Теоретический анализ систем распределения квантовых ключей, не зависящих от измерительных устройств, при их интеграции в волоконно-оптические линии связи с применением технологии плотного мультиплексирования по длине волны

Воронцова И.О., Гончаров Р.К., Тарабрина А.Д., Тупяков Д.В., Болычев Е.А., Смирнов С.В., Киселев Ф.Д., Егоров В.И.

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

Ссылка для цитирования:

Воронцова И.О., Гончаров Р.К., Тарабрина А.Д., Тупяков Д.В., Болычев Е.А., Смирнов С.В., Киселев Ф.Д., Егоров В.И. Теоретический анализ систем распределения квантовых ключей, не зависящих от измерительных устройств, при их интеграции в волоконно-оптические линии связи с применением технологии плотного мультиплексирования по длине волны // Оптический журнал. 2022. Т. 89. № 7. С. 80–89. http://doi.org/ 10.17586/1023-5086-2022-89-07-80-89

Vorontsova I.O., Goncharov R.K., Tarabrina A.D., Tupyakov D.V., Bolychev E.A., Smirnov S.V., Kiselev F.D., Egorov V.I. Theoretical analysis of measurement-device-independent quantum key distribution systems integrated into fiber-optic communication lines using dense wavelength division multiplexing [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2022. V. 89. № 7. P. 80–89. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2022-89-07-80-89

Ссылка на англоязычную версию:

I. O. Vorontsova, R. K. Goncharov, A. D. Tarabrina, D. V. Tupyakov, E. A. Bolychev, S. V. Smirnov, F. D. Kiselev, and V. I. Egorov, "Theoretical analysis of measurement-device-independent quantum key distribution systems integrated into fiber-optic communication lines using dense wavelength division multiplexing," Journal of Optical Technology. 89(7), 424-429 (2022). https://doi.org/10.1364/JOT.89.000424

Аннотация:

Предмет исследования. Влияние шумов, вызванных спонтанным комбинационным рассеянием, четырехволновым смешением и линейными перекрестными помехами в канале, на производительность систем квантового распределения ключей, не зависящих от измерительных устройств, в случае их симметричной и асимметричной реализаций. Приведены математические модели системы квантового распределения ключа, не зависящей от измерительных устройств, а также рассматриваемых канальных шумов. Во всех случаях определена скорость генерации секретного ключа для оценки и последующего анализа производительности систем. По этим результатам выявлены и изложены особенности работы системы квантового распределения ключа, не зависящей от измерительных устройств, при интеграции с существующими системами волоконно-оптических линий связи с применением технологии плотного мультиплексирования с разделением по длине волны. Целью данной работы является исследование произвольности не зависящих от измерительных устройств систем квантового распределения ключей при их интеграции в волоконно-оптические линии связи с применением технологии плотного мультиплексирования с разделением по длине волны методами численного моделирования. Метод. Для выбора оптимальных конфигураций расположения квантового канала и информационных каналов использован подход, основанный на проведении анализа графика сечения комбинационного рассеяния и отведении для информационных каналов частот, соответствующих областям в стороне от длины волны накачки. Для численного моделирования системы квантового распределения ключей с недоверенным узлом рассмотрена схема однофотонного варианта при симметричной и двух асимметричных реализациях системы. Анализ стойкости проведенв соответствии с границей Деветака–Винтера, позволяющей оценить в асимптотическом режиме (для симметричных последовательностей бесконечной длины) скорость генерации секретного ключа в присутствии в квантовом канале атак коллективного типа. Основные результаты. Подтвержден вывод о том, что оптимальным для не зависящих от измерительных устройств систем квантового распределения ключей является вариант равенства плеч отправителя и получателя (симметричный) с последующим ухудшением результата по мере увеличения параметра асимметричности. В случае расположения квантового канала в С-диапазоне превосходство симметричного варианта минимально, а при увеличении количества информационных каналов до 40 практически неразличимо, в то время как при расположении квантового канала на длине волны 1310 нм (О-диапазон) разница существенна. Кроме того, выделение для квантового канала длины волны 1310 нм позволяет достичь наибольшего расстояния функционирования, которое при этом слабо зависит от количества каналов. Практическая значимость. В контексте практической реализации систем квантового распределения ключей особый интерес вызывает возможность их внедрения в существующую телекоммуникационную инфраструктуру посредством совместного распространения квантовых и информационных каналов в волоконно-оптические линии связи, реализованного с применением технологии мультиплексирования, в частности плотного мультиплексирования с разнесением по длине волны. Однако значения мощности, характерные для квантовых сигналов, существенно ниже аналогичных значений информационных сигналов. По этой причине шум от информационных каналов при распространении мощности в одном волокне с квантовыми сильно снижает работоспособность систем квантового распределения ключей. В связи с этим физическое и математическое описание, анализ и численное моделирование шумов и их взаимодействия с различными системами квантового распределения ключей с целью определить наиболее эффективный метод интеграции играют ключевую роль в решении задачи внедрения систем квантового распределения ключей в существующую телекоммуникационную сеть.

Ключевые слова:

квантовое распределение ключа, мультиплексирование с разделением по длине волны, скорость генерации секретного ключа, волоконно-оптические линии связи

Благодарность:

Проект реализуется при финансовой поддержке ОАО «РЖД».

Коды OCIS: 270.5565, 270.5568, 270.558

Список источников:

1. Scarani V., Bechmann-Pasquinucci H., Cerf N., et al. The security of practical quantum key distribution // Rev. Modern Phys. 2009. V. 81. № 3. P. 1301–1350. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.81.1301
2. Pirandola S., Andersen U.L., Banchiet L., et al. Advances in quantum cryptography // Advances Opt. and Photon. 2020. V. 12. № 4. P. 1012–1236. https://doi.org/10.1364/AOP.361502
3. Gisin N., Ribordy G., Tittel W., Zbinden H. Quantum cryptography // Rev. Modern Phys. 2002. V. 74. № 1. P. 145. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.74.145
4. Shor P.W. Algorithms for quantum computation: Discrete logarithms and factoring // Proc. 35th Annual Symp. Foundations of Computer Sci. 1994. P. 124–134. DOI: 10.1109/SFCS.1994.365700
5. Mlejnek M., Kaliteevskiy N., Nolan D. Reducing spontaneous Raman scattering noise in high quantum bit rate QKD systems over optical fiber // arXiv preprint. 2017. arXiv:1712.05891. https://doi.org/10.48550/arXiv.1712.05891
6. Niu J.N., Sun Y.M., Cai C., Ji Y.F. Optimized channel allocation scheme for jointly reducing four-wave mixing and Raman scattering in the DWDM-QKD system // Appl. Opt. 2018. V. 57. № 27. P. 7987–7996. https://doi.org/10.1364/AO.57.007987
7. Kumar R., Qin H., Alléaume R. Coexistence of continuous variable QKD with intense DWDM classical channels // New J. Phys. 2015. V. 17. № 4. P. 043027. https://doi.org/10.1088/1367-2630/17/4/043027
8. Lo H.K., Curty M., Qi B. Measurement-device-independent quantum key distribution // Phys. Rev. Lett. 2012. V. 108. № 13. P. 130503. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.108.130503
9. Ma X., Razavi M. Alternative schemes for measurement-device-independent quantum key distribution // Phys. Rev. A – Atomic, Molecular, and Opt. Phys. 2012. V. 86. № 6. P. 062319. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.86.062319
10. Lin R., Chen J. Minimizing spontaneous Raman scattering noise for quantum key distribution in WDM networks // 2021 Optical Fiber Commun. Conf. and Exhib. (OFC). San Francisco, CA, USA. June 6–10 2021. P. 1–3.
11. Cai C., Sun Y., Ji Y. Intercore spontaneous Raman scattering impact on quantum key distribution in multicore fiber // New J. Phys. 2020. V. 22. № 8. P. 083020. https://doi.org/10.1088/1367-2630/aba023
12. Eraerds P., Walenta N., Legré M., et al. Quantum key distribution and 1 Gbps data encryption over a single fibre // New J. Phys. 2010. V. 12. № 6. P. 063027. https://doi.org/10.1088/1367-2630/12/6/063027
13. Boyd R.W. Nonlinear optics. 4th ed. San Diego, CA: Academic Press, 2020. 634 p.
14. Lin Q., Yaman F., Agrawal G.P. Photon-pair generation in optical fibers through four-wave mixing: Role of Raman scattering and pump polarization // Phys. Rev. A – Atomic, Molecular, and Opt. Phys. 2007. V. 75. № 2. P. 023803. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.75.023803

15. Hill A., Payne D. Linear crosstalk in wavelength-division-multiplexed optical-fiber transmission systems // J. Lightwave Technol. 1985. V. 3. № 3. P. 643–651. DOI: 10.1109/JLT.1985.1074232
16. Bahrani S., Razavi M., Salehi J.A. Wavelength assignment in hybrid quantum-classical networks // Scientific Reports. 2018. V. 8. № 1. P. 1–13. https://doi.org/10.1038/s41598-018-21418-6
17. Da Silva T.F., Vitoreti D., Xavier G.B., et al. Proof-of-principle demonstration of measurement-deviceindependent quantum key distribution using polarization qubits // Phys. Rev. A. 2013. V. 88. № 5. P. 052303. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.88.052303
18. Comandar L., Lucamarini M., Fröhlich B., et al. Quantum key distribution without detector vulnerabilities using optically seeded lasers // Nature Photon. 2016. V. 10. № 5. P. 312–315. https://doi.org/10.1038/nphoton.2016.50
19. Rubenok A., Slater J.A., Chan P., Lucio-Martinez I., Tittel W. Real-world two-photon interference and proof-of-principle quantum key distribution immune to detector attacks // Phys. Rev. Lett. 2013. V. 111. № 13. P. 130501. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.111.130501