С учетом такого соглашения импульсы с разностями фаз 0 и π можно называть состояниями Х0 и х1, соответственно, а импульсы с разностями фаз π/2 или 3π/2 -состояниями Y0 и Y1, соответственно.Each state is a pair of optical pulses separated by a time delay ΔT=165 ps. The period of repetition of quantum states, indicated in Fig. 2 as Тр , can vary within wide limits: the minimum value is Тр =330 ps, which corresponds to the frequency of preparation of quantum states of 3.03(03) GHz, and the maximum value, generally speaking, can be made as large as desired. The prepared pulses pass through attenuators 3 and 22, configured to be attenuated so that each pair of pulses produces an average of 0.1-0.3 photons. This means that 70-90% of the prepared states will be “empty”, i.e. they will not contain light quanta. Some of the “non-empty” parcels can be represented as a photon, as if “spread” over two time modes corresponding to a pair of laser pulses. The qubits are encoded in the phase difference between the pulses in a pair. If the phase difference is 0 or π, then the state is said to be prepared in the X basis; if the phase difference is equal to π/2 or 3π/2, then the state is said to be prepared in the Y basis. Phase differences 0 and π/2 can be assigned a logical zero, '0', and phase differences π and 3π/2 - a logical one, '1'. Taking into account this agreement, pulses with phase differences 0 and π can be called states X 0 and x 1 , respectively, and pulses with phase differences π/2 or 3π/2 states Y 0 and Y 1 , respectively.

Для декодирования квантовых состояний на стороне приемника можно использовать несимметричный интерферометр Маха-Цендера, линия задержки которого равна ΔТ, т.е. совпадает с временной задержкой между импульсами в паре.To decode quantum states on the receiver side, you can use an asymmetric Mach-Zehnder interferometer, the delay line of which is equal to ΔT, i.e. coincides with the time delay between pulses in a pair.

На Фиг. 3 показаны результаты интерференции импульсов, в несимметричном интерферометре приемника. Видно, что при выборе X базиса на стороне приемника (ϕ_B=0) результат интерференции будет детерминированным в том случае, когда квантовые состояния также приготавливаются в X базисе, т.е. когда ϕ_А=0,π. В этом случае разница фаз ϕ_А-ϕ_В будет равна 0 или π, что даст конструктивную или деструктивную интерференцию, соответственно. В терминах квазиоднофотонных импульсов это означает, что сработает либо детектор ДО (если ϕ_А-ϕ_В=0), либо детектор Д1 (если ϕ_А-ϕ_В=\π), так что можно будет однозначно декодировать измеренный кубит. То же справедливо и для случая, когда на стороне передатчика и приемника выбран Y базис. Если же базисы передатчика и приемника не совпадают, например, на УФКС были приготовлены импульсы с разностью фаз ϕ__А=0, а на фазовом модуляторе приемника установлена фаза ϕ_В=π/2, то ϕ_А-ϕ_В=-π/2=3π/2, и с некоторой вероятностью может сработать как детектор Д0, так и детектор Д1, так что однозначно декодировать измеренный кубит не получится. Схема выбора состояний и базисов в протоколе ВВ84 для случая фазового кодирования показаны в Фиг. 4.In FIG. Figure 3 shows the results of pulse interference in an asymmetric receiver interferometer. It can be seen that when choosing the X basis on the receiver side (ϕ_B=0), the result of interference will be deterministic in the case when quantum states are also prepared in the X basis, i.e. when ϕ_A=0,π. In this case, the phase difference ϕ_A-ϕ_B will be equal to 0 or π, which will give constructive or destructive interference, respectively. In terms of quasi-single-photon pulses, this means that either the DO detector will work (if ϕ_A-ϕ_B=0) or the D1 detector (if ϕ_A-ϕ_B=\π), so that it will be possible to unambiguously decode the measured qubit. The same is true for the case when the Y basis is selected on the transmitter and receiver sides. If the bases of the transmitter and receiver do not coincide, for example, pulses with a phase difference ϕ__A=0 were prepared at the UVKS, and the phase ϕ_B=π/2 was set on the phase modulator of the receiver, then ϕ_A-ϕ_B=-π/2=3π/2, and with some probability, both detector D0 and detector D1 may work, so it will not be possible to unambiguously decode the measured qubit. The scheme for selecting states and bases in the BB84 protocol for the case of phase coding is shown in Fig. 4.

2. Протокол на увеличенном числе состояний (Т12)2. Protocol on an increased number of states (T12)

С целью усиления секретности системы квантового распределения ключей можно использовать дополнительные состояния, неортогональные состояниям Х1, Х2, Y1 и Y2. В качестве таких состояний можно использовать импульсы, схематически изображенные на Фиг. 5, по отношению к которым говорят, что они приготовлены в Z-базисе. В этом случае также говорят о фазово-временном кодирование, поскольку кубиты в Х- и Y- базисах кодируются в разности фаз между импульсами, а в Z-базисе - временем прихода импульса на детектор. Временной фрэйм, отведенный под кубит (фрэймы обведены пунктирными прямоугольниками на Фиг. 1.5), разбивается на два временных слота, t1, t2, и если лазерный импульс генерируется во временном слоте t1, то это соответствует логическому '0', а если в слоте t2 - логической '1'. Здесь стоит отметить, что энергия в импульсе, кодирующем состояние в Z базисе, должна равняться суммарной энергии в паре импульсов, кодирующих состояние в X базисе. Хотя данное условие не является обязательным, оно позволяет получать больше ключа на этапе постобработки.In order to enhance the secrecy of the quantum key distribution system, you can use additional states that are non-orthogonal to the states X 1 , X 2 , Y 1 and Y 2 . Pulses schematically shown in Fig. 1 can be used as such states. 5, in relation to which they are said to be prepared in a Z-basis. In this case, they also talk about phase-time encoding, since qubits in the X- and Y-bases are encoded in the phase difference between pulses, and in the Z-basis - in the time of arrival of a pulse at the detector. The time frame allocated for the qubit (the frames are outlined by dotted rectangles in Fig. 1.5) is divided into two time slots, t 1 , t 2 , and if the laser pulse is generated in the time slot t 1 , then this corresponds to a logical '0', and if in slot t 2 - logical '1'. It is worth noting here that the energy in a pulse encoding a state in the Z basis must be equal to the total energy in a pair of pulses encoding a state in the X basis. Although this condition is not mandatory, it allows you to obtain more key in post-processing.

Для декодирования квантовых состояний, показанных на Фиг. 5, можно использовать несимметричный интерферометр Маха-Цендера с линией задержки, равной Δt, а также детектор одиночных фотонов с разрешением по времени прихода импульсов. Если кубит проходит через разделитель и попадает в интерферометр, это означает, что будет выбран Х- или Y- базис, причем выбор между этими базисами должен осуществляться активно, путем изменения фазы на широкополосном фазовом модуляторе в интерферометре. Если кубит отклоняется и не попадает в интерферометр, это означает, что выбран Z базис. Если при этом на устройстве было приготовлено состояние в Z базисе, то, когда второй детектор срабатывает во временном слоте t1, измеренное состояние декодируется как '0', если же детектор Д2 срабатывает в слоте t2 - то как '1’. 3. Протокол с состояниями ловушками (decoy states).To decode the quantum states shown in FIG. 5, you can use an asymmetric Mach-Zehnder interferometer with a delay line equal to Δt, as well as a single photon detector with pulse arrival time resolution. If a qubit passes through the splitter and enters the interferometer, this means that the X- or Y-basis will be selected, and the choice between these bases must be carried out actively, by changing the phase on the broadband phase modulator in the interferometer. If the qubit is deflected and does not enter the interferometer, this means that the Z basis has been selected. If at the same time a state in the Z basis was prepared on the device, then when the second detector is triggered in time slot t 1 , the measured state is decoded as '0', but if detector D2 is triggered in slot t 2 - then as '1'. 3. Protocol with decoy states.

Если Алиса использует ослабленные когерентные состояния вместо одиночных фотонов, то у Евы появляется дополнительная возможность подслушать ключ, оставшись незамеченной. Она может осуществить так называемую атаку по разделению числа фотонов. Для противодействия данной атаке была разработана методика состояний-ловушек (decoy states) - дополнительных когерентных состояний, которые Алиса отправляет Бобу вперемешку с информационными состояниями, и в которых среднее число фотонов отличается от среднего числа фотонов в информационных импульсах. Поскольку Ева не знает, какие импульсы являются информационными, она будет воздействовать на все импульсы. Раскрывая затем информацию о том, какие из состояний были ловушками, Алиса и Боб смогут понять, проводилась ли атака по разделению числа фотонов, т.е. смогут заметить присутствие Евы.If Alice uses attenuated coherent states instead of single photons, then Eve has the additional opportunity to eavesdrop on the key without being noticed. It can carry out what is called a photon splitting attack. To counter this attack, a technique was developed for decoy states - additional coherent states that Alice sends to Bob mixed with information states, and in which the average number of photons differs from the average number of photons in information pulses. Since Eve does not know which impulses are informational, she will act on all impulses. By then revealing which states were traps, Alice and Bob will be able to understand whether the attack was carried out to split the number of photons, i.e. will be able to notice Eve's presence.

При этом, протокол с состояниями-ловушками, в сущности, является надстройкой к другим протоколам и реализуется путем добавления к «чистому» (без ловушек) протоколу состояний с другими интенсивностями. В общем случае количество состояний-ловушек не ограничено, но, как правило, используют 1-3 значения дополнительных амплитуд сигналов. К примеру, в заявляемом устройстве предлагается использовать два ловушечных состояния, как это показано на Фиг. 6, причем в качестве одного из ловушечных состояний предлагается использовать вакуумное состояние, обозначенное на Фиг. 6 как |vac〉. Обозначения |Е〉 и |L〉, в свою очередь, соответствуют когерентным состояниям во временных слотах t1 и t2, соответственно (см. Фиг. 5), а параметр s выбирается в диапазоне от 0 до 1.At the same time, a protocol with trap states is, in essence, an add-on to other protocols and is implemented by adding states with other intensities to the “pure” (without traps) protocol. In the general case, the number of trap states is not limited, but, as a rule, 1-3 values of additional signal amplitudes are used. For example, in the claimed device it is proposed to use two trap states, as shown in Fig. 6, and it is proposed to use the vacuum state indicated in FIG. as one of the trap states. 6 as |vac〉. The notations |E〉 and |L〉, in turn, correspond to coherent states in time slots t 1 and t 2 , respectively (see Fig. 5), and the parameter s is selected in the range from 0 to 1.

Резюмируя, описание устройства можно представить следующим образом: Устройство формирования квантовых состояний для систем квантовых коммуникаций с оценкой качества приготовления состояний для протоколов квантовой генерации ключа на чипе, включающее полупроводниковый лазер, работающий в непрерывном режиме, амплитудный модулятор, выполненный в виде симметричного интерферометра Маха-Цендера и состоящий из разъединителя и объединителя и двух фазовых модуляторов -узкополосного низкочастотного и широкополосного высокочастотного, дополнительный разъединитель, установленный после объединителя амплитудного модулятора перед широкополосным фазовым модулятором, необходимый для контроля рабочей точки амплитудного модулятора, широкополосный фазовый модулятор, необходимый для изменения фазы лазерных импульсов, регулируемый оптический аттенюатор, установленный после широкополосного фазового модулятора и выполненный в виде разъединителя, двух узкополосных фазовых модуляторов, и Х-образного ответвителя, несимметричный интерферометр Маха-Цендера с линией задержки в длинном плече, фазовым модулятором в коротком плече, ответвителем в коротком плече для вывода оптического сигнала в квантовый канал, при этом плечи интерферометра соединяются в X-образном ответвителе, пучки из которого направляются во внешние, расположенные вне чипа, фотоприемники, дополнительный регулируемый оптический аттенюатор, установленный перед выходом в квантовый канал и выполненный в виде разделителя, двух узкополосных амплитудных модуляторов и объединителя; необходим для достижения необходимого уровня аттенюации лазерных импульсов.To summarize, the description of the device can be presented as follows: A device for the formation of quantum states for quantum communications systems with assessment of the quality of preparation of states for quantum key generation protocols on a chip, including a semiconductor laser operating in continuous mode, an amplitude modulator made in the form of a symmetric Mach-Zehnder interferometer and consisting of a disconnector and a combiner and two phase modulators - a narrowband low-frequency and a broadband high-frequency, an additional disconnector installed after the amplitude modulator combiner in front of the broadband phase modulator, necessary to control the operating point of the amplitude modulator, a wideband phase modulator, necessary to change the phase of laser pulses, adjustable an optical attenuator installed after the broadband phase modulator and made in the form of a disconnector, two narrowband phase modulators, and an X-shaped coupler, an asymmetrical Mach-Zehnder interferometer with a delay line in the long arm, a phase modulator in the short arm, a coupler in the short arm for optical output signal into the quantum channel, while the arms of the interferometer are connected in an X-shaped coupler, the beams from which are directed to external photodetectors located outside the chip, an additional adjustable optical attenuator installed before entering the quantum channel and designed as a splitter, two narrow-band amplitude modulators and unifier; necessary to achieve the required level of attenuation of laser pulses.

Изобретение раскрывается и поясняется на следующих чертежах:The invention is disclosed and illustrated in the following drawings:

Фиг. 1 - Принципиальная схема устройства. На вышеуказанной фигуре схематически отражены все компоненты устройства с изображением последовательности их расположения. При этом, кроме последовательности расположения элементов, иные требования к расположению элементов отсутствуют.Fig. 1 - Schematic diagram of the device. The above figure schematically shows all the components of the device, showing the sequence of their arrangement. In this case, except for the sequence of arrangement of elements, there are no other requirements for the arrangement of elements.

Фиг. 2 - Состояния, приготавливаемые на стороне Устройства в соответствии с протоколом ВВ84.Fig. 2 - States prepared on the Device side in accordance with the BB84 protocol.

Фиг. 3 - Результаты интерференции импульсов в несимметричном интерферометре приемника.Fig. 3 - Results of pulse interference in an asymmetric receiver interferometer.

Фиг. 4 - Схемы выбора состояний и базисов в протоколе ВВ84.Fig. 4 - Schemes for selecting states and bases in the BB84 protocol.

Фиг. 5 - Состояния, приготавливаемые на стороне УФКС в соответствии с протоколом Т12.Fig. 5 - States prepared on the UFKS side in accordance with the T12 protocol.

Фиг. 6 - Импульсы в протоколе с состояниями-ловушками.Fig. 6 - Pulses in a protocol with trap states.

Claims (1)

Устройство формирования квантовых состояний для систем квантовых коммуникаций с оценкой качества приготовления состояний для протоколов квантовой генерации ключа на чипе, включающее полупроводниковый лазер, работающий в непрерывном режиме, амплитудный модулятор, выполненный в виде симметричного интерферометра Маха-Цендера и состоящий из разъединителя и объединителя и двух фазовых модуляторов - узкополосного низкочастотного и широкополосного высокочастотного, дополнительный разъединитель, установленный после объединителя амплитудного модулятора перед широкополосным фазовым модулятором, необходимый для контроля рабочей точки амплитудного модулятора, широкополосный фазовый модулятор, необходимый для изменения фазы лазерных импульсов, регулируемый оптический аттенюатор, установленный после широкополосного фазового модулятора и выполненный в виде разъединителя, двух узкополосных фазовых модуляторов, и X-образного ответвителя, несимметричный интерферометр Маха-Цендера с линией задержки в длинном плече, фазовым модулятором в коротком плече, ответвителем в коротком плече для вывода оптического сигнала в квантовый канал, при этом плечи интерферометра соединяются в X-образном ответвителе, пучки из которого направляются во внешние, расположенные вне чипа, фотоприёмники, дополнительный регулируемый оптический аттенюатор, установленный перед выходом в квантовый канал и выполненный в виде разделителя, двух узкополосных амплитудных модуляторов и объединителя; необходим для достижения необходимого уровня аттенюации лазерных импульсов. A device for generating quantum states for quantum communications systems with assessment of the quality of preparing states for protocols for quantum key generation on a chip, including a semiconductor laser operating in continuous mode, an amplitude modulator made in the form of a symmetric Mach-Zehnder interferometer and consisting of a disconnector and a combiner and two phase modulators - narrowband low-frequency and broadband high-frequency, an additional disconnector installed after the amplitude modulator combiner before the broadband phase modulator, necessary to control the operating point of the amplitude modulator, a broadband phase modulator necessary to change the phase of laser pulses, an adjustable optical attenuator installed after the wideband phase modulator and made in the form of a disconnector, two narrow-band phase modulators, and an X-shaped coupler, an asymmetrical Mach-Zehnder interferometer with a delay line in the long arm, a phase modulator in the short arm, a coupler in the short arm for outputting the optical signal into the quantum channel, and the arms of the interferometer are connected in an X-shaped coupler, the beams from which are directed to external photodetectors located outside the chip, an additional adjustable optical attenuator installed before exiting the quantum channel and made in the form of a splitter, two narrowband amplitude modulators and a combiner; necessary to achieve the required level of attenuation of laser pulses.
RU2023110087A 2023-04-20 Device for generating quantum states for quantum communications systems with assessment of quality of preparing states for protocols for quantum key generation on chip RU2806904C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2806904C1 true RU2806904C1 (en) 2023-11-08

Family

ID=

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2427926C1 (en) * 2010-07-23 2011-08-27 Учреждение Российской академии наук ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ТВЕРДОГО ТЕЛА РАН (ИФТТ РАН) Method of quantal coding and transmission of cryptographic keys
RU2507690C1 (en) * 2012-11-13 2014-02-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук (ИОФ РАН) Method for quantum encoding and transmission of cryptographic keys
RU2621605C2 (en) * 2015-10-02 2017-06-06 Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ Quantum key distribution network
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
US11190348B2 (en) * 2019-12-31 2021-11-30 Ahp-Tech Inc. System for use in quantum encryption, decryption and encoding
US11387992B2 (en) * 2018-01-18 2022-07-12 Kabushiki Kaisha Toshiba Transmitting device, receiving device, and quantum key distribution system
US11477021B1 (en) * 2022-03-09 2022-10-18 Tuatara QRNG, LLC Systems and methods for universal three-dimensional quantum random number generation and encryption

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2427926C1 (en) * 2010-07-23 2011-08-27 Учреждение Российской академии наук ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ТВЕРДОГО ТЕЛА РАН (ИФТТ РАН) Method of quantal coding and transmission of cryptographic keys
RU2507690C1 (en) * 2012-11-13 2014-02-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук (ИОФ РАН) Method for quantum encoding and transmission of cryptographic keys
RU2621605C2 (en) * 2015-10-02 2017-06-06 Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ Quantum key distribution network
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
US11387992B2 (en) * 2018-01-18 2022-07-12 Kabushiki Kaisha Toshiba Transmitting device, receiving device, and quantum key distribution system
US11190348B2 (en) * 2019-12-31 2021-11-30 Ahp-Tech Inc. System for use in quantum encryption, decryption and encoding
US11477021B1 (en) * 2022-03-09 2022-10-18 Tuatara QRNG, LLC Systems and methods for universal three-dimensional quantum random number generation and encryption

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
WOODWARD R.I., LO Y.S., PITTALUGA M. et al. Gigahertz measurement-device-independent quantum key distribution using directly modulated lasers // npj Quantum Inf 7, 58 (2021). https://doi.org/10.1038/s41534-021-00394-2. BACCO D., DING Y., DALGAARD K. et al. Space division multiplexing chip-to-chip quantum key distribution // Sci Rep 7, 12459 (2017). https://doi.org/10.1038/s41598-017-12309-3. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Takesue et al. Experimental quantum key distribution without monitoring signal disturbance
US9401766B2 (en) Quantum communication network
Couteau et al. Applications of single photons to quantum communication and computing
US9473301B2 (en) Systems and methods for telecommunication using high-dimensional temporal quantum key distribution
Liu et al. Experimental demonstration of counterfactual quantum communication
CN100403152C (en) Two-way QKD system with backscattering suppression
Varnava et al. An entangled-LED-driven quantum relay over 1 km
Fernandez et al. Passive optical network approach to gigahertz-clocked multiuser quantum key distribution
Islam High-rate, high-dimensional quantum key distribution systems
Sharma et al. Analysis of differential phase shift quantum key distribution using single-photon detectors
RU2806904C1 (en) Device for generating quantum states for quantum communications systems with assessment of quality of preparing states for protocols for quantum key generation on chip
RU2814193C1 (en) Quantum state generation device for on-chip quantum communications systems
JP4086136B2 (en) Long-range quantum cryptography system
Makarov Quantum cryptography and quantum cryptanalysis
CN112994877B (en) Quantum key distribution system and method based on quantum random number
Çirkinoglu et al. Monolithically integrated differential phase shift transmitter for quantum key distribution
Elboukhari et al. Quantum key distribution in practice: The state of art
Tretyakov et al. Quantum key distribution in single-photon communication system
Rumyantsev et al. Modeling of quantum key distribution system for secure information transfer
Zahidy et al. Practical high-dimensional quantum key distribution protocol over deployed multicore fiber
Tang Optically switched quantum key distribution network
Khan et al. A Quantum key distribution network through single mode optical fiber
JP2016025550A (en) Quantum entanglement photon pair generation device and quantum encryption key distribution device
Chan et al. Quantum key distribution
US20240137215A1 (en) Optical System for Phase Modulation