RU2812341C2 - Method for detecting phases of low-photon coherent light fields at side frequencies in quantum key distribution system - Google Patents
Method for detecting phases of low-photon coherent light fields at side frequencies in quantum key distribution system Download PDFInfo
- Publication number
- RU2812341C2 RU2812341C2 RU2021139427A RU2021139427A RU2812341C2 RU 2812341 C2 RU2812341 C2 RU 2812341C2 RU 2021139427 A RU2021139427 A RU 2021139427A RU 2021139427 A RU2021139427 A RU 2021139427A RU 2812341 C2 RU2812341 C2 RU 2812341C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- phases
- modes
- radiation
- frequency
- low
- Prior art date
Links
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 title claims abstract description 10
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 10
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 38
- 238000004891 communication Methods 0.000 abstract description 10
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 abstract description 7
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 9
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 6
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 5
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 4
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 4
- 230000002238 attenuated effect Effects 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
Abstract
Description
Изобретение относится к технике оптической связи и может использоваться при передаче информации на расстояние, применительно к системам фотонной квантовой связи.The invention relates to optical communication technology and can be used to transmit information over a distance, in relation to photonic quantum communication systems.
Известны способы передачи информации на основе использования пересылки квантовых частиц, одними из которых являются фотоны : US 2010/0046754 А 1 опубл. 25.02.2010; JP 2001/028584 А опубл. 30.01.2001; US 2007/0070353 А 1 опубл. 29.03.2007.There are known methods for transmitting information based on the use of sending quantum particles, one of which are photons: US 2010/0046754 A 1 publ. 02/25/2010; JP 2001/028584 A publ. 01/30/2001; US 2007/0070353 A 1 publ. 03/29/2007.
Также известно устройство квантовой рассылки симметричных битовых последовательностей [Патент США No6272224 В1, дата приоритета 07.04.2001. МКИ: H04L 9/08; H04K 1/00], содержащее, соединенные посредством волоконно-оптической линии связи, передающее устройство, включающее расположенные последовательно по ходу распространения излучения источник монохроматического излучения, электрооптический фазовый модулятор и аттенюатор, а также устройство сдвига фазы, выход которого соединен с управляющим входом электрооптического фазового модулятора, а вход устройства сдвига фазы соединен с выходом генератора радиочастотного сигнала, и приемное устройство, включающее электрооптический фазовый модулятор, выход которого оптически сопряжен со спектральным фильтром, который оптически сопряжен с приемником классического излучения и детектором одиночных фотонов, управляющий вход электрооптического фазового модулятора соединен с выходом устройства сдвига фазы, к входу которого подключен выход генератора радиочастотного сигнала, волоконно-оптическая линия связи оптически сопряжена с аттенюатором передающего устройства и с входом электрооптического фазового модулятора приемного устройства, устройство содержит блок синхронизации, первый и второй выходы которого соединены с входами генератора радиочастотного сигнала приемного и передающего устройств соответственно, а также блок управления фазовым сдвигом, первый и второй выходы которого соединены с синхронизационными входами устройства сдвига фазы приемного и передающего устройств соответственно.A device for quantum distribution of symmetric bit sequences is also known [US Patent No. 6272224 B1, priority date 04/07/2001. MKI: H04L 9/08; H04K 1/00], containing, connected via a fiber-optic communication line, a transmitting device, including a monochromatic radiation source, an electro-optical phase modulator and an attenuator located in series along the propagation of radiation, as well as a phase shift device, the output of which is connected to the control input of the electro-optical phase modulator, and the input of the phase shift device is connected to the output of the radio frequency signal generator, and a receiving device including an electro-optical phase modulator, the output of which is optically coupled to a spectral filter, which is optically coupled to a classical radiation receiver and a single photon detector, the control input of the electro-optical phase modulator is connected to the output of the phase shift device, to the input of which the output of the radio frequency signal generator is connected, the fiber-optic communication line is optically coupled with the attenuator of the transmitting device and with the input of the electro-optical phase modulator of the receiving device, the device contains a synchronization unit, the first and second outputs of which are connected to the inputs of the radio frequency signal generator receiving and transmitting devices, respectively, as well as a phase shift control unit, the first and second outputs of which are connected to the synchronizing inputs of the phase shift device of the receiving and transmitting devices, respectively.
Недостатком данного устройства является низкая скорость передачи квантовых состояний, обусловленная потерей части сигнала, которая вызвана поляризационной зависимостью фазового модулятора в блоке электрооптической модуляции приемника. Электрооптический фазовый модулятор эффективно модулирует только ту часть излучения, поляризация которой совпадает с оптической осью кристалла модулятора. Линейно поляризованное излучение, вышедшее из передатчика претерпевает произвольные поляризационные искажения при прохождении через квантовый канал, в связи с чем приемник может регистрировать лишь часть дошедшего до него излучения в зависимости от характера искажений и, таким образом, скорость передачи квантовых состояний может изменяться непредсказуемо в широких пределах, что неприемлемо для практического использования.The disadvantage of this device is the low rate of transmission of quantum states, due to the loss of part of the signal, which is caused by the polarization dependence of the phase modulator in the electro-optical modulation unit of the receiver. An electro-optical phase modulator effectively modulates only that part of the radiation whose polarization coincides with the optical axis of the modulator crystal. Linearly polarized radiation emerging from the transmitter undergoes arbitrary polarization distortions when passing through a quantum channel, and therefore the receiver can register only part of the radiation reaching it, depending on the nature of the distortions and, thus, the rate of transmission of quantum states can change unpredictably over a wide range , which is unacceptable for practical use.
Наиболее близким аналогом является устройство, описанное в патенте RU 2 454 810 C1, содержащее соединенные посредством волоконно-оптической линии связи передающее устройство, включающее расположенные последовательно по ходу излучения источник монохроматического излучения, электрооптический фазовый модулятор и аттенюатор, а также устройство сдвига фазы, выход которого соединен с управляющим входом электрооптического фазового модулятора, а вход устройства сдвига фазы соединен с выходом генератора радиочастотного сигнала, и приемное устройство, включающее электрооптический фазовый модулятор, приемник классического излучения, оптически сопряженный со спектральным фильтром, и детектор одиночных фотонов, электрооптический фазовый модулятор подключен к устройству сдвига фазы, к входу которого подключен выход генератора радиочастотного сигнала, волоконно-оптическая линия связи оптически сопряжена с аттенюатором передающего устройства, устройство содержит блок синхронизации, первый и второй выходы которого соединены с входами генератора радиочастотного сигнала приемного и передающего устройств, соответственно, отличающееся тем, что электрооптический фазовый модулятор в приемном устройстве выполнен из двух расположенных по ходу излучения электрооптических фазовых модуляторов, управляющие входы которых соединены с первым и вторым выходом устройства сдвига фазы соответственно, причем выход первого электрооптического фазового модулятора оптически сопряжен с выходом второго электрооптического фазового модулятора, за модуляторами по ходу излучения установлено фарадеевское зеркало, оптически сопряженное с входом второго электрооптического фазового модулятора, в приемное устройство введен оптический циркулятор, первый порт которого оптически сопряжен с волоконно-оптической линией связи, второй порт оптически сопряжен с входом первого электрооптического фазового модулятора, третий порт оптически сопряжен со спектральным фильтром, а четвертый порт оптически сопряжен с входом детектора одиночных фотонов, устройство синхронизации имеет третий и четвертый выходы, которые соединены с синхронизационными входами устройств сдвига фазы приемного и передающего устройств соответственно.The closest analogue is the device described in patent RU 2 454 810 C1, containing a transmitting device connected via a fiber-optic communication line, including a monochromatic radiation source located in series along the radiation path, an electro-optical phase modulator and an attenuator, as well as a phase shift device, the output of which connected to the control input of the electro-optical phase modulator, and the input of the phase shifter is connected to the output of the radio frequency signal generator, and a receiving device including an electro-optical phase modulator, a classical radiation receiver optically coupled with a spectral filter, and a single photon detector, the electro-optical phase modulator is connected to the device phase shift, to the input of which the output of the radio frequency signal generator is connected, the fiber-optic communication line is optically coupled with the attenuator of the transmitting device, the device contains a synchronization unit, the first and second outputs of which are connected to the inputs of the radio frequency signal generator of the receiving and transmitting devices, respectively, characterized in that that the electro-optical phase modulator in the receiving device is made of two electro-optical phase modulators located along the radiation path, the control inputs of which are connected to the first and second outputs of the phase shift device, respectively, and the output of the first electro-optical phase modulator is optically coupled with the output of the second electro-optical phase modulator, behind the modulators by During the course of radiation, a Faraday mirror is installed, optically coupled to the input of the second electro-optical phase modulator, an optical circulator is introduced into the receiving device, the first port of which is optically coupled to the fiber-optic communication line, the second port is optically coupled to the input of the first electro-optical phase modulator, the third port is optically coupled to spectral filter, and the fourth port is optically coupled to the input of the single photon detector, the synchronization device has third and fourth outputs, which are connected to the synchronization inputs of the phase shift devices of the receiving and transmitting devices, respectively.
Недостатком данного устройства являются высокие оптические потери которые снижают скорость передачи квантовых состояний.The disadvantage of this device is high optical losses, which reduce the transfer rate of quantum states.
Проблема поляризационной чувствительности фазового модулятора приемного устройства решается в этом устройстве, но это решение приводит к значительному увеличению оптических потерь в приемнике и как результат к низкой скорости передачи квантовых состояний. В настоящем изобретении предлагается новый способ детектирования, который уменьшает потери в приемном устройстве, что позволяет повысить скорость передачи квантовых состояний.The problem of polarization sensitivity of the phase modulator of the receiving device is solved in this device, but this solution leads to a significant increase in optical losses in the receiver and, as a result, to a low transmission rate of quantum states. The present invention proposes a new detection method that reduces losses in the receiving device, thereby increasing the transmission rate of quantum states.
Техническая задача заявляемого способа детектирования решается на основе использования способности различимого детектирования фаз когерентных состояний света на боковых частотах, ослабленных до однофотонного уровня.The technical problem of the proposed detection method is solved by using the ability to distinguish the phases of coherent states of light at side frequencies, attenuated to a single-photon level.
Технический результат заявленного способа заключается в повышении скорости генерации ключа За счет одновременного измерения двух фазовых состояний боковых частот отличающихся на 180 градусов.The technical result of the claimed method is to increase the speed of key generation due to the simultaneous measurement of two phase states of side frequencies differing by 180 degrees.
Для этого предлагается новый способ детектирования фаз малофотонных когерентных световых полей на боковых частотах в системе квантового распределения ключа, которая включает в себя:To do this, we propose a new method for detecting the phases of low-photon coherent light fields at side frequencies in a quantum key distribution system, which includes:
передатчик - передающий блок, содержащийtransmitter - a transmitting unit containing
генератор случайных чисел,random number generator,
лазер,laser,
фазовый модулятор,phase modulator,
блок управления;Control block;
приемник - принимающий блок, содержащийreceiver - a receiving block containing
генератор случайных чисел,random number generator,
циркуляторы,circulators,
фазовый модулятор,phase modulator,
спектральные фильтры, интерферометр,spectral filters, interferometer,
фотоприемный блок, имеющий два лавинных детектора для регистрации квантовых информационных состояний,a photoreceiving unit having two avalanche detectors for recording quantum information states,
блок обработки,processing unit,
блок управления;Control block;
оптическую линию связи, выполненную в виде одномодового оптического волокна, соединяющую передающий и принимающий блоки;an optical communication line made in the form of a single-mode optical fiber connecting the transmitting and receiving units;
способ заключается в том, что детектируется результат смешения боковых частот малофотонного когерентного импульса световых мод сигнального излучения обладающего закодированными фазами с модами опорного излучения, что позволяет добиться детектирования обеих фаз сигнального излучения при совпадении базисов.The method consists in detecting the result of mixing the side frequencies of a low-photon coherent pulse of light modes of the signal radiation having encoded phases with the modes of the reference radiation, which makes it possible to achieve detection of both phases of the signal radiation when the bases coincide.
Для получения фазово кодированных сигнальных когерентных мод на боковых частотах, используют фазовую модуляцию одномодового когерентного излучения радиочастотным сигналом на модуляторе 2 передатчика. Входное излучение кодируют одной из 4-х фаз: ϕ=0, π/2, π, 3π/2, так что “красная” (низкочастотная) и “синяя” (высокочастотная) моды приобретают фазы (-ϕ) и (+ϕ). Промодулированное излучение приходит в приемник на порт 1 циркулятора 3а. Из порта 2 циркулятора 3а данное излучение попадает на спектральный фильтр 4а, где боковые частоты сигнального излучения посылаются на порт 1 полупрозрачного зеркала 5, а излучение на центральной частоте отражается в порт 2 циркулятора 3а. Из порта 3 циркулятора 3а излучение, имеющее несмещенную центральную частоту попадает на фазовый модулятор 2 приемника, где оно кодируется одной из 4-х случайно выбранных фаз: 0, π/2, π, 3π/2, после чего посылается в порт 1 циркулятора 3б. Из порта 2 циркулятора 3б излучение на центральной частоте и сгенерированное фазово модулированное излучение на боковых частотах (опорное излучение) посылаются на спектральный фильтр 4б, где боковые частоты проходят на порт 2 полупрозрачного зеркала 5, а поле на центральной частоте отражается в порт 2 циркулятора 3б. Из порта 3 циркулятора 3б излучение на центральной частоте попадает на синхронизационный детектор 6. Кодированные по фазе “красная” и “синяя” частотные моды сигнального импульса излучения, идущего от фильтра 4а, закодированные фазами (-ϕ, +ϕ), смешиваются на полупрозрачном зеркале 5 с “красной” и “синей” частотными модами импульса опорного излучения, идущего от фильтра 4б, имеющих фазы (-ϕ, +ϕ) , где ϕ=0, или ϕ=π/2. Принимаются в расчет результаты детектирования, полученные только при выборе одинаковых базисов в передатчике и в приемнике. В этих случаях, после полупрозрачного зеркала 5 в результате интерференции частотных мод сигнального и опорного импульсов излучения формируются выходные частотные моды, которые посылаются на два однофотонных детектора 7а и 7б. Если фазы сигнальной и опорной частотных мод совпадают, то выходные “красные” и “синие” моды отправляются в детектор 7a, тогда как если фазы сигнальной и опорной частотных мод сдвинуты π, то выходные моды отправляются в детектор 7б. Срабатывание детекторов 7а, или 7б позволяет детектировать обе фазы импульса сигнального малофотонного излучения (см. схему 1).To obtain phase-coded signal coherent modes at side frequencies, phase modulation of single-mode coherent radiation by a radio frequency signal is used on the modulator 2 of the transmitter. The input radiation is encoded into one of 4 phases: ϕ=0, π/2, π, 3π/2, so that the “red” (low-frequency) and “blue” (high-frequency) modes acquire phases (-ϕ) and (+ϕ ). The modulated radiation arrives at the receiver at port 1 of circulator 3a. From port 2 of the circulator 3a, this radiation enters the spectral filter 4a, where the side frequencies of the signal radiation are sent to port 1 of the semi-transparent mirror 5, and the radiation at the central frequency is reflected into port 2 of the circulator 3a. From port 3 of circulator 3a, radiation with an unbiased central frequency enters phase modulator 2 of the receiver, where it is encoded by one of 4 randomly selected phases: 0, π/2, π, 3π/2, after which it is sent to port 1 of circulator 3b . From port 2 of circulator 3b, radiation at the central frequency and the generated phase-modulated radiation at side frequencies (reference radiation) are sent to spectral filter 4b, where the side frequencies pass to port 2 of the semi-transparent mirror 5, and the field at the central frequency is reflected into port 2 of circulator 3b. From port 3 of circulator 3b, radiation at the central frequency enters synchronization detector 6. Phase-coded “red” and “blue” frequency modes of the signal pulse of radiation coming from filter 4a, phase-coded (-ϕ, +ϕ), are mixed on a translucent mirror 5 with “red” and “blue” frequency modes of the reference radiation pulse coming from filter 4b, having phases (-ϕ, +ϕ), where ϕ=0, or ϕ=π/2. The detection results obtained only when choosing identical bases in the transmitter and receiver are taken into account. In these cases, after the semi-transparent mirror 5, as a result of the interference of frequency modes of the signal and reference radiation pulses, output frequency modes are formed, which are sent to two single-photon detectors 7a and 7b. If the phases of the signal and reference frequency modes coincide, then the output “red” and “blue” modes are sent to detector 7a, whereas if the phases of the signal and reference frequency modes are shifted π, then the output modes are sent to detector 7b. Triggering of detectors 7a or 7b makes it possible to detect both phases of the signal low-photon radiation pulse (see Scheme 1).
Технический результат достигается за счет способа детектирования обеих фаз отдельного импульса сигнального излучения ослабленного до однофотонного уровня при совпадении базисов, используемых при фазовом кодировании на передатчике и приемнике, который отличается от используемых способов детектирования фаз в известных системах квантового распределения ключа.The technical result is achieved due to the method of detecting both phases of a separate pulse of signal radiation attenuated to a single-photon level when the bases used in phase coding on the transmitter and receiver coincide, which differs from the phase detection methods used in known quantum key distribution systems.
Claims (1)
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2021139427A RU2021139427A (en) | 2023-10-05 |
RU2812341C2 true RU2812341C2 (en) | 2024-01-30 |
Family
ID=
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6272224B1 (en) * | 1997-05-06 | 2001-08-07 | France Telecom | Method and apparatus for quantum distribution of an encryption key |
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 |
RU2667755C1 (en) * | 2017-05-17 | 2018-09-24 | Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ | System of relativistic quantum cryptography |
RU2682559C2 (en) * | 2014-06-16 | 2019-03-19 | Юниверсити Оф Копенгаген | Effective spin-photonic interaction in the use of symmetric sliding in plane of a waveguide |
CN112393810A (en) * | 2019-08-16 | 2021-02-23 | 华为技术有限公司 | Single photon detection device and method |
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6272224B1 (en) * | 1997-05-06 | 2001-08-07 | France Telecom | Method and apparatus for quantum distribution of an encryption key |
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 |
RU2682559C2 (en) * | 2014-06-16 | 2019-03-19 | Юниверсити Оф Копенгаген | Effective spin-photonic interaction in the use of symmetric sliding in plane of a waveguide |
RU2667755C1 (en) * | 2017-05-17 | 2018-09-24 | Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ | System of relativistic quantum cryptography |
CN112393810A (en) * | 2019-08-16 | 2021-02-23 | 华为技术有限公司 | Single photon detection device and method |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
ЕГОРОВ В.И. и др. Система квантового распределения ключа на поднесущих частотах модулированного излучения с компенсацией искажения сигнала // Ученые записки казанского университета. Физико-математические науки. 2013. Т.155, кн.1. С.59-65. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN110383009B (en) | Optical sensing system and method for detecting stress in optical sensing optical fiber | |
RU2454810C1 (en) | Device of quantum distribution of cryptographic key on modulated radiation frequency subcarrier | |
US8009984B2 (en) | Method and apparatus for measuring optical power of very weak light, and optical communication system using the same | |
CA2254767C (en) | Method and apparatus for polarisation-insensitive quantum cryptography | |
JP5144733B2 (en) | Polarization control encoder and quantum key distribution system | |
US7796896B2 (en) | Secure optical communication | |
CN111238551B (en) | Distributed phase-sensitive optical time domain reflectometer sensing system and phase extraction method | |
GB2405294A (en) | Receiver for a quantum cryptography communication system | |
CN112511300B (en) | Continuous variable quantum key distribution system and method based on differential phase shift | |
CN111082931B (en) | Quantum communication optical path system and quantum communication method | |
CN115955280B (en) | Optical fiber channel eavesdropping detection device | |
CA2962215A1 (en) | Method and system for differentiating macro-bend losses from splice and connector losses in fiber-optic links | |
US9906311B1 (en) | Transceivers and receivers for quantum key distribution and methods pertaining thereto | |
RU2812341C2 (en) | Method for detecting phases of low-photon coherent light fields at side frequencies in quantum key distribution system | |
CN214152170U (en) | Anti-modified PNS attack demonstration device of optical fiber QKD system | |
US8121489B2 (en) | Optical transmitting and receiving system | |
JP4388316B2 (en) | Quantum cryptographic communication apparatus and method | |
Moller et al. | Ultrahigh-speed optical phase correlated data signals | |
JP2005286485A (en) | Quantum encryption communication method and quantum encryption communication apparatus | |
RU2747164C1 (en) | Device for quantum key distribution at side frequencies which is resistant to polarization distortions of signal in fiber-optic communication lines | |
RU2750810C1 (en) | Device for quantum communication at side frequencies with radiation registration at the central frequency | |
JP2006166162A (en) | Communication system provided with pulse waveform shaping function and communication method | |
RU2744509C1 (en) | Apparatus for quantum communication at side frequencies with increased discrete set of modulating signal phases | |
RU2816542C2 (en) | METHOD OF DETECTING PHOTON QUBITS ENCODED ON PHASES OF SUBCARRIERS OF FREQUENCIES φ = 0, π/4, π/2, 3π/4 | |
EA045447B1 (en) | DEVICE FOR QUANTUM KEY DISTRIBUTION AT SIDE FREQUENCIES, RESISTANT TO POLARIZATION SIGNAL DISTORTION IN FIBER OPTICAL COMMUNICATION LINES |