Оптическая система распределения квантового ключа по атмосферному каналу связи

Ширяев Д.С., Разживина К.Р., Кундиус А.А., Беляков Н.А., Полухин И.С., Колодезный Е.С.

Ссылка для цитирования:

Ширяев Д.С., Разживина К.Р., Кундиус А.А., Беляков Н.А., Полухин И.С., Колодезный Е.С. Оптическая система распределения квантового ключа по атмосферному каналу связи // Оптический журнал. 2024. Т. 91. № 8. С. 50–59. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-08-50-59

Shiryaev D.S., Razzhivina K.R., Kundius A.A., Belyakov N.A., Polukhin I.S., Kolodeznyi E.S. Optical system for distribution of quantum key over atmospheric communication channel // Opticheskii Zhurnal. 2024.V. 91. № 8. P. 50–59. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-08-50-59

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. В статье представлена оптическая система для распределения квантового ключа по атмосферному каналу, которая состоит из двух телескопов передающей и приёмной частей системы квантового распределения ключа на боковых частотах модулированного излучения. Цель работы. Разработать оптическую систему, которая позволит использовать одномодовое волокно в качестве входа и выхода системы, а также обеспечит передачу оптического сигнала сверхмалой мощности без внесения дополнительных искажений и реализует протокол распределения квантового ключа по атмосферному оптическому каналу связи на расстояниях не менее 25 м. Метод. Для проведения измерений был получен атмосферный квантовый канал связи, который показал стабильную работу без прерывания распределения квантового ключа на протяжении всего процесса проведения измерений. Также было проведено моделирование распространения излучения для оценки вносимого ослабления оптического сигнала. Основные результаты. В результате моделирования оптические потери в системе распределения квантового ключа составили порядка 17 дБ. Атмосферный канал связи исследовался на расстояниях 5 м, 10 м и 25 м. Затухания оптического сигнала составили порядка 8 дБ, 13 дБ и 18 дБ, соответственно, которые измерялись с учётом всех оптических элементов системы, в том числе торцов выходного и входного волокон модулей квантового распределения ключей. В соответствии с вносимыми атмосферой оптическими потерями, скорости генерации квантового ключа составили порядка 500 бит/с, 350 бит/с и 190 бит/с с увеличением расстояния, а соответственно и вносимыми потерями. Вероятность погрешности квантования же находилась в диапазоне от 3% до 5%, что находится ниже порога в 6%, который определяет легитимность сформированного ключа и исключает атаку злоумышленника на канал связи. Практическая значимость. Совместимость разработанной системы с одномодовым оптическим волокном делает возможным встраивать её в существующую инфраструктуру магистральных линий передачи данных без дополнительных преобразователей оптического излучения. Полученные характеристики оптической системы распределения квантового ключа по атмосферному каналу связи позволяют применять её в системах связи интернета вещей, беспилотного транспорта и прочих движущихся объектах.

Ключевые слова:

беспроводная оптическая связь, квантовое распределение ключей, квантовые коммуникации, оптическая система, система наведения, объектив, коллиматор

Благодарность:

работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации, проект тематики научных исследований № 2019-1442 (код научной темы FSER-2020-0013).

Коды OCIS: 080.2740; 080.3620

Список источников:

1. Brassard Gilles. Quantum communication complexity // Foundations of Physics. 2003. V. 33. P. 1593–1616.
https://doi.org/10.1023/A:1026009100467
2. Wootters W.K., Zurek W.H. A single quantum cannot be cloned // Nature. 1982. V. 299. № 5886. P. 802–803.
https://doi.org/10.1038/299802a0
3. Kumar A., Garhwal S. State-of-the-art survey of quantum cryptography // Archives of Computational Methods in Engineering. 2021. V. 28. P. 3831–3868. https://doi.org/10.1007/s11831-021-09561-2
4. Syed Rakib Hasan, Mostafa Zaman Chowdhury et al. Quantum сommunication systems: Vision, protocols, applications, and challenges // IEEE Access. 2023. V. 11. P. 15855–15877. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2023.3244395
5. Bennett C.H., Brassard G. Quantum cryptography: public key distribution and coin tossing // Proc. of the IEEE Int. Conf. on Computers Systems and Signal Processing Bangalore India. 1984. P. 175.
6. Gleim A.V., Egorov V.I., Nazarov Y.V. et al. Secure polarization-independent subcarrier quantum key distribution in optical fiber channel using BB84 protocol with a strong reference // Optics express. 2016. V. 24. № 3. P. 2619–2633. https://doi.org/10.1364/OE.24.002619
7. Глейм А.В., Анисимов А.А., Аснис Л.Н. и др. Квантовая рассылка криптографического ключа по оптиREFERENCES ческому волокну на расстояние 200 км со скоростью 180 бит/с // Известия Российской академии наук. Серия физическая. 2014. Т. 78. № 3. С. 266. https:// doi.org/10.7868/S0367676514030090
8. Miroshnichenko G.P., Kozubov A.V., Gaidash A.A. et al. Security of subcarrier wave quantum key distribution against the collective beam-splitting attack // Optics express. 2018. V. 26. № 9. P. 11292–11308. https:// doi.org/10.1364/OE.26.011292
9. Moll F., Nauerth S., Fuchs C. et al. Communication system technology for demonstration of BB84 quantum key distribution in optical aircraft downlinks // Laser Communication and Propagation through the Atmosphere and Oceans. SPIE. 2012. V. 8517. P. 9–16. https://doi.org/10.1117/12.929739
10. Pugh C.J., Kaiser S., Bourgoin J.P. et al. Airborne demonstration of a quantum key distribution receiver payload // Quantum Science and Technology. 2017. V. 2. № 2. P. 024009. https://doi.org/10.1088/2058-9565/aa701f
11. Liu H.Y., Tian X.H., Gu C. et al. Optical-relayed entanglement distribution using drones as mobile nodes // Physical Review Letters. 2021. V. 126. № 2. P. 020503. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.126.020503
12. Manderbach T.S. Experimental demonstration of freespace decoy-state quantum key distribution over 144 km // Phys. Rev. Lett. 2007. Т. 98. P. 01504-1–01504-2. http://doi.org/10.1109/CLEOE-IQEC.2007.4386755
13. Heim B., Peuntinger C., Killoran N. et al. Atmospheric continuous-variable quantum communication // New Journal of Physics. 2014. V. 16. № 11. P. 113018. http:// doi.org/10.1088/1367-2630/16/11/113018
14. Jain A., Khanna A., Bhatt J. et al. Experimental demonstration of free space quantum key distribution system based on the bb84 protocol // 2020 11th International Conference on Computing, Communication and Networking Technologies (ICCCNT). 2020. P. 1–5. https://doi.org/10.1109/ICCCNT49239.2020.9225317
15. Samsonov E., Goncharov R., Gaidash A. et al. Subcarrier wave continuous variable quantum key distribution with discrete modulation: mathematical model and finite-key analysis // Scientific Reports. 2020. V. 10. № 1. P. 10034. https://doi.org/10.1038/s41598-020-66948-0
16. Gaidash A., Miroshnichenko G., Kozubov A. Subcarrier wave quantum key distribution with leaky and flawed devices // JOSA B. 2022. V. 39. № 2. P. 577–585. https://doi.org/10.1364/JOSAB.439776
17. Miroshnichenko G. P., Kozubov A.V., Gaidash A.A. et al. Security of subcarrier wave quantum key distribution against the collective beam-splitting attack // Optics express. 2018. V. 26. № 9. P. 11292–11308. https:// doi.org/10.1364/OE.26.011292
18. Быковский А.Ю., Компанец И.Н. Квантовая криптография и комбинированные схемы коммуникационных сетей на ее основе // Квантовая электроника. 2018. Т. 48. № 9. С. 777–801. https://doi.org/10.1070/QEL16732
19. Ширяев Д.С., Разживина К.Р., Кундиус А.А. и др. Оптическая система для рассылки квантовых ключей по атмосферному каналу связи // Фотонэкспресс. 2023. № 6 (190). С. 501–502. https://doi. org/10.24412/2308-6920-2023-6-501-502
20. Elder T., Strong J. The infrared transmission of atmospheric windows // Journal of the Franklin Institute. 1953. Т. 255. № 3. P. 189–208. https://doi.org/10.1016/0016-0032(53)90002-7 200 km and a bit rate of 180 bit/s //Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. 2014. V. 78. P. 171–175. https://doi.org/10.3103/S1062873814030095