RU2667755C1 - System of relativistic quantum cryptography - Google Patents
System of relativistic quantum cryptography Download PDFInfo
- Publication number
- RU2667755C1 RU2667755C1 RU2017117184A RU2017117184A RU2667755C1 RU 2667755 C1 RU2667755 C1 RU 2667755C1 RU 2017117184 A RU2017117184 A RU 2017117184A RU 2017117184 A RU2017117184 A RU 2017117184A RU 2667755 C1 RU2667755 C1 RU 2667755C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- interferometer
- phase
- quantum
- key distribution
- relativistic
- Prior art date
Links
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 6
- 230000002238 attenuated effect Effects 0.000 claims abstract description 3
- 238000007619 statistical method Methods 0.000 claims abstract description 3
- 230000003044 adaptive effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000013179 statistical model Methods 0.000 claims description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 230000008520 organization Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 13
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 10
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 7
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 6
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 6
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 4
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 3
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 description 3
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 3
- 230000005610 quantum mechanics Effects 0.000 description 2
- 238000013476 bayesian approach Methods 0.000 description 1
- 238000013398 bayesian method Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- GQYHUHYESMUTHG-UHFFFAOYSA-N lithium niobate Chemical compound [Li+].[O-][Nb](=O)=O GQYHUHYESMUTHG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
- H04L9/00—Cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communications; Network security protocols
- H04L9/08—Key distribution or management, e.g. generation, sharing or updating, of cryptographic keys or passwords
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Security & Cryptography (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Optical Communication System (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области квантовой криптографии, а именно квантового распределения ключей - QKD (см., например, V. Scarani, H. Bechmann-Pasquinucci, N.J. Cerf, М. Dusek, N. Lutkenhaus, and M. Peev, "The security of practical quantum key distribution," Rev. Mod. Phys., vol. 81, no. 3, pp. 1301-1350, 2009). Благодаря использованию фундаментальных принципов квантовой физики, становится возможным обмен секретными ключами по открытому квантовому каналу связи, при этом гарантируя секретность получаемых ключей. Любые попытки подслушивания учитываются в протоколе такого распределения ключей и становятся известными абонентам - участникам протокола. Среди множества известных протоколов квантового распределения ключей, настоящее изобретение относится к так называемому релятивистскому протоколу квантового распределения ключей, использующему квантовый канал связи по открытому пространству.The invention relates to the field of quantum cryptography, namely, quantum key distribution - QKD (see, for example, V. Scarani, H. Bechmann-Pasquinucci, NJ Cerf, M. Dusek, N. Lutkenhaus, and M. Peev, "The security of practical quantum key distribution, "Rev. Mod. Phys., vol. 81, no. 3, pp. 1301-1350, 2009). Through the use of the fundamental principles of quantum physics, it becomes possible to exchange secret keys through an open quantum communication channel, while guaranteeing the secrecy of the keys obtained. Any attempts at eavesdropping are taken into account in the protocol of such a distribution of keys and become known to subscribers - participants of the protocol. Among the many known quantum key distribution protocols, the present invention relates to the so-called relativistic quantum key distribution protocol using a quantum open-space communication channel.
Особенность релятивистского протокола заключается в необходимости реализации интерферометра с большой (порядка 10 нс) временной задержкой. Такие интерферометры недостаточно стабильны из-за большой разности длин оптических путей и, в общем случае, требуют активной подстройки. Известно решение данной проблемы с использованием двухпроходной схемы (I.V. Radchenko, K.S. Kravtsov, S.P. Kulik, and S.N. Molotkov, "Relativistic quantum cryptography," Laser Phys. Lett., vol. 11, no. 6, p. 065203, 2014), в которой один и тот же интерферометр используется и для кодирования и для декодирования квантовых посылок, ввиду чего он оказывается автоматически согласованным. Однако, указанная двухпроходная конфигурация существенно ограничивает допустимую частоту передачи квантовых посылок и приводит к снижению эффективности всей системы в целом.A feature of the relativistic protocol is the need to implement an interferometer with a large (of the order of 10 ns) time delay. Such interferometers are not stable enough due to the large difference in the optical path lengths and, in the general case, require active tuning. A solution to this problem is known using a two-pass scheme (IV Radchenko, KS Kravtsov, SP Kulik, and SN Molotkov, "Relativistic quantum cryptography," Laser Phys. Lett., Vol. 11, no. 6, p. 065203, 2014), where the same interferometer is used both for encoding and decoding quantum premises, because of which it turns out to be automatically consistent. However, this two-pass configuration significantly limits the allowable frequency of transmission of quantum parcels and leads to a decrease in the efficiency of the entire system as a whole.
Предлагаемая схема использует однопроходную конфигурацию, в которой приемный интерферометр непрерывно подстраивается, обеспечивая требуемый фазовый сдвиг между двумя плечами интерферометра. Подстройка интерферометра осуществляется с использованием Байесовского метода реконструкции разности фаз по отсчетам однофотонного детектора на выходе интерферометра. В отличие от других способов подстройки интерферометра, предлагаемая схема практически не снижает эффективность работы всей системы, не требует каких-либо еще источников излучения, кроме источника света в квантовом канале, а также не нуждается в дополнительных детекторах. Кроме того, используемый однопроходный режим работы всей системы квантовой криптографии потенциально более стоек к активным атакам на оборудование системы квантового распределения ключей.The proposed scheme uses a single-pass configuration in which the receiving interferometer is continuously tuned, providing the required phase shift between the two arms of the interferometer. The interferometer is tuned using the Bayesian method for reconstructing the phase difference from the readings of a single-photon detector at the output of the interferometer. Unlike other methods of adjusting the interferometer, the proposed scheme practically does not reduce the efficiency of the entire system, does not require any other radiation sources except a light source in the quantum channel, and also does not need additional detectors. In addition, the single-pass mode of operation of the entire quantum cryptography system used is potentially more resistant to active attacks on the equipment of the quantum key distribution system.
Технической задачей, решаемой настоящим изобретением, является организация подстройки приемного интерферометра в однопроходной схеме релятивистского квантового распределения ключей с использованием уже имеющихся в системе ресурсов, а именно, однофотонного детектора и фазового модулятора.The technical problem solved by the present invention is the organization of tuning the receiving interferometer in a single-pass scheme of the relativistic quantum key distribution using the resources already available in the system, namely, a single-photon detector and a phase modulator.
Поставленная задача решается путем использования временных окон между квантовыми посылками данных для реконструкции разности фаз с помощью Байесовского статистического метода. При этом используется тот же источник сигнала и однофотонный детектор, что и для данных. Управление интерферометром осуществляется фазовым модулятором, который также выполняет двойную роль: обеспечивает демодуляцию данных и поддерживает требуемую разность фаз между плечами интерферометра.The problem is solved by using time windows between quantum data packets to reconstruct the phase difference using the Bayesian statistical method. In this case, the same signal source and single-photon detector are used as for the data. The interferometer is controlled by a phase modulator, which also has a dual role: it provides data demodulation and maintains the required phase difference between the arms of the interferometer.
Предлагаемый Байесовский алгоритм осуществляет статистическую связь между состоянием фазового модулятора и частотой отсчетов однофотонного детектора, и на основе анализа статистических данных оптимальным образом выбирает фазовый сдвиг, обычно соответствующий полностью деструктивной интерференции, для корректного декодирования передаваемых данных. Этапы подстройки интерферометра и передачи данных сменяют друг друга, обеспечивая глобальную непрерывность поддержания системы в работоспособном состоянии.The proposed Bayesian algorithm provides a statistical relationship between the state of the phase modulator and the sampling frequency of a single-photon detector, and based on the analysis of statistical data, it selects the phase shift, usually corresponding to completely destructive interference, for the correct decoding of the transmitted data. The stages of adjustment of the interferometer and data transmission replace each other, providing global continuity of maintaining the system in working condition.
Краткое описание чертежей.A brief description of the drawings.
На фиг. 1 представлена для примера схема реализации системы релятивистского квантового распределения ключей, работающей по атмосферному каналу связи. Данная схема представляет одну из возможных реализаций системы релятивистской квантовой криптографии, и никоим образом не ограничивает применимость настоящего изобретения. Система естественным образом разделяется на две части: передающую 9 и приемную 10, соединенные квантовым каналом связи по открытому пространству 5.In FIG. Figure 1 presents, for example, a diagram of an implementation of a relativistic quantum key distribution system operating via an atmospheric communication channel. This scheme represents one of the possible implementations of the relativistic quantum cryptography system, and in no way limits the applicability of the present invention. The system is naturally divided into two parts: transmitting 9 and receiving 10, connected by a quantum communication channel through an
Передающая часть 9 состоит из передающего лазера 1, переменного аттенюатора 2, фазового модулятора 3 и телескопа 4, выполняющего роль передающего телескопа. В данной конфигурации передающий лазер 1 должен быть достаточно узкополосным и обеспечивать длину когерентности излучения много большую, чем разность оптических длин в интерферометре задержки на приемной стороне. Аттенюатор 2 используется для ослабления сигнала до уровня отдельных фотонов, определяемого используемым протоколом релятивистского квантового распределения ключей. Фазовый модулятор 3 служит для формирования посылок согласно протоколу релятивистского квантового распределения ключей. Передающий телескоп должен с незначительными оптическими потерями сформировать выходной пучок передающей системы, который, распространяясь в открытом пространстве (атмосфере), соединяет передающую и приемную станции.The transmitting
Приемная часть 10 включает телескоп 4, выполняющий роль приемного телескопа, интерферометр задержки, состоящий из симметричных волоконных светоделителей (каплеров) 6 и фазового модулятора 7, а также однофотонный детектор 8. Настоящее изобретение непосредственно относится к непрерывной подстройке интерферометра задержки, а именно предлагает определенный алгоритм совместной работы фазового модулятора 7 и однофотонного детектора 8 во временных окнах между посылками данных согласно протоколу релятивистского квантового распределения ключей.The
На фиг. 2 представлена возможная схема реализации Байесовского алгоритма непрерывной подстройки фазы интерферометра задержки в системе релятивистской квантовой криптографии. Текущее значение распределения вероятностей для актуальной расстройки фазы подается на вход (изначально, вместо него берется априорное распределение вероятностей) блока 1. Выбирается произвольное значение фазы ϕ и устанавливается на фазовом модуляторе. Затем в течение времени ΔТ проводится регистрация сигнала однофотонным детектором. Результат операции (бинарный: отсчет был или его не было) используется в блоке 2, в котором производится умножение текущего распределения вероятностей на соответствующий Байесовский множитель. В блоке 3 вычисляется наиболее вероятное значение по распределению для фазовой расстройки интерферометра и устанавливается на фазовом модуляторе. После этого в блоке 4 проводится квантовое распределение ключей. Длительность данного блока определяется, в первую очередь, скоростью случайной расстройки фазы из-за ее медленных флуктуаций. В блоке 5 эта дополнительная расстройка учитывается в виде диффузии фазы, пропорциональной времени, затраченному на все предыдущие шаги. Таким образом модифицированное распределение вероятностей снова подается на вход системы и процесс повторяется.In FIG. Figure 2 shows a possible implementation scheme for the Bayesian algorithm for continuously adjusting the phase of a delay interferometer in a relativistic quantum cryptography system. The current value of the probability distribution for the actual phase mismatch is fed to the input (initially, an a priori probability distribution is taken instead) of
Осуществление изобретения.The implementation of the invention.
Квантовая механика открывает возможность распределения секретных ключей, гарантируя отсутствие подслушивания или утечки информации третьим лицам. Данное направление традиционно называется квантовая криптография или квантовое распределение ключей (QKD). Относительно недавно было показано, что использование вдобавок к квантовой механике принципа относительности позволяет существенно расширить область параметров (в первую очередь, потери в канале связи и требования к квантовому источнику), в которой может гарантироваться безусловная секретность переданных ключей (S.N. Molotkov and S.S. Nazin, "The role of causality inensuring the ultimate security of relativistic quantum cryptography," JETP Lett., vol. 73, no. 12, pp. 682-687, 2001). Соответствующие способы распределения секретных ключей получили название релятивистского квантового распределения ключей. Настоящее изобретение мотивировано экспериментальными исследованиями по данной тематике.Quantum mechanics opens up the possibility of distributing secret keys, guaranteeing that no eavesdropping or leakage of information to third parties is possible. This area is traditionally called quantum cryptography or quantum key distribution (QKD). Relatively recently it was shown that the use of the principle of relativity in addition to quantum mechanics can significantly expand the range of parameters (primarily losses in the communication channel and requirements for the quantum source), in which unconditional secrecy of the transmitted keys can be guaranteed (SN Molotkov and SS Nazin, " The role of causality inensuring the ultimate security of relativistic quantum cryptography, "JETP Lett., Vol. 73, no. 12, pp. 682-687, 2001). The corresponding methods for distributing secret keys are called relativistic quantum key distribution. The present invention is motivated by experimental studies on this subject.
Для конкретики, рассмотрим простейшую систему релятивистской квантовой криптографии, показанную на фиг. 1. Передающая часть содержит узкополосный лазерный источник 1. Для простоты будем считать его монохроматическим. Излучение лазера ослабляется аттенюатором 2 до уровня мощности I0, проходит через фазовый модулятор 3 и передается на принимающую станцию 10 по каналу связи в открытом пространстве.For specifics, consider the simplest relativistic quantum cryptography system shown in FIG. 1. The transmitting part contains a narrow-
Основой принимающей станции является интерферометр задержки, образованный симметричными светоделителями 6 и фазовым модулятором 7. Интерферометр задержки может быть выполнен, например, в виде оптоволоконной структуры с использованием сварных оптоволоконных светоделителей (каплеров). Фазовый модулятор может быть, например, электро-оптическим фазовым модулятором на основе ниобата лития, или любым другим подходящим по параметрам. Относительная фаза между плечами интерферометра настраивается так, чтобы при отсутствии сигналов на фазовых модуляторах на выходе к однофотонному детектору была полностью деструктивная интерференция. Обозначим относительную задержку между плечами интерферометра как Т. Для работоспособности протокола релятивистской квантовой криптографии данная величина должна быть порядка 10 нс или больше, что связано с более медленным распространением света в условиях земной атмосферы по сравнению со скоростью света в вакууме.The basis of the receiving station is a delay interferometer formed by
Для генерации сырого ключа используется следующий протокол: передающая станция в заранее оговоренные моменты времени tn случайно и с равной вероятностью выбирает один из двух вариантов работы фазового модулятора 3. Либо на время τ<Т фаза оптического сигнала изменяется на π, либо фаза остается неизменной. На приемной стороне выполняется та же самая процедура с фазовым модулятором 7, но в моменты времени tn+Δt, где Δt - время распространения сигнала от фазового модулятора 3 до фазового модулятора 7. Таким образом, временные окна, в которых производится фазовая модуляция сигнала полностью перекрываются. В результате действия такого протокола появление фотона в однофотонном детекторе 8 возможно только в случае, когда передающая и приемная стороны выбрали противоположные варианты работы фазовых модуляторов. Следовательно, при появлении отсчета в детекторе 8 принимающая сторона, зная свой вариант работы фазового модулятора, может сделать вывод относительно работы модулятора передающей стороны.To generate a key used crude following protocol: the transmitting station within a predetermined time moments t n randomly and with equal probability, selects one of the two variants of operation of the
Обозначив наличие и отсутствие фазовой модуляции сигнала за 0 и 1 соответственно, приемная сторона, получив отсчет в детекторе 8, узнает значение соответствующего бита информации на передающей стороне. Серия таких посылок приводит к появлению у абонентов сырого ключа, который затем может быть очищен от возможных ошибок и информации, которая могла стать доступна третьим лицам.Having indicated the presence and absence of phase modulation of the signal for 0 and 1, respectively, the receiving side, having received a count in
Принципы, приводящие к секретности распределенного таким образом ключа, опираются на два фундаментальных требования. Во-первых, интенсивность излучения I0 должна быть такой, чтобы ожидаемое число фотонов за время τ было существенно меньше единицы: τI0/hν<<1. Таким образом, доступная классическая информация, согласно теореме Холево, в каждой посылке существенно меньше 1 бита, а значит подслушиватель, в принципе, не может получить доступ ко всему переданному сырому ключу, при условии, что он не мог сделать предварительной селекции того, что пропускать через канал, а что заблокировать. Во-вторых, приемная сторона производит регистрацию фотонов в точно определенные моменты времени, соответствующие пролету через канал со скоростью света и в первом из двух возможных временных окон. Все отстающие посылки игнорируются. Таким образом, осуществляется запрет на селекцию состояний в канале со стороны третьих лиц. Более фундаментальное описание с доказательствами приведенных рассуждений можно найти в следующих работах: S.N. Molotkov, "Relativistic quantum cryptography," JETP, vol. 112, no. 3, pp. 370-379, 2011; S.N. Molotkov, "Relativistic quantum cryptography for open space without clock synchronization on the receiver and transmitter sides," JETP Lett., vol. 94, no. 6, pp. 469-476, 2011; S.N. Molotkov, "On the resistance of relativistic quantum cryptography in open space at finite resources," JETP Lett., vol. 96, no. 5, pp. 342-348, 2012.The principles leading to the secrecy of a key distributed in this way are based on two fundamental requirements. First, the radiation intensity I 0 should be such that the expected number of photons during time τ is substantially less than unity: τI 0 / hν << 1. Thus, the available classical information, according to the Holevo theorem, in each message is substantially less than 1 bit, which means that the eavesdropper, in principle, cannot gain access to the whole transmitted raw key, provided that he could not pre-select what to skip through the channel, and what to block. Secondly, the receiving side performs registration of photons at precisely defined time instants corresponding to the passage through the channel at the speed of light and in the first of two possible time windows. All lagging packages are ignored. Thus, a ban on the selection of states in the channel by third parties. A more fundamental description with proof of the above reasoning can be found in the following papers: SN Molotkov, "Relativistic quantum cryptography," JETP, vol. 112, no. 3, pp. 370-379, 2011; SN Molotkov, "Relativistic quantum cryptography for open space without clock synchronization on the receiver and transmitter sides," JETP Lett., Vol. 94, no. 6, pp. 469-476, 2011; SN Molotkov, "On the resistance of relativistic quantum cryptography in open space at finite resources," JETP Lett., Vol. 96, no. 5, pp. 342-348, 2012.
Остановимся более подробно на вопросе настройки интерферометра, являющимся ключевым в данном изобретении. Относительную фазу интерферометра можно изменять любым видом контроля фазы в одном или двух плечах интерферометра. Для простоты, но без ограничения общности высказываемых здесь принципов изобретения, будем считать, что настройка интерферометра производится тем же фазовым модулятором 7, который участвует в протоколе распределения ключей. Для этого, на нем устанавливается постоянный сдвиг фазы ϕ0, который обеспечивает деструктивную интерференцию на выходе однофотонного детектора. При этом, для дополнительной фазовой модуляции согласно протоколу распределения ключей сдвиг фазы на π осуществляется относительно данного значения ϕ0.Let us dwell in more detail on the question of tuning the interferometer, which is the key in this invention. The relative phase of the interferometer can be changed by any type of phase control in one or two arms of the interferometer. For simplicity, but without limiting the generality of the principles of the invention expressed here, we assume that the interferometer is configured by the
Ввиду особенностей распространения оптических сигналов, практически при любом устройстве интерферометра задержки, желаемая фаза ϕ0 флуктуирует от времени, что существенно усложняет реализацию приведенного протокола. Это связано с такими процессами как механическая вибрация, звуковые колебания, изменение температуры или напряжения в материалах, и др. Обычно достаточно просто устранить высокочастотные колебания фазы, обеспечив адекватную звуко- и термоизоляцию интерферометра задержки. Однако, медленные (с характерными временами порядка минуты) флуктуации фазы требуют активной подстройки интерферометра, которая может быть осуществлена согласно настоящему изобретению.Due to the propagation of optical signals, practically with any device of the delay interferometer, the desired phase ϕ 0 fluctuates with time, which significantly complicates the implementation of the above protocol. This is due to processes such as mechanical vibration, sound vibrations, changes in temperature or voltage in materials, etc. Usually, it is simple enough to eliminate high-frequency phase oscillations, providing adequate sound and thermal insulation of the delay interferometer. However, slow (with characteristic times of the order of a minute) phase fluctuations require active tuning of the interferometer, which can be carried out according to the present invention.
Для реализации отслеживания требуемой фазы ϕ0 предлагается использовать следующие соображения. Поскольку при выставлении фазы ϕ0 на фазовом модуляторе интерферометр настроен так, что интенсивность сигнала, попадающего на однофотонный детектор равна нулю, зависимость этой интенсивности от произвольно выставленной фазы ϕ на фазовом модуляторе описывается соотношением:To implement tracking the required phase ϕ 0, it is proposed to use the following considerations. Since when setting the phase ϕ 0 on the phase modulator, the interferometer is configured so that the intensity of the signal incident on the single-photon detector is zero, the dependence of this intensity on an arbitrarily set phase ϕ on the phase modulator is described by the relation:
1(ϕ)=αI0[1-cos(ϕ-ϕ0)]/2,1 (ϕ) = αI 0 [1-cos (ϕ-ϕ0)] / 2,
где α - обозначает потери сигнала во всем оптическом тракте от аттенюатора 2. Например, при ϕ=ϕ0+π получаем полностью конструктивную интерференцию на выходе к детектору, следовательно, вся доступная интенсивность αI0 попадает в детектор. Измеряя интенсивность на детекторе при различных значениях ϕ, относительно несложно найти искомое значение ϕ0.where α is the signal loss in the entire optical path from
Основная сложность состоит в том, что уровень сигнала αI0 является настолько слабым, что он детектируется как отдельные фотоны, т.е. дискретные события, происходящие случайно и следующие модели Пуассоновского процесса.The main difficulty is that the signal level αI 0 is so weak that it is detected as individual photons, i.e. discrete events occurring randomly and the following models of the Poisson process.
Подходящим инструментом для нахождения фазы ϕ0 является Байесовская статистическая модель. Для простоты рассмотрим сначала стационарный случай, в котором будем считать ϕ0 постоянным на протяжении всего измерения. В начальный момент, предполагается, что фаза ϕ0 может быть любой допустимой с одинаковой вероятностью, следовательно, можно определить априорную вероятность как ρ0(ϕ0)=(2π)-1 где ϕ0 принимает любые возможные значения от 0 до 2π. Далее, измерение числа фотоотсчетов в однофотонном детекторе производится в течение одинаковых промежутков времени ΔТ. Вероятность получения отсчета равняется р1(ϕ0)=1-ехр[-Iϕ0(ϕ)ΔT/hυ], а вероятность отсутствия отсчетов за этот же интервал времени равна р0(ϕ0)=ехр[-Iϕ0(ϕ)ΔT/hυ], где ϕ - установленный фазовый сдвиг на фазовом модуляторе, а Iϕ0(ϕ) - ожидаемая интенсивность сигнала при конкретном значении ϕ0. Согласно используемому Байесовскому подходу после каждого проведенного измерения в зависимости от его исхода i={0,1} текущее распределение вероятности ρ(ϕ0) обновляется согласно следующему соотношению:A suitable tool for finding the phase ϕ 0 is the Bayesian statistical model. For simplicity, we first consider the stationary case in which we assume that ϕ 0 is constant throughout the entire measurement. At the initial moment, it is assumed that the phase ϕ 0 can be any admissible with the same probability, therefore, we can determine the a priori probability as ρ 0 (ϕ 0 ) = (2π) -1 where ϕ 0 takes any possible values from 0 to 2π. Further, the measurement of the number of photocounts in a single-photon detector is performed for the same time intervals ΔТ. The probability of obtaining a reference is p 1 (ϕ 0 ) = 1-exp [-I ϕ0 (ϕ) ΔT / hυ], and the probability of the absence of samples for the same time interval is p 0 (ϕ 0 ) = exp [-I ϕ0 (ϕ ) ΔT / hυ], where ϕ is the established phase shift at the phase modulator, and I ϕ0 (ϕ) is the expected signal intensity at a specific value of ϕ 0 . According to the Bayesian approach, after each measurement, depending on its outcome i = {0,1}, the current probability distribution ρ (ϕ 0 ) is updated according to the following relation:
ρ(ϕ0)→ρ(ϕ0)pi(ϕ0).ρ (ϕ 0 ) → ρ (ϕ 0 ) p i (ϕ 0 ).
В результате, плоское априорное распределение вероятности постепенно сужается вокруг истинного значения ϕ0. Для достижения быстрой сходимости требуется выбирать различные значения текущего сдвига фаз в фазовом модуляторе ϕ. Оптимальная неадаптивная модель подразумевает выбор случайного значения ϕ для каждого следующего измерения. Возможен также адаптивный вариант выбора значения ϕ, когда его выбор зависит от текущего распределения вероятности ρ(ϕ0).As a result, the flat a priori probability distribution gradually narrows around the true value of ϕ 0 . To achieve rapid convergence, it is required to choose different values of the current phase shift in the phase modulator ϕ. The optimal non-adaptive model implies the choice of a random value of ϕ for each subsequent measurement. An adaptive option for choosing the value of ϕ is also possible when its choice depends on the current probability distribution ρ (ϕ 0 ).
Процесс измерения продолжается требуемое число шагов для получения значения ϕ0 с требуемой точностью (распределение вероятности становится настолько узким, что вероятность отличия ϕ0 от среднего значения больше заданной фазовой ошибки становится меньше заданного порога, например, 10-5). После того как величина ϕ0 определена, система может переключаться в режим квантового распределения ключей, так как знание величины ϕ0 позволяет обеспечить требуемую разность фаз в плечах интерферометра с помощью фазового модулятора.The measurement process continues with the required number of steps to obtain the ϕ 0 value with the required accuracy (the probability distribution becomes so narrow that the probability of the difference ϕ 0 from the average value is greater than the given phase error becomes less than the specified threshold, for example, 10 -5 ). After the value of ϕ 0 is determined, the system can switch to the quantum key distribution mode, since knowledge of the value of ϕ 0 allows to provide the required phase difference in the arms of the interferometer using a phase modulator.
Случай медленно изменяющейся величины ϕ0 может быть реализован различными способами, например, но не ограничиваясь следующими тремя:The case of a slowly varying quantity ϕ 0 can be realized in various ways, for example, but not limited to the following three:
1. Фаза периодически подстраивается как и для случая неизменного фазового сдвига. Дальнейший процесс квантового распределения ключей продолжается столько времени, сколько ожидается до существенного изменения величины ϕ0. После этого процедура определения фазы повторяется вновь. Такой способ отличается простотой реализации, однако не максимально эффективно использует полученную информацию: на каждом шагу вся известная информация отбрасывается и заменяется плоским априорным распределением.1. The phase is periodically adjusted as for the case of a constant phase shift. The further process of quantum key distribution lasts as long as expected before a significant change in ϕ 0 . After this, the phase determination procedure is repeated again. This method is simple to implement, but it does not use the information received as efficiently as possible: at every step, all known information is discarded and replaced by a flat a priori distribution.
2. Фаза находится по результату лишь последних N измерений, т.е. на каждом шаге распределение вероятности вычисляется по следующей формуле
3. Для устранения недостатков предыдущего варианта может использоваться модель фазовой диффузии, когда на каждом шаге распределение вероятности вдобавок к Байесовскому множителю претерпевает фазовую диффузию, что снижает наше знание величины ϕ0 и соответствует медленным случайным флуктуациям фазы. Таким образом, через большое время постепенно установится равновесие между информацией, получаемой после каждого измерения, и потерей информации ввиду диффузии фазы из-за ее медленных флуктуаций. Такой метод не требует больших вычислительных ресурсов и при этом остается квазинепрерывным по времени. Он, по-видимому, позволяет получить одну из лучших возможных оценок значения ϕ0 после каждого измерения. Последний вариант оценки фазы интерферометра в одном из возможных вариантов реализации показан на фиг. 2.3. To eliminate the shortcomings of the previous version, a phase diffusion model can be used, where at each step the probability distribution in addition to the Bayesian factor undergoes phase diffusion, which reduces our knowledge of ϕ 0 and corresponds to slow random phase fluctuations. Thus, after a long time, an equilibrium is gradually established between the information obtained after each measurement and the loss of information due to phase diffusion due to its slow fluctuations. Such a method does not require large computational resources and at the same time remains quasicontinuous in time. Apparently, it allows one to obtain one of the best possible estimates of ϕ 0 after each measurement. The last option for estimating the phase of the interferometer in one of the possible embodiments is shown in FIG. 2.
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017117184A RU2667755C1 (en) | 2017-05-17 | 2017-05-17 | System of relativistic quantum cryptography |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017117184A RU2667755C1 (en) | 2017-05-17 | 2017-05-17 | System of relativistic quantum cryptography |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2667755C1 true RU2667755C1 (en) | 2018-09-24 |
Family
ID=63668913
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017117184A RU2667755C1 (en) | 2017-05-17 | 2017-05-17 | System of relativistic quantum cryptography |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2667755C1 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2730554C1 (en) * | 2019-11-29 | 2020-08-24 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) | Method of detecting an attack on quantum states in a quantum communication channel |
| RU2744509C1 (en) * | 2020-01-22 | 2021-03-11 | Общество с ограниченной ответственностью "Кванттелеком" | Apparatus for quantum communication at side frequencies with increased discrete set of modulating signal phases |
| RU2783977C1 (en) * | 2021-11-30 | 2022-11-22 | Акционерное Общество "Информационные Технологии И Коммуникационные Системы" | Method for detecting a detector blinding attack in quantum cryptography systems with polarisation encoding |
| RU2812341C2 (en) * | 2021-12-28 | 2024-01-30 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ" | Method for detecting phases of low-photon coherent light fields at side frequencies in quantum key distribution system |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2325039C2 (en) * | 2006-06-06 | 2008-05-20 | Сергей Николаевич Молотков | Method of encoding and encryption keys transmission |
| US7403623B2 (en) * | 2002-07-05 | 2008-07-22 | Universite Libre De Bruxelles | High-rate quantum key distribution scheme relying on continuously phase and amplitude-modulated coherent light pulses |
| US7555127B2 (en) * | 2002-02-22 | 2009-06-30 | Nec Corporation | Quantum cryptography key distribution system and method |
| RU2507690C1 (en) * | 2012-11-13 | 2014-02-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук (ИОФ РАН) | Method for quantum encoding and transmission of cryptographic keys |
| RU2566335C1 (en) * | 2014-04-04 | 2015-10-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Лаборатория оптико-электронных приборов" (ООО "ЛОЭП") | Method of generating private keys using time-entangled photon pairs |
-
2017
- 2017-05-17 RU RU2017117184A patent/RU2667755C1/en active IP Right Revival
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7555127B2 (en) * | 2002-02-22 | 2009-06-30 | Nec Corporation | Quantum cryptography key distribution system and method |
| US7403623B2 (en) * | 2002-07-05 | 2008-07-22 | Universite Libre De Bruxelles | High-rate quantum key distribution scheme relying on continuously phase and amplitude-modulated coherent light pulses |
| RU2325039C2 (en) * | 2006-06-06 | 2008-05-20 | Сергей Николаевич Молотков | Method of encoding and encryption keys transmission |
| RU2507690C1 (en) * | 2012-11-13 | 2014-02-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук (ИОФ РАН) | Method for quantum encoding and transmission of cryptographic keys |
| RU2566335C1 (en) * | 2014-04-04 | 2015-10-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Лаборатория оптико-электронных приборов" (ООО "ЛОЭП") | Method of generating private keys using time-entangled photon pairs |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2730554C1 (en) * | 2019-11-29 | 2020-08-24 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) | Method of detecting an attack on quantum states in a quantum communication channel |
| RU2744509C1 (en) * | 2020-01-22 | 2021-03-11 | Общество с ограниченной ответственностью "Кванттелеком" | Apparatus for quantum communication at side frequencies with increased discrete set of modulating signal phases |
| RU2783977C1 (en) * | 2021-11-30 | 2022-11-22 | Акционерное Общество "Информационные Технологии И Коммуникационные Системы" | Method for detecting a detector blinding attack in quantum cryptography systems with polarisation encoding |
| RU2812341C2 (en) * | 2021-12-28 | 2024-01-30 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ" | Method for detecting phases of low-photon coherent light fields at side frequencies in quantum key distribution system |
| RU2840296C1 (en) * | 2024-06-06 | 2025-05-21 | Открытое Акционерное Общество "Российские Железные Дороги" | System and method for compensating for time shift of optical pulses in quantum channels of quantum key distribution device with untrusted central node |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Ribezzo et al. | Deploying an inter‐European quantum network | |
| Bourgoin et al. | Experimental quantum key distribution with simulated ground-to-satellite photon losses and processing limitations | |
| US7346166B2 (en) | Quantum key distribution system and method using regulated single-photon source | |
| US10439808B2 (en) | Communication with everlasting security from short-term-secure encrypted quantum communication | |
| Boaron et al. | Simple 2.5 GHz time-bin quantum key distribution | |
| Bersin et al. | Development of a Boston-area 50-km fiber quantum network testbed | |
| Peloso et al. | Daylight operation of a free space, entanglement-based quantum key distribution system | |
| US8433070B2 (en) | Systems and methods for stabilization of interferometers for quantum key distribution | |
| US7529373B2 (en) | Laser autocalibration for QKD systems | |
| Pelet et al. | Operational entanglement-based quantum key distribution over 50 km of field-deployed optical fibers | |
| CN106788984B (en) | A quantum communication method and device | |
| JP2003249928A (en) | Method for distributing quantum cryptographic key and communication system | |
| JP7322084B2 (en) | Optical system and method | |
| WO1997044936A1 (en) | Method and apparatus for polarisation-insensitive quantum cryptography | |
| Meyer-Scott et al. | How to implement decoy-state quantum key distribution for a satellite uplink with 50-dB channel loss | |
| WO2007105833A1 (en) | Quantum encryption transmission system and optical circuit | |
| RU2667755C1 (en) | System of relativistic quantum cryptography | |
| Mao et al. | Recent advances on quantum key distribution overcoming the linear secret key capacity bound | |
| US8098826B2 (en) | QKD system laser autocalibration based on bit-error rate | |
| KR20250007575A (en) | A method for remote generation of two identical random encryption keys of arbitrary length with device-independent security using entangled multiphoton sources of quantum light | |
| Argillander et al. | A tunable quantum random number generator based on a fiber-optical Sagnac interferometer | |
| Lopez Grande et al. | Adaptable transmitter for discrete and continuous variable quantum key distribution | |
| Pelet et al. | Operational entanglement-based quantum key distribution over 50 km of real-field optical fibres | |
| Rios | Experimental Characterization of a Discrete Gaussian-Modulated Quantum Key Distribution System | |
| US12225116B1 (en) | Quantum key distribution network with centralized optical pulse generation |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PD4A | Correction of name of patent owner | ||
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190518 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20200915 |