Применимость технологии квантового распределения ключей в свободной атмосфере при построении сегментов современных квантовых коммуникационных сетей

Ерохин К.Ю., Казанцев С.Ю., Казиева Т.В., Миронов Ю.Б., Пчёлкина Н.В.

Ссылка для цитирования:

Ерохин К.Ю., Казанцев С.Ю., Казиева Т.В., Миронов Ю.Б., Пчелкина Н.В. Применимость технологии квантового распределения ключей в свободной атмосфере при построении сегментов современных квантовых коммуникационных сетей // Оптический журнал. 2024. Т. 91. № 11. С. 63–70. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-11-63-70

Erokhin K.Yu., Kazantsev S.Yu., Kazieva T.V., Mironov Yu.B., Pchelkina N.V. The applicability of quantum key distribution technology in a free atmosphere when constructing segments of modern quantum communication networks [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2024. V. 91. № 11. P. 63–70. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-11-63-70

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. Технология квантового распределения ключей в свободной атмосфере. Цель работы. Создание аппаратно-программного комплекса для исследования технологии квантового распределения ключей в беспроводных системах связи на основе серийных модулей, включающего оптические блоки атмосферной оптической связи и учебную установку для исследований квантового распределения ключей в волоконно-оптических линиях связи. Метод. Экспериментальные исследования характеристик квантового канала связи в свободной атмосфере, формируемого блоками квантового распределения ключей научно-образовательного комплекса EMQOS 1.0, сопряженного с оптическими блоками атмосферной оптической связи, и модернизация этих систем с целью минимизации потерь в квантовом канале. Основные результаты. Создан аппаратно-программный комплекс, на котором продемонстрирована передача квантового ключа в свободной атмосфере на дистанции 180 м, при этом уровень квантовой ошибки не превышает 6%. Показано, что данный комплекс позволяет исследовать влияние погодных условий на оптические потери в квантовом канале связи и скорость генерации квантового ключа. Практическая значимость. Созданный аппаратно-программный комплекс позволяет при разных погодных условиях вести мониторинг параметров как классических, так и квантового канала связи, реализованных в свободной атмосфере, а модульная структура комплекса дает возможность подключать другое квантовое оборудование для проведения сравнительных испытаний эффективности работы систем квантовой связи в условиях реальной атмосферной трассы.

Ключевые слова:

квантовые коммуникации, атмосферные оптические линии связи, оптическая связь в свободном пространстве, квантовое распределение ключей

Благодарность:

работа выполнена в раках договора ОАО «РЖД» и ПАО «Ростелеком» от 31.10.2022 № ДК ЦЦК-226719

Коды OCIS: 060.2605, 270.5565

Список источников:

1. Martin V., Brito J.P., Escribano G., et al. Quantum technologies in the telecommunications industry // EPJ Quantum Technol. 2021. V. 8. № 1. P. 19. https:// doi.org/10.1140/epjqt/s40507-021-00108-9
2. Scheidsteger T., Haunschild R., Bornmann L., et al. Bibliometric analysis in the field of quantum technology // Quantum Rep. 2021. V. 3. P. 549–575. https:// doi.org/10.3390/quantum3030036
3. Fedorov A.K., Akimov A.V., Biamonte J.D., et al. Quantum technologies in Russia // Quantum Sci. Technol. 2019. V. 4. P. 040501. https://doi.org/10.1088/2058-9565/ab4472
4. ZhiFeng Deng, HuiCun Yu, Jie Tang, et al. Air-to-air quantum key distribution with boundary layer effects // Results in Phys. 2023. V. 54. P. 107020. https://doi. org/10.1016/j.rinp.2023.107020
5. Ghalaii M., Pirandola S. Quantum communications in a moderate-to-strong turbulent space // Commun. Phys. 2022. V. 5. P. 38. https://doi.org/10.1038/s42005-022-00814-5
6. Hosseinidehaj N., Walk N., Ralph T.C. Composable finite-size effects in free-space continuous-variable quantum-key-distribution systems // Phys. Rev. A. 2021. V. 103. P. 012605. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.103.012605
7. Jahid A., Alsharif M.H., Hall T.J. A contemporary survey on free space optical communication: Potentials, technical challenges, recent advances and research direction // J. Network and Computer Applications. 2022. V. 200. P. 103311. https://doi.org/10.1016/ j.jnca.2021.103311
8. Sidhu J.S., Joshi S.K., Gündoğan M., et. al. Advances in space quantum communications // IET Quantum Commun. 2021. V. 2. № 4. P. 182–217. https://doi.org/10.1049/qtc2.12015
9. De Grossi F., Alberico S., Circi C. Orbit design of satellite quantum key distribution constellations in different ground stations networks // Advances in Space Res. 2024. V. 73. № 11. P. 5446–5463. https://doi.org/10.1016/j.asr.2023.01.056
10. Боев А.А., Воробьев С.С., Казанцев С.Ю. и др. Возможность построения модульной системы квантового распределения ключей в атмосфере // Письма в ЖТФ. 2022. Т. 48. № 15. С. 15–18. https://doi.org/10.21883/PJTF.2022.15.53125.19192
Boev A.A., Vorobey S.S., Kazantsev S.Y., et al. Possibility of creating a modular system for quantum key distribution in the atmosphere // Tech. Phys. Lett. 2022. V. 48. № 8. P. 11–14. https://doi.org/10.21883/TPL.2022.08.55051.19192
11. Bolotov D.V., Kuzmin M.S., Nasaraia A.P., et al. A method for estimating losses in a quantum channel for implementing quantum key distribution technology for atmospheric laser communication terminals // 2022 Wave Electronics and its Application in Information and Telecommunication Systems (WECONF). V. 5. № 1. P. 57–61. https://doi.org/10.1109/ WECONF55058.2022.9803408
12. Электронный ресурс URL: http://www.moctkom.ru/ optical-ground-stations/ (АО «Мостком»/Стационарные терминалы).
Electronic resource URL: http://www.moctkom.ru/ optical-ground-stations/ (JSC “Mostcom”/Stationary terminals).
13. Bolotov D.V., Kazantsev S.Y., Pchelkina N.V., et al. Modular facility of quantum key distribution in a free space // Wave Electronics and Its Application in Information and Telecommunication Systems. 2023. V. 6. № 1. P. 50–54. https://doi.org/10.1109/ WECONF57201.2023.10148017
14. Rabenandrasana J., Kazantsev S.Y., Pchelkina N.V., et al. Wavefront control of wide aperture laser beams for quantum key distribution problems in free space // 2023 Wave Electronics and its Application in Information and Telecommunication Systems (WECONF). St. Petersburg, Russian Federation, 2023. P. 1–8. https:// doi.org/10.1109/WECONF57201.2023.10147981
15. Rodimin V., Ponomarev M., Kazieva T., et al. Modular platform for photonic optical experiments and quantum cryptography // 2019 Internat. Siberian Conf. Control and Communications (SIBCON). Tomsk, Russia, 2019. P. 1–3. https://doi.org/10.1109/SIBCON.2019. 8729637
16. Rodimin V.E., Kiktenko E.O., Usova V.V., et al. Modular quantum key distribution setup for research and development applications // J. Russ. Laser Res. 2019. V. 40. P. 221–229. https://doi.org/10.1007/s10946-019-09793-5
17. Rabenandrasana J., Bachus A.V., Kazieva T.V., et al. Development of a metrological system for measuring the characteristics of single photon detectors based on an educational platform EMQOS 1.0 // 2023 Systems of Signals Generating and Processing in the Field of on Board Communications. Moscow, Russian Federation, 2023. P. 1–4. https://doi.org/10.1109/ IEEECONF56737.2023.10092001
18. Рабенандрасана Ж., Казиева Т.В., Трофимов Н.С. и др. Метрологическая система для измерения характеристик детектора одиночных фотонов // Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов. 2023. Т. 14. № 3. С. 41–47.
Rabenandrasana J., Kazieva T.V., Trofimov N.S., et al. Metrological system for measuring a single photon detector [in Russian] // Systems of Synchronization, Signal Generation and Processing. 2023. V. 14. № 3. P. 41–47.