DOI: 10.17586/1023-5086-2023-90-02-03-10
УДК 530.145:535.12:681.7:53.082.5
Михаил Евгеньевич Геллерт1*, Данил Васильевич Сулимов2, Борис Александрович Наседкин3, Роман Константинович Гончаров4, Илья Максимович Филипов5, Полина Александровна Морозова6, Федор Михайлович Гончаров7, Даниил Александрович Яшин8, Владимир Викторович Чистяков9, Эдуард Олегович Самсонов10, Владимир Ильич Егоров11, Борис Евгеньевич Первушин12, Юрий Александрович Адам13
Университет ИТМО, Санкт-Петербург, Россия
1mihailgellert@yandex.ru https://orcid.org/0000-0002- 2180-7052
2dvsulimov@itmo.ru https://orcid.org/0000-0002- 7964-0697
3banasedkin@itmo.ru https://orcid.org/0000-0002-4507-8616
4rkgoncharov@itmo.ru https://orcid.org/0000-0002-9081-8900
5imfilipov@itmo.ru https://orcid.org/0000-0003-4564-8284
6pamorozova@itmo.ru https://orcid.org/0000-0003- 3741-3506
7fedor_goncharov@itmo.ru https://orcid.org/0000-0002-7370-4450
8v_chistyakov@itmo.ru https://orcid.org/0000-0001-5127-0578
9dayashin@itmo.ru https://orcid.org/0000-0002-2414-3490
10eosamsonov@itmo.ru https://orcid.org/0000-0002-4349-6603
11viegorov@itmo.ru https://orcid.org/ 0000-0003-0767-0261
12borispervushin@itmo.ru https:// orcid.org/0000-0002-0935-2614
13adam_yura@mail.ru https://orcid.org/0000-0002-5040-0040
Аннотация
Предмет исследования. В данной работе рассмотрен метод поляризационного контроля оптического излучения для системы квантового распределения ключа на непрерывных переменных для корректного поляризационного демультиплексирования локального осциллятора и сигнального состояния, необходимого для обеспечения корректной работоспособности представленной системы. Цель. Целью данной работы является разработка системы активного поляризационного контроля и экспериментальная оценка влияния данной системы на параметры системы квантового распределения ключа на непрерывных переменных. Метод. Рассмотренная в данной работе система контроля поляризации основывается на постоянном анализе излучения локального осциллятора и максимизации его интенсивности за счёт алгоритма стохастического градиентного спуска. Из-за принципа работы активного поляризационного контроля возникают флуктуации локального осциллятора. Для оценки вносимого шума в работе используется экспериментальная установка, моделирующая модуль отправителя и получателя системы квантового распределения ключа на непрерывных переменных и позволяющая оценить вносимый работой контроллера шум. Основные результаты. Избыточный шум, вызываемый работой поляризационного контроллера, сравним с поляризационными шумами, возникающими в системе квантового распределения ключа. Практическая значимость. Корректная работа системы квантового распределения ключа на непрерывных переменных может быть реализована только с использованием устройства поляризационного контроля. Данные о влиянии контроля поляризации на систему дают понимание того, как в дальнейшем проектировать и разрабатывать системы квантовой криптографии на непрерывных переменных.
Ключевые слова: квантовое распределение ключей на непрерывных переменных, контроль поляризации, поляризационные искажения, алгоритм активного поляризационного контроля, алгоритм стохастического градиентного спуска
Благодарность: исследования выполнялись по заказу ОАО «РЖД».
Ссылка для цитирования: Геллерт М.Е., Сулимов Д.В., Наседкин Б.А., Гончаров Р.К., Филипов И.М., Морозова П.А., Гончаров Ф.М., Яшин Д.А., Чистяков В.В., Самсонов Э.О., Егоров В.И., Первушин Б.Е., Адам Ю.А. Влияние системы поляризационного контроля на параметры системы квантового распределения ключа на непрерывных переменных // Оптический журнал. 2023. Т. 90. № 2. С. 3–10. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-02-03-10
Код OCIS: 060.0060.
The impact of polarization control system on the parameters of continuous variables quantum key distribution system
Mikhail Gellert1*, Danil Sulimov2, Boris Nasedkin3, Roman Goncharov4, Ilya Filipov5, Polina Morozova6, Fedor Goncharov7, Daniil Yashin8, Vladimir Chistyakov9, Eduard Samsonov10, Vladimir Egorov11, Boris Pervushin12, Iurii Adam13
ITMO University, Saint-Petersburg, Russia
1mihailgellert@yandex.ru https://orcid.org/0000-0002- 2180-7052
2dvsulimov@itmo.ru https://orcid.org/0000-0002- 7964-0697
3banasedkin@itmo.ru https://orcid.org/0000-0002-4507-8616
4rkgoncharov@itmo.ru https://orcid.org/0000-0002-9081-8900
5imfilipov@itmo.ru https://orcid.org/0000-0003-4564-8284
6pamorozova@itmo.ru https://orcid.org/0000-0003- 3741-3506
7fedor_goncharov@itmo.ru https://orcid.org/0000-0002-7370-4450
8v_chistyakov@itmo.ru https://orcid.org/0000-0001-5127-0578
9dayashin@itmo.ru https://orcid.org/0000-0002-2414-3490
10eosamsonov@itmo.ru https://orcid.org/0000-0002-4349-6603
11viegorov@itmo.ru https://orcid.org/ 0000-0003-0767-0261
12borispervushin@itmo.ru https:// orcid.org/0000-0002-0935-2614
13adam_yura@mail.ru https://orcid.org/0000-0002-5040-0040
Abstract
Subject of study. This paper considers a polarization control method of optical radiation for a continuous variables quantum key distribution system for correct polarization demultiplexing of the local oscillator and signal state necessary to ensure the correct performance of the presented system. Aim of study. The aim of this work is to develop a system of active polarization control and experimental evaluation of the effect of this system on the parameters of continuous variables quantum key distribution system. Method. The polarization control system considered in this paper is based on a constant analysis of the local oscillator radiation and maximization of its intensity due to the stochastic gradient descent algorithm. Because of the principle of active polarization control operation, local oscillator fluctuations occur. In order to evaluate the noise introduced in the paper, an experimental scheme simulating the sender and receiver module of the continuous variables quantum key distribution system. This scheme allows to evaluate the noise introduced by the controller operation. Main results. The excess noise caused by the polarization controller is comparable to the polarization noise generated in a quantum key distribution system. Practical significance. Correct operation of quantum key distribution system on continuous variables can be realized only with polarization control device. Data about polarization control effect on system gives understanding of how to design and develop quantum cryptography systems in future.
Keywords: continuous variables quantum distribution of keys, polarization control, polarization noise, active polarization control algorithm, stochastic gradient descent algorithm
Acknowledgment: the research was carried out by order of JSC "Russian Railways".
For citation: Gellert M.E., Sulimov D.M., Nasedkin B.A., Goncharov R.K., Filipov I.M., Morozova P.A., Goncharov F.M., Yashin D.A., Chistyakov V.V., Samsonov E.O., Egorov V.O., Pervushin B.E., Adam Iu. A.The impact of polarization control system on the parameters of continuous variables quantum key distribution system (In Russian) // Opticheskii Zhurnal. 2023. V. 90. № 2. P. 3–10. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-02-03-10
OCIS сode: 060.0060.
Список источников
1. Weedbrook C., Lance A.M., Bowen W.P. et al. Quantum cryptography without switching // Physical review letters. 2004. V. 93. № 17. P. 170504. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.93.170504
2. Laudenbach F., Pacher C., Fung C.H.F. et al. Continuous-variable quantum key distribution with Gaussian modulation — the theory of practical implementations // Advanced Quantum Technologies. 2018. V. 1. № 1. P. 1800011. https://doi.org/10.1002/qute.201800011
3. Grosshans F., Van Assche G., Wenger J. et al. Quantum key distribution using gaussian-modulated coherent states // Nature. 2003. V. 421. № 6920. P. 238–241. https://doi.org/10.1038/nature01289
4. Laudenbach F., Pacher C. Analysis of the trusted-device scenario in continuous variable quantum key distribution // Advanced Quantum Technologies. 2019. V. 2. № 11. P. 1900055. https://doi.org/10.1002/qute.201900055
5. Zhang Y., Chen Z., Pirandola S. et al. Long-distance continuous-variable quantum key distribution over 202.81 km of fiber // Physical review letters. 2020. V. 125. № 1. P. 010502. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.010502
6. Wang X., Liu W., Wang P. et al. Experimental study on all-fiber-based unidimensional continuous-variable quantum key distribution // Physical Review A. 2017. V. 95. № 6. P. 062330. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.95.062330
7. Waddy D.S., Chen L., Bao X. Polarization effects in aerial fibers // Optical Fiber Technology. 2005. V. 11. № 1. P. 1–19. https://doi.org/10.1016/j.yofte.2004.07.002
8. Waddy D. S., Lu P., Chen L. et al. Fast state of polarization changes in aerial fiber under different climatic conditions // IEEE Photonics Technology Letters. 2001. V. 13. № 9. P. 1035–1037. https://doi.org/10.1109/68.942685
9. Li D. D., Gao S., Li G.C. et al. Field implementation of long-distance quantum key distribution over aerial fiber with fast polarization feedback // Optics express. 2018. V. 26. № 18. P. 22793–22800. https://doi.org/10.1364/OE.26.022793
10. Wang S., Huang P., Wang T. et al. Dynamic polarization control for free-space continuous-variable quantum key distribution // Optics Letters. 2020. V. 45. № 21. P. 5921–5924. https://doi.org/10.1364/OL.404589
11. Zhao Y., Zhang Y., Huang Y. et al. Polarization attack on continuous-variable quantum key distribution // Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics. 2018. V. 52. № 1. P. 015501. https://doi.org/10.1088/1361-6455/aaf0b7
12. Shao Y., Pan Y., Wang H. et al. Polarization attack on continuous-variable quantum key distribution with a local oscillator // Entropy. 2022. V. 24. № 7. P. 992. https://doi.org/10.3390/e24070992
13. Geng C., Zhao B., Zhang E. et al. 1.5 kW incoherent beam combining of four fiber lasers using adaptive fiber-optics collimators // IEEE Photonics Technology Letters. 2013. V. 25. № 13. P. 1286–1289. https://doi.org/10.1109/LPT.2013.2263123
14. Liu W., Cao Y., Wang X. et al. Continuous-variable quantum key distribution under strong channel polarization disturbance // Physical Review A. 2020. V. 102. № 3. P. 032625. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.102.032625
15. Ma X.C., Sun S.H., Jiang M.S. et al. Local oscillator fluctuation opens a loophole for Eve in practical continuous-variable quantum-key-distribution systems // Physical Review A. 2013. V. 88. № 2. P. 022339. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.88.022339
16. Скалли М.О., Зубайри М.С. Квантовая оптика. Пер. с англ. // Под ред. Самарцева В.В. Москва: ФИЗМАТЛИТ, 2003. 512 с. (Scully M.O., Zubairi M.S. Quantum optics. Translated from English // Ed. Samartsev V.V. Moscow: FIZMATLIT, 2003. 512 p.)
