Изобретение относится к технике оптической связи, а именно к системам фотонной квантовой связи.The invention relates to techniques for optical communication, namely, photonic quantum communication systems.
Известно устройство квантовой рассылки симметричных битовых последовательностей [Патент США 627 22 24 В1, дата приоритета 07.04.2001. МКИ: H04L 9/08; H04K 1/00], содержащее соединенные посредством волоконно-оптической линии связи передающее устройство, включающее расположенные последовательно по ходу распространения излучения источник монохроматического излучения, электрооптический фазовый модулятор и аттенюатор, а также устройство сдвига фазы, выход которого соединен с управляющим входом электрооптического фазового модулятора, а вход устройства сдвига фазы соединен с выходом генератора радиочастотного сигнала, и приемное устройство, включающее электрооптический фазовый модулятор, выход которого оптически сопряжен со спектральным фильтром, который оптически сопряжен с приемником классического излучения и детектором одиночных фотонов, управляющий вход электрооптического фазового модулятора соединен с выходом устройства сдвига фазы, к входу которого подключен выход генератора радиочастотного сигнала, волоконно-оптическая линия связи оптически сопряжена с аттенюатором передающего устройства и с входом электрооптического фазового модулятора приемного устройства, устройство содержит блок синхронизации, первый и второй выходы которого соединены с входами генератора радиочастотного сигнала приемного и передающего устройств соответственно, а также блок управления фазовым сдвигом, первый и второй выходы которого соединены с синхронизационными входами устройства сдвига фазы приемного и передающего устройств соответственно.Known device for quantum distribution of symmetric bit sequences [US Patent 627 22 24 B1, priority date 07.04.2001. MKI: H04L 9/08; H04K 1/00], containing a transmitting device connected by means of a fiber-optic communication line, including a monochromatic radiation source, an electro-optical phase modulator and an attenuator located in series in the direction of radiation propagation, as well as a phase shift device, the output of which is connected to the control input of the electro-optical phase modulator, and the input of the phase shift device is connected to the output of the RF signal generator, and the receiving device including an electro-optical phase modulator, the output of which is optically coupled to a spectral filter, which is optically coupled to a classical radiation receiver and a single photon detector, the control input of the electro-optical phase modulator is connected to the output of the device phase shift, to the input of which the output of the RF signal generator is connected, the fiber-optic communication line is optically coupled with the attenuator of the transmitting device and with the input of the electro-optical phase module torus of the receiving device, the device contains a synchronization unit, the first and second outputs of which are connected to the inputs of the RF signal generator of the receiving and transmitting devices, respectively, as well as a phase shift control unit, the first and second outputs of which are connected to the synchronization inputs of the phase shifting device of the receiving and transmitting devices, respectively ...
Стандартное оптическое волокно, используемое в волоконно-оптических линиях связи, обладает двулучепреломлением, которое носит случайный характер, в том числе зависит случайным образом от времени. Электрооптические фазовые модуляторы, используемые в волоконных линиях связи, в большом числе случаев чувствительны к поляризации излучения. Блок отправителя может однозначно ввести фазу в сигнал, непосредственно излучаемый ее лазером. Однако при передаче этого сигнала по длинному волокну к блоку получателя состояние поляризации может непредсказуемо измениться. Кроме того, состояние поляризации может случайным образом зависеть от времени. Поскольку электрооптический фазовый модулятор в блоке получателя также чувствителен к состоянию поляризации проходящего через него излучения, результат модуляции сигнала с его стороны может случайно зависеть от времени. С учетом этих обстоятельств представленное устройство обладает следующими недостатками: высокий коэффициент квантовых ошибок, низкая скорость передачи секретного криптографического ключа и низкая степень защищенности секретного криптографического ключа.Standard optical fiber used in fiber-optic communication lines exhibits birefringence, which is random in nature, including randomly depending on time. Electro-optical phase modulators used in fiber communication lines are sensitive to radiation polarization in a large number of cases. The sender unit can unambiguously introduce phase into the signal directly emitted by its laser. However, when this signal is transmitted over a long fiber to the receiver unit, the polarization state may change unpredictably. In addition, the state of polarization may randomly depend on time. Since the electro-optical phase modulator in the receiver unit is also sensitive to the state of polarization of the radiation passing through it, the result of signal modulation from its side may randomly depend on time. Taking these circumstances into account, the presented device has the following disadvantages: a high rate of quantum errors, a low transmission rate of a secret cryptographic key and a low degree of security of a secret cryptographic key.
Известно устройство квантовой рассылки криптографического ключа, в котором реализован блок компенсации поляризационных искажений [Патент RU 2454810 C1]. В приемном устройстве блок компенсации поляризационных искажений выполнен из двух расположенных по ходу излучения электрооптических фазовых модуляторов, управляющие входы которых соединены с первым и вторым выходом устройства сдвига фазы соответственно, причем выход первого электрооптического фазового модулятора оптически сопряжен с выходом второго электрооптического фазового модулятора, за модуляторами по ходу излучения установлено фарадеевское зеркало, оптически сопряженное с входом второго электрооптического фазового модулятора.A device for quantum distribution of a cryptographic key is known, in which a polarization distortion compensation unit is implemented [Patent RU 2454810 C1]. In the receiving device, the polarization distortion compensation unit is made of two electro-optical phase modulators located along the radiation path, the control inputs of which are connected to the first and second outputs of the phase shift device, respectively, and the output of the first electro-optical phase modulator is optically coupled with the output of the second electro-optical phase modulator, after the modulators along In the course of radiation, a Faraday mirror is installed, which is optically coupled with the input of the second electro-optical phase modulator.
Представленное устройство также имеет недостатки. При двойном проходе излучения в блоке компенсации поляризационных искажений вносятся потери, что, в свою очередь, ведет к повышению коэффициента квантовых ошибок и к уменьшению дальности рассылки ключа.The presented device also has disadvantages. With a double pass of radiation in the polarization distortion compensation unit, losses are introduced, which, in turn, leads to an increase in the quantum error rate and to a decrease in the key distribution range.
Изобретение решает задачу понижения коэффициента квантовых ошибок, повышения скорости передачи секретного криптографического ключа и повышения степени защищенности секретного криптографического ключа посредством компенсации двулучепреломления волокна и поляризационной чувствительности модулятора в системе квантовой рассылки ключа на поднесущих частотах модулированного излучения.The invention solves the problem of reducing the quantum error rate, increasing the transmission rate of the secret cryptographic key and increasing the security of the secret cryptographic key by compensating for the fiber birefringence and the polarization sensitivity of the modulator in the quantum key distribution system at the modulated radiation subcarriers.
Поставленная задача решается следующим образом. Новая техническая реализация блока приемника устройства фотонной квантовой связи позволяет снизить коэффициент квантовых ошибок за счет понижения потерь в блоке компенсации поляризационных искажений. В состав приемного блока между фазовыми модуляторами и спектральным фильтром введены: волоконный поляризационный светоделитель и волоконный поляризационный соединитель. Устройство фотонной квантовой связи представлено на чертеже, 1 – лазер, 2 – волоконный оптический изолятор, 3, 6, 7 – электрооптический фазовый модулятор, 4 – волоконный оптический аттенюатор, 5 – радиоэлектронный блок управления и синхронизации блока отправителя, квантовый канал – канал для передачи одиночных фотонов, 8 – волоконный поляризационный светоделитель, 9 – волоконный поляризационный соединитель, 10 – волоконный спектральный фильтр, 11 – детектор одиночных фотонов, 12 – радиоэлектронный блок управления и синхронизации блока получателя, 13 – квантовый канал для передачи одиночных фотонов, 14 – канал для передачи классического сигнала синхронизации от радиоэлектронного блока передатчика к радиоэлектронному блоку приемника, 15 – открытый канал связи для классической коммуникации между радиоэлектронными блоками приемника и передатчика.The task is solved in the following way. The new technical implementation of the receiver unit of the photonic quantum coupling device allows to reduce the rate of quantum errors by reducing losses in the polarization distortion compensation unit. The structure of the receiving unit between the phase modulators and the spectral filter includes: a fiber polarizing beam splitter and a fiber polarizing connector. The photonic quantum communication device is shown in the drawing, 1 - laser, 2 - fiber optical isolator, 3, 6, 7 - electro-optical phase modulator, 4 - fiber optical attenuator, 5 - electronic control and synchronization unit of the sender unit, quantum channel - transmission channel single photons, 8 - fiber polarizing beam splitter, 9 - fiber polarization connector, 10 - fiber spectral filter, 11 - single photon detector, 12 - electronic control and synchronization unit of the receiver unit, 13 - quantum channel for transmission of single photons, 14 - channel for transmission of the classical synchronization signal from the radio-electronic unit of the transmitter to the radio-electronic unit of the receiver, 15 - an open communication channel for classical communication between the radio-electronic units of the receiver and the transmitter.
Устройство отличается тем, что в блок компенсации поляризационных искажений в приемном устройстве установлен волоконный поляризационный светоделитель, порты которого сопряжены с двумя расположенными по ходу излучения электрооптическими фазовыми модуляторами, после чего промодулированное излучение соединяется посредством волоконного поляризационного соединителя.The device differs in that a fiber polarization beam splitter is installed in the polarization distortion compensation unit in the receiving device, the ports of which are coupled with two electro-optical phase modulators located along the radiation path, after which the modulated radiation is connected by means of a fiber polarization connector.
Принцип работы устройства: монохроматическое излучение с несущей частотой, генерируемое источником монохроматического излучения, пройдя через волоконный оптический изолятор поступает в электрооптический модулятор, где создается световое поле на поднесущих частотах с произвольно заданной фазовой отстройкой относительно фазы несущей частоты. Фазовая отстройка задаётся в радиоэлектронном блоке управления и синхронизации из набора четырех базисных состояний (0°, 90°, 180°, 270°) в двух ортогональных базисах. Величина фазовой отстройки содержит информацию, передаваемую от передатчика к приемнику с помощью однофотонных состояний. Далее излучение попадает в аттенюатор, где ослабляется до уровня, заданного протоколом (в среднем 0.2 фотона на такт фазовой модуляции суммарно на боковых частотах). Пройдя через квантовый канал, излучение поступает в блок получателя и попадает в блок компенсации поляризационных искажений. Основополагающим принципом данного блока компенсации поляризационных искажений является разделение сигнала, пришедшего из линии связи, на две ортогональные компоненты поляризации для последующей модуляции непосредственно каждой поляризационной моды. Это достигается за счет использования волоконного поляризационного светоделителя с коэффициентом деления 50/50. Использование в данном устройстве специальных волокон, сохраняющих поляризацию, снижает риск изменения поляризации разделенных сигналов. После повторной модуляции происходит интерференция двух состояний фотона на поднесущих частотах, созданных в отправителе и приемнике. Далее излучение собирается вторым волоконным поляризационным соединителем в одно волокно и попадает в спектральный фильтр, где очищается от остальных спектральных составляющих. После спектральной очистки результат интерференции на поднесущих частотах, пройдя через спектральный фильтр, регистрируется с помощью детектора одиночных фотонов и обрабатывается в радиоэлектронном блоке управления и синхронизации блока получателя. Далее, в соответствии с протоколом, на основе собранных данных радиоэлектронные блоки отправителя и получателя, используя открытый канал, производят процедуру формирования симметричных битовых последовательностей, которая включает этап просеивания по базисам, при котором отбрасываются срабатывания детектора, произошедшие при фазовой модуляции в разных базисах, формирование сырой битовой последовательности на основании номеров базисов во временных интервалах, когда произошла конструктивная интерференция, расчет коэффициента ошибок и процедуру очистки от ошибок и усиления секретности. Также радиоэлектронные блоки управления и синхронизации обеспечивают синхронную работу блоков отправителя и получателя через оптический канал синхронизации.The principle of operation of the device: monochromatic radiation with a carrier frequency, generated by a source of monochromatic radiation, passing through a fiber optical isolator enters an electro-optical modulator, where a light field is created at subcarriers with an arbitrarily specified phase offset relative to the phase of the carrier frequency. The phase offset is set in the electronic control and synchronization unit from a set of four basic states (0 °, 90 °, 180 °, 270 °) in two orthogonal bases. The phase offset contains the information transmitted from the transmitter to the receiver using single-photon states. Then, the radiation enters the attenuator, where it is attenuated to the level specified by the protocol (on average, 0.2 photons per phase modulation clock, in total at the side frequencies). After passing through the quantum channel, the radiation enters the receiver unit and enters the polarization distortion compensation unit. The fundamental principle of this polarization distortion compensation unit is the separation of the signal coming from the communication line into two orthogonal polarization components for subsequent modulation of each polarization mode directly. This is achieved through the use of a 50/50 polarizing fiber beam splitter. The use of special polarization-preserving fibers in this device reduces the risk of polarization reversal of the separated signals. After re-modulation, interference occurs between the two states of the photon at the subcarriers created in the sender and receiver. Then the radiation is collected by the second fiber polarizing connector into one fiber and enters the spectral filter, where it is cleaned of the remaining spectral components. After spectral cleaning, the result of interference at subcarriers, passing through a spectral filter, is recorded using a single photon detector and processed in the electronic control and synchronization unit of the receiver unit. Further, in accordance with the protocol, on the basis of the collected data, the electronic units of the sender and receiver, using an open channel, perform a procedure for forming symmetric bit sequences, which includes the stage of sifting along the bases, in which the detector triggers that occurred during phase modulation in different bases are discarded, the formation a raw bit sequence based on the numbers of the bases in the time intervals when constructive interference occurred, the calculation of the error rate and the procedure for cleaning from errors and enhancing the secrecy. Also, electronic control and synchronization units provide synchronous operation of the sender and receiver units through the optical synchronization channel.