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 K.²⁰ 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

Алиса и Боб должны быть соединены квантовым каналом. Этот канал должен быть таким, чтобы кубит был защищён от шума внешей среды. Стандартное одномодовое оптоволокно, используемое для передачи данных и телекоммуникаций является почти идеальным каналом для передачи одиночных фотонных состояний (кубитов). Все оптические волокна имеют потери в процессе передачи, ограничивающие количество кубитов, достигающих детектора. Это оказывает прямое влияние на скорость обмена ключами и сырые данные прямо пропорциональны вероятности передачи фотона на линии. Современные телекоммуникационные волокна имеют потери около 2 dB/km, 0.35 dB/km и 0.2 dB/km и обычно используют окна длин волн 800 nm, 1300 nm и 1550 nm соответственно. На 1550 нм это означает, что по крайней мере 50% фотонов будут потеряны на расстоянии 15 км или 99% на расстоянии 100 км. Наибольшее успешное распределение квантового ключа, по данным лабораторных экспериментов было 250 км при крайне низком битрейте 15 секретных бит/с. Сегодняшние коммерческие системы ограничены 50-100 км.

Все волокна подвергаются случайным воздействиям окружающей среды, таким как изменения температуры. Это искажает поляризационные состояния и таким образом меняет состояния кубитов. Следовательно, уровень ошибок возрастает на несовершенном канале. Глобальный эффект от такого возмущения — это видоизменение между входом и выходом оптоволокна. Если такое изменение стабильно, то Алиса и Боб могут компенсировать его, применяя для выравнивания поляризационный контроллер, определяя направление горизонтальной и вертикальной поляризации. Если такая трансформация является медленно меняющейся, то для периодической подстройки возможно использовать систему обратной связи. Возможны интеллектуальные решения: ранние коммерческие системы использовали т.н. "plug and play" оптические схемы, которые прекращали возмущения поляризации без необходимости активного контроля [12].

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