Введение к работе
Актуальность темы.
Технология квантовой коммуникации - одна из новых технологий передачи и обработки информации, которая обеспечивает возможность передачи квантовых состояний в распределенных квантовых информационных системах и может быть использована для обеспечения безопасности передачи данных.
В магистральных квантовых сетях для реализации «последней мили» между узлом оператора связи и клиентским оконечным оборудованием удобно использовать атмосферную линию квантовой связи в тех случаях, когда эти объекты находятся в прямой видимости друг от друга [1]. Подавляющее большинство систем квантовой коммуникации по атмосферному каналу связи, на сегодняшний день работают с использованием протоколов, основанных на кодировании поляризационных состояний фотонов. Однако для этого класса систем пока остаётся актуальным решение ряда научно-технических задач , ограничивающих их применение. Во-первых, системы квантовой коммуникации с поляризационным кодированием не обеспечивают инвариантность к ориентации в пространстве приемо-передающих телескопических устройств, применяемых для организации атмосферного канала связи. Во-вторых, из-за дисперсионных эффектов в стандартных оптических волокнах такие системы невозможно использовать в волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС), которые удобно применять для организации «магистральной» квантовой коммуникации между удаленными узлами операторов связи. Таким образом, актуальной остаётся задача исследования новых методов передачи квантовых состояний по атмосферным каналам.
Системы квантовой коммуникации на боковых частотах используют оригинальный подход к генерации и фазовому кодированию квантовых состояний, использование которого позволит избежать проблем, возникающих для систем с поляризационным кодированием. Данный метод уже успешно используется для организации квантовых волоконно-оптических сетей, однако для использования в атмосферных линиях связи до настоящего времени не применялся.
Цель работы
Разработка методов организации атмосферного канала связи для передачи квантовых битовых последовательностей на боковых частотах лазерного фазомодулированного излучения.
Задачи работы
Разработать математическую модель, описывающую передачу кван-
товых состояний на боковых частотах лазерного фазомодулирован-ного излучения через атмосферный канал связи;
Оценить влияние ограничивающих факторов в атмосферном канале связи на передачу квантовых состояний на боковых частотах лазерного фазомодулированного излучения;
Экспериментально продемонстрировать возможность передачи закодированных по фазе квантовых состояний через атмосферный канал связи с помощью метода квантовой коммуникации на боковых частотах;
Научная новизна работы определяется тем, что в ней впервые экспериментально продемонстрирована работа системы квантовой коммуникации на боковых частотах лазерного фазомодулированного излучения в атмосферном канале связи. Впервые был разработан метод расчета предельных параметров такой системы.
Теоретическая ценность и практическая значимость.
Разработанные математические модели и проведенные экспериментальные исследования показывают, что системы квантовой коммуникации на боковой частоте модулированного излучения универсальны и могут успешно применяться как в волоконно-оптическом, так и в атмосферном канале связи.
Защищаемые положения:
-
Разработан метод расчета предельных параметров квантовой коммуникации на боковых частотах лазерного фазомодулированного излучения в атмосферном канале связи. Для характерных параметров атмосферного канала (показатель турбулентности атмосферы 2 = 10-16 м-2/3, потери на рассеянии 1 дБ/км, диаметр апертуры приемо-передающей телескопической системы 50мм) предельное расстояние составило 4100 м при скорости передачи просеянных квантовых бит 1,5 кбит/с
-
Экспериментально продемонстрирована квантовая коммуникация на боковых частотах лазерного фазомодулированного излучения на расстоянии 25 метров, с видностью интерференции сигнала на боковых частотах 95%;
-
Экспериментально продемонстрировано, что метод квантовой коммуникации на боковых частотах лазерного фазомодулированного излучения инвариантен к повороту телескопической системы на основе волоконно-оптических коллиматоров вокруг оптической оси, коэффициент квантовых ошибок по битам при этом меняется не более чем на 0,5%
Апробация работы. Результаты диссертационной работы апробировались на Международных и Российских конференциях: XI Международный симпозиум по фотонному эхо и когерентной спектроскопии (ФЭКС - 2017) (Светлогорск, 2017); International School and Conference "Saint-Petersburg OPEN 2017"(Санкт-Петербург, 2017); CLEO-2015, San-Jose, USA; VII, VIII Международная конференция «Фундаментальные проблемы оптики» (Санкт-Петербург, 2012, 2014); III Всероссийская конференция по фотонике и информационной оптике (Москва, 2014); семинар «Защита информации: фундаментальные науки и прикладные аспекты» (Казань, 2012); International Conference «Laser Optics» (Санкт-Петербург, 2012, 2014); Научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО, (Санкт-Петербург, 2013, 2016, 2017).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 8 статьях, входящих в список ВАК. Полный перечень публикаций по теме работы, состоящий из 16 статей, представлен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Полныи объем диссертации составляет 100 страниц с 36 рисунками и 6 таблицами. Список литературы содержит 72 наименования.