AT520999A1 - Method for generating a normally distributed optical random signal - Google Patents
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Landscapes
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines normalverteilten optischen Zufallssignals (S), umfassend die folgenden Schritte: a) Erstellen eines, insbesondere gepulsten, Lasersignals (S1), b) gleichzeitiges additives und subtraktives Überlagern des Lasersignals (S1) mit einem aus Vakuumrauschen erstellten Signal, c) Messung der Leistung der derart durch Überlagerung entstandenen Mischsignale und Bilden der Differenz der Leistungsmessergebnisse als analoges elektrisches Zufallssignal (S2, S2a, S2b), d) vorzugsweise Abtasten des elektrischen Zufallssignals (S2, S2a, S2b) und Halten eines in diesem zu einem Zeitpunkt auftretenden Werts analogen Zufallssignalwerts (S2, S2a, S2b), oder Tiefpassfiltern des elektrischen Zufallssignals (S2, S2a, S2b) und Erhalten eines analogen Zufallssignalwerts (S2, S2a, S2b), e) Modulieren des Lasersignals (S1) oder eines von einem weiteren Laser erstellten Lasersignals mit dem analogen elektrischen Zufallssignalwert und/oder Zuführen des analogen elektrischen Zufallssignalwerts sowie eines Lasersignals (S6) oder des in Schritt a) erstellten Lasersignals (S1) zu zumindest einem elektrooptischen Modulator (7, 7a, 7b) und f) Zurverfügungstellen eines durch Modulation mittels des elektrooptischen Modulators (7a, 7b) erstellten optischen normalverteilten Zufallssignals (S).The invention relates to a method for generating a normally distributed optical random signal (S), comprising the following steps: a) generating a, in particular pulsed, laser signal (S1), b) simultaneous additive and subtractive superposition of the laser signal (S1) with a vacuum noise generated Signal, c) Measurement of the power of the thus formed by superimposition of mixed signals and forming the difference of the power measurement results as an analog electrical random signal (S2, S2a, S2b), d) preferably sampling the electrical random signal (S2, S2a, S2b) and holding one in this at a time occurring value of analog random signal value (S2, S2a, S2b), or low pass filtering the electrical random signal (S2, S2a, S2b) and obtaining an analog random signal value (S2, S2a, S2b), e) modulating the laser signal (S1) or Laser signal generated by another laser with the analog electrical random signal value and / or supplying the ana logen electrical random signal value and a laser signal (S6) or created in step a) laser signal (S1) to at least one electro-optical modulator (7, 7a, 7b) and f) providing a modulation by means of the electro-optical modulator (7a, 7b) created optical normally distributed random signal (S).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines normalverteilten, optischen Zufallssignals, das insbesondere für die Erstellung von kryptographischen Schlüsseln geeignet ist.The invention relates to a method for generating a normally distributed, optical random signal, which is particularly suitable for the generation of cryptographic keys.
Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Methoden zur Erstellung von Zufallszahlen bekannt, mit denen es auch möglich ist, normalverteilte Zufallszahlen zu erzeugen. Insbesondere ist es von Vorteil, optische Signale zu erzeugen, wobei die deren Quadraturen des jeweiligen elektrischen Feldes normalverteilt sind. Hintergrund für die Verwendung eines solchen Signals in der Quantenkryptographie ist insbesondere, dass basierend auf diesen Eigenschaften ein erhöhtes Maß von Sicherheit bei gleichzeitig hoher Datenrate erzielt werden kann. Dieses erhöhte Maß von Sicherheit lässt sich nach dem aktuellen Stand der Forschung nur bei kontinuierlicher, normalverteilter Modulation der Information erzeugen, da in einem solchen Fall verlässlich abgeschätzt werden kann, wie hoch das bei einem eventuell vorhandenen Angreifer vorhandene Ausmaß an gewonnener Information ist. Da aus dem Stand der Technik keine Vorgehensweisen bekannt sind, die eine tatsächliche kontinuierliche Normalverteilung ermöglichen, sondern lediglich Verfahren bekannt sind, die eine stufenförmige, diskrete Annäherung an eine Normalverteilung zeigen, ist es bei solchen Verfahren auch für einen Angreifer möglich, mehr Information aus dem übertragenen Signal zu gewinnen bzw. kann im Rahmen des Nachweises der dem Angreifer zur Verfügung stehenden maximalen Information aufgrund des Korrekturterms nur eine geringere Datensicherheit nachgewiesen werden, siehe: Paul Jouguet, Sebastien Kunz-Jacques, Eleni Diamanti, and Anthony Leverrier, Phys. Rev. A 86, 032309.Different methods for generating random numbers are known from the prior art, with which it is also possible to generate normally distributed random numbers. In particular, it is advantageous to generate optical signals, the quadratures of the respective electric field being normally distributed. The background for the use of such a signal in quantum cryptography is in particular that an increased degree of security can be achieved with a high data rate at the same time based on these properties. According to the current state of research, this increased degree of security can only be generated with continuous, normally distributed modulation of the information, since in such a case it can be reliably estimated how high the amount of information obtained from any attackers that may be present. Since no procedures are known from the prior art that enable an actual continuous normal distribution, but only methods are known that show a step-like, discrete approximation to a normal distribution, it is also possible for an attacker to obtain more information from the method in such methods the transmitted signal or, as part of the verification of the maximum information available to the attacker, only a lower level of data security can be demonstrated due to the correction term, see: Paul Jouguet, Sebastien Kunz-Jacques, Eleni Diamanti, and Anthony Leverrier, Phys. Rev. A 86, 032309.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein normalverteiltes optisches Zufallssignal zur Verfügung zu stellen. Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den folgenden Schritten:The object of the invention is to provide a normally distributed optical random signal. The invention solves this problem with the following steps:
a) Erstellen eines, insbesondere gepulsten, Lasersignals,a) creating a, in particular pulsed, laser signal,
b) gleichzeitiges additives und subtraktives Überlagern des Lasersignals mit einem aus Vakuumrauschen erstellten Signal,b) simultaneous additive and subtractive superimposition of the laser signal with a signal created from vacuum noise,
c) Messung der Leistung der derart durch Überlagerung entstandenen Mischsignale und Bilden der Differenz der Leistungsmessergebnisse als analoges elektrisches Zufallssignal,c) measuring the power of the mixed signals thus generated by superimposition and forming the difference in the power measurement results as an analog electrical random signal,
d) vorzugsweise Abtasten des elektrischen Zufallssignals und Halten eines in diesem zu einem Zeitpunkt auftretenden Werts analogen Zufallssignalwerts, oder Tiefpassfiltern des elektrischen Zufallssignals und Erhalten eines analogen Zufallssignalwerts,d) preferably sampling the electrical random signal and holding an analog random signal value occurring therein at a point in time, or low-pass filtering the electrical random signal and obtaining an analog random signal value,
e) Modulieren des Lasersignals oder eines von einem weiteren Laser erstellten Lasersignals mit dem analogen elektrischen Zufallssignalwert und/oder Zuführen des analogen elektrischen Zufallssignalwerts sowie eines Lasersignals oder des in Schritt a) erstellten Lasersignals zu zumindest einem elektrooptischen Modulator und / 25e) modulating the laser signal or a laser signal generated by another laser with the analog electrical random signal value and / or supplying the analog electrical random signal value and a laser signal or the laser signal created in step a) to at least one electro-optical modulator and / 25
f) Zurverfügungstellen eines durch Modulation mittels des elektrooptischen Modulators erstellten optischen normalverteilten Zufallssignals.f) Providing an optical normally distributed random signal generated by modulation by means of the electro-optical modulator.
Der besondere Vorteil an diesem Vorgehen liegt darin, dass zur Erstellung des Zufallssignals keine Digital-Analog-Konversion vorgenommen werden braucht und damit auch alle Maßnahmen entfallen können, mit denen eine notwendigerweise diskrete stufenweise Normalverteilung der Zufallssignalwerte erstellt werden muss. Vielmehr kann eine optimale analoge Normalverteilung erreicht werden.The particular advantage of this procedure lies in the fact that no digital-to-analog conversion needs to be carried out to generate the random signal, and therefore all measures can also be omitted with which a necessarily discrete stepwise normal distribution of the random signal values has to be created. Rather, an optimal analog normal distribution can be achieved.
Zur Erzielung einer quantenkryptographischen Übertragungssicherheit kann vorgesehen sein, dass das optischen normalverteilte Zufallssignal oder das Lasersignal derart abgeschwächt wird, dass die Anzahl der Photonen pro Puls oder Abtastung des optischen normalverteilten Zufallssignals geringer ist als 100, insbesondere geringer als 10.To achieve quantum cryptographic transmission security, provision can be made for the optical normally distributed random signal or the laser signal to be attenuated in such a way that the number of photons per pulse or scanning of the optical normally distributed random signal is less than 100, in particular less than 10.
Eine Anpassung des zu übertragenden optischen normalverteilten Zufallssignals kann vorgesehen sein, dass das modulierte optische normalverteilte analoge ZufallssignalAn adaptation of the optical normally distributed random signal to be transmitted can be provided that the modulated optical normally distributed analog random signal
- verstärkt oder gedämpft wird, und/oder- is amplified or dampened, and / or
- einer vorgegebenen Frequenzfilterung unterzogen wird, insbesondere bandpassgefiltert oder hinsichtlich einzelner Frequenzen beschnitten wird.- Is subjected to a predetermined frequency filtering, in particular bandpass filtered or cut with respect to individual frequencies.
Zur Erstellung von mehreren Zufallssignalwerten während desselben Zeitintervalls sowie zur Erstellung von optischen normalverteilten Zufallssignalen, die eine Vielzahl von Zufallssignalwerten gleichzeitig enthalten, kann vorgesehen sein, dass die Schritte a) bis d) mehrfach, insbesondere zweifach, gleichzeitig ausgeführt werden und zumindest zwei der so erhaltenen analogen elektrischen Zufallssignalwerte in Schritt e) gemeinsam zur Erstellung des optischen normalverteilten Zufallssignals mittels elektrooptischer Modulation zugeführt werden.In order to generate a plurality of random signal values during the same time interval and to produce optical normally distributed random signals which contain a large number of random signal values at the same time, it can be provided that steps a) to d) are carried out simultaneously, in particular twice, and at least two of the so obtained analog electrical random signal values in step e) are fed together to produce the optical normally distributed random signal by means of electro-optical modulation.
Zur Erstellung von mehreren Zufallssignalwerten während desselben Zeitintervalls sowie zur Erstellung von optischen normalverteilten Zufallssignalen, die eine Anzahl von zwei Zufallssignalwerten gleichzeitig enthalten, kann vorgesehen sein:To generate several random signal values during the same time interval and to create optical normally distributed random signals that contain a number of two random signal values simultaneously, the following can be provided:
- Zuführen des ersten analogen elektrischen Zufallssignalwerts sowie eines Lasersignals zu einem ersten elektrooptischen Modulator und Erstellen eines ersten optischen normalverteilten Zufallssignals,Supplying the first analog electrical random signal value and a laser signal to a first electro-optical modulator and producing a first optical normally distributed random signal,
- Zuführen des zweiten analogen elektrischen Zufallssignalwerts sowie eines, insbesondere desselben, Lasersignals zu einem zweiten elektrooptischen Modulator und Erstellen eines zweiten optischen normalverteilten Zufallssignals, / 25Supplying the second analog electrical random signal value and one, in particular the same, laser signal to a second electro-optical modulator and producing a second optical normally distributed random signal, / 25
- Mischen des ersten und zweiten optischen normalverteilten Zufallssignals zur Erstellung des optischen normalverteilten Gesamt-Zufallssignals, wobei eines der beiden optischen normalverteilten Zufallssignale mit einem vorgegebenen Phasenverschub, insbesondere von 90°, versehen wird.- Mixing the first and second optical normally distributed random signals to produce the optical normally distributed total random signal, one of the two optical normally distributed random signals being provided with a predetermined phase shift, in particular of 90 °.
Zur getakteten sequentiellen Erstellung und Übertragung eines optischen normalverteilten Zufallssignals kann vorgesehen sein,For clocked sequential generation and transmission of an optical normally distributed random signal, it can be provided that
- dass die Schritte d) bis f) in zeitlich aufeinander folgenden Intervallen jeweils neu vorgenommen werden und/oder- that steps d) to f) are carried out anew in chronologically successive intervals and / or
- dass in zeitlich aufeinander folgenden Intervallen jeweils einzelne Zufallssignalwerte ermittelt werden, die für das jeweilige Intervall dem Modulator zugeführt werden und nach dem Ende des jeweiligen Intervalls durch Abtastung ein neuer Zufallssignalwert ermittelt und für die Modulation herangezogen wird.that individual random signal values are determined in chronologically successive intervals, which are supplied to the modulator for the respective interval and, after the end of the respective interval, a new random signal value is determined by sampling and is used for the modulation.
Eine bevorzugte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorgehensweise, die lediglich mit einem einzigen balanced receiver auskommt, sieht vor, dass innerhalb eines Intervalls ein optisches normalverteiltes Zufallssignal basierend auf einer Anzahl von Zufallssignalwerten erstellt wird, die zu unterschiedlichen Zeitpunkten innerhalb des jeweils vorangehenden Intervalls durch Abtastung ermittelt wurden.A preferred development of the procedure according to the invention, which only requires a single balanced receiver, provides that an optically normally distributed random signal is generated within an interval based on a number of random signal values that were determined by sampling at different times within the respective previous interval.
Um zu vermeiden, dass ein potentieller Angreifer Informationen über die konkrete Umschaltung erlangen kann, kann vorgesehen sein, dass das dem jeweiligen Modulator zugeführte Lasersignal in Zeitabschnitten, während denen der analoge elektrische Zufallssignalwert seinen Wert ändert, insbesondere während der Zeitabschnitte, zu denen die Abtast-Halte-Schaltungen aktiviert werden, unterbrochen oder gedämpft wird, insbesondere mit einer Dämpfung von mindestens 30 dB.In order to avoid that a potential attacker can obtain information about the specific switchover, it can be provided that the laser signal supplied to the respective modulator in periods during which the analog electrical random signal value changes its value, in particular during the periods when the sampling Hold circuits are activated, interrupted or damped, in particular with an attenuation of at least 30 dB.
Um den Inhalt der erstellten Zufallssignalwerte, gegebenenfalls für einen späteren Signalabgleich zur Verfügung zu haben, kann vorgesehen sein, dass die in Schritt d) ermittelten Zufallssignalwerte analog-digital-konvertiert werden und derart ein Digitalsignal erstellt und für die weitere Verarbeitung, insbesondere für einen Schlüsselabgleich, zur Verfügung gehalten wird.In order to have the content of the generated random signal values available, if necessary for a later signal comparison, it can be provided that the random signal values determined in step d) are converted from analog to digital and thus create a digital signal and for further processing, in particular for a key comparison , is available.
Ein Verfahren, mit dem vorteilhaft ein Schlüsselaustausch vorgenommen werden kann, sieht vor:A method with which a key exchange can advantageously be carried out provides:
- Erstellen eines optischen normalverteilten Zufallssignals sowie des senderseitigen Digitalsignals nach Anspruch 9, und Abschwächen dieses Signals nach Anspruch 2, in einem Sender, / 25- Creating an optical normally distributed random signal and the transmitter-side digital signal according to claim 9, and attenuating this signal according to claim 2, in a transmitter, / 25th
- Übermitteln des optischen normalverteilten Zufallssignals von einem Sender an einen Empfänger über einen ersten Kommunikationskanal,Transmitting the optical, normally distributed random signal from a transmitter to a receiver via a first communication channel,
- Messen bzw Ermitteln des optischen normalverteilten Zufallssignals und darauf basierend Erstellen eines empfängerseitigen Digitalsignals,Measuring or determining the optical, normally distributed random signal and, based on this, creating a digital signal on the receiver side,
- Austausch von auf den Datensignalen basierenden Daten zur Erstellung eines beidseitig identen Schlüssels im Sender und Empfänger über einen weiteren, gegebenenfalls offenen, Kommunikationskanal.- Exchange of data based on the data signals to create a key that is identical on both sides in the transmitter and receiver via a further, possibly open, communication channel.
Weiters betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Erzeugung eines normalverteilten optischen Zufallssignals, umfassend:The invention further relates to a device for generating a normally distributed optical random signal, comprising:
a) einen Laser zum Erstellen eines, insbesondere gepulsten, Lasersignals,a) a laser for generating a, in particular pulsed, laser signal,
b) einen Strahlteiler und Mischer mit einem abgedunkelten Eingang und einem Eingang, dem das Lasersignal zugeführt ist, zum gleichzeitigen additiven und subtraktiven Überlagern des Lasersignals mit einem aus Vakuumrauschen erstellten Signal,b) a beam splitter and mixer with a darkened input and an input to which the laser signal is fed, for simultaneous additive and subtractive superimposition of the laser signal with a signal created from vacuum noise,
c) einen balanced reveiver zur Messung der Leistung der derart durch Überlagerung entstandenen Mischsignale und zum Bilden der Differenz der Leistungsmessergebnisse als analoges elektrisches Zufallssignal,c) a balanced reveiver for measuring the power of the mixed signals thus generated by superimposition and for forming the difference in the power measurement results as an analog electrical random signal,
d) insbesondere einer Abtast-Halte-Schaltungd) in particular a sample and hold circuit
- zum Abtasten des elektrischen Zufallssignals und Halten eines in diesem zu einem Zeitpunkt auftretenden Werts analogen Zufallssignalwerts und zum Erstellen eines analogen Zufallssignalwerts, oder einen Tiefpassfilter zum Filtern des elektrischen Zufallssignals und Erhalten eines analogen Zufallssignalwerts,for sampling the electrical random signal and holding an analog random signal value occurring therein at a point in time and for generating an analog random signal value, or a low-pass filter for filtering the electrical random signal and obtaining an analog random signal value,
e) einen elektrooptischen Modulator zum Modulieren des Lasersignals oder eines von einem weiteren Laser erstellten Lasersignals mit dem analogen elektrischen Zufallssignalwert.e) an electro-optical modulator for modulating the laser signal or a laser signal generated by another laser with the analog electrical random signal value.
Zur Erzielung einer quantenkryptographischen Übertragungssicherheit kann vorgesehen sein, einen dem Modulator nachgeschalteten Abschwächer, der dazu ausgebildet ist, das optische normalverteilte Zufallssignal oder das Lasersignal derart abzuschwächen, dass die Anzahl der Photonen pro Puls oder Abtastung des optischen normalverteilten Zufallssignals geringer ist als 100, insbesondere geringer als 10.To achieve quantum cryptographic transmission security, an attenuator connected downstream of the modulator can be provided, which is designed to attenuate the optical normally distributed random signal or the laser signal in such a way that the number of photons per pulse or scanning of the optical normally distributed random signal is less than 100, in particular less than 10.
Zur Erstellung von mehreren Zufallssignalwerten während desselben Zeitintervalls sowie zur Erstellung von optischen normalverteilten Zufallssignalen, die eine Vielzahl von Zufahlssignalwerten gleichzeitig enthalten, kann vorgesehen sein, dass jeweils zwei oder mehrere Kombinationen von hintereinandergeschalteten Strahlteilern, balanced receivers und Abtast-Halte-Schaltungen vorgesehen sind, an deren Ausgängen jeweils separat / 25 analoge elektrische Zufallssignalwerte anliegen und dass alle diese analogen elektrischen Zufallssignalwerte einem gemeinsamen elektrooptischen Modulation zur Erstellung eines gemeinsamen oder mehrerer normalverteilter optischer Zufallssignale zugeführt sind.To generate several random signal values during the same time interval and to create optical normally distributed random signals that contain a plurality of random signal values at the same time, it can be provided that two or more combinations of series-connected beam splitters, balanced receivers and sample-and-hold circuits are provided the outputs of which are each present separately / 25 analog electrical random signal values and that all these analog electrical random signal values are fed to a common electro-optical modulation in order to produce a common or several normally distributed optical random signals.
Zur Erstellung eines quadraturmodulierten Ausgangssignals kann vorgesehen sein,To generate a quadrature-modulated output signal,
- dass dem ersten elektrooptischen Modulator ein Lasersignal sowie der erste analoge elektrische Zufallssignalwert zugeführt sind, unda laser signal and the first analog electrical random signal value are supplied to the first electro-optical modulator, and
- wobei dem zweiten elektrooptischen Modulator ein Lasersignal sowie der zweite analoge elektrische Zufallssignalwert zugeführt sind,a laser signal and the second analog electrical random signal value are supplied to the second electro-optical modulator,
- wobei einem der beiden elektrooptischen Modulatoren ein Verzögerungsglied zur Verzögerung um einen vorgegebenen Phasenwinkel, insbesondere von 90° nachgeschaltet ist,a delay element for delaying by a predetermined phase angle, in particular of 90 °, is connected downstream of one of the two electro-optical modulators,
- wobei ein Strahlteiler und/oder Mischer vorgesehen ist, dem der Ausgang des Verzögerungsglieds sowie der Ausgang des jeweils anderen elektrooptischen Modulators unverzögert zugeführt sind, und- A beam splitter and / or mixer is provided, to which the output of the delay element and the output of the respective other electro-optical modulator are supplied without delay, and
- der Ausgang des Strahlteilers und/oder Mischers, ein diesem nachgeschaltetes Abschwächelement den Ausgang der Vorrichtung bildet.- The output of the beam splitter and / or mixer, a downstream attenuation element forms the output of the device.
Zur Erstellung von mehreren Zufallssignalwerten während desselben Zeitintervalls sowie zur Erstellung von optischen normalverteilten Zufallssignalen, die eine Vielzahl von Zufahlssignalwerten gleichzeitig enthalten, kann vorgesehen sein, einen von einer Steuerschaltung geschalteten analogen Demultiplexer, dessen Eingang das Zufallssignal zugeführt ist, und der eine Anzahl von Ausgängen aufweist, wobei der Demultiplexer von der Steuerschaltung derart gesteuert ist, dass er zu vorgegebenen Zeitpunkten innerhalb einzelner periodisch wiederkehrender Zeitintervalle das bei ihm anliegende Zufallssignal an einem seiner Ausgänge zur Verfügung stellt, wobei den Ausgängen des Demultiplexers zumindest eine von der Steuerschaltung geschaltete Abtast-Halte-Schaltung nachgeschaltet ist, die von der Steuerschaltung derart angesteuert ist, dass sie bei Vorliegen des vom Demultiplexer durchgeschalteten Zufallssignals an ihrem Eingang dieses an ihren Ausgang übernimmt und für die Modulation zur Verfügung hält.In order to generate a plurality of random signal values during the same time interval and to produce optical normally distributed random signals which contain a plurality of random signal values at the same time, an analog demultiplexer switched by a control circuit, the input of which is supplied with the random signal, and which has a number of outputs , wherein the demultiplexer is controlled by the control circuit in such a way that it provides the random signal applied to it at one of its outputs at predetermined times within individual periodically recurring time intervals, the outputs of the demultiplexer having at least one sample-and-hold circuit switched by the control circuit is connected downstream, which is controlled by the control circuit in such a way that, if the random signal switched through by the demultiplexer is present at its input, it takes it over to its output and for the modulation Holds available.
Um zu vermeiden, dass ein potentieller Angreifer Informationen über die konkrete Umschaltung erlangen kann, kann vorgesehen sein, dass ein AM-Pulse Carver vorgesehen ist, der dazu ausgebildet ist, ein bei ihm einlangendes Lasersignal zu unterdrücken oder an seinen Ausgang durchzulassen, und der von der Steuerschaltung derart geschaltet ist, dass der AM-Pulse Carver das dem jeweiligen Modulator jeweils zugeführte Lasersignal in Zeitabschnitten, in denen der analoge elektrische Zufallssignalwert seinen Wert ändert, / 25 insbesondere während der Zeitabschnitte, zu denen die Abtast-Halte-Schaltungen aktiviert sind, unterbrochen oder gedämpft wird, insbesondere mit einer Dämpfung von mindestens 30 dB.In order to avoid that a potential attacker can obtain information about the specific switchover, it can be provided that an AM pulse carver is provided which is designed to suppress a laser signal arriving at it or to pass it through to its output, and that of the control circuit is switched in such a way that the AM pulse carver receives the laser signal supplied to the respective modulator in periods in which the analog electrical random signal value changes its value, in particular during the periods in which the sample-and-hold circuits are activated, is interrupted or attenuated, especially with an attenuation of at least 30 dB.
Nach der Übermittlung eines optischen normalverteilten Zufallssignals von einem Sender zu einem Empfänger kann der Empfänger das betreffende Signal dekodieren und die einzelnen Zufallszahlen aus dem Signal rekonstruieren. Dabei treten gerade bei den in der Quantenkryptografie verwendeten, stark abgeschwächten Signalen höhere Fehlerraten auf, die im Anschluss mit aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren korrigiert werden können. Im Rahmen eines solchen Korrektur-Verfahrens können Sender und Empfänger unterschiedliche, vom jeweiligen Schlüssel abgeleitete Datenwerte über eine gewöhnliche, nicht sichere Leitung übertragen und derart letztendlich sicherstellen, dass sowohl Sender als auch Empfänger jeweils über denselben Schlüssel verfügen.After the transmission of an optical, normally distributed random signal from a transmitter to a receiver, the receiver can decode the relevant signal and reconstruct the individual random numbers from the signal. In this case, higher error rates occur especially in the strongly attenuated signals used in quantum cryptography, which can subsequently be corrected using methods known from the prior art. In the context of such a correction method, the sender and receiver can transmit different data values derived from the respective key via a normal, non-secure line and ultimately ensure that both sender and receiver each have the same key.
In Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sendevorrichtung zur Erstellung eines normalverteilten optischen Signals dargestellt. Fig. 2 zeigt eine vereinfachte Sendevorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Fig. 3 zeigt einen Teil einer Ausführungsvariante der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform. Fig. 4 zeigt schematisch die Erstellung der einzelnen Zufallssignalwerte für die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsvariante der Erfindung.1 shows a first embodiment of a transmission device according to the invention for generating a normally distributed optical signal. 2 shows a simplified transmission device according to a second embodiment of the invention. FIG. 3 shows part of an embodiment variant of the embodiment shown in FIG. 1. FIG. 4 schematically shows the creation of the individual random signal values for the embodiment variant of the invention shown in FIG. 3.
In Fig. 1 ist ein Laser 1 dargestellt, der an seinem Ausgang ein insbesondere gepulstes Lasersignal S1 abgibt. Dieses Lasersignal S1 wird einem ersten Strahlteiler 10 zugeführt.1 shows a laser 1 which emits an especially pulsed laser signal S1 at its output. This laser signal S1 is fed to a first beam splitter 10.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden jeweils Strahlteiler 10, 11, 12a, 12b, 14, 15 mit zwei Eingängen und zwei Ausgängen verwendet. Bei diesen Strahlteilern 10, 11, 12a, 12b, 14, 15 werden die beiden an den jeweiligen Eingängen anliegenden optischen Signale miteinander überlagert und an den beiden Ausgängen zur Verfügung gehalten.In the present exemplary embodiment, beam splitters 10, 11, 12a, 12b, 14, 15 with two inputs and two outputs are used. In these beam splitters 10, 11, 12a, 12b, 14, 15, the two optical signals present at the respective inputs are superimposed on one another and kept available at the two outputs.
Die einzelnen Strahlteiler (Fig. 1a) fungieren auch als Mischer, wenn an ihren beiden Eingängen jeweils Signale anliegen, und/oder als Strahlteiler, wenn die an ihren beiden Ausgängen anliegenden Signale weiter verwendet werden. Die beiden an ihren Eingängen anliegenden optischen Signale werden hinsichtlich ihrer Feldstärke sowohl additiv als auch subtraktiv überlagert, sodass an einem der Ausgänge ein zur Summe der Eingangssignale proportionales Ausgangssignal und am anderen Ausgang ein zur Differenz der Eingangssignale proportionales Ausgangssignal anliegt.The individual beam splitters (FIG. 1a) also function as mixers when signals are present at their two inputs and / or as beam splitters when the signals at their two outputs are used further. The field strength of the two optical signals present at their inputs is both additive and subtractive, so that an output signal proportional to the sum of the input signals is present at one of the outputs and an output signal proportional to the difference between the input signals is present at the other output.
/ 25/ 25
Das Lasersignal Si wird über den ersten Strahlteiler 10 auf zwei unterschiedliche optische Leitungen geteilt. Der zweite Eingang des ersten Strahlteilers 10 bleibt dabei offen, sodass an den beiden Ausgängen des ersten Strahlteilers 10 jeweils ein dem Lasersignal S1 entsprechendes, optisches Signal anliegt.The laser signal Si is divided into two different optical lines via the first beam splitter 10. The second input of the first beam splitter 10 remains open, so that an optical signal corresponding to the laser signal S1 is present at the two outputs of the first beam splitter 10.
Ein an einem Ausgang des Strahlteilers 10 anliegendes optisches Signal ist an den Eingang eines zweiten Strahlteilers 11 geführt, an dessen anderen Eingang kein optisches Signal anliegt.An optical signal present at an output of the beam splitter 10 is led to the input of a second beam splitter 11, at the other input of which there is no optical signal.
Die beiden Ausgänge des zweiten Strahlteilers 11 sind wiederum jeweils an einen Eingang eines von zwei Strahlteilern 12a, 12b angeschlossen. Die jeweils anderen Eingänge dieser Strahlteiler 12a, 12b sind abgedunkelt, dh kein Licht gelangt über diese beiden Eingänge in den jeweiligen Strahlteiler 12a, 12b bzw zu den Ausgängen der beiden Strahlteiler 12a, 12b. Diese Abdunkelung der Eingänge der Strahlteiler 12a, 12b hat zur Wirkung, dass an den jeweiligen Eingängen normalverteiltes optisches Vakuumrauschen auftritt.The two outputs of the second beam splitter 11 are each connected to an input of one of two beam splitters 12a, 12b. The respective other inputs of these beam splitters 12a, 12b are darkened, ie no light reaches the respective beam splitter 12a, 12b or the outputs of the two beam splitters 12a, 12b via these two inputs. This darkening of the inputs of the beam splitters 12a, 12b has the effect that normal vacuum vacuum noise occurs at the respective inputs.
In weiterer Folge wird zur Verstärkung des relativ schwachen Vakuum-Rauschsignals eine Signalmultiplikation des Lasersignals mit dem Vakuum-Rauschsignal durch Hintereinanderschaltung eines Strahlteilers und eines balanced receiver 2a, 2b vorgenommen. Der Strahlteiler 12a überlagert die elektromagnetischen Felder des optischen Lasersignals und des Vakuum-Rauschsignals, wobei das Vakuum-Rauschsignal um 180 Grad phasenverschoben bzw invertiert wird, sodass an einem Ausgang des Strahlteilers 12a, 12b ein Signal anliegt, dessen Signalamplitude der Differenz der beiden eingehenden Signale entspricht, während das Signal am jeweils anderen Ausgang des Strahlteilers 12a, 12b der Summe der Amplituden der einlangenden Signale entspricht. Die am Ausgang des Strahlteilers anliegenden optischen Signale werden dem balanced receiver 2a, 2b zugeführt, der an seinen optischen Eingängen jeweils eine Fotodiode aufweist, deren Ausgangssignal etwa dem Quadrat der ermittelten Amplituden der einlangenden Signale entspricht. Die beiden Fotodioden sind in Serie geschalten, wobei die beiden Enden der Serienschaltungen an eine vorgegebene Spannungsquelle angeschlossen sind. Der Anschluss, an dem die beiden Fotodioden miteinander verbunden sind, weist ein Signal mit einem Spannungswert auf, der proportional zum Produkt der Amplituden der beiden einlangenden Signale ist (Fig. 1a), sodass am Ausgang ein elektrisches Signal zur Verfügung steht, das in seiner statistischen Varianz etwa dem Lasersignal S1 entspricht, dessen zeitliche Signalform jedoch der des Vakuum-Rauschsignals entspricht.Subsequently, to amplify the relatively weak vacuum noise signal, the laser signal is multiplied by the vacuum noise signal by connecting a beam splitter and a balanced receiver 2a, 2b in series. The beam splitter 12a superimposes the electromagnetic fields of the optical laser signal and the vacuum noise signal, the vacuum noise signal being phase-shifted or inverted by 180 degrees, so that a signal is present at an output of the beam splitter 12a, 12b, the signal amplitude of which is the difference between the two incoming signals corresponds, while the signal at the other output of the beam splitter 12a, 12b corresponds to the sum of the amplitudes of the incoming signals. The optical signals present at the output of the beam splitter are fed to the balanced receiver 2a, 2b, each of which has a photodiode at its optical inputs, the output signal of which corresponds approximately to the square of the determined amplitudes of the incoming signals. The two photodiodes are connected in series, the two ends of the series connections being connected to a predetermined voltage source. The connection at which the two photodiodes are connected to one another has a signal with a voltage value which is proportional to the product of the amplitudes of the two incoming signals (FIG. 1a), so that an electrical signal is available at the output which is in its statistical variance roughly corresponds to the laser signal S1, the temporal signal shape of which corresponds to that of the vacuum noise signal.
Zusammenfassend wird also am Ausgang des ersten balanced receiver 2a ein elektrisches Signal S2a erhalten, das dem Vakuum-Rauschsignal am Eingang des ersten Strahlteilers 12a entspricht und am Ausgang des zweiten balanced receiver 2b wird ein elektrisches Signal / 25In summary, an electrical signal S2a is obtained at the output of the first balanced receiver 2a, which corresponds to the vacuum noise signal at the input of the first beam splitter 12a, and an electrical signal / 25 is obtained at the output of the second balanced receiver 2b
S2b erhalten, das dem Vakuum-Rauschsignal am Eingang des zweiten Strahlteilers 12b entspricht. Die beiden Vakuum-Rauschsignale an den jeweiligen Eingängen der Strahlteiler 12a, 12b sind miteinander nicht korreliert und stellen voneinander unabhängige normalverteilte Zufallszahlen dar.S 2b obtained, which corresponds to the vacuum noise signal at the input of the second beam splitter 12b. The two vacuum noise signals at the respective inputs of the beam splitters 12a, 12b are not correlated with one another and represent normally distributed random numbers that are independent of one another.
Die beiden von den balanced receivers 2a, 2b erstellten elektrischen, normalverteilten Zufallssignale werden jeweils einem analogen Abtast-Halte-Schaltung 3a, 3b zugeordnet, das zu vorgegebenen, insbesondere periodischen, Zeitpunkten das Ausgangssignal des jeweiligen balanced receivers 2a, 2b am jeweiligen Ausgang der Abtast-Halte-Schaltung 3a, 3b übernimmt. Die konkrete Taktung der beiden Abtast-Halte-Schaltung 3a, 3b wird dabei von einer externen Steuereinheit 21 vorgenommen, die insgesamt taktgesteuert ist. Die Taktfrequenz beträgt dabei etwa 100 MHz bis 10 GHz.The two electrical, normally distributed random signals generated by the balanced receivers 2a, 2b are each assigned to an analog sample and hold circuit 3a, 3b which, at predetermined, in particular periodic, times, the output signal of the respective balanced receiver 2a, 2b at the respective output of the samples Hold circuit 3a, 3b takes over. The actual clocking of the two sample-and-hold circuits 3a, 3b is carried out by an external control unit 21, which is clock-controlled overall. The clock frequency is approximately 100 MHz to 10 GHz.
Der jeweilige Ausgang der beiden Abtast-Halte-Schaltungen 3a, 3b wird jeweils einem Analog-Digital-Konverter 4a, 4b zugeführt, der an seinem jeweiligen Ausgang jeweils ein Digitalsignal S4a bzw. S4b zur Verfügung hält, das zur weiteren Verarbeitung an die Steuereinheit 21 übermittelt wird. Insbesondere kann im Rahmen des getakteten Vorgehens durch die Steuereinheit 21 vorgesehen sein, dass nach der Übernahme der Zufallssignale S2a, S2b in die jeweilige Abtast-Halte-Schaltung 3a, 3b nach dem Ende der jeweiligen Taktperiode erneut eine Analog-Digital-Konversion vorgenommen wird und nach Beendigung der Analog-Digital-Konversion neuerlich Werte von den Abtast-Halte-Schaltungen 3a, 3b übernommen werden usw.The respective output of the two sample-and-hold circuits 3a, 3b is supplied to an analog-digital converter 4a, 4b, which has a digital signal S4a or S4b available at its respective output, which is sent to the control unit 21 for further processing is transmitted. In particular, within the framework of the clocked procedure, the control unit 21 can provide for an analog-digital conversion to be carried out again after the random signals S 2a , S 2b have been transferred to the respective sample-and-hold circuit 3a, 3b after the end of the respective clock period and after the analog-digital conversion has ended, values are again taken over by the sample-and-hold circuits 3a, 3b, etc.
Die so erstellten, zeitlich stückweise konstanten, am Ausgang der Abtast-Halte-Schaltungen 3a, 3b vorliegenden, elektrischen Signale werden jeweils einer Verstärkereinheit bzw. Abschwächereinheit 5a, 5b zugeführt, wodurch verstärkte bzw. abgeschwächte Signale S5a, S5b erhalten werden. Das erste verstärkte Signal S5a wird einem ersten Modulator 7a als Modulationssignal zugeführt, das zweite verstärkte Signal S5b wird einem zweiten Modulator 7b als Modulationssignal zugeführt.The electrical signals thus created, which are constant in parts and are present at the output of the sample-and-hold circuits 3a, 3b, are each fed to an amplifier unit or attenuator unit 5a, 5b, as a result of which amplified or attenuated signals S 5a , S 5b are obtained. The first amplified signal S 5a is fed to a first modulator 7a as a modulation signal, the second amplified signal S 5b is fed to a second modulator 7b as a modulation signal.
Weiters wird den beiden Modulatoren 7a, 7b jeweils ein optisches Signal S6 zugeführt, das von einem AM-Pulse Carver 6 erstellt wurde. Dabei handelt es sich um einen Amplituden Modulator, der das einlangende Lasersignal S1 während eines Intervalls I1, I2, I3, innerhalb dessen an den Abtast-Halte-Schaltungen 3a, 3b jeweils konstante Zufallssignalwerte anliegen nahezu ungehindert passieren lässt, während er das einlangende Lasersignal S1 während des Zeitraums der Umschaltung der Zufallssignalwerte zwischen den Intervallen I1, I2 unterdrückt oder dämpft, insbesondere mit einer Abschwächung von zumindest 30 dB. Dies hat den Vorteil, dass ein potentieller Angreifer keine Informationen über die konkrete Umschaltung erlangen kann.Furthermore, the two modulators 7a, 7b are each supplied with an optical signal S 6 , which was generated by an AM pulse carver 6. It is an amplitude modulator that allows the incoming laser signal S 1 to pass almost unhindered during an interval I 1 , I 2 , I 3 , within which constant random signal values are present at the sample-and-hold circuits 3a, 3b, while it is the incoming laser signal S1 is suppressed or attenuated during the period of switching the random signal values between the intervals I 1 , I2, in particular with an attenuation of at least 30 dB. This has the advantage that a potential attacker cannot obtain information about the specific switchover.
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Der AM Pulse Carver 6 wandelt also ein kontinuierliches Lasersignal in eine Sequenz zeitlich getrennter Laserpulse um. Ein AM-Pulse Carver kann insbesondere dann zum Einsatz kommen, wenn das optische Signal S6 von einem Dauerstrich- (oder Continuous-wave) Laser erzeugt wird. Wird hingegen das optische Signal S6 von einem gepulsten Laser erzeugt, dann erübrigt sich der AM-Pulse Carver 6.The AM Pulse Carver 6 thus converts a continuous laser signal into a sequence of temporally separated laser pulses. An AM pulse carver can be used in particular if the optical signal S 6 is generated by a continuous wave (or continuous wave) laser. If, on the other hand, the optical signal S6 is generated by a pulsed laser, the AM-Pulse Carver 6 is not necessary.
Anstelle des Lasersignals S1 kann für die Erstellung des optischen Signals S6 auch ein beliebiges anderes Lasersignal verwendet werden. In diesem Fall ist eine weitere Laserquelle vor dem AM-Pulse Carver 6 vorzusehen. Für den Fall, dass ein gepulster Laser verwendet wird, kann dieser direkt an den Modulator angeschlossen werden.Instead of the laser signal S 1 , any other laser signal can also be used to generate the optical signal S 6 . In this case, another laser source must be provided in front of the AM-Pulse Carver 6. In the event that a pulsed laser is used, it can be connected directly to the modulator.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird das vom AM-Pulse Carver 6 erstellte Signal bzw alternativ das gepulste Lasersignal an einen Strahlteiler 14 geleitet, dessen beide Ausgänge an die beiden Modulatoren 7a, 7b als zu modulierende optische Signale angeschlossen sind. Die Modulatoren erstellen dabei jeweils ein optisches quadraturmoduliertes Signal S7a, S7b das die optisches Frequenz des Lasersignals S6 aufweist und dessen jeweilige Quadratur jeweils dem verstärkten Zufallssignalwert S5a, S5b entspricht.In the present exemplary embodiment, the signal generated by the AM pulse carver 6 or alternatively the pulsed laser signal is passed to a beam splitter 14, the two outputs of which are connected to the two modulators 7a, 7b as optical signals to be modulated. The modulators each generate an optical quadrature-modulated signal S 7a , S 7b which has the optical frequency of the laser signal S 6 and whose respective quadrature corresponds to the amplified random signal value S 5a , S 5b .
Die beiden optischen Ausgänge der Modulatoren 7a, 7b sind jeweils an die Eingänge eines Strahlteilers 15 angeschlossen, wobei zwischen dem Ausgang des Modulators 7b und dem Strahlteiler 15 ein Verzögerungsglied 8 vorgesehen ist, das für das modulierte LasersignalThe two optical outputs of the modulators 7a, 7b are each connected to the inputs of a beam splitter 15, a delay element 8 being provided between the output of the modulator 7b and the beam splitter 15, which is used for the modulated laser signal
S7b eine Phasenverzögerung von 90° bzw.S 7b a phase delay of 90 ° or
— bewirkt. Das vom ersten Modulator 7a modulierte Lasersignal S7a sowie das vom zweiten Modulator 7b erstellte und durch das Verzögerungsglied 8 verzögerte Signal werden im Strahlteiler 15 überlagert einem Abschwächer 9 zugeführt. Am Ausgang des Abschwächers 9 wird ein optisch moduliertes Zufallssignal S zur Verfügung gehalten.- causes. The laser signal S7a modulated by the first modulator 7a and the signal generated by the second modulator 7b and delayed by the delay element 8 are superimposed in the beam splitter 15 and fed to an attenuator 9. An optically modulated random signal S is kept available at the output of the attenuator 9.
In Fig. 2 ist eine zweite einfachere Ausführungsform der Erfindung näher dargestellt. Diese umfasst einen Laser 101, der dem Laser der ersten Ausführungsform der Erfindung entspricht und gepulstes Laserlicht S1 abgibt. Dieses wird in einem ersten Strahlteiler 110 auf zwei Signalteile aufgeteilt, wobei ein Teil einem Eingang eines zweiten Strahlteilers 112 zugeführt wird. Der zweite Eingang des zweiten Strahlteilers 112 wird abgedunkelt, sodass an diesem Eingang ein Vakuumrauschen anliegt.A second, simpler embodiment of the invention is shown in more detail in FIG. This comprises a laser 101, which corresponds to the laser of the first embodiment of the invention and emits pulsed laser light S1. This is divided into two signal parts in a first beam splitter 110, a part being fed to an input of a second beam splitter 112. The second input of the second beam splitter 112 is darkened, so that vacuum noise is present at this input.
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Wie auch bei der ersten Ausführungsform der Erfindung liegen am Ausgang des zweiten Strahlteilers 112 jeweils zwei Signale an, die eine additive bzw subtraktive Überlagerung der beiden Eingangssignale aufweisen. Durch die konkrete Ausbildung des balanced receiver 102 wird ein Zufallssignal erhalten, das proportional zum Produkt der beiden Singale ist. Der balanced receiver 102 enthält zu diesem Zweck zwei Photodioden, wobei jeweils einer der Photodioden das durch additive Überlagerung des Vakuum-Rauschsignals und des Lasersignals erstellte Signal zugeführt ist und wobei der jeweils anderen Photodioden das durch subtraktive Überlagerung des Vakuumrauschsignals und des Lasersignals erstellte Signal zugeführt ist. Die beiden Photodioden erstellen ein zur Leistung proportionales elektrisches Strom- oder Spannungssignal, dh dieses Signal ist proportional zum Quadrat der Feldstärke der beiden am Eingang des balanced receiver 102 anliegenden Überlagerungssignale. Die beiden von den Photodioden erstellten Signale werden voneinander abgezogen, sodass ein Zufallssignal erhalten wird, das proportional zum Produkt des Vakuumrauschsignals und des Lasersignals ist.As in the first embodiment of the invention, two signals are present at the output of the second beam splitter 112, which have an additive or subtractive superposition of the two input signals. The specific design of the balanced receiver 102 results in a random signal that is proportional to the product of the two signals. For this purpose, the balanced receiver 102 contains two photodiodes, one of the photodiodes being supplied with the signal generated by the additive superposition of the vacuum noise signal and the laser signal, and the other photodiode being supplied with the signal generated by subtractive superposition of the vacuum noise signal and the laser signal , The two photodiodes produce an electrical current or voltage signal which is proportional to the power, ie this signal is proportional to the square of the field strength of the two superimposition signals present at the input of the balanced receiver 102. The two signals generated by the photodiodes are subtracted from one another, so that a random signal is obtained which is proportional to the product of the vacuum noise signal and the laser signal.
Dieses Zufallssignal S2 wird einer Abtast-Halte-Schaltung 103 (Sample-Hold-Schaltung), die zu vorgegebenen, insbesondere periodisch wiederkehrenden, Zeitpunkten aktiviert wird, zugeführt. Dabei wird der jeweilige zum Aktivierungszeitpunkt vorherrschende Signalwert als Spannungswert am Ausgang der Abtast-Halte-Schaltung 103 übernommen und liegt dort bis zum jeweils nächsten Aktivierungszeitpunkt als Zufallssignalwert S3 an.This random signal S 2 is fed to a sample-and-hold circuit 103 (sample-hold circuit), which is activated at predetermined, in particular periodically recurring, times. The respective signal value prevailing at the time of activation is adopted as a voltage value at the output of the sample and hold circuit 103 and is present there as a random signal value S3 until the next time of activation.
Der analoge Zufallssignalwert S3 wird für jedes Intervall einem Analog-Digital-Konverter 104 zugeführt, der einen dem analogen Zufallssignalwert S3 entsprechenden Digitalwert erstellt und gegebenenfalls abspeichert oder sonst zur Verfügung hält.The analog random signal value S 3 is fed for each interval to an analog-digital converter 104, which creates a digital value corresponding to the analog random signal value S3 and, if necessary, stores it or otherwise holds it available.
Innerhalb des Intervalls bis zum nächsten Aktivierungszeitpunkt wird der Zufallssignalwert am Ausgang der Abtast-Halte-Schaltung 103 gehalten und auch zur Ansteuerung eines elektrooptischen Modulators 107 genutzt. Dieser Modulator 107 erhält als optisches Eingangssignal den zweiten Signalteil des Lasersignals, der am zweiten Ausgang des ersten Strahlteilers 110 anliegt.Within the interval until the next activation time, the random signal value is held at the output of the sample-and-hold circuit 103 and is also used to control an electro-optical modulator 107. As an optical input signal, this modulator 107 receives the second signal part of the laser signal that is present at the second output of the first beam splitter 110.
Durch die Modulation wird am Ausgang des Modulators 107 ein Lasersignal erhalten, dessen Quadratur entsprechend dem Zufallssignalwert moduliert ist. Das Zufallssignal wird gegebenenfalls von einem Abschwächer 109 abgeschwächt.The modulation produces a laser signal at the output of the modulator 107, the quadrature of which is modulated in accordance with the random signal value. The random signal is possibly attenuated by an attenuator 109.
Das so erstellte Signal wird vorzugsweise an einen Empfänger übermittelt, der das Signal decodiert und verarbeitet. Wie auch bei den zuvor gezeigten Ausführungsformen der Erfindung ist es möglich, durch Austausch und Übermittlung von Daten, die aus dem / 25 empfangenen Signal abgeleitet wurden und von Daten, die aus den ermittelten analogdigital-codierten Daten abgeleitet wurden, einen gemeinsamen Schlüssel für die künftige Übertragung von verschlüsselten Daten zu erstellen.The signal generated in this way is preferably transmitted to a receiver, which decodes and processes the signal. As with the previously shown embodiments of the invention, it is possible to exchange and transmit data which have been derived from the / 25 received signal and data which have been derived from the determined analog-digital-coded data, a common key for the future Create encrypted data transfer.
Fig. 3 zeigt eine Variante der ersten Ausführungsform der Erfindung, mit der eine vereinfachte Generierung von Zufallszahlen einhergeht. Anders als die erste Ausführungsform der Erfindung verfügt diese Variante nur über einen einzigen balanced receiver 202, an dessen Ausgang ein analoger Auswahlschalter 220 angeschlossen ist. Dieser wird von einer Steuerschaltung 221 zu einzelnen vorgegebenen, insbesondere periodisch wiederkehrenden, Zeitpunkten t1a, t1b, t2a, t2b, t3a, t3b umgeschaltet, sodass das Zufallssignal S2 jeweils nur an einen der beiden Ausgänge weitergeleitet wird (Fig. 4). Den beiden Ausgängen der Auswahlschaltung 220 sind jeweils zwei hintereinander geschaltete Abtast-Halte-Schaltungen 203a, 203c; 203b 203d nachgeschaltet.FIG. 3 shows a variant of the first embodiment of the invention, which is accompanied by a simplified generation of random numbers. Unlike the first embodiment of the invention, this variant has only a single balanced receiver 202, to the output of which an analog selection switch 220 is connected. This is switched over by a control circuit 221 at individual predetermined, in particular periodically recurring, times t 1a , t 1b , t 2a , t 2b , t 3a , t 3b , so that the random signal S 2 is only forwarded to one of the two outputs (FIG 4). The two outputs of the selection circuit 220 are each provided with two sample-and-hold circuits 203a, 203c; 203b 203d downstream.
Zu einem ersten Zeitpunkt t1a, t2a, t3a innerhalb des jeweiligen Intervalls I1, I2, I3, an dem der Ausgang der Auswahlschaltung 220 der ersten Abtast-Halte-Schaltung 203a zugeführt ist, wird diese von der Steuerschaltung 221 zur Abtastung veranlasst und hält den abgetasteten Wert des Zufallssignals S2, in Fig. 4 durch eine punktierte Linie dargestellt, an ihrem Ausgang zur Verfügung und leitet diesen an den Eingang der ihr nachgeschalteten AbtastHalte-Schaltung 203c weiter.At a first point in time t1a, t2a, t3a within the respective interval I1, I2, I3 at which the output of the selection circuit 220 is fed to the first sample-and-hold circuit 203a, the latter is prompted by the control circuit 221 for sampling and holds the sampled one Value of the random signal S 2 , shown in FIG. 4 by a dotted line, is available at its output and passes it on to the input of the sample-and-hold circuit 203c connected downstream of it.
Zu einem zweiten Zeitpunkt t1b, t2b, t3b innerhalb des Intervalls I1, I2, I3, an dem der Ausgang der Auswahlschaltung 220 der zweiten Abtast-Halte-Schaltung 203b zugeführt ist, wird diese von der Steuerschaltung 221 zur Abtastung veranlasst und hält den abgetasteten Wert des Zufallssignals S2, in Fig. 4 durch eine punktierte Linie dargestellt, an ihrem Ausgang zur Verfügung und leitet diesen an den Eingang der ihr nachgeschalteten Abtast-HalteSchaltung 203d weiter. Am Ende t1, t2, t3 des Intervalls I1, I2, I3 werden die beiden nachgeschalteten Abtast-Halte-Schaltungen 203c, 203d von der Steuerschaltung 221 zur Abtastung veranlasst, sodass diese für das jeweils nachfolgende Intervall die ermittelten Zufallssignalwerte an ihrem Ausgang zur Verfügung stellen.At a second point in time t1b, t2b, t3b within the interval I1, I2, I3, at which the output of the selection circuit 220 is supplied to the second sample-and-hold circuit 203b, the latter is caused to be sampled by the control circuit 221 and holds the sampled value of the random signal S2, shown in FIG. 4 by a dotted line, is available at its output and passes it on to the input of the sample-and-hold circuit 203d connected downstream of it. At the end t1, t2, t3 of the interval I1, I2, I3, the two downstream sample-and-hold circuits 203c, 203d are caused to be sampled by the control circuit 221, so that they provide the ascertained random signal values at their output for the respective subsequent interval ,
Neben dem hier gezeigten Schaltschema können auch noch andere Möglichkeiten der Verschaltung vorgegeben werden. Insbesondere könnten auch die beiden Abtast-HalteSchaltungen 203c, 203d weggelassen werden, wobei sich gegebenenfalls dieIn addition to the circuit diagram shown here, other connection options can also be specified. In particular, the two sample-and-hold circuits 203c, 203d could also be omitted, with the
Abtastgeschwindigkeit verringern würde.Scanning speed would decrease.
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Die so für die weitere Verarbeitung benötigten Zufallssignalwerte S3a, S3b liegen am Ausgang der Abtast-Halte-Schaltungen 203c, 203d an. Basierend auf den Zufallswerten erstellen die beiden Analog-Digital-Konverter 204a, 204b jeweils Digitalwerte, die für die weitere Verarbeitung, insbesondere für einen nachfolgenden Schlüsselaustausch zur Verfügung gehalten werden.The random signal values S 3a , S 3b required for further processing are present at the output of the sample-and-hold circuits 203c, 203d. Based on the random values, the two analog-digital converters 204a, 204b each generate digital values that are kept available for further processing, in particular for a subsequent key exchange.
Die weitere Verarbeitung der Zufallssignalwerte erfolgt wie bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform der Erfindung, dh jeder der Zufallssignalwerte S3a, S3b wird jeweils einem Modulator als Modulationssignal zugeführt, das zur Modulation eines Lasersignals S1 verwendet wird. Die beiden so erstellten modulierten optischen Signale werden, gegebenenfalls nach Vornahme einer Phasenverschiebung überlagert, gegebenenfalls abgeschwächt und übertragen.The random signal values are processed further as in the embodiment of the invention shown in FIG. 1, ie each of the random signal values S3a, S3b is fed to a modulator as a modulation signal, which is used to modulate a laser signal S 1 . The two modulated optical signals produced in this way are superimposed, if necessary after a phase shift has been carried out, possibly attenuated and transmitted.
Bei allen dargestellten Ausführungsbeispielen der Erfindung kann das optische normalverteilte Zufallssignal an einen Empfänger über einen ersten Kommunikationskanal, insbesondere eine Glasfaserleitung, übermittelt werden. Das empfangene optische Singal wird vom Empfänger empfangen und gemessen. Dabei wird das optische normalverteilte Zufallssignal rekonstruiert und digitalisiert, sodass ein empfängerseitiges Digitalsignal erhalten wird. Dabei ist davon auszugehen, dass die Datenübertragung aufgrund der vorgenommenen Abschwächung nicht fehlerfrei erfolgt ist, sondern typischerweise Fehlerraten im Bereich von 20% bis 45% auftreten.In all of the illustrated exemplary embodiments of the invention, the optical, normally distributed random signal can be transmitted to a receiver via a first communication channel, in particular an optical fiber line. The received optical signal is received and measured by the receiver. The optical, normally distributed random signal is reconstructed and digitized so that a digital signal on the receiver side is obtained. It can be assumed that the data transmission was not error-free due to the weakening, but typically error rates in the range of 20% to 45% occur.
Zur Kompensation dieser Ferhlerraten sind aus dem Stand der Technik unterschiedliche Vorgehensweisen bekannt. Zur Kompensation wird typischerweise eine fehlerarme, jedoch nicht notwendigerweise abhörsichere, Datenleitung verwendet. Im Rahmen der Fehlerkompensation werden Daten, die auf dem von den Analog-Digital-Konvertern erstellten Zufallssignalen sowie auf den empfangenen digitalisierten Messdaten basieren, übermittelt und zur Erstellung eines beidseitig identen Schlüssels im Sender und Empfänger verwendet. Solche Korrekturverfahren, wie beispielsweise Low-Density-Parity-Check-Codes, sind aus dem Stand der Technik, beispielsweise aus Richardson, Urbanke: Modern Coding Theory, Cambridge University Press, 2008, Tomlinson et al: Error-Correction Coding and Decoding, Springer Open, 2017 bekannt.Different procedures are known from the prior art for compensating these sensor rates. A low-error, but not necessarily bug-proof, data line is typically used for compensation. In the context of error compensation, data based on the random signals generated by the analog-digital converters and on the received digitized measurement data are transmitted and used to generate a key that is identical on both sides in the transmitter and receiver. Such correction methods, such as low-density parity check codes, are from the prior art, for example from Richardson, Urbanke: Modern Coding Theory, Cambridge University Press, 2008, Tomlinson et al: Error-Correction Coding and Decoding, Springer Open, known in 2017.
Bei allen Ausführungsformen kann anstelle einer Abtast-Halte-Schaltung 3a, 3b auch ein Tiefpassfilter verwendet werden. Im Rahmen der Tiefpassfilterung wird dabei sichergestellt, dass sich die Werte am Ausgang des Tiefpassfilters nicht wesentlich über ein / 25In all embodiments, a low-pass filter can also be used instead of a sample and hold circuit 3a, 3b. The low-pass filtering ensures that the values at the output of the low-pass filter do not significantly exceed / 25
Übertragungsintervall ändern, sodass am Ausgang des Tiefpassfilters ein im Wesentlichen zeitlich konstanter Zufallssignalwert anliegt.Change the transmission interval so that an essentially temporally constant random signal value is present at the output of the low-pass filter.
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Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106445465A (en) * | 2016-11-21 | 2017-02-22 | 北京大学 | Generating device for true random number based on phase noise |
| CN107220026A (en) * | 2017-04-07 | 2017-09-29 | 太原理工大学 | A kind of method for producing quantum random number at a high speed based on vacuum state quantum fluctuation |
| CN107612686A (en) * | 2017-09-07 | 2018-01-19 | 中南大学 | One-dimensional modulation continuous variable quantum key distribution system and its implementation based on heterodyne detection |
-
2018
- 2018-03-09 AT ATA50203/2018A patent/AT520999A1/en not_active Application Discontinuation
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106445465A (en) * | 2016-11-21 | 2017-02-22 | 北京大学 | Generating device for true random number based on phase noise |
| CN107220026A (en) * | 2017-04-07 | 2017-09-29 | 太原理工大学 | A kind of method for producing quantum random number at a high speed based on vacuum state quantum fluctuation |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| REJ | Rejection |
Effective date: 20230715 |