RU2777422C1 - Method and device for generating quantum states in phase-coded quantum key distribution system - Google Patents
Method and device for generating quantum states in phase-coded quantum key distribution system Download PDFInfo
- Publication number
- RU2777422C1 RU2777422C1 RU2021137055A RU2021137055A RU2777422C1 RU 2777422 C1 RU2777422 C1 RU 2777422C1 RU 2021137055 A RU2021137055 A RU 2021137055A RU 2021137055 A RU2021137055 A RU 2021137055A RU 2777422 C1 RU2777422 C1 RU 2777422C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- optical
- phase
- output
- coherent
- input
- Prior art date
Links
- 230000003287 optical Effects 0.000 claims abstract description 109
- 230000000051 modifying Effects 0.000 claims abstract description 80
- 230000001427 coherent Effects 0.000 claims abstract description 43
- 230000002238 attenuated Effects 0.000 claims abstract description 5
- 230000002452 interceptive Effects 0.000 claims description 14
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 7
- 230000001902 propagating Effects 0.000 claims description 7
- 230000001934 delay Effects 0.000 claims description 5
- 230000001702 transmitter Effects 0.000 abstract description 10
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 abstract description 8
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 6
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 6
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 3
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 2
- 239000003365 glass fiber Substances 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 230000003111 delayed Effects 0.000 description 1
- 239000000284 extract Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000004321 preservation Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеThe field of technology to which the invention belongs
Предлагаемое изобретение относится к области квантового распределения ключей (КРК) шифрования, в частности для генерации когерентных квантовых состояний для реализации протоколов с фазовым кодированием.The present invention relates to the field of quantum key distribution (QKD) encryption, in particular for the generation of coherent quantum states for the implementation of protocols with phase encoding.
Уровень техникиState of the art
Технология квантового распределения ключей (КРК) позволяет формировать у абонентов сети симметричные секретные ключи шифрования данных без участия людей.Quantum key distribution technology (QKD) allows network subscribers to generate symmetric secret data encryption keys without human intervention.
Существует достаточно большое количество протоколов КРК, для реализации которых собираются специализированные аппаратные системы. В частности, для реализации протоколов с фазовым кодированием информации применяют принцип гомодинного приема, заключающийся в том, что на передающей стороне формируется пара идентичных когерентных импульсов, один из которых является носителем опорной фазы, а второй - фазы, соответствующей кодируемой информации. Оба импульса распространяются по общему пути, но один из них задержан относительно другого.There are a fairly large number of QKD protocols, for the implementation of which specialized hardware systems are assembled. In particular, to implement protocols with phase encoding of information, the principle of homodyne reception is used, which consists in the fact that a pair of identical coherent pulses is formed on the transmitting side, one of which is the carrier of the reference phase, and the second is the phase corresponding to the encoded information. Both impulses propagate along a common path, but one of them is delayed relative to the other.
На приемной стороне, для детектирования фазы, используются интерферометры с разницей времени распространения света в плечах, равной задержке между принимаемыми импульсами.On the receiving side, for phase detection, interferometers are used with a difference in the time of light propagation in the arms, equal to the delay between the received pulses.
Ввиду того, что на вход приемника поступают однофотонные или квазиоднофотонные состояния, потери в измерительном тракте являются критичными. Для минимизации потерь в измерительном тракте применяются схемы, содержащие как можно меньше элементов, в том числе управляемых. При таком подходе интерферометры для детектирования фазы изготавливаются только из пассивных элементов и не имеют возможности перестройки разницы времени распространения света в плечах.Due to the fact that single-photon or quasi-single-photon states arrive at the input of the receiver, the losses in the measuring path are critical. To minimize losses in the measuring path, circuits are used that contain as few elements as possible, including controlled ones. With this approach, interferometers for phase detection are made only from passive elements and do not have the ability to tune the difference in the light propagation time in the arms.
При развитии техники в приемниках могут применяться интерферометры со значительно различающейся разницей времени распространения света в плечах, например, для достижения более высокой частоты приема квантовых состояний. Подобные изменения в приемниках могут потребовать применения передатчика с соответствующими задержками между импульсами или замены большого количества узлов на однотипные в сети с произвольной топологией.With the development of technology in receivers, interferometers with a significantly different difference in the propagation time of light in the arms can be used, for example, to achieve a higher frequency of receiving quantum states. Such changes in receivers may require the use of a transmitter with appropriate delays between pulses or the replacement of a large number of nodes with the same type in a network with an arbitrary topology.
Таким образом, является актуальной задача создания передатчика, способного перестраиваться на передачу оптических импульсов с различной задержкой, что позволит его использовать с разными приемниками.Thus, the actual task is to create a transmitter that can be tuned to transmit optical pulses with different delays, which will allow it to be used with different receivers.
Известно устройство для квантовой криптографии (патент РФ №2691829, приоритет от 31.05.2018 г. ), в котором передатчик квантовых состояний состоит из лазера, работающего в непрерывном режиме, модулятора интенсивности, выделяющего из непрерывного излучения лазера пары когерентных импульсов, и модулятора фазы, производящего кодирование передаваемой информации посредством внесения дополнительных сдвигов фазы между импульсами в когерентной паре. Задержка между импульсами в каждой когерентной паре импульсов задается равной разности времени распространения в плечах измерительного интерферометра на приемной стороне.A device for quantum cryptography is known (RF patent No. 2691829, priority dated May 31, 2018), in which the transmitter of quantum states consists of a laser operating in a continuous mode, an intensity modulator that extracts a pair of coherent pulses from the continuous laser radiation, and a phase modulator, producing encoding of the transmitted information by introducing additional phase shifts between pulses in a coherent pair. The delay between pulses in each coherent pair of pulses is set equal to the difference in the propagation time in the arms of the measuring interferometer on the receiving side.
Недостатком устройства является то, что в нем не предусмотрено изменение задержки между импульсами в квантовом состоянии и, соответственно, согласованное подключение одного передатчика к разным приемникам с отличающимися временами задержки света в плечах измерительного интерферометра.The disadvantage of the device is that it does not provide for changing the delay between pulses in the quantum state and, accordingly, the coordinated connection of one transmitter to different receivers with different light delay times in the arms of the measuring interferometer.
Отсутствие согласования приводит к ухудшению контраста (видности) интерференционной картины и увеличению ошибок при генерации ключа (Борисова А.В., Втюрина А.Г. Анализ факторов, влияющих на видность интерференции в системах с квантовым распределением ключей, "Фотон-Экспресс", 2021, №6 (174), стр. 212, DOI 10.24412/2308-6920-2021-6-212-213, http://www.fibopt.ru/rfo2021/rfo-21.pdf).The lack of matching leads to a deterioration in the contrast (visibility) of the interference pattern and an increase in errors during key generation (Borisova A.V., Vtyurina A.G. Analysis of factors affecting the visibility of interference in systems with quantum key distribution, Photon-Express, 2021 , No. 6 (174), p. 212, DOI 10.24412/2308-6920-2021-6-212-213, http://www.fibopt.ru/rfo2021/rfo-21.pdf).
Известны также устройство и способ модуляции интенсивности света в системе с КРК (международная заявка CN108667519, приоритет от 28.03.2017 г. ).A device and a method for modulating light intensity in a system with QKD are also known (international application CN108667519, priority dated March 28, 2017).
Устройство включает 1-й светоделитель и кольцевой интерферометр Саньяка, имеющий 2-й светоделитель и модулятор фазы. Причем модулятор фазы устанавливают так, чтобы время распространения света от образующего интерферометр светоделителя до модулятора фазы было различным для света, распространяющегося в противоположных направлениях.The device includes a 1st beam splitter and a Sagnac ring interferometer with a 2nd beam splitter and a phase modulator. Moreover, the phase modulator is set so that the propagation time of light from the beam splitter forming the interferometer to the phase modulator is different for light propagating in opposite directions.
Также описан способ формирования импульсного излучения из непрерывного излучения с фиксированной длительностью импульсов и перестраиваемым периодом, где длительность импульсов равна разности времени распространения света во встречных направлениях от светоделителя до модулятора фазы, а задержка между импульсами равна длительности управляющих электрических импульсов на модуляторе фазы.A method for generating pulsed radiation from continuous radiation with a fixed pulse duration and a tunable period is also described, where the pulse duration is equal to the difference in the time of light propagation in opposite directions from the beam splitter to the phase modulator, and the delay between pulses is equal to the duration of the control electrical pulses on the phase modulator.
Для этого на вход интерферометра подают непрерывное излучение, которое разделяется на две части, распространяющихся во встречных направлениях. На модулятор фазы обе части приходят не одновременно, а с отставанием друг относительно друга. Это отставание есть разность времен распространения света во встречных направлениях от светоделителя до модулятора фазы. Длительность оптических импульсов, выходящих из интерферометра Саньяка, полностью задается этим отставанием. Далее, на модулятор фазы подают сигналы управляющего напряжения, необходимой длительности и амплитуды. Амплитуда управляющих сигналов определяет интенсивность выходящих оптических импульсов, а длительность управляющих сигналов задает задержку между ними. Промодулированные импульсы направляются на выход интерферометра Саньяка по назначению.To do this, continuous radiation is fed to the input of the interferometer, which is divided into two parts propagating in opposite directions. Both parts do not arrive at the phase modulator at the same time, but with a lag relative to each other. This lag is the difference in the propagation times of light in opposite directions from the beam splitter to the phase modulator. The duration of the optical pulses emerging from the Sagnac interferometer is completely determined by this delay. Further, the phase modulator is supplied with control voltage signals of the required duration and amplitude. The amplitude of the control signals determines the intensity of the output optical pulses, and the duration of the control signals sets the delay between them. The modulated pulses are sent to the output of the Sagnac interferometer as intended.
Известные устройство и способ принимаются в качестве прототипа.Known device and method are taken as a prototype.
Однако, известное устройство имеет недостаток - невозможность нормальной работы системы КРК при подключении к приемнику с разностью времен распространения света в плечах измерительного интерферометра менее исходно сконфигурированной длительности импульсов в передатчике. Это обусловлено тем, что длительность импульсов на выходе задается положением модулятора фазы в интерферометре при сборке, и не может регулироваться электронными средствами в процессе эксплуатации.However, the known device has a drawback - the impossibility of normal operation of the QKD system when connected to a receiver with a difference in the propagation times of light in the arms of the measuring interferometer less than the initially configured pulse duration in the transmitter. This is due to the fact that the duration of the output pulses is set by the position of the phase modulator in the interferometer during assembly, and cannot be controlled by electronic means during operation.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Техническим результатом является обеспечение возможности согласования оптических схем в приемнике и передатчике путем электронной регулировки задержки между оптическими импульсами, соответствующей разности оптического хода в плечах интерферометра в приемнике.The technical result is to provide the possibility of matching the optical circuits in the receiver and transmitter by electronically adjusting the delay between optical pulses corresponding to the optical path difference in the arms of the interferometer in the receiver.
Для этого предлагается устройство генерации квантовых состояний в системе КРК с фазовым кодированием, включающееFor this, a device for generating quantum states in a QKD system with phase coding is proposed, including
• импульсный лазер;• pulsed laser;
• оптический циркулятор, сконфигурированный для передачи света от выхода лазера к оптическому разветвителю и передачи света от оптического разветвителя ко входу модулятора фазы;• an optical circulator configured to transmit light from the output of the laser to the optical splitter and transmit light from the optical splitter to the input of the phase modulator;
• оптический разветвитель с двумя входами и двумя выходами с коэффициентом деления света между выходами 50:50, первый вход которого подключен к оптическому циркулятору;• an optical splitter with two inputs and two outputs with a light division ratio between the outputs of 50:50, the first input of which is connected to an optical circulator;
• модулятор фазы, выход которого подключен ко входу аттенюатора;• phase modulator, the output of which is connected to the input of the attenuator;
• аттенюатор;• attenuator;
• акустооптический модулятор сдвига частоты света;• acousto-optic light frequency shift modulator;
• фотодетектор, подключенный ко второму входу оптического разветвителя, сконфигурированный для детектирования разности фаз интерферирующих частей света;• a photodetector connected to the second input of the optical splitter, configured to detect the phase difference of the interfering parts of the world;
• электронный генератор, выполненный с возможностью• an electronic generator capable of
• электронное устройство управления, связанное с лазером, модулятором фазы, фотодетектором и электронным генератором и выполненное с возможностью регулирования задержек между управляющими сигналами для лазера и модулятора фазы и обработки сигналов с фотодетектора;• an electronic control device associated with the laser, the phase modulator, the photodetector and the electronic generator and configured to control the delays between the control signals for the laser and the phase modulator and process the signals from the photodetector;
причемand
• вход акустооптического модулятора сдвига частоты подключен к первому выходу оптического разветвителя;• the input of the acousto-optical frequency shift modulator is connected to the first output of the optical splitter;
• выход акустооптического модулятора сдвига частоты подключен ко второму выходу оптического разветвителя;• the output of the acousto-optic frequency shift modulator is connected to the second output of the optical splitter;
• выход электронного генератора подключен ко входу управления акустооптического модулятора сдвига частоты.• the output of the electronic generator is connected to the control input of the acousto-optic frequency shift modulator.
Работу устройства обеспечивает способ генерации квантовых состояний в системе КРК с фазовым кодированием, заключающийся в том, чтоThe operation of the device is provided by a method for generating quantum states in a QKD system with phase coding, which consists in the fact that
• получают сообщение с разностью задержки распространения света Т в плечах измерительного интерферометра в приемнике;• receive a message with the difference in the propagation delay of light T in the arms of the measuring interferometer in the receiver;
• устанавливают частоту сигнала в электронном генераторе равную 1/2Т;• set the signal frequency in the electronic generator equal to 1/2T;
• подают сигнал от выхода электронного генератора на вход управления акустооптического модулятора сдвига частоты света;• a signal is fed from the output of the electronic generator to the control input of the acousto-optic modulator of the light frequency shift;
• случайным образом выбирают базис и бит, кодируемые в квантовом состоянии;• randomly choose a basis and a bit encoded in a quantum state;
• генерируют с помощью лазера одиночный оптический импульс, причем• generate a single optical pulse using a laser, and
• формируют когерентную пару оптических импульсов, разделенных во времени, выполняя следующие действия:• form a coherent pair of optical pulses separated in time, performing the following actions:
• подают через оптический циркулятор первый пакет из двух когерентных оптических импульсов на вход модулятора фазы;• the first packet of two coherent optical pulses is fed through the optical circulator to the input of the phase modulator;
• кодируют в первом пакете из двух когерентных оптических импульсов выбранные бит и базис, выполняя следующие действия:• encode the selected bit and basis in the first packet of two coherent optical pulses, performing the following actions:
• подают на вход аттенюатора первый пакет когерентных импульсов, где он ослабляется до квазиоднофотонного уровня;• the first packet of coherent pulses is fed to the input of the attenuator, where it is attenuated to a quasi-single-photon level;
• получают на выходе аттенюатора квантовое состояние;• receive a quantum state at the output of the attenuator;
• направляют сгенерированное квантовое состояние по назначению.• direct the generated quantum state to its destination.
При подготовке квантового состояния с помощью лазера формируется оптический импульс, с прямоугольной огибающей мощности во времени и длительностью равной 2T, где Т - задержка между двумя оптическими импульсами в приготавливаемом квантовом состоянии. Далее оптический импульс передается через оптический циркулятор к интерферометру Саньяка.When preparing a quantum state using a laser, an optical pulse is formed, with a rectangular power envelope in time and a duration equal to 2T, where T is the delay between two optical pulses in the prepared quantum state. Next, the optical pulse is transmitted through the optical circulator to the Sagnac interferometer.
Исходный оптический импульс разделяется на две одинаковых части, распространяющихся во взаимно встречных направлениях по замкнутому пути в интерферометре.The initial optical pulse is divided into two identical parts propagating in mutually opposite directions along a closed path in the interferometer.
Интерферометр Саньяка включает в себя акустооптический модулятор сдвига частоты, установленный в произвольной точке вдоль замкнутого оптического пути в интерферометре.The Sagnac interferometer includes an acousto-optic frequency shift modulator installed at an arbitrary point along a closed optical path in the interferometer.
Акустооптический модулятор сдвига частоты сконфигурирован на работу в режиме коллинеарной анизотропной дифракции. При подаче на его вход света с обыкновенной поляризацией на выходе формируется дифрагированный на акустической волне свет с необыкновенной поляризацией, причем частота света будет сдвинута на значение частоты акустической волны. В обратном направлении, при подаче на выход акустооптического модулятора света с необыкновенной поляризацией на выходе формируется дифрагированный на той же акустической волне свет с обыкновенной поляризацией, причем частота света будет сдвинута на значение частоты акустической волны в противоположную сторону.The acousto-optic frequency shift modulator is configured to operate in the collinear anisotropic diffraction mode. When light with ordinary polarization is supplied to its input, light with extraordinary polarization diffracted by an acoustic wave is formed at the output, and the frequency of the light will be shifted by the frequency of the acoustic wave. In the opposite direction, when light with extraordinary polarization is supplied to the output of the acousto-optic modulator, light with ordinary polarization diffracted by the same acoustic wave is formed at the output, and the frequency of the light will be shifted by the frequency of the acoustic wave in the opposite direction.
Таким образом, пройдя весь замкнутый путь в интерферометре Саньяка, первая и вторая части света будут интерферировать. С течением времени, в результате интерференции, будет происходить изменение мощности света по гармоническому закону с частотой, равной удвоенной частоте акустической волныThus, having passed the entire closed path in the Sagnac interferometer, the first and second parts of the world will interfere. Over time, as a result of interference, the light power will change according to a harmonic law with a frequency equal to twice the frequency of the acoustic wave
где P0(t) - мощность света на выходе лазера,where P 0 (t) is the light power at the output of the laser,
Ω - угловая частота акустической волны,Ω is the angular frequency of the acoustic wave,
Ф0 - начальная фаза акустической волны.Ф 0 - the initial phase of the acoustic wave.
Мощность света на выходе лазера зависит от времени и описывает импульсный характер излучения.The light power at the output of the laser depends on time and describes the pulsed nature of the radiation.
Угловая частота акустической волны выбирается такой, чтобы период изменения мощности на выходе интерферометра был равен удвоенному значению требуемой задержки между оптическими импульсами Ω=π/Т.The angular frequency of the acoustic wave is chosen such that the period of power change at the output of the interferometer is equal to twice the value of the required delay between optical pulses Ω=π/Т.
Информация о требуемой задержке между оптическими импульсами может поступать в генератор квантовых состояний автоматически, что предпочтительно, или в ручном режиме.Information about the required delay between optical pulses can be fed into the quantum state generator automatically, which is preferable, or manually.
Значение задержки может быть получено, например, после изготовления приемника непосредственно от производителя или путем обычных измерений.The delay value can be obtained, for example, after the manufacture of the receiver directly from the manufacturer or by conventional measurements.
Поскольку приемник и передатчик системы с КРК, помимо оптиковолоконной линии связи, соединяются также с использованием обычной цифровой сети передачи данных, то значение задержки может быть передано по цифровой сети.Since the receiver and transmitter of the QKD system, in addition to the optical fiber communication line, are also connected using a conventional digital data network, the delay value can be transmitted over the digital network.
Полученное в устройстве значение задержки передается в электронное устройство управления. После этого электронное устройство управления вычисляет соответствующую частоту акустической волны и передает это значение в электронный генератор. Также в памяти генератора могут быть заранее записаны значения требуемых задержек для каждого подключаемого приемника или соответствующие частоты акустической волны.The delay value received in the device is transmitted to the electronic control device. After that, the electronic control device calculates the corresponding frequency of the acoustic wave and transmits this value to the electronic generator. Also, in the memory of the generator, the values of the required delays for each connected receiver or the corresponding frequencies of the acoustic wave can be pre-recorded.
В ручном режиме значение задержки вводит в электронное устройство управления оператор из обслуживающего персонала.In manual mode, the delay value is entered into the electronic control device by an operator from the service personnel.
Если передние фронты интерферирующих частей импульса по времени совпадают с моментом, когда их разность фаз на выходах интерферометра кратна л, то на одном из выходов будет сформировано два когерентных импульса, а на втором выходе интерферометра будет сформировано три когерентных импульса, как это показано на фиг. 2. Причем все импульсы одинаковой амплитуды, а на втором выходе интерферометра первый и третий импульсы вдвое меньшей длительности по отношению ко второму, в силу подобия формы импульсов гармоническому сигналу.If the leading edges of the interfering parts of the pulse coincide in time with the moment when their phase difference at the outputs of the interferometer is a multiple of l, then two coherent pulses will be generated at one of the outputs, and three coherent pulses will be generated at the second output of the interferometer, as shown in Fig. 2. Moreover, all pulses are of the same amplitude, and at the second output of the interferometer, the first and third pulses are half the duration in relation to the second, due to the similarity of the shape of the pulses to a harmonic signal.
Сформированная пара когерентных импульсов на первом выходе интерферометра направляется через оптический циркулятор к модулятору фазы, где производится сдвиг фазы между импульсами соответствующий кодируемой информации.The formed pair of coherent pulses at the first output of the interferometer is sent through the optical circulator to the phase modulator, where the phase shift between the pulses corresponding to the encoded information is performed.
Модулированная пара когерентных импульсов ослабляется до квазиоднофотонного уровня в аттенюаторе и передается в канал связи с приемником.The modulated pair of coherent pulses is attenuated to the quasi-single-photon level in the attenuator and transmitted to the communication channel with the receiver.
Если между интерферирующими частями импульса появляется рассогласование фаз и их передние фронты по времени не совпадают с моментом, когда их разность фаз на выходах интерферометра кратна π, то, в общем случае, на обоих выходах будет сформировано по три когерентных импульса. Причем амплитуды и длительности сформированных импульсов на каждом выходе будут произвольными.If a phase mismatch appears between the interfering parts of the pulse and their leading edges do not coincide in time with the moment when their phase difference at the interferometer outputs is a multiple of π, then, in the general case, three coherent pulses will be formed at both outputs. Moreover, the amplitude and duration of the generated pulses at each output will be arbitrary.
На фиг. 3 показано, как возможно производить настройку совпадения переднего фронта интерферирующих частей импульса с моментом, когда их разность фаз на выходе интерферометра кратна π, изменяя фазу акустической волны в акустооптическом модуляторе сдвига частоты, или изменяя задержку генерации импульса лазером при неизменной частоте и начальной фазе акустической волны. Настройка корректировкой фазы акустической волны и задержкой генерации импульса лазером эквивалентна, а их величины связаны через частоту акустической волны соотношениемIn FIG. Figure 3 shows how it is possible to adjust the coincidence of the leading edge of the interfering parts of the pulse with the moment when their phase difference at the output of the interferometer is a multiple of π by changing the phase of the acoustic wave in the acousto-optical frequency shift modulator, or by changing the delay in the generation of the laser pulse at a constant frequency and initial phase of the acoustic wave . Adjustment by adjusting the phase of the acoustic wave and delaying the generation of the pulse by the laser are equivalent, and their values are related through the frequency of the acoustic wave by the relation
Для определения рассогласования фаз интерферирующих частей света, импульсы со второго выхода интерферометра направляются на фотодиод, где происходит их регистрация. При этом сигнал с фотодиода обрабатывается на электронном устройстве управления. Определить рассогласование фаз или необходимую задержку генерации импульсов лазером возможно различными методами.To determine the phase mismatch of the interfering parts of the world, the pulses from the second output of the interferometer are directed to a photodiode, where they are recorded. In this case, the signal from the photodiode is processed on the electronic control device. It is possible to determine the phase mismatch or the necessary delay in the generation of laser pulses by various methods.
Для примера, один из методов обработки сигнала с фотодиода и определения рассогласования фаз состоит в том, что измеряют длительность каждого оптического импульса в пакете, находят значения максимальной (τmax) и минимальной (τmin) длительности импульсов. Импульс с максимальной длительностью всегда будет между двумя импульсами с меньшей длительностью. Согласование фаз интерферирующих частей света соответствует условиюFor example, one of the methods for processing a signal from a photodiode and determining the phase mismatch is to measure the duration of each optical pulse in a packet, find the values of the maximum (τ max ) and minimum (τ min ) pulse duration. The pulse with the longest duration will always be between the two pulses with the shorter duration. The phase matching of the interfering parts of the world corresponds to the condition
т.е. τmах вдвое больше τmin. Если это условие не выполняется, то необходимое корректирующее значение задержки генерации оптических импульсов лазера устанавливается равнымthose. τ max is twice as large as τ min . If this condition is not met, then the necessary correction value for the delay in the generation of optical laser pulses is set equal to
Операции обработки сигнала из фотодетектора и вычисление величины θ или Δt производятся в электронном устройстве управления. Для устранения рассогласования фаз найденное значение θ передается на электронный генератор, либо найденное значение Δt передается на драйвер лазера. Согласно формуле (1) можно производить вычисление θ по найденному значению Δt, либо наоборот - производить вычисление Δt по найденному значению θ.The processing of the signal from the photodetector and the calculation of the value of θ or Δt are carried out in the electronic control device. To eliminate the phase mismatch, the found value of θ is transmitted to an electronic generator, or the found value of Δt is transmitted to the laser driver. According to formula (1), it is possible to calculate θ from the found value of Δt, or vice versa - to calculate Δt from the found value of θ.
После корректировки начальной фазы акустической волны и задержки генерации импульса лазером следующее квантовое состояние генерируется с текущими установками. При этом операции детектирования рассогласования фаз и корректировки начальной фазы или задержки генерации импульсов лазером производятся при формировании каждого квантового состояния.After adjusting the initial phase of the acoustic wave and delaying the generation of the laser pulse, the next quantum state is generated with the current settings. In this case, phase mismatch detection and correction of the initial phase or laser pulse generation delay are performed during the formation of each quantum state.
На фиг. 4 показано, как производится фазовое кодирование. Во время прохождения через модулятор фазы первого когерентного импульса «1» не подается сигналов управления на модулятор фазы. Во время прохождения через модулятор фазы второго когерентного импульса «2» подается сигнал управления на модулятор фазы Vϕ, пропорциональный сдвигу фазы для выбранных бита и базиса. Таким образом, во втором импульсе пакета несущее световое колебание будет иметь сдвиг фазы ϕ по отношению к несущему световому колебанию первого импульса пакета.In FIG. 4 shows how the phase encoding is performed. During the passage through the phase modulator of the first coherent pulse "1" no control signals are applied to the phase modulator. During the passage of the second coherent pulse "2" through the phase modulator, a control signal is applied to the phase modulator V ϕ proportional to the phase shift for the selected bit and basis. Thus, in the second pulse of the packet, the carrier light wave will have a phase shift ϕ with respect to the carrier light wave of the first pulse of the packet.
Отличительные особенности предлагаемого технического решения заключаются в том, что для формирования разделенных во времени когерентных оптических импульсов используется акустооптический модулятор сдвига частоты, обеспечивающий линейно изменяющуюся во времени разность фаз интерферирующего света.Distinctive features of the proposed technical solution lie in the fact that for the formation of time-separated coherent optical pulses, an acousto-optical frequency shift modulator is used, which provides a phase difference of interfering light that varies linearly in time.
Заявленный технический результат достигается благодаря тому, что сдвиг частоты света, или скорости приращения разности фаз интерферирующего света, прямо пропорциональны частоте акустической волны в акустооптическом модуляторе сдвига частоты. С помощью перестройки частоты акустической волны регулируются длительность когерентных импульсов и задержка между ними в квантовом состоянии.The claimed technical result is achieved due to the fact that the frequency shift of the light, or the rate of increment of the phase difference of the interfering light, is directly proportional to the frequency of the acoustic wave in the acousto-optic frequency shift modulator. By tuning the acoustic wave frequency, the duration of coherent pulses and the delay between them in the quantum state are controlled.
Краткое описание чертежейBrief description of the drawings
На фиг. 1 приведена схема устройства для генерации квантовых состояний (непрерывными линиями показаны оптические связи, пунктирными линиями -электрические связи), в которой используются следующие обозначения:In FIG. Figure 1 shows a diagram of a device for generating quantum states (solid lines show optical connections, dotted lines show electrical connections), in which the following notation is used:
1 - лазер,1 - laser,
2 - циркулятор,2 - circulator,
3 - оптический разветвитель,3 - optical splitter,
4 - акустооптический модулятор сдвига частоты (АОМ),4 - acousto-optic frequency shift modulator (AOM),
5 - модулятор фазы,5 - phase modulator,
6 - аттенюатор,6 - attenuator,
7 - фотодетектор,7 - photodetector,
8 - электронный генератор,8 - electronic generator,
9 - электронное устройство управления (ЭУУ).9 - electronic control device (ECU).
На фиг. 2 приведены диаграммы, показывающие процесс модуляции интенсивности света.In FIG. 2 shows diagrams showing the process of light intensity modulation.
На фиг. 3 приведены диаграммы, показывающие процесс корректировки разности фаз интерференции.In FIG. 3 are diagrams showing the interference phase difference correction process.
На фиг. 4 приведена диаграмма, показывающая процесс фазового кодирования.In FIG. 4 is a diagram showing a phase encoding process.
Осуществление изобретенияImplementation of the invention
Устройство может быть выполнено с использованием оптоволоконной элементной базы с сохранением поляризацию вдоль пути света от лазера до модулятора фазы. В качестве импульсного лазера применяется полупроводниковый лазер с распределенной обратной связью, с выводом излучения в волокно, сохраняющее поляризацию и, например, с линейной поляризацией вдоль медленной оси волокна. В устройстве можно использовать лазерный диод тип DFB-1550-14BF производителя АО "Нолатех' (http://nolatech.ru/).The device can be made using a fiber-optic element base with the preservation of polarization along the light path from the laser to the phase modulator. As a pulsed laser, a semiconductor laser with distributed feedback is used, with radiation output into a fiber that preserves polarization and, for example, with linear polarization along the slow axis of the fiber. The device can use a laser diode type DFB-1550-14BF manufactured by JSC "Nolatech" (http://nolatech.ru/).
Для передачи света от выхода лазера к оптическому разветвителю и передачи света от оптического разветвителя ко входу модулятора фазы используют оптический циркулятор. В качестве примера можно использовать циркулятор РМОС-3-1550-B-A-L-90-1-00 производителя "DK Photonics" (http://www.dkphotonics.com/).An optical circulator is used to transmit light from the laser output to the optical splitter and to transmit light from the optical splitter to the input of the phase modulator. As an example, we can use the circulator RMOS-3-1550-B-A-L-90-1-00 manufactured by "DK Photonics" (http://www.dkphotonics.com/).
Для обеспечения работы акустооптического модулятора сдвига частоты в режиме коллинеарной анизотропной дифракции оптическое волокно с одной стороны вводится так, чтобы медленная ось волокна совпадала с поляризацией обыкновенной волны в модуляторе, а с обратной стороны волокно вводится так, чтобы его медленная ось совпадала с поляризацией необыкновенной волны в модуляторе. Для осуществления способа в устройстве можно использовать модулятор типа IPF-200-100-1550-2FP производителя "Brimrose" (https://www.brimrose.com/).To ensure the operation of the acousto-optic frequency shift modulator in the collinear anisotropic diffraction mode, on the one hand, the optical fiber is inserted so that the slow axis of the fiber coincides with the polarization of the ordinary wave in the modulator, and on the reverse side, the fiber is inserted so that its slow axis coincides with the polarization of the extraordinary wave in the modulator. modulator. To implement the method in the device, you can use a modulator type IPF-200-100-1550-2FP manufactured by "Brimrose" (https://www.brimrose.com/).
Для кодирования информации в квантовых состояниях с помощью модулятора фазы на одном из двух когерентных импульсов производят дополнительный сдвиг фазы, соответствующий кодируемой информации. Для осуществления способа в устройстве можно использовать модулятор фазы MPZ-LN-01-P-P-FC-FC производителя "iXblue" (https://www.ixblue.com/).To encode information in quantum states using a phase modulator, one of the two coherent pulses produces an additional phase shift corresponding to the encoded information. To implement the method in the device, you can use the phase modulator MPZ-LN-01-P-P-FC-FC from the manufacturer "iXblue" (https://www.ixblue.com/).
Интерферометр Саньяка может быть выполнен на основе волоконного светоделителя. Для осуществления способа в устройстве можно использовать светоделитель PMFBTC-P-2x2-1550-L-50-PM-90 производителя "DK Photonics".The Sagnac interferometer can be based on a fiber beam splitter. To implement the method in the device, you can use the beam splitter PMFBTC-P-2x2-1550-L-50-PM-90 manufactured by "DK Photonics".
В качестве фотодетектора можно использовать фотодетектор PDI-80-2G-K-R50-B-7-SM1-FA, производителя "LASERS СОМ" (https://laserscom.com/ru).As a photodetector, you can use the PDI-80-2G-K-R50-B-7-SM1-FA photodetector, manufactured by "LASERS COM" (https://laserscom.com/ru).
Для ослабления оптических импульсов до квазиоднофотонного уровня используется аттенюатор. Для осуществления способа в устройстве можно использовать аттенюатор FA20T-APC, производителя "THORLABS" (https://www.thorlabs.com/).An attenuator is used to attenuate optical pulses to a quasi-single-photon level. To implement the method in the device, you can use the FA20T-APC attenuator, manufactured by "THORLABS" (https://www.thorlabs.com/).
Для формирования высокочастотного гармонического сигнала на входе в АОМ используют электронный генератор с перестраиваемой частотой. В качестве генератора с перестраиваемой частотой можно использовать генератор VFF-150-250-V-A-F2 производителя "Brimrose".To form a high-frequency harmonic signal at the input to the AOM, an electronic generator with a tunable frequency is used. Brimrose's VFF-150-250-V-A-F2 can be used as a variable frequency oscillator.
Один из вариантов осуществление изобретения подразумевает что электронное устройство управления ЭУУ построено на базе электронно-вычислительной машины (ЭВМ) с сетевым интерфейсом связи. Дополнительно ЭУУ содержит драйвер лазера, драйвер модулятора фазы, интерфейс управления параметрами электронного генератора, генератор тактовых импульсов (ГТИ), компаратор, датчик случайных чисел (ДСЧ). Все необходимые расчеты на ЭВМ для осуществления способа реализуются с помощью программного обеспечения (ПО). Такое специализированное ПО может сформировать специалист по программированию (программист) на основе знаний о функционировании устройств и алгоритма, которые лежат в основе предложенного способа.One of the embodiments of the invention implies that the ECU electronic control device is built on the basis of an electronic computer (computer) with a network communication interface. Additionally, the EUU contains a laser driver, a phase modulator driver, an interface for controlling the parameters of an electronic generator, a clock pulse generator (GTI), a comparator, a random number generator (RNC). All necessary calculations on a computer to implement the method are implemented using software (software). Such specialized software can be formed by a programmer (programmer) based on knowledge about the operation of devices and the algorithm that underlie the proposed method.
После сборки оптической и электронной частей запускают передатчик в рабочем режиме, алгоритм которого описан ниже.After assembling the optical and electronic parts, the transmitter is launched in the operating mode, the algorithm of which is described below.
При подключении к линии связи с приемником, последний по сетевому интерфейсу сообщает передатчику разность задержки распространения света Т в плечах измерительного интерферометра. ЭВМ рассчитывает необходимую частоту равную 1/2T и с помощью интерфейса управления параметрами электронного генератора подает ее на генератор, подключенном к акустооптическому модулятору сдвига частоты.When connected to the communication line with the receiver, the latter informs the transmitter via the network interface of the difference in the delay of light propagation T in the arms of the measuring interferometer. The computer calculates the required frequency equal to 1/2T and, using the interface for controlling the parameters of the electronic generator, supplies it to the generator connected to the acousto-optical frequency shift modulator.
Далее, ЭУУ фиксирует отсчет ГТИ, соответствующий началу генерации квантового состояния. Устанавливается задержка генерации лазерного импульса равная 0 секунд. ЭВМ подает команду в драйвер лазера для генерации лазерного импульса длительностью равной 2Т. Для формирования когерентной пары оптических импульсов, разделенных во времени, лазерный импульс длительностью 2Т, проходит через циркулятор и попадает в интерферометр Саньяка, который включает в себя акустооптический модулятор сдвига частоты. С помощью сдвига частоты посредством АОМ на первом входе оптического разветвителя, из состава интерферометра Саньяка, получают первый пакет из когерентных оптических импульсов, а на втором входе оптического разветвителя получают второй пакет из когерентных оптических импульсов.Further, the ECU fixes the count of the GTI corresponding to the beginning of the generation of the quantum state. The laser pulse generation delay is set to 0 seconds. The computer sends a command to the laser driver to generate a laser pulse with a duration equal to 2T. To form a coherent pair of time-separated optical pulses, a 2T laser pulse passes through a circulator and enters the Sagnac interferometer, which includes an acousto-optical frequency shift modulator. By means of a frequency shift by means of AOM, at the first input of the optical splitter, from the composition of the Sagnac interferometer, the first packet of coherent optical pulses is obtained, and at the second input of the optical splitter, the second packet of coherent optical pulses is obtained.
В общем случае, будет иметь место рассогласование фаз интерферирующих частей оптического импульса. Для устранения рассогласования подают второй пакет когерентных оптических импульсов на фотодетектор. Затем, сигналы с фотодетектора, подаются на компаратор, при этом порог дискриминации компаратора настраивается, по уровню полувысоты от максимальной амплитуды сигнала. Старт детектирования фотодетектора определяется электронным устройством управления с учетом задержки генерации лазерного импульса и времени распространения света от лазера до фотодетектора. Длительность окна детектирования фотодетектора равна 2Т. Моменты срабатывания компаратора соотносятся с отсчетами ГТИ. ЭВМ на основе срабатывания компаратора и тактовых импульсов рассчитывает значения максимальной (τmax) и минимальной (τmin) длительности импульсов. Корректирующее значение задержки генерации импульса лазером Δt вычисляют на ЭВМ, согласно формуле (2) при неизменной частоте и начальной фазе акустической волны. Если импульс с меньшей длительностью (τmin) детектируется позже чем импульс с большей длительностью (τmах), то задержку генерации лазерного импульса увеличивают на корректирующее значение Δt. В противном случае, если импульс с меньшей длительностью (τmin) детектируется раньше чем импульс с большей длительностью (τmах), то задержку генерации лазерного импульса уменьшают на корректирующее значение Δt.In the general case, there will be a phase mismatch of the interfering parts of the optical pulse. To eliminate the mismatch, a second packet of coherent optical pulses is fed to the photodetector. Then, the signals from the photodetector are fed to the comparator, while the discrimination threshold of the comparator is adjusted according to the half-height level from the maximum signal amplitude. The start of detection of the photodetector is determined by the electronic control device, taking into account the delay in the generation of the laser pulse and the propagation time of light from the laser to the photodetector. The duration of the detection window of the photodetector is 2T. The moments of operation of the comparator correlate with the readings of the GTI. The computer, based on the operation of the comparator and clock pulses, calculates the values of the maximum (τ max ) and minimum (τ min ) pulse duration. The corrective value of the delay in the generation of a laser pulse Δt is calculated on a computer, according to formula (2) at a constant frequency and initial phase of the acoustic wave. If a pulse with a shorter duration (τ min ) is detected later than a pulse with a longer duration (τ max ), then the delay in the generation of the laser pulse is increased by a correction value Δt. Otherwise, if a pulse with a shorter duration (τ min ) is detected earlier than a pulse with a longer duration (τ max ), then the laser pulse generation delay is reduced by a correction value Δt.
Скорректированная задержка генерации лазерного импульса применяется при генерации следующего квантового состояния, т.е. имеет место итерационный процесс. Процедура корректировки задержки генерации лазерного импульса производится с каждым генерируемым квантовым состоянием. При этом, если для какого-либо генерируемого квантового состояния корректирующее значение Δt=0, то корректировка задержки не требуется и состояние пригодно для реализации протокола КРК. Если же Δt≠0, то это состояние исключают из последовательности при реализации протокола КРК. Условие Δt≠0 выполняется с точностью до погрешности схемы детектирования длительности импульсов. Поскольку первому сгенерированному квантовому состоянию в передаваемой последовательности не предшествовала корректировка задержки генерации лазерного импульса, то это состояние также исключают из последовательности при реализации протокола КРК.The corrected laser pulse generation delay is applied when generating the next quantum state, i.e. there is an iterative process. The procedure for correcting the laser pulse generation delay is performed with each generated quantum state. In this case, if for any generated quantum state the correction value Δt=0, then the delay correction is not required and the state is suitable for implementing the QKD protocol. If Δt≠0, then this state is excluded from the sequence when implementing the QKD protocol. The condition Δt≠0 is fulfilled up to the error of the pulse duration detection circuit. Since the first generated quantum state in the transmitted sequence was not preceded by a laser pulse generation delay correction, this state is also excluded from the sequence when implementing the QKD protocol.
Фазовое кодирование осуществляется следующим образом. Для каждого пакета когерентных импульсов датчик случайных чисел формирует два числа: первое соответствует базису, второе биту. Эти числа передаются в ЭВМ, где происходит их сопоставление в сигналы управления модулятора фазы. ЭВМ на основе задержки генерации лазерного импульса и времени распространения света от лазера до модулятора фазы рассчитывает момент времени прохождения второго оптического импульса через модулятор фазы. По команде ЭВМ, драйвер модулятора фазы, в указанный момент времени, подает сигнал управления длительностью Т на модулятор фазы, пропорциональный сдвигу фазы для выбранных бита и базиса. После этого промодулированный пакет из двух импульсов поступает на вход аттенюатора, где он ослабляется до квазиоднофотонного уровня. Полученное на выходе аттенюатора квантовое состояние, направляют в оптоволоконную линию связи с приемником квантовых состояний.Phase coding is carried out as follows. For each packet of coherent pulses, the random number generator generates two numbers: the first corresponds to the basis, the second to the bit. These numbers are transmitted to the computer, where they are compared to the phase modulator control signals. The computer, based on the delay in the generation of the laser pulse and the propagation time of light from the laser to the phase modulator, calculates the time of passage of the second optical pulse through the phase modulator. At the command of the computer, the phase modulator driver, at a specified time, sends a duration control signal T to the phase modulator, proportional to the phase shift for the selected bit and basis. After that, the modulated packet of two pulses enters the input of the attenuator, where it is attenuated to a quasi-single-photon level. The quantum state obtained at the output of the attenuator is sent to a fiber optic communication line with a receiver of quantum states.
Возможны и другие варианты реализации предложенного устройства и способа, зависящие от предпочтений при выборе аппаратного и программного обеспечения.There are other options for implementing the proposed device and method, depending on preferences when choosing hardware and software.
Claims (38)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2777422C1 true RU2777422C1 (en) | 2022-08-03 |
Family
ID=
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20090046857A1 (en) * | 2006-03-16 | 2009-02-19 | Yoshihiro Nambu | Quantum cryptography transmission system and optical device |
| RU2622985C1 (en) * | 2015-12-09 | 2017-06-21 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела Российской академии наук (ИФТТ РАН) | Device of quantum cryptography (versions) |
| CN108667519A (en) * | 2017-03-28 | 2018-10-16 | 科大国盾量子技术股份有限公司 | Intensity modulated device and method and its application in quantum key distribution system |
| RU2691829C1 (en) * | 2018-05-31 | 2019-06-18 | Андрей Николаевич Климов | Quantum cryptography device |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20090046857A1 (en) * | 2006-03-16 | 2009-02-19 | Yoshihiro Nambu | Quantum cryptography transmission system and optical device |
| RU2622985C1 (en) * | 2015-12-09 | 2017-06-21 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела Российской академии наук (ИФТТ РАН) | Device of quantum cryptography (versions) |
| CN108667519A (en) * | 2017-03-28 | 2018-10-16 | 科大国盾量子技术股份有限公司 | Intensity modulated device and method and its application in quantum key distribution system |
| RU2691829C1 (en) * | 2018-05-31 | 2019-06-18 | Андрей Николаевич Климов | Quantum cryptography device |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10805075B2 (en) | Phase reference sharing schemes for continuous-variable quantum cryptography | |
| US10153848B2 (en) | Optical device, a transmitter for a quantum communication system and a quantum communication system | |
| WO2020140851A1 (en) | Quantum communication and quantum time-frequency transmission fusion network system and method | |
| EP3869758A1 (en) | Phase modulation-based qkd polarization state preparation apparatus and method | |
| US8184989B2 (en) | Communication system and timing control method | |
| JP2005124192A (en) | Method and system for synchronizing operation characteristic of variable wavelength device to wavelength of local oscillator signal | |
| US10498459B2 (en) | Optical transmitter and skew compensation method | |
| US7064840B2 (en) | Optical sampling system for simultaneously monitoring intensity modulation and frequency modulation | |
| US11546147B2 (en) | Time division quadrature homodyne CV QKD system | |
| WO2019149383A1 (en) | Quantum key distribution apparatus, system and method | |
| KR102238186B1 (en) | CV QKD system using optical interferometer phase lock scheme for optical homodyne detection | |
| JP2022075519A (en) | Phase frequency response measurement method and device | |
| RU2777422C1 (en) | Method and device for generating quantum states in phase-coded quantum key distribution system | |
| Kish et al. | Use of a local local oscillator for the satellite-to-earth channel | |
| WO2023131952A1 (en) | System and method of calibrating and testing a qkd transmitter | |
| US9369210B2 (en) | Optical modulator calibration | |
| CN106199623B (en) | A kind of femtosecond laser intermode beat frequency method range-measurement system | |
| KR102576065B1 (en) | Generation of optical pulses with controlled distribution of quadrature component values | |
| EP0434235B1 (en) | Tone spacing and power level monitoring for FSK lightwave systems | |
| JP2022168693A (en) | Optical comb generator control device | |
| JP2006166162A (en) | Communication system provided with pulse waveform shaping function and communication method | |
| RU2794954C1 (en) | Method and device for generating quantum states for protocols with distributed phase coding | |
| JP7452699B2 (en) | Measuring device and method | |
| US20240039635A1 (en) | Apparatus And Method For Adjusting The Phase-Modulator's Modulating Signal Time Reference In A Quantum-Key-Distribution System | |
| JP2977919B2 (en) | Measuring and controlling device for optical frequency shift of semiconductor laser |