id: Гость   вход   регистрация
текущее время 01:50 05/12/2021
Владелец: unknown редакция от 13/03/2012 11:28 (автор: unknown) Печать
Категории: криптография, квантовая криптография
создать
просмотр
редакции
ссылки

Это старая редакция страницы Библиотека / Статьи / Quantum Cryptography / Technology за 13/03/2012 11:28.


Технология


По существу две технологии делают возможной квантовую криптографию: источники и детекторы одиночных фотонов. Дополнительно необходим канал передачи однофотонных состояний, так называемый квантовый канал. Остальная часть системы реализуется посредством достаточно стандартного телекоммуникационного и электронного оборудования.

Однофотонные источники


Однофотонные источники труднореализуемы. Поэтому сегодня большинство систем полагаются на слабые лазерные импульсы. Обыкновенные лазерные импульсы, например от полупроводниковых лазеров, настраиваются так, чтобы в среднем получалось менее одного фотона за импульс. Проблема в таком подходе состоит в том, что существует значительная вероятность того, что за импульс будет высвечено два или более фотона, если только среднее число фотонов не сделать значительно меньшим единицы. Количество фотонов в импульсе подчиняется статистике Пуассона, которая например означает, что если среднее число фотонов в импульсе равно 0.1, то вероятность не найти ни одного фотона составит 0.9048, веростяность обнаружить один фотон составит 0.0905, а вероятность нахождения двух или более фотонов будет 0.0047. Если Алиса будет излучать импульсы, содержащие более одного фотона, то ЕВа сможет перехватить и сохранить один из фотонов импульса до того как будет объявлен базис. Затем она может выполнить совершенное измерение в этом базисе и изучить битовое значение кубита, отсылавшегося Бобу. Из-за этого, наличие многофотонных импульсов снижает пропускную способность при создании секретного ключа. Количество многофотонных импульсов по сравнению с однофотонными может быть снижено путём снижения среднего количества фотонов, однако когда среднее количество фотонов мало, это означает, что большинство битслотов остаются пустыми, что также приводит к снижению битрейта. В принципе, последнее может быть компенсировано увеличением уровня импульсов. Однако, остаётся другой недостаток, такой как тёмные щелчки (ошибочно детектируемые события), которые являются значительными в однофотонных детекторах. В результате по мере роста соотношения сигнал-шум, возрастает и битрейт квантовых ошибок, в то время как снижается среднее число фотонов.


Идеальный источник фотонов — это устройство, которое испускает по требованию одиночный фотон.18 Несмотря на сообщения о прогрессе, практические устройства так до сих пор и недоступны [17].


Несмотря на это, практические операции на десятки километров были осуществлены с использованием слабых источников единичных фотонов. Также существуют продвинутые протоколы19, которые позволяют безопасную эксплуатацию на расстояние свыше 100 км с источником слабых лазерных импульсов.

Однофотонные детекторы


Детектирование единичных фотонов может быть реализовано множеством способов, например при помощи фотоумножителей, фотодиодов с лавинным эффектом, также как и на основе множества видов более экзотических сверхпроводящих устройств, требующих охлаждения до температуры менее 4 K20. Лучшим и фактически единственным практичным выбором для использования в квантовой криптографии на сегодня является лавинный фотодиод [3]. Лавинный фотодиод — это полупроводниковый прибор, работающий под большим напряжением для детектирования единичных фотонов.21 Если единичный фотон будет поглощён полупроводником, то он испустит единичный электрон. Интенсивное электрическое поле в полупроводнике приведёт к тому, что этот начальный электрон столкнётся с решёткой и возбудит больше электронов, которые в результате усиления образуют лавину электронов (множество сотен). Эта лавина достаточно велика для того, чтобы соответствующий скачок тока регистрировался внешней схемой. К сожалению, лавина может возникнуть и без фотона, инициируемая тепловым возбуждением, туннелированием или испусканием захваченных носителей заряда. Последнее происходит когда электроны от предыдущей лавины застревают в дефектах полупроводниковой решетки и затем медленно высвобождаются. Это испускание захваченных зарядов ограничивает практическую скорость счёта. Это серьёзное ограничение в существующих системах, использующих слабые лазерные импульсы, где высокие скорости следования импульсов желательны для достижения приемлемых битрейтов.

Квантовый канал

Генератор случайных чисел


18 Такой источник часто называется фотонной пушкой.
19 Например протокол с ловушками состояний
20 Для обширного обзора техник детектирования фотонов см.
21 Фотодиод имеет обратное смещение ниже порога пробивного напряжения


Назад | Оглавление | Дальше