Влияние атмосферных разрядов на скорость генерации криптографического ключа в системах квантовой коммуникации

Белова О.С., Болотов Д.В., Бушуев Э.Ю., Грычкин С.Е., Казанцев С.Ю., Казиева Т.В., Колесников А.И., Строганова Е.В.

Ссылка для цитирования:

Белова О.С., Болотов Д.В., Бушуев Э.Ю., Грычкин С.Е., Казанцев С.Ю., Казиева Т.В., Колесников О.В., Строганова Е.П. Влияние атмосферных разрядов на скорость генерации криптографического ключа в системах квантовой коммуникации // Оптический журнал. 2025. Т. 92. № 1. С. 13–20. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-01-13-20

Belova O.S., Bolotov D.V., Bushuev E.Yu., Grychkin S.E., Kazantsev S.Yu., Kazieva T.V., Kolesnikov O.V., Stroganova E.P. The atmospheric discharges influence on the rate of cryptographic key generation in quantum communication systems [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2025. V. 92. № 1. P. 13–20. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-01-13-20

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. Технология квантового распределения ключей в волоконно-оптических линиях связи при воздействии электромагнитных полей, порождаемых атмосферными разрядами. Цель работы. Создание стенда для отработки экспериментальных методик исследования влияния атмосферных разрядов на передачу квантового ключа в волоконно-оптических линиях связи. Метод. Экспериментальные исследования характеристик квантового канала связи в условиях воздействия на катушку с оптическим волокном магнитного поля от импульсного тока. Основные результаты. Создан экспериментальный стенд и разработаны методики для оценки влияния магнитных полей, возникающих от атмосферных разрядов (молний), на скорость передачи квантового ключа в волоконно-оптических линиях связи. Показано, что блоки квантового распределения ключа, в которых реализован протокол BB84 на фазовом кодировании, стабильно работают при воздействии на оптический кабель переменных магнитных полей до 1,2 мТл. Однако сам факт воздействия магнитных полей свыше 0,8 мТл может быть зафиксирован по систематическому снижению скорости передачи квантового ключа и увеличению уровня квантовых ошибок QBER на 0,5–1%. Практическая значимость. Созданные лабораторный стенд и методики позволяют тестировать различные оптические кабели, по которым передаются кубиты, на воздействие магнитных полей. Волоконно-оптические сети, по которым передаются кубиты, могут являться распределенным сенсором молний на сегменте оптической сети, где разряд молнии порождает сильные магнитные поля, в результате чего будут фиксироваться увеличение уровня квантовых ошибок и снижение скорости формирования квантового ключа.

Ключевые слова:

квантовые коммуникации, волоконно-оптические линии связи, молния, атмосферные разряды, квантовое распределение ключей

Коды OCIS: 060.5530, 050.1590, 060.5625

Список источников:

1. Сукачев Д.Д. Протяжённые квантовые сети // УФН. 2021. Т. 191. № 10. С. 1077–1094. https://doi.org/10.3367/UFNr.2020.11.038888
Sukachev D.D. Large quantum networks // Physics–Uspekhi 2021. V. 64. № 10. P. 1021–1037. https://doi.org/10.3367/UFNe.2020.11.038888
2. Sharma P., Agrawal A., Bhatia V., et al. Quantum key distribution secured optical networks: A survey // IEEE Open J. Commun. Soc. 2021. V. 2. P. 2049–2083. https://doi.org/10.1109/OJCOMS.2021.3106659
3. Егорова О., Ерохин К., Журавлев С. и др. Применение многосердцевинных оптических волокон для квантовых сетей // Первая миля. 2022. № 8(108). С. 44–51. https://doi.org/10.22184/2070-8963.2022. 108.8.44.51
Egorova O., Erokhin K., Zhuravlev S., et al. Application of multicore optical fibers for quantum networks [in Russian] // Last Mile. 2022. № 8(108). P. 44–51. https://doi.org/10.22184/2070-8963.2022.108.8.44.51
4. Goncharov R., Vorontsova I., Kirichenko D., et al. The rationale for the optimal continuous-variable quantum key distribution protocol // Optics. 2022. V. 3. № 4. P. 338–351. https://doi.org/10.3390/opt3040030
5. Миронов Ю.Б., Казанцев С.Ю., Шаховой Р.А. и др. Анализ перспектив развития источников одиночных фотонов в системах квантового распределения ключей // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. 2021. Т. 13. № 6. С. 22–33. https://doi.org/10.36724/2409-5419-2021-13-6-22-33
Mironov Yu.B., Kazantsev S.Yu., Shakhovoy R.A., et al. Analysis of single photon sources with quantum key distribution systems development prospects [in Russian] // H&ES Reserch. 2021. V. 13. № 6. P. 22–33. https://doi.org/10.36724/2409-5419-2021-13-6-22-33
6. Martin V., Brito J.P., Escribano C., et al. Quantum technologies in the telecommunications industry // EPJ Quant. Technol. 2021. V. 8. № 1. P. 19. https://doi.org/10.1140/epjqt/s40507-021-00108-9
7. Chen J.P., Zhang C., Liu Y., et al. Quantum key distribution over 658 km fiber with distributed vibration sensing // Phys. Rev. Lett. 2022. V. 128. № 18. P. 180502. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.128. 180502
8. Горбатов Д.В., Дорожкин А.Н., Игуменов А.Ю. и др. Изменение поляризации света при ударе молнии: зоны изотропности анизотропного оптического волокна // Квант. электрон. 2022. Т. 52. № 10. С. 923–928.
Gorbatov D.V., Dorozhkin A.N., Igumenov A.Yu., et al. Polarisation change of light during a lightning strike: Isotropic zones of an anisotropic optical fibre [in Russian] // Bull. Lebedev Phys. Inst. 2023. V. 50. № 2. P. S203–S212. https://doi.org/10.3103/ S1068335623140075
9. 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
10. Белова О.С., Болотов Д.В., Казанцев С.Ю. и др. Влияние электрического поля от облака заряженного водного аэрозоля на волоконно-оптические линии связи // Краткие сообщения по физике ФИАН. 2023. Т. 50. № 10. С. 21–28.
Belova O.S., Bolotov D.V., Kazantsev S.Y., et al. Experimental study of the effect of electric fields of thunderclouds on fiber-optic communication lines // Bull. Lebedev Phys. Inst. 2023. V. 50. № 9. P. 429–433. https:// doi.org/10.3103/S1068335623100032
11. Charlton D., Clarke S., Doucet D., et al. Field measurements of SOP transients in OPGW, with time and location correlation to lightning strikes // Opt. Exp. 2017. V. 25. № 9. P. 9689–9696. https://doi.org/10.1364/ OE.25.009689
12. Соколов С.А. Воздействие внешних электромагнитных полей на оптические кабели связи и гибридные линии. М.: Горячая линия-Телеком, 2018. 214 с.
Sokolov S.A. The effect of external electromagnetic fields on optical communication cables and hybrid lines [in Russian]. Moscow: "Goryachaya liniya-telecom" Press., 2018. 214 p.
13. Lysov N., Temnikov A., Chernensky L., et al. The physical experimental modelling of the formation processes of upward discharges from grounded objects in the artificial thunderstorm cell’s electric field // Atmosphere. 2022. V. 13. № 8. P. 1339. https://doi.org/ 10.3390/atmos13081339
14. Belova O.S., Temnikov A.G., Kazantsev S.Y., et al. Physical modeling of the effects of atmospheric electricity and lightning on optical distributed telecommunication systems // Russ. Electr. Engin. 2023. V. 94. № 8. P. 585–589. https://doi.org/10.3103/S1068371223080047
15. Грычкин С.Е., Строганова Е.П. Сертификация и испытания телекоммуникационного оборудования, предназначенного для применения на объектах ПАО ГАЗПРОМ // Технологии информационного общества. 2019. С. 12–14.
Grychkin S.E., Stroganova E.P. Certification and testing of telecommunication equipment intended for use at the facilities of PJSC GAZPROM [in Russian] // Information Society Technologies. 2019. P. 12–14.
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. № 3. 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 Proc. in the Field of on Board Commun. Moscow, Russian Federation, 2023. P. 1–4. https://doi.org/10.1109/IEEECONF56737.2023.10092001
18. Ding Y.Y., Chen H., Wang S., et al. Polarization variations in installed fibers and their influence on quantum key distribution systems // Opt. Exp. 2017. V. 25. № 10. P. 27923–27936. https://doi.org/10.1364/OE.25.027923