Временная синхронизация является одной из ключевых проблем, которые должны быть решены в процессе создания системы квантового распределения ключей (КРК). Точная синхронизация времени позволяет не только правильно присвоить порядковый номер каждому событию детектирования, но также увеличивает соотношение сигнал/шум. В спутниковой связи временная синхронизация затруднена особенно, ввиду таких факторов как высокие потери, замирание сигнала и эффект Доплера. В данной статье приводится описание простого, эффективного и надежного алгоритма для синхронизации времени. Алгоритм был протестирован в ходе реальных экспериментов по КРК между Micius, первым в мире спутником для квантовой связи, и приемной наземной станцией, расположенной на территории России. Полученная точность синхронизации лежит в диапазоне от 467 до 497 пс. Автор сравнивает свой алгоритм с использовавшимися ранее методами. Предлагаемый подход может применяться и для наземных систем КРК.
Идентификаторы и классификаторы
В основе квантовой криптографии лежит не вычислительная сложность используемых математических алгоритмов, а законы физики. Впервые эта идея была представлена в 1984 г. Чарльзом Беннетом и Жилем Брассаром, которые предложили первый протокол квантового распределения ключей [1]. В 1989 г. была продемонстрирована первая экспериментальная реализация квантового распределения ключей (КРК) [2]. В этом эксперименте кубиты были закодированы в поляризации фотонов, которые передавались через открытое пространство на оптическом столе на расстояние 32,5 см. С тех пор технология КРК претерпела существенное развитие. Расстояние между квантовым передатчиком и приемником существенно увеличилось. Так, в 2006 г. международная коллаборация ученых провела КРК между островами Пальма и Тенерифе в Атлантическом океане на расстояние 144 км с использованием протокола BB84 с состояниями-ловушками [3].
Список литературы
1. Bennett C.H., Brassard G. Quantum Cryptography: Public Key Distribution and Coin Tossing // Proc. Int. Conf. of Computers, Systems & Signal Processing. Bangalore, India. Dec. 9-12, 1984. V. 1. P. 175-179.
2. Bennett C.H., Bessette F., Brassard G., Salvail L., Smolin J. Experimental Quantum Cryptography // J. Cryptol. 1992. V. 5. № 1. P. 3-28. DOI: 10.1007/BF00191318 EDN: WNWECK
3. Schmitt-Manderbach T., Weier H., Furst M., Ursin R., Tiefenbacher F., Scheidl T., Perdigues J., Sodnik Z., Kurtsiefer C., Rarity J.G., Zeilinger A., Weinfurter H. Experimental Demonstration of Free-Space Decoy-State Quantum Key Distribution over 144 km // Phys. Rev. Lett. 2007. V. 98. № 1. P. 010504 (4 pp.). DOI: 10.1103/PhysRevLett.98.010504
4. Liu Y., Zhang W.-J., Jiang C., Chen J.-P., Zhang C., Pan W.-X., Ma D., Dong H., Xiong J.-M., Zhang C.-J., Li H., Wang R.-C., Wu J., Chen T.-Y., You L., Wang X.-B., Zhang Q., Pan, J.-W. Experimental Twin-Field Quantum Key Distribution over 1000 km Fiber Distance // Phys. Rev. Lett. 2023. V. 130. № 21. P. 210801 (6 pp.). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.210801 EDN: QHLHAO
5. Liao S.-K., Cai W.-Q., Liu W.-Y., Zhang L., Li Y., Ren J.-G., Yin J., Shen Q., Cao Y., Li Z.-P., Li F.-Z., Chen X.-W., Sun L.-H., Jia J.-J., Wu J.-C., Jiang X.-J., Wang J.-F., Huang Y.-M., Wang Q., Zhou Y.-L., Deng L., Xi T., Ma L., Hu T., Zhang Q., Chen Y.-A., Liu N.-L., Wang X.-B., Zhu Z.-C., Lu C.-Y., Shu R., Peng C.-Z., Wang J.-Y., Pan J.-W. Satellite-to-Ground Quantum Key Distribution // Nature. 2017. V. 549. № 7670. P. 43-47. DOI: 10.1038/nature23655
6. Liao S.-K., Cai W.-Q., Handsteiner J., Liu B., Yin J., Zhang L., Rauch D., Fink M., Ren J.-G., Liu W.-Y., Li Y., Shen Q., Cao Y., Li F.-Z., Wang J.-F., Huang Y.-M., Deng L., Xi T., Ma L., Hu T., Li L., Liu N.-L., Koidl F., Wang P., Chen Y.-A., Wang X.-B., Steindorfer M., Kirchner G., Lu C.-Y., Shu R., Ursin R., Scheidl T., Peng C.-Z., Wang J.-Y., Zeilinger A., Pan J.-W. Satellite-Relayed Intercontinental Quantum Network // Phys. Rev. Lett. 2018. V. 120. № 3. P. 030501 (4 pp.). DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.030501
7. Chen Y.-A., Zhang Q., Chen T.-Y., Cai W.-Q., Liao S.-K., Zhang J., Chen K., Yin J., Ren J.-G., Chen Z., Han S.-L., Yu Q., Liang K., Zhou F., Yuan X., Zhao M.-S., Wang T.-Y., Jiang X., Zhang L., Liu W.-Y., Li Y., Shen Q., Cao Y., Lu C.-Y., Shu R., Wang J.-Y., Li L., Liu N.-L., Xu F., Wang X.-B., Peng C.-Z., Pan J.-W. An Integrated Space-to-Ground Quantum Communication Network over 4,600 Kilometres // Nature. 2021. V. 589. № 7841. P. 214-219. DOI: 10.1038/s41586-020-03093-8 EDN: FFPBML
8. Yin J., Cao Y., Li Y.-H., Liao S.-K., Zhang L., Ren J.-G., Cai W.-Q., Liu W.-Y., Li B., Dai H., Li G.-B., Lu Q.-M., Gong Y.-H., Xu Y., Li S.-L., Li F.-Z., Yin Y.-Y., Jiang Z.-Q., Li M., Jia J.-J., Ren G., He D., Zhou Y.-L., Zhang X.-X., Wang N., Chang X., Zhu Z.-C., Liu N.-L., Chen Y.-A., Lu C.-Y., Shu R., Peng C.-Z., Wang J.-Y., Pan J.-W. Satellite-Based Entanglement Distribution over 1200 Kilometers // Science. 2017. V. 356. № 6343. P. 1140-1144. DOI: 10.1126/science.aan3211 EDN: KQUSGG
9. Yin J., Li Y.-H., Liao S.-K., Yang M., Cao Y., Zhang L., Ren J.-G., Cai W.-Q., Liu W.-Y., Li S.-L., Shu R., Huang Y.-M., Deng L., Li L., Zhang Q., Liu N.-L., Chen Y.-A., Lu C.-Y., Wang X.-B., Xu F., Wang J.-Y., Peng C.-Z., Ekert A.K., Pan J.-W. Entanglement-Based Secure Quantum Cryptography over 1,120 Kilometres // Nature. 2020. V. 582. № 7813. P. 501-505. DOI: 10.1038/s41586-020-2401-y EDN: TQZOQL
10. Ren J.-G., Xu P., Yong H.-L., Zhang L., Liao S.-K., Yin J., Liu W.-Y., Cai W.-Q., Yang M., Li L., Yang K.-X., Han X., Yao Y.-Q., Li J., Wu H.-Y., Wan S., Liu L., Liu D.-Q., Kuang Y.-W., He Z.-P., Shang P., Guo C., Zheng R.-H., Tian K., Zhu Z.-C., Liu N.-L., Lu C.-Y., Shu R., Chen Y.-A., Peng C.-Z., Wang J.-Y., Pan J.-W. Ground-to-Satellite Quantum Teleportation // Nature. 2017. V. 549. № 7670. P. 70-73. DOI: 10.1038/nature23675
11. Beveratos A., Brouri R., Gacoin T., Villing A., Poizat J.-P., Grangier P. Single Photon Quantum Cryptography // Phys. Rev. Lett. 2002. V. 89. № 18. P. 187901 (4 pp.). DOI: 10.1103/PhysRevLett.89.187901
12. Stucki D., Gisin N., Guinnard O., Ribordy G., Zbinden H. Quantum Key Distribution over 67 km with a Plug&Play System // New J. Phys. 2002. V. 4. P. 41 (8 pp.). DOI: 10.1088/1367-2630/4/1/341
13. Sasaki M., Fujiwara M., Ishizuka H., Klaus W., Wakui K., Takeoka M., Miki S., Yamashita T., Wang Z., Tanaka A., Yoshino K., Nambu Y., Takahashi S., Tajima A., Tomita A., Domeki T., Hasegawa T., Sakai Y., Kobayashi H., Asai T., Shimizu K., Tokura T., Tsurumaru T., Matsui M., Honjo T., Tamaki K., Takesue H., Tokura Y., Dynes J.F., Dixon A.R., Sharpe A.W., Yuan Z.L., Shields A.J., Uchikoga S., Legre M., Robyr S., Trinkler P., Monat L., Page J.-B., Ribordy G., Poppe A., Allacher A., Maurhart O., Langer T., Peev M., Zeilinger A. Field Test of Quantum Key Distribution in the Tokyo QKD Network // Opt. Express. 2011. V. 19. № 11. P. 10387-10409. DOI: 10.1364/OE.19.010387 EDN: OLLASF
14. Wang S., Chen W., Yin Z.-Q., Li H.-W., He D.-Y., Li Y.-H., Zhou Z., Song X.-T., Li F.-Y., Wang D., Chen H., Han Y.-G., Huang J.-Z., Guo J.-F., Hao P.-L., Li M., Zhang C.-M., Liu D., Liang W.-Y., Miao C.-H., Wu P., Guo G.-C., Han Z.-F. Field and Long-Term Demonstration of a Wide Area Quantum Key Distribution Network // Opt. Express. 2014. V. 22. № 18. P. 21739-21756. DOI: 10.1364/OE.22.021739
15. Wang C., Li Y., Cai W., Yang M., Liu W., Liao S., Peng C. Robust Aperiodic Synchronous Scheme for Satellite-to-Ground Quantum Key Distribution // Appl. Opt. 2021. V. 60. № 16. P. 4787-4792. DOI: 10.1364/AO.425085 EDN: HYYPGB
16. Shakhovoy R., Puplauskis M., Sharoglazova V., Maksimova E., Hydyrova S., Kurochkin V., Duplinskiy A. Wavelength- and Time-Division Multiplexing via Pump Current Variation of a Pulsed Semiconductor Laser-A Method of Synchronization for Quantum Key Distribution // IEEE J. Quantum Electron. 2023. V. 59. № 1. Article No. 8000110 (10 pp.). DOI: 10.1109/JQE.2023.3237265
17. Calderaro L., Stanco A., Agnesi C., Avesani M., Dequal D., Villoresi P., Vallone G. Fast and Simple Qubit-Based Synchronization for Quantum Key Distribution // Phys. Rev. Appl. 2020. V. 13. № 5. P. 054041 (9 pp.). DOI: 10.1103/PhysRevApplied.13.054041 EDN: MFVLNT
18. Wang C.-Z., Li Y., Cai W.-Q., Liu W.-Y., Liao S.-K., Peng C.-Z. Synchronization Using Quantum Photons for Satellite-to-Ground Quantum Key Distribution // Opt. Express. 2021. V. 29. № 19. P. 29595-29603. DOI: 10.1364/OE.433631 EDN: TQMMAN
19. Takenaka H., Carrasco-Casado A., Fujiwara M., Kitamura M., Sasaki M., Toyoshima M. Satellite-to-Ground Quantum-Limited Communication Using a 50-kg-Class Microsatellite // Nat. Photon. 2017. V. 11. P. 502-508. DOI: 10.1038/nphoton.2017.107
20. Lu C.-Y., Cao Y., Peng C.-Z., Pan J.-W. Micius Quantum Experiments in Space // Rev. Mod. Phys. 2022. V. 94. № 3. P. 035001 (46 pp.). DOI: 10.1103/RevModPhys.94.035001 EDN: XMPPVL
21. Хмелев А.В., Дуплинский А.В., Майборода В.Ф., Бахшалиев Р.М., Баланов М.Ю., Курочкин В.Л., Курочкин Ю.В. Регистрация однофотонного сигнала от низколетящих спутников для целей спутникового квантового распределения ключей // Письма в ЖТФ. 2021. Т. 47. № 17. С. 46-49. DOI: 10.21883/PJTF.2021.17.51387.18817 EDN: WGGGHM
22. Khmelev A.V., Duplinsky A.V., Kurochkin V.L., Kurochkin Y.V. Stellar Calibration of the Single-Photon Receiver for Satellite-to-Ground Quantum Key Distribution // J. Phys.: Conf. Ser. 2021. V. 2086. № 1. P. 012137 (5 pp.). DOI: 10.1088/1742-6596/2086/1/012137 EDN: TSDGFJ
23. Khmelev A.V., Ivchenko E.I., Miller A.V., Duplinsky A.V., Kurochkin V.L., Kurochkin Yu.V. Semi-Empirical Satellite-to-Ground Quantum Key Distribution Model for Realistic Receivers // Entropy. 2023. V. 25. № 4. P. 670 (14 pp.),. DOI: 10.3390/e25040670 EDN: PLBAMI
24. Miller A.V., Pismeniuk L.V., Duplinsky A.V., Merzlinkin V.E., Plukchi A.A., Tikhonova K.A., Nesterov I.S., Sevryukov D.O., Levashov S.D., Fetisov V.V., Krasnopejev S.V., Bakhshaliev R.M. Vector-Towards Quantum Key Distribution with Small Satellites // EPJ Quantum Technol. 2023. V. 10. Article No. 52 (20 pp.). DOI: 10.1140/epjqt/s40507-023-00208-8 EDN: PRPBCA
25. Wu Q.-L., Han Z.-F., Miao E.-L., Liu Y., Dai Y.-M., Guo G.-C. Synchronization of Free-Space Quantum Key Distribution // Opt. Commun. 2007. V. 275. № 2. P. 486-490. DOI: 10.1016/j.optcom.2007.03.068
Выпуск
Другие статьи выпуска
Предлагается подход для обобщения полученных авторами ранее формул для первого и второго моментов очереди в системе массового обслуживания с неординарным пуассоновским входным потоком, одним прибором и постоянным временем обслуживания на случай переменного времени обслуживания. Время обслуживания предполагается случайной величиной с конечным множеством значений. Эта модель адекватна для широкого класса систем пакетной передачи информации, так как в реальных системах время передачи пакета может принимать только конечное число значений.
Сделана попытка дать точную математическую интерпретацию соотношения неопределенностей “энергия-время”.
Основной проблемой анализа кодов с малой плотностью проверок на четность является оценка чрезвычайно низкого уровня ошибок, возникающего при высоком отношении сигнал/шум. Популярным подходом к решению этой проблемы является метод выборки по значимости. В существующих работах в качестве выборочного распределения метода выборки по значимости используется нормальное распределение со смещенным средним значением, что приводит к большой дисперсии оценки. В свою очередь, равномерное распределение имеет равновероятные выборки во всем диапазоне, что может снизить дисперсию, но приведет к смещенной оценке. Мы предлагаем модифицированный метод выборки по значимости, который позволяет рассматривать равномерное распределение в качестве выборочного, и показываем, что эта оценка лучше, чем традиционная, основанная на нормальном распределении. Также показано, что существующие критерии невозможно применить для оценки точности метода выборки по значимости с равномерным распределением во всем диапазоне отношений сигнал/шум. Для решения этой проблемы предложена новая метрика, которая использует только скорость сходимости и не зависит от истинных данных.
Издательство
- Издательство
- ИППИ РАН
- Регион
- Россия, Москва
- Почтовый адрес
- Большой Каретный пер., 19, стр. 1
- Юр. адрес
- Большой Каретный пер., 19, стр. 1
- ФИО
- Соболевский Андрей Николаевич (Директор)
- E-mail адрес
- director@iitp.ru
- Контактный телефон
- +7 (495) 6504274
- Сайт
- http:/iitp.ru