CC BY
43
НАУКОЕМКИЕ ТЕХНОЛОГИИ В КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ ЗЕМЛИ, Т. 13. № 6-2021
ИНФОРМАТИКА, ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И УПРАВЛЕНИЕ с1сн: 10.36724/2409-5419-2021-13-6-22-33
АНАЛИЗ ПЕРСПЕКТИВ РАЗВИТИЯ ИСТОЧНИКОВ ОДИНОЧНЫХ ФОТОНОВ В СИСТЕМАХ КВАНТОВОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КЛЮЧЕЙ
МИРОНОВ Юрий Борисович1 КАЗАНЦЕВ Сергей Юрьевич2 ШАХОВОЙ Роман Алексеевич3 КОЛЕСНИКОВ Олег Вячеславович4 МАШКОВЦЕВА Любовь Сергеевна5 ЗАЙЦЕВ Александр Игоревич6 КОРОБОВ Александр Владимирович7
Сведения об авторах:
1к.т.н., декан, Московский Технический Университет Связи и Информатики, г. Москва, Россия, i.b.mircncv@mtuci.ru
2д.ф.-м.н., главный научный сотрудник, Московский Технический Университет Связи и Информатики, г. Москва, Россия; Московский политехнический университет, г. Москва, s.i.kazantsev@mtuci.ru
3к.т.н., старший преподаватель, Московский Технический Университет Связи и Информатики, г Москва, Россия, r.a.shakhcvci@mtuci.ru
4к.т.н., заведующий кафедрой, доцент, Московский Технический Университет Связи и Информатики, г. Москва, Россия, c.v.kclesnikcv@mtuci.ru
5к.х.н., доцент, Московский Технический Университет Связи и Информатики, г. Москва, Россия; Всероссийский институт научной и технической информации РАН, г.Москва, l.s.mashkcvceva@mtuci.ru
6аспирант, Московский Технический Университет Связи и Информатики, г. Москва, Россия, a.zaitcev96@yandex.ru
7аспирант, Московский Технический Университет Связи и Информатики, г. Москва, Россия, kavmc@mail.ru
АННОТАЦИЯ
Введение: Проведен анализ основных направлений исследований в области создания источников одиночных фотонов для систем связи с квантовым распределением ключей. Методы: Продемонстрирована возможность применения инструментов анализа наукометрической базы данных Scopus для выявления наиболее перспективных разработок и прогнозирования потока научно-исследовательских работ в области источников одиночных фотонов. Результаты: Выявлены перспективные платформы для создания источников одиночных фотонов и возможность их применений в коммерческих системах связи с квантовым распределением ключей. Показано, что из истинно однофотонных источников, на сегодняшний день, наиболее хорошо изучены и имеют высокий потенциал в коммерческих приложениях - источники одиночных фотонов на основе квантовых точек. Установлен рост публикационной активности в области источников одиночных фотонов созданных на платформах - центры окраски в нанокристаллах и углеродные нанотрубки, которые считаются наиболее перспективными для создания квантовых информационных систем. Проанализированы возможности создания компактных и удобных в использовании источников одиночных фотонов на телекоммуникационных динах волн. Выявлены точки роста и научный потенциал разных стран в исследованиях по перспективным платформам для источников одиночных фотонов. Установлено, что за счет значительного финансирования научно-исследовательских работ в области источников одиночных фотонов для квантовой информатики лидирующее положение сегодня в этой области сегодня занимают исследовательские группы из КНР и Германии. Значительный прогресс научных групп из КНР в области исследования источников одиночных фотонов на квантовых точках, обусловлен альянсом с научными группами из Германии. Определены журналы, в которых регулярно публикуются работы по источникам для квантовых информационных систем, группы авторов, внесших значительный вклад в разработку современных источников одиночных фотонов, а также основные организации, финансирующие работы по данной тематике. Обсуждение: Установлено, что область исследований коммуникационных систем с применением источников одиночных фотонов находится в стадии активного роста, когда фундаментальные достижения начинают успешно реализовываться в технических устройствах с высоким потенциалом коммерческих приложений.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: источники одиночных фотонов, квантовое распределение ключей, квантовые телекоммуникации, наукометрический анализ, квантовые технологии
Для цитирования: Миронов Ю.Б., Казанцев С.Ю., Шаховой Р.А., Колесников О.В., Машковцева Л.С., Зайцев А.И., Коробов А.В. Анализ перспектив развития источников одиночных фотонов в системах квантового распределения ключей // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. 2021. Т. 13. № 6. С. 22-33. СЫ: 10.36724/2409-54192021-13-6-22-33
Введение
Информационные технологии и, в частности, системы связи являются ключевым элементом жизни современного общества [1-3]. Поэтому внедрение передовых технологий связи способствуют прогрессу в самых разных областях: в промышленности, здравоохранении, образовании, сельском хозяйстве, военном деле и безопасности населения. Создание космической группировки спутников, развитие систем космической связи и оптоволоконных сетей соединяющей различные области нашей планеты является основой современных коммуникаций ме^ду странами и регионами, чему уделяется значительное внимание, как со стороны научного сообщества, так и отдельных промышленных групп [3-5]. Появление в ближайшем будущем мощных квантовых компьютеров ставит под угрозу безопасность передачи данных системах связи, основанных на классических технологиях прошлого века, поэтому сегодня для передачи информации требуется использовать квантовые технологии [6, 7]. Действительно, одним из важнейших достижений науки 20 века является создание и развитие квантовой физики, которая стала базой для развития квантовых технологий.
Основными объектами исследования нарождающихся дисциплин, и в первую очередь связанных с телекоммуникациями, являются фотоны [8-10]. В этих технологиях используются квантовые свойства света, что позволяет выполнять операции, которые принципиально невозможны в классических системах. В связи с этим наблюдается настоящий бум развития квантовой информатики, где фотоны используются для кодирования, передачи и обработки информации [10, 11].
Известно, что методы линейной оптики позволяют проводить манипуляции с фотонами, которые двигаются со скоростью света и слабо взаимодействуют с окружающей средой, а значит, могут быстро перемещаться на большие расстояния, что делает фотон самым перспективным кандидатом для реализации кубитов в квантовом компьютере, а также схем квантовой криптографии [6]. При этом сама схема квантовой криптографии, основанная на технологии квантового распределения криптографических ключей (КРК), является наиболее зрелым и коммерчески продвинутым приложением квантовых технологий связи [10, 12].
В данном случае криптографический ключ - это случайная битовая последовательность, которая используется для шифрования информации. Технология КРК позволяет на уровне фундаментальных законов физики гарантировать безопасное распределение ключей между удаленными пользователями по открытым каналам связи. Секретность ключей в КРК основана на двух основных законах квантовой теории: 1) невозможность копирования произвольного квантового состояния (так называемая теорема о запрете клонирования) и 2) невозможность достоверного различения не ортогональных квантовых состояний [14]. Подробные сведения о принципиальных вопросах квантовой криптографии и КРК можно найти в обзорной работе [13], в которой содержится достаточно много ссылок на оригинальные работы, а также обзоры и монографии, посвященные отдельным аспектам КРК.
При реализации большинства схем КРК ключевым элементом является источник одиночных фотонов (ИОФ) [8, 12]. В частности, только при использовании ИОФ абсолютно строго доказывается безопасность квантового канала связи [14]. Поэтому в большинстве протоколов КРК предполагается использование одиночных фотонов [12, 15]. Однако, в современных реализациях КРК, в том числе коммерчески доступных, генерация квантовых состояний осуществляется с помощью лазера [9, 10]. При этом, как известно, лазер не позволяет получать идеальные однофотонные состояния, в результате приходится работать с сильно ослабленными лазерными импульсами, в каждом из которых число фотонов имеет Пуассоновское распределение, что теоретически позволяет злоумышленнику извлечь информацию, зашифрованную в импульсе [15-17]. Стандартным решением этой проблемы является уменьшение среднего числа фотонов, приходящихся на один лазерный импульс, чтобы сделать вероятность появления импульсов с числом фотонов больше одного достаточно малой. Дополнительно с этим может применяться метод приманочных (обманных) состояний [18].
Важно отметить, что использование лазера вместо ИОФ, приводит к существенному уменьшению скорости генерации квантового ключа, поскольку большинство передаваемых лазерных импульсов оказываются пустыми, кроме того, использование обманных состояний значительно усложняет квантовый протокол. В связи с этим сегодня все острее возникает задача создания эффективного ИОФ для применения в устройствах КРК. При этом ИОФ востребованы и в других квантовых технологиях, например, в квантовых компьютерах и устройствах квантовой памяти, причем создание последних позволит в корне решить проблему увеличения дальности систем КРК и может инициировать взрывное распространение систем квантовой связи во всем мире. Поэтому в настоящее время исследовательские группы во многих странах работают над проблемой создания ИОФ, о чем свидетельствует большое количество статей, публикуемой по этой тематике [15, 19, 20]. Целью настоящей статьи являлся системный анализ проблемы создания ИОФ и информации, публикуемой по ним в научных изданиях для выявления основных направлений и достижений в области ИОФ для задач КРК, который позволит выявить перспективные направления и планировать финансирование научно-исследовательских работ в области ИОФ.
2. Постановка задачи и методика анализа
Под ИОФ в настоящей статье понимается устройство, которое по внешнему сигналу генерирует на выходе одно-фотонное состояние. ИОФ является типичным представителем, так называемых, неклассических источников света [21]. Первое теоретическое описание неклассического источника излучения содержалось в статье [22], а экспериментальные реализации квантовых оптических эффектов, в частности, антигруппировки фотонов, были описаны в работе [23].
В настоящее время на рынке представлены ИОФ, которые можно заказать в некоторых коммерческих фирмах, а в научной литературе и рекламных пресс-релизах регулярно появляются сообщения о повышении качества приготовле-
ния однофотонных состояний и эффективности, создаваемых новых ИОФ. Анализ литературы показывает, что источники пар фотонов, где один из фотонов является сигнальным, а второй реализует однофотонное состояние, широко используется в самых разных приложениях: метрологи [24], микроскопии [25], фундаментальных исследованиях метрологи [26]. Спектральный диапазон, в котором производится генерация однофотонных состояний коммерческих ИОФ лежит в области видимого и ближнего ИК диапазона спектра. Однако в лабораториях создаются источники, генерирующие одиночные фотоны от УФ диапазона до микроволновой области. Широкий спектр применений ИОФ затрудняет анализ достижений в области разработки этих устройств. Действительно, при создании ИОФ, применяются несколько, сильно различающихся по используемым материалам и подходам, технологий получений одиночных фотонов, которые будут называться в представленной работе платформами ИОФ.
В настоящее время для выявления основных тенденций в конкретной научной области с успехом применяются методики наукометрического анализа [27, 28]. Поэтому для определения наиболее перспективных платформ для ИОФ и оценке общего потенциала данного направления исследований был проведен анализ потока научно-технической литературы на временном отрезке с 2000 по 2021 годы с использованием инструментов анализа базы данных SCOPUS (БД SCOPUS). При этом в область поиска включались рецензируемые издания и патенты, индексируемые в БД SCOPUS (https://www.scopus.com). Следует уточнить, поиск проводился по данным, включенным в базу на 31.10.2021, поскольку база данных непрерывно пополняется, в нее включаются работы за годы, предшествующие текущему, что требуется обязательно учитывать при прогнозировании потока информации на текущий год. Примеры поисковых запросов в БД представлены в таблице 1.
Таблица 1
Примеры запросов в БД SCOPUS
Основной поиск проводился по ключевым словам, в которых должна содержаться фраза «single-photon sources» (источники одиночных фотонов). В дальнейшем, были использованы инструменты анализа БД для выделения публикаций с наибольшим числом цитирований, а также авторов, организаций и стран с наибольшим вкладом в публикационную активность по тематике ИОФ. Отдельно отметим, что инструменты анализа БД СКОПУС позволяют отслеживать организации, осуществляющие финансирование НИР по тематике ИОФ, и получать распределение публикаций по
типу и областям знаний. Анализ обзорных и исследовательских статей с наибольшим уровнем цитирований позволил выделить основные платформы, на которых строятся ИОФ, и провести сравнительный анализ числа таких работ. Кроме публикаций по ИОФ в БД СКОПУС проводился анализ потока научно-технической литературы в смежных областях для выявления общих тенденций в области исследований ИОФ. С этой целью анализировалась динамика публикационной активности в областях, связанных с квантовыми генераторами случайных чисел [29] (КГСЧ) и КРК [11, 12, 30]. Анализ динамики публикаций по выбранным тематикам можно в дальнейшем использовать для прогнозирования НИР в соответствующих областях.
3. Результаты анализа мирового потока научно-технической литературы в области проблемы создания и применений ИОФ
3.1 Мониторинг мирового потока научно-технической литературы, связанной с ИОФ с 2000 по 2021 год
На рисунке 1 показаны зависимость числа публикаций (за год), в которых в ключевых словах была указана фраза «single-photon sources» от года публикации.
300 г
2000 2005 2010 2015 2020
Годы
Рис. 1. Зависимость числа публикаций по тематике ИОФ от времени
Из этого рисунка видна общая тенденция роста публикаций по этой тематике, несмотря на то, что в районе 2015 года присутствует резкий провал в количестве публикаций по источникам одиночных фотонов и, в дальнейшем, он нивелируется. Некоторое уменьшение числа рецензируемых публикаций в 2020 году, присутствует во многих областях, что обусловлено снижением общей деловой активности населения, вызванной эпидемиологической обстановкой. Поскольку 2021 год еще не закончен, данные о числе публикаций не полны и будут скорректированы в сторону увеличения в следующем году. На рисунке 2 показана диаграмма, иллюстрирующая вклад различных стран в исследования по тематике ИОФ, из которой видно, что наибольшее количество публикаций сделано авторами из США, Германии и Китая.
Пример запроса Результаты запроса
KEY (single-photon sources) Производится выборка публикаций в БД, в которых в ключевых словах указана фраза «single-photon sources»
KEY (single-photon sources) AND (KEY (carbon nanotube)) Производится выборка публикаций в БД, в которых в ключевых словах указана фразы: «single-photon sources» и «carbon nanotube»
публикация статей, и год еще не закончен. Следует обратить внимание, что, начиная с 2016 года, наблюдается практически экспоненциальный рост выдачи патентов на устройства с КРК, ИОФ и КГСЧ. Примечательно, что даже в условиях пандемии, когда в 2020 году по многим направления наблюдалось снижение научной активности, число публикаций по тематике ИОФ в мире продолжает экспоненциально увеличиваться, что свидетельствует о безусловной актуальности данного направления.
Рис. 2. Вклад стран в публикационную активность по тематике ИОФ за период с 2000 по 2021 годы, показано 10 стран с самыми высокими показателями по научным статьям
Однако в области науки, где ведутся активные исследования, промежуток в 20 лет слишком большой. Наибольшей интерес представляет динамика за небольшой период - от двух до пяти лет. Поэтому на рисунке 3 показаны диаграммы, отражающие вклад различных стран за более короткие промежутки времени.
Из рисунка 3 видно, что США и Великобритания, которые были абсолютными лидерами в области ИОФ до 2005 года (рис. 3а), с течением времени утратили свои позиции; исследовательские коллективы из Германии обогнали Великобританию и догнали США, а потом уже исследователи из Китая догнали и перегнали по количеству печатных работ все остальные страны (рис. 3в). Следует заметить, в выборке публикаций по тематике ИОФ с 2000 по 2021 год можно проследить следующие тенденции: тематика публикаций с фундаментальных исследований смещается в сторону прикладных направлений науки.
На рисунке 4 показаны диаграммы, иллюстрирующие распределение публикаций по областям знаний с 2000 по 2005 годы (рис. 4а) и с 2017 по 2021 годы. Видно, что доля работ в предметной области «Физика и астрономия», куда в основном относятся работы фундаментального характера, уменьшается к настоящему времени, а доля в направлении «Инженерные науки» и «Наука о материалах» увеличилась. Эта тенденция может свидетельствовать об окончании этапа глубоких фундаментальных исследований основных принципов работы и выхода на этап проработки реальных устройств ИОФ для различных приложений.
В связи с этим, полезную информацию можно извлечь из анализа количества патентов, выданных за период с 2016 по 2020 годы по тематике ИОФ.
На рисунке 5 показана динамика выпуска патентов в периоды 2000-2020 годы, в которых присутствовали в качестве ключевых слов фразы: «single-photon sources», «quantum random number generator», «quantum key distribution». Патенты за 2021 год не рассматривались, поскольку рассмотрение заявок на патент процесс гораздо более длительный, чем
Лнсгргишн Квнгща
О 2(1 41) ÍjO т 100 120 1411 164 tío 2U0 220 24(1 260 2S(I Документы
В)
Рис. 3. Вклад 10 стран самым высоким уровнем публикационной активности по тематике ИОФ: а) за период 2000-2005годы; б) за период 2010-2015 годы; в) за период 2016-2021 годы
Другие (1.1%)
Ненронаука (1.1%)
Здравоохранение (1.5%)
Биохимия (2.6%)
Химия (2.9%)
Медицина (6.6%)
Математика (7.3%)
Компьютерные технологии (8.4%)
Наука о материалах (10.2%)
Физика п Ас - рои о мин (40.5%)
Инженерные науки (] 7.9%)
а)
Другое (1.1%)
Энергия (0.5%) Меличипа Химические техн. (2. Биохимия (3.2%) Химия (4.2%) Математика (4.5%)
Пнжерные науки (19.1'
Фи ч и га и Астрономия (34.1%)
Наука о материалах (22.4%)
б)
Рис. 4. Распределение публикаций по тематике, связанной с ИОФ по областям знаний: а) за период 2000-2005годы; б) за период 2017-2021 годы.
7000
д - КРК
6000 - • - ИОФ
■ - КГСЧ
° 5000
(D
¡5 4000
о m
ЕЗ 3000
2000
1000
> 0
" Д . • • Д ^ • *
л А 4 6 * " " "
A g ^ * ш . - " " " g | I . ■ "
• ■
2000
2005
2015
2020
Оформление заявки на патент требует определенных материальных затрат, также, как и проведение исследовательских работ, результаты которых можно отслеживать по выходу публикаций в рецензируемых изданиях. Поэтому графики на рисунке 5 отражают, в том числе, значительный рост финансирования, которое выделяется на работы в данных направлении. При этом анализ публикаций данных тематик показывает значительное пересечение областей исследований. Основываясь на взаимной связи этих областей исследований, можно по изменениям в одной области прогнозировать увеличение или уменьшение достижений или публикационной активности в другой.
В частности, из анализа рынка КГСЧ, представленного Inside Quantum Technology, следует, что в ближайшие годы будет в несколько раз увеличено финансирование НИР в области КГСЧ и прогнозируется существенное увеличения рынка устройств КГСЧ, который составит к 2025 году свыше 6000 млн. дол.
На рисунке 6 показан прогноз группы экспертов из компании Inside Quantum Technology о распределении рынка устройств КГСЧ по различным областям применений (https://www.insidequantumtechnology.com/quantum-news/).
2010 Годы
Рис. 5. Зависимость числа выданных патентов на устройства и изобретения в области ИОФ, КГСЧ и КРК от года публикации охранного свидетельства
Если ориентироваться на мировой тренд по числу выданных патентов, можно сделать вывод, что ИОФ вызывают большой интерес для коммерческих приложений, в том числе в области КРК.
Рис. 6. Прогноз рынка КГСЧ по различным областям применений (по данным Inside Quantum Technology): 1-дата-центры;
2 - телекоммуникации; 3 - финансы; 4 - интернет вещей;
5 - смартфоны
График на рисунке 6 получен на основании данных из открытой части отчета, выложенной на указанном выше сайте. Кроме того, из других открытых источников видно, что страны с развитым технологическим сектором увеличивают инвестиции в области квантовых информационных систем. Так, например, Великобритания объявила о выделении финансировании Квантового центра на сумму свыше 127 млн. долл. в этом году.
Эксперты из Inside Quantum Technology прогнозируют в 2025 году увеличение рынка устройств с КРК в 10 раз по сравнению с 2020 годом. Этот прогноз показан на рисунке 7. Таким образом, на основании указанных выше тенденций можно с уверенность прогнозировать увеличение интенсивности исследований в области ИОФ и рост финансирования НИР по заявленной тематике.
Рис. 7. Прогноз рынка систем связи с КРК для конечного пользователя, по данным Inside Quantum Technology): 1-прочие отрасли; 2 -армия; 3 - телекоммуникации; 4 - гражданское правительство; 5 - дата-центры. (https://www.insidequantumtechnology.com/quantum-news/)
Для выявления основных тенденций и перспективных направлений в области ИОФ полезно ограничить область, где проводится более глубокий анализ результатов исследований ИОФ. В таблице 2 перечислены десять журналов с наибольшим содержанием статей по тематике ИОФ за последние 5 лет.
Таблица 2
Топ 10 научных журналов, где публикуются статьи по ИОФ
№ Название журнала Число публикаций
1 Optics Express 62
2 Physical Review A 61
3 ACS Photonics 47
4 Nano Letters 43
5 Applied Physics Letters 39
6 Physical Review Letters 34
7 New Journal Of Physics 12
8 ACS Nano 18
9 Optic 18
10 Optic Letters 18
3.2 Перспективные платформы и технологии для создания ИОФ
Изучение статей в журналах, перечисленных в таблице 2, и анализ выборки публикаций за последние 5 лет по ключевым словам, позволил выделить основные платформы, на которых создаются современные ИОФ. Подробное описание принципа работы платформ, на которых возможно построение эффективных ИОФ содержится в работах [8, 15, 20, 32] и не входит в задачу настоящей статьи. Из анализа литературы за последние 5 лет были выбраны следующие основные платформы ИОФ:
1. ИОФ на одиночных атомах и ионах,
2. ИОФ на нелинейных эффектах в кристаллах: спонтанный параметрический распад (СИР), либо четырехволно-вое смешение (ЧВС),
3. ИОФ на квантовых точках (КТ),
4. ИОФ на КУ-центрах в алмазе и центрах окраски в нанокристаллах,
5. ИОФ на углеродных нанотрубках (УНТ).
На рисунке 8 показано распределение публикаций в области ИОФ по различным платформам за периоды: а) 20002005 годы; б) 2016-2020 годы. Поиск проводился по выборке публикаций, посвященных ИОФ, но исключались обзорные работы, в которых описывалось несколько технологий для получения однофотонных СОСТОЯНИЙ.
Рис. 8. Распределение публикаций ведущих мировых изданий для различных платформ ИОФ: а) 2000-2005 годы; б) 2016-2020 годы
Как видно из рисунка 8, основное внимание уделяется ИОФ на квантовых точках (КТ), что во многом обусловлено широким спектром применений КТ и доступности КТ для исследований. Если проанализировать отдельно общее количество статей по КТ, то их будет значительно больше, чем публикаций по ИОФ. Значительные успехи в области технологии получения КТ привели к снижению их стоимости, что также повлияло на увеличение научных групп, занимающихся исследованием КТ.
Внимательный анализ ряда работ по КТ показал, что, часто, авторы заняты исследованием различных характеристик КТ, но указывают в ключевых словах ИОФ, как возможное практическое применение результатов своих исследований, что несколько завышает вклад данного направление в разработку реальных устройств ИОФ. В подтверждение этого тезиса можно заметить, что из представленных на рынке коммерческих ИОФ, нам удалось найти лишь два, которые работают на платформе КТ, все остальные использовали различные нелинейные эффекты в кристаллах, в основном СПР [9]. Примечательно, что доля публикаций в мире по ИОФ на нелинейных эффектах по сравнению с прошлыми периодами снизилась. Это связано во много со спецификой принятия публикаций к печати в научных изданиях, поскольку ИОФ на этом принципе уже достаточно исследованы и описаны, а для публикации в журнале требуется такой элемент, как научная новизна.
В тоже время ИОФ на нелинейных эффектах сегодня применяются, как инструмент, а не как предмет исследования, поэтому СПР авторы могут не указывать в ключевых словах. Технические характеристики коммерческого ИОФ на КТ представлены в таблице 3. Этот ИОФ является разработкой французской фирмы Quandela. Значительный интерес может представлять выявление авторов, внесших самый высокий вклад в исследования определенных платформ, на которых создается ИОФ, а также принадлежность этих к различным организациям. БД Скопус позволяет показать сразу до 15 авторов и организаций, которые опубликовали больше всего статей по ИОФ на заданном временном промежутке, либо выявить авторов с самым высоким уровнем цитирования на указанном временном отрезке.
Таблица 3
Технические характеристики ИОФ фирмы Quandela
Параметр Значение
Технология изготовления Квантовые точки
Длина волны генерации 925 +/-5 нм
Частота одиночных фотонов >24 МГц
0,
Интерференция Хонг-Оу-Манделя 0,94
Эффективность (яркость) 30%
Чистота генерации одиночных фотонов > 95%
Неразличимость фотонов >90%
Время жизни фотонов 250 (+/- 100) пс
Требуемая энергия импульса возбуждения 0.1 пДж (на импульс)
Требуемая рабочая температура 5-8 К
Вес 0,01 кг
Страна разработчик Франция
На рисунках 9 и 10 приведены диаграммы, отображающие, соответственно, вклад авторов и организаций с наибольшим числом работ.
К! и
Документы
Рис. 9. Распределение авторов с наибольшим количеством статей по тематике ИОФ, опубликованных за 2019-2021 годы
Chinese "wi J.'iii v of Sciences
University of Science and Technology ol'China CNftS Ccmrc National de la Kecherchc Scicnl fiqtic Ministry of tr1uc?u,in Chins Technical University о Г Berlin Jul i LiS'MexfmilietvS'Universital Wurvhnrg Technical I :' . of Denmark Snn Yat-Sen University L:.ivcn.;tc Paris-Sac lay National institute ol'Standards ind technology
о 5 10 13 2
Документы
Рис.10. Распределение организаций, сотрудники которых опубликовали наибольшее число статей за 2019-2021 годы
Изучение авторских коллективов, публикующих работы в области ИОФ на платформе КТ, выявило плотное взаимодействие между немецкими научными группами и китайскими. В частности, статьи, входящие в Топ 10 (по данным БД СКОИУС) по цитируемости, написаны совместно, т.е. в
авторском коллективе присутствуют ученые из КНР и Германии.
В ряде обзорных работ, особенно, после 2017 года отмечается высокий потенциал такой платформы для ИОФ, как УНТ [31, 32]. Однако, как видно из рисунка 86, работы по данному направлению практически не ведутся. Можно сделать предположение, что это связано с технологической сложностью, отсутствием квалифицированных кадров в необходимом количестве и недостаточным финансированием.
Однако это не означает, что УНТ являются неперспективными для квантовых технологий. Наоборот, высокий потенциал данной платформы проявляется при анализе наиболее цитируемых статей за последние два года после исключения работ по КТ. Публикации по УНТ входят в топ 10 самых цитируемых работ при анализе статей, посвященных ИОФ за периоды 2016-2020 и 2019-2021 годы. В отличие от многих других платформ для ИОФ, при использовании платформы на УНТ рассматриваются инициирование генерации одиночного фотона не только лазерным импульсом, но и электрическим импульсом, что может быть более технологичным решением при реализации всего устройства на одном чипе.
Следует отметить такую платформу для ИОФ, как КУ-центы в наноалмазе и центры окраски в ряде других нанок-ристаллов. В число первых 10 наиболее цитируемых работ по ИОФ на платформе наноалмазов, входят авторские коллективы из России. Инструменты анализа БД СКОИУС позволяют выделить авторов и их организации, сделавших наибольший вклад в публикационную активность по заданной тематике, что является полезным при планировании совместных проектов. В качестве примера на рисунке 11 приведена диаграмма, иллюстрирующая при содействии каких финансирующих организаций, опубликовано больше всего научных статей по тематике ИОФ. Видно, что в лидеры выбились организации и авторы, чью работу поддерживали фонды КНР.
il Natural ScieiKC f oundation of China Deutsche Forschungsgemeinschaft Horizon 2020 Framework Programme National Science Foundation European Research Council National Key Research and Development Pft>(r*iti of China F.urojwan Coinntisiion Japan Society for the Promotion of Science Ministry of bJuemio«, Culture. Spons. Science and Technology Engineering and Physical Sciences Research Council
Документы
Рис. 11. Распределение финансирующих организаций по числу исследований, выполненных при их содействии
Малый вклад на диаграмме, показанной на рис. 8 такой платформы, как одиночные атомы и ионы, обусловлен сложностью и громоздкостью установок для функционирования ИОФ на этой платформе. По нашему мнению, данная платформа для создания ИОФ, предназначенных для передачи информации в коммерческих системах КРК малопригодна, однако, при создании устройств квантовой памяти и
квантовых повторителей, она может иметь преимущества перед другими системами, поскольку в этих системах наиболее длительное время удается создавать запутанные состояния в системе атом-фотон [33]. Другое важное преимущество платформы ИОФ на одиночных атомах и ионах -возможность приготовления однофотонных состояний на длинах волны, соответствующих дальней ИК и даже радиочастотной области спектра [29, 33], что пока не доступно для других платформ.
В таблице 4 приведены характеристики ИОФ на основе наиболее цитируемых работ в данной тематике. Как видно из этой таблицы, характеристики ИОФ на разных платформах заметно отличаются и охватывают широкий спектральный диапазон.
Таблица 4
Характеристики ИОФ, созданные на различных платформах
В работах, посвященных ИОФ, обычно определяются такие характеристики источника, как его эффективность и качество генерируемых фотонов. Первое понятие - эффективность - характеризует вероятность того, что по запускаемому импульсу на выходе будет сгенерирован одиночный фотон. В англоязычной литературе часто используется понятие «brightness» (яркость), которое, как раз и характеризует эффективность генерации состояния поля с одним фотоном. Второе понятие - качество ИОФ - характеризует способность ИОФ генерировать именно однофотонные состояния и определяется с помощью эффекта антигруппировки в схеме Хэнбери-Брауна и Твисса [21, 38]. Количественно качество ИОФ характеризуются величиной антикорреляционного параметра второго порядка g2(0), который для идеального ИОФ должен быть равен 0, а для ряда классических источников света будет больше 1. В экспериментах на интерферометре Хэнбери-Брауна и Твисса величина g2(x) определяется по следующей формуле [37]:
g (r) n С)M«2 (t-)> ()
Здесь и - ¡С + соответственно, число счета фотонов первого детектора в момент времени 1 и число отсчетов второго детектора в интерферометре Хэнбери-Брауна и Твисса, зарегистрированных в момент времени t+ г. Угловые скобки обозначают усреднение. Чем меньше величина g(2)(0), тем более точно источник генерирует именно одно-фотонные состояния.
Анализ статей, посвященных повышению эффективности (яркости) ИОФ, выявил следующие технологии, применяемые для увеличения вероятности генерации одиночного фотона в заданном направлении. Основным методом для этого служило помещение одиночного излучателя в нанорезона-тор. В зависимости от используемой платформы технология создания такого резонатора варьируется, как и терминология.
В случае ИОФ на центрах окраски или КТ часто используют методы плазмоники и формируют наноантенны для получения узкой диаграммы направленности излучения ИОФ. Кроме того, для эффективного направления излучения от ИОФ могут применяться технологии формирования фотонных кристаллов [39]. Подробное описание и ссылки на оригинальные последние работы по увеличению эффективности ИОФ можно почерпнуть из обзоров [8,20].
При анализе наиболее цитируемых работ за последние пять лет также был выявлен значительный интерес к ИОФ. работающих на телекоммуникационных длинах волн [32, 34, 36-37, 41-42]. Данное обстоятельство, по нашему мнению, свидетельствует о переходе от стадии фундаментальных исследований к созданию ИОФ для коммерческих применений в телекоммуникационной индустрии. Значительные успехи, достигнутые в понимании нелинейных эффектов, возникающих в оптическом волокне при распространении классических информационных импульсов [44-49], и создание эффективных ИОФ на диапазон 1550-1565 нм позволит в ближайшем будущем создавать квантовые сети, способные обеспечить передачу большого потока данных с защитой от потенциального взлома с помощью квантовых компьютеров.
Заключение
В статье представлены результаты анализа потока научно-технической информации в области создания ИОФ для задач КРК. Показано, что инструменты анализа базы данных СКОПУС позволяют выявить динамику и основные тенденции в применяемых подходах для создания ИОФ. Определены наиболее перспективные платформы для разработки ИОФ для задач КРК. Установлено, что несмотря на то, что сегодня коммерчески доступны только ИОФ на КТ и нелинейных эффектах в кристаллах, авторитетные исследовательские коллективы возлагают большие надежды с ИОФ на платформе УНТ. Установлен значительный рост публикационной активности в области ИОФ, что, по-видимому, свидетельствует о значительном потенциале коммерческого использования ИОФ в КРК.
Выявлено значительное взаимопересечение трех направлений исследований: исследования ИОФ, КГСЧ и КРК, в которых за промежуток 2016-2020 год наблюдается экспоненциальный рост выданных патентов, что позволяет про-
Платформа Длина Эффек- Темпе- Макси- Корреля- Ссылка
и материал, волны, на тивность ратура, мальная ционная
из которого которой ИОФ, % при частота функция
изготовлен ИОФ излучает ИОФ которой работает ИОФ, К повторения импульсов ИОФ, Гц второго порядка, g2(0)
КТ 480- 84% 300 80 МГц 0.32 [40]
(¡пОаЛв/Оа 630нм
ЛБ)
КТ 1550 18.1% 5K 0.5ГГц 0.05 [41]
Фотонные
структуры: ¡пЛвЛпОа
Л^ЛпР
КТ 1530-1565 69.9 ± 10K 80МГц 0.038 ± [42]
¡пЛв на 3.6% 0.005
ОаЛв
субстратах
УНТ 1100-1600 нм 75% 220 К 293 К 100 МГц 0,01 [43]
гнозировать в ближайшие годы значительные инвестиции в область разработок и исследований ИОФ для КРК.
В заключение настоящего обзора следует отметить существование альтернативных подходов для реализации КРК. при которых не используют ИОФ [46]. В частности, хорошо известны нелинейные явления в волоконно-оптических средах, с которыми, обычно, борются [47, 49], но в последнее время предлагается использовать нелинейные свойства среды для создания солитонно-подобного импульса состоящего из перепутанных состояний поля [46, 48].
В работе [50] предлагается осуществлять КРК с помощью таких солитонов. Можно предположить, что подход [50] окажется более перспективным по сравнению с ИОФ при КРК в открытом пространстве, когда невозможно экранирование от внешней засветки, либо присутствуют значительные потери на линии связи [51]. Например, этот подход может использоваться при обеспечении передачи ключей, когда осуществляется оптическая подводная связь [52,53].
Литература
1. Dokuchaev V.A., Maklachkova V.V., Statev V.Y. Classification of personal data security threats in information systems // T-Comm-
Телекоммуникации и Транспорт. 2020. Т. 14. № 1, pp. 56-60. DOI 10.36724/2072-8735-2020-14-1-56-60
2. Рыжков A.B., Шварц М.Л. Предпосылки создания когерентной сети связи общего пользования-основы сквозных цифровых технологий // T-Comm-Телекоммуникации и Транспорт. 2021. Т. 15. № 7. С. 14-22.
3. Pavlov S.V., Dokuchaev V.A., Maklachkova V.V., Mytenkov S.S. Features of supporting decision making in modern enterprise infocommunication systems // T-Comm-Телекоммуникации и Транспорт. 2019. Т. 13. № 3, pp. 71-74. DOI 10.24411/2072-8735-201810252
4. Алешин B.C., Догаев С.Г. Задержки распространения сигналов в сетях спутниковой связи // T-Comm-Телекоммуникации и Транспорт. 2019. Т. 13. № 5. С. 4-11. DOI 10.24411/2072-8735-201810265
5. Федоров С.Е. Синтез оптического цифрового канала связи для автоматизированных систем управления // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. 2015. Т. 7. № 2. С. 48-52.
6. Бобров И.Б., Борщевская Н.А., Дьяконов И.В., Кон-ратьев И.В., Ковлаков Е.В. и др. Квантовая обработка информации: фундаментальные и прикладные аспекты // Вооружение и экономика. 2020. № 2. С. 33-47.
7. Hasanov M.H., Islamov I.J. Maharramzadeh M.R., Imanguliyev A.G. and etc. About a principle of the prevention of attacks in optical networks // T-Comm-Телекоммуникации и Транспорт. 2019. Т. 13. № 1, pp. 70-75. - DOI 10.24411/2072-8735-2018-10218
8. Eisaman M.D., Fan J., Migdall A., Polyakov S.V. Invited review article: Single-photon sources and detectors //Review of scientific instruments. 2011. T. 82. № 7. P. 071101. DOI:10.1063/1.3610677
9. Калачев A.A. Элементная база дальнодействующей квантовой связи. Часть 1 // Фотоника. 2017. № 1. С. 88-101. DOI: 10.22184/1993-7296.2017.61.1.88.98
10. Martin V., Brito J.P., Escribano C., Menchetti M., White C., Lord A. Quantum technologies in the telecommunications industry //
EPJ Quantum Technology. 2021. T. 8. № 1. P. 19. D0I:10.1140/epjqt/s40507-021-00108-9
11. Бирин Д.А. Квантовое распределение ключей в пассивной оптической сети // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2012. Т. 6. № 7. С. 27-29.
12. 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.
13. Goldenberg L., Vaidman L. Quantum Cryptography Based on Orthogonal States // Physical Review Letters. Vol. 75. 1995, pp. 12391243
14. Молотков C.H. Квантовая криптография и теоремы ВА Котельникова об одноразовых ключах и об отсчетах //Успехи физических наук. 2006. Т. 176. № 7. С. 777-788.
15. Meyer-Scott E., Silberhorn C., Migdall A. Single-photon sources: Approaching the ideal through multiplexing // Review of Scientific Instruments. 2020. T. 91. №. 4. P. 041101. D0I:10.1063/5.0003320
16. Хренников А.Ю. Введение в квантовую теорию информации. М.: Физматлит, 2017.
17. Балыгин К.А., Зайцев В.И. и др. Практическая квантовая криптография // Письма в Журнал экспериментальной и теоретической физики. 2017. Т. 105. №. 9. С. 570-576. D0I:10.7868/S0370274X17090119
18. Трушечкин А.С., Киктенко Е.О., Кронберг Д.А., Федоров А. К. Стойкость метода обманных состояний в квантовой криптографии //Успехи физических наук. 2021. Т. 191. № 1. С. 93-109. DOI: 10.3367/UFNr.2020.11.038882
19. Aharonovich I., Englund D., Toth M. Solid-state singlephoton emitters // Nature Photonics. 2016. T. 10. № 10, pp. 631-641. D0I:10.1038/nphoton.2016.186
20. Arakawa Y, Holmes M.J. Progress in quantum-dot single photon sources for quantum information technologies: A broad spectrum overview // Applied Physics Reviews. 2020. T. 7. № 2. P. 021309. D0I:10.1063/5.0010193
21. Скажи M.O., Зубайри M.C. Квантовая оптика: Пер. с англ. / Под ред. В.В. Самарцева. М.: Физматлит, 2003.
22. Клышко Д.Н. Когерентный распад фотонов в нелинейной среде // Письма в ЖЭТФ. 1967. Т. 6. №. 1. С. 490-492.
23. Kimble H.J., Dagenais M., Mandel L. Photon antibunching in resonance fluorescence // Physical Review Letters. 1977. T. 39. № 11. P. 691.
24. Slussarenko S., Weston M.M., ets. Unconditional violation of the shot-noise limit in photonic quantum metrology // Nature Photonics. 2017. T. 11. № 11, pp. 700-703.
25. Ono T., Okamoto R., Takeuchi S. An entanglement-enhanced microscope // Nature communications. 2013. T. 4. № 1, pp. 1-7.
26. Giustina M., Versteegh M., ets. Significant-loophole-free test of Bell's theorem with entangled photons // Physical review letters. 2015. T. 115. №. 25. P. 250401.
27. Дымкова C.C. Разработка информационной системы для продвижения результатов научных исследований // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2017. Т. 11. № 7. С. 38-41.
28. Буйлова Н.М., Осипов А.И. Наукометрический анализ публикаций по наноэнергетике по материалам выпуска РЖ ВИНИТИ РАН «Физика нанообъектов и нанотехнология» // Научно-техническая информация. Серия 1: Организация и методика информационной работы. 2012. № 11. С. 30-34.
29. Арбеков И.М., Молотков С.Н. Об экстракции квантовой случайности // Успехи физических наук. 2021. Т. 191. № 6. С. 651669. D0I: 10.3367/UFNr.2020.11.038890
30. Chen J.-P., Zhang C, ets. Sending-or-not-sending with independent lasers: secure twin-field quantum key distribution over 509 km // Physical Review Letters. 2020. № 124. P. 070501. DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.070501
31. Wilk T. Quantum Interface between an Atom and a Photon. Technische Universität München, 2008.
32. Cao X., Zopf M. Ding Telecom wavelength single photon sources // Journal of Semiconductors. 2019. T. 40. №. 7. P. 071901. DOI: 10.1088/1674-4926/40/7/071901
33. He X., Htoon H., ets. Carbon nanotubes as emerging quantumlight sources // Nature materials. 2018. T. 17. № 8, pp. 663-670. D0I:10.1038/s41563-018-0109-2
34. He X., Hartmann N.F., ets. Tunable room-temperature singlephoton emission at telecom wavelengths from sp 3 defects in carbon nanotubes // Nature Photonics. 2017. T. 11. №. 9, pp. 577-582. D0I:10.1038/nphoton.2017.119
35. Willis R.T., Becerra F.E., Orozco L.A., Rolston S.L. Correlated photon pairs generated from a warm atomic ensemble // Physical Review A. 2010. T. 8 . № 5. P. 05 D0I:10.1103/PHYSREVA.82.053842
36. Davidson O., Finkelstein R., Poem E., Firstenberg O. Multiplexed source of indistinguishable single photons with tunable GHz-bandwidth at room temperature // New Journal of Physics. V. 2021. D0I:10.1088/1367-2630/ac14ab
37. Agha I., Ates S., Davango M., Srinivasan K. A chip-scale, telecommunications-band frequency conversion interface for quantum emitters // Optics express. 2013. T. 21. № 18, pp. 21628-21638. DOI: 10.1364/0E.21.021628
38. Saleh B.E.A. Fundamentals of photonics, 3rd Edition. John Wiley & sons, 2019.
39. Могилевцев Д.С., Малоштан A.C., Игнатенко A.A., Ku-лин С.Я. Эффективный генератор одиночных фотонов, использующий перепутывание излучателя и поля в фотонном кристалле вблизи края провала //Оптика и спектроскопия. 2010. Т. 108. № 3. С. 460-467.
40. Hoang T.B., Akselrod G.M., Mikkelsen M.H. Ultrafast room-temperature single photon emission from quantum dots coupled to plasmonic nanocavities // Nano letters. 2016. T. 16. № 1, pp. 270-275. DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b03724
41. Wyborski P., Musial A., ets. InP-Substrate-Based Quantum Dashes on a DBR as Single-Photon Emitters at the Third Telecommunication Window // Materials. 2021. T. 14. № 4. P. 759. DOI: 10.3390/ma14040759
42. Zeuner K.D., Jöns K.D., ets. On-Demand Generation of Entangled Photon Pairs in the Telecom C-Band with InAs Quantum Dots //
ACS photonics. 2021. T. 8. № 8, pp. 2337-2344. DOI:10.1021/acsphotonics.1c00504
43. Ishii A., Uda T., Kato Y. K. Room-temperature single-photon emission from micrometer-long air-suspended carbon nanotubes // Physical Review Applied. 2017. T. 8. № 5. P. 054039.
44. Портнов Э.Л., Рабенандрасана Ж. Определение влияния фазовой самомодуляции и кросс-модуляции на передачу сигналов по оптическому волокну // T-Comm-Телекоммуникации и Транспорт. 2017. Т. 11. № 11. С. 80-83.
45. Portnov E.L., Rabenandrasana J. Analysis of the intrachannel nonlinear effects in optical fiber communication systems // T-Comm-Телекоммуникации и Транспорт. 2019. Т. 13. №. 1, pp. 66-69. DOI 10.24411/2072-8735-2018-10217
46. Konyukhov A.I., Mavrin P.A., Yadav S., Sobhanan A. Phasesensitive amplification in dispersion oscillating fibers // Laser Physics. 2021. T. 31. № 8. P. 085402. DOI:10.1088/1555-6611/ac0dc9
47. Портнов Э.Л., Рабенандрасана Ж. Совместное воздействие хроматической, поляризационной модовой дисперсий и фазовой самомодуляции на дисперсионную длину волокну // T-Comm-Телекоммуникации и Транспорт. 2019. Т. 13. №2. С. 31-35. DOI 10.24411/2072-8735-2018-10233.
48. Mazhirina Y.A., Melnikov L.A., ets. Parametric amplification in optical fibre with longitudinally varying dispersion //Quantum Electronics. 2021. T. 51. № 8. P. 692.
49. Портнов Э.Л., Рабенандрасана Ж. Влияние хроматической и поляризационной модовой дисперсий на дисперссионную длину под действием фазовой кросс-модуляции // T-Comm-Телекоммуникации и Транспорт. 2019. Т. 13. № 9. С. 17-21. DOI: 10.24411/2072-8735-2018-10305
50. Конюхов А.И., Щуркин Л.А. и др. К проблеме генерации и распознавания солитонных состояний волоконно-оптическими методами // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 2019. Т. 155. №. 3. С. 446-459.
51. Абрамова Е.С., Мышкин В.Ф., Хан В.А. Расчет интенсивности дождя, вызывающего срыв цифровой связи по атмосферному каналу // T-Comm-Телекоммуникации и Транспорт. 2019. Т. 13. № 6. С. 5-9. DOI: 10.24411/2072-8735-2018-10274
52. Shherbakov A.V., Petruhin G.D., Miroshnikova N.E., Titovets P.A. Estimation of underwater optical communication link operating distance // T-Comm. 2020. Vol. 14. No 3, pp. 54-60. DOI: 10.36724/2072-8735-2020-14-3-54-60
53. Zhao S., Li W., Shen Y., Yu Y. Experimental investigation of quantum key distribution over a water channel // Applied optics. 2019. T. 58. № 14, pp. 3902-3907. DOI:10.1364/AO.58.003902
ANALYSIS OF SINGLE PHOTON SOURCES WITH QUANTUM KEY DISTRIBUTION SYSTEMS DEVELOPMENT PROSPECTS
YURI B. MIRONOV
Moscow, Russia, i.b.mironov@mtuci.ru
SERGEY Yu.KAZANTSEV
Moscow, Russia, s.i.kazantsev@mtuci.ru
ROMAN A. SHAKHOVOY
Moscow, Russia, r.a.shakhovoi@mtuci.ru
OLEG V. KOLESNIKOV
Moscow, Russia, o.v.kolesnikov@mtuci.ru
LIUBOV S. MASHKOVTSEVA
Moscow, Russia, l.s.mashkovceva@mtuci.ru
ALEXANDER I. ZAITCEV
Moscow, Russia, a.zaitcev96@yandex.ru
ALEXANDER V. KOROBOV
Moscow, Russia, kavmc@mail.ru
KEYWORDS: single-photon sources, quantum key distribution, quantum telecommunications, scientometric analysis, quantum technologies.
ABSTRACT
Introduction: The analysis of the main directions of research in the field of creating sources of single photons for communication systems with quantum key distribution is carried out. Scientometric analysis based on Scopus database is used to identify the most promising areas and predict the trends in the field of single photon sources. Methods of single photon sources development and their applications in commercial communication systems with quantum key distribution is shown. At the time single photons sources based on quantum dots are the most developed and presented on the market. However, color centers in nanocrystals and carbon nanotubes are intensively studied. The prospects of creating compact and easy-to-use sources of single photons on telecommunication wavelengths
is analyzed. There are many ways of realization of single photon sources design. Significant funding in China and Germany leads to notable growth of the technology. It was detected the main journals, author groups and organizations working in direction of single photon sources. Methods and Results:: The research field of communication systems using sources of single photons is growing. It is available single photon sources on quantum dots and crystals. Applying of carbon nanotubes is promising for this problem according to some famous authors. It is revealed significant overlap of the research areas: single photon sources, quantum random number generators and quantum key distribution. At the time fundamental studies are implemented in technical devices with high potential for commercial applications.
REFERENCES
1. Dokuchaev V.A., Maklachkova V.V., Statev V.Yu. (2020). Classification of personal data security threats in information systems. T-Comm. Vol. 14, No.1, pp. 56-60. (In Rus)
2. Ryzhkov A.V., Schwartz M.L. (2021). Prerequisites for the creation of a coherent public communication network - the basis of end-to-end digital technologies. T-Comm. Vol. 15. No.7, pp. 14-22. (In Rus)
3. Pavlov S.V., Dokuchaev V.A., Maklachkova V.V., Mytenkov S.S. (2019). Features of supporting decision making in modern enterprise info-communication systems. T-Comm. Vol. 13. No.3, pp. 71-74. (In Rus)
4. Aleshin V.S., Dogaev S.G. (2019). Signals propagation delays in satellite communication networks. T-Comm. Vol. 13. No.5, pp. 4-11. (In Rus)
5. Fedorov S. (2015). Synthesis of the optical digital communication channel for automated control systems. H&ES Research. Vol. 7. No. 2, pp. 48-52.
6. Bobrov I. B. et al. (2020). Quantum information processing: fundamental and applied aspects. Vooruzhenie i jekonomika [Armament and economy]. 2020. No. 3, pp. 13-30. (In Rus)
7. Hasanov M. H. et al. (2019). About a principle of the prevention of attacks in optical networks. T-Comm. Vol. 13. No. 1, pp. 70-75. DOI 10.24411/2072-8735-2018-10218.
8. Eisaman M. D. et al. (2011). Invited review article: Single-photon sources and detectors. Review of scientific instruments. Vol. 82. No. 7, pp. 071101. D0I:10.1063/1.3610677
9. Kalachev A. A. (2017). The element base of long-range quantum
communication. Part 1. Fotonika [Photonics]. No. 1, pp. 88-101. DOI: 10.22184/1993-7296.2017.61.1.88.98
10. Martin V. et al. (2021). Quantum technologies in the telecommunications industry. EPJ Quantum Technology. Vol. 8. No. 1, pp. 19. DOI:10.1140/epjqt/s40507-021-00108-9
11. Birin D. A. (2012). Quantum key distribution in a passive optical network. T-Comm. Vol. 6 No. 7, pp. 27-29. (In Rus)
12. Bykovsky A.Y., Kompanets I.N. (2018). Quantum cryptography and combined schemes of quantum cryptography communication networks. Kvantovajajelektronika [Quantum Electronics]. Vol. 48. No 9, pp. 777-801.
13. Goldenberg L., Vaidman L. (1995). Quantum cryptography based on orthogonal states. Physical Review Letters. Vol. 75. No. 7, pp. 1239.
14. Molotkov S.N. (2006). Quantum cryptography and v a kotel'nikov's one-time key and sampling theorems. Uspehi fizicheskih nauk [Physics-Uspekhi]. Vol. 49. No 7, pp. 750-761.
15. Meyer-Scott E., Silberhorn C., Migdall A. (2020). Single-photon sources: Approaching the ideal through multiplexing. Review of Scientific Instruments. Vol. 91. No. 4, pp. 041101. DOI:10.1063/5.0003320
16. Pirandola S. et al. (2020). Advances in quantum cryptography. Advances in Optics and Photonics. Vol. 12. No. 4, pp. 1012-1236.
17. Balygin K.A. (2017). Practical Quantum Cryptography. Pis'ma v Zhurnal jeksperimental'noj i teoreticheskoj fiziki [Letters to the Journal of Experimental and Theoretical Physics]. Vol. 105. No. 9, pp. 570-576. (in Rus)
18. Trushechkin A.S., Kiktenko E.O., Kronberg D.A., Fedorov A.K. (2021). Security of the decoy state method for quantum key distribution.
Uspehi fizicheskih nauk [Physics-Uspekhi]. Vol. 64. No 1, pp. 88-102.
19. Aharonovich I., Englund D., Toth M. (2016). Solid-state single-photon emitters. Nature Photonics. Vol. 10. No. 10, pp. 631-641. D0l:10.1038/nphoton.2016.186
20. Arakawa Y., Holmes M.J. (2020). Progress in quantum-dot single photon sources for quantum information technologies: A broad spectrum overview. Applied Physics Reviews. Vol. 7. No. 2. P. 021309. D0I:10.1063/5.0010193
21. Skalli M.O., Zubajri M.S. (2003). Kvantovaja optika [Quantum optics]. Moscow: Fizmatlit. (in Rus)
22. Klyshko D.N. (1967). Coherent photon decay in a nonlinear medium. Pis'ma vZhJeTF[Letters to the JETP]. Vol. 6. No. 1, pp. 490-492. (In Rus)
23. Kimble H.J., Dagenais M., Mandel L. (1977). Photon antibunching in resonance fluorescence. Physical Review Letters. Vol. 39. No. 11, pp. 691.
24. Slussarenko S. et al. (2017). Unconditional violation of the shot-noise limit in photonic quantum metrology. Nature Photonics. Vol. 11. No. 11, pp. 700-703.
25. Ono T., Okamoto R., Takeuchi S. (2013). An entanglement-enhanced microscope. Nature communications. Vol. 4. No. 1, pp. 1-7.
26. Giustina M. et al. (2015). Significant-loophole-free test of Bell's theorem with entangled photons. Physical review letters. Vol. 115. No. 25. P 250401.
27. Dymkova S.S. (2017). Development of information system for promotion of scientific research results. T-Comm. Vol. 11. No.7, pp. 38-41. (in Rus)
28. Builova N.M., Osipov A.I. (2012). Scientometric analysis of publications in the area of nanoenergy based on the materials of the peer-reviewed journal of VINITI RAS Physics of Nanoobjects and Nanotechnology. Nauchno-tehnicheskaja informacija [Scientific and Technical Information Processing]. Vol. 39. No. 4, pp. 215-219.
29. Arbekov I.M., Molotkov S.N. (2021). Extraction of quantum randomness. Uspehi fizicheskih nauk [Physics-Uspekhi]. Vol. 64. No. 6, pp. 617. DOI: 10.3367/UFNr.2020.11.038890
30. Chen J. P. et al. (2020). Sending-or-not-sending with independent lasers: Secure twin-field quantum key distribution over 509 km. Physical review letters. Vol. 124. No. 7. P. 070501. DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.070501
31. Ripka F. et al. (2018). A room-temperature single-photon source based on strongly interacting Rydberg atoms. Science. Vol. 362. No. 6413, pp. 446-449.
32. Cao X., Zopf M., Ding F (2019). Telecom wavelength single photon sources. Journal of Semiconductors. Vol. 40. No. 7, pp. 071901. DOI: 10.1088/1674-4926/40/7/071901
33. He X. et al. (2018). Carbon nanotubes as emerging quantum-light sources. Nature materials. Vol. 17. No. 8, pp. 663-670. DOI:10.1038/s41563-018-0109-2
34. He X. et al. (2017). Tunable room-temperature single-photon emission at telecom wavelengths from sp 3 defects in carbon nanotubes. Nature Photonics. Vol. 11. No. 9, pp. 577-582. DOI:10.1038/nphoton.2017.119
35. Willis R.T et al. (2010). Correlated photon pairs generated from a warm atomic ensemble. Physical Review A. Vol. 82. No. 5. P. 053842. DOI:10.1103/PHYSREVA.82.053842
36. Davidson O. et al. (2021). Bright multiplexed source of indistinguishable single photons with tunable GHz-bandwidth at room temperature. arXiv preprint arXiv:2104.09337. DOI:10.1088/1367-2630/ac14ab
37. Agha I. et al. (2013). A chip-scale, telecommunications-band frequency conversion interface for quantum emitters. Optics express. Vol. 21. No. 18, pp. 21628-21638. DOI: 10.1364/OE.21.021628
38. Saleh B.E.A., Teich M.C. (2019). Fundamentals of photonics. john Wiley & sons.
39. Mogilevtsev D.S. et al. (2010). Efficient single-photon generator based on entanglement between the emitter and field in a photonic crystal near the band edge. Optics and Spectroscopy. Vol. 108. No. 3, pp. 425-432.
40. Hoang TB., Akselrod G.M., Mikkelsen M.H. (2016). Ultrafast room-temperature single photon emission from quantum dots coupled to plas-monic nanocavities. Nano letters. Vol. 16. No. 1, pp. 270-275. DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b03724.
41. Wyborski P. et al. (2021). InP-Substrate-Based Quantum Dashes on a DBR as Single-Photon Emitters at the Third Telecommunication Window. Materials. Vol. 14. No. 4. Pp. 759. DOI: 10.3390/ma14040759
42. Zeuner K. D. et al. (2021). On-Demand Generation of Entangled Photon Pairs in the Telecom C-Band with InAs Quantum Dots. ACS photonics. Vol. 8. No. 8, pp. 2337-2344. DOI:10.1021/acsphotonics.1c00504
43. Ishii A., Uda T., Kato Y.K. (2017). Room-temperature single-photon emission from micrometer-long air-suspended carbon nanotubes. Physical Review Applied. Vol. 8. No. 5, pp. 054039.
44. Portnov E.L., Rabenandrasana J. (2017). The influence of phase self-modulation and phase cross-modulation for the transmission of signals optical fiber. T-Comm. Vol. 11, No.11, pp. 80-83. (in Rus)
45. Portnov E.L., Jocelin R. (2019). Analysis of the intrachannel nonlinear effects in optical fiber communication systems. T-Comm. Vol. 13. No. 1, pp. 66-69. DOI 10.24411/2072-8735-2018-10217 (In Rus)
46. Konyukhov A.I. et al. (2021). Phase-sensitive amplification in dispersion oscillating fibers. Laser Physics. Vol. 31. No. 8. P. 085402. DOI:10.1088/1555-6611/ac0dc9
47. Portnov E.L., Rabenandrasana J. (2021). The combined effect of chromatic dispersion, polarization mode dispersion and phase self-modulation on the dispersion length. T-Comm. Vol. 13, No.2, pp. 31-35. (in Rus)
48. Mazhirina Y.A. et al. (2021). Parametric amplification in optical fibre with longitudinally varying dispersion. Quantum Electronics. Vol. 51. No. 8, pp. 692.
49. Portnov E.L., Rabenandrasana J. (2019). The effect of chromatic and polarization mode dispersions on the dispersion length under the influence of phase cross-modulation. T-Comm. Vol. 13. No.9, pp. 17-21. (in Rus)
50. Konyukhov A. I. et al. (2019). On the all-fiber optical methods of the generation and recognition of soliton states. Journal of Experimental and Theoretical Physics. Vol. 128. No. 3, pp. 384-395.
51. Abramova E.S., Myshkin V.F, Khan V.A. (2019). The calculation of the intensity of rain causing digital communication failure through the atmospheric channel. T-Comm. Vol. 13, No.6, pp. 5-9 (In Rus)
52. Shherbakov A. V. et al. (2020). Estimation of underwater optical communication link operating distance. T-Comm. 2020. Vol. 14. No. 3, pp. 54-60. (In Rus)
53. Zhao S. et al. (2019). Experimental investigation of quantum key distribution over a water channel. Applied optics. Vol. 58. No. 14, pp. 39023907. DOI:10.1364/AO.58.003902
INFORMATION ABOUT AUTHORS:
Mironov Y. B., PhD, Dean, Moscow Technical University of Communications and Informatics, Moscow, Russia, i.b.mironov@mtuci.ru
Kazantsev S. Y., PhD, Chief scientific officer, Moscow Technical University of Communications and Informatics, Moscow, Russia, s.i.kazantsev@mtuci.ru
Shakhovoy R. A., PhD, Senior lecturer, Moscow Technical University of Communications and Informatics, Moscow, Russia, r.a.shakhovoi@mtuci.ru
Kolesnikov O. V., PhD, Head of Department, Docent, Moscow Technical University of Communications and Informatics, Moscow, Russia, o.v.kolesnikov@mtuci.ru
Mashkovtseva L. S., PhD, Docent, Moscow Technical University of Communications and Informatics, Moscow, Russia, l.s.mashkovceva@mtuci.ru
Zaitcev A. I., postgraduate student, Moscow Technical University of Communications and Informatics, Moscow, Russia, a.zaitcev96@yandex.ru
Korobov A. V., postgraduate student, Moscow Technical University of Communications and Informatics, Moscow, Russia, kavmc@mail.ru
For citation: Mironov Y. B., Kazantsev S. Y., Shakhovoy R. A., Kolesnikov O. V., Mashkovtseva L. S., Zaitcev A. I., Korobov A. V. Analysis of single photon sources with quantum key distribution systems development prospects // H&ES Reserch. 2021. Vol. 13. No. No 6. P. 22-33. doi: 10.36724/2409-5419-2021-13-6-22-33 (In Rus)
