WO2023282782A1 - Amplitude and phase modulator based on semiconductor lasers - Google Patents

Amplitude and phase modulator based on semiconductor lasers Download PDF

Info

Publication number
WO2023282782A1
WO2023282782A1 PCT/RU2021/000291 RU2021000291W WO2023282782A1 WO 2023282782 A1 WO2023282782 A1 WO 2023282782A1 RU 2021000291 W RU2021000291 W RU 2021000291W WO 2023282782 A1 WO2023282782 A1 WO 2023282782A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
phase
optical
laser
pulses
quantum
Prior art date
Application number
PCT/RU2021/000291
Other languages
French (fr)
Russian (ru)
Inventor
Роман Алексеевич ШАХОВОЙ
Александр Валерьевич ДУПЛИНСКИЙ
Виолетта Владимировна ШАРОГЛАЗОВА
Арина Альбертовна ГАВРИЛОВИЧ
Денис Васильевич СЫЧ
Антон Вадимович ЛОСЕВ
Владимир Владимирович Заводиленко
Юрий Владимирович КУРОЧКИН
Марюс ПУПЛАУСКИС
Original Assignee
Общество С Ограниченной Ответственностью "Курэйт"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество С Ограниченной Ответственностью "Курэйт" filed Critical Общество С Ограниченной Ответственностью "Курэйт"
Priority to PCT/RU2021/000291 priority Critical patent/WO2023282782A1/en
Publication of WO2023282782A1 publication Critical patent/WO2023282782A1/en

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04BTRANSMISSION
    • H04B10/00Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/50Transmitters
    • H04B10/516Details of coding or modulation
    • H04B10/54Intensity modulation
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04BTRANSMISSION
    • H04B10/00Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/50Transmitters
    • H04B10/516Details of coding or modulation
    • H04B10/548Phase or frequency modulation
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04LTRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L9/00Cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communications; Network security protocols
    • H04L9/08Key distribution or management, e.g. generation, sharing or updating, of cryptographic keys or passwords

Definitions

  • This technical solution relates to the field of quantum cryptography, and more specifically to phase and amplitude-phase modulators based on the use of optical injection in semiconductor lasers for quantum key distribution.
  • Optical radiation modulation is the technological basis for data transmission in telecommunications.
  • amplitude and phase modulation (keying) of laser radiation is carried out using modulators based on LiNbCb, which have been the "workhorse" in the field of optoelectronics for decades.
  • modulators Despite the popularity and high efficiency of modulators of this type, they have a number of disadvantages that become more and more noticeable with the continuous development of fiber optic systems, in particular, in connection with the development of quantum key distribution (QKD) methods.
  • QKD quantum key distribution
  • LiNbCb-based broadband modulators have been mass-produced for a long time, high-speed devices still have a high cost: the price of some models can be several times higher than the cost of standard telecommunication lasers and fiber optic elements. Therefore, the research and development of an efficient and at the same time cheaper modulation method is highly expedient from an economic point of view.
  • Other important factors are: 1) the relatively large size of LiNbCb-based phase modulators, whose characteristic lengths usually reach several centimeters, and 2) the high half-wave voltage. These features limit their use in photonic integrated circuits (PIC) compatible with CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor) technology.
  • PIC photonic integrated circuits
  • CMOS complementary metal-oxide-semiconductor
  • phase modulation or phase shift keying, if the information signal is discrete
  • the measured parameter is the phase of the optical signal or the phase difference between adjacent optical signals (in the latter case, they speak of differential phase shift keying ).
  • Phase coding is of particular importance today in connection with the development of QKD systems, where cryptographic keys are usually encoded in the phase of attenuated laser pulses
  • QRCs are looking for efficient transmitters (modulators) on a chip.
  • high requirements are imposed on such transmitters, including not only compactness, low losses and compatibility with CMOS technologies, but also the absence of undesirable effects leading to information leakage through side channels.
  • Yuan et al. [2] have demonstrated a direct phase modulation scheme that appears to meet these requirements and is thus one of the possible candidates to replace (at least in some applications) LiNbCb based phase modulators.
  • the direct phase modulation scheme proposed by Yuan et al. is based on the known phenomenon of phase locking in an optically injected laser [3, 4]. It uses two semiconductor lasers, one of which (the pulse preparation laser) operates in the gain-switched mode, and the second (the phase preparation laser) operates in a quasi-stationary regime, with small perturbations of the master pump current used to control the phase between adjacent pulses of the slave laser. laser. Recently, this scheme has been successfully implemented in QKD systems [5, 6]. It should be noted that, despite the well developed theory of semiconductor lasers with optical injection, a detailed model of direct phase modulation by means of optical injection appeared in the literature quite recently [7].
  • amplitude modulation in which the measured parameter is light intensity.
  • the most direct method of amplitude modulation of laser radiation is to change the pump current of a semiconductor laser, i.e. so-called direct amplitude modulation.
  • This method is extremely convenient, since the output optical power of a semiconductor laser in a wide range of values is proportional to the injection current, so that the conversion of an electrical signal into an optical one is linear, so no additional equipment is required to create a digital optical signal.
  • the lifetime of carriers in the active layer of a semiconductor laser is quite short ( ⁇ 1 ns), and since the lifetime of photons in the resonator is about three orders of magnitude shorter, the frequency of direct amplitude modulation in semiconductor lasers can reach several tens of gigahertz.
  • the transmission of such optical signals is a very difficult task, since short laser pulses obtained by direct amplitude modulation are characterized by significant frequency modulation (chirp), which leads to a significant broadening of the pulse when propagating along the optical fiber even over small (several kilometers) distances and, as a result, to the impossibility of extracting the information encoded in them.
  • a semiconductor laser operates in a continuous mode, and an external amplitude modulator (usually again based on LiNbCb) is used to obtain an optical digital signal.
  • the claimed invention is directed to solving a technical problem inherent in known prior art approaches.
  • the technical result is to create a more miniature single optical system that provides amplitude-phase modulation for encoding information.
  • Another technical result is to increase the efficiency of transmission of quantum states of photons due to amplitude-phase modulation.
  • the claimed technical result is achieved through an amplitude-phase modulation device for quantum key distribution, made with the ability to create quantum states in phase and time bases, containing:
  • a controlled laser configured to generate information optical pulses suitable for creating quantum states
  • control laser configured to set the phase and time bases using optical pulses of different durations, wherein the state encoding in the phase basis is carried out using a perturbation of the pump current in the middle of a long pulse, and the state encoding in the time basis is carried out by selecting the short pulse generation time; - an optical circulator configured to transmit radiation from the control laser to the controlled laser and output the radiation of the controlled laser to the optical attenuator.
  • the output of the controlled laser additionally contains an intensity modulator designed to equalize the amplitude of the states in time and phase basis.
  • the long pulses are unperturbed rectangular pulses and rectangular pulses with a pump current perturbation in the middle.
  • the long pulse from the control laser is shifted in time so that it starts earlier than the pulse of the controlled laser.
  • the device further comprises an optical bandpass filter.
  • the optical band pass filter is at least a passive fiber optic DWDM filter.
  • the transmission frequency of the optical band-pass filter is chosen so that all the radiation of the controlled laser in the absence of optical injection is completely absorbed.
  • the device further comprises an unbalanced interferometer.
  • the device further comprises two unbalanced interferometers.
  • the steerable and control lasers are at least semiconductor lasers coupled by optical injection.
  • QKD quantum key distribution
  • the amplitude-phase modulation device for quantum key distribution further comprises: o an optical attenuator configured to attenuate the signal before it is transmitted to the quantum channel; o a controller configured to control laser drivers that set electrical pulse sequences to the control and slave lasers;
  • the receiving device is configured to distinguish between the phase and time bases by selecting a slot within the time window allocated for one quantum state and decoding the states in the specified bases, while the receiving device contains: the corresponding delay time was a multiple of the repetition period of the information pulses generated by the controlled laser; o a broadband phase modulator that allows you to change the phase in one of the arms of the interferometer in a controlled manner and select states in the phase basis; o at least one single photon detector configured to operate in a gating mode, which is necessary for selecting a basis; o a receiver controller configured to control a broadband phase modulator in the interferometer arm and single photon detectors.
  • the time window (frame) allocated for a quantum state contains at least three time slots.
  • the selection of the basis by the receiving device is carried out by at least sending a strobe pulse to at least one single photon detector in a certain time slot of the quantum state time window.
  • Bob 15 - photodetector, 16 - narrow-band (low-frequency) phase modulator, 17 - amplitude modulator.
  • FIG. 16 shows a general view of the computing system.
  • QKD Quantum Key Distribution
  • Alice the device that transmits secret information
  • Bob the device that receives this information
  • Eve A third party who tries to gain unauthorized access to the transmitted information is called Eve (from the English “eavesdropper” - eavesdropper).
  • QKD is one of the most mature quantum technologies that marked the so-called second quantum revolution [8].
  • QKD uses individual quanta, usually photons, to transmit the key.
  • Each quantum of light can be used as a carrier of a unit of quantum information - a qubit.
  • the photon is considered as a two-level system, where the states are chosen as orthogonal states polarization.
  • single photons are rarely used, since the currently available sources of single photons have an extremely low efficiency. Therefore, most often in QKD, strongly attenuated laser pulses are used as qubits, which are not single photons, but coherent states with an average photon number much less than unity.
  • polarization states can be used moreover, the state can be assigned 0, and the state - 1.
  • Alice uses a random number generator, i.e. the choice of the basis and a specific state in the basis is carried out randomly.
  • the prepared quantum states (attenuated laser pulses with a given direction of the electric field polarization vector) are sent to Bob through the quantum channel.
  • Bob measures the quantum states transmitted to him, also choosing a basis randomly.
  • the measurement results are recorded, and then, via an open channel, Bob tells Alice which photons he managed to measure and which bases he chose (the result of the measurements is not disclosed); Alice reports back in which dimensions the bases were chosen correctly. Measurement results corresponding to incorrectly chosen bases are discarded, and the remaining measurement results are the so-called sifted key.
  • the sifted key is then subjected to error correction and security enhancement procedures, after which Alice and Bob have an identical sequence of bits at their disposal, which can already be used for cryptographic purposes.
  • the choice of state can be carry out using a phase modulator, which can be configured in such a way that when a laser pulse with a known direction of the polarization vector passes through it, a given phase shift of the orthogonally polarized components occurs; By controlling this phase delay, one can change the polarization states by choosing from the set: , T and U .
  • phase of a coherent state can also be used for encoding.
  • phase and polarization coding are equivalent.
  • the implementations of both types of encoding are also similar: in both cases, a phase modulator is used to prepare the states.
  • phase coding coherent states with phases 0 and p can be used as the X-basis, and states with phases n/2 and 33/2 as the U-basis.
  • phase-coding when phase-coding individual coherent states, the optical scheme can be assembled in such a way that it will be insensitive to changes in the polarization of the radiation in the pulse, due to polarization-mode dispersion [1].
  • phase encoding it is necessary to ensure temperature stabilization of the interferometers on the side of Alice and Bob, which are usually used to decode transmitted qubits.
  • polarization coding there is no need to use interferometers and, accordingly, there is no need to provide temperature stabilization of the optical scheme.
  • polarization controllers In polarization encoding, however, one has to use polarization controllers to compensate for the polarization-mode dispersion in the quantum channel.
  • implementations of both types of encoding have their own advantages and disadvantages.
  • phase modulators can be considered (in a certain context) as a shortcoming in the implementation of the QKD system, which can be circumvented by using an (amplitude-)phase modulator on optical injection.
  • This phase modulation method is not suitable for polarization coding; as will be shown below, it is most convenient for differential phase coding, in which information is encoded not in the phase of an individual coherent state, but in the phase difference between adjacent pulses. In the future, we will consider this particular method of phase coding for QKD.
  • temporal coding in which information encode the time of arrival of the laser pulse at the photodetector, more precisely, the response time of the detector of single photons.
  • temporal coding not one coherent state, but a pair of pulses is used to transmit a qubit. If the first pulse in a pair is "empty" (vacuum state), then such a pair can be assigned the value 1, if the second pulse is "empty", then the value 0 is assigned to it.
  • the basis used for time coding is denoted by the letter Z.
  • a non-orthogonal basis one can use, for example, the X-basis of differential phase coding.
  • FIG. Error! Reference source not found shows the so-called “transmission” scheme, when the radiation from the control laser (1) enters the controlled laser (2) from one end, and the output radiation is recorded from the opposite end.
  • an optical isolator (3) is installed at the output of the control laser.
  • the scheme in Fig. Error! Reference source not found. is preferred in photonic integrated circuits (PICs) because it is the most compact and simple.
  • An alternative optical injection scheme is the so-called "reflective" scheme.
  • One of its implementation options is shown in Fig. Error! Reference source not found. (b), where radiation from the master is fed into the controlled laser through one of the input ports of the beam splitter (4), and output from the controlled laser through the second port.
  • FIG. Error! Reference source not found. (b) shows that the unused output port of the beam splitter is terminated, i. an optical terminator (5) is installed at its end.
  • the main purpose of the terminator here is to prevent "contamination" of the output radiation by unwanted reflections from the end of the waveguide. Note, however, that the use of a terminator is generally not mandatory, and the mentioned reflections are often simply neglected.
  • FIG. Error! shows the scheme of optical injection "on reflection" using an optical circulator (6).
  • the optical circulator transmits radiation from the master to the slave laser, and outputs the radiation of the latter to a separate port, and the master automatically turns out to be isolated from the radiation of the controlled laser.
  • Such a circuit is in most cases more preferable than the circuit shown in FIG. Error!
  • the reference source was not found.
  • (b) because the circulator passes almost all the power of the master, while in the circuit of FIG. Error! Reference source not found.
  • Part of the master's radiation is cut off by the beam splitter. It should be noted that the "reflective" circuits are more convenient in fiber design, and also allow the use of standard telecommunication laser modules, which do not provide a second port for the output of laser radiation.
  • the superscript M indicates the values corresponding to the master.
  • the gain G is here defined as a dimensionless normalized quantity as follows: G , where N tr is the number of carriers at which the active layer material is transparent at the wavelength of the considered laser mode, and N th is the threshold number of carriers.
  • te and are the lifetimes of carriers and photons, respectively; ⁇ - mode confinement coefficient (confinement factor); C sp is the average fraction of spontaneously emitted photons falling into the considered laser mode; a is the line broadening coefficient (the so-called Henry factor); I - pump current; e is the absolute value of the electron charge; k ⁇ h] is the coupling coefficient between the control and slave lasers, which determines the efficiency of optical injection; D oo inj - detuning of lasers in frequency and, finally,
  • F n , F Q and F are random Langevin forces responsible for fluctuations in the number of carriers, the number of photons, and the phase, respectively.
  • the Langevin forces are written as follows (in the form of differentials): where W A , W B and W c are independent Wiener processes. It should be noted that for the master in equations (3) each value must be assigned the index M ; in addition, three other independent Wiener processes must be introduced for it (thus, there must be 6 of them in total).
  • FIG. Error! Reference source not found Under the transmitter or transmitting device in this solution, we will understand the amplitude-phase modulation device for quantum key distribution. To avoid confusion in the future, this implementation of the transmitter (amplitude-phase modulation device for quantum key distribution) will be conventionally called Scheme I. From FIG. Error! Reference source not found. It can be seen that this circuit is similar to the circuit shown in Fig. Error! The source of the link was not found.
  • FIG. Error! An example of an optical pulse train leaving the master and the corresponding slave laser pulse train (before they pass through the optical band pass filter) are shown in FIG. Error! Reference source not found.(a).
  • systems of equations (1) and (2) were used (Langevin noise was not taken into account in this example); in the simulations, the pulse repetition rate of the controlled laser is 1.25 GHz, and the bias currents on both lasers were set below the threshold value, i.e., both lasers were assumed to operate in the gain switching mode. From FIG. Error! The reference source was not found.
  • the master generates three types of laser pulses: short ones, the duration of which is approximately equal to the period T p of the slave laser pulses, as well as long pulses with a duration approximately equal to 2T p .
  • Long pulses are used to encode the phase between adjacent controlled laser pulses, while short pulses are used to implement amplitude shift keying.
  • the lasing frequency strongly depends on the carrier concentration in the active layer, which is associated with the dependence of the refractive index of a semiconductor material on the number of electrons and holes.
  • the pump current changes, not only its output power, but also the generation frequency will change in the laser. Therefore, in a semiconductor laser, it is possible to control the frequency of the electric field in a pulse using the pump current.
  • the phase difference between the slave laser pulses emitted during the time that the master emits a long pulse will depend on whether a "pit" was present in the pulse or not.
  • the depth of the "pit" can be chosen such that the phase difference between the corresponding pulses of the slave laser was, for example, a multiple of p, and the phase difference between the pulses emitted together with the long pulse of the master without the "pit” was a multiple of 2g.
  • the phase difference between the pulses emitted together with the long pulse of the master without the "pit” was a multiple of 2g.
  • the length of the delay line AL of which is chosen so that the delay time is exactly equal to the period of the information pulses.
  • the choice of long or short pulses on the master corresponds to the choice of basis: long pulses correspond to the choice of "phase basis” X , and short pulses correspond to the choice of "time basis” Z .
  • Bit encoding in the X-basis is carried out using a pump current perturbation in the middle of the pulse: 1 is encoded by the absence of a “pit”, and 0 is encoded by its presence.
  • Bit encoding in the Z-basis is carried out by choosing the generation time of a short pulse on the master: separating pulse, then 0 is encoded, if after the separating pulse of the controlled laser follows another "silent" pulse, then encoded 1. For clarity, in FIG. Error!
  • the transmission of photon quantum states can be implemented by an amplitude-phase modulation device, which is disclosed in this description as Scheme I.
  • this device is configured to creation of quantum states in phase and time bases, using at least controllable and controlling lasers, and an optical circulator.
  • the decoding of the received pulse sequence is carried out using the receiving device.
  • a device can be, for example, an unbalanced Mach-Zehnder or Michelson interferometer (in Fig. Error! Reference source not found, Bob's receiver (14) shows a Mach-Zehnder interferometer), the length of the delay line DZ of which is chosen such as to receive the interference of adjacent pulses. The corresponding interference result is shown in FIG. Error! Reference source not found.(c). It can be seen that the resulting sequence of pulses can be divided into separate time windows (frames), divided into three time slots , t 2 and t 3 . After such a division, it becomes clear why separating pulses are needed: they are necessary so that the information pulses corresponding to different bases do not overlap at the exit from the interferometer, but always belong to separate frames.
  • the choice of the basis on the side of Bob is carried out by choosing a time slot within the frame, which can be done, for example, by sending a strobe pulse to the single photon detectors (11, 12) at time points , t 2 or t 3 . From FIG. Error! Reference source not found. (c) it can be seen that if the strobe coincides with the time slot t 2 , then this corresponds to Bob's choice of the X-basis. In this case, if detector 11 (destructive interference) is triggered, then bit 0 will be unambiguously decoded; if detector 12 (constructive interference) is clicked, then bit 1 will be decoded.
  • phase modulator (10) in the receiver Boba was pre-configured so that the phase difference between the information pulses, coded by Alice using long pulses without a "pit" corresponded to constructive interference.
  • the strobe pulse coincides with the time slot or t 3 , then this corresponds to Bob's choice of the Z-basis.
  • the Z -basis is always chosen in the time slot t 3 . In this case, if at least one of the detectors clicks, then Bob uniquely decodes 1.
  • the described process implements the possibility of decoding the transmitted pulses (photon quantum states) by the receiving device.
  • the receiving device may contain a phase modulator that allows you to change the phase in one of the arms of the interferometer in a controlled way and select states in the phase basis, and at least one single photon detector, configured to operate in the gating mode, which is necessary to select the basis.
  • a phase modulator that allows you to change the phase in one of the arms of the interferometer in a controlled way and select states in the phase basis
  • at least one single photon detector configured to operate in the gating mode, which is necessary to select the basis.
  • the generation of intrinsic radiation in the slave laser begins at a lower carrier concentration than in the absence of external radiation, i.e. the master, as it were, "helps" to quickly gain the required field intensity for the transition from the spontaneous emission amplification mode to the laser generation mode.
  • the bias current and modulation current on the slave laser can be chosen such that in the absence of radiation from the master, it does not "flare up", i.e. pulses would be generated only when optical injection was turned on.
  • Such a mode of operation of the slave laser is shown in Fig. Error! Reference source not found. (a), where it can be seen that in the absence of pulses from the master, the controlled laser does not generate pulses.
  • Scheme II has one very important difference that is not shown in FIG. Error! Reference source not found.(a) but becomes clear from FIG. Error! Reference source not found. FIG. Error! Reference source not found. (a) It can be seen that the slave laser pulses corresponding to the bit transmission in the phase basis (for example, a pair of pulses in Fig. Error! Reference source is not found. (a) in the range from 5 to 6 ns), differ noticeably in intensity: the second pulse has a lower intensity than the first (the difference in intensities is denoted here as
  • phase modulator in Alice's interferometer is optional, so in FIG. Error! Reference source not found, missing.
  • the Z-basis in this scheme is carried out on the basis of a random sequence created by the RNG, which is part of the device, however, to select the state in the X-basis, the internal randomness of the phase between pulses associated with spontaneous emission is used.
  • the preparation of phase states is carried out passively.
  • phase difference between pulses in the "phase" basis is random, Alice must first measure this phase difference in order to know what state is sent to Bob. For these purposes, an interferometer with a photodetector 15 is used. The result of the interference of the pulses shown in FIG. Error!
  • the choice of the range of angles in this case should be determined by the choice of the QKD protocol. In particular, when using the BB84 protocol, this range should be limited by the value of the maximum allowable quantum error level (QBER) and, generally speaking, should be determined experimentally. So, in Fig. Error! Reference source not found.
  • QBER quantum error level
  • the signal constellation is shown for the case when Alice assigns a set of states with a phase difference between pulses of 180° ⁇ 20° to the X 0 state, which corresponds to the level of the normalized signal S from 0 to 0.12, and the state X x - a set states with a phase difference of 0° ⁇ 20°, which corresponds to the level of the normalized signal S from 3.88 to 4.
  • FIG. Error! Reference source not found.(c) The results of interference in two interferometers tuned in this way are shown in FIG. Error! Reference source not found.(c).
  • the pulse sequence is divided into frames of three time slots. Due to the presence of "silent" pulses, the result of the interference corresponds to the slot t 2 within the frame.
  • the "measured" values of the intensity of the resulting pulses are shown by empty circles for an interferometer with a phase modulator introducing phase 0, and empty triangles for an interferometer with a phase modulator introducing a p/2 phase.
  • FIG. Error! Reference source not found. (d) on the left the same designations are used for normalized values of interference results obtained in different frames.
  • phase difference between them can be determined using the following formulas: where 0 t and f : correspond to the possible values of the desired phase difference.
  • the true value of the phase difference corresponds to the value q : which coincides with one of the values f .
  • phase difference between the respective pairs of pulses are indicated next to the corresponding values of the normalized signals in FIG. Error! Reference source not found.(d). Since now Alice can determine the phase difference between the pulses exactly (i.e., she can distinguish between the states n/2 and Zl/2), she can use two non-orthogonal "phase" bases: X-basis, using the phase differences 0 and n for the states X x and X 0 , and U-basis using the phase difference l/2 and Zl/2 for the states U and U 0 . However, as in
  • circuits I-III are not orthonormal (although they are orthogonal in each of the bases). Indeed, from Fig. Error! Reference source not found., Fig. Error! Reference source not found, and FIG. Error! The reference source has not been found, it can be seen that the pulse intensity in the X- and Z-basis is the same, which means that the states in the X-basis will, on average, have twice as many photons as the states in the Z-basis. Graphically, this can be represented by two Bloch spheres of different radii, as shown in Fig. Error!
  • P i the probability of triggering the detector on Bob's side, provided that Alice's pulse contains / photons, then for a Poisson source with intensity n, the absolute probability will be expressed as
  • the average detection probability is equal to
  • the key generation rate is expressed by the following formula: where is the correction efficiency function, usually taken as a constant,
  • the secrecy strengthening procedure and authentication verification are carried out, which completes the post-processing of the key.
  • the case under consideration can be easily reduced to a standard BB84 by adding an intensity modulator to the optical circuit.
  • FIG. Error! Reference source not found. where intensity modulator 17 is installed after the bandpass filter.
  • the operation of the intensity modulator 17 becomes clear from FIG. Error! Reference source not found. (b), where it is seen that the pulses coming from the controlled laser are modulated in intensity so that the intensity of the pulse pair corresponding to the X-basis is halved.
  • the states from the X- and Z-bases will be related as follows:
  • FIG. 16 shows a general view of the computing device (100), which may represent, for example, these controllers.
  • the computing device (100) comprises one or more processors (101), memory devices such as RAM (102) and ROM (103), input/output interfaces (104), devices input/output (105), and a device for networking (106).
  • processors 101
  • memory devices such as RAM (102) and ROM (103)
  • input/output interfaces 104
  • devices input/output 105
  • a device for networking 106
  • the processor (101) (or multiple processors, multi-core processor, etc.) can be selected from a range of devices currently widely used, for example, manufacturers such as: Intel TM, AMD TM, Apple TM, Samsung Exynos TM, MediaTEKTM, Qualcomm SnapdragonTM, etc. Under the processor or one of the processors used in the device (100), it is also necessary to take into account the graphics processor, for example, NVIDIA GPU or Graphcore, the type of which is also suitable for full or partial execution of the execution of the control module, and can also be used for training and applying machine learning models in various information systems.
  • the graphics processor for example, NVIDIA GPU or Graphcore, the type of which is also suitable for full or partial execution of the execution of the control module, and can also be used for training and applying machine learning models in various information systems.
  • RAM (102) is a random access memory and is designed to store machine-readable instructions executable by the processor (101) to perform the necessary data logical processing operations.
  • RAM ( 102) typically contains the executable instructions of the operating system and associated software components (applications, program modules, etc.). In this case, the RAM (102) may be the available memory of the graphics card or graphics processor.
  • a ROM (103) is one or more persistent storage devices such as a hard disk drive (HDD), a solid state drive (SSD), flash memory (EEPROM, NAND, etc.), optical storage media ( CD-R/RW, DVD-R/RW, BlueRay Disc, MD), etc.
  • I/O interfaces (104) are used to organize the operation of the components of the computing device (100) and organize the operation of external connected devices.
  • the choice of the appropriate interfaces depends on the specific design of the computing device, which can be, but not limited to: PCI, AGP, PS/2, IrDa, FireWire, LPT, COM, SATA, IDE, Lightning USB (2.0, 3.0, 3.1, micro, mini, type C), TRS/ Audio jack (2.5, 3.5, 6.35), HDMI, DVI, VGA, Display Port, RJ45, RS232, etc.
  • I/O information for example, a keyboard, a display (monitor), a touch screen, a touchpad, a joystick, a mouse, a light pen, a stylus, touch panel, trackball, speakers, microphone, augmented reality, optical sensors, tablet, indicator lights, projector, camera, biometric identification tools (retinal scanner, fingerprint scanner, voice recognition module), etc.
  • a keyboard for example, a keyboard, a display (monitor), a touch screen, a touchpad, a joystick, a mouse, a light pen, a stylus, touch panel, trackball, speakers, microphone, augmented reality, optical sensors, tablet, indicator lights, projector, camera, biometric identification tools (retinal scanner, fingerprint scanner, voice recognition module), etc.
  • the network communication means (106) provides data transmission via an internal or external computer network, for example, an Intranet, Internet, LAN, etc.
  • an Intranet for example, an Intranet, Internet, LAN, etc.
  • one or more means (106) can be used, but not limited to: Ethernet card, GSM modem, GPRS modem, LTE modem, 5G modem, satellite communication module, NFC module, Bluetooth and / or BLE module, Wi-Fi module and others

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Computer Security & Cryptography (AREA)
  • Optical Communication System (AREA)

Abstract

The present technical solution relates in general to the field of quantum cryptography, and more particularly to phase modulators and amplitude and phase modulators operating on the basis of optical injection into semiconductor lasers for quantum key distribution. The technical result achieved by the present solution consists in providing for quantum key distribution. In a first preferred embodiment, an amplitude and phase modulation device for quantum key distribution is proposed, which is designed to be capable of creating quantum states in a phase basis and a time basis, said device comprising: a slave laser capable of generating optical data pulses suitable for creating quantum states; a master laser capable of setting a phase basis and a time basis with the aid of optical pulses of different lengths, wherein state encoding in the phase basis is carried out by disturbing the pumping current in the middle of a long pulse, and state encoding in the time basis is carried out by selection of the generation time of a short pulse; and an optical circulator capable of transmitting radiation from the master laser to the slave laser and coupling the radiation of the slave laser into an optical attenuator.

Description

АМПЛИТУДНО-ФАЗОВЫЙ МОДУЛЯТОР НА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ЛАЗЕРАХ AMPLITUDE-PHASE MODULATOR ON SEMICONDUCTOR LASERS
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ [0001] Настоящее техническое решение относится к области квантовой криптографии, а более конкретно к фазовым и амплитудно-фазовым модуляторам, основанным на использовании оптической инжекции в полупроводниковых лазерах для квантового распределения ключей. TECHNICAL FIELD [0001] This technical solution relates to the field of quantum cryptography, and more specifically to phase and amplitude-phase modulators based on the use of optical injection in semiconductor lasers for quantum key distribution.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ [0002] Модуляция оптического излучения является технологической основой передачи данных в телекоммуникациях. В большинстве случаев амплитудная и фазовая модуляция (манипуляция) лазерного излучения осуществляется с помощью модуляторов на основе LiNbCb, которые на протяжении десятилетий являются «рабочей лошадкой» в области оптоэлектроники. Несмотря на популярность и высокую эффективность модуляторов этого типа, они имеют ряд недостатков, которые становятся все более заметными по мере непрерывного развития оптоволоконных систем, в частности, в связи с развитием методов квантового распределения ключей (КРК). BACKGROUND OF THE INVENTION [0002] Optical radiation modulation is the technological basis for data transmission in telecommunications. In most cases, amplitude and phase modulation (keying) of laser radiation is carried out using modulators based on LiNbCb, which have been the "workhorse" in the field of optoelectronics for decades. Despite the popularity and high efficiency of modulators of this type, they have a number of disadvantages that become more and more noticeable with the continuous development of fiber optic systems, in particular, in connection with the development of quantum key distribution (QKD) methods.
[0003] Хотя широкополосные модуляторы на основе LiNbCb производятся серийно уже давно, высокоскоростные устройства по-прежнему имеют высокую стоимость: цена на некоторые модели может в несколько раз превышать стоимость стандартных телекоммуникационных лазеров и волоконно-оптических элементов. Поэтому исследование и разработка эффективного и в то же время более дешевого метода модуляции весьма целесообразны с экономической точки зрения. Другими важными факторами являются: 1) довольно большие размеры фазовых модуляторов на основе LiNbCb, характерные длины которых обычно достигают нескольких сантиметров, и 2) высокое значение полуволнового напряжения. Эти особенности ограничивают их использование в фотонных интегральных схемах (ФИС), совместимых с технологией КМОП (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник). [0003] Although LiNbCb-based broadband modulators have been mass-produced for a long time, high-speed devices still have a high cost: the price of some models can be several times higher than the cost of standard telecommunication lasers and fiber optic elements. Therefore, the research and development of an efficient and at the same time cheaper modulation method is highly expedient from an economic point of view. Other important factors are: 1) the relatively large size of LiNbCb-based phase modulators, whose characteristic lengths usually reach several centimeters, and 2) the high half-wave voltage. These features limit their use in photonic integrated circuits (PIC) compatible with CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor) technology.
[0004] Одним из наиболее распространенных способов модуляции оптического сигнала является фазовая модуляция (или фазовая манипуляция, если информационный сигнал является дискретным), при которой измеряемым параметром является фаза оптического сигнала или разность фаз между соседними оптическими сигналами (в последнем случае говорят о дифференциальной фазовой манипуляции). Фазовое кодирование приобретает особую важность сегодня в связи с развитием систем КРК, где криптографические ключи обычно кодируются в фазе ослабленных лазерных импульсов[0004] One of the most common methods of modulating an optical signal is phase modulation (or phase shift keying, if the information signal is discrete), in which the measured parameter is the phase of the optical signal or the phase difference between adjacent optical signals (in the latter case, they speak of differential phase shift keying ). Phase coding is of particular importance today in connection with the development of QKD systems, where cryptographic keys are usually encoded in the phase of attenuated laser pulses
[1]. Следуя мировой тенденции к миниатюризации и развитию ФИС, разработчики систем[1]. Following the global trend towards miniaturization and development of FIS, system developers
КРК ищут эффективные передатчики (модуляторы) на чипе. Как правило, к таким передатчикам предъявляются высокие требования, включая не только компактность, низкие потери и совместимость с КМОП-технологиями, но и отсутствие нежелательных эффектов, ведущих к утечке информации по побочным каналам. Недавно Yuan и др. [2] продемонстрировали схему прямой фазовой модуляции, которая, по-видимому, удовлетворяет этим требованиям и, таким образом, является одним из возможных кандидатов на замену (по крайней мере, в некоторых приложениях) фазовых модуляторов на основе LiNbCb. QRCs are looking for efficient transmitters (modulators) on a chip. As a rule, high requirements are imposed on such transmitters, including not only compactness, low losses and compatibility with CMOS technologies, but also the absence of undesirable effects leading to information leakage through side channels. Recently, Yuan et al. [2] have demonstrated a direct phase modulation scheme that appears to meet these requirements and is thus one of the possible candidates to replace (at least in some applications) LiNbCb based phase modulators.
[0005] Предлагаемая Yuan и др. схема прямой фазовой модуляции основана на известном явлении фазовой синхронизации в лазере с оптической инжекцией [3, 4]. В нем используются два полупроводниковых лазера, один из которых (лазер для приготовления импульсов) работает в режиме переключения усиления, а второй (лазер для приготовления фазы) работает в квазистационарном режиме, причем для управления фазы между соседними импульсами ведомого лазера используются небольшие возмущения тока накачки ведущего лазера. Недавно данная схема была успешно реализован в системах КРК [5, 6]. Следует отметить, что несмотря на хорошо развитую теорию полу прово дниковых лазеров с оптической инжекцией подробная модель прямой фазовой модуляции посредством оптической инжекции появилась в литературе совсем недавно [7]. [0005] The direct phase modulation scheme proposed by Yuan et al. is based on the known phenomenon of phase locking in an optically injected laser [3, 4]. It uses two semiconductor lasers, one of which (the pulse preparation laser) operates in the gain-switched mode, and the second (the phase preparation laser) operates in a quasi-stationary regime, with small perturbations of the master pump current used to control the phase between adjacent pulses of the slave laser. laser. Recently, this scheme has been successfully implemented in QKD systems [5, 6]. It should be noted that, despite the well developed theory of semiconductor lasers with optical injection, a detailed model of direct phase modulation by means of optical injection appeared in the literature quite recently [7].
[0006] Другим распространенным способом модуляции оптического сигнала является амплитудная модуляция, при которой измеряемым параметром является интенсивность света. Наиболее прямой способ амплитудной модуляции лазерного излучения - изменение тока накачки полупроводникового лазера, т.е. так назьюаемая прямая амплитудная модуляция. Такой метод является чрезвычайно удобным, поскольку выходная оптическая мощность полупроводникового лазера в широком диапазоне значений пропорциональна току инжекции, так что преобразование электрического сигнала в оптический является линейным, поэтому для создания цифрового оптического сигнала не требуется дополнительного оборудования. Кроме того, время жизни носителей в активном слое полупроводникового лазера достаточно мало (~1 нс), а поскольку время жизни фотонов в резонаторе примерно еще на три порядка меньше, то частота прямой амплитудной модуляция в полупроводниковых лазерах может достигать несколько десятков гигагерц. Тем не менее, передача таких оптических сигналов является очень непростой задачей, поскольку короткие лазерные импульсы, полученные методом прямой амплитудной модуляции, характеризуются существенной частотной модуляцией (чирпом), которая приводит к значительному уширению импульса при распространении по оптоволокну даже на небольшие (несколько километров) расстояния и, как следствие, к невозможности извлечь закодированную в них информацию. По этой причине на скорости передачи данных более 1 Гбит/с полупроводниковый лазер, как правило, работает в непрерывном режиме, а для получения оптического цифрового сигнала используют внешний амплитудный модулятор (обычно, вновь на основе LiNbCb). [0006] Another common method for modulating an optical signal is amplitude modulation, in which the measured parameter is light intensity. The most direct method of amplitude modulation of laser radiation is to change the pump current of a semiconductor laser, i.e. so-called direct amplitude modulation. This method is extremely convenient, since the output optical power of a semiconductor laser in a wide range of values is proportional to the injection current, so that the conversion of an electrical signal into an optical one is linear, so no additional equipment is required to create a digital optical signal. In addition, the lifetime of carriers in the active layer of a semiconductor laser is quite short (~1 ns), and since the lifetime of photons in the resonator is about three orders of magnitude shorter, the frequency of direct amplitude modulation in semiconductor lasers can reach several tens of gigahertz. However, the transmission of such optical signals is a very difficult task, since short laser pulses obtained by direct amplitude modulation are characterized by significant frequency modulation (chirp), which leads to a significant broadening of the pulse when propagating along the optical fiber even over small (several kilometers) distances and, as a result, to the impossibility of extracting the information encoded in them. For this reason, at a data rate of more than 1 Gbit / s, a semiconductor laser, as a rule, operates in a continuous mode, and an external amplitude modulator (usually again based on LiNbCb) is used to obtain an optical digital signal.
[0007] В контексте вышеизложенного возникает закономерный вопрос: можно ли использовать упоминаемую выше схему с оптической инжекцией не только для фазовой, но и для амплитудной модуляции? Другими словами: возможно ли создать компактный, совместимый с ФИС и пригодный для использования в системах КРК амплитудно-фазовый модулятор? Насколько известно авторам, описание такого устройства отсутствует в литературе. В данной работе авторы намерены продемонстрировать реализацию такого устройства, кратко изложить его математическую модель (дать теоретическое обоснование его работы) и описать способ его использования в качестве передатчика для КРК. [0007] In the context of the foregoing, a logical question arises: is it possible to use the above-mentioned optical injection scheme not only for phase, but also for amplitude modulation? In other words: is it possible to create a compact, FIS-compatible, and suitable for use in QKD systems, an amplitude-phase modulator? To the authors' knowledge, there is no description of such a device in the literature. In this paper, the authors intend to demonstrate the implementation of such a device, briefly outline its mathematical model (give a theoretical justification for its operation), and describe how it can be used as a QKD transmitter.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ SUMMARY OF THE INVENTION
[0008] Заявленное изобретение направлено на решение технической проблемы, присущей известным подходам из уровня техники. [0008] The claimed invention is directed to solving a technical problem inherent in known prior art approaches.
[0009] Технический результат заключается в создании более миниатюрной единой оптической системы, обеспечивающей амплитудно-фазовую модуляции для кодирования информации. [0009] The technical result is to create a more miniature single optical system that provides amplitude-phase modulation for encoding information.
[0010] Другим техническим результатом является повышение эффективности передачи квантовых состояний фотонов за счет амплитудно-фазовой модуляции. [0010] Another technical result is to increase the efficiency of transmission of quantum states of photons due to amplitude-phase modulation.
[0011] Заявленный технический результат достигается за счет устройства амплитудно- фазовой модуляции для квантового распределения ключей, выполненного с возможностью создания квантовых состояний в фазовом и временном базисах, содержащего: [0011] The claimed technical result is achieved through an amplitude-phase modulation device for quantum key distribution, made with the ability to create quantum states in phase and time bases, containing:
- управляемый лазер, выполненный с возможностью формирования информационных оптических импульсов, пригодных для создания квантовых состояний; - a controlled laser configured to generate information optical pulses suitable for creating quantum states;
- управляющий лазер, выполненный с возможностью задавать фазовый и временной базисы с помощью оптических импульсов разной длительности, причем кодирование состояния в фазовом базисе осуществляется с помощью возмущения тока накачки в середине длинного импульса, а кодирование состояния во временном базисе осуществляется выбором времени генерации короткого импульса; - оптический циркулятор, выполненный с возможностью пропускания излучения от управляющего лазера к управляемому лазеру и вывода излучения управляемого лазера в оптический аттенюатор. - a control laser configured to set the phase and time bases using optical pulses of different durations, wherein the state encoding in the phase basis is carried out using a perturbation of the pump current in the middle of a long pulse, and the state encoding in the time basis is carried out by selecting the short pulse generation time; - an optical circulator configured to transmit radiation from the control laser to the controlled laser and output the radiation of the controlled laser to the optical attenuator.
[0012] В одном из частных примеров реализации выход управляемого лазера дополнительно содержит модулятор интенсивности, предназначенный для выравнивания амплитуды состояний во временном и фазовом базисах. [0012] In one of the particular examples of implementation, the output of the controlled laser additionally contains an intensity modulator designed to equalize the amplitude of the states in time and phase basis.
[0013] В другом частном примере реализации длинные импульсы представляют собой невозмущенные прямоугольные импульсы и прямоугольные импульсы с возмущением тока накачки в середине. [0013] In another particular implementation, the long pulses are unperturbed rectangular pulses and rectangular pulses with a pump current perturbation in the middle.
[0014] В еще одном частном варианте реализации длинный импульс с управляющего лазера сдвинут по времени так, чтобы он начинался раньше, чем импульс управляемого лазера. [0014] In another particular implementation, the long pulse from the control laser is shifted in time so that it starts earlier than the pulse of the controlled laser.
[0015] В еще одном частном варианте реализации устройство дополнительно содержит оптический полосовой фильтр. [0015] In another particular embodiment, the device further comprises an optical bandpass filter.
[0016] В еще одном частном варианте реализации оптический полосовой фильтр представляет собой по меньшей мере пассивный волоконно-оптический DWDM фильтр. [0017] В еще одном частном варианте реализации частота пропускания оптического полосового фильтра подобрана таким образом, чтобы всё излучение управляемого лазера в отсутствие оптической инжекции полностью поглощалось. [0016] In another particular embodiment, the optical band pass filter is at least a passive fiber optic DWDM filter. [0017] In yet another particular embodiment, the transmission frequency of the optical band-pass filter is chosen so that all the radiation of the controlled laser in the absence of optical injection is completely absorbed.
[0018] В еще одном частном варианте реализации устройство дополнительно содержит несбалансированный интерферометр. [0018] In another particular embodiment, the device further comprises an unbalanced interferometer.
[0019] В еще одном частном варианте реализации устройство дополнительно содержит два несбалансированных интерферометра. [0019] In another particular embodiment, the device further comprises two unbalanced interferometers.
[0020] В еще одном частном варианте реализации управляемый и управляющий лазеры представляют собой по меньшей мере полупроводниковые лазеры, связанные посредством оптической инжекции. [0020] In another particular embodiment, the steerable and control lasers are at least semiconductor lasers coupled by optical injection.
[0021] Заявленные технические результаты также достигаются за счет системы квантового распределения ключей (КРК), содержащей устройство амплитудно-фазовой модуляции для квантового распределения ключей, соединенного по квантовому каналу связи с принимающим устройством, причем: [0021] The claimed technical results are also achieved by a quantum key distribution (QKD) system containing an amplitude-phase modulation device for quantum key distribution, connected via a quantum communication channel to a receiving device, wherein:
- устройство амплитудно-фазовой модуляции для квантового распределения ключей дополнительно содержит: о оптический аттенюатор, выполненный с возможностью ослабления сигнала перед его передачей в квантовый канал; о контроллер, выполненный с возможностью управления лазерными драйверами, задающими электрические импульсные последовательности на управляющий и ведомый лазеры; - the amplitude-phase modulation device for quantum key distribution further comprises: o an optical attenuator configured to attenuate the signal before it is transmitted to the quantum channel; o a controller configured to control laser drivers that set electrical pulse sequences to the control and slave lasers;
- принимающее устройство, выполнено с возможностью различать фазовый и временной базисы путем выбора слота внутри временного окна, выделяемого под одно квантовое состояние, и декодировать состояния в указанных базисах, при этом принимающее устройство содержит: о несбалансированный интерферометр, линия задержки которого подобрана таким образом, чтобы соответствующее время задержки было кратно периоду следования информационных импульсов, генерируемых управляемым лазером; о широкополосный фазовый модулятор, позволяющий контролируемым образом менять фазу в одном из плеч интерферометра и осуществлять выбор состояний в фазовом базисе; о по меньшей мере один детектор одиночных фотонов, выполненный с возможностью работать в режиме стробирования, что необходимо для выбора базиса; о контроллер принимающего устройства, выполненный с возможностью управления широкополосным фазовым модулятором в плече интерферометра и детекторами одиночных фотонов. - the receiving device is configured to distinguish between the phase and time bases by selecting a slot within the time window allocated for one quantum state and decoding the states in the specified bases, while the receiving device contains: the corresponding delay time was a multiple of the repetition period of the information pulses generated by the controlled laser; o a broadband phase modulator that allows you to change the phase in one of the arms of the interferometer in a controlled manner and select states in the phase basis; o at least one single photon detector configured to operate in a gating mode, which is necessary for selecting a basis; o a receiver controller configured to control a broadband phase modulator in the interferometer arm and single photon detectors.
[0022] В одном частном варианте осуществления временное окно (фрейм), отведенное под квантовое состояние, содержит по меньшей мере три временных слота. [0022] In one particular embodiment, the time window (frame) allocated for a quantum state contains at least three time slots.
[0023] В еще одном частном варианте осуществления выбор базиса принимающим устройством осуществляется по меньшей мере с помощью отправки строб-импульса на по меньшей мере один детектор одиночных фотонов в определенный временной слот временного окна квантового состояния. [0023] In another particular embodiment, the selection of the basis by the receiving device is carried out by at least sending a strobe pulse to at least one single photon detector in a certain time slot of the quantum state time window.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
[0024] Прилагаемые чертежи, которые включены в данное описание для обеспечения дополнительного понимания сущности заявленного решения и составляют его часть, иллюстрируют варианты реализации и вместе с описанием служат для пояснения принципов осуществления и работы заявленного решения. [0024] The accompanying drawings, which are included in this description to provide additional understanding of the essence of the claimed solution and form part of it, illustrate options for implementation and together with the description serve to explain the principles of implementation and operation of the claimed solution.
На чертежах: On the drawings:
Цифровые обозначения: 1 - управляющий лазер (мастер), 2 - управляемый (ведомый) лазер, 3 - оптический изолятор, 4 - светоделитель, 5 - оптический терминатор, 6 — оптический циркулятор, 7 - полосовой оптический фильтр, 8 - перестраиваемый оптический аттенюатор, 9 - квантовый канал, 10 - широкополосный (высокочастотный) фазовый модулятор, 11, 12 - детекторы одиночных фотонов, 13 - передатчик Алисы, 14 - приемникNumerical designations: 1 - control laser (master), 2 - controlled (slave) laser, 3 - optical isolator, 4 - beam splitter, 5 - optical terminator, 6 - optical circulator, 7 - bandpass optical filter, 8 - tunable optical attenuator, 9 - quantum channel, 10 - broadband (high-frequency) phase modulator, 11, 12 - single photon detectors, 13 - Alice transmitter, 14 - receiver
Боба, 15 - фотоприемник, 16 - узкополосный (низкочастотный) фазовый модулятор, 17 — амплитудный модулятор. Bob, 15 - photodetector, 16 - narrow-band (low-frequency) phase modulator, 17 - amplitude modulator.
[0025] На Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден, показаны схемы оптической инжекции «на пропускание» (а) и «на отражение» (б, в). [0025] In FIG. Error! The source of the reference was not found, the schemes of optical injection "for transmission" (a) and "for reflection" (b, c) are shown.
[0026] На Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден, показана реализация амплитудно-фазового модулятора (передатчика Алисы) и демодулятора (приемника Боба), соответствующая Схеме I. [0026] In FIG. Error! Reference source not found, implementation of amplitude-phase modulator (Alice's transmitter) and demodulator (Bob's receiver) corresponding to Scheme I is shown.
[0027] На Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден, показаны компьютерные симуляции последовательностей лазерных импульсов, реализующих способ приготовления квантовых состояний в Схеме I. [0027] In FIG. Error! Reference source not found, computer simulations of laser pulse sequences are shown that implement the method of preparing quantum states in Scheme I.
[0028] На Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден, показана реализация амплитудно-фазового модулятора (передатчика Алисы) и демодулятора (приемника Боба), соответствующая Схеме II. [0028] In FIG. Error! Reference source not found, implementation of amplitude-phase modulator (Alice's transmitter) and demodulator (Bob's receiver) corresponding to Scheme II is shown.
[0029] На Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден, показаны компьютерные симуляции последовательностей лазерных импульсов, реализующих способ приготовления квантовых состояний в Схеме И. [0029] In FIG. Error! Reference source not found, computer simulations of laser pulse sequences are shown that implement the method of preparing quantum states in Scheme I.
[0030] На Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден, показаны компьютерные симуляции последовательностей лазерных и управляющих электрических импульсов, объясняющих, как обеспечить неразличимость импульсов в схеме II. [0030] In FIG. Error! Reference source not found, computer simulations of laser and electrical control pulse sequences are shown explaining how to ensure that the pulses in circuit II are indistinguishable.
[0031] На Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден, показана реализация амплитудно-фазового модулятора (передатчика Алисы) и демодулятора (приемника Боба), соответствующая Схеме III. [0031] In FIG. Error! Reference source not found, implementation of amplitude-phase modulator (Alice's transmitter) and demodulator (Bob's receiver) corresponding to Scheme III is shown.
[0032] На Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден, показаны компьютерные симуляции последовательностей лазерных импульсов, реализующих способ приготовления квантовых состояний в Схеме III. [0032] In FIG. Error! Reference source not found, computer simulations of laser pulse sequences are shown that implement the method of preparing quantum states in Scheme III.
[0033] На Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден показана реализация амплитудно- фазового модулятора (передатчика Алисы) и демодулятора (приемника Боба), соответствующая Схеме IV. [0033] In FIG. Error! Reference source not found shows an implementation of an amplitude-phase modulator (Alice's transmitter) and a demodulator (Bob's receiver) corresponding to Scheme IV.
[0034] На Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден, показаны компьютерные симуляции последовательностей лазерных импульсов, реализующих способ приготовления квантовых состояний в Схеме IV. [0035] На Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден, показаны сферы Блоха, на которых точками выделены квантовые состояния Cϋ , и Zo i, приготавливаемые в схемах I— III. [0034] In FIG. Error! Reference source not found, computer simulations of laser pulse sequences are shown that implement the method of preparing quantum states in Scheme IV. [0035] In FIG. Error! Reference source not found, Bloch spheres are shown, on which quantum states C ϋ , and Z oi are marked with dots, prepared in Schemes I—III.
[0036] На Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден, показана реализация амплитудно-фазового модулятора (передатчика Алисы) и демодулятора (приемника Боба), соответствующая Схеме I с амплитудным модулятором для выравнивания амплитуд состояний в разных базисах. [0036] In FIG. Error! The reference source was not found, the implementation of the amplitude-phase modulator (Alice's transmitter) and the demodulator (Bob's receiver) is shown, corresponding to Scheme I with an amplitude modulator to equalize the amplitudes of the states in different bases.
[0037] На Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден, показаны компьютерные симуляции последовательностей лазерных импульсов, реализующих способ приготовления квантовых состояний в Схеме I с амплитудным модулятором. [0037] In FIG. Error! Reference source not found, computer simulations of laser pulse sequences are shown that implement the method of preparing quantum states in Scheme I with an amplitude modulator.
[0038] На Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден, показана реализация амплитудно-фазового модулятора (передатчика Алисы) и демодулятора (приемника Боба), соответствующая Схеме II с амплитудным модулятором для выравнивания амплитуд состояний в разных базисах. [0038] In FIG. Error! The reference source was not found, the implementation of the amplitude-phase modulator (Alice's transmitter) and the demodulator (Bob's receiver) is shown, corresponding to Scheme II with an amplitude modulator to equalize the amplitudes of the states in different bases.
[0039] На Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден, показана реализация амплитудно-фазового модулятора (передатчика Алисы) и демодулятора (приемника Боба), соответствующая Схеме III с амплитудным модулятором для выравнивания амплитуд состояний в разных базисах. [0039] In FIG. Error! The reference source was not found, the implementation of the amplitude-phase modulator (Alice's transmitter) and the demodulator (Bob's receiver) is shown, corresponding to Scheme III with an amplitude modulator to equalize the amplitudes of the states in different bases.
[0040] На Фиг. 16 показан общий вид вычислительной системы. [0040] In FIG. 16 shows a general view of the computing system.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ IMPLEMENTATION OF THE INVENTION
[0041] Квантовое распределение ключей [0041] Quantum key distribution
[0042] Квантовое распределение ключей (КРК) - метод передачи (распределения) криптографического ключа, который использует квантовые явления для гарантии секретности связи. В КРК, как и в классических криптографических схемах, устройство, передающее секретную информацию, называют Алисой, а устройство, принимающее эту информацию - Бобом. Третью сторону, которая пытается получить несанкционированный доступ к передаваемой информации, называют Евой (от англ “eavesdropper” - подслушивающий). На сегодняшний день КРК является одной из наиболее зрелых квантовых технологий, ознаменовавших так называемую вторую квантовую революцию [8]. [0042] Quantum Key Distribution (QKD) is a cryptographic key transmission (distribution) method that uses quantum phenomena to guarantee communication privacy. In QKD, as in classical cryptographic schemes, the device that transmits secret information is called Alice, and the device that receives this information is called Bob. A third party who tries to gain unauthorized access to the transmitted information is called Eve (from the English “eavesdropper” - eavesdropper). To date, QKD is one of the most mature quantum technologies that marked the so-called second quantum revolution [8].
[0043] Согласно определению, в КРК для передачи ключа используются отдельные кванты, обычно, - фотоны. Каждый квант света можно использовать как переносчик единицы квантовой информации - кубита. В этом случае фотон рассматривают как двухуровневую систему, где в качестве ортогональных состояний выбирают состояния поляризации. В практических приложениях, однако, одиночные фотоны применяются редко, поскольку существующие на сегодняшний день источники одиночных фотонов имеют крайне низкую эффективность. Поэтому чаще всего в КРК в качестве кубитов используют сильно ослабленные лазерные импульсы, которые представляют собой не единичные фотоны, а когерентные состояния со средним числом фотоном значительно меньшим единицы. [0043] By definition, QKD uses individual quanta, usually photons, to transmit the key. Each quantum of light can be used as a carrier of a unit of quantum information - a qubit. In this case, the photon is considered as a two-level system, where the states are chosen as orthogonal states polarization. In practical applications, however, single photons are rarely used, since the currently available sources of single photons have an extremely low efficiency. Therefore, most often in QKD, strongly attenuated laser pulses are used as qubits, which are not single photons, but coherent states with an average photon number much less than unity.
[0044] На сегодняшний день в литературе описано довольно много различных протоколов КРК, однако наиболее часто используется протокол, предложенный Ч. Беннетом и Ж. Брассаром в 1984 году - так называемый протокол ВВ84 [9]. В данном протоколе Алиса приготавливает квантовые состояния в двух неортогональных базисах: если используются поляризационные состояния фотона, то в качестве таких базисов можно выбрать вертикально-горизонтальный и диагонально-антидиагональный базисы (можно условно называть их X -базис и Y -базис, соответственно). Вектор поляризации фотона в X -базисе направлен горизонтально <-> или вертикально X , причем состоянию <-» можно поставить в соответствие 0, а состоянию - 1. В Y -базисе можно использовать поляризационные состояния
Figure imgf000010_0001
причем состоянию можно поставить в соответствие 0, а состоянию - 1. Для приготовления квантовых состояний Алиса использует генератор случайных чисел, т.е. выбор базиса и конкретного состояния в базисе осуществляются случайным образом. Приготовленные квантовые состояния (ослабленные лазерные импульсы с заданным направлением вектора поляризации электрического поля) отправляются по квантовому каналу Бобу. (Для определенности будем считать, что в роли квантового канала выступает оптоволоконная линия, хотя для квантовой передачи ключа может использоваться атмосфера, например, в спутниковом КРК, или даже вода.) Боб проводит измерения передаваемых ему квантовых состояний, также выбирая базис случайным образом. Результаты измерений записываются, а затем по открытому каналу Боб сообщает Алисе, какие фотоны ему удалось измерить и какие базисы он при этом выбрал (результат измерений не раскрывается); Алиса сообщает в ответ, в каких измерениях базисы были выбраны правильно. Результаты измерений, соответствующие неправильно выбранным базисам, отбрасываются, а оставшиеся результаты измерений представляют собой так называемый просеянный ключ. Просеянный ключ затем подвергается процедурам коррекции ошибок и усиления секретности, после которых Алиса и Боб получают в распоряжение идентичную последовательность бит, которую уже можно использовать для криптографических целей.
[0044] To date, quite a few different CRK protocols have been described in the literature, but the protocol proposed by C. Bennett and J. Brassard in 1984, the so-called BB84 protocol [9], is the most commonly used. In this protocol, Alice prepares quantum states in two non-orthogonal bases: if the polarization states of a photon are used, then vertical-horizontal and diagonal-antidiagonal bases can be chosen as such bases (we can conventionally call them X-basis and Y-basis, respectively). The photon polarization vector in the X-basis is directed horizontally <-> or vertically X , and the <-» state can be assigned 0, and the state - 1. In the Y-basis, polarization states can be used
Figure imgf000010_0001
moreover, the state can be assigned 0, and the state - 1. To prepare quantum states, Alice uses a random number generator, i.e. the choice of the basis and a specific state in the basis is carried out randomly. The prepared quantum states (attenuated laser pulses with a given direction of the electric field polarization vector) are sent to Bob through the quantum channel. (For definiteness, we will assume that a fiber optic line acts as a quantum channel, although the atmosphere, for example, in a satellite QKD, or even water can be used for quantum key transmission.) Bob measures the quantum states transmitted to him, also choosing a basis randomly. The measurement results are recorded, and then, via an open channel, Bob tells Alice which photons he managed to measure and which bases he chose (the result of the measurements is not disclosed); Alice reports back in which dimensions the bases were chosen correctly. Measurement results corresponding to incorrectly chosen bases are discarded, and the remaining measurement results are the so-called sifted key. The sifted key is then subjected to error correction and security enhancement procedures, after which Alice and Bob have an identical sequence of bits at their disposal, which can already be used for cryptographic purposes.
[0045] Если в сеанс передачи ключа вмешивается Ева, то ее присутствие легко обнаруживается благодаря квантовой природе передаваемых состояний, точнее, благодаря так называемой теореме о запрете клонирования [10]. Согласно данной теореме, отельное квантовое состояние нельзя скопировать (клонировать), поскольку это вступает в противоречие с математическим аппаратом квантовой механики, а именно, противоречит линейности гильбертова пространства. Таким образом, Ева не сможет скопировать кубиты[0045] If Eve intervenes in a key transfer session, then her presence is easily detected due to the quantum nature of the transmitted states, more precisely, thanks to the so-called no-cloning theorem [10]. According to this theorem, a separate quantum state cannot be copied (cloned), since this contradicts the mathematical apparatus of quantum mechanics, namely, it contradicts the linearity of the Hilbert space. Thus, Eve will not be able to copy the qubits
Алисы, чтобы передать их в неизменном состоянии Бобу и в дальнейшем, прослушивая сообщения Алисы и Боба по открытому каналу, восстановить передаваемый ключ. Другими словами, Ева вынуждена проводить, как и Боб, измерения квантовых состояний и только затем передавать их ему. Однако, поскольку Алиса использует не ортогональные базисы, аAlice in order to send them in an unchanged state to Bob and later, listening to Alice's and Bob's messages over an open channel, restore the transmitted key. In other words, Eve is forced, like Bob, to measure quantum states and only then transfer them to him. However, since Alice does not use orthogonal bases, but
Ева вынуждена выбирать базисы измерений случайным образом (ведь у нее нет доступа к генератору случайных чисел Алисы), то она неизбежно будет вносить ошибку в передаваемые кубиты. Таким образом, оценивая количество ошибок в переданном ключе,Eve is forced to choose measurement bases randomly (after all, she does not have access to Alice's random number generator), then she will inevitably introduce an error into the transmitted qubits. Thus, estimating the number of errors in the transmitted key,
Алиса и Боб смогут заметить присутствие Евы и понять, что их ключ скомпрометирован. Alice and Bob will be able to notice Eve's presence and realize that their key has been compromised.
[0046] Надо заметить, что 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 [11, 12]. Для противодействия данной атаке была разработана методика приманочных состояний (decoy states) [13, 14] — 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 импульсов были приманочными, Алиса и Боб смогут понять, проводилась ли атака по разделению числа фотонов, т.е. смогут заметить присутствие Евы.[0046] It should be noted that if Alice uses weakened coherent states instead of single photons, then Eve has an additional opportunity to eavesdrop on the key without being noticed. It can carry out the so-called attack on the division of the number of photons [11, 12]. To counteract this attack, a technique of decoy states [13, 14] was developed — 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 disclosing information about which of the pulses were decoys, Alice and Bob will be able to understand whether the attack was carried out by dividing the number of photons, i.e. will be able to notice the presence of Eve.
Поскольку приманочные состояния в сущности не меняют сам протокол ВВ84, а являются лишь надстройкой к нему, то ниже мы для краткости будем рассматривать «чистую реализацию» данного протокола, подразумевая (или оговаривая, где это необходимо) что каждая из рассматриваемых ниже реализаций может быть осуществлена также и с приманочными состояниями. Since decoy states in essence do not change the BB84 protocol itself, but are only an add-on to it, below for brevity we will consider a “pure implementation” of this protocol, implying (or stipulating where necessary) that each of the implementations considered below can be implemented also with bait states.
[0047] Для реализации поляризационного кодирования в протоколе ВВ84 не обязательно использовать горизонтально-вертикальный (канонический) и диагонально- антидиагональный базисы. С экспериментальной точки зрения, в качестве неортогональных базисов удобнее использовать, например, диагонально- антидиагональный и круговой базисы [15]; в последнем, в качестве ортогональных состояний можно использовать право-круговую Т и лево-круговую У поляризации света. При использовании этих двух (неортогональных) базисов, выбор состояния можно осуществлять с помощью фазового модулятора, который можно сконфигурировать таким образом, чтобы при прохождении через него лазерного импульса с известным направлением вектора поляризации происходило заданное смещение по фазе ортогонально поляризованных компонент; контролируя эту фазовую задержку, можно менять состояния поляризации, выбирая из набора: , Т и У . [0047] To implement polarization coding in the BB84 protocol, it is not necessary to use horizontal-vertical (canonical) and diagonal-antidiagonal bases. From an experimental point of view, it is more convenient to use, for example, diagonal-antidiagonal and circular bases as non-orthogonal bases [15]; in the latter one can use right-circular T and left-circular Y polarizations of light as orthogonal states. When using these two (non-orthogonal) bases, the choice of state can be carry out using a phase modulator, which can be configured in such a way that when a laser pulse with a known direction of the polarization vector passes through it, a given phase shift of the orthogonally polarized components occurs; By controlling this phase delay, one can change the polarization states by choosing from the set: , T and U .
[0048] Вместо поляризационных состояний для кодирования можно также использовать фазу когерентного состояния (фотона). Вообще говоря, с математической точки зрения, фазовое и поляризационное кодирование эквивалентны. Реализации обоих типов кодирования также похожи: в обоих случаях для приготовления состояний используется фазовый модулятор. При фазовом кодировании в качестве X -базиса можно использовать когерентные состояния с фазами 0 и p , и в качестве U -базиса - состояния с фазами я/2 и Зя/2. [0048] Instead of polarization states, the phase of a coherent state (photon) can also be used for encoding. Generally speaking, from a mathematical point of view, phase and polarization coding are equivalent. The implementations of both types of encoding are also similar: in both cases, a phase modulator is used to prepare the states. In phase coding, coherent states with phases 0 and p can be used as the X-basis, and states with phases n/2 and 33/2 as the U-basis.
[0049] Следует отметить, что при фазовом кодировании индивидуальных когерентных состояний оптическая схема может быть собрана таким образом, что она будет нечувствительна к изменениям поляризации излучения в импульсе, обусловленным поляризационно-модовой дисперсией [1]. Однако, при фазовом кодировании необходимо обеспечивать температурную стабилизацию интерферометров на стороне Алисы и Боба, которые обычно используются для декодирования пересылаемых кубит. При поляризационном кодировании необходимость в использовании интерферометров отпадает и, соответственно, не нужно обеспечивать температурную стабилизацию оптической схемы. При поляризационном кодировании, однако, приходится использовать поляризационные контроллеры для компенсации поляризационно-модовой дисперсии в квантовом канале. Таким образом, реализации обоих типов кодирования имеют свои преимущества и недостатки. [0049] It should be noted that when phase-coding individual coherent states, the optical scheme can be assembled in such a way that it will be insensitive to changes in the polarization of the radiation in the pulse, due to polarization-mode dispersion [1]. However, during phase encoding, it is necessary to ensure temperature stabilization of the interferometers on the side of Alice and Bob, which are usually used to decode transmitted qubits. With polarization coding, there is no need to use interferometers and, accordingly, there is no need to provide temperature stabilization of the optical scheme. In polarization encoding, however, one has to use polarization controllers to compensate for the polarization-mode dispersion in the quantum channel. Thus, implementations of both types of encoding have their own advantages and disadvantages.
[0050] Как указывалось в предшествующем уровне техники, использование фазовых модуляторов на основе LiNbCb может рассматриваться (в определенном контексте) как недостаток реализации системы КРК, обойти который можно с использованием (амплитудно-)фазового модулятора на оптической инжекции. Данный способ фазовой модуляции, однако, не подходит для поляризационного кодирования; как будет показано ниже, он наиболее удобен для дифференциального фазового кодирования, при котором информация кодируется не в фазе индивидуального когерентного состояния, а в разности фаз между соседними импульсами, В дальнейшем мы будем рассматривать именно этот способ фазового кодирования для КРК. [0050] As stated in the prior art, the use of LiNbCb based phase modulators can be considered (in a certain context) as a shortcoming in the implementation of the QKD system, which can be circumvented by using an (amplitude-)phase modulator on optical injection. This phase modulation method, however, is not suitable for polarization coding; as will be shown below, it is most convenient for differential phase coding, in which information is encoded not in the phase of an individual coherent state, but in the phase difference between adjacent pulses. In the future, we will consider this particular method of phase coding for QKD.
[0051] Наконец, в дополнение к фазовому и/или поляризационному кодированию применяют также так называемое временное кодирование, при котором информацию кодируют временем прихода лазерного импульса на фотоприемник, точнее временем срабатывания детектора одиночных фотонов. Здесь, как и в случае дифференциального фазового кодирования, для передачи кубита используется не одно когерентное состояние, а пара импульсов. Если первый импульс в паре является «пустым» (вакуумное состояние), то такой паре можно приписать значение 1, если же «пустым» является второй импульс, то ей приписывается значение 0, Обычно базис, используемый для временного кодирования, обозначают буквой Z . В качестве неортогонального базиса можно использовать, например, X -базис дифференциального фазового кодирования. [0051] Finally, in addition to phase and / or polarization coding, so-called temporal coding is also used, in which information encode the time of arrival of the laser pulse at the photodetector, more precisely, the response time of the detector of single photons. Here, as in the case of differential phase coding, not one coherent state, but a pair of pulses is used to transmit a qubit. If the first pulse in a pair is "empty" (vacuum state), then such a pair can be assigned the value 1, if the second pulse is "empty", then the value 0 is assigned to it. Usually, the basis used for time coding is denoted by the letter Z. As a non-orthogonal basis, one can use, for example, the X-basis of differential phase coding.
[0052] Схемы оптической инжекции [0052] Optical injection schemes
[0053] В полупроводниковых лазерах, излучающих с торца (традиционные лазеры Фабри-Перо, а также одночастотные лазеры с распределенной обратной связью или с распределенными брэгговскими отражателями), оптическую инжекцию обычно осуществляют одним из способов, показанных на Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден.. На Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден. (а) показана так называемая схема «на пропускание», когда излучение с управляющего лазера (1) заходит в управляемый лазер (2) с одного торца, а выходное излучение регистрируется с противоположного торца. Чтобы предотвратить нежелательную обратную связь, т.е. попадание излучения из ведомого лазера обратно в мастер, в данной схеме на выходе из управляющего лазера устанавливается оптический изолятор (3). Схема на Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден.(а) оказывается предпочтительной в фотонных интегральных схемах (ФИС), поскольку является наиболее компактной и простой. [0053] In edge-emitting semiconductor lasers (traditional Fabry-Perot lasers, as well as single-frequency distributed feedback or distributed Bragg reflector lasers), optical injection is typically performed by one of the methods shown in FIG. Error! Reference source not found. FIG. Error! Reference source not found. (a) shows the so-called “transmission” scheme, when the radiation from the control laser (1) enters the controlled laser (2) from one end, and the output radiation is recorded from the opposite end. To prevent unwanted feedback, i.e. radiation from the slave laser back to the master, in this scheme, an optical isolator (3) is installed at the output of the control laser. The scheme in Fig. Error! Reference source not found. (a) is preferred in photonic integrated circuits (PICs) because it is the most compact and simple.
[0054] Альтернативной схемой оптической инжекции является так называемая схема «на отражение». Один из вариантов ее реализации показан на Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден.(б), где излучение с мастера заводится в управляемый лазер через один из входных портов светоделителя (4), а выводится с управляемого лазера через второй порт. На Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден.(б) показано, что неиспользуемый выходной порт светоделителя терминирован, т.е. на его конце установлен оптический терминатор (5). Основное назначение терминатора здесь состоит в том, чтобы предотвратить «загрязнение» выходного излучения нежелательными отражениями от торца волновода. Отметим, однако, что использование терминатора в общем случае не является обязательным, и упомянутыми отражениями зачастую просто пренебрегают. [0054] An alternative optical injection scheme is the so-called "reflective" scheme. One of its implementation options is shown in Fig. Error! Reference source not found. (b), where radiation from the master is fed into the controlled laser through one of the input ports of the beam splitter (4), and output from the controlled laser through the second port. On FIG. Error! Reference source not found. (b) shows that the unused output port of the beam splitter is terminated, i. an optical terminator (5) is installed at its end. The main purpose of the terminator here is to prevent "contamination" of the output radiation by unwanted reflections from the end of the waveguide. Note, however, that the use of a terminator is generally not mandatory, and the mentioned reflections are often simply neglected.
[0055] Наконец, на Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден.(в) показана схема оптической инжекции «на отражение» с использованием оптического циркулятора (6). Оптический циркулятор пропускает излучение от мастера к ведомому лазеру, а излучение последнего выводит в отдельный порт, причем мастер автоматически оказывается изолированным от излучения управляемого лазера. Такая схема в большинстве случаев является более предпочтительной, чем схема, показанная на Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден.(б), поскольку циркулятор пропускает почти всю мощность мастера, тогда как в схеме на Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден.(б) часть излучения мастера отсекается светоделителем. Следует отметить, что схемы «на отражение» более удобны в волоконном исполнении, а также позволяют использовать стандартные телекоммуникационные лазерные модули, в которых не предусмотрен второй порт для выхода лазерного излучения. [0055] Finally, in FIG. Error! The reference source was not found. (c) shows the scheme of optical injection "on reflection" using an optical circulator (6). The optical circulator transmits radiation from the master to the slave laser, and outputs the radiation of the latter to a separate port, and the master automatically turns out to be isolated from the radiation of the controlled laser. Such a circuit is in most cases more preferable than the circuit shown in FIG. Error! The reference source was not found. (b) because the circulator passes almost all the power of the master, while in the circuit of FIG. Error! Reference source not found. (b) Part of the master's radiation is cut off by the beam splitter. It should be noted that the "reflective" circuits are more convenient in fiber design, and also allow the use of standard telecommunication laser modules, which do not provide a second port for the output of laser radiation.
[0056] Все три схемы, показанные на Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден., в той или иной мере эквивалентны, поэтому, не умаляя общности изложения, мы будем в дальнейшем на всех чертежах использовать схему с оптическим циркулятором (Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден.(в)), подразумевая, однако, что вместо нее может (а в контексте ФИС - должна) быть использована схема «на пропускание» (Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден.(а)), либо схема со светоделителем (Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден.(б)). [0056] All three circuits shown in FIG. Error! The source of the link was not found., are equivalent to one degree or another, therefore, without detracting from the generality of the presentation, we will continue to use the scheme with an optical circulator in all drawings (Fig. Error! The source of the link was not found. (c)), implying, however, , that instead of it can (and in the context of the FIS - should) be used the “transmission” circuit (Fig. Error! Reference source not found. (a)), or a scheme with a beam splitter (Fig. Error! Reference source not found. ( b)).
[0057] Математическая модель [0057] Mathematical model
[0058] В большинстве случаев для адекватного описания динамики полупроводниковых лазеров при наличии оптической инжекции достаточно использовать приближение скоростных уравнений. Если накачка управляющего и управляемого лазеров является функцией времени (а для амплитудно-фазовой модуляции именно такой случай и следует рассматривать), то динамика лазерной генерации описывается системой из 6 нелинейных дифференциальных уравнений, три из которых описывают зависимость от времени нормированной интенсивности (числа фотонов) QM , числа носителей NM и фазы fM мастера:
Figure imgf000014_0001
а другие три определяют динамику числа фотонов Q, числа носителей N и фазы f ведомого лазера:
Figure imgf000015_0002
[0058] In most cases, to adequately describe the dynamics of semiconductor lasers in the presence of optical injection, it is sufficient to use the approximation of rate equations. If the pumping of the control and controlled lasers is a function of time (and for amplitude-phase modulation, this is the case that should be considered), then the dynamics of laser generation is described by a system of 6 nonlinear differential equations, three of which describe the time dependence of the normalized intensity (number of photons) Q M , number of carriers N M and phase f M of the master:
Figure imgf000014_0001
and the other three determine the dynamics of the number of photons Q, the number of carriers N, and the phase f of the slave laser:
Figure imgf000015_0002
[0059] В уравнениях (1) и (2) верхний индекс М указывает на величины, соответствующие мастеру. Усиление G здесь определено в виде безразмерной нормированной величины следующим образом: G
Figure imgf000015_0001
, где Ntr - число носителей, при котором материал активного слоя прозрачен на длине волны рассматриваемой лазерной моды, a Nth - пороговое число носителей. Далее, те и — времена жизни носителей и фотонов, соответственно; Г - коэффициент удержания моды (фактор конфайнмента); Csp - средняя доля спонтанно излученных фотонов, попадающих в рассматриваемую лазерную моду; а - коэффициент уширения линии (так называемый фактор Генри); I - ток накачки; е - абсолютное значение заряда электрона; kίh] - коэффициент связи между управляющим и ведомым лазерами, определяющий эффективность оптической инжекции; D ooinj - расстройка лазеров по частоте и, наконец,
[0059] In equations (1) and (2), the superscript M indicates the values corresponding to the master. The gain G is here defined as a dimensionless normalized quantity as follows: G
Figure imgf000015_0001
, where N tr is the number of carriers at which the active layer material is transparent at the wavelength of the considered laser mode, and N th is the threshold number of carriers. Further, te and are the lifetimes of carriers and photons, respectively; Г - mode confinement coefficient (confinement factor); C sp is the average fraction of spontaneously emitted photons falling into the considered laser mode; a is the line broadening coefficient (the so-called Henry factor); I - pump current; e is the absolute value of the electron charge; k ίh] is the coupling coefficient between the control and slave lasers, which determines the efficiency of optical injection; D oo inj - detuning of lasers in frequency and, finally,
Fn, FQ И F — случайные ланжевеновские силы, отвечающие за флуктуации числа носителей, числа фотонов и фазы, соответственно. В явном виде ланжевеновские силы записываются следующим образом (в форме дифференциалов):
Figure imgf000015_0003
где WA , WB и Wc - независимые винеровские процессы. Следует отметить, что для мастера в уравнениях (3) каждой величине необходимо приписать индекс М ; кроме того, для него необходимо ввести три других независимых винеровских процесса (таким образом, всего их должно быть 6).
F n , F Q and F are random Langevin forces responsible for fluctuations in the number of carriers, the number of photons, and the phase, respectively. In explicit form, the Langevin forces are written as follows (in the form of differentials):
Figure imgf000015_0003
where W A , W B and W c are independent Wiener processes. It should be noted that for the master in equations (3) each value must be assigned the index M ; in addition, three other independent Wiener processes must be introduced for it (thus, there must be 6 of them in total).
[0060] Реализация амплитудно-фазового модулятора. Схема I [0060] Implementation of an amplitude-phase modulator. Scheme I
[0061] Одна из возможных реализаций передатчика, использующего амплитудно- фазовую модуляцию, и соответствующего ему приемника показаны на Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден.. Под передатчиком или передающим устройством в данном решении мы будем понимать устройство амплитудно-фазовой модуляции для квантового распределения ключей. Чтобы избежать путаницы в дальнейшем, данную реализацию передатчика (устройства амплитудно-фазовой модуляции для квантового распределения ключей) будем условно называть Схема I. Из Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден. видно, что данная схема схожа со схемой, показанной на Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден.(в), однако в ней присутствуют отличия, заключающиеся в добавлении оптического полосового фильтра (7), назначение которого мы обсудим ниже, и перестраиваемого оптического аттенюатора (8), который используется для ослабления лазерных импульсов, т.е. для создания слабых когерентных состояний, пригодных для использования в протоколах квантового распределения ключей (КРК). В данной схеме управляемый лазер (2) выполняет роль генератора информационных оптических импульсов, а управляющий лазер (1) задает фазовую и амплитудную модуляцию получающейся импульсной последовательности. [0061] One possible implementation of an amplitude-phase modulation transmitter and its corresponding receiver is shown in FIG. Error! Reference source not found. Under the transmitter or transmitting device in this solution, we will understand the amplitude-phase modulation device for quantum key distribution. To avoid confusion in the future, this implementation of the transmitter (amplitude-phase modulation device for quantum key distribution) will be conventionally called Scheme I. From FIG. Error! Reference source not found. It can be seen that this circuit is similar to the circuit shown in Fig. Error! The source of the link was not found. (c), however, there are differences in it, consisting in the addition of an optical band-pass filter (7), the purpose of which we will discuss below, and a tunable optical attenuator (8), which is used to attenuate laser pulses, i.e. to create weak coherent states suitable for use in quantum key distribution (QKD) protocols. In this scheme, the controlled laser (2) acts as a generator of information optical pulses, and the control laser (1) sets the phase and amplitude modulation of the resulting pulse sequence.
[0062] Пример последовательности оптических импульсов, выходящих из мастера, и соответствующая последовательность импульсов ведомого лазера (до прохождения ими оптического полосового фильтра) показаны на Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден.(а). Для симуляции оптических сигналов использовались системы уравнений (1) и (2) (ланжевеновские шумы в данном примере не учитывались); в симуляциях частота следования импульсов управляемого лазера равна 1.25 ГГц, причем токи смещения на обоих лазерах устанавливались меньше порогового значения, т.е. предполагалось, что оба лазера работают в режиме переключения усиления. Из Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден.(а) видно, что на мастере создаются лазерные импульсы трех видов: короткие, длительность которых примерно равна периоду Тр следования импульсов ведомого лазера, а также длинные импульсы с длительностью, примерно равной 2Тр . Длинные импульсы используются для кодирования фазы между соседними импульсами управляемого лазера, тогда как короткие применяются для реализации амплитудной манипуляции. [0062] An example of an optical pulse train leaving the master and the corresponding slave laser pulse train (before they pass through the optical band pass filter) are shown in FIG. Error! Reference source not found.(a). To simulate optical signals, systems of equations (1) and (2) were used (Langevin noise was not taken into account in this example); in the simulations, the pulse repetition rate of the controlled laser is 1.25 GHz, and the bias currents on both lasers were set below the threshold value, i.e., both lasers were assumed to operate in the gain switching mode. From FIG. Error! The reference source was not found. (a) it can be seen that the master generates three types of laser pulses: short ones, the duration of which is approximately equal to the period T p of the slave laser pulses, as well as long pulses with a duration approximately equal to 2T p . Long pulses are used to encode the phase between adjacent controlled laser pulses, while short pulses are used to implement amplitude shift keying.
[0063] Рассмотрим сначала фазовое кодирование. Из Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден.(а) видно, что в данной схеме используются два вида длинных импульсов: один из них представляет собой обычный прямоугольный импульс, тогда как у другого имеется в середине небольшое возмущение - «ямка». Прежде всего отметим, что длинный импульс с мастера преднамеренно сдвинут по времени так, чтобы он начинался раньше, чем импульс ведомого лазера, с тем чтобы релаксационные процессы на мастере успевали закончиться до того, как начнется генерация информационного импульса, поэтому можно считать, что в течение времени, когда происходит генерация пары импульсов ведомого лазера, мастер светит в стационарном режиме. При этом небольшое возмущение тока накачки, позволяющее создавать «ямку» в середине длинного лазерного импульса, не приводит к значительным релаксационным колебаниям на мастере, так что можно считать, что на дне[0063] Consider first the phase encoding. From FIG. Error! The source of the link was not found. (a) it can be seen that in this scheme two types of long pulses are used: one of them is a regular rectangular pulse, while the other has a small disturbance in the middle - a “pit”. First of all, we note that the long pulse from the master is deliberately shifted in time so that it starts earlier than the slave laser pulse, so that the relaxation processes on the master have time to end before the generation of the information pulse begins, so we can assume that during the time when a pair of pulses of the slave laser is generated, the master shines in a stationary mode. In this case, a small perturbation of the pump current, which makes it possible to create a "pit" in the middle of a long laser pulse, does not lead to significant relaxation oscillations on the master, so we can assume that at the bottom
«ямки» излучение мастера также стационарно (хотя и отличается выходной мощностью и частотой), поэтому такой режим генерации будем называть квазистационарным. “pits” the radiation of the master is also stationary (although it differs in output power and frequency), so we will call this generation mode quasi-stationary.
[0064] Если бы излучение с мастера отсутствовало, то два соседних импульса ведомого лазера испускались бы с совершенно случайными начальными фазами [16], поскольку, как указывалось выше, мы предполагаем, что лазеры работают в режиме переключения усиления. Если же генерация импульсов ведомого лазера происходит в течение времени, когда мастер излучает длинный импульс, то между соседними импульсами управляемого лазера его резонатор «не опустошается». Действительно, в нем теперь присутствует излучение управляющего лазера, которое будет инициировать лазерную генерацию во время следующего импульса. Таким образом, разность фаз между парой импульсов ведомого лазера, испускаемых в течение времени, когда светит мастер, уже не будет случайной, а будет определяться эволюцией электрического поля в импульсе мастера, т.е. будет зависеть от частоты излучения управляющего лазера. Хорошо известно, что частота лазерной генерации существенно зависит от концентрации носителей в активном слое, что связано с зависимостью показателя преломления полупроводникового материала от числа электронов и дырок. Таким образом, при изменении тока накачки, в лазере будет меняться не только его выходная мощность, но и частота генерации. Следовательно, в полупроводниковом лазере можно управлять частотой электрического поля в импульсе с помощью тока накачки. Разность фаз между импульсами ведомого лазера, испускаемых в течение времени, когда мастер испускает длинный импульс, будет зависеть от того, присутствовала в импульсе «ямка» или нет. Глубину «ямки» можно подобрать такой, чтобы разность фаз между соответствующими импульсами ведомого лазера была, например, кратной p , а разность фаз между импульсами, испускаемыми вместе с длинным импульсом мастера без «ямки», была кратной 2ж. В этом случае можно легко различить сигналы, закодированные импульсами мастера с «ямкой» и без «ямки», сведя соответствующие пары информационных импульсов в интерферометре (например, в интерферометре Маха-[0064] If there were no radiation from the master, then two adjacent slave laser pulses would be emitted with completely random initial phases [16], since, as indicated above, we assume that the lasers operate in a gain switching mode. If the slave laser pulses are generated during the time when the master emits a long pulse, then between adjacent pulses of the controlled laser, its resonator “does not empty”. Indeed, it now contains control laser radiation, which will initiate laser generation during the next pulse. Thus, the phase difference between a pair of slave laser pulses emitted during the time when the master is shining will no longer be random, but will be determined by the evolution of the electric field in the master pulse, i.e. will depend on the frequency of the control laser radiation. It is well known that the lasing frequency strongly depends on the carrier concentration in the active layer, which is associated with the dependence of the refractive index of a semiconductor material on the number of electrons and holes. Thus, when the pump current changes, not only its output power, but also the generation frequency will change in the laser. Therefore, in a semiconductor laser, it is possible to control the frequency of the electric field in a pulse using the pump current. The phase difference between the slave laser pulses emitted during the time that the master emits a long pulse will depend on whether a "pit" was present in the pulse or not. The depth of the "pit" can be chosen such that the phase difference between the corresponding pulses of the slave laser was, for example, a multiple of p, and the phase difference between the pulses emitted together with the long pulse of the master without the "pit" was a multiple of 2g. In this case, one can easily distinguish between the signals encoded by the master's pulses with and without a "pit" by combining the corresponding pairs of information pulses in an interferometer (for example, in a Mach interferometer).
Цендера или Майкельсона), длина линии задержки AL которого подобрана так, чтобы время задержки было в точности равно периоду следования информационных импульсов.Zehnder or Michelson), the length of the delay line AL of which is chosen so that the delay time is exactly equal to the period of the information pulses.
Именно такой способ декодирования предполагается на стороне приемникаIt is this decoding method that is assumed on the receiver side.
(принимающего устройства) (14) на Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден., где показан интерферометр Маха-Цендера, имеющий соответствующую линию задержки AL и снабженный фазовым модулятором (10). Мы детально рассмотрим способ декодирования немного ниже. [0065] Что касается амплитудной модуляции, то в Схеме I она осуществляется с помощью частотной фильтрации. На выходе из ведомого лазера устанавливается оптический полосовой фильтр (7) (например, стандартный пассивный волоконно- оптический DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) фильтр), частота пропускания которого подобрана таким образом, чтобы все излучение ведомого лазера (в отсутствие оптической инжекции) полностью в нем поглощалось. Таким образом, чтобы подавить импульс управляемого лазера, который не должен попасть в квантовый канал, достаточно в соответствующий этому импульсу момент времени выключить управляющий лазер. И наоборот, чтобы полосовой фильтр пропускал нужные информационные импульсы, необходимо для каждого такого импульса (или пары импульсов) включать мастер. Данный эффект возникает благодаря явлению фазовой синхронизации, которая заключается в том, что частота электрического поля в импульсах управляемого лазера, которые появляются в присутствии излучения с мастера генерируются на частоте поля управляющего лазера (при правильно подобранной расстройке Acoinj ). Следовательно, сдвинув частоту мастера в полосу пропускания оптического фильтра (7), мы получим эффективную амплитудную модуляцию: в квантовый канал будут попадать только те импульсы ведомого лазера, генерация которых сопровождается генерацией мастера. (receiving device) (14) in FIG. Error! Reference source not found., which shows a Mach-Zehnder interferometer having an appropriate delay line AL and equipped with a phase modulator (10). We will look at the decoding method in more detail below. [0065] With regard to amplitude modulation, in Scheme I, it is carried out using frequency filtering. At the output of the slave laser, an optical band pass filter (7) is installed (for example, a standard passive fiber optic DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) filter), the transmission frequency of which is chosen so that all radiation from the slave laser (in the absence of optical injection) is completely in it was absorbed. Thus, in order to suppress the pulse of the controlled laser, which should not fall into the quantum channel, it is sufficient to turn off the control laser at the time corresponding to this pulse. And vice versa, in order for the band-pass filter to pass the necessary information pulses, it is necessary to turn on the master for each such pulse (or pair of pulses). This effect occurs due to the phenomenon of phase synchronization, which lies in the fact that the frequency of the electric field in the controlled laser pulses that appear in the presence of radiation from the master is generated at the frequency of the control laser field (with a correctly selected detuning Aco inj ). Therefore, by shifting the master frequency to the optical filter passband (7), we obtain effective amplitude modulation: only those slave laser pulses, the generation of which is accompanied by the generation of the master, will enter the quantum channel.
[0066] Последовательность «отфильтрованных» информационных импульсов, соответствующих сигналу с мастера на Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден.(а), изображена на Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден.(б). Видно, что пары информационных импульсов соответствуют длинным импульсам управляющего лазера, а одиночные импульсы - коротким импульсам мастера. Кроме того, из Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден.(а) видно, что в последовательности импульсов управляемого лазера присутствуют «немые» или разделяющие импульсы, которые, как мы увидим ниже, необходимы для корректного декодирования. Благодаря частотной фильтрации эти импульсы, однако, в квантовый канал не попадают, как это видно из Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден.(б). [0066] The sequence of "filtered" information pulses corresponding to the signal from the master in FIG. Error! Reference source not found. (a), shown in FIG. Error! Reference source not found.(b). It can be seen that pairs of information pulses correspond to long pulses of the control laser, and single pulses correspond to short pulses of the master. In addition, from FIG. Error! The source of the link was not found. (a) it can be seen that in the sequence of pulses of the controlled laser there are "silent" or separating pulses, which, as we will see below, are necessary for correct decoding. Due to frequency filtering, however, these pulses do not enter the quantum channel, as can be seen from FIG. Error! Reference source not found.(b).
[0067] С точки зрения квантового распределения ключей (КРК) выбор длинного или короткого импульсов на мастере соответствует выбору базиса: длинные импульсы соответствуют выбору «фазового базиса» X , а короткие импульсы - выбору «временного базиса» Z . Кодирование бита в X -базисе осуществляется с помощью возмущения тока накачки в середине импульса: отсутствием «ямки» кодируется 1, а ее присутствием - 0. Кодирование бита в Z -базисе осуществляется выбором времени генерации короткого импульса на мастере: если короткий импульс появляется сразу после разделяющего импульса, то кодируется 0, если же за разделяющим импульсом управляемого лазера следует еще один «немой» импульс, то кодируется 1. Для наглядности, на Фиг. Ошибка![0067] From the point of view of quantum key distribution (QKD), the choice of long or short pulses on the master corresponds to the choice of basis: long pulses correspond to the choice of "phase basis" X , and short pulses correspond to the choice of "time basis" Z . Bit encoding in the X-basis is carried out using a pump current perturbation in the middle of the pulse: 1 is encoded by the absence of a “pit”, and 0 is encoded by its presence. Bit encoding in the Z-basis is carried out by choosing the generation time of a short pulse on the master: separating pulse, then 0 is encoded, if after the separating pulse of the controlled laser follows another "silent" pulse, then encoded 1. For clarity, in FIG. Error!
Источник ссылки не найден.(б) прямоугольниками обведены импульсы, кодирующие бит в том или ином базисе. Reference source not found. (b) Rectangles encircle pulses that encode a bit in one or another basis.
[0068] Таким образом, на основе вышеописанного, в одном частном варианте осуществления для квантового распределения ключей передача квантовых состояний фотонов может быть реализована устройством амплитудно-фазовой модуляции, которое раскрыто в данном описании как Схема I. Как упоминалось выше, указанное устройство выполнено с возможностью создания квантовых состояний в фазовом и временном базисах, с помощью по меньшей мере управляемого и управляющего лазеров, и оптического циркулятора. Для специалиста в данной области техники будет очевидно, что дальнейшее раскрытие особенностей настоящего технического решения также может быть реализовано посредством указанного устройства с соответствующими модификациями. [0068] Thus, based on the above, in one particular embodiment for quantum key distribution, the transmission of photon quantum states can be implemented by an amplitude-phase modulation device, which is disclosed in this description as Scheme I. As mentioned above, this device is configured to creation of quantum states in phase and time bases, using at least controllable and controlling lasers, and an optical circulator. For a person skilled in the art, it will be obvious that further disclosure of the features of the present technical solution can also be implemented using the specified device with appropriate modifications.
[0069] Как уже было сказано выше, декодирование полученной импульсной последовательности осуществляется с помощью принимающего устройства. В одном частном варианте осуществления в качестве такого устройства может выступать, например, несбалансированный интерферометр Маха-Цендера или Майкельсона (на Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден, в приемнике Боба (14) показан интерферометр Маха- Цендера), длина линии задержки DZ которого выбрана такой, чтобы получать интерференцию соседних импульсов. Соответствующий результат интерференции изображен на Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден.(в). Видно, что результирующую последовательность импульсов можно разбить на отдельные временные окна (фреймы), разделенные на три временных слота
Figure imgf000019_0001
, t2 и t3. После такого разбиения становится понятно, зачем нужны разделяющие импульсы: они необходимы для того, чтобы информационные импульсы, соответствующие разным базисам, не перекрывались на выходе из интерферометра, а всегда принадлежали отдельным фреймам.
[0069] As mentioned above, the decoding of the received pulse sequence is carried out using the receiving device. In one particular embodiment, such a device can be, for example, an unbalanced Mach-Zehnder or Michelson interferometer (in Fig. Error! Reference source not found, Bob's receiver (14) shows a Mach-Zehnder interferometer), the length of the delay line DZ of which is chosen such as to receive the interference of adjacent pulses. The corresponding interference result is shown in FIG. Error! Reference source not found.(c). It can be seen that the resulting sequence of pulses can be divided into separate time windows (frames), divided into three time slots
Figure imgf000019_0001
, t 2 and t 3 . After such a division, it becomes clear why separating pulses are needed: they are necessary so that the information pulses corresponding to different bases do not overlap at the exit from the interferometer, but always belong to separate frames.
[0070] Выбор базиса на стороне Боба осуществляется выбором временного слота внутри фрейма, что можно осуществить, например, посылая строб-импульс на детекторы одиночных фотонов (11, 12) в моменты времени
Figure imgf000019_0002
, t2 или t3. Из Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден.(в) видно, что если строб-импульс совпадает с временным слотом t2 , то это соответствует выбору Бобом X -базиса. В этом случае, если сработает детектор 11 (деструктивная интерференция), то будет однозначно декодирован бит 0, если же произойдет щелчок на детекторе 12 (конструктивная интерференция), то будет декодирован бит 1. (Здесь предполагается, что фазовый модулятор (10) в приемнике Боба был предварительно настроен так, чтобы разность фаз между информационными импульсами, закодированными Алисой с помощью длинных импульсов без «ямки», соответствовала конструктивной интерференции.) Если же строб-импульс совпадает с временным слотом или t3 , то это соответствует выбору Бобом Z -базиса. Для определенности будем считать, что Z -базис всегда выбирается во временном слоте t3. В этом случае, если щелкнет хотя бы один из детекторов, то Боб однозначно декодирует 1. Важно отметить, что декодирование нуля возможно лишь при выборе слота tx , поскольку отсутствие щелчка в детекторах при выборе слота t3 с гораздо большей вероятностью будет соответствовать потере фотона в канале, чем кодированию нуля в Z -базисе. Следовательно, все события, соответствующие отсутствию щелчка в детекторе, должны отбрасываться. Таким образом, чтобы повысить эффективность (скорость) передачи ключа, можно в Z -базисе всегда кодировать только одно состояние, например, Z, .
[0070] The choice of the basis on the side of Bob is carried out by choosing a time slot within the frame, which can be done, for example, by sending a strobe pulse to the single photon detectors (11, 12) at time points
Figure imgf000019_0002
, t 2 or t 3 . From FIG. Error! Reference source not found. (c) it can be seen that if the strobe coincides with the time slot t 2 , then this corresponds to Bob's choice of the X-basis. In this case, if detector 11 (destructive interference) is triggered, then bit 0 will be unambiguously decoded; if detector 12 (constructive interference) is clicked, then bit 1 will be decoded. (Here it is assumed that the phase modulator (10) in the receiver Boba was pre-configured so that the phase difference between the information pulses, coded by Alice using long pulses without a "pit" corresponded to constructive interference.) If the strobe pulse coincides with the time slot or t 3 , then this corresponds to Bob's choice of the Z-basis. For definiteness, we will assume that the Z -basis is always chosen in the time slot t 3 . In this case, if at least one of the detectors clicks, then Bob uniquely decodes 1. It is important to note that zero decoding is possible only when slot t x is selected, since the absence of a click in the detectors when slot t 3 is selected is much more likely to correspond to the loss of a photon in the channel than encoding zero in the Z-basis. Therefore, all events corresponding to the absence of a click in the detector must be discarded. Thus, in order to increase the efficiency (speed) of key transmission, it is possible to always encode only one state in the Z-basis, for example, Z, .
[0071] Очевидно, что описанная схема КРК, в сущности, реализует протокол ВВ84, следовательно, в ней можно реализовать приманочные состояния, например, установив амплитудный модулятор на выходе из ведомого лазера. Также следует помнить, что интерферометр Боба (особенно если он реализован в волоконном исполнении) требует температурной стабилизации. Важно также отметить, что в данной схеме Бобу не требуется быстрый фазовый модулятор, так как здесь используется только один «фазовый» базис. Таким образом, использование Схемы I с амплитудно-фазовым модулятором, показанным на Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден., позволяет избавиться от дорогостоящих высокоскоростных фазовых модуляторов как в оптической схеме Алисы, так и в оптической схеме Боба, что является очевидным достоинством данной схемы. [0071] Obviously, the described QKD scheme, in essence, implements the BB84 protocol, therefore, it is possible to implement decoy states in it, for example, by installing an amplitude modulator at the output of the slave laser. It should also be remembered that Bob's interferometer (especially if it is implemented in a fiber version) requires temperature stabilization. It is also important to note that in this circuit, Bob does not need a fast phase modulator, since only one "phase" basis is used here. Thus, the use of Scheme I with the amplitude-phase modulator shown in FIG. Error! Reference source not found., allows you to get rid of expensive high-speed phase modulators in both Alice's optical circuit and Bob's optical circuit, which is an obvious advantage of this circuit.
[0072] Описанный процесс реализует возможность декодирования пересылаемых импульсов (квантовых состояний фотона) принимающим устройством. В соответствии с описанием, приведенным выше, в частном варианте осуществления принимающее устройство может содержать фазовый модулятор, позволяющий контролируемым образом менять фазу в одном из плеч интерферометра и осуществлять выбор состояний в фазовом базисе, и по меньшей мере один детектор одиночных фотонов, выполненный с возможностью работать в режиме стробирования, что необходимо для выбора базиса. [0073] Реализация амплитудно-фазового модулятора. Схема II [0072] The described process implements the possibility of decoding the transmitted pulses (photon quantum states) by the receiving device. In accordance with the description above, in a particular embodiment, the receiving device may contain a phase modulator that allows you to change the phase in one of the arms of the interferometer in a controlled way and select states in the phase basis, and at least one single photon detector, configured to operate in the gating mode, which is necessary to select the basis. [0073] Implementation of an amplitude-phase modulator. Scheme II
[0074] Оптическую схему, показанную на Фиг. 2, можно модифицировать, убрав из передатчика Алисы полосовой оптический фильтр 7, как это показано на Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден.. Данную схему будем называть Схема II. Для специалиста в данной области техники должно быть очевидно, что под указанной Схемой II также понимается устройство амплитудно-фазовой модуляции. В отличие от Схемы I, в которой для амплитудной модуляции используется эффект фазовой синхронизации с последующей оптической фильтрацией, в данной оптической схеме амплитудная модуляция реализуется за счет уменьшения порога генерации на ведомом лазере под действием оптической инжекции. Действительно, при наличии в резонаторе ведомого лазера достаточно интенсивного поля, заводимого из мастера, генерация собственного излучения в ведомом лазере начинается при меньшей концентрации носителей, чем в отсутствие внешнего излучения, т.е. мастер как бы «помогает» быстрее набрать нужную интенсивность поля для перехода из режима усиления спонтанного излучения в режим лазерной генерации.[0074] The optical design shown in FIG. 2 can be modified by removing the bandpass optical filter 7 from Alice's transmitter, as shown in FIG. Error! Reference source not found. We will call this scheme Diagram II. For a person skilled in the art it should be obvious that under the specified Scheme II is also understood as an amplitude-phase modulation device. Unlike Scheme I, where for amplitude modulation, the effect of phase locking is used, followed by optical filtering; in this optical scheme, amplitude modulation is realized by lowering the lasing threshold on the slave laser under the action of optical injection. Indeed, in the presence of a sufficiently intense field in the slave laser cavity, which is started from the master, the generation of intrinsic radiation in the slave laser begins at a lower carrier concentration than in the absence of external radiation, i.e. the master, as it were, "helps" to quickly gain the required field intensity for the transition from the spontaneous emission amplification mode to the laser generation mode.
Благодаря этому эффекту, ток смещения и модуляционный ток на ведомом лазере можно подобрать такими, чтобы в отсутствие излучения с мастера он не «разгорался», т.е. генерация импульсов происходила бы только при включении оптической инжекции. Такой режим работы ведомого лазера показан на Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден.(а), где видно, что в отсутствие импульсов с мастера управляемый лазер не генерирует импульсы. Due to this effect, the bias current and modulation current on the slave laser can be chosen such that in the absence of radiation from the master, it does not "flare up", i.e. pulses would be generated only when optical injection was turned on. Such a mode of operation of the slave laser is shown in Fig. Error! Reference source not found. (a), where it can be seen that in the absence of pulses from the master, the controlled laser does not generate pulses.
[0075] На Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден.(а) показаны симуляции импульсных последовательностей на ведомом и на ведущем лазерах. Для симуляции оптических сигналов использовались системы уравнений (1) и (2) (без ланжевеновских шумов); в симуляциях частота следования импульсов управляемого лазера равна 1.25 ГГц, причем токи смещения на обоих лазерах устанавливались меньше порогового значения, т.е. предполагалось, что оба лазера работают в режиме переключения усиления. Из Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден.(а) видно, что режим работы управляющего же лазера не отличается от той, которая используется в Схеме I. Здесь вновь используются импульсы трех типов: короткие, применяемые для временного кодирования, и два типа длинных импульсов (с «ямкой» и без «ямки»), которые используются для фазового кодирования. Фазовое и временное кодирование осуществляются здесь так же, как и в Схеме I, с той лишь разницей, что амплитудная модуляция реализована на другом эффекте. Из Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден.(б) видно, что декодирование также осуществляется аналогично Схеме I: сигнал, соответствующий интерференции соседних импульсов, разбивается на фреймы; выбор базиса осуществляется выбором временного слота внутри фрейма. [0075] In FIG. Error! Reference source not found. (a) Simulations of pulse sequences on the slave and master lasers are shown. To simulate optical signals, systems of equations (1) and (2) were used (without Langevin noise); in the simulations, the pulse repetition rate of the controlled laser is 1.25 GHz, and the bias currents on both lasers were set below the threshold value, i.e., both lasers were assumed to operate in the gain switching mode. From FIG. Error! The reference source was not found. (a) it can be seen that the mode of operation of the control laser does not differ from that used in Scheme I. Three types of pulses are again used here: short pulses used for time coding, and two types of long pulses (with a “pit ” and without a “hole”), which are used for phase coding. Phase and time coding are carried out here in the same way as in Scheme I, with the only difference that the amplitude modulation is implemented on a different effect. From FIG. Error! Reference source not found. (b) it can be seen that decoding is also carried out similarly to Scheme I: the signal corresponding to the interference of adjacent pulses is divided into frames; the choice of the basis is carried out by choosing a time slot inside the frame.
[0076] Схема II имеет одно очень важное отличие, которое не показано на Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден.(а), но становится понятным из Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден.. На Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден.(а) видно, что импульсы ведомого лазера, соответствующие передаче бита в фазовом базисе (например, пара импульсов на Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден.(а) в интервале от 5 до 6 нс), заметно отличаются по интенсивности: второй импульс имеет меньшую интенсивность, чем первый (разница интенсивностей обозначена здесь как[0076] Scheme II has one very important difference that is not shown in FIG. Error! Reference source not found.(a) but becomes clear from FIG. Error! Reference source not found. FIG. Error! Reference source not found. (a) It can be seen that the slave laser pulses corresponding to the bit transmission in the phase basis (for example, a pair of pulses in Fig. Error! Reference source is not found. (a) in the range from 5 to 6 ns), differ noticeably in intensity: the second pulse has a lower intensity than the first (the difference in intensities is denoted here as
SQ ). Такая различимость импульсов, вообще говоря, может быть использована Евой для того чтобы различать базисы или даже закодированные биты, т.е. может быть использована для атаки. Показанная разность интенсивностей SQ связана с тем, что, как указывалось выше, при оптической инжекции происходит уменьшение порога генерации, поэтому, как видно из Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден.(в), в течение времени, когда светит мастер (например, в интервале от 5 до 6 нс на Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден.), импульс тока накачки ведомого лазера приводит к росту числа носителей N не до порогового значения Nth (оно обозначено пунктирной линией на Фиг. Ошибка!SQ). Such distinguishability of impulses, generally speaking, can be used by Eve in order to distinguish between bases or even encoded bits, i.e. can be used to attack. The shown difference in intensities SQ is due to the fact that, as mentioned above, optical injection reduces the generation threshold; therefore, as can be seen from Fig. Error! Reference source not found. (c), during the time when the master is on (for example, in the range from 5 to 6 ns in Fig. Error! Reference source not found.), the pump current pulse of the slave laser leads to an increase in the number of carriers N not up to the threshold value N th (it is indicated by a dotted line in Fig. Error!
Источник ссылки не найден.(в)), а до некоторого, более низкого, значения. Более того, при выключении токового импульса на ведомом лазере (Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден.(г)) число его носителей в активном слое будет уменьшаться быстрее, чем это было в отсутствие оптической инжекции. Обусловлено это тем, что помимо собственной релаксации носителей, характеризующейся временем жизни свободных электронов в активном слое, при оптической инжекции происходит еще и взаимодействие этих носителей с излучением управляющего лазера, т.е. имеет место вынужденная рекомбинация, приводящая к уменьшению эффективного времени жизни носителей. В результате за то же самое время концентрация носителей успевает сократиться на большую величину, чем это было в отсутствие излучения с мастера. Следовательно, при следующем токовом импульсе число носителей N начинает свой рост с боле низкого значения. Разница между соседними минимумами временной зависимости числа носителей в интервале от 5 до 6 нс обозначена на Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден.(в) как SN . Именно разница SN приводит к заметной разнице интенсивностей импульсов SQ . Исходя из этого, вполне очевидно, что эту проблему можно решить слегка увеличив амплитуду токового импульса на ведомом лазере, как это показано на Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден.(г). Изменение тока SI компенсирует разницу SN , благодаря чему второй импульс в паре, соответствующей передаче бита в фазовом базисе, становится практически неотличимым от первого. На Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден.(а) показаны импульсы ведомого лазера именно с такой компенсацией по модуляционному току. Link source not found.(c)), but to some lower value. Moreover, when the current pulse on the slave laser is turned off (Fig. Error! Reference source not found. (d)) the number of its carriers in the active layer will decrease faster than it was in the absence of optical injection. This is due to the fact that, in addition to the intrinsic relaxation of carriers, which is characterized by the lifetime of free electrons in the active layer, during optical injection, these carriers also interact with the radiation of the control laser, i.e. induced recombination takes place, leading to a decrease in the effective carrier lifetime. As a result, during the same time, the carrier concentration has time to decrease by a greater amount than it was in the absence of radiation from the master. Consequently, at the next current pulse, the number of carriers N begins to grow from a lower value. The difference between adjacent minima in the time dependence of the number of carriers in the range from 5 to 6 ns is indicated in Fig. Error! Reference source not found.(in) as SN . It is the difference SN that leads to a noticeable difference in the pulse intensities SQ. Based on this, it is quite obvious that this problem can be solved by slightly increasing the amplitude of the current pulse on the slave laser, as shown in Fig. Error! Reference source not found.(d). The change in current SI compensates for the difference SN, so that the second pulse in the pair corresponding to the bit transmission in the phase basis becomes almost indistinguishable from the first. On FIG. Error! The source of the reference was not found. (a) the slave laser pulses are shown with just such compensation for the modulation current.
[0077] Реализация амплитудно-фазового модулятора. Схема III [0077] Implementation of an amplitude-phase modulator. Scheme III
[0078] В схемах I и II выбор базиса и состояния в базисе на стороне Алисы осуществляется с помощью генератора случайных чисел (ГСЧ). Однако полупроводниковый лазер, работающий в режиме переключения усиления, сам по себе может являться источником квантовой случайности, следовательно, можно сконфигурировать оптическую схему так, чтобы использовать эту случайность для приготовления квантовых состояний, не прибегая к использованию внешнего источника случайности. На Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден, показана оптическая схема, в которой выбор состояния в фазовом базисе (но не во временном) можно осуществлять пассивно, т.е. без использования ГСЧ (будем называть ее Схема III или частный случай реализации устройства амплитудно-фазовой модуляции). В отличие от Схемы I[0078] In schemes I and II, the selection of the basis and the state in the basis on the Alice side is carried out using a random number generator (RNG). However, a semiconductor laser operating in the gain-switching mode by itself can be a source of quantum randomness, therefore, it is possible to configure the optical scheme to use this randomness to prepare quantum states without resorting to the use of an external source of randomness. On FIG. Error! The reference source was not found, an optical scheme is shown in which the choice of the state in the phase basis (but not in the time basis) can be performed passively, i.e. without the use of an RNG (we will call it Scheme III or a special case of the implementation of an amplitude-phase modulation device). Unlike Scheme I
(Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден.), где сигнал после оптического полосового фильтра 7 (и после ослабления на аттенюаторе 8) направляется в квантовый канал, в Схеме(Fig. Error! Reference source not found.), where the signal after the optical band-pass filter 7 (and after attenuation at the attenuator 8) is sent to the quantum channel, in Scheme
III сигнал ведомого лазера после оптического полосового фильтра 7 разветвляется на светоделителе (вообще говоря, с произвольным коэффициентом деления) и часть сигнала заводится в несбалансированный интерферометр, в котором производится предварительное измерение интерференции импульсов с использованием классического (не однофотонного) детектора 15. Отметим, что интерферометр Алисы аналогичен интерферометру Боба, т.е. имеет такую же линию задержки (это также предполагает, что интерферометры Алисы иIII signal of the slave laser after the optical band-pass filter 7 branches on a beam splitter (generally speaking, with an arbitrary division factor) and part of the signal is fed into an unbalanced interferometer, in which a preliminary measurement of the pulse interference is performed using a classical (not single-photon) detector 15. Note that the interferometer Alice is similar to Bob's interferometer, i.e. has the same delay line (this also assumes that Alice's interferometers and
Боба должны быть стабилизированы по температуре). Отметим также, что фазовый модулятор в интерферометре Алисы необязателен, поэтому на Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден, он отсутствует. Boba must be temperature stabilized). Note also that the phase modulator in Alice's interferometer is optional, so in FIG. Error! Reference source not found, missing.
[0079] Режим работы управляющего лазера в Схеме III отличается от предыдущих схем. Пример последовательности оптических импульсов, выходящих из мастера, и соответствующая последовательность импульсов ведомого лазера (до прохождения ими оптического полосового фильтра) показаны на Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден.(а). Для симуляции оптических сигналов использовались системы уравнений (1) и (2), на этот раз с ланжевеновскими шумами. Видно, что на мастере создаются два типа импульсов: короткие, с длительностью примерно равной периоду Тр следования импульсов ведомого лазера, и длинные, с длительностью вдвое большей. Оба типа импульсов теперь используются для амплитудной модуляции. Последняя реализуется, как и в Схеме I, за счет частотной фильтрации, однако теперь полоса пропускания фильтра должна быть выбрана так, чтобы окно пропускания соответствовало собственной частоте генерации ведомого лазера. Несущую частоту импульсов мастера, наоборот, следует установить за пределами окна пропускания. Тогда за счет явления фазовой синхронизации импульсы ведомого лазера, возникающие во время оптической инжекции, будут отфильтрованы и не попадут в квантовый канал. Последовательность импульсов управляемого лазера после полосового фильтра показана на Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден.(б). Видно, что, как и в предыдущих схемах, «отфильтрованная» последовательность сгруппирована парами, между которыми расположены «немые» импульсы. Если один из импульсов в паре пустой, то это соответствует выбору Z -базиса, если же в паре присутствуют оба импульса, то это соответствует выбору X -базиса. (Чтобы явно показать, что состояние в X -базисе до измерения не известно, мы используем на Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден.(б) для этих состояний обозначение Хг , где индекс г с некоторой вероятностью может принимать значения 0 или 1.) Переключение между базисами, а также выбор состояния в[0079] The mode of operation of the control laser in Scheme III differs from the previous schemes. An example of an optical pulse train leaving the master and the corresponding slave laser pulse train (before they pass through the optical band pass filter) are shown in FIG. Error! Reference source not found.(a). The systems of equations (1) and (2) were used to simulate optical signals, this time with Langevin noise. It can be seen that two types of pulses are created on the master: short, with a duration approximately equal to the period Tp of the slave laser pulses, and long, with a duration twice as long. Both types of pulses are now used for amplitude modulation. The latter is implemented, as in Scheme I, due to frequency filtering, but now the filter bandwidth must be chosen so that the transmission window corresponds to the eigenfrequency of the slave laser. The carrier frequency of the master pulses, on the other hand, should be set outside the bandwidth window. Then, due to the phenomenon of phase locking, the driven laser pulses that occur during optical injection will be filtered and will not fall into the quantum channel. The pulse train of the controlled laser after the bandpass filter is shown in Fig. Error! Reference source not found.(b). It can be seen that, as in the previous diagrams, the "filtered" sequence is grouped in pairs, between which there are "silent" impulses. If one of the pulses in the pair is empty, then this corresponds to the choice of the Z-basis, but if both pulses are present in the pair, then this corresponds to the choice of the X-basis. (To explicitly show that the state in the X-basis is not known before the measurement, we use in Fig. Error! Reference source not found. (b) for these states, the notation X r , where the index r with some probability can take on the values 0 or 1 .) Switching between bases, as well as choosing a state in
Z -базисе в данной схеме осуществляется на основании случайной последовательности, создаваемой ГСЧ, входящим в состав устройства, однако для выбора состояния в X -базисе используется внутренняя случайность фазы между импульсами, связанная со спонтанным излучением. Таким образом, приготовление фазовых состояний осуществляется пассивно. The Z-basis in this scheme is carried out on the basis of a random sequence created by the RNG, which is part of the device, however, to select the state in the X-basis, the internal randomness of the phase between pulses associated with spontaneous emission is used. Thus, the preparation of phase states is carried out passively.
[0080] Поскольку разность фаз между импульсами в «фазовом» базисе оказывается случайной, Алисе необходимо предварительно измерить эту разность фаз, чтобы знать, какое состояние посылается Бобу. Для этих целей используется интерферометр с фотоприемником 15. Результат интерференции импульсов, показанных на Фиг. Ошибка![0080] Since the phase difference between pulses in the "phase" basis is random, Alice must first measure this phase difference in order to know what state is sent to Bob. For these purposes, an interferometer with a photodetector 15 is used. The result of the interference of the pulses shown in FIG. Error!
Источник ссылки не найден.(б), продемонстрирован на Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден.(в), где, как и в предыдущих схемах, результирующая последовательность разбита на фреймы, состоящие из трех временных слотов. С экспериментальной точки зрения, измерение результата интерференции на стороне Алисы соответствует измерению интенсивности импульса во временном слоте t2 с последующей его нормировкой на интенсивность импульса во временном слоте t3 (или /,). Если нормированное значение S сигнала интерференции равно 4 (естественно, с некоторой погрешностью, обусловленной несовершенством измерительного оборудования), то интерференция является конструктивной, если это значение равно 0 - деструктивной. Здесь следует отметить, что для более точного измерения результата интерференции желательно проводить оцифровку сигнала фотоприемника с помощью АЦП, имеющего как можно большую полосу пропускания; узкополосные АЦП будут существенно искажать форму импульса и не позволят достаточно точно измерить значение нормированного сигнала S . Важно также иметь в виду, что поскольку для измерения фазы Алиса использует только один интерферометр, то разность фаз между импульсами можно определить только с точностью до знака, следовательно, состояния с разностями фаз, равными p/2 и 3p/2, с помощью одного интерферометра различить нельзя. Действительно, обоим этим состояниям соответствует значение S = 2. Тем не менее, для идеальной деструктивной интерференции (разность фаз в окрестности p) и для идеальной конструктивной интерференции (разность фаз в окрестности 0) можно считать, что разность фаз определяется вполне однозначно. Reference source not found. (b), shown in FIG. Error! Reference source not found. (c), where, as in the previous diagrams, the resulting sequence is divided into frames consisting of three time slots. From an experimental point of view, the measurement of the interference result on the Alice side corresponds to the measurement of the pulse intensity in the time slot t 2 with its subsequent normalization to the intensity of the pulse in the time slot t 3 (or /,). If the normalized value S of the interference signal is equal to 4 (naturally, with some error due to the imperfection of the measuring equipment), then the interference is constructive, if this value is equal to 0 - destructive. It should be noted here that for a more accurate measurement of the interference result, it is desirable to digitize the photodetector signal using an ADC with the largest possible bandwidth; narrow-band ADCs will significantly distort the shape of the pulse and will not allow you to accurately measure the value of the normalized signal S. It is also important to keep in mind that since Alice uses only one interferometer to measure the phase, the phase difference between the pulses can only be determined up to a sign, therefore, states with phase differences equal to p/2 and 3p/2 using one interferometer cannot be distinguished. Indeed, the value S = 2 corresponds to both of these states. Nevertheless, for ideal destructive interference (phase difference in the vicinity of p) and for ideal constructive interference (phase difference in the vicinity of 0), we can assume that the phase difference is determined quite uniquely.
[0081] Итак, если Алиса измерит на своем интерферометре деструктивную интерференцию, то соответствующей паре импульсов можно приписать состояние Х0 , если же интерференция окажется конструктивной, то этому состоянию тогда следует приписать состояние Хх . Очевидно, при таком подходе большинство состояний в фазовом базисе будет отброшено, поэтому имеет смысл состояниям Х0 и Хх приписывать не только результаты идеальной деструктивной ( S = 0 ) и конструктивной (S = 4 ) интерференции, но использовать также и близкие к ним значение величины S . На комплексной плоскости это можно изобразить сигнальным созвездием в виде двух дуг, центрированных около 0 и ж , как это показано на Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден.(г) справа. Выбор диапазона углов в данном случае должен определяться выбором протокола КРК. В частности, при использовании протокола ВВ84 этот диапазон должен быть ограничен величиной максимально допустимого уровня квантовых ошибок (QBER) и, вообще говоря, должен определяться экспериментально. Так, на Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден.(г) показано сигнальное созвездие для случая, когда состоянию Х0 Алиса приписывает набор состояний с разностью фаз между импульсами 180° ±20°, что соответствует уровню нормированного сигнала S от 0 до 0.12, а состоянию Хх - набор состояний с разностью фаз 0° ± 20° , что соответствует уровню нормированного сигнала S от 3.88 до 4. [0081] So, if Alice measures destructive interference on her interferometer, then the state X 0 can be assigned to the corresponding pair of pulses, if the interference turns out to be constructive, then the state X x should be attributed to this state. Obviously, with this approach, most of the states in the phase basis will be discarded, so it makes sense to assign to the states X 0 and X x not only the results of ideal destructive ( S = 0 ) and constructive ( S = 4 ) interference, but also use values close to them S values. On the complex plane, this can be represented by a signal constellation in the form of two arcs centered around 0 and x, as shown in Fig. Error! Reference source not found. (d) on the right. The choice of the range of angles in this case should be determined by the choice of the QKD protocol. In particular, when using the BB84 protocol, this range should be limited by the value of the maximum allowable quantum error level (QBER) and, generally speaking, should be determined experimentally. So, in Fig. Error! Reference source not found. (d) The signal constellation is shown for the case when Alice assigns a set of states with a phase difference between pulses of 180° ±20° to the X 0 state, which corresponds to the level of the normalized signal S from 0 to 0.12, and the state X x - a set states with a phase difference of 0° ± 20°, which corresponds to the level of the normalized signal S from 3.88 to 4.
[0082] На Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден.(г) слева показана симуляция результатов «измерения» интерференционного сигнала для 8-ми фреймов, показанных на Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден.(в) (номер фрейма написан в его верхнем левом углу на Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден.(в)). Очевидно, для фреймов, соответствующих состояниям в Z -базисе, нормированный сигнал имеет значение S = 1 (соответствующие значения обозначены шестиугольниками). Остальные значения нормированного интерференционного сигнала на Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден.(г) показаны пустыми кружками. Значения углов, написанные рядом с соответствующими точками, были получены по формуле:
Figure imgf000025_0001
[0082] In FIG. Error! Reference source not found. (d) The left shows a simulation of the interference signal "measurement" results for the 8 frames shown in FIG. Error! Link source not found. (c) (frame number is written in its upper left corner in Fig. Error! Link source not found. (c)). Obviously, for frames corresponding to states in the Z-basis, the normalized signal has the value S = 1 (the corresponding values are indicated by hexagons). The remaining values of the normalized interference signal in FIG. Error! Reference source not found. (d) shown as empty circles. The angle values written next to the corresponding points were obtained using the formula:
Figure imgf000025_0001
На Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден.(г) видно, что состояние, полученное в 3- м фрейме, попадает в выбранный нами диапазон углов, так что соответствующей паре импульсов можно приписать состояние Хх . Состояния же, измеренные в остальных фреймах (## 4,7,8), Алисе придется отбросить. On FIG. Error! Reference source not found. (d) it is clear that the state obtained in the 3rd frame falls within the range of angles we have chosen, so that the corresponding pair pulses can be attributed to the state X x . The states measured in the remaining frames (## 4,7,8) will have to be discarded by Alice.
[0083] Реализация амплитудно-фазового модулятора. Схема IV [0083] Implementation of an amplitude-phase modulator. Scheme IV
[0084] В предыдущей схеме пассивное приготовление состояний осуществлялось только для фазового базиса, тогда как для выбора состояния во временном базисе предполагалось использовать ГСЧ. Схема IV, показанная на Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден., позволяет Алисе приготавливать пассивно любое фазовое состояние, и полностью избавиться, таким образом, от внешнего источника случайности. Основным отличием от Схемы III, показанной на Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден., здесь является наличие двух несбалансированных интерферометров, с помощью которых уже можно однозначно охарактеризовать разность фаз между интерферирующими импульсами. Отметим также, что в Схеме IV в обоих интерферометрах установлен фазовый модулятор, однако, в отличие от фазового модулятора Боба, эти модуляторы могут быть достаточно «медленными» (и, следовательно, сравнительно дешевыми), поэтому их использование не противоречит основной идее описываемых оптических схем. [0084] In the previous scheme, passive preparation of states was carried out only for the phase basis, while RNG was supposed to be used to select the state in the time basis. Scheme IV shown in FIG. Error! Link source not found., allows Alice to passively prepare any phase state, and thus completely get rid of the external source of randomness. The main difference from Scheme III shown in FIG. Error! The source of the reference was not found., here is the presence of two unbalanced interferometers, with the help of which it is already possible to unambiguously characterize the phase difference between the interfering pulses. We also note that in Scheme IV both interferometers have a phase modulator, however, unlike Bob's phase modulator, these modulators can be quite "slow" (and, therefore, relatively cheap), so their use does not contradict the main idea of the described optical schemes. .
[0085] Последовательности оптических импульсов, выходящие из мастера и ведомого лазеров в Схеме IV (до прохождения ими оптического полосового фильтра) показаны на Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден.(а). Здесь для симуляции оптических сигналов вновь использовались системы уравнений (1) и (2) с ланжевеновскими шумами. Предполагается, что оба лазера работают в режиме переключения усиления и генерируют последовательности импульсов с разными периодами следования: период следования импульсов мастера в три раза превышает период следования импульсов ведомого лазера. Как и в Схеме III, импульсы управляющего лазера используются для амплитудной модуляции. Последовательность импульсов после оптического полосового фильтра показана на Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден.(б). Как уже должно быть понятно из вышесказанного, в отличие от Схемы III, оба базиса в Схеме IV являются фазовыми. Действительно, на Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден.(б) импульсная последовательность разбита на пары импульсов со случайной разностью фаз между ними. Чтобы явно показать, что генерируемые состояния до измерения не известны, мы используем на Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден.(б) для этих состояний обозначение Вг , где В может принимать значения X , Y , а индекс г может принимать значения 0 или 1. [0085] The sequences of optical pulses exiting the master and slave lasers in Scheme IV (before they pass through the optical band pass filter) are shown in FIG. Error! Reference source not found.(a). Here, systems of equations (1) and (2) with Langevin noises were again used to simulate optical signals. It is assumed that both lasers operate in the gain switching mode and generate pulse sequences with different repetition periods: the repetition period of the master pulses is three times the repetition period of the slave laser pulses. As in Scheme III, the control laser pulses are used for amplitude modulation. The pulse train after the optical band pass filter is shown in Fig. Error! Reference source not found.(b). As should be clear from the above, in contrast to Scheme III, both bases in Scheme IV are phase. Indeed, in Fig. Error! Reference source not found. (b) The pulse sequence is divided into pairs of pulses with a random phase difference between them. To explicitly show that the generated states prior to measurement are not known, we use in FIG. Error! The reference source was not found. (b) for these states, the designation B r , where B can take the values X , Y , and the index r can take the values 0 or 1.
[0086] Чтобы определить, какое состояние посылается Бобу, Алисе необходимо измерить разность фаз для каждой пары импульсов. Для этого она использует систему из двух интерферометров, показанных на Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден., которые, по сути, выполняют роль гомодинного детектора. Измерение интерференции импульсов в данной схеме осуществляется следующим образом. Вначале необходимо провести настройку фазовых модуляторов 16, установив на них такие напряжения, чтобы разности фаз между интерферирующими импульсами в двух интерферометрах отличались на 7Г/2. При условии идентичности интерферометров Алисы можно считать, что один из модуляторов 16 вносит фазовую задержку, кратную 2p (т.е. 0), а второй модулятор добавляет набег фазы p/2. Результаты интерференции в двух интерферометрах, настроенных таким способом, показаны на Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден.(в). Здесь, как и во всех предыдущих схемах, последовательность импульсов разбита на фреймы по три временных слота. Благодаря наличию «немых» импульсов, результат интерференции соответствует слоту t2 внутри фрейма. «Измеренные» значения интенсивности результирующих импульсов показаны пустыми кружками для интерферометра с фазовым модулятором, вносящим фазу 0, и пустыми треугольниками для интерферометра с фазовым модулятором, вносящим фазу p/2. На Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден.(г) слева такие же обозначения используются для нормированных значений результатов интерференции, полученных в разных фреймах. Для определенности будем использовать обозначение Sl для нормированного интерференционного сигнала, соответствующего дополнительному набегу фазы 0, и S2 - для нормированного интерференционного сигнала с набегом фазы p/2. Как и в Схеме III, нормировка производится по отношению к интенсивности импульсов во временном слоте t3 (или ί, ). (Чтобы не загромождать рисунок, временные слоты на Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден.(в) не подписаны, поскольку они имеют те же обозначения, что и на предыдущих схемах.) Имея значения нормированных интерференционных сигналов Sx и[0086] To determine which state is being sent to Bob, Alice needs to measure the phase difference for each pair of pulses. To do this, she uses a system of two interferometers shown in Fig. Error! Reference source not found., which, in fact, play the role of a homodyne detector. Measurement of pulse interference in this scheme is carried out as follows. First, it is necessary to adjust the phase modulators 16 by setting such voltages on them that the phase differences between the interfering pulses in the two interferometers differ by 7r/2. If the Alice interferometers are identical, we can assume that one of the modulators 16 introduces a phase delay that is a multiple of 2p (i.e., 0), and the second modulator adds a phase shift p/2. The results of interference in two interferometers tuned in this way are shown in FIG. Error! Reference source not found.(c). Here, as in all previous schemes, the pulse sequence is divided into frames of three time slots. Due to the presence of "silent" pulses, the result of the interference corresponds to the slot t 2 within the frame. The "measured" values of the intensity of the resulting pulses are shown by empty circles for an interferometer with a phase modulator introducing phase 0, and empty triangles for an interferometer with a phase modulator introducing a p/2 phase. On FIG. Error! Reference source not found. (d) on the left, the same designations are used for normalized values of interference results obtained in different frames. For definiteness, we will use the notation S l for a normalized interference signal corresponding to an additional phase incursion of 0, and S 2 for a normalized interference signal with a phase incursion p/2. As in Scheme III, the normalization is performed with respect to the intensity of the pulses in the time slot t 3 (or t). (In order not to clutter up the figure, the time slots in Fig. Error! The reference source was not found. (c) are not signed, since they have the same designations as in the previous diagrams.) Having the values of the normalized interference signals S x and
S2 для данной пары импульсов, разность фаз между ними можно определить, используя следующие формулы:
Figure imgf000027_0001
где 0t и f: соответствуют возможным значениям искомой разности фаз. Истинная величина разности фаз соответствует тому значению q: , которое совпадает с одним из значений f . WO 2023/282782 Например, если q fc или qc = f2 (при этом должны выполняться неравенства q2 f и
S 2 for a given pair of pulses, the phase difference between them can be determined using the following formulas:
Figure imgf000027_0001
where 0 t and f : correspond to the possible values of the desired phase difference. The true value of the phase difference corresponds to the value q : which coincides with one of the values f . WO 2023/282782 For example, if qf c or q c = f 2 (in this case, the inequalities q 2 f and
Q 2 F f2 ), то истинное значение разности фаз равно qc . (Значения
Figure imgf000028_0001
и fc необходимо ограничивать интервалом от 0 до 2л .) Важно иметь в виду, однако, что в реальном эксперименте все четыре значения углов, рассчитанные с помощью формул (5), могут оказаться разными из-за шумов в измерительных приборах и в самом лазере. Поэтому с практической точки зрения «правильное» значение qc соответствует поиску минимального элемента последовательности {qc -fc, qc -f2 , q2 -fc , q2 —f2 }. Так, если минимальное значение принимает элемент q2 —fc , то разность фаз между импульсами следует положить равной в2.
Q 2 F f 2 ), then the true value of the phase difference is equal to q c . (Values
Figure imgf000028_0001
and f c must be limited to the interval from 0 to 2n .) It is important to keep in mind, however, that in a real experiment all four values of the angles calculated using formulas (5) may turn out to be different due to noise in the measuring instruments and in the laser itself . Therefore, from a practical point of view, the “correct” value of q c corresponds to the search for the minimum element of the sequence {q c -f c , q c -f 2 , q 2 -f c , q 2 -f 2 }. So, if the element q 2 -f c takes the minimum value, then the phase difference between the pulses should be set equal to 2 .
[0087] Значения разности фаз между соответствующими парами импульсов, определенные описанным только что способом, указаны рядом с соответствующими значениями нормированных сигналов на Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден.(г). Поскольку теперь Алиса может определить разность фаз между импульсами точно (т.е. умеет различать состояния л/2 и Зл/2), то она может использовать два неортогональных «фазовых» базиса: X -базис, использующий разности фаз 0 и л для состояний Хх и Х0 , и U -базис, использующий разность фаз л/2 и Зл/2 для состояний U и U0. Однако, как и в[0087] The values of the phase difference between the respective pairs of pulses, determined by the method just described, are indicated next to the corresponding values of the normalized signals in FIG. Error! Reference source not found.(d). Since now Alice can determine the phase difference between the pulses exactly (i.e., she can distinguish between the states n/2 and Zl/2), she can use two non-orthogonal "phase" bases: X-basis, using the phase differences 0 and n for the states X x and X 0 , and U-basis using the phase difference l/2 and Zl/2 for the states U and U 0 . However, as in
Схеме III, при таком выборе углов большинство состояний Алисе придется отбросить, поэтому целесообразно использовать в качестве сигнального созвездия не точки на комплексной плоскости, а дуги, как это показано на Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден.(г) справа. Здесь для определенности мы выбрали центральные углы всех дуг равными 40° . На Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден.(г) слева показано, что при таком выборе диапазона углов трем из восьми фреймов можно приписать определенные состояния: YQ для фреймов ##2,6 и Х0 для фрейма #1. Scheme III, with such a choice of angles, Alice will have to discard most of the states, therefore it is advisable to use arcs rather than points on the complex plane as a signal constellation, as shown in Fig. Error! Reference source not found. (d) on the right. Here, for definiteness, we have chosen the central angles of all arcs to be 40°. On FIG. Error! Reference source not found. (d) on the left, it is shown that with this choice of angle range, three of the eight frames can be assigned certain states: Y Q for frames ##2,6 and X 0 for frame #1.
[0088] Некоторые замечания и возможные модификации схем I — III [0089] Стоит иметь в виду, что в схемах I— III состояния в X - и Z -базисах имеют разные амплитуды, т.е. не являются ортонормированными (хотя и являются ортогональными в каждом из базисов). Действительно, из Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден., Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден, и Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден, видно, что интенсивность импульсов в X - и Z -базисах одинаковая, а значит, состояния в X -базисе будут в среднем иметь вдвое больше фотонов, чем состояния в Z -базисе. Графически это можно представить двумя сферами Блоха разных радиусов, как это показано на Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден., где полюса сферы меньшего радиуса соответствуют состояниям |Z0 и | Z, (в обозначениях кет-бра), а точки на экваторе сферы большего радиуса соответствуют состояниям
Figure imgf000029_0001
и . Если считать, что сфера, на которой расположены состояния из Z -базиса, имеет единичный радиус, т.е. Z0 |Z0) = (Z, |Z,) = 1 , то состояния | 0 и |jf,} , определяемые как
Figure imgf000029_0002
, соответственно, имеют норму равную 2, (Х01 0) = ( , | ,) = 2 , хотя по-прежнему (Х0 |2Г,) = 0. Вообще говоря, использование для распределения ключей квантовых состояний, лежащих на разных сферах Блоха, не соответствует ситуации, обычно рассматриваемой в протоколе ВВ84, поэтому для расчёта скорости генерации ключа необходимо на стороне получателя независимо собирать статистику по полученным импульсам в разных базисах аналогично так называемому эффективному ВВ84, в котором базисы выбираются с различной вероятностью.
[0088] Some remarks and possible modifications of circuits I-III are not orthonormal (although they are orthogonal in each of the bases). Indeed, from Fig. Error! Reference source not found., Fig. Error! Reference source not found, and FIG. Error! The reference source has not been found, it can be seen that the pulse intensity in the X- and Z-basis is the same, which means that the states in the X-basis will, on average, have twice as many photons as the states in the Z-basis. Graphically, this can be represented by two Bloch spheres of different radii, as shown in Fig. Error! Reference source not found., where the poles of a sphere of smaller radius correspond to the states |Z 0 and | Z, (in ket-bra notation), and points on the equator of a sphere of larger radius correspond to the states
Figure imgf000029_0001
and . If we assume that the sphere on which the states from the Z-basis are located has a unit radius, i.e. Z 0 |Z 0 ) = (Z, |Z,) = 1 , then the states | 0 and |jf,} defined as
Figure imgf000029_0002
, respectively, have a norm equal to 2, (Х 0 1 0 ) = ( , | ,) = 2 , although still (Х 0 |2Г) = 0. Generally speaking, the use of quantum states lying on different Bloch spheres does not correspond to the situation usually considered in the BB84 protocol, therefore, to calculate the key generation rate, it is necessary on the recipient side to independently collect statistics on the received pulses in different bases, similar to the so-called effective BB84, in which the bases are chosen with different probabilities.
[0090] Обозначим за Pi вероятность срабатывания детектора на стороне Боба при условии того, что импульс Алисы содержит / фотонов, тогда для пуассоновского источника с интенсивностью n абсолютная вероятность будет выражать как [0090] Denote by P i the probability of triggering the detector on Bob's side, provided that Alice's pulse contains / photons, then for a Poisson source with intensity n, the absolute probability will be expressed as
V i а е V i a e
Р. R.
/! ' /! '
Таким образом для сигнала интенсивности n средняя вероятность детектирования равна
Figure imgf000029_0003
Thus, for an intensity signal n, the average detection probability is equal to
Figure imgf000029_0003
Аналогично обозначим за е. условную вероятность ошибки при детектировании г -то фотонного импульса, тогда абсолютная вероятность ошибки выражается следующий образом:
Figure imgf000029_0004
где Ev - это частота появления квантовых битовых ошибок (QBER) на интенсивности n .
Similarly, we denote by e the conditional error probability in detecting the i-th photon pulse, then the absolute error probability is expressed as follows:
Figure imgf000029_0004
where E v is the quantum bit error rate (QBER) at intensity n .
Пусть для генерации ключа используется базис X, тогда скорость генерации ключа выражается следующей формулой:
Figure imgf000029_0005
где - функция эффективности коррекции, обычно принимаемая константой,
Let the basis X be used to generate the key, then the key generation rate is expressed by the following formula:
Figure imgf000029_0005
where is the correction efficiency function, usually taken as a constant,
//2(х)
Figure imgf000029_0006
- бинарная энтропия Шеннона. Обозначая за V интенсивность в базисе Z , получим 2v для интенсивности в базисе X , тогда экспериментальные данные Qy и Ех соответствуют значениям Qiv и 2v соответственно. Q
Figure imgf000030_0001
(фазовая ошибка однофотонных импульсов в базисе X ) необходимо оценить, что можно сделать следующим образом:
Figure imgf000030_0002
// 2 (x)
Figure imgf000029_0006
is the binary Shannon entropy. Denoting for V the intensity in the Z basis, we get 2v for the intensity in the X basis, then the experimental data Q y and E x correspond to the values of Qi v and 2v, respectively. Q
Figure imgf000030_0001
(phase error of single-photon pulses in the X basis) needs to be evaluated, which can be done as follows:
Figure imgf000030_0002
В соответствии с полученным значением скорости генерации ключа проводится процедура усиления секретности и проверка аутентификации, что завершает постобработку ключа. [0091] Отметим, что рассматриваемый случай можно легко свести к стандартному ВВ84 путем добавления в оптическую схему модулятора интенсивности. Для случая Схемы I это показано на Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден., где модулятор интенсивности 17 установлен после полосового фильтра. Функционирование модулятора интенсивности 17 становится понятным из Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден.(б), где видно, что импульсы, выходящие из управляемого лазера, модулируются по интенсивности так, чтобы интенсивность пары импульсов, соответствующей X -базису, была уменьшена в два раза. В этом случае состояния из X - и Z -базисов будут связаны следующим образом:
Figure imgf000030_0003
In accordance with the obtained value of the key generation rate, the secrecy strengthening procedure and authentication verification are carried out, which completes the post-processing of the key. [0091] Note that the case under consideration can be easily reduced to a standard BB84 by adding an intensity modulator to the optical circuit. For the case of Scheme I, this is shown in FIG. Error! Reference source not found., where intensity modulator 17 is installed after the bandpass filter. The operation of the intensity modulator 17 becomes clear from FIG. Error! Reference source not found. (b), where it is seen that the pulses coming from the controlled laser are modulated in intensity so that the intensity of the pulse pair corresponding to the X-basis is halved. In this case, the states from the X- and Z-bases will be related as follows:
Figure imgf000030_0003
Результат сведения таких импульсов в интерферометре с линией задержки, равной периоду следования импульсов показан на Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден.(в). The result of combining such pulses in an interferometer with a delay line equal to the pulse repetition period is shown in Fig. Error! Reference source not found.(c).
[0092] Модификация Схем II и III для выравнивания амплитуд состояний в разных базисах осуществляется аналогичным образом: в соответствующую оптическую схему необходимо установить модулятор интенсивности, например, так, как это показано на Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден, (для Схемы II) и Фиг. Ошибка! Источник ссылки не найден, (для Схемы III). Отметим также, что такая модификация оптических схем позволяет также реализовать метод обманных состояний. [0092] Modification of Schemes II and III to equalize the amplitudes of states in different bases is carried out in a similar way: it is necessary to install an intensity modulator in the corresponding optical scheme, for example, as shown in Fig. Error! Reference source not found, (for Scheme II) and FIG. Error! Reference source not found, (for Scheme III). We also note that such a modification of optical schemes also makes it possible to implement the method of deceptive states.
[0093] Наконец, отметим, что как передающая, так и принимающая стороны, очевидно, должны быть оснащены развитой системой электронных компонентов, осуществляющих управление устройством квантового распределения ключей. Данные контроллеры не показаны на чертежах, поскольку они не являются непосредственно частью оптической схемы, а их конкретная реализация выходит за рамки данного описания. Отметим только, что контроллер передающего устройства должен быть выполнен с возможностью управления лазерными драйверами, задающими электрические импульсные wo 2023/282782 последовательности на управляющий и ведомый лазеры, а контроллер принимающего устройства должен быть выполнен с возможностью управления широкополосным фазовым модулятором в плече интерферометра и детекторами одиночных фотонов. [0093] Finally, we note that both the transmitting and receiving parties, obviously, must be equipped with an advanced system of electronic components that control the quantum key distribution device. These controllers are not shown in the drawings because they are not directly part of the optical circuit, and their specific implementation is beyond the scope of this description. We only note that the controller of the transmitting device must be configured to control laser drivers that set electrical pulses. wo 2023/282782 sequences to the control and slave lasers, and the controller of the receiving device must be configured to control the broadband phase modulator in the interferometer arm and single photon detectors.
[0094] Так, например, на Фиг. 16 приведен общий вид вычислительного устройства (100), которое может представлять, например, указанные контроллеры. [0094] For example, in FIG. 16 shows a general view of the computing device (100), which may represent, for example, these controllers.
[0095] В общем случае, вычислительное устройство (100) содержит объединенные общей шиной информационного обмена один или несколько процессоров (101), средства памяти, такие как ОЗУ (102) и ПЗУ (103), интерфейсы ввода/вывода (104), устройства ввода/вывода (105), и устройство для сетевого взаимодействия (106). [0095] In general, the computing device (100) comprises one or more processors (101), memory devices such as RAM (102) and ROM (103), input/output interfaces (104), devices input/output (105), and a device for networking (106).
[0096] Процессор (101) (или несколько процессоров, многоядерный процессор и т.п.) может выбираться из ассортимента устройств, широко применяемых в настоящее время, например, таких производителей, как: Intel™, AMD™, Apple™, Samsung Exynos™, MediaTEK™, Qualcomm Snapdragon™ и т.п. Под процессором или одним из используемых процессоров в устройстве (100) также необходимо учитывать графический процессор, например, GPU NVIDIA или Graphcore, тип которых также является пригодным для полного или частичного выполнения исполнения модуля управления, а также может применяться для обучения и применения моделей машинного обучения в различных информационных системах. [0096] The processor (101) (or multiple processors, multi-core processor, etc.) can be selected from a range of devices currently widely used, for example, manufacturers such as: Intel ™, AMD ™, Apple ™, Samsung Exynos ™, MediaTEK™, Qualcomm Snapdragon™, etc. Under the processor or one of the processors used in the device (100), it is also necessary to take into account the graphics processor, for example, NVIDIA GPU or Graphcore, the type of which is also suitable for full or partial execution of the execution of the control module, and can also be used for training and applying machine learning models in various information systems.
[0097] ОЗУ (102) представляет собой оперативную память и предназначено для хранения исполняемых процессором (101) машиночитаемых инструкций для выполнения необходимых операций по логической обработке данных. ОЗУ ( 102), как правило, содержит исполняемые инструкции операционной системы и соответствующих программных компонент (приложения, программные модули и т.п.). При этом, в качестве ОЗУ (102) может выступать доступный объем памяти графической карты или графического процессора. [0097] RAM (102) is a random access memory and is designed to store machine-readable instructions executable by the processor (101) to perform the necessary data logical processing operations. RAM ( 102) typically contains the executable instructions of the operating system and associated software components (applications, program modules, etc.). In this case, the RAM (102) may be the available memory of the graphics card or graphics processor.
[0098] ПЗУ (103) представляет собой одно или более устройств постоянного хранения данных, например, жесткий диск (HDD), твердотельный накопитель данных (SSD), флэш- память (EEPROM, NAND и т.п.), оптические носители информации (CD-R/RW, DVD- R/RW, BlueRay Disc, MD) и др. [0098] A ROM (103) is one or more persistent storage devices such as a hard disk drive (HDD), a solid state drive (SSD), flash memory (EEPROM, NAND, etc.), optical storage media ( CD-R/RW, DVD-R/RW, BlueRay Disc, MD), etc.
[0099] Для организации работы компонентов вычислительного устройства (100) и организации работы внешних подключаемых устройств применяются различные виды интерфейсов В/В (104). Выбор соответствующих интерфейсов зависит от конкретного исполнения вычислительного устройства, которые могут представлять собой, не ограничиваясь: PCI, AGP, PS/2, IrDa, FireWire, LPT, COM, SATA, IDE, Lightning USB (2.0, 3.0, 3.1, micro, mini, type C), TRS/ Audio jack (2.5, 3.5, 6.35), HDMI, DVI, VGA, Display Port, RJ45, RS232 и т.п. [0099] Various types of I/O interfaces (104) are used to organize the operation of the components of the computing device (100) and organize the operation of external connected devices. The choice of the appropriate interfaces depends on the specific design of the computing device, which can be, but not limited to: PCI, AGP, PS/2, IrDa, FireWire, LPT, COM, SATA, IDE, Lightning USB (2.0, 3.0, 3.1, micro, mini, type C), TRS/ Audio jack (2.5, 3.5, 6.35), HDMI, DVI, VGA, Display Port, RJ45, RS232, etc.
[0100] Для обеспечения взаимодействия пользователя с вычислительным устройством (100) применяются различные средства (105) В/В информации, например, клавиатура, дисплей (монитор), сенсорный дисплей, тач-пад, джойстик, манипулятор мышь, световое перо, стилус, сенсорная панель, трекбол, динамики, микрофон, средства дополненной реальности, оптические сенсоры, планшет, световые индикаторы, проектор, камера, средства биометрической идентификации (сканер сетчатки глаза, сканер отпечатков пальцев, модуль распознавания голоса) и т.п. [0100] To ensure user interaction with the computing device (100), various means (105) of I/O information are used, for example, a keyboard, a display (monitor), a touch screen, a touchpad, a joystick, a mouse, a light pen, a stylus, touch panel, trackball, speakers, microphone, augmented reality, optical sensors, tablet, indicator lights, projector, camera, biometric identification tools (retinal scanner, fingerprint scanner, voice recognition module), etc.
[0101] Средство сетевого взаимодействия (106) обеспечивает передачу данных посредством внутренней или внешней вычислительной сети, например, Интранет, Интернет, ЛВС и т.п. В качестве одного или более средств (106) может использоваться, но не ограничиваться: Ethernet карта, GSM модем, GPRS модем, LTE модем, 5G модем, модуль спутниковой связи, NFC модуль, Bluetooth и/или BLE модуль, Wi-Fi модуль и др. [0101] The network communication means (106) provides data transmission via an internal or external computer network, for example, an Intranet, Internet, LAN, etc. As one or more means (106) can be used, but not limited to: Ethernet card, GSM modem, GPRS modem, LTE modem, 5G modem, satellite communication module, NFC module, Bluetooth and / or BLE module, Wi-Fi module and others
[0102] В настоящих материалах заявки было представлено предпочтительное осуществление заявленного технического решения, которое не должно использоваться как ограничивающее иные, частные воплощения его реализации, которые не выходят за рамки испрашиваемого объема правовой охраны и являются очевидными для специалистов в соответствующей области техники. [0102] In these application materials, a preferred implementation of the claimed technical solution was presented, which should not be used as limiting other, private embodiments of its implementation, which do not go beyond the scope of the requested legal protection and are obvious to specialists in the relevant field of technology.
Источники информации: Sources of information:
[1] N. Gisin, G. Ribordy, W. Tittel, and H. Zbinden, "Quantum cryptography," Rev. Mod. Phys., vol. 74, pp. 145-195, 2002. [1] N. Gisin, G. Ribordy, W. Tittel, and H. Zbinden, "Quantum cryptography," Rev. Mod. Phys., vol. 74, pp. 145-195, 2002.
[2] Z. L. Yuan, B. Frohlich, M. Lucamarini, G. L. Roberts, J. F. Dynes, and A. J. Shields, "Directly Phase-Modulated Light Source," Phys. Rev. X, vol. 6, p. 031044, 2016. [2] Z. L. Yuan, B. Frohlich, M. Lucamarini, G. L. Roberts, J. F. Dynes, and A. J. Shields, "Directly Phase-Modulated Light Source," Phys. Rev. X, vol. 6, p. 031044, 2016.
[3] R. Lang, "Injection locking properties of a semiconductor laser," IEEE J. Quantum. Elect. , vol. 18, pp. 976-983, 1982. [3] R. Lang, "Injection locking properties of a semiconductor laser," IEEE J. Quantum. Elect. , vol. 18, pp. 976-983, 1982.
[4] S. Kobayashi and T. Kimura, "Optical phase modulation in an injection locked AlGaAs semiconductor laser," IEEE J. Quantum. Elect., vol. 18, pp. 1662-1669, 1982. [4] S. Kobayashi and T. Kimura, "Optical phase modulation in an injection locked AlGaAs semiconductor laser," IEEE J. Quantum. Elect., vol. 18, pp. 1662-1669, 1982.
[5] G. L. Roberts, M. Lucamarini, J. F. Dynes, S. J. Savory, Z. L. Yuan, and A. J. Shields, "A direct GHz-clocked phase and intensity modulated transmitter applied to quantum key distribution," Quantum Science and Technology, vol. 3, p. 045010, 2018. [5] G. L. Roberts, M. Lucamarini, J. F. Dynes, S. J. Savory, Z. L. Yuan, and A. J. Shields, "A direct GHz-clocked phase and intensity modulated transmitter applied to quantum key distribution," Quantum Science and Technology, vol. 3, p. 045010, 2018.
[6] T. K. Parai'so, I. De Marco, T. Roger, D. G. Marangon, J. F. Dynes, M. Lucamarini, Z. Yuan, and A. J. Shields, "A modulator-free quantum key distribution transmitter chip," npj Quantum Information, vol. 5, p. 42, 2019. [7] R. Shakhovoy, M. Puplauskis, V. Sharoglazova, A. Duplinskiy, V. Zavodilenko, A. Losev, and Y. Kurochkin, "Direct phase modulation via optical injection: theoretical study," Opt. Express, vol. 29, pp. 9574-9588, 2021. [6] TK Parai'so , I. De Marco, T. Roger, DG Marangon, JF Dynes, M. Lucamarini, Z. Yuan, and AJ Shields, "A modulator-free quantum key distribution transmitter chip," npj Quantum Information , vol. 5, p. 42, 2019. [7] R. Shakhovoy, M. Puplauskis, V. Sharoglazova, A. Duplinskiy, V. Zavodilenko, A. Losev, and Y. Kurochkin, "Direct phase modulation via optical injection: theoretical study," Opt. Express, vol. 29, pp. 9574-9588, 2021.
[8] A. G. J. MacFarlane, J. P. Dowling, and G. J. Milbum, "Quantum technology: the second quantum revolution," Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, vol. 361, pp. 1655-1674, 2003. [8] A. G. J. MacFarlane, J. P. Dowling, and G. J. Milbum, "Quantum technology: the second quantum revolution," Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, vol. 361, pp. 1655-1674, 2003.
[9] С. H. Bennett and G. Brassard, "Quantum cryptography: Public key distribution and coin tossing," Theor. Comput. Set, vol. 560, pp. 7-11, 2014. [9] C. H. Bennett and G. Brassard, "Quantum cryptography: Public key distribution and coin tossing," Theor. Comput. Set, vol. 560, pp. 7-11, 2014.
[10] W. K. Wootters and W. H. Zurek, "A single quantimi cannot be cloned," Nature, vol. 299, pp. 802-803, 1982. [10] W. K. Wootters and W. H. Zurek, "A single quantimi cannot be cloned," Nature, vol. 299, pp. 802-803, 1982.
[11] N. Lutkenhaus and M. Jahma, "Quantum key distribution with realistic states: photon- number statistics in the photon-number splitting attack," New Journal of Physics, vol. 4, pp. 44- 44, 2002. [11] N. Lutkenhaus and M. Jahma, "Quantum key distribution with realistic states: photon-number statistics in the photon-number splitting attack," New Journal of Physics, vol. 4, pp. 44-44, 2002.
[12] B. Huttner, N. Imoto, N. Gisin, and T. Mor, "Quantum cryptography with coherent states," Phys. Rev. A, vol. 51, pp. 1863-1869, 1995. [12] B. Huttner, N. Imoto, N. Gisin, and T. Mor, "Quantum cryptography with coherent states," Phys. Rev. A, vol. 51, pp. 1863-1869, 1995.
[13] W.-Y. Hwang, "Quantum Key Distribution with High Loss: Toward Global Secure Communication," Phys. Rev. Lett., vol. 91, p, 057901, 2003. [13] W.-Y. Hwang, "Quantum Key Distribution with High Loss: Toward Global Secure Communication," Phys. Rev. Lett., vol. 91, p, 057901, 2003.
[14] H.-K. Lo, X. Ma, and K. Chen, "Decoy State Quantum Key Distribution," Phys. Rev. Lett., vol. 94, p. 230504, 2005. [14] H.-K. Lo, X. Ma, and K. Chen, "Decoy State Quantum Key Distribution," Phys. Rev. Lett., vol. 94, p. 230504, 2005.
[15] A. Duplinskiy, V. Ustimchik, A. Kanapin, V. Kurochkin, and Y. Kurochkin, "Low loss QKD optical scheme for fast polarization encoding," Opt. Express, vol. 25, pp. 28886-28897, 2017. [15] A. Duplinskiy, V. Ustimchik, A. Kanapin, V. Kurochkin, and Y. Kurochkin, "Low loss QKD optical scheme for fast polarization encoding," Opt. Express, vol. 25, pp. 28886-28897, 2017.
[16] R. Shakhovoy, D. Sych, V. Sharoglazova, A. Udaltsov, A. Fedorov, and Y. Kurochkin, "Quantum noise extraction from the interference of laser pulses in optical quantum random number generator," Opt. Express, vol. 28, pp. 6209-6224, 2020. [16] R. Shakhovoy, D. Sych, V. Sharoglazova, A. Udaltsov, A. Fedorov, and Y. Kurochkin, "Quantum noise extraction from the interference of laser pulses in optical quantum random number generator," Opt. Express, vol. 28, pp. 6209-6224, 2020.

Claims

ФОРМУЛА FORMULA
1. Устройство амплитудно-фазовой модуляции для квантового распределения ключей, выполненное с возможностью создания квантовых состояний в фазовом и временном базисах, содержащее: 1. An amplitude-phase modulation device for quantum key distribution, configured to create quantum states in phase and time bases, comprising:
- управляемый лазер, выполненный с возможностью формирования информационных оптических импульсов, пригодных для создания квантовых состояний; - a controlled laser configured to generate information optical pulses suitable for creating quantum states;
- управляющий лазер, выполненный с возможностью задавать фазовый и временной базисы с помощью оптических импульсов разной длительности, причем кодирование состояния в фазовом базисе осуществляется с помощью возмущения тока накачки в середине длинного импульса, а кодирование состояния во временном базисе осуществляется выбором времени генерации короткого импульса; - a control laser configured to set the phase and time bases using optical pulses of different durations, wherein the state encoding in the phase basis is carried out using a perturbation of the pump current in the middle of a long pulse, and the state encoding in the time basis is carried out by selecting the short pulse generation time;
- оптический циркулятор, выполненный с возможностью пропускания излучения от управляющего лазера к управляемому лазеру и вывода излучения управляемого лазера в оптический аттенюатор. - an optical circulator configured to transmit radiation from the control laser to the controlled laser and output the radiation of the controlled laser to the optical attenuator.
2. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что выход управляемого лазера дополнительно содержит модулятор интенсивности, предназначенный для выравнивания амплитуды состояний во временном и фазовом базисах. 2. The device according to claim. 1, characterized in that the output of the controlled laser additionally contains an intensity modulator designed to equalize the amplitude of the states in the time and phase bases.
3. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что длинные импульсы представляют собой невозмущенные прямоугольные импульсы и прямоугольные импульсы с возмущением тока накачки в середине. 3. The device according to claim 1, characterized in that the long pulses are unperturbed rectangular pulses and rectangular pulses with pump current perturbation in the middle.
4. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что длинный импульс с управляющего лазера сдвинут по времени так, чтобы он начинался раньше, чем импульс управляемого лазера. 4. The device according to claim. 1, characterized in that the long pulse from the control laser is shifted in time so that it starts earlier than the pulse of the controlled laser.
5. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что дополнительно содержит оптический полосовой фильтр. 5. The device according to claim. 1, characterized in that it additionally contains an optical band-pass filter.
6. Устройство по п. 5, характеризующееся тем, что оптический полосовой фильтр представляет собой по меньшей мере пассивный волоконно-оптический DWDM фильтр. 6. The apparatus of claim. 5, characterized in that the optical band pass filter is at least a passive fiber optic DWDM filter.
7. Устройство по пп. 5-6, характеризующееся тем, что частота пропускания оптического полосового фильтра подобрана таким образом, чтобы всё излучение управляемого лазера в отсутствие оптической инжекции полностью поглощалось. 7. The device according to paragraphs. 5-6, characterized in that the transmission frequency of the optical band-pass filter is chosen so that all the radiation of the controlled laser in the absence of optical injection is completely absorbed.
8. Устройство по п. 5, характеризующееся тем, что дополнительно содержит несбалансированный интерферометр. 8. The device according to claim 5, characterized in that it additionally contains an unbalanced interferometer.
9. Устройство по п. 5, характеризующееся тем, что дополнительно содержит два несбалансированных интерферометра. 9. The device according to claim 5, characterized in that it additionally contains two unbalanced interferometers.
10. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что управляемый и управляющий лазеры представляют собой по меньшей мере полупроводниковые лазеры, связанные посредством оптической инжекции. 10. The device according to claim 1, characterized in that the controlled and control lasers are at least semiconductor lasers coupled by optical injection.
11. Система квантового распределения ключей (КРК), содержащая устройство по любому из пп. 1-10, соединенное по квантовому каналу связи с принимающим устройством, причем: 11. The system of quantum key distribution (QDC), containing the device according to any one of paragraphs. 1-10, connected via a quantum communication channel with a receiving device, and:
- устройство по любому из пп. 1-10 дополнительно содержит: о оптический аттенюатор, выполненный с возможностью ослабления сигнала перед его передачей в квантовый канал; о контроллер, выполненный с возможностью управления лазерными драйверами, задающими электрические импульсные последовательности на управляющий и ведомый лазеры; - a device according to any one of paragraphs. 1-10 further comprises: o an optical attenuator configured to attenuate the signal before it is transmitted to the quantum channel; o a controller configured to control laser drivers that set electrical pulse sequences to the control and slave lasers;
- принимающее устройство, выполнено с возможностью различать фазовый и временной базисы путем выбора слота внутри временного окна, выделяемого под одно квантовое состояние, и декодировать состояния в указанных базисах, при этом принимающее устройство содержит: о несбалансированный интерферометр, линия задержки которого подобрана таким образом, чтобы соответствующее время задержки было кратно периоду следования информационных импульсов, генерируемых управляемым лазером; о широкополосный фазовый модулятор, позволяющий контролируемым образом менять фазу в одном из плеч интерферометра и осуществлять выбор состояний в фазовом базисе; о по меньшей мере один детектор одиночных фотонов, выполненный с возможностью работать в режиме стробирования, что необходимо для выбора базиса; о контроллер принимающего устройства, выполненный с возможностью управления широкополосным фазовым модулятором в плече интерферометра и детекторами одиночных фотонов. - the receiving device is configured to distinguish between the phase and time bases by selecting a slot within the time window allocated for one quantum state and decoding the states in the specified bases, while the receiving device contains: the corresponding delay time was a multiple of the repetition period of the information pulses generated by the controlled laser; o a broadband phase modulator that allows you to change the phase in one of the arms of the interferometer in a controlled manner and select states in the phase basis; o at least one single photon detector configured to operate in a gating mode, which is necessary for selecting a basis; o a receiver controller configured to control a broadband phase modulator in the interferometer arm and single photon detectors.
12. Система по п. 11, характеризующаяся тем, что временное окно (фрейм), отведенное под квантовое состояние, содержит по меньшей мере три временных слота. 12. The system according to claim 11, characterized in that the time window (frame) allocated for the quantum state contains at least three time slots.
3. Система по п. 11, характеризующаяся тем, что выбор базиса принимающим устройством осуществляется по меньшей мере с помощью отправки строб-импульса на по меньшей мере один детектор одиночных фотонов в определенный временной слот временного окна квантового состояния. 3. The system according to claim 11, characterized in that the selection of the basis by the receiving device is carried out by at least sending a strobe pulse to at least one single photon detector in a certain time slot of the time window of the quantum state.
PCT/RU2021/000291 2021-07-09 2021-07-09 Amplitude and phase modulator based on semiconductor lasers WO2023282782A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/RU2021/000291 WO2023282782A1 (en) 2021-07-09 2021-07-09 Amplitude and phase modulator based on semiconductor lasers

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/RU2021/000291 WO2023282782A1 (en) 2021-07-09 2021-07-09 Amplitude and phase modulator based on semiconductor lasers

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2023282782A1 true WO2023282782A1 (en) 2023-01-12

Family

ID=84801921

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2021/000291 WO2023282782A1 (en) 2021-07-09 2021-07-09 Amplitude and phase modulator based on semiconductor lasers

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2023282782A1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2324961C1 (en) * 2006-10-11 2008-05-20 Юрий Николаевич Перепелицын Optical modulator of complex wave signals
WO2015105744A1 (en) * 2014-01-07 2015-07-16 Lee Arthur E Combined amplitude-time modulation and phase modulation
RU2692431C1 (en) * 2018-07-03 2019-06-24 Федеральное государственное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ" Device for quantum sending of a cryptographic key with frequency coding
CN107566043B (en) * 2017-09-15 2019-07-12 北京中创为量子通信技术有限公司 A kind of quantum key transmitting terminal, receiving end, system and method
US10749723B2 (en) * 2017-10-27 2020-08-18 Terawave, Llc Narrowband sinewave modulation system

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2324961C1 (en) * 2006-10-11 2008-05-20 Юрий Николаевич Перепелицын Optical modulator of complex wave signals
WO2015105744A1 (en) * 2014-01-07 2015-07-16 Lee Arthur E Combined amplitude-time modulation and phase modulation
CN107566043B (en) * 2017-09-15 2019-07-12 北京中创为量子通信技术有限公司 A kind of quantum key transmitting terminal, receiving end, system and method
US10749723B2 (en) * 2017-10-27 2020-08-18 Terawave, Llc Narrowband sinewave modulation system
RU2692431C1 (en) * 2018-07-03 2019-06-24 Федеральное государственное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ" Device for quantum sending of a cryptographic key with frequency coding

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20200266977A1 (en) Long-haul high rate quantum key distribution
Mao et al. Integrating quantum key distribution with classical communications in backbone fiber network
Gleim et al. Secure polarization-independent subcarrier quantum key distribution in optical fiber channel using BB84 protocol with a strong reference
Bacco et al. Boosting the secret key rate in a shared quantum and classical fibre communication system
EP1784944B1 (en) Two non-orthogonal states quantum cryptography method and apparatus with intra-and inter-qubit interference for eavesdropper detection
Scarani et al. The security of practical quantum key distribution
US10291318B2 (en) Physical layer security in optical communications using Bessel modes
Paraïso et al. Advanced laser technology for quantum communications (tutorial review)
CN108075885B (en) Phase modulation polarization coding high-speed quantum key distribution system
Rodimin et al. Modular quantum key distribution setup for research and development applications
RU2692431C1 (en) Device for quantum sending of a cryptographic key with frequency coding
Chen et al. Experimental demonstration on the deterministic quantum key distribution based on entangled photons
RU2813164C1 (en) Amplitude-phase modulator on semiconductor lasers with optical injection and method for its application for quantum key distribution
Xie et al. Optically injected intensity-stable pulse source for secure quantum key distribution
WO2023282782A1 (en) Amplitude and phase modulator based on semiconductor lasers
Djordjevic et al. Discrete variable (dv) qkd
Zahidy et al. Practical high-dimensional quantum key distribution protocol over deployed multicore fiber
US11558123B2 (en) Quantum communications system having stabilized quantum communications channel and associated methods
Gong et al. Experimental demonstration of confidential communication with quantum security monitoring
Melnik et al. Photonic interface between subcarrier wave and dual-rail encodings
Çirkinoglu et al. An InP-based integrated modulated coherent state source for differential phase shift quantum key distribution
Jacak et al. Quantum key distribution security constraints caused by controlled quality of dark channel for non-entangled and entangled photon quantum cryptography setups
CN112511301B (en) Quantum state preparation method, distribution method and device of HD-QKD
Woodward et al. Simplifying Measurement-Device-Independent Quantum Key Distribution with Directly Modulated Laser Sources
Paraïso et al. On-chip quantum secure communications

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 21949458

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE