CC BY
63M. R. Bibarsov, A. N. Bokov
Military Academy of communication
D. D. Gabriel'yan, A. N. Novikov
Rostov high military institute of missile rockets
Optimal processing of wideband signals in adaptive array systems of radiocommunication, radionavigation and radiolocation
The optimal method of wideband signals processing under the conditions of radiointer-ference is considered. The analytic forms for optimal frequency dependence of weighting coefficients in accordance with criterion of maximum of signal-noise-interference ratio in frequency band are produced. Researches of the adaptive antenna arrays accepting a broadband useful signal and suppressing broadband interferences by an optimal method are carried out. The results of numeral patterning are presented.
Wideband signal, adaptive array, spatial processing, criterion of maximum of signal/(noise and interference) ratio, directional diagram, weighting coefficient
Статья поступила в редакцию 5 октября 2011 г.
УДК:681.3.067:621.396.2
Д. М. Голубчиков, К. Е. Румянцев
Технологический институт Южного федерального университета
в г. Таганроге
I Обобщенная структура систем квантового распределения ключей с фазовым кодированием состояний фотонов
Рассмотрены принципы функционирования систем квантового распределения ключей с фазовым кодированием состояний фотонов. На основе проведенного анализа существующих коммерческих систем предложена обобщенная структура систем квантового распределения ключей, позволяющая осуществлять сравнительный анализ характеристик систем и оценивать влияние параметров компонентов на показатели эффективности.
Квантовая криптография, распределение ключей, структура систем
От обсуждения достоинств и недостатков протоколов квантового распределения ключа (КРК) научный мир перешел к поиску структурных и схемотехнических решений, обеспечивающих увеличение дальности связи, повышение скорости формирования ключа и снижение влияния дестабилизирующих факторов [1], [2]. В этой связи актуальна разработка обобщенной структуры коммерческих систем КРК для сравнительного анализа их параметров.
Комплекс для передачи конфиденциальной информации с квантовым распределением ключа. Программно-аппаратный комплекс для передачи конфиденциальной информации с системами синхронизации и КРК представлен на рис. 1.
В приведенной схеме источник данных формирует цифровые сигналы, соответствующие определенному виду информации телекоммуникации (ГОСТ 22670-77). В шифраторе осуществляется криптографическая обработка (шифрование) параметров сигналов для защиты информации от несанкционированного доступа. Для дальнейшей передачи зашифрованных данных используется канал связи, представляющий совокупность технических средств (передатчика и приемника) и линии связи (среды распространения). Канал связи формирует маршрут передачи данных от источника до получателя [3]. 26 © Голубчиков Д. М., Румянцев К. Е., 2011
Рис. 1
В симметричной криптосистеме отправитель и получатель данных используют один и тот же секретный ключ, который требует периодического обновления одновременно у отправителя и получателя. В комплексе (рис. 1) эту функцию выполняет система КРК, которая состоит из двух станций, названных Алиса (Alice) и Боб (Bob). Станции имеют управляющие входы для синхронизации своей работы и контроля параметров и управления каналом связи.
Формирование секретных ключей происходит через линию связи, где передаются одиночные фотоны. В системах КРК применяют три вида кодирования квантовых состояний: поляризационное и фазовое кодирования, а также кодирование временными сдвигами. Линия КРК может представлять атмосферу или оптическое волокно (ОВ). Коммерческие системы КРК используют волоконно-оптическую линию связи (ВОЛС).
Каждая станция генерирует общий секретный ключ и распределяет его между законными пользователями. С помощью этого ключа производится шифрование данных источника и дешифрование данных для получателя.
Система синхронизации обеспечивает синхронизацию разнесенных в пространстве передатчика и приемника в канале связи, станций Алиса и Боб в системе КРК, а также шифратора и дешифратора. Точность прихода сигнала синхронизации колеблется в пределах десятков пикосекунд и сильно влияет на общие характеристики системы. Программное обеспечение системы управления и синхронизации формирует управляющие команды.
Описание коммерческих систем КРК. Первая презентация системы квантовой криптографии прошла на выставке CeBIT-2002, где инженеры компании GAP-Optique1 из Женевского университета представили систему QKD (Quantum key distribution system). Ученым удалось создать достаточно компактную и надежную систему, которая располагалась в двух блоках и могла работать без настройки сразу после подключения к персональному компьютеру. С ее помощью в 2002 г. установлена двухсторонняя волоконно-оптическая связь между Женевой и Лозанной (67 км) [4]. Источником фотонов служил инфракрасный лазер с длиной волны 1550 нм. Скорость передачи данных была невысока, поскольку для передачи ключа длиной от 27.9 до 117.6 Кбит большая скорость не требовалась.
В мире существует всего четыре компании, которым удалось выйти на рынок с коммерческими системами КРК.
1 www.gap-optique.unige.ch
Одной из первых свою систему id 500 Clavis начала предлагать швейцарская компания id Quantique (Швейцария) . Система состоит из двух станций, которыми управляют один или два компьютера. Программное обеспечение гарантирует квантовое распределение ключей в автоматическом режиме. Система поддерживает квантово-криптографичес-кие протоколы BB84 и SARG04. Формирование ключа возможно для квантовых каналов, протяженностью до 100 км. Система использует встроенный протокол просеивания ключа, коррекции ошибок и усиления секретности. Заявленная производителем скорость формирования ключей составила до 1500 бит/с.
Позднее компанией id Quantique выпущены усовершенствованные системы id 3000 Clavis, id 3100 Clavis23 и Cerberis4.
Компания MagiQ Technologies (США) предлагает системы QPN 5505 (2003 г.)5, QPN 75056 (2005 г.)
и QPN 85057. Компания Smart Quantum (Франция) предлагает линейку систем КРК . Отдельная система для распределения ключа носит название SQKey Generator (2005 г.). Интегрированные системы называются SQBox Defender и SQBox FibreShield.
К трем компаниям, работающим на рынке систем КРК, в 2009 г. присоединилась компания Quintessenc Labs Pty Ltd (Австралия), предлагающая систему
КРК для ВОЛС9. Система располагается в стойке, которая легко вписывается в сетевую инфраструктуру.
В настоящее время коммерческие системы КРК в основном нацелены на правительственные организации и корпорации с повышенными требованиями к безопасности. Однако уменьшение цены может сделать квантовую криптографию доступной для большого количества организаций в самое ближайшее время. Ожидается, что квантовая криптография может стать фактическим стандартом в межбанковской коммуникации уже через несколько лет10.
Принципы КРК с фазовым кодированием состояний фотонов. Коммерческие системы КРК, производимые компаниями и работающие через ВОЛС, кодируют информацию о битах ключа в фазовых состояниях фотонов. Это связано с тем, что нестабильность поляризации сильно затрудняет применение поляризационного кодирования состояний фотона.
Идея фазового кодирования состояний фотонов впервые упомянута Беннеттом [5]. На рис. 2 показан принцип фазового кодирования состояний фотона с помощью интерферометра [6].
2 Clavis. Plug & play quantum cryptography // id 3000. Specifications. id Quantique SA. Ver. 2.1 .January 2005. 2 p. // URL: http://www.idquantique.com
3 Quantum Cryptography. The key to future-proof confidentiality // id Quantique SA. Ver. 3.1. June 2008. 4 p. // URL: http://www.cryptodevice.com/pdf/idquantique/networksec.pdf
4 Cerberis. Specifications sheet // id Quantique SA. Ver. 3.0. January 2010. 2 p.
// URL: http://www.idquantique.com/images/stories/PDF/cerberis-encryptor/cerberis-specs.pdf
5 FIPS. Advanced encryption standard (AES) / National institute for standards and technology. Gaithersburg. USA, November 2001. (MD 20899-8900) // URL: http://csrc.nist.gov/publications/fips/fips197/fips-197.pdf
6 QPN 5505. Reference manual // MagiQ Technologies, Inc. November 2004. 50 p. // URL: http://www. magiqtech.com
7 QPN 8505 security gateway. Specifications sheet / MagiQ technologies, Inc. 2006.03. // URL: http://www.magiqtech.com/MagiQ/Products_files/8505_Data_Sheet.pdf
8 www.smartquantum.com
9 Aussie govt considers quantum leap in secure comms / QuintessenceLabs Pty Ltd.
// URL: http://www.computerworld.com.au/article/278658/aussie_govt_considers_quantum_leap_secure_comms/
10 http : //www.idquantique.com/news/swissquote. html 28
Отправитель Алиса Рис. 2
В протоколе BB84 приемник и передатчик создают систему, базирующуюся на интерферометрах Маха-Цендера. Отправитель определяет углы фазового сдвига, соответствующие логическому нулю (ФА = 0 или ФА = п/2) и единице (ФА = п или ФА = 3я/2), а приемник задает свои фазовые сдвиги для эквивалента вертикального базиса (ФБ = 0) и эквивалента диагонального базиса (ФБ = п/ 2).
В данном контексте изменение фазы на 2п с помощью оптического фазового модулятора соответствует изменению длины пути на одну длину волны используемого излучения.
Хотя фотоны ведут себя при фотодетектировании как частицы, они распространяются как волны. Вероятность того, что фотон, посланный отправителем, будет принят получателем, равна PD = cos2[(ФА-ФБ)/2] и определяется интерференцией волн, распространяющихся по верхнему и нижнему плечам интерферометра Маха-Цендера.
Вероятность регистрации будет меняться от единицы (при нулевой разности фаз) до нуля при условии, что оптические фазовые модуляторы отправителя (Алиса) и получателя (Боб) используют фазовые сдвиги ФА = 0, ФБ = 3п/2 для нулевых битов и ФА =п/2,
ФБ = п для единичных битов.
Получение квантовых состояний и последующий их анализ производится с помощью интерферометра, который может быть реализован на одномодовых элементах волоконной оптики. На рис. 3 показана волоконно-оптическая реализация интерферометра Маха-Цендера.
Интерферометр состоит из направленного волоконно-оптического ответвителя (НВОО) Y-типа, двух волоконно-оптических фазовых модуляторов (ВОФМ) и НВОО X-типа. В каждое плечо интерферометра включено по одному ВОФМ. В интерферометр можно ввести од-нофотонное оптическое излучение и регистрировать фотоны на выходах 3 и 4 НВОО X-типа.
НВОО Y-типа имеет три порта, причем входящее с порта 1 излучение делится между портами 2 и 3 в соответствии с заданным коэффициентом деления. НВОО Х-типа имеет четыре порта и предназначен для осуществления интерференции входных сигналов с портов 1 и 2 с передачей результатов интерференции к выходным портам 3 и 4.
ВОФМ выполнен на основе электрооптического кристалла ниобата лития. Принцип его действия основан на эффекте Керра. Модулятор позволяет внести фазовый сдвиг в сигнал.
Если длина когерентности однофотонного источника излучения (ОИИ) больше разности длин плеч интерферометра, то можно получить интерференционную картину.
Принимая во внимание фазовый сдвиг п/ 2, происходящий в НВОО Y-типа, действие ВОФМ ФА и ФБ и возможную разность длин плеч AL, среднее количество фотонов
N офд за время наблюдения тн на входе однофотонного детектора ОФД1, регистрирующего фотоны с нулевым значением битов, определяется формулой
N офд = N оии cos2 [(фа - фб + kaL )/2],
где N оии - среднее количество фотонов ОИИ за время наблюдения; k - волновое число.
При разности фаз п/2 + 2пп (п - целое число) на входе ОФД1, регистрирующего нулевые биты, образуется деструктивная интерференция. Поэтому количество фотонов, регистрируемых ОФД1, достигает минимума. В идеале все фотоны должны регистрироваться ОФД2.
Когда разность фаз составляет 3л/2 + 2пп, ситуация обратная. На входе ОФД1 наблюдается конструктивная интерференция, в то время как среднее количество фотонов на входе ОФД2 достигает минимума. В случае появления ошибки оптическое излучение может быть зарегистрировано на входах обоих ОФД.
Интерферометр Маха-Цендера вместе с ОИИ и двумя ОФД на основе однофотонных лавинных фотодиодов может быть использован в квантовой криптографии (рис. 4). Станция Алиса в таком случае содержит передающий оптический модуль (ПОМ) на основе лазерного диода, волоконно-оптический аттенюатор (ВОА), НВОО Y-типа и первый ВОФМ. Оптическое импульсное излучение ПОМ через ВОА в виде отдельных фотонов подается на вход (порт) 1 НВОО Y-типа [7].
Станция Боб состоит из второго ВОФМ, НВОО X-типа и двух ОЛФД на основе лавинных фотодиодов.
Рассмотрим применение к такой схеме протокола BB84 с четырьмя состояниями. Станция Алиса посредством первого ВОФМ может осуществлять один из четырех фазовых
Станция Алиса Станция Боб
Значение бита Фазовый сдвиг ФА Фазовый сдвиг ФБ Разность фаз ФА - ФБ Значение бита
0 0 0 0 0
0 0 п/ 2 3л/2 Не определено
1 п 0 п 1
1 п п/ 2 п/ 2 Не определено
0 V 2 0 V 2 Не определено
0 п/ 2 п/ 2 0 0
1 3п/ 2 0 3я/ 2 Не определено
1 3я/ 2 п/ 2 П 1
сдвигов (0, л/2, л, 3 л/2). Значению бита "0" соответствует фазовый сдвиг 0 и л/2, а значению бита "1" - сдвиг п и 3л/2. В свою очередь, станция Боб посредством второго ВОФМ производит выбор базиса в случайном порядке, сдвигая фазу на 0 или л/ 2. Фотону, пришедшему на ОФД, присваивается значение бита "0", а фотону, принятому вторым счетчиком, - значение бита "1".
Если разность фаз равна 0 или п, то в станциях Алиса и Боб используются совместимые базисы и пользователи получают однозначно определенные значения битов. В таких случаях станция Алиса может определить, в какой из ОФД станции Боб попадет фотон, и, следовательно, она может определить значение бита. Со своей стороны станция Боб может определить, какая фаза выбрана станцией Алиса при передаче фотона. В случае, когда разность фаз принимает значение л/2 или 3л/2, стороны используют несовместимые базисы и фотон случайным образом попадает на один из ОФД станции Боб.
Все возможные комбинации фазовых состояний протокола ВВ84 приведены в таблице.
В системе крайне важно сохранять стабильной разность длин плеч интерферометра в течение сеанса передачи ключа. Эта разность не должна изменяться более чем на долю длины волны оптического излучения. Изменения длины одного из плеч приведут к дрейфу фазы и выразятся в ошибках в передаваемом ключе. Несмотря на то, что данная схема прекрасно работает в лабораторных условиях, на практике не представляется возможным сохранение длин плеч в случае, когда пользователи разнесены друг от друга более чем на несколько метров.
В [5] Ч. Беннетт показал, как обойти эту проблему, предложив использовать два несбалансированных интерферометра Маха-Цендера, соединенных последовательно посредством ВОЛС (рис. 5). В этом варианте отправитель и получатель имеют идентичные неравно-плечные интерферометры Маха-Цендера. Разность фаз длинного и короткого путей много
больше длительности импульса излучения. По этой причине интерференции в пределах малых интерферометров (в частности, на выходе станции отправителя Алиса) не происходит. Но на выходе интерферометра получателя она возможна. Вероятность того, что амплитуды фотонных импульсов сложатся (центральный пик выходного сигнала интерферометра станции Боб) равна Pd = 0.125 [1 + cos (Фд - ФБ)], однако и в этом случае амплитуда сигнала в четыре раза меньше, чем в схеме по рис. 2.
Делители излучения (полупрозрачные зеркала) могут быть реализованы в ВОЛС в виде НВО. Практические измерения для ОВ длиной 14 км показали эффективность генерации бита ключа на уровне 0.22 % при частоте ошибок (BER) около 1.2 %.
В коммерческих решениях применяется более сложная схема кодирования фазовых состояний фотонов, включающая распределенный интерферометр с автоматической компенсацией поляризационных искажений, возникающих при прохождении сигнала через ВОЛС11. Компенсация искажений необходима для наблюдения четкой интерференционной картины при регистрации одиночных фотонов.
Структуры коммерческих систем КРК. Схема систем КРК с автоматической компенсацией поляризационных искажений является единственной вышедшей на рынок систем КРК [8]. Биты ключа кодируются с помощью фазовых состояний фотонов двух импульсов, распространяющихся от одной станции к другой и обратно.
Первая система, построенная по этому принципу, называлась id Clavis и выпускалась фирмой id Quantique с 2003 г. Система состоит из двух станций, размещенных в двух корпусах, и пакета программного обеспечения для их управления [4]. Первая станция, прие-мо-передающая, имеет кодовое название QKDS-B, или Bob. Вторая станция QKDS-A, или Alice, кодирующая и не содержит приемопередающей аппаратуры. От станции Боб к
станции Алиса распространяются оптические импульсы, а от станции Алиса к станции
12
Боб - фотонные импульсы .
Анализ структуры системы квантового распределения ключей [8], [9] проведем на примере коммерческой системы id 3000 Clavis компании id Quantique.
Приемопередающая станция Боб системы id 3000 Clavis (рис. 6) предназначена для формирования оптических импульсов, приема и обработки закодированных квантовых состояний фотонов. В состав станции входят передающий оптический модуль (ПОМ), волоконно-оптический циркулятор (ВОЦ), два приемных оптических модуля (ПрОМ), НВОО X-типа, ВОЛЗ, ВОФМ и волоконно-оптический поляризационный ответвитель (ВОПО). ОВ, сохраняющее поляризацию оптического излучения, соединяет перечисленные функциональные блоки.
ВОЦ является пассивным оптическим элементом, не имеет электрических управляющих входов и имеет три порта, каждый из которых может быть как входом, так и выходом. Прин-
11 Голубчиков Д. М., Румянцев К. Е. Квантовая криптография: принципы, протоколы, системы // Всероссийский конкурсный отбор обзорно-аналитических статей по приоритетному направлению "Информационно-телекоммуникационные системы". 2008. 37 с. // URL: http://www.ict.edu.ru/ft/005712/68358e2-st14.pdf
12 Под оптическим импульсом понимается импульс лазера со средним числом фотонов ц ^ 1, под фотонным -
импульс, содержащий счетное число фотонов (в системах КРК, как правило, р < 1).
Рис. 6
цип работы основан на переносе энергии излучения с порта 1 к ближайшему по часовой стрелке порту 3. Энергия с порта 3 передается на порт 2. Передача в обратном направлении - от порта 3 к порту 1 и от порта 2 к порту 3 - исключается за счет большого затухания излучения.
Станция Алиса системы ¡ё 3000 С1ау1Б (рис. 7) предназначена для кодирования фазовых состояний фотонов. В состав кодирующего блока входят НВОО У-типа с коэффициентом деления излучения 1:9 от порта 1 к портам 2 и 3 соответственно, два перестраиваемых волоконно-оптических аттенюатора (ПВОА), ВОЛЗ, ВОФМ, зеркало Фарадея (ЗФ) и ОВ, связывающее все перечисленные элементы.
Мощный лазерный импульс с длиной волны 1550 нм излучается ПОМ на станции Боб, проходит НВО Х-типа с коэффициентом деления излучения 50/50 от порта 1 к портам 2 и 3 соответственно (рис. 6). Таким образом, в НВО Х-типа лазерный импульс разделяется на два оптических импульса.
Поляризация оптического импульса с порта 3 НВО Х-типа в ОВ по пути к порту 1 ВОПО изменяется на п/ 2, т. е. на ортогональную.
Лазерный импульс с порта 2 НВОО Х-типа через ВОЛЗ и ВОФМ попадает на порт 2 ВОПО. В результате распространения по двум разным оптическим путям второй импульс
задержан относительного первого на 50 нс.
Сигналы, распространяющиеся по разным плечам интерферометра, поляризованы ортогонально, что обеспечено технологическим приемом, используемым при изготовлении системы КРК: при сварке в коротком плече интерферометра "быстрые" оси волокон двух плеч повернуты на угол 90° друг относительно друга.
ВОПО является пассивным элементом. Поскольку ортогонально поляризованные импульсы с портов 1 и 2 ВОПО выводятся на один и тот же порт 3, то ВОПО представляет собой поляризационный мультиплексор, выход которого служит выходом приемопередающей станции Боб.
Импульсы проходят к станции Алиса через ВОЛС и отражаются от ЗФ (см. рис. 7). ЗФ представляет собой вращатель с фиксированным углом поворота поляризации на 90°. Таким образом, отраженные от ЗФ импульсы не только ортогонально поляризованы относительно друг друга, но и ортогонально поляризованы относительно первичных импульсов на входе ЗФ. Отраженные от ЗФ импульсы ослабляются в ПВОА1 и следуют обратно к станции Боб.
Оба теперь уже фотонных импульса по очереди проходят ВОПО приемопередающей станции (см. рис. 6). Поскольку эти импульсы поляризованы ортогонально относительно своих первичных направлений, они попадают в плечо, по которому не распространялись при прямом прохождении. При этом ВОПО выступает в роли поляризационного демультиплексора.
Фотонные импульсы попадают на НВОО Х-типа одновременно и интерферируют. Результат интерференции регистрируется ПрОМ1 или ПрОМ2. Так как оба импульса проходят один и тот же оптический путь, то такой интерферометр автоматически компенсирует поляризационные искажения.
Для реализации протокола ВВ84 на станции Алиса второй импульс сдвигается по фазе на одно из случайно выбранных значений из ряда 0, п/2, п, 3п/2, а на станции Боб выбирается базис измерения посредствам фазового сдвига первого импульса на 0 или п/ 2 при его обратном распространении.
В станции Боб совмещены функции передатчика и приемника, а функция кодирования квантового состояния фазы фотона возложена на ВОФМ станции Алиса. Таким образом, изображенная на рис. 7 схема является схемой станции Алиса в классической интерпретации протокола ВВ84.
На основе КРК по технологии р1и§&р1ау с автоматической компенсацией поляризационных искажений в 2005 г. создана коммерческая система ¡ё УесйБ.
Приемопередающая станция системы QPN 5505 отличается от рассмотренной станции системы ¡ё 3000 С1ау1Б лишь наличием ПВОА в цепи подключения ПОМ к порту 1 ВОЦ.
Наряду с этим в структуре кодирующей станции системы QPN 5505 имеются сущест-
Импульс управления фазой
венные отличия от системы id 3100 Clavis (рис. 7). В состав кодирующей станции (рис. 8) входят блок регулировки мощности оптического излучения (или формирования фотонного импульса), блок кодирования фазового состояния фотона, блок распределенного волоконно-оптического интерферометра. Все блоки соединены между собой посредством ОВ.
В системе id 3100 Qavis для синхронизации используются оптические импульсы, проходящие по ВОЛС при распространении от станции Боб к станции Алиса. В кодирующей станции системы QPN 5505 блок синхронизации отсутствует, поскольку синхронизация осуществляется дополнительным приемопередающим модулем по дополнительной линии связи. В результате для функционирования системы id 3100 Clavis достаточно одной ВОЛС, а для системы QPN 5505 необходима дополнительная ВОЛС для синхронизации и передачи данных.
Обобщенная структура системы КРК. Проведенный анализ коммерческих систем id 3100 Clavis и QPN 5505 позволил выделить блоки, применяемые в обоих станциях: блок формирования оптических импульсов, блок распределенного волоконно-оптического интерферометра, блок выбора базиса детектирования, блок регистрации фотонных импульсов, блок регулировки мощности оптического излучения, блок кодирования состояния фотона и блок синхронизации.
На основании проведенного анализа предложена обобщенная структура системы КРК с фазовым кодированием фотонов (рис. 9).
Приемопередающая станция Боб системы предназначена для формирования оптических импульсов, приема и обработки закодированных квантовых состояний фотонов. В ее
к к и
й §
м о а
к
и
К «
л
«
о
и н и
к
и
Я
и
Ч §
£
Л
ч £
о «
3
о &
«
и ч
о
Управление фазовым сдвигом
Контроль параметров ПОМ
2
ПОМ
Регулировка уровня ослабления
ВОЛЗ-Б
1
ВОФМ-Б
ПВОА-Б
/
ВОЦ
^ _1
НВОО Х-типа
1 Управление параметрами ПОМ
Регистрация бита "0"
Г Л
Вращатель поляризации
I
ПВО М/Д
ПрОМ-Б1
Электронный импульс опроса ^
ПрОМ-Б2
X
Регистрация бита "1"
Станция Боб
О.
ВОЛС
Регулировка
уровня ослабления
НВОО 2
Y-типа
а
Регулировка уровня ослабления
ПВОА-А1
ВОЛЗ-А
ВОФМ-А
ЗФ
ПВОА-А2
ПрОМ-А
Управление фазовым сдвигом
Станция Алиса
3
3
1
Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2011. Вып. 6======================================
состав входят ПОМ, ВОЦ, два ПрОМ (ПрОМ-Б1 и ПрОМ-Б2), НВОО X-типа, ВОЛЗ (ВОЛЗ-Б), вращатель поляризации на 90°, ВОФМ (ВОФМ-Б), поляризационный волоконно-оптический мультиплексор-демультиплексор (ПВО М/Д). Соединяет функциональные блоки ОВ, сохраняющие поляризацию оптического излучения.
ПОМ содержит лазерный источник излучения и предназначен для формирования когерентного оптического излучения с длиной волны 1550 нм и шириной спектра, не превышающей 0.6 нм (оптический выход 2). Работа источника излучения основана на принципе распределенной обратной связи, за счет которой удается достичь узкого спектра излучения. Малая ширина спектра позволяет излучать сигнал с высокой временной когерентностью, что повышает дальность передачи и снижает влияние дисперсионных искажений. В ПОМ также может встраиваться фотодиод для непосредственного измерения мощности излучения лазера (выход 1). Модуль электронного управления позволяет регулировать мощность источника излучения и длительность излучаемых лазером импульсов (выход 2).
Электронно-управляемый ПВОА имеет широкий диапазон ослабления излучения 1.5...50 дБ. Приложение напряжения к управляющему входу ПВОА позволяет предотвратить съем оптических импульсов и ослабить отраженное от зеркала Фарадея излучение до уровня фотонного сигнала.
ПрОМ-Б1 и ПрОМ-Б2 предназначены для приема слабых оптических сигналов. Конструкция модулей довольно сложна и имеет множество управляющих входов, через которые подается напряжение смещения, регулировка времени нечувствительности (dead time), задается время ожидания сигнала и прочие. Модуль включает однофотонный лавинный фотодиод, работающий в режиме Гейгера, устройства охлаждения, усиления и управления.
Для охлаждения однофотонного лавинного фотодиода используется элемент Пельтье. Дрейф температуры не должен превышать 0.1 °С, поскольку больший перепад температуры существенно влияет на частоту темнового счета, возникающего при работе фотодиода.
Устройство усиления предназначено для усиления отклика однофотонного лавинного фотодиода на прием фотона (однофотонного импульса).
Устройство управления выполняет анализ полученных с однофотонного лавинного фотодиода сигналов, контроль и регулирование амплитуды, длительности и момента подачи напряжения смещения. В большинстве схем применен метод вольтодобавки, при котором на управляющем входе однофотонного лавинного фотодиода напряжение смещения действует постоянно, но на уровне немного ниже напряжения пробоя. Использование вольтодобавки позволяет снизить время переходных процессов при подаче напряжения смещения, необходимого для регистрации однофотонного импульса.
При прямом распространении оптический импульс, сгенерированный в ПОМ, поступает на порт 1 НВОО Х-типа, где энергия распределяется поровну между портами 2 и 3. При возвращении фотонного сигнала от станции Алиса в НВОО Х-типа две пришедшие волны интерферируют, а затем направляются на один из портов 1 или 2, ведущих к ПрОМ-Б1 или ПрОМ-Б2 соответственно.
======================================Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2011. Вып. 6
ВОЛЗ-Б представляет отрезок ОВ, сохраняющего поляризацию, и предназначается для внесения временной задержки между двумя сигналами, идущими по разным оптическим плечам интерферометра.
ВОФМ-Б позволяет внести фазовый сдвиг в сигнал, проходящий по длинному плечу при обратном распространении сигнала. Диапазон изменений фазы составляет 0... 2п.
Фотонные сигналы, поступающие от станции Алиса на порт 3 ПВО М/Д, перенаправляются в плечи интерферометра, противоположные плечам, по которым они поступили при прямом распространении, поскольку оптическое излучение меняет свою поляризацию на ортогональную на ЗФ станции Алиса. Сигналы, распространяющиеся по разным плечам интерферометра, поляризованы ортогонально ввиду включения вращателя поляризации на 90°.
Оптические импульсы, приходящие на порты 1 и 2 пассивного ПВО М/Д, направляются в порт 3, который является выходом приемопередающего блока станции Боб.
Кодирующая станция Алиса (см. рис. 9) предназначена для кодирования фазовых состояний фотонов. В ее состав входят НВОО У-типа, два ПВОА (ПВОА-А1 и ПВОА-А2), ВОЛЗ (ВОЛЗ-А), ВОФМ (ВОФМ-А), ПрОМ (ПрОМ-А), ЗФ и ОВ, связывающее все перечисленные элементы.
НВОО У-типа предназначен для разделения энергии оптического сигнала. Импульс, прошедший ВОЛС, попадает на порт 1 НВОО У-типа, где разделяется на два импульса с отношением энергий 1:9. Через порты 2 и 3 импульсы направляются к ПВОА-А1 (90 % энергии оптического импульса, принятой станцией Алиса) и ПВОА-А2 (оставшиеся 10 % энергии).
Электронно управляемые ПВОА-А1 и ПВОА-А2 имеют диапазон ослабления излучения до 50 дБ. Приложение напряжения к управляющему входу ПВОА предотвращает повреждение оптических компонентов при попытках введения мощных оптических импульсов (импульсная атака) или из-за недостаточного ослабления энергии импульса при слишком малой протяженности ВОЛС, а также для ослабления отраженного от ЗФ излучения до уровня фотонного сигнала.
В станции Алиса ПрОМ-А выполняет две функции:
• синхронизацию тактовых генераторов с моментом прихода импульса для последующей выдачи электроникой управляющего сигнала на ВОФМ-А;
• мониторинг уровня приходящих сигналов с целью определения воздействия на канал злоумышленника.
Линия ВОЛЗ-А представляет собой отрезок ОВ длиной 10...12 км и предназначена для предотвращения ложного срабатывания однофотонного лавинного фотодиода в ПрОМ из-за обратного отражения излучения от элементов узла кодирования, установленных между портом 2 НВОО У-типа и ЗФ.
Фазовый модулятор ВОФМ-А вносит фазовый сдвиг только для второго импульса последовательности, задержанного относительно первого при обратном распространении сигнала. Конструктивно ВОФМ-А идентичен модулятору, применяемому в станции Боб.
Для реализации протокола ВВ84 на ВОФМ-А используются следующие значения сдвига фазы:
• бит "0" в линейном базисе кодируется нулевым сдвигом фазы;
• бит "1" в линейном базисе кодируется сдвигом фазы на п;
• бит "0" в диагональном базисе кодируется сдвигом фазы на п/ 2;
• бит "1" в диагональном базисе кодируется сдвигом фазы на 3п/ 2.
После отражения от ЗФ фотонные импульсы через порт 2 НВОО Y-типа поступают в обратном направлении в ВОЛС к станции Боб.
Синхронизация в QPN обеспечивается с помощью дополнительного узла синхронизации и мониторинга. Относительно системы КРК узел является внешним, хотя и смонтирован на единой плате управления. В id 3000 Clavis для синхронизации используются оптические импульсы при прямом распространении от станции Боб к станции Алиса.
Разработанная обобщенная структура системы КРК с фазовым кодированием фотонов включает все модули, оказывающие непосредственное влияние на процесс распространения и обработки квантовых состояний, имеющиеся в четырех рассмотренных коммерческих системах.
Исключив из обобщенной структуры системы КРК НВОО Y-типа, ВОЛЗ-А, ПВОА-А2 и ПрОМ-А, получаем структуру системы MagiQ QPN 5505. Для получения структуры системы id 3100 Clavis достаточно исключить из обобщенной структуры ПВОА-Б.
Обобщенная структура позволит оценивать влияние параметров компонентов на процесс распространения сигнала в системах КРК.
Список литературы
1. Квантовая криптография: идеи и практика / Под ред. С. Я. Килина, Д. Б. Хорошко, А. П. Низовцева. Минск: Беларуская навука, 2008. 392 с.
2. Румянцев К. Е. Квантовая коммуникация: теория, эксперименты, приложения // Информационно-телекоммуникационные и компьютерные технологии, устройства и системы в Южном федеральном университете / Под ред. И. А. Каляева, А. П. Кухаренко. Ростов н/Д: Изд-во ЮФУ, 2010. С. 213-247.
3. Котенко В. В., Румянцев К. Е. Теория информации и защита телекоммуникаций. Ростов н/Д: Изд-во ЮФУ, 2009. 369 с.
4. Quantum key distribution over 67 km with a plug&play system / D. Stucki, N. Gisin, O. Guinnard et al. // New J. of Physics. 2002. № 4. P. 41.1-41.8.
5. Bennett C. Quantum cryptography using any two non-orthogonal states // Phys. Rev. Lett. 1992. № 68. P. 3121-3124.
6. Martinelli M. A universal compensator for polarization changes induced by birefringence on a retracting beam // Opt. Commun. 1989. № 72. P. 341-344.
7. Fast and user-friendly quantum key distribution / G. Ribordy, J.-D. Gautier, N. Gisin et al. // J. of modern optics. 2000. № 47. P. 517-531.
8. Голубчиков Д. М. Структура и принципы функционирования системы квантового распределения ключа Id 3000 Clavis // Безопасность телекоммуникационных систем. Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2008.
C. 149-157. (Изв. ЮФУ. Технические науки. № 3 (80)).
9. Голубчиков Д. М., Розова Я. С. Исследование принципов функционирования систем квантового распределения ключей на примере Id 3000 Clavis // Безопасность телекоммуникационных систем. Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2008. С. 158-167. (Изв. ЮФУ. Технические науки. № 3 (80)).
D. M. Golubchikov, K. E. Rumiantsev
Taganrog institute of technology of Southern federal university
Generalized structure of quantum key distribution system with phase coding of photon state
The functional principles of quantum keys distribution (QKD) systems with phase coding of photon state are considered. The generalized structure based on analysis of commercial QKD systems is proposed. The generalized structure is used for comparative analysis of com-
======================================Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2011. Вып. 6
plex QKD systems characteristics and estimation of influence the optical components characteristics on efficiency index of QKD systems.
Quantum cryptography, keys distribution, system structure
Статья поступила в редакцию 30 марта 2011 г.
