Результат интеллектуальной деятельности: Устройство квантовой криптографии (варианты)

Изобретение относится к области квантовой криптографии - системам квантового распределения криптографических ключей, а более конкретно, к волоконно-оптической части систем квантовой криптографии.

Системы квантовой криптографии позволяют не только обнаруживать любые попытки несанкционированного вторжения в канал связи, но и гарантировать безусловную секретность, на уровне фундаментальных законов природы (квантовой механики), передаваемых криптографических ключей при условии, что ошибка при регистрации однофотонных (или квазиоднофотонных) информационных состояний на приемной стороне в первичных ключах не превышает некоторой критической величины. Уровень ошибок определяет дальность передачи секретных ключей по волоконным оптическим линиям связи. Принципиально невозможно отличить ошибки на приемной стороне, возникающие от действий подслушивателя или от несовершенств аппаратуры (внутренние ошибки), поэтому все ошибки приходится относить на действия подслушивателя. Внутренние ошибки также можно разделить на ошибки от электронной аппаратуры, например, темновые шумы лавинных однофотонных детекторов, и ошибки от нестабильности оптической части системы. Практические волоконные системы квантовой криптографии используют фазовый способ кодирования, который использует волоконные интерферометры, например, Маха-Цандера. Фазовое кодирование использует интерференционный принцип приготовления и регистрации квантовых состояний. Стабильность интерференционной картины - постоянство водности интерференции принципиально важна для работы системы. Видность интерференционной картины определяется как фазовой стабильностью, так и стабильностью поляризации квантовых состояний, распространяющихся через интерферометр. Интерферометр является центральным элементом волоконно-оптической части, стабильность которого определяет работоспособность системы. Принципиально, что стандартное оптическое одномодовое волокно не сохраняет поляризацию. Это приводит к необходимости активной подстройки интерферометра для компенсации поляризационных искажений, вносимых оптическим волокном. Кроме того, различные базисные состояния поляризации фотона - вертикальная и горизонтальная - из-за существующего двулучепреломления в волокне, распространяются с различными скоростями, что приводит к появлению паразитной разности фаз в различных компонентах поляризации. Это обстоятельство также приводит к фазовым ошибкам в интерференции.

Из уровня техники известны устройства квантовой криптографии с компенсацией поляризационных искажений.

Известно устройство квантовой криптографии (патент US 6438234 В1, 20.08.2002), в котором применяется пассивная самокомпенсация поляризационных искажений с использованием фарадеевских зеркал. В указанном устройстве при отражении от зеркал двух базисных состояний поляризации фотона, горизонтальная и вертикальная поляризации меняются местами. Поэтому различный набег фазы, который приобрели излучаемые источником пакеты с различными компонентами поляризации до отражения на фарадеевском зеркале и при обратном распространении (из-за перестановки поляризаций) компенсируются. На этом принципе построена схема с пассивной самокомпенсацией фазовых и поляризационных искажений. Самокомпенсация может происходить как в разных плечах интерферометра, так и при распространении через канал связи для двухпроходных схем.

Принципиальным недостатком данного устройства является то, что в системе с фазовым кодированием используют фазовые модуляторы, которые являются поляризационно-чувствительными элементами. Поскольку фазовый модулятор представляет собой твердотельную волноводную структуру, то пакеты с различными компонентами поляризации при распространении через фазовый модулятор набирают различную фазу, что приводит к ошибкам. Фарадеевские зеркала компенсируют различный фазовый набег для двух ортогональных базисных состояний поляризации в волокне, но не устраняют этот набег в поляризационно-чувствительных элементах. Для его устранения приходится при пропускании через фазовый модулятор, отделять две ортогональные компоненты поляризации и пропускать через него только одну из компонент, что нивелирует преимущества, даваемые фарадеевскими зеркалами.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к изобретению является устройство, описанное в патенте RU 2507690 (опубл. 20.02.2014 г.). В устройстве используется активная стабилизация интерферометров при помощи электронно-управляемых контроллеров поляризации. Принципиальным недостатком является то, что при активной стабилизации интерферометра периодически приходится останавливать передачу секретных ключей, подстраивать интерферометр, а затем возобновлять передачу ключей, что неприемлемо в том случае, когда требуется непрерывная во времени замена криптографических ключей. Кроме того, для активной стабилизации требуется дополнительная управляющая электроника и программное обеспечение.

Задачей настоящего изобретения является упрощение конструкции устройства квантовой криптографии.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение стабильности работы устройства квантовой криптографии за счет сохранения состояния поляризации на всем пути оптического тракта.

В одном варианте осуществления устройство квантовой криптографии включает в себя источник излучения, первый волоконный светоделитель, волоконный интерферометр, второй волоконный светоделитель, первый фазовый модулятор, третий волоконный светоделитель, детектор, аттенюатор, второй фазовый модулятор, зеркало и однофотонный детектор, при этом выход источника излучения волоконно соединен с одним входом первого волоконного светоделителя, а к его другому входу волоконно подключен однофотонный детектор, выходы первого волоконного светоделителя подключены ко входам волоконного интерферометра, выходы которого соединены со входами второго волоконного светоделителя, один из выходов второго волоконного светоделителя подключен ко входу первого фазового модулятора, выход которого выполнен с возможностью волоконного подключения к внешней волоконной линии связи, вход третьего волоконного светоделителя также выполнен с возможностью подключения к внешней волоконной линии связи, один выход третьего волоконного светоделителя подключен к детектору, а другой выход подключен ко входу аттенюатора. Устройство квантовой криптографии дополнительно включает линию задержки и поляризационный фильтр, причем вход линии задержки соединен с выходом аттенюатора, выход линии задержки соединен со входом поляризационного фильтра, а его выход волоконно подключен ко входу второго фазового модулятора, выход которого волоконно соединен с зеркалом, при этом первый и второй волоконные светоделители, интерферометр, а также волоконные соединения между источником излучения и первым волоконным светоделителем, между однофотонным детектором и первым волоконным светоделителем, между вторым волоконным светоделителем и первым фазовым модулятором, между первым фазовым модулятором и внешней волоконной линией связи, между линией задержки и поляризационным фильтром, между поляризационным фильтом и вторым фазовым модулятором, между вторым фазовым модулятором и зеркалом выполнены из оптического волокна, сохраняющего состояние поляризации.

В другом варианте осуществления устройство квантовой криптографии включает в себя источник излучения, первый волоконный светоделитель, волоконный интерферометр, второй волоконный светоделитель, первый фазовый модулятор, третий волоконный светоделитель, детектор, аттенюатор, второй фазовый модулятор, зеркало и первый однофотонный детектор, при этом, к одному входу первого волоконного светоделителя волоконно подключен первый однофотонный детектор, выходы первого волоконного светоделителя подключены ко входам волоконного интерферометра, выходы которого соединены со входами второго волоконного светоделителя, один из выходов второго волоконного светоделителя подключен ко входу первого фазового модулятора, выход которого выполнен с возможностью волоконного подключения к внешней волоконной линии связи, вход третьего волоконного светоделителя также выполнен с возможностью подключения к внешней волоконной линии связи, один выход третьего волоконного светоделителя подключен к детектору, а другой выход подключен ко входу аттенюатора. Устройство квантовой криптографии дополнительно включает волоконный циркулятор, второй однофотонный детектор, линию задержки и поляризационный фильтр, причем выход источника излучения волоконно соединен со входом волоконного циркулятора, один выход которого волоконно подключен ко второму однофотонному детектору, а другой его выход волоконно подключен ко второму входу первого волоконного светоделителя, вход линии задержки соединен с выходом аттенюатора, выход линии задержки соединен со входом поляризационного фильтра, а его выход волоконно подключен ко входу второго фазового модулятора, выход которого волоконно соединен с зеркалом, при этом волоконный циркулятор, первый и второй волоконные светоделители, интерферометр, а также волоконные соединения между источником излучения и волоконным циркулятором, между волоконным циркулятором и вторым однофотонным детектором, между волоконным циркулятором и первым волоконным светоделителем, между однофотонным детектором и первым волоконным светоделителем, между вторым волоконным светоделителем и первым фазовым модулятором, между первым фазовым модулятором и внешней волоконной линией связи, между линией задержки и поляризационным фильтром, между поляризационным фильтом и вторым фазовым модулятором, между вторым фазовым модулятором и зеркалом выполнены из оптического волокна, сохраняющего состояние поляризации.

В еще одном варианте осуществления устройство квантовой криптографии включает в себя источник излучения, первый волоконный светоделитель, первый волоконный интерферометр, второй волоконный светоделитель, первый фазовый модулятор, второй фазовый модулятор, первый однофотонный детектор, при этом выход источника излучения волоконно соединен с одним входом первого волоконного светоделителя, выходы первого волоконного светоделителя подключены ко входам первого волоконного интерферометра, выходы которого соединены со входами второго волоконного светоделителя, один из выходов второго волоконного светоделителя подключен ко входу первого фазового модулятора, выход которого выполнен с возможностью волоконного подключения к внешней волоконной линии связи. Устройство квантовой криптографии дополнительно включает поляризационный фильтр, третий волоконный светоделитель, второй волоконный интерферометр, четвертый волоконный светоделитель и второй однофотонный детектор, причем вход поляризационного фильтра выполнен с возможностью подключения к внешней волоконной линии связи, а его выход волоконно подключен ко входу второго фазового модулятора, выход которого волоконно подключен ко входу третьего волоконного светоделителя, выходы третьего волоконного светоделителя подключены ко входам второго волоконного интерферометра, выходы которого соединены со входами четвертого волоконного светоделителя, один из выходов четвертого волоконного светоделителя волоконно подключен ко входу первого однофотонного детектора, а другой его выход волоконно подключен ко входу второго однофотонного детектора, при этом первый, второй, третий и четвертый волоконные светоделители, первый и второй интерферометры, а также волоконные соединения между источником излучения и первым волоконным светоделителем, между вторым волоконным светоделителем и первым фазовым модулятором, между первым фазовым модулятором и внешней волоконной линией связи, между внешней волоконной линией связи и поляризационным фильтром, между поляризационным фильтром и вторым фазовым модулятором, между вторым фазовым модулятором и третьим волоконным светоделителем, между четвертым волоконным светоделителем и первым однофотонным детектором, между четвертым волоконным светоделителем и вторым однофотонным детектором выполнены из оптического волокна, сохраняющего состояние поляризации.

В еще одном варианте осуществления устройство квантовой криптографии включает в себя источник излучения, первый волоконный светоделитель, волоконный интерферометр, второй волоконный светоделитель, первый фазовый модулятор, второй фазовый модулятор, первый однофотонный детектор. Устройство квантовой криптографии дополнительно включает модулятор интенсивности света, поляризационный фильтр и второй однофотонный детектор, при этом выход источника излучения волоконно соединен со входом модулятора интенсивности света, выход модулятора интенсивности света волоконно соединен со входом первого фазового модулятора, выход которого выполнен с возможностью волоконного подключения к внешней волоконной линии связи, вход поляризационного фильтра выполнен с возможностью подключения к внешней волоконной линии связи, а его выход волоконно подключен ко входу второго фазового модулятора, выход которого волоконно подключен ко входу первого волоконного светоделителя, выходы первого волоконного светоделителя подключены ко входам первого волоконного интерферометра, выходы которого соединены со входами второго волоконного светоделителя, один из выходов второго волоконного светоделителя волоконно подключен ко входу первого однофотонного детектора, а другой его выход волоконно подключен ко входу второго однофотонного детектора, причем первый и второй волоконные светоделители, интерферометр, а также волоконные соединения между источником излучения и модулятором интенсивности света, между модулятором интенсивности света и первым фазовым модулятором, между первым фазовым модулятором и внешней волоконной линией связи, между внешней волоконной линией связи и поляризационным фильтром, между поляризационным фильтром и вторым фазовым модулятором, между вторым фазовым модулятором и первым волоконным светоделителем, между вторым волоконным светоделителем и первым однофотонным детектором, между вторым волоконным светоделителем и вторым однофотонным детектором выполнены из оптического волокна, сохраняющего состояние поляризации.

Кроме того, источник излучения может быть импульсным.

Кроме того, источник излучения может испускать излучение с линейной поляризацией.

Кроме того, волоконный интерферометр может быть, например, волоконным интерферометром Маха-Цандера.

Кроме того, третий волоконный светоделитель может быть выполнен асимметричным, и может быть выполнен из оптического волокна, сохраняющего состояние поляризации.

Кроме того, линия задержки может быть выполнена из оптического волокна, сохраняющего состояние поляризации.

Кроме того устройство квантовой криптографии может дополнительно включать волоконный контроллер поляризации, вход которого волоконно подключен к выходу первого фазового модулятора, а выход выполнен с возможностью волоконного подключения к внешней волоконной линии связи.

Сущность изобретения поясняется следующими чертежами.

Фиг. 1 иллюстрирует схему устройства квантовой криптографии по одному из вариантов осуществления.

Фиг. 2 иллюстрирует схему устройства квантовой криптографии по одному из вариантов осуществления.

Фиг. 3 иллюстрирует схему устройства квантовой криптографии по одному из вариантов осуществления.

Фиг. 4 иллюстрирует схему устройства квантовой криптографии по одному из вариантов осуществления.

Фиг. 5а, 5б иллюстрируют эволюцию импульсов излучения при прохождении через оптический тракт устройств по фиг. 1 и фиг. 2 в прямом и обратном направлении, соответственно.

Фиг. 6 иллюстрирует эволюцию импульсов излучения при прохождении через оптический тракт устройства по фиг. 3.

Фиг. 7 иллюстрирует эволюцию импульсов излучения при прохождении через оптический тракт устройства по фиг. 4.

Устройство, изображенное на фиг. 1 работает следующим образом. Данный вариант осуществления представляет собой двухпроходное устройство квантовой криптографии. На прямом проходе источник излучения 1, например, импульсный лазер, формирует короткий импульс света - когерентный пакет. Излучение источника 1 имеет линейную поляризацию. Выход источника выполнен с использованием оптического волокна, сохраняющего состояние поляризации. Поэтому пакет с линейной поляризацией сохраняется при распространении по волокну до волоконного светоделителя 3, который также выполнен из оптического волокна, сохраняющего состояние поляризации. После прохождения светоделителя 3 импульс излучения распространяется по верхнему и нижнему плечу волоконного интерферометра 4, например, волоконного интерферометра Маха-Цандера. Импульс излучения, проходящий по верхнему плечу, задерживается по времени на время равное отношению разности длин плеч к скорости света в волокне для данной поляризации. Верхнее и нижнее плечи волоконного интерферометра 4 также выполнены из оптического волокна, сохраняющего состояние поляризации, поэтому линейное состояние поляризации сохраняется одинаковым для верхнего и нижнего плеч волоконного интерферометра 4. Через волоконный светоделитель 5 из оптического волокна, сохраняющего состояние поляризации, из интерферометра выходит пара пакетов с одинаковым состоянием поляризации. Далее пара пакетов проходит через фазовый модулятор 6, который оконцован оптическим волокном, сохраняющим состояние поляризации, поэтому поляризации обоих пакетов сохраняются одинаковыми. Фазовый модулятор 6 представляет собой твердотельную волноводную структуру, которая сохраняет состояние поляризации собственных мод структуры. На прямом проходе фазовый модулятор 6 не активен, т.е. не изменяет относительную фазу одного из пакетов. Далее пара пакетов с одинаковой поляризацией и сдвинутых по времени поступает во внешнюю волоконную линию связи 9 через контроллер поляризации 7.

Таким образом, при прохождении волоконной передающей-принимающей части 8 двухпроходного устройства квантовой криптографии состояние поляризации сохраняется, что не требует никакой активной балансировки волоконного интерферометра, а также не требует разделения по состояниям поляризации.

Поскольку стандартные внешние волоконные линии связи используют обычное одномодовое волокно, которое не сохраняет поляризации, то при распространении через внешнюю волоконную линию связи состояние поляризации двух пакетов, хотя и остается одинаковым, т.к. они проходят одинаковый путь, но не будет согласовано с собственной осью оптического волокна, сохраняющего состояние поляризации, на принимающей-ретранслирующей части 10 двухпроходного устройства квантовой криптографии.

В качестве контроллера поляризации 7 может использоваться, например, стандартный трехканальный волоконный контроллер, управляемый напряжением. Контроллер поляризации 7 позволяет преобразовать любое входное состояние поляризации оптического поля в любое выходное состояние поляризации оптического поля. Регулируя напряжения последовательно на трех каналах контроллера поляризации можно добиться совпадения состояния поляризации с собственной осью оптического волокна, сохраняющего состояние поляризации на принимающей-ретранслирующей части 10.

Часть пакета на принимающей-ретранслирующей части 10 через асимметричный волоконный светоделитель 11, выполненный из обычного одномодового волокна, отводится на детектор 12 для выработки импульса управления фазовым модулятором 16. Через второй выход волоконного светоделителя 11 пакеты поступают на аттенюатор 13 и ослабляются до квазиоднофотонного уровня. Через линию задержки 14 пакеты поступают на поляризационный фильтр 15. Входы и выходы аттенюатора 13 и линия задержки 14 могут быть изготовлены как из оптического волокна, сохраняющего состояние поляризации, так и из обычного одномодового волокна. Входное и выходное оптическое волокно поляризационного фильтра 15 является оптическим волокном, сохраняющим состояние поляризации, поэтому при прохождении через фильтр поляризация пары пакетов сохраняется. Далее пакеты поступают на фазовый модулятор 16, при прохождении которого поляризация также сохраняется.

После отражения на волоконном зеркале 17 с оптическим волокном, сохраняющим состояние поляризации, пакеты опять проходят фазовый модулятор 16. В момент прохождения на обратном проходе вторым импульсом фазового модулятора 16 на модулятор подается импульс напряжения, который приводит к относительному сдвигу фазы второго пакета относительно первого. При прохождении внешней волоконной линии связи пакеты проходят один и тот же оптический путь, поэтому их состояние поляризации сохраняется. В момент прохождения второго пакета через фазовый модулятор 6, на него прикладывается импульс напряжения, который может скомпенсировать относительную разность фаз. Далее пара пакетов проходит в обратном порядке волоконный интерферометр без изменения состояния поляризации. На выходе из интерферометра 4 пакеты через волоконный светоделитель 3 попадают на однофотонный детектор 2, а поскольку состояния поляризации пакетов совпадают, в центральном временном окне возникает, либо конструктивная, либо деструктивная интерференция первого пакета, прошедшего по длинному плечу волоконного интерферометра 4 и второго пакета, прошедшего по короткому плечу волоконного интерферометра 4.

Вариант осуществления по фиг. 2 иллюстрирует устройство квантовой криптографии с передающей-принимающей частью 20 с двумя однофотонными детекторами. Волоконная передающая-принимающая часть 20 двухпроходного устройства квантовой криптографии, в отличии от передающей-принимающей части 8 предыдущего варианта осуществления, дополнена волоконным циркулятором 18 из оптического волокна, сохраняющего состояние поляризации, и вторым однофотонным детектором 19.

На прямом проходе после лазера волоконный циркулятор 18 направляет импульс излучения на волоконный интерферометр, аналогично предыдущему варианту осуществления. На обратном проходе волоконный циркулятор направляет излучение на второй однофотонный детектор 19. Такая конструкция позволяет регистрировать интерференцию в центральном временном окне одновременно на двух однофотонных детекторах, что увеличивает скорость генерации ключей в два раза.

Эволюция излучаемых источником 1 импульсов при прохождении через оптический тракт двухпроходного устройства квантовой криптографии по фиг. 1 и по фиг. 2 проиллюстрирована на фиг. 5. Фиг. 6а изображает эволюцию импульсов при прямом проходе, а фи г. 5б при обратном проходе.

На фиг. 3 представлена схема однопроходного устройства квантовой криптографии. Принцип работы устройства по этому варианту осуществления аналогичен вышеописанному принципу работы устройства квантовой криптографии.

Источник излучения 1 сразу формирует квазиоднофотонные когерентные пакеты. На принимающей части 22 устройства пакеты проходят через поляризационный фильтр 15, фазовый модулятор 16, волоконный светоделитель 23, волоконный интерферометр 24 и волоконный светоделитель 25, выходы которого волоконно подключены к двум однофотонным детекторам 2 и 19. Эти детекторы стробируются в центральном временном окне. На одном однофотонном детекторе наблюдается конструктивная интерференция, а на другом деструктивная интерференция.

Все волоконные соединения на принимающей 21 и передающей 22 частях устройства квантовой криптографии выполнены с использованием оптического волокна, сохраняющего состояние поляризации, поэтому состояние поляризации сохраняется при преобразовании пакетов на передающей 21 и принимающей 22 частях, что не требует ни активной стабилизации, ни разделения состояний с ортогональными компонентами поляризации при их преобразовании и регистрации.

Эволюция излучаемых источником 1 импульсов при прохождении через оптический тракт однопроходного устройства квантовой криптографии по фиг. 3 проиллюстрирована на фиг. 6.

На фиг. 4 представлена схема однопроходного устройства квантовой криптографии. Передающая станция 28 работает следующим образом. Источник излучения 26, например, непрерывный лазер, работает в режиме непрерывной генерации излучения и испускает поляризованный непрерывный во времени когерентный пакет.

Модулятор интенсивности света 27 с оптическим волокном, сохраняющим состояние поляризации, закрыт. Оптическая ось пропускания модулятора интенсивности света 27 согласована при помощи оптического волокна, сохраняющего состояние поляризации, с направлением поляризации излучения источника 26. Модулятор интенсивности света 27 закрыт до тех пор, пока на него не подан импульс управляющего напряжения, который открывает его. Подаются два коротких импульса управляющего напряжения, которые открывают модулятор интенсивности света 27 и приводят к формированию двух квазиоднофотонных когерентных импульсов излучения (пакетов) с одинаковой поляризацией. Далее пара одинаковых квазиоднофотонных пакетов в когерентных состояниях поступают на фазовый модулятор 6. Оптические оси фазового модулятора 6 и модулятора интенсивности света 27 согласованы при помощи оптического волокна, сохраняющего состояние поляризации, поэтому состояние поляризации обоих пакетов сохраняется. На фазовый модулятор 6 прикладывается короткий импульс напряжения в момент прохождения второго пакета, что приводит к относительному сдвигу фаз второго пакета относительно первого. Далее пакеты поступают во внешний волоконный канал связи. Работа принимающей станции (23 рис. 1в), рис. 4) аналогична предыдущему случаю. Работа принимающей станции 29 аналогична вышеописанной работе принимающей станции 22.

Эволюция излучаемых источником 26 импульсов при прохождении через оптический тракт однопроходного устройства квантовой криптографии по фиг. 4 проиллюстрирована на фиг. 7.