RU2776030C1

RU2776030C1 - Two-pass phase modulation system for quantum key distribution

Info

Publication number: RU2776030C1
Application number: RU2022100258A
Authority: RU
Inventors: Юрий Владимирович Курочкин; Вадим Евгеньевич Родимин; Евгений Григорьевич Кривошеин; Алексей Николаевич Жаринов; Юрий Владимирович Дуркин
Original assignee: ОБЩЕСТВО С ОГРАНИЧЕННОЙ ОТВЕТСТВЕННОСТЬЮ "КуРэйт" (ООО "КуРэйт")
Filing date: 2022-01-11
Publication date: 2022-07-12

Abstract

FIELD: optics.

SUBSTANCE: invention relates to a two-pass phase modulation system for quantum key distribution. The two-pass phase modulation system for quantum key distribution with a strong reference impulse contains receiving and transmitting devices connected by a quantum channel, wherein the transmitting device contains the first circulator, the second circulator, a variable optical attenuator, a phase modulator, a beam splitter, a synchronous detector, at least two insulators, an accumulation line, a Faraday’s mirror, a polarization controller, the receiving device contains a laser, a circulator, the first beam splitter, at least two single photon detectors, the second beam splitter, a variable optical attenuator, a phase modulator, a photodetector, an optical terminator, a Mach-Zehnder interferometer with a delay line, a polarization beam splitter.

EFFECT: provision of the possibility of quantum key distribution with a strong reference impulse.

2 cl, 5 dwg

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИFIELD OF TECHNOLOGY

[0001] Настоящее техническое решение относится к области квантовой криптографии, а более конкретно к двухпроходной системе квантового распределения ключей с фазовым кодированием.[0001] The present technical solution relates to the field of quantum cryptography, and more specifically to a two-pass system for quantum key distribution with phase encoding.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND OF THE INVENTION

[0002] Квантовое распределение ключей (QKD) - это технология для совместной генерации случайных секретных ключей между двумя удаленными сторонами, обычно называемыми Алисой (передатчик) и Бобом (приемник), для обеспечения последующей безопасной связи. Безопасность QKD основана на фундаментальных законах квантовой физики, что обеспечивает теоретическую абсолютную безопасность и позволяет двум сторонам создавать общий случайный секретный ключ, известный только им, который затем может использоваться для шифрования и дешифрования сообщений. Благодаря бурному развитию области технологий обработки сигналов и миниатюризации фотоэлектрических устройств, технология QKD значительно продвинулась вперед, что привело к появлению рабочих безопасных систем на рынке.[0002] Quantum Key Distribution (QKD) is a technology for jointly generating random secret keys between two remote parties, commonly referred to as Alice (transmitter) and Bob (receiver), to ensure subsequent secure communication. The security of QKD is based on the fundamental laws of quantum physics, which provides theoretical absolute security and allows two parties to create a shared random secret key known only to them, which can then be used to encrypt and decrypt messages. With the rapid development of the field of signal processing technology and the miniaturization of photovoltaic devices, QKD technology has advanced significantly, leading to safe working systems in the market.

[0003] В таких системах вместо одиночных фотонов использовались ослабленные лазерные импульсы. Однако, наличие многофотонных состояний в лазерном импульсе и потерь в квантовом канале (QC) позволяло подслушивающему (Ева, от англ. Eavesdropper) устройству осуществлять атаку PNS (photon-number-splitting attack) [1]. Такая стратегия атаки является настолько эффективной, что существенно ограничивает дальность передачи ключей по оптическому каналу с использованием ослабленного импульса.[0003] In such systems, instead of single photons, attenuated laser pulses were used. However, the presence of multiphoton states in the laser pulse and losses in the quantum channel (QC) allowed the eavesdropping (Eve, from the English Eavesdropper) device to carry out a PNS attack (photon-number-splitting attack) [1]. Such an attack strategy is so effective that it significantly limits the range of key transmission over an optical channel using a weakened pulse.

[0004] Для противодействия такой атаке были разработаны различные решения. Так, наиболее популярным и эффективным решением является метод состояния приманки, подробнее раскрытый в [2-5], который значительно увеличивает расстояние QKD. Кроме того, существует также еще одно решение, которое было предложено в оригинальном протоколе В92 [6], заключающееся в отправке сильного опорного импульса, который всегда должен быть обнаружен на стороне Боба. Данное решение уступает методу состояния приманки в дальности QKD, однако является более простым с точки зрения обработки данных, связанных с ключами, и технической реализации. Как правило информационный бит в такой схеме кодируется в относительной фазе между сигнальным импульсом (SP) и сильным опорным импульсом (SRP). Использование SRP делает невозможным для Евы выполнение атаки PNS, что позволяет рассматривать решения, основанные на SRP, защищенными от такой атаки.[0004] Various solutions have been developed to counter such an attack. So, the most popular and effective solution is the decoy state method, described in more detail in [2-5], which significantly increases the QKD distance. In addition, there is also another solution that was proposed in the original B92 protocol [6], which is to send a strong reference pulse, which must always be detected on Bob's side. This solution is inferior to the QKD range decoy state method, but is simpler in terms of key-related data processing and technical implementation. Typically, the information bit in such a scheme is encoded in the relative phase between the signal pulse (SP) and the strong reference pulse (SRP). The use of SRP makes it impossible for Eve to perform a PNS attack, which allows SRP-based solutions to be considered safe from such an attack.

[0005] Так, из уровня техники известно решение, реализующее возможность QKD с помощью SRP. Указанное решение [7], описывает систему для применения В92 SRP в лабораторных условиях, в которой модифицирована оптическая схема Боба путем введения второго локального генератора, заблокированного в режиме SRP. Однако, такая система с увеличением расстояния обмена ключами теряет способность противостоять атаки PNS и обладает высокой сложностью в практической реализации.[0005] Thus, a solution is known from the prior art that implements the possibility of QKD using SRP. This solution [7] describes a system for applying B92 SRP in the laboratory, in which Bob's optical design is modified by introducing a second local oscillator blocked in SRP mode. However, as the key exchange distance increases, such a system loses its ability to resist PNS attacks and is highly complex in practical implementation.

[0006] Общим недостатком существующих решений является отсутствие эффективных систем QKD с SPR, обеспечивающих возможность безопасного обмена ключевой информацией на большие расстояния и обладающих относительной простотой реализации по сравнению с предшествующим уровнем техники. Кроме того, такого рода системы должны обеспечивать высокую скорость формирования секретного ключа.[0006] A common disadvantage of existing solutions is the lack of effective QKD systems with SPR, which provide the ability to securely exchange key information over long distances and have a relative ease of implementation compared to the prior art. In addition, such systems should provide a high speed of generating a secret key.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯDISCLOSURE OF THE INVENTION

[0007] Данное техническое решение направлено на устранение недостатков, присущих существующим решениям, известным из уровня техники.[0007] This technical solution is aimed at eliminating the shortcomings inherent in existing solutions known from the prior art.

[0008] Заявленное решение позволяет решить техническую проблему в части создания новой системы квантового распределения ключей с сильным опорным импульсом.[0008] The claimed solution allows solving a technical problem in terms of creating a new quantum key distribution system with a strong reference pulse.

[0009] Техническим результатом, достигающимся при решении данной проблемы, является обеспечение возможности квантового распределения ключей с сильным опорным импульсом.[0009] The technical result achieved in solving this problem is to enable quantum key distribution with a strong reference pulse.

[0010] Дополнительным техническим результатом, проявляющимся при решении вышеуказанной проблемы, является повышение безопасности квантового распределения ключей.[0010] An additional technical result, manifested in solving the above problem, is to increase the security of quantum key distribution.

[0011] Еще одним дополнительным техническим результатом, проявляющимся при решении вышеуказанной проблемы, является повышение скорости генерации ключа системы квантового распределения ключей с сильным опорным импульсом.[0011] Another additional technical result, manifested in solving the above problem, is to increase the key generation rate of a quantum key distribution system with a strong reference pulse.

[0012] Указанные технические результаты достигаются благодаря осуществлению двухпроходной системы фазовой модуляции для квантового распределения ключей (КРК) с сильным опорным импульсом, содержащей принимающее и передающее устройство, соединенные квантовым каналом, причем:[0012] These technical results are achieved through the implementation of a two-pass phase modulation system for quantum key distribution (QKD) with a strong reference pulse, containing a receiving and transmitting device connected by a quantum channel, and:

• передающее устройство содержит, первый циркулятор, выполненный с возможностью приема последовательности импульсов (трейн), состоящих из пар сигнального и опорного импульсов, посылаемых принимающим устройством, и направления их в линию хранения, второй циркулятор, выполненный с возможностью направления отраженных от зеркала Фарадея импульсов на первый циркулятор, переменный оптический аттенюатор, фазовый модулятор, выполненный с возможностью фазового сдвига импульсов, светоделитель, синхронный детектор, выполненный с возможностью контроля интенсивности как сигнального, так и опорного импульсов, по меньшей мере два изолятора, выполненные с возможностью блокировки фоновых отражений, возникающий при прохождении трейна через циркулятор, линию хранения, зеркало Фарадея, контроллер поляризации, выполненный с возможностью восстановления поляризационных преобразований трейнов импульсов после линии хранения;• the transmitter contains the first circulator configured to receive a sequence of pulses (train) consisting of pairs of signal and reference pulses sent by the receiving device and direct them to the storage line, the second circulator configured to direct the pulses reflected from the Faraday mirror to the first circulator, a variable optical attenuator, a phase modulator configured to phase shift the pulses, a beam splitter, a synchronous detector configured to control the intensity of both signal and reference pulses, at least two isolators configured to block background reflections that occur when passing the train through a circulator, a storage line, a Faraday mirror, a polarization controller configured to restore the polarization transformations of the pulse trains after the storage line;

• принимающее устройство, содержит лазер, выполненный с возможностью генерирования трейнов, циркулятор, выполненный с возможностью направления сгенерированного трейна в первый светоделитель, первый светоделитель, выполненный с возможностью разделения импульсов трейна и направления их в плечи интерферометра, по меньшей мере два детектора одиночных фотонов, второй светоделитель, выполненный с возможностью направления принимаемых импульсов, отраженных от зеркала Фарадея, в фотодетектор, переменный оптический аттенюатор, расположенный в длинном плече интерферометра для регулировки соотношения сигнального и опорного импульса, фазовый модулятор, фотодетектор, выполненный с возможностью контроля принимаемых импульсов, отраженных от зеркала Фарадея, оптический терминатор, выполненный с возможностью поглощения оптического излучения, интерферометр Маха-Ценднера с линией задержки, поляризационный светоделитель.• the receiving device contains a laser configured to generate trains, a circulator configured to direct the generated train to the first beam splitter, the first beam splitter configured to separate the train pulses and direct them to the arms of the interferometer, at least two detectors of single photons, the second a beam splitter configured to direct received pulses reflected from the Faraday mirror to a photodetector, a variable optical attenuator located in the long arm of the interferometer to adjust the ratio of the signal and reference pulses, a phase modulator, a photodetector configured to control the received pulses reflected from the Faraday mirror , an optical terminator capable of absorbing optical radiation, a Mach-Zendner interferometer with a delay line, a polarizing beam splitter.

[0013] В одном из частных вариантов реализации системы лазер испускает свет на телекоммуникационной длине волны 1550 нм.[0013] In one particular implementation of the system, the laser emits light at a telecommunications wavelength of 1550 nm.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

[0014] Признаки и преимущества настоящего изобретения станут очевидными из приводимого ниже подробного описания изобретения и прилагаемых чертежей.[0014] The features and advantages of the present invention will become apparent from the following detailed description of the invention and the accompanying drawings.

[0015] Фиг. 1 иллюстрирует блок-схему двухпроходной системы фазовой модуляции для квантового распределения ключей с сильным опорным импульсом.[0015] FIG. 1 illustrates a block diagram of a two-pass phase modulation system for quantum key distribution with a strong reference pulse.

[0016] Фиг. 2 иллюстрирует рефлектограмму временного окна детектирования импульсов.[0016] FIG. 2 illustrates a trace of the pulse detection time window.

[0017] Фиг. 3 иллюстрирует диаграмму измерения принимаемых ДОФ импульсов различной интенсивности.[0017] FIG. 3 illustrates a measurement diagram of received DOP pulses of various intensities.

[0018] Фиг. 4 иллюстрирует диаграмму ослепления детектора одиночных фотонов.[0018] FIG. 4 illustrates a blinding pattern for a single photon detector.

[0019] Фиг. 5 иллюстрирует диаграмму результата генерации ключей.[0019] FIG. 5 illustrates a diagram of the key generation result.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯIMPLEMENTATION OF THE INVENTION

[0020] Ниже будут описаны понятия и термины, необходимые для понимания данного технического решения.[0020] Concepts and terms necessary for understanding this technical solution will be described below.

[0021] Квантовое распределение ключей (QKD, Quantum Key Distribution) это технология для совместной генерации случайных секретных ключей между двумя удаленными сторонами для обеспечения последующей безопасной связи.[0021] Quantum Key Distribution (QKD) is a technology for jointly generating random secret keys between two remote parties to ensure subsequent secure communication.

[0022] Квантовый канал (QC, Quantum Channel) это канал связи, который может передавать квантовую информацию, а также классическую информацию.[0022] Quantum channel (QC, Quantum Channel) is a communication channel that can transmit quantum information as well as classical information.

[0023] Заявленное техническое решение предлагает новую систему квантового распределения ключей с сильным опорным импульсом, обеспечивающую возможность безопасного обмена ключами между двумя удаленными сторонами. Кроме того, заявленная система противодействует атаке PNS, за счет кодирования информации между сигнальным и сильным опорным импульсом. Реализация двухпроходной схемы обеспечивает возможность безопасного совместного обмена последовательностью импульсов (трейн), состоящей из сильных опорных и сигнальных импульсов, которые путешествуют вместе, что позволяет компенсировать поляризационные искажения, и, соответственно предотвращает атаку PNS. Расстояние между парой импульсов соответствует разности плечей интерферометра, что обеспечивает сохранение разности фаз между импульсами. Для достижения возможности передачи сильного опорного и сигнального импульсов, которые отличаются в десятки дБ, в заявленной системе введен ряд модификаций, которые более подробно описаны ниже. Кроме того, заявленное техническое решение, повышает скорость генерации ключа в системе квантового распределения ключей с сильным опорным импульсом за счет добавления в схему передающего устройства обратной петли, которая позволяет работать с сильными опорными импульсами уже не в одноипмульсном режиме, а трейнами.[0023] The claimed solution proposes a new strong reference quantum key distribution system that enables secure key exchange between two remote parties. In addition, the claimed system counteracts the PNS attack by encoding information between the signal and the strong reference pulse. The implementation of the two-pass scheme provides the possibility of safe joint exchange of a train of pulses (train) consisting of strong reference and signal pulses that travel together, which allows compensating for polarization distortions, and, accordingly, prevents a PNS attack. The distance between a pair of pulses corresponds to the difference between the interferometer arms, which ensures that the phase difference between the pulses is preserved. To achieve the possibility of transmitting strong reference and signal pulses, which differ by tens of dB, a number of modifications have been introduced in the claimed system, which are described in more detail below. In addition, the claimed technical solution increases the speed of key generation in a quantum key distribution system with a strong reference pulse by adding a reverse loop to the transmitter circuit, which allows you to work with strong reference pulses not in a single-pulse mode, but in trains.

[0024] На Фиг. 1 представлена блок схема двухпроходной системы фазовой модуляции для квантового распределения ключей с сильным опорным импульсом 100. Система 100 содержит принимающее устройство 200 (Боб) и передающее устройство 300 (Алиса), соединенные квантовым каналом 400.[0024] In FIG. 1 is a block diagram of a two-pass phase modulation system for quantum key distribution with a strong reference pulse 100. System 100 includes a receiver 200 (Bob) and a transmitter 300 (Alice) connected by a quantum channel 400.

[0025] Устройство Боба 200, в свою очередь, в одном частном варианте осуществления, содержит лазер 201, циркулятор 202, два детектора одиночных фотонов 203 204, первый светоделитель 205, второй светоделитель 206, переменный оптический аттенюатор 207, фазовый модулятор 208, фотодетектор 209, оптический терминатор 210, линия задержки 211, поляризационный светоделитель 212.[0025] Bob's device 200, in turn, in one particular embodiment, comprises a laser 201, a circulator 202, two single photon detectors 203 204, a first beam splitter 205, a second beam splitter 206, a variable optical attenuator 207, a phase modulator 208, a photodetector 209 , optical terminator 210, delay line 211, polarizing beam splitter 212.

[0026] Устройство Алисы 300, в свою очередь, в одном частном варианте осуществления, содержит первый циркулятор 301, второй циркулятор 302, первый изолятор 303, второй изолятор 304, переменный оптический аттенюатор 305, контроллер поляризации 306, светоделитель 307, синхронный детектор (синхродетектор) 308, линия хранения 309, фазовый модулятор 310, зеркало Фарадея 311.[0026] The Alice device 300, in turn, in one particular embodiment, comprises a first circulator 301, a second circulator 302, a first isolator 303, a second isolator 304, a variable optical attenuator 305, a polarization controller 306, a beam splitter 307, a synchronous detector (sync detector ) 308, storage line 309, phase modulator 310, Faraday mirror 311.

[0027] Элементы заявленных устройств 200 и 300 фиксируются между собой и несущими элементами конструкции с помощью широкого спектра сборочных операций, например, свинчивания, сочленения, спайки, склепки и др., в зависимости от наиболее подходящего способа крепления элементов.[0027] The elements of the claimed devices 200 and 300 are fixed between themselves and the supporting structural elements using a wide range of assembly operations, for example, screwing, articulation, soldering, riveting, etc., depending on the most suitable method of fastening the elements.

[0028] Устройство Алисы 300 и Боба 200 соединены между собой посредством квантового канала передачи данных 400, который может быть сформирован, например, посредством оптоволокна.[0028] Alice's device 300 and Bob's device 200 are interconnected via a quantum data link 400, which can be formed, for example, through an optical fiber.

[0029] Приготовление квантовых состояний осуществляется на стороне устройства Алисы 300, однако лазер 201, который генерирует импульсы, например, последовательность n линейно поляризованных многофотонных оптических импульсов - трейны, находится на стороне устройства Боба 200. Длина волны оптических импульсов для телекоммуникационных сетей составляет λ=1550 нм, приготовленные Бобом импульсы линейно поляризованы. «Алиса» 300 получает импульсы и осуществляет приготовление квантовых состояний, например, с помощью относительного фазового сдвига на величину: 0, π/2, π, 3π/2 между сигнальным и опорными импульсами. После этого «Алиса» 300 отправляет импульсы «Бобу» 200. Таким образом, непосредственную генерацию многофотонных оптических импульсов и детектирование ослабленных оптических импульсов (измерение) осуществляет устройство Боба 200, фазовое кодирование оптических импульсов и их ослабление до однофотонного состояния (приготовление) осуществляет устройство Алисы 300.[0029] The preparation of quantum states is carried out on the side of the Alice device 300, however, the laser 201, which generates pulses, for example, a sequence of n linearly polarized multiphoton optical pulses - trains, is on the side of the Bob device 200. The wavelength of optical pulses for telecommunication networks is λ= 1550 nm, pulses prepared by Bob are linearly polarized. "Alice" 300 receives pulses and performs the preparation of quantum states, for example, using a relative phase shift of 0, π/2, π, 3π/2 between the signal and reference pulses. After that, "Alice" 300 sends pulses to "Bob" 200. Thus, the direct generation of multiphoton optical pulses and the detection of attenuated optical pulses (measurement) is performed by the device Bob 200, the phase encoding of optical pulses and their attenuation to a single photon state (cooking) is performed by the device Alice 300.

[0030] Работа системы 100 осуществляется в ходе взаимодействия устройства Алисы 300 и Боба 200, в следующей последовательности.[0030] The operation of the system 100 is carried out during the interaction of the device Alice 300 and Bob 200, in the following sequence.

[0031] Трейн лазерных импульсов, сгенерированный лазером 201, «Боба» 200 сначала попадает на циркулятор 202, который направляет лазерное излучение на светоделитель 205, разделяющий каждый из импульсов пополам по интенсивности и направляющий их в длинное и короткое плечи интерферометра. Кроме того, циркулятор 202 также выполнен с возможностью направления идущих в обратную сторону оптических импульсов на вход детектора одиночных фотонов (ДОФ) 203, который осуществляет счет импульсов (срабатывает) в зависимости от значения фазовых сдвигов на фазовых модуляторах устройства Алисы 310 и устройства Боба 208.[0031] The laser pulse train generated by the laser 201, "Bob" 200 first enters the circulator 202, which directs the laser radiation to the beam splitter 205, which divides each of the pulses in intensity and directs them to the long and short arms of the interferometer. In addition, the circulator 202 is also configured to direct backward optical pulses to the input of the single photon detector (SPD) 203, which counts the pulses (triggers) depending on the value of the phase shifts on the phase modulators of the Alice device 310 and the Bob device 208.

[0032] Как было описано выше, при попадании трейна лазерных импульсов на светоделитель 205, каждый импульс расходится по 2-ум плечам интерферометра (длинное плечо и короткое плечо). В длинном плече интерферометра расположена линия задержки 211 заданной длины, например, 18 метров, и фазовый модулятор 208. Соответственно лазерный импульс, попавший в это плечо задерживается по отношению к лазерному импульсу в коротком плече интерферометра на определенную величину времени, которая зависит от длины линии задержки. Таким образом, на выходе поляризационного светоделителя 212 получается удвоенная последовательность лазерных импульсов, по сравнению с первоначальным трейном, при этом импульсы, преодолевшие длинное плечо интерферометра, имеют меньшую интенсивность из-за потерь, возникающих в линии задержки 211 и фазовом модуляторе 208, таким образом, импульсы в трейне образуют пары линейно поляризованных взаимно ортогональных импульсов.[0032] As described above, when a train of laser pulses hits the beam splitter 205, each pulse diverges over 2 arms of the interferometer (long arm and short arm). In the long arm of the interferometer there is a delay line 211 of a given length, for example, 18 meters, and a phase modulator 208. Accordingly, the laser pulse that hits this arm is delayed relative to the laser pulse in the short arm of the interferometer by a certain amount of time, which depends on the length of the delay line . Thus, at the output of the polarizing beam splitter 212, a double sequence of laser pulses is obtained, compared with the original train, while the pulses that have overcome the long arm of the interferometer have a lower intensity due to losses that occur in the delay line 211 and phase modulator 208, thus, the pulses in the train form pairs of linearly polarized mutually orthogonal pulses.

[0033] Далее трейн импульсов покидает устройства Боба 200 и через оптический квантовый канал 400 направляется в устройство Алисы 300. На этой стадии фазовый модулятор 207 в длинном плече интерферометра не задействуется.[0033] The pulse train then leaves Bob's device 200 and is routed through optical quantum channel 400 to Alice's device 300. At this stage, phase modulator 207 in the long arm of the interferometer is not activated.

[0034] В блоке Алисы 300 трейн лазерных импульсов перенаправляется первым циркулятором 301 в светоделитель 307 и разделяется светоделителем 307 таким образом, чтобы меньшая часть оптической мощности поступала на синхродетектор 308, который фиксирует момент прихода трейна импульсов. Кроме того, синхродетектор 308 также может служить для контроля интенсивности приходящих импульсов. Синхродетектор 308 обозначает время прихода лазерных импульсов на оптическую схему Алисы 300, что обеспечивает своевременную подачу электрических сигналов на фазовый модулятор 310 Алисы с соответствующей задержкой. Стоит отметить, что фиксирование момента прихода может осуществляться, например, для электронного управляющего устройства (не показано) для генерации синхронизующих сигналов, например, для функциональной ПЛИС, рассчитывающей по сигналу синхродетектора 308 момент выдачи управляющего сигнала на драйвер фазового модулятора 310 и т.д. Более подробно, принцип работы управляющих устройств был описан в патенте [8].[0034] In Alice block 300, the laser pulse train is redirected by the first circulator 301 to the beam splitter 307 and split by the beam splitter 307 so that a smaller portion of the optical power goes to the sync detector 308, which captures the moment of arrival of the pulse train. In addition, the sync detector 308 can also serve to monitor the intensity of the incoming pulses. Synchrodetector 308 indicates the time of arrival of the laser pulses on the optical circuit Alice 300, which ensures the timely supply of electrical signals to the phase modulator Alice 310 with an appropriate delay. It should be noted that fixing the moment of arrival can be carried out, for example, for an electronic control device (not shown) to generate clock signals, for example, for a functional FPGA that calculates, from the signal of the clock detector 308, the moment of issuing a control signal to the phase modulator driver 310, etc. In more detail, the principle of operation of the control devices was described in the patent [8].

[0035] Далее трейн импульсов поступает в линию хранения 309. После линии хранения 309 трейн импульсов перенаправляется вторым циркулятором 302 к фазовому модулятору 310, который осуществляет фазовый сдвиг сигнального импульса из каждой пары. Значение фазового сдвига 0, π/2, π, 3π/2 могут быть также определены электронным управляющим устройством, таким, как ПЛИС, случайным образом. После фазового модулятора 310, импульс отражается от зеркала Фарадея 311 и вновь поступает на фазовый модулятор 310. Данные о приложенных сдвигах фаз к трейну импульсов также сохраняются в электронном управляющем устройстве для дальнейшей передачи/обработки.[0035] Next, the pulse train enters the storage line 309. After the storage line 309, the pulse train is redirected by the second circulator 302 to the phase modulator 310, which phase shifts the signal pulse from each pair. The phase shift value 0, π/2, π, 3π/2 can also be randomly determined by an electronic control device such as an FPGA. After the phase modulator 310, the pulse is reflected from the Faraday mirror 311 and again fed to the phase modulator 310. Data on the applied phase shifts to the pulse train is also stored in the electronic control device for further transmission/processing.

[0036] Далее трейн оптических импульсов через циркулятор 302 последовательно попадает на выход устройства 300 Алисы через обходной путь, реализованный указанным циркулятором 302 и циркулятором 301. Кроме того, при движении трейна импульсов к выходу устройства 300, указанный трейн проходит через контроллер поляризации 306, который осуществляет поляризационное восстановление для указанной последовательности трейна импульсов. После контроллера 306 последовательность попадает на аттенюатор 305, который снова ослабляет трейн импульсов перед выходом в квантовый канал 400, теперь уже до состояния сравнимого с однофотонным.[0036] Next, the optical pulse train through the circulator 302 sequentially enters the output of the Alice device 300 through a bypass implemented by the specified circulator 302 and circulator 301. In addition, when the pulse train moves to the output of the device 300, the specified train passes through the polarization controller 306, which performs polarization reconstruction for the specified pulse train sequence. After the controller 306, the sequence enters the attenuator 305, which again attenuates the pulse train before entering the quantum channel 400, now to a state comparable to a single photon.

[0037] После прохождения квантового канала 400, трейн импульсов попадает на поляризационный светоделитель 212 устройства Боба. Так как импульсы в трейне, будучи взаимно попарно ортогонально поляризованными, изменили свою поляризацию на противоположную при отражении от зеркала Фарадея 311 и прохождении контроллера 306, то теперь поляризационный светоделитель 212 направляет импульс в длинное плечо, если до этого он прошел по короткому, и, наоборот, в короткое, если до этого он проходил по длинному. Проходя по длинному плечу интерферометра, оптические импульсы последовательно попадают в линию задержки 211 и далее поступают на светоделитель 206, который меньшую часть оптической мощности отправляет на фазовый модулятор 208, где осуществляется фазовый сдвиг на значения 0 или π/2 опорного импульса, ослабленного до уровня сигнального, а большую часть оптической мощности направляет в фотодетектор 208, выполненный с возможностью контроля интенсивности опорного импульса. Как было указано ранее, фазовый сдвиг может быть выполнен с помощью электронного управляющего устройства, такого как функциональная ПЛИС устройства Боба, которая может выдавать на драйвер фазового модулятора 208 команды о фазовом сдвиге на значения 0 или π/2 для проведения измерений.[0037] After passing the quantum channel 400, the pulse train enters the polarizing beam splitter 212 of Bob's device. Since the pulses in the train, being mutually pairwise orthogonally polarized, changed their polarization to the opposite when reflected from the Faraday mirror 311 and passing through the controller 306, now the polarizing beam splitter 212 directs the pulse to the long arm, if before that it passed along the short one, and vice versa , in the short one, if before that he went through the long one. Passing along the long arm of the interferometer, the optical pulses sequentially fall into the delay line 211 and then arrive at the beam splitter 206, which sends a smaller part of the optical power to the phase modulator 208, where the phase shift is carried out by 0 or π/2 values of the reference pulse, attenuated to the level of the signal , and sends most of the optical power to the photodetector 208, which is configured to control the intensity of the reference pulse. As stated earlier, the phase shift can be performed by an electronic control device, such as Bob's functional FPGA, which can command the phase modulator driver 208 to phase shift to 0 or π/2 for measurements.

[0038] Трейны оптических импульсов, проходящие по длинному и короткому плечу, интерферируют в светоделителе 205 и направляются на входы ДОФ 203, 204, через циркулятор 202, которые осуществляют счет импульсов (срабатывают) в зависимости от значения фазовых сдвигов на фазовых модуляторах устройства Алисы 300 и устройства Боба 200.[0038] The trains of optical pulses passing along the long and short arms interfere in the beam splitter 205 and are sent to the inputs of the DOP 203, 204, through the circulator 202, which count the pulses (trigger) depending on the value of the phase shifts on the phase modulators of the Alice device 300 and Bob's 200 devices.

[0039] Если разность фаз оптических импульсов составляет 0 или тс, то можно говорить о совместимости базисов «Алисы» и «Боба» при приготовлении и измерении одиночных фотонов, при этом результаты измерений будут определены. В том случае, когда разность фаз импульсов будет составлять π/2, или 3π/2 можно говорить о несовместимости базисов «Алисы» и «Боба», при этом ДОФ 203, 204 будут срабатывать случайным образом. Так, например, если оба фазовых модулятора устройств Алисы 300 и Боба 200 - не прикладывают сдвига, то на ДОФ 204 реализуется конструктивная интерференция (он срабатывает), а на ДОФ 203 - деструктивная (не срабатывает)[0039] If the phase difference of the optical pulses is 0 or TC, then we can talk about the compatibility of the bases "Alice" and "Bob" in the preparation and measurement of single photons, while the measurement results will be determined. In the case when the phase difference of the pulses will be π/2, or 3π/2, we can talk about the incompatibility of the "Alice" and "Bob" bases, while the DOP 203, 204 will work randomly. So, for example, if both phase modulators of Alice 300 and Bob 200 devices do not apply a shift, then constructive interference is realized on DOP 204 (it works), and on DOP 203 - destructive (does not work)

[0040] Таким образом, на сторонах устройств «Алисы» 300 и «Боба» 200 формируется «сырая» последовательность. В тех случаях, когда устройства Алисы 300 и Боба 200 использовали при приготовлении и измерении оптических импульсов один и тот же базис, они должны получить одинаковые значения битов данных (нулей и единиц).[0040] Thus, a "raw" sequence is formed on the sides of the Alice 300 and Bob 200 devices. In those cases where the devices of Alice 300 and Bob 200 used the same basis in the preparation and measurement of optical pulses, they should receive the same data bit values (zeros and ones).

[0041] Сформированный в результате взаимодействия устройств Алисы 300 и Боба 200 последовательность далее может быть подвергнута процедуре дальнейшей обработки, например, процедуре «просеивания».[0041] The sequence formed as a result of the interaction of the devices Alice 300 and Bob 200 can then be subjected to a further processing procedure, for example, a "sifting" procedure.

[0042] Так, например, для процедуры просеивания в систему 100, также может быть включен компьютер устройства Боба и компьютер устройства Алисы, подключенные к устройству Боба 200 и устройству Алисы 300 соответственно. Для «просеивания» Компьютер Боба отсылает компьютеру Алисы по открытому информационному каналу (например, Ethernet) массив данных с выбранными базисами измерений.[0042] So, for example, for the procedure of sifting into system 100, Bob's device computer and Alice's device computer connected to Bob's device 200 and Alice's device 300, respectively, can also be included. For "sifting" Bob's computer sends to Alice's computer via an open information channel (for example, Ethernet) an array of data with selected measurement bases.

[0043] По полученному массиву данных компьютер устройства Алисы определяет для каких импульсов выбранный устройством Боба базис измерения был верным (совпал с базисом приготовления), и формирует таблицу данных, содержащую номера импульсов в рамках пакета и значения переданных битов, являющуюся, по сути, итоговой последовательностью. Компьютеру Боба от компьютера Алисы сообщаются только номера импульсов пакета, по которым он на своей стороне формирует итоговую последовательность.[0043] Based on the received data array, the computer of Alice's device determines for which pulses the measurement basis selected by Bob's device was correct (coincident with the preparation basis), and generates a data table containing the pulse numbers within the packet and the values of the transmitted bits, which is, in fact, the final sequence. From Alice's computer, Bob's computer is informed only of the packet pulse numbers, according to which he forms the final sequence on his side.

[0044] Описанная система 100 основывается на схеме двухпроходной автоматической компенсации plug&play [9] и адаптирована для генерации как сигнального, так и сильного опорного импульсов. Так, из особенностей указанной системы 100, необходимо отметить наличие аттенюатора 207 в одном из плеч интерферометра устройства Боба 200 для регулировки соотношения сигнального/сильного опорного импульсов. Остальные преимущества системы 100 также раскрываются более подробно ниже.[0044] The described system 100 is based on a two-pass plug&play automatic compensation scheme [9] and is adapted to generate both signal and strong reference pulses. So, from the features of the specified system 100, it is necessary to note the presence of an attenuator 207 in one of the arms of the interferometer of Bob's device 200 to adjust the signal/strong reference pulse ratio. Other advantages of system 100 are also discussed in more detail below.

[0045] Так, из-за значительной разницы между интенсивностями сигнального и опорного импульсов, которая составляет более 60 дБ, любые отражения сильного опорного импульса, например на разъемах устройств 300 и 200, имеют гораздо большую интенсивность чем сигнальный импульс, и, следовательно, могут сделать такой импульс не обнаружимым.[0045] Thus, due to the significant difference between the intensities of the signal and the reference pulse, which is more than 60 dB, any reflections of a strong reference pulse, for example, at the connectors of devices 300 and 200, have a much greater intensity than the signal pulse, and therefore can make such an impulse undetectable.

[0046] Для решения указанной проблемы, в частности, для предотвращения обратного отражения и обратного Рэлеевского рассеяния, в устройство Алисы 300 был добавлен обходной путь, реализованный за счет двух одномодовых циркуляторов 301 и 302, например, циркуляторов Opto-Link OLCIR-I-3-155. Так, трейн импульсов, посылаемый Бобом 200, проходит через первый циркулятор 301, а затем полностью помещается внутри линии хранения 309. Когда головные импульсы трейна, отраженные в зеркале Фарадея 310, поступают на выход устройства 300 по обходному пути, реализованному с помощью второго циркулятора 302, наличие указанного пути, а также циркулятора 302 исключает перекрытие с хвостовыми импульсами трейна, за счет высокой изоляции между первым и третьим портами циркуляторов, которая может составлять более 70 дБ, а наличие первого изолятора 303 исключает фоновые отражения. Т.е. за счет высокой изоляции между портами циркуляторов 301 и 302 и наличием изоляторов 303 и 304 исключатся попадания отражаемых головных и хвостовых импульсов трейна в соседние пути (путь к зеркалу 310 и обратный путь) и исключаются фоновые отражения.[0046] To solve this problem, in particular to prevent back reflection and back Rayleigh scattering, a bypass was added to the Alice 300 device, implemented by two single-mode circulators 301 and 302, for example, Opto-Link OLCIR-I-3 circulators -155. Thus, the pulse train sent by Bob 200 passes through the first circulator 301, and then completely fits inside the storage line 309. When the head pulses of the train, reflected in the Faraday mirror 310, arrive at the output of the device 300 along the bypass implemented using the second circulator 302 , the presence of this path, as well as the presence of the circulator 302 eliminates overlap with the tail pulses of the train, due to the high isolation between the first and third ports of the circulators, which can be more than 70 dB, and the presence of the first insulator 303 eliminates background reflections. Those. due to the high isolation between the ports of the circulators 301 and 302 and the presence of insulators 303 and 304, the reflected head and tail pulses of the train are excluded from entering adjacent paths (the path to the mirror 310 and the return path) and background reflections are excluded.

[0047] Для увеличения размера трейна импульсов, поступающего от Боба 200, который не должен быть больше, чем расстояние линии от циркулятора 301 до фазового модулятора Алисы 310, на данный участок оптической схему установлена линия хранения 309. Линия 309 служит для того, чтобы вместить в себя все импульсы трейна. Длина линии хранения 309 и определяет количество импульсов в трейне. При движении трейна от Боба 200 к Алисе 300 неизбежно возникают множественные отражения на оптических неоднородностях, в основном на оптических разъемах. Эти отражения идут обратно к Бобу 200, и могут вызвать ложные срабатывания детекторов фотонов 203, 204, информативным же является только сигнал, полученный после отражения трейна от зеркала Фарадея 311 и возвращения его по обходному пути через циркуляторы 302 и 301 соответственно. Следовательно, для исключения наложения, например, отражений от хвостовых импульсов трейна входящих в циркулятор 301 и уже возвращающихся обратно головных импульсов трейна, применяется накопительная линия 309. Допустимое количество импульсов в последовательности определяется длиной линии хранения 309 и может быть вычислено по формуле:[0047] In order to increase the size of the pulse train coming from Bob 200, which should not be greater than the distance of the line from the circulator 301 to the phase modulator Alice 310, a storage line 309 is installed in this section of the optical circuit. Line 309 serves to accommodate into itself all the impulses of the train. The length of the storage line 309 determines the number of pulses in the train. When the train moves from Bob 200 to Alice 300, multiple reflections inevitably occur on optical inhomogeneities, mainly on optical connectors. These reflections go back to Bob 200, and can cause false alarms of photon detectors 203, 204, but only the signal received after the train is reflected from the Faraday mirror 311 and returned along the bypass path through circulators 302 and 301, respectively, is informative. Therefore, to avoid overlap, for example, reflections from the tail pulses of the train entering the circulator 301 and the head pulses of the train already returning back, an accumulation line 309 is used. The permissible number of pulses in a sequence is determined by the length of the storage line 309 and can be calculated by the formula:

N_p - допустимое количество импульсов в последовательностиN _p - allowable number of pulses in a sequence

Т - период следования импульсовT - pulse repetition period

ƒ - частота следования импульсовƒ - pulse repetition rate

n_ƒib - показатель преломления оптического волокнаn _ƒib - refractive index of the optical fiber

- длина линии хранения

- storage line length

C₀ - скорость светаC ₀ - speed of light

[0048] Так, для длины линии хранения 309, равной 10 км, частоты 5 МГц и показателя преломления оптического волокна 1.47, мы получаем допустимое количество импульсов, равное 245.[0048] So, for a storage line length of 309 equal to 10 km, a frequency of 5 MHz, and an optical fiber refractive index of 1.47, we get an allowable number of pulses equal to 245.

[0049] Важно отметить, что вводя обходной путь нарушается автоматическая компенсация поляризации схемы plug&play. Для устранения данной проблемы и восстановления поляризационных преобразований в устройстве 300 также был введен контроллер поляризации 306, который восстанавливает поляризацию импульсов.[0049] It is important to note that introducing a workaround violates the automatic polarization compensation of the plug&play circuit. To eliminate this problem and restore the polarization transformations in the device 300, a polarization controller 306 was also introduced, which restores the polarization of the pulses.

[0050] Далее рассмотрим потенциальные проблемы и пути решения в реализованной системе 100.[0050] Next, consider the potential problems and solutions in the implemented system 100.

[0051] Типичные значения отражений от волоконно-оптических коннекторов типа FC/PC и других оптических компонент составляют около 20 дБ, что на 4-5 порядков меньше требуемой разницы для сильного опорного и сигнального импульсов. Это необходимо учитывать при подготовке системы 100. Помимо обычных настроек для сигналов синхронизации КРК, лазерные импульсы с такой огромной разницей (более 60 дБ) в оптической схеме приводят к тому, что на первый план выходят следующие подготовительные процедуры:[0051] Typical reflection values from FC/PC type fiber optic connectors and other optical components are about 20 dB, which is 4-5 orders of magnitude less than the required difference for a strong reference and signal pulses. This must be taken into account when preparing system 100. In addition to the usual settings for QKD clock signals, laser pulses with such a huge difference (more than 60 dB) in the optical design lead to the following preparatory procedures coming to the fore:

- уменьшение отражений оптических сигналов от коннекторов;- reduction of reflections of optical signals from connectors;

- изоляция сигнального и сильного опорного импульса во временном масштабе и по поляризации;- isolation of the signal and strong reference pulse in time scale and polarization;

- минимизация временного окна детектора.- minimization of the time window of the detector.

[0052] Из-за большой интенсивности сильного опорного импульса, множество различных отражений неопределенного характера могут возвращаться обратно к детекторам одиночных фотонов, что приводит к затенению информационного сигнала.[0052] Due to the high intensity of a strong reference pulse, many different reflections of an undefined nature can return back to the single photon detectors, which leads to shadowing of the information signal.

[0053] Чтобы понять происхождение таких отраженных сигналов, были смоделированы схожие отражения в реализованной системе 100. Моделирование показало, что наиболее критичные паразитные отражения исходят от коннекторов на стороне устройства Алисы 300 между вторым циркулятором 302 и фазовым модулятором 310. Для решения данной проблемы коннекторы циркулятора 302 и модулятора 310 были заменены с коннекторов типа FC/PC на коннектор типа АРС, что обеспечило достаточную очистку сигнала.[0053] In order to understand the origin of such reflected signals, similar reflections were simulated in the implemented system 100. The simulation showed that the most critical spurious reflections come from the connectors on the side of the Alice device 300 between the second circulator 302 and the phase modulator 310. To solve this problem, the circulator connectors 302 and modulator 310 were changed from FC/PC connectors to an APC connector, which provided sufficient signal cleaning.

[0054] Когда контроллер поляризации не настроен для восстановления изменений поляризации, все импульсы возвращаются от Алисы к Бобу в произвольном состоянии поляризации. Следовательно сильный опорный импульс имеет ненулевую проекцию на состояние поляризации, которое соответствует короткому плечу интерферометра. В результате чего часть сильного опорного импульса с соответствующей составляющей поляризации проходит через поляризационный светоделитель, такой как светоделитель 212, и поступает светоделитель, такой как светоделитель 205, через короткое плечо интерферометра раньше запланированного времени т.е. когда от другого плеча не поступает импульс который мог бы интерферировать с указанным импульсом. На рефлектограмме, показанной на фиг. 2, полученной при сканировании, видно что опережающий импульс образует пик перед сигнальным в зависимости от разницы в длине плеч интерферометра. В результате, показанном на фиг. 2, длина плеча составляла 21 метр. Для решения данной проблемы контроллер поляризации, такой как контроллер 306 настраивается таким образом, чтобы минимизировать превышение пиковой интенсивности для поступления импульсов в правильные плечи интерферометра и как результат обеспечивать максимальную скорость КРК.[0054] When the polarization controller is not configured to recover polarization changes, all pulses are returned from Alice to Bob in an arbitrary polarization state. Therefore, a strong reference pulse has a non-zero projection on the polarization state, which corresponds to the short arm of the interferometer. As a result, a part of the strong reference pulse with the corresponding polarization component passes through a polarizing beam splitter, such as beam splitter 212, and a beam splitter, such as beam splitter 205, enters through the short arm of the interferometer ahead of schedule, i. when there is no impulse coming from the other arm that could interfere with the specified impulse. In the reflectogram shown in Fig. 2 obtained during scanning, it can be seen that the leading pulse forms a peak before the signal one, depending on the difference in the length of the interferometer arms. As a result, shown in FIG. 2, the arm length was 21 meters. To solve this problem, a polarization controller, such as controller 306, is tuned to minimize excess peak intensity for pulses to arrive at the correct arms of the interferometer and as a result maximize the QKD rate.

[0055] Для обнаружения слабых когерентных импульсов в интерферометрической схеме в качестве детекторов одиночных фотонов 203, 204 был использован четырехканальный ждущий детектор одиночных фотонов на сверхпроводящей нанопроволоке (Superconducting nanowire single-photon detector, SNSPD), такой как Scontel FCOPRS-CCR-TW-60/0.01. Чтобы уменьшить поглощение шума каждый щелчок SNSPD от лазерного импульса шириной 3 не записывается в течение короткого временного интервала в 5 не в память. За пределами этого временного окна детектор также будет срабатывать, но эти щелчки не записываются в память. Снижение шума также достигается уменьшением регистрационного слота (временное окно). Однако дрожание фронта сигнала (фазовый джиттер) на SNSPD который был использован в системе 100 оказалось сопоставимым с окном в 5 нс Следовательно компаратор с существенно меньшим дрожанием был введен в один канал SNSPD для оцифровки аналогового сигнала.[0055] To detect weak coherent pulses in the interferometric circuit, a four-channel standby Superconducting nanowire single-photon detector (SNSPD) such as Scontel FCOPRS-CCR-TW-60 was used as single photon detectors 203, 204 /0.01. To reduce noise attenuation, each SNSPD click from a 3-width laser pulse is not recorded for a short time interval of 5 not into memory. Outside of this time window, the detector will also fire, but these clicks are not stored in memory. Noise reduction is also achieved by reducing the registration slot (time window). However, the edge jitter (phase jitter) on the SNSPD used in system 100 proved to be comparable to a 5 ns window. Therefore, a significantly lower jitter comparator was introduced into one channel of the SNSPD to digitize the analog signal.

[0056] Для оценки оптических и шумовых характеристик системы 100, скорректированной на разность интенсивностей сигнального и сильного опорного импульсов на величину 65 дБ были измерены кривые интерференции детекторов одиночных фотонов 203, 204 в зависимости от сдвига фазы при различных интенсивностях лазера (фиг. 3). Результат измерения показал, что с увеличением отношения сигнального к сильному опорному импульсу также растут максимальные и минимальные интенсивности. Это приводит к увеличению шума, что снижает возможность детектирования сигнального импульса.[0056] To evaluate the optical and noise characteristics of the system 100 corrected for the difference in intensities of the signal and strong reference pulses by 65 dB, the interference curves of the single photon detectors 203, 204 were measured as a function of the phase shift at various laser intensities (Fig. 3). The measurement result showed that with an increase in the ratio of the signal to a strong reference pulse, the maximum and minimum intensities also increase. This leads to an increase in noise, which reduces the possibility of detecting a signal pulse.

[0057] После поглощения фотонов SNSPD переходит в состояние, характеризующееся образованием несверхпроводящей области. Падение напряжения на нанопроволке составляет около 1 мВ. Переход обратно в рабочее состояние связан с поглощением тепла выделяемого на нанопроволке и составляет около нескольких наносекунд. С увеличением энергии импульсов требуется больше времени чтобы поглотить эту энергию и вернуть детектор обратно в рабочее состояние из нестабильного. На фиг. 4 это интерпретируется как как образование шумного хвоста после фронта SNSPD ответного сигнала. В нашем случае наличие опережающего паразитного импульса обеспечивает задержку в 21 метр до того момента, пока информационный сигнал столкнется с эффектом ослепления детектора SNSPD свободного хода. Если опережающий импульс достаточно яркий, шумный хвост после него приводит к следу ложных обнаружений, которые по мере увеличения яркости (интенсивности) импульсов достигают сигнального импульса. В связи с этим, необходимо более точно регулировать отношение сигнального и сильного опорного импульса на контроллере поляризации 306, чтобы уменьшить опережающий паразитный импульс.[0057] After absorbing photons, the SNSPD enters a state characterized by the formation of a non-superconducting region. The voltage drop across the nanowire is about 1 mV. The transition back to the working state is associated with the absorption of heat released on the nanowire and is about several nanoseconds. As the energy of the pulses increases, it takes more time to absorb this energy and return the detector back to working condition from unstable. In FIG. 4, this is interpreted as the formation of a noisy tail after the rising edge of the response SNSPD. In our case, the presence of a leading parasitic pulse provides a delay of 21 meters until the information signal collides with the blinding effect of the freewheel SNSPD detector. If the leading pulse is bright enough, the noisy tail after it leads to a trail of false detections that, as the brightness (intensity) of the pulses increases, reach the signal pulse. In this regard, it is necessary to more precisely control the ratio of the signal and the strong reference pulse on the polarization controller 306 in order to reduce the leading spurious pulse.

[0058] Таким образом увеличение интенсивности лазерных импульсов приводит не только к рассеянной засветке всей линии, но и, из-за ослепления детектора, приводит и к увеличению возникновения ошибок и ложных срабатываний.[0058] Thus, an increase in the intensity of laser pulses leads not only to diffuse illumination of the entire line, but also, due to blinding of the detector, also leads to an increase in the occurrence of errors and false positives.

[0059] Решение данной проблемы также основано на точной настройке контроллера поляризации, такого как контроллер 306.[0059] The solution to this problem is also based on the fine tuning of the polarization controller, such as the controller 306.

[0060] Далее рассмотрим результаты проверки работоспособности системы 100. Для обеспечения работоспособности схемы не имеет значения какой протокол, поддерживающий передачу с сильным опорным импульсом, использовать в качестве протокола передачи КРК. Так, в одном частном варианте осуществления был выбран протокол ВВ84, однако очевидно, что также в качестве протокола может быть использован протокол ВВ92. Так, результаты генерации ключей системой 100 с помощью протокола ВВ84 приведены на Фиг. 5. Сильный опорный импульс был выбран таким образом, чтобы он имел максимальную яркость (интенсивность), но при этом не ослеплял ДОФ. Уровень квантовых ошибок равен 1,5 2% для волоконно-оптической схемы с интерферометром Маха Цендера. Был использован квантовый канал длиной 1 км. Эффективность ДОФ SNSPD установлена на уровне 25% при частоте 100 Гц затененного, сильным опорным, импульса. По мере уменьшения энергии сигнального импульса преобладают теневые импульсы при измерении ДОФ. При этом начинает расти уровень квантовых ошибок, а видимость уменьшается (Фиг. 5). Приемлемая относительная разница между сигнальным и сильным опорным импульсом была получена на уровне = 65 дБ при μ=0,005 фотона на сигнальный импульс, где μ - число фотонов в ослабленном лазерном импульсе, который используется вместо однофотонных состояний, т.е. когерентное состояние со средним числом фотонов.[0060] Next, consider the results of the system health check 100. To ensure the health of the scheme, it does not matter which protocol that supports strong reference transmission is used as the QKD transmission protocol. So, in one particular embodiment, the BB84 protocol was chosen, however, it is obvious that the BB92 protocol can also be used as a protocol. Thus, the results of key generation by system 100 using the BB84 protocol are shown in FIG. 5. A strong reference pulse was chosen so that it had the maximum brightness (intensity) but did not blind the DOP. The level of quantum errors is equal to 1.5 2% for a fiber-optic scheme with a Mach-Zehnder interferometer. A quantum channel 1 km long was used. The DOP efficiency of the SNSPD is set at 25% at a frequency of 100 Hz of a shadowed, strong reference pulse. As the energy of the signal pulse decreases, shadow pulses dominate in the measurement of the DOF. In this case, the level of quantum errors begins to grow, and visibility decreases (Fig. 5). An acceptable relative difference between the signal and strong reference pulse was obtained at a level of = 65 dB at μ=0.005 photons per signal pulse, where μ is the number of photons in the attenuated laser pulse, which is used instead of single-photon states, i.e. coherent state with an average number of photons.

[0061] Как указывалось выше, для обеспечения безопасности системы КРК с сильным опорным импульсом, сильный опорный импульс должен быть всегда обнаружен на стороне Боба (для противодействия атаке PNS). В разработанной системе 100 указанное требование было выполнено с помощью фотодетектора 208. Большая часть мощности сильного опорного импульса поступает в фотодетектор 208, когда трейн импульсов возвращается. При этом точность управления сильным опорным импульсом становится ключевой частью рассмотрения безопасности, определяя соотношение интенсивности сигнального и сильного опорного импульса и расстоянием (длиной) квантового канала. При направленном фотодетекторе основным источником шума является тепловой шум. Для минимизации таких шумов в системе 100 были использованы высококачественные фотодетекторы известные из уровня техники.[0061] As stated above, in order to secure a strong reference QKD system, a strong reference must always be detected on Bob's side (to counter PNS attack). In the developed system 100, this requirement was met by the photodetector 208. Most of the power of the strong reference pulse goes to the photodetector 208 when the pulse train returns. In this case, the control accuracy of the strong reference pulse becomes a key part of the security consideration, determining the ratio of the intensity of the signal and the strong reference pulse and the distance (length) of the quantum channel. With a directional photodetector, the main source of noise is thermal noise. To minimize such noise, high quality photodetectors known in the art have been used in system 100.

[0062] Чтобы лишить Еву возможности усилить сигнальный импульс на пути от Боба к Алисе, необходимо контролировать сигнальный импульс на стороне Алисы. Это чревато техническими трудностями. Проблема в том, что, интенсивность сигнального импульса, поступающая к Алисе должна быть достаточно высокой для измерения импульса, в то время как мощность лазера должна быть достаточно высокой для генерации сильного опорного импульса.[0062] In order to deprive Eve of the opportunity to strengthen the signal impulse on the way from Bob to Alice, it is necessary to control the signal impulse on the side of Alice. This is fraught with technical difficulties. The problem is that, the intensity of the signal pulse coming to Alice must be high enough to measure the pulse, while the laser power must be high enough to generate a strong reference pulse.

[0063] Можно предположить, что Ева не усиливает сигнальный импульс, если мы не выделяем его на фоне теплового шума фотодетектора. Оцененный при сопротивлении нагрузки 50 Ом и комнатной температуре предел чувствительности прямого фотодетектирования на фоне теплового шума соответствует энергии лазерного импульса равной 10³ фотон. Для отношения сигнального и сильного опорного импульсов в 60 дБ и длине квантового канала = 20 км., пиковая мощность лазера должна составлять около 150 мВт. Это соотношение может быть легко достигнуто при применении лазеров, представленные на рынке, которые имеют пиковую мощность в несколько раз больше. Кроме того, существуют также и другие решения указанной проблемы, например, путем применения лавинных фотодиодов, гомодирование и т.д.[0063] It can be assumed that Eve does not amplify the signal pulse, if we do not highlight it against the background of the thermal noise of the photodetector. The sensitivity limit of direct photodetection against the background of thermal noise, estimated at a load resistance of 50 Ω and room temperature, corresponds to a laser pulse energy of 10 ³ photons. For a signal-to-strong reference pulse ratio of 60 dB and a quantum channel length of 20 km, the peak laser power should be about 150 mW. This ratio can easily be achieved with lasers on the market that have several times the peak power. In addition, there are also other solutions to this problem, for example, through the use of avalanche photodiodes, homomodation, etc.

[0064] Таким образом, была рассмотрена безопасность системы квантового распределения ключей с сильным опорным импульсом на реальных детекторах фотонов. Для заданных параметров настройки оптимальные значения числа фотонов в сигнальных импульсах были найдены в диапазоне от 0.15 для длины квантового канала 50 км. до 0.35 для длины в 65 км при отношении сигнального и сильного опорного импульса в 65 дБ. Также, было показано, что безопасная генерация ключей возможна только при ярком сильном опорном импульсе начиная с 4×10⁴ фотонов в импульсе на расстояние 10 км и более 5×10⁵ фотонов в импульсе для обеспечения наибольшей безопасной скорости генерации ключей на расстоянии 50 км. Кроме того, заявленная система 100 на коротких расстояниях имеет более чем в четыре раза выше скорость генерации КРК чем известные из уровня техники системы со схожим принципом работы.[0064] Thus, the security of a quantum key distribution system with a strong reference pulse on real photon detectors has been considered. For the given tuning parameters, the optimal values of the number of photons in signal pulses were found in the range from 0.15 for a quantum channel length of 50 km. up to 0.35 for a length of 65 km with a signal-to-strong reference ratio of 65 dB. Also, it has been shown that secure key generation is possible only with a bright strong reference pulse starting from 4×10 ⁴ photons per pulse at a distance of 10 km and more than 5×10 ⁵ photons per pulse to ensure the highest safe key generation rate at a distance of 50 km. In addition, the claimed system 100 at short distances has more than four times the rate of generation of QKD than prior art systems with a similar principle of operation.

[0065] Разработанная оптическая система 100 была протестирована путем запуска генерации просеянных ключей с помощью КРК с сильным опорным импульсом, доказывая техническую осуществимость обмена ключами при соотношении сигнального импульса к сильному опорному импульсу в 65 дБ.[0065] The developed optical system 100 was tested by running sieved key generation with a strong reference QKD, proving the technical feasibility of key exchange at a signal pulse to strong reference ratio of 65 dB.

[0066] Представленные материалы заявки раскрывают предпочтительные примеры реализации технического решения и не должны трактоваться как ограничивающие иные, частные примеры его воплощения, не выходящие за пределы испрашиваемой правовой охраны, которые являются очевидными для специалистов соответствующей области техники. Таким образом, объем настоящего технического решения ограничен только объемом прилагаемой формулы.[0066] The submitted application materials disclose preferred examples of the implementation of the technical solution and should not be construed as limiting other, particular examples of its implementation that do not go beyond the scope of the requested legal protection, which are obvious to specialists in the relevant field of technology. Thus, the scope of this technical solution is limited only by the scope of the attached claims.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ:SOURCES OF INFORMATION:

1. G. Brassard, N. Ltitkenhaus, Т. Mor, and В.С. Sanders, "Limitations on practical quantum cryptography," Phys. Rev. Lett. 85, 1330-1333 (2000).1. G. Brassard, N. Ltitkenhaus, T. Mor, and B.C. Sanders, "Limitations on practical quantum cryptography," Phys. Rev. Lett. 85, 1330-1333 (2000).

2. W.-Y. Hwang, "Quantum key distribution with high loss: Toward global secure communication," Phys. Rev. Lett. 91 (2003).2. W.-Y. Hwang, "Quantum key distribution with high loss: Toward global secure communication," Phys. Rev. Lett. 91 (2003).

3. X.-B. Wang, "Beating the photon-number-splitting attack in practical quantum cryptography," Phys. Rev. Lett. 94 (2005).3.X.-B. Wang, "Beating the photon-number-splitting attack in practical quantum cryptography," Phys. Rev. Lett. 94 (2005).

4. H.-K. Lo, X. Ma, and K. Chen, "Decoy state quantum key distribution," Phys. Rev. Lett. 94, 230504 (2005).4. H.-K. Lo, X. Ma, and K. Chen, "Decoy state quantum key distribution," Phys. Rev. Lett. 94, 230504 (2005).

5. X. Ma, B. Qi, Y. Zhao, and H.-K. Lo, "Practical decoy state for quantum key distribution," Phys. Rev. A 72, 012326 (2005).5. X. Ma, B. Qi, Y. Zhao, and H.-K. Lo, "Practical decoy state for quantum key distribution," Phys. Rev. A 72, 012326 (2005).

6. С.H. Bennett, "Quantum cryptography using any two nonorthogonal states," Phys. Rev. Lett. 68, 3121-3124(1992).6. C.H. Bennett, "Quantum cryptography using any two nonorthogonal states," Phys. Rev. Lett. 68, 3121-3124 (1992).

7. M. Koashi, "Unconditional security of coherent-state quantum key distribution with a strong phase-reference pulse," Phys. Rev. Lett. 93, 120501 (2004).7. M. Koashi, "Unconditional security of coherent-state quantum key distribution with a strong phase-reference pulse," Phys. Rev. Lett. 93, 120501 (2004).

8. RU 2722133 C1 (ООО "КуРэйт", 26.05.2020).8. RU 2722133 C1 (KuRate LLC, May 26, 2020).

9. D. Stucki, N. Gisin, O. Guinnard, G. Ribordy, and H. Zbinden, "Quantum key distribution over 67 km with a plug&play system," New J. Phys. 4, 341 (2002).9. D. Stucki, N. Gisin, O. Guinnard, G. Ribordy, and H. Zbinden, "Quantum key distribution over 67 km with a plug&play system," New J. Phys. 4, 341 (2002).

Claims

1. Двухпроходная система фазовой модуляции для квантового распределения ключей (КРК) с сильным опорным импульсом, содержащая принимающее и передающее устройства, соединенные квантовым каналом, причем:1. A two-pass phase modulation system for quantum key distribution (QKD) with a strong reference pulse, containing a receiving and transmitting device connected by a quantum channel, moreover:

передающее устройство содержит первый циркулятор, выполненный с возможностью приема последовательности импульсов (трейн), состоящих из пар сигнального и опорного импульсов, посылаемых принимающим устройством, и направления их в линию хранения, второй циркулятор, выполненный с возможностью направления отраженных от зеркала Фарадея импульсов на первый циркулятор, переменный оптический аттенюатор, фазовый модулятор, выполненный с возможностью фазового сдвига импульсов, светоделитель, синхронный детектор, выполненный с возможностью контроля интенсивности как сигнального, так и опорного импульсов, по меньшей мере два изолятора, выполненные с возможностью блокировки фоновых отражений, возникающих при прохождении трейна через циркулятор, линию хранения, зеркало Фарадея, контроллер поляризации, выполненный с возможностью восстановления поляризационных преобразований трейнов импульсов после линии хранения;the transmitter contains the first circulator configured to receive a sequence of pulses (train) consisting of pairs of signal and reference pulses sent by the receiving device and direct them to the storage line, the second circulator configured to direct the pulses reflected from the Faraday mirror to the first circulator , a variable optical attenuator, a phase modulator configured to phase shift the pulses, a beam splitter, a synchronous detector configured to control the intensity of both signal and reference pulses, at least two isolators configured to block background reflections that occur when passing the train through a circulator, a storage line, a Faraday mirror, a polarization controller configured to restore the polarization transformations of the pulse trains after the storage line;

принимающее устройство содержит лазер, выполненный с возможностью генерирования и отправки трейнов в передающее устройство, циркулятор, выполненный с возможностью направления сгенерированного трейна в первый светоделитель, первый светоделитель, выполненный с возможностью разделения импульсов трейна и направления их в плечи интерферометра, по меньшей мере два детектора одиночных фотонов, второй светоделитель, выполненный с возможностью направления принимаемых импульсов, отраженных от зеркала Фарадея, в фотодетектор, переменный оптический аттенюатор, расположенный в длинном плече интерферометра для регулировки соотношения сигнального и опорного импульса, фазовый модулятор, фотодетектор, выполненный с возможностью контроля принимаемых импульсов, отраженных от зеркала Фарадея, оптический терминатор, выполненный с возможностью поглощения оптического излучения, интерферометр Маха-Ценднера с линией задержки, поляризационный светоделитель. the receiving device contains a laser configured to generate and send trains to the transmitter, a circulator configured to direct the generated train to the first beam splitter, the first beam splitter configured to separate the train pulses and direct them to the arms of the interferometer, at least two single detectors photons, a second beam splitter configured to direct the received pulses reflected from the Faraday mirror to a photodetector, a variable optical attenuator located in the long arm of the interferometer to adjust the ratio of the signal and reference pulses, a phase modulator, a photodetector configured to control the received pulses reflected from the Faraday mirror, an optical terminator designed to absorb optical radiation, a Mach-Zendner interferometer with a delay line, a polarizing beam splitter.

2. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что лазер испускает свет на телекоммуникационной длине волны 1550 нм. 2. The method according to claim 1, characterized in that the laser emits light at a telecommunications wavelength of 1550 nm.