Схемотехнические решения для построения установки распределения ключа, предназначенной для размещения на беспилотных летательных аппаратах

Якименко Ф.А., Каширский Д.Е., Липатов Е.И.

Ссылка для цитирования:

Якименко Ф.А., Каширский Д.Е., Липатов Е.И. Схемотехнические решения для построения установки распределения ключа, предназначенной для размещения на беспилотных летательных аппаратах // Оптический журнал. 2025. Т. 92. № 11. С. 69–77. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-11-69-77

Yakimenko Ph.A., Kashirsky D.A., Lipatov E.I. Circuit design solutions for the construction of a key distribution system designed to be installed on unmanned aerial vehicles [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2025. V. 92. № 11. P. 69–77. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-11-69-77

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. Схемотехнические решения для установки квантового распределения ключа на беспилотных летательных аппаратах. Цель работы. Разработка компактной и энергоэффективной установки, адаптированной для размещения на беспилотных летательных аппаратах и обеспечивающей стабильную генерацию ключей в условиях атмосферного распространения оптического сигнала. Метод. Компьютерное моделирование оптических схем и симуляция полетных условий (турбулентность, атмосферные помехи) для оценки помехоустойчивости с акцентом на эффективность в условиях ограниченных ресурсов. Основные результаты. Предложена атмосферная оптическая схема для реализации протокола BB84 с технологией состояния-ловушки, разработана двухпроходная система трекинга для стабильного наведения и синхронизации в условиях движения и вибраций, определены оптимальные параметры апертур (диаметр 4–7 см) для работы на дистанциях до 1000 м. Практическая значимость. Разработанные решения позволяют создать мобильную систему квантового распределения ключей для оперативного развертывания в труднодоступных районах. Компактные размеры и низкое энергопотребление делают установку пригодной для малых и средних беспилотников, открывая возможности для защищенной связи в условиях чрезвычайных ситуаций, мониторинга удаленных зон (лесные пожары, наводнения), сельского хозяйства и охраны инфраструктуры.

Ключевые слова:

квантовые коммуникации, протокол BB84, квантовое распределение ключа, оптический канал связи, беспилотный летательный аппарат

Благодарность:

исследование выполнено при поддержке Программы развития Томского государственного университета (Приоритет 2030), проект № 2.4.4.23 ИГ «N2V0-центры окраски алмаза для квантовой магнитометрии».

Коды OCIS: 060.5625, 270.5565, 270.5568, 200.2605

Список источников:

1. Chen Y.-A., Zhang Q., Chen T.-Y., et al. An integrated space-to-ground quantum communication network over 4600 kilometers // Nature. 2021. V. 589. P. 214–219. http://doi.org/10.1038/s41586-020-03093-8

2. Lu C.-Y., Cao Y., Peng C.-Z., et al. Micius experiments in space // Rev. Mod. Phys. 2022. V. 94. 035001. P. 1–46. http://doi.org/10.1103/RevModPhys.94.035001

3. Ursin R., Tiefenbacher F., Schmitt-Manderbach T., et al. Free-space distribution of entanglement and single photons over 144 km // Nature Phys. 2006. V. 3. P. 481–486. http://doi.org/10.1038/nphys629

4. Wang J., Huberman B.A. A guide to global quantum key distribution networks / Advances in Information and Communication. Cham: Springer, 2022. P. 571–586. http://doi.org/10.1007/978-3-030-98015-3_40

5. Zhaxalykov T., Begimbayeva Y. Research of quantum key distribution protocols: BB84, B92, E91 // Scientific J. Astana IT University. 2022. V. 10. P. 4–14. http://doi.org/10.37943/QRKJ7456

6. Кулик С. Квантовая криптография. Ч. 2 // Фотоника. 2010. № 3. С. 56–60.

Kulik S. Quantum cryptography. Part 2 [in Russian] // Photonics. 2010. № 3. P. 56–60.

7. Pfennigbauer M., Leeb W.R., Aspelmeyer M., et al. Free-space optical quantum key distribution using intersatellite links // Phys. Rev. Lett. 2003. V. 9. P. 34. http://doi.org/10.1103/PhysRevLett.90.227903

8. Hughes R.J., Nordholt J.E., Derkacs D. Practical free-space quantum key distribution over 10 km in daylight and at night // New J. Phys. 2002. V. 4. № 43. P. 1–14. http://doi.org/10.1088/1367-2630/4/1/343

9. Marris E. Drones in science: Fly, and bring me data // Nature. 2013. V. 498. P. 156–158. http://doi.org/10.1038/498156a

10. Liu H.Y., Tian X.H., Gu C., et al. Drone-based entanglement distribution towards mobile quantum networks // National Sci. Rev. 2020. V. 7. № 5. P. 921–928. http://doi.org/10.1093/nsr/nwz227

11. Liu H.Y., Tian X.H., Gu C., et al. Optical-relayed entanglement distribution using drones as mobile nodes // Phys. Rev. Lett. 2021. V. 126. P. 1–6. http://doi.org/10.1103/PhysRevLett.126.020503

12. Третьяков Д.Б., Коляко А.В., Плешков А.С. и др. Генерация квантового ключа в однофотонных системах связи // Автометрия. 2016. Т. 52. № 5. С. 44–54. https://doi.org/10.15372/AUT20160507

Tret'yakov D.B., Kolyako A.V., Pleshkov A.S., et al. Quantum key generation in single-photon communication systems // Avtometriya. 2016. V. 52. №. 3. P. 44–54. http://doi.org/10.15372/AUT20160507

13. Naboulsi M.A., Sizun H., de Fornel F. Fog attenuation prediction for optical and infrared waves // J. SPIE Opt. Eng. 2004. V. 43. P. 319–329. http://doi.org/10.1117/1.1646158

14. Каширский Д.Е., Якименко Ф.А. Моделирование спектров средней скорости распределения ключа по протоколу BB84 между дронами // Сб. научн. труд. «Невская Фотоника – 2023». Всерос. научн. конф. с междунар. участием. СПб.: Университет ИТМО, 2023. С. 236. https://elibrary.ru/item.asp?id=60009234&selid=60010462

Kashirsky D.E., Yakimenko F.A. Simulation of average key distribution rate spectra according to the BB84 protocol between drones [in Russian] // Collection of Sci. Papers. "Neva Photonics-2023". All-Russian Sci. Conf. with International Participation. St. Petersburg: ITMO University, 2023. P. 236. https://elibrary.ru/item.asp?id=60009234&selid=60010462

15. Якименко Ф.А., Каширский Д.Е. Расчёт средней скорости распределения ключа по протоколу BB84 между беспилотными авиационными системами // Актуальные проблемы радиофизики: 10-я Междунар. научно-практ. конф. Томск: изд. дом Том. гос. ун-та, 2023. С. 305–306.

Yakimenko F.A., Kashirsky D.E. Calculation of average key distribution rate according to the BB84 protocol between unmanned aerial systems [in Russian] // Current Problems of Radiophysics: 10th Intern. Sci. and Practical Conf. Tomsk: Tomsk State University Publishing House, 2023. P. 305–306.

16. Якименко Ф.А. Оценка средней скорости распределения ключей в оптическом канале связи между беспилотными летательными аппаратами // 20-я Всерос. конф. студенческих научно-исслед. инкубаторов. Томск: STT, 2023. С. 85–86.

Yakimenko F.A. Assessment of average key distribution rate in the optical communication channel between unmanned aerial vehicles [in Russian] // 20th All-Russian Conf. Student Scientific Research Incubators. Tomsk: STT, 2023. P. 85–86. 17. Lo H.-K., Ma X., Chen K. Decoy state quantum key distribution // Phys. Rev. Lett. 2005. V. 94. 230504. http://doi.org/10.1103/PhysRevLett.94.230504