Образец системы квантового распределения ключей на непрерывных переменных с использованием балансного детектора

Цель - исследовать возможность снижения стоимости систем КРК за счет отказа от детекторов одиночных фотонов и использования более экономичных балансных детекторов при работе с мощными (неослабленными) оптическими сигналами. В рамках исследования оценивалась возможность применения такого подхода для городских сетей, где востребованы передача квантовых ключей на малые дистанции и массовое подключение абонентов. 

В классических системах КРК широко применяются оптические импульсы с малым и средним числом фотонов, формируемые путем ослабления лазерного излучения (порядка 0,3 фотона на импульс) – протокол на дискретных переменных. Это требует применения дорогостоящих компонентов - детекторов одиночных фотонов и высокоточных лазеров, что повышает себестоимость устройств и ограничивает их коммерческое использование в городских сетях. 

Кроме того, для обмена квантовыми ключами, созданными по такой технологии, необходимо выделенное оптическое волокно. Это влечет дополнительные издержки и усложняет внедрение технологии в существующие телекоммуникационные сети.

В проекте рассматривалась схема работы с более мощным оптическим излучением, когда в каждом импульсе содержится существенно большее число фотонов. При таких условиях кодирование информации выполняется не на уровне регистрации отдельных квантов, а за счет управления непрерывными параметрами потока фотонов. Это позволяет использовать оптический сигнал как носитель данных без его экстремального ослабления. 

По результатам лабораторных экспериментов система на непрерывных переменных устойчиво работала при потерях порядка 7–8 дБ. Это соответствует дистанции около 20 км. Такое расстояние является достаточным для городских сетей, где ключевым преимуществом становится как раз снижение стоимости оборудования.

Блок-схема

Переход к системам с непрерывными переменными позволит отказаться от сверхчувствительных и относительно дорогостоящих детекторов за счет использования вместо них балансных детекторов и более мощного оптического излучения. Это сделает технологию более доступной для «последней мили» — коротких участков квантовых сетей в городской среде и для организации локальных соединений.

Дополнительным преимуществом является возможность мультиплексирования с применением оптических коммутаторов. Это обеспечивает оператору большую гибкость при подключении абонентов в системах КРК с непрерывными переменными, поскольку используемые сигналы имеют более высокий уровень мощности и не требуют индивидуальной настройки приемных детекторов под параметры конкретного лазерного источника.

В результате: внедрение технологии позволяет повысить масштабируемость систем КРК в сетевой инфраструктуре, увеличить скорость генерации квантовых ключей и упростить приемный модуль за счет использования балансного детектора и стандартного телекоммуникационного оборудования.

В мировом контексте разработка систем КРК на непрерывных переменных с использованием балансной детекции развивается как практико-ориентированное направление, нацеленное на снижение стоимости оборудования и адаптацию технологии к городской телекоммуникационной инфраструктуре.

Научно-исследовательские работы по проекту завершены. Регулятор допускает возможность применения данного протокола при разработке средств криптографической защиты информации.