RU2834882C1

RU2834882C1 - Synchronization device for quantum key distribution systems at side frequencies in star topology

Info

Publication number: RU2834882C1
Application number: RU2024121807A
Authority: RU
Inventors: Алексей Леонидович Алексеев; Рустам Какабаевич Нурыев
Original assignee: Открытое Акционерное Общество "Российские Железные Дороги"
Filing date: 2024-07-31
Publication date: 2025-02-17

Abstract

FIELD: optical equipment.

SUBSTANCE: device comprises a sender module, which includes a pulsed coherent radiation source with distributed feedback, 99/1 beam splitter connected to the source, which divides the radiation into an optical synchronization channel corresponding to an arm with a large division factor, and a channel with a lower division ratio, connected to an optical conversion module, the output of which is a quantum channel, wherein the quantum channel and the synchronization channel are the outputs of the sender module and are connected to the receiver module by a fibre-optic path, where the quantum channel is connected to an optical conversion module of the receiver connected to the monitoring and control board, to which the synchronization channel is also connected.

EFFECT: high accuracy of synchronization for systems of quantum key distribution at side frequencies in star topology.

1 cl, 1 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к оптической технике, а именно к системам фотонной квантовой связи.The present invention relates to optical technology, namely to photonic quantum communication systems.

Система квантового распределения ключей должна обеспечивать выработку, хранение и распределение секретных ключей, в частности, в квантовых сетях топологии «Звезда». Получатель и отправитель соединены квантовым каналом, по которому передаются ослабленные когерентные состояния, несущие информацию для генерации секретного ключа. На стороне получателя ослабленные когерентные состояния регистрируются детектором одиночных фотонов. Для обеспечения корректной работы системы реализуется синхронизация отправителя и получателя, обеспечивающая срабатывание детектора одиночных фотонов непосредственно в момент прихода сигнальных импульсов и других использующихся в получателе оптических элементов, для которых важно воздействовать на конкретный сигнальный импульс, полученный от отправителя.The quantum key distribution system should provide for the generation, storage and distribution of secret keys, in particular, in quantum networks of the "Star" topology. The receiver and the sender are connected by a quantum channel, through which weakened coherent states are transmitted, carrying information for generating a secret key. On the receiver's side, weakened coherent states are registered by a single photon detector. To ensure correct operation of the system, synchronization of the sender and the receiver is implemented, ensuring the operation of the single photon detector directly at the moment of arrival of signal pulses and other optical elements used in the receiver, for which it is important to act on a specific signal pulse received from the sender.

Известно устройство квантовой рассылки криптографического ключа, реализующее синхронизацию устройств отправителя и получателя [Патент RU 2454810 C1, дата приоритета 2010-11-24, МКИ: МКИ H04L 9/08], в котором синхронизация обеспечивается следующим образом. Источником модулирующего сигнала как в приемном, так и в передающем устройствах является генератор радиочастотного сигнала. Синхронизация генераторов радиочастотного сигнала на передающем и приемном устройствах осуществляется с помощью устройства фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), встроенного в каждый генератор радиочастотного сигнала. ФАПЧ комплексное устройство с задающим генератором тактовой частоты, делителями частоты задающего генератора, генератором напряжения, позволяющим смещать фазу от 0 до 2π, фильтром нижних частот и компаратором (фазовым детектором). Высокочастотный сигнал от задающего генератора разветвляется по 2 линиям передачи и поступает к устройству ФАПЧ каждого генератора радиочастотного сигнала. Генератор тактовой частоты посылает через свой разветвитель 1×2 импульсы на синхронизационный вход устройства сдвига фазы. В приемном и передающем устройствах фазовый сдвиг вносится и регулируется устройством фазового сдвига, выполненного на основе ферритового фазовращателя. Синхронизационный вход устройства сдвига фазы соединен с генератором случайных состояний, который соединен с обмоткой магнитной системы фазовращателя, с помощью которой изменяется значение вносимого сдвига фазы радиочастотного сигнала.A device for quantum distribution of a cryptographic key is known, implementing synchronization of the sender and recipient devices [Patent RU 2454810 C1, priority date 2010-11-24, IPC: IPC H04L 9/08], in which synchronization is ensured as follows. The source of the modulating signal in both the receiving and transmitting devices is a radio frequency signal generator. Synchronization of the radio frequency signal generators on the transmitting and receiving devices is carried out using a phase-locked loop (PLL) built into each radio frequency signal generator. The PLL is a complex device with a master clock generator, frequency dividers of the master generator, a voltage generator allowing a phase shift from 0 to 2π, a low-pass filter and a comparator (phase detector). The high-frequency signal from the master oscillator is split along 2 transmission lines and fed to the PLL device of each RF signal generator. The clock frequency generator sends pulses via its 1×2 splitter to the synchronization input of the phase shifter. In the receiving and transmitting devices, the phase shift is introduced and regulated by a phase shift device based on a ferrite phase shifter. The synchronization input of the phase shifter is connected to a random state generator, which is connected to the winding of the magnetic system of the phase shifter, with the help of which the value of the introduced phase shift of the RF signal is changed.

Однако данное устройство синхронизации имеет достаточно сложную реализацию, содержит большое количество устройств для обеспечения синхронизации.However, this synchronization device has a rather complex implementation and contains a large number of devices to ensure synchronization.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является упрощение и удешевление по себестоимости устройства синхронизации модуля отправителя и получателя в системах квантового распределения ключа, а также повышение точности работы системы за счет использования импульсного источника когерентного излучения с распределенной обратной связью, светоделителя 99/1 и оптического канала синхронизации.The technical result of the proposed invention is a simplification and reduction in the cost price of the device for synchronizing the sender and receiver module in quantum key distribution systems, as well as an increase in the accuracy of the system operation due to the use of a pulsed source of coherent radiation with distributed feedback, a 99/1 beam splitter and an optical synchronization channel.

Технический результат достигается за счет применения следующих технических решений и методов; модули отправителя и получателя соединены оптическим квантовым и синхронизационным каналами, при этом в качестве источника когерентного излучения в модуле отправителя выступает импульсный источник когерентного излучения с распределенной обратной связью, к которому подключен светоделитель 99/1, разделяющий излучение на квантовый канал, являющийся одним из выходов устройства и получаемый после прохождения излучения через модуль оптического преобразования отправителя, и канал синхронизации, являющийся вторым выходом из устройства, при этом квантовый и синхронизационный канал имеют одинаковый оптический путь и подключены к модулю получателя, где квантовый канал соединен с модулем оптического преобразования получателя, а канал синхронизации подключен к плате контроля и управления, соединенной с модулем оптического преобразования получателя.The technical result is achieved by applying the following technical solutions and methods; the sender and receiver modules are connected by optical quantum and synchronization channels, wherein the source of coherent radiation in the sender module is a pulsed source of coherent radiation with distributed feedback, to which a 99/1 beam splitter is connected, dividing the radiation into a quantum channel, which is one of the outputs of the device and obtained after the radiation passes through the sender optical conversion module, and a synchronization channel, which is the second output from the device, wherein the quantum and synchronization channels have the same optical path and are connected to the receiver module, where the quantum channel is connected to the receiver optical conversion module, and the synchronization channel is connected to the control and management board connected to the receiver optical conversion module.

В предлагаемом устройстве в модуле отправителя источником синхронизационной частоты является импульсный источник когерентного излучения с распределенной обратной связью. Светоделитель 99/1, подключенный к источнику, обеспечивает разделение излучения на два канала, один из которых с наименьшим коэффициентом деления является сигнальным и подключен к модулю оптического преобразования, в котором реализуется подготовка квантовых состояний для отправки получателю по квантовому каналу. Канал, в который поступает наибольшая часть излучения, является синхронизационным и передается получателю с помощью оптического волокна, которое является более стабильным по отношению к изменениям температуры по сравнению с металлическими проводами. Квантовый и синхронизационный каналы выполняются одинаковыми по длине таким образом, что синхронизационный и сигнальный импульсы поступают на вход получателя почти одновременно. Небольшие временные сдвиги в получателе могут быть скомпенсированы линиями задержки. Радиочастотный генератор импульсов в модуле получателя синхронизируется по частоте и фазе с измеренными световыми импульсами, поступающими в модуль получателя по каналу синхронизации.In the proposed device, the source of synchronization frequency in the sender module is a pulsed source of coherent radiation with distributed feedback. A 99/1 beam splitter connected to the source ensures division of radiation into two channels, one of which with the lowest division coefficient is a signal channel and is connected to the optical conversion module, in which the preparation of quantum states for sending to the recipient via the quantum channel is implemented. The channel into which the largest part of the radiation enters is a synchronization channel and is transmitted to the recipient using an optical fiber, which is more stable with respect to temperature changes compared to metal wires. The quantum and synchronization channels are made identical in length in such a way that the synchronization and signal pulses arrive at the input of the recipient almost simultaneously. Small time shifts in the recipient can be compensated for by delay lines. The radio frequency pulse generator in the recipient module is synchronized in frequency and phase with the measured light pulses arriving at the recipient module via the synchronization channel.

Обобщая вышесказанное, квантовый и синхронизационный канал являются одинаковыми по частоте, поскольку задаются одним источником, и по времени за счет точной настройки оптических путей обоих каналов. Кроме того, использование импульсного источника когерентного излучения позволяет исключить из оптической схемы амплитудный модулятор.To summarize the above, the quantum and synchronization channels are identical in frequency, since they are set by one source, and in time due to the precise adjustment of the optical paths of both channels. In addition, the use of a pulsed source of coherent radiation allows the elimination of the amplitude modulator from the optical circuit.

Функционирование заявленного устройства проиллюстрировано на Фиг. 1.The operation of the claimed device is illustrated in Fig. 1.

Устройство синхронизации для систем квантового распределения ключа на боковых частотах в топологии типа звезда, содержащее модуль отправителя (1), включающий в себя импульсный источник когерентного излучения с распределенной обратной связью (2), подключенный к источнику светоделитель 99/1 (3), разделяющий излучение на оптический канал синхронизации (4), соответствующий плечу с большим коэффициентом деления, и канал с меньшим коэффициентом деления, подключенный к модулю оптического преобразования (5), выход из которого является квантовым каналом (6), при этом квантовый канал и канал синхронизации являются выходами модуля отправителя и посредством волоконно-оптического тракта подключены к модулю получателя (7), где квантовый канал подключен к модулю оптического преобразования (8) получателя, подключенного к плате контроля и управления (ПКУ) (9), к которой также подключен канал синхронизации.A synchronization device for quantum key distribution systems on sidebands in a star topology, comprising a sender module (1) including a pulsed source of coherent radiation with distributed feedback (2), a 99/1 beam splitter (3) connected to the source, dividing the radiation into an optical synchronization channel (4) corresponding to the arm with a large division ratio, and a channel with a smaller division ratio, connected to an optical conversion module (5), the output of which is a quantum channel (6), wherein the quantum channel and the synchronization channel are outputs of the sender module and are connected via a fiber-optic path to a receiver module (7), where the quantum channel is connected to the optical conversion module (8) of the receiver, connected to the control and monitoring board (CMP) (9), to which the synchronization channel is also connected.

Claims

A synchronization device for quantum key distribution systems on side frequencies in a star topology, containing sender and receiver modules connected by optical quantum and synchronization channels, characterized in that a pulsed source of coherent radiation with distributed feedback acts as a source of coherent radiation in the sender module, to which a 99/1 beam splitter is connected, dividing the radiation into a quantum channel, which is one of the outputs of the device and obtained after the radiation passes through the sender optical conversion module, and a synchronization channel, which is the second output from the device, wherein the quantum and synchronization channels have the same optical path and are connected to the receiver module, where the quantum channel is connected to the receiver optical conversion module, and the synchronization channel is connected to a control and management board connected to the receiver optical conversion module.